KR101613153B1 - 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 형성된 측면과; 상기 측면 및 상기 바닥판에 비하여 높은 경도를 갖는 재질로 형성되고, 상기 측면의 바깥에 고정되며, 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드와 접촉하여 웨이퍼를 수용하는 링형 접촉면이 저면에 형성된 외측 고정체를; 포함하여 구성되어, 멤브레인의 측면에 외측 고정체가 고정됨에 따라, 상측으로부터 전달되는 수직력이 보다 확실하게 하측으로 전달될 뿐만 아니라, 외측 고정체의 저면으로 형성되는 링형 접촉면 내에 웨이퍼가 둘러싸이는 형태로 수용됨으로써, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼가 외측 고정체에 의하여 이탈하는 것이 방지되면서, 웨이퍼의 전체 표면이 멤브레인의 측면보다 반경 내측에 위치하는 바닥판에 의하여 가압되므로, 웨이퍼의 전체 표면에 균일한 가압력이 도입되어 웨이퍼의 가장자리에서의 연마 공정을 신뢰성있고 정확하게 행할 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)의 경사면에서 환형 링(160)의 경사면에 힘(Fcx)을 경사지게 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(141x)에 미세하게 주름이 생겨 우는 현상이 발생되어, 웨이퍼(W)의 가장자리(edge)의 연마가 원활하게 이루어지지 않는 문제가 야기되었다.
본 발명은 전술한 기술적 배경하에서 창안된 것으로, 본 발명은 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼의 가장자리 부근을 정확하게 가압할 수 있는 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 방지하여, 웨이퍼의 가장자리에 대해 균일한 연마를 행하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 견고하게 웨이퍼를 비가요성 재질로 감싸는 멤브레인을 구성함에 따라, 리테이너 링이 없더라도 웨이퍼의 이탈을 방지하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 멤브레인의 바닥판에 의하여 웨이퍼의 전체 표면이 가압되도록 하여, 웨이퍼의 전체 표면이 확실하게 가압할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 가요성 재질로 형성된 바닥판과; 상기 바닥판의 가장 자리에 절곡 형성되고 가요성 재질로 형성된 측면과; 상기 측면 및 상기 바닥판에 비하여 높은 경도를 갖는 재질로 형성되고, 상기 측면의 바깥에 고정되며, 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드와 접촉하여 웨이퍼를 수용하는 링형 접촉면이 저면에 형성된 외측 고정체를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인을 제공한다.
이와 같이, 멤브레인의 측면에 외측 고정체가 고정됨에 따라, 상측으로부터 전달되는 수직력이 보다 확실하게 하측으로 전달될 뿐만 아니라, 외측 고정체의 저면으로 형성되는 링형 접촉면 내에 웨이퍼가 둘러싸이는 형태로 수용됨으로써, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼가 외측 고정체에 의하여 이탈하는 것이 방지되면서, 웨이퍼의 전체 표면이 멤브레인의 측면보다 반경 내측에 위치하는 바닥판에 의하여 가압되므로, 웨이퍼의 전체 표면에 균일한 가압력이 도입되어 웨이퍼의 가장자리에서의 연마 공정을 신뢰성있고 정확하게 행할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 외측 고정체의 링형 접촉면에 의하여 웨이퍼의 둘레가 둘러싸인 상태로 화학 기계적 연마 공정이 행해짐에 따라, 멤브레인 측면을 통해 하방으로 전달되는 힘에 의하여 연마 패드에 주름이 발생되더라도, 웨이퍼의 판면 바깥에서 연마 패드의 주름이 발생되므로, 웨이퍼의 전체 판면에 대해서는 연마 두께를 정교하게 제어할 수 있는 유리한 효과도 얻을 수 있다.
여기서, 상기 바닥판의 상측의 압력 챔버에서 하방으로의 가압력이 도입되지 않은 상태에서는, 상기 링형 접촉면은 상기 바닥판의 저면과 단차(y)를 갖게 형성된다. 즉, 캐리어 헤드의 베이스와 멤브레인의 사이에 형성되는 압력 챔버에 정압이 인가되지 않은 상태에서는, 외측 고정체의 저면(링형 접촉면)이 바닥판의 저면에 비하여 보다 하측(연마 패드를 향하는 방향)에 위치함으로써, 웨이퍼의 둘레를 감싸는 작용을 보다 확실하게 행할 수 있다.
이와 같이, 외측 고정체의 저면으로 형성되는 링형 접촉면이 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼의 이탈을 방지하는 역할을 하게 됨에 따라, 웨이퍼의 이탈을 방지하는 리테이너 링을 캐리어 헤드에 구비하지 않을 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 캐리어 헤드에 리테이너 링도 구비함으로써 2중으로 웨이퍼의 이탈을 보다 확실하게 방지할 수 있다.
이 때, 상기 외측 고정체의 상기 링형 접촉면의 내주 끝단부는 중심으로부터 반경 바깥으로 갈수록 상향 경사진 경사면으로 형성된다. 이에 따라, 멤브레인 바닥판의 상측에 위치한 압력 챔버에 정압이 인가되면, 멤브레인 바닥판이 경사면을 타고 변형되어, 국부적으로 급격하게 변형되지 않으면서 바닥판의 하측에 위치하는 웨이퍼 전체 판면을 가압할 수 있게 된다.
그리고, 멤브레인 바닥판의 저면에는 링형 홈이 링형 접촉면의 내주 끝단부와 상기 바닥판이 만나는 지점에 형성되어, 멤브레인 바닥판의 휨 변형을 보조한다.
한편, 상기 측면의 저면은 상기 외측 고정체 상에 위치하게 배치되는 것이 바람직하다. 즉, 외측 고정체는 하측면이 측면의 저면을 감싸는 형태, 즉 'ㄴ'자 형 링형 단면으로 형성되어, 측면을 통해 하방으로 전달되는 하방 가압력이 외측 고정체의 저면으로 형성되는 링형 접촉면에 전달되어, 높은 가압력이 링형 접촉면을 연마 패드를 향하여 가압하게 함으로써, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼의 이탈을 방지할 수 있는 가압력이 콤팩트한 구조로 전달된다.
또한, 외측 고정체는 하측면이 측면의 저면을 감싸는 형태, 즉 'ㄴ'자 형 링형 단면으로 형성됨으로써, 측면을 통해 하방 가압하는 가압력이 측면의 두께에 비하여 두꺼운 외측 고정체의 링형 접촉면에 골고루 분산되면서, 측면을 통해 가압되는 가압력에 의하여 연마 패드에 주름이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
상기 외측 고정체는 가요성 재질로 형성되는 멤브레인 측면이나 멤브레인 바닥판과 달리 비가요성 재질로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 엔지니어링 플라스틱, 수지, 금속 재질 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 측면의 상측에는 상기 측면을 하방으로 가압하는 가압 챔버가 형성될 수 있다. 이를 위하여, 상기 측면의 상단부로부터 상기 캐리어 헤드의 본체부와, 상기 본체부로부터 반경 바깥으로 이격된 위치의 리테이너 링을 향하여 각각 연장되는 고정 플랩이 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 멤브레인 측면의 상단면은 평탄하게 형성되어, 가압 챔버에 도입되는 압력에 의하여 멤브레인 측면의 연장 방향(대체로 연직 방향)을 따라 정확하게 가압력이 전달될 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.
이 때, 상기 멤브레인의 상기 측면의 상측에는 상기 측면을 하방으로 가압하는 압력 챔버가 형성될 수 있다.
상기 측면의 상단부로부터 상기 캐리어 헤드의 본체부와, 상기 본체부로부터 반경 바깥으로 이격된 위치의 리테이너 링을 향하여 각각 연장되는 고정 플랩이 형성될 수 있다.
그리고, 상기 외측 고정체의 반경 바깥에는 리테이너 링이 연마 패드에 접촉하게 배치되어, 외측 고정체에 의하여 화학 기계적 연마 공정 중에 1차적으로 웨이퍼의 이탈을 방지하면서, 리테이너 링에 의하여 2차적으로 웨이퍼의 이탈을 방지하여, 보다 확실하게 웨이퍼의 이탈을 방지할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따르면, 멤브레인 바닥판의 가장 자리에 절곡 형성되고 가요성 재질로 형성된 측면에 높은 경도를 갖는 재질의 외측 고정체가 고정되고, 외측 고정체의 저면이 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드와 접촉하면서 웨이퍼를 둘러싸 수용하도록 구성됨에 따라, 멤브레인 측면을 타고 상측으로부터 전달되는 수직 가압력이 보다 확실하게 하측으로 전달되게 할 수 있을 뿐만 아니라, 외측 고정체의 저면으로 형성되는 링형 접촉면 내에 웨이퍼가 둘러싸이는 형태로 수용됨으로써, 멤브레인만에 의해서도 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼가 외측 고정체에 의하여 이탈하는 것을 방지할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 본 발명은, 웨이퍼의 전체 표면이 멤브레인의 측면보다 반경 내측에 위치하는 바닥판에 의하여 가압되므로, 웨이퍼의 전체 표면에 균일한 가압력이 도입되어 웨이퍼의 가장자리에서의 연마 공정을 신뢰성있고 정확하게 행할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 외측 고정체의 링형 접촉면에 의하여 웨이퍼의 둘레가 둘러싸인 상태로 화학 기계적 연마 공정이 행해짐에 따라, 멤브레인 측면을 통해 하방으로 전달되는 힘에 의하여 연마 패드에 주름이 발생되더라도, 웨이퍼의 판면 바깥에서 연마 패드의 주름이 발생되므로, 웨이퍼의 전체 판면에 대해서는 연마 두께를 정교하게 제어할 수 있는 유리한 효과도 얻을 수 있다.
그리고, 본 발명은, 외측 고정체의 저면으로 형성되는 링형 접촉면이 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼의 이탈을 방지하는 역할을 하게 됨에 따라, 리테이너 링을 캐리어 헤드에 구비하지 않더라도 웨이퍼의 이탈을 방지할 수 있으며, 캐리어 헤드에 리테이너 링을 구비할 경우에는 이중으로 웨이퍼의 이탈을 방지할 수 있는 잇점이 얻어진다.
또한, 본 발명은 멤브레인 측면의 저면이 상기 외측 고정체 상에 위치하게 배치됨으로써, 멤브레인 측면을 통해 하방 가압하는 가압력이 측면의 두께에 비하여 두꺼운 외측 고정체의 링형 접촉면에 골고루 분산되면서, 측면을 통해 가압되는 가압력이 연마 패드의 좁은 영역에 집중되면서 연마 패드에 구불구불하게 주름이 생기면서 우는 현상을 방지할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
이를 통해, 본 발명은, 최외측 압력 챔버에 공압이 공급되면서 바닥판의 들뜬 영역이 팽창하면서 웨이퍼의 가장자리에 밀착되고, 최외측 압력 챔버를 통해 웨이퍼의 가장 자리 영역을 확실하게 가압할 수 있게 된다.
도1은 종래의 캐리어 헤드를 보인 단면도,
도2는 웨이퍼 가장자리를 가압하는 원리를 설명하기 위한 도1의 'A'부분의 확대도,
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐리어 헤드의 멤브레인을 도시한 도면,
도4는 도3의 'B'부분의 확대도,
도5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐리어 헤드의 가장자리 부분의 확대도,
도5b는 도5a의 캐리어 헤드를 이용하여 웨이퍼의 가장자리를 가압하는 구성을 도시한 도면,
도6a는 도5a의 'D'부분의 확대도,
도6b는 도6a의 캐리어 헤드를 이용하여 웨이퍼의 가장자리를 가압하는 구성을 도시한 도면,
도7은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 캐리어 헤드의 가장자리 부분의 확대도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드에 사용되는 멤브레인(240)은 도3의 반단면도에 도시된 바와 같은 구조를 갖는다. (본 발명에 따른 멤브레인(240)은 도면에 도시된 반단면도의 중심선을 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 구성에 있어서 큰 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)과, 측면(242)의 바깥면에 고정되는 링 형태의 외측 고정체(245)와, 측면(242)의 내측면에 고정되는 링 형태의 내측 고정체(246)으로 구성된다. 이에 따라, 멤브레인(240)이 베이스(120)에 고정되면서, 격벽(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(245)와 내측 고정체(246)은 엔지니어링 플라스틱, 수지, 알루미늄이나 스텐레스 등의 금속재 중 어느 하나인 비가요성 재질로 형성된다.
도4에 도시된 바와 같이, 멤브레인 측면(242)의 상면은 평탄한 면(242s)으로 형성된 영역(A1)이 구비되고, 이 영역(A1)으로부터 반경 내측 방향으로 연장 형성된 고정 플랩(2421)과 반경 외측 방향으로 연장 형성된 고정 플랩(2422)이 형성됨으로써, 고정 플랩(2421, 2422)에 의하여 연장된 면적에 인가되는 가압 챔버(Cy)의 압력이 측면(242)을 타고 수직 가압력(Fv)의 형태로 하방 전달된다.
여기서, 측면(242)의 상단부로부터 반경 내측 방향으로 연장된 고정 플랩(2421)은 끝단(2421x)이 베이스(121, 122)에 고정되고, 측면(242)의 상단부로부터 반경 외측 방향으로 연장된 고정 플랩(2422)은 리테이너 링(130)에 고정되어, 가압 챔버(Cy)의 바닥면을 형성한다. 그리고, 고정 플랩(2422)의 끝단부에 형성되어 리테이너 링(130)에 고정 플랩(2422)을 고정시키는 걸림체(247)로부터, 고정 플랩(2422)으로부터 상측으로 이격된 위치에 상측 플랩(2437)이 연결 형성되어 그 끝단(2437x)이 베이스(122, 123)에 고정되어, 가압 챔버(Cy)의 상면을 형성한다.
한편, 도7에 도시된 바와 같이, 상측 플랩(2437)은 고정 플랩(2422)과 분리된 형태로 형성될 수도 있다. 이 경우에, 걸림체(247)는 2개로 분할(247')된다. 그리고, 도면에 도시되지 않았지만, 리테이너 링(2422)에 고정되는 대신에, 3개의 플랩(2421, 2422, 2437)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(2421, 2422, 2437)에 의해 둘러싸인 측면 가압챔버(Cy)가 형성되어, 공압 공급로를 통해 압력(Pc)이 공급되어 가압 챔버(Cy)의 압력이 높아지면, 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(245)가 고정됨에 따라, 가압 챔버(Cy)로부터 전달되는 수직 가압력(Fv)이 보다 확실하게 하측으로 전달된다.
도면 부호 242a는 외측 고정체(245)의 위치를 고정하기 위하여 측면(242)으로부터 반경 바깥으로 링 형태로 돌출된 결합 돌기이다.
상기 외측 고정체(245)는 멤브레인 측면(242)에 고정되지만, 멤브레인 바닥판(245)의 가장자리 끝단의 아래까지 연장 형성된다. 이에 따라, 외측 고정체(245)의 저면은 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드(11)와 접촉하는 링형 접촉면(245s)을 형성하여, 수직 가압력(Fv)에 의하여 링형 접촉면(245s)이 연마 패드(11)를 가압하는 상태로 유지된다.
여기서, 외측 고정체(245)의 링형 접촉면(245s)은 멤브레인 바닥판(241)의 가장자리 끝단의 하측까지 연장 형성되어, 종래에 수직 가압력이 멤브레인 측벽(142)을 통해 전달되어 연마 패드(11)에 주름을 발생시키는 문제점이 발생되었던 것을, 보다 더 큰 면적의 링형 접촉면(245s)으로 연마 패드를 가압함에 따라 연마 패드(11)에 국부적인 작용하는 응력의 크기를 낮춤으로써, 연마 패드(11)에 주름이 발생되는 것을 억제할 수 있다.
다시 말하면, 측면(242)의 저면은 외측 고정체(245) 상에 위치하게 배치된다. 즉, 외측 고정체(245)의 하부(즉, 링형 접촉면을 형성하는 부분)가 측면(242)의 저면을 감싸는 형태, 'ㄴ'자 단면의 링 형태으로 형성되어, 측면(242)을 통해 하방으로 전달되는 수직 가압력(Fv)이 외측 고정체(245)의 링형 접촉면(245s)에 전달되어, 높은 가압력(Fv)이 링형 접촉면(245s)을 연마 패드(11)를 향하여 가압하게 함으로써, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼의 이탈을 방지하는 높은 가압력(Fv)이 콤팩트한 구조로 전달된다.
이와 같이, 외측 고정체(245)는 하부가 측면(242)의 저면을 감싸는 형태, 즉 바닥판(241)의 끝단부와 접촉하는 'ㄴ'자 형 링형 단면으로 형성됨으로써, 측면(242)을 통해 하방 가압하는 가압력(Fv)이 측면(242)의 두께에 비하여 두꺼운 외측 고정체(245)의 링형 접촉면에 골고루 분산되면서, 측면(242)을 통해 가압되는 가압력(Fv)에 의하여 연마 패드에 주름이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 외측 고정체(245)의 링형 접촉면(245s)의 내주 끝단부(245e)는 웨이퍼(W)의 둘레를 감싸는 형태로 형성되어, 웨이퍼(W)가 외측 고정체(245)의 내부에 수용된다. 따라서, 측면(242)을 통해 전달되는 수직 가압력(Fv)에 의하여 웨이퍼(W)를 가압하는 대신에, 측면(242)을 통해 전달되는 수직 가압력(Fv)에 의하여 비가요성 재질의 외측 고정체(245)의 링형 접촉면(245s)이 연마 패드(11) 상에 밀착되므로, 링형 접촉면(245s)의 내측(중심에 가까운 방향)의 바닥판(241)에 의하여 웨이퍼(W)의 전체 판면이 가압된다. 본 발명의 실시예에서는 링형 접촉면(245s)이 연속하는 링 형태로 형성되는 구성이 예시되어 있지만, 링형 접촉면(245s)은 원주 방향을 따라 간헐적으로 분포된 형태일 수도 있다.
이와 같이, 외측 고정체(245)의 링형 접촉면(245s) 내에 웨이퍼가 둘러싸이는 형태로 수용됨으로써, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼(W)가 연마 패드(11)를 가압하고 있는 외측 고정체(245)의 링형 접촉면(245s)에 의하여 이탈되는 것을 방지할 수 있으며, 동시에 웨이퍼(W)의 전체 판면이 멤브레인의 측면(242)에 비하여 보다 반경 내측에 위치하는 바닥판(241)에 의하여 가압되므로, 웨이퍼의 전체 표면을 정해진 가압력을 정확하게 도입하여 웨이퍼의 가장자리에서도 우수한 품질의 연마 공정을 신뢰성있게 행할 수 있게 된다.
이 때, 외측 고정체(245)의 내주 끝단부(245e)는 웨이퍼(W)의 직경을 고려하여 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼(W)의 허용 이동범위만큼의 간격(x)을 두고 웨이퍼(W)를 위치시킬 수 있게 치수가 정해진다.
한편, 압력 챔버(...,C4, C5)에 압력이 도입되지 않은 상태에서는 도5a 및 도6a에 도시된 바와 같이 웨이퍼(W)의 판면과 바닥판(241)이 도면부호 c로 표시된 거리만큼 이격되어 있지만, 압력 챔버(...,C4, C5)에 정압(py)이 공급되면 멤브레인 바닥판(241)의 상측에 위치한 압력 챔버(...,C4, C5)가 팽창하면서 멤브레인 바닥판(241)을 하방으로 밀어내어, 웨이퍼(W)의 판면 전체가 바닥판(241)에 의해 가압된다.
이 때, 외측 고정체(245)는 내주 끝단부(245e)로부터 반경 바깥으로 갈수록 상향 경사진 경사면(245z)으로 형성됨으로써, 압력 챔버(...,C4, C5)에 정압이 공급되면, 도5b 및 도6b에 도시된 바와 같이 멤브레인 바닥판(241)이 경사면(245z)을 타고 변형되어, 국부적으로 급격하게 변형되지 않으면서 바닥판(241)의 하측에 위치하는 웨이퍼 전체 판면을 가압할 수 있게 된다.
더욱이, 멤브레인 바닥판(241)의 저면에는 링형 홈(241x)이 링형 접촉면(245s)의 내주 끝단부(245e)와 바닥판(241)이 만나는 지점에 형성되어, 압력 챔버(...,C4, C5)에 정압이 공급되어 바닥판(241)이 하방으로 이동할 때에, 링헝 홈(241x)에 의하여 멤브레인 바닥판(241)이 보다 쉽게 휨 변형이 유도된다.
한편, 멤브레인 측면(142)의 반경 내측에 고정된 내측 고정체(246)은 링형 홈(241x)의 중심에 비하여 도면부호 w로 표시된 바와 같이 반경 바깥에 내주면이 위치한다. 경우에 따라서는 w로 표시된 길이가 0 일수도 있다.이에 의하여, 내측 고정체(246)를 통해 하방으로 전달되는 하방 가압력(Fv)은 모두 외측 고정체(245)의 링형 접촉면(245s)을 가압하게 작용한다.
따라서, 가압 챔버(Cy)의 압력 제어에 의하여 측면(242), 외측 고정체(245) 및 내측 고정체(246)를 통해 하방으로 전달되는 수직 가압력(Fv)은 모두 링형 접촉면(245s)에 전달되므로, 연마 패드를 가압하는 가압력이 누설되지 않고 효과적으로 제어될 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명은 멤브레인 바닥판(241)의 가장 자리에 절곡 형성되고 가요성 재질로 형성된 측면(242)에 높은 경도를 갖는 재질의 외측 고정체(245)가 고정되고, 그 내측에 내측 고정체(246)가 고정되어, 외측 고정체의 저면이 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드와 접촉하면서 웨이퍼를 둘러싸 수용하도록 구성됨에 따라, 멤브레인 측면을 타고 상측으로부터 전달되는 수직 가압력(Fv)이 보다 확실하게 하측으로 전달되게 할 수 있을 뿐만 아니라, 외측 고정체의 저면으로 형성되는 링형 접촉면(245s) 내에 웨이퍼(W)가 둘러싸이는 형태로 수용됨으로써, 별도로 리테이너 링을 구비하지 않고 멤브레인(240)만 구비한 캐리어 헤드에 의해서도 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼가 외측 고정체에 의하여 이탈하는 것을 방지할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 본 발명은, 외측 고정체(245)의 저면으로 형성되는 링형 접촉면(245s)이 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼(W)의 이탈을 방지하는 역할을 하게 됨에 따라, 리테이너 링(130)을 캐리어 헤드에 구비하지 않더라도 웨이퍼의 이탈을 방지할 수 있으며, 캐리어 헤드에 리테이너 링을 구비할 경우에는 이중으로 웨이퍼의 이탈을 방지할 수 있는 잇점이 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.
W: 웨이퍼 C1, C2, C3, C4, C5: 압력 챔버
120: 베이스 130: 리테이너 링
240: 멤브레인 241: 바닥판
242: 측면 243: 링형 격벽
245: 외측 고정체 245s: 링형 접촉면
245z: 경사면 246: 내측 고정체
Cy: 가압 챔버 Fv: 수직 가압력

Claims (15)

  1. 화학 기계적 연마 공정 중에 저면이 연마 패드에 접촉하는 리테이너 링이 구비된 캐리어 헤드에 장착되어 웨이퍼를 가압하는 멤브레인으로서,
    상기 웨이퍼를 하측에 위치시키는 가요성 재질의 바닥판과;
    상기 바닥판의 가장 자리에 절곡 형성되고 가요성 재질로 형성된 측면과;
    상기 측면 및 상기 바닥판에 비하여 높은 경도를 갖는 재질로 형성되고, 상기 측면의 바깥면과 접촉한 상태로 위치 고정되며, 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 연마 패드와 접촉하여 웨이퍼를 수용하는 링형 접촉면이 저면에 형성되되 상기 리테이너 링의 저면의 내측에 위치하는 외측 고정체를;
    포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 바닥판의 상측의 압력 챔버에서 하방으로의 가압력이 도입되지 않은 상태에서는, 상기 링형 접촉면은 상기 바닥판의 저면과 단차(y)를 갖게 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 외측 고정체의 상기 링형 접촉면의 내주 끝단부는 중심으로부터 반경 바깥으로 갈수록 상향 경사진 경사면으로 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 링형 접촉면의 내주 끝단부와 상기 바닥판이 만나는 지점에서 상기 바닥판의 저면에는 링형 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 측면의 저면은 상기 외측 고정체 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  6. 제 1항에 있어서,
    외측 고정체는 비가요성 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 측면의 반경 안쪽에 고정되는 비가요성 내측 고정체를;
    더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  8. 제 1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측면의 상측에는 상기 측면을 하방으로 가압하는 가압 챔버가 형성되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 측면의 상단면은 평탄하게 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 측면의 상단부로부터 상기 캐리어 헤드의 본체부와, 상기 본체부로부터 반경 바깥으로 이격된 위치의 리테이너 링을 향하여 각각 연장되는 고정 플랩이 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  11. 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼를 하측에 위치시키는 캐리어 헤드로서,
    본체부와;
    상기 본체부와 함께 회전 구동되는 베이스와;
    상기 웨이퍼의 둘레를 감싸는 형태로 형성되고 저면이 연마 패드와 접촉하는 리테이너 링과;
    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 제7항 중 어느 한 항에 따른 멤브레인을;
    포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 멤브레인의 상기 측면의 상측에는 상기 측면을 하방으로 가압하는 가압 챔버가 형성되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 측면의 상단부로부터 상기 캐리어 헤드의 본체부와, 상기 본체부로부터 반경 바깥으로 이격된 위치의 리테이너 링을 향하여 각각 연장되는 고정 플랩이 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 바닥판과 접하는 상기 측면의 단면에 비하여 상기 외측 고정체의 단면이 더 큰 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.





  15. 삭제
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