KR102368790B1 - 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 리테이너 링 및 이를 구비한 캐리어 헤드 - Google Patents

화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 리테이너 링 및 이를 구비한 캐리어 헤드 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 리테이너 링 및 이를 구비한 캐리어 헤드에 관한 것으로, 화학 기계적 연마 공정 중에 기판을 연마 패드에 가압하는 캐리어 헤드에 장착되어 기판의 이탈을 구속하는 리테이너 링은, 리테이너 링 몸체와, 리테이너 링 몸체의 내면에 세정액을 공급하는 세정액 공급부와, 리테이너 링 몸체의 내면에서 세정액을 일시적으로 잔류시키는 세정액 잔류부를 포함하는 것에 의하여, 리테이너 링의 내면으로 유입된 슬러리를 효과적으로 제거하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

Description

화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 리테이너 링 및 이를 구비한 캐리어 헤드{RETAINER RING IN CARRIER HEAD FOR CHEMICAL MECHANICAL POLISHING APPARATUS AND CARRIER HEAD HAVING THE SAME}
본 발명은 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 리테이너 링 및 이를 구비한 캐리어 헤드에 관한 것으로, 보다 구체적으로 리테이너 링의 내면으로 유입된 슬러리 및 이물질을 효과적으로 제거할 수 있는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 리테이너 링 및 이를 구비한 캐리어 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, 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.
도 1은 캐리어 헤드(1)의 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 캐리어 헤드(1)는 본체(110)와, 본체(110)와 함께 회전하는 베이스(120)와, 베이스(120)를 둘러싸는 링 형태로 상하 이동 가능하게 장착되어 베이스(120)와 함께 회전하는 리테이너링(130)과, 베이스(120)에 고정되어 베이스(120)와의 사이 공간에 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)를 형성하는 탄성 재질의 멤브레인(140)과, 공압 공급로(155)를 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.
이에 따라, 화학 기계적 연마 공정 중에 압력 조절부(150)로부터 인가되는 공압에 의하여 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)가 팽창하면서, 멤브레인 바닥판(141)을 통해 웨이퍼(W)의 판면을 가압한다.
이와 동시에, 본체(110) 및 베이스(120)와 함께 회전하는 리테이너 링(130)의 저면(130s)도 연마 패드(11)를 가압하면서 회전함으로써, 리테이너 링(130)에 의하여 둘러싸인 웨이퍼(W)가 캐리어 헤드(1)의 바깥으로 이탈하는 것을 방지한다.
한편, 리테이너 링(130)은 본체(110) 및 베이스(120)에 대해 상하 이동 가능하게 장착되기 때문에, 본체(100)에 고정 설치되는 멤브레인에 대한 리테이너 링의 상하 이동을 보장(비접촉 상태를 유지)하기 위하여, 멤브레인과 리테이너 링의 사이에는 간극이 형성된다.
그런데, 기존에는 연마 공정 중에 연마 패드(11)의 연마면에 공급된 슬러리(S)가 멤브레인(140)과 리테이너 링(130)의 사이에 형성된 간극으로 유입된 후 잔류하는 문제점이 있다.
특히, 멤브레인(140)과 리테이너 링(130)의 간극(L1)에 유입된 슬러리(S)를 신속하게 제거하지 못하면, 간극(L1)으로 유입된 슬러리가 고착됨에 따라 리테이너 링(130)의 원활한 상하 이동을 방해하는 문제점이 있으며, 간극(L1)에 잔류한 슬러리가 다시 기판 또는 멤브레인에 부착되거나 S/C 소스로 작용하는 문제점이 있다.
이에 기존에는 멤브레인(140)과 리테이너 링(130)의 사이에 형성된 간극(L1)에 세정액을 분사하여 간극(L1)에 유입된 슬러리(S)를 제거할 수 있도록 하였으나, 멤브레인(140)과 리테이너 링(130)의 간극은 매우 좁은 폭(0.5㎜)으로 형성되기 때문에, 세정액(15)이 간극으로 충분하게 유입되지 못하고 퇴튕겨져 나옴으로 인해, 멤브레인(140)과 리테이너 링(130)의 간극에 잔류된 슬러리를 효과적으로 제거하기 어려운 문제점이 있다.
이를 위해, 최근에는 리테이너 링과 멤브레인의 간극에 잔류하는 이물질(슬러리 및 파티클)을 효과적으로 제거하기 위한 다양한 검토가 이루어지고 있으나, 아직 미흡하여 이에 대한 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 리테이너 링과 멤브레인의 간극에 잔류하는 이물질을 효과적으로 제거할 수 있도록 한 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 리테이너 링 및 이를 구비한 캐리어 헤드를 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명은 리테이너 링과 멤브레인의 간극 사이로 공급된 세정액이 일시적으로 잔류될 수 있도록 하여, 리테이너 링의 내면으로 유입된 슬러리 및 이물질을 효과적으로 제거할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 비용을 절감할 수 있으며, 공정 효율성 및 수율을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼를 연마 패드에 가압하는 캐리어 헤드는, 캐리어 헤드 본체와; 캐리어 헤드 본체의 저면에 장착되며, 웨이퍼를 연마 패드에 가압하는 멤브레인과; 멤브레인의 외측면에 이격되게 배치되는 리테이너 링 몸체와, 리테이너 링 몸체의 내면에 세정액을 공급하는 세정액 공급부와, 리테이너 링 몸체의 내면에서 세정액을 일시적으로 잔류시키는 세정액 잔류부를 구비하며, 웨이퍼의 이탈을 구속하는 리테이너 링;을 포함한다.
이는, 리테이너 링과 멤브레인의 좁은 간극 사이에 잔류된 슬러리를 효과적으로 제거하기 위함이다.
특히, 리테이너 링 몸체의 내면으로 공급된 세정액이 일시적으로 잔류되도록 하는 것에 의하여, 세정액에 의한 간극(멤브레인과 리테이너 링 몸체의 사이 간극)의 세정 효율을 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
즉, 기존에는 멤브레인과 리테이너 링의 간극이 매우 좁은 폭으로 형성되기 때문에, 간극의 하부에서 세정액을 분사하더라도, 세정액이 간극으로 충분하게 유입되지 못하고 퇴튕겨져 나옴으로 인해, 멤브레인과 리테이너 링의 간극에 잔류된 슬러리를 효과적으로 제거하기 어려운 문제점이 있다. 하지만, 본 발명은 간극의 상부에서 세정액을 공급하고, 간극을 따라 낙하하는 세정액에 의해 세정이 행해지도록 하는 것에 의하여, 간극에 충분한 세정액을 공급할 수 있으므로, 멤브레인과 리테이너 링의 간극에 잔류된 슬러리를 효과적으로 제거(세척)하는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 더욱이, 본 발명에서는, 간극(리테이너 링 몸체의 내면)으로 공급된 세정액을 일시적으로 잔류시키는 것에 의하여, 세정액이 멤브레인의 외측면과 리테이너 링 몸체의 내면에 접촉되는 시간을 증가시킬 수 있으므로, 세정액에 의한 세정 효과와 세정 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 리테이너 링 몸체의 내면으로 공급된 세정액이 일시적으로 잔류되도록 하는 것에 의하여, 간극 상에서 세정액이 넓게 펼쳐진 상태로 공급되게 안내할 수 있으므로, 간극에서 미세정 영역(세정액에 의한 세정이 행해지지 않는 영역)이 발생하는 것을 최소화하고, 세정 효율을 보다 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 즉, 간극으로 공급된 세정액은 간극을 따라 낙하하면서 하부로 배출된다. 그런데, 복수개의 세정액 공급부가 리테이너 링의 원주 방향을 따라 이격되게 배치되는 구조에서는, 각 세정액 공급부로부터 세정액이 공급된 지점에서만 세정액이 낙하하며 세정이 이루어지기 때문에, 각 세정액 공급부의 사이 영역에서는 세정액이 공급되지 않은 문제점, 다시 말해서, 각 세정액 공급부의 사이 영역에서는 세정액에 의한 세정이 행해지지 않는 문제점이 있다. 하지만, 본 발명에서는 간극으로 공급된 세정액이 세정액 잔류부에 의해 넓게 분배되도록 하는 것에 의하여, 간극 상에서 미세정 영역이 발생하는 것을 최소화하고, 세정 효율을 보다 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 간극으로 유입된 세정액이 세정액 잔류부에 일차적으로 막혀지고, 그 후 세정액 잔류부를 넘어 간극을 따라 낙하하도록 하는 것에 의하여, 세정액이 리테이너 링 몸체의 내면과 멤브레인의 외측면에 동시에 접촉할 수 있으므로, 다시 말해서, 세정액에 의해 리테이너 링 몸체의 내면과 멤브레인의 외측면이 동시에 세정될 수 있으므로, 멤브레인과 리테이너 링 몸체의 간극에 잔류된 슬러리 및 이물질을 보다 효과적으로 제거(세척)하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
세정액 잔류부는 리테이너 링 몸체의 내면(간극)으로 유입된 세정액을 일시적으로 잔류시킬 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 세정액 잔류부는 멤브레인의 외측면과 리테이너 링 몸체의 내면의 사이에 형성된 간극을 부분적으로 막도록 형성된다. 이때, 멤브레인의 외측면과 세정액 잔류부의 사이에는, 간극보다 좁은 폭을 가지며, 세정액이 배출되는 세정액 배출유로가 형성된다.
세정액 잔류부는 리테이너 링 몸체의 내면에 돌출 형성되는 안내돌기를 포함한다.
일 예로, 안내돌기는 리테이너 링 몸체의 내면에 링 형태로 형성된다. 이와 같이, 안내돌기를 링 형태로 형성하는 것에 의하여, 간극 전체 영역에 걸쳐 세정액을 균일하게 정체시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 이때, 리테이너 링 몸체의 내면에는 단 하나의 안내돌기가 형성될 수 있으나, 다르게는 리테이너 링 몸체의 내면에 상하 방향을 따라 이격되게 복수개의 안내돌기를 형성하는 것도 가능하다.
다른 일 예로, 안내돌기를 리테이너 링 몸체의 내면을 따라 스파이럴(spiral) 형태로 연속적으로 형성하는 것도 가능하다. 이와 같이, 안내돌기를 스파이럴 형태로 형성하는 것에 의하여, 세정액이 간극 상에서 체류하는 시간을 보다 증가시킬 수 있으며, 세정액에 의한 세정 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 더욱이, 세정액이 스파이럴 형태의 안내돌기를 따라 이동하는 동안 세정액에 원심력이 부여될 수 있기 때문에, 세정액에 의한 세정 효과를 보다 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
세정액 공급부는 세정액 잔류부의 상부에 배치되며, 세정액 공급부에서 공급된 세정액은 간극을 따라 낙하하면서 세정액 잔류부를 거친 후 리테이너 링 몸체의 하부로 배출된다.
세정액 공급부는 세정액 잔류부의 상부에서 리테이너 링 몸체의 내면(멤브레인과 리테이너 링 몸체의 사이의 간극)에 세정액을 공급 가능한 다양한 구조로 형성될 수 있다. 일 예로, 세정액 공급부는, 세정액이 유입되는 입구유로와, 입구유로에 유입된 세정액을 리테이너 링 몸체의 내면으로 공급하는 출구유로를 포함한다.
일 예로, 입구유로는 리테이너 링 몸체의 상면에 형성된다. 이때, 입구유로는 리테이너 링 몸체에 수직하게 형성될 수 있다.
다른 일 예로, 입구유로는 리테이너 링 몸체의 측면에 형성된다. 이때, 입구유로는 리테이너 링 몸체에 수평하게 형성될 수 있다.
아울러, 입구유로의 상단부는 캐리어 헤드 본체의 상부까지 연장될 수 있다. 경우에 따라서는 입구유로를 캐리어 헤드 본체까지 연장하지 않고, 리테이너 링 몸체에만 형성하는 것도 가능하다. 다르게는 리테이너 링 몸체에 출구유로만을 형성하고, 캐리어 헤드 본체에 출구유로와 연통되게 입구유로를 형성하는 것도 가능하다.
바람직하게, 출구유로는 입구유로보다 작은 단면적을 갖도록 형성된다. 이와 같이, 출구유로의 단면적을 입구유로보다 작게 형성하는 것에 의하여, 리테이너 링 몸체의 내면으로 공급되는 세정액의 공급 압력 및 공급량을 균일하게 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 출구유로의 출구단에는 세정액 수용챔버가 형성될 수 있으며, 세정액은 세정액 수용챔버에 거친 후 리테이너 링 몸체의 내면으로 공급될 수 있다. 이와 같이, 세정액이 수용챔버에 먼저 채워진 후, 리테이너 링 몸체의 내면으로 공급되도록 하는 것에 의하여, 맥동 현상을 최소화하고 세정액의 공급 효율을 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
입구유로는 리테이너 링 몸체의 원주 방향을 따라 이격되게 복수개가 형성된다. 바람직하게, 복수개의 입구유로를 리테이너 링 몸체의 원주 방향을 따라 일정한 간격으로 이격되게 형성하는 것에 의하여, 리테이너 링 몸체의 내면에 원주 방향을 따라 균일하게 세정액을 공급하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
더욱 바람직하게, 복수개의 입구유로에 각각 연결된 출구유로의 각 단면적을 합한 총단면적은 세정액 잔류부를 거친 세정액이 배출되는 세정액 배출유로의 단면적보다 크게 형성된다. 이와 같이, 출구유로의 각 단면적을 합한 총단면적이 세정액 배출유로(멤브레인의 외측면과 안내돌기 사이의 영역)의 단면적보다 크게 형성하는 것에 의하여, 간극에 유입되는 세정액 유입 유량이 간극으로부터 배출되는 세정액 배출 유량보다 많게 할 수 있으므로, 안내돌기의 상부에 충분한 양의 세정액이 머무를 수 있게 되어, 세정 안정성을 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 화학 기계적 연마 공정 중에 기판을 연마 패드에 가압하는 캐리어 헤드는, 캐리어 헤드 본체와, 캐리어 헤드 본체의 저면에 장착되며 기판을 연마 패드에 가압하는 멤브레인과, 멤브레인의 외측면에 간극을 두고 이격되게 배치되며 기판의 이탈을 구속하는 리테이너 링과, 간극으로 세정액을 공급하는 세정액 공급부와, 멤브레인의 외측면에 형성되며 간극에서 상기 세정액을 일시적으로 잔류시키는 세정액 잔류부를 포함한다.
이와 같이, 멤브레인과 리테이너 링의 사이 간극으로 공급된 세정액이 일시적으로 잔류되도록 하는 것에 의하여, 세정액이 멤브레인의 외측면과 리테이너 링 몸체의 내면에 접촉되는 시간을 증가시킬 수 있으므로, 세정액에 의한 세정 효과와 세정 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 멤브레인과 리테이너 링의 사이 간극으로 공급된 세정액이 일시적으로 잔류되도록 하는 것에 의하여, 간극 상에서 세정액이 넓게 펼쳐진 상태로 공급되게 안내할 수 있으므로, 간극에서 미세정 영역(세정액에 의한 세정이 행해지지 않는 영역)이 발생하는 것을 최소화하고, 세정 효율을 보다 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
보다 구체적으로, 세정액 공급부는 세정액 잔류부의 상부에 배치되며, 세정액 공급부에서 공급된 세정액은 간극을 따라 낙하하면서 세정액 잔류부를 거친 후 리테이너 링의 하부로 배출된다.
세정액 공급부는 멤브레인과 리테이너 링의 사이 간극에 세정액을 공급 가능한 다양한 구조로 형성될 수 있다. 일 예로, 세정액 공급부는, 세정액 저장부에서부터 세정액이 유입되는 입구유로와, 입구유로에 유입된 세정액을 간극으로 공급하는 출구유로를 포함한다. 이때, 입구유로는 리테이너 링과 캐리어 헤드 본체 중 적어도 어느 하나에 형성될 수 있다.
또한, 출구유로의 출구단에는 세정액 수용챔버가 형성될 수 있으며, 세정액은 세정액 수용챔버)에 거친 후 멤브레인과 리테이너 링의 사이 간극으로 공급될 수 있다. 이와 같이, 세정액이 세정액 수용챔버에 먼저 채워진 후, 멤브레인과 리테이너 링의 사이 간극으로 공급되도록 하는 것에 의하여, 맥동 현상을 최소화하고 세정액의 공급 효율을 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
보다 구체적으로, 세정액 잔류부는 멤브레인과 리테이너 링의 사이 간극을 부분적으로 막도록 멤브레인의 외측면에 돌출 형성된다. 이때, 멤브레인과 세정액 잔류부의 사이에는, 간극보다 좁은 폭을 가지며, 세정액이 배출되는 세정액 배출유로가 형성된다.
일 예로, 세정액 잔류부는 멤브레인의 외측면에 돌출 형성되는 안내돌기를 포함한다. 바람직하게 안내돌기는 멤브레인의 외측면에 링 형태로 형성된다. 다르게는, 안내돌기를 멤브레인의 외측면을 따라 스파이럴(spiral) 형태로 연속적으로 형성하는 것도 가능하다.
본 발명의 바람직한 다른 분야에 따르면, 화학 기계적 연마 공정 중에 기판을 연마 패드에 가압하는 캐리어 헤드에 장착되어 상기 기판의 이탈을 구속하는 리테이너 링은, 리테이너 링 몸체와, 리테이너 링 몸체의 내면에 세정액을 공급하는 세정액 공급부와, 리테이너 링 몸체의 내면에서 세정액을 일시적으로 잔류시키는 세정액 잔류부를 포함한다.
이와 같이, 리테이너 링 몸체의 내면으로 공급된 세정액이 일시적으로 잔류되도록 하는 것에 의하여, 세정액이 멤브레인의 외측면과 리테이너 링 몸체의 내면에 접촉되는 시간을 증가시킬 수 있으므로, 세정액에 의한 세정 효과와 세정 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 리테이너 링 몸체의 내면으로 공급된 세정액이 일시적으로 잔류되도록 하는 것에 의하여, 간극 상에서 세정액이 넓게 펼쳐진 상태로 공급되게 안내할 수 있으므로, 간극에서 미세정 영역(세정액에 의한 세정이 행해지지 않는 영역)이 발생하는 것을 최소화하고, 세정 효율을 보다 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
보다 구체적으로, 세정액 잔류부는 멤브레인의 외측면과 리테이너 링 몸체의 내면의 사이에 형성된 간극을 부분적으로 막도록 형성된다. 이때, 멤브레인의 외측면과 세정액 잔류부의 사이에는, 간극보다 좁은 폭을 가지며, 세정액이 배출되는 세정액 배출유로가 형성된다.
세정액 잔류부는 리테이너 링 몸체의 내면에 돌출 형성되는 안내돌기를 포함한다. 일 예로, 안내돌기는 리테이너 링 몸체의 내면에 링 형태로 형성될 수 있다. 이때, 리테이너 링 몸체의 내면에는 단 하나의 안내돌기가 형성될 수 있으나, 다르게는 리테이너 링 몸체의 내면에 상하 방향을 따라 이격되게 복수개의 안내돌기를 형성하는 것도 가능하다. 다른 일 예로, 안내돌기는 리테이너 링 몸체의 내면을 따라 스파이럴 형태로 형성될 수 있다.
세정액 공급부는 세정액 잔류부의 상부에 배치되며, 세정액 공급부에서 공급된 세정액은 간극을 따라 낙하하면서 세정액 잔류부를 거친 후 리테이너 링 몸체의 하부로 배출된다.
세정액 공급부는 세정액 잔류부의 상부에서 리테이너 링 몸체의 내면(멤브레인과 리테이너 링 몸체의 사이의 간극)에 세정액을 공급 가능한 다양한 구조로 형성될 수 있다. 일 예로, 세정액 공급부는, 세정액이 유입되는 입구유로와, 입구유로에 유입된 세정액을 리테이너 링 몸체의 내면으로 공급하는 출구유로를 포함한다.
일 예로, 입구유로는 리테이너 링 몸체의 상면에 형성된다. 이때, 입구유로는 리테이너 링 몸체에 수직하게 형성될 수 있다.
다른 일 예로, 입구유로는 리테이너 링 몸체의 측면에 형성된다. 이때, 입구유로는 리테이너 링 몸체에 수평하게 형성될 수 있다.
바람직하게, 출구유로는 입구유로보다 작은 단면적을 갖도록 형성된다. 이와 같이, 출구유로의 단면적을 입구유로보다 작게 형성하는 것에 의하여, 리테이너 링 몸체의 내면으로 공급되는 세정액의 공급 압력 및 공급량을 균일하게 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 출구유로의 출구단에는 세정액 수용챔버가 형성될 수 있으며, 세정액은 세정액 수용챔버에 거친 후 리테이너 링 몸체의 내면으로 공급될 수 있다. 이와 같이, 세정액이 수용챔버에 먼저 채워진 후, 리테이너 링 몸체의 내면으로 공급되도록 하는 것에 의하여, 맥동 현상을 최소화하고 세정액의 공급 효율을 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
입구유로는 리테이너 링 몸체의 원주 방향을 따라 이격되게 복수개가 형성된다. 바람직하게, 복수개의 입구유로를 리테이너 링 몸체의 원주 방향을 따라 일정한 간격으로 이격되게 형성하는 것에 의하여, 리테이너 링 몸체의 내면에 원주 방향을 따라 균일하게 세정액을 공급하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
더욱 바람직하게, 복수개의 입구유로에 각각 연결된 출구유로의 각 단면적을 합한 총단면적은 세정액 잔류부를 거친 세정액이 배출되는 세정액 배출유로의 단면적보다 크게 형성된다. 이와 같이, 출구유로의 각 단면적을 합한 총단면적이 세정액 배출유로(멤브레인의 외측면과 안내돌기 사이의 영역)의 단면적보다 크게 형성하는 것에 의하여, 간극에 유입되는 세정액 유입 유량이 간극으로부터 배출되는 세정액 배출 유량보다 많게 할 수 있으므로, 안내돌기의 상부에 충분한 양의 세정액이 머무를 수 있게 되어, 세정 안정성을 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 리테이너 링과 멤브레인의 좁은 간극 사이에 잔류된 슬러리를 효과적으로 제거하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
특히, 본 발명에 따르면, 리테이너 링 몸체의 내면으로 공급된 세정액이 일시적으로 잔류되도록 하는 것에 의하여, 세정액에 의한 간극(멤브레인과 리테이너 링 몸체의 사이 간극)의 세정 효율을 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
즉, 기존에는 멤브레인과 리테이너 링의 간극이 매우 좁은 폭으로 형성되기 때문에, 간극의 하부에서 세정액을 분사하더라도, 세정액이 간극으로 충분하게 유입되지 못하고 퇴튕겨져 나옴으로 인해, 멤브레인과 리테이너 링의 간극에 잔류된 슬러리를 효과적으로 제거하기 어려운 문제점이 있다. 하지만, 본 발명은 간극의 상부(간극의 가장 위쪽)에서 세정액을 공급하고, 간극을 따라 낙하하는 세정액에 의해 세정이 행해지도록 하는 것에 의하여, 간극에 충분한 세정액을 공급할 수 있으므로, 멤브레인과 리테이너 링의 간극에 잔류된 슬러리를 효과적으로 제거(세척)하는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 더욱이, 본 발명에서는, 간극(리테이너 링 몸체의 내면)으로 공급된 세정액을 일시적으로 잔류시키는 것에 의하여, 세정액이 멤브레인의 외측면과 리테이너 링 몸체의 내면에 접촉되는 시간을 증가시킬 수 있으므로, 세정액에 의한 세정 효과와 세정 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 리테이너 링 몸체의 내면으로 공급된 세정액이 일시적으로 잔류되도록 하는 것에 의하여, 간극 상에서 세정액이 넓게 펼쳐진 상태로 공급되게 안내할 수 있으므로, 간극에서 미세정 영역(세정액에 의한 세정이 행해지지 않는 영역)이 발생하는 것을 최소화하고, 세정 효율을 보다 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 즉, 간극으로 공급된 세정액은 간극을 따라 낙하하면서 하부로 배출된다. 그런데, 복수개의 세정액 공급부가 리테이너 링의 원주 방향을 따라 이격되게 배치되는 구조에서는, 각 세정액 공급부로부터 세정액이 공급된 지점에서만 세정액이 낙하하며 세정이 이루어지기 때문에, 각 세정액 공급부의 사이 영역에서는 세정액이 공급되지 않은 문제점, 다시 말해서, 각 세정액 공급부의 사이 영역에서는 세정액에 의한 세정이 행해지지 않는 문제점이 있다. 하지만, 본 발명에서는 간극으로 공급된 세정액이 세정액 잔류부에 의해 넓게 분배되도록(세정액이 공급되지 않는 지점까지 세정액이 퍼지게) 하는 것에 의하여, 간극 상에서 미세정 영역이 발생하는 것을 최소화하고, 세정 효율을 보다 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 간극으로 유입된 세정액이 세정액 잔류부에 일차적으로 막혀지고, 그 후 세정액 잔류부를 넘어 간극을 따라 낙하하도록 하는 것에 의하여, 세정액이 리테이너 링 몸체의 내면과 멤브레인의 외측면에 동시에 접촉할 수 있으므로, 다시 말해서, 세정액에 의해 리테이너 링 몸체의 내면과 멤브레인의 외측면이 동시에 세정될 수 있으므로, 멤브레인과 리테이너 링 몸체의 간극에 잔류된 슬러리 및 이물질을 보다 효과적으로 제거(세척)하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 안내돌기를 링 형태 또는 스파이럴 형태롤 형성하는 것에 의하여, 간극 전체 영역에 걸쳐 세정액이 충분하게 퍼지게 할 수 있으므로, 멤브레인과 리테이너 링의 간극에 잔류된 슬러리를 더욱 효과적으로 제거하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 슬러리 제거에 소요되는 시간 및 비용을 절감할 수 있으며, 공정 효율성 및 수율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 종래의 캐리어 헤드를 도시한 반단면도,
도 2는 도 1의 'I'부분의 확대도,
도 3은 간극에 슬러리가 유입된 상태를 도시한 도 1의 'I'부분의 확대도,
도 4는 간극에 세정액을 분사하는 상태를 도시한 도 1의 'I'부분의 확대도,
도 5는 본 발명에 따른 캐리어 헤드를 도시한 단면도,
도 6은 도 5의 'A'부분의 확대도,
도 7은 본 발명에 따른 캐리어 헤드의 리테이너 링을 도시한 저면도,
도 8은 도 7의 'B'부분의 확대도,
도 9 및 도 10은 본 발명에 따른 캐리어 헤드로서, 세정액 잔류부의 변형예를 설명하기 위한 도면,
도 11 및 도 12는 본 발명에 따른 캐리어 헤드로서, 세정액의 진입 및 배출 과정을 설명하기 위한 도면,
도 13 및 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 캐리어 헤드를 설명하기 위한 도면,
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 캐리어 헤드를 설명하기 위한 도면이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙 하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있고, 당업자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 캐리어 헤드를 도시한 단면도이고, 도 6은 도 5의 'A'부분의 확대도이다. 또한, 도 7은 본 발명에 따른 캐리어 헤드의 리테이너 링을 도시한 저면도이고, 도 8은 도 7의 'B'부분의 확대도이다. 그리고, 도 9 및 도 10은 본 발명에 따른 캐리어 헤드로서, 세정액 잔류부의 변형예를 설명하기 위한 도면이고, 도 11 및 도 12는 본 발명에 따른 캐리어 헤드로서, 세정액의 진입 및 배출 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5 내지 도 12를 참조하면, 본 발명에 따른 화학 기계적 연마 공정 중에 r기판을 연마 패드에 가압하는 캐리어 헤드(100)는, 캐리어 헤드 본체(101)와; 캐리어 헤드 본체(101)의 저면에 장착되며, 기판(W)을 연마 패드에 가압하는 멤브레인(140)과; 멤브레인(140)의 외측면에 이격되게 배치되는 리테이너 링 몸체(131)와, 리테이너 링 몸체(131)의 내면에 세정액을 공급하는 세정액 공급부(200)와, 리테이너 링 몸체(131)의 내면에서 세정액을 일시적으로 잔류시키는 세정액 잔류부(300)를 구비하며, 기판의 이탈을 구속하는 리테이너 링(130);을 포함한다.
참고로, 캐리어 헤드(100)는 거치대(미도시)로부터 기판(W)을 로딩 받은 후, 연마 정반(미도시) 상에 제공되는 연마 패드(미도시) 상면에 슬러리가 공급되는 상태에서 기판(W)을 가압하여 화학 기계적 연마 공정을 수행하도록 제공되며, 연마 패드 및 슬러리를 이용한 화학 기계적 연마 공정이 끝난 후에는 기판(W)을 세정 장치로 이송한다.
본 발명에서 기판(W)이라 함은 연마 패드 상에 연마될 수 있는 연마대상물로 이해될 수 있으며, 기판(W)의 종류 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 기판(W)으로서는 웨이퍼가 사용될 수 있다.
보다 구체적으로, 캐리어 헤드 본체(101)는, 구동 샤프트(미도시)와 연결되어 회전하는 본체(110)와, 본체(110)와 연결되어 함께 회전하는 베이스(120)를 포함한다.
본체(110)는 도면에 도시되지 않은 구동 샤프트에 상단이 결합되어 회전 구동된다. 참고로, 본 발명의 실시예에서는 본체(110)가 단 하나의 몸체로 형성된 예를 들어 설명하고 있지만, 경우에 따라서는 2개 이상의 몸체를 결합하여 본체를 구성하는 것도 가능하다.
베이스(120)는 본체(110)에 대하여 동축 상에 정렬되도록 배치되며, 본체(110)와 함께 회전하도록 연결 결합되어, 본체(110)와 함께 회전한다.
멤브레인(140)은 캐리어 헤드 본체(101)의 저면에 장착되며, 기판(W)을 연마 패드에 가압하도록 구성된다.
일 예로, 멤브레인(140)은 도 5에 도시된 바와 같은 구조를 갖는다. 즉, 멤브레인(140)은, 탄성 가요성 소재(예를 들어, 폴리우레탄)로 형성된 바닥판(141)과, 바닥판(141)의 가장자리 끝단으로부터 절곡되어 상측 연직 방향으로 연장 형성되고 가요성 재질로 형성된 측면(미도시)과, 바닥판(141)의 중심과 측면의 사이에 베이스(120)에 결합되는 다수의 링형태의 격벽(143)으로 구성되며, 멤브레인(140)과 베이스(120)의 사이에는 격벽(143)에 의해 분할된 다수의 압력 챔버(C1~C5)가 형성된다.
복수개의 압력 챔버(C1~C5)에는 각각 압력을 측정하기 위한 압력센서가 제공될 수 있다. 각 압력 챔버(C1~C5)의 압력은 압력제어부(195)에 의한 제어에 의해 개별적으로 조절될 수 있다.
리테이너 링(130)은, 캐리어 헤드 본체(101)에 장착되어 화학 기계적 연마 공정 중에 기판(W)의 이탈을 구속한다.
보다 구체적으로, 리테이너 링(130)은 멤브레인(140)의 외측면에 소정 간극(G)을 두고 이격되게 배치되는 리테이너 링 몸체(131)와, 리테이너 링 몸체(131)의 내면에 세정액을 공급하는 세정액 공급부(200)와, 리테이너 링 몸체(131)의 내면에서 세정액을 일시적으로 잔류시키는 세정액 잔류부(300)를 포함한다.
바람직하게, 리테이너 링 몸체(131)는, 링 형태의 제1링부재(132)와, 제1링부재(132)의 하부에 적층되는 링 형태의 제2링부재(134)를 포함하며, 화학 기계적 연마 공정 중에 멤브레인(140) 바닥판(141)의 하측에 위치하는 기판(W)의 둘레를 감싸는 링 형태로 형성된다. 경우에 따라서는 리테이너 링 몸체가 단 하나의 링부재로 구성되는 것도 가능하다.
제1링부재(132)는 도전성 소재로 형성될 수 있고, 제2링부재(134)는 비도전성 부재로 형성되어 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드에 접촉한다. 일 예로, 제2링부재(134)는 엔지니어링 플라스틱이나 수지 등의 재질로 형성될 수 있다.
리테이너 링(130)은 상측에 위치한 링 형태의 가압 챔버(135)의 압력에 의하여 상하 이동되게 구동된다. 구체적으로는, 리테이너 링(130)과 일체로 상하 이동하는 하측 부재와, 하측 부재의 상측에 위치하여 하측 부재의 상면과 맞닿은 상태로 배치된 상측 부재와, 하측 부재와 상측 부재의 접촉면의 둘레를 감싸는 가요성 링부재에 의해 가압 챔버가 형성되어, 압력 제어부로부터 가압 챔버로 공급되는 압력에 따라 하측 부재와 상측 부재 사이의 간격이 조절되면서, 리테이너 링(130)이 연마 패드의 표면을 가압하는 가압력이 제어된다.
그리고, 제2링부재(134)의 저면에는 반경 방향 성분을 갖는 관통홈(미도시)이 관통 형성될 수 있으며, 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드 상에 공급된 슬러리가 관통홈을 통해 배출될 수 있다. 바람직하게 제2링부재(134)의 저면에 원주 방향을 따라 이격되게 복수개의 관통홈을 형성하는 것에 의하여, 리테이너 링(130)의 원주 방향을 따라 균일하게 슬러리를 배출하는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 이때, 관통홈의 개수 및 이격 간격은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
세정액 공급부(200)는 리테이너 링 몸체(131)의 내면에 세정액을 공급하도록 마련된다.
여기서, 세정액 공급부(200)가 리테이너 링 몸체(131)의 내면에 세정액을 공급한다 함은, 멤브레인(140)의 외측면과 리테이너 링 몸체(131)의 내면의 사이에 형성된 간극(G)에 세정액을 공급하는 것으로 이해된다.
참고로, 세정액 공급부(200)는 캐리어 헤드(100)로부터 기판이 분리된 상태에서 세정액을 공급할 수 있다. 경우에 따라서는 캐리어 헤드에 기판이 탑재된 상태에서 세정액 공급부가 세정액을 공급하도록 구성하는 것도 가능하다.
보다 구체적으로, 세정액 공급부(200)는 세정액 잔류부(300)의 상부에 배치되며, 세정액 공급부(200)에서 공급된 세정액은 간극(G)을 따라 낙하하면서 세정액 잔류부(300)를 거친 후 리테이너 링 몸체(131)의 하부로 배출된다.
세정액 공급부(200)에서 공급되는 세정액으로서는 순수와 같은 통상의 세정액이 사용될 수 있으며, 세정액의 종류 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
세정액 공급부(200)는 세정액 잔류부(300)의 상부에서 리테이너 링 몸체(131)의 내면(멤브레인과 리테이너 링 몸체의 사이의 간극)에 세정액을 공급 가능한 다양한 구조로 형성될 수 있다. 일 예로, 세정액 공급부(200)는, 세정액 저장부(미도시)에서부터 세정액이 유입되는 입구유로(210)와, 입구유로(210)에 유입된 세정액을 리테이너 링 몸체(131)의 내면으로 공급하는 출구유로(220)를 포함한다.
보다 구체적으로, 입구유로(210)는 리테이너 링 몸체(131)의 상면에 형성된다. 일 예로, 입구유로(210)는 리테이너 링 몸체(131)에 수직하게 형성될 수 있다.
이때, 입구유로(210)의 상단부는 캐리어 헤드 본체(101)의 상부까지 연장될 수 있다. 경우에 따라서는 입구유로를 캐리어 헤드 본체까지 연장하지 않고, 리테이너 링 몸체에만 형성하는 것도 가능하다. 다르게는 입구유로를 경사지게 형성하는 것도 가능하다.
출구유로(220)의 상단은 입구유로(210)의 하단에 연통되고, 출구유로(220)의 하단은 멤브레인(140)과 리테이너 링 몸체(131)의 사이의 간극(G)에 연통된다. 참고로, 본 발명의 실시예에서는 출구유로(220)가 경사지게 형성된 예를 들어 설명하고 있지만, 경우에 따라서는 출구유로를 수직하게 형성하는 것도 가능하다.
바람직하게, 출구유로(220)는 입구유로(210)보다 작은 단면적(A2〈 A1)을 갖도록 형성된다. 이와 같이, 출구유로(220)의 단면적(A2)을 입구유로(210)의 단면적(A1)보다 작게 형성하는 것에 의하여, 리테이너 링 몸체(131)의 내면으로 공급되는 세정액의 공급 압력 및 공급량을 균일하게 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 출구유로(220)의 출구단에는 세정액 수용챔버(230)가 형성될 수 있으며, 세정액은 세정액 수용챔버(230)에 거친 후 리테이너 링 몸체(131)의 내면으로 공급될 수 있다. 이와 같이, 세정액이 세정액 수용챔버(230)에 먼저 채워진 후, 리테이너 링 몸체(131)의 내면으로 공급되도록 하는 것에 의하여, 맥동 현상을 최소화하고 세정액의 공급 효율을 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 입구유로(210)는 리테이너 링 몸체(131)의 원주 방향을 따라 이격되게 복수개가 형성된다. 바람직하게, 복수개의 입구유로(210)를 리테이너 링 몸체(131)의 원주 방향을 따라 일정한 간격으로 이격되게 형성하는 것에 의하여, 리테이너 링 몸체(131)의 내면에 원주 방향을 따라 균일하게 세정액을 공급하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
세정액 잔류부(300)는 리테이너 링 몸체(131)의 내면에서 세정액을 일시적으로 잔류시키기 위해 마련된다.
참고로, 본 발명에서 세정액 잔류부(300)가 리테이너 링 몸체(131)의 내면에서 세정액을 일시적으로 잔류시킨다 함은, 리테이너 링 몸체(131)의 내면으로 공급된 세정액이 곧바로 배출되지 않고 일시적으로 적체되게 하는 것으로 이해될 수 있으며, 리테이너 링 몸체(131)의 내면 상에서 세정액이 머무르는 시간을 지연시키는 것으로 이해될 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 리테이너 링 몸체(131)의 내면으로 공급된 세정액이 일시적으로 잔류되도록 하는 것에 의하여, 세정액에 의한 간극(멤브레인과 리테이너 링 몸체의 사이 간극)(G)의 세정 효율을 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
즉, 기존에는 멤브레인과 리테이너 링의 간극이 매우 좁은 폭으로 형성되기 때문에, 간극의 하부에서 세정액을 분사하더라도, 세정액이 간극으로 충분하게 유입되지 못하고 퇴튕겨져 나옴으로 인해, 멤브레인과 리테이너 링의 간극에 잔류된 슬러리를 효과적으로 제거하기 어려운 문제점이 있다.
하지만, 본 발명은 간극(G)의 상부에서 세정액을 공급하고, 간극(G)을 따라 낙하하는 세정액에 의해 세정이 행해지도록 하는 것에 의하여, 간극(G)에 충분한 세정액을 공급할 수 있으므로, 멤브레인(140)과 리테이너 링(130)의 간극(G)에 잔류된 슬러리(S)를 효과적으로 제거(세척)하는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 더욱이, 본 발명에서는, 간극(리테이너 링 몸체의 내면)(G)으로 공급된 세정액을 일시적으로 잔류시키는 것에 의하여, 세정액이 멤브레인(140)의 외측면과 리테이너 링 몸체(131)의 내면에 접촉되는 시간을 증가시킬 수 있으므로, 세정액에 의한 세정 효과와 세정 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은 리테이너 링 몸체(131)의 내면으로 공급된 세정액이 일시적으로 잔류되도록 하는 것에 의하여, 간극(G) 상에서 세정액이 넓게 펼쳐진 상태로 공급되게 안내할 수 있으므로, 간극(G)에서 미세정 영역(세정액에 의한 세정이 행해지지 않는 영역)이 발생하는 것을 최소화하고, 세정 효율을 보다 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 즉, 도 7을 참조하면, 간극(G)으로 공급된 세정액은 간극(G)을 따라 낙하하면서 하부로 배출된다. 그런데, 복수개의 세정액 공급부(200)가 리테이너 링(130)의 원주 방향을 따라 이격되게 배치되는 구조에서는, 각 세정액 공급부(200)로부터 세정액이 공급된 지점에서만 세정액이 낙하하며 세정이 이루어지기 때문에, 각 세정액 공급부(200)의 사이 영역(DZ)에서는 세정액이 공급되지 않은 문제점, 다시 말해서, 각 세정액 공급부(200)의 사이 영역(DZ)에서는 세정액에 의한 세정이 행해지지 않는 문제점이 있다. 하지만, 본 발명에서는 간극(G)으로 공급된 세정액이 세정액 잔류부(300)에 의해 넓게 분배되도록 하는 것에 의하여, 간극(G) 상에서 미세정 영역이 발생하는 것을 최소화하고, 세정 효율을 보다 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은 간극(G)으로 유입된 세정액이 세정액 잔류부(300)에 일차적으로 막혀지고, 그 후 세정액 잔류부(300)를 넘어 간극(G)을 따라 낙하하도록 하는 것에 의하여, 세정액이 리테이너 링 몸체(131)의 내면과 멤브레인(140)의 외측면에 동시에 접촉할 수 있으므로, 다시 말해서, 세정액에 의해 리테이너 링 몸체(131)의 내면과 멤브레인(140)의 외측면이 동시에 세정될 수 있으므로, 멤브레인(140)과 리테이너 링 몸체(131)의 간극(G)에 잔류된 슬러리(S) 및 이물질을 보다 효과적으로 제거(세척)하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
세정액 잔류부(300)는 리테이너 링 몸체(131)의 내면(간극)으로 유입된 세정액을 일시적으로 잔류시킬 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 세정액 잔류부(300)는 멤브레인(140)의 외측면과 리테이너 링 몸체(131)의 내면의 사이에 형성된 간극(G)을 부분적으로 막도록 형성된다. 이때, 멤브레인(140)의 외측면과 세정액 잔류부(300)의 사이에는, 간극(G)보다 좁은 폭을 가지며, 세정액이 배출되는 세정액 배출유로(도 6의 DP)가 형성된다.
일 예로, 세정액 잔류부(300)는 리테이너 링 몸체(131)의 내면에 돌출 형성되는 안내돌기(310)를 포함한다.
안내돌기(310)는 리테이너 링 몸체(131)의 내면에 돌출 형성되며, 리테이너 링 몸체(131)의 내면(간극)으로 유입된 세정액은 안내돌기(310)에 일차적으로 막혀지고, 그 후 안내돌기(310)를 넘어 간극(G)을 따라 낙하하게 된다.
안내돌기(310)는 세정액을 일시적으로 구속할 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있다. 바람직하게 안내돌기(310)는 리테이너 링 몸체(131)의 내면에 링 형태로 형성된다. 이와 같이, 안내돌기(310)를 링 형태로 형성하는 것에 의하여, 간극(G) 전체 영역에 걸쳐 세정액을 균일하게 정체시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
일 예로, 리테이너 링 몸체(131)의 내면에는 단 하나의 안내돌기(310)가 형성될 수 있다.(도 6 참조) 경우에 따라서는, 도 9와 같이, 리테이너 링 몸체(131)의 내면에 상하 방향을 따라 이격되게 복수개의 안내돌기(310)를 형성하는 것도 가능하다.
다르게는, 도 10과 같이, 안내돌기(310')를 리테이너 링 몸체(131)의 내면을 따라 스파이럴(spiral) 형태로 연속적으로 형성하는 것도 가능하다. 이와 같이, 안내돌기(310')를 스파이럴 형태로 형성하는 것에 의하여, 세정액이 간극(G) 상에서 체류하는 시간을 보다 증가시킬 수 있으며, 세정액에 의한 세정 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 더욱이, 세정액이 스파이럴 형태의 안내돌기(310')를 따라 이동하는 동안 세정액에 원심력이 부여될 수 있기 때문에, 세정액에 의한 세정 효과를 보다 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 안내돌기(310,310')는 세정액 수용챔버(230)의 하부에 배치되거나, 세정액 수용챔버(230)의 중간(내부)에 배치되는 것이 가능하다.
더욱 바람직하게, 복수개의 입구유로(210)에 각각 연결된 출구유로(220)의 각 단면적을 합한 총단면적은 세정액 잔류부(300)를 거친 세정액이 배출되는 세정액 배출유로(DP)의 단면적보다 크게 형성된다. 이와 같이, 출구유로(220)의 각 단면적을 합한 총단면적이 세정액 배출유로(멤브레인의 외측면과 안내돌기 사이의 영역)(DP)의 단면적보다 크게 형성하는 것에 의하여, 간극(G)에 유입되는 세정액 유입 유량이 간극(G)으로부터 배출되는 세정액 배출 유량보다 많게 할 수 있으므로, 안내돌기(310)의 상부에 충분한 양의 세정액이 머무를 수 있게 되어, 세정 안정성을 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
한편, 도 13 및 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 캐리어 헤드를 설명하기 위한 도면이다. 아울러, 전술한 구성과 동일 및 동일 상당 부분에 대해서는 동일 또는 동일 상당한 참조 부호를 부여하고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 세정액 공급부(200)는, 세정액 저장부(미도시)에서부터 세정액이 유입되는 입구유로(210')와, 입구유로(210')에 유입된 세정액을 리테이너 링 몸체(131)의 내면으로 공급하는 출구유로(220)를 포함하되, 입구유로(210')는 리테이너 링 몸체(131)의 측면에 형성될 수 있다. 일 예로, 입구유로(210')는 리테이너 링 몸체(131)에 수평하게 형성될 수 있다.
참고로, 본 발명의 실시예에서는 리테이너 링 몸체(131)에 입구유로(210')와 출구유로(220)가 모두 형성된 예를 들어 설명하고 있지만, 경우에 따라서는 리테이너 링 몸체에 출구유로만을 형성하고, 캐리어 헤드 본체에 출구유로와 연통되게 입구유로를 형성하는 것도 가능하다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 캐리어 헤드를 설명하기 위한 도면이다. 아울러, 전술한 구성과 동일 및 동일 상당 부분에 대해서는 동일 또는 동일 상당한 참조 부호를 부여하고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 캐리어 헤드는, 캐리어 헤드 본체(101)와, 캐리어 헤드 본체(101)의 저면에 장착되며 기판(W)을 연마 패드에 가압하는 멤브레인(140)과, 멤브레인(140)의 외측면에 간극(G)을 두고 이격되게 배치되며 기판(W)의 이탈을 구속하는 리테이너 링(130)과, 간극(G)으로 세정액을 공급하는 세정액 공급부(200)와, 멤브레인(140)의 외측면에 형성되며 간극(G)에서 세정액을 일시적으로 잔류시키는 세정액 잔류부(300)를 포함한다.
캐리어 헤드 본체(101)는, 구동 샤프트(미도시)와 연결되어 회전하는 본체(110)와, 본체(110)와 연결되어 함께 회전하는 베이스(120)를 포함한다.
멤브레인(140)은 캐리어 헤드 본체(101)의 저면에 장착되며, 기판(W)을 연마 패드에 가압하도록 구성된다.
일 예로, 멤브레인(140)은, 탄성 가요성 소재(예를 들어, 폴리우레탄)로 형성된 바닥판(141)과, 바닥판(141)의 가장자리 끝단으로부터 절곡되어 상측 연직 방향으로 연장 형성되고 가요성 재질로 형성된 측면(미도시)과, 바닥판(141)의 중심과 측면의 사이에 베이스(120)에 결합되는 다수의 링형태의 격벽(143)으로 구성되며, 멤브레인(140)과 베이스(120)의 사이에는 격벽(143)에 의해 분할된 다수의 압력 챔버(C1~C5)가 형성된다.
복수개의 압력 챔버(C1~C5)에는 각각 압력을 측정하기 위한 압력센서가 제공될 수 있다. 각 압력 챔버(C1~C5)의 압력은 압력제어부(195)에 의한 제어에 의해 개별적으로 조절될 수 있다.
리테이너 링(130)은, 캐리어 헤드 본체(101)에 장착되어 화학 기계적 연마 공정 중에 기판의 이탈을 구속한다.
일 예로, 리테이너 링(130)은, 링 형태의 제1링부재(132)와, 제1링부재(132)의 하부에 적층되는 링 형태의 제2링부재(134)를 포함하며, 화학 기계적 연마 공정 중에 멤브레인(140) 바닥판(141)의 하측에 위치하는 기판(W)의 둘레를 감싸는 링 형태로 형성된다.
세정액 공급부(200)는 멤브레인(140)과 리테이너 링(130)의 사이 간극(G)으로 세정액을 공급하도록 마련된다.
보다 구체적으로, 세정액 공급부(200)는 세정액 잔류부(300)의 상부에 배치되며, 세정액 공급부(200)에서 공급된 세정액은 간극(G)을 따라 낙하하면서 세정액 잔류부(300)를 거친 후 리테이너 링(130)의 하부로 배출된다.
세정액 공급부(200)는 멤브레인(140)과 리테이너 링(130)의 사이 간극(G)에 세정액을 공급 가능한 다양한 구조로 형성될 수 있다. 일 예로, 세정액 공급부(200)는, 세정액 저장부(미도시)에서부터 세정액이 유입되는 입구유로(210)와, 입구유로(210)에 유입된 세정액을 간극(G)으로 공급하는 출구유로(220)를 포함한다. 이때, 입구유로는 리테이너 링과 캐리어 헤드 본체 중 적어도 어느 하나에 형성될 수 있다.
또한, 출구유로(220)의 출구단에는 세정액 수용챔버(230)가 형성될 수 있으며, 세정액은 세정액 수용챔버(230)에 거친 후 멤브레인(140)과 리테이너 링(130)의 사이 간극(G)으로 공급될 수 있다. 이와 같이, 세정액이 세정액 수용챔버(230)에 먼저 채워진 후, 멤브레인(140)과 리테이너 링(130)의 사이 간극(G)으로 공급되도록 하는 것에 의하여, 맥동 현상을 최소화하고 세정액의 공급 효율을 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
세정액 잔류부(300)는 멤브레인(140)과 리테이너 링(130)의 사이 간극(G)에서 세정액을 일시적으로 잔류시키기 위해 마련된다.
이와 같이, 본 발명은 멤브레인(140)과 리테이너 링(130)의 사이 간극(G)으로 공급된 세정액이 일시적으로 잔류되도록 하는 것에 의하여, 세정액에 의한 간극(멤브레인과 리테이너 링의 사이 간극)(G)의 세정 효율을 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 간극(G)으로 공급된 세정액이 일시적으로 잔류되도록 하는 것에 의하여, 간극(G) 상에서 세정액이 넓게 펼쳐진 상태로 공급되게 안내할 수 있으므로, 간극(G)에서 미세정 영역(세정액에 의한 세정이 행해지지 않는 영역)이 발생하는 것을 최소화하고, 세정 효율을 보다 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
보다 구체적으로, 세정액 잔류부(300)는 멤브레인(140)과 리테이너 링(130)의 사이 간극(G)을 부분적으로 막도록 멤브레인(140)의 외측면에 돌출 형성된다. 이때, 멤브레인(140)과 세정액 잔류부(300)의 사이에는, 간극(G)보다 좁은 폭을 가지며, 세정액이 배출되는 세정액 배출유로(도 6의 DP)가 형성된다.
일 예로, 세정액 잔류부(300)는 멤브레인(140)의 외측면에 돌출 형성되는 안내돌기(310")를 포함한다.
안내돌기(310")는 멤브레인(140)의 외측면에 돌출 형성되며, 멤브레인(140)과 리테이너 링(130)의 사이 간극(G)으로 유입된 세정액은 안내돌기(310")에 일차적으로 막혀지고, 그 후 안내돌기(310")를 넘어 간극(G)을 따라 낙하하게 된다.
바람직하게 안내돌기(310")는 멤브레인(140)의 외측면에 링 형태로 형성된다. 이때, 멤브레인(140)의 외측면에는 단 하나의 안내돌기(310")가 형성되거나, 상하 방향을 따라 이격되게 복수개의 안내돌기(310")가 형성될 수 있다. 다르게는, 안내돌기(도 10의 310' 참조)를 멤브레인(140)의 외측면을 따라 스파이럴(spiral) 형태로 연속적으로 형성하는 것도 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 캐리어 헤드 101 : 캐리어 헤드 본체
110 : 본체 120 : 베이스
130 : 리테이너 링 131 : 리테이너 링 몸체
132 : 제1링부재 134 : 제2링부재
140 : 멤브레인 200 : 세정액 공급부
210 : 입구유로 220 : 출구유로
230 : 세정액 수용챔버 300 : 세정액 잔류부
310 : 안내돌기

Claims (40)

  1. 화학 기계적 연마 공정 중에 기판을 연마 패드에 가압하는 캐리어 헤드에 장착되어 상기 기판의 이탈을 구속하는 리테이너 링으로서,
    리테이너 링 몸체와;
    상기 리테이너 링 몸체의 내면에 세정액을 공급하는 세정액 공급부와;
    상기 리테이너 링 몸체의 내면에 안내돌기가 돌출 형성되어 상기 리테이너 링 몸체의 내면에서 상기 세정액을 일시적으로 잔류시키는 세정액 잔류부를;
    포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 리테이너 링.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 세정액 공급부는 상기 세정액 잔류부의 상부에 배치되며,
    상기 리테이너 링 몸체의 상면에 형성되어 상기 세정액이 유입되는 입구유로와;
    상기 입구유로에 유입된 상기 세정액을 상기 리테이너 링 몸체의 내면으로 공급하는 출구유로를;
    포함하여, 상기 세정액 공급부에서 공급된 상기 세정액은 상기 세정액 잔류부를 거친 후 상기 리테이너 링 몸체의 하부로 배출되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 리테이너 링.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 입구유로는 상기 리테이너 링 몸체의 측면에 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 리테이너 링.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 출구유로는 상기 입구유로보다 작은 단면적을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 리테이너 링.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 출구유로의 출구단에 형성되는 세정액 수용챔버를 더 포함하고,
    상기 세정액은 상기 세정액 수용챔버를 거친 후 상기 리테이너 링 몸체의 내면으로 공급되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 리테이너 링.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 출구유로의 각 단면적을 합한 총단면적은 상기 세정액 잔류부를 거친 상기 세정액이 배출되는 세정액 배출유로의 단면적보다 큰 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 리테이너 링.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 안내돌기는 상기 리테이너 링 몸체의 내면에 링 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 리테이너 링.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 안내돌기는 상기 리테이너 링 몸체의 내면에 상하 방향을 따라 이격되게 복수개가 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 리테이너 링.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 안내돌기는 상기 리테이너 링 몸체의 내면을 따라 스파이럴(spiral) 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 리테이너 링.
  10. 화학 기계적 연마 공정 중에 기판을 연마 패드에 가압하는 캐리어 헤드로서,
    캐리어 헤드 본체와;
    상기 캐리어 헤드 본체의 저면에 장착되며, 상기 기판을 상기 연마 패드에 가압하는 멤브레인과;
    상기 멤브레인의 외측면에 이격되게 배치되는 리테이너 링 몸체와, 상기 리테이너 링 몸체의 내면에 세정액을 공급하는 세정액 공급부와, 상기 멤브레인의 외측면과 상기 리테이너 링 몸체의 내면의 사이에 형성된 간극을 부분적으로 막도록 형성되어 상기 리테이너 링 몸체의 내면에서 상기 세정액을 일시적으로 잔류시키는 세정액 잔류부를 구비하며, 상기 기판의 이탈을 구속하는 리테이너 링을;
    포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 리테이너 링은 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 리테이너 링인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
  12. 화학 기계적 연마 공정 중에 기판을 연마 패드에 가압하는 캐리어 헤드로서,
    캐리어 헤드 본체와;
    상기 캐리어 헤드 본체의 저면에 장착되며, 상기 기판을 상기 연마 패드에 가압하는 멤브레인과;
    상기 멤브레인의 외측면에 간극을 두고 이격되게 배치되며, 상기 기판의 이탈을 구속하는 리테이너 링과;
    상기 간극으로 세정액을 공급하는 세정액 공급부와;
    상기 멤브레인의 외측면에 형성되며, 상기 간극에서 상기 세정액을 일시적으로 잔류시키는 세정액 잔류부를;
    포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 세정액 잔류부는 상기 간극을 부분적으로 막도록 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 세정액 잔류부는 상기 멤브레인의 외측면에 돌출 형성되는 안내돌기를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 안내돌기는 상기 멤브레인의 외측면에 링 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 안내돌기는 상기 멤브레인의 외측면을 따라 스파이럴(spiral) 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 세정액 공급부는 상기 세정액 잔류부의 상부에 배치되며,
    상기 세정액 공급부에서 공급된 상기 세정액은 상기 세정액 잔류부를 거친 후 상기 간극을 따라 하부로 배출되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 세정액 공급부는,
    상기 세정액이 유입되는 입구유로와;
    상기 입구유로에 유입된 상기 세정액을 상기 간극으로 공급하는 출구유로를;
    포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 출구유로의 출구단에 형성되는 세정액 수용챔버를 더 포함하고,
    상기 세정액은 상기 세정액 수용챔버를 거친 후 상기 간극으로 공급되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
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