KR101780175B1 - 화학 기계적 연마 장치용 연마 헤드 - Google Patents

화학 기계적 연마 장치용 연마 헤드 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화학 기계적 연마 장치용 연마 헤드에 관한 것으로, 웨이퍼의 연마 공정 중에 회전 구동력을 전달받는 본체부와; 상기 본체부와 함께 회전하는 베이스와; 상기 연마 공정 중에 웨이퍼를 가압하는 가압면을 형성하는 바닥판과, 상기 바닥판의 가장자리로부터 상방(上方)으로 연장되어 상단이 측면 끝단이 상방으로 연장된 자세로 상기 베이스에 고정되는 측면과, 상기 측면의 반경 내측에 상기 바닥판으로부터 폐곡선 형태로 상방으로 연장되어 제1끝단이 상기 베이스에 고정되어 상기 측면과의 사이에 최외측 압력챔버를 형성하는 제1격벽을 구비한 멤브레인과; 상기 멤브레인 바닥판으로부터 반경 방향으로 이격 배치되고, 상기 연마 공정 중에 연마 패드와 접촉하는 리테이너 링을; 포함하여 구성되어, 측면과 제1격벽이 서로 근접한 상태로 위치 고정되어 최외측 압력챔버의 폭을 보다 더 작게 형성함에 따라, 최외측 압력챔버에 의하여 웨이퍼의 가장자리 영역을 보다 정교한 압력 제어로 가압하여 정교한 연마를 가능하게 하는 웨이퍼 연마장치의 연마 헤드 및 이에 사용되는 멤브레인을 제공한다.

Description

화학 기계적 연마 장치용 연마 헤드 {CARRIER HEAD OF CHEMICAL MECHANICAL APPARATUS}
본 발명은 화학 기계적 연마 장치용 연마 헤드에 관한 것으로, 상세하게는 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼의 가장자리를 정교하게 제어할 수 있는 화학 기계적 연마 장치용 연마 헤드에 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, 연마 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 화학 기계적 연마 장치(9)의 개략 평면도이다. 도1 및 도2에 도시된 바와 같이, 화학 기계적 연마 장치(9)는 웨이퍼(W)를 저면에 위치시킨 상태에서 웨이퍼(W)를 가압하며 자전하는 연마 헤드(1)와, 웨이퍼(W)의 연마면과 접촉하면서 회전(2d)하는 연마 패드(2)와, 연마 패드(2) 상에 슬러리를 공급하여 웨이퍼(W)에 도달한 슬러리에 의한 화학적 연마를 행하게 하는 슬러리 공급부(3)와, 연마 패드(2)의 표면을 개질하는 컨디셔너(4)로 이루어진다.
상기 연마 헤드(1)는 도3에 도시된 바와 같이 외부의 구동부에 의하여 회전 구동되는 본체부(10, 20)와, 본체부(10, 20) 중 베이스(20)에 고정되어 베이스(20)와의 사이에 다수의 분할된 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)를 형성하는 멤브레인(30)과, 웨이퍼(W)의 둘레에 링 형태로 배치되어 화학 기계적 연마 공정 중에 저면이 연마 패드(2)를 가압하여 둘러싸고 있는 웨이퍼(W)의 이탈을 방지하는 리테이너 링(40)과, 압력 챔버(C1, C2, C3)에 공압 공급로(55)를 통해 공압을 독립적으로 인가하거나 배출시키는 압력 제어부(50)로 이루어진다.
여기서, 멤브레인(30)은 웨이퍼(W)를 가압하는 바닥판(31)과, 바닥판(31)의 가장자리 끝단에 상측으로 연장된 측면(32)과, 바닥판(31)의 중심과 측면(32)의 사이에 링 형태로 형성된 격벽(35)이 형성되며, 측면(32)과 격벽(35)의 끝단(30x)이 베이스(20)에 결합 부재(22x)로 고정되어, 멤브레인 바닥판과 베이스(20)의 사이에 다수의 분할된 압력 챔버(C1, C2, C3)를 형성한다.
이 때, 도4a에 도시된 바와 같이, 측면(32)의 끝단으로부터 본체부(20)를 향하여 횡방향으로 연장된 고정 플랩(32xa, 32xb)은 베이스(22)에 결합되는 결합 부재(22a, 22b)의 상면과 저면의 사이에 끼워지는 형태로 위치 고정된다. 이와 같이 멤브레인(30)의 측면(32)과 격벽(35)이 고정되면서 압력 챔버(C1, C2,...,C5)를 형성함에 따라, 최외곽 챔버(C5)의 폭(d5)이 수평 방향으로 연장된 고정 플랩(32xa, 32xb)만큼 더 커지게 되어, 최외곽 챔버(C5)의 압력을 정교하게 조절하는 데 한계가 있었다. 또한, 측면(32)과 근접한 격벽(35)을 고정하는 결합 부재(22x)가 반경 외측으로 'e'로 표시된 길이만큼 돌출되어, 이에 의해서도 측면(32)과 격벽(35) 사이의 거리를 줄이는 것이 제한되었다.
또한, 도4a에 도시된 바와 같이, 멤브레인의 측면(32)은 웨이퍼의 이탈을 방지하기 위하여 하방 가압(Pr)되는 리테이너 링(40)과 근접 배치되는 데, 연마 공정 중에 압력 제어부(50)로부터 공압이 압력 챔버(C1, C2,...,C5)로 공급(58)되면서, 압력 챔버(C1, C2,...C5)가 팽창하면서 바닥판(31)의 하측에 위치한 웨이퍼(W)를 가압한다. 이 때, 압력 챔버(C1, C2,...,C5) 중에 최외측에 위치한 압력 챔버(C5)는 공압(p5)에 의한 팽창으로 인하여, 최외측 압력 챔버(C5)의 측면(32)이 볼록하게 변형(32')되면서, 측면(32)과 인접한 리테이너 링(40)과 접촉하게 된다.
그런데, 리테이너 링(40)은 연마 공정 중에 자전(2d)하는 연마 패드(2)와의 접촉에 따른 마찰력(F2)과, 연마 패드(2)로 가압(Pr)된 상태로 스스로 자전함에 따른 마찰력(F1)이 작용하므로, 연마 공정 중에 미세한 진동이 발생된다. 그런데, 멤브레인 측면(32)이 리테이너 링(40)과 접촉함에 따라, 리테이너 링(40)에서 발생된 진동이 멤브레인 측면(32)을 경유하여 웨이퍼(W)로 전달되므로, 웨이퍼(W)의 연마면에 전달된 진동에 의하여 웨이퍼의 연마 품질이 저하되는 문제가 있었다.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 리테이너 링(40)의 측면에 보다 높은 강성의 고정체(미도시)를 결합하는 방안이 모색되기도 하였지만, 고정체와 측면(40)을 결합하는 것이 번거롭고 비용이 상승하는 문제가 있었다. 따라서, 연마 헤드(1)의 조립 시간을 늘이지 않으면서 리테이너 링(40)에서 발생된 진동이 웨이퍼(W)로 전달되는 것을 차단할 수 있는 방안의 필요성이 절실히 요구되고 있다.
본 발명은 전술한 기술적 배경하에서 창안된 것으로, 상세하게는 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼의 가장자리를 정교하게 제어할 수 있는 화학 기계적 연마 장치용 연마 헤드 및 이에 사용되는 멤브레인을 제공하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명은, 웨이퍼의 가장자리를 가압하는 압력 챔버를 보다 더 작은 폭으로 형성할 수 있도록 함으로써, 웨이퍼의 가장자리를 정교한 가압력으로 제어할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은, 연마 공정 중에 리테이너 링으로부터 전달되는 진동을 차단하여 웨이퍼의 연마 품질을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 웨이퍼의 연마 공정 중에 회전 구동력을 전달받는 본체부와; 상기 본체부와 함께 회전하는 베이스와; 상기 연마 공정 중에 웨이퍼를 가압하는 가압면을 형성하는 바닥판과, 상기 바닥판의 가장자리로부터 상방(上方)으로 연장되어 상단이 측면 끝단이 상방으로 연장된 자세로 상기 베이스에 고정되는 측면과, 상기 측면의 반경 내측에 상기 바닥판으로부터 폐곡선 형태로 상방으로 연장되어 제1끝단이 상기 베이스에 고정되어 상기 측면과의 사이에 최외측 압력챔버를 형성하는 제1격벽을 구비한 멤브레인과; 상기 멤브레인 바닥판으로부터 반경 방향으로 이격 배치되고, 상기 연마 공정 중에 연마 패드와 접촉하는 리테이너 링을; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마장치의 연마 헤드를 제공한다.
이는, 측면으로부터 회전 중심을 향하여 연장되는 고정 플랩이 베이스에 고정되는 대신에, 측면의 상단을 형성하는 측면 끝단이 상방으로 연장된 자세로 베이스에 고정되는 것에 의하여, 측면의 내측(회전 중심을 향하는 방향)으로 충분한 공간을 확보할 수 있게 되므로, 최외측 압력챔버를 형성하기 위한 제1격벽의 위치를 보다 측면에 근접하게 배치할 수 있도록 하기 위함이다.
이를 통해, 최외측 압력 챔버를 형성하기 위한 제1격벽을 측면에 근접 배치하는 것이 가능해지므로, 최외측 압력챔버의 폭을 보다 더 작게 형성할 수 있게 되고, 이에 의하여, 최외측 압력챔버에 의하여 웨이퍼의 가장자리 영역을 보다 정교한 압력 제어로 가압하여 정교한 연마를 가능하게 하는 효과를 얻을 수 있다.
이 때, 상기 측면 끝단은, 'ㄱ'자 형태의 단면의 링 형태로 형성되어 상기 베이스에 연결 고정되는 측면 결합 부재의 저면과 내측면 중 어느 하나 이상에 접촉하여 위치 고정될 수 있다. 이에 의하여, 측면으로부터 고정 플랩이 수평 방향으로 연장되지 않더라도, 'ㄱ'자 단면의 측면 결합 부재의 저면에 끼우거나 저면과 내측면에 끼워 고정하는 것에 의해 위치 고정이 가능해진다.
그리고, 상기 측면 결합부재는 상기 측면의 반경 외측으로부터 이격된 위치에서 변형 억제부가 하향 연장되어, 상기 측면의 반경 바깥 방향으로의 부풀어오르는 변형을 상기 변형 억제부의 내면에 의해 물리적으로 제한한다. 이에 의하여, 측면에 보다 높은 경도를 갖는 고정체를 결합시키는 것과 같은 복잡한 조립 공정이 없더라도, 최외측 압력챔버에 정압이 인가되어 팽창하여도 최외측 압력 챔버가 반경 외측으로 부풀어오르면서 리테이너 링과 접촉하지 않으며, 이에 의해 리테이너 링의 진동이 웨이퍼의 연마면으로 전달되는 것을 차단할 수 있다.
이 때, 상기 측면은 제1두께로 연장 형성되는 제1영역과, 상기 제1두께보다 더 얇은 두께로 연장 형성된 제2영역으로 형성되고, 상기 변형 억제부는 상기 제1영역과 제2영역의 경계에 비하여 더 하측으로 연장 형성되는 것이 바람직하다.
이에 의하여, 최외측 압력챔버가 팽창할 때에는 보다 두꺼운 제1두께의 제1영역으로의 부풀려짐이 최소화되고 보다 얇은 제2두께의 제2영역에서의 부풀려지는 변형이 유도된다. 이와 같이, 제1영역에 비하여 상측에 위치한 제2영역에서 부풀려지는 변형이 유도된 상태에서, 변형 억제부가 제2영역을 덮는 형태로 형성됨으로써, 제2영역에서의 부풀려진 변형이 변형 억제부에 의해 차단되므로, 변형 억제부의 길이를 짧게 형성하더라도 리테이너 링과 멤브레인 측면이 서로 접촉하는 것을 보다 확실하게 방지할 수 있는 이점을 얻을 수 있다.
이 때, 상기 측면은 상기 바닥판으로부터 상방으로만 뻗어 연장 형성될 수도 있다.
한편, 상기 제1격벽의 상기 제1끝단은 상방을 향하는 자세로 상기 베이스에 연결 고정되게 구성될 수 있다. 즉, 멤브레인 측면의 바로 내측에 위치한 제1격벽이 상방을 향하는 자세로 베이스에 연결 고정됨으로써, 멤브레인 측면과 제1격벽의 사이는 보다 좁은 폭으로 최외측 압력 챔버이 형성되며, 제1격벽의 내측의 압력 챔버의 폭도 보다 작게 형성할 수 있게 된다.
이 때, 상기 제1끝단은, 'ㄱ'자 형태의 단면의 링 형태로 형성되어 상기 베이스에 연결 고정되는 제1결합 부재의 저면과 내측면 중 어느 하나 이상에 접촉하여 위치 고정될 수 있다.
그리고, 상기 제1격벽은 상기 바닥판으로부터 상방으로만 뻗어 연장 형성될 수도 있다. 한편, 상기 제1격벽은 상방으로의 연장 경로 상에 절곡부가 형성되어, 웨이퍼를 가압할 때와 가압하지 않을 때의 바닥판의 상하 이동을 보조하게 구성될 수도 있다.
그리고, 상기 제1격벽으로부터 상기 연마 헤드의 회전 중심에 근접한 방향으로 이격된 위치에 상방으로만 연장된 제2격벽이 연장 형성되고, 'ㄱ'자 단면의 제2결합 부재의 저면과 내측면 중 어느 하나 이상에 의하여 제2끝단이 상방을 향하는 자세로 위치 고정될 수 있다.
한편, 본 발명은, 웨이퍼의 연마 공정 중에 웨이퍼를 가압하는 가압면을 형성하는 바닥판과, 상기 바닥판의 가장자리로부터 상방으로 연장된 측면이 형성된 멤브레인과; 상기 측면의 반경 외측으로부터 이격된 위치에는 상기 측면의 반경 바깥 방향으로 부풀어오르는 변형을 제한하도록 하향 연장된 변형 억제부가 구비되고, 회전 구동되는 본체부와; 상기 멤브레인의 상기 바닥판으로부터 반경 방향으로 이격 배치되고, 상기 연마 공정 중에 연마 패드와 접촉하는 리테이너 링을; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마장치의 연마 헤드를 제공한다.
그리고, 상기 측면은, 제1영역과, 상기 제1영역에 비하여 더 작은 단면으로 상기 제1영역으로부터 상방 연장된 제2영역을 포함하고; 상기 변형 억제부는 상기 제1영역과 상기 제2영역의 경계보다 더 하측까지 연장 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은, 회전 구동되는 연마 패드와; 웨이퍼를 가압하면서 회전시키는 전술한 구성에 따른 연마 헤드를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 웨이퍼의 연마 장치를 제공한다.
한편, 본 발명은, 웨이퍼의 연마 공정 중에 연마 헤드의 베이스에 적어도 일부가 고정되고 상기 베이스의 하측에 다수의 압력 챔버를 형성하는 연마 헤드용 멤브레인으로서, 상기 연마 공정 중에 상기 웨이퍼를 가압하는 가압면을 형성하는 바닥판과; 상기 바닥판의 가장자리로부터 상방으로 연장되되, 측면 끝단이 상기 연마 헤드의 상기 베이스에 상방으로 연장된 자세로 고정되는 측면과; 상기 측면의 반경 내측에 상기 바닥판으로부터 폐곡선 형태로 상방으로 연장되되, 제1끝단이 상기 베이스에 상방으로 연장된 자세로 고정되는 제1격벽을; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연마 헤드용 멤브레인을 제공한다.
여기서, 상기 측면과 상기 제1격벽 중 어느 하나 이상은 상방으로만 연장 형성될 수 있다.
그리고, 상기 측면은, 제1영역과, 상기 제1영역에 비하여 더 작은 단면으로 상기 제1영역으로부터 상방 연장된 제2영역으로 형성되어, 최외측 압력챔버의 공압이 높아지더라도 부풀어오르는 부분을 제2영역으로 유도할 수 있다.
그리고, 상기 제1격벽의 반경 내측에 상기 바닥판으로부터 폐곡선 형태로 상방으로만 연장되어, 그 끝단부가 상기 베이스에 고정되는 제2격벽을; 더 포함하여 구성될 수도 있다.
본 발명에 따르면, 멤브레인 측면으로부터 회전 중심을 향하여 연장되는 고정 플랩이 베이스에 고정되는 대신에, 측면의 상단을 형성하는 측면 끝단이 상방으로 연장된 자세로 베이스에 고정되는 것에 의하여, 측면의 내측(회전 중심을 향하는 방향)에 제1격벽을 측면에 보다 근접 배치할 수 있게 되므로, 최외측 압력챔버의 폭을 보다 더 작게 형성하여, 최외측 압력챔버에 의하여 웨이퍼의 가장자리 영역을 보다 정교한 압력 제어로 가압하여 정교한 연마를 가능하게 하는 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 본 발명은, 측면의 반경 외측으로부터 이격된 위치에서 변형 억제부가 하향 연장되어, 상기 측면의 반경 바깥 방향으로의 부풀어오르는 변형을 상기 변형 억제부의 내면에 의해 물리적으로 제한함으로써, 복잡한 조립 공정이 전혀 수반되지 않고서도, 연마 공정 중에 팽창하는 최외측 압력챔버와 리테이너 링의 접촉을 물리적으로 차단하여, 리테이너 링의 진동이 멤브레인 측면을 거쳐 웨이퍼의 연마면으로 전달되는 것을 차단하므로, 웨이퍼의 연마 품질을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
도1은 일반적은 화학 기계적 연마 장치의 구성을 도시한 정면도,
도2는 도1의 평면도,
도3은 도1의 연마 헤드의 종단면을 도시한 개략도,
도4a는 도3의 'A'부분의 확대도,
도4b는 도4a의 최외측 압력챔버가 팽창한 상태를 도시한 도면,
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연마 헤드의 반(half) 종단면도,
도6은 도5의 'B'부분의 확대도,
도7은 도6의 결합 부재에 의한 측면 및 격벽의 고정 구조를 도시한 분해도,
도8a는 도6의 'C'부분의 확대도,
도8b는 도8a의 압력 챔버가 팽창한 상태를 도시한 도면,
도9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 멤브레인 격벽 구조를 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치용 연마 헤드(100)를 상술한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 전술한 종래 기술의 구성 및 작용과 유사한 구성에 대해서는 본 발명의 요지를 명확하게 하기 위하여 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연마 헤드(100)는, 외부로부터 회전 구동력이 전달되는 본체부(110)와, 본체부(110)로부터 회전 구동력이 연결부(88)를 통해 전달되어 본체부(110)와 함께 회전하는 베이스(120)와, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼(W)를 가압하는 가압면을 형성하고 베이스(120)와의 사이 공간에 다수로 구획된 압력 챔버(C1, C2, C3,..., Ce)를 형성하는 가요성 재질의 멤브레인(130)과, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼(W)의 둘레를 감싸는 링 형태의 저면(40a)이 연마 패드(2)에 접촉하는 리테이너 링(140)과, 압력 챔버(C1, C2,..., Ce)에 공압을 공급하여 각 압력 챔버(C1, C2,...,Ce)에서의 하방 가압력을 도입하는 압력 제어부(150)를 포함하여 구성된다.
상기 본체부(110)는 외부로부터 수평 회전 구동력을 전달하는 구동 샤프트(미도시)와 상단에서 연결되며, 구동 샤프트로부터 전달받은 수평 회전 구동력을 베이스(120)에 전달하여, 가압면이 되는 멤브레인 바닥판(131)의 하측에 위치한 웨이퍼(W)가 연마 공정 중에 수평 회전되게 한다.
상기 베이스(120)는 연결부(88)에 의하여 원주 방향으로 본체부(110)에 연동하여 함께 회전 구동되며, 멤브레인(130)의 격벽(135)과 측면(132)을 결합 부재(120x, 1220, 1221, 1222)로 고정시켜, 멤브레인 바닥판(131)과의 사잇 공간에 다수의 압력챔버(..., C4, C5, C6, Ce)를 형성한다.
상기 리테이너 링(140)은 본체부(110)와 함께 수평 회전하며, 상하 방향(140d)으로 이동 가능하게 설치된다. 리테이너 링(140)의 상하 운동은 다양한 구동 수단에 의해 이루어질 수 있지만, 일반적으로 리테이너 링(140)의 상측에 위치한 챔버의 압력 조절에 의하여, 리테이너 링(140)은 상하 방향(140d)으로 이동하고 연마 패드(2)를 가압하는 데 사용될 수 있다. 이에 따라, 연마 공정 중에는 리테이너 링(140)의 저면(40a)이 연마 패드(2)에 접촉한 상태로 가압된다.
상기 압력 조절부(150)는 멤브레인 바닥판(131)과 베이스(120)의 사이에 형성되는 다수의 압력 챔버(C1, C2,....,C4, C5, C6, Ce) 및 리테이너 챔버(미도시)에 공압 공급관(155)을 통해 공압을 독립적으로 공급하여, 웨이퍼(W)의 연마 공정 중에 웨이퍼(W)를 가압하는 가압력을 조절하고, 리테이너 링(140)의 연마 패드(2)에 대한 가압력(Pr)을 조절한다.
상기 멤브레인(130)은 연마 공정 중에 웨이퍼(W)에 밀착되어 가압하는 가압면을 형성하는 바닥판(131)과, 바닥판(131)의 가장자리에서 상방으로 뻗어 연장된 측면(132)과, 연마 헤드(100)의 회전 중심과 측면(132)의 사이에 폐곡선 형태로 상방 연장된 다수의 격벽(1351, 1352, 1353,...; 135)으로 구성된다.
멤브레인(130)은 가요성 재질로 형성되어, 압력 챔버(..., C4, C5, C6, Ce)의 압력이 높아지면 팽창하고, 압력 챔버(..., C4, C5, C6, Ce)의 압력이 낮아지면 수축한다. 따라서, 압력 챔버(..., C4, C5, C6, Ce)는 연마 공정 중에 정압이 인가되면서 팽창된다.
여기서, 멤브레인 바닥판(131)은 웨이퍼의 형상에 맞게 원반 형태로 형성되며, 멤브레인 측면(132)은 도6에 도시된 바와 같이 상방으로만 연장 형성되게 형성된다. 이 때, 멤브레인 측면(132)은 도8a에 도시된 바와 같이, 제1두께로 상방 연장 형성되는 제1영역(A1)의 연장부(132m)과, 제1영역(A1)에 비하여 더 얇은 제2두께로 상방 연장 형성되는 제2영역(A2)의 연장부로 형성되어 'ㄱ'자 단면의 측면 결합 부재(1220)의 내측면에 의해 눌려 고정됨에 따라 베이스(120)와 연결 고정된다. 여기서, 제1영역(A1)의 제1두께는 제2영역(A2)의 제2두께에 비하여 1.5배 내지 5배정도 더 크게 정해질 수 있다. 이와 같이, 하측의 제1영역(A1)에 비하여 상측의 제2영역(A2)이 더 얇게 형성됨에 따라, 최외측 압력챔버(Ce)가 팽창할 때에 측면(132)의 부풀어오르는 변형이 제2영역(A2)에 집중되므로, 부풀어오르는 위치를 조절할 수 있게 된다.
그리고, 멤브레인 측면(132)과 연마 헤드(100)의 회전 중심의 사이에는 폐곡선 형태의 다수의 격벽(135, 1351, 1352)가 폐곡선인 링 형태로 바닥판(131)으로부터 상향 연장 형성된다. 바람직하게는 격벽(135, 1351, 1352)은 동심원 형태로 바닥판(131)으로부터 연장 형성되며, 필요에 따라 격벽(135, 1351, 1352)을 반경 방향으로 연결하는 또 다른 격벽(미도시)이 형성될 수도 있다.
멤브레인 측면(132)과 반경 내측으로 가장 인접하게 이격된 제1격벽(1351)은 상방으로만 연장 형성되어 'ㄱ'자 단면의 제1결합 부재(1221)의 내측면으로 상방으로 세워진 상태의 제1끝단(1351a)을 덮은 상태로 고정되는 것에 의하여 측면(132)의 측면 끝단(132a)이 베이스(120)에 연결 고정되어, 멤브레인 측면(132)과 제1격벽(1351)의 사이에 최외측 압력 챔버(Ce)를 형성한다.
제1격벽(1351)과 반경 내측으로 인접하게 이격된 제2격벽(1352)은 상방으로만 연장 형성되어 'ㄱ'자 단면의 제2결합 부재(1222)에 의하여 제1격벽(1351)의 제1끝단(1351a)이 베이스(120)에 연결 고정되어, 제1격벽(1351)과 제2격벽(1352)의 사이에 제6압력 챔버(C6)를 형성한다.
제2격벽(1352)과 반경 내측 방향으로는 다수의 격벽(135)이 상방으로 연장 형성되다가 수평 방향으로 연장 형성되어, 베이스(120)에 결합되는 중앙 결합 부재(120x)에 의해 베이스(120)와 중앙 결합 부재(120x)의 사이에 끝단이 고정되어, 이들 격벽(135, 1352)의 사이에 다수의 압력 챔버(C1, C2,...,C5)를 형성한다.
멤브레인(130)의 격벽(135, 1351, 1352)과 측면(132)을 베이스(120)에 연결 고정하는 공정은 도7에 도시되어 있다.
먼저, 중앙 결합 부재(120x)를 이용하여 제2격벽(1352)의 반경 내측에 위치한 다수의 격벽(135)의 끝단을 순차적으로 베이스(120)에 고정시킨다.
그 다음, 제2격벽(1352)은 상단의 제2끝단(1352a)이 'ㄱ'자 단면의 제2결합 부재(1222)의 내측면(1222s)에만 끼이게 하거나 내측면(1222s)과 저면(1222u)에 함께 끼이게 하는 것에 의해, 제2끝단(1352a)이 상방을 향하는 자세로 고정된다. 여기서, 'ㄱ'자 단면의 링 형태인 제2결합부재(1222)는 베이스(120)의 상면(120s)에 얹혀지고, 연결 볼트(77)가 제2결합부재(1222)의 관통공(1222a)을 관통하여 베이스(120)의 나사공에 체결되는 것에 의해 고정된다. 이와 같이, 제2격벽(1352)의 상단인 제2끝단(1352a)이 상방을 향하는 자세로 고정됨에 따라, 제2격벽(1352)으로부터 수평 방향으로 뻗는 플랩이 없어지므로, 그만큼 제2격벽(1352)에 근접한 위치에 다른 격벽(1353, 1351)을 위치시킬 수 있게 되어, 제2격벽(1352)의 내측이나 외측의 압력 챔버의 폭을 최소화할 수 있다.
이와 마찬가지로, 그 다음, 제1격벽(1351)은 상단의 제1끝단(1351a)이 'ㄱ'자 단면의 제1결합 부재(1221)의 내측면(1221s)에만 끼이게 하거나 내측면(1221s)과 저면(1221u)에 함께 끼이게 하는 것에 의해, 제1끝단(1351a)이 상방을 향하는 자세로 고정된다. 여기서, 'ㄱ'자 단면의 링 형태인 제1결합부재(1221)는 제2결합부재(1222)의 상면에 얹혀지고, 연결 볼트(77)가 제1결합부재(1221)의 관통공(1221a)을 관통하여 제2결합부재(1222)의 나사공(1222b)에 체결되는 것에 의해 베이스(120)에 연결 고정된다. 이와 같이, 제1격벽(1351)의 상단인 제1끝단(1351a)이 상방을 향하는 세워진 자세로 고정됨에 따라, 제1격벽(1351)으로부터 수평 방향으로 뻗는 플랩이 없어지므로, 그만큼 제1격벽(1351)에 근접한 위치에 다른 격벽(1351)과 측벽(132)을 위치시킬 수 있게 되어, 제1격벽(1351)의 내측의 제6압력챔버의 폭(w6)이나 외측의 최외측 압력챔버(Ce)의 폭(we)을 최소화할 수 있다.
마지막으로, 멤브레인 측면(132)은 상단의 측면 끝단(132a)이 'ㄱ'자 단면의 측면 결합 부재(1220)의 내측면(1220s)에만 끼이게 하거나 내측면(1220s)과 저면(1220u)에 함께 끼이게 하는 것에 의해, 측면 끝단(132a)이 상방을 향하는 자세로 고정된다. 여기서, 'ㄱ'자 단면의 링 형태인 측면결합부재(1220)는 제1결합부재(1221)의 상면에 얹혀지고, 연결 볼트(77)가 측면결합부재(1220)의 관통공(1220a)을 관통하여 제1결합부재(1221)의 나사공(1221b)에 체결되는 것에 의해 베이스(120)에 연결 고정된다. 이와 같이, 측면(132)의 상단인 측면 끝단(132a)이 상방을 향하는 자세로 고정됨에 따라, 측면(132)으로부터 수평 방향으로 뻗는 플랩이 없어지므로, 그만큼 측면(132)에 근접한 위치에 제1격벽(1351)을 위치시킬 수 있게 되어, 최외측 압력챔버(Ce)의 폭(we)을 최소화할 수 있다.
이와 같이, 멤브레인 측면(32)으로부터 수평 방향으로 연장되는 고정 플랩(32xa, 32xb)을 베이스(20)에 고정하는 종래의 구조(도4a)와 달리, 본 발명은, 측면(132)의 끝단(132a)이 상방으로 연장된 자세로 베이스(120)에 연결 고정되고, 측면(132)의 반경 내측으로 이격된 제1격벽(1351)과 제2격벽(1352)의 끝단(1351a, 1352a)이 상방으로 연장된 자세로 베이스(120)에 연결 고정됨에 따라, 측면(132)과 제1격벽(1351)과 제2격벽(1352)의 사이 간격을 매우 작은 치수(예를 들어, 0.5mm 내지 3mm)까지 좁힐 수 있으므로, 종래에 하나의 압력 챔버(도4a의 C5)로 형성되는 공간을 도6에 도시된 바와 같이 제5압력챔버(C5), 제6압력챔버(C6), 최외측 압력챔버(Ce)로 다수 분할할 수 있게 된다. 이를 통해, 본 발명은, 웨이퍼의 가장자리 영역을 2개 이상으로 좁은 폭(we, w6,..)으로 분할된 다수의 제5압력챔버(C5), 제6압력챔버(C6), 최외측 압력챔버(Ce)로 독립적으로 압력 제어되면서 가압하므로, 웨이퍼의 가장자리 영역을 보다 정교한 압력 제어로 가압하여 정교한 연마를 가능하게 하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
한편, 도6에 도시된 바와 같이, 본 발명은, 멤브레인 측면(132)과 제1격벽(1351)과 제2격벽(1352)가 상방으로만 연장 형성되는 것이 이들 사이의 간격을 보다 좁힐 수 있는 이점이 얻어지지만, 도9에 도시된 본 발명의 다른 실시예에서와 같이, 제1격벽(1351')과 제2격벽(1352') 중 어느 하나 이상에는 상방으로의 연장 경로 상에 절곡부(1351x, 1352x)가 형성될 수도 있다. 이를 통해, 절곡부(1351x, 1352x)에 의하여 인접한 격벽과의 간격을 좁히는 데 한계가 있지만, 연마 공정에 압력 챔버(..., C4, C5, C6, Ce)에 정압이 인가되어 챔버가 팽창함에 따라 바닥판(131)이 하방으로 이동하는 변위를 이 절곡부(1351x, 1352x)에 의하여 보다 쉽게 허용할 수 있다.
한편, 베이스(120)에 연결 고정되는 측면 결합 부재(1220)는 측면(132)의 제2영역(A2)을 감싸는 형태로 측면(132)으로부터 반경 외측으로 이격되어 하방으로 연장된 변형 억제부(122x)가 형성된다. 연마 공정 중에 최외측 압력 챔버(Ce)가 팽창하여 멤브레인 측면(132)이 반경 외측으로 부풀어오르는 변형이 생기더라도, 도8b에 도시된 바와 같이, 반경 외측으로 부풀어오르는 형태로 변형된 멤브레인 측면(132)이 변형 억제부(122x)의 내벽면에 간섭되는 것에 의해, 멤브레인 측면(132)의 반경 외측으로의 변형량을 제한함으로써, 연마 공정 중에 진동이 발생되는 리테이너 링(140)과 멤브레인 측면(132)이 서로 접촉하는 것을 방지할 수 있다.
더욱이, 도8a에 도시된 바와 같이, 멤브레인 측면(132)은 두꺼운 두께로 연장된 제1영역(A1)과, 제1영역(A1)에 비하여 1/2이하의 두께로 연장된 제2영역(A2)으로 이루어져, 최외측 압력챔버(Ce)의 압력이 높아지면 외측으로 부풀어오르는 영역이 제2영역(A2)이 되도록 유도된다. 따라서, 변형 억제부(122x)의 하방으로의 연장 길이(L)는 제1영역(A1)과 제2영역(A2)의 경계까지 연장되거나 그 보다 더 하측으로 정해지면, 제2영역(A2)에서 부풀어오르는 변형을 변형 억제부(122x)로 보다 확실하게 제한할 수 있다. 도8b에 도시된 바와 같이, 제2영역(A2)에서의 부풀어오르는 최대가 되는 정점(132p)는 측면(132)의 단면이나 길이 등의 형상에 의해 정해지므로, 변형 억제부(122x)는 정점(132p)까지만 연장될 수도 있다.
이와 같이, 본 발명은, 멤브레인 측면(132)의 끝단(132a)을 고정시키는 측면 결합 부재(1220)의 외측 가장자리에 하향 연장된 변형 억제부(122x)를 형성하여, 멤브레인 측면(132)의 반경 바깥 방향으로의 부풀어오르는 변형을 변형 억제부(122x)의 내벽면에 의해 물리적으로 제한함으로써, 연마 헤드(100)를 조립하는 데 추가적인 조립 공정이 전혀 수반되지 않고서도, 연마 공정 중에 팽창하는 최외측 압력챔버(Ce)와 리테이너 링(140)의 접촉을 물리적으로 차단하여, 리테이너 링(140)의 진동이 멤브레인 측면(132)을 거쳐 웨이퍼(W)의 연마면으로 전달되는 것을 차단하므로, 웨이퍼의 연마 품질을 향상시키는 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.
예를 들어, 발명의 상세한 설명에서 예시된 구성은 웨이퍼의 화학 기계적 연마 공정에 사용되는 연마 헤드(100)의 구성을 예로 들었지만, 슬러리를 이용하지 않는 연마 공정에서도 특허청구범위에 기재된 연마 헤드의 구성이 적용될 수 있다.
W: 웨이퍼 C1, C2, C3, C4, C5, C6: 압력 챔버
Ce: 최외측 압력챔버 2: 연마 패드
110: 본체부 120: 베이스
120x: 중간 결합부재 1220: 측면 결합 부재
1221: 제1결합부재 1222: 제2결합부재
130: 멤브레인 131: 바닥판
132: 측면 135: 격벽
A1: 제1영역 A2: 제2영역
140: 리테이너 링 150: 압력 제어부

Claims (18)

  1. 웨이퍼의 연마 공정 중에 회전 구동력을 전달받는 본체부와;
    상기 본체부와 함께 회전하는 베이스와;
    상기 연마 공정 중에 웨이퍼를 가압하는 가압면을 형성하는 바닥판과, 상기 바닥판의 가장자리로부터 상방(上方)으로만 연장 형성되고 상단인 측면 끝단이 상방으로 연장된 자세로 상기 베이스에 연결 고정되는 측면과, 상기 측면의 반경 내측으로 이격된 위치의 상기 바닥판으로부터 폐곡선 형태로 상방으로 연장되고 제1끝단이 상기 베이스에 연결 고정되어 상기 측면과의 사이에 최외측 압력챔버를 형성하는 제1격벽을 구비한 멤브레인과;
    내측면이 상방으로 세워진 상태의 상기 측면 끝단을 반경 내측 방향으로 덮은 상태로 고정되어, 상기 측면을 상기 베이스에 연결 고정하는 링 형태로 형성된 측면 결합 부재를;
    포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 장치의 연마 헤드.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1격벽은 상기 제1끝단이 상방으로 세워진 상태로 상기 베이스에 연결 고정되고,
    상기 제1끝단이 상방으로 세워진 상태에서 내측면으로 상기 제1끝단을 덮은 상태로 고정되는 'ㄱ'자 단면의 링 형태로 형성된 제1결합부재를;
    더 포함하여 구성되며, 상기 제1결합부재의 외주면에 상기 측면 끝단이 세워진 상태로 접촉하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 장치의 연마 헤드.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1격벽은 상기 바닥판으로부터 상방으로만 뻗어 연장 형성된 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마장치의 연마 헤드.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 제1격벽은 상방으로의 연장 경로 상에 절곡부가 형성된 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마장치의 연마 헤드.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 제1격벽으로부터 상기 연마 헤드의 회전 중심에 근접한 방향으로 이격된 위치에 제2격벽이 연장 형성되고, 'ㄱ'자 단면의 제2결합 부재의 내측면에 의하여 제2끝단이 상방을 향하는 자세로 위치 고정되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 장치의 연마 헤드.
  6. 제 1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측면 결합부재는 상기 측면의 반경 외측으로부터 이격된 위치에서 변형 억제부가 하향 연장되어, 상기 측면의 반경 바깥 방향으로의 부풀어오르는 변형을 상기 변형 억제부의 내면에 의해 제한하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마장치의 연마 헤드.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 측면은 제1두께로 연장 형성되는 제1영역과, 상기 제1두께보다 더 얇은 두께로 연장 형성된 제2영역으로 형성되고, 상기 변형 억제부는 상기 제1영역과 제2영역의 경계에 비하여 더 하측으로 연장 형성된 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마장치의 연마 헤드.
  8. 회전 구동되는 연마 패드와;
    웨이퍼를 가압하면서 회전시키는 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 연마 헤드를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 웨이퍼의 연마 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 측면 결합부재는 상기 측면의 반경 외측으로부터 이격된 위치에서 변형 억제부가 하향 연장되어, 상기 측면의 반경 바깥 방향으로의 부풀어오르는 변형을 상기 변형 억제부의 내면에 의해 제한하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼의 연마장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 측면은 제1두께로 연장 형성되는 제1영역과, 상기 제1두께보다 더 얇은 두께로 연장 형성된 제2영역으로 형성되고, 상기 변형 억제부는 상기 제1영역과 제2영역의 경계에 비하여 더 하측으로 연장 형성된 것을 특징으로 하는 웨이퍼의 연마장치.
  11. 웨이퍼의 연마 공정 중에 연마 헤드의 베이스에 적어도 일부가 고정되고 상기 베이스의 하측에 다수의 압력 챔버를 형성하는 연마 헤드용 멤브레인으로서,
    상기 연마 공정 중에 상기 웨이퍼를 가압하는 가압면을 형성하는 바닥판과;
    상기 바닥판의 가장자리로부터 상방으로만 연장되되, 상단인 측면 끝단이 상기 연마 헤드의 상기 베이스에 상방으로 연장된 세워진 자세의 상태에서, 측면 결합 부재의 내측면으로 상기 측면 끝단이 덮여진 상태로 고정되는 측면과;
    상기 측면의 반경 내측에 상기 바닥판으로부터 폐곡선 형태로 상방으로만 연장되되, 제1끝단이 상기 베이스에 상방으로 연장된 세워진 자세로 고정되는 제1격벽을;
    포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연마 헤드용 멤브레인.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 측면과 상기 제1격벽 중 어느 하나 이상은 상방으로만 연장 형성된 것을 특징으로 하는 연마 헤드용 멤브레인.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 측면은, 제1영역과, 상기 제1영역에 비하여 더 작은 단면으로 상기 제1영역으로부터 상방 연장된 제2영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 헤드용 멤브레인.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 제1격벽은 상기 측면으로 둘러싸인 영역의 최외측에 위치한 격벽인 것을 특징으로 하는 연마 헤드용 멤브레인.
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 제1격벽의 반경 내측에 상기 바닥판으로부터 폐곡선 형태로 상방으로만 연장되어, 그 끝단부가 상기 베이스에 고정되는 제2격벽을;
    더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연마 헤드용 멤브레인.


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