KR101346995B1

KR101346995B1 - 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드

Info

Publication number: KR101346995B1
Application number: KR1020120093397A
Authority: KR
Inventors: 손준호; 조문기
Original assignee: 주식회사 케이씨텍
Priority date: 2012-08-27
Filing date: 2012-08-27
Publication date: 2014-01-16

Abstract

본 발명은 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드에 관한 것으로, 캐리어 구동 샤프트에 연결되어 상기 캐리어 구동 샤프트에 회전 구동되어, 연마 정반의 연마 패드 상에 웨이퍼를 가압하면서 회전시키는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드로서, 상기 캐리어 구동 샤프트에 일체로 결합되어 회전 구동되는 본체와; 상기 본체로부터 상기 웨이퍼의 판면을 향하여 연장된 연결 부재와; 상기 본체와 상기 연결 부재의 사이에 개재되어, 상기 연결 부재를 상기 본체에 대하여 틸팅 회전할 수 있도록 허용하는 가요성 재질의 제1탄성링과; 상기 연결 부재와 함께 상기 본체에 대하여 틸팅 회전하고, 상기 웨이퍼를 가압하는 멤브레인이 고정되는 베이스를; 포함하여 구성되어, 상기 1탄성링의 탄성 변형에 의해 연결 부재와, 베이스와, 멤브레인과, 멤브레인의 저면에 위치한 웨이퍼가 연마 패드의 경사 기울기에 맞게 틸팅되는 것이 허용됨에 따라, 웨이퍼는 항상 연마 패드의 경사 기울기에 따라 틸팅되어 전체 표면이 연마 패드에 밀착된 밸런스 상태로 가압되므로, 웨이퍼의 균일한 연마를 가능하게 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드를 제공한다.

Description

화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드{CARRIER HEAD IN CHEMICAL MECHANICAL POLISHING APPARATUS}

본 발명은 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드에 관한 것으로, 상세하게는 캐리어 헤드의 압력 챔버의 팽창에 의해 웨이퍼를 가압하는 압력이 웨이퍼의 전체 표면에 걸쳐 일정하게 유지되도록 하는 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드에 관한 것이다.

화학기계적 연마(CMP) 장치는 반도체소자 제조과정 중 마스킹, 에칭 및 배선공정 등을 반복 수행하면서 생성되는 웨이퍼 표면의 요철로 인한 셀 지역과 주변 회로지역간 높이 차를 제거하는 광역 평탄화와, 회로 형성용 콘택/배선막 분리 및 고집적 소자화에 따른 웨이퍼 표면 거칠기 향상 등을 도모하기 위하여, 웨이퍼의 표면을 정밀 연마 가공하는데 사용되는 장치이다.

이러한 CMP 장치에 있어서, 캐리어 헤드는 연마공정 전후에 웨이퍼의 연마 면이 연마 패드와 마주보게 한 상태로 상기 웨이퍼를 가압하여 연마 공정을 행하도록 하고, 동시에 연마 공정이 종료되면 웨이퍼를 직접 및 간접적으로 진공 흡착하여 파지한 상태로 그 다음 공정으로 이동한다.

이를 위하여, 도1a 및 도1b에 도시된 CMP장치(1)에 나타난 바와 같이, 웨이퍼(W)는 캐리어 헤드(20)에 의해 가압되면서, 캐리어 구동 샤프트(30)에 의해 회전(30d) 구동된다. 이와 동시에, 상면에 연마 패드(11)가 장착된 연마 정반(10)도 회전(10d)하며, 슬러리 공급기(35)의 공급구(36)로부터 슬러리가 공급된다. 그리고, 회전(11d)하는 연마 패드(11)가 웨이퍼(W)의 CMP연마 공정에도 일정한 상태를 유지시키도록 컨디셔너(40)가 소정의 각도만큼 선회축(41)을 중심으로 선회(41d)하면서 회전(40d)하여 연마 패드(11)를 드레싱한다.

이와 같이 행해지는 CMP 공정은 웨이퍼(W)의 표면은 슬러리에 의해 화학적으로 연마되면서 연마 패드(11)와 기계적으로 연마된다. 따라서, 연마 패드(11)도 표면이 마모되는데, 연마 패드(11)의 마모량이 국부적으로 편차가 발생된다. 따라서, 연마 패드(11)의 표면은 어느 방향으로 기울어지는 현상이 발생된다. 그러나, 캐리어 헤드(20)는 웨이퍼(W)를 지속적으로 캐리어 구동 샤프트(30)의 길이 방향으로만 가압하므로, 웨이퍼(W)의 전체 표면이 CMP공정 중에 연마 패드(11)에 항상 일정하게 접촉하지 못하여, 웨이퍼(W)의 연마량이 국부적으로 차이가 발생되는 문제점이 야기되었다.

따라서, 연마 패드(11)의 불균일한 마모에도 불구하고 웨이퍼(W)의 연마량이 균일하게 제어되고자 하는 필요성이 크게 대두되고 있다.

본 발명은 전술한 기술적 배경하에서 창안된 것으로, 본 발명은 CMP 공정 중에 연마 패드가 불균일하게 마모되더라도, 웨이퍼의 전체 표면이 연마 패드에 밀착된 밸런스 상태를 신뢰성있게 유지하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 연마 패드에 맞닿아 연마되고 있는 웨이퍼를 둘러싸고 있는 리테이너 링도 연마 패드의 불균일한 연마에도 연마 패드에 밀착됨으로써, 연마 중인 웨이퍼에 슬러리가 균일한 양만큼 유입되도록 하면서 웨이퍼의 위치를 안내하는 것을 목적으로 한다.

이를 통해, CMP 공정 중에 연마 패드의 불균일한 마모 상태에도 불구하고 웨이퍼의 연마량이 균일해지도록 하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 캐리어 구동 샤프트에 연결되어 상기 캐리어 구동 샤프트에 회전 구동되어, 연마 정반의 연마 패드 상에 웨이퍼를 가압하면서 회전시키는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드로서, 상기 캐리어 구동 샤프트에 일체로 결합되어 회전 구동되는 본체와; 상기 본체로부터 상기 웨이퍼의 판면을 향하여 연장된 연결 부재와; 상기 본체와 상기 연결 부재의 사이에 개재되어, 상기 연결 부재를 상기 본체에 대하여 틸팅 회전할 수 있도록 허용하는 가요성 재질의 제1탄성링과; 상기 연결 부재와 함께 상기 본체에 대하여 틸팅 회전하고, 상기 웨이퍼를 가압하는 멤브레인이 고정되는 베이스를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드를 제공한다.

즉, 캐리어 구동 샤프트에 결합되어 캐리어 구동 샤프트와 하나의 몸체로 함께 회전하는 본체에 대하여 웨이퍼를 가압하는 멤브레인이 베이스에 고정되고, 베이스와 일체로 움직이는 연결 부재가 본체와 가요성 재질인 제1탄성링을 사이에 두고 위치함에 따라, 캐리어 구동 샤프트가 그 길이 방향으로 본체를 하방으로 가압하더라도, 제1탄성링의 탄성 변형에 의해 연결 부재와, 베이스와, 멤브레인과, 멤브레인의 저면에 위치한 웨이퍼는 연마 패드의 경사 기울기에 맞게 틸팅되는 것이 허용된다. 따라서, 멤브레인에 의해 가압되는 웨이퍼는 항상 연마 패드의 경사 기울기에 따라 틸팅되어 전체 표면이 연마 패드에 밀착된 밸런스 상태로 가압되므로, 연마 패드의 불균일한 마모에도 불구하고 CMP공정 중에 웨이퍼는 전체 표면에 걸쳐 멤브레인에 의해 제어되는 가압력으로 정확하게 가압되면서 연마된다.

본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 상기 본체에는 오목한 구형홈이 저면에 형성되고, 상기 연결 부재에는 상기 구형홈과 맞닿는 볼록한 구형부가 형성되어, 상기 연결 부재가 상기 본체에 대하여 틸팅(tilting)될 수 있도록 배치된다. 이를 통해, 연결 부재, 베이스, 멤브레인 및 웨이퍼는 본체에 대하여 틸팅되는 회전 중심이 항상 일정해지므로, 연마 패드의 편마모량(이하, 연마 패드의 두께가 불균일한 마모에 의해 불균해진 상태를 '편마모'라고 함)에 따른 틸팅 자세를 일정하게 할 수 있다.

따라서, 상기 구형홈과 상기 구형부는 상기 베이스의 회전 중심축에 구심(球心)이 위치하는 것이 제어의 편의 측면과 웨이퍼의 균일한 연마를 위하여 보다 바람직하다.

이 때, 상기 연결 부재의 상기 구형부에는 반경 방향으로 원판 형상으로 돌출된 원형 연장부가 형성되고; 상기 제1탄성링은 'ㄷ'자 단면의 링 형상으로 형성되어, 상기 'ㄷ'자 단면이 상기 원형 연장부의 3개 면을 감싸면서, 상기 'ㄷ'자 단면의 1면 이상은 상기 본체에 맞닿도록 배열된다. 이와 같이, 제1탄성링이 틸팅 중심으로부터 이격된 위치를 감싸는 링 형상으로 형성됨에 따라, 연마 패드의 편마모에 의해 틸팅된 자세가 연마 패드의 회전 등에 영향을 받지 않고 안정적으로 일정하게 유지할 수 있다. 따라서, CMP 공정을 위하여 웨이퍼에 가해지는 가압력이 안정적으로 유지되어, 웨이퍼의 균일한 연마를 행할 수 있도록 한다.

상기 멤브레인은 중앙부에 상기 웨이퍼에 직접 부압 또는 정압을 가하는 관통공이 형성되고, 상기 연결 부재는 연장 방향을 따라 상기 관통공과 연통되는 중앙 통로가 형성되어, 상기 관통공과 상기 중앙 통로를 통해 상기 웨이퍼에 부압 또는 정압이 가해지도록 제어될 수 있다.

무엇보다도, 상기 제1탄성링은 상기 연마 패드의 탄성의 80% 내지 120%의 탄성을 갖는 재질로 선택된다. 보다 바람직하게는 우레탄, 고무 등 연마 패드와 동일한 재질로 선택되어, 우레탄과 동일한 강성이나 경도를 갖는 것이 효과적이다. 이를 통해, 제1탄성링과 연마 패드의 탄성 및 경도가 서로 평형을 이루어, 베이스와 함께 틸팅되는 멤브레인의 틸팅 자세가 연마 패드에 지지된 상태로 안정되게 유지된다.

한편, 본 발명은, 웨이퍼를 가압하는 멤브레인 뿐만 아니라 웨이퍼의 둘레를 감싸는 리테이너링의 틸팅을 허용함으로써, 연마 패드의 편마모가 발생된 경우라도, 연마 패드에 공급되는 슬러리가 갑자기 많은 양이 웨이퍼에 공급되거나 소정의 시간 동안 슬러리가 웨이퍼에 공급되지 않는 것을 방지하여, 웨이퍼의 화학적 연마를 안정적으로 예정된 양만큼씩 일정하게 행해질 수 있도록 한다. 이 때, 리테이너링의 틸팅은 멤브레인의 틸팅과 상호 연동되어 함께 행해질 수도 있지만, 상호 독립적으로 행해질 수 있다.

이를 위하여, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 멤브레인에 의해 가압되면서 회전하는 웨이퍼의 둘레를 감싸는 리테이너링을 지지하는 리테이너링 지지부와; 상기 본체와 상기 리테이너링 지지부의 사이에 개재되어, 상기 리테이너링 지지부가 상기 본체에 대하여 틸팅될 수 있도록 허용하는 가요성 재질의 제2탄성링을; 더 포함하여 구성된다.

따라서, 리테이너링이 위치한 리테이너링 지지부가 본체와 가요성 재질인 제2탄성링을 사이에 두고 위치함에 따라, 캐리어 구동 샤프트가 그 길이 방향으로 본체를 하방으로 가압하더라도, 제2탄성링의 탄성 변형에 의해 리테이너링 지지부는 본체에 대하여 연마 패드의 경사 기울기에 맞게 틸팅되는 것이 허용되므로, 리테이너링은 연마 패드에 항상 밀착된 밸런스 상태로 유지된다. 따라서, 연마 패드가 편마모된 상태라고 하더라도, 리테이너링에 형성된 홈을 통해 그 바깥 주변에 도포되는 슬러리가 예정된 양만큼씩 웨이퍼에 유입되므로, 균일한 화학적 연마가 행해진다.

이 때, 상기 제1탄성링과 상기 제2탄성링을 본체에 위치시키는 고정 부재가 이들 탄성링의 저면과 밀착하여 상기 본체에 고정됨으로써, 제1탄성링과 제1탄성링을 쉽게 위치시킬 수 있다.

제1탄성링과 마찬가지로, 상기 제2탄성링은 상기 연마 패드의 탄성의 80% 내지 120%의 탄성을 갖는 재질로 선택된다. 보다 바람직하게는 우레탄, 고무 등 연마 패드와 동일한 재질로 선택되어, 우레탄과 동일한 강성이나 경도를 갖는 것이 효과적이다. 이를 통해, 제2탄성링과 연마 패드의 탄성 및 경도가 서로 평형을 이루어, 틸팅되는 리테이너 링의 틸팅 자세가 연마 패드에 지지된 상태로 안정되게 유지된다.

한편, 본 발명은, 캐리어 구동 샤프트에 결합되어 상기 캐리어 구동 샤프트에 회전 구동되어, 연마 정반의 연마 패드 상에 웨이퍼를 가압하면서 회전시키는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드로서, 상기 캐리어 구동 샤프트에 결합되어 회전 구동되는 본체와; 상기 멤브레인에 의해 가압되면서 회전하는 웨이퍼의 둘레를 감싸는 리테이너링을 지지하는 리테이너링 지지부와; 상기 본체와 상기 리테이너링 지지부의 사이에 개재되어, 상기 리테이너링 지지부를 상기 본체에 대하여 틸팅할 수 있도록 허용하는 가요성 재질의 제2탄성링을; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드를 제공한다. 즉, 본 발명은 리테이너 링이 본체에 대하여 틸팅되는 구조만을 포함한다.

그리고, 본 발명은, 캐리어 구동 샤프트에 결합되어 상기 캐리어 구동 샤프트에 회전 구동되어, 연마 정반의 연마 패드 상에 웨이퍼를 가압하면서 회전시키는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드로서, 상기 캐리어 구동 샤프트에 결합되어 함께 회전 구동되고, 저면에 오목한 구형홈이 형성된 본체와; 상기 구형홈과 맞닿는 볼록한 구형부가 형성되어, 상기 본체에 대하여 틸팅할 수 있도록 배치되고, 상기 본체로부터 상기 웨이퍼의 판면을 향하여 연장된 연결 부재와; 상기 연결 부재와 함께 상기 본체에 대하여 틸팅 회전하고, 상기 웨이퍼를 가압하는 멤브레인이 고정되는 베이스를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드를 제공한다.

본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 '틸팅(tilting)'이라는 용어는 캐리어 구동 샤프트의 길이 방향을 중심으로 회전하는 방향이 아니라,이에 수직한 방향으로의 회전(도면부호 98, 99)으로 정의한다.

본 발명에 따르면, 연마 패드의 표면이 불균일하게 연마되어 편마모가 발생되고, 동시에 캐리어 구동 샤프트가 그 길이 방향으로 본체를 하방으로 가압하더라도, 캐리어 구동 샤프트에 결합되어 캐리어 구동 샤프트와 하나의 몸체로 함께 회전하는 본체에 대하여 웨이퍼를 가압하는 멤브레인이 베이스에 고정되고, 베이스와 일체로 움직이는 연결 부재가 본체와 가요성 재질인 제1탄성링을 사이에 두고 위치함에 따라, 제1탄성링의 탄성 변형에 의해 연결 부재와, 베이스와, 멤브레인과, 멤브레인의 저면에 위치한 웨이퍼가 연마 패드의 경사 기울기에 맞게 틸팅되어 연마 패드에 밀착된 밸런스 상태가 유지되므로, CMP 공정 중에 웨이퍼에 가하고자 하는 가압력이 그대로 가압되어 의도된 기계적 연마가 정확하게 행해질 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명은, 연마 패드의 표면이 불균일하게 연마되어 편마모가 발생되고, 동시에 캐리어 구동 샤프트가 그 길이 방향으로 본체를 하방으로 가압하더라도, 캐리어 구동 샤프트에 결합되어 캐리어 구동 샤프트와 하나의 몸체로 함께 회전하는 본체에 대하여 웨이퍼의 둘레를 감싸는 리테이너링이 위치한 리테이너링 지지부가 본체에 대하여 가요성 재질인 제1탄성링을 사이에 두고 위치함에 따라, 제2탄성링의 탄성 변형에 의해 리테이너링이 연마 패드의 경사 기울기에 맞게 틸팅되어 연마 패드에 밀착된 밸런스 상태가 유지되므로, CMP 공정 중에 웨이퍼에 가하고자 하는 양의 슬러리가 정확히 웨이퍼에 공급되어, 의도된 화학적 연마가 정확하게 행해질 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

이를 통해, 본 발명은 캐리어 헤드의 압력 챔버의 팽창에 의해 웨이퍼를 연마 패드에 가압하는 압력이 웨이퍼의 전체 표면에 걸쳐 일정하게 유지되고, 웨이퍼에 공급되는 슬러리가 의도한 양만큼씩 정확히 조절됨에 따라, 웨이퍼의 화학 기계적 연마량이 전체 표면에 걸쳐 정확하게 제어할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

도1a는 일반적인 화학 기계적 연마 장치의 구성을 도시한 정면도
도1b는 일반적인 화학 기계적 연마 장치의 구성을 도시한 평면도
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드의 구성을 도시한 단면도
도3은 도2의 'A'부분의 확대도
도4는 본체에 대하여 연결 부재, 베이스, 멤브레인 및 웨이퍼가 틸팅된 상태의 캐리어 헤드를 도시한 도면
도5는 본체에 대하여 리테이너링 지지부가 틸팅된 상태의 캐리어 헤드를 도시한 도면

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드(100)를 상술한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해서는 동일 또는 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

도2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드(100)는, 캐리어 구동 샤프트(도1a의 30)에 결합되어 캐리어 구동 샤프트(30)에 의해 회전 구동되는 본체(110)와, 본체(110)의 저면에 형성된 오목한 구형홈(110s)에 맞닿는 구형부(120s)이 구비되어 본체(110)의 구형홈(110s)의 구심(球心)을 중심으로 틸팅되는 연결 부재(120)와, 연결 부재(120)의 구형부(120s)의 반경 바깥 방향으로 돌출된 원형 연장부(121)의 상,저면 및 측면을 감싸는 제1탄성링(130)과, 멤브레인(M)에 의해 연마 패드(11)를 향해 가압되는 웨이퍼(W)의 둘레를 감싸는 리테이너링(145)을 위치시키는 리테이너링 지지부(140)와, 리테이너링 지지부(140)의 중앙부의 상,저면 및 측면을 감싸는 제2탄성링(150)과, 제1탄성링(130)과 제2탄성링(150)의 저면에 맞닿아 지지한 상태로 본체(110)에 볼트(161)에 의해 고정되어 제1탄성링(130)과 제2탄성링(150)의 위치를 고정시키는 고정 부재(160)와, 연결 부재(120)의 둘레에 밀착되어 연결 부재(120)와 함께 틸팅되는 연결 부재 홀더(170)와, 연결 부재 홀더(170)와 결합되어 함께 일체로 틸팅되고 멤브레인(M)을 위치 고정시키는 베이스(180)와, 멤브레인(M)의 중앙부 플랩을 고정시키는 플랩 고정 블록(190)으로 구성된다.

상기 본체(110)는 캐리어 구동 샤프트(30)에 결합되어, 캐리어 구동 샤프트(30)의 회전 토크를 전달받아 캐리어 헤드(100)를 회전시킨다. 도면에 도시되지 않은 연결 수단에 의해, 리테이너링 지지부(140), 베이스(180) 등이 본체(110)와 함께 회전된다. 본체(110)의 상측은 커버(90)에 의해 덮힌 상태로 구성될 수 있으나, 본 발명의 다른 실시 형태는 별도의 커버(90)를 구비하지 않을 수도 있다.

상기 연결 부재(120)는 캐리어 구동 샤프트(30)가 본체(120)에 결합된 본체(110)에 대하여 구형홈(110s)의 구심(120c)에 대하여 틸팅되는 자유도를 갖는다. 따라서, 캐리어 구동 샤프트(30)가 본체(120)를 하방으로 이동시켜 웨이퍼(W)가 연마 패드(11)의 표면에 닿게 되면, 캐리어 헤드(100)의 자중이나 캐리어 구동 샤프트(30)의 이동에 따른 하중에 의하여 멤브레인(M)의 표면이 연마 패드(11)의 표면에 밀착될 수 있도록, 연결 부재(120)는 본체(110)에 대하여 멤브레인(M)을 틸팅시키는 매개체 역할을 한다.

연결 부재(120)의 구형부(120s)는 본체(110)의 구형홈(110s)과 동일하거나 약간 작은 반경으로 형성되고, 이들의 구심(120c)은 본체(110)의 회전 중심축(68) 상에서 서로 동일한 위치에 배열된다. 따라서, 구형부(120s)와 구형홈(110s)의 표면이 슬립(slip)되면서 연결 부재(120)는 본체(110)에 대하여 틸팅된다.

상기 제1탄성링(130)은 고무나 우레탄 등의 탄성을 갖는 가요성 재질로 형성되며, 'ㄷ'자 단면의 링 형태로 형성되어 연결 부재(120)의 반경 바깥으로 돌출된 두꺼운 디스크 형상의 원형 연장부(121)의 상면, 저면, 측면을 감싸도록 배열된다. 이와 동시에, 제1탄성링(130)이 원형 연장부(121)의 상면과 측면을 감싸는 부분은 본체(110)에 밀착된 상태로 설치된다. 따라서, 제1탄성링(130)은 'ㄷ'자 단면의 측면과 상면이 연결 부재(120)의 원형 연장부(121)와 본체(110)의 사이에 낀 상태로 설치된다.

따라서, 연결 부재(120)의 구형부(120s)가 본체(110)의 구형홈(110s)에 대하여 미끄럼 회전하는 변위가 제1탄성링(130)의 탄성에 의해 허용되어, 연결 부재(120) 및 멤브레인(M)의 틸팅(도4의 99)이 허용된다. 무엇보다도, 제1탄성링(130)은 본체(110)의 회전 중심축(68)으로부터 이격된 위치에 배치되므로, 멤브레인(M)이 연마 패드(11)와 밀착된 밸런스 상태를 효과적으로 유지하면서 밸런스가 깨져 요동하는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.

상기 제1탄성링(130)은 가요성 재질로 형성되되 연마 패드(11)의 80% 내지 120%의 탄성을 갖는 재질로 형성된다. 보다 바람직하게는, 제1탄성링(130)은 상기 연마 패드(11)와 동일한 재질인 고무나 우레탄 재질로 형성된다. 즉, 고무 재질 중에 경도가 높은 재질로 선택될 수 있다. 이를 통해, 제1탄성링(130)과 연마 패드(11)의 탄성, 강도 및 경도가 서로 평형을 이루어, 베이스(180)와 함께 틸팅되는 멤브레인(M)의 틸팅 자세가 연마 패드(11)에 지지된 상태로 안정되게 유지된다.

상기 리테이너링 지지부(140)는 연마 패드(11)와 접촉한 상태를 유지하면서 CMP 공정 중인 웨이퍼(W)의 둘레를 감싸는 리테이너링(145)이 장착된다. 리테이너링(145)에는 반경 방향으로 홈(미도시)이 형성되어, 리테이너링(145)의 바깥과 내부를 연통한다. 따라서, 도1b에 도시된 바와 같이 연마 패드(11) 상에 도포되는 슬러리를 정해진 양만큼씩 리테이너링(145)에 의해 둘러싸인 웨이퍼(W)에 공급될 수 있도록 한다. 리테이너 링(145)은 그 상측의 조정 챔버(145c)의 압력을 조절하여, 리테이너링(145)이 마모되더라도 상하 방향(145d)으로 이동하여, 리테이너링(145)이 연마 패드(11)에 항상 접촉될 수 있도록 한다.

다만, 연마 패드(11)의 마모가 불균일하게 일어나 편마모에 의해 연마 패드(11)에 경사면이 형성되는 경우에, 리테이너링(145)이 연마패드(11)에 밀착되기 어려워진다. 이 경우에는 연마패드(11)에 들뜨는 영역이 생기게 되면, 슬러리가 이 영역에 과도하게 많이 유입되어 웨이퍼(W)의 화학적 연마가 불균일하게 일어나는 문제가 발생된다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 캐리어 헤드(100)는 리테이너 링(145)을 고정하는 리테이너링 지지부(140)가 본체(110)에 대하여 틸팅되도록 구성된다. 이를 위하여, 도면에는 명시적으로 표시되지 않았지만, 리테이너링 지지부(140)는 본체(110)와 대향하는 면에 약간의 틈새가 있도록 설치된다.

상기 제2탄성링(150)은 제1탄성링(130)과 마찬가지로 고무나 우레탄 등의 탄성을 갖는 가요성 재질로 형성되며, 'ㄷ'자 단면의 링 형태로 형성되어 리테이너링 지지부(140)의 내측부(151)의 상면, 저면, 측면을 감싸도록 배열된다. 이와 동시에, 제2탄성링(150)이 내측부(151)의 상면과 측면을 감싸는 부분은 본체(110)에 밀착된 상태로 설치된다. 따라서, 제2탄성링(150)은 'ㄷ'자 단면의 측면과 상면이 리테이너링 지지부(140)의 내측부(151)와 본체(110)의 사이에 낀 상태로 설치된다.

따라서, 리테이너링(145)이 연마 패드(11)의 표면에 맞닿아 밀착하고자 하면, 리테이너링 지지부(140)는 본체(110)와의 사이에 개재된 제2탄성링(150)의 탄성에 의하여 틸팅(도5의 98)되는 것이 허용된다. 또한, 제2탄성링(150)은 본체(110)의 회전 중심축(68)으로부터 일정 거리만큼 이격된 위치에 배치되므로, 리테이너링(145)이 연마 패드(11)와 접촉한 상태에서 요동하는 것을 효과적으로 상쇄시키면서 안정적으로 이들(145, 11)의 밀착 상태를 유지할 수 있는 장점이 있다.

상기 제2탄성링(150)은 가요성 재질로 형성되되 연마 패드(11)의 80% 내지 120%의 탄성을 갖는 재질로 형성된다. 보다 바람직하게는, 제2탄성링(150)은 상기 연마 패드(11)와 동일한 재질인 고무나 우레탄 재질로 형성된다. 즉, 고무 재질 중에 경도가 높은 재질로 선택될 수 있다. 이를 통해, 제2탄성링(150)과 연마 패드(11)의 탄성, 강도 및 경도가 서로 평형을 이루어, 리테이너링(145)와 함께 틸팅되는 리테이너링 지지부(140)의 틸팅 자세가 연마 패드(11)에 지지된 상태로 안정되게 유지된다.

이와 같이, 리테이너링 지지부(140)는 멤브레인(M)의 틸팅(99)을 허용하게 하는 연결 부재(120)와 독립적으로 틸팅(98)된다. 따라서, 캐리어 헤드(110)의 베이스(180)와 리테이너링 지지부(140)의 조립 공차에 무관하게, 멤브레인(M)은 연결 부재(120) 및 베이스(180)와 함께 리테이너링(145)과 무관하게 독립적으로 연마 패드(11)의 편마모량에 따른 기울기(11ang)에 따라 틸팅(99)되고, 리테이너링(145)은 리테이너링 지지부(140)와 함께 멤브레인(M)과 무관하게 독립적으로 연마 패드(11)의 편마모량에 따른 기울기(11ang)에 따라 틸팅(98)된다. 따라서, 연마 패드(11)의 국부적인 편마모량의 기울기 편차가 있더라도, 멤브레인(M)과 리테이너링(145)이 각각 그 편차에 부합하게 틸팅(98, 99)됨으로써, 웨이퍼(W) 및 리테이너링(145)이 항상 연마 패드(145)의 표면에 밀착된다.

한편, 도3에 도시된 바와 같이, 제2탄성링(150)에는 돌기(150a)가 링 형태로 다수 돌출 형성되어, 링형태의 돌기(150a)가 리테이너링 지지부(140)와 본체(110)와의 접촉면에서 눌린 상태로 설치된다. 이를 통해, 제2탄성링(150)은 리테이너링 지지부(140) 및 본체(110)와 보다 확실하게 제 자리에 위치할 수 있을 뿐만 아니라, 이들(110, 140)의 사이 틈새를 통해 기체가 유출입되는 것을 방지하는 밀봉재의 역할을 한다. 이와 마찬가지로, 도면에 확대도가 도시되지 않았지만, 제1탄성링(130)에도 본체(110)와 연결 부재(120)와의 접촉면에 돌기(미도시)가 링 형태로 다수 돌출 형성되어, 링 형태의 돌기가 본체(110)와 연결 부재(120)와의 접촉면에 눌린 상태로 설치된다. 이를 통해, 제1탄성링(130)이 제자리에 미끄럼없이 보다 확실하게 위치할 수 있을 뿐만 아니라, 이들(110, 120)의 사이 틈새를 통해 기체가 유출입되는 것을 방지하는 밀봉재 역할을 한다.

제2탄성링(150)의 위치를 보다 정확하게 자리잡게 하기 위하여, 본체(110)의 저면에는 제2탄성링(150)의 볼록부(152)를 수용하는 홈(112)이 형성되어, 제2탄성링(150)의 볼록부(152)가 이 홈에 수용된다.

상기 고정 부재(160)는 제1탄성링(130)과 제2탄성링(150)의 저면을 지지하도록 볼트(161)로 본체(110)에 고정된다. 이에 따라, 제1탄성링(130)과 제2탄성링(150)은 제 위치에 간단히 위치 고정된다.

상기 연결 부재 홀더(170)는 연결 부재(120)에 삽입되어, 연결 부재(120)의 틸팅(99)에 따라 함께 틸팅된다. 따라서, 연결 부재 홀더(170)와 연결 부재(120)의 사이 틈새는 없거나 매우 작은 범위로 관리된다. 연결 부재 홀더(170)는 베이스(180)에 볼트 등으로 결합되거나, 그 외주면(175)이 베이스(180)의 중심부 홈(185)에 끼워져, 연결 부재 홀더(170)와 베이스(180)가 함께 틸팅된다.

상기 베이스(180)는 멤브레인(M)의 플랩 끝단을 결합 부재(88, 89)를 이용하여 고정하고, 그 사이 공간에 압력 챔버를 형성한다. 따라서, 압력 챔버에 공압을 제어하여 멤브레인(M)의 저면에 위치한 웨이퍼(W)가 연마 패드(11) 상에 가압되도록 한다.

한편, 상기 멤브레인(M)은 구분된 압력 챔버를 형성하기 위하여 반경 방향으로 정해진 거리마다 격벽을 형성하는 플랩(flap)이 형성되어 베이스(180)에 고정된다. 이 중, 멤브레인(M)의 가장 중앙부에 위치한 중앙부 플립은 베이스(180)의 중앙부의 플랩 고정 블록(190)에 의해 별도로 고정되어, 멤브레인(M)의 중심부에는 상방으로 관통하는 관통공(55)이 형성된다. 이 통로(55)는 연결 부재(120)의 중심을 가로지르는 중앙 통로(1205)와 연통되고, 이 중앙 통로(1205)는 외부의 펌프(55p)에 공압 튜브(55L)를 통해 연결된다. 따라서, 멤브레인(M)의 중심부에 형성된 관통공(55)은 외부 펌프(55p)로부터 공기의 압력이 제어되어, 관통공(55)에 밀착된 웨이퍼(W)에 직접 부압 또는 정압을 가한다. 연결 부재(120)의 구형부(120s)는 본체(110)의 구형홈(110s)에 대하여 슬립(slip) 운동을 하므로, 외부의 펌프(55p)와 슬립되어 연결 부재(120)가 본체(110)에 틸팅된 상태에서도 연통된 상태를 유지하기 위하여, 연결 부재(120)의 중앙 통로(1205)의 상단 직경은 틸팅각을 고려하여 그 크기가 정해진다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 캐리어 헤드(100)는, 도4에 도시된 바와 같이 연마 패드(11)의 표면이 불균일하게 연마되어 편마모가 발생되어 경사 기울기(11ang)가 발생되더라도, 캐리어 구동 샤프트(30)에 결합되어 함께 회전하는 본체(110)에 대하여 연결 부재(120)가 가요성 재질인 제1탄성링(130)을 사이에 두고 위치함에 따라, 제1탄성링(130)의 탄성 변형에 의해 연결 부재(120)와, 베이스(180)와, 멤브레인(M)과, 멤브레인(M)의 저면에 위치한 웨이퍼(W)가 연마 패드(11)의 경사 기울기(11ang)에 맞게 틸팅(99)되어 연마 패드(11)에 밀착된 밸런스 상태가 항상 유지되므로, 멤브레인(M)의 상측에 위치한 압력 챔버의 압력 조절에 의해 원하는 가압력을 웨이퍼(W)에 정확하게 가할 수 있으므로, CMP 공정 중에 웨이퍼의 기계적 연마 효과를 정확하게 제어하면서 행할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 캐리어 헤드(100)는, 도5에 도시된 바와 같이, 연마 패드(11)의 표면이 불균일하게 연마되어 편마모가 발생되어 경사 기울기(11ang)가 발생되더라도, 캐리어 구동 샤프트(30)에 결합되어 함께 회전하는 본체(110)에 대하여 리테이너링 지지부(140)가 가요성 재질인 제2탄성링(130)을 사이에 두고 위치함에 따라, 제2탄성링(150)의 탄성 변형에 의해 리테이너링(145)이 연마 패드(11)의 경사 기울기(11ang)에 맞게 틸팅(98)되어 연마 패드(11)의 표면에 항상 밀착된 밸런스 상태가 유지되므로, 리테이너링(145)에 형성된 홈(미도시)을 통해 연마 패드(11)에 도포된 슬러리가 정해진 양만큼씩 신뢰성있게 유입되므로, CMP 공정 중에 웨이퍼의 화학적 연마 효과를 정확하게 제어하면서 행할 수 있는 이점이 있다.

이를 통해, 웨이퍼(W)는 CMP 공정에 의하여 정확한 제어에 의해 기계적 연마와 화학적 연마가 신뢰성있고 균일하게 이루어짐에 따라, 웨이퍼(W)의 표면 연마 공정이 보다 정확하게 행해질 수 있게 된다.

이상에서 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 예시적으로 설명하였으나, 본 발명은 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명에서 제시한 기술적 사상, 구체적으로는 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에서는 리테이너링(145)과 멤브레인(M)이 서로 독립적으로 틸팅(98, 99)되는 구성을 예로 들었지만, 이들이 하나의 몸체로 이루어져 동시에 함께 틸팅되는 구성도 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 본 발명의 범주에 속하는 것이다.

100:캐리어 헤드 110: 본체
120: 연결 부재 120s: 구형부
130: 제1탄성링 140: 리테이너링 지지부
150: 제2탄성링 160: 고정 부재
170: 연결 부재 홀더 180: 베이스
W: 웨이퍼

Claims

캐리어 구동 샤프트에 결합되어 상기 캐리어 구동 샤프트에 회전 구동되어, 연마 정반의 연마 패드 상에 웨이퍼를 가압하면서 회전시키는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드로서,
상기 캐리어 구동 샤프트에 결합되어 회전 구동되는 본체와;
상기 본체로부터 상기 웨이퍼의 판면을 향하여 연장된 연결 부재와;
상기 본체와 상기 연결 부재의 사이에 개재되어, 상기 연결 부재를 상기 본체에 대하여 틸팅 회전할 수 있도록 허용하는 가요성 재질의 제1탄성링과;
상기 연결 부재와 함께 상기 본체에 대하여 틸팅 회전하고, 상기 웨이퍼를 가압하는 멤브레인이 고정되는 베이스를;
포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
제 1항에 있어서,
상기 본체에는 오목한 구형홈이 저면에 형성되고, 상기 연결 부재에는 상기 구형홈과 맞닿는 볼록한 구형부가 형성되어, 상기 연결 부재가 상기 본체에 대하여 틸팅(tilting)될 수 있도록 배치된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
제 2항에 있어서,
상기 구형홈과 상기 구형부는 상기 베이스의 회전 중심축 상에 구심이 위치하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
제 2항에 있어서,
상기 연결 부재의 상기 구형부에는 반경 방향으로 원판 형상으로 돌출된 원형 연장부가 형성되고;
상기 제1탄성링은 'ㄷ'자 단면의 링 형상으로 형성되어, 상기 'ㄷ'자 단면이 상기 원형 연장부의 3개 면을 감싸면서, 상기 'ㄷ'자 단면의 1면 이상은 상기 본체에 맞닿는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
제 1항에 있어서,
상기 멤브레인은 중앙부에 상기 웨이퍼에 직접 부압 또는 정압을 가하는 관통공이 형성되고, 상기 연결 부재는 연장 방향을 따라 상기 관통공과 연통되는 중앙 통로가 형성되어, 상기 관통공과 상기 중앙 통로를 통해 상기 웨이퍼에 부압 또는 정압이 가해지도록 제어되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
제 1항에 있어서,
상기 제1탄성링은 상기 연마 패드의 탄성의 80% 내지 120%의 탄성을 갖는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
제 6항에 있어서,
상기 제1탄성링은 상기 연마 패드와 동일한 재질인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
제 1항에 있어서,
상기 제1탄성링에는 링 형태의 돌기가 다수 형성되어 상기 연결 부재와 상기 본체와의 접촉면에 상기 돌기가 눌린 상태로 설치되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
제 1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 멤브레인에 의해 가압되면서 회전하는 웨이퍼의 둘레를 감싸는 리테이너링을 지지하는 리테이너링 지지부와;
상기 본체와 상기 리테이너링 지지부의 사이에 개재되어, 상기 리테이너링 지지부가 상기 본체에 대하여 틸팅될 수 있도록 허용하는 가요성 재질의 제2탄성링을;
더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
제 9항에 있어서,
상기 제1탄성링과 상기 제2탄성링의 저면과 밀착하여 상기 본체에 대하여 위치 고정시키는 고정 부재를;
더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
제 9항에 있어서,
상기 제2탄성링은 상기 연마 패드의 탄성의 80% 내지 120%의 탄성을 갖는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
제 9항에 있어서,
상기 제1탄성링은 상기 연마 패드와 동일한 재질인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
제 9항에 있어서,
상기 제2탄성링에는 링 형태의 돌기가 다수 형성되어 상기 리테이너링 지지부와 상기 본체와의 접촉면에 상기 돌기가 눌린상태로 설치되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
캐리어 구동 샤프트에 결합되어 상기 캐리어 구동 샤프트에 회전 구동되어, 연마 정반의 연마 패드 상에 웨이퍼를 가압하면서 회전시키는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드로서,
상기 캐리어 구동 샤프트에 결합되어 회전 구동되는 본체와;
멤브레인에 의해 가압되면서 회전하는 웨이퍼의 둘레를 감싸는 리테이너링을 지지하는 리테이너링 지지부와;
상기 본체와 상기 리테이너링 지지부의 사이에 개재되어, 상기 리테이너링 지지부를 상기 본체에 대하여 틸팅할 수 있도록 허용하는 가요성 재질의 제2탄성링을;
포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
제 14항에 있어서,
저면과 밀착하여 상기 본체에 대하여 위치 고정시키는 고정 부재를;
더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
제 14항 또는 제15항에 있어서,
상기 제2탄성링은 상기 연마 패드의 탄성의 80% 내지 120%의 탄성을 갖는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
캐리어 구동 샤프트에 결합되어 상기 캐리어 구동 샤프트에 회전 구동되어, 연마 정반의 연마 패드 상에 웨이퍼를 가압하면서 회전시키는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드로서,
상기 캐리어 구동 샤프트에 결합되어 함께 회전 구동되고, 저면에 오목한 구형홈이 형성된 본체와;
상기 구형홈과 맞닿는 볼록한 구형부가 형성되어, 상기 본체에 대하여 틸팅할 수 있도록 배치되고, 상기 본체로부터 상기 웨이퍼의 판면을 향하여 연장된 연결 부재와;
상기 연결 부재와 함께 상기 본체에 대하여 틸팅 회전하고, 상기 웨이퍼를 가압하는 멤브레인이 고정되는 베이스를;
포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
제 17항에 있어서,
상기 본체와 상기 연결 부재의 사이에 개재되어, 상기 연결 부재를 상기 본체에 대하여 틸팅할 수 있도록 허용하되, 상기 연결 부재의 일부를 둘러싸는 링 형태로 형성된 가요성 재질의 제1탄성링을;
더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
제 17항 또는 제18항에 있어서,
상기 제1탄성링은 상기 연마 패드와 동일한 재질인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.