KR101629161B1 - 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드 및 이에 사용되는 멤브레인 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드 및 이에 사용되는 멤브레인에 관한 것으로, 본체와; 상기 본체와 함께 회전 구동되는 베이스와; 상기 베이스의 둘레를 감싸는 링 형태로 형성되고, 상기 본체와 상기 베이스 중 어느 하나에 지지되도록 설치되어, 상기 본체와 함께 회전 구동되는 리테이너 링과; 화학 기계적 연마 공정 중에 저면이 웨이퍼의 판면과 접촉하는 바닥판과, 상기 바닥판의 반경 끝단부에서 절곡 형성된 측면으로 이루어지고, 상기 측면에는 상기 리테이너 링에 고정되는 제1고정플립과 상기 베이스에 고정되는 제2고정플립이 연장 형성되어 상기 측면의 상측에 가압 챔버를 형성하고, 상기 베이스와의 사이 공간에 압력 챔버를 형성하는 멤브레인을; 포함하여 구성되어, 브레인의 측면 상측에 가압 챔버가 위치함으로써, 가압 챔버의 압력 조절을 통해 도입되는 힘의 전부를 웨이퍼의 가장자리 끝단을 가압하는 수직 가압력으로 사용할 수 있게 되므로, 정확한 수직 가압력을 웨이퍼의 가장자리에 도입할 수 있는 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드 및 이에 사용되는 멤브레인을 제공한다.

Description

화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드 및 이에 사용되는 멤브레인{CARRIER HEAD OF CHEMICAL MECHANICAL APPARATUS AND MEMBRANE USED THEREIN}

본 발명은 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드 및 이에 사용되는 멤브레인에 관한 것으로, 상세하게는 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼의 가장자리 부근을 작은 공압을 인가하면서도 정확하게 가압할 수 있는 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.

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 플립에 의해 둘러싸인 측면 가압 챔버(Cx)가 형성된다. 가압 챔버(Cx)의 공압도 압력 제어부(150)로부터 제어되어, 가압 챔버(Cx)에 공압이 공급되면, 도2 및 도9에 도시된 바와 같이, 가압 챔버(Cx)의 경사면(Cs)에서 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.

이에 따라, 가압 챔버(Cx)에 도입된 압력에 의하여 경사면(Cs)을 가압하는 힘(Fcx) 중에 경사면(Cs)의 경사각(r1)의 수직 방향 성분만이 멤브레인(140)의 측면(142)을 따라 수직 가압력(Fv)으로 하방 전달되므로, 원하는 크기의 수직 가압력(Fv)을 측면(142)을 통해 웨이퍼 가장자리에 전달하기 위해서는, 가압 챔버(Cx)에 도입되는 압력이 과도하게 높아져야 하는 문제가 야기된다. 이 뿐만 아니라, 가압 챔버(Cx)에 도입된 압력에 의하여 경사면(Cs)을 가압하는 힘(Fcx) 중에 경사면(Cs)의 경사각(r1)의 수평 방향 성분은 멤브레인(140)의 측면(142)을 바깥으로 볼록하게 하게 하여, 멤브레인 바닥판의 가장자리가 들뜨는 원인으로 작용하는 문제도 야기된다. 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 가장자리 끝단을 가압하기 위해서는, 압력 제어부(150)로부터 가압 챔버(CX)에 공압을 공급하여, 가압 챔버(CX)의 압력이 높아지면, 가압 챔버(CX)의 압력에 의해 경사면(Cs)이 가압되고, 경사면에(Cs)에 가압되는 힘(Fcx) 중 수평 성분은 사용되지 못하고 수직 성분이 멤브레인(140)의 측면(142)을 통해 수직 가압력(Fv)으로 웨이퍼(W)에 전달된다.

가압 챔버(CX)의 경사면(Cs)이 45도인 경우에는, 가압 챔버(CX)에 의해 가압되는 힘(Fcx)의 1/2만 수직 가압력(Fv)으로 사용되므로, 압력 제어부(150)는 가압 챔버(Cx)에 과도하게 높은 공압을 공압 공급로(155X)를 통해 공급해야 하는 비효율성이 유발될 뿐만 아니라, 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)에 비하여 가압 챔버(Cx)에 대략 2배의 압력을 공급하기 위해서는 압력 제어부(150)의 용량을 증대해야 하는 문제도 야기되며, 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)와 가압 챔버(Cx)의 압력차이가 크면 이들의 압력을 정확히 제어하는 것이 어려워지는 문제가 야기된다.

이 뿐만 아니라, 수직 가압력(Fv)으로 사용되지 않는 대략 1/2의 수평 성분의 힘이 멤브레인(140)의 측면(142)을 반경 바깥쪽으로 밀어내어, 멤브레인(140)의 측면의 변형에 의하여 최외측 챔버(C5)의 반경 바깥 영역에서는 내부 압력(P5)에도 불구하고 정확한 힘이 웨이퍼(W)의 가장자리 끝단을 가압하지 못하는 문제가 야기되었다.

본 발명은 전술한 기술적 배경하에서 창안된 것으로, 본 발명은 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼의 가장자리 영역을 정확하게 가압할 수 있는 화학 기계적 연마장치의 캐리어 헤드 및 이에 사용되는 멤브레인의 구조를 제안하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 압력 챔버에 공압을 공급하는 압력 제어부의 용량을 증대시키지 않더라도, 멤브레인의 측면을 통해 웨이퍼의 가장자리 끝단에 의도한 수직 가압력을 정확히 인가하는 것을 목적으로 한다.

즉, 본 발명은 멤브레인의 측면의 상측에 가압 챔버를 형성하여, 가압 챔버에 인가되는 압력의 크기를 작게 유지하더라도, 가압 챔버 저면의 넓은 면적에 인가되는 압력에 비례하여 큰 하중을 신뢰성있게 측면을 통해 웨이퍼 가장자리 끝단에 인가할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

이를 통해, 본 발명은 웨이퍼의 가장자리에 대해서도 균일한 연마가 이루어짐에 따라, 웨이퍼의 가장자리에서도 반도체 패키지를 신뢰성있게 제조할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 웨이퍼를 가압하는 데 사용되는 챔버의 가장 바깥에 위치하는 가압 챔버의 폭(x2)이 그 내측에 위치하는 압력 챔버에 비하여 보다 크게 형성함으로써, 측면을 통해 인가되는 수직 가압력을 크게 유도하여 웨이퍼의 가장자리를 확실하게 평탄화할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

그리고, 본 발명은 멤브레인 측면과 리테이너 링의 사이를 멤브레인 측면 상부에서 연장된 제1고정플립으로 연결하여 막음으로써, 화학 기계적 연마 공정을 행하는 동안에 캐리어 헤드의 내부로 연마입자나 슬러리 등의 이물질이 유입되는 것을 방지하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인으로서, 가요성 탄성 재질로 형성되고 웨이퍼의 판면을 가압하는 바닥판과, 가요성 탄성 재질로 형성되고, 상기 바닥판의 가장 자리에서 수직으로 절곡 형성되며, 상부에는 외측을 향해 연장된 제1고정플립과 내측을 향해 연장된 제2고정플립이 구비된 측면을; 포함하고, 상기 제1고정플립과 상기 제2고정플립의 상측에 상기 측면을 통해 상기 바닥판의 가장자리를 가압하는 가압 챔버가 형성되며, 상기 측면의 상부는 상기 가압 챔버의 바닥면으로서 수평면을 형성하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인을 제공한다.

이는, 웨이퍼를 가압하는 멤브레인의 측면이 각각 리테이너 링과 베이스에 각각 제1고정플립과 제2고정플립을 매개로 고정됨으로써, 멤브레인의 측면을 통해 웨이퍼의 가장자리 끝단에 수직 가압력을 가하는 가압 챔버를 멤브레인의 상측에 위치시키기 위함이다. 이를 통해, 가압 챔버가 멤브레인의 측면 내측에 위치하여 가압 챔버의 압력에 의해 도입되는 힘의 일부만이 경사면에 의하여 수직 가압력으로 작용시켰던 종래와 달리, 가압 챔버가 멤브레인의 상측에 위치하여, 가압 챔버의 압력에 의해 도입되는 힘의 전부를 수직 가압력으로 작용시킬 수 있게 된다.

특히, 멤브레인 측면의 상부에 위치하는 가압 챔버의 바닥면의 면적과 가압 챔버에 인가되는 압력의 곱에 해당하는 힘이 수직 가압력으로 측면을 통해 하방 전달되므로, 가압 챔버에 인가되는 압력이 작더라도 큰 수직 가압력을 웨이퍼의 가장자리 끝단에 안정적이면서 신뢰성있게 가할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 멤브레인 측면의 상부에 수평한 상면으로 형성함으로써, 수평한 상면이 가압 챔버의 바닥면이 되도록 구성함으로써, 가압 챔버에 공급되는 공압과 가압 챔버의 바닥면 넓이의 곱에 해당하는 힘이 그대로 측면을 통해 수직 가압력(Fv)으로 전달되어 웨이퍼의 가장자리 끝단에 작용하므로, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼의 가장자리 끝단에 정확한 수직 가압력을 멤브레인의 측면을 통해 도입할 수 있게 된다. 이에 따라, 본 발명은 웨이퍼의 가장자리에 대해서도 균일한 연마가 이루어짐에 따라, 웨이퍼의 가장자리에서도 반도체 패키지를 신뢰성있게 제조할 수 있다.

이 뿐만 아니라, 상기와 같이 가압 챔버를 형성하는 제1고정플립과 제2고정플립의 끝단이 각각 리테이너 링 및 베이스와 본체 중 어느 하나에 고정됨에 따라, 멤브레인의 측면과 리테이너 링 사이의 틈새를 막는 형태가 되므로, 화학 기계적 연마 공정 중에 연마입자나 슬러리 등의 이물질이 멤브레인의 측면과 리테이너 링 사이의 틈새를 통해 캐리어 헤드 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 이를 통해, 장시간 동안 캐리어 헤드를 사용하더라도 캐리어 헤드 내부로 슬러리 등의 이물질이 유입되지 않으므로, 장기간 동안 신뢰성있는 성능을 보장할 수 있는 잇점을 얻을 수 있다.

이 때, 상기 제1고정플립과 제2고정플립은 멤브레인 측면의 상부에서 수평 방향으로 연장되기 시작함으로써, 멤브레인 측면의 상면은 평탄한 수평면으로 형성된다. 이에 의하여, 가압 챔버의 압력에 따른 힘은 가압 챔버의 저면을 형성하는 상기 평탄한 수평면을 통해 멤브레인 측면을 따라 웨이퍼의 가장자리 끝단까지 그대로 전달된다.

상기 가압 챔버를 멤브레인의 측면 상측에 위치시키기 위하여, 상기 측면은 상기 제2고정플립의 중간으로부터 외측으로 연장된 제3고정플립을 구비하고, 상기 제2고정플립의 끝단과 상기 제3고정플립의 끝단은 상기 리테이너 링에 고정되되, 상기 제3고정플립의 끝단이 상기 제2고정플립의 끝단보다 높은 위치에 고정되어, 상기 측면을 가압하는 가압 챔버가 상기 제1고정플립과 상기 제3고정플립의 사이에 형성되도록 할 수 있다.

이 때, 상기 제1고정플립의 끝단이 고정되는 위치와 상기 제3고정플립의 끝단이 고정되는 위치 사이의 상기 리테이너 링에 끼움 링이 설치되어, 리테이너 링에 제1고정플립의 끝단과 제3고정플립의 끝단을 설치하는 것을 훨씬 용이하게 할 수 있다.

상기 가압 챔버를 멤브레인의 측면 상측에 위치시키는 또 다른 구성으로서, 외측단이 상기 리테이너링에 고정되고 내측단이 상기 베이스에 고정되는 가요성 탄성 재질의 링 형태의 챔버 링을 상기 측면의 상측에 설치할 수 있다. 이에 의하여, 챔버 링과, 멤브레인의 측면과, 리테이너 링의 내주면과, 베이스의 외주면에 의해 둘러싸인 공간이 가압 챔버로 형성된다. 멤브레인 측면으로부터 상측으로 이격된 위치에 가요성 탄성 재질의 챔버 링을 위치시킴으로써, 가압 챔버의 단면을 기준으로 중앙부에 멤브레인 측면의 상부를 위치시키도록 배열됨으로써, 가압 챔버의 체적이 충분히 크게 확보되면서도 멤브레인 측면을 수직한 하방으로 신뢰성있게 가압할 수 있게 된다.

이 때, 상기 제1고정플립의 끝단이 고정되는 위치와 상기 챔버 링의 외측단이 고정되는 위치 사이의 상기 리테이너 링에 끼움 링이 설치되어, 리테이너 링에 제1고정플립의 끝단과 상기 챔버 링의 외측단을 설치하는 것을 훨씬 용이하게 할 수 있다.

상기와 같이 가압 챔버를 멤브레인 측면의 상부에 바로 위치시키면서, 멤브레인 측면의 상측 이격된 위치에 챔버링을 별도로 설치해야 하는 번거로움을 줄이기 위하여, 상기 제1고정플립의 끝단부에는 상기 리테이너 링에 고정되는 가요성 탄성 재질의 링형 끼움 블록이 형성되고, 상기 링형 끼움 블록에는 상기 제1고정플립과의 연결부로부터 상측으로 이격된 위치로부터 챔버 플립이 내측으로 연장 형성되어, 상기 챔버 플립의 끝단이 상기 본체와 상기 베이스 중 어느 하나에 고정되어, 상기 챔버 플립의 하측에 가압 챔버가 형성될 수 있다.

즉, 상기 링형 끼움 블록은 전술한 다른 실시 형태의 끼움 링에 대응하고, 상기 챔버 플립은 전술한 다른 실시 형태의 챔버 링에 대응하지만, 링형 끼움 블록과 챔버 플립이 멤브레인과 일체로 성형됨에 따라 조립이 간편해지고 부품의 관리가 용이해지는 잇점을 얻을 수 있다. 더욱이, 제1고정플립의 끝단부에 링형 끼움 블록이 리테이너 링에 삽입 고정됨에 따라, 제1고정플립이 리테이너 링에 고정되는 효과가 보다 완전해지므로, 가압 챔버가 형성된 상태를 보다 안정되게 유지할 수 있으면서, 리테이너 링과 멤브레인 측면 사이의 틈새를 통해 캐리어 헤드의 내부로 유입되는 이물질을 보다 효과적으로 방지할 수 있다.

한편, 웨이퍼의 판면을 가압하는 멤브레인 바닥판에는 링 형태의 격벽이 상측으로 연장되어 베이스에 고정됨으로써, 멤브레인과 베이스의 사이에는 다수의 압력 챔버가 형성된다. 이 때, 상기와 같이 다양하게 구성된 가압 챔버에 공급되는 압력을 낮추더라도 측면을 통해 웨이퍼의 가장자리 끝단에 인가되는 수직 가압력을 크게 제어하기 위하여, 측면 상측에 위치하는 가압 챔버의 반경 방향의 폭은 다수의 압력 챔버의 최외측에 위치한 최외측 압력챔버의 폭에 비하여 더 크게 형성되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 멤브레인의 상기 측면에는 상기 멤브레인의 바닥면의 경도에 비하여 높은 경도를 갖는 보강재가 일체로 성형될 수 있다. 이를 통해, 최외측 압력 챔버의 압력이 높아지더라도, 멤브레인의 측면이 바깥으로 볼록하게 팽창하여, 멤브레인의 바닥판 가장자리 끝단이 들뜨는 현상을 최소화할 수 있다. 또한, 보강재가 멤브레인의 측면에 일체 성형됨에 따라, 장시간 사용하더라도 보강재에 의하여 멤브레인이 뒤틀리는 변형이 거의 발생되지 않으므로, 오랜 시간 동안 웨이퍼의 가장자리 영역이 들뜨지 않고 균일한 압력을 웨이퍼의 가장자리 끝단부에 도입할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

한편, 본 발명은, 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인으로서, 가요성 탄성 재질로 형성되고 웨이퍼의 판면을 가압하는 바닥판과, 가요성 탄성 재질로 형성되고, 상기 바닥판의 가장 자리에서 수직으로 절곡 형성되며, 상부에는 내측을 향해 연장된 제1고정플립과 외측을 향해 연장된 제2고정플립이 구비된 측면을; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인을 제공한다.

이 때, 상기 제1고정플립과 상기 제2고정플립은 수평 방향으로 연장되기 시작하여, 상기 측면의 상부는 평탄한 수평면으로 형성된 것이 바람직하다.

그리고, 상기 멤브레인 측면은 상기 제2고정플립의 중간으로부터 외측으로 연장된 제3고정플립을 구비하여, 제1고정플립과 제3고정플립의 사이 공간에 가압 챔버가 형성됨에 따라, 멤브레인 측면의 상부에 가압 챔버를 바로 위치시키는 것이 가능해진다.

상기 제1고정플립과 상기 제3고정플립은 캐리어 헤드의 외측을 둘러싸는 리테이너 링에 고정되어, 측면을 따라 가압하는 가압 챔버가 상기 제1고정플립과 상기 제3고정플립의 사이에 형성된다.

본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 상기 제1고정플립의 끝단부에는 캐리어 헤드의 리테이너 링에 고정되는 가요성 탄성 재질의 링형 끼움 블록이 형성된다. 이를 통해, 상대적으로 체적과 중량이 큰 링형 끼움 블록이 리테이너 링에 고정됨에 따라, 링형 끼움 블록에 비하여 얇은 제1고정플립이 보다 안정되게 리테이너 링에 고정된 상태를 유지할 수 있다.

이 때, 상기 링형 끼움 블록에는, 상기 제1고정플립의 연결부로부터 상측으로 이격된 위치로부터 챔버 플립이 내측으로 연장 형성된다. 이를 통해, 챔버 플립의 끝단이 베이스나 본체 중 어느 하나에 고정됨으로써, 챔버 플립과 링형 끼움 블록과 제1고정플립 등에 의해 둘러싸인 영역이 가압 챔버로 형성된다.

상기 멤브레인의 상기 측면에는 상기 바닥판에 비하여 경도가 보다 높은 링형 보강재가 일체로 성형되는 것이 바람직하다. 이에 의하여, 최외측 압력 챔버의 압력이 높아지더라도, 멤브레인의 측면이 바깥으로 볼록하게 팽창하여, 멤브레인의 바닥판 가장자리 끝단이 들뜨는 현상을 최소화하여, 균일한 압력을 웨이퍼의 가장자리 끝단부에 도입할 수 있게 된다.

한편, 본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 "외측을 향해 연장" 또는 "내측을 향해 연장" 및 이와 유사한 기재는 외측 방향 또는 내측 방향으로 연장되는 것을 의미하며, 연장되는 도중에 굴곡부가 형성되는 것도 "연장"되는 구성에 포함하는 것으로 정의하기로 한다. 따라서, 본 명세서 및 특허청구범위의 "외측을 향해 수평 방향으로 연장"된다는 기재의 의미는 외측 방향으로 수평인 상태로 연장되는 것 뿐만 아니라 외측 방향으로 수평인 상태로 연장되다가 중간에 굴곡부가 형성되어 있는 것도 포함한다.

본 발명에 따르면, 캐리어 헤드의 멤브레인 측면 상단부에 연장된 제1고정플립과 제2고정플립이 각각 리테이너 링과 베이스에 각각 고정되고, 멤브레인의 측면 상측에 가압 챔버가 위치함으로써, 가압 챔버에 작은 압력을 도입하더라도 가압 챔버의 바닥면의 면적에 비례하는 큰 수직 가압력을 측면을 통해 웨이퍼의 가장자리 끝단에 가압할 수 있게 되므로, 웨이퍼의 가장자리 끝단을 확실하게 평탄화시킬 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

더욱이, 본 발명은 멤브레인 측면에 형성되는 가압 챔버의 반경 방향으로의 폭이 다수로 분할된 압력 챔버들 중 최외측 압력 챔버에 비하여 더 크게 형성됨으로써, 웨이퍼의 가장자리 끝단에 도입되는 수직 가압력의 크기를 크게 제어할 수 있게 된다.

이 뿐만 아니라, 본 발명은 멤브레인 측면의 상측의 바닥면이 수평면으로 이루어진 가압 챔버가 형성됨으로써, 가압 챔버의 압력 조절을 통해 도입되는 힘의 전부를 웨이퍼의 가장자리 끝단을 가압하는 수직 가압력으로 사용할 수 있게 되므로, 정확한 수직 가압력을 웨이퍼의 가장자리에 도입할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

이에 따라, 본 발명은, 웨이퍼의 가장자리에 대해서도 균일한 연마가 이루어짐에 따라, 웨이퍼의 가장자리로부터도 반도체 패키지를 신뢰성있게 제조할 수 있게 되는 효과를 얻을 수 있다.

이 뿐만 아니라, 본 발명은 가압 챔버를 형성하는 제1고정플립과 제2고정플립의 끝단이 각각 리테이너 링 및 베이스와 본체 중 어느 하나에 고정됨에 따라, 멤브레인의 측면과 리테이너 링 사이의 틈새를 막는 형태가 되므로, 화학 기계적 연마 공정 중에 연마입자나 슬러리 등의 이물질이 멤브레인의 측면과 리테이너 링 사이의 틈새를 통해 캐리어 헤드 내부로 유입되는 것을 방지하여, 장기간 동안 캐리어 헤드의 신뢰성있는 성능을 보장할 수 있는 잇점을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명은 가압 챔버에 도입된 압력에 의한 힘의 전부를 웨이퍼의 가장자리 끝단을 가압하는 수직 가압력으로 사용함에 따라, 가압 챔버에 도입되는 압력값과 웨이퍼의 판면을 가압하는 압력 챔버에 도입되는 압력값의 편차가 작아지므로, 이들 챔버에 공압을 공급하는 압력 제어부의 용량을 종래에 비해 줄일 수 있으면서도 공압의 제어 정확성도 향상되는 잇점을 얻을 수 있다.

도1은 종래의 캐리어 헤드의 구성을 도시한 반단면도,
도2는 웨이퍼 가장자리를 가압하는 원리를 설명하기 위한 도1의 'A'부분의 확대도,
도3은 본 발명의 제1실시예에 따른 캐리어 헤드의 멤브레인을 도시한 반단면도,
도4는 도3의 멤브레인이 구비된 본 발명의 제1실시예에 따른 캐리어 헤드의 가장자리 부분의 확대도,
도5는 도4의 'B'부분을 개략적으로 도시한 것으로서 가압 챔버의 압력에 의하여 수직 가압력이 전달되는 원리를 설명하기 위한 도면,
도6는 본 발명의 제2실시예에 따른 멤브레인이 구비된 본 발명의 제2실시예에 따른 캐리어 헤드의 가장자리 부분의 확대도,
도7은 본 발명의 제3실시예에 따른 캐리어 헤드의 멤브레인을 도시한 반단면도,
도8은 도7의 멤브레인이 구비된 본 발명의 제3실시예에 따른 캐리어 헤드의 가장자리 부분의 확대도,
도9는 도2의 종래의 캐리어 헤드의 수직 가압력이 전달되는 원리를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 제1실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드에 사용되는 멤브레인(340)은 도3의 반단면도에 도시된 바와 같은 구조를 갖는다. (본 발명에 따른 캐리어 헤드(2, 2', 3) 및 멤브레인(240, 240', 340)은 도면에 도시된 반단면도의 중심선(88)을 기준으로 회전시킨 형상이다.)

본 발명의 제1실시예에 따른 캐리어 헤드(3)는 구동 샤프트(미도시)와 연결되어 회전 구동되는 본체와, 본체와 연결되어 함께 회전하는 베이스(320)와, 본체와 베이스(320) 중 어느 하나에 고정되어 함께 회전하는 링 형태의 리테이너 링(330)과, 베이스(120)에 고정되어 베이스(120)와의 사이에 압력 챔버(...,C4, C5)를 형성하고 탄성 가요성 소재로 형성되는 멤브레인(340)과, 압력 챔버(...,C4, C5)에 공압을 공급하여 압력을 조절하는 압력 제어부(250)로 구성된다.

여기에 사용되는 본 발명의 제1실시예에 따른 멤브레인(340)은 바닥판(341)과, 바닥판(341)의 가장자리 끝단으로부터 절곡되어 상측으로 연장 형성된 측면(342)과, 바닥판(341)의 중심과 측면(342)의 사이에 베이스(320)에 결합되는 다수의 링 형태의 격벽(343, 343')이 형성된다. 링 형태의 격벽(343, 343')이 다수 형성됨에 따라, 베이스(330)와 멤브레인(340)의 사이에는 다수의 분할된 압력 챔버(..., C4, C5)가 형성된다.

한편, 멤브레인(340)의 중앙부(340a)는 베이스(320)에 결합되어, 중앙부에 웨이퍼(W)를 직접 흡입하는 흡입공(도1의 77)이 마련되지만, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면 멤브레인(340)의 중앙부가 바닥판(341)으로 막힌 구성을 포함한다.

도3 및 도4에 도시된 바와 같이, 멤브레인 측면(342)의 상부에는 측면(342)으로부터 고정 플립(3421, 3422, 3433)이 연장 형성된다. 그리고, 도4에 도시된 바와 같이, 제1고정플립(3421)은 끝단이 리테이너 링(330)에 고정되고, 제2고정플립(3422)은 끝단이 베이스(320)에 고정되며, 제3고정플립(3423)은 끝단이 제1고정플립(3421)의 끝단이 고정된 위치보다 더 높은 위치에서 리테이너 링(330)에 고정된다.

이를 위하여, 리테이너 링(330)은 제1고정플립(3421)과 제3고정플립(3423)의 끝단을 각각 서로 다른 높이에서 고정할 수 있도록 요홈부에 삽입 설치되는 끼움 링(335)이 구비된다. 끼움 링(335)은 가요성 탄성 소재로 형성될 수도 있고, 플라스틱이나 금속 소재로 형성될 수도 있다. 그리고, 베이스(320)는 멤브레인(340)의 격벽(343, 343')의 끝단과 제2고정플립(3422)을 각각 고정될 수 있도록 순차적으로 결합되는 고정 보조구(3221, 3222)를 구비한다.

따라서, 웨이퍼(W)의 가장자리 끝단을 가압하기 위한 가압 챔버(Cx)는 제1고정플립(3421)과 제3고정플립(3423)과 끼움링(335)으로 둘러싸인 영역으로 형성되며, 멤브레인 측면(342)의 바로 상측에 위치한다. 이 때, 가압 챔버(Cx)는 제1고정플립(3421)에 의하여 리테이너 링(330)과 멤브레인 플립(342)의 사이 틈새(CL)의 상측을 가리는 형태가 되므로, 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드 상에 잔류하는 슬러리나 연마 입자가 틈새(CL)를 통해 캐리어 헤드(3)의 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있게 되어, 장시간 동안 캐리어 헤드의 오염 없이 신뢰성있게 사용할 수 있다.

한편, 멤브레인 측면(342)의 상단에서 연장 형성되는 제1고정플립(3421)은 외측의 수평 방향으로 연장되기 시작하다가 리테이너 링(330)에 끝단이 고정되도록 굴곡부가 마련되고, 제2고정플립(3422)은 내측의 수평 방향으로 연장 형성된다. 이와 같이, 제1고정플립(3421)과 제2고정플립(3422)이 멤브레인 측면(342)의 상부로부터 서로 다른 수평 방향으로 연장되기 시작하도록 구성됨에 따라, 멤브레인 측면(342)은 평탄한 수평면(342s)으로 형성되고, 이 평탄한 수평면(342s)가 가압 챔버(Cx)의 가압력(Fcx)를 전달하는 매개 통로가 된다. 따라서, 압력 제어부(250)로부터 공압 공급부(255x)를 통해 가압 챔버(Cx) 내에 공압(Pi)을 전달하여 가압 챔버(Cx)로부터 발생되는 힘(Fcx)의 방향이 멤브레인 측면(342)와 동일선 상에 배열되므로, 가압 챔버(Cx)의 바닥면에 의해 전달되는 힘(Fcx)의 전부를 웨이퍼(W)의 가장자리 끝단을 가압하는 수직 가압력(Fv)으로 사용할 수 있게 된다.

또한, 도5에 도시된 바와 같이, 공압 공급부(255x)를 통해 가압 챔버(Cx)에 압력(Pi)이 공급되면, 바닥면을 밀어내는 힘(Fcx)은 인가된 압력(Pi)과 바닥면의 면적의 곱으로 정해지는 데, 제1고정플립(3421)과 제2고정플립(3422)이 내측과 외측으로 뻗어 본체나 베이스 및 리테이너 링(330)에 각각 고정되어 가압 챔버(Cx)의 바닥면의 폭(x2)이 반경 방향으로 매우 커지므로, 가압 챔버(Cx)에 공급되는 압력(Pi)이 작더라도 멤브레인 측면(342)을 통해 전달되는 수직 가압력(Fv)은 크게 작용시킬 수 있다.

예를 들어, 가압 챔버(Cx)의 바닥면 폭(x2)은 격벽에 의하여 분할된 압력 챔버들(C1, C2,..., C5) 중 최외측 압력 챔버(C5)의 반경 방향으로의 폭(X5)에 비하여 더 크게 형성된다. 즉, 공압이 공급되는 다수의 챔버들(C1, C2, ..., C5, Cx) 중에 가장 최외측에 위치하는 가압 챔버(Cx)는 그 직전 내측에 위치한 최외측 압력챔버(C5)의 반경 방향의 폭(X5)에 비하여 폭(X2)이 더 크게 형성될 수 있다. 이를 통해, 가압 챔버(Cx)의 폭(X2)이 크게 형성됨에 따라, 가압 챔버(Cx)에 인가되는 압력(Pi)이 크지 않더라도 멤브레인 측면(342)을 통해 웨이퍼 가장자리 끝단을 가압하는 수직 가압력(Fv)을 크게 전달하여 작용시키는 것이 가능해진다.

이와 같이, 다수로 분할된 압력 챔버(C1, C2,...,C5)에 공급되는 공압과 동일하거나 유사한 크기의 압력을 가압 챔버(Cx)에 인가하더라도, 멤브레인 측면(342)을 통해 전달되는 수직 가압력(Fv)을 크게 인가할 수 있으므로, 웨이퍼의 가장자리 끝단을 확실하게 큰 힘으로 가압하는 것이 가능해진다.

이를 통해, 종래에 경사면을 통해 수직 가압력(Fv)을 웨이퍼(W)에 전달함에 따라, 가압 챔버에 과도한 압력을 도입해야 했던 문제를 해소하고, (종래의 가압 챔버의 경사면이 45도의 경사라고 가정하면) 종래에 비하여 1/2의 압력으로 웨이퍼(W)의 가장자리 끝단을 가압할 수 있을 뿐만 아니라, 가압 챔버의 가압력(Fcx)의 수평 방향으로의 분력이 0가 되므로, 멤브레인 측면(342)이 바깥으로 볼록해지려는 성향이 훨씬 줄어들게 되어, 멤브레인 바닥판(341)의 가장자리 끝단이 들뜨는 현상도 자연스럽게 제거되는 잇점도 얻을 수 있게 된다.

따라서, 본 발명은 수직 가압력(Fv)을 정확하게 웨이퍼(W)의 가장자리 끝단에 도입할 수 있게 되고, 웨이퍼(W)의 가장자리에도 연마 품질을 향상시킬 수 있으므로, 웨이퍼(W)의 가장자리 영역으로부터 반도체 패키지를 신뢰성있게 제조할 수 있게 된다.

또한, 가압 챔버(Cx)에 도입되는 압력으로 하방을 향해 미는 힘(Fcx) 전부를 웨이퍼(W)의 가장자리 끝단을 가압하는 수직 가압력(Fv)으로 사용함에 따라, 가압 챔버(Cx)가 멤브레인 측면의 상측에 위치하지 않고 내측으로 치우쳐 위치하던 종래의 구성(도2 참조)과 대비할 때, 압력 제어부(250)로부터 공압 공급로(255x)를 통해 가압 챔버(Cx)에 도입되는 압력값과, 웨이퍼의 판면을 가압하기 위해 압력 제어부(250)로부터 공압 공급로(2555)를 통해 압력 챔버(...,C4, C5)에 도입되는 압력값의 편차가 작아지므로, 챔버(Cx,...,C4, C5)에 공압을 공급하는 압력 제어부(250)의 용량을 종래에 비해 작게 할 수 있으면서 공압 제어의 정확성을 향상시킬 수 있는 잇점도 얻어진다.

한편, 멤브레인 측면(342)에는 외측 홈(342x)과 내측 돌기(342y)에 멤브레인 바닥판(341)의 경도에 비하여 높은 경도를 갖는 링형 보강재(271, 272)가 일체로 성형된다. 이에 의해, 측면(342)을 통해 수직 가압력(Fv)을 전달하는 효율이 향상된다. 또한, 최외측 압력 챔버(C5)의 압력(P5)이 높아지더라도, 보다 높은 경도를 갖는 링형 보강재(371, 372)에 의하여 멤브레인 측면(342)이 바깥으로 볼록하게 팽창하여 멤브레인 바닥판(341')의 가장자리 끝단이 들뜨는 현상을 보다 낮출 수 있으며, 장시간 사용하더라도 보강재(271, 272)에 의하여 멤브레인이 뒤틀리는 변형이 거의 발생되지 않도록 한다.

한편, 도3에 도시된 바와 같이 멤브레인(340)의 바닥판(341)은 중심부를 포함하여 평탄한 저면으로 형성되는 평탄 영역(F)과, 평탄 영역의 반경 방향으로의 끝단으로부터 멤브레인 측면(342)을 향하여 대략 0.5도 내지 5도의 경사도록 4mm 내지 10mm의 폭만큼 상향 경사진 경사부(347)로 이루어진 들뜬 영역(E)이 구비된다. 이와 같이, 반경 바깥 방향으로 상향 경사진 경사부(247)로 형성된 들뜬 영역(E)이 구비됨으로써, 웨이퍼(W)의 가장자리 영역을 가압하는 수직 가압력(Fv)이 멤브레인 측면(342)을 타고 측면 최하단으로 전달되면, 들뜬 영역(E)의 경사부(347)에 의하여 바닥판(341)의 반경 끝단부가 하방으로 이동할 수 있는 변위가 마련되어 있으므로, 바닥판 가장자리 부분이 수평 방향의 내측으로 밀려 주름이 발생되지 않고, 경사부(347)가 팽창하면서 웨이퍼(W)의 판면에 밀착하여, 최외측 압력 챔버(C5)의 압력(P5)에 의해 웨이퍼(W)의 가장자리 영역이 정확하게 가압될 수 있게 된다.

한편, 멤브레인(340)의 최외측 링형 격벽(343')과 측면(342) 사이에 형성되는 최외측 압력 챔버(C5) 하측의 바닥판(241')의 두께는 최외측 링형 격벽(243')과 바닥판 중심까지의 바닥판(241)의 두께의 1/2 내지 4/5 정도로 더 얇게 형성되고, 최외측 링형 격벽(343')의 바깥면 기저부에는 내측으로 요입 형성된 링형 홈(343a)이 형성된다.

이와 같이, 최외측 압력 챔버(C5)의 바닥판(341')이 얇게 형성됨에 따라, 최외측 압력챔버(C5)에 의해 가해지는 압력(P5)이 웨이퍼(W)의 가장자리 영역에 보다 정확하게 전달될 수 있으며, 최외측 압력 챔버(C5)의 압력(P5)에 의해 보다 얇아진 멤브레인 바닥판(341')은 쉽게 팽창하므로, CMP 공정 중에 웨이퍼의 표면에 밀착되어, 웨이퍼(W)의 가장자리에 가압력을 확실하게 전달한다.

그리고, 최외측 링형 격벽(343')의 외측면 기저부에 내측으로 요입 형성된 링형 홈(343a)이 구비됨에 따라, 최외측 링형 격벽(343')은 단면이 작아진 기저부의 링형 홈(343a)을 힌지축으로 하여 쉽게 유동할 수 있게 되므로, 최외측 압력 챔버(C5)와 이와 인접한 압력 챔버(C4)의 압력 차이(P4-P5)가 발생되면, 압력 챔버(C4, C5) 사이의 바닥판이 요동하지 않고, 링형 격벽(243')이 쉽게 유동하여 각 압력 챔버(C4, C5)의 체적을 변동시키므로, 인접한 압력챔버(C4, C5)의 압력 차이에 의해 최외측 압력 챔버(C5)의 바닥판(341')에서 주름이 생기는 것을 보다 억제할 수 있다.

이하, 본 발명의 제2실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드(2)를 상술한다. 다만, 전술한 제1실시예와 동일 또는 유사한 구성 및 작용에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하고, 이에 대한 설명은 제2실시예의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

도6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 캐리어 헤드(2)는 멤브레인 측면(242)으로부터 이격 배치된 챔버 링(260)에 의하여, 멤브레인(240)의 측면(242) 상측에 가압 챔버(Cx)를 형성한다는 점에서 전술한 제1실시예와 차이가 있다.

즉, 멤브레인 측면(242)의 상부에는 측면(342)으로부터 제1고정플립(2421)과 제2고정플립(2422)이 외측과 내측의 수평 방향으로 각각 연장 형성된다. 제1고정플립(2421)은 끝단은 리테이너 링(230)에 고정되고, 제2고정플립(2422)은 끝단은 베이스(220)와 본체 중 어느 하나에 고정된다. 이와 함께, 멤브레인 측면(242) 상부로부터 상측으로 이격된 위치에, 외측단(2601)은 리테이너 링(230)에 고정되고 내측단(2602)은 베이스(220)에 고정되는 챔버 링(260)이 설치되어, 제3고정플립(2423) 대신에 별도의 챔버 링(260)에 의하여 가압 챔버(Cx)가 형성된다는 점에 특징이 있다. 즉, 챔버 링(260)의 하측에, 멤브레인의 측면 상부(343s)와, 리테이너 링(230)의 내주면과, 베이스(320)의 외주면에 의해 둘러싸인 공간이 가압 챔버(Cx)로 형성된다.

이와 같이, 멤브레인 측면(342)으로부터 상측으로 이격된 위치에 가요성 탄성 재질의 챔버 링(260)을 위치시킴으로써, 가압 챔버(Cx)의 중앙부에 멤브레인 측면(242)의 상부를 위치시킬 수 있으므로, 가압 챔버(Cx)를 둘러싸는 가요성 탄성 재질인 제1고정플립(2421)과, 제2고정플립(2422)과, 챔버 링(260)이 상,하방으로 휘는 변위가 발생되더라도, 멤브레인 측면(242)의 상부면(342s)은 평탄한 수평면을 유지하게 되어, 가압 챔버(Cx)에 의해 멤브레인 측면(242) 상부를 하방으로 미는 힘(Fcx)의 방향이 항상 수직한 하방을 향하도록 유도할 수 있는 잇점을 얻을 수 있다.

또한, 전술한 제1실시예와 마찬가지로, 제1고정플립(2421)과 제2고정플립(2422)이 각각 본체 또는 베이스 및 리테이너 링(230)에 결합됨에 따라, 가압 챔버(Cx)의 바닥면이 제1고정플립(2421)과 제2고정플립(2422)에 의하여 반경 방향으로 크게 형성된다. 즉, 제1실시예와 마찬가지로, 가압 챔버(Cx)의 바닥면의 폭(X2)이 멤브레인과 베이스의 사이에 분할 형성되는 다수의 압력 챔버(C1, C2,...,C5) 들 중에 최외측 압력챔버(C5)의 폭(X5)에 비하여 더 크게 형성될 수 있다.

따라서, 도5에 도시된 것과 마찬가지로, 공압 공급부(255x)를 통해 가압 챔버(Cx)에 압력(Pi)이 공급되면, 공급 압력(Pi)에 가압 챔버(Cx)의 바닥면 면적이 곱해진 힘(Fcx)이 바닥면을 하방으로 밀어내게 되고, 이 밀어내는 힘(Fcx)의 합이 측면(242, 보강재(271)포함)을 통해 전달되어 웨이퍼 가장자리 끝단을 가압하게 된다.

더욱이, 멤브레인 측면(242)의 상측이 수평면(242s)으로 형성됨에 따라, 가압 챔버(Cx)의 바닥면 폭(X2)에 작용하는 압력이 손실없이 모두 멤브레인 측면(242)으로 전달되므로, 가압 챔버(Cx)의 압력 제어를 보다 효율적으로 할 수 있다.

이와 같이, 가압 챔버(Cx)의 바닥면이 제1고정플립(2421)과 제2고정플립(2422)에 의하여 반경 방향으로 크게 형성됨에 따라, 가압 챔버(Cx)에 도입되는 공압(Pi)이 작더라도 멤브레인 측면(242)을 통해 전달되는 수직 가압력(Fv)을 크게 할 수 있게 된다.

한편, 제1고정플립(2321)의 끝단이 고정되는 리테이너 링(230)의 제1위치와 챔버 링(260)의 외측단이 고정되는 리테이너 링(230)의 제2위치 사이에는 가요성 탄성 재질이거나 플라스틱 또는 금속 재질의 끼움 링이 삽입 설치됨에 따라, 제1고정플립(2421)의 끝단 및 챔버 링(260)의 외측단을 서로 다른 높이에서 리테이너 링(230)에 고정시키는 작업을 보다 쉽게 할 수 있다.

그리고, 멤브레인 측면(342)으로부터 내측으로 연장되는 제2고정플립(2422)과, 챔버 링(260)의 내측단(2602) 및 멤브레인(240)의 최외측 격벽(243')이 베이스(220)에 서로 다른 높이에 고정될 수 있도록, 베이스(220)는 고정 보조구(2221, 2222, 2223; 222)를 구비하여, 이들(2422, 2602, 243')을 순차적으로 위치 고정시킬 수 있도록 한다. 이에 따라, 서로 다른 높이의 내측에 제2고정플립(2422)과, 챔버 링(260)의 내측단(2602) 및 멤브레인(240)의 최외측 격벽(243')을 위치 고정시키는 작업이 수월해진다.

도면 중 미설명 부호인 2554는 압력 챔버(C4)에 공압을 공급하는 공압 공급로이고, 미설명 부호인 P4는 압력 챔버(C4)로부터 웨이퍼(W)를 향하여 가압하는 가압력이다.

전술한 제1실시예(3, 340)와 마찬가지로, 본 발명의 제2실시예에 따른 캐리어 헤드(2)도 역시, 멤브레인 측면(242)으로부터 제1고정플립(2421)과 제2고정플립(2422)이 수평 방향의 외측과 내측으로 연장되기 시작하도록 형성되므로, 가압 챔버(Cx)의 바닥면(242s)이 평탄한 수평면으로 형성된다. 이에 따라, 압력 제어부(250)로부터의 공압 공급부(255x)로부터 가압 챔버(Cx) 내에 공압이 전달되면, 가압 챔버(Cx)의 압력이 높아지면서 수평 바닥면(242s)을 하방으로 미는 힘(Fcx)이 작용하는데, 멤브레인 측면(242)이 연장되는 수직 방향과 가압 챔버(Cx)에 의해 전달되는 힘(Fcx)의 방향이 서로 일치하므로, 가압 챔버(Cx)의 수평 바닥면(242s)을 미는 힘은 전부 멤브레인 측면(242)을 따라 하방으로 전달되면서 웨이퍼의 가장자리 끝단을 가압하는 수직 가압력(Fv)으로 작용하여, 웨이퍼(W)의 가장자리 끝단을 확실하게 가압한다.

이하, 본 발명의 제3실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드(2') 및 이에 사용되는 멤브레인(240')을 상술한다. 다만, 전술한 제1실시예 및 제2실시예와 동일 또는 유사한 구성 및 작용에 대해서는 동일 또는 유사한 도면 부호를 부여하고, 이에 대한 설명은 본 발명의 제3실시예의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

도7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 따른 캐리어 헤드(2')의 멤브레인(240')은 멤브레인 측면(242)의 상단부로부터 외측으로 연장된 제1고정플립(2421')의 끝단부에는 리테이너 링(도8의 230)에 끼워 고정되는 링형 끼움 블록(248)이 구비되고, 링형 끼움 블록(248)으로부터 연장되어 끝단(2481x)이 베이스(220)에 고정되는 챔버 플립(2481)이 구비된다는 점에서 전술한 실시예의 구성과 차이가 있다.

즉, 도8에 도시된 바와 같이 본 발명의 제3실시예에 따른 멤브레인(240')이 장착된 캐리어 헤드(3')는 가요성 탄성 재질의 링형 끼움 블록(248)과 챔버 플립(2481)이 일체로 성형되어, 챔버 플립(2481)과 제1고정플립(2431) 및 제2고정플립(2432)의 사잇 공간을 가압 챔버(Cx)로 형성한다.

따라서, 전술한 제2실시예의 구성과 대비하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 멤브레인(240')은 링형 끼움 블록(248)이 제2실시예의 끼움 링(235)에 대응하고, 챔버 플립(2481)은 제2실시예의 챔버 링(260)에 대응하므로, 제2실시예의 구성을 통해 얻어지는 유리한 효과를 모두 얻으면서, 동시에, 링형 끼움 블록(248)과 챔버 플립(2481)이 멤브레인(240')과 일체로 성형됨에 따라 부품의 관리가 간편해지고, 링형 끼움 블록(248)으로 챔버 플립(2481) 및 제1고정플립(2431)의 위치를 한번의 작업으로 견고하게 위치 고정시킬 수 있으므로, 제2실시예에 비하여 조립이 용이한 잇점을 얻을 수 있다.

또한, 제1고정플립(2431)의 끝단부에 링형 끼움 블록(248)이 일체로 성형되어, 링형 끼움 블록(248)이 리테이너 링(230)의 요홈부에 삽입 고정됨에 따라, 제1고정플립(2431)이 리테이너 링(230)에 보다 확실하게 위치 고정되므로, 가압 챔버(Cx)에 급작스럽게 큰 공압이 공급되는 등의 이상 현상에 대해서도 견고하게 압력 챔버(Cx)의 형상과 위치를 안정되게 유지할 수 있다. 그리고, 제1고정플립(2431)이 링형 끼움 블록(248)에 의하여 견고하게 리테이너 링(230)에 고정됨에 따라, 리테이너 링(230)과 멤브레인 측면(243)의 사이 틈새(CL)를 통해 연마 입자나 슬러리 등의 이물질이 캐리어 헤드(2')의 내부로 유입되는 것을 차단할 수 있다.

전술한 제2실시예(2, 240)와 마찬가지로, 본 발명의 제3실시예에 따른 캐리어 헤드(2')도 역시, 멤브레인 측면(242)으로부터 제1고정플립(2421)과 제2고정플립(2422)이 수평 방향의 외측과 내측으로 연장 형성되어 가압 챔버(Cx)의 반경방향 폭(X2)이 크게 형성된다. 즉, 가압 챔버(Cx)의 바닥면의 폭(X2)이 멤브레인과 베이스의 사이에 분할 형성되는 다수의 압력 챔버(C1, C2,...,C5) 들 중에 최외측 압력챔버(C5)의 폭(X5)에 비하여 더 크게 형성될 수 있다. 따라서, 공압 공급부(255x)를 통해 가압 챔버(Cx)에 압력(Pi)이 공급되면, 공급 압력(Pi)에 가압 챔버(Cx)의 바닥면 면적이 곱해진 힘(Fcx)이 바닥면을 하방으로 밀어내게 되고, 이 밀어내는 힘(Fcx)의 합이 측면(242, 보강재(271)포함)을 통해 전달되어 웨이퍼 가장자리 끝단을 큰 힘으로 가압하게 된다.

더욱이, 멤브레인 측면(242)의 상측이 수평면(242s)으로 형성됨에 따라, 압력 제어부(250)로부터의 공압 공급부(255x)로부터 가압 챔버(Cx) 내에 공압이 전달되면, 가압 챔버(Cx)의 압력이 높아지면서 수평 바닥면(242s)을 하방으로 미는 힘(Fcx)이 작용하는데, 멤브레인 측면(242)이 연장되는 수직 방향과 가압 챔버(Cx)에 의해 전달되는 힘(Fcx)의 방향이 서로 일치하므로, 가압 챔버(Cx)의 수평 바닥면(242s)을 미는 힘은 전부 멤브레인 측면(242)을 따라 하방으로 전달되면서 웨이퍼의 가장자리 끝단을 가압하는 수직 가압력(Fv)으로 작용하여, 웨이퍼(W)의 가장자리 끝단을 확실하게 가압한다.

이렇듯, 본 발명은 멤브레인 측면(242, 342)의 상측에 서로 반대 방향으로 연장되는 제1고정플립(2421)과 제2고정플립(2422)에 의하여 가압 챔버(Cx)의 바닥면이 수평 바닥면을 포함하도록 큰 폭(X2)을 갖도록 형성됨에 따라, 가압 챔버(Cx)에 인가되는 압력(Pi)이 작더라도 멤브레인 측면(242, 342)을 통해 큰 힘으로 수직 가압력(Fv)을 작용시킬 수 있을 뿐 아니라, 가압 챔버(Cx)의 바닥면을 미는 힘(Fcx)의 방향이 멤브레인 측면(242, 342)의 연장 형성되는 방향과 일치하여, 가압 챔버(Cx)로부터의 힘(Fcx)이 그대로 멤브레인 측면(242, 342)을 거쳐 웨이퍼(W)의 가장자리 끝단을 가압하도록 구성된다.

이를 통해, 웨이퍼의 가장자리 끝단에 의도한 만큼의 수직 가압력(Fv)을 정확하게 도입하여, 웨이퍼의 가장자리에서의 연마 품질을 보다 향상시킬 수 있으며, 가압 챔버(Cx)와 압력 챔버(C1,...C5)에 도입되는 압력값의 편차가 작아지므로, 이들 챔버(Cx, C1, ... C5) 에 공압을 공급하는 압력 제어부(250)의 용량을 종래에 비해 줄일 수 있으면서도 공압 제어의 정확성도 향상시킬 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
E: 들뜬 영역 F: 평탄 영역
220, 320: 베이스 230, 330: 리테이너 링
235: 끼움 링
240, 340: 멤브레인 241, 341: 바닥판
242, 342: 측면 2421, 3421: 제1고정플립
2422, 3422: 제2고정플립 3423: 제3고정플립
243, 343: 링형 격벽 243', 343': 최외측 링형 격벽
247, 347: 경사부 260: 챔버 링
248: 링형 끼움 블록 2481: 챔버 플립
271, 272: 보강재

Claims (18)

1. 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인으로서,
   가요성 탄성 재질로 형성되고 웨이퍼의 판면을 가압하는 바닥판과,
   가요성 탄성 재질로 형성되고, 상기 바닥판의 가장 자리에서 수직으로 절곡 형성되며, 상부에는 외측을 향해 연장된 제1고정플립과 내측을 향해 연장된 제2고정플립이 구비된 측면을;
   포함하고, 상기 제1고정플립과 상기 제2고정플립의 상측에 상기 측면을 통해 상기 바닥판의 가장자리를 가압하는 가압 챔버가 형성되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
   
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 측면은 상기 제2고정플립의 중간으로부터 외측으로 연장된 제3고정플립을 구비하고, 상기 제3고정플립의 끝단은 상기 제1고정플립의 끝단보다 높게 위치하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 제1고정플립과 상기 제3고정플립은 캐리어 헤드의 외측을 둘러싸는 리테이너 링에 고정되어, 측면을 따라 가압하는 상기 가압 챔버가 상기 제1고정플립과 상기 제3고정플립의 사이에 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 제1고정플립의 끝단부에는 캐리어 헤드의 리테이너 링에 고정되는 가요성 탄성 재질의 링형 끼움 블록이 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
   
5. 제 4항에 있어서, 상기 링형 끼움 블록에는,
   상기 제1고정플립의 연결부로부터 상측으로 이격된 위치로부터 챔버 플립이 내측으로 연장 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 멤브레인의 상기 측면에는 상기 바닥판에 비하여 경도가 보다 높은 링형 보강재가 일체로 성형되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
   
7. 제 1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 측면의 상부는 상기 가압 챔버의 바닥면으로서 수평면을 형성하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
   
8. 본체와;
   상기 본체와 함께 회전 구동되는 베이스와;
   상기 베이스의 둘레를 감싸는 링 형태로 형성되고, 상기 본체와 상기 베이스 중 어느 하나에 지지되도록 설치되어, 상기 본체와 함께 회전 구동되는 리테이너 링과;
   제1항에 따른 멤브레인을;
   포함하여 구성되고, 상기 제1고정플립은 상기 베이스와 상기 본체 중 어느 하나에 고정되고, 상기 제2고정플립은 상기 리테이너 링에 고정되어, 상기 측면과 상기 리테이너 링의 사이의 틈새를 막는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
   
9. 제 8항에 있어서,
   상기 측면은 상기 제2고정플립의 중간으로부터 외측으로 연장된 제3고정플립을 구비하고, 상기 제2고정플립의 끝단과 상기 제3고정플립의 끝단은 상기 리테이너 링에 고정되되, 상기 제3고정플립의 끝단이 상기 제2고정플립의 끝단보다 높은 위치에 고정되어, 상기 측면을 가압하는 상기 가압 챔버가 상기 제1고정플립과 상기 제3고정플립의 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
   
10. 제 9항에 있어서,
    상기 제1고정플립의 끝단이 고정되는 위치와 상기 제3고정플립의 끝단이 고정되는 위치 사이의 상기 리테이너 링에 끼움 링이 설치되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
    
11. 제 9항에 있어서,
    상기 멤브레인의 상기 바닥판의 중심과 상기 측면의 사이에는 상기 베이스에 결합되는 다수의 링 형태의 격벽이 형성되어, 상기 베이스와 상기 멤브레인의 사이에는 다수의 분할된 압력 챔버가 형성되고;
    상기 가압 챔버의 폭(x2)이 상기 다수의 압력 챔버들 중 최외측 압력 챔버의 폭(x5)에 비하여 더 크게 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
    
12. 제 10항에 있어서,
    상기 측면의 상부로부터 상측으로 이격되어 상기 제1고정플립과 상기 제2고정플립보다 높은 위치에, 내측단은 상기 베이스와 상기 본체 중 어느 하나에 고정되고, 외측단은 상기 리테이너 링에 고정되는 가요성 탄성 재질의 챔버 링을 더 포함하여 구성되어, 상기 챔버 링과 상기 제1고정플립 및 상기 제2고정플립으로 둘러싸인 영역에 상기 가압 챔버를 형성하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
    
13. 제 12항에 있어서,
    상기 멤브레인의 상기 바닥판의 중심과 상기 측면의 사이에는 상기 베이스에 결합되는 다수의 링 형태의 격벽이 형성되어, 상기 베이스와 상기 멤브레인의 사이에는 다수의 분할된 압력 챔버가 형성되고;
    상기 가압 챔버의 폭(x2)이 상기 다수의 압력 챔버들 중 최외측 압력 챔버의 폭(x5)에 비하여 더 크게 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
    
14. 제 12항에 있어서,
    상기 제1고정플립의 끝단이 고정되는 위치와 상기 챔버 링의 외측단이 고정되는 위치 사이의 상기 리테이너 링에 끼움 링이 설치되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
    
15. 제 8항에 있어서,
    상기 제1고정플립의 끝단부에는 상기 리테이너 링에 고정되는 가요성 탄성 재질의 링형 끼움 블록이 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
    
16. 제 15항에 있어서,
    상기 링형 끼움 블록에는 상기 제1고정플립과의 연결부로부터 상측으로 이격된 위치로부터 챔버 플립이 내측으로 연장 형성되어, 상기 챔버 플립의 끝단이 상기 본체와 상기 베이스 중 어느 하나에 고정되어, 상기 챔버 플립과 상기 제1고정플립 및 상기 제2고정플립으로 둘러싸인 영역에 상기 가압 챔버를 형성하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
    
17. 제 16항에 있어서,
    상기 멤브레인의 상기 바닥판의 중심과 상기 측면의 사이에는 상기 베이스에 결합되는 다수의 링 형태의 격벽이 형성되어, 상기 베이스와 상기 멤브레인의 사이에는 다수의 분할된 압력 챔버가 형성되고;
    상기 가압 챔버의 폭(x2)이 상기 다수의 압력 챔버들 중 최외측 압력 챔버의 폭(x5)에 비하여 더 크게 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
    
18. 제 8항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측면의 상부는 상기 가압 챔버의 바닥면으로서 수평면을 형성하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
    

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