KR20140027643A - 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드용 멤브레인 및 이를 구비한 캐리어 헤드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 압력 챔버의 하측에 위치하여, 상기 압력 챔버의 압력에 따라 팽창 가능하게 설치되어 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼를 가압하고, 탄성 소재로 제작되는 멤브레인으로서, 상기 웨이퍼를 가압하되 중앙부에 관통공이 형성된 가압면과; 상기 가압면의 바깥 가장자리로부터 연장되어 상기 캐리어 헤드의 베이스에 고정되는 가장자리 플랩(flap)과; 상기 관통공의 경계로부터 반경 바깥으로 이격된 상기 가압면으로부터 연장되어 상기 베이스에 고정되는 포위 플랩(flap)을; 포함하여 구성되어, 상기 포위 플랩과, 상기 가압면과, 상기 가장자리 플랩 및 상기 베이스에 의해 둘러싸인 공간으로 상기 압력 챔버가 형성되고, 상기 관통공은 상기 포위 플랩으로부터 중앙부로 돌출된 상기 가압면의 돌출부에 의해 둘러싸인 폐단면으로 형성되어, 돌출부에 의해 압력 챔버의 정압에 의한 부피 팽창이 포위 플랩(flap)의 부풀어오름으로 유도되고 가압면의 모서리 부분(포위 플랩과 만나는 부분)의 부풀어오름이 억제되어, 관통공의 주변에서 가압면이 들뜨는 현상을 억제함으로써, 멤브레인의 관통공 주변의 중앙부의 들뜸이 최소화되어 중앙부에서도 웨이퍼에 도입하고자 하는 가압력을 정확히 도입할 수 있는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인 및 이를 구비한 캐리어 헤드를 제공한다.

Description

화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드용 멤브레인 및 이를 구비한 캐리어 헤드{MEMBRANE OF CARRIER HEAD IN CHEMICAL MECHANICAL POLISHING APPARATUS AND CARRIER HEAD HAVING SAME}

본 발명은 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드에 사용되는 멤브레인에 관한 것으로, 상세하게는 중앙부에 웨이퍼에 직접 부압이나 정압을 가하는 관통공이 멤브레인에 형성된 상태에서도, 캐리어 헤드의 압력 챔버의 팽창에 의해 웨이퍼를 가압하는 압력이 웨이퍼의 중앙부에서 균일하게 유지될 수 있도록 하는 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.

이를 위하여, 도1a 및 도1b에 도시된 CMP장치(1)에 나타난 바와 같이, 웨이퍼(W)는 캐리어 헤드(20)에 의해 가압되면서, 캐리어 구동 샤프트(30)에 의해 회전(30d) 구동된다. 이와 동시에, 상면에 연마 패드(11)가 장착된 연마 정반(10)도 회전(10d)하며, 슬러리 공급기(35)의 공급구(36)로부터 슬러리가 공급된다. 그리고, 회전(11d)하는 연마 패드(11)가 웨이퍼(W)의 CMP연마 공정에도 일정한 상태를 유지시키도록 컨디셔너(40)가 소정의 각도만큼 선회축(41)을 중심으로 선회(41d)하면서 회전(40d)하여 연마 패드(11)를 드레싱하면서, 웨이퍼(W)의 CMP 공정을 행하게 된다.

여기서, 도2a의 개략도에 나타난 바와 같이, 캐리어 헤드(20)는 캐리어 구동 샤프트(30)에 결합되어 함께 회전하는 본체(21)와, 본체와 함게 회전하면서 멤브레인(24)의 끝단부(24a)를 위치 고정하는 베이스(22)와, 웨이퍼의 둘레를 감싸면서 연마 패드(11)에 접촉하여 웨이퍼가 멤브레인(24)으로부터 이탈하는 것을 방지하는 리테이너링(23)으로 이루어진다. 그리고, 도2a에 도시된 캐리어 헤드(20)는 멤브레인(24)의 중앙부에 관통공(25)이 형성되어, 압력 제어부(25p)의 제어에 의하여, 웨이퍼(W)를 이동시킬 때에 멤브레인(24)으로부터 웨이퍼(W)가 떨어지지 않도록 관통공(25)을 통해 부압을 작용하고, 웨이퍼(W)를 연마할 때에 관통공(25)을 통해 정압을 가하도록 구성된다.

이러한 CMP 장치에 있어서, 캐리어 헤드(20)는 연마공정 전후에 웨이퍼의 연마 면이 연마 패드와 마주보게 한 상태로 상기 웨이퍼(W)를 가압하여 연마 공정을 행하도록 하고, 동시에 연마 공정이 종료되면 웨이퍼(W)를 관통공(25)을 통해 직접적으로 진공 흡착하여 파지한 상태로 그 다음 공정으로 이동한다.

이 때, 웨이퍼(W)는 연마 패드(11)에 예정된 가압력으로 가압된 상태로 연마 공정이 행해져야 전체 표면에 걸쳐 정해진 연마량으로 정확하게 평탄화된다. 이를 위하여, 캐리어 헤드(20)에 의해 웨이퍼(W)를 하방으로 가압하는 것은 캐리어 헤드(20)의 챔버(C)의 압력을 높여주어, 챔버(C)의 하측에 위치한 멤브레인(24)을 매개로 웨이퍼(W)를 가압하는데, 가요성 소재의 멤브레인(24)은 웨이퍼와 접하는 평탄부 이외에도 베이스(22) 등의 주변 구조물에 고정될 수 있도록 반경 중앙부에 플랩이 수직 방향으로 연장되므로, 챔버(C)의 압력이 높아짐에 따라 멤브레인의 측부도 바깥으로 팽창하려는 성질을 갖게 된다.

이로 인하여, 관통공(25)에 접하는 멤브레인(24)은 가운데 부분(25c)이 들뜨게 되어, 웨이퍼의 중앙부를 충분히 가압하지 못하는 문제가 야기된다. 이와 같은 문제를 해소하기 위하여, CMP공정 중에 관통공(25)을 통해서도 정압이 가해지지만, 멤브레인(24)의 들뜬 부분(25c)의 가압력은 그 주변과 상이하여 균일한 연마가 행해지기 어려운 한계가 있었다

따라서, 캐리어 헤드의 챔버 팽창에 의해 멤브레인을 매개로 웨이퍼를 가압하는 데 있어서, 멤브레인의 중앙부에 관통공이 형성되어 웨이퍼를 직접 파지하는 구조에 있어서도, 웨이퍼의 중앙부 부분도 균일하게 가압될 수 있도록 하는 방안의 필요성이 절실히 요구되고 있다.

본 발명은 전술한 기술적 배경하에서 창안된 것으로, 본 발명은 중앙부에 웨이퍼에 직접 부압이나 정압을 가하는 관통공이 멤브레인에 형성된 상태에서도, 캐리어 헤드의 압력 챔버의 팽창에 의해 웨이퍼를 가압하는 압력이 웨이퍼의 중앙부에서 균일하게 유지될 수 있도록 하는 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드 및 이에 사용되는 멤브레인을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이를 통해, 본 발명은 웨이퍼의 연마 상태가 전체적으로 균일하게 이루어져, 웨이퍼의 중앙부에 관통공이 형성되어 있으면서도 웨이퍼의 중앙부에서도 반도체 소자의 제작에 활용할 수 있는 웨이퍼의 연마 공정이 이루어질 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 압력 챔버의 하측에 위치하여, 상기 압력 챔버의 압력에 따라 팽창 가능하게 설치되어 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼를 가압하고, 탄성 소재로 제작되는 멤브레인으로서, 상기 웨이퍼를 가압하되 중앙부에 관통공이 형성된 가압면과; 상기 가압면의 바깥 가장자리로부터 연장되어 상기 캐리어 헤드의 베이스에 고정되는 가장자리 플랩(flap)과; 상기 관통공의 경계로부터 반경 바깥으로 이격된 상기 가압면 상의 위치로부터 상기 관통공을 둘러싸는 형태로 연장되어 상기 베이스에 고정되는 포위 플랩(flap)을; 포함하여 구성되어, 상기 포위 플랩과, 상기 가압면과, 상기 가장자리 플랩 및 상기 베이스에 의해 둘러싸인 공간으로 상기 압력 챔버가 형성되고, 상기 관통공은 상기 포위 플랩으로부터 중앙부로 돌출된 상기 가압면의 돌출부에 의해 둘러싸인 폐단면으로 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인을 제공한다.

이와 같이, 멤브레인의 가압면이 포위 플랩의 중심을 향하여 돌출된 돌출부를 구비함으로써, 포위 플랩의 외측에 형성되는 압력 챔버의 압력이 높아지더라도, 돌출부에 의해 압력 챔버의 정압에 의한 부피 팽창이 포위 플랩(flap)의 부풀어오름으로 유도되고 가압면의 모서리 부분(포위 플랩과 만나는 부분)의 부풀어오름이 억제되어, 관통공의 주변에서 가압면이 들뜨는 현상을 억제할 수 있다. 따라서, 멤브레인의 저면에 위치하는 웨이퍼를 압력 챔버의 압력이 높아져 가압하는 과정에서도, 멤브레인의 관통공 주변의 들뜸이 최소화되어 관통공 및 그 주변에서도 웨이퍼에 도입하고자 하는 가압력을 정확히 도입할 수 있게 된다.

그리고, 멤브레인의 돌출부는 끝단으로 접근할 수록 점점 낮아지는 하향 경사면이 포함되도록 형성됨으로써, 멤브레인의 중앙 돌출부를 바깥 방향으로 밀어주는 힘 성분에 의하여 관통공에 인접한 압력 챔버의 내측벽(포위 플랩) 모서리 부근의 가압면이 들뜨는 것을 억제하여, CMP 공정 중에 웨이퍼의 표면에 예정된 가압력으로 가압할 수 있게 된다.

그리고, 본 발명은 이 때, 상기 포위 플랩은 'U'자 형태의 절곡부가 형성되어, 상기 압력 챔버가 팽창하는 변위를 포위 플랩이 펼쳐지면서 수용되도록 한다. 이에 의해, 멤브레인의 중앙부에 근접한 압력 챔버의 모서리 부근이 들뜨는 것을 보다 낮출 수 있다.

본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 베이스와 멤브레인에 의해 둘러싸인 압력 챔버는 하나로만 형성될 수도 있지만, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 상기 포위 플랩과 상기 가장자리 플랩의 사이에 1개 이상의 사잇 플랩이 상기 가압면으로부터 연장 형성되어, 상기 압력 챔버는 상기 사잇 플랩을 경계로 하여 2개 이상 형성될 수도 있다.

본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 상기 관통공은 상기 멤브레인의 중심에 형성된 것을 포함한다. 따라서, 포위 플랩에 둘러싸인 상기 관통공은 멤브레인 중심에 형성될 수도 있고, 멤브레인 중심 이외에 하나 이상 형성될 수도 있으며, 멤브레인 중심과 그 이외에 다수로 형성될 수도 있다.

따라서, 본 명세서 전반에 걸쳐 웨이퍼 표면에 가압력을 '균일'하게 가압한다는 기재 및 이와 유사한 기재는 "압력 챔버의 압력이 다수 형성된 경우에, 이들 압력 챔버의 압력이 모두 동일한 압력으로 제어되는 경우에는 웨이퍼의 전체 표면에 가해지는 가압력이 균일한 것인데, 이와 같은 구성에 국한되지 않으며, 이들 압력 챔버의 압력이 서로 다른 압력으로 제어되는 경우에 각각의 압력 챔버에 의해 웨이퍼의 일부 표면에 가해지는 가압력이 균일하다는 것을 포함"하는 것이다.

한편, 본 발명은, 캐리어 구동 샤프트에 연결되어 상기 캐리어 구동 샤프트에 회전 구동되어, 연마 정반의 플래튼 패드 상에 웨이퍼를 가압하면서 회전시키는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드로서, 상기 캐리어 구동 샤프트에 일체로 연결되어 회전 구동되는 본체와; 상기 본체와 함께 회전하는 베이스와; 상기 웨이퍼를 가압하되 하나 이상의 관통공이 형성된 가압면과, 상기 가압면의 바깥 가장자리로부터 연장되어 상기 베이스에 고정되는 가장자리 플랩(flap)과, 상기 관통공의 경계로부터 반경 바깥으로 이격된 상기 가압면으로부터 상기 관통공을 둘러싸는 형태로 연장되어 상기 캐리어 헤드에 고정되는 포위 플랩(flap)을 구비하여, 상기 베이스, 상기 포위 플랩과, 상기 가압면 및 상기 가장자리 플랩에 의해 둘러싸인 공간에 의해 상기 압력 챔버를 형성하는 멤브레인을; 포함하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드를 제공한다.

본 발명에 따르면, 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 압력 챔버의 하측에 위치하여, 상기 압력 챔버의 압력에 따라 팽창 가능하게 설치되어 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼를 가압하고, 탄성 소재로 제작되는 멤브레인으로서, 상기 웨이퍼를 가압하되 관통공이 하나 이상 형성된 가압면과; 상기 가압면의 바깥 가장자리로부터 연장되어 상기 캐리어 헤드의 베이스에 고정되는 가장자리 플랩(flap)과; 상기 관통공의 경계로부터 반경 바깥으로 이격된 상기 가압면으로부터 연장되어 상기 베이스에 고정되는 포위 플랩(flap)을; 포함하여 구성되어, 상기 포위 플랩과, 상기 가압면과, 상기 가장자리 플랩 및 상기 베이스에 의해 둘러싸인 공간으로 상기 압력 챔버가 형성되고, 상기 관통공은 상기 포위 플랩으로부터 중앙부로 돌출된 상기 가압면의 돌출부 끝단에 의해 둘러싸인 폐단면으로 형성되어, 돌출부에 의해 압력 챔버의 정압에 의한 부피 팽창이 포위 플랩(flap)의 부풀어오름으로 유도되고 가압면의 모서리 부분(포위 플랩과 만나는 부분)의 부풀어오름이 억제되어, 관통공의 주변에서 가압면이 들뜨는 현상을 억제함으로써, 멤브레인의 관통공 주변의 들뜸이 최소화되어 관통공 주변에서도 웨이퍼에 도입하고자 하는 가압력을 정확히 도입할 수 있는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인 및 이를 구비한 캐리어 헤드를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 돌출부의 상면은 끝단으로 접근할 수록 점점 낮아지는 하향 경사면으로 형성됨으로써, 멤브레인의 중앙 돌출부를 바깥 방향으로 밀어주는 힘 성분에 의하여 멤브레인 중앙부에 가장 가깝게 위치한 압력 챔버의 내측벽(포위 플랩) 모서리 부근의 가압면이 들뜨는 것을 억제하여, CMP 공정 중에 웨이퍼의 표면에 예정된 가압력으로 가압할 수 있는 유리한 효과가 있다.

이를 통해, 본 발명은 웨이퍼의 연마 상태가 전체적으로 균일하게 이루어져, 웨이퍼의 중앙부에 관통공이 형성되어 있으면서도 웨이퍼의 중앙부에서도 균일한 연마에 의해 반도체 소자의 제작에 활용할 수 있도록 하는 이점이 얻어진다.

도1a는 일반적인 화학 기계적 연마 장치의 구성을 도시한 정면도
도1b는 일반적인 화학 기계적 연마 장치의 구성을 도시한 평면도
도2a는 중앙부에 관통공이 형성된 멤브레인이 장착된 캐리어 헤드의 구성을 도시한 단면도
도2b는 CMP 공정 중에 도2a의 캐리어 헤드의 압력 챔버에 정압을 가하여 웨이퍼를 가압하는 구성을 도시한 단면도
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드의 구성을 도시한 단면도
도4는 도3의 멤브레인의 구성을 도시한 단면도
도5a는 도3의 'A'부분의 확대도
도5b는 도3의 'B'부분의 확대도
도6은 CMP 공정 중에 캐리어 헤드의 압력 챔버에 정압을 가하여 웨이퍼를 가압하는 상태를 도시한 도3의 'B'부분의 확대도

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 멤브레인(B)을 구비한 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드(100)를 상술한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해서는 동일 또는 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

도3 내지 도5b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 멤브레인(B)을 구비한 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드(100)는, 캐리어 구동 샤프트(도1a의 30)에 결합되어 캐리어 구동 샤프트(30)에 의해 회전 구동되는 본체(110)와, 본체(110)의 저면에 형성된 오목한 구형홈(110s)에 맞닿는 구형부(120s)이 구비되어 본체(110)의 구형홈(110s)의 구심(球心)을 중심으로 틸팅되는 연결 부재(120)와, 연결 부재(120)의 구형부(120s)의 반경 바깥 방향으로 돌출된 원형 연장부(121)의 상,저면 및 측면을 감싸는 제1탄성링(130)과, 멤브레인(M)에 의해 연마 패드(11)를 향해 가압되는 웨이퍼(W)의 둘레를 감싸는 리테이너링(145)을 위치시키는 리테이너링 지지부(140)와, 리테이너링 지지부(140)의 중앙부의 상,저면 및 측면을 감싸는 제2탄성링(150)과, 제1탄성링(130)과 제2탄성링(150)의 저면에 맞닿아 지지한 상태로 본체(110)에 볼트(161)에 의해 고정되어 제1탄성링(130)과 제2탄성링(150)의 위치를 고정시키는 고정 부재(160)와, 연결 부재(120)의 둘레에 밀착되어 연결 부재(120)와 함께 틸팅되는 연결 부재 홀더(170)와, 연결 부재 홀더(170)와 결합되어 함께 일체로 틸팅되고 멤브레인(M)을 위치 고정시키는 베이스(180)와, 멤브레인(M)의 포위 플랩을 고정시키는 플랩 고정 블록(190)으로 구성된다.

상기 본체(110)는 캐리어 구동 샤프트(30)에 결합되어, 캐리어 구동 샤프트(30)의 회전 토크를 전달받아 캐리어 헤드(100)를 회전시킨다. 도면에 도시되지 않은 연결 수단에 의해, 리테이너링 지지부(140), 베이스(180) 등이 본체(110)와 함께 회전된다. 본체(110)의 상측은 커버(90)에 의해 덮힌 상태로 구성될 수 있으나, 본 발명의 다른 실시 형태는 별도의 커버(90)를 구비하지 않을 수도 있다.

상기 연결 부재(120)는 캐리어 구동 샤프트(30)가 본체(120)에 결합된 본체(110)에 대하여 구형홈(110s)의 구심(120c)에 대하여 틸팅되는 자유도를 갖는다. 따라서, 캐리어 구동 샤프트(30)가 본체(120)를 하방으로 이동시켜 웨이퍼(W)가 연마 패드(11)의 표면에 닿게 되면, 캐리어 헤드(100)의 자중이나 캐리어 구동 샤프트(30)의 이동에 따른 하중에 의하여 멤브레인(M)의 표면이 연마 패드(11)의 표면에 밀착될 수 있도록, 연결 부재(120)는 본체(110)에 대하여 멤브레인(M)을 틸팅시키는 매개체 역할을 한다.

연결 부재(120)의 구형부(120s)는 본체(110)의 구형홈(110s)과 동일하거나 약간 작은 반경으로 형성되고, 이들의 구심(120c)은 본체(110)의 회전 중심축(68) 상에서 서로 동일한 위치에 배열된다. 따라서, 구형부(120s)와 구형홈(110s)의 표면이 슬립(slip)되면서 연결 부재(120)는 본체(110)에 대하여 틸팅된다.

상기 제1탄성링(130)은 고무나 우레탄 등의 탄성을 갖는 가요성 재질로 형성되며, 'ㄷ'자 단면의 링 형태로 형성되어 연결 부재(120)의 반경 바깥으로 돌출된 두꺼운 디스크 형상의 원형 연장부(121)의 상면, 저면, 측면을 감싸도록 배열된다. 이와 동시에, 제1탄성링(130)이 원형 연장부(121)의 상면과 측면을 감싸는 부분은 본체(110)에 밀착된 상태로 설치된다. 따라서, 제1탄성링(130)은 'ㄷ'자 단면의 측면과 상면이 연결 부재(120)의 원형 연장부(121)와 본체(110)의 사이에 낀 상태로 설치ehldj, 연결 부재(120)의 구형부(120s)가 본체(110)의 구형홈(110s)에 대하여 미끄럼 회전하는 변위가 제1탄성링(130)의 탄성에 의해 허용된다.

상기 리테이너링 지지부(140)는 연마 패드(11)와 접촉한 상태를 유지하면서 CMP 공정 중인 웨이퍼(W)의 둘레를 감싸는 리테이너링(145)이 장착된다. 리테이너 링(145)은 그 상측의 조정 챔버(145c)의 압력을 조절하여, 리테이너링(145)이 마모되더라도 상하 방향(145d)으로 이동하여, 리테이너링(145)이 연마 패드(11)에 항상 접촉될 수 있도록 한다. 다만, 연마 패드(11)의 마모가 불균일하게 일어나 편마모에 의해 연마 패드(11)에 경사면이 형성되는 경우에, 리테이너링(145)이 연마패드(11)에 밀착되기 어려워진다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 캐리어 헤드(100)는 리테이너 링(145)을 고정하는 리테이너링 지지부(140)가 본체(110)에 대하여 틸팅되도록 구성된다.

상기 제2탄성링(150)은 제1탄성링(130)과 마찬가지로 고무나 우레탄 등의 탄성을 갖는 가요성 재질로 형성되며, 'ㄷ'자 단면의 링 형태로 형성되어 'ㄷ'자 단면의 측면과 상면이 리테이너링 지지부(140)의 내측부(151)와 본체(110)의 사이에 낀 상태로 설치된다. 따라서, 리테이너링(145)이 연마 패드(11)의 표면에 맞닿아 밀착하고자 하면, 리테이너링 지지부(140)는 본체(110)와의 사이에 개재된 제2탄성링(150)의 탄성에 의하여 틸팅되는 것이 허용된다.

이와 같이, 리테이너링 지지부(140)와 멤브레인(M)은 연마 패드(11)의 편마모량에 따른 기울기에 따라 틸팅되고, 리테이너링(145)은 리테이너링 지지부(140)와 함께 멤브레인(M)과 무관하게 독립적으로 연마 패드(11)의 편마모량에 따른 기울기에 따라 틸팅된다. 따라서, 연마 패드(11)의 국부적인 편마모량의 기울기 편차가 있더라도, 멤브레인(M)과 리테이너링(145)이 각각 그 편차에 부합하게 틸팅(98, 99)됨으로써, 웨이퍼(W) 및 리테이너링(145)이 항상 연마 패드(145)의 표면에 밀착된다.

상기 고정 부재(160)는 제1탄성링(130)과 제2탄성링(150)의 저면을 지지하도록 볼트(161)로 본체(110)에 고정된다. 이에 따라, 제1탄성링(130)과 제2탄성링(150)은 제 위치에 간단히 위치 고정된다.

상기 연결 부재 홀더(170)는 연결 부재(120)에 삽입되어, 연결 부재(120)의 틸팅에 따라 함께 틸팅된다.

상기 베이스(180)는 멤브레인(M)의 플랩(M2, M3, M4)의 끝단을 결합 부재(88, 89)를 이용하여 고정하고, 그 사이 공간에 압력 챔버를 형성한다. 따라서, 압력 챔버에 공압을 제어하여 멤브레인(M)의 저면에 위치한 웨이퍼(W)가 연마 패드(11) 상에 가압되도록 한다. 여기서, 멤브레인(M)의 중심부에 형성된 관통공(55)은 연결 부재의 중심을 가로지르는 중앙 통로(1205)와 연통되고, 이 중앙 통로(1205)는 외부의 펌프(55p)에 공압 튜브(55L)를 통해 연결된다. 따라서, 멤브레인(M)의 중심부에 형성된 관통공(55)은 외부 펌프(55p)로부터 공기의 압력이 제어되어, 관통공(55)에 밀착된 웨이퍼(W)에 직접 부압 또는 정압을 가할 수 있다. 연결 부재(120)의 구형부(120s)는 본체(110)의 구형홈(110s)에 대하여 슬립(slip) 운동을 하므로, 외부의 펌프(55p)와 슬립되어 연결 부재(120)가 본체(110)에 틸팅된 상태에서도 연통된 상태를 유지하기 위하여, 연결 부재(120)의 중앙 통로(1205)의 상단 직경은 틸팅각을 고려하여 그 크기가 정해진다.

한편, 도4에 도시된 바와 같이 상기 멤브레인(M)은 고무, 우레탄 등 탄성이 있는 가요성 재질로 형성되며, 원형 수평 평탄면으로 형성되어 웨이퍼(W)를 가압하고 중앙부에 관통공(55)이 형성된 가압면(M1)과, 가압면(M1)의 바깥 가장자리로부터 수직으로 연장되어 상기 캐리어 헤드(1)의 베이스(180)의 가장자리에 고정되는 가장자리 플랩(M2)과, 관통공(55)의 경계(55e)로부터 반경 바깥으로 이격된 위치로부터 연장되어 상기 베이스(180)의 중앙부에 자리잡은 플랩 고정블록(191. 192; 190)에 고정되는 포위 플랩(M3)이 구비된다.

여기서, 가장자리 플랩(M2)은 가압면(M1)의 가장 자리로부터 수직으로 연장된 연장부(M21)와, 연장부(M21)로부터 수평으로 연장된 결합부(M22, M23)로 형성된다. 그리고, 가장자리 플랩(M2)의 결합부(M22, M23)는 각각 베이스(180)의 가장자리와 결합 부재(89)의 사이 및 결합 부재(89)의 사이에 위치 고정된다.

그리고, 포위 플랩(M3)은 가압면(M1)의 중앙 관통공(55)의 경계(55e)로부터 바깥쪽으로 이격된 위치로부터 수직 방향으로 연장된 연장부(M31)와, 연장부(M31)의 끝단에서 수평으로 연장된 결합부(M32)로 이루어진다. 그리고 연장부(M31)에는 'U'자 형태의 절곡부(M33)가 형성되어, 중심에 가장 근접한 제1압력 챔버(C1)에 정압이 작용할 때에 절곡부(M33)가 펼쳐지면서 제1압력 챔버(C1)의 팽창을 수용한다. 한편, 도면에는 가압면(M1)의 중심부에 관통공(55)이 1개 형성된 경우를 예로 들었지만, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 가압면(M1)의 중심부 이외에 관통공이 형성되는 구성을 포함한다. 이 경우 관통공은 압력 챔버를 가로지르거나 압력 챔버의 경계에 위치할 수 있다.

가장자리 플랩(M2)과 포위 플랩(M3)의 사이에는 다수의 사잇 플랩(M41, M42, M43, M44; M4)이 간격을 두고 형성된다. 이들 플랩(M2, M3, M4)은 가압면(M1)의 상면으로부터 수직 방향으로 연장된 링 형상이어서, 플랩(M2, M3, M4)의 사잇 공간에는 환상(annular form) 형태의 압력 챔버(C1, C2, C3, C4)가 각각 형성된다. 이들 압력 챔버(C1, C2, C3, C4)는 CMP 공정 중에 동일한 압력으로 제어될 수도 있지만, 서로 다른 압력으로 제어될 수도 있다.

도5b에 도시된 바와 같이, 멤브레인(M)의 포위 플랩(M3)은 중앙부에 형성된 관통공(55)의 경계(55e)로부터 바깥으로 이격된 위치로부터 상방향으로 연장 형성되어 있으므로, 포위 플랩(M3)과 관통공(55)의 사이에는 중심을 향하는 돌출부(Mp)가 형성된다. 이와 같이, 멤브레인(M)의 가압면(M1)이 포위 플랩(M3)의 중심을 향하여 돌출된 돌출부(Mp)를 구비함으로써, 도6에 도시된 바와 같이, 포위 플랩(M3)의 외측에 형성되는 제1압력 챔버(C1)의 압력이 높아지더라도, 돌출부(Mp)에 의해 제1압력 챔버(C1)의 정압(P1)에 의한 부피 팽창이 포위 플랩(flap, M3)의 연장부(M31)의 부풀어오름으로 유도되고, 포위 플랩(M3)이 가압면(M1)과 만나는 모서리 부분(E)의 부풀어오름이 억제되어, 관통공(55)의 주변에서 가압면(M1)이 들뜨는 현상을 억제할 수 있다.

더욱이, 멤브레인(M)의 돌출부(Mp)는 끝단으로 접근할 수록 점점 낮아지는 하향 경사면(Mps)으로 형성됨으로써, CMP 공정 중에 관통공(55)을 통해 웨이퍼(W)에 직접 인가하는 정압(P2)이 하향 경사면(Mps)에 수직한 방향의 힘(Ps)으로 돌출부(Mp)에 가압된다. 즉, 돌출부(Mp)의 중심에 위치한 관통공(55)에는 수직 방향의 힘으로 웨이퍼(W)를 가압하지만, 돌출부(Mp)의 상면에서는 수직 방향의 힘 성분 이외에도 멤브레인(M)의 중앙 돌출부(Mp)를 바깥 방향으로 밀어주는 힘 성분에 의하여 포위 플랩(M3)와 가압면(M1)이 만나는 모서리(E)에서 가압면(M1)이 들뜨는 것을 억제하는 힘으로 작용한다. 따라서, 멤브레인(M)의 중앙 관통공(55)에도 불구하고 관통공(55) 주변의 가압면(M1)이 들뜨는 것이 억제되어, 가압면(M1)이 웨이퍼(W)에 밀착된 상태로 가압력을 가할 수 있게 된다.

이 때, 포위 플랩(M3)은 'U'자 형태의 절곡부(M32)가 형성되어, 제1압력 챔버(C1)가 팽창하는 변위를 포위 플랩(M3)의 절곡부(M32)가 펼쳐지면서 수용되도록 한다. 이에 의해, 멤브레인의 중앙부에 근접한 압력 챔버의 모서리 부근이 들뜨는 것을 보다 낮출 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 멤브레인(M)이 장착된 화학 기계적 연마 장치(100)는, 가압면(M1) 중앙에 관통공(55)이 형성되었음에도 불구하고, 멤브레인(M)의 가압면(M1)이 포위 플랩(M3)의 중심을 향하여 돌출된 돌출부(Mp)를 구비하고, 이 돌출부(Mp)의 상면이 중심을 향하여 하향 경사면(Mps)으로 형성됨으로써, 포위 플랩의 외측에 형성되는 제1압력 챔버(C1)의 압력이 높아져 팽창하더라도, 돌출부(Mp)에 의해 제1압력 챔버(C1)의 부피 팽창이 포위 플랩(M3)의 부풀어오름으로 유도되고 가압면(M1)의 모서리 부분(E)의 부풀어오름이 억제되므로, CMP 공정 중에 저면에 위치하는 웨이퍼(W)에 멤브레인(M)이 항상 밀착된 상태를 유지할 수 있다. 따라서, CMP 공정 중에 멤브레인(M)을 통해 웨이퍼(W)를 가압하는 힘을 보다 정확하게 도입할 수 있는 유리한 효과가 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. 즉, 본 발명의 실시예에서는 멤브레인에 형성된 관통공이 중심에 위치한 것을 예로 들었지만, 본 발명은 웨이퍼에 직접 정압 또는 부압을 가하는 관통공이 멤브레인의 중심에 위치한 것에 한정되지 않으며, 멤브레인의 어떠한 위치에 여러개 위치한 것을 모두 포함한다. 관통공이 멤브레인 중심에 위치하지 않은 경우에는 압력 챔버를 관통하는 형태로 형성된다.

100:캐리어 헤드 110: 본체
120: 연결 부재 120s: 구형부
130: 제1탄성링 140: 리테이너링 지지부
150: 제2탄성링 160: 고정 부재
170: 연결 부재 홀더 180: 베이스
W: 웨이퍼 M: 멤브레인
M1: 가압면 M2: 가장자리 플랩
M3: 포위 플랩 M4: 사잇 플랩

Claims (10)

1. 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 압력 챔버의 하측에 위치하여, 상기 압력 챔버의 압력에 따라 팽창 가능하게 설치되어 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼를 가압하고, 탄성 소재로 제작되는 멤브레인으로서,
   상기 웨이퍼를 가압하되 관통공이 형성된 가압면과;
   상기 가압면의 바깥 가장자리로부터 연장되어 상기 캐리어 헤드의 베이스에 고정되는 가장자리 플랩(flap)과;
   상기 관통공의 경계로부터 반경 바깥으로 이격된 상기 가압면 상의 위치로부터 상기 관통공을 둘러싸는 형태로 연장되어 상기 베이스에 고정되는 포위 플랩(flap)을;
   포함하여 구성되어, 상기 관통공은 상기 포위 플랩으로부터 중앙부로 돌출된 상기 가압면의 돌출부에 의해 둘러싸인 폐단면으로 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 돌출부의 상면은 끝단으로 접근할수록 점점 낮아지는 하향 경사면이 포함되어 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 포위 플랩은 'U'자 형태의 절곡부가 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 포위 플랩과 상기 가장자리 플랩의 사이에 1개 이상의 사잇 플랩이 상기 가압면으로부터 연장 형성되어, 상기 압력 챔버는 상기 사잇 플랩을 경계로 하여 2개 이상 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
   
5. 제 1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 관통공은 상기 멤브레인의 중심에 형성된 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
   
6. 캐리어 구동 샤프트에 연결되어 상기 캐리어 구동 샤프트에 회전 구동되어, 연마 정반의 플래튼 패드 상에 웨이퍼를 가압하면서 회전시키는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드로서,
   상기 캐리어 구동 샤프트에 일체로 연결되어 회전 구동되는 본체와;
   상기 본체와 함께 회전하는 베이스와;
   상기 웨이퍼를 가압하되 하나 이상의 관통공이 형성된 가압면과, 상기 가압면의 바깥 가장자리로부터 연장되어 상기 베이스에 고정되는 가장자리 플랩(flap)과, 상기 관통공의 경계로부터 반경 바깥으로 이격된 상기 가압면으로부터 상기 관통공을 둘러싸는 형태로 연장되어 상기 캐리어 헤드에 고정되는 포위 플랩(flap)을 구비하여, 상기 베이스, 상기 포위 플랩과, 상기 가압면 및 상기 가장자리 플랩에 의해 둘러싸인 공간에 의해 상기 압력 챔버를 형성하는 멤브레인을;
   포함하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 돌출부의 끝단부 상면은 끝단으로 접근할 수록 점점 낮아지는 하향 경사면으로 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
   
8. 제 6항에 있어서,
   상기 포위 플랩은 'U'자 형태의 절곡부가 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
   
9. 제 6항에 있어서,
   상기 포위 플랩과 상기 가장자리 플랩의 사이에 1개 이상의 사잇 플랩이 상기 가압면으로부터 연장 형성되어, 상기 압력 챔버는 상기 사잇 플랩을 경계로 하여 2개 이상 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
   
10. 제 6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 관통공은 상기 멤브레인의 중심에 형성된 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.

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