KR101387921B1 - 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드용 멤브레인 및 이를 구비한 캐리어 헤드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드 및 이에 사용되는 멤브레인에 관한 것으로, 웨이퍼를 연마 패드에 가압하면서 화학 기계적 연마 공정을 행하는 캐리어 헤드의 압력 챔버의 하측에 위치하여, 상기 압력 챔버의 압력에 따라 팽창 가능하게 설치되는 멤브레인으로서, 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 웨이퍼의 형상대로 판면에 요입 형성된 수용홈과, 상기 수용홈의 둘레에 상기 웨이퍼의 둘레를 감싸는 환상 형태(annular form)로 연마 패드와 접촉하는 접촉면으로 이루어진 수평부와; 상기 수용홈의 반경 바깥 위치의 상기 수평부 상면으로부터 상방으로 연장 형성되어 상기 캐리어 헤드에 고정되되, 상기 수용홈의 반경 바깥 위치로부터 링형태로 상향 연장된 단부 연장부와; 상기 수평부의 중심과 상기 단부 연장부의 사이에 상기 수평부의 상면으로부터 링형태로 상향 연장 형성되고, 단부가 상기 캐리어 헤드에 고정되어 상기 압력 챔버의 압력을 독립적으로 제어할 수 있는 다수의 압력 챔버를 형성하는 격벽을; 포함하여 구성되고, 상기 다수의 압력 챔버들 중 반경 방향으로 가장 바깥에 위치한 최외측 압력챔버는 상기 접촉면의 상측에 위치하여, 하나의 웨이퍼로 제조할 수 있는 반도체 패키지의 수량이 늘어나 반도체 제조 수율을 증대시킬 수 있는 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드 및 이에 사용되는 멤브레인을 제공한다.

Description

화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드용 멤브레인 및 이를 구비한 캐리어 헤드{MEMBRANE OF CARRIER HEAD IN CHEMICAL MECHANICAL POLISHING APPARATUS AND CARRIER HEAD USING SAME}

본 발명은 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드에 사용되는 멤브레인에 관한 것으로, 상세하게는 웨이퍼의 전체 표면에 걸쳐 균일한 압력으로 가압하면서 연마하여, 웨이퍼의 가장자리 영역에서도 반도체 패키지를 제조할 수 있도록 하는 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드 및 이에 사용되는 멤브레인에 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.

이 때, 화학 기계적 연마 공정은 도1 및 도2에 도시된 화학 기계적 연마 장치(1)에 의해 행해진다. 즉, 웨이퍼(W)를 캐리어 헤드(20)에 의해 파지된 상태로 자전(11d)하는 연마 패드(11)에 가압시키고, 동시에 회전축(30)의 구동으로 캐리어 헤드(20)와 웨이퍼(W)가 자전(30d)하면, 웨이퍼(W)는 연마 패드(11)와의 마찰에 의해 기계적 연마가 이루어진다. 이와 동시에, 회전(10d)하는 연마 정반(10)의 상면에 입혀진 연마 패드(11)상에 슬러리 공급구(36)로부터 슬러리가 도포되고, 연마 패드(11)의 상태를 일정하게 유지시키는 컨디셔너(40)가 회전축(41)을 중심으로 41d로 표시된 방향으로 소정의 각도만큼 왕복 회전 운동을 하면, 슬러리는 연마 패드(11) 상에서 웨이퍼(W)에 도달하여 웨이퍼(W)의 표면을 화학적 연마시킨다.

이와 같이 기계적 연마 화학적 연마를 행하기 위해서는, 도3에 도시된 캐리어 헤드(20)가 사용된다. 캐리어 헤드(20)는 회전축(30)과 결합되는 결합부(21)와, 결합부(21)에 결합되어 회전축(30)과 함께 회전하는 본체(22)와, 본체(22)에 위치 고정되어 그 사잇 공간에 압력 챔버(C)를 형성하는 멤브레인(24)과, 멤브레인(24)에 의해 연마 패드(11)상에 가압되는 웨이퍼(W)의 주변을 감싸고 함께 하면이 연마 패드(11)에 접촉한 상태로 회전하는 리테이너링(23)으로 구성된다.

여기서, 멤브레인(24)은 본체(22)에 그 끝단(24a)이 위치 고정되고, 압력 조절용 펌프(25p)에 의해 압력 챔버(C)의 압력이 높아져, 가요성 재질의 멤브레인(24)에 의해 웨이퍼(W)를 가압할 수 있게 된다. 그런데, 가요성 소재의 멤브레인(24)은 웨이퍼와 접하는 평탄부 이외에도 베이스 등의 주변 구조물에 고정될 수 있도록 반경 바깥 둘레(24c)에 단부 연장부가 수직 방향으로 연장되므로, 압력 챔버(C)의 압력이 높아짐에 따라 멤브레인(24)의 단부 연장부도 바깥으로 팽창하려는 성질을 갖게 된다. 이로 인하여, 웨이퍼의 가장자리를 가압하는 멤브레인(24c)은 가장자리 부분이 들뜨게 되어, 웨이퍼의 가장자리를 충분히 가압하지 못하는 문제가 야기되었다.

따라서, 캐리어 헤드의 압력 챔버(C)가 팽창하면서 멤브레인(24)을 매개로 웨이퍼(W)를 가압하는 데 있어서, 웨이퍼의 에지 부분도 균일하게 가압될 수 있도록 하는 방안의 필요성이 절실히 요구되고 있다.

본 발명은 전술한 기술적 배경하에서 창안된 것으로, 본 발명은 웨이퍼의 전체 표면에 걸쳐 다수의 영역으로 분할하여 각 영역마다 의도된 압력이 정확하게 웨이퍼에 도입된 상태로 연마함으로써, 웨이퍼의 가장자리 영역에서도 반도체 패키지를 제조할 수 있도록 하는 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드 및 이에 사용되는 멤브레인을 제공하는 것을 목적으로 한다.

즉, 본 발명은 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼의 가장자리를 가압하는 멤브레인의 휨 변위에 의해 웨이퍼의 가장자리를 충분히 가압하지 못하였던 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

이를 통해, 본 발명은 웨이퍼로 제조할 수 있는 반도체 패키지의 수량을 증대시킴으로써 반도체 제조 공정의 수율을 보다 향상시키는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼가 캐리어 헤드의 바깥으로 튀어나가는 것을 방지하는 것을 다른 목적으로 한다.

그리고, 본 발명은 웨이퍼의 가장자리 주변에 슬러리가 과다하게 집중되어 기계적 연마와 화학적 연마가 균형을 이루지 못하는 것을 방지하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

본 발명은 전술한 기술적 배경하에서 창안된 것으로, 본 발명은 캐리어 헤드의 압력 챔버의 팽창에 의해 웨이퍼를 가압하는 압력이 웨이퍼의 전체 표면에 걸쳐 일정하게 유지되도록 하는 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드 및 이에 사용되는 멤브레인을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이와 동시에, 본 발명은 캐리어 헤드의 멤브레인이 다른 영역에 비하여 에지부에서 보다 큰 강성을 가짐에 따라, 에지 끝단에서 수직력이 크게 집중되는 방지하여, 멤브레인이 웨이퍼의 에지부에 밀착한 상태가 유지되더라도 에지부에서 과도하게 연마되는 것을 방지하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

이를 통해, 본 발명은 웨이퍼의 연마 상태가 전체적으로 균일하게 이루어져, 웨이퍼의 에지부에서도 반도체 소자의 제작에 활용할 수 있는 화학 기계적 연마 공정을 구현하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 웨이퍼를 연마 패드에 가압하면서 화학 기계적 연마 공정을 행하는 캐리어 헤드의 압력 챔버의 하측에 위치하여, 상기 압력 챔버의 압력에 따라 팽창 가능하게 설치되는 멤브레인으로서, 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 웨이퍼의 형상대로 판면에 요입 형성된 수용홈과, 상기 수용홈의 둘레에 상기 웨이퍼의 둘레를 감싸는 환상 형태(annular form)로 연마 패드와 접촉하는 접촉면으로 이루어진 수평부와; 상기 수용홈의 반경 바깥 위치의 상기 수평부 상면으로부터 상방으로 연장 형성되어 상기 캐리어 헤드에 고정되되, 상기 수용홈의 반경 바깥 위치로부터 링형태로 상향 연장된 단부 연장부와; 상기 수평부의 중심과 상기 단부 연장부의 사이에 상기 수평부의 상면으로부터 링형태로 상향 연장 형성되고, 단부가 상기 캐리어 헤드에 고정되어 상기 압력 챔버의 압력을 독립적으로 제어할 수 있는 다수의 압력 챔버를 형성하는 격벽을; 포함하여 구성되고, 상기 다수의 압력 챔버들 중 반경 방향으로 가장 바깥에 위치한 최외측 압력챔버는 상기 접촉면의 상측에 위치하는 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드의 멤브레인을 제공한다.

이는, 캐리어 헤드의 멤브레인에 웨이퍼의 형상대로 요입 형성되어 웨이퍼를 수용하는 요입홈을 수평부에 구비함으로써, 격벽에 의하여 다수의 압력 챔버들에 의하여 웨이퍼의 판면과 접촉하는 가압면을 통해 웨이퍼의 전체 표면이 가압되도록 구성됨에 따라, 웨이퍼의 가장자리 영역도 중앙부 영역과 마찬가지로 정확하게 인가하고자 하는 압력으로 가압하여, 웨이퍼의 가장자리 영역을 버리지 않고 웨이퍼의 가장자리 영역에서도 반도체 패키지를 제조하는 것이 가능해질 수 있도록 하기 위함이다.

또한, 단부 연장부에 의해 일부가 둘러싸여 형성되는 상기 최외측 압력챔버가 상기 접촉면의 상측에 위치하여, 최외측 압력챔버의 압력이 제어됨으로써 상기 접촉면이 상기 연마 패드를 가압하도록 구성됨에 따라, 상기 수용홈에 안착한 웨이퍼가 전 표면에 걸쳐 연마되면서 접촉면이 연마 패드에 밀착하여, 웨이퍼가 캐리어 헤드의 바깥으로 이탈되는 것을 확실하게 방지할 수 있다.

그리고, 종래에는 웨이퍼를 둘러싸는 리테이너 링과 웨이퍼의 사잇 공간에 슬러리가 과도하게 위치하여, 웨이퍼의 가장자리 영역에는 화학적 연마 공정이 이루어짐에 따라, 웨이퍼의 가장자리 영역에서 반도체 패키지를 제조할 수 없었다. 그러나, 본 발명은 상기 수용홈의 경계는 단턱으로 형성되고, 상기 웨이퍼의 직경과 동일하거나 웨이퍼가 삽입될 수 있을 정도의 크기로만 형성됨에 따라, 웨이퍼의 가장자리 부근에 슬러리가 집중될 수 있는 공간을 제거하여, 웨이퍼의 가장자리에서 화학적 연마가 과도하게 행해지지 않고 다른 영역과 마찬가지로 화학적 연마가 행해지므로, 웨이퍼의 전체에 걸쳐 기계적 연마와 화학적 연마가 균형을 이루어 균일한 연마를 가능하게 한다.

이 때, 상기 격벽은 다수로 형성되어 상기 압력 챔버는 3개 이상으로 분할 형성될 수 있다.

무엇보다도, 상기 최외측 압력챔버는 상기 수용홈의 경계의 상측에 위치함으로써, 상기 접촉면과 웨이퍼의 가장자리를 하방으로 동시에 가압함으로써, 웨이퍼의 가장자리의 연마를 균일하게 지속시킬 수 있는 잇점과 함께, 웨이퍼의 가장자리표면에 도입되는 가압력의 조절이 용이해지는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 그리고, 접촉면이 연마 패드에 가압되는 가압력이 적정 수준으로 유지되어 접촉면의 마모 상태를 일정 수준으로 유지할 수 있는 잇점도 얻을 수 있다.

보다 바람직하게는, 상기 최외측 압력 챔버를 형성하는 최외측 격벽과 상기 수용홈의 경계와의 거리는 2mm 내지 5mm 이상으로 형성되는 것이 웨이퍼의 가장자리 영역을 가압하는 가압력을 최외측 압력 챔버의 압력 제어로 조절하는 데 효과적이다.

그리고, 본 발명은 상기 접촉면이 3mm 이상 50mm 이하의 폭(d)을 갖는 환형으로 형성되어, 웨이퍼가 멤브레인의 가장 자리까지 압력 챔버가 형성되고, 멤브레인의 가장자리에 위치하는 접촉면의 안쪽에 웨이퍼를 수용하는 수용홈이 형성되어 웨이퍼를 가압하므로, 압력 챔버에 압력이 높아져 멤브레인의 모서리 부근이 들뜨는 변형이 발생되더라도, 웨이퍼를 가압하는 데에는 영향을 미치지 않게 되므로, 멤브레인의 휨 변위에도 불구하고 웨이퍼의 전체 표면을 확실하게 가압할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 즉, 상기 압력 챔버는 상기 접촉면의 상측에도 형성된다. 이를 통해, 본 발명은 하나의 웨이퍼로 제조할 수 있는 반도체 패키지의 수량이 증대되어 반도체 제조 공정의 수율을 보다 향상시킬 수 있다.

한편, 상기 단부 연장부 상기 수평부의 가장자리 끝단으로부터 상방으로 연장 형성되어 베이스 등의 캐리어 헤드에 고정됨으로써, 압력 챔버가 차지하는 면적을 보다 크게 형성할 수도 있다. 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 상기 단부 연장부는 상기 수평부의 가장자리 끝단으로부터 중심을 향하여 이격된 위치로부터 상방으로 연장될 수 있다. 이와 같이, 단부 연장부가 수평부의 가장자리 끝단으로부터 중심을 향해 이격된 위치에서 상방으로 연장 형성되어, 수평부의 가장자리 끝단이 단부 연장부에 대하여 반경 바깥쪽으로 돌출된 돌출부가 구비됨으로써, 압력 챔버의 가장자리 부분이 들뜨는 현상을 완화시킬 수 있다. 이 때, 돌출부는 접촉면의 폭보다는 작게 형성되되 0.5mm 이상으로 형성되는 것이 좋다. 상기 돌출부가 형성되는 구성은 접촉면의 폭(d)이 작은 경우에는 특히 유용하다.

한편, 상기 웨이퍼를 가압하는 수용홈의 가압면을 이루는 제1소재는 상기 접촉면을 이루는 제2소재에 비하여 경도 및 강도가 더 낮은 소재로 형성되어, 웨이퍼와 함께 연마 패드에 접촉한 상태로 연마되는 제2소재는 오랜시간 동안 사용할 수 있게 된다. 이 때, 상기 단부 연장부는 상기 수용홈의 가압면과 동일한 상기 제1소재로 일체 형성되어, 하나의 멤브레인의 형태로 캐리어 헤드에 조립되어 웨이퍼가 안정되게 멤브레인 내에 위치시키면서 장시간 동안 웨이퍼의 연마 공정에 사용될 수있다.

제1소재와 제2소재는 여러 형태로 결합될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1소재의 하면에 상기 환형의 상기 제2소재가 부착될 수 있다. 상기 제1소재와 상기 제2소재는 부착된 형태로 일체 성형된다.

상기 제1소재는 고무, 실리콘 등의 가요성 소재로 형성되며, 40 내지 50 쇼어(Shore A) 경도를 갖는 것이 바람직하다. 이에 반하여, 상기 제2소재는 제1소재에 비하여 경도 또는 강도가 높아 마모에 대한 내구성이 높은 재질로 이루어지고 실리콘, 고무, 엔지니어링 플라스틱 중 어느 하나의 소재로 형성될 수 있다.

한편, 발명의 다른 분야에 따르면, 본 발명은, 본체와; 상기 본체에 대하여 회전 구동되는 베이스와; 상기 베이스에 위치 고정되고, 상기 베이스와의 사이에 압력 챔버가 형성되어 상기 압력 챔버의 압력 제어에 의해 화학 기계적 연마 공정 중에 저면에 위치한 웨이퍼를 하방으로 가압하는 전술한 구성의 멤브레인을; 포함하여, 상기 웨이퍼가 상기 멤브레인의 수용홈에 수용된 상태로 상기 웨이퍼의 전체 표면이 상기 수용홈의 상기 가압면에 의해 가압되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드를 제공한다.

이 때, 상기 본체와 상기 베이스 중 어느 하나에 지지되도록 설치되고 상기 멤브레인의 바깥을 둘러싸고 상기 베이스와 함께 회전하는 리테이너링을; 더 포함할 수도 있다.

그리고, 상기 웨이퍼를 가압하는 수용홈의 가압면을 이루는 제1소재는 상기 접촉면을 이루는 제2소재와 에 비하여 경도가 더 낮은 소재로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 단부 연장부는 상기 수용홈의 가압면과 동일한 상기 제1소재로 일체 형성되고, 상기 제1소재의 하면에 상기 환형의 상기 제2소재가 부착된 것이 효과적이다.

그리고, 상기 제1소재와 상기 제2소재는 부착된 형태로 일체 성형될 수 있다.

또한, 상기 제1소재는 가요성 소재인 것이 압력 챔버의 압력을 가압면을 통해 웨이퍼로 전달할 수 있으므로 바람직하다. 상기 제1가요성 소재는 40 내지 50 쇼어(Shore A) 경도를 갖는 것이 좋다.

이에 반하여, 상기 제2소재는 실리콘, 고무, 엔지니어링 플라스틱 중 어느 하나의 소재로 형성될 수 있다.

본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 '에어 펌프'라는 용어는 압력 챔버의 압력을 조절할 수 있는 수단으로서 일례를 기재한 것이지, 외형상 펌프의 형상을 이루고 있는 것에 국한되는 것으로 해석되지 않으며, 압력 챔버의 압력을 조절할 수 있는 공지된 다양한 수단을 모두 포함하는 것으로 정의한다.

본 발명에 따르면, 캐리어 헤드의 멤브레인의 저면에 웨이퍼의 형상대로 요입 형성되어 웨이퍼를 수용하는 요입홈을 수평부에 구비하고, 상기 수평면의 상측에 격벽이 형성되어 다수의 압력 챔버를 수평부 상측에 구비하여 독립적으로 압력이 조절되도록 구성됨으로써, 웨이퍼의 판면과 접촉하는 가압면에 의하여 웨이퍼의 전체 표면이 멤브레인 상측에 형성되는 압력 챔버에 의해 가압되므로, 웨이퍼의 가장자리 영역도 중앙부 영역과 마찬가지로 정확하게 인가하고자 하는 압력으로 가압하여, 웨이퍼의 가장자리 영역을 버리지 않고 웨이퍼의 가장자리 영역에서도 반도체 패키지를 제조할 수 있는 유리한 효과가 얻어진다.

그리고, 본 발명은 상기 접촉면이 3mm 이상 50mm 이하의 폭(d)을 갖는 환형으로 형성되어, 웨이퍼의 반경 바깥쪽까지 연장된 영역(멤브레인의 가장 자리)까지 압력 챔버가 형성되어 웨이퍼를 가압하므로, 압력 챔버의 모서리 부근이 들뜨더라도, 웨이퍼의 가압면에는 영향을 미치지 않고 웨이퍼의 전체 표면을 확실하게 가압할 수 있어서, 웨이퍼의 전체 표면에 균일한 기계적 연마를 가능하게 하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

이 뿐만 아니라, 본 발명은, 상기 수용홈의 경계는 단턱으로 형성되고, 상기 웨이퍼의 직경과 동일하거나 웨이퍼가 삽입될 수 있을 정도의 크기로만 형성됨에 따라, 웨이퍼의 가장자리 부근에 슬러리가 집중될 수 있는 공간을 제거하여, 웨이퍼의 가장자리에서 화학적 연마가 과도하게 행해지지 않고 다른 영역과 마찬가지로 화학적 연마가 행해지므로, 웨이퍼의 전체에 걸쳐 화학적 연마도 균일하게 이루어지는 잇점을 얻을 수 있다.

따라서, 본 발명은 웨이퍼의 전체 표면이 균일한 기계적 연마와 화학적 연마가 이루어지므로, 웨이퍼의 가장자리 영역에서도 반도체 패키지를 제조할 수 있게 되므로, 하나의 웨이퍼로 제조할 수 있는 반도체 패키지의 수량이 늘어나 반도체 제조 수율을 증대시키는 유리한 효과가 얻어진다.

또한, 본 발명은 멤브레인에 요입 형성되는 수용홈에 웨이퍼가 삽입된 상태로 화학 기계적 연마 공정이 행해지므로, 멤브레인 자체에 의해서도 화학 기계전 연마 공정 중에 웨이퍼가 멤브레인 하측으로부터 이탈하는 것을 방지하는 유리한 효과가 얻어진다.

그리고, 본 발명은 웨이퍼를 수용하여 가압하는 가압면을 제1소재로 제작하고 웨이퍼의 주변을 감싸는 접촉면을 제2소재로 제작하되, 제2소재가 제1소재에 비하여 보다 높은 연마 내구성을 갖는 재질로 제작함에 따라, 제2소재가 연마 패드에 닿은 상태로 연마되더라도 멤브레인이 찢어지는 등의 손상없이 장시간 동안 웨이퍼를 수용홈에 위치시킨 상태로 안정되게 웨이퍼의 화학 기계적 연마 공정을 행할 수 있는 유리한 효과가 있다.

도1은 일반적인 화학 기계적 연마 장치를 도시한 도면
도2는 도1의 평면도
도3은 도1의 캐리어 헤드의 구성을 도시한 도면
도4는 본 발명의 제1실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드에 사용되는 멤브레인의 구성을 도시한 단면도
도5a는 도4의 'X'부분의 확대도
도5b 및 도5c는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 멤브레인의 도4의 'X'부분의 확대도
도6은 도4의 멤브레인을 이용한 본 발명의 제1실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드의 구성을 도시한 도면
도7은 도6의 'Y' 부분의 확대도
도8은 본 발명의 제1실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드에 사용되는 멤브레인의 구성을 도시한 단면도
도9는 도8의 멤브레인을 이용한 본 발명의 제2실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드의 구성을 도시한 도면
도10은 도9의 'Z'부분의 확대도

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 탄성 멤브레인(201)을 구비한 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드(101)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.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 탄성 멤브레인(201)을 구비한 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드(101)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.

도6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 멤브레인(201)을 구비한 캐리어 헤드(101)는, 캐리어 헤드(101)를 회전시키는 회전축(도1의 30)과 결합되어 회전축(30)의 구동력을 전달받는 결합부(110)와, 결합부(110)에 결합되어 회전축(30)과 함께 회전하는 본체(120)와, 본체(120)에 대하여 상하 이동은 허용하면서 상대 회전 운동을 제한하는 연결체(125)에 의해 회전 구동력이 전달되어 본체(120)와 함께 회전 구동되는 베이스(130)와, 베이스(130)에 위치 고정되어 베이스(130)와의 사잇 공간에 격벽(230)에 의해 다수로 분할된 압력 챔버(C)가 형성되어 압력 챔버(C)의 압력 제어에 의하여 저면에 위치한 웨이퍼(W)를 가압하고 적어도 제1소재가 탄성 가요성 소재로 형성된 멤브레인(201)과, 멤브레인(201)의 바깥을 둘러싸는 리테이너 링(140)과, 압력 챔버(C)의 압력을 조절하는 에어 펌프(150)로 구성된다.

상기 결합부(110)와 상기 본체(120)는 캐리어 헤드(101)의 조립의 편의를 위하여 2개의 부재로 구분되어 있으며, 필요에 따라 하나의 몸체로 이루어질 수 있다.

상기 베이스(130)는 멤브레인(201)의 끝단(222a, 223a)을 차례로 수용하여 고정시킬 수 있도록 제1베이스(131), 제2베이스(132), 제3베이스(133)로 이루어진다. 도4에 도시된 멤브레인(201) 위에 링 형태의 제3베이스(133)를 올려두고, 제3베이스(133) 상에 링 형태의 제2베이스(132)를 적층시켜 고정하여 멤브레인(201)의 하나의 끝단(222a)을 고정시키고, 제2베이스(132) 상에 링 형태의 제1베이스(131)를 적층시켜 고정하여 멤브레인(201)의 다른 하나의 끝단(223a)을 고정시켜, 멤브레인(201)을 베이스(130)에 위치 고정시킨다.

상기 리테이너 링(140)은 본체(120)의 가장자리 하단에는 멤브레인(201)을 감싸는 형태로 배열되어 연마 패드(11)와 저면이 접한 상태로 회전한다. 이 리테이너 링(140)은 CMP 공정 중에 멤브레인(201)의 바깥으로 튀어나온 웨이퍼(W)가 웨이퍼 캐리어(101)로부터 이탈하는 것을 방지한다. 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 멤브레인(201)의 접촉면(212)에 의해 리테이너 링의 역할을 하므로, 리테이너 링(140)이 구비되지 않을 수도 있다. 다만, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼(W)가 캐리어 헤드(101)로부터 이탈하는 것을 이중으로 보다 확실하게 방지하기 위하여, 본 발명은 리테이너링(140)이 구비될 수 있다.

상기 에어 펌프(151, 152, 153; 150)는 베이스(130)와 멤브레인(201)의 사이에 형성되는 다수로 분할된 압력 챔버(C1, C2, C3)와 각각 연통되어, 압력 챔버(C)의 압력을 독립적으로 조절하는 것에 의해 멤브레인(201)의 수평부(210)를 통해 영역 별로 조절된 가압력으로 웨이퍼(W)를 연마 패드(11) 상에 가압한다.

상기 멤브레인(201)은 적어도 일부가 탄성을 갖는 가요성(flexible) 재질로 성형되어 압력 챔버(C)의 하측에 위치하여 압력 챔버(C)의 압력에 따라 팽창함으로써 웨이퍼(W)를 연마 패드(11)에 가압하는 부재로서, 가압되는 웨이퍼(W)의 판면에 평행한 수평부(210)와, 수평부(210)의 가장자리 부분으로부터 상방으로 연장되어 베이스(130)에 위치 고정된 단부 연장부(220)와, 수평부(210)의 중심과 단부 연장부(220)의 사이에 상방으로 연장 형성되어 베이스(120)에 위치 고정되는 격벽(230)으로 구성된다.

여기서, 수평부(210)는 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 웨이퍼(W)의 형상대로 판면에 요입 형성된 수용홈(211)과, 수용홈(211)의 둘레에 상기 웨이퍼의 둘레를 감싸는 환형(annular form)로 연마 패드와 접촉하는 접촉면(212)으로 이루어진다. 이에 따라, 화학 기계적 연마 공정을 거치는 웨이퍼(W)는 접촉면(212)에 둘러싸이면서 요입 형성된 수용홈(211)의 수용부(211c)에 삽입되어, 수용홈(211)의 가압면(211a)에 의해 웨이퍼(W)가 가압된다.

이 때, 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드(11)에 가압되면서 접촉하는 접촉면(212)의 내마모성을 확보하기 위하여, 접촉면(212)을 이루는 제2소재(도5a 내지 도5c에서 빗금친 부분)는 수용홈(211)의 가압면(211a)을 이루는 제1소재(도5a 내지 도5c에서 빗금친 부분을 제외한 수평부)에 비하여 경도가 높은 소재로 형성된다. 바람직하게는, 도5a에 도시된 바와 같이 가압면(211a)을 이루는 제1소재가 평탄부의 전체면에 걸쳐 형성되고, 접촉면(212)을 이루는 제2소재가 제1소재에 일체로 성형되면서 부착된 형태가 바람직하다. 이를 통해, 압축 챔버(C)의 팽창에 따라 제1소재의 팽창에 의해 웨이퍼(W)를 연마 패드(11) 상에 효과적으로 가압할 수 있을 뿐만 아니라, 제1소재와 제2소재의 접합 면적이 크므로 결합력을 보다 안정적으로 확보할 수 있다. 다만, 본 발명은 이와 같은 구조에 한정되지 않으며, 도5c에 도시된 바와 같이 수용홈(211)의 가압면(211a)을 이루는 제1소재의 끝단에 제2소재가 결합되는 형태로도 구성될 수 있다.

상기 단부 연장부(220)는 수용홈(211)의 반경 바깥 위치의 수평부(210)의 상면으로부터 링 형태로 상향 연장 형성되어 캐리어 헤드(101)의 베이스(130)에 고정된다. 이 때, 단부 연장부(220)는 수용홈(211)의 반경 바깥 위치로부터 상방으로 연장되어, 압력 챔버(C)는 항상 접촉면(212)의 상측에도 형성되어, 접촉면(212)이 압력 챔버(C)의 압력에 의해 가압될 수 있게 된다.

도5a에 도시된 바와 같이 단부 연장부(220)는 수평부(210)로부터 링 형태로 상방 연장된 측면(221)과, 측면(221)으로부터 베이스(130)에 위치 고정되도록 연장된 제1고정부(222)와 제2고정부(223)로 형성된다. 각 고정부(222, 223)의 끝단에는 견고하게 베이스(130)에 위치 고정될 수 있도록 그 끝단(222a, 223a)은 단면이 더 크게 형성된다. 한편, 도면에는 단부 연장부(220, 220', 220")의 고정부(222, 223)가 중심을 향하여 링 형태로 돌출되는 형상을 예로 들었지만, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면 고정부가 중심 바깥을 향하여 링 형태로 돌출되어 형성될 수도 있다.

단부 연장부(220)는 수용홈(211)의 가압면(211a)과 동일한 제1소재로 일체 형성되며, 상기 제1소재의 하면에 접촉면(212)을 형성하는 환형의 제2소재가 일체로 부착된다. 제1소재와 제2소재는 부착된 형태로 일체 성형됨으로써, 오랜 시간동안 회전하면서 팽창에 의해 가압하는 작용 중에 서로 이탈되지 않고 안정적인 부착 상태를 유지할 수 있다.

제1소재는 실리콘, 고무 등의 가요성 소재로 형성된다. 그리고, 제2소재는 제1소재와 마찬가지인 실리콘, 고무로 형성되거나 엔지니어링 플라스틱도 사용될 수 있다. 다만, 제2소재는 접착면(212)을 형성하여 연마 패드(11)에 가압되어 마모되므로 높은 내마모성이 요구되며, 압력 챔버(C)의 압력 제어에 의해 팽창하여 웨이퍼(W)에 가압력을 전달하는 수용홈(211)의 가압면(211a)을 이루는 제1소재에 비하여 가요성 정도가 낮더라도 무방하다. 따라서, 제2소재는 제1소재에 비하여 높은 경도를 갖는 것이 유리하다. 예를 들어, 제1소재는 쇼어 경도 40 내지 50도의 실리콘 재질로 사용되고, 제2소재는 이보다 높은 50도 내지 70도의 경도를 갖는 실리콘 재질로 사용될 수 있다.

상기 격벽(230)은 수평부(210)의 중심과 단부 연장부(220)의 사이에 수평부(210)의 상면으로부터 링형태로 상향 연장 형성되어 캐리어 헤드(101)의 베이스(130)에 위치 고정되어(도면에는 베이스(130)에 위치 고정되는 구성이 예시되어 있지만, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면 본체(120)에 위치 고정될 수도 있다) 상기 압력 챔버의 압력을 독립적으로 제어할 수 있는 다수의 압력 챔버(C1, C2, C3)를 형성한다. 격벽(230)은 수평부(210)의 상면으로부터 상방으로 연장 형성되므로, 수평부(210)의 가압면(211a)을 형성하는 제1소재와 동일한 소재로 수평부(210)와 함께 일체 성형된다. 도면에는 격벽(230)이 2개의 링 형태(231, 232)로 연장 형성되어, 격벽(231, 232)을 경계로 중심부의 제1압력챔버(C1), 제2압력챔버(C2) 및 반경 방향으로 가장 바깥에 위치한 최외측 압력챔버(C3)로 분할한다. 그리고 제1챔버(C1)는 제1에어펌프(151)와 연통되고, 제2압력챔버(C2)는 제2에어펌프(152)와 연통되며, 최외측 압력챔버(C3)는 제3에어펌프(153)에 연통되어, 에어 펌프(151, 152, 153; 150)에 의해 각각 압력이 독립적으로 제어됨으로써, 그 하측에 위치한 웨이퍼(W)를 적절한 가압력으로 가압한다.

한편, 최외측 압력챔버(C3)는 도7에 도시된 바와 같이 웨이퍼(W)의 가장자리의 상측과 접촉면(212)의 상측을 동시에 차지하는 링 형태로 형성된다. 이와 같이, 최외측 압력챔버(C3)는 수용홈(211)의 경계의 상측에 위치함으로써, 접촉면(212)과 웨이퍼(W)의 가장자리를 하방으로 동시에 가압함으로써, 웨이퍼(W)의 가장자리의 연마를 균일하게 지속시킬 수 있으며, 동시에 웨이퍼(W)의 가장자리에 가해지는 가압력(eP, P)의 조절이 용이해지는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 최외측 압력챔버(C)의 하측에 위치한 접촉면(212)이 연마 패드(11)를 가압하는 가압력(eP)을 웨이퍼(W)의 가장자리를 가압하는 가압력(P)과 유사한 적정 수준으로 쉽게 유지할 수 있게 되어, 접촉면(212)의 마모 상태를 일정 수준으로 유지할 수 있게 된다.

이를 위하여, 최외측 압력 챔버(C3)를 형성하는 최외측 격벽(232)과 수용홈(211)의 경계와의 거리(d')는 2mm 내지 5mm 범위의 값으로 형성되는 것이 웨이퍼(W)의 가장자리 영역을 가압하는 가압력(P)을 최외측 압력 챔버의 압력 제어로 조절하는 데 효과적이다. 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 최외측 압력 챔버(C3)를 형성하는 최외측 격벽(232)과 수용홈(211)의 경계와의 거리(d')는 2mm 내지 5mm 이상의 값으로 정해질 수도 있다.

한편, 도7에 도시된 바와 같이, 접촉면(212)에 의해 둘러싸인 수용홈(211)은 웨이퍼(W)의 형상대로 형성되어, 수용홈(211)에 안착된 웨이퍼(W)는 접촉면(212)과 0mm 내지 0.5mm 이하의 틈새(c)가 형성될 수 있다. 즉, 수용홈(211)의 가장자리면(211b)까지의 직경(D1)은 웨이퍼(W)의 직경(D2)과 동일하거나 1mm정도 더 크게 형성되며, 경우에 따라서는 가압면(211a)이 늘어나는 범위 내에서 웨이퍼(W)의 직경보다 더 작게 형성될 수도 있다.

접촉면(212)과 0mm인 경우에도 웨이퍼(W)의 수용홈(211)의 가압면(211a)이 가요성 재질로 형성되므로, 멤브레인이 늘어나 웨이퍼(W)를 수용홈에 수용할 수 있다. 웨이퍼(W)를 수용하는 수용홈(211)의 가장자리면(접촉면(211)의 내측면)는 가압면(211a)에 수직인 단턱(211b)을 갖도록 형성되어,웨이퍼(W)가 수용홈(211)에 일단 수용된 상태로 화학 기계적 연마 공정이 행해지면, 수용홈(211)의 바깥으로 이탈하는 것을 효과적으로 방지한다.

상기 접촉면(212)은 3mm 이상 50mm 이하의 폭(d)을 갖는 환형으로 형성되어, 웨이퍼(W)가 멤브레인(201)의 가장 자리까지 압력 챔버(C)가 형성되고, 멤브레인(W)의 가장자리에 위치하는 접촉면(212)의 안쪽에 웨이퍼(W)를 수용하는 수용홈(211)이 형성되어 웨이퍼(W)를 가압하므로, 압력 챔버(C)에 압력이 높아져 멤브레인(201)의 모서리 부근이 들뜨는 변형이 발생되더라도, 웨이퍼(W)의 가장자리까지 전체 표면을 균일하게 의도한대로 가압할 수 있다.

따라서, 다수의 분할 압력 챔버(C1, C2, C3) 중 최외측 압력 챔버(C3)의 폭은 5mm 이상으로 형성되며, 바람직하게는 10mm 내지 30mm의 폭을 갖게 된다. 이에 의하여, 최외측 챔버(C3)의 압력 조절에 의하여 웨이퍼(W)의 가장자리와 접촉면(212)이 동시에 가압되면서, 웨이퍼의 가장자리 영역의 연마가 중앙부 영역에서의 연마와 마찬가지로 정확하게 예상된 만큼으로 행해질 수 있게 되어, 웨이퍼의 가장자리 영역을 버리지 않고 웨이퍼의 가장자리 영역에서도 반도체 패키지를 제조하는 것이 가능해진다. 동시에, 웨이퍼(W)가 가압면(211a)에 가압된 상태로 수용홈(211)에 수용되어 화학 기계적 연마 공정이 행해지므로, 화학 기계적 연마 공정 중에 자전하는 캐리어 헤드(101)로부터 웨이퍼(W)가 벗어나 이탈하는 문제를 해소할 수 있다.

한편, 단부 연장부(220, 220")는 도5a 및 도5c에 도시된 바와 같이 수평부(210, 210")의 가장자리 끝단으로부터 상방으로 연장 형성될 수도 있고, 도5b에 도시된 바와 같이 단부 연장부(220')는 수평부(210')의 가장자리 끝단으로부터 211d로 표시된 돌출부(211d)의 길이만큼 중심으로 이격된 위치로부터 상방으로 연장 형성될 수도 있다. 즉, 단부 연장부(220')는 수평부(210')의 가장자리 끝단으로부터 중심을 향해 이격된 위치에서 상방으로 연장 형성되어, 단부 연장부(220")의 반경 바깥쪽으로 돌출부(211d)가 형성된다. 여기서, 돌출부(211d)는 접촉면(212)의 폭(d)보다는 작게 형성되되 0.5mm 이상으로 형성되는 것이 좋다. 이와 같이 수평부(210)가 단부 연장부(220)에 비하여 바깥으로 돌출되는 부분(211d)이 구비됨에 따라, 압력 챔버(C)의 가장자리 부분이 들뜨는 현상을 완화시킬 수 있다. 따라서, 상기 돌출 부분(211d)은 접촉면(212)의 폭(d)이 작은 경우에는 특히 유용하다.

한편, 본 명세서 및 도면에서 단부 연장부(220, 220', 220")는 수평부(210 , 210', 210")로부터 수직으로 연장된 구성을 예로 들었지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 수평부(210, 210', 210")에 대하여 경사지게 상방으로 연장될 수도 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 제1실시예에 따른 멤브레인(201) 및 이를 구비한 캐리어 헤드(101)는, 웨이퍼(W)의 형상대로 요입 형성되어 웨이퍼(W)를 수용하는 수용홈(211)을 수평부(210)에 구비함으로써, 도7에 도시된 바와 같이 웨이퍼(W)의 상면과 접촉하는 가압면(211a)과 이를 둘러싸는 접촉면(212)의 상측(200e)에 모두 압력 챔버(C)가 위치하게 되어, 압력 챔버(C)의 압력이 높아지면 압력 챔버(C)로부터 가압면(211a)과 접촉면(212)에 압력(P, eP)이 모두 전달되어 (주로 제1소재가) 팽창하면서 가압하므로, 웨이퍼(W)의 중앙부 뿐만 아니라 가장자리에도 원하는 압력을 정확하게 도입할 수 있게 되어, 멤브레인의 들뜸 현상에 의해 의도한 가압력이 도입되지 못하였던 종래의 문제점을 일거에 해결할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

이하, 본 발명의 본 발명의 제2실시예에 따른 탄성 멤브레인(202)을 구비한 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드(102)를 상술한다. 다만, 본 발명의 제2실시예를 설명함에 있어서, 앞서 설명한 제1실시예에서 설명한 기능 혹은 구성에 대해서는 동일 또는 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

도9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 멤브레인(202)을 구비한 캐리어 헤드(102)는, 캐리어 헤드(101)를 회전시키는 회전축(도1의 30)과 결합되어 회전축(30)의 구동력을 전달받는 결합부(110)와, 결합부(110)에 결합되어 회전축(30)과 함께 회전하는 본체(120)와, 본체(120)에 대하여 상하 이동은 허용하면서 상대 회전 운동을 제한하는 연결체(미도시)에 의해 회전 구동력이 전달되어 본체(120)와 함께 회전 구동되는 베이스(130)와, 베이스(130)에 위치 고정되어 베이스(130)와의 사잇 공간에 격벽(231', 232', 233', 234', 235'; 230)에 의해 다수로 분할된 압력 챔버(C1, C2, C3, C4)가 형성되어 압력 챔버(C1, C2, C3, C4)의 압력 제어에 의하여 저면에 위치한 웨이퍼(W)를 가압하고 적어도 일부가 탄성 가요성 소재로 형성된 멤브레인(201)과, 멤브레인(201)의 바깥을 둘러싸는 리테이너 링(140)과, 압력 챔버(C)의 압력을 조절하는 에어 펌프(미도시)로 구성된다.

상기 결합부(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, 본체(120), 베이스(130) 등이 결합부(110)와 함께 회전된다. 결합부(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 중심 부재(126)는 캐리어 구동 샤프트(30)가 결합된 결합부(110)에 대하여 구면이 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(202)의 저면의 접촉면(212)이 연마 패드(11)의 표면에 밀착될 수 있도록, 중심 부재(126)는 결합부(110)에 대하여 멤브레인(202)을 틸팅시키는 매개체 역할을 한다.

상기 제1탄성링(139)은 고무나 우레탄 등의 탄성을 갖는 가요성 재질로 형성되며, 'ㄷ'자 단면의 링 형태로 형성되어 중심 부재(126)의 반경 바깥으로 돌출된 두꺼운 디스크 형상의 원형 연장부(125a)의 상면, 저면, 측면을 감싸도록 배열된다. 이와 동시에, 제1탄성링(139)이 원형 연장부(125a)의 상면과 측면을 감싸는 부분은 결합부(110)에 밀착된 상태로 설치된다. 따라서, 제1탄성링(139)은 'ㄷ'자 단면의 측면과 상면이 중심 부재(126)의 원형 연장부(125a)와 결합부(110)의 사이에 낀 상태로 설치된다.

따라서, 중심 부재(126)의 구형부가 결합부(110)의 구형홈에 대하여 미끄럼 회전하는 변위가 제1탄성링(139)의 탄성에 의해 허용되어, 중심 부재(126) 및 멤브레인(202)의 틸팅이 허용된다. 제1탄성링(139)은 결합부(110)의 회전 중심축(68)으로부터 이격된 위치에 배치되므로, 멤브레인(202)이 연마 패드(11)와 밀착된 밸런스 상태를 효과적으로 유지하면서 밸런스가 깨져 요동하는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.

상기 제1탄성링(139)은 가요성 재질로 형성되되 연마 패드(11)의 80% 내지 120%의 탄성을 갖는 재질로 형성된다. 보다 바람직하게는, 제1탄성링(139)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(139)과 연마 패드(11)의 탄성, 강도 및 경도가 서로 평형을 이루어, 베이스(139)와 함께 틸팅되는 멤브레인(202)의 틸팅 자세가 연마 패드(11)에 지지된 상태로 안정되게 유지된다.

상기 본체(120)는 연마 패드(11)와 접촉한 상태를 유지하면서 CMP 공정 중인 웨이퍼(W)의 둘레를 감싸는 리테이너링(140)이 장착된다. 리테이너링(140)에는 반경 방향으로 홈(미도시)이 형성되어, 리테이너링(140)의 바깥과 내부를 연통한다. 따라서, 도2에 도시된 바와 같이 연마 패드(11) 상에 도포되는 슬러리를 정해진 양만큼씩 리테이너링(140)에 의해 둘러싸인 웨이퍼(W)에 공급될 수 있도록 한다. 리테이너 링(140)은 그 상측의 조정 챔버(145c)의 압력을 조절하여, 리테이너링(140)이 마모되더라도 상하 방향(145d)으로 이동하여, 리테이너링(140)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(140)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(102)는 리테이너 링(140)을 고정하는 본체(120)가 결합부(110)에 대하여 틸팅되도록 구성된다. 이를 위하여, 도면에는 명시적으로 표시되지 않았지만, 본체(120)는 결합부(110)와 대향하는 면에 약간의 틈새가 있도록 설치된다.

상기 제2탄성링(129)은 제1탄성링(139)과 마찬가지로 고무나 우레탄 등의 탄성을 갖는 가요성 재질로 형성되며, 'ㄷ'자 단면의 링 형태로 형성되어 본체(120)의 내측부의 상면, 저면, 측면을 감싸도록 배열된다. 이와 동시에, 제2탄성링(129)이 내측부의 상면과 측면을 감싸는 부분은 결합부(110)에 밀착된 상태로 설치된다. 따라서, 제2탄성링(129)은 'ㄷ'자 단면의 측면과 상면이 본체(120)의 내측부와 결합부(110)의 사이에 낀 상태로 설치된다.

따라서, 리테이너링(140)이 연마 패드(11)의 표면에 맞닿아 밀착하고자 하면, 본체(120)는 결합부(110)와의 사이에 개재된 제2탄성링(129)의 탄성에 의하여 틸팅되는 것이 허용된다. 또한, 제2탄성링(129)은 결합부(110)의 회전 중심축(68)으로부터 일정 거리만큼 이격된 위치에 배치되므로, 리테이너링(140)이 연마 패드(11)와 접촉한 상태에서 요동하는 것을 효과적으로 상쇄시키면서 안정적으로 이들의 밀착 상태를 유지할 수 있는 장점이 있다.

상기 제2탄성링(129)은 가요성 재질로 형성되되 연마 패드(11)의 80% 내지 120%의 탄성을 갖는 재질로 형성된다. 보다 바람직하게는, 제2탄성링(129)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(129)과 연마 패드(11)의 탄성, 강도 및 경도가 서로 평형을 이루어, 리테이너링(140)와 함께 틸팅되는 본체(120)의 틸팅 자세가 연마 패드(11)에 지지된 상태로 안정되게 유지된다.

이와 같이, 본체(120)는 멤브레인(202)의 틸팅(99)을 허용하게 하는 중심 부재(126)와 독립적으로 틸팅된다. 따라서, 캐리어 헤드(110)의 베이스(139)와 본체(120)의 조립 공차에 무관하게, 멤브레인(202)은 중심 부재(126) 및 베이스(130)와 함께 리테이너링(140)과 무관하게 독립적으로 연마 패드(11)의 편마모량에 따른 기울기에 따라 틸팅되고, 리테이너링(140)은 본체(120)와 함께 멤브레인(202)과 무관하게 독립적으로 연마 패드(11)의 편마모량에 따른 기울기에 따라 틸팅(98)된다. 따라서, 연마 패드(11)의 국부적인 편마모량의 기울기 편차가 있더라도, 멤브레인(202)과 리테이너링(140)이 각각 그 편차에 부합하게 틸팅됨으로써, 웨이퍼(W) 및 리테이너링(140)이 항상 연마 패드(140)의 표면에 밀착된다.

상기 고정 부재(148)는 제1탄성링(139)과 제2탄성링(129)의 저면을 지지하도록 볼트로 결합부(110)에 고정된다. 이에 따라, 제1탄성링(139)과 제2탄성링(129)은 제 위치에 간단히 위치 고정된다.

상기 중심 부재 홀더(170)는 중심 부재(125)에 삽입되어, 중심 부재(125)의 틸팅에 따라 함께 틸팅된다. 따라서, 중심 부재 홀더(170)와 중심 부재(125)의 사이 틈새는 없거나 매우 작은 범위로 관리된다. 중심 부재 홀더(170)는 베이스(139)에 볼트 등으로 결합되거나, 그 외주면(175)이 베이스(139)의 중심부 홈(185)에 끼워져, 중심 부재 홀더(170)와 베이스(139)가 함께 틸팅된다.

상기 멤브레인(202)은 도8에 도시된 바와 같이 중앙부에 웨이퍼(W)를 직접 흡입하거나 가압하는 통공(211d)이 형성되고, 격벽(231', 232', 233', 234', 235'; 230')이 보다 많이 형성되어 압력 챔버(C1, C2, C3, C4)가 보다 많이 분할되어 있다는 점에서 전술한 제1실시예의 멤브레인(201)과 차이가 있다. 따라서, 전술한 제1실시예의 멤브레인(201)의 구성 또는 기능과 중복되는 것에 대해서는 설명을 생략하기로 한다.

멤브레인(202)의 중앙부는 웨이퍼(W)를 직접 파지하거나 가압할 수 있는 관통공(211d)이 형성된다. 관통공(211d)은 중심 부재(126)의 중심을 관통하는 통로와 연통되고, 중심 부재(126)의 통로는 에어 펌프에 연통되어, 관통공(211d)에 흡입압(부압) 또는 가압(정압)이 선택적으로 도입될 수 있다. 멤브레인(202)의 중앙부의 관통공을 안정적으로 위치 형성하기 위하여, 수평부(210)의 중심에 가장 인접한 격벽(231')의 끝단(231a')이 베이스(130) 또는 별도의 고정 블록(190)에 이 위치 고정되어, 웨이퍼(W)가 수용홈(211)의 수용부(211c)에 위치한 경우에 관통공에 도입되는 압력 조절 챔버를 형성한다. 수평부(210)의 중심에 가장 인접한 격벽(231')의 끝단(231a')이 고정 수단(190)에 이 위치 고정되는 경우에는, 2개의 고정 블록(190)의 사이에 격벽(231')의 끝단(231a')을 위치시키는 것에 의해 자연스럽게 고정될 수 있다.

한편, 멤브레인(202)의 수평부(210)에 보다 많은 수의 격벽(231', 232', 233', 234', 235'; 230')이 형성됨에 따라, 이들 격벽(231', 232', 233', 234', 235'; 230')의 끝단을 제3베이스(133)에 위치시킨 상태로 베이스의 몸체에 제3베이스(133)를 고정시키는 것에 의해, 멤브레인(202)을 베이스(130) 및 고정 블록(190) 등의 캐리어 헤드(102)에 위치되어 다수의 분할 챔버(C1, C2, C3, C4)를 형성할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 제2실시예에 따른 캐리어 헤드(102)는 도10에 도시된 바와 같이, 최외측 압력챔버(C4)는 웨이퍼(W)의 가장자리의 상측과 접촉면(212)의 상측을 동시에 차지하는 링 형태로 형성된다. 이와 같이, 최외측 압력챔버(C4)는 수용홈(211)의 경계(212의 내측 원)의 상측에 위치함으로써, 접촉면(212)과 웨이퍼(W)의 가장자리를 하방으로 동시에 가압함으로써, 웨이퍼(W)의 가장자리의 연마를 균일하게 지속시킬 수 있으며, 동시에 웨이퍼(W)의 가장자리에 가해지는 가압력(P)의 조절이 용이해지는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 그리고, 최외측 압력챔버(C)의 하측에 위치한 접촉면(212)이 연마 패드(11)를 가압하는 가압력(P)을 웨이퍼(W)의 가장자리를 가압하는 가압력(P)과 동일하게 유지하면서도 접촉면(212)의 마모 상태를 일정 수준으로 유지할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

마찬가지로, 최외측 압력 챔버(C3)를 형성하는 최외측 격벽(232)과 수용홈(211)의 경계와의 거리(d')는 2mm 내지 5mm 범위의 값으로 형성되는 것이 웨이퍼(W)의 가장자리 영역을 가압하는 가압력(P)을 최외측 압력 챔버의 압력 제어로 조절하는 데 효과적이다.

이상으로부터, 본 발명에 따른 멤브레인(201, 202)은 저면에 웨이퍼(W)를 수용하는 요입홈을 수평부에 구비하고, 상기 수평면의 상측에 격벽(230, 230')이 형성되도록 구성되고, 이를 구비한 캐리어 헤드(101, 102)는 다수의 압력 챔버를 수평부 상측에 구비하여 독립적으로 압력이 조절되도록 구성되며, 상기 다수의 압력 챔버들 중 최외측 압력 챔버가 상기 웨이퍼의 가장자리와 상기 접촉면을 함께 가압하도록 구성됨에 따라, 웨이퍼의 가장자리 영역도 중앙부 영역과 마찬가지로 정확하게 인가하고자 하는 압력으로 가압하여, 웨이퍼의 가장자리 영역을 버리지 않고 웨이퍼의 가장자리 영역에서도 반도체 패키지를 제조하는 것이 가능해질 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명은 멤브레인의 접촉면(212)이 3mm 이상 50mm 이하의 폭(d)을 갖는 환형으로 형성되어, 웨이퍼의 반경 바깥쪽까지 연장된 영역(멤브레인의 가장 자리)에 최외측 압력 챔버가 형성되어 웨이퍼(W)를 가압하므로, 최외측 압력챔버의 모서리 부근이 들뜨더라도, 웨이퍼(W)의 가압면에는 영향을 미치지 않고 웨이퍼(W)의 전체 표면을 확실하게 가압할 수 있어서, 웨이퍼의 전체 표면에 균일한 기계적 연마를 가능하게 한다.

따라서, 본 발명은 웨이퍼의 전체 표면이 균일한 기계적 연마와 화학적 연마가 이루어지므로, 웨이퍼의 가장자리 영역에서도 반도체 패키지를 제조할 수 있게 되므로, 하나의 웨이퍼로 제조할 수 있는 반도체 패키지의 수량이 늘어나 반도체 제조 수율을 증대시킬 수 있다.

이 뿐만 아니라, 상기와 같은 본 발명은 웨이퍼(W)가 수직 단턱(211b)에 의해 둘러싸이면서 멤브레인(201)의 수용홈(211)에 수용된 상태로 화학 기계적 연마 공정이 행해지므로, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼(W)를 보다 확실하게 붙잡은 상태로 연마하게 되어, 캐리어 헤드(101)로부터 이탈되는 것을 보다 확실하게 방지할 수 있는 잇점도 얻어진다.

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.

101, 102:캐리어 헤드 110: 결합부
120: 본체 130: 베이스
140: 리테이너 링 150: 에어 펌프
201, 202: 멤브레인 210: 수평부
211: 수용홈 212: 접촉면
220: 단부 연장부 W: 웨이퍼

Claims (23)

1. 웨이퍼를 연마 패드에 가압하면서 화학 기계적 연마 공정을 행하는 캐리어 헤드의 압력 챔버의 하측에 위치하여, 상기 압력 챔버의 압력에 따라 팽창 가능하게 설치되는 멤브레인으로서,
   화학 기계적 연마 공정이 행해지는 웨이퍼를 수용하도록 판면에 요입 형성된 수용홈과, 상기 수용홈의 둘레에 상기 웨이퍼의 둘레를 감싸는 환상 형태(annular form)로 연마 패드와 접촉하는 접촉면으로 이루어진 수평부와;
   상기 수용홈의 반경 바깥 위치의 상기 수평부 상면으로부터 상방으로 연장 형성되어 상기 캐리어 헤드에 고정되되, 상기 수용홈의 반경 바깥 위치로부터 링형태로 상향 연장된 단부 연장부와;
   상기 수평부의 중심과 상기 단부 연장부의 사이에 상기 수평부의 상면으로부터 링형태로 상향 연장 형성되고, 단부가 상기 캐리어 헤드에 고정되어 상기 압력 챔버의 압력을 독립적으로 제어할 수 있는 다수의 압력 챔버를 형성하는 격벽을;
   포함하여 구성되고, 상기 다수의 압력 챔버들 중 반경 방향으로 가장 바깥에 위치한 최외측 압력챔버는 상기 접촉면의 상측에 위치하는 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드의 멤브레인.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 격벽은 다수로 형성되어 상기 압력 챔버는 3개 이상으로 분할 형성되는 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드의 멤브레인.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 최외측 압력 챔버는 상기 수용홈의 경계의 상측에 위치하는 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드의 멤브레인.
   
4. 제 3항에 있어서,
   반경 방향으로 최외측에 위치한 상기 압력 챔버를 형성하는 최외측 격벽과 상기 수용홈의 경계와의 거리는 2mm 내지 5mm인 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드의 멤브레인.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 수용홈은 상기 웨이퍼의 형상에 대응하는 형상과 치수로 형성된 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드의 멤브레인.
   
6. 제 4항에 있어서,
   상기 접촉면은 3mm 이상의 폭을 갖는 환형인 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드의 멤브레인.
   
7. 제 1항에 있어서,
   상기 단부 연장부는 상기 수평부의 가장자리 끝단으로부터 상방으로 연장 형성된 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드의 멤브레인.
   
8. 제 1항에 있어서,
   상기 단부 연장부는 상기 수평부의 가장자리 끝단으로부터 중심을 향해 이격된 위치에서 상방으로 연장 형성되어, 상기 단부 연장부의 반경 바깥쪽으로 돌출부가 형성된 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드의 멤브레인.
   
9. 제 8항에 있어서,
   상기 돌출부는 상기 접촉면의 폭보다는 작게 형성되면서 0.5mm 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드의 멤브레인.
   
10. 제 1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 웨이퍼를 가압하는 수용홈의 가압면을 이루는 제1소재는 상기 접촉면을 이루는 제2소재와 에 비하여 경도가 더 낮은 소재로 형성된 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드의 멤브레인.
    
11. 제 10항에 있어서,
    상기 단부 연장부는 상기 수용홈의 가압면과 동일한 상기 제1소재로 일체 형성되고, 상기 제1소재의 하면에 상기 환형의 상기 제2소재가 부착된 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드의 멤브레인.
    
12. 제 11항에 있어서,
    상기 제1소재와 상기 제2소재는 부착된 형태로 일체 성형되는 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드의 멤브레인.
    
13. 제 11항에 있어서,
    상기 제1소재는 가요성 소재인 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드의 멤브레인.
    
14. 제 13항에 있어서,
    상기 제1소재는 40 내지 50 쇼어(Shore A) 경도를 갖는 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드의 멤브레인.
    
15. 제 10항에 있어서,
    상기 제2소재는 실리콘, 고무, 엔지니어링 플라스틱 중 어느 하나의 소재로 형성된 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드의 멤브레인.
    
16. 본체와;
    상기 본체에 대하여 회전 구동되는 베이스와;
    상기 베이스에 위치 고정되고, 상기 베이스와의 사이에 압력 챔버가 형성되어 상기 압력 챔버의 압력 제어에 의해 화학 기계적 연마 공정 중에 저면에 위치한 웨이퍼를 하방으로 가압하는 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 멤브레인을;
    포함하여, 상기 웨이퍼가 상기 멤브레인의 수용홈에 수용된 상태로 상기 웨이퍼의 전체 표면이 상기 수용홈의 가압면에 의해 가압되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드.
    
17. 제 16항에 있어서,
    상기 본체와 상기 베이스 중 어느 하나에 지지되도록 설치되고 상기 멤브레인의 바깥을 둘러싸고 상기 베이스와 함께 회전하는 리테이너링을;
    더 포함하는 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드.
    
18. 제 16항에 있어서,
    상기 웨이퍼를 가압하는 수용홈의 가압면을 이루는 제1소재는 상기 접촉면을 이루는 제2소재와 에 비하여 경도가 더 낮은 소재로 형성된 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드.
    
19. 제 18항에 있어서,
    상기 단부 연장부는 상기 수용홈의 가압면과 동일한 상기 제1소재로 일체 형성되고, 상기 제1소재의 하면에 상기 환형의 상기 제2소재가 부착된 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드.
    
20. 제 19항에 있어서,
    상기 제1소재와 상기 제2소재는 부착된 형태로 일체 성형되는 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드의 멤브레인.
    
21. 제 18항에 있어서,
    상기 제1소재는 가요성 소재인 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드의 멤브레인.
    
22. 제 18항에 있어서,
    상기 제1소재는 40 내지 50 쇼어(Shore A) 경도를 갖는 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드의 멤브레인.
    
23. 제 18항에 있어서,
    상기 제2소재는 실리콘, 고무, 엔지니어링 플라스틱 중 어느 하나의 소재로 형성된 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드의 멤브레인.
    

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