KR20200054038A - 연마 장치용 캐리어 헤드 및 이에 사용되는 멤브레인 - Google Patents

연마 장치용 캐리어 헤드 및 이에 사용되는 멤브레인 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드 및 이에 사용되는 멤브레인에 관한 것으로, 멤브레인 측면의 상단부로부터 측방향으로 연장된 제1고정플랩과, 멤브레인 측면의 상단부로부터 상부로 연장된 제2고정플랩을 구비하고, 제2고정플랩에 제1경사부분과 제2경사부분이 구비되며 제3연장부분이 베이스 저면에 밀착되게 형성된 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인을 제공한다.

Description

연마 장치용 캐리어 헤드 및 이에 사용되는 멤브레인{CARRIER HEAD OF CHEMICAL MECHANICAL APPARATUS AND MEMBRANE USED THEREIN}
본 발명은 연마 장치용 캐리어 헤드 및 이에 사용되는 멤브레인에 관한 것으로, 상세하게는, 리테이너 링 등의 마모 상태가 변동하더라도 기판의 가장자리에 균일한 가압력을 인가하여 연마 품질을 유지하는 연마 장치용 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.
도1a 및 도1b는 일반적인 연마 장치의 구성을 도시한 도면이다. 도면에 도시된 바와 같이, 연마 장치(9)는, 상면에 연마 패드(11)가 입혀진 상태로 자전(10r)하는 연마 정반(10)과, 연마 패드(11)에 기판의 연마면이 접촉한 상태로 하방 가압(Pc)하면서 자전(2r)하는 캐리어 헤드(2)와, 기판(W)의 화학적 연마를 위하여 슬러리를 공급하는 슬러리 공급부(3)와, 기판의 연마 공정 중에 연마 패드(11)의 상태를 개질하는 컨디셔너(4)를 포함하여 구성된다.
기판(W)의 연마면은 연마 패드(11)에 가압된 상태로 캐리어 헤드(2)에 의하여 자전(2r)하면서 연마 패드(11)와의 마찰에 의한 기계적 연마 공정이 행해지고, 동시에 기판(W)의 연마면은 슬러리 공급구(31)로부터 슬슬러리가 공급되면서 화학적 연마 공정이 동시에 행해진다. 본 발명은 기계적 연마 공정과 화학적 연마 공정이 함께 이루어지는 경우에 적용될 수도 있으며, 기계적 연마 공정만 행해지는 경우에도 적용될 수 있다.
기판의 연마 공정 중에, 컨디셔너(4)는 컨디셔닝 디스크를 아암(41)의 끝단에 위치시킨 상태로 컨디셔닝 디스크를 하방 가압하면서 자전(4r)시키고, 정해진 각도 범위에서 왕복 회전 운동(4d)을 하는 것에 의하여, 연마 패드(11)의 전체 면적에 걸친 개질 공정이 행해진다.
캐리어 헤드(2)는, 도2에 도시된 바와 같이, 외부로부터 회전 구동력이 전달되어 회전하는 본체(2x) 및 베이스(22)와, 베이스(22)에 고정된 멤브레인(21)과, 멤브레인 바닥판(211)의 둘레에 링 형태로 이격되게 배치되어 연마 공정 중에 저면이 연마 패드(11)에 밀착하여 기판의 이탈을 억제하는 리테이너 링(23)으로 이루어진다. 여기서, 본체(2x)와 베이스(22)는 일체 형태로 형성될 수도 있고, 서로 분리된 상태에서 연결 부재에 의해 연결된 형태로 형성될 수도 있다.
여기서, 멤브레인(21)은, 기판(W)의 형상대로 형성되어 기판의 비연마면에 밀착하는 멤브레인 바닥판(211)과, 멤브레인 바닥판(211)의 가장자리로부터 상측으로 연장된 멤브레인 측면(212)과, 멤브레인 바닥판(211)으로부터 연장되어 베이스(22)에 고정된 격벽 플랩(213)을 구비한다. 격벽 플랩(213)의 끝단은 결합 부재(22a)가 베이스(22)에 결합되는 사이 틈새에 끼여 고정되며, 이를 통해 격벽 플랩(213)이 베이스(22)에 고정된다.
그리고, 제1고정플랩(2121)은 멤브레인 측면(212)의 상단부로부터 반경 내측으로 연장되어, 결합 부재(22a)가 베이스(22)에 고정되는 사이 틈새에 끼여 그 끝단이 고정되는 것에 의해 베이스(22)에 고정된다. 제2고정플랩(2122)은 멤브레인 상단부로부터 상방으로 연장되다가 절곡되어 반경 내측으로 연장 형성된다. 마찬가지로, 결합 부재(22a)가 베이스(22)에 고정되는 사이 틈새에 끼여 끝단이 고정되는 것에 의해, 제2고정플랩(2122)도 베이스(22)에 고정된다.
본 명세서에서는 전체에 걸쳐 베이스(22)에 결합되는 '결합 부재(22a)'를 베이스(22)의 일부로 포함되는 것으로 본다.
이에 따라, 압력 제어부(25)로부터 공압이 공급되면, 멤브레인 바닥판(211)과 베이스(22)의 사이에는 격벽 플랩(213)에 의해 구획된 다수의 메인 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)가 팽창하면서, 메인 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)의 바닥면인 바닥판(211)을 가압하는 힘(P)이 챔버 별로 독립적으로 조절되면서 기판(W)을 영역별로 가압한다. 또한, 최외측 메인 압력 챔버(C5)의 상단부에는 제1고정플랩(2121)과 제2고정플랩(2122)과 베이스(22)에 의해 보조 압력 챔버(Cx)가 형성되고, 보조 압력 챔버(Cx)의 압력(Px)이 멤브레인 측면(212)을 통해 하방 전달되어, 기판(W)의 가장자리 부분을 가압한다.
그리고, 리테이너 링(23)은 멤브레인 바닥판(211)의 둘레를 감싸는 링 형태로 형성된다. 리테이너 링(23)은 그 상측에 별도의 공압 챔버가 구비되어 공압 챔버의 압력에 의해 상하 방향으로 이동 가능하게 구성될 수도 있고, 도면에 도시된 바와 같이 본체부(2x)와 일체 형태로 형성될 수도 있다.
상기와 같이 구성된 캐리어 헤드(2)는 연마 공정 별로 기판(W)을 일정하게 가압해야 비로소 기판의 연마 품질을 균일하게 얻을 수 있다.
그러나, 연마 공정이 반복되면, 리테이너 링(23)과 연마 패드(11)가 마모되므로, 이에 의해 멤브레인의 상하 위치가 변동한다. 즉, 리테이너 링(23)이 마모되는 것을 예로 들어 설명하면, 연마 공정 중에 멤브레인 바닥판(211)과 리테이너 링(23)의 저면까지의 거리는 기판의 두께(tw)만큼 일정하므로, 리테이너 링(23)의 마모량이 증가할수록 멤브레인은 상측으로 들리는 변위(99)가 발생된다.
편의상 도3a는 연마 공정 중에 멤브레인(21)이 예정된 형상인 상태를 멤브레인의 기준 위치로 예시한 것이고, 도3b는 리테이너 링(23)의 마모에 따라 멤브레인이 상측으로 들려 올라간 상태를 나타낸 것이다. 여기서, 멤브레인이 상측으로 들려 올라간 상태라는 것은, 연마 공정에 투입된 캐리어 헤드(2)에 기판(W)이 위치하지 않은 것으로 가정한 상태에서, 멤브레인 바닥판(211)과 연마 패드(11)까지의 바닥판 이격거리(y)가 줄어든 것을 의미한다. 이하에서는 간단히 '바닥판 이격거리(y)'를 기준으로 설명하기로 한다.
상기와 같이, 연마 패드나 리테이너 링(23)의 마모량에 따라 멤브레인(21)이 상하 이동하면, 멤브레인(21)의 상하 이동에 따라 멤브레인의 플랩 형상에 미묘한 차이가 생긴다.
이로 인하여, 멤브레인(21)의 플랩들이 정해진 형상으로 있는 상태에서 공압, 회전 속도 등의 연마 공정 변수를 적절히 조절하면, 도6의 Si로 표시된 연마 프로파일과 같이, 기판(W)의 중심에서 가장자리(edge)까지의 연마면 형상(연마 프로파일)이 전체적으로 균일하게 맞출수 있다.
그러나, 리테이너 링(23)의 마모량이 증가할수록 멤브레인(21)이 상방으로 들려 이동하는 변위(99)가 더 커지고, 이에 따라 기판의 가장자리 영역에서는 기판을 가압하는 가압력이 변동된다.
즉, 리테이너 링(23)의 마모량이 증가하여 바닥판 이격거리(y)가 감소하여 y'로 되면, 멤브레인(21)이 전체적으로 상측으로 들려 이동하게 되고, 상측으로 이동한 멤브레인 측면(212)의 상단부로부터 연장 형성된 'ㄱ'자 형태의 제2고정플랩(2122)은 상측 절곡부(Vx)가 베이스(22)의 저면에 막혀있으므로, 멤브레인 측면(212)이 상측으로 들리는 변위(99)에 의한 반력이 그대로 측면을 타고 하방 전달된다. 이에 따라, 멤브레인(21)이 기준 위치(도3a)에 있는 경우에 측면(212)을 따라 하방으로 전달되는 가압력(Fe)에 비하여, 멤브레인(21)이 상측으로 들려 이동한 위치(도3b)에 있는 경우에 측면(212)을 따라 하방으로 전달되는 가압력(Fe')이 더 커진다.
따라서, 도3a에 도시된 기준 위치에서 도6의 Si에 도시된 균일한 연마 프로파일을 얻어지도록 연마 공정 변수를 설정하였더라도, 리테이너 링(23)의 마모에 의해 멤브레인 측면(212)이 상측으로 들려 이동한 상태에서는 기판 가장자리 부분의 연마량이 더 커지므로 도6의 S1으로 표시된 연마 프로파일이 얻어진다는 것이 실험적으로 밝혀졌다.
한편, 리테이너 링(23)의 마모량에 따라 보조 압력 챔버(Cx)의 압력을 낮추는 방법을 모색할 수도 있지만, 연마 공정 중에 리테이너 링(23)의 마모량 측정값에 따라 보조 압력 챔버(Cx)의 압력을 정확히 변동시키는 것이 매우 까다로우므로 바람직하지 않다.
한편, 도4에 도시된 다른 형태의 캐리어 헤드(2')의 멤브레인(21')은 보조 압력 챔버(Cx)를 구비하지 않은 형태로 구성될 수 있다. 이 멤브레인(21')의 구성은 멤브레인 측면(212')의 강성이 낮아 최외측 압력챔버에 압력이 높아질수록 가장자리 부분의 바닥판(21a)이 들뜨므로 기판 가장자리 부분에 충분한 가압력의 도입이 어려운 한계가 있다. 따라서, 도6에 도시된 멤브레인(21')으로는 연마 공정 변수를 적절히 제어하더라도 기판 가장자리 부분에서의 연마 품질이 낮아 도6의 Si로 표시된 연마 프로파일을 얻지 못하고, 도6의 S3로 표시된 연마 프로파일을 얻을 수 밖에 없으므로 바람직하지 않다.
도4에 도시된 다른 형태의 캐리어 헤드(2')의 상측에 보조 압력 챔버(Cx)를 형성하더라도, 멤브레인 측면(212')의 강성이 낮으므로, 보조 압력 챔버(Cx)에서의 압력(Px)을 측면(212')을 따라 하방으로 전달하지 못하여, 도6의 Si로 표시된 연마 프로파일을 얻기 어려운 한계가 있다.
한편, 도3b에 도시된 멤브레인(21)과 관련하여, 리테이너 링(23)의 마모량이 증가하여 멤브레인 측면(212)이 상방으로 들어 올려지는 변위(99)가 발생되면, 제2고정플랩(2122)의 상방 연장부분(Vx)의 선단부가 베이스(22)의 저면(Sb)과 접촉하면서 그 반력으로 멤브레인 측면(212)을 하방으로 밀어내는 힘이 더 커지는 문제가 있었다.
이와 같은 문제를 해결하는 방안으로 도5에 도시된 바와 같이 제2고정플랩(2122")에 주름부(88)를 포함하는 형태로 형성하는 방안을 모색해볼 수 있다. 제2고정플랩(2122")에 주름부(88)가 형성되면, 리테이너 링(23)의 마모량에 따라 멤브레인 측면(212)이 상방으로 들리더라도, 제2고정플랩(2122")의 주름부(88)가 멤브레인 측면(212)의 상방 변위량을 수용하므로, 멤브레인 측면(212)을 통해 기판 가장자리에 인가되는 가압력(Fe")의 크기가 커지는 문제를 방지할 수 있다.
그러나, 제2고정플랩(2122")에 주름부(88)를 형성하고 그 끝단이 베이스(22)의 저면에 고정된 구조에서는, 캐리어 헤드(2")가 연마 공정 중에 자전함에 따라 발생되는 원심력에 의해, 주름부(88)로 인해 고정 끝단까지 길게 형성된 제2고정플랩(2122")에 의해 멤브레인의 가장자리 부분에 뒤틀림(twisting) 변형이 발생되는 문제가 있다. 이로 인하여, 멤브레인 측면의 요동이 심해지면서 기판 가장자리 부분을 가압하는 가압력에도 요동이 발생되어, 기판 가장자리 부분의 연마 품질을 저하시키는 문제가 야기된다.
이 뿐만 아니라, 연마 공정 중의 고속 자전에 의한 원심력으로 인하여, 주름부(88)와 끝단 사이에서 수평 방향으로 연장된 상부 영역은 베이스(22)의 저면(Sb)으로부터 이격(c)된 상태가 된다. 이에 따라, 주름부(88)의 표면에 작용하는 힘이 상하 방향으로 서로 상쇄되더라도, 제2고정플랩의 상부 영역에는 상방으로 들어올리는 힘(Fd)이 작용하므로, 보조 압력 챔버(Cx)의 제2고정플랩(2122")은 멤브레인 측면(212)을 상방으로 들어올리는 힘(Fr)이 작용하는 원인이 되어, 리테이너 링(23)의 마모량 증가에 따라 상방으로 이동하는 멤브레인 측면(212)의 변위(99)를 보다 증폭시키는 원인이 된다. 이에 따라, 멤브레인이 기준 위치에 있을 때에 보조 압력 챔버(Cx)의 압력(Px)으로 멤브레인 측면(212)을 통해 기판 가장자리를 가압하는 가압력(Fe)에 비하여, 오히려 더 낮은 가압력(Fe")이 인가된다.
따라서, 도5에 도시된 멤브레인(21")으로 도6의 Si의 연마 프로파일이 되게 연마 공정 변수를 설정하였더라도, 연마 공정이 반복되어 리테이너 링(23)의 저면 마모량이 증가할수록 기판의 가장자리 부분을 가압하는 가압력(Fe")이 점점 낮아져 도6의 S2로 표시된 연마 프로파일을 얻게 됨을 실험적으로 확인하였다.
이렇듯, 기판(W)의 연마 프로파일이 중심에서 가장자리부분까지 균일한 프로파일(Si)이 되도록 캐리어 헤드의 회전 속도, 메인 압력 챔버 및 보조 압력 챔버의 압력, 연마 정반의 회전 속도 등의 연마 공정 변수들을 셋팅하였더라도, 연마 공정의 진행에 따라 멤브레인 바닥판(211)과 연마 패드(11) 사이의 바닥판 이격거리(y)가 변동함에 따라 기판의 가장자리 부분의 연마 품질이 변동하는 문제가 발생된다.
이 뿐만 아니라, 캐리어 헤드(2)의 자전에 따른 원심력이 작용하면, 멤브레인 측면(212)과 제2고정플랩(2122")에는 뒤틀림 변형이 발생되면서, 기판의 가장자리 부분을 정확히 가압하지 못하여 연마 품질이 저하되는 문제가 발생된다.
따라서, 연마 공정 중에 또는 연마 공정 별로 연마 공정 변수들의 셋팅을 변경하지 않더라도, 기판의 가장자리 부분에서의 연마량을 균일하게 유지하여, 리테이너 링 및 연마 패드의 마모량에 무관하게 일정한 가압력을 기판 가장자리에 인가할 수 있는 멤브레인 구조의 필요성이 절실히 요구되고 있다.
또한, 연마 공정 중에 멤브레인의 뒤틀림 변형으로 인하여 기판 가장자리 부분에 가압력이 충분히 인가되지 못하거나 인가되는 가압력에 요동이 발생되어 연마 품질이 저하되는 문제를 해소하는 방안의 필요성도 요청되고 있다.
상기와 같은 배경 기술은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 본 발명을 도출하는 과정에서 얻어진 다른 형태의 구성을 설명한 것으로서, 본 출원일 이전에 공지된 종래 기술을 의미하는 것은 아니다.
본 발명은 전술한 기술적 배경하에서 창안된 것으로, 연마 장치의 변수들을 별도로 조절하지 않고서도, 리테이너 링이나 연마 패드의 마모량에 무관하게, 기판 가장자리에 인가하는 가압력을 균일하게 유지하는 구조의 멤브레인 및 이를 구비한 캐리어 헤드를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 연마 공정 중에 빠른 속도로 자전하는 캐리어 헤드의 원심력에도 멤브레인의 뒤틀림 변형을 최소화하고 기판의 가장자리에 일정한 가압력을 인가하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 멤브레인 측면의 상단부로부터 측방향으로 연장된 제1고정플랩과, 멤브레인 측면의 상단부로부터 상부로 연장된 제2고정플랩을 구비하고, 제2고정플랩에 제1경사부분과 제2경사부분이 구비되며 제3연장부분이 베이스 저면에 밀착되게 형성된 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인을 제공한다.
본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 "외측" 또는 이와 유사한 용어는 멤브레인 바닥판의 중심으로부터 반경 바깥 방향(r)을 지칭하는 것으로 정의한다. 이와 유사하게, 본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 "내측" 또는 이와 유사한 용어는 멤브레인 바닥판의 중심으로부터 반경 안쪽 방향을 지칭하는 것으로 정의한다.
본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 "상측" 또는 이와 유사한 "상방(上方)" 등의 용어는 멤브레인 바닥판으로부터 베이스를 향하여 멀어지는 방향(z)을 지칭하는 것으로 정의한다.
본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 "수평 거리" 및 이와 유사한 용어는 멤브레인 바닥판과 평행한 방향으로의 이격 거리를 지칭하는 것으로 정의한다.
본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 "수평면"이란 가상의 수평면을 지칭하며, 멤브레인 바닥판과 평행한 임의의 수평면을 지칭하는 것으로 정의한다.
본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 "최외측 메인챔버"는 멤브레인 바닥판의 중심을 기준으로 반경 바깥으로 가장 바깥에 위치한 메인 압력 챔버이면서, 멤브레인 바닥판의 일부를 기판을 가압하는 가압면으로 포함하는 메인 압력 챔버를 지칭하는 것으로 정의한다.
본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 "보조 압력 챔버"는 제1고정플랩을 경계로 하여 최외측 메인챔버의 상측에 위치한 링 형태의 압력 챔버를 지칭하는 것으로 정의한다.
본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 "바닥판 이격거리(y)"는, 연마 공정이 행해지는 위치에 캐리어 헤드(2)가 위치한 상태에서, 캐리어 헤드의 하측에 기판(W)이 위치하지 않은 것으로 가정하고, 일정 압력(P)이 캐리어 헤드의 압력 챔버에 공급된 것으로 가정한 상태에서, "멤브레인 바닥판의 저면과 연마 패드의 상면까지의 이격 거리"를 지칭하는 것으로 정의한다.
이에 따라, 기판이 위치한 상태에서는, 리테이너 링이 캐리어 헤드에 고정된 상태에서 리테이너 링의 마모량이 커지면, 바닥판 이격거리가 작아져 멤브레인이 들리는 변위가 발생된다. 기판이 위치한 상태에서는, 리테이너 링이 캐리어 헤드에 상하 이동이 가능하고 연마 공정이 이루어지는 캐리어 헤드의 높이가 고정된 상태에서 연마패드의 마모량이 커지면, 바닥판의 이격거리가 커져 멤브레인이 하방으로 이동하는 변위가 발생된다.
본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 "기준 위치"는 "리테이너 링의 마모 이전 상태로서 마모 전후를 대비하기 위하여 임의로 정해지는 위치" 또는 "리테이너 링이 캐리어 헤드에 상하 이동이 가능하고 연마 공정이 이루어지는 캐리어 헤드의 높이가 고정된 상태에서, 연마 패드의 마모 이전의 상태로서 마모 전후를 대비하기 위하여 임의로 정해지는 위치"로 정의된다.
즉, 리테이너 링이나 연마 패드의 마모 이전 상태와 이후 상태를 상대적으로 비교하기 위한 것으로서, 리테이너 링이나 연마 패드의 마모 이전 상태를 '기준 위치'라고 정의한다. 따라서 '기준 위치'는 임의로 정해질 수 있으며, 설명의 편의를 위하여 본 발명의 실시예에서는 '멤브레인의 고정 플랩이 원래의 형상을 유지한 상태(도9a)'로 예로 들어 설명하였다.
본 발명에 따르면, 연마 공정을 반복하면서 연마 패드나 리테이너 링의 마모가 진행되고, 이에 따라 멤브레인 측면이 상하 방향으로 이동하는 변위가 발생되더라도, 기판의 가장자리에 균일한 가압력을 인가하여 기판의 연마 프로파일을 일정하게 형성하는 연마 공정을 구현하는 유리한 효과가 있다.
즉, 본 발명은, 연마 공정 중에 연마 공정 변수를 변경하지 않고 멤브레인 형상만으로, 멤브레인 바닥판과 연마 패드 사이의 바닥판 이격거리(y)가 변동하더라도 기판 가장자리에 균일한 가압력을 인가하는 효과를 얻을 수 있다.
이를 통해 본 발명은 기판의 연마 품질을 신뢰성있게 유지하는 효과를 얻을 수 있다.
도1a는 일반적인 기판 연마 장치의 구성을 도시한 정면도,
도1b는 도1a의 평면도,
도2는 도1a의 캐리어 헤드의 구성을 도시한 반단면도,
도3은 도2의 'A'부분의 확대도,
도4는 다른 형태의 캐리어 헤드의 가장자리 부분의 구성을 도시한 확대도,
도5는 다른 형태의 캐리어 헤드의 가장자리 부분의 구성을 도시한 확대도,
도6은 멤브레인 구조에 따른 기판의 연마 프로파일을 도시한 그래프,
도7은 본 발명의 제1실시예에 따른 기판 연마 장치의 캐리어 헤드의 멤브레인을 도시한 횡단면도,
도8은 도7의 'B'부분의 확대도,
도9a는 도2의 'A'부분에 대응하는 구성으로서, 도7의 멤브레인이 캐리어 헤드에 장착되어 연마 공정 중의 가압력 작용 상태를 도시한 도면,
도9b는 바닥판 이격거리가 감소하여 멤브레인 측면이 상방 이동한 상태에서, 도7의 멤브레인이 캐리어 헤드에 장착되어 연마 공정 중의 멤브레인 측면을 통하여 전달되는 가압력 작용 상태를 도시한 도면,
도9c는 바닥판 이격거리가 증가하여 멤브레인 측면이 하방 이동한 상태에서, 도7의 멤브레인이 캐리어 헤드에 장착되어 연마 공정 중의 멤브레인 측면을 통하여 전달되는 가압력 작용 상태를 도시한 도면,
도10은 도9b의 'C'부분의 확대도,
도11은 본 발명의 제2실시예에 따른 기판 연마 장치의 캐리어 헤드의 멤브레인이 캐리어 헤드에 장착되어, 바닥판 이격거리가 감소한 상태에서 연마 공정 중의 멤브레인 측면을 통하여 전달되는 가압력 작용 상태를 도시한 도면,
도12는 본 발명의 제3실시예에 따른 기판 연마 장치의 캐리어 헤드의 멤브레인이 캐리어 헤드에 장착되어, 바닥판 이격거리가 감소한 상태에서 연마 공정 중의 멤브레인 측면을 통하여 전달되는 가압력 작용 상태를 도시한 도면,
도13은 본 발명의 제4실시예에 따른 기판 연마 장치의 캐리어 헤드의 멤브레인이 캐리어 헤드에 장착되어, 바닥판 이격거리가 감소한 상태에서 연마 공정 중의 멤브레인 측면을 통하여 전달되는 가압력 작용 상태를 도시한 도면,
도14는 본 발명의 제5실시예에 따른 기판 연마 장치의 캐리어 헤드의 멤브레인의 가장자리 부분의 확대도이다.
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.
본 발명의 제1실시예에 따른 기판 연마 장치용 캐리어 헤드(201)는, 도2를 참조하여 설명한 캐리어 헤드(2)의 구성과 유사하게 형성된다. 즉, 캐리어 헤드(201)는 구동 샤프트(미도시)와 연결되어 회전 구동되는 본체(2x)와, 본체(2x)와 연결되어 함께 회전하는 베이스(22)와, 본체(2x)와 베이스(22) 중 어느 하나 이상에 연결 고정되어 함께 회전하는 링 형태의 리테이너 링(23)과, 베이스(22)에 고정되어 베이스(22)와의 사이에 메인 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5) 및 보조 압력 챔버(Cx)를 형성하고 신축 변형과 휨 변형 중 어느 하나 이상이 쉽게 이루어지는 가요성 소재로 형성되는 멤브레인(101)과, 메인 압력 챔버(C1,...,C4, C5) 및 보조 압력 챔버(Cx)에 공압을 공급하여 압력을 조절하는 압력 제어부(25)로 구성된다.
도면에 전체 형상이 도시되지 않았지만, 도2에 도시된 반단면도에 도시된 바와 같은 형상을 360도만큼 회전시킨 구조로 형성된다.
상기 베이스(22)는 본체(2x)와 일체로 형성되거나 연결 부재(미도시)로 연결되어, 외부로부터 전달되는 회전 구동력에 의해 함께 연마 공정 중에 회전한다. 이에 따라, 베이스(22)와 본체(2x) 중 어느 하나 이상에 고정된 멤브레인(101)과 리테이너 링(23)도 함께 회전한다.
상기 리테이너 링(23)은 멤브레인(101)의 바닥판(110)의 둘레를 감싸는 링 형태로 형성된다. 리테이너 링(23)은 연마 공정 중에 연마 패드(11)에 밀착된 상태를 유지하여, 연마 공정 중에 멤브레인 바닥판(110)의 하측에 위치한 기판이 마찰력에도 불구하고 캐리어 헤드(201)의 바깥으로 이탈하는 것을 방지한다.
리테이너 링(23)은 캐리어 헤드(201)의 본체(2x)에 일체로 형성되어, 캐리어 헤드(201)의 상하 이동이나 연마 정반(10)의 상하 이동에 의해 그 저면이 연마 패드(11)에 밀착된 상태를 유지하게 구성될 수 있다. 또는, 리테이너 링(23)의 상측에 별도의 공압 챔버가 형성되어, 공압 챔버에 정압이 공급되면 리테이너 링(23)이 하방으로 이동하여 그 저면이 연마 패드(11)의 상면에 밀착된 상태가 되도록 구성될 수도 있다. 이 경우에는, 리테이너 링(23)이 상하 방향으로 이동하여 연마 공정을 위해 연마 패드(11) 상에 밀착되는 구동 메커니즘을 구비하고 있으므로, 캐리어 헤드(201)는 통상적으로 연마 패드(11)에 대하여 정해진 높이에서 연마 공정을 행한다.
상기 멤브레인(101)은, 도7에 도시된 바와 같이, 연마 공정 중에 기판(W)을 저면에 밀착한 상태로 위치시키는 멤브레인 바닥판(110)과, 멤브레인 바닥판(110)의 가장자리 끝단으로부터 상향 연장된 멤브레인 측면(120)과, 멤브레인 바닥판(110)의 중심과 멤브레인 측면(120)의 사이에서 바닥판(110)으로부터 상향 연장되어 베이스(22)에 결합되는 링 형태의 다수의 격벽 플랩(131, 132, 133, 134; 130)과, 멤브레인 측면(120)의 상단부로부터 내측으로 연장 형성되어 그 끝단(121e)이 캐리어 헤드(201)의 베이스(22)에 고정되어 멤브레인 바닥판(110)과 멤브레인 측면(120)으로 일부가 둘러싸인 메인 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)를 형성하는 제1고정플랩(121)과, 멤브레인 측면(120)의 상단부와 제1고정플랩(121) 중 어느 하나로부터 연장 형성되고 제1고정플랩(121)과 함께 상기 메인 압력 챔버(C5)의 상측에 보조 압력 챔버(Cx)를 형성하고 보조 압력 챔버(Cx)에 정압이 인가된 상태에서 멤브레인 측면(120)의 상하 이동 변위(99, 99')에 대하여 보상력(Fr)을 작용하는 제2고정플랩(122)을 포함하여 구성된다.
멤브레인 바닥판(110)의 상면으로부터 연장된 다수의 격벽 플랩(131, 132, 133, 134; 130)은 그 끝단이 베이스(22)와 결합 부재(22a)를 매개로 베이스(22)에 고정된다. 이에 따라, 메인 압력 챔버는 베이스(22)와 멤브레인 바닥판(110)의 사이에서 다수의 메인 압력 챔버(C1,..., C4, C5)로 분할 형성된다. 도7에 도시된 바와 같이 격벽 플랩(130)은 중심선을 기준으로 동심원을 이루는 링 형태로 바닥판(110)으로부터 다수 연장 형성될 수 있다.
그리고, 멤브레인 측면(120)의 상단부에는 제1고정플랩(121)이 내측으로 연장되어, 도9a에 도시된 바와 같이, 제1고정플랩(121)의 끝단(121e)이 결합 부재(22a, 22x)에 의해 베이스(22)에 고정되고, 멤브레인 측면(120)의 상단부에 제2고정플랩(122)이 상측으로 연장된다.
멤브레인 바닥판(110)은 전체가 가요성 재질로 형성되어, 그 상측의 메인 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)의 압력에 따라 자유롭게 신장되거나 변형된다. 기판이 없는 상태에서는, 메인 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)에 정압이 인가되면 멤브레인 바닥판(110)은 전체적으로 하방 이동하고, 메인 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)에 부압이 인가되면 멤브레인 바닥판(110)은 전체적으로 상방 이동한다.
멤브레인 격벽 플랩(130)도 역시 가요성 재질로 형성되어, 압력 챔버(C1,...,C5)의 압력에 따라 자유롭게 신장되거나 휨 변형된다. 멤브레인 측면(120)은 링형 고정체(120i, 120o)를 제외하고 가요성 재질로 형성되어, 링형 고정체(120i, 120o)가 형성되지 아니한 부분은 최외측 압력 챔버(C5)와 그 상측에 위치한 보조 압력 챔버(Cx)의 압력에 따라 자유롭게 신장되거나 휨 변형된다. 여기서, 링형 고정체(120i, 120o)는 바닥판(110)이나 격벽(112) 등을 형성하는 가요성 재질에 비하여 보다 높은 강성(stiffness)을 갖는 재질로 형성되며, 예를 들어, 플라스틱, 수지, 금속 등의 재질 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
대체로 가요성 재질은 모두 동일한 재질로 일체 성형되지만, 본 발명은 이에 한정되지 아니하며, 위치에 따라 서로 다른 2개 이상의 가요성 재질로 형성될 수도 있다. 여기서, 가요성 재질은 폴리우레탄 계열, 고무 계열 등 다양한 재질 중에 어느 하나로 선택될 수 있다.
이와 같이, 링형 고정체(120i, 120o)가 멤브레인 측면(120)에 결합되면, 멤브레인 측면이 수평 방향으로 볼록해지는 휨 강성이 보강된다. 이에 따라, 링형 고정체(120i, 120o)가 결합된 측면 영역은 가요성 재질로만 형성된 영역에 비하여 강성이 높으므로, 최외측 압력챔버(C5) 및 상측 챔버(Cx)의 압력이 높아지더라도, 링형 고정체(120i, 120o)에 의해 휨 변형이 구속되므로, 가요성 재질로 이루어진 링형 고정체(120i, 120o) 주변 영역의 휨 변형을 보다 크게 유도하는 역할을 한다.
도8 및 도9a에 도시된 바와 같이, 멤브레인 측면(120)의 상단부로부터 베이스(22)를 향하는 내측으로 가요성 재질의 제1고정플랩(121)이 연장되고, 멤브레인 측면(120)의 상단부로부터 경사부분(즉, 주름부)가 구비된 형태로 상방 연장된 가요성 재질의 제2고정플랩(122)이 연장 형성된다. 제1고정플랩(121)과 제2고정플랩(122)은 가요성 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 제1고정플랩(121)과 제2고정플랩(122)의 끝단(121e, 122e)는 각각 베이스(22)에 고정되어, 제1고정플랩(121)과 제2고정플랩(122)과 베이스(22)로 둘러싸인 공간은 보조 압력 챔버(Cx)를 형성한다.
여기서, 제2고정플랩(122)은 멤브레인 바닥판(110)으로부터 상방으로 갈수록 반경 내측으로 경사지게 형성된 제1경사부분(A1)과 상방으로 갈수록 반경 외측으로 경사지게 형성된 제2경사부분(A2)과, 베이스(22)의 저면(Sb)에 고정될 수 있도록 제2경사부분(A2)과 연결되어 내측으로 연장된 제3연장부분(A3)을 포함한다.
제3연장부분(A3)은 베이스(22)의 외측면(Sa)에 비해 보다 내측에 고정 끝단(122e)이 고정된다. 예를 들어, 제3연장부분(A3)에 형성된 고정끝단(122e)은 베이스(22)의 저면에 고정된다. 이에 따라, 제1고정플랩(121)과 제2고정플랩(122)으로 둘러싸인 공간에는 보조 압력 챔버(Cx)가 형성되고, 보조 압력 챔버(Cx)는 최외측 메인 압력 챔버(C5)의 상측에 위치하게 된다.
도면에 예시된 실시예에서는 제1경사부분(A1)과 제2경사부분(A2)이 직선 형태의 평면으로 형성된 구성이 예시되어 있지만, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 제1경사부분(A1)과 제2경사부분(A2) 중 어느 하나 이상은 평탄면, 곡면 중 어느 하나로 형성될 수도 있다.
연마 공정 중에 압력 조절부는 보조 압력 챔버(Cx)에 정해진 압력(Px)을 공압으로 인가하도록 구성된다. 여기서, 정해진 압력(Px)은 어느 하나의 값으로 고정된 고정값일 수도 있고, 연마 공정 중에 미리 정해진 패턴으로 변동하는 변동값일 수도 있으며, 연마 공정 중에 측정값에 따라 제어되어 변동하는 값일 수도 있다.
보조 압력 챔버(Cx)에 공압이 공급되면, 보조 압력 챔버(Cx)의 내벽 표면에 수직한 방향으로의 힘이 작용한다. 이에 따라, 도9a에 도시된 바와 같이, 제1경사부분(A1)에는 F1으로 표시된 힘이 상향 경사지게 작용하고, 제2경사부분(A2)에는 F2로 표시된 힘이 하향 경사지게 작용한다. 그리고, 멤브레인 측면(120)이 상하 방향으로 이동하면, 제1경사부분(A1)과 제2경사부분(A2)의 회전 변위에 따라 그 표면에 작용하는 제1힘(F1)과 제2힘(F2)은 변동하게 되며, 제1힘(F1)과 제2힘(F2)의 변동분에 대한 수직 성분에 의해 보상력(Fr)이 상방 또는 하방으로 작용하게 된다.
다만, 기준 위치에서도 제1경사부분(A1)과 제2경사부분(A2)에 작용하는 제1힘(F1)과 제2힘(F2)에 의해 상방 또는 하방으로 작용하는 힘이 있을 수도 있지만, 본 명세서 및 청구범위에 기재된 보상력(Fr)은 기준 위치에서 작용하는 힘에 추가하여 상방 또는 하방으로 작용하는 힘을 지칭하는 것으로 정의한다.
예를 들어, 리테이너 링(23)이나 연마 패드(11)의 마모 이전 상태인 '기준 위치'에서 제1경사부분(A1)과 제2경사부분(A2)에 작용하는 힘(F1, F2)의 수직 방향의 성분은 '0'가 되게 정해질 수 있다. 이와 다르게, 보조 압력 챔버(Cx)의 압력(Px)에 의해 멤브레인 측면(120)을 통해 기판 가장자리에 전달되는 가압력(Fe)의 크기를 고려하여, 기준 위치에서 제1경사부분(A1)과 제2경사부분(A2)에 작용하는 힘(F1, F2)의 수직 방향의 성분은 '0' 이외의 값으로 정해질 수도 있다.
리테이너 링(23)이나 연마 패드(11)의 '마모 이전 상태'는 최초로 리테이너 링이나 연마 패드를 장착한 상태로 한정되지 않으며, '마모 이후 상태'와 대비하기 위한 임의의 상태를 지칭한다. 편의상 도9a에 도시된 멤브레인(101)의 기준 위치는 제1고정플랩(121)이 수평으로 연장된 상태로 도시되어 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
이하에서는, 설명의 편의를 위하여 '기준 위치'에서 제1경사부분(A1)과 제2경사부분(A2)에 작용하는 힘(F1, F2)의 수직 방향의 성분이 '0'인 경우로 설명하기로 한다.
무엇보다도 제3연장부분(A3)은 베이스(22)의 저면(Sb)에 밀착된 상태를 유지한다. 이를 위하여, 제3연장부분(A3)은 베이스(22)의 저면(Sb)에 밀착하는 형상으로 형성된다. 예를 들어, 베이스(22)의 저면(Sb)이 평탄면인 경우에는 제3연장부분(A3)은 베이스(22)의 저면 형상과 동일하게 평탄면으로 형성된다. 도면에 도시되지는 않았지만, 베이스(22)의 저면(Sb)이 곡면이거나 꺾인 면인 경우에는 제3연장부분(A3)도 베이스(22)의 저면 형상과 동일한 곡면이나 꺾인 면으로 형성된다.
무엇보다도, 제3연장부분(A3)은 제2경사부분(A2)에 비하여 보다 충분히 높은 휨 강성을 갖게 형성된다. 즉, 제3연장부분(A3)은 제2경사부분(A2)에 비해 충분히 높은 휨 강성을 갖도록 형성됨에 따라, 멤브레인 측면(120)이 상하 방향으로 이동하더라도, 제3연장부분(A3)의 휨 변형이 억제되어 베이스(22)의 저면(Sb)에 밀착된 상태를 유지하며, 멤브레인 측면(120)의 상하 이동 변위를 제2경사부분(A2)의 변형에 의해 수용되도록 한다.
이를 위하여, 제3연장부분(A3)은 제2연장부분(A2)과 다른 재료로 형성되거나 강성이 보다 높은 재료를 포함하여 형성될 수 있다. 간단하게는, 도8 및 도9a에 도시된 바와 같이, 제3연장부분(A3)은 제2연장부분(A2)과 동일한 재료로 형성되면서 보다 두꺼운 재료로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 제3연장부분(A3)은 제2경사부분(A2)에 비하여 1.5배 내지 15배의 휨 강성을 갖는 재질로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 3배 내지 10배의 휨 강성을 갖는다.
이와 같이, 제3연장부분(A3)이 높은 휨 강성을 갖고 베이스(20)의 저면에 밀착된 상태를 유지함에 따라, 캐리어 헤드(201)가 연마 공정 중에 고속으로 자전함에 따라 원심력이 발생되더라도, 도5에서 제2고정플랩(122)을 상측으로 밀어내도록 작용하는 힘(Fd)이 제거됨에 따라, 멤브레인 측면(120)과 제2고정플랩(122)은 캐리어 헤드(201)의 자전에 의한 비틀림 변형에 저항하는 강성이 높아져, 멤브레인(101)의 측면 부분의 뒤틀림 현상을 보다 줄일 수 있다.
따라서, 연마 공정 중에 멤브레인 측면(120)과 인접한 부분이 뒤틀림(twisting) 변형이 억제되면서, 측면 부분의 멤브레인 바닥판이 기판의 가장자리 부분과 불안정하게 접촉하는 문제를 해결할 수 있으며, 기판 가장자리 부분에 가압력(Fe)을 지속적으로 끊임없이 인가하여 기판 가장자리 부분의 연마 프로파일이 원주 방향으로의 산포가 균일해지는 효과를 얻을 수 있다
특히, 제3연장부분(A3)이 높은 휨 강성을 갖고 베이스(20)의 저면에 밀착된 상태를 유지함에 따라, 보조 압력 챔버(Cx)의 천장면을 형성하는 제3연장부분(A3)은, 멤브레인(101)이 전체적으로 상방으로 이동하는 변위(99')가 발생한 경우 뿐만 아니라, 멤브레인(101)이 전체적으로 하방 이동하는 변위(99)가 발생한 경우에도 대부분 베이스(22)의 저면(Sb)에 밀착한 상태를 유지한다.
따라서, 보조 압력 챔버(Cx)에 작용하는 압력(Px)이 챔버(Cx)의 내벽을 전체적으로 균일하게 가압하고, 이에 따라 천장면을 형성하는 제3연장부분(A3)을 상방으로 가압하더라도, 제3연장부분(A3)이 베이스(22)의 저면(Sb)에 밀착한 상태를 유지하여 그 힘의 전부 또는 대부분이 베이스(22)의 저면에 전달되게 함으로써, 제3연장부분(A3)에 의해 제2고정플랩(122)을 들어올리는 힘이 작용하지 않게 된다.
이에 따라, 제2고정플랩(122)에 의해 멤브레인 측면(120)에 작용하는 보상력(Fr, Fr')은 대부분 제1경사부분(A1)과 제2경사부분(A2)에 작용하는 힘(F1, F2)에 의해 정해진다.
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도9b를 참조하면, 리테이너 링(23)이 캐리어 헤드(201)에 일체로 고정되어 있는 경우에는, 리테이너 링(23)의 마모량이 증가함에 따라, 멤브레인 바닥판(110)과 연마 패드(11) 사이의 바닥판 이격 거리(y)는 도9a의 y에 비하여 y'값으로 감소한다. 따라서, 연마 공정을 위해 기판을 멤브레인 하측에 위치시킨 상태에서의 멤브레인(101)은 도9a의 기준 위치로부터 상방으로 이동하는 변위(99)가 발생된다(도9b).
한편, 리테이너 링이 상하 이동 가능하게 형성되고 캐리어 헤드가 정해진 높이에서 연마 공정을 행하는 경우에, 연마 패드(11)의 마모량이 증가함에 따라, 도9b에 도시된 바와 같이, 멤브레인 바닥판(110)과 연마 패드(11) 사이의 바닥판 이격 거리(y)는 도9a의 y에 비하여 y"값으로 증가한다. 따라서, 연마 공정을 위해 기판을 멤브레인 하측에 위치시킨 상태에서의 멤브레인(101)은 도9a의 기준 위치로부터 하방으로 이동하는 변위(99')가 발생된다(도9c).
이와 같이, 리테이너 링이 캐리어 헤드에 일체로 고정된 경우에, 리테이너 링(23)의 마모가 진행될수록, 멤브레인 측면(120)을 포함하는 멤브레인(101)이 상방으로 이동하는 변위(99)가 점점 커지고, 이에 따라, 제2고정플랩(122)에 의해 발생된 보상력(Fr)은 바닥판(110)을 향하는 하방으로 점점 크게 작용한다. 그리고, 리테이너 링이 캐리어 헤드에 대해 상하 이동 가능하게 설치된 경우에, 연마 패드(11)의 마모가 진행될수록, 멤브레인 측면(120)을 포함하는 멤브레인(101)이 하방으로 이동하는 변위(99')가 점점 커지고, 이에 따라, 제2고정플랩(122)에 의해 발생된 보상력(Fr)은 바닥판(110)을 향하는 상방으로 점점 크게 작용한다.
이와 같이 멤브레인 측면(120)이 상방이나 하방으로 이동함에 따라, 제2고정플랩(122)의 제1경사부분(A1)과 제2경사부분(A2)에 작용하는 힘(F1, F2)의 변동량의 수직 성분의 합력에 의해 멤브레인 측면(120)에 작용하는 보상력(Fr)이 정해진다.
즉, 멤브레인 측면(120)이 상하 방향으로 이동하는 변위가 발생되면, 멤브레인 측면(120)의 이동 변위에 따라 제1경사부분(A1)과 제2경사부분(A2)의 자세가 변경되는 데, 이와 같은 자세 변경에 의한, 제1경사부분(A1)에 작용하는 제1힘(F1)의 수직 성분의 증가량과 제2경사부분(A2)에 작용하는 제2힘(F2)의 수직 성분의 증가량의 차이로 보상력(Fr)이 상방이나 하방으로 도입된다.
바람직하게는, 멤브레인 측면(120)이 상방으로 이동하는 변위(99)가 발생되면 보상력(Fr)은 하방으로 작용하고, 멤브레인 측면(120)이 하방으로 이동하는 변위(99')가 발생되면 보상력(Fr)은 상방으로 작용한다. 그리고, 멤브레인 측면의 이동 변위(99, 99')의 크기가 커지면, 보상력(Fr)도 이에 따라 크게 작용하는 것이 바람직하다.
이를 위하여, 멤브레인 측면(120)이 상하 방향으로 이동하는 변위가 발생되면, 제2고정플랩(122)의 제2경사부분(A2)은 제1경사부분(A1)에 비하여 보다 더 큰 회전 변위가 발생되도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 제1경사부분(A1)에 비하여 제2경사부분(A2)이 보다 낮은 휨 강성을 갖도록 형성될 수 있다. 이에 따라, 멤브레인 측면(120)이 상하 이동하는 변위가 발생되면, 제2경사부분(A2)은 제1경사부분(A1)에 비하여 보다 더 큰 회전 변위가 크게 발생된다. 여기서, 제1경사부분(A1)과 제2경사부분(A2)의 휨 강성의 차이는 서로 다른 재료로 형성되거나, 강성이 높은 재질이 제2경사부분(A2)에 함입되는 형태로 형성되거나, 서로 다른 두께로 형성되는 것에 의해 구현될 수 있다.
이와 같은 구성에서는, 리테이너 링(23)의 마모량의 증가에 따라 상방으로 이동하는 변위(99)가 멤브레인 측면(120)에 발생되면, 제2경사부분(A2)은 제1경사부분(A1)에 비하여 보다 수평면에 가까워지는 회전 변위 또는 처짐이 더 크게 발생된다. 이는, 제2경사부분(A2)의 수평면과 이루는 대략적인 각도(b)의 감소율이 제1경사부분(A1)이 수평면과 이루는 각도(a)의 감소율에 비해 더 크다고 표현할 수도 있다.
이에 따라, 제2경사부분(A2)에 작용하는 제2힘(F2)의 증가량은 제1경사부분(A1)에 작용하는 제1힘(F1)의 증가량보다 더 커지므로, 제2고정플랩(122)은 멤브레인 측면(120)에 하방으로의 보상력(Fr)을 도입하게 된다. 이 때, 멤브레인 측면(120)의 상방 변위량에 따라 제2고정플랩(122)의 하방 보상력(Fr)의 크기가 연동되므로, 멤브레인 측면(120)이 상방으로 이동함에 따라 기판 가장자리를 가압하는 가압력(Fe')의 감소분은 제2고정플랩(122)의 하방으로의 보상력(Fr)에 의해 보상되어, 기판의 가장자리 부분에는 일정한 가압력이 도입된다.
구체적으로는, 리테이너 링(23)의 마모량이 증가하는 등의 이유로 바닥판 이격거리(y)가 감소함에 따라 멤브레인 측면(120)이 상방으로 들리는 변위(99)가 발생되면, 제1경사부분(A1)이 수평면과 이루는 각도(a)는 대체로 그대로 유지되려는 데 반하여, 제2경사부분(A2)이 수평면과 이루는 각도(b)는 보다 더 작아지려고 변형된다.
즉, 도10에 도시된 바와 같이, 제1경사부분(A1)은 의 수평면에 대한 각도(a)는 ai로부터 ao로 거의 변동없이 그대로 유지되고, 제2경사부분(A2)의 수평면에 대한 각도(b)는 bi로부터 bo로 크게 작아진다. 도면 중 미설명 부호인 A1i는 기준 위치에서의 제1경사부분의 윤곽이고, 도면 중 미설명 부호인 A2i는 기준 위치에서의 제2경사부분의 윤곽을 나타낸 것이다.
그러면, 동일한 힘이 제1경사부분(A1)과 제2경사부분(A2)에 작용하더라도, 제2경사부분(A2)에 작용하는 힘(F2)의 수직 성분이 제1경사부분(A1)에 작용하는 힘(F1)의 수직성분에 비해 더 커지는 결과가 초래된다. 즉, 제2경사부분(A2)에 작용하는 힘(F2)의 수직 성분의 증가량이 제1경사부분(A1)에 작용하는 힘(F1)의 수직성분의 증가량에 비해 더 커진다. 따라서, 제2고정플랩(122)에서 작용하는 보상력(Fr)은 항상 하방으로 작용하게 되고, 보상력(Fr)의 크기는 멤브레인 측면(120)의 상방으로 이동 변위(99)가 커질수록 함께 증가하는 경향을 갖게 된다.
따라서, 멤브레인이 기준 위치에 있는 마모 이전의 상태를 기준으로, 리테이너 링(23)의 마모량이 증가하여 멤브레인 측면(120)이 상방으로 들리는 변위(99)가 증가하면, 제2경사부분(A2)에서 하방으로 누르는 힘(F2의 수직성분)이 제1경사부분(A1)에서 상방으로 들어올리는 힘(F1의 수직성분)에 비해 점점 더 커짐에 따라, 제2고정플랩(122)의 하방으로의 보상력(Fr)이 멤브레인 측면(120)의 상방으로의 변위(99)에 비례하여 상쇄시키므로, 기판 가장자리 부분을 가압하는 가압력(Fe')은 멤브레인 측면(120)의 상방(上方) 변위(99)의 크기가 변동하더라도 일정하게 유지될 수 있게 된다.
이는, 멤브레인 측면(120)이 하방으로 이동하는 변위가 발생되는 경우에도 마찬가지로 적용된다. 리테이너 링(23)이 상하 이동이 가능하여 캐리어 헤드가 정해진 높이에서 연마 공정이 행해지는 경우에, 연마 패드(11)의 마모량 증가에 따라 하방으로 이동하는 변위(99')가 멤브레인 측면(120)에 발생된다. 이에 따라, 제2경사부분(A2)은 제1경사부분(A1)에 비하여 수평면으로부터 멀어지는 회전 변위 또는 처짐이 더 크게 발생된다. 이는, 제2경사부분(A2)의 수평면과 이루는 대략적인 각도(b)의 증가율이 제1경사부분(A1)이 수평면과 이루는 각도(a)의 증가율에 비해 더 크다고 표현할 수도 있다.
이에 따라, 제2경사부분(A2)에 작용하는 제2힘(F2)의 수직성분의 감소량은 제1경사부분(A1)에 작용하는 제1힘(F1)의 수직성분의 감소량보다 더 커지므로, 제2고정플랩(122)은 멤브레인 측면(120)에 상방으로의 보상력(Fr')을 도입하게 된다. 이 때, 멤브레인 측면(120)의 하방 변위량에 따라 제2고정플랩(122)의 상방 보상력(Fr')의 크기가 연동되므로, 멤브레인 측면(120)이 하방으로 이동함에 따라 기판 가장자리를 가압하는 가압력(Fe')의 증가분이 제2고정플랩(122)의 상방으로의 보상력(Fr')에 의해 보상되어, 기판의 가장자리 부분에는 일정한 가압력이 도입된다.
구체적으로는, 캐리어 헤드(201)가 정해진 높이에서 연마 공정을 행하고, 리테이너 링(23)이 리테이너 챔버에 의해 상하 방향으로 이동 가능하게 설치된 상태에서, 연마 패드(11)의 마모량이 증가할수록 바닥판 이격 거리(y)가 증가한다. 즉, 도9c에 도시된 바와 같이, 바닥판 이격 거리(y)가 증가(y")하면 멤브레인 측면(120)이 하방으로 눌리는 변위(99')가 발생된다. 이 경우에는, 절곡 연결부의 휨 강성이 제1연결부(122c)의 휨 강성에 비해 작으므로, 제1경사부분(A1)이 수평면과 이루는 각도(a)는 그대로 유지되려는 데 반하여, 제2경사부분(A2)이 수평면과 이루는 각도(b)는 보다 더 커지려고 변형된다.
제1경사부분(A1)의 수평면에 대한 각도(a)가 그대로 유지되고, 제2경사부분(A2)의 수평면에 대한 각도(b)가 작아지면, 동일한 힘이 제1경사부분(A1)과 제2경사부분(A2)에 작용하더라도, 제2경사부분(A1)에 작용하는 힘(F1)의 수직 성분이 제1경사부분(A1)에 작용하는 힘(F2)의 수직 성분에 비해 더 작아지는 결과가 초래된다. 따라서, 제2고정플랩(122)에서 작용하는 보상력(Fr)은 상방으로 작용하게 되고, 보상력(Fr)의 크기는 멤브레인 측면(120)의 하방으로 이동 변위(99)가 커질수록 함께 증가하는 경향을 갖게 된다.
따라서, 리테이너 링이 별도의 챔버에 의해 상하 이동하고, 이에 따라 캐리어 헤드의 연마 공정 중의 위치가 정해진 위치에서 행해지는 경우에, 연마 패드의 마모량이 증가하여 멤브레인 측면(120)이 점점 하방으로 눌리는 변위(99')가 증가하면, 제2경사부분(A2)에서 하방으로 누르는 힘(F2)이 제1경사부분(A1)에서 상방으로 들어올리는 힘(F1)에 비해 점점 더 작아짐에 따라, 제2고정플랩(122)의 하방으로의 보상력(Fr)이 상방으로 작용하여, 멤브레인 측면(120)의 하방으로의 변위에 비례하여 상쇄시키므로, 기판 가장자리 부분을 가압하는 가압력을 멤브레인 측면(120)의 하방 변위에 무관하게 일정하게 유지될 수 있게 된다.
이렇듯, 멤브레인이 기준 위치에 있는 마모 이전의 상태를 기준으로, 리테이너 링(23)이나 연마 패드(11) 등의 마모량이 변동하여, 멤브레인 측면(120)이 상방으로 들려 이동하는 변위(99)가 증가하거나 멤브레인 측면(120)이 하방으로 이동하는 변위(99')가 증가하면, 제2경사부분(A2)에서 하방으로 누르는 힘(F2)의 수직 성분의 변동분이 제1경사부분(A1)에서 상방으로 들어올리는 힘(F1)의 수직 성분의 변동분에 비해 점점 더 커진다.
즉, 제2고정플랩(122)에 의한 보상력(Fr)은, 멤브레인 측면(120)의 이동 변위의 방향과 반대 방향으로 작용하고 멤브레인 측면(120)의 이동 변위의 크기에 비례하여 작용한다. 따라서, 멤브레인 측면(120)의 이동 변위에 의해 기판 가장자리 부분을 가압하는 가압력(Fe')의 변동분을 제2고정플랩(122)에 의한 보상력(Fr)으로 상쇄시킴에 따라, 멤브레인 측면(120)의 상하 이동 변위(99, 99')가 발생되더라도 기판 가장자리에 일정한 가압력을 인가하여 연마 품질을 향상시킬 수 있다.
이와 유사하게, 제2고정플랩(122)의 제1경사부분(A1)과 제2경사부분(A2)이 연결되는 절곡 연결부는 제1연결부(122c)에 비하여 휨 강성이 낮게 형성하는 것에 의해, 멤브레인 측면(120)이 상하 이동하는 변위가 발생되면, 제1경사부분(A1)은 제2경사부분(A2)에 비하여 보다 더 회전 변위가 크게 발생되게 구성할 수도 있다.
이를 통해, 멤브레인 측면(120)이 상방으로 이동하는 변위(99)가 발생되면, 제2고정플랩(122)에 의한 보상력(Fr)이 하방으로 작용하고, 멤브레인 측면(120)이 하방으로 이동하는 변위(99')가 발생되면, 제2고정플랩(122)에 의한 보상력(Fr')이 상방으로 작용하도록 할 수 있다.
한편, 제1경사부분(A1)과 제2경사부분(A2)의 휨 강성이 매우 낮은 경우에는, 보조 압력 챔버(Cx)에 정압이 인가된 상태에서 제2경사부분(A2)이 과도하게 하방으로 오목한 휨 변형이 발생될 수 있으며, 이로 인하여 의도한 보상력(Fr, Fr')의 크기가 왜곡될 가능성이 있다. 따라서, 제1경사부분(A1)과 제2경사부분(A2)의 휨 강성이 매우 낮은 경우에는, 제1경사부분(A1)과 제2경사부분(A2)의 절곡 연결부의 휨 강성을 제1경사부분(A1)과 제2경사부분(A2)의 평균 강성보다 높게 형성할 수도 있다.
한편, 도8에 도시된 바와 같이, 제2고정플랩(122)의 제1경사부분(A1)의 길이(L1)는 제2경사부분(A2)의 길이(L2)에 비하여 더 길게 형성되는 것이 바람직하다.
이를 통해, 기준 위치에서 보조 압력 챔버(Cx)에 작용하는 압력에 의해 제1경사부분(A1)과 제2경사부분(A2)이 상하 방향으로 작용하는 힘은 상하 방향으로는 서로 평형을 이루고 있더라도, 리테이너 링(23)의 마모량이 증가하여 기준 위치로부터 멤브레인 측면(120)의 상방으로의 이동 변위량이 증가하면, 제1경사부분(A1)과 제2경사부분(A2)으로 이루어진 경사 부분에서 하방으로의 보상력(Fr)을 발생시킨다.
보다 구체적으로는, 리테이너 링(23)의 마모량이 증가하여 기준 위치로부터 멤브레인 측면(120)의 상방으로의 이동 변위량이 증가하면, 제1경사부분(A1)과 제2경사부분(A2)에서의 회전 변위가 동일한 경우이더라도, 제2경사부분(A2)의 길이(L2)가 제1경사부분(A21)이 더 길게 형성됨에 따라, 제2경사부분(A2)에 작용하는 힘(F2)의 수직 방향 성분의 증가량이 제1경사부분(A1)에 작용하는 힘(F1)의 수직 방향 성분의 증가량에 비하여 더 크게 된다.
이를 통해, 제2고정플랩(122)의 제2경사부분(A2)은 제1경사부분(A1)에 비하여 보다 더 큰 회전 변위를 발생시키는 것과 유사하게, 멤브레인 측면(120)의 이동 방향에 반대되는 방향의 보상력을 인가하는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 상기와 같은 작용 효과를 보다 높이기 위하여, 제2고정플랩(122)의 제1경사부분(A1)이 수평면(예를 들어, 수평으로 연장된 제1고정플랩)과 이루는 각도(a)에 비하여, 제2경사부분(A2)이 수평면과 이루는 각도(b)가 더 작게 형성되는 것이 바람직하다.
이를 통해, 기준 위치에서 보조 압력 챔버(Cx)에 작용하는 압력에 의해 제1경사부분(A1)과 제2경사부분(A2)이 상하 방향으로 작용하는 힘은 상하 방향으로는 서로 평형을 이루고 있더라도, 리테이너 링(23)의 마모량이 증가하여 기준 위치로부터 멤브레인 측면(120)의 상방으로의 이동 변위량이 증가하면, 제2경사부분(A2)의 수평면과 이루는 각도(b)와 제1경사부분(A1)의 수평면과 이루는 각도(a)가 동일한 양만큼 감소하더라도, 제2경사부분(A)에 작용하는 힘(F2)의 cos성분의 증가량이 더 커지므로, 주름 부분에서 하방으로의 힘(Fr)을 더 크게 발생시킬 수 있다.
한편, 제1경사부분(A1)과 멤브레인 측면(120)의 상단부가 연결되는 제1연결부(122c)는 제1경사부분(A1) 및 제2경사부분(A2) 중 어느 하나 이상의 평균 강성에 비하여 더 큰 강성을 갖는 형태로 형성될 수 있다.
이를 통해, 제2고정플랩(122)에서 작용하는 힘(Fr)이 하방으로 작용하면, 멤브레인 측면(120)의 상단부와 제1경사부분(A1)의 제1연결부가 굽혀지는 대신에, 제1연결부(122c)의 형태를 유지하면서 멤브레인 측면(120)을 하방으로 밀어내는 힘으로 신뢰성있게 작용하게 된다.
여기서, 제1연결부(122c)의 강성을 높이기 위하여, 도면에 도시된 바와 같이, 제1경사부분(A1) 및 제2경사부분(A2) 중 어느 하나 이상의 평균 두께에 비하여 더 두껍게 형성할 수도 있고, 도면에 도시되지 않았지만 제1연결부(122c)에 강성이 높은 재질을 함께 형성하는 것에 의해 강성을 높일 수도 있다.
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도면에는 제1경사부분(A1)이 상측으로 갈수록 내측 상방으로 경사지게 연장되고 제2경사부분(A2)이 상측으로 갈수록 외측 상방으로 경사지게 연장되는 제2고정플랩(122)의 구성을 예로 들었지만, 제1경사부분(A1)과 제2경사부분(A2)의 연결 순서를 바꾸어 구성될 수도 있다.
이하, 도11을 참조하여, 본 발명의 제2실시예에 따른 연마 장치의 캐리어 헤드(202) 및 이에 사용되는 멤브레인(102)을 상술한다. 다만, 전술한 제1실시예의 구성 및 작용과 동일하거나 유사한 구성 및 작용에 대해서는, 본 발명의 제2실시예의 요지를 명료하게 하기 위하여 이에 대한 설명을 생략하기로 한다.
도11에 도시된 캐리어 헤드(202)의 멤브레인(102)은 제2고정플랩(222)이 멤브레인 측면(120)의 상단부로부터 연장 형성되는 대신에, 제1고정플랩(121)으로부터 연장 형성된다는 점에서 제1실시예의 구성과 차이가 있다. 마찬가지로, 제3연장부분(A3)에 형성된 고정끝단(222e)은 베이스(22)의 저면에 고정된다.
즉, 멤브레인 측면(120)의 상단부에는 제1고정플랩(121)이 내측으로 연장되어 그 끝단(121e)이 결합 부재(22a)에 의해 베이스(22)에 고정되고, 멤브레인 측면(120)의 상단부로부터 Le만큼 내측으로 이격된 제1고정플랩(121)으로부터 제2고정플랩(222)이 상측으로 연장된다.
여기서, 제2고정플랩(222)은 멤브레인 바닥판(110)으로부터 상방으로 갈수록 반경 내측으로 경사지게 형성된 제1경사부분(A1)과 상방으로 갈수록 반경 외측으로 경사지게 형성된 제2경사부분(A2)과, 베이스(22)의 측면에 고정될 수 있도록 제2경사부분(A2)과 연결되어 베이스(22)의 평탄한 저면(Sb)에 밀착되게 수평 연장된 제3연장부분(A3)을 포함한다.
제2고정플랩(222)이 제1고정플랩(121)으로부터 연장 형성됨에 따라, 제1경사부분(A1)은 제2경사부분(A2)에 비하여 더 짧은 길이로 형성된다. 그리고, 전술한 제1실시예의 구성과 마찬가지로, 제1경사부분(A1)이 수평면과 이루는 각도는 제2경사부분(A1)이 수평면과 이루는 각도에 비하여 더 크게 형성된다. 또한, 제1경사부분(A1)과 제1고정플랩(121)의 제1연결부(122c)는 제1고정플랩(121)의 평균 강성에 비하여 더 높은 강성을 갖게 형성된다.
전술한 제1실시예와 마찬가지로, 제1고정플랩(A1)은 제2고정플랩(A2)에 비하여, 멤브레인 측면(120)이 상하 방향으로 이동하는 변위가 발생되면, 제2고정플랩(222)의 제2경사부분(A2)은 제1경사부분(A1)에 비하여 보다 더 큰 회전 변위가 발생되도록 구성될 수 있다. 또한, 전술한 제1실시예와 마찬가지로, 제2고정플랩(222)의 제2경사부분(A2)의 길이는 제1경사부분(A1)의 길이에 비하여 더 길게 형성되게 구성될 수 있다.
제3연장부분(A3)에 형성된 고정 끝단(222e)은 베이스(22)의 저면(Sb)에 고정되고, 제3연장부분(A3)은 충분히 높은 휨 강성을 갖게 형성되어 베이스(22)의 저면(Sb)에 밀착된 상태를 유지하여, 제2고정플랩(222)에 의한 상하 방향의 보상력(Fr)에 영향을 미치지 않고, 캐리어 헤드(202)의 고속 회전에도 멤브레인의 비틀림 변형에 저항한다.
이에 따라, 기준 위치에서의 리테이너 링(23)의 마모 상태에 비하여 보다 리테이너 링(23)의 마모량이 증가하여 바닥판 이격거리(y')가 감소하면, 그리고 이에 따라 리테이너 링(23)의 마모량만큼 멤브레인 측면(120)이 상방으로 이동하는 변위(99)가 발생되면, 제1경사부분(A1)에 작용하는 힘(F1)의 수직 방향 성분의 증가량에 비하여 제2경사부분(A2)에 작용하는 힘(F2)의 수직 방향 성분의 증가량이 보다 더 커지므로, 제2고정플랩(222)에 의해 하방으로의 보상력(Fr)이 작용한다.
마찬가지로, 도면에 도시되지 않았지만, 기준 위치에서의 연마 패드(11)의 마모 상태에 비하여 보다 연마 패드(11)의 마모량이 증가하여 바닥판 이격거리가 증가하면, 그리고 이에 따라 연마 패드(11)의 마모량만큼 멤브레인 측면(120)이 하방으로 이동하는 변위가 발생되면, 제1경사부분(A1)에 작용하는 힘(F1)의 수직 방향 성분의 감소량에 비하여 제2경사부분(A2)에 작용하는 힘(F2)의 수직 방향 성분의 감소량이 보다 더 커지므로, 제2고정플랩(222)에 의해 상방으로의 보상력이 작용한다.
따라서, 연마 공정이 반복되면서 리테이너 링(23)이나 연마 패드(11)의 마모가 진행되어 멤브레인 측면(120)의 상방으로 들어올려지는 변위(99) 또는 하방으로 내려가는 변위가 발생되더라도, 기판의 가장자리 부분에 작용하는 가압력(Fe')은 제2고정플랩(222)에 의해 하방으로 작용하는 보상력(Fr)에 의해 보상되어 일정하게 유지된다. 이를 통해, 리테이너 링(23)의 마모 상태에 무관하게 기판의 가장자리의 연마 품질을 도6의 Si로 표시된 연마 프로파일로 유지하는 효과를 얻을 수 있다.
이하, 도12을 참조하여, 본 발명의 제3실시예에 따른 연마 장치의 캐리어 헤드(203) 및 이에 사용되는 멤브레인(103)을 상술한다. 다만, 전술한 제1실시예의 구성 및 작용과 동일하거나 유사한 구성 및 작용에 대해서는, 본 발명의 제3실시예의 요지를 명료하게 하기 위하여 이에 대한 설명을 생략하기로 한다.
도12에 도시된 캐리어 헤드(203)는 멤브레인(103)의 제2고정플랩(322)의 제3연장부분(A3)을 고정하는 결합 부재(22x')가 제3연장부분(A3)의 저면을 충분한 길이만큼 덮도록 형성되어 제3연장부분(A3)의 변위를 구속한다는 점에서 제1실시예의 구성과 차이가 있다. 마찬가지로, 제3연장부분(A3)에 형성된 고정끝단(322e)은 베이스(22)의 저면에 고정된다.
이에 따라, 멤브레인(103)의 제2고정플랩(A2)의 제3연장부분(A3)은, 제1실시예와 마찬가지로, 제2경사부분(A2)에 비하여 높은 휨 강성을 갖게 형성되어도 무방하지만, 제2경사부분(A2)과 동일하거나 더 낮은 휨 강성을 갖게 형성될 수 있다. 여기서, 제3연장부분(A3)의 휨 강성은 결합 부재(22x')가 제3연장부분(A3)을 덮는 길이가 길수록 작게 형성될 수 있다.
바람직하게는, 제3연장부분(A3)의 강성이 제2경사부분(A2)과 동일한 휨 강성을 갖는 경우에, 제3연장부분(A3)을 덮는 결합 부재(22x')의 덮는 길이는 제3연장부분(A3)의 끝단으로부터 약 10mm 이하의 이격 거리(E2)까지 덮는 형태로 제3연장부분(A3)을 정해진다. 그리고, 여기서 이격 거리(E2)는 0으로 정해져, 제3연장부분(A3)의 전부가 결합 부재(22x')에 의해 덮혀져 변위가 구속되게 구성될 수도 있다.
이에 따라, 멤브레인 측면(120)이 하방으로 이동하는 경우에도, 보조 압력 챔버(Cx)의 천장면의 대부분이 결합 부재(22x')에 의해 덮혀져 있으므로, 제3연장부분(A3)에 작용하는 상방으로의 힘이 멤브레인 측면(120)의 이동 변위를 보상하는 보상력(Fr)에 거의 영향을 미치지 않는다.
제3연장부분(A3)을 덮는 결합 부재(22x')는 제3연장부분(A3)과 제2경사부분(A2)을 연결하는 제2연결부(ck)를 제외한 나머지 영역을 모두 덮도록 형성되어, 제3연장부분(A3)이 들떠 멤브레인 측면(120)의 이동 변위를 보상하는 보상력(Fr)에 미치는 영향을 완전히 배제할 수도 있다.
한편, 제3실시예의 캐리어 헤드(203)는 제3연장부분(A3)을 대부분 덮는 결합 부재(22x')을 구비함과 동시에, 제2실시예에서와 같이, 제2고정플랩이 멤브레인 측면(120)의 상단부로부터 Le만큼 내측으로 이격된 제1고정플랩(121)으로부터 연장 형성되게 구성될 수도 있다.
전술한 실시예와 마찬가지로, 제2고정플랩(322)은 멤브레인 바닥판(110)으로부터 상방으로 갈수록 반경 내측으로 경사지게 형성된 제1경사부분(A1)과 상방으로 갈수록 반경 외측으로 경사지게 형성된 제2경사부분(A2)을 포함한다.
여기서, 제1경사부분(A1)과 제1고정플랩(121)의 제1연결부(122c)는 제1고정플랩(121)의 평균 강성에 비하여 더 높은 강성을 갖게 형성되고, 제1경사부분(A1)과 제2경사부분(A2)의 절곡 연결부는 제1연결부(122c)에 비하여 더 작은 휨 강성을 갖도록 형성된다.
전술한 제1실시예와 마찬가지로, 제1고정플랩(A1)은 제2고정플랩(A2)에 비하여, 멤브레인 측면(120)이 상하 방향으로 이동하는 변위가 발생되면, 제2고정플랩(622)의 제2경사부분(A2)은 제1경사부분(A1)에 비하여 보다 더 큰 회전 변위가 발생되도록 구성될 수 있다. 또한, 전술한 제1실시예와 마찬가지로, 제2고정플랩(622)의 제2경사부분(A2)의 길이는 제1경사부분(A1)의 길이에 비하여 더 길게 형성되게 구성될 수 있다.
또한, 제3연장부분(A3)이 결합 부재(22x')에 의해 구속되어 있으므로, 제2고정플랩(222)에 의한 상하 방향의 보상력(Fr)은 제1경사부분(A1)과 제2경사부분(A2)의 형상에 의해 정해지고, 캐리어 헤드(202)의 고속 회전에도 멤브레인의 비틀림 변형이 스스로 억제된다.
이에 따라, 기준 위치에서의 리테이너 링(23)의 마모 상태에 비하여 보다 리테이너 링(23)의 마모량이 증가하여 바닥판 이격거리(y')가 감소하면, 그리고 이에 따라 리테이너 링(23)의 마모량만큼 멤브레인 측면(120)이 상방으로 이동하는 변위(99)가 발생되고, 제1경사부분(A1)에 작용하는 힘(F1)의 수직 방향 성분의 증가량에 비하여 제2경사부분(A2)에 작용하는 힘(F2)의 수직 방향 성분의 증가량이 보다 더 커지므로, 제2고정플랩(322)에 의해 하방으로의 보상력(Fr)이 작용한다.
마찬가지로, 도면에 도시되지 않았지만, 기준 위치에서의 연마 패드(11)의 마모 상태에 비하여 보다 연마 패드(11)의 마모량이 증가하여 바닥판 이격거리가 증가하면, 그리고 이에 따라 연마 패드(11)의 마모량만큼 멤브레인 측면(120)이 하방으로 이동하는 변위가 발생되면, 제1경사부분(A1)에 작용하는 힘(F1)의 수직 방향 성분의 감소량에 비하여 제2경사부분(A2)에 작용하는 힘(F2)의 수직 방향 성분의 감소량이 보다 더 커지므로, 제2고정플랩(222)에 의해 상방으로의 보상력이 작용한다.
따라서, 연마 공정이 반복되면서 리테이너 링(23)의 마모가 진행되어 멤브레인 측면(120)의 상방으로 들어올려지는 변위(99)가 발생되더라도, 기판의 가장자리 부분에 작용하는 가압력(Fe')은 제2고정플랩(322)에 의해 하방으로 작용하는 보상력(Fr)에 의해 보상되어 일정하게 유지된다. 이를 통해, 리테이너 링(23)의 마모 상태에 무관하게 기판의 가장자리의 연마 품질을 도6의 Si로 표시된 연마 프로파일로 유지하는 효과를 얻을 수 있다.
이하, 도13을 참조하여, 본 발명의 제4실시예에 따른 연마 장치의 캐리어 헤드(204) 및 이에 사용되는 멤브레인(104)을 상술한다. 다만, 전술한 제1실시예 및 제3실시예의 구성 및 작용과 동일하거나 유사한 구성 및 작용에 대해서는, 본 발명의 제4실시예의 요지를 명료하게 하기 위하여 이에 대한 설명을 생략하기로 한다.
도13에 도시된 캐리어 헤드(204)의 멤브레인(104)은 제2고정플랩(422)의 제2경사부분(A2)과 제3연장부분(A3)이 연결되는 제2연결부(ck)가 베이스(22)의 외측면(Sa)에 비하여 바깥으로 노출된다는 점에서 제3실시예의 구성과 차이가 있다. 마찬가지로, 제3연장부분(A3)에 형성된 고정끝단(422e)은 베이스(22)의 저면에 고정된다.
이와 같이, 제3연장부분(A3)이 베이스(22)의 외측면(Sa)의 바깥까지 연장되면, 베이스(22)의 외측면(Sa)의 바깥에 위치한 제3연장부분(A3)에 작용하는 상방으로의 힘이 보상력에 영향을 미칠 수 있지만, 제3연장부분(A3)이 연장된 길이만큼 제2연장부분(A2)의 길이(L2)가 더 길어지면서 제2연장부분(A2)에 작용하는 힘의 수직 성분이 제3연장부분(A3)의 연장길이에 따른 상방으로의 힘을 상쇄시킨다. 따라서, 결과적으로는 제3연장부분(A3)이 베이스(22)의 외측면(Sa)에 비해 외측으로 노출되더라도, 보상력(Fr)에 미치는 영향은 거의 없다.
따라서, 연마 공정이 반복되면서 리테이너 링(23)과 연마 패드(11)의 마모가 진행되어 멤브레인 측면(120)의 상방으로 들어올려지는 변위(99)나 멤브레인 측면(120)의 하방으로 내려가는 변위가 점점 커지더라도, 기판의 가장자리 부분에 작용하는 가압력(Fe')은 제2고정플랩(322)에 의해 하방으로 작용하는 보상력(Fr)이 점점 커지면서 보상력(Fr)에 의해 보상되어 일정하게 유지된다. 이를 통해, 리테이너 링(23)의 마모 상태에 무관하게 기판의 가장자리의 연마 품질을 도6의 Si로 표시된 연마 프로파일로 유지하는 효과를 얻을 수 있다.
이하, 도14을 참조하여, 본 발명의 제5실시예에 따른 연마 장치의 캐리어 헤드(205) 및 이에 사용되는 멤브레인(105)을 상술한다. 다만, 전술한 제1실시예의 구성 및 작용과 동일하거나 유사한 구성 및 작용에 대해서는, 본 발명의 제5실시예의 요지를 명료하게 하기 위하여 이에 대한 설명을 생략하기로 한다.
한편, 본 발명의 제5실시예는, 도14에 도시된 바와 같이, 캐리어 헤드의 멤브레인(105)은 제2고정플랩(522)의 제1경사부분(A1, A5)이 2개 이상으로 형성되고, 제2고정플랩(522)의 제2경사부분(A2, A6)이 2개 이상으로 형성되어 주름 형태로 된다는 점에서 그 특징이 있다. 마찬가지로, 제3연장부분(A3)에 형성된 고정끝단(522e)은 베이스(22)의 저면에 고정된다.
즉, 제2고정플랩(522)에는, 멤브레인 바닥판(110)으로부터 상방으로 갈수록 반경 내측으로 경사지게 형성된 제1경사부분(A1, A5)은 2군데에서 형성되고, 멤브레인 바닥판(110)으로부터 상방으로 갈수록 반경 외측으로 경사지게 형성된 제2경사부분(A2, A6)은 2군데에서 형성되므로, 제1힘(F1)은 2군데의 제1경사부분(A1, A5)에 작용하는 힘의 합력으로 정해지고, 제2힘(F2)은 2군데의 제2경사부분(A2, A6)에 작용하는 힘의 합력으로 정해진다.
여기서, 리테이너 링(23)이 캐리어 헤드의 본체(2x)에 일체로 고정된 상태에서, 리테이너 링(23)의 마모량이 증가하여 멤브레인 측면(120)의 상방으로의 변위(99)가 증가하면, 제1경사부분(A1)과 제5경사부분(A5)에 각각 작용하는 힘의 합력의 수직 성분의 증가량에 비하여, 제2경사부분(A2)과 제6경사부분(A6)에 각각 작용하는 힘의 합력의 수직 성분의 증가량이 보다 더 크게 제2고정플랩(522)의 형상이 정해진다.
전술한 제1실시예와 마찬가지로, 제1고정플랩(A1, A5)은 제2고정플랩(A2, A6)에 비하여, 멤브레인 측면(120)이 상하 방향으로 이동하는 변위가 발생되면, 제2고정플랩(522)의 제2경사부분(A2)은 제1경사부분(A1)에 비하여 보다 더 큰 회전 변위가 발생되도록 구성될 수 있다.
또한, 전술한 제1실시예와 마찬가지로, 제2고정플랩(522)의 제2경사부분(A2, A6)의 길이의 합은 제1경사부분(A1, A5)의 길이의 합보다 더 길게 형성되게 구성될 수 있다.
이를 통해, 기준 위치에서의 리테이너 링(23)의 마모 상태에 비하여 보다 리테이너 링(23)의 마모량이 증가하여, 리테이너 링(23)의 마모량만큼 멤브레인 측면(120)이 상방으로 이동하는 변위가 발생되면, 제1경사부분(A1, A5)의 표면에 작용하는 상방으로의 힘의 합력의 수직 방향 성분의 증가량에 비하여 제2경사부분(A2, A6)의 표면에 작용하는 하방으로의 힘의 합력의 수직 방향 성분의 증가량이 보다 더 커지므로, 제2고정플랩(122')에 의해 하방으로의 보상력(Fr)이 작용하게 된다.
마찬가지로, 기준 위치에서의 연마 패드(11) 등의 마모 상태에 비하여 보다 마모량이 증가하여, 멤브레인 측면(120)이 하방으로 이동하는 변위가 발생되면, 제1경사부분(A1, A5)의 표면에 작용하는 상방으로의 힘의 합력의 수직 방향 성분의 감소량에 비하여 제2경사부분(A2, A6)의 표면에 작용하는 하방으로의 힘의 합력의 수직 방향 성분의 감소량이 보다 더 작아지므로, 제2고정플랩(122')에 의해 상방으로의 보상력(Fr)이 작용하게 된다.
이를 통해, 반복되는 연마 공정을 거치면서 리테이너 링(23)이나 연마 패드(11) 등의 소모품의 마모 상태가 진전되고, 이에 따라 멤브레인 측면(120)이 점점 상측 또는 하측으로 이동하는 변위가 발생되더라도, 제2고정플랩(122')에 의한 보상력이 기판의 가장자리 부분에 작용하는 가압력을 보상하여, 기판의 가장자리 부분에 일정한 가압력이 인가되어 도6의 Si로 표시된 연마 프로파일로 기판 가장자리 부분을 연마하여 연마 품질을 높이는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 도면에는 제2고정플랩(622)이 멤브레인 측면(120)의 상단부로부터 연장 형성되는 구성이 도시되어 있지만, 제2고정플랩(622)은 측면(120)으로부터 내측으로 이격된 위치에서 제1고정플랩(120)으로부터 연장 형성될 수도 있다.
한편, 도면에는 멤브레인 측면(120)의 내주면에만 바닥판(110)에 비하여 높은 강성을 갖는 링형 고정체(120i, 120o)가 결합된 구성이 예시되어 있지만, 본 발명은 이에 국한되지 않으며, 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 링형 고정체(120i, 120o)는 멤브레인 측면(120)의 외주면에만 결합될 수도 있고, 멤브레인 측면(120)의 내주면과 외주면에 모두 결합될 수도 있다.
도면에 도시되지 않았지만, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 멤브레인은 전체가 가요성 재질로 형성되어, 압력 챔버(...,C5, Cx)의 압력에 따라 바닥판(110)과 측면(120) 및 격벽 플랩(130)이 자유롭게 변형되거나 팽창 수축하게 형성될 수도 있다. 다만, 멤브레인 측면(120)은 제1고정플랩(121)이나 제2고정플랩(122)에 비해 다른 재질을 포함하거나 두께를 더 두껍게 형성하는 것에 의해 보다 높은 강성을 갖도록 형성된다.
도면에는 멤브레인 측면(120)의 상단부로부터 직접 제1경사부분(A1)이 연장 형성된 구성이 예시되어 있지만, 본 발명은 이에 국한되지 아니하며, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 멤브레인 측면(120)의 상단부와 제1경사부분(A1)을 잇는 별도의 연결 부분이 추가로 구비될 수 있다. 여기서, 연결 부분은 제1연결부(122c)에 준하는 정도로 충분히 높은 휨 강성을 갖는 것이 바람직하다.
도면에는 제1경사부분(A1)과 제2경사부분(A2)이 절곡 연결부(bk)에 의해 직접 연결된 구성이 예시되어 있지만, 본 발명은 이에 국한되지 아니하며, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 제1경사부분(A1)과 제2경사부분(A2)의 사이에 별도의 연결 부분이 추가로 구비될 수 있다.
도면에는 제1경사부분(A1)과 제2경사부분(A2)이 연속하는 하나의 경사도를 갖는 구성이 예시되어 있지만, 본 발명은 이에 국한되지 아니하며, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 제1경사부분(A1)과 제2경사부분(A2) 중 어느 하나 이상은 일부 구간에서만 경사지게 형성될 수도 있고, 제1경사부분(A1)과 제2경사부분(A2) 중 어느 하나 이상은 서로 다른 경사도를 갖는 구간을 포함하여 형성될 수도 있다.
도면에는 제1경사부분(A1)이 상측으로 갈수록 내측 상방으로 경사지게 연장되고 제2경사부분(A2)이 상측으로 갈수록 외측 상방으로 경사지게 연장되는 제2고정플랩(122)의 구성을 예로 들었지만, 제1경사부분(A1)과 제2경사부분(A2)의 연결 순서를 바꾸어 구성될 수도 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: 기판 Cx: 보조 압력 챔버
C5: 최외측 메인압력챔버
101, 102, 103, 104, 105: 멤브레인
110: 멤브레인 바닥판
120: 멤브레인 측면 121: 제1고정플랩
122, 222, 322: 제2고정플랩 A1: 제1경사영역
A2: 제2경사영역 A3: 제3연장영역
23: 리테이너 링 22: 베이스

Claims (30)

  1. 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인으로서,
    가요성 재질로 형성되고 기판의 판면을 가압하는 바닥판과,
    가요성 재질을 포함하여 형성되고, 상기 바닥판의 가장자리로부터 연장 형성된 측면과;
    상기 측면의 상단부로부터 연장 형성되어 그 끝단이 상기 캐리어 헤드에 고정되어, 상기 측면과 함께 메인 압력 챔버의 일부를 형성하는 제1고정플랩과;
    상기 측면과 상기 제1고정플랩 중 어느 하나로부터 연장 형성되어, 상기 제1고정플랩과 함께 상기 메인 압력 챔버의 상측에 위치한 보조 압력 챔버를 형성하고, 상기 바닥판으로부터 상방으로 갈수록 반경 내측으로 경사지게 형성된 제1경사부분과 상방으로 갈수록 반경 외측으로 경사지게 형성된 제2경사부분과, 고정끝단이 마련되어 상기 캐리어 헤드의 베이스의 내측면에 비해 보다 내측에 고정되고 상기 베이스의 저면에 밀착된 상태를 유지하는 제3연장부분을 포함하는 가요성 재질의 제2고정플랩을;
    포함하는 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제3연장부분의 상기 고정끝단은 상기 베이스의 저면에 고정되는 것을 특징으로 하는 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제3연장부분은 상기 베이스의 저면에 밀착하는 형상인 것을 특징으로 하는 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제3연장부분은 상기 제2경사부분에 비하여 보다 높은 휨 강성을 갖게 형성된 것을 특징으로 하는 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제3연장부분은 상기 제2경사부분에 비하여 보다 두꺼운 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 제3연장부분은 상기 제2경사부분에 비하여 1.5 배 내지 15배의 휨 강성을 갖게 형성된 것을 특징으로 하는 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제2경사부분은 일부 구간 이상에서 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 결합 부재가 상기 고정 끝단을 포함하는 상기 제3연장부분을 상기 베이스에 밀착시키는 접촉 길이는 상기 측면의 상하 이동 변위에도 상기 제3연장부분이 상기 베이스의 저면에 접촉한 상태를 유지하도록 정해지는 것을 특징으로 하는 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제1고정플랩은 상기 측면의 상단부로부터 연장 형성된 것을 특징으로 하는 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인..
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제1고정플랩은 상기 제2고정플랩으로부터 연장 형성된 것을 특징으로 하는 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 제1경사부분이 수평면과 이루는 각도(a)에 비하여, 상기 제2경사부분이 수평면과 이루는 각도(b)가 더 작은 것을 특징으로 하는 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 제1경사부분과 상기 제2경사부분 중 어느 하나 이상은 평탄면, 곡면 중 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 측면의 반경 내측에는 다수의 격벽 플랩이 형성된 것을 특징으로 하는 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 격벽 플랩은 동심원 형태로 배열된 것을 특징으로 하는 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  15. 제 1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측면과 상기 제2고정플랩 중 어느 하나와 상기 제1고정플랩이 연결되는 제1연결부는 상기 제1경사부분과 상기 제2경사부분 중 어느 하나 이상의 평균 강성에 비하여 더 크게 형성된 것을 특징으로 하는 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 제1연결부는 상기 제1경사부분과 상기 제2경사부분 중 어느 하나의 평균 두께보다 더 두껍게 형성된 것을 특징으로 하는 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  17. 제 1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측면이 상하 방향으로 이동하는 변위가 발생되면, 상기 제2경사부분은 상기 제1경사부분에 비하여 보다 더 큰 회전 변위가 발생되는 것을 특징으로 하는 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 제1경사부분에 비하여 상기 제2경사부분의 두께가 더 얇은 것을 특징으로 하는 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  19. 제 1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2경사부분의 길이는 상기 제1경사부분의 길이에 비해 더 긴 것을 특징으로 하는 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  20. 제 1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2고정플랩은 상기 측면에 비하여 더 낮은 강성을 갖게 형성된 것을 특징으로 하는 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  21. 제 1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2고정플랩은, 상기 제1경사부분과 상기 제2경사부분 중 어느 하나 이상이 2개 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  22. 연마 장치용 캐리어 헤드로서,
    연마 공정 중에 하측에 기판을 위치시킨 상태로 회전하는 베이스와;
    제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 멤브레인과;
    상기 바닥판과 이격되게 링 형태로 형성되여 연마 패드에 접촉된 상태로 유지되는 리테이너 링을;
    포함하여 구성된 연마 장치용 캐리어 헤드.
  23. 제 22항에 있어서,
    상기 제2고정플랩은 상기 측면에 비하여 더 낮은 강성을 갖게 형성된 것을 특징으로 하는 연마 장치용 캐리어 헤드.
  24. 제 22항에 있어서,
    상기 측면과 상기 제2고정플랩 중 어느 하나와 상기 제1고정플랩이 연결되는 제1연결부는 상기 제1경사부분과 상기 제2경사부분 중 어느 하나 이상의 평균 강성에 비하여 더 크게 형성된 것을 특징으로 하는 연마 장치용 캐리어 헤드.
  25. 제 24항에 있어서,
    상기 제1연결부는 상기 제1경사부분과 상기 제2경사부분 중 어느 하나의 평균 두께보다 더 두껍게 형성된 것을 특징으로 하는 연마 장치용 캐리어 헤드.
  26. 제 23항에 있어서,
    상기 측면이 상하 방향으로 이동하는 변위가 발생되면, 상기 제2경사부분은 상기 제1경사부분에 비하여 보다 더 큰 회전 변위가 발생되는 것을 특징으로 하는 연마 장치용 캐리어 헤드.
  27. 제 26항에 있어서,
    상기 제1경사부분에 비하여 상기 제2경사부분의 두께가 더 얇은 것을 특징으로 하는 연마 장치용 캐리어 헤드.
  28. 제 23항에 있어서,
    상기 제2경사부분의 길이는 상기 제1경사부분의 길이에 비해 더 긴 것을 특징으로 하는 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
  29. 제 23항에 있어서,
    상기 제3연장부분은 결합 부재가 상기 베이스에 결합되는 것에 의해 상기 베이스에 결합되되, 상기 결합 부재는 상기 베이스의 외측면으로부터 10 mm까지 이격된 위치를 덮는 형태로 상기 제3연장부분을 고정시키는 것을 특징으로 하는 연마 장치용 캐리어 헤드.
  30. 제 23항에 있어서,
    상기 제3연장부분은 결합 부재가 상기 베이스에 결합되는 것에 의해 상기 베이스에 결합되되, 상기 결합 부재는 상기 제3연장부분과 상기 제2경사부분을 연결하는 제2연결부를 제외한 상기 제3연장부분의 나머지 영역을 모두 덮도록 형성된 것을 특징으로 하는 연마 장치용 캐리어 헤드.

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