KR101589445B1

KR101589445B1 - 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인 및 이를 구비한 캐리어 헤드

Info

Publication number: KR101589445B1
Application number: KR1020140126836A
Authority: KR
Inventors: 손준호; 김창일; 김상일
Original assignee: 주식회사 케이씨텍
Priority date: 2014-09-23
Filing date: 2014-09-23
Publication date: 2016-01-29
Also published as: CN204954606U

Abstract

본 발명은 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인에 관한 것으로, 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인으로서, 가요성 재질의 판 형상으로 형성되어 웨이퍼의 판면을 가압하는 바닥판과; 가요성 재질로 형성되고, 상기 바닥판의 가장자리 부분으로부터 상측으로 연장 형성되고, 상기 측면의 상측에 가압 챔버의 바닥면의 일부 이상을 형성하는 측면과; 상기 가요성 재질에 비하여 보다 높은 경도를 갖는 재질로 형성되고, 상기 측면의 내주면에 결합되어 상기 가압 챔버로부터 상기 웨이퍼의 가장자리 영역으로 전달하는 힘을 전달하는 내측 링을; 포함하여 구성되어, 최외측 압력 챔버의 팽창에 따른 멤브레인 측면을 고정시켜주는 내측 링을 이용하여 가압 챔버로부터 웨이퍼로 가압력을 전달하는 매개체로 작용함으로써, 웨이퍼 가장자리 영역에 걸쳐 전체적으로 균일한 가압력을 도입할 수 있는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인 및 이를 구비한 캐리어 헤드를 제공한다.

Description

화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인 및 이를 구비한 캐리어 헤드 {CARRIER HEAD OF CHEMICAL MECHANICAL APPARATUS AND MEMBRANE USED THEREIN}

본 발명은 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인에 관한 것으로, 상세하게는 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼의 가장자리 영역에 도입되는 가압력을 균일하게 도입할 수 있는 구조의 화학 기계적 연마 장치용 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 외부로부터 회전 구동력을 전달받아 회전하는 본체부(120)와, 본체부(120)를 둘러싸는 링 형태로 장착되어 본체부(120)와 함께 회전하는 리테이너링(130)과, 본체부(120)에 고정되어 본체부(120)와의 사잇 공간에 다수의 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 본체부(120)에 고정되는 링 형태의 격벽(13)이 다수 형성되어, 격벽(13)을 기준으로 다수의 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)가 동심원 형태로 배열된다.

여기서, 멤브레인 측면(142)의 상측에는 가압 챔버(Cx)가 형성되고, 가압 챔버(Cx)의 저면은 길이가 r1으로 표시된 경사면(Cs)이 형성되며, 경사면(Cs)과 접촉하는 경사면이 형성되어 가압 챔버(Cx)로부터의 압력에 의하여 미는 힘(Fcx)을 하방의 가압력(Fv)으로 전달하는 전달 부재(160)가 측면(142)에 고정된다. 이에 따라, 압력 제어부(150)로부터 공압 공급로(155)를 통해 가압 챔버(Cx)의 압력이 상승하면, 가압 챔버(Cx)의 경사면(Cs)과 전달 부재(160)를 통해 수직 방향의 가압력이 웨이퍼(W)의 가장자리를 가압하여, 웨이퍼(W)의 가장자리 영역에 대해서도 화학 기계적 연마 공정이 원활히 행해지도록 한다.

그러나, 도1 및 도2에 도시된 캐리어 헤드(1)의 멤브레인(140)은 가압 챔버(Cx)의 경사면(Cs)을 통해 측면(141)을 따라 웨이퍼(W)의 가장자리 영역으로 가압력(Fv)이 전달됨에 따라, 경사면(Cs)의 경사각에 해당하는 만큼 다른 압력 챔버(C1, C2,...)에 비하여 가압 챔버(Cx)의 공압을 높여야 하므로, 압력 제어부(150)의 용량이 증가할 뿐만 아니라 다른 압력 챔버(C1, C2,..)에 공급되는 공압을 정교하게 제어하는 데 한계가 있었다.

이와 같은 문제점을 해소하기 위하여, 도3에 도시된 형태의 멤브레인이 본 출원인에 의하여 대한민국 특허출원 제10-2014-22745호를 통해 제안되었다.이에 따르면, 멤브레인(240)의 측면(242) 상측에 가압 챔버(Cx)가 형성되되, 가압 챔버(Cx)의 평탄면(242s)의 하측에 측면(242)이 바로 위치한다. 이를 위하여, 측면(242)으로부터 수평 방향으로 뻗은 고정 플랩(2422, 2421)이 형성되어, 각각의 고정 플랩(2421, 2422)은 각각 리테이너 링(230)과 본체부(120)에 고정된다. 그리고, 상기 평탄면(242s)을 둘러싸는 링 형태의 가압 챔버(Cx)를 형성하도록 또 다른 연장 플랩(2423)이 연장되어 리테이너 링(230)에 결합된다.

이를 통해, 도4에 도시된 바와 같이, 압력 제어부(150)로부터 공압 공급로(255x)를 거쳐 가압 챔버(Cx)에 공압이 공급되면, 공급된 공압에 의하여 평탄면(242s)을 가압하게 되고, 평탄면(242s)에 가압되는 힘(Fcx)이 그대로 측면(Fv)을 통해 하방으로 전달되어 웨이퍼(W)의 가장자리 영역(e)을 가압할 수 있게 된다. 도면 중 미설명 부호인 135는 고정 플랩(2421)과 연장 플랩(2423)의 사이를 두기 위하여 리테이너 링(230)에 끼워지는 링형 스페이서이다.

그러나, 상기와 같이 구성된 개선된 캐리어 헤드(2)용 멤브레인(240)은, 가압 챔버(Cx)의 공압을 다른 압력 챔버(C5, C4,...)와 유사한 크기로 제어될 경우에, 가압 챔버(Cx)의 저면(Fcx가 작용하는 링형태의 면적)에 작용하는 힘(Fcx)이 모두 측면(241)을 따라 하방으로 전달됨에 따라, 오히려 다른 압력 챔버(C5, C4,...)의 바닥면(241s)을 통해 전달되는 가압력에 비하여 과도한 가압력(Fv)이 가장자리 영역(e)의 바깥부분의 영역(e1)에 집중적으로 웨이퍼에 인가된다.

이와 같이, 종래에 화학 기계적 연마가 원활히 이루어지지 않는 웨이퍼(W)의 가장자리 영역(e) 중 외측 영역(e1)에 집중적으로 보다 큰 가압력(Fv)이 집중됨에 따라, 바깥영역(e1)에 대응하는 멤브레인 바닥판(141)의 가장자리 끝단과 인접한 내측 영역(e2)은 연마 패드가 리바운드 현상이 발생되면서 오히려 더 작은 가압력이 웨이퍼에 작용하는 문제가 야기된다. 즉, 도6에 도시된 바와 같이, 웨이퍼의 가장자리 영역(e) 중 외측 영역(e1)에서는 과도한 가압력에 의하여 의도한 양에 비하여 보다 많은 연마량으로 연마되고, 웨이퍼의 가장자리 영역(e) 중 내측 영역(e2)에서는 오히려 더 작은 가압력에 의하여 의도한 양에 비하여 보다 적은 연마량으로 연마되는 문제가 야기되었다.

더욱이, 멤브레인 측면(142)의 부풀어오르는 것을 물리적으로 간섭하여 방지하기 위한 내측 링(272)과 외측 링(271) 중 가압력(Fv)의 전달 경로가 되는 외측 링(271)에 의하여 웨이퍼의 가장자리 영역(e) 중 외측 영역(e1)에서 보다 과도한 가압력이 도입되는 문제가 있었다.

따라서, 가압 챔버(Cx)의 압력을 압력 챔버(C1, C2, ...)와 유사한 크기로 유지하면서도, 웨이퍼의 가장자리 영역(e) 전체에 걸쳐 압력 챔버(C1, C2,...)의 가압력과 유사한 크기의 가압력으로 신뢰성있게 도입할 수 있는 방안의 필요성이 절실히 요구되고 있다.

본 발명은 전술한 기술적 배경하에서 창안된 것으로, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼의 가장자리 영역에 도입되는 가압력을 균일하게 도입할 수 있는 구조의 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인 및 이를 구비한 캐리어 헤드를 제공하는 것을 목적으로 한다.

즉, 본 발명은 웨이퍼의 가장자리 영역을 가압하는 측면 상측의 가압 챔버의 압력을 다른 압력 챔버의 압력과 유사한 수준으로 유지하더라도, 웨이퍼의 가장자리 외측 영역 뿐만 아니라 내측 영역에 대해서도 균일한 가압력으로 가압할 수 있게 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 멤브레인 바닥판의 상하 변위에도 항상 균일하게 웨이퍼의 가장자리 영역에 균일한 가압력을 도입할 수 있게 하는 것을 목적으로 한다.

이를 통해, 웨이퍼의 가장자리 영역의 전체에 걸쳐 다른 영역과 마찬가지로 의도한 연마량만큼 화학 기계적 연마 공정을 통해 연마되도록 하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인으로서, 가요성 재질의 판 형상으로 형성되어 웨이퍼의 판면을 가압하는 바닥판과; 가요성 재질로 형성되고, 상기 바닥판의 가장자리 부분으로부터 상측으로 연장 형성되고, 상기 측면의 상측에 가압 챔버의 바닥면의 일부 이상을 형성하는 측면과; 상기 가요성 재질에 비하여 보다 높은 경도를 갖는 재질로 형성되고, 상기 측면의 내주면에 결합되어 상기 가압 챔버로부터 상기 웨이퍼의 가장자리 영역으로 전달하는 힘을 전달하는 내측 링을; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인을 제공한다.

이는, 멤브레인 측면의 상측에 위치한 가압 챔버로부터의 힘이 멤브레인 측면에 끼워지는 내측 링에 의하여 전달되게 함으로써, 가압 챔버의 공압에 의한 가압력이 가요성 재질의 멤브레인 측면과 내측 링에 함께 가압력으로 하방 전달되어, 웨이퍼의 가장자리 영역 전체에 걸쳐 가압력이 분산 전달되게 함으로써, 웨이퍼의 가장자리 영역의 외측 영역에만 가압력이 집중되었던 종래의 문제를 해결하기 위함이다.

즉, 본 발명은 최외측 압력 챔버의 팽창에 따른 멤브레인 측면을 고정시켜주는 내측 링을 이용하여 가압 챔버로부터 웨이퍼로 가압력을 전달하는 매개체로 작용함으로써, 웨이퍼 가장자리 영역에 걸쳐 전체적으로 균일한 가압력을 도입할 수 있게 한다.

더욱이, 내측 링의 소재가 멤브레인 측면에 비하여 보다 높은 경도를 갖는 재질로 형성됨에 따라, 멤브레인 측면 상측에 위치하는 가압 챔버로부터 웨이퍼로 전달되는 가압력이 주로 경도가 높은 내측 링을 통해 전달되도록 유도함으로써, 웨이퍼의 가장자리 영역의 내측 영역에도 확실히 가압력이 전달될 수 있게 된다.

본 발명은, 상기 가압 챔버에 정압이 인가된 상태에서는 상기 내측 링의 상단이 상기 가압 챔버의 저면에 접촉하고 동시에 상기 내측 링의 하단이 상기 바닥판의 상면에 접촉하여, 상기 가압 챔버로부터의 가압력을 상기 웨이퍼에 전달함으로써, 측면을 거치지 않고 내측 링에 의해서만 가압 챔버로부터 웨이퍼에 가압력이 직접 도입되어, 웨이퍼의 가장자리 영역의 내측 영역에 보다 정확한 가압력을 도입할 수 있게 된다.

여기서, 상기 가압 챔버에 정압이 인가되지 않은 상태에서는 상기 내측 링의 상단은 상기 가압 챔버의 바닥면과 접촉하지 않은 상태일 수 있다. 이를 통해, 가압 챔버에 공압이 공압되면서 가압 챔버의 바닥면이 내측 링의 상단과의 마찰에 의하여 가요성 재질의 가압챔버 바닥면이 손상되는 것을 방지할 수 있다.

마찬가지로, 상기 가압 챔버에 정압이 인가되지 않은 상태에서는 상기 내측 링의 하단은 상기 바닥판과 접촉하지 않은 상태일 수 있다. 이를 통해, 가압 챔버에 공압이 공급되면서 내측 링이 하방으로 이동하는 데 반하여 멤브레인 바닥판이 팽창하면서 반경 방향 성분으로도 이동함에 따른 마찰에 의해 가요성 재질의 멤브레인 바닥판이 손상되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 상기 내측 링의 하단과 상기 측면의 하단부 내주면의 사이에는 반경 방향으로의 공간부가 구비될 수 있다. 이를 통해, 가압 챔버의 압력 상태에 따라 내측 링이 하방으로 가압하면서 측면의 변형에 영향을 미쳐, 가압 챔버의 압력에 따라 민감하게 웨이퍼 가장자리 영역의 연마량이 변동하는 것을 방지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 멤브레인 내측 링의 외주면에는 링형 홈이 형성되어, 멤브레인 측면의 내주면의 돌출부에 끼워진 상태로 결합된다. 이에 의해 멤브레인 측면과 내측 링이 견고하게 결합될 수 있다.

그리고, 멤브레인 측면의 돌출부와 내측 링의 링형 홈이 끼워지는 형태로 결합되면서, 상기 내측 링의 내주면은 내측으로 볼록하게 형성된다. 이에 따라, 내측 링 내주면의 상단부는 내측으로 경사진 경사면이 형성되어, 가압 챔버로부터 전달되는 웨이퍼의 가장자리로 전달되는 가압력은 곧바로 하방으로 전달되지 않고 경사면을 따라 반경 내측 방향으로 이동한 후 하방으로 전달되므로, 내측 링에 의하여 과도한 힘이 웨이퍼 가장자리 영역의 내측 영역에 작용하는 것을 방지한다.

또한, 상기 내측 링의 내주면은 상기 경사면으로부터 연직 방향으로 연장되어, 상기 바닥판과 보다 넓은 링 형태의 접촉면을 형성할 수도 있다.

한편, 본 발명은, 상기 측면의 외주면에는 상기 가요성 재질에 비하여 경도가 높은 재질로 외측 링이 장착되어, 상기 측면의 반경 방향으로의 팽창을 억제하도록 구성될 수 있다. 이를 통해, 멤브레인 측면과 외측 링을 통해서도 가압 챔버로부터의 가압력을 웨이퍼 가장자리 영역의 외측 영역에 도입할 수 있다.

이와 같이 측면의 외주면에 멤브레인 측면의 반경 방향으로의 팽창을 억제하는 외측 링을 설치할 경우에, 외측 링을 통하여 웨이퍼로 하방 전달되는 가압력과 내측 링을 통해 웨이퍼로 가압력을 보다 확실하게 하방 전달할 수 있다.

무엇보다도, 본 발명은 상기 내측 링의 외주 끝단이 상기 외측 링의 내주 끝단에 비하여 반경 바깥쪽에 위치하도록 배치함으로써, 외측 링과 멤브레인 측면을 통해 웨이퍼 가장자리 영역의 외측 영역에 도입되는 가압력과, 내측 링을 통해 웨이퍼 가장자리 영역의 내측 영역에 도입되는 가압력이 합쳐진 형태로 웨이퍼 가장자리 영역에 도입되게 함으로써, 웨이퍼의 가장자리 영역 전체에 걸쳐 균일한 가압력을 인가할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

전술한 기술적 배경하에서 창안된 것으로, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼의 가장자리 영역에 도입되는 가압력을 균일하게 도입할 수 있는 구조의 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인 및 이를 구비한 캐리어 헤드를 제공하는 것을 목적으로 한다.

한편, 본 발명은, 외부로부터 회전 구동력을 인가받아 회전하는 본체부와; 상기 본체부에 위치 고정되어 상기 본체부와 함께 회전하고, 상기 본체부와의 사이에 압력 챔버가 형성되어 상기 압력 챔버의 압력 제어에 의해 화학 기계적 연마 공정 중에 저면에 위치한 웨이퍼를 하방으로 가압하는 전술한 구성의 멤브레인을; 포함하는 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드를 제공한다.

본 발명에 따르면, 멤브레인 측면에 보다 높은 경도를 갖는 재질로 형성된 내측 링에 의하여 멤브레인 측면의 상측에 위치하는 가압 챔버로부터 상기 웨이퍼의 가장자리 내측 영역으로 가압력을 전달하도록 구성됨으로써, 웨이퍼의 가장자리 외측 영역에서는 멤브레인 측면과 내측 링에 의하여 가압력이 전달되어, 웨이퍼의 가장자리 영역 전체로 가압 챔버로부터의 가압력을 골고루 분산된 형태로 가압되게 함으로써, 가압 챔버의 압력을 압력 챔버의 압력과 유사한 크기로 공급하더라도, 웨이퍼의 가장자리 영역을 압력 챔버에 의하여 가압되는 영역과 마찬가지로 균일한 가압력을 정확하게 도입할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명은 멤브레인 측면의 외주면에 외측 링이 설치되어 최외측 압력 챔버의 팽창 시에 측면이 반경 바깥으로 부풀어오르는 현상을 억제하면서, 가요성 재질의 멤브레인 측면과 이보다 높은 경도를 갖는 재질의 외측 링을 통해 웨이퍼 가장자리 바깥영역으로 전달되는 가압력과 균일한 크기를 굴곡진 형태의 내측 링을 통해 전달되는 가압력과 균일한 수준으로 유지하여, 웨이퍼 가장자리 영역에 가압력을 균일하게 도입하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

부수적으로, 본 발명은 가압 챔버에 공압이 인가되지 않은 상태에서 내측 링의 상단과 하단이 각각 가압 챔버의 바닥면과 멤브레인 바닥판에 접촉하지 않은 상태로 유지되고, 가압 챔버에 공압이 인가됨에 따라 가압 챔버의 바닥면이 팽창하여 내측 링의 상단과 접촉하게 되고, 이에 따라 내측 링이 하방으로 밀려 이동하면서 멤브레인 바닥판에 접촉하여, 가압 챔버로부터 내측 링을 통해 웨이퍼로 가압력을 전달하도록 구성됨에 따라, 보다 낮은 가요성 재질로 이루어진 멤브레인 측면 및 바닥판이 손상되는 것을 최소화하면서 웨이퍼의 가장자리에 가압력을 도입할 수 있는 잇점도 얻을 수 있다.

또한, 본 발명은 내측 링의 하단부와 멤브레인 측면의 사이에 반경 방향으로 공간부가 마련됨에 따라, 가압 챔버의 압력 상태에 따라 내측 링이 하방으로 가압하면서 측면의 변형과 내측 링이 멤브레인 바닥면을 누르는 것과의 연관성을 완화하여, 가압 챔버의 압력으로 웨이퍼 가장자리 영역을 가압하는 데 멤브레인이 틀어지는 현상을 억제할 수 있는 효과가 얻어진다.

특히, 본 발명은 멤브레인 측면의 외주면에 설치되는 외측 링의 내주 끝단이 멤브레인 측면의 내주면에 설치되는 내측 링의 외주 끝단에 비하여 반경 안쪽에 위치하도록 배치되어, 멤브레인 측면과 외측 링을 타고 하방 전달되는 가압력과 내측 링을 타고 경사진 경로를 포함하여 하방 전달되는 가압력이 하나로 합쳐진 형태로 웨이퍼 가장자리 영역에 도입됨에 따라, 웨이퍼 가장자리 영역에 도입되는 가압력을 보다 균일하게 분산시켜 인가할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

이와 같이, 본 발명은, 웨이퍼의 가장자리 영역 전체에 걸쳐 압력 챔버에 의하여 가압하는 영역과 마찬가지로 균일한 가압력을 도입하여 웨이퍼의 연마 프로파일을 의도한 형태로 신뢰성있게 조절할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

도1은 종래의 캐리어 헤드의 구성을 도시한 반단면도,
도2는 도1의 'A'부분의 확대도,
도3은 종래의 다른 형태의 멤브레인의 측면 구성을 도시한 도면,
도4는 도3의 멤브레인에 의한 웨이퍼 가장자리의 가압 원리를 설명하기 위한 도면,
도5는 웨이퍼의 가장자리 영역을 표시한 도면,
도6은 도3의 멤브레인을 이용하여 웨이퍼를 연마한 연마 프로파일을 도시한 도면,
도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 멤브레인 측면 구성을 도시한 도면,
도8은 도7의 멤브레인을 이용하여 웨이퍼 가장자리 영역을 가압하는 작용을 도시한 도면,
도9는 도7의 멤브레인을 이용하여 웨이퍼를 연마한 연마 프로파일을 도시한 도면,
도10 내지 도12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 멤브레인 측면 구성을 도시한 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인(400)과 이를 구비한 캐리어 헤드를 상술한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 캐리어 헤드(2')는 종래의 캐리어 헤드(1)와 마찬가지로 구동 샤프트(미도시)와 연결되어 회전하는 본체부(120)와, 본체부(120) 중 본체부(120)에 고정되어 본체부(120)와의 사이에 압력 챔버(...,C4, C5)를 형성하고 탄성 가요성 소재로 형성되는 멤브레인(400)과, 압력 챔버(..., C4, C5)에 공압을 공급하여 압력을 조절하는 압력 제어부(150)로 구성된다. 즉, 본 발명은 멤브레인(400)의 가장자리 부분에 있어서 종래의 구성과 차이가 있다.

도7에 도시된 바와 같이, 상기 멤브레인(400)은 웨이퍼(W)의 판면을 가압할 수 있도록 웨이퍼(W)의 판면에 대응하는 크기의 원판 형태로 형성된 바닥판(410)과, 바닥판(410)의 가장자리 끝단부로부터 상측으로 절곡되어 연장 형성된 측면(420)과, 측면(420)의 내주면에 링 형태로 돌출된 돌출부(420si)에 끼워져 고정된 내측 링(430)과, 측면(420)의 외주면에 링 형태로 요입 형성된 홈(420x)에 끼워져 고정된 외측 링(440)으로 구성된다.

여기서, 멤브레인 측면(420)의 상측에는 본체부(120)를 향하여 반경 내측 방향으로 연장 형성된 제1고정플랩(421)과, 리테이너 링(230)을 향하여 굴곡부를 포함하여 반경 외측 방향으로 연장 형성된 제2고정플랩(422)과, 제2고정플랩(422)의 끝단에 링 형태로 형성되어 리테이너 링(230)의 홈에 끼워지는 스페이서(429)와, 스페이서(429)의 상측에서 반경 내측 방향으로 연장되는 덮개 플랩(423)이 형성된다.

이에 따라, 도8에 도시된 바와 같이, 제1고정플랩(421)의 끝단은 본체부(120)에 고정되고, 제2고정플랩(422)의 끝단과 스페이서(429)는 리테이너 링(230)의 홈에 삽입 고정되며, 덮개 플랩(423)의 끝단은 본체부(120)에 고정된다. 이 때, 제1고정플랩(421)과 덮개 플랩(423)의 끝단이 본체부(120)에 결합되는 것을 보조하는 결합 부재(122)가 사용될 수 있다. 이와 같이, 멤브레인 측면(420)의 플랩(421-423)이 고정됨에 따라, 측면(420)의 상측에는 외기와 밀폐된 가압 챔버(Cx)가 형성된다. 가압 챔버(Cx)에는 압력 제어부(150)로부터의 공압 공급관(255x)을 통해 공압이 공급되거나 배출되어 정압이나 부압이 인가된다.

한편, 본 발명에 따른 멤브레인 측면(420)의 상측의 가압 챔버(Cx)는 도7 및 도8에 예시된 형태로 덮개 플랩(423)을 이용하여 구성될 수도 있지만, 도3에 도시된 바와 같이 연장 플랩(2423)을 이용하여 구성될 수도 있으며, 도면에 도시되지 않았지만 스페이서(429)와 제2고정플랩(422)과 덮개 플랩(423) 중 어느 하나가 분리된 형태로 구성될 수도 있다.

멤브레인 측면(420)은 멤브레인 바닥판(410)과 일체로 형성될 수 있으며, 우레탄 등 외력에 의하여 쉽게 변형되면서 탄력을 갖는 가요성 재질로 형성된다. 이에 따라, 멤브레인 바닥판(410)과 본체부(120)의 사이에 형성되는 압력 챔버(..., C4, C5)에 압력 조절부(150)로부터 정압이 인가되면 팽창하여 바닥판(410)을 통해 그 아래에 위치한 웨이퍼(W)를 가압하게 된다.

상기 내측 링(430)은 외주면에 링형 홈(430so)이 형성되어, 링형 홈(430so)이 멤브레인 측면(420)의 내주면에 형성된 돌출부(420si)에 끼워지는 것에 의하여 멤브레인 측면(420)에 결합된다. 내측 링(430)은 멤브레인 바닥판(410)과 측면(420)에 비하여 경도와 강도가 높은 재질로 형성되어, 멤브레인 바닥판(410)과 측면(420)에 비하여 탄성 변형되는 정도가 더 작다. 예를 들어 내측 링(430)은 세라믹, 수지 재질로 형성될 수도 있고, 금속 재질이 포함될 수도 있다.

가압 챔버(Cx)에 정압이 인가되지 않은 상태에서는 내측 링(430)의 상단과 가압 챔버(Cx)의 바닥면과는 미세한 간극(c1)만큼 이격되며, 내측 링(430)의 하단과 멤브레인 바닥판(410)과도 미세한 간극(c2)만큼 이격된다. 이 간극(c1, c2)은 0.2mm 내지 2mm 정도로 형성되어, 화학 기계적 연마 공정 중에 가압 챔버(Cx)에 정압이 인가되면, 가압 챔버(Cx)가 팽창하면서 가압 챔버(Cx)의 바닥면(420s)이 하방으로 이동하여 내측 링(430)의 상단을 접촉하여 하방으로 밀어내고, 하방으로 밀려 미세하게 이동하는 내측 링(430)이 멤브레인 바닥판(410)의 상면(410s)과 접촉하여바닥판(410)을 밀어 내면서, 웨이퍼(W)의 가장자리 영역(e)의 내측 영역(e2)을 가압한다. 도면 중 미설명 부호인 Re는 웨이퍼 중심(O)으로부터 가장자리 영역(e)까지의 반경이며, 도면 중 미설명 부호인 R은 웨이퍼 반경이다.

여기서, 내측 링(430)은 내주면이 돌출된 형태로 형성되며, 특히 상단부에는 하방으로 갈수록 점점 반경이 작아지는 형태의 경사면(430p)이 형성된다. 내측 링(430)이 멤브레인 측면(420)에 비하여 보다 높은 경도를 갖는 재질로 형성되므로, 가압 챔버(Cx)로부터 전달되는 가압력(Fv)은 내측 링(430)을 통해 하방으로 전달되고자 하는 성질을 갖게 된다.

그러나, 내측 링(430)은 상단부에는 경사면(430p)이 형성되고, 동시에 내측링(430)의 중앙부 외측에 요입 홈(430so)이 형성되어 단면이 굽어진 형태로 형성됨에 따라, 가압 챔버(Cx)로부터 전달되는 가압력(Fvi)은 경사진 단면을 따라 반경 내측 방향으로 이동한 후 하방을 향하는 Pi로 표시된 경로로 전달되므로, 내측 링(430)에 의하여 과도한 힘이 웨이퍼 가장자리 영역(e)의 내측 영역(e2)에 작용하지 않는다.

한편, 멤브레인 측면(420)의 외주면에는 링형 홈(420x)이 형성되어 외측 링(440)이 결합된다. 이에 따라, 화학 기계적 연마 공정 중에 최외측 압력 챔버(C5)에 공압이 인가되어 팽창하더라도, 측면(420)이 반경 바깥 방향으로 볼록하게 튀어 나오는 것을 억제하므로, 바닥판(410)의 가장자리가 들뜨는 것을 방지할 수 있다.

멤브레인 측면(420)의 외주면에 외측 링(440)이 결합됨에 따라, 가압 챔버(Cx)의 팽창하는 힘(Fcx)에 의하여 가압력(Fvo, Fvc)이 측면(420)을 통해 웨이퍼(W)의 가장자리 영역(e)의 외측 영역(e1)으로 전달된다.

즉, 본 발명은 가압 챔버(Cx)의 팽창에 의하여, 멤브레인 측면(420)만을 따라 Pc로 표시된 경로를 따라 가압력(Fvc)이 웨이퍼(W)의 가장자리 영역(e)으로 전달되기도 하고, 멤브레인 측면(420)과 외측 링(440)을 통과하는 경로(Po)를 따라 가압력(Fvo)이 웨이퍼(W)의 가장자리 영역(e)의 외측 영역(e1)으로 전달되기도 하며, 내측 링(430)을 통과하는 경로(Pi)를 따라 가압력(Fvi)이 웨이퍼(W)의 가장자리 영역(e)의 내측 영역(e2)으로 전달된다.

여기서, 멤브레인 측면(420)의 강성이 작으므로 가압 챔버(Cx)로부터 하방으로 전달되는 가압력은 강성이나 경도가 높은 재질인 내측 링(430)과 외측 링(440)을 통과하는 경로(Po, Pi)로 전달된다. 이 중, 내측 링(430)은 전체가 강성 및 경도가 높은 재질로 형성됨에 따라 Fvo, Fvc, Fvi 중 가장 큰 힘이 전달되려는 성질이 있지만, 전달 경로(Pi)가 굽어져 있으므로 웨이퍼로 전달되는 가압력(Fci)을 상쇄시키는 역할을 한다.

따라서, 내측링(430)을 통과하는 경로(Pi)로 웨이퍼(W)를 가압하는 가압력(Fci)의 크기는 나머지 경로(Po, Pc)를 통해 웨이퍼(W)를 가압하는 가압력(Fvc, Fvo)의 합과 유사해진다. 따라서, 웨이퍼(W)의 가장자리 영역(e)은 전체적으로 균일한 가압력이 인가될 수 있게 된다.

다시 말하면, 가압 챔버(Cx)의 팽창에 따라 웨이퍼(W)의 가장자리 영역(e)으로 전달되는 힘은 각각 Pi, Pc, Po로 표시된 경로를 따라 분산된 가압력(Fvi, Fvc, Fvo)으로 하방으로 전달되므로, 종래에 Pi, Pc로만 웨이퍼(W)의 가장자리 영역(e)의 내측 영역(e2)을 충분히 가압하지 못하면서 가장자리 영역(e)의 외측 영역(e1)에 과도한 가압력을 인가하였던 문제점을 해소하고, 웨이퍼(W)의 가장자리 영역(e) 전체에 걸쳐 균일한 가압력을 도입할 수 있는 잇점을 얻을 수 있다.

또한, 가압 챔버(Cx)에 도입되는 압력을 압력 챔버(..., C4, C5)와 동등한 수준으로 유지하더라도, 가압 챔버(Cx)로부터 웨이퍼(W)의 가장자리 영역(e)을 가압하는 힘이 분산되므로, 웨이퍼(W)의 가장자리 영역(e)에 인가되는 가압력은 인접한 다른 압력 챔버(..., C4, C5)에서 웨이퍼(W)의 판면을 가압하는 가압력(..., P4, P5)과 유사한 수준으로 유지할 수 있게 된다.

이에 따라, 도9에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(W)의 가장자리 영역(e)의 외측 영역(e1)에서 과도한 가압력에 의하여 연마량이 과도하고, 웨이퍼(W)의 가장자리 영역(e)의 내측 영역(e2)에서 부족한 가압력에 의하여 연마량이 부족하였던 종래의 문제점을 해소하여, 목표 연마 프로파일에 맞게 화학 기계적 연마 공정에 의하여 웨이퍼 가장자리 영역(e)에서의 연마 두께를 조절할 수 있게 된다.

특히, 본 발명에 따른 내측 링(430)의 외주 끝단까지의 거리(R3o)가 외측 링(440)의 내주 끝단까지의 거리(R4i)에 비하여 더 길게 형성됨에 따라, 가압 챔버(Cx)로부터 하방으로 전달되는 가압력(Fvi, Fvc, Fvo)이 서로 중복되는 영역이 발생되게 된다. 이에 따라, 외측 링(440)과 멤브레인 측면(420)을 함께 통과하는 을 통해 웨이퍼 가장자리의 외측 영역(e1)에 도입되는 가압력(Fvo)과, 내측 링(430)을 통해 웨이퍼 가장자리의 내측 영역(e2)에 도입되는 가압력(Fvi)이 합쳐진 형태로 웨이퍼 가장자리 영역(e)에 도입됨으로써, 웨이퍼(W)의 가장자리 영역 (e) 전체에 걸쳐 균일한 가압력을 인가할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 도10에 도시된 바와 같이, 멤브레인(400')의 내측 링(430') 하단과 멤브레인 측면(420)의 사이에는 반경 방향으로 공간부(32x)가 마련될 수 있다. 이와 같이 내측 링(430') 하단과 멤브레인 측면(420)의 사이에 공간부(32x)가 마련됨에 따라, 웨이퍼(W)의 가장자리 내측 영역(e2)을 내측 링(430')을 통해 가압하는 과정에서, 내측 링(430')의 하단과 멤브레인 측면(420)이 서로 간섭되면서 바닥판(410)의 가장자리와 측면(420)이 변형되면서 왜곡되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 도11에 도시된 바와 같이, 멤브레인(400")의 내측 링(430")의 내주면(430si)은, 상단부의 경사면(430p)과, 중앙부로부터 하단까지 수직 방향으로 직선 형태로 연장된 표면(430sis)으로 이루어질 수 있다. 이와 같이, 내측 링(430")의 내측 링(430")의 내주면(430si)이 반경 내측으로 돌출된 형태가 아니라 평탄하게 하방 연장된 형태로 형성됨에 따라, 내측 링(430)을 통해 전달되는 가압력(Fvi)의 크기를 보다 크게 유도할 수 있다. 이와 같은 내측 링(430)의 형상은 웨이퍼(W)의 가장자리 영역(e)에서 다른 영역에 비하여 보다 많은 연마량이 필요할 경우에 적용될 수 있다.

한편, 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 도12에 도시된 바와 같이, 멤브레인(400"')의 내측 링(430"')은 하단부가 반경 바깥 방향으로 돌출(430e)되어, 측면(420)과 바닥판(410)의 연결부에서의 반경 바깥으로 파인 홈(420y)에 삽입되게 구성될 수 있다. 이와 같은 구성을 통하여, 내측 링(430"')이 보다 견고하게 멤브레인 측면(420)에 위치 고정될 수 있을 뿐만 아니라, 멤브레인 측면(420)이 수직인 상태로 유지되도록 보조하며, 동시에 웨이퍼(W)의 가장자리 영역(e)에서 보다 넓은 면적에 걸쳐 웨이퍼의 가장자리를 가압할 수 있는 잇점을 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
2': 캐리어 헤드 120: 본체부
130, 230: 리테이너 링 400, 400', 400", 400"' : 멤브레인
410: 바닥판 420: 측면
421: 제1고정플랩 422: 제2고정플랩
423: 덮개 플랩 429: 스페이서
430: 내측 링 440: 외측 링

Claims

화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인으로서,
가요성 재질의 판 형상으로 형성되어 웨이퍼의 판면을 가압하는 바닥판과;
가요성 재질로 형성되고, 상기 바닥판의 가장자리 부분으로부터 상측으로 연장 형성된 측면과;
상기 가요성 재질에 비하여 보다 높은 경도를 갖는 재질로 형성되고, 상기 측면의 내주면에 결합된 내측링을;
포함하고, 상기 측면의 상측에 형성된 가압 챔버에 정압이 인가된 상태에서는 상기 내측 링의 상단이 상기 가압 챔버의 저면에 접촉하고 동시에 상기 내측 링의 하단이 상기 바닥판의 상면에 접촉하여, 상기 가압 챔버로부터의 가압력을 상기 웨이퍼의 가장자리 영역으로 전달하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
제 1항에 있어서,
상기 가압 챔버에 정압이 인가되지 않은 상태에서는 상기 내측 링의 상단은 상기 가압 챔버의 바닥면과 접촉하지 않은 상태인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
제 1항에 있어서,
상기 가압 챔버에 정압이 인가되지 않은 상태에서는 상기 내측 링의 하단은 상기 바닥판과 접촉하지 않은 상태인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
제 1항에 있어서,
상기 내측 링의 하단과 상기 측면의 사이에는 반경 방향으로의 공간부가 구비된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
제 1항에 있어서,
상기 내측 링의 외주면에는 링형 홈이 형성되어, 상기 측면의 내주면의 돌출부에 끼워지는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
제 5항에 있어서,
상기 내측 링의 내주면은 내측으로 볼록하게 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
제 6항에 있어서,
상기 내측 링의 내주면의 상단부는 내측으로 경사진 경사면을 형성하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
제 7항에 있어서,
상기 내측 링의 내주면은 상기 경사면으로부터 연직 방향으로 연장되어, 상기 바닥판과 링 형태의 접촉면을 형성하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
제 6항에 있어서,
상기 내측 링의 하단부는 반경 바깥으로 돌출되어, 상기 측면과 상기 바닥판의 연결부에서 반경 바깥 방향으로 파인 홈에 일부 이상이 삽입되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 측면의 외주면에는 상기 가요성 재질에 비하여 경도가 높은 재질로 외측 링이 장착되어, 상기 측면의 반경 방향으로의 팽창을 억제하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
제 10항에 있어서,
상기 내측 링의 외주 끝단은 상기 외측 링의 내주 끝단에 비하여 반경 바깥쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
제 11항에 있어서,
상기 측면의 외주면에는 상기 외측 링을 수용하는 링형 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
외부로부터 회전 구동력을 인가받아 회전하는 본체부와;
상기 본체부에 위치 고정되어 상기 본체부와 함께 회전하고, 상기 본체부와의 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;
포함하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
제 13항에 있어서,
상기 측면의 외주면에는 상기 가요성 재질에 비하여 경도가 높은 재질로 외측 링이 장착되어, 상기 측면의 반경 방향으로의 팽창을 억제하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
제 14항에 있어서,
상기 내측 링의 외주 끝단은 상기 외측 링의 내주 끝단에 비하여 반경 바깥쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
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