KR101515424B1 - 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드의 멤브레인 - Google Patents

화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드의 멤브레인 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드의 멤브레인에 관한 것으로, 바닥판과, 상기 바닥판의 가장 자리에 절곡 형성된 측면과, 상기 측면의 내측에 압력 챔버를 다수로 분할하도록 상기 바닥판으로부터 돌출되게 연장되어 본체부에 고정되는 고정 플랩을 포함하고 가요성 재질로 이루어진 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인에 있어서, 상기 고정 플랩은 상기 바닥판으로부터 상방으로 돌출되어 연장 형성된 상향 연장부와, 상기 상향 연장부의 상단부로부터 횡방향으로 절곡되어 연장 형성된 횡방향 연장부로 형성되며, 상기 본체부에 고정되는 상기 횡방향 연장부의 끝단은 상기 상향 연장부의 상단부에 비하여 더 낮게 형성되어, 웨이퍼를 가압하는 압력 챔버의 경계에서 과도한 응력이 집중되는 것을 방지는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인을 제공한다.

Description

화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드의 멤브레인{MEMBRANE IN CARRIER HEAD}
본 발명은 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드의 멤브레인에 관한 것으로, 상세하게는 웨이퍼를 가압하는 압력 챔버의 경계에서 과도한 응력이 집중되는 것을 방지하여 웨이퍼의 연마 품질을 향상시키는 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드의 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 공정 으로 이동한다.
도1은 캐리어 헤드(1)의 개략도이다. 도1에 도시된 바와 같이, 캐리어 헤드(1)는, 회전 구동력을 전달받는 토크 전달부(110)와, 토크 전달부(110)와 함께 회전하는 베이스(120)와, 베이스(120)를 둘러싸는 링 형태로 장착되어 베이스(120)와 함께 회전하는 리테이너링(130)과, 베이스(120)에 고정되어 베이스(120)와의 사잇 공간에 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)를 형성하는 탄성 재질의 멤브레인(140)과, 공압 공급로(155)을 통해 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)로 공기를 넣거나 빼면서 압력을 조절하는 압력 제어부(150)로 구성된다. 여기서, 토크 전달부(110)와 베이스(120)는 함께 회전하며 본체부를 형성한다.
탄성 재질의 멤브레인(140)은 웨이퍼(W)를 가압하는 평탄한 바닥판(141)의 가장자리 끝단에 측면(142)이 절곡 형성된다. 멤브레인(140)의 중앙부 끝단(140a)은 베이스(120)에 고정되어 웨이퍼(W)를 직접 흡입하는 흡입공(77)이 형성된다. 멤브레인(150)의 중앙부에 흡입공이 형성되지 않고 웨이퍼(W)를 가압하는 면으로 형성될 수도 있다. 멤브레인(140)의 중심으로부터 측면(142)의 사이에는 베이스(120)에 고정되는 링 형태의 플랩(flap, 143)이 다수 형성되어, 플랩(143)을 기준으로 다수의 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)가 동심원 형태로 배열된다. 이를 위하여, 플랩(143)은 바닥판(141)의 판면으로부터 상방으로 연장 형성된 상향 연장부(143a)와, 상향 연장부(143a)의 상단부로부터 절곡부(143c)를 거쳐 횡방향으로 연장 형성된 횡방향 연장부(143b)로 형성된다.
상기와 같이 구성된 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드(1)는 공압 공급로(155)를 통해 각각의 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)에 압력이 독립적으로 제어되어 유입되면, 도2에 도시된 바와 같이 각각의 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)의 압력(...,P2, P3,...)이 증가하면서, 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)를 감싸는 멤브레인이 팽창하면서 바닥판(141)을 하방으로 누르게 된다.
이에 따라, 멤브레인(140)의 바닥판(141)으로부터 연장 형성된 플랩(143)은 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)의 팽창에 따라, 'ㄱ'자 형태의 절곡부(143c)가 펼쳐지면서 바닥판(141)이 하방으로 내려가게 된다. 이 때, 플랩(143)의 길이는 일정한 데, 바닥판(141)이 하방으로 내려가므로 바닥판(141)과 플랩(143)의 연결부(140x)에서는 과도한 인장력이 작용하면서, 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)의 경계부를 형성하는 연결부(140x)에서 웨이퍼(W)에 전달되는 가압력 편차가 커지는 문제점이 야기된다. 따라서, 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)의 경계부 아래에 위치한 웨이퍼(W)의 일부 영역은 화학 기계적 연마 공정에 의하여 평탄하지 않은 상태로 연마되는 불량이 발생될 가능성이 커지는 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 기술적 배경하에서 창안된 것으로, 본 발명은 웨이퍼를 가압하는 압력 챔버의 경계에서 과도한 응력이 집중되는 것을 방지하여, 화학 기계적 연마 공정 중에 압력 챔버의 경계 부근을 정확하게 가압할 수 있는 화학 기계적 연마장치의 캐리어 헤드의 멤브레인의 구조를 제안하는 것을 목적으로 한다.
이를 통해, 웨이퍼의 전체 표면의 연마 품질을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 바닥판과, 상기 바닥판의 가장 자리에 절곡 형성된 측면과, 상기 측면의 내측에 압력 챔버를 다수로 분할하도록 상기 바닥판으로부터 돌출되게 연장되어 본체부에 고정되는 고정 플랩을 포함하고 가요성 재질로 이루어진 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인에 있어서, 상기 고정 플랩은 제1두께로 연장된 제1부분과, 상기 제1두께보다 얇은 제2두께로 연장된 제2부분으로 이루어져, 상기 압력 챔버의 압력 변동에 따라 상기 고정 플랩의 형태 변형이 상기 제2부분에 의해 이루어지도록 유도되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인을 제공한다.
이는, 고정 플랩이 얇은 제2두께와 두꺼운 제1두께를 함께 구비하도록 구성되어, 압력 챔버에 공압이 공급되어 팽창하는 것에 의해 멤브레인의 바닥판이 하방으로 내려가더라도, 고정 플랩의 얇은 부분에서 인장 응력이 수용되도록 함으로써, 멤브레인의 고정 플랩과 바닥판의 연결부에서 국부적으로 크게 작용하는 응력 성분을 완화하기 위함이다.
이 때, 상기 고정 플랩은 상기 바닥판으로부터 상방으로 연장된 상향 연장부와 상기 상향 연장부의 상단부로부터 횡방향으로 절곡되어 연장 형성된 횡방향 연장부로 형성되며, 상기 제1부분은 상기 바닥판으로부터 상기 절곡부에 미치지 않는 상기 상향 연장부의 일부분에 형성된다.
이와 같이, 고정 플랩과 바닥판의 연결부가 두꺼운 제1두께로 형성되고 절곡부 및 횡방향 연장부가 얇은 제2두께로 형성됨에 따라, 압력 챔버에 공압이 공급되어 압력 챔버가 팽창하면서 멤브레인의 바닥판을 하방으로 내려앉게 이동시키더라도, 고정 플랩의 변형 부위는 얇은 제2두께로 형성되어 작은 휨 강성을 갖는 절곡부와 횡방향 연장부에 집중됨에 따라, 보다 큰 강성을 갖는 고정 플랩과 바닥판이 연결되는 연결부에는 변형이 억제되면서 응력이 집중되었던 종래의 문제점을 해소할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
한편, 본 발명은, 바닥판과, 상기 바닥판의 가장 자리에 절곡 형성된 측면과, 상기 측면의 내측에 압력 챔버를 다수로 분할하도록 상기 바닥판으로부터 돌출되게 연장되어 본체부에 고정되는 고정 플랩을 포함하고 가요성 재질로 이루어진 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인에 있어서, 상기 고정 플랩은 상기 바닥판으로부터 상방으로 돌출되어 연장 형성된 상향 연장부와, 상기 상향 연장부의 상단부로부터 횡방향으로 절곡되어 연장 형성된 횡방향 연장부로 형성되며, 상기 본체부에 고정되는 상기 횡방향 연장부의 끝단 중심은 상기 상향 연장부의 상단에 비하여 더 낮게 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인을 제공한다.
이와 같이, 멤브레인의 고정 플랩의 상향 연장부의 상단부가 고정 플랩의 끝단의 고정부에 비하여 더 높게 형성되어, 멤브레인의 고정 플랩의 상향 연장부의 상단부와 고정 플랩의 끝단의 고정부 사이에 높이 차이를 갖는 여유 길이가 횡방향 연장부에 형성됨에 따라, 압력 챔버가 팽창하면서 멤브레인의 바닥판을 하방으로 밀어내어 이동시키는 경우에, 고정 플랩이 늘어나 인장되어 높은 응력이 국부적으로 집중되지 않고, 멤브레인의 바닥판의 하방 이동 변위를 상기 여유 길이로 수용함으로써, 멤브레인의 고정 플랩 및 바닥판과의 연결부에서 응력이 집중되는 현상을 줄일 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
여기서, 상기 여유 길이는 'ㄴ'자 형태이거나 'U'자 형태 등 다양한 형상으로 적용될 수 있다. 그러나, 여유 길이가 'U'자 단면 형태로 형성되는 경우에는 멤브레인의 바닥판의 하방 이동 변위에 부합하여 접혀있던 단면 형태가 쉽게 펼쳐지지 않아 멤브레인에 국부적으로 응력이 작용될 수 있다.
그러나, 상향 연장부와 횡방향 연장부가 서로 만나는 절곡부에서부터 본체부에 고정되는 횡방향 연장부의 끝단까지 이르는 영역 내에 위치하는 상기 여유 길이가 '하향 경사진 경사 영역'으로 형성된 경우에는, 압력 챔버가 팽창하면서 멤브레인의 바닥판을 하방으로 밀어내어 이동시킬 때에, 멤브레인의 바닥판의 하방 이동 변위가 펼쳐지는 형태 변형에 의해 수용되는 것이 아니라, 횡방향 연장부의 경사 영역이 예각의 범위 내에서 회전하는 회전 변위에 의해 보다 쉽게 수용되므로, 멤브레인에 국부적으로 응력이 집중되는 현상을 완전히 해소할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
이 때, 상기 횡방향 연장부의 끝단과 상기 상향 연장부의 상단부 사이의 간격은 상기 바닥판의 두께 이상으로 형성되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 고정 플랩은 제1두께로 연장된 제1부분과, 상기 제1두께보다 얇은 제2두께로 연장된 제2부분으로 이루어지고, 상기 압력 챔버의 압력 변동에 따라 상기 고정 플랩의 형태 변형이 주로 상기 제2부분에 의해 이루어짐으로써, 멤브레인 바닥판의 상하 이동에 따른 변위에 따른 응력이 바닥판과 상향 연장부의 연결부에 발생되지 않고, 횡방향 연장부에서 모두 수용되도록 한다.
이를 위하여, 상기 제1부분은 상기 바닥판으로부터 상기 절곡부에 미치지 않는 상기 상향 연장부의 일부분에 형성된다.
한편, 본 발명은, 외부로부터 회전 구동력을 인가받아 회전하는 본체부와; 상기 본체부에 위치 고정되어 상기 본체부와 함께 회전하고, 상기 본체부의 베이스와의 사이에 압력 챔버가 형성되어 상기 압력 챔버의 압력 제어에 의해 화학 기계적 연마 공정 중에 저면에 위치한 웨이퍼를 하방으로 가압하는 전술한 멤브레인과; 상기 본체부에 고정되어 상기 본체부와 함께 회전하고, 상기 화학기계적 연마 공정 중에 저면이 연마 패드 상에 접촉한 상태를 유지하면서 상기 멤브레인의 바깥을 둘러싸고 있는 리테이너링을; 포함하는 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드를 제공한다.
본 발명에 따르면, 고정 플랩이 얇은 제2두께와 두꺼운 제1두께를 함께 구비하도록 구성되어, 압력 챔버에 공압이 공급되어 팽창하는 것에 의해 멤브레인의 바닥판이 하방으로 내려가더라도, 고정 플랩의 얇은 부분에서 인장 응력이 수용되도록 함으로써, 멤브레인의 고정 플랩과 바닥판의 연결부에서 국부적으로 크게 작용하는 응력 성분을 완화시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은, 멤브레인의 고정 플랩의 상향 연장부의 상단부가 고정 플랩의 끝단의 고정부에 비하여 더 높게 형성되어, 멤브레인의 고정 플랩의 상향 연장부의 상단부와 고정 플랩의 끝단의 고정부 사이에 높이 차이를 갖는 여유 길이가 횡방향 연장부에 형성됨에 따라, 압력 챔버가 팽창하면서 멤브레인의 바닥판을 하방으로 밀어내어 이동시키더라도, 멤브레인의 바닥판의 하방 이동 변위를 상기 여유 길이로 수용함으로써, 멤브레인의 고정 플랩 및 바닥판과의 연결부에서 응력이 집중되는 현상을 줄일 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
무엇보다도, 본 발명은, 상향 연장부와 횡방향 연장부가 서로 만나는 절곡부에서부터 본체부에 고정되는 횡방향 연장부의 끝단까지 이르는 영역 내에 위치하는 상기 여유 길이가 '하향 경사진 경사 영역'으로 형성됨으로써, 압력 챔버가 팽창하면서 멤브레인의 바닥판을 하방으로 밀어내어 이동시킬 때에, 멤브레인의 바닥판의 하방 이동 변위가 펼쳐지는 변형에 의해 수용되는 것이 아니라, 횡방향 연장부의 경사 영역이 예각의 범위 내에서 회전하는 회전 변위에 의해 보다 쉽게 수용되므로, 멤브레인에 국부적으로 응력이 집중되는 현상을 완전히 해소할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
이를 통해, 본 발명은 압력 챔버 사이의 멤브레인에 응력이 집중되는 것을 방지함으로써, 웨이퍼의 전체 표면에 걸쳐 연마 품질을 향상시키는 잇점을 얻을 수 있다.
도1은 종래의 캐리어 헤드를 보인 단면도,
도2는 웨이퍼 가장자리를 가압하는 원리를 설명하기 위한 도1의 'A'부분의 확대도,
도3은 본 발명의 제1실시예에 따른 캐리어 헤드의 멤브레인의 확대도,
도4는 도3의 캐리어 헤드의 압력 챔버가 팽창하면서 멤브레인 바닥판이 하방으로 내려간 상태를 도시한 도면,
도5는 본 발명의 제2실시예에 따른 캐리어 헤드의 멤브레인의 확대도,
도6은 도5의 캐리어 헤드의 압력 챔버가 팽창하면서 멤브레인 바닥판이 하방으로 내려간 상태를 도시한 도면이다.
본 발명의 제1실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드에 사용되는 멤브레인(200)과 이를 구비한 캐리어 헤드를 상술한다. 본 발명의 제1실시예는 도1에 도시된 종래의 구성(140; 1)과 대비할 때 고정 플랩(220)의 형상에 차이가 있다. (본 발명에 따른 캐리어 헤드 및 멤브레인은 도면에 도시된 반단면도의 중심선을 기준으로 회전시킨 형상이다.)
본 발명의 제1실시예에 따른 캐리어 헤드는 종래의 캐리어 헤드(1)와 마찬가지로 구동 샤프트(미도시)와 연결되어 회전하는 토크 전달부(110)와, 토크 전달부(110)와 연결되어 함께 회전하는 베이스(120)와, 베이스(120)에 고정되어 베이스(120)와의 사이에 압력 챔버(...,C4, C5)를 형성하고 탄성 가요성 소재로 형성되는 멤브레인(200)과, 압력 챔버(...,C4, C5)에 공압을 공급하여 압력을 조절하는 압력 제어부(150)로 구성된다.
여기서, 토크 전달부(110)와 베이스(120)는 함께 회전하며 본체부를 형성한다.
상기 멤브레인(200)은 원 형태로 형성된 바닥판(210)과, 바닥판(210)의 가장자리 끝단으로부터 절곡되어 상측으로 연장 형성된 측면과, 바닥판(210)의 중심과 측면(242)의 사이에 본체부의 베이스(120)에 결합되는 다수의 링형태의 고정 플랩(220)이 형성된다.
도3에 도시된 바와 같이, 멤브레인의 고정 플랩(220)은 바닥판(210)으로부터 링 형태로 상향 연장되는 상향 연장부(221)와, 상향 연장부(221)의 상단부에 위치한 절곡부(223)에서 반경 바깥을 향하거나 중심을 향하는 횡방향으로 연장된 횡방향 연장부(222)로 이루어지고, 횡방향 연장부(222)의 끝단(220e)에서 결합 부재(122)에 의해 베이스(120)에 고정된다. 이에 따라, 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)가 멤브레인(200)의 고정 플랩(220)을 경계로 분할되어 링 형태의 다수의 분할 챔버로 형성된다.
그리고, 다수의 분할 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)에는 압력 공급부(150)로부터의 공압 공급로(155)를 통해 정압이나 부압이 인가되어, 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)의 압력이 조절된다.
또한, 고정 플랩(220)은 전체가 일정한 두께로 형성되지 않고, 멤브레인 바닥판(210)과 연결되는 연결부(200x)로부터 상향 연장부(221)의 일정 높이(h)까지는 두꺼운 제1두께(t1)로 형성되고, 상향 연장부(221)의 일정 높이(h)의 나머지 영역은 끝단(220e)을 제외하고 보다 얇은 제2두께(t2)로 형성된다.
여기서, 제1두께(t1)는 제2두께(t2)에 비하여 대략 1.5배 내지 3배 정도의 두께로 형성되어, 고정 플랩(220)을 인장시키는 힘이 작용할 때에 얇은 제2두께(t2)로 형성된 부분에서 대부분의 인장 변위 및 휨 변위가 수용되도록 한다.
그리고, 두꺼운 제1두께(t1)로 형성되는 상향 연장부(221)의 일정 높이(h)는, 압력 챔버(C1, C2, C3,...)의 압력(P1, P2, P3,...)이 높아져 고정 플랩(220)에 인장력이 작용할 때에, 얇은 제2두께(t2)의 영역에서 발생된 휨 및 인장 변위가 상향 연장부(221)과 바닥판(210)과 만나는 연결부(200x)에 휨 및 인장 변위로 영향을 미치는 정도가 미미해지는 정도로 정해진다. 제1두께(t1)로 형성되는 상향 연장부(221)의 일정 높이(h)가 낮은 경우에는 제2두께(t2)의 영역에서 휨 및 인장 변형이 연결부(200x)에까지 크게 영향을 미치게 되고, 제1두께(t1)로 형성되는 상향 연장부(221)의 일정 높이(h)가 높은 경우에는 제1두께(t1)로 형성된 영역에서 휨 및 인장 변형량을 충분히 수용할 수 없게 된다. 따라서, 제1두께(t1)로 형성되는 상향 연장부(221)의 일정 높이(h)는 상향 연장부(221)의 전체 높이의 1/4 내지 3/4의 범위 내로 정해진다.
상기와 같은 구성으로부터, 도4에 도시된 바와 같이 압력 챔버(C1, C2, C3,...)에 공압 공급로(155)를 통해 정압이 인가되면, 압력 챔버(C1, C2, C3,...)의 압력(P1, P2, P3,...)이 상승하면서 팽창하여, 멤브레인 바닥판(210)을 하방으로 누르는 힘으로 작용하게 된다. 이에 따라, 멤브레인 바닥판(210)은 하방으로 밀려 이동하게 되는 데, 멤브레인 바닥판(210)의 하방으로의 이동 변위만큼 얇은 제1두께(t1)로 형성된 상향 연장부(221)의 일부분과 횡방향 연장부(222)에는 인장 변형이 발생되고, 동시에 절곡부(223) 및 횡방향 연장부(222)에 휨 변형이 발생된다.
그러나, 고정 플랩(220)의 상향 연장부(221)의 일정 높이(h)까지는 제1두께(t1)에 비하여 1.5배 내지 3배의 제2두께(t2)로 형성됨에 따라, 제1두께(t1)로 형성된 영역의 휨 변형 및 인장 변형이 상향 연장부(221)와 바닥판(210)이 만나는 연결부(200x)로 전달되는 양이 미미해진다.
따라서, 상향 연장부(221)와 바닥판(210)이 만나는 연결부(200x)에서는 도2에 도시된 종래 구조에서 발생되었던 국부적인 휨 변형이나 응력 집중 현상이 완화되어, 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)의 경계 영역에서 웨이퍼(W)의 연마면이 불균일하게 연마되는 종래의 문제점을 크게 줄일 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
이하, 본 발명의 제2실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드에 사용되는 멤브레인(200')과 이를 구비한 캐리어 헤드를 상술한다. 다만, 본 발명의 제2실시예을 설명함에 있어서, 전술한 제1실시예의 구성 및 작용과 동일 또는 유사한 구성에 대해서는 제2실시예의 요지를 명료하게 하기 위하여 중복되는 설명을 생략하기로 한다.
본 발명의 제2실시예에 따른 캐리어 헤드는 종래의 캐리어 헤드(1)와 마찬가지로 구동 샤프트(미도시)와 연결되어 회전하는 토크 전달부(110)와, 토크 전달부(110)와 연결되어 함께 회전하는 베이스(120)와, 베이스(120)에 고정되어 베이스(120)와의 사이에 압력 챔버(...,C4, C5)를 형성하고 탄성 가요성 소재로 형성되는 멤브레인(200')과, 압력 챔버(...,C4, C5)에 공압을 공급하여 압력을 조절하는 압력 제어부(150)로 구성된다.
상기 멤브레인(200')은 원 형태로 형성된 바닥판(210)과, 바닥판(210)의 가장자리 끝단으로부터 절곡되어 상측으로 연장 형성된 측면과, 바닥판(210)의 중심과 측면(242)의 사이에 본체부의 베이스(120)에 결합되는 다수의 링형태의 고정 플랩(220)이 형성된다.
도5에 도시된 바와 같이, 멤브레인의 고정 플랩(220)은 바닥판(210)으로부터 링 형태로 상향 연장되는 상향 연장부(221)와, 상향 연장부(221)의 상단부에 위치한 절곡부(223)에서 반경 바깥을 향하거나 중심을 향하는 횡방향으로 연장된 횡방향 연장부(222')로 이루어지고, 횡방향 연장부(222')의 끝단(220e)에서 결합 부재(122)에 의해 베이스(120)에 고정된다. 이에 따라, 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)가 멤브레인(200)의 고정 플랩(220)을 경계로 분할되어 링 형태의 다수의 분할 챔버로 형성된다.
또한, 고정 플랩(220)은 전체가 일정한 두께로 형성되지 않고, 멤브레인 바닥판(210)과 연결되는 연결부(200x')로부터 상향 연장부(221)의 일정 높이(h)까지는 두꺼운 제1두께(t1)로 형성되고, 상향 연장부(221)의 일정 높이(h)의 상측 및 횡방향 연장부(222')는 보다 얇은 제2두께(t2)로 형성된다. 여기서, 제1두께(t1)는 제2두께(t2)에 비하여 대략 1.5배 내지 3배 정도의 두께로 형성되어, 고정 플랩(220)을 인장시키는 힘이 작용할 때에 얇은 제2두께(t2)로 형성된 부분에서 대부분의 인장 변형 및 휨 변형이 수용되도록 한다.
이와 동시에, 멤브레인(200')의 고정 플랩(220)의 상향 연장부(221)의 상단부가 베이스(120)에 고정되는 고정 플랩(220)의 끝단(220e)에 비하여 도면부호 's'로 표시된 높이만큼 차이를 갖도록 더 높게 형성된다. 이에 따라, 고정 플랩(220)의 상향 연장부(221)의 상단에 위치한 절곡부(223)와 고정 플랩(220)의 끝단(220e) 사이에는 높이차를 갖는 여유 길이(222a)가 횡방향 연장부(222')에 형성된다. 도면에는 여유길이(222a)가 절곡부(223)로부터 끝단(220e)을 향하는 하향 경사진 경사 영역으로 형성되어 있지만, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면 'ㄴ'자, 'ㄱ'자와 같이 수직으로 경사진 형태로 형성될 수도 있고, 양측단의 높이가 다른 'U'자형태로 형성될 수도 있다.
이에 따라, CMP 공정을 시작하기 위하여 압력 챔버(C1, C2, C3,...)에 정압이 공급되어 압력 챔버(C1, C2, C3)가 팽창하면, 멤브레인(200')의 바닥판(210)이 하방으로 밀려 이동되는 때에, 고정 플랩(220)의 여유 길이(222a)가 펼쳐져지거나 회전(88)하면서 바닥판(210)의 하방 이동 거리를 수용할 수 있게 된다. 즉, 바닥판(210)이 하방 이동 하더라도, 고정 플랩(220)이 늘어나지 않고 단순히 고정 플랩(220)의 여유 길이(222a)에서 휨 변형이 일어날 뿐이므로, 멤브레인의 바닥판(210)과 고정 플랩(220)이 연결되는 연결부(200x')가 인장되지도 않으며 응력이 집중되는 현상도 발생되지 않는다.
특히, 도5에 도시된 바와 같이 횡방향 연장부(222')의 여유 길이(222a)가 '하방 경사진 경사 영역'으로 형성된 경우에는, 멤브레인 바닥판(210)이 하방 이동하는 거리만큼 접혀있던 여유 길이(222a)가 펼쳐지는 변형에 의하여 바닥판(210)의 하방 이동 거리를 수용하는 것이 아니라, 경사져 있던 여유 길이(222a)가 수평 상태가 되는 방향으로 회전(88)하면서 고정 플랩(220)을 위치 이동시키는 것에 의하여 바닥판(210)의 하방 이동 거리를 수용하게 되므로, 멤브레인에 국부적으로 응력이 집중되는 현상을 완전히 해소할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
일반적으로 화학 기계적 연마 공정을 위하여 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)에 정압이 공급되는 때에 멤브레인 바닥판(210)이 하방으로 이동하는 거리는 대략 바닥판(210)의 두께에 해당하는 거리만큼 이동하므로, 횡방향 연장부(222')의 끝단(220e)과 상향 연장부(221)의 상단에 위치한 절곡부(223) 사이의 간격(s, 여유 길이의 높이차)은 멤브레인 바닥판(210)의 두께(y) 이상으로 설정되는 것이 바람직하다. 다만, 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)의 압력 변동에 의한 멤브레인 바닥판(210)의 상하 이동 거리가 변동되면, 여유 길이(222a)의 높이차(s)는 멤브레인 바닥판(210)의 상하 이동 거리에 따라 증감할 수 있다.
마찬가지로, 본 발명의 제2실시예에 따른 멤브레인(200')은 상향 연장부(221)의 일정 높이(h)만큼 보다 두께운 제1두께(t1)로 형성되고, 그 밖의 나머지 영역은 모두 얇은 제2두께(t2)로 형성됨에 따라, 얇은 제2두께(t2)의 영역에서 발생된 휨 및 인장 변형이 상향 연장부(221)과 바닥판(210)과 만나는 연결부(200x')에 휨이나 및 인장 변형으로 미치는 영향을 최소화한다.
상기와 같은 구성으로부터, 도6에 도시된 바와 같이 압력 챔버(C1, C2, C3,...)에 공압 공급로(155)를 통해 정압이 인가되면, 압력 챔버(C1, C2, C3,...)의 압력(P1, P2, P3,...)이 상승하면서 팽창하여, 멤브레인 바닥판(210)을 하방으로 누르는 힘으로 작용하게 된다. 이에 따라, 멤브레인 바닥판(210)은 하방으로 밀려 이동하게 되는 데, 멤브레인 바닥판(210)의 하방으로의 이동 변위만큼 얇은 제1두께(t1)로 형성된 상향 연장부(221)의 일부분과 횡방향 연장부(222')에는 형태 변형이 발생된다.
이 때, 고정 플랩(220)의 횡방향 연장부(222')에는 하향 경사진 형태로 상하 높이차(s)가 있는 여유 길이(222a)가 형성되어 있으므로, 멤브레인 바닥판(210)이 하방 이동하는 거리만큼 여유 길이(222a)는 도면부호 88로 표시된 방향으로 회전하여, 여유 길이(222a)의 높이차(s)가 상쇄되면서 대략 수평인 자세에 도달하는 형태로 횡방향 연장부(222')의 휨 변형이 발생된다. 이와 같이, 횡방향 연장부(222')의 여유 길이(222a)가 수평 상태가 되는 방향으로 회전(88)하는 휨 변형에 의하여 바닥판(210)의 하방 이동 거리를 수용하게 되므로, 멤브레인 바닥판(210)과 고정 플랩(220)의 연결부(200x')에 인장 변형이나 휨변형이 발생되는 것이 억제될 뿐만 아니라, 이 연결부에 응력이 국부적으로 집중되는 현상을 완전히 해소할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
따라서, 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)의 경계 영역에서 웨이퍼(W)의 연마면이 불균일하게 연마되는 종래의 문제점을 크게 줄일 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
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.
W: 웨이퍼 C1, C2, C3, C4, C5: 압력 챔버
110: 토크 전달부 120: 베이스
122: 결합 부재 130: 리테이너 링
200, 200': 멤브레인 210: 바닥판
220: 고정 플랩 221: 상향 연장부
222, 222': 횡방향 연장부 223: 절곡부
220e: 끝단 200x: 연결부
222a: 경사 영역

Claims (9)

  1. 바닥판과, 상기 바닥판의 가장 자리에 절곡 형성된 측면과, 상기 측면의 내측에 압력 챔버를 다수로 분할하도록 상기 바닥판으로부터 돌출되게 연장되어 본체부에 고정되는 고정 플랩을 포함하고 가요성 재질로 이루어진 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인에 있어서,
    상기 고정 플랩은, 상기 바닥판으로부터 상방으로 연장된 상향 연장부와, 상기 상향 연장부의 상단부에 위치한 절곡부로부터 횡방향으로 연장 형성된 횡방향 연장부로 형성되며;
    상기 바닥판과 연결되는 연결부로부터 상기 상향 연장부의 정해진 높이(h)까지는 제1두께인 제1부분을 형성하고, 상기 상향 연장부 중 상기 제1부분을 제외한 부분과 상기 절곡부와 상기 횡방향 연장부의 일부 이상은 상기 제1두께보다 얇은 제2두께인 제2부분을 형성하며, 상기 압력 챔버의 압력 변동에 따라 상기 제1부분에 비하여 상기 제2부분에서 보다 큰 형태 변형이 발생되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 고정 플랩의 상기 제2부분의 끝단부가 상기 본체부에 고정되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  3. 바닥판과, 상기 바닥판의 가장 자리에 절곡 형성된 측면과, 상기 측면의 내측에 압력 챔버를 다수로 분할하도록 상기 바닥판으로부터 돌출되게 연장되어 본체부에 고정되는 고정 플랩을 포함하고 가요성 재질로 이루어진 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인에 있어서,
    상기 고정 플랩은, 상기 바닥판으로부터 상방으로 연장된 상향 연장부와, 상기 상향 연장부의 상단부에 위치한 절곡부로부터 횡방향으로 연장 형성된 횡방향 연장부로 형성되며, 상기 본체부에 고정되는 상기 횡방향 연장부의 끝단 중심은 상기 상향 연장부의 상단에 비하여 더 낮게 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 상향 연장부의 상단부로부터 상기 본체부에 고정되는 끝단에 이르는 사이의 상기 횡방향 연장부에는 하향 경사지게 뻗은 경사 영역이 포함된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 횡방향 연장부의 끝단과 상기 상향 연장부의 상단부 사이의 간격은 상기 바닥판의 두께 이상인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 고정 플랩은 제1두께로 연장된 제1부분과, 상기 제1두께보다 얇은 제2두께로 연장된 제2부분으로 이루어지고, 상기 압력 챔버의 압력 변동에 따라 상기 고정 플랩의 형태 변형이 상기 제1부분에 비하여 상기 제2부분에서 보다 크게 발생되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제1부분은 상기 바닥판으로부터 상기 절곡부에 미치지 않는 상기 상향 연장부의 일부분에 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  8. 외부로부터 회전 구동력을 인가받아 회전하는 본체부와;
    상기 본체부에 위치 고정되어 상기 본체부와 함께 회전하고, 상기 본체부의 베이스와의 사이에 압력 챔버가 형성되어 상기 압력 챔버의 압력 제어에 의해 화학 기계적 연마 공정 중에 저면에 위치한 웨이퍼를 하방으로 가압하는 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 멤브레인과;
    상기 본체부에 고정되어 상기 본체부와 함께 회전하고, 상기 화학기계적 연마 공정 중에 저면이 연마 패드 상에 접촉한 상태를 유지하면서 상기 멤브레인의 바깥을 둘러싸고 있는 리테이너링을;
    포함하는 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드.



  9. 삭제
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