KR100521538B1 - 반도체 웨이퍼를 폴리싱 처리하기 위한 장치 - Google Patents

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윌버 씨. 크루셀
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란달 엘. 그린
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Abstract

본 발명은 다수의 반도체 웨이퍼를 평탄화하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 이 방법은 웨이퍼를 부분적으로 평탄화하기 위해서 두 개의 폴리싱 스테이션을 사용해 동일 공정 경로를 따라 각각의 웨이퍼를 처리하는 단계를 포함한다. 상기 평탄화 시스템은, 각각의 처리점에서 스핀들을 가지는 헤드를 지지하는 분리가능한 웨이퍼를 교환하고, 처리점 사이의 회전 인덱스 테이블에서 헤드를 지지하는 분리된 웨치퍼를 운반하는 개선된 처리 경로를 포함한다. 이 시스템은 공압으로 조절할 수 있는 벨트 인장 및 정렬 능력을 가지는 직선 연마기를 사용해 폴리싱 가공의 정확성을 높인다.

Description

반도체 웨이퍼를 폴리싱 처리하기 위한 장치.
본 발명은 화학, 기계적 평탄화 기술을 사용해 반도체 웨이퍼를 평탄화하는 것에 관련된다. 특히, 본 발명은 단일 통합 처리 경로에 걸쳐 반도체 웨이퍼를 일정하게 효율적으로 평탄화하기 위한 개선된 시스템 및 방법에 관련된다.
일반적으로 반도체 웨이퍼는, 후에 분리되어서 개별적인 칩으로 만들어지는 여러 부의 통합 회로 구조로 만들어진다. 반도체 웨이퍼에 회로를 형성하는 일반적인 기술은 사진 석판술이다. 일부 사진 석판술은, 웨이퍼에 회로의 상을 투영하기 위해서 웨이퍼에 특정 카메라가 초점을 맞추어야 한다. 웨이퍼 표면이 불균일하면, 웨이퍼 표면에 초점을 맞추는 카메라의 능력은 저하된다. 보다 소형이고, 좀더 고도로 통합된 회로 구조를 향한 전류 구동에 의해 감응성은 한층 약화된다. 웨이퍼는 보통 층구조로 형성되는데, 회로의 일부는 제 1 레벨로 형성되고 전도 바이어스는 회로의 다음 레벨까지 연결되도록 만들어진다. 회로의 각 층은 웨이퍼에서 에칭된 후에, 산화층은 내려가서 바이어스가 통과할 수 있고 나머지 선행 회로 레벨을 포함할 수 있도록 허용한다. 회로의 각 층은 다음 회로 층을 형성하기 전에 평활화시켜야 하는 웨이퍼에 불균일함을 부가할 수 있다. 웨이퍼 가공은 입자 산란에 감응하는 정교한 공정이므로 "청정실"이라는 고도로 제어된 환경에서 이루어져야 한다.
화학 기계적 평탄화(CMP) 기술은 원 웨이퍼와 그 후에 첨가된 물질로 이루어진 각 층을 평탄화시키는데 사용된다. 일반적으로 웨이퍼 연마기로 불려지는, 활용가능한 CMP 시스템은, 평탄화시킬 웨이퍼 표면의 면에서 회전하고 있는 폴리싱 패드와 웨이퍼가 접촉하도록 하는 회전식 웨이퍼 호울더를 사용한다. 화학 폴리싱제 또는 마이크로연마제를 함유한 슬러리와 같은, 폴리싱 액이 웨이퍼를 연마하기 위해서 폴리싱 패드에 적용된다. 그 후에 웨이퍼 호울더는 회전식 폴리싱 패드에 대해 웨이퍼를 누르고 회전하여서 웨이퍼를 연마시켜서 평탄화시킨다.
제 1 웨이퍼 폴리싱 공정이 웨이퍼 가공에 중요하지만, 상기 제 1 웨이퍼 가공은, 웨이퍼가 청정실로 되돌아가기 전에 완료되어야 하는 CMP 공정의 일부에 불과하다. 웨이퍼가 청정실로 복귀될 수 있기 전에 종료되어야 하는 CMP 공정 단계는 웨이퍼로부터 폴리싱 액을 세척하여 헹구고 건조시키는 것을 포함한다. 최종 세척, 헹굼 및 건조 이전의 다른 단계는 선행 연마 단계에 의해 발생된 미세 스크래치를 제거하기 위해서 추가 연마 공정 뿐만 아니라 초기 연마 공정에서 생성된 상이한 불화합성 화학물질과 슬러리를 사용한 부가 연마 단계를 포함한다. 전술한 단계 사이에 중간 헹굼 단계도 필요하다. 웨이퍼를 평탄화하기 위한 기존의 장치는, 넓은 공간을 차지하고 한 기계에서 다음 기계로 웨이퍼를 수동 또는 반자동으로 수송하는 분리된 기계이다. 한 기계에서 다음 기계로 웨이퍼를 수송할 때 지체되면 화학 슬러리를 건조시킬 수 있어서 웨이퍼를 연마하는데 큰 어려움이 발생할 수 있다. 각 공정간에 또는 각 기계 사이에서 웨이퍼 수송할 때 지연되면 화학 슬러리의 화학 반응을 너무 오랫동안 지속되도록 해서 폴리싱 공정에 악영향을 미칠 수 있다.
기존의 연마기와 세척기는 웨이퍼 처리 시간이 상이하다. 폴리싱 공정은 일반적으로 버프 연마 및 세척 공정에 비해 장시간이 소요된다. 웨이퍼 처리 시간을 최적화하고 장비 활용을 최대화하기 위해서, 일부 CMP 공정은 단일 평탄화 단계를 각각 완료하는 다수의 웨이퍼 연마기를 이용한다. 상기 분리된 연마기로부터 웨이퍼는 동일한 버퍼 또는 스크러버(scrubber)에서 각각 처리된다. 이 기술이 안고 있는 문제점은, 한 벌의 웨이퍼가 분리된 연마 스테이션에서 처리되고 웨이퍼 사이의 연마는 불균일하게 이루어지기 쉽다는 것이다. 이런 불균일함을 최소화하도록, 기존의 CMP 시스템은 장비에 대해 아주 높은 공차를 가져야 하고 각각의 연마기에서 처리 조건을 정확하게 재현해야 한다. 연마기에 대해 웨이퍼를 지지할 때 상이한 웨이퍼 호울더는 동일한 각으로 웨이퍼를 유지해야 하고 웨이퍼에 동일한 크기의 압력을 가해야 한다. 이 연마기는 동일한 속도로 회전해야 하고 동일한 농도와 동량의 폴리싱제를 제공해야 한다. 주의깊게 공차를 유지하지 않으면서, 불균일하게 이루어지는 CMP 공정은 웨이퍼로부터 발생된 반도체 회로의 성능에 악영향을 미칠 수 있다.
따라서, 효율적이고 일정하게 다수의 반도체 웨이퍼에서 CMP 기능을 수행하는 방법 및 시스템을 필요로 한다.
본원에서는, 단일 처리 경로에 대해 하나 이상의 반도체 웨이퍼 표면을 균일하게 평탄화시키고 세척하는 방법이 설명된다. 이 방법은 반도체 웨이퍼와 반도체 웨이퍼 연마 시스템을 제공하는 단계, 반도체 웨이퍼 연마 시스템에 반도체 웨이퍼를 장착하는 단계 및 반도체 웨이퍼를 웨이퍼 적재 스테이션으로 수송하는 단계를 포함한다. 이 웨이퍼는 웨이퍼 적재 스테이션으로부터 제 1 연마 스테이션으로 수송되고 반도체 웨이퍼를 일부 평탄화시키는 제 1 연마 과정이 실행된다. 웨이퍼는 제 2 연마 스테이션으로 수송되고 제 2 연마 과정은 반도체 웨이퍼의 평탄화를 완료한다. 상기 단계는 처리될 모든 웨이퍼에 대해 반복된다. 다른 실시예에서, 각각의 연마 스테이션은 다른 화학 폴리싱제와 연마 과정을 적용할 수 있다.
본원에서, 다수의 반도체 웨이퍼 각각을 위해 단일 공정을 실행하는 다수의 반도체 웨이퍼를 화학 기계적으로 평탄화시키는 장치는 적재 스테이션으로부터 수송 스테이션까지 반도체 웨이퍼를 움직이기 위한 제 1 웨이퍼 수송 메커니즘을 포함한다. 제 2 웨이퍼 수송 메커니즘은 수송 스테이션에 인접하여 배치되고 수송 스테이션에서 반도체 웨이퍼 적재 장치까지 반도체 웨이퍼를 움직이도록 만들어진다. 웨이퍼 적재 장치는 각각의 웨이퍼를 웨이퍼 컨베이어로 적재한다. 웨이퍼 컨베이어는 다수의 웨이퍼 수용부분을 가지고 다수의 웨이퍼 수용부분 각각에서 반도체 웨이퍼를 수용하도록 회전 운동할 수 있다. 웨이퍼 컨베이어는 설정된 공정 경로를 따라 웨이퍼의 연속 폐쇄 고리 운동을 허용하도록 배치되고 처리 경로를 따라 되돌아가야 되는 가능성을 최적으로 방지할 수 있다. 처리 경로를 따라 위치 설정된 제 1 연마 스테이션은 부분적으로 평탄화된 반도체 웨이퍼를 만들기 위해서 설정된 시간동안 반도체 웨이퍼를 평탄화한다. 처리 경로를 따라 놓인 제 2 주요 폴리싱 스테이션은 일부 평탄화된 반도체의 평탄화 공정을 완료한다. 터치-업 연마기는 제 1, 제 2 주요 폴리싱 스테이션에 의해 발생된 모든 스크래치를 제거하기 위해서 평탄화된 웨이퍼를 버퍼 연마한다. 유리하게도, 웨이퍼는 웨이퍼 컨베이어 로우더에서 헹구어지고 웨이퍼 세척 장치에서 건조되어서 슬러리 및 입자를 완전히 제거한다. 각각의 반도체 웨이퍼는 단일 처리 경로를 따라 이동한다.
선호되는 실시예에서, 웨이퍼 컨베이어와 웨이퍼 처리점 사이에서 반도체 웨이퍼를 옮기기 위한 반도체 웨이퍼 수송 메커니즘이 설명된다. 이 수송 메터니즘은 회전할 수 있고 축방향으로 움직일 수 있는 스핀들을 포함한다. 레버 아암은 스핀들에 부착되는데 이것의 제 1 단부는 가동성 프레임에 연결되고 제 2 단부는 가동성 프레임에 부착된 정밀 조절된 스핀들 구동부에 연결된다. 대충 조정된 스핀들 구동부는 고정된 프레임에 부착되고 가동성 프레임에 연결되어서 대충 조정된 스핀들 구동부는 스핀들의 축방향으로 고정된 프레임에 대해 가동성 프레임을 움직일 수 있다. 반도체 웨이퍼 수송 메커니즘은 웨이퍼 컨베이어와 폴리싱 스테이션 또는 웨이퍼 컨베이어 로우더 사이에서 웨이퍼를 움직이기 위해서 회전식 웨이퍼 컨베이어와 헤드를 지지하는 분리가능한 웨이퍼와 공동 작용한다. 대충 조정된 스핀들 구동부와 정밀 조정된 스핀들 구동부는 폴리싱 스테이션에서 폴리싱 패드에 고정된 웨이퍼에 가해지는 압력 제어력을 부가한다.
선호되는 실시예에 따른 웨이퍼 연마 시스템(10)이 도 1내지 3에 나타나 있다. 이 시스템(10)은 전방 단부 프레임 조립체(12)와 이 전방 단부 프레임 조립체(12)에 연결된 후방 단부 프레임 조립체(14)를 포함한다. 반도체 웨이퍼에서 일반적으로 사용되는, 시스템(10)은 전방 단부 프레임 조립체(12)의 단부에 놓인, 하이네 디자인 인코포레이티드에서 시판되고 있는 Ergo 로우더와 같은 카셋트(16) 또는 카셋트 호울더와 같은, 하나 이상의 웨이퍼 호울더로부터 반도체 웨이퍼를 수용한다. 아래에서 보다 상세히 설명된 것처럼, 반도체 웨이퍼는 완전히 가공된 카셋트(16)로부터 복구되고, 시스템(10)에 의해 깨끗하게, 건조되고 균일하게 평탄화된 상태에서 카셋트(16), 동일 위치나 설정된 다른 위치로 되돌아간다.
전방 단부 프레임 조립체(12)는 원하는 크기의 웨이퍼 카셋트(16)를 수용하도록 크기가 설정된다. 각각의 카셋트(16)는 다수의 웨이퍼를 포함한다. 이 카셋트(16)는 입력부/출력부에서 수동으로 또는, 표준 모듈 인터페이스(SMIF) 캐리어(18)를 사용해 자동으로 적재될 수 있다. 일부 카셋트(16)는 선호되는 웨이퍼 폴리싱 시스템과 함께 사용될 수 있고 이 카셋트는 폴리프로필렌, 테플론 또는 웨이퍼를 고정하는데 알맞은 그밖의 다른 물질과 같은 플라스틱으로 만들어질 수 있다. 건조 환경 로봇(20)은 카셋트(16)와 이웃한 전방 단부 조립체(12) 내에 놓인다. 건조 로봇(20)은, 카셋트에서 웨이퍼를 복구하고 카셋트(16)로 웨이퍼가 되돌아가도록 만들어지는 것이 선호된다. 전방 단부 조립체(12)에서 사용하기에 적합한 로봇(20)은 하이네 디자인 인코포레이티드에 의해 제작된 모델명 제 04300-038이다. 건조 로봇(20)과 후방 단부 조립체(14) 사이의 전방 단부 조립체(12) 내부에 위치한 웨이퍼 수송 스테이션(22)은 처리하는 동안 건조 로봇으로부터 웨이퍼를 받아들인다. 수송 스테이션(22)은 건조 로봇(20)으로부터 반도체 웨이퍼를 수용하기에 적합한 웨이퍼 수용 플랫폼을 포함한다. 수송 스테인션(22)은 웨이퍼를 예비정렬하고 후방 단부 조립체(14)에 위치한 습식 환경 로봇(24)으로 접근할 수 있도록 구조된다. 하이네 디자인, 인코포레이티드에서 시판하고 있는 수송 스테이션이 적합하다.
전방 단부 조립체(12)는 전체 웨이퍼 연마 시스템(10)을 작동하기 위해 그래프 사용자 인터페이스(GUI)(28)를 보여주는 표시부(26)를 포함한다. 이 GUI는 청정실로 돌출해 있는 전방 단부 조립체 부분에서 카셋트(16)와 인접하여 배치된다. 상기 GUI(28)는, 처리 매개변수와 모니터 과정을 바꾸기 위해서 사용자가 시스템(10)과 상호작용하도록 허용한다. 상기 표시부(26)는 표준 음극선관이거나, 액정 디스플레이거나 그밖의 다른 적합한 가시 디스플레이 장치이다.
필터(30), 선호적으로 고효율 미립자 감쇠기(HEPA) 필터가 전방 단부 조립체(12)에 장착되어서 미립자가 물을 오염시키는 것을 방지한다. 또, 스크러버 조립체(32)는 전방 단부 조립체(12)에 배치되고 이 조립체의 한쪽 단부는 후방 단부 조립체(14)와 이웃해 있고 다른쪽 단부는 건식 로봇(20)에 이웃해 있다. 상기 스크러버는 후방 단부 조립체에서 처리되는 웨이퍼를 기계 화학적으로 세척한 후 건식 로봇이 웨이퍼를 카셋트(16)로 복귀시키기 전에 웨이퍼를 헹구고 건조시킨다. 후방 단부 조립체로부터 뻗어있는 웨이퍼는 후방 단부 조립체(14)에서 이루어지는 폴리싱 연마 및 버퍼 연마 공정으로부터 발생한 화학 슬러리 입자를 완전히 제거하도록 기계적 세척을 필요로 한다. 한가지 적합한 스크러버의 예로는 온트락 시스템즈, 인코포레이티드에 의해 제작된 2중면 스크러버가 있다. 선호되는 방법과 시스템의 장점은 웨이퍼를 "드라이 인-드라이 아우트" 처리하고 여기에서 웨이퍼는 시스템에 배치되고 건식, 무입자 상태로 시스템으로부터 제거된다.
전술한 대로, 반도체 웨이퍼는 전방 단부 조립체(12)로부터 후방 단부 조립체(14)까지 습식 로봇(24)을 경유해 수송된다. "습식"이라는 용어는 로봇이 작동하는 습식 환경을 의미한다. 이 습식 환경은 후방 단부 조립체(14)에서 웨이퍼를 폴리싱 가공하거나 버퍼 가공하는 동안 사용되고 발생되는 화학 물질, 수분에 의해 형성된다. 비록 시스템(10)에서 카셋트(16)와 처리 스테이션 사이에서 웨이퍼 수송을 처리하는데 단일 로봇이 사용될 수 있을지라도, 카셋트와 다른 모든 가공된 웨이퍼로부터 발생한 화학 슬러리와 입자의 분리를 개선시키기 위해서 두 개의 로봇(20,24)이 사용되는 것이 선호된다. 한가지 적합한 습식 로봇(24)은 하이네 디자인, 인코포레이티드에 의해 제작된 모델명 제 04300-25이다.
후방 단부 조립체(14)에서, 습식 로봇(24)은 도 3에 가장 잘 나타난 헤드 로우더(34)와 공동 작용한다. 헤드 로우더(34)는 웨이퍼 컨베이어 장치, 선호적으로 도 4에 나타낸 회전식 인덱스 테이블(36)로 반도체 웨이퍼를 적재하고 제거할 수 있다. 이 인덱스 테이블(36)은 다수의 웨이퍼를 유지하고 방출할 수 있으며, 각각의 웨이퍼는 다른 웨이퍼로부터 분리되어 고정된다. 인덱스 테이블(36)은 헤드 로우더(34)로 되돌아가기 전에 처리 스테이션을 완전히 순환함으로써 각 웨이퍼를 지탱하기 위해서 한쪽 방향으로 이동하는데 여기에서 완전히 연마된 반도체 웨이퍼가 내려진 후 전방 단부 조립체(12)를 통하여 카셋트(16)로 되돌아간다. 후방 단부 조립체(14)에서 인덱스 테이블(36)의 경로를 따르는 제 1, 제 2 처리 스테이션은 주요 웨이퍼 폴리싱 장치(38), 선호적으로 화학 기계적 평탄화(CMP)를 이룰 수 있는 선형 웨이퍼 연마기이다. 비록 선형 웨이퍼가 선호될지라도, 회전 연마기와 같은, 다른 유형의 연마 장치가 웨이퍼 폴리싱 시스템(10)의 모듈 구조에서 쉽게 이용될 수 있다. 상기 목적을 달성하기 위해, 주요 웨이퍼 폴리싱 장치는 분당 1000옴스트롱의 비율로 웨이퍼에서 물질을 제거하도록 만들어진 연마기를 언급한다.
인덱스 테이블이 각각의 주요 웨이퍼 폴리싱 장치로 웨이퍼를 수송한 후에, 인덱스 테이블(36)은 웨이퍼를 제 3 처리 스테이션, 선호적으로 회전식 버퍼와 같은 터치-업 폴리싱 장치(40)로 수송한다. 알맞은 터치-업 폴리싱 장치(40)로는 가드 인코포레이티드에서 제작하여 시판하고 있는 궤도 연마기가 있다. 회전식 또는 선형 터치-업 폴리싱 장치가 사용될 수 있다. 터치-업 폴리싱 장치라는 용어는 1,000Å/min 이하, 선호적으로 50-500Å의 비율로 주요 폴리싱 단계에서 웨이퍼의 표면에 남겨진 잔류 스크래치를 제거하는 웨이퍼 버퍼 연마 장치를 뜻한다. 후방 단부 조립체(14)에서 성분에 대한 일반적인 사항은 아래에서 자세히 기술될 것이다. 아래에서 사용된 바와 같은 처리 스테이션이라는 용어는, 헤드 로우더(34), 주요 폴리싱 장치(48) 및 터치-업 폴리싱 장치(40)를 언급하는 것이다.
웨이퍼 컨베이어도 4는 주요, 터치-업 폴리싱 장치(38,40)에 대해 후방 단부 프레임 조립체(14)에 장착된 인덱스 테이블(36)의 선호되는 실시예를 나타낸다. 전술한 대로, 인덱스 테이블(36)은 각각의 처리 스테이션으로 반도체 웨이퍼를 옮기기 위해서 작동하므로 모든 반도체 웨이퍼는 동일 처리 스테이션에서 동일 처리 공정을 거친다. 이 인덱스 테이블(36)은 인덱스 테이블 둘레에 동일한 간격으로 배치된 다수의 헤드 수용 영역(42)을 가진다. 상기 인덱스 테이블(36)은 인덱스 테이블(36) 위 또는 아래에 장착된 모터 구동된 인덱서(45)를 통하여 회전식 샤프트(46)(도 2)에 연결하는 중심 허브(44)를 포함한다. 인덱스 테이블(36)은 모터 구동된 인덱서(45) 아래에 장착되는 것이 선호된다. 상기 인덱스 테이블(36)과 인덱서(45)의 구조는 인덱스 테이블 아래에 보다 소형의 처리 스테이션을 허용한다. 이런 구조는 인덱스 테이블에서 인덱서 또는 베어링 조립체로 오염 물질이 적하되는 것을 방지한다. 상기 인덱스 테이블(36)은 모터 구동된 인덱서(45)에 연결된 모터에 의해 360도로 연속 회전함으로써 한 방향으로 정확하게 증가하면서 회전할 수 있다. 인덱서(45)에 연결된 모터(47)는 나타낸 실시예에서 90°회전으로 인덱서를 구동한다. 다른 실시예에서, 다소간의 회전 증분은 적절히 선택된 인덱서를 사용해 실행될 것이다. 예를 들어, 4개 이상의 웨이퍼 수용 영역과 4개 이상의 웨이퍼가 인덱스 테이블(36)에 배치된다면, 인덱스 테이블 아래에 위치설정된 처리 스테이션에 대해 각각의 웨이퍼를 정확하게 배치하도록 회전 증분이 알맞게 디자인될 것이다. 인덱스 테이블(36)은 한쪽 방향으로 운동하는 것이 유리하고 웨이퍼 폴리싱 공정 중에 역방향으로 운동하지 않는다.
회전식 피이드백 시스템(49)은 인덱스 테이블(36)의 위치를 감시한다. 상기 회전식 피이드백 시스템은 인코더 구동 스프로킷(53)과 인코더 구동 체인(55)에 의해 회전 샤프트(46)에 결합된 회전식 인코더(51)로 구성된다. 회전 인코더(51)로부터 발생한 신호는 웨이퍼의 처리를 모니터하고 인덱서(45)를 구동하는 모니터(47)를 제어하는 수송 모듈 제어기(316)(도 31)로 전달된다. 플라스틱 피복된 알루미늄 또는 스테인레스 스틸은 인덱스 테이블을 위한 적합한 재료이다. Camco 902RDM4H32-330과 같은, 모터 구동된 인덱서는 인덱스 테이블을 정확하게 회전시키는데 사용될 수 있다.
또다른 실시예에서, 웨이퍼 컨베이어는 도 5에 나타낸 것처럼 경량을 가지도록 구조된 인덱스 테이블(436)이다. 이 실시예에서, 인덱스 테이블(436)은 고체 물질보다는 중심 허브(444)로부터 연장 구성된 지지아암(448)으로 만들어진 프레임을 사용한다. 웨이퍼 수용 영역(442)은 지지 아암(448)의 단부에 위치 설정된다. 원주 방향을 따라 배치된 지지부(450)는 인덱스 테이블(436)에 강도와 강성을 부가한다. 당해업자들에게 잘 알려진 것처럼, 인덱스 테이블의 구조를 다르게 만들 수도 있다.
헤드 조립체 및 헤드 고정 조립체인덱스 플레이트에 의해 정의된 공정 경로를 따라 진행할 때, 반도체 웨이퍼는 다른 헤드 조립체(52)에 의해 각각 고정된다. 도 6과 7에 나타난 것처럼, 각각의 헤드 조립체(52)는 하나의 웨이퍼를 지지한다. 도 6은 헤드 조립체(52)의 웨이퍼 수용 플레이트(54)를 보여준다. 웨이퍼를 고정할 때, 헤드 조립체(52)는 웨이퍼 수용 플레이트(54)의 면을 둘러싸고 이 수용 플레이트 너머로 뻗어있는 지지 고리(56)에 의해 정의된 경계 내에서 웨이퍼 수용 플레이트(54)에 대해 웨이퍼를 지지한다. 다수의 구멍 또는 액체 도관(58)은 웨이퍼 수용 플레이트(54) 둘레에 배치된다. 상기 액체 도관(58)은 웨이퍼와 수용 플레이트(54) 사이에 형성된 부분 진공 상태 또는 표면 장력을 통하여 웨이퍼를 지지할 때 헤드 조립체(52)를 보조한다. 외부 고리(60)와 헤드 연결기(66)는 헤드 조립체(52)의 하부를 고정한다. 도 7에 나타난 것처럼, 슬롯(64)과 원심 돌출 고리(62)는 헤드 연결기(66)에 배치된다.
슬롯(64)과 고리(62)는, 헤드 어댑터(66)가 공구 변환 어댑터(80)에 탈착식으로 연결될 수 있도록 허용한다. 헤드 조립체 어댑터와 공구 변환 어댑터의 상호 연결부는 도 8과 9에 잘 나타나 있다. 헤드 어댑터(66)는 헤드를 연결하도록 형성된다. 공구 변환 어댑터(80)는 한쪽 면에서 헤드 어댑터(66)와 결합하고 다른쪽 면에서 표준형 2부재 공구 변환기의 암회전자와 결합되도록 만들어진다. 한가지 적합한 2부재 공구 변환기로는 오하이오, 티피 시티의 로보틱 액세서리에서 시판되고 있는 변환기가 있다. 본 발명에 따른 헤드 조립체(52)의 장점은, 다수의 일반적으로 이용되고 있는 웨이퍼 고정 헤드와 공구 변환기가 알맞은 헤드 어댑터 플레이트 또는 공구 변환 어댑터(80)를 만들어줌으로써 사용될 수 있다는 것이다.
도 4,8과 9에서, 공구 변환 어댑터(80)는 인덱스 테이블(36)에서 각각의 헤드 수용 영역(42)에 부착된 헤드 지지 조립체(68)와 탈착식으로 연결되어서 헤드 조립체(52)를 인덱스 테이블(36)에 연결한다. 헤드 지지 조립체(68)는 인덱스 테이블(36)에 나사(72)로 장착된 환상 벽(70)으로 구성된다. 도 4는 한 가지 헤드 지지 장치만 나타내었지만, 헤드 지지 조립체(68)는 인덱스 테이블(36)에서 각각의 웨이퍼 수용 영역(42)에 장착되는 것이 선호된다. 선호되는 실시예에서, 슬롯이 있는 고리(74)는 환상 벽(70)에 단단히 고정되는데, 여기에서 고리(74)는 금속재로 만들어지고 벽(70)은 중량을 줄이기 위해서 플라스틱재로 만들어진다. 환상 벽(70)은 이 환상 벽(70)으로부터 연장 구성된 두 돌기부(76)에 연결된다. 상기 돌기부(76)는 벽(70)과 부착된 고리(74)를 회전하기 위해서 움직일 수 있다. 이 회전에 의해 헤드 조립체의 공구 변환 어댑터 부분(80)을 고정하는 볼 베어링(78)을 안으로 끌어넣을 수 있다. 가늘고 긴 구멍이 있는 고리(74)에서 슬롯은 볼 베어링(78)을 수용하고 스핀들 구동 조립체(108)(도 16)가 맞물려서 헤드 조립체를 처리 스테이션 아래로 움직일 수 있도록 한다. 웨이퍼가 처리 스테이션으로부터 인덱스 테이블에서 수용될 때, 헤드 조립체(52)는 헤드 고정 메커니즘(68)에 다시 연결된다. 이것은 환상 벽(70)과 슬롯이 있는 고리(74)를 회전시키기 위해서 돌기부(76)에서 밀어줌으로써 달성되고 헤드 조립체(52)의 공구 변환 어댑터 부분(80) 둘레에서 환상 그루브(79)와 볼 베어링이 접촉하도록 한다.
헤드 고정 조립체(68)는 인덱스 테이블에서 웨이퍼를 회전시키는 동안 웨이퍼와 헤드 조립체의 탈이온수 헹굼을 위해 제공된다. 헤드 고정 조립체의 바깥쪽에서 탈이온수 유입구(69)는 인덱스 테이블(36)상의 관으로부터 탈이온수를 받아들인다. 도 9에 나타난 것처럼, 탈이온수 유입구(69)는 원형 채널(71)과 연결되어서 탈이온수를 헤드 조립체에 제공한다. 헤드 고정 조립체 내 통로(73)는 헤드 조립체(52)와 헤드 고정 조립체(68) 사이의 헹굼 틈(75)에서 열려진다. 탈이온수나 그밖의 다른 세정제는, 탈이온수 유입구(69)로 공급되어서 웨이퍼와 헤드 조립체(52) 밖으로 배출되어서 잔존 세척제를 제겅한다. 웨이퍼가 처리 스테이션 사이에서 이동하는 동안 세척 공정이 일어날 수 있으므로 다른 처리 스테이션에서 화학적으로 불화합성 폴리싱제의 사용을 용이하게 한다.
도 10에 나타난 것처럼, 한 쌍의 헤드 고정 작동 피스톤(59)은 헤드 고정 조립체(68)에서 돌기부(76)와 공동 작용하여서 헤드 조립체를 헤드 고정 조립체에 고정하고 분리한다. 한 쌍의 헤드 고정 작동 피스톤(59)은 시스템(10)에서 각각의 처리 스테이션에 인접한 후방 단부 조립체의 프레임에 위치 설정된다. 상기 피스톤은 브래킷(61)에 의해 프레임에 체결되어서 인덱스 테이블에서 운동할 수 없다. 인덱스 테이블의 증분 회전 운동에 의해 인덱스 테이블에 장착된 각각의 웨이퍼가 다음 처리 스테이션으로 움직일 때 상기 피스톤은 각각의 헤드 고정 메커니즘과 정렬하도록 장착된다. 상기 피스톤(59)은 돌기부(76)에 대해 밀어서 인덱스 테이블(36)로부터 헤드 조립체를 탈착시키도록 구성된 샤프트(65)의 단부에 접촉 헤드(63)를 포함한다. 다양한 공압식 또는 유압식 피스톤이 사용되고 있다. 피스톤(59)은 스핀들 구동 조립체(108,`109)(도 15-19 참조)와 함께 헤드 조립체(52)를 탈착시키도록 수송 모듈 제어기(316)(도 31)에 의해 제어되는 것이 선호된다.
도 11-13은 선호되는 제 2 실시예에 따른 헤드 고정 조립체(468)를 나타낸다. 이 실시예에서, 분리된 헤드 고정 작동 피스톤은 불필요하다. 도 11에 나타난 것처럼, 헤드 고정 조립체(468)는 인덱스 테이블의 각 헤드 수용 영역에서 환상 벽(470)에 부착된 헤드 조립체 연결 고리(469)를 포함한다. 상기 고리(469)는 내부 플랜지(471)를 가지는데 다수의 공구 변환 어댑터 관통 슬롯(472)은 내부 플랜지(471) 둘레에서 비대칭형으로 배치된다. 상기 관통 슬롯(472)은 헤드 조립체에 부착된 공구 변환 어댑터(480)의 외주로부터 방사상으로 뻗어있는 핀(474)을 수용하도록 만들어진다. 각각의 관통 슬롯(472)은 핀 고정 베이(bay)로부터 원주 방향으로 설정된 거리만큼 이격되어 배치된다. 각각의 핀 고정 베이는 내부 플랜지(471)에서 오목부에 의해 한정된다.
아래에 자세히 설명된 것처럼, 각각의 처리 스테이션에서 스핀들 구동 조립체는, 공구 변환 어댑터에서 핀(474)과 관통 슬롯(472)을 정렬하고, 핀(474)이 관통 슬롯(472)을 통과할 때까지 헤드 조립체를 올려주고, 핀이 핀 고정 베이(473)에 위치할 때까지 헤드 조립체를 회전시킨 후 내려줌으로써 도 11-13에 나타낸 헤드 고정 메커니즘에 헤드 조립체를 고정한다. 비대칭형 슬롯과 대응하는 핀은, 각 헤드 조립체가 인덱스 테이블과 처리 스테이션 사이에서 헤드 조립체를 매번 옮겨줄 때 동일한 배향으로 인덱스 테이블에 적재되도록 보장하기 위해서 편광 끼워맞춘다. 도 11-13에 나타낸 헤드 고정 조립체는, 헤드 고정 조립체를 탈착시키는데 분리된 피스톤을 필요로 하지 않는다는 장점을 가진다. 그 대신에, 스핀들 구동 조립체는 헤드 조립체를 인덱스 테이블에 정렬시켜 고정하는 필요한 단계를 실행한다.
헤드 로우더도 14는 적재하고 내리는 동안 헤드 조립체(52)와 상호작용하는 헤드 로우더(34)와 인덱스 테이블(36)을 나타낸다. 단순성을 위해, 도 14는 전체 헤드 조립체(52) 또는 이 헤드 조립체(52)에 연결된 헤드 로우더 스핀들 구동 조립체(109)(도19)를 나타내지 않는다. 상기 헤드 로우더(34)는 폴리싱 가공 이전에 헤드 조립체로 웨이퍼를 예비정렬시키고 폴리싱 가공과 버퍼 연마 가공을 거친 후에 웨이퍼를 제거하도록 만들어진다. 또, 헤드 로우더는 웨이퍼를 내릴 때 탈이온수로 헤드 조립체와 웨이퍼의 과다 슬러리를 헹구어 내는 린스 스테이션으로서 기능을 가진다. 탈이온수와 함께 또는 개별적으로, 사용되는 다른 세척 화합물은 헤드 로우더(34)에서 노즐에 의해 적용될 수 있다. 상기 헤드 로우더(34)는 웨이퍼 수송 조립체(92)를 둘러싸는 수직으로 움직일 수 있는 헹굼통(90)으로 구성된다. 수송 조립체(92)는 정렬 고리(96)와 동축으로 배열된 실린더형 지지 고리(94)를 포함한다. 프레임(99)에 장착된 공압식 실린더(98)에 의해 구동된 실린더형 샤프트(102)는 통(90)에 연결된다. 상기 실린더(98)는 통을 올리고 내린다. 유리하게도, 실린더(98)는 인덱스 플레이트와 함께 씨일(seal)을 형성하기 위해서 인덱스 플레이트(36)의 바닥까지 통(90)을 들어올릴 수 있다. 상기 씨일은, 헤드 로우더와 인덱스 플레이트 사이에서 교환하는 동안 웨이퍼와 헤드 조립체가 같은 높이를 이루도록 할 필요가 있다. 이 씨일은 통(90)의 오우프닝 둘레에 배치된 O-고리(91)로 형성될 수 있다.
통 내부에서, 헤드 정렬부 및 웨이퍼 지지 고리(96,94)는 리프터 로드(101)를 경유하여 선형 작동기(97)에 의해 통과 독립적으로 움직일 수 있다. 상기 선형 작동기(97)는 정렬 고리(96)와 웨이퍼 지지고리(94)를 모두 움직인다. 헤드 정렬 고리(96)가 맞물리고 웨이퍼 지지 고리(94)가 헤드 조립체(92)와 일렬로 배치할 때까지 선형 작동기(97)는 헤드 정렬 고리(96)와 웨이퍼 지지 고리(94)를 상승시킨다. 일단 헤드 조립체(52)로 정렬이 이루어지고 나면, 제 2 작동기(121)는 독립적으로 헤드 조립체로부터 웨이퍼를 수용하거나 웨이퍼를 수송하도록 웨이퍼 지지 고리(94)를 상승시킨다. 웨이퍼와 헤드 조립체는 헤드 정렬부와 웨이퍼 지지고리(96,94)에 인접한 지지부(103)에 놓인 분사 노즐(100)로부터 세액을 수용한다. 선호적으로, 노즐은 탈이온수와 계면활성제와 같은 부가 세정 화합물을 분사하여서, 폴리싱 가공된 웨이퍼를 헹구고 공되지 않은 웨이퍼를 가공하기 위해 헤드로 수송하기 전에 헤드를 헹군다.
스핀들 구동 조립체웨이퍼를 인덱스 테이블(36)로 상승시키거나 낮추는 헤드 로우더 이외에, 스핀들 구동 조립체는 인덱스 테이블로부터 헤드 조립체(52)를 내린다. 두 가지 유형의 스핀들 구동 조립체가 현재 선호되는 시스템(10)에서 사용된다. 제 1 유형의 스핀들 구동 조립체는 헤드 로우더(34)와 대향하여 배치된다. 제 2 유형의 스핀들 구동 조립체는 인덱스 테이블에 의해 한정된 공정 경로를 따라 나머지 처리 스테이션에 위치 설정된다. 상기 두 가지 유형의 스핀들 구동 조립체는 모두 스핀들(110)에 결합된 수나사 부분(81)과 각각의 헤드 조립체(52)에 부착된 암나사 부분(83)을 가지는 로봇 공구 변환 장치를 사용하여 인덱스 테이블 위에서 헤드 조립체에 스핀들을 탈착식으로 연결한다.
도 1과 2는 웨이퍼 폴리싱 시스템(10)에서 사용되는 주요 폴리싱 연마 장치와 터치-업 연마 장치에 대한 스핀들 구동 조립체(108)의 위치를 나타낸다. 비록 헤드 로우더(34)에서 스핀들 구동 조립체는 다른 처리 스테이션에서 간소화된 스핀들 구동 조립체(108)의 형태로 변형될 수 있을지라도, 헤드 로우더에서 보다 복잡한 스핀들 구동 조립체(108)가 사용될 수도 있다. 전술한 대로, 헤드 조립체(52)는 헤드 고정 조립체(68)에 의해 회전식 인덱스 테이블에 탈착식으로 부착할 수 있다. 인덱스 테이블의 경로를 따라 각각의 처리 스테이션에서, 스핀들 구동 조립체(108)는 헤드 조립체와 맞물리고, 상기 인덱스 테이블(36)에서 헤드 고정 조립체로부터 분리되는 동안 헤드 조립체(52)를 유지하며, 분해된 헤드 조립체(52)와 웨이퍼를 처리 스테이션을 향해 아래로 움직인다. 처리 스테이션에서 처리를 끝낸 후, 스핀들 구동 조립체(108)는 헤드 조립체와 웨이퍼를 인덱스 테이블까지 들어올리고, 웨이퍼와 헤드 조립체를 헤드 고정 메커니즘으로 고정시키며, 상기 헤드 조립체에서 분리한다. 그 후 인덱스 테이블은 다음 인덱스점으로 자유회전하고 상기 인덱스 테이블로부터 웨이퍼와 헤드 조립체를 분해하는 공정은 웨이퍼 폴리싱 연마 시스템(10)의 각 처리 스테이션에서 동시에 반복 실행한다.
또는, 도 11-13의 헤드 고정 메커니즘이 사용된다면 스핀들 구동 조립체(108)는 헤드 조립체에 직접 고정하거나 분리할 수 있다. 스핀들 구동 조립체(108)는, 핀(474)이 관통 슬롯(472)과 정렬할 때까지 헤드 조립체를 회전시킨다. 스핀들 구동 조립체는 그후 핀이 플랜지(471)에서 핀 고정 베이(473)에 놓일 때까지 헤드 조립체를 약간 들어올려서 회전시킨다. 스핀들 구동 조립체는 공구 변환기의 암나사 부분으로부터 분해함으로써 헤드 조립체를 분리할 수 있다. 헤드 조립체가 다음 처리 스테이션에서 스핀들 구동 조립체에 의해 파지되고 처리를 위해 낮추어질 때 역공정이 실행된다. 본원의 선호되는 시스템(10)의 장점은, 전체 스핀들 구동 조립체의 부피와 중량을 이동시킬 필요없이, 탈착식 헤드 조립체를 사용해 처리 스테이션 사이에서 처리될 웨이퍼가 동시에 움직일 수 있다는 것이다.
선호되는 스핀들 구동 조립체(108)는 도 15-18에 자세히 나타나 있다. 이 스핀들 구동 조립체(108)는 상기 조립체(108)를 통하여 수직으로 뻗어있는 스핀들(110)을 포함한다. 상기 스핀들(110)은 스핀들(110)의 대향한 단부를 향하여 배치된 한쌍의 베어링 조립체(112)에 회전할 수 있게, 슬라이드 운동할 수 있게 장착된다. 상기 베어링 조립체는, 스핀들(110)이 축을 따라 슬라이드 운동할 수 있고 축 둘레에서 회전할수 있도록 허용하는 볼 스플라인 베어링이 선호된다. 한 가지 적합한 볼 스플라인 베어링으로는 THK, 인코퍼레이티드에서 시판하고 있는 LTR 베어링이 있다.
도 17에 나타난 것처럼, 스핀들(110)은 스핀들(110)의 길이를 따라 뻗어있는 공동이 있는 보어(114)를 포함한다. 다수의 유체 도관(116)은 공동이 있는 보어(114)에 위치 설정된다. 유체 도관(116)은 공기나 액체를 저장할 수 있고 진공 상태로 유지할 수도 있다. 시스템(10)과 함께 사용되는 헤드 조립체(52)의 유형에 다라, 상기 도관(116)의 일부 또는 전체가 사용될 것이다. 회전자 커플링(118)은 헤드 조립체(52)와 대향해 스핀들(110)의 단부에 부착된다. 액체 또는 진공 상태를 유지하는, 가요성 관은 회전자 커플링(118)에 부착되고 스핀들(110)에서 도관(116)에 연결된다.
스핀들(110)은 스핀들 구동 조립체(108)의 프레임에 고정된 서보 기어 모터(120)에 의해 회전된다. 이 서보 기어 모터(120)는 스핀들(110)에 연결된 어댑터 구동 풀리(122)를 회전시키는 벨트를 회전운동시킨다. 스핀들(110)의 액시얼운동은 대충 조정 메커니즘(124)과 정밀 조정 메커니즘(126)에 의해 제어된다. 대충 조정 메커니즘(124)으로는 Axidyne로부터 시판되고 있는 BC35 나사-구동 작동기와 같은 나사 구동 작동기가 있다. 대충 조정 메커니즘은 스핀들(110), 정밀 조정 메커니즘(126), 베어링 조립체(112)와 고정된 프레임(132)에 부착된 레일(130)에서 나머지 스핀들 구동 조립체(108)를 움직인다. 대충 조정 메커니즘(124)은 고정된 프레임(132)에 부착되고 나머지 스핀들 구동체(108)를 레일(130)에 슬라이드 연결하는 슬라이드 베어링에 부착된 구동부를 가진다. 선호되는 실시예에서, 대충 조정 메커니즘(124)은 나머지 스핀들 구동 조립체(108)와 함께, 스핀들을 약 3-4인치 움직여서 헤드 조립체(52)는 주요 웨이퍼 폴리싱 장치(38) 또는 터치-업 폴리싱 장치(40)와 인접한 인덱스 테이블을 통하여 아래로 움직인다.
일단 헤드 조립체(52)가, 대충 조정 메커니즘(124)을 통하여, 처리 영역에 도달하고 나면, 정밀 조정 메커니즘(126)은 웨이퍼를 나머지 거리에 대해 움직이고 웨이퍼에 가해진 하향력을 제어한다. 선호적으로, 정밀 조정 메커니즘(126)은 레버 아암(136)에 부착된 다이어프램 복동식 실린더(134)에 의해 작동된다. 레버 아암은 한쪽 단부에서 실린더 샤프트(138)에 부착되고 다른쪽 단부에서 레일(130) 상에 고정된 피봇점(140)에 부착된다. 접어끼움 베어링(142)이 피봇점(140)과 실린더 샤프트(138) 사이에서 레버 아암(136)에 연결된다. 상기 접어끼움 베어링(142)은 축방향으로 고정되고, 스핀들(110)과 회전 연결된 부분을 가지므로, 실린더(134)는 스핀들(110)이 회전하는 동안 스핀들(110)의 상하운동을 일으킨다. 상기 레버 아암은, 실린더의 축방향 분리 및 정밀 조정 능력을 증가시키면서 보다 작고, 경량이며, 저동력의 실린더나 다른 유형의 작동기가 사용될 수 있도록 허용하는 장점을 부여한다. 선호되는 다른 실시예에서, 높은 분리, 고속 작동하는 리이드 나사는 정밀 조정 메커니즘(126)에서 복동식 실린더(134)를 대체할 수 있다. 한 가지 적합한 다이어프램 복동식 실린더로는 Bellofram에서 생산하고 있는 모델명 D-12-E-BP-UM 복동식 실린더가 있다.
각각의 웨이퍼 폴리싱 장치(38)에서 웨이퍼상에 제어된 하향력을 유지할 수 있다는 중요성 때문에, 정밀 조정 메커니즘은 1/2p.s.i 내에서 제어할 수 있고 2-10p.s.i의 범위를 가진다. 정밀 조정 메커니즘으로서 사용하기 위한 다른 선호되는 장치로는 고해상 선형 작동기가 있다. 고정된 프레임(132)에 장착된 직선 운동 센서(141)는 대충 조정 메커니즘(124)의 운동과 위치를 나타내는 제어 회로에 전기 피이드백을 제공한다. 실린더 연장 센서(143)는 정밀 조정 메커니즘(126)에 위치 설정되고 레버 아암(136)의 위치를 실린더(134)에 나타내는 제어 회로로 전기 신호를 제공한다. 선호적으로, 레버 아암과 실린더의 위치를 나타내는 전기 신호는 운동 영역의 중심에서 실린더 샤프트(138)를 유지하기 위해서 사용된다. 또, 스핀들은 주요 폴리싱 및 버퍼 연마 과정 동안 약 5-50r.p.m.으로 웨이퍼를 회전시키고 스핀들 구동 조립체는 원하는 하강력을 유지한다.
스핀들 구동 조립체(108)에서 웨이퍼에 적용된 하강력과 스핀들의 적합한 제어를 유지하도록, 폐쇄 루우프 제어 회로(144)는 도 18에 나타난 것처럼 사용된다. 이 제어 회로(144)는 대충 운동 제어 회로(146), 스핀들 회전 제어 회로(148) 및 헤드 하강력 제어 회로(150)를 포함한다. 이 대충 운동 제어 회로(146)는 운동 속도와 지속 시간을 제어하기 위해서 대충 조정 메커니즘(124)의 모터에 전기 연결된다. 하부 리미트 센서(152)와 상부 리미트 센서(154)는 대충 운동 제어 회로(146)와 연결되어서 가장 끝 위치에 도달하였을 때 대충 조정 메커니즘(124)을 중단시킨다. 직선 운동 센서(141)와 실린더 연장 센서(143)는 제어 회로와 연결된다. 다수의 제어 라인(156)은 시스템(10)에서 GUI(28)와 연결되게 프로세스 모듈 제어기(314)(도 31)로부터 입력된 명령을 전달한다. 스핀들 회전 제어 회로(148)는 벨트와 어댑터를 통하여 스핀들(110)에 연결된 모터(120)를 제어한다. 다수의 모터 제어 라인(158)은, 모터(120)가 원하는 속도와 원하는 방향으로 스핀들을 회전시킬 수 있도록 한다.
정밀 조정 메커니즘(126)은 헤드 하강력 제어 회로(150)에 의해 제어된다. 이 압력을 최적으로 제어하기 위해서, 선호되는 실시예에 따르면, 제어 회로(150)는 압력 변환기(160)상의 복동식 실린더(134)에서 다이어프램 각 면의 압력 차이를 감지하고, 다이어프램의 각 면으로부터 압력을 부가하거나 제거하기 위해서 제어 밸브(162)를 작동한다. 비록 공압식 실린더가 사용될 수도 있을지라도 실린더는 공압식 실린더가 선호된다. 부하 셀과 같은, 분리된 헤드 하강력 센서는 정밀 조정 메커니즘(126)에 의해 적용된 절대 압력을 측정하는데 사용될 수도 있다. 제어 밸브(162)에 공급된 공압은, 대충 조정 메커니즘이 그 운행을 종료한 후에 솔레노이드 스위치(166)를 통하여 활성화되는 압력 라인(164)을 통하여 전달된다. 제어 라인(168)은 스핀들(110)을 올리고 내리는 헤드 하강력 회로(150)에, GUI(28)를 통하여 사용자로부터 입력된 지시를 기초로 적용되어야 하는 힘의 크기를 나타낸다.
선호되는 실시예에서, 헤드 로우더 스핀들 구동 조립체(109)는 헤드 로우더(34) 위에 배치된다. 도 19에 나타낸 것처럼, 상기 헤드 로우더 스핀들 구동 조립체(109)는 도 15-17에 나타낸 스핀들 구동 조립체를 단순화시킨 것이다. 헤드 로우더 스핀들 구동 조립체(109)는 베어링 블록(113)에 회전할 수 있게 장착된 스핀들(111)을 포함한다. 이 베어링 블록(113)은 지지 스트럿(117)에 부착된 수직 배향된 레일(115)에 슬라이드 장착된다. 지지 스트럿(117)은 웨이퍼 폴리싱 시스템(10)의 프레임에 패스너를 통하여 고정된다.
헤드 로우더 스핀들 구동 조립체(109)는 스핀들(111), 베어링 블록(113) 및, 인덱스 테이블 면과 직각을 이루는 베어링 블록의 부착물을 움직이도록 단일 선형 작동기(119)를 사용한다. 도 15-17의 스핀들 구동 조립체와는 달리, 헤드 로우더에서 어떠한 폴리싱 연마 공정도 이루어지지 않으므로 정밀 조정 메커니즘은 필요하지 않다. 또, 헤드 로울러 스핀들 구동 조립체(109)는 헤드 조립체를 ±360°로 회전시킨다. 헤드로우더에서 한 방향으로 연속 회전은 불필요하므로, 헤드 로우더 스핀들 구동 조립체(109)는 스핀들(111) 아래로 액체나 진공을 안내하도록 결합한 회전자를 사용하지 않는다. 그 대신에, 유체나 진공 도관은 스핀들(111)의 바깥쪽으로 연결되고 스핀들을 ±360°까지 회전시킬 수 있도록 충분히 헐거워야 한다. 서보 모터(127)는 스핀들(111)을 회전시키기 위해서 기어 박스(125)를 통하여 벨트와 풀리 시스템(123)을 구동시킨다. 전술한 대로, 스핀들(111)은 회전하여서 헤드 로우더에서 노즐이 웨이퍼 및 헤드 조립체를 세척하도록 허용한다. 본원의 선호되는 헤드 로우더 스핀들 구동 조립체(109)는 주요 연마 장치 및 터치-업 연마 장치(38,40)에서 필요한 스핀들 구동 조립체(108)와 비교해 비용이 저렴하고 간단하다는 장점을 부여한다.
주요 웨이퍼 폴리싱 장치 스핀들 구동 조립체(108)는 인덱스 테이블에 의해 한정된 공정 경로를 따라 각 점에 위치 설정된 처리 스테이션과 공동작용한다. 도 1-3에 나타낸 것처럼, 두 개의 처리 스테이션은 주요 웨이퍼 폴리싱 장치(38)이다. 유리하게도, 주요 웨이퍼 폴리싱 장치(38)는 반도체 웨이퍼의 CMP가공을 위해 만들어진 선형 폴리싱 연마 장치이다. 다른 실시예에 따르면 웨이퍼 폴리싱 시스템(10)은 회전 폴리싱 연마 장치를 포함할 수도 있다. 선호되는 선형 웨이퍼 폴리싱 장치(38)는 도 20-25에 나타나 있다. 주요 웨이퍼 폴리싱 연마 장치(38)는 구동 로울러(180)와 아이들 로울러(182) 둘레에 배치된 벨트(178)를 포함한다. 이 벨트는 높은 인장 강도를 가지는 물질, 예를 들면 고분자나 스테인레스 스틸로 만들어지는 것이 선호된다. 12인치 이하의 지름을 가지는 웨이퍼를 폴리싱 처리할 때 벨트(178)의 너비는 약 13-14인치이다. 흡착제 패드(179)는 벨트(178)를 덮고 웨이퍼의 표면에서 물질을 제거하도록 마이크로 연마재를 포함한 화학물질 또는 슬러리와 같은 폴리싱 액체와 함께 작용한다. 웨이퍼 폴리싱 시스템에서 사용되는 각각의 주요 웨이퍼 폴리싱 연마 장치(38)는 1000Å/min의 비율로 웨이퍼 표면에서 물질을 제거하도록 만들어진다. 또, 각각의 폴리싱 연마 장치(38)는 패드(179) 표면을 울퉁불퉁하게 하고, 슬러리 수송을 위한 마이크로 채널을 제공하며 CMP 공정 중에 발생된 파편을 제거하도록 패드 조정기를 포함한다. 여러가지 수의 공지된 패드 조정기가 사용될 수 있다.
로울러(180,182)는 피복 스틸 프레임(184)에 장착된다. 이 프레임(184)은 스테인레스 스틸 플레이트로 만들어지는 것이 선호되고 플라스틱 또는 플라스틱 코팅된 물질로 만들어진 라이닝(186)을 포함한다. 화학 슬러리, 연마 물질은 웨이퍼 폴리싱 장치(38)와 함께 사용되므로, 폴리싱 연마하는 동안 발생된 물질과 연마제가 정밀 베어링 조립체로 유입되는 것을 막고 후방 단부 조립체(14)를 오염시키는 것을 막기 위해서 폴리싱 연마 장치는 가능한 한 내외가 밀폐된다. 보호부(188)는 로울러(180,182)의 단부를 덮는다. 두 로울러(180,182)는 스테인레스 스틸 또는 다른 부식성, 고강도 물질로 만들어진 관상 코어(190)를 포함한다. 고무 코팅(192)은 벨트(178)와 로울러(180,182) 사이에 견인력을 부여하도록 관상 코어(190)에 전체에 대해 형성된다. 선호적으로, 벨트(178)는 로울러(180,182)의 단부 위로 형성되어서 물과 화학 슬러리가 벨트(178)와 로울러(180,182) 사이로 스며나오는 것을 방지한다. 또, 물이나 슬러리가 벨트와 로울러 사이로 유입된다면 고무 코팅은 하이드로플레이닝 효과를 방지하기 위해서 홈이 있는 표면을 가진다. 과다한 물과 슬러리의 유출부(194)는 프레임(184)의 바닥에 위치 설정된다.
로울러 구동 기어 모터(196)는 프레임(184)의 바깥쪽에서 구동 로울러(180) 아래에 위치 설정된다. 모터(196)는 로울러(180)의 구동 액슬(200)에 모터를 연결하는 구동 벨트(198)를 회전시킨다. 이 구동 액슬은 프레임(184)에서 밀폐된 베어링 조립체(202)에 회전할 수 있게 장착된다. 로울러(180)의 관상 코어(190)는 구동 액슬(200)에 단단히 부착된다.
구동 로울러(180)와는 달리, 아이들 로울러(182)는 회전하지 못하는 액슬(204)을 가진다. 아이들 로울러(182)의 관상 코어(190)는 관상 코어(190)와 액슬(204) 사이에 놓인 밀폐된 베어링(206)상의 액슬(204) 둘레에서 수동 회전한다. 아이들 로울러(182)에서 벨트(178)를 인장시키면 아이들 로울러는 구동 로울러(180)와 동기 회전한다. 아이들 로울러(182)에서 액슬(204)의 각 단부는 도 22에 나타낸 것처럼 프레임(184)에 슬라이드 장착된 슬라이드 바(206)에 회전 부착된다. 상기 슬라이드 바(206)는 하기 폴리싱 연마 장치(38)에서 조종 및 인장 메커니즘(208)의 일부이다.
도 21-22에 잘 나타난 것처럼, 로울러(180,182)에서 벨트(178)를 인장하고 정렬하는 것은 조종 및 인장 메커니즘(208)으로 자동 조절된다. 상기 조정 및 인장 메커니즘(208)은 링크 조립체(212)를 통하여 각각의 슬라이드 바(206)에 연결된, STARCYL에서 시판하고 있는 다단 공기 실린더와 같은, 공압식 실린더(210)로 구성된다. 상기 링크 조립체(212)는 아이들 로울러(182)의 각 면에서 부하를 감지하도록 부하 셀(214)을 수용한다. 상기 슬라이드 바(206) 각각은 아이들 로울러 액슬(204)의 단부에 이웃해 프레임(184)의 각 면에 장착된 테이크-업 하우징(216)에 고정된다. 상기 테이크-업 하우징은 액슬(204)을 위한 하우징에서 오우프닝의 대향한 면에 장착된 두 개의 밀폐된 선형 베어링 조립체(218)로 구성된다. 이 베어링 조립체는 로울러(180,182)의 평면과 평행한 직선 방향으로 슬라이드 바(206)의 운동을 허용하도록 정렬된다.
도 21에 나타난 것처럼, 슬라이드 바와 아이들 로울러 축은, 아이들 로울러 축의 단부가 서로에 대해 독립적으로 움직이도록 공동작용한다. 벨트(178)에서 전체 장력을 조절하도록, 피스톤(210)은 구동 로울러(180)를 향하여 또는 이 로울러에서 이격되어 슬라이드 바(206)를 움직일 수 있다. 로울러를 수동 조절하거나 분해할 필요없이 전술한 조절과정은 자동으로 이루어질 수 있다. 장력 조절과 함께, 스티어링 및 인장 메커니즘(208)은 구동 로울러에 대해 아이들 로울러를 조종하여서 벨트는 로울러에서 알맞은 배열을 유지하고 한쪽 단부 밖으로 움직이지 않도록 한다. 벨트가 로울러 둘레에서 회전할 때 벨트(178)를 정렬하기 위해서 피스톤(210)을 가지는 슬라이드 바를 움직이는 것과는 독립적으로 상기 조종 과정이 이루어진다. 스티어링 조절은 벨트(178)의 한쪽 변부 또는 양쪽 변부에 대해 위치설정된 정렬 센서(244)(도 24)로부터 받아들인 신호에 따라 이루어진다. 아이들 로울러의 조종 및 상대 운동을 제어하는 폐루우프 회로를 종료하는데 다양한 수의 센서가 사용될 수 있다.
도 21-22에 가장 잘 나타난 것처럼, 아이들 로울러 축(204)의 각 단부에서 슬롯(219)은 슬라이드 바(206)를 수용하고 회전 접합점에서, 선호적으로 슬라이드 바(206)와 축(204)을 관통하는 핀(220)에서, 슬라이드 바에 연결된다. 스티어링 및 인장 메커니즘(208)이 아이들 로울러(182)의 단부를 서로에 대해 독립적으로 움직이도록 요구할 때 슬라이드 바(206)의 변부와 축(204)에서 슬롯(219)의 기저부 사이의 틈은 각각의 핀(220) 둘레에서 아이들 로울러 축(204)의 회전 운동을 위한 클리어런스를 제공한다. 가요성 환상 씨일(224)은 축을 위한 프레임(184)에서 오우프닝과 축(204) 사이의 틈을 밀폐한다. 이 가요성 씨일(224)은 스티어링 및 장력 조절하는 동안 축의 직선 운동을 제공한다. 벨트(178)의 장력 및 조종에 대한 부가 정보 공급원으로서, 벨트 인장 및 스티어링 메커니즘(208)은 아이들 로울러 축(204)의 각 단부에서 직선 운동 센서(226)을 포함한다. 센서(226)의 고정된 부분(228)은 테이크-업 하우징(216)에 부착되고 가동성 부분(230)은 슬라이드 바(206)에 부착된다.
공지된 출발점에 대한 각 슬라이드 바(206)의 위치를 나타내는 전기 신호는 도 24에 나타낸 것처럼 각 센서에 의해 스티어링 및 장력 제어 회로(232)에 전송된다. 각 폴리싱 연마 장치(38)에서 스티어링 및 장력 제어 회로(232)는 가압 공기 라인(234)을 따라 가압 공기를 분배한다. 솔레노이드 밸브(236)는, 폴리싱 연마장치가 작동할 때 데이터 신호에 의해 원격 개시된다. 압력 스위치(238)는, 설정된 충분한 공압이 존재하도록 공압을 감시한다. 링크 조립체(212)상의 부하 셀(214)로부터 받은 데이터 신호는 압력 제어 밸브(240)를 조절하기 위해서 중앙 처리기에 의해 이용된다. 동시에, 벨트 횡단 제어기(242)는 증폭 회로(246)를 통하여, 벨트 단부 위치 센서(244), 선호적으로 유도 근위 센서로부터 입력된 정보를 받아들인다. 선호되는 한 가지 실시예에서, 벨트 변부 위치 센서는 벨트 변부 위치를 감지하고 벨트 위치에 관련된 전기 신호를 벨트 횡단 제어기에 제어하도록 배치된, 비디오 카메라와 같은 광학 센서이다.
벨트 추적 제어기(242)는 벨트 추적 제어 밸브(248)를 전기 제어한다. 상기 제어 밸브(248)는 벨트 추적 제어기에 의해 지시된 조종 요구에 맞게 각각의 실린더(210)로 공압을 분배할 것이다. 선호적으로, 벨트 변부 위치 센서(244)로부터 벨트 추적 제어기(242)까지 피이드백 루우프는 4-20mA의 범위에서 벨트 추적 제어기에 조절 신호를 제공하는데, 정동작 또는 벨트 센터는 상기 범위의 중심점에 설정된다. 실린더(210)와 제어 밸브(248) 사이의 공압라인에서 압력 게이지(250)는 압력 세팅의 수동 검사를 허용한다.
장력 및 스티어링 이외에, 웨이퍼가 스핀들 구동 조립체(108)에 의해 인덱스 테이블로부터 아래로 낮추어질 때 가능한 한 평평하게 유지될 필요가 있다. 전술한 대로, 스핀들 구동 조립체(108)는 벨트(178)에 대해 웨이퍼에 주의깊게 제어된 하강압력을 가해야 한다. 이 압력은 구동부와 아이들 로울러(180,182) 사이에서 벨트를 구부릴 수 있다. 폴리싱 연마 과정이 균일하게 이루어지도록 웨이퍼의 면을 가로질러 평벨트 표면을 배치하는 것이 중요하므로, 한쌍의 벨트 편향 로울러(252)는 벨트(178)의 웨이퍼 수용부에 배치되는 것이 선호된다.
도 22,23과 25에 잘 나타난 것처럼, 벨트 편향 로울러(252)는 구동부와 아이들 로울러(180,182) 사이에서 평행하게 배치된다. 상기 벨트 편향 로울러는 구동부와 아이들 로울러의 평면 위로 튀어나와 있다. 선호적으로 벨트 편향 로울러는 구동부와 아이들 로울러의 평면 위로 0.06-0.13인치 범위에서 벨트를 편향시킨다. 도 22와 25에 나타난 것처럼, 각각의 벨트 편향 로울러(252)는 각 단부에 로울러(252)의 축(256)을 매다는 로울러 지지부(254)에 의해 폴리싱 연마 장치(38)의 프레임(184)에 부착할 수 있다.
선호되는 실시예에서, 로울러(252)는 고정된 축(256)과 이 축 둘레에서 밀폐된 베어링에 장착된 회전 가능한 슬리브(258)를 포함한다. 상기 회전가능한 슬리브(258)는 벨트(178)보다 넓게 형성되는 것이 유리하다. 수백 파운드의 배압을 유지할 수 있는 여러 가지 수로 이용할 수 있는 로울러 조립체는 편향 로울러(252)로서 사용될 수 있다.
가압판 조립체도 23에서, 폴리싱 연마 장치(38)는 가압판 조립체(260)를 포함한다. 가압판 높이 조절기(262)와 함께, 가압판 조립체는 벨트(178)의 후방부와 가압판(264) 사이의 틈을 제어한다. 선호되는 가압판 조립체의 장점은, 전체 폴리싱 연마 장치를 분해할 필요없이 가압판 조립체가 높이를 조절할 수 있다는 것이다. 상기 가압판 조립체(260)는 폴리싱 연마하는 동안 그 높이를 조절할 수 있고 웨이퍼 전체에 대해 압력을 정확하게 분배하여 유지할 수 있다. 도 23에 나타난 것처럼, 가압판 조립체(260)는 벨트 편향 로울러(252) 사이의 폴리싱 연마 장치(38)의 프레임(184)에 탈착식으로 부착된다.
도 26-27에 나타난 것처럼, 가압판 조립체(260)는 원판 가압판 호울더(266)에 장착된 교체가능한 원판 가압판(264)으로 구성된다. 원판 가압판 호울더(266) 아래의 매니폴드 조립체(268)는 상기 원판 가압판으로 정량의 액체를 분배하도록 디자인된다. 이 원판 가압판 호울더(266)는 벨트(178)의 운동 방향과 직각으로 하나 이상의 변부를 따라 배치된 일렬의 프리웨트(prewet) 노즐(267)을 포함한다. 액체는 매니폴드 조립체(268)상의 프리웨트 매니폴드(271)로부터 프리웨트 노즐(267)을 향해 이동한다. 상기 프리웨트 노즐은, 벨트가 가압판 조립체(260) 전체에 대해 통과할 때 벨트를 매끄럽게 하기 위해서 소량의 액체를 공급함으로써 원판 가압판 호울더의 변부에 대해 벨트의 마찰을 감소시킨다. 선호적으로, 이용된 유체는 공기이고 매니폴드 조립체(268)는 다수의 공압 신속 분리 포트(270)를 가지는데 상기 포트는 가압판 조립체(260)로 공기 공급부를 쉽게 연결하고 분리할 수 있도록 한다. 가압판 원판 가스킷(272)은 가압판(264)과 가압판 호울더(266) 사이에 씨일을 제공한다. 유사하게, 가압판 호울더 가스킷(274)는 매니폴드 조립체(268)와 가압판 호울더(266) 사이에 씨일을 공급한다. 다수의 패스너(276)는 가압판 조립체(260)를 고정하고 4개의 연결자(278)는 폴리싱 연마장치(38)로부터 가압판 조립체(260)를 장착하거나 분리하기 위해 패스너와 공동작용한다.
조작할 때, 가압판 조립체(260)는 시스템(10)의 후방 단부 조립체(14)에 위치 설정된 가압판 유량 흐름 제어기(280)(도 1)로부터, 공기나 그밖의 다른 액체를 공급받는다. 다른 유량 제어 장치는 본원에서 선호되는 가압판 조립체와 함께 사용될 수도 있다. 유량 제어기(280)로부터 제어된 액체 흐름은 매니폴드 조립체(268)에서 수용되고 원판 가압판(264)에서 다수의 배기 구멍(282)으로 분배된다. 배기 구멍(282)으로부터 나온 공기나 다른 액체는, 벨트가 공기 베어링에 대해 움직일 때 벨트에 대한 마찰을 최소화하면서 정확하게 제어된 방법으로 벨트(178)에 압력을 가하는 유체 베어링을 형성한다. 또다른 선호되는 실시예에서, 매니폴드 조립체는 생략될 수 있고 각각의 관은 가압판 조립체에서 알맞은 노즐 또는 구멍으로 액체를 분배할 수 있다.
폴리싱 연마 장치(38)의 또다른 중요한 점은, 가압판 높이 조절기(262)가 벨트(178)에 대해 가압판(260)의 높이를 조절해야 할 뿐만 아니라 벨트와 가압판(260)을 평행하게 배열하여 유지시켜야 한다는 것이다. 상기 가압판 높이 조절기(262)는 세 개의 독립적으로 작동하는 리프트 메커니즘(284)으로 구성되는 것이 선호된다. 도 21과 23에 나타난 것처럼, 리프트 메커니즘(284)은 삼각형 가압판에서 이격 배치되어서 가압판 조립체(262)는 벨트(178)에 대해 알맞은 각도로 조절될 수 있다. 리프트 메커니즘(284)은 프레임(184)에서 밀폐된 챔버의 가압판 조립체(262) 바로 아래에서 구동부와 아이들 로울러(180,182) 사이에 위치 설정된다.
도 28은 선호되는 리프트 메커니즘(284) 구조를 가장 잘 나타낸다. 각각의 리프트 메커니즘(284)은 데이터 라인(290)을 경유해 인코더(288)에 의해 제어된 모터(286)에 의해 구동된다. 모터(286)는 어댑터(294)를 통하여 유성 기어헤드(292)를 구동한다. 상기 기어헤드는 높은 기어비율을 가지므로 정밀 조절이 가능하다. 한가지 적합한 기어 비율은 100:1이다. 캠 메커니즘(295)은 스테퍼 모터(286)의 회전 운동을 리프터 샤프트(296)의 수직 운동으로 바꾼다. 암수 구형 표면(도 23)을 가지는 환상 베어링(298)은 여러 가지 운동을 제공하므로 가압판이 3개의 접촉점에서 조절될 때 샤프트(296)와 가압판 장착 플레이트(300) 사이에 과다한 응력을 발생시키지 않으면서 가압판 높이 조절기(262)상의 리프트 메커니즘(284)을 상하 운동시킬 수 있다. 샤프트(296) 각각은 와셔(304) 및 볼트(302)를 가지는 마운팅 판을 연결한다. 가압판 높이 조절기(262)가 마운팅 플레이트(300)를 통하여 가압판 조립체(260)에 연결될 때 벨로우 마운트(306)와 클램프(308)는 마운팅 플레이트(300)와 밀폐된 접합부를 형성한다.
터치-업 폴리싱 연마 장치터치-업 폴리싱 연마 장치(40)는 인덱스 테이블(도 1) 아래에 장착되고 인덱스 테이블(36)의 대향한 측부상에서 시스템(10)에 장착된 스핀들 구동 조립체(108)와 공동 작용하여서 공정 경로를 따라 각각의 웨이퍼를 옮길 때 최종 폴리싱 단계를 수행한다. 웨이퍼 폴리싱 시스템(10)과 함께 사용되는 터치-업 폴리싱 장치는 Engis Corporation에서 생산하고 있는, 여러 가지 공지된 회전식 폴리싱 연마 장치이다. 한 가지 실시예에서, 터치-업 폴리싱 장치(40)는 1,000Å/min 이하의 비율로 웨이퍼로부터 물질을 제거함으로써 평탄화된 웨이퍼를 버퍼 연마하기에 적합하고, 전술한 대로 주요 웨이퍼 폴리싱 장치(38)와 유사한, 선형 폴리싱 장치이다.
웨이퍼 폴리싱 시스템(10)에서 사용하기 위한 다른 터치-업 폴리싱 연마 장치(40)는 도 29-30에 나타나 있다. 상기 터치-업 폴리싱 연마 장치(40)에 대한 실시예는 폴리싱 플레이트(330)를 회전 운동시키면서 직선 왕복 운동시키기 위한 구조를 제공한다. 연마 플레이트(330)는 각각의 반도체 웨이퍼 표면으로부터 미세한 스크래치와 마크를 제거하는데 사용되는 폴리싱 패드(332)를 유지한다. 이 패드(332)는 1000Å/min 이하의 비율로 웨이퍼로부터 물질을 제거하기 위해서, 폴리싱액, 예를 들어 마이크로연마재를 포함한 슬러리를 공급한다. 웨이퍼가 회전하고, 직선 왕복 운동하는 터치-업 폴리싱 연마 장치(40)에 대해 고정될 때 스핀들 구동 조립체는 웨이퍼를 회전시킨다.
회전판(330)은 샤프트(336)를 통하여 모터(338)에 연결된다. 한가지 실시예에서, 회전판은 10-200r.p.m의 속도로 회전하고 ±1r.p.m.로 제어할 수 있다. 모터(338), 샤프트(336) 및 회전판(330)은 회전판(330)의 표면과 평행하게 배치된 선형 안내 조립체(340)에 슬라이드 장착된다. 선형 안내 조립체는 터치-업 폴리싱 연마 장치(40)의 프레임(346)에 부착된다. 선형 안내 조립체(340)에 연결된 직선 작동기(344)는 마운팅 판과 부착된 성분을 왕복운동시켜서 회전판(330)은 회전하면서 선형 안내 조립체(340)를 따라 직선으로 전후 운동을 한다. 직선작동기(344)는 60-600스트로크/분의 속도로 직선 안내 조립체를 따라 회전판과 부착된 성분을 왕복운동시킬 수 있는데, 여기에서 스트로크는 한 방향으로 최대 행정이다. 이 스트로크는 2인치인데 선형 작동기는 직선 안내 조립체를 따라 정위치에서 ±1인치 움직인다.
선형 작동기는 설정된 비율로 회전판과 연결된 성분을 직선 운동시킬 수 있는 유형의 선형 작동기이다. Engis 코포레이션에서 제작된 것과 같은, 회전식 폴리싱 연마 메커니즘은 선호되는 터치-업 폴리싱 연마 장치(40)의 회전판 부분으로 사용될 수 있다. 비록 도 29-30에 나타낸 터치-업 폴리싱 장치가 직선으로 회전판을 왕복운동시키면서 동시에 회전판을 회전시킬 수 있을지라도, 터치-업 폴리싱 장치는 회전판을 회전시키지 않으면서 직선으로 회전판을 움직이도록 제어될 수 있다. 반대로, 웨이퍼는 회전판을 회전시키고 직선으로 회전판을 왕복운동시키지 않음으로써 알맞게 버퍼 연마될 수도 있다.
제어 구조물도 31은 웨이퍼 폴리싱 시스템(10)의 조작을 유지하기 위한 선호되는 통신 네트워크 및 제어 구조물을 나타낸다. 유리하게도, 전방 단부 프레임 조립체(12)의 표시부(28)에서 사용되는 그래픽 사용자 인터페이스(30)는 사용자와 집단 공구 제어기(CTC)(310) 사이의 직접 상호작용을 허용한다. 이 CTC(310)는 시스템을 위한 주처리기이다. 알맞은 집단 공구 제어기는 마이크로소프트 NT 4.0을 작동하는 소형 PCI 컴퓨터이다. 그래픽 사용자 인터페이스(30)는 Touch 공구의 Wonderware를 사용하여 기록된다. SECS/GEM 인터페이스는 RS-232 연결부(312)에 대해 작동하는 GW 어쏘시에이트 공구를 사용해 기록될 수 있고 다른 장비에 전달하기 위해 사용된다. 상기 CTC(310)는 이더넷 네트워크(318)에서 공정 모듈 제어기(PMC)(314) 및 수송 모듈 제어기(TMC)(316)와 연결된다.
각각의 PMC(314)는 CTC(310)의 발생한 명령에 따라 웨이퍼 처리 장치(예; 주요 폴리싱 장치(38), 터치-업 폴리싱 장치(40) 및, 스크러버 조립체(32))의 작동을 제어한다. 상기 PMCs(314)는 pSOS+소프트웨어를 가동하는 소형 PCI 컴퓨터이고 이더넷 네트워크(318)에서 TMC(316)와 다른 PMCs(314)와 연결될 수 있다.
TMC(316)는 pSOS+소프트웨어를 가동하는 소형 PCI 컴퓨터가 선호된다. TMC는 헤드 로우더(34), 건습식 로봇(20,24)과 인덱스 테이블(36)을 제어한다. TMC(316)은, 반도체 웨이퍼가 시스템(10)을 통하여 적절히 처리되도록 보장하기 위한 스케줄 소프트웨어를 포함한다.
프로세스에 대한 일반적인 사항전술한 시스템(10)을 사용해 웨이퍼를 처리하기 위한 선호되는 방법은 아래에 설명된다. 다수의 반도체 웨이퍼로 채워진 카셋트(16)는 공정을 개시하기 위해서 전방 단부 조립체(12)에 설치된다. 건식 로봇(20)은 각각의 웨이퍼를 제거하여수송 스테이션(22)에 각 웨이퍼를 배치한다. 수송 스테이션은 특성 기준점, 예를 들어 노치등이 적절히 정렬될 때까지 웨이퍼를 회전시킴으로써 웨이퍼를 정렬할 수 있다. 습식 로봇(24)은 웨이퍼를 제거하여 플립시키기 위해서 수송 스테이션(22) 밖으로 뻗어있으므로 회로를 가지는 측부가 아래를 향한다. 습식 로봇(24)은 웨이퍼를 후방 단부 프레임 조립체(14)로 옮기고 그것을 헤드 로우더(34)에 적재한다. 그 후에 헤드 로울더는 웨이퍼를 헤드 조립체(52)까지 들어올린다.
헤드 로우더로부터 헤드 조립체까지 웨이퍼를 수송하는 단계는 헤드 로우더 위에 배치된 헤드 로우더 스핀들 구동 조립체(109)와 헤드 로우더에서 동기화된 작동을 통하여 달성된다. 이 헤드 로우더에서, 습식 로봇은 웨이퍼를 상승된 지지 고리(94)에 올려둔다. 이 정렬 고리(96)는 지지 고리(94)상에서 웨이퍼를 정렬하도록 상승 운동한다. 헤드 로우더는 통(90)을 상승시키고 웨이퍼의 뒷면을 적시어서 유체의 표면 장력 또는 진공을 이용하여 웨이퍼를 하지할 때 헤드 조립체(52)를 보조한다. 웨이퍼는 플립되었으므로, 웨이퍼의 뒷면은 헤드 조립체(52)를 향해 위를 향한다. 통(90)은 침수 과정이 종료된 후 내려간다. 정렬 및 지지고리는 헤드 조립체와 접하여 웨이퍼를 옮길 때까지 상승 운동한다.
웨이퍼의 뒷면이 침수되는 동안, 스핀들 구동 조립체는 헤드 조립체를 고정하도록 하강 운동한다. 스핀들 위의 공구 변환기의 암수 부분과 헤드 조립체는 함께 고정된다. 헤드 고정 메커니즘(68)은 그 후 인덱스 테이블(36)로부터 헤드 조립체(52)를 분리한다. 스핀들 구동 조립체는 인덱스 테이블을 통하여 웨이퍼와 접할 때까지 헤드 조립체를 아래로 움직인다. 웨이퍼 수용판(54)의 공기 통로(58)를 통한 흡기 작용으로 웨이퍼를 파지할 때까지 지지 고리(94)는 침수된 웨이퍼를 위로 움직인다. 헤드 조립체는 인덱스 테이블을 위로 상승시키고, 헤드 고정 메커니즘으로 고정되고 스핀들에 의해 분해된다.
인덱스 테이블은 폴리싱 가공을 시작하기 위해서 제 1 주요 웨이퍼 폴리싱 연마 장치(38)로 웨이퍼를 회전시킨다. 전술한 대로, 웨이퍼를 고정하는 헤드 조립체는 스핀들에 연결되고 주요 웨이퍼 폴리싱 장치(38)로 낮추어진다. 주요 웨이퍼 폴리싱 장치에 대해 스핀들 구동 조립체(108)는 웨이퍼를 인덱스 테이블에서 아래로 4인치 정도 웨이퍼를 움직이고 일정한 속도로 웨이퍼를 회전시키는 동안, 측정된 하강력으로 가동성 벨트(178)상의 폴리싱 패드로 웨이퍼를 아래로 누른다. 상기 스핀들 구동 조립체(108), 가압판 조립체(260)와 가압판 높이 조절기(262)는 프로세스 모듈 제어기(314)로부터 지시를 받아들이고 웨이퍼와 벨트 사이에서 알맞은 압력을 유지하고 적절히 정렬시키기 위해서 공동 작용한다. 또, 10% 마이크로 연마제 슬러리와 같은, 화학 폴리싱제는 벨트 상의 폴리싱 패드로 연속적으로 또는 불연속적으로 공급되고 웨이퍼 폴리싱 공정이 개시된다. 상기 웨이퍼는 제 1 주요 폴리싱 장치(38)에서 부분적으로, 선호적으로 1/2 폴리싱 연마된다. 스핀들 조립체는 부분적으로 웨이퍼를 폴리싱 처리한 후 인덱스 테이블 까지 웨이퍼를 뒤로 밀고, 헤드 조립체가 인덱스 테이블에 다시 연결되고 스핀들이 분리된 후에, 인덱스 테이블은 웨이퍼를 다음 주요 웨이퍼 폴리싱 장치(38)로 옮긴다. 웨이퍼를 옮겨서 폴리싱 처리하는 단계는 웨이퍼의 폴리싱 가공을 완료하기 위해서 반복된다.
웨이퍼는 인덱스 테이블에 재연결되고 주요 폴리싱 단계에서 발생된 스크래치를 제거하기 위해 터치-업 장치로 움직인다. 터치-업 폴리싱 연마 장치에서 버퍼 연마를 실행한 후에, 웨이퍼는 인덱스 테이블에 의해 다시 수송되고 헤드 로우더로 복귀된다. 상기 헤드 로우더는 내리는 작업을 하는 동안 여러 단계를 실행한다. 통(90)은 상승하여 인덱스 테이블에 대해 밀폐된다. 헤드 로우더에서 노즐은 웨이퍼 면으로 탈이온수를 분사한다. 웨이퍼 지지 고리(94)는 헤드 조립체까지 상승하고 헤드 조립체는 온화한 기체 또는 액체의 파열로 웨이퍼를 밀어서 제거한다. 정렬 고리(96)는 웨이퍼를 정렬하기 위해서 지지 고리 둘레에서 상승한 후 지지 및 정렬 고리는 웨이퍼를 내린다. 통이 상기 인덱스 테이블에 대해 밀폐될 때, 노즐(100)은 웨이퍼의 뒷면과 헤드 조립체의 웨이퍼 고정부분을 세척한다. 세척 과정 이후에 통은 아래로 내려가고 습식 로봇은 웨이퍼를 헤드 로우더에서 제거하고 그것을 플립시킨 후 평탄화된 웨이퍼를 최종 세척 및 건조 과정을 위해 스크러버로 옮긴다. 상기 습식 로봇은 웨이퍼 수송 스테이션에서 연마되지 않은 웨이퍼를 즉시 회수하고 그것을 헤드 로우더에 배치한다. 건식 로봇은 스크러버로부터 세척된 후 건조된 웨이퍼를 수용하여 그것을 카셋트로 배치한다.
상기 단계는 각각의 웨이퍼로 반복되어서 모든 웨이퍼는 동일한 장치에 의해 처리된다. 시스템이 완전 작동 상태일 때 인덱스 테이블 상에서 4개의 헤드 수용 영역은 웨이퍼로 점유된다. 헤드 로우더가 연마된 웨이퍼를 헤드 조립체로부터 제거한 후에, 새로운 웨이퍼는 활용가능한 헤드 조립체에 배치된다. 선호되는 실시예에서, 인덱스 테이블이 다음 처리 스테이션에 대해 새로운 위치로 헤드 조립체를 회전시킬 때마다, 인덱스 테이블은 정지하고 각각의 스핀들 구동 조립체는 처리하기 위해 아래에 배치된 헤드 조립체를 제거한다. 모든 처리 스테이션은 동시에 각각의 작업을 수행한다. 선호되는 시스템과 방법의 장점은, 웨이퍼 사이의 평탄화 불일치를 막기 위해서 동일 공정 경로에 대해 각각의 웨이퍼를 처리함으로써 일치성을 향상시킨다는 것이다. 또, 시스템은 둘 또는 그 이상의 폴리싱 장치에 대해 폴리싱 연마 단계를 다단계로 분해함으로써 웨이퍼를 효과적으로 처리할 수 있다. 처리 경로를 따라 웨이퍼를 연속 운반하기 위해서 처리 경로를 따라 폴리싱 연마 장치(38,40)의 수를 최적화함으로써 처리량은 증가된다. 전술한 실시예에서, 스크러빙 및 건조 단계동안 폴리싱 연마하는데 걸리는 총 시간은 두 배가 되므로 두 개의 폴리싱 연마장치를 제공하여서 연마 과정의 반이 각 폴리싱 연마 장치에서 이루어지도록 한다. 그러므로, 인덱스 테이블은 처리 스테이션 사이에서 일정한 간격으로 회전할 수 있다. 처리 스테이션의 한계 또는 수행될 연마 과정의 유형에 따라 다수의 연마 장치 또는 다른 처리 스테이션이 사용될 것이다.
다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 시스템은 동일 공정 경로를 따라 분리된 폴리싱 공정을 수행하도록 수정될 수 있다. 예를 들어, 둘 또는 그 이상의 화학적으로 불화합성 폴리싱 공정을 이용해 웨이퍼가 최상으로 폴리싱 처리된다면, 시스템(10)은 공정 경로를 따라 사용되는 각 폴리싱 장치를 분리하고 폴리싱 단계별로 웨이퍼를 세척하도록 만들어질 수 있다. 또다른 실시예에서, 습식 웨이퍼 수용 영역은, 스크러버 조립체에 결함이 발생한다면, 가공될 습식 웨이퍼를 저장하기 위해서 헤드 로우더와 인접해 부가될 것이다. 이런 식으로 스크러버가 안고 있는 문제점을 제거할 때까지 슬러리 화합물은 습한 상태로 유지된다.
상기 상세한 설명 부분에서는 반도체 웨이퍼를 폴리싱 가공하기 위한 개선된 시스템과 방법을 기술한다. 이 방법은 단일 공정 경로에 대해 모든 웨이퍼를 처리하는 단계와 일관성과 처리량을 증가시키기 위해서 둘 이상의 연마장치에 대해 폴리싱 단계를 분해하는 단계로 구성된다. 상기 시스템은 인덱스 테이블 컨베이어를 사용해 단일 공정 경로를 따라 접근할 수 있는 통합된 폴리싱, 버퍼 및 스크러버 장치를 포함한다. 이 시스템은 각각의 처리 스테이션에 위치설정된 인덱스 테이블과 스핀들 구동 조립체 사이에서 헤드 조립체를 교환하기 위해 분해할 수 있는 헤드 조립체를 포함한다. 헤드 로우더는, 인덱스 테이블로 움직이는 웨이퍼를 싣고, 내리고, 세척하도록 형성된다. 라이너 웨이퍼 폴리싱 장치는 자동 공압 벨트 인장 및 조종을 포함한다. 또, 폴리싱 장치는 불필요한 관을 제거하는 매니폴드를 가지는 공압식 가압판을 포함한다. 상기 가압판은, 폴리싱 공정 중에 가압판과 벨트를 웨이퍼와 정확하게 정렬시키는 가압판 높이 조절기에 움직일 수 있게 장착된다. 2단 수직 조절 및 정확한 하강 능력을 가지는 스핀들 구동 조립체가 이용될 수 있다.
전술한 상세한 설명은 예시에 불과한 것으로 여기에 국한되지 않고, 하기 청구항은 본 발명의 범위를 정의하는 것으로 이해해야 한다.
도면의 간단한 설명
도 1 은 본 발명의 선호되는 실시예에 따른 반도체 폴리싱 시스템의 사시도.
도 2 는 도 1에 나타낸 웨이퍼 폴리싱 시스템의 좌측면도.
도 3 은 도 1과 2의 웨이퍼 폴리싱 시스템에서 선호되는 웨이퍼 처리 경로를 나타낸 도면.
도 4 는 도 1과 2의 시스템에서 사용하기 위한 선호되는 인덱스 테이블의 사시도.
도 5 는 도 1과 2의 시스템에서 사용하기 위한 선호되는 제 2 실시예에 따른 인덱스 테이블의 사시도.
도 6 은 웨이퍼 헤드 조립체의 하측면도.
도 7 은 도 6에 나타낸 웨이퍼 헤드 조립체의 상측면도.
도 8 은 도 1의 웨이퍼 폴리싱 시스템에서 사용되는 헤드 조립체와 헤드 고정 조립체의 상측면도.
도 9 는 도 8의 9-9선을 따라서 본 도 6의 헤드 연결기와 헤드 고정 조립체의 횡단면도.
도 10 은 도 4의 인덱스 테이블상에서 헤드 고정 메커니즘에 이웃하여 배치된 헤드 고정 작동 피스톤의 상측면도.
도 11 은 도 1의 시스템과 함께 사용하기 위한 제 2 선호되는 헤드 고정 메커니즘의 상측면도.
도 12 는 도 11의 헤드 고정 메커니즘과 함께 사용하기 위한 제 2 선호되는 공구 연결기의 상측면도.
도 13 은 도 11의 헤드 고정 메커니즘에 장착된 헤드 조립체의 횡단면도.
도 14 는 도 1의 웨이퍼 폴리싱 시스템에서 사용하기 위한 선호되는 헤드 로우더(loader) 조립체의 측면도.
도 15 는 도 1의 웨이퍼 폴리싱 시스템에서 사용하기 위한 선호되는 스핀들 구동 조립체의 배면도.
도 16 은 도 15의 스핀들 구동 조립체의 측면도.
도 17 은 도 16의 17-17선을 따라서 본 스핀들 구동 조립체의 횡단면도.
도 18 은 선호되는 스핀들 구동 조립체의 전기 및 공압 제어 회로를 나타낸 도면.
도 19 는 도 1의 시스템에서 사용하기 위한 선호되는 헤드 로우더 스핀들 구동 조립체의 측면도.
도 20 은 도 1과 2의 웨이퍼 폴리싱 시스템에서 사용하기 위한 선호되는 제 1 웨이퍼 폴리싱 장치의 상측면도.
도 21 은 도 20의 21-21선을 따라서 본 횡단면도.
도 22 는 도 20의 제 1 웨이퍼 폴리싱 장치의 사시도.
도 23 은 도 20의 23-23선을 따라서 본 횡단면도.
도 24 는 도 20의 제 1 폴리싱 장치를 위한 선호되는 전기 및 공압 제어 회로를 나타낸 도면.
도 25 는 도 20의 제 1 폴리싱 장치에서 사용하기 위한 선호되는 편향 로울러의 사시도.
도 26 은 도 20의 제 1 폴리싱 장치에서 사용하기 위한 선호되는 테이블 조립체의 사시도.
도 27 은 도 26의 테이블 조립체의 분해도.
도 28 은 도 20의 제 1 폴리싱 장치에서 사용되는 선호되는 테이블 조절 리프터의 사시도.
도 29는 도 1의 웨이퍼 폴리싱 시스템에서 사용하기 위한 선호되는 터치업 연마기의 상측면도.
도 30 은 도 29의 터치업(touchup) 연마기의 정면도.
도 31 은 도 1과 2의 웨이퍼 폴리싱 시스템에서 사용되는 제어 회로 및 통신 경로를 나타낸 블록선도.

Claims (11)

  1. 반도체 웨이퍼의 표면에 대해 직선 방향으로 움직일 수 있는 폴리싱 부재;
    구동 모터에 회전할 수 있게 연결되는 구동 로울러와 아이들 로울러를 가지며 직선 방향으로 폴리싱 부재를 움직이기 위한 폴리싱 부재 구동 조립체;
    폴리싱 부재의 작동을 제어하기 위해 공압 스티어링 및 인장 조절 메커니즘 및
    구동 로울러와 아이들 로울러 사이에서, 폴리싱 부재 아래에 위치 설정된 한 쌍의 편향 로울러로 구성되고, 상기 편향 로울러 각각은 폴리싱 부재의 너비보다 넓은 것을 특징으로 하는 연마 폴리싱 제를 사용해 반도체 웨이퍼를 화학 기계적으로 평탄화시키기 위한 반도체 웨이퍼를 폴리싱 처리하기 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 원판 가압판에 연결된 유체 매니폴드를 가지는 가압판 조립체로 구성되고, 상기 가압판 조립체는 폴리싱 부재 아래에서 구동 로울러와 아이들 로울러 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼를 폴리싱 처리하기 위한 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 가압판 조립체는 다수의 가압판 상승 장치를 가지는 가압판 높이 조절기에 움직일 수 있게 장착되는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼를 폴리싱 처리하기 위한 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 가압판 조립체 상의 원판 가압판은 유체 매니폴드에서 폴리싱 부재의 하부까지 수용된 액체를 제공하기 위해 다수의 배출 구멍을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼를 폴리싱 처리하기 위한 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 폴리싱 부재의 운동 방향과 직각으로 원판 가압판 조립체의 한쪽 변부를 따라 배치된 다수의 프리-웨팅 노즐을 포함하고, 상기 프리-웨팅 노즐은 원판 가압판 조립체에서 프리-웨팅 매니폴드로부터 액체를 수용하므로, 상기 프리-웨팅 노즐은 폴리싱 부재의 하부까지 액체를 공급하고 원판 가압판 조립체의 변부에서 마찰을 줄이는 것을 돕는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼를 폴리싱 처리하기 위한 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 공압 스티어링 및 장력 조절 메커니즘은:
    제 1, 제 2 실린더 조립체를 포함하고, 상기 실린더 조립체 각각은 아이들 로울러의 대향한 단부에서 아이들 로울러의 축에 회전할 수 있게 부착된 제 1 단부를 가지고 실린더 조립체 각각은 반도체 웨이퍼를 폴리싱 처리하기 위한 장치의 프레임에 연결된 제 2 단부를 가지며;
    반도체 웨이퍼를 폴리싱 처리하기 위한 장치과 전기 연결된 다수의 센서를 포함하는데, 제 1, 제 2 실린더 조립체는 폴리싱 부재의 인장 및 정렬을 제어하는 다수의 센서에 의해 발생된 신호에 감응하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼를 폴리싱 처리하기 위한 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 다수의 센서는 각각의 제 1, 제 2 실린더 조립체에 배치된 부하 셀을 포함하고, 상기 부하 셀은 폴리싱 부재 상의 인장을 감지하도록 만들어지는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼를 폴리싱 처리하기 위한 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 다수의 센서가 폴리싱 부재의 변부에 대해 위치설정된 정렬 센서를 포함하고, 상기 정렬 센서는 아이들 로울러와 구동 로울러에서 폴리싱 부재의 정렬에 감응한 신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼를 폴리싱 처리하기 위한 장치.
  9. 제 6항에 있어서, 공압 스티어링 및 인장조절 메카니즘이 한쌍의 슬라이드바를 포함하며, 제 1 슬라이드 바는 제 1 단부에서 폴리싱 부재의 아이들롤러의 축의 단부에 회전가능하게 부착되고 제 2 단부에서 제 1 실린더 조립체에 부착되며, 제 2 슬라이드바는 제 1 단부에서 아이들롤러의 축에 대향단부에 회전가능하게 부착되고 제 2 단부에서 제 2 실리더 조립체에 부착되는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼를 폴리싱 처리하기 위한 장치.
  10. 제 9항에 있어서, 아이들롤러의 축이 슬라이드 바를 수용하고 회전가능한 연결에서 슬라이드바에 연결되는 각단부에 슬롯을 포함하고, 상기 슬롯과 슬라이드바 사이의 틈이 회전 접합점에 대해 아이들 축의 단부의 회전운동을 위한 클리어런스를 제공하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼를 폴리싱 처리하기 위한 장치.
  11. 제 10항에 있어서, 회전 접합점이 아이들축의 단부와 슬라이드바사이를 통과하는 핀인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼를 폴리싱 처리하기 위한 장치.
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