KR101583815B1 - 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드의 멤브레인 및 이를 구비한 캐리어 헤드 - Google Patents

화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드의 멤브레인 및 이를 구비한 캐리어 헤드 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드의 멤브레인에 관한 것으로, 가요성 재질로 형성된 바닥판과; 상기 바닥판의 가장 자리에 절곡 형성되고 가요성 재질로 형성되되, 상기 바닥판과 인접한 외주면에 링 형태의 제1완충홈이 형성된 측면과; 상기 측면 및 상기 바닥판에 비하여 높은 경도를 갖는 재질로 형성되고, 상기 제1완충홈의 상측 내측에 고정된 내측 고정체를; 포함하여 구성되어, 멤브레인 측면의 외주면에 링 형태의 제1완충홈이 형성됨에 따라, 가압력이 전달되는 측면을 따르는 경로에서 제1완충홈의 위치에서 단면이 줄어들면서 하방으로 전달되는 가압력이 웨이퍼 가장자리 끝단에 집중되지 않고 분산됨으로써, 웨이퍼 가장자리에 전달되는 가압력이 과도하게 높아지는 것을 방지할 수 있는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인 및 이를 구비한 캐리어 헤드를 제공한다

Description

화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드의 멤브레인 및 이를 구비한 캐리어 헤드 {MEMBRANE IN CARRIER HEAD FOR CHEMICAL MECHANICAL POLISHING APPARATUS}
본 발명은 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드의 멤브레인에 관한 것으로, 상세하게는 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼의 가장자리 부근을 정확하게 가압할 수 있으면서, 웨이퍼의 이탈을 확실하게 방지할 수 있는 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 공정으로 이동한다.
도1은 캐리어 헤드(1)의 개략도이다. 도1에 도시된 바와 같이, 캐리어 헤드(1)는 본체(110)와, 본체(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.
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 격벽(143)이 다수 형성되어, 격벽(143)을 기준으로 다수의 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)가 동심원 형태로 배열된다.
멤브레인(140)의 측면(142) 상부에는 측면(142)으로부터 연장된 고정 플랩에 의해 둘러싸인 측면 가압챔버(Cy)가 형성된다. 가압 챔버(Cy)의 공압도 압력 제어부(150)로부터 제어되어, 가압 챔버(Cy)에 공압이 공급되면, 가압 챔버(Cy)에서 환형 링(160)에 힘(Fcx)을 전달하고, 환형 링(160)에 전달된 힘(Fcx) 중 상하 방향으로의 힘 성분(Fv)이 측면(142)을 통해 전달되어 웨이퍼(W)의 가장자리를 가압한다. 도면중 미설명 부호인 145는 환형 링(160)을 측면(142)에 위치시키는 거치 돌기이다.
이와 동시에, 압력 제어부(150)로부터 공압 공급로(155)을 통해 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)에 공압이 전달되어, 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)의 압력(...P4, P5)에 의하여 바닥판(141)의 저면에 위치한 웨이퍼(W)의 판면을 가압한다.
그러나, 상기와 같이 구성된 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드(1)는 웨이퍼(W)의 가장자리를 가압하기 위하여, 멤브레인(140)의 측면(142)을 통해 수직 가압력(Fv)이 전달되는데, 멤브레인(140)의 측면(142)을 통해 수직 가압력(Fv)이 전달되는 과정에서 바닥판(141)의 가장자리 부근(e)에 미세하게 주름이 생겨 우는 현상이 발생되어, 최외측 챔버(C5)에 의해 가압되는 웨이퍼의 두께 제어가 용이하지 않고 부정확해지는 문제가 있었다.
또한, 멤브레인(140)의 상측에 형성되는 측면 가압 챔버(Cy)로부터 가해지는 힘이 커지면, 오히려 도3에 도시된 바와 같이 가장자리 영역(e)에서 목표 연마두께(연마프로파일)에 비하여 보다 많이 마모되는 현상이 발생되는데, 가압 챔버(Cy)의 압력을 다른 압력 챔버(C1, C2,...C5)에 비하여 크게 낮추게 될 경우에는, 압력 제어부(150)의 사양이 훨씬 고가인 설비로 변경하지 않으면 정교하게 압력 조절하는 것이 불가능하므로, 경제성이 악화되는 문제가 있었다. 따라서, 측면 가압 챔버(Cy)의 압력을 다른 압력 챔버(C1,...,C5)와 유사한 압력으로 제어되더라도, 멤브레인 측면을 통해 하방으로 전달되는 힘이 완충되어 웨이퍼 가장자리를 가압하는 힘이 과도해지는 것을 방지할 수 있는 멤브레인의 구조의 필요성이 절실히 요구되고 있다.
본 발명은 전술한 기술적 배경하에서 창안된 것으로, 본 발명은 멤브레인 측면의 상측에 위치한 측면 가압 챔버에 도입되는 압력이 웨이퍼 바닥판을 가압하는 압력 챔버들의 압력과 유사한 범위를 유지하더라도, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼의 가장자리에 과도한 가압력이 인가되는 것을 방지하고 일정한 가압력이 인가되어 정교한 웨이퍼 두께 조절을 가능하게 하는 화학 기계적 연마장치의 캐리어 헤드의 멤브레인의 구조를 제안하는 것을 목적으로 한다.
무엇보다도, 본 발명은 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼의 가장자리에 가해지는 힘에 의하여 연마 패드에 주름이 생기는 것을 최소화하여, 웨이퍼의 연마 두께를 정교하게 조절하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 가요성 재질로 형성된 바닥판과; 상기 바닥판의 가장 자리에 절곡 형성되고 가요성 재질로 형성되되, 상기 바닥판과 인접한 외주면에 링 형태의 제1완충홈이 형성된 측면과; 상기 측면 및 상기 바닥판에 비하여 높은 경도를 갖는 재질로 형성되고, 상기 제1완충홈의 상측 내측에 고정된 내측 고정체를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인을 제공한다.
이는, 측면 상측으로부터 전달되는 가압력이 가요성 재질로 형성된 측면과 보다 높은 경도를 갖는 재질로 형성된 내측 고정체를 통해 웨이퍼에 전달되는 과정에서, 멤브레인 측면의 외주면에 링 형태의 제1완충홈이 형성됨에 따라, 가압력이 전달되는 측면을 따르는 경로에서 제1완충홈의 위치에서 단면이 줄어들면서 하방으로 전달되는 가압력이 웨이퍼 가장자리 끝단에 집중되지 않고 분산됨으로써, 웨이퍼 가장자리에 전달되는 가압력이 과도하게 높아지는 것을 방지하기 위함이다.
그리고, 상기 측면 및 상기 바닥판에 비하여 높은 경도를 갖는 재질로 형성되고, 상기 제1완충홈의 상측 바깥에 고정된 외측 고정체를; 더 포함하여 구성되어, 최외측 압력 챔버의 압력이 높아지더라도 측벽이 반경 바깥으로 부풀어 오르는 것을 방지한다.
이 때, 상기 측면의 외주면에는 상기 외측 고정체를 위치 고정하기 위한 링형 돌기가 형성되고, 상기 외측 고정체의 내주면에는 상기 링형 돌기를 수용하는 링형 수용홈이 형성되어, 외측 고정체가 멤브레인 측벽에 장착된 상태를 요동없이 안정되게 장시간 동안 유지할 수 있다.
또한, 상기 측면의 내주면에는 환형 홈이 링 형태로 형성되고, 상기 내측 고정체에는 상기 환형 홈에 끼워지는 끼움 돌기가 링 형태로 형성되어, 내측 고정체가 멤브레인 측벽에 장착된 상태를 안정되게 유지할 수 있다.
무엇보다도, 본 발명은, 상기 제1완충홈의 하측 내측에는 제2완충홈이 링 형태로 형성되어, 상기 측면을 통해 하방으로 전달되는 가압력이 S자 형태의 경로를 통해 전달된다. 이에 따라, 멤브레인 측면 상측으로부터 전달되는 가압력이 제1완충홈과 제2완충홈이 형성된 영역을 통과하면서 S자 경로로 하방 전달됨에 따라, 가압력이 웨이퍼의 가장자리 끝단에 집중되는 현상이 거의 없어지고 웨이퍼의 가장자리 영역에 골고루 분산됨에 따라, 웨이퍼의 가장자리 끝단에서 과도하게 연마되었던 문제점을 해소할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
이 때, 상기 제2완충홈의 상측은 제2경사면으로 형성됨에 따라, 제1완충홈을 통과하여 하방으로 전달되는 과정에서, 가압력의 전달 방향에 항상 연직 방향 성분을 갖는 형태로 경사면을 타고 하방 전달됨에 따라, 가압력의 전달 경로가 부드럽게 연직 방향으로 형성되면서 하중을 분산하는 효과를 얻을 수 있다.
상기 제1완충홈의 상측 경계는 수평면으로 형성되고, 상기 제1완충홈의 하측은 제1경사면으로 형성될 수 있다. 이에 의해서도, 가압력의 전달 방향에 항상 연직 방향 성분을 갖는 형태로 경사면을 타고 하방 전달됨에 따라, 가압력의 전달 경로가 부드럽게 연직 방향으로 형성되면서 하중을 분산하는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 상기 바닥판에는 링형 격벽이 형성되어 상기 바닥판을 통해 가압하는 압력 챔버를 다수로 분할하고, 상기 측면에 인접한 최외측 격벽은 반경 내측 방향 성분을 갖도록 상기 바닥판에 대하여 경사지게 연장 형성될 수 있다. 이를 통해, 최외측 압력 챔버에 의해 가압되는 방향을 반경 바깥 방향으로 유도하는 성분을 갖게 함으로써, 멤브레인 바닥판의 가장자리 영역에서 주름이 생기는 것을 억제할 수 있다.
그리고, 상기 측면과 상기 최외측 격벽은 5mm 이하로 반경 방향으로 짧게 이격 배치됨으로써, 멤브레인 바닥판의 가장자리 영역을 좁게 형성하여 측면을 통해 하방으로 가압하는 가압력에 의하여 주름이 생기는 것을 방지하면서, 전술한 S자형 경로로 가압력이 하방으로 전달되면서 가압력이 최외측 압력챔버의 바닥판에 골고루 분산될 수 있게 된다.
이 때, 상기 제2완충홈의 상측은 제2경사면으로 형성되고, 상기 제2경사면은 상기 최외측 격벽이 연장된 경사도와 20도 이하의 경사각 차이를 두고, 실질적으로 평행하게 형성됨으로써, 가압력의 하중 전달 경로와 최외측 압력 챔버의 가압력에 의한 가압력이 상호 보완적으로 웨이퍼 가장자리 영역을 안정되게 가압할 수 있다.
한편, 상기 최외측 격벽의 하측을 포함하여 상기 측면과 상기 최외측 격벽의 사이 영역에서의 상기 바닥판에 링형 차단홈이 형성될 수 있다. 이를 통해, 멤브레인 측면을 통해 하방으로 전달되는 가압력에 의하여 바닥판 가장자리에 주름이 발생되더라도, 링형 차단홈이 형성된 영역의 반경 내측에는 수평 방향으로 전달되는 힘이 차단되므로, 주름이 발생되는 것을 억제할 수 있다.
이 때, 상기 차단 홈은 상기 바닥판의 두께의 2/3보다 더 깊게 형성되어, 측면으로부터 전달된 가압력이 바닥판을 타고 전달되는 것을 확실하게 차단할 수 있다.
그리고, 상기 측면의 상측에는 가압 챔버가 형성되고, 상기 가압 챔버의 평탄한 바닥면이 상기 측면의 상측에 위치함으로써, 가압 챔버의 압력에 따라 측면을 통해 하방 전달되는 가압력을 보다 용이하게 조절할 수 있다.
한편, 본 발명은, 본체와; 상기 본체와 함께 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 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드를 제공한다.
본 발명에 따르면, 멤브레인 측면 상측으로부터 전달되는 가압력이 가요성 재질로 형성된 측면과 보다 높은 경도를 갖는 재질로 형성된 내측 고정체를 통해 웨이퍼에 전달되는 과정에서, 멤브레인 측면의 외주면에 링 형태의 제1완충홈이 형성됨에 따라, 가압력이 전달되는 측면을 따르는 경로에서 제1완충홈의 위치에서 단면이 줄어들면서 하방으로 전달되는 가압력이 웨이퍼 가장자리 끝단에 집중되지 않고 분산된 형태로 웨이퍼의 가장자리를 가압하여, 웨이퍼 가장자리에 전달되는 가압력이 과도해지는 것을 억제하고 균일한 분포 하중을 웨이퍼 가장자리에 도입할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
무엇보다도, 본 발명은, 멤브레인 측면에 형성되는 제1완충홈의 하측 내측에는 제2완충홈이 링 형태로 형성되어, 상기 측면을 통해 하방으로 전달되는 가압력이 S자 형태의 경로를 통해 전달됨으로써, 멤브레인 측면을 타고 하방으로 전달되는 가압력이 웨이퍼의 가장자리 끝단에 집중되는 현상이 제거되고, 웨이퍼의 가장자리 영역에 골고루 분산된 형태로 하중이 균일하게 도입되어, 웨이퍼 가장자리에서의 연마 두께를 보다 정교하게 제어할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은, 멤브레인 바닥판에는 링형 격벽이 형성되어 상기 바닥판을 통해 가압하는 압력 챔버를 다수로 분할하고, 상기 측면에 인접한 최외측 격벽은 반경 내측 방향 성분을 갖도록 상기 바닥판에 대하여 경사지게 연장 형성되어, 멤브레인 바닥판과 인접한 멤브레인 측면 하부에서 S자 형태로 측면을 타고 하방 전달되는 가압력과, 최외측 압력 챔버의 하측을 통해 전달되는 가압력의 방향을 일치시킴으로써, 이들이 상호 보완적으로 웨이퍼의 가장자리 영역을 가압함으로써 멤브레인 바닥판의 가장자리 영역에서 주름이 생기는 것을 억제하면서 분산된 형태의 하중으로 웨이퍼 가장자리를 가압할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 본 발명은, 최외측 격벽의 하측을 포함하여 상기 측면과 상기 최외측 격벽의 사이 영역에서의 상기 바닥판에 링형 차단홈이 형성되어, 멤브레인 측면을 통해 하방으로 전달되는 가압력에 의하여 바닥판 가장자리에 주름이 발생되더라도, 링형 차단홈이 형성된 영역의 반경 내측에는 수평 방향으로 전달되는 힘이 차단되므로, 주름이 발생되는 영역을 최소화하여 웨이퍼 가장자리 영역에서 주름에 의해 가압력을 정확하게 제어하지 못하였던 문제점을 해소하여, 바닥판이 웨이퍼에 밀착된 상태를 가장자리 영역에서 확실하게 유도됨에 따라 웨이퍼의 가장 자리 영역의 연마 두께를 보다 정교하고 정확하게 제어할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도1은 종래의 캐리어 헤드를 보인 단면도,
도2는 웨이퍼 가장자리를 가압하는 원리를 설명하기 위한 도1의 'A'부분의 확대도,
도3은 도1의 캐리어 헤드를 이용하여 웨이퍼의 화학 기계적 연마 공정을 행한 상태에서 반경 방향에 따른 웨이퍼 연마층의 두께 분포를 도시한 그래프,
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드용 멤브레인을 도시한 반단면도,
도5는 도4의 'B'부분의 확대도,
도6은 도5의 'C'부분의 확대도,
도7은 도4의 멤브레인이 적용된 본 발명의 일 실시예에 따른 캐리어 헤드의 도3의 'A'부분에 대응하는 부분의 일부 확대도,
도8은 도7의 캐리어 헤드를 이용하여 웨이퍼의 화학 기계적 연마 공정을 행한 상태에서 반경 방향에 따른 웨이퍼 연마층의 두께 분포를 도시한 그래프이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 부상식 기판 코터 장치를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드에 사용되는 멤브레인(240)은 도4의 반단면도에 도시된 바와 같은 구조를 갖는다. (본 발명에 따른 멤브레인(240)은 도면에 도시된 반단면도의 중심선을(66) 기준으로 회전시킨 형상이다.)
본 발명의 일 실시예에 따른 캐리어 헤드는 종래의 캐리어 헤드(1)와 마찬가지로 구동 샤프트(미도시)와 연결되어 회전하는 본체(110)와, 본체(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(240)과, 압력 챔버(...,C4, C5)에 공압을 공급하여 압력을 조절하는 압력 제어부(150)로 구성된다. 즉, 본 발명은 종래와 멤브레인(240)의 구성과 설치 형태에 있어서 차이가 있다.
상기 멤브레인(240)은, 우레탄 등의 가요성 재질로 형성된 바닥판(241)과, 바닥판(241)의 가장자리 끝단으로부터 절곡되어 상측 연직 방향으로 연장 형성되고 가요성 재질로 형성된 측면(242)과, 바닥판(241)의 중심과 측면(242)의 사이에 베이스(120)에 결합되는 다수의 링형태의 격벽(243, 243')과, 측면(242)의 바깥면에 고정되는 링 형태의 외측 고정체(270o)와, 측면(242)의 내측면에 고정되는 링 형태의 내측 고정체(270i)으로 구성된다. 이에 따라, 멤브레인(240)이 베이스(120)에 고정되면서, 격벽(243, 243')에 의해 다수의 압력 챔버(...,C4, C5)가 형성된다.
여기서, 바닥판(241)과 측면(242) 및 격벽(243)은 우레탄 등의 가요성 재질로 형성되지만, 외측 고정체(270o)와 내측 고정체(270i)은 엔지니어링 플라스틱, 수지, 알루미늄이나 스텐레스 등의 금속재 중 어느 하나인 비가요성 재질로 형성된다.
도5에 도시된 바와 같이, 멤브레인 측면(242)의 상측에는 평탄한 면(246s)으로 형성된 영역(A1)이 구비되고, 이 영역(A1)으로부터 반경 내측 방향으로 연장 형성된 고정 플랩(246)과 반경 외측 방향으로 연장 형성된 고정 플랩(2461)이 형성됨으로써, 고정 플랩(246, 2461)에 의하여 연장된 면적에 인가되는 가압 챔버(Cy)의 압력이 측면(242)을 타고 수직 가압력(도7의 Fv)의 형태로 하방 전달된다.
여기서, 측면(242)의 상단부로부터 반경 내측 방향으로 연장된 고정 플랩(246)은 끝단이 베이스(121, 122)에 고정되고, 측면(242)의 상단부로부터 반경 외측 방향으로 연장된 고정 플랩(2461)은 리테이너 링(130)에 고정되어, 가압 챔버(Cy)의 바닥면을 형성한다. 그리고, 고정 플랩(2461)의 끝단부에 형성되어 리테이너 링(130)에 고정 플랩(2461)을 고정시키는 걸림체(247)로부터, 고정 플랩(2461)으로부터 상측으로 이격된 위치에 상측 플랩(248)이 연결 형성되어 그 끝단(248x)이 베이스(121, 122, 123)에 고정되어, 가압 챔버(Cy)의 상면을 형성한다.
한편, 도면에 도시되지 않았지만, 상측 플랩(248)은 고정 플랩(2461, 246)과 분리된 형태로 형성될 수도 있다. 그리고, 도면에 도시되지 않았지만, 리테이너 링(130)에 고정되는 대신에, 3개의 플랩(246, 2461, 248)이 모두 베이스(121, 122, 123; 120)에 고정될 수도 있다.
이와 같이, 멤브레인(240)의 측면(242) 상부에는 측면(142) 상단부로부터 연장된 고정 플랩(246, 2461, 248)에 의해 둘러싸인 측면 가압챔버(Cy)가 형성되어, 공압 공급로를 통해 압력(Pc)이 공급되어 측면 가압 챔버(Cy)의 압력이 높아지면, 측면 가압 챔버(Cy)의 압력에 의해 측면(242)을 따라 하방으로 전달되어, 수직 가압력(Fv)이 전달된다. 이 때, 멤브레인 측면(242)에 외측 고정체(270o)가 고정됨에 따라, 측면 가압 챔버(Cy)로부터 전달되는 수직 가압력(Fv)이 보다 확실하게 하측으로 전달된다.
무엇보다도, 고정체(270i, 270o)의 하측의 측면(242)의 외주면에는 제1완충홈(245)이 바닥판(241)으로부터 약간 상측의 위치에서 링 형태로 요입 형성된다. 가요성 재질인 측면(242)에 형성된 제1완충홈(245)에 의하여, 측면 가압 챔버(Cy)로부터 측면(242)과 고정체(270i, 270o; 270)를 통해 하방으로 전달되는 가압력(Fv)은 전달 경로가 좁아지는 병목 구간을 거치면서 분산되므로, 웨이퍼 가장자리 끝단에 측면(242)을 통해 전달되는 가압력(Fv)이 집중되는 것을 방지할 수 있다.
더욱이, 제1완충홈(245)의 하측에 측면(242)의 내주면에 링 형태의 제2완충홈(Xe)이 바닥판(241)과 인접한 영역에 형성됨에 따라, 가압 챔버(Cy)로부터 측면(242)을 따라 가압력(Fv)은 S자 형태의 경로(xx)를 따라 하방으로 전달된다. 이 과정에서, 측면(242)과 고정체(270i, 270o; 270)를 통해 하방으로 전달되는 가압력(Fv)은 전달 경로가 좁아지는 병목 구간을 가요성 매질인 측면(242)을 따라 S자 형태로 거치면서 분산되므로, 측면(242)을 통해 전달되는 가압력(Fv)이 웨이퍼 가장자리 영역에 골고루 분산되는 효과를 얻을 수 있다.
이 때, 제1완충홈(245)의 상측은 수평면(245u)으로 형성되지만 하측은 제1경사면(245d)으로 형성된다. 동시에, 제2완충홈(Xe)의 상측도 경사진 제2경사면(242s)으로 형성됨에 따라, 제1완충홈(245)과 제2완충홈(Xe)을 통과하여 가압력(Fv)이 하방으로 전달되는 과정에서, 가압력(Fv)의 전달 방향에 항상 연직 방향 성분을 갖는 형태로 경사면(245d, 242s)을 타고 하방 전달됨에 따라, 가압력(Fv)의 전달 경로가 부드럽게 연직 방향 성분을 갖는 S자 형태(xx)로 형성되면서 하중을 분산하는 효과를 얻을 수 있다.
이 때, 도6에 도시된 바와 같이 제1완충홈(245)의 내측면이 제2완충홈(Xe)의 외측 구석면에 비하여 z로 표시된 길이만큼 보다 내측에 위치하게 형성되는 것이 바람직하다. 이를 통해, 측면(242)을 통해 하방으로 전달되는 수직 가압력(Fv)은 제1완충홈(245)과 제2완충홈(Xe)을 통과하면서 그 힘의 크기가 줄어들면서 반경 방향으로 분산되는 효과가 극대화되어, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼의 가장자리를 가압하는 힘이 균일하게 분산되어 웨이퍼에 인가되는 효과를 얻을 수 있다.
상기 외측 고정체(270o)는 제1완충홈(245)의 상측에서 멤브레인 측면(242)의 외주면에 고정된다. 외측 고정체(270o)에는 측면(242)의 외주면에 형성된 링형 돌기(242a)에 끼워지는 링형 수용홈(270a)이 형성되어, 멤브레인 측면(242)의 정해진 위치에 외측 고정체(270o)를 쉽게 고정시킬 수 있으며 장시간 동안 제 위치에서 안정되게 위치하게 한다. 외측 고정체(270o)가 측면(242)의 링형 돌기(242a)에 안정된 상태로 걸려 위치하도록 링형 돌기(242a)의 상면은 수평면으로 형성되는 것이 바람직하다.
외측 고정체(270o)는 가압 챔버(Cy)의 하측에 위치하지 않으므로 가압력(Fv)을 하방으로 전달하는 역할을 하지 않지만, 보다 높은 강성과 경도를 갖는 재질로 형성되어, 최외측 압력 챔버(C5)의 압력이 높아지더라도 멤브레인 측면(242)이 반경 바깥 방향으로 볼록하게 부풀어오르는 변형을 억제하는 역할을 한다.
상기 내측 고정체(270i)도 역시 제1완충홈(245)의 상측에서 멤브레인 측면(242)의 내주면에 고정된다. 내측 고정체(270i)는 가압 챔버(Cy)의 하측에 위치하여 가압 챔버(Cy)로부터 하방으로 전달되는 가압력(Fv)을 전달하는 역할을 한다. 측면(242)의 외주면에는 환형 홈(242b)이 링 형태로 형성되고,내측 고정체(270i)에는 환형 홈(242b)에 끼워지는 끼움 돌기(270b)가 링 형태로 형성되어, 내측 고정체(270i)의 설치 위치에 정확하게 설치할 수 있으면서 장시간의 사용에도 제 위치에 고정된 상태를 유지한다.
그리고, 환형 홈(270b)의 하측은 수평면으로 형성되어 내측 고정체(270i)의 하중을 수평면에 의해 지지하는 역할도 한다.
한편, 상기 바닥판(241)에 형성된 링형 격벽(243, 243')에 의하여 바닥판(241)을 통해 웨이퍼(W)를 가압하는 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)는 다수로 분할된다. 이 때, 다수의 격벽(243, 243') 중에 측면(242)에 인접한 최외측 격벽(243')은 반경 내측 방향 성분을 갖도록 상기 바닥판에 대하여 경사지게 연장 형성될 수 있다.
이에 따라, 최외측 챔버(C5)는 제2완충홈(Xe)과 최외측 격벽(243')에 의하여 반경 바깥 방향으로 뾰족한 형태의 공간(E5)이 하방 연장되게 형성되므로, 압력 제어부(150)로부터 최외측 압력 챔버(C5)에 공압이 공급되면, 측면(242)의 하측을 반경 바깥 방향으로 밀어주는 힘(P5)이 반경 바깥으로 하방 경사지게 작용하므로, 멤브레인 바닥판(241)의 가장자리 영역에서 주름이 생기는 것을 억제할 수 있으면서, 측면(242)을 통해 하방으로 전달되다가 S자 경로(xx)를 통해 바닥판(241)의 가장자리에 전달되는 힘과 최외측 압력 챔버(C5)에 의해 작용하는 힘이 서로 상호 보완적으로 웨이퍼 가장자리 영역을 함께 가압하게 된다. 따라서, 웨이퍼의 가장자리 영역은 큰 힘이 집중된 형태로 작용하지 않고, 분산된 형태로 골고루 작용함에 따라, 웨이퍼 연마량이 급격히 상승하는 문제점을 해소할 수 있다.
이를 위하여, 제2완충홈(Xe)의 제2경사면(242s)의 경사도(242y)와 최외측 격벽(243')의 경사도(243y)는 동일하거나 20도 이하의 각도 차이가 되게 설치되는 것이 바람직하다.
이 때, 멤브레인 측면(242)과 최외측 격벽(243')은 5mm 이하의 간격(d)을 두고 반경 방향으로 짧게 이격 배치됨으로써, 멤브레인 바닥판(241)의 가장자리 영역을 좁게 형성하여 측면을 통해 하방으로 가압하는 가압력에 의하여 주름이 생기는 것을 보다 효과적으로 방지하고, S자형 경로(xx)로 하방 전달되는 가압력(Fv)과 최외측 압력챔버(C5)와의 상호 보완적인 가압 작용을 보다 상승시킬 수 있다.
한편, 멤브레인 바닥판(241)의 가장자리 영역에는 링형 차단홈(241a)이 형성될 수 있다. 여기서, 멤브레인 바닥판(241)의 가장자리 영역은 측면(242)과 최외측 격벽(243')의 사잇 영역을 포함하며, 도6에 도시된 바와 같이 최외측 격벽(243')의 하측을 포함한다.
이와 같이, 멤브레인 바닥판(241)에 링형 차단홈(241a)이 형성되면, 측면(242)을 통해 웨이퍼 가장자리를 가압하는 가압력(Fv)의 일부가 바닥판(241)을 통해 반경 방향으로 전달(89)되어 바닥판(241)에 주름을 형성하는 힘을 차단하므로, 바닥판(241)에 주름이 발생되는 것을 억제할 수 있다. 이를 위하여, 차단 홈(241a)은 바닥판(241)의 두께의 2/3보다 더 큰 깊이(h)로 형성되면, 측면으로부터 전달된 가압력이 바닥판을 타고 전달되는 것을 확실하게 차단할 수 있다.
이를 통해, 도8에 도시된 바와 같이, 웨이퍼의 가장자리 영역에서도 다른 영역에서와 마찬가지로 과도하게 연마되지 않고 일정하게 연마될 수 있음이 확인되었다.
상기와 같이 구성된 본 발명은 멤브레인 측면(242)의 상측으로부터 전달되는 가압력(Fv)이 가요성 재질로 형성된 측면(242)과 보다 높은 경도를 갖는 재질로 형성된 내측 고정체(270i)를 통해 웨이퍼의 가장자리 영역으로 전달되는 과정에서, 멤브레인 측면(242)의 외주면에 링 형태의 제1완충홈(245)이 형성되고, 그 하측의 내주면에 링 형태의 제2완충홈(Xe)이 형성되어, 가압력이 전달되는 경로가 S자 형태의 경로(xx)를 거침으로써, 가압력이 웨이퍼 가장자리 끝단에 집중되지 않고 분산된 형태로 웨이퍼의 가장자리를 가압하게 유도하여, 웨이퍼 가장자리에 전달되는 가압력이 과도해지는 것을 억제하고 균일한 분포 하중을 웨이퍼 가장자리에 도입할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은, 멤브레인 바닥판(241)에 형성된 최외측 격벽(243')은 반경 내측 방향 성분을 갖도록 바닥판(241)에 대하여 경사(243y)지게 연장 형성되어, 멤브레인 바닥판과 인접한 멤브레인 측면 하부에서 S자 형태로 측면을 타고 하방 전달되는 가압력(Fv)과, 최외측 압력 챔버(C5)의 하측을 통해 전달되는 가압력(P5)의 방향을 일치시킴으로써, 이들이 상호 보완적으로 웨이퍼(W)의 가장자리 영역을 가압함으로써 멤브레인 바닥판의 가장자리 영역에서 주름이 생기는 것을 억제하면서 분산된 형태의 하중으로 웨이퍼 가장자리를 가압할 수 있는 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
120: 베이스 130: 리테이너 링
240: 멤브레인 241: 바닥판
242: 측면 243, 243': 링형 격벽
245: 제1완충홈 Xe: 제2완충홈
270o: 외측 고정체 270i: 내측 고정체
Cy: 가압 챔버 Fv: 수직 가압력

Claims (15)

  1. 가요성 재질로 형성된 바닥판과;
    상기 바닥판의 가장 자리에 절곡 형성되고 가요성 재질로 형성되되, 외주면에 링 형태의 제1완충홈이 형성된 측면을;
    포함하여 구성되고, 상기 바닥판에는 링형 격벽이 형성되어 상기 바닥판을 통해 가압하는 압력 챔버를 다수로 분할하고, 상기 측면에 인접한 최외측 격벽은 반경 내측 방향 성분을 갖도록 상기 바닥판에 대하여 경사지게 연장 형성되며;
    상기 최외측 격벽의 하측을 포함하여 상기 측면과 상기 최외측 격벽의 사이 영역에서의 상기 바닥판에, 링형 차단홈이 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 측면 및 상기 바닥판에 비하여 높은 경도를 갖는 재질로 형성되고, 상기 제1완충홈의 상측 내측에 고정된 내측 고정체를;
    더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 측면의 내주면에는 환형 홈이 링 형태로 형성되고, 상기 내측 고정체에는 상기 환형 홈에 끼워지는 끼움 돌기가 링 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 제1완충홈의 하측 내측에는 제2완충홈이 링 형태로 형성되어, 상기 측면을 통해 하방으로 전달되는 가압력이 S자 형태의 경로를 통해 전달되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제1완충홈의 내측면이 상기 제2완충홈의 외측 구석면에 비하여 내측에 위치하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 제2완충홈의 상측은 제2경사면으로 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 제1완충홈의 상측 경계는 수평면으로 형성되고, 상기 제1완충홈의 하측은 제1경사면으로 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  8. 제 2항에 있어서,
    상기 측면과 상기 최외측 격벽은 5mm 이하로 반경 방향으로 이격된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  9. 제 4항에 있어서,
    상기 제2완충홈의 상측은 제2경사면으로 형성되고, 상기 제2경사면은 상기 최외측 격벽이 연장된 경사도와 20도 이하의 경사각 차이를 두고 형성되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 차단 홈은 상기 바닥판의 두께의 2/3보다 더 깊게 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 측면의 상측에는 가압 챔버가 형성되고, 상기 가압 챔버의 평탄한 바닥면이 상기 측면의 상측에 위치하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  12. 제 1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측면 및 상기 바닥판에 비하여 높은 경도를 갖는 재질로 형성되고, 상기 제1완충홈의 상측 바깥에 고정된 외측 고정체를;
    더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 측면의 외주면에는 상기 외측 고정체를 위치 고정하기 위한 링형 돌기가 형성되고, 상기 외측 고정체의 내주면에는 상기 링형 돌기를 수용하는 링형 수용홈이 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  14. 본체와;
    상기 본체와 함께 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 제11항 중 어느 한 항에 따른 멤브레인을;
    포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 측면 및 상기 바닥판에 비하여 높은 경도를 갖는 재질로 형성되고, 상기 제1완충홈의 상측 바깥에 고정된 외측 고정체를;
    더 포함하고, 상기 측면의 외주면에는 상기 외측 고정체를 위치 고정하기 위한 링형 돌기가 형성되고, 상기 외측 고정체의 내주면에는 상기 링형 돌기를 수용하는 링형 수용홈이 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
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