KR100530742B1 - 반도체 웨이퍼 표면연마장비의 캐리어용 다중 유체공급장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 웨이퍼 표면연마장비의 캐리어용 다중 유체공급장치에 관한 것으로, 구동측 로터리 유니언을 중심회전축과, 상기 중심회전축의 외주에 동축상으로 배치되어 고정 지지되고 내측으로 다수의 유체통로가 형성된 유체공급관체와, 상기 유체공급관체의 외주에 동축상으로 배치되어 회전 가능하도록 지지되는 밀봉하우징과, 상기 유체공급관체와 밀봉하우징 사이의 기밀을 유지할 수 있는 밀봉유닛을 포함하여 구성하고; 종동측 로터리 유니언은 중심회전축과, 상기 중심회전축의 외주에 동축상으로 배치됨과 아울러 일단부가 상기 스핀들의 내측에 고정되어 상기 중심회전축이 안정적으로 회전될 수 있도록 지지하는 밀봉하우징과, 상기 중심회전축과 밀봉하우징 사이의 기밀을 유지할 수 있는 밀봉유닛을 포함하여 구성함으로써, 동력전달축의 회전시 축 양단부간에 발생하는 미세한 롤링 현상에 의한 밀봉성능의 저하를 방지함과 아울러 각 캐리어에 작동유체가 원활히 공급될 수 있게 하고, 회전체와 비회전체의 접촉부위간을 단일층의 밀봉구조로 단순화하면서도 고도의 밀봉성을 유지할 수 있다.

Description

반도체 웨이퍼 표면연마장비의 캐리어용 다중 유체공급장치{Multiple fluid supply apparatus for carrier of semiconductor wafer polishing system}

본 발명은 반도체 웨이퍼 표면연마장비의 캐리어용 다중 유체공급장치에 관한 것으로, 특히 하나 이상의 캐리어가 장착된 CMP 장비(화학기계적 연마장치)에 있어서 동력전달계와 작동유체공급계를 분리된 형태로 이격시켜 이원화하고 회전부위를 견고하게 지지할 수 있는 구조를 이룸으로써 동력전달축의 회전시 축 양단부간에 발생하는 미세한 롤링(Rolling)에 의한 밀봉성능의 저하를 방지함과 아울러 각 캐리어에 작동유체가 원활히 공급될 수 있게 하고, 회전체와 비회전체의 접촉부위간을 단일층의 밀봉구조로 단순화하면서도 고도의 밀봉성을 유지할 수 있게 한 반도체 웨이퍼 표면연마장비의 캐리어용 다중 유체공급장치에 관한 것이다.

일반적으로, CMP(Chemical Mechanical Polishing)는 반도체 제조공정에 주로 사용되는 장비로서, 기계적 연마 및 화학적 반응작용을 통해 웨이퍼 표면의 다수 배선층간 단차를 제거하기 위한 고정밀 평탄화 공정용 연마장비로 알려져 있다.

상기 CMP 장비의 일반적 구조를 간략히 살펴보면, 상면에 연마패드(탄성 연마포)가 부착된 플래튼(연마테이블)과, 상기 연마패드와 웨이퍼 표면이 상호 접촉될 수 있도록 웨이퍼를 파지한 상태로 하향 가압 및 회전되는 폴리싱 캐리어(연마헤드)와, 상기 연마패드 상에 연마액(Slurry)을 공급하기 위한 슬러리 공급노즐과, 상기 연마패드의 연마능력을 지속적으로 유지할 수 있도록 연마패드 표면이 변형되거나 오염되지 않게 드레싱해주는 컨디셔너를 파지하여 회전시켜주는 컨디셔너 캐리어 등으로 구성되어 있으며, 웨이퍼를 상기 연마패드 표면 위에 접촉되도록 한 상태에서 슬러리를 공급하여 웨이퍼 표면을 화학적으로 반응시키면서 상기 플래튼과 폴리싱 캐리어를 상대 운동시켜 물리적으로 웨이퍼 표면의 요철부분을 평탄화시켜주게 된다.

이러한 CMP 장비는 현재까지도 각부의 성능을 더욱 향상시키기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 이에 부응하여 본 발명의 출원인은, 비회전체와 회전체간의 상대운동 과정에서 이들 각 부재간에 고도의 기밀성을 유지하며 작동유체를 유통시킬 수 있는 로터리 유니언의 적용에 관한 것으로서, 2003년 특허출원 제 39627호의 '반도체 웨이퍼 표면연마장비의 폴리싱 캐리어 및 컨디셔너 캐리어용 다중 유체공급장치'를 제안한 바 있다.

상기 특허출원의 구조는, 유체통로가 형성된 비회전의 중심고정축 상에 다수의 통공이 형성된 중공회전축이 설치되어 회전하고, 그 외주에 이를 지지함과 아울러 외부로 작동유체를 배출시켜주는 비회전의 지지용 밀봉하우징이 설치되며, 상기 중심고정축과 중공회전축 및 밀봉하우징 간의 기밀 유지를 위하여 상기 중공회전축의 내·외측에 각각 적층식으로 밀착 개재되는 이중구조의 적층밀봉링이 구비되어 이루어진 구동측 로터리 유니언과; 상기 중공회전축과 간섭되지 않고 그 외주상에서 회전할 수 있도록 결합된 스핀들과; 상기 스핀들 지지용의 스핀들 하우징과; 상기 중공회전축과 스핀들을 각각 회전시켜주는 구동장치부와; 상기 스핀들 내에서 중심고정축을 기준하여 대칭적으로 설치되는 다수의 캐리어 연결부에 작동유체를 공급하기 위하여, 상기 캐리어 연결부의 캐리어축과 일체로 결합되는 다수의 유체통로가 형성된 중심회전축 상에 다수의 통공이 형성된 밀봉하우징이 설치되어 상기 구동측 로터리 유니언의 밀봉하우징과 연결된 브래킷에 의해 비회전 상태로 지지되고, 상기 중심회전축과 밀봉하우징 간의 기밀 유지를 위하여 그 사이에 적층식으로 밀착 개재되는 단일층구조의 적층밀봉링이 구비되어 이루어진 종동측 로터리 유니언과; 상기 구동측 및 종동측 로터리 유니언의 각 밀봉하우징에 형성된 통공 간을 상호 연결시켜주는 다수의 도관과; 상기 구동측 로터리 유니언으로부터 상기 각 캐리어 연결부로 회전력을 전달하기 위한 동력전달부;를 포함하여 이루어져 있다.

그러나, 상기 특허출원에 의한 로터리 유니언의 구조는 몇 가지 문제점들을 갖고 있다. 즉, 구동측 로터리 유니언에 있어서, 유체통로가 형성된 중심고정축의 일단이 브래킷을 매개로 스핀들 하우징의 상부에 지지되고 나머지 일단이 중공회전축의 내주면에 의해 지지되며 그 외주의 중공회전축에 구동벨트가 체결되어 동력을 전달하는 구조를 이룸에 따라 유체를 유통시키는 중심고정축의 지지상태가 불안정하여, 상기 중공회전축에 회전력이 전달될 때 상기 중심고정축 또는 중공회전축의 양단부 간에 롤링(또는 런아웃)이 발생함으로써, 비회전체와 회전체간의 밀봉부위가 불규칙하게 부분적으로 이격되거나 과도하게 접촉되는 현상이 반복되면서 밀봉부재 자체가 편마모되어 작동유체가 누출될 수 있는 우려가 있었다. 이는, 상기 구동측과 종동측 로터리 유니언의 각 밀봉하우징 간을 단순히 브래킷으로 연결한 취약구조를 이룸으로써 그 롤링 현상이 더욱 가중되어 나타날 수 있는 것이다.

또한, 구동측 로터리 유니언에 있어서, 회전체와 비회전체의 접촉부위로서 밀봉을 요하는 부위에 해당하는 상기 중공회전축의 내·외주면을 이중으로 밀봉하게 됨으로써 그 구조가 복잡해짐은 물론이고, 단일층의 밀봉구조에 비해 기밀을 유지하여야 할 면적이 넓어져서 그만큼 작동유체가 누출될 가능성이 높아지게 되는 문제점이 있었다.

또한, 구동측 또는 종동측 로터리 유니언의 비회전체와 회전체간 접촉부위에 대한 밀봉구조에 있어서, 상기 특허출원 기술도 기존의 경우와 마찬가지로, 장치를 장시간 사용시 밀봉부재가 물리적인 마찰에 의한 발열로 인한 밀봉부재의 변형과 함께 지속적으로 마모현상이 진행됨에 따라 그 기밀성이 점진적으로 불량해지는 문제점이 있었다.

또한, 상기 각 캐리어 연결부의 캐리어축이 스핀들의 내측 공간에 수용된 구조를 이룸으로써 보수유지를 요하는 경우에 장치 전체를 분해하여야 하는 불편함 및 번거로움이 있었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은, 하나 이상의 캐리어가 장착된 CMP 장비에 있어서 동력전달계와 작동유체공급계를 분리된 형태로 이격시켜 이원화하고 회전부위를 견고하게 지지할 수 있는 구조를 이룸으로써 동력전달축의 회전시 축 양단부간에 발생하는 미세한 롤링 현상에 의한 밀봉성능의 저하를 방지함과 아울러 각 캐리어에 작동유체가 원활히 공급될 수 있게 하고, 회전체와 비회전체의 접촉부위간을 단일층의 밀봉구조로 단순화하면서도 고도의 밀봉성을 유지할 수 있게 한 반도체 웨이퍼 표면연마장비의 캐리어용 다중 유체공급장치를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 구동측 및 종동측 로터리 유니언이 스핀들 상에 견고히 고정될 수 있는 구조를 마련함으로써 상기 각 캐리어를 안정적으로 회전할 수 있게 함은 물론이고 그 밀봉성능을 더욱 향상시킬 수 있게 한 반도체 웨이퍼 표면연마장비의 캐리어용 다중 유체공급장치를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 밀봉부재가 어느 정도 마모되더라도 이를 탄력적으로 가압 지지할 수 있는 수단을 마련함과 아울러 별도의 냉각순환장치를 장착하지 않고도 스핀들 내부에 발생하는 열을 외부로 원활히 배출시킬 수 있는 냉각구조를 마련함으로써 마찰열에 의한 밀봉부재의 변형을 방지하여 밀봉부재의 밀봉성능을 장기간 유지할 수 있게 한 반도체 웨이퍼 표면연마장비의 캐리어용 다중 유체공급장치를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 상기 각 캐리어의 캐리어연결축과 그 구동장치부를 스핀들 외부의 별도 공간 내에 수용한 독립적인 구조를 이룸으로써 장치 전체를 분해할 필요 없이 부분적인 분해 및 조립만으로도 간편하게 보수유지 작업을 수행할 수 있도록 된 반도체 웨이퍼 표면연마장비의 캐리어용 다중 유체공급장치를 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 표면연마장비의 캐리어용 다중 유체공급장치는, 소정의 회전력을 발생하기 위한 구동원과; 상기 구동원으로부터 전달받은 회전력을 외측으로 전달할 수 있도록 회전 가능하게 지지된 중심회전축과, 상기 중심회전축의 외주에 동축상으로 배치되어 고정 지지되고 내측으로 다수의 유체통로가 형성된 유체공급관체와, 상기 유체공급관체에 형성된 유체통로들과 연통되는 다수의 유체통로가 내부에 형성된 고정용의 매니폴드판과, 상기 유체공급관체의 외주에 동축상으로 배치되어 회전 가능하도록 지지되고 상기 유체공급관체의 각 유체통로와 대응되는 위치마다 외부로 통하는 통공이 각각 형성되며 상기 각 통공의 내주면을 따라 작동유체를 유통시킬 수 있는 다수의 유통홈이 형성된 밀봉하우징과, 상기 유체공급관체와 밀봉하우징 사이의 기밀을 유지할 수 있도록 상호 유기적으로 적층되어 삽입된 밀봉유닛을 포함하여 이루어진 구동측 로터리 유니언과; 상기 유체공급관체의 외측에 회전 가능하도록 설치되어지되 그 내측으로 소정 장치부를 수용할 수 있는 공간이 마련되어 있고 상기 중심회전축과는 독립적으로 상기 구동원과 연결되어 그 회전력을 전달받는 스핀들과; 상기 스핀들의 외주에서 상기 스핀들을 지지해주는 비회전의 스핀들 하우징과; 상기 구동측 로터리 유니언의 중심회전축으로부터 회전력을 전달받아 소정의 속도로 회전되며, 내부에는 다수의 유체통로가 형성된 적어도 하나 이상의 캐리어연결축과; 상기 캐리어연결축의 하단에 고정결합되는 캐리어와; 상기 캐리어연결축의 상단부에 일체로 결합되어 상기 캐리어연결축으로부터 전달되는 회전력에 의한 회전을 하면서 상기 캐리어연결축의 내측에 형성한 유체통로에 유체를 유통시키기 위한 다수의 유체통로가 형성된 중심회전축과, 상기 중심회전축의 외주에 동축상으로 배치됨과 아울러 일단부가 상기 스핀들의 내측에 고정되어 상기 중심회전축이 안정적으로 회전될 수 있도록 지지하고 상기 중심회전축의 각 유체통로와 대응되는 위치마다 외부로 통하는 통공이 각각 형성되며 상기 각 통공의 내주면을 따라 작동유체를 유통시킬 수 있는 다수의 유통홈이 형성된 비회전의 밀봉하우징과, 상기 중심회전축과 밀봉하우징 사이의 기밀을 유지할 수 있도록 상호 유기적으로 적층되어 삽입된 밀봉유닛을 포함하여 이루어진 적어도 하나 이상의 종동측 로터리 유니언; 및 상기 구동측 로터리 유니언과 종동측 로터리 유니언의 각 밀봉하우징에 형성된 통공 간을 상호 연결시켜주는 다수의 도관;을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 구동측 로터리 유니언 내에 개재된 밀봉유닛은, 상기 유체공급관체의 외주에 각각 밀착되어 적층되고 유체를 유통시키기 위한 통공이 형성된 한 쌍의 내측 적층지지링과, 상기 내측 적층지지링의 사이에 개재되어 상기 유체공급관체와 각 인접 밀봉하우징의 통공 간을 연통시켜주는 순수순환링과, 상기 순수순환링의 상하 외주면과 접촉되어 기밀을 유지하기 위한 한 쌍의 패킹링과, 상기 각 패킹링의 상하 외부에 배치되는 한 쌍의 개스킷링과, 상기 각 패킹링을 순수순환링의 상하 외주면쪽으로 각각 가압할 수 있는 가압력을 제공하기 위한 탄성가압수단으로서 상기 각 개스킷링의 상하 외부에 배치되는 한 쌍의 벨로우즈링과, 상기 각 밀봉하우징의 내주에 밀착되어 적층됨과 아울러 상기 개스킷링 및 벨로우즈링을 고정 및 지지해주는 한 쌍의 외측 적층지지링을 포함하여 구성하되, 상기 각 부재가 상호 결합된 채로 상기 유체공급관체와 각 인접 밀봉하우징 사이의 공간부에 다수 적층되어 이루어진 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 웨이퍼 표면연마장비의 캐리어용 다중 유체공급장치를 첨부 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 내지 도 12는 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 표면연마장비의 캐리어용 다중 유체공급장치에 대한 전체 구조 및 각부의 상세 구조를 각각 나타낸 것으로서, 도 1은 본 발명에 따른 다중 유체공급장치가 적용된 CMP 장비의 전체 결합구조를 도시한 개략적인 종단면도, 도 2는 본 발명 장치의 구동측 로터리 유니언(D)과 종동측 로터리 유니언(F)간의 동력전달원리를 설명하기 위하여 그 내부구조를 일부 절개하여 도시한 개략적인 저면 사시도, 도 3은 본 발명 장치에 적용된 구동측 로터리 유니언(D)의 구조 및 그 내부에 개재되는 밀봉유닛(30)의 적층구조를 각각 도시한 종단면도 및 일부 확대도, 도 4는 도 3의 구동측 로터리 유니언(D)에 적용된 유체공급관체(20)의 유체통로(23) 구조를 도시한 사시도, 도 5는 도 3의 구동측 로터리 유니언(D)에 적용된 밀봉하우징(31)의 평면도, 도 6은 도 5의 Ⅵ-Ⅵ선 단면도, 도 7은 본 발명 장치에 적용된 구동측 로터리 유니언(D)의 유체공급관체(20)와 밀봉하우징(31)간 또는 종동측 로터리 유니언(F)의 중심회전축(50)과 밀봉하우징(61)간에 개재되는 주요 밀봉유닛(30)을 부분 절개하여 도시한 분해 사시도, 도 8은 본 발명 장치에 적용된 유체공급관체(20)를 고정시켜주는 매니폴드판(27)의 구조를 도시한 평면도, 도 9는 본 발명에 적용된 종동측 로터리 유니언(F) 및 캐리어연결축의 결합구조를 도시한 종단면도, 도 10은 도 9의 종동측 로터리 유니언(F)에 적용된 중심회전축(50)의 유체통로(51)의 구조를 도시한 저면 사시도, 도 11은 도 9의 종동측 로터리 유니언(F)에 적용된 밀봉하우징(61)의 평면도, 도 12는 도 9의 ⅩⅡ-ⅩⅡ선 단면도를 각각 나타낸 것이다.

본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 표면연마장비의 캐리어용 다중 유체공급장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 구동원(미도시)과, 구동측 로터리 유니언(D)과, 스핀들(40)과, 스핀들 하우징(42)과, 캐리어연결축(52)과, 폴리싱 및 컨디셔너 캐리어(미도시)와, 종동측 로터리 유니언(F)과, 도관(62)을 포함하여 구성되며, 상기 폴리싱 캐리어와 컨디셔너 캐리어가 연결되는 연결축과 그 구동장치부는 그 구조가 유사하므로 이하에서는 도면상의 각각의 부호도 동일하게 표기하기로 한다.

위와 같은 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 표면연마장비의 캐리어용 다중 유체공급장치를 좀 더 자세하게 설명하면, 감속모우터(1)와 캐리어 구동풀리(2) 및 스핀들 구동풀리(3)로 이루어진 구동원과, 구동측 로터리 유니언(D)과, 상기 구동측 로터리 유니언(D)의 유체공급관체(20)와 간섭되지 않고 상기 유체공급관체(20)를 중심으로 회전할 수 있도록 결합된 스핀들(40)과, 상기 스핀들(40)의 외주에서 상기 스핀들(40)을 지지해주는 스핀들 하우징(42)과, 상기 구동측 로터리 유니언(D)의 중심회전축(10)으로부터 회전력을 전달받아 소정의 속도로 회전하는 캐리어연결축(52,52)과, 상기 캐리어연결축(52,52)의 하단에 고정결합되는 캐리어(미도시)와, 상기 구동측 로터리 유니언(D)의 외측에 설치된 종동측 로터리 유니언(F, F)과, 상기 구동측 로터리 유니언(D)과 종동측 로터리 유니언(F)의 각 밀봉하우징(31)(61)에 형성된 통공(31a)(31b)(61a)(61b)간을 상호 연결시켜주는 다수의 도관(62)으로 이루어져 있다.

여기서, 상기 구동측 및 종동측 로터리 유니언(D)(F)의 각 중심회전축(10)(50), 각 캐리어연결축(52), 상기 구동측 로터리 유니언(D)의 밀봉하우징(31) 및 스핀들(40)은 회전체이고, 상기 구동측 로터리 유니언(D)의 유체공급관체(20), 종동측 로터리 유니언(F)의 밀봉하우징(61) 및 스핀들 하우징(42)은 비회전체로서, 이들 회전체와 비회전체 사이에는 각각의 베어링(13)(14)(15)(16)(38a)(38b)(44)에 의해 상호 간섭 없이 작동 가능하도록 지지되어 있다.

먼저, 상기 구동측 로터리 유니언(D)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 구동원으로부터 캐리어 종동풀리(17)로 회전력이 전달될 때 함께 회전 구동되면서 각 캐리어쪽으로 동력을 전달하는 중심회전축(10)과, 상기 중심회전축(10)에 동축상으로 배치되고 비회전되는 유체공급관체(20)와, 상기 유체공급관체(20)가 회전되지 않도록 고정시켜줌과 아울러 작동유체를 공급하기 위한 유체통로(29)가 마련된 매니폴드판(27)과, 상기 유체공급관체(20)에 동축상으로 배치되어 외부로 작동유체를 배출시켜주고 그 하단부가 상기 스핀들(40)에 고정되어 스핀들 종동풀리(41)에 동력이 전달될 때 회전 구동되는 밀봉하우징(31)과, 상기 유체공급관체(20)와 밀봉하우징(31) 사이의 기밀을 유지할 수 있도록 개재되는 밀봉유닛(30)을 포함하는 구조로 이루어져 있다.

이하에서 각부의 구조를 상세히 설명하면, 먼저, 상기 중심회전축(10)은, 내부를 관통하는 유체통로(11)가 형성되어 있고, 그 외주 양단이 베어링(13)(16)을 매개로 하여 일단은 스핀들 하우징(42)과 연결된 브래킷(12)에 의해, 나머지 일단은 스핀들(40)에 의해 각각 회전 가능하도록 각각 지지되며, 구동원으로부터 발생한 동력을 전달받아 캐리어 구동기어(18)를 통해 각 캐리어쪽으로 회전력을 전달할 수 있도록 되어 있다. 상기 유체통로(11)로는 필요에 따라 소정의 작동유체를 직접 공급할 수 있으며, 상기 캐리어 구동기어(18)는 각 캐리어의 캐리어연결축(52)상에 결합된 캐리어 종동기어(54)가 상호 맞물려진다.

또한, 상기 유체공급관체(20)는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 베어링(14)(15)을 사이에 두고 상기 중심회전축(10)의 외주에 동축상으로 배치되어 지지되며, 내측으로는 순수통로(21)와 순수회수통로(22) 및 다수의 유체통로(23)가 형성되어 있다.

참고적으로, 도 1과 도 3에서는 상기 순수통로(21)와 순수회수통로(22) 및 다수의 유체통로(23)를 중심면에 대해 종단면 처리한 것이어서 이들의 정확한 위치를 표시하기에는 표현상의 제약이 따라 개념적으로 나타낸 것이므로 주로 도 4을 참조하여 그 구조를 파악하는 것이 바람직하다. 그리고, 도면 중 상기 순수통로(21)는 순수 또는 작동유체 등의 흐름을 추후 설명할 수 있도록 '원문자1', 상기 순수회수통로(22)는 '원문자9'로 각각 병기하였으며, 또한 상기 유체통로(23)는 그 순서대로 '원문자2 내지 8'로 각각 구분하여 나타내었다.

상기 순수통로(21)는 상기 매니폴드판(27)의 순수통로(28)를 통해 공급되는 순수(냉각수)가 진입할 수 있는 유로이고, 상기 순수회수통로(22)는 소정의 유로를 따라 순수가 순환된 후 다시 상기 유체공급관체(20)로 진입하여 상기 매니폴드판(27)의 다른 순수통로(28)로 회수되도록 하기 위한 유로이며, 상기 각 유체통로(23)는 상기 밀봉하우징(31)의 각 통공(31b)과 연결된 각 유통홈(31c)마다 작동유체를 공급하기 위한 유로이다. 즉, 상기 각 유체통로(23)는 관체 원주를 따라 소정간격을 두고 배치하여 이들 각 지점으로부터 그 관체 길이방항을 따라 각각 관통 형성하되, 상기 각 유체통로(23) 단부의 통공(31b)의 위치를 각각 차등적으로 형성하여서 된 것이다.

또한, 상기 매니폴드판(27)은, 도 1 및 도 8에 도시된 바와 같이, 중앙에 형성된 구멍을 통해 상기 중심회전축(10)을 삽입 수용하고, 상기 유체공급관체(20)의 일단과 밀착되어 상기 유체공급관체(20)를 고정시켜줌과 아울러, 내측으로 상기 유체공급관체(20)의 순수통로(21)와 순수회수통로(22) 및 다수의 유체통로(23)와 연통되는 한 쌍의 순수통로(28)와 다수의 유체통로(29)가 각각 형성된 구조를 이루고 있다.

또한, 상기 밀봉하우징(31)은, 도 3과 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 베어링(38a)(38b)을 사이에 두고 상기 유체공급관체(20)의 외주에 동축상으로 배치되어 그 유체공급관체(20) 상에서 회전 가능하도록 지지되고, 상기 유체공급관체(20)의 각 순수통로(21)와 순수회수통로(22) 및 유체통로(23)와 대응되는 위치마다 외부로 통하는 통공(31a)(31b)이 각각 형성되며, 상기 각 통공(31a)(31b)의 내주면을 따라 작동유체를 유통시킬 수 있는 다수의 유통홈(31c)이 형성된 구조를 이루고 있다. 그리고, 상기 각 통공(31a)쪽에는 이들의 유로를 연결하는 연결관(33)이 결합된다.

이상에서 설명한 매니폴드판(27)과 유체공급관체(20) 및 밀봉하우징(31)에 이르는 유체공급을 위한 유로 연결구조를 간단히 정리해보면, 상기 매니폴드판(27)에는 외부로부터 순수를 공급하고 회수할 수 있는 한 쌍의 순수통로(28)와 다수의 유체통로(29)가 각각 형성되고, 상기 유체공급관체(20)에는 상기 각 순수통로(28)와 연통되는 순수통로(21)와 순수회수통로(22) 및 다수의 유체통로(23)가 각각 형성되며, 상기 밀봉하우징(31)에는 상기 유체공급관체(20)의 순수통로(21)와 순수회수통로(22) 및 다수의 유체통로(23)와 연통되는 다수의 통공(31a)(31b)이 각각 형성됨과 아울러 상기 각 통공(31a)(31b)을 통해 순수가 순환할 수 있도록 그 각 통공(31a)(31b) 간을 연통시켜주는 다기관 형태의 연결관(33)이 상기 밀봉하우징(31)의 외부에 결합된 것이다.

또한, 상기 밀봉유닛(30)은, 도 3 및 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 유체공급관체(20)와 밀봉하우징(31) 사이의 기밀을 유지할 수 있도록 상호 유기적으로 적층되어 삽입된 구조를 이룬다.

상기 밀봉유닛(30)은, 상기 유체공급관체(20)의 외주에 밀착되어 적층되는 한 쌍의 내측 적층지지링(25)과, 상기 내측 적층지지링(25)의 사이에 개재되어 상기 유체공급관체(20)와 밀봉하우징(31)의 각 통공(24)(31b) 간을 선택적으로 연통시켜주는 통공(26a)이 형성된 순수순환링(26)과, 상기 순수순환링(26)의 상하 외주면과 접촉되어 기밀을 유지하기 위한 한 쌍의 패킹링(35)과, 상기 각 패킹링(35)의 상하 외부에 배치되는 한 쌍의 개스킷링(36)과, 상기 각 패킹링(25)을 순수순환링(26)의 상하 외주면쪽으로 각각 가압할 수 있는 가압력을 제공하기 위한 탄성가압수단으로서 상기 각 개스킷링(36)의 상하 외부에 배치되는 한 쌍의 벨로우즈링(37)과, 상기 밀봉하우징(31)의 내주면에 밀착되어 적층됨과 아울러 상기 개스킷링(36) 및 벨로우즈링(37)을 고정 및 지지해주는 한 쌍의 외측 적층지지링(34)의 결합으로 이루어지되, 상기 각 부재(25)(26)(34)(35)(36)(37)가 상호 결합된 채로 상기 유체공급관체(20)와 밀봉하우징(31) 사이의 공간부에 다수 적층된 상태로 이루어져 있다. 그리고, 상기한 바와 같은 밀봉유닛(30)은 후술하게 될 종동측 로터리 유니언(F)의 중심회전축(50)과 밀봉하우징(61)간의 기밀을 유지하기 위한 수단으로서도 동일하게 적용된다.

또한, 상기 스핀들(40)은 그 상부 쪽에 스핀들 종동풀리(41)가 형성되어 구동벨트(6)에 의해 상기 구동원의 스핀들 구동풀리(3)와 체결되어 있다. 여기서, 상기 구동원은 상기 스핀들 하우징(42)의 일측에 고정된 감속모우터(1)로 이루어진 것으로서, 상기 감속모우터(1)로는 정·역회전 및 그 회전수 등의 제어가 가능한 서보모우터 및 감속기를 적용하고, 그 축상에 상기 캐리어 구동풀리(2)와 스핀들 구동풀리(3)가 각각 결합되며, 그 구동벨트(5)(6)의 일측에는 장력을 조절하기 위한 벨트 텐셔너(4)가 구비된 것이다.

한편, 상기 종동측 로터리 유니언(F)은, 도 1과 도 9 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 각 캐리어에 작동유체를 공급하기 위한 구성으로서, 상기 각 캐리어의 캐리어연결축(52) 상단부에 일체로 결합됨과 아울러 상기 구동측 로터리 유니언(D)의 중심회전축(10)을 기준하여 대칭을 이루면서 상기 스핀들(40)의 내측 공간에 설치되어 상기 각 캐리어연결축(52)으로부터 전달되는 회전력에 의한 자전운동과 함께 상기 구동측 로터리 유니언(D)의 중심회전축(10) 둘레를 따라 상기 스핀들(40)의 회전력에 의한 공전운동을 병행하고 상기 각 캐리어연결축(52) 내측의 유체통로(53)와 유통되는 다수의 유체통로(51)가 형성된 중심회전축(50)과, 베어링(도면부호 미도시)을 사이에 두고 상기 중심회전축(50)의 외주에 동축상으로 배치됨과 아울러 일단부가 상기 스핀들(40)의 내측에 고정되어 상기 중심회전축(50)이 안정적으로 회전될 수 있도록 지지하고 상기 중심회전축(50)의 각 유체통로(51)와 대응되는 위치마다 외부로 통하는 통공(61a)(61b)이 각각 형성되며 상기 각 통공(61a)(61b)의 내주면을 따라 작동유체를 유통시킬 수 있는 다수의 유통홈(61c)이 형성된 비회전의 밀봉하우징(61)과, 상기 중심회전축(50)과 밀봉하우징(61) 사이의 기밀을 유지할 수 있도록 상호 유기적으로 적층되어 삽입된 밀봉유닛(30)을 포함하는 구성으로 이루어져 있다.

여기서, 상기 중심회전축(50)과 캐리어연결축(52)은 결합핀(55)에 의해 일체로 회전할 수 있는 구조로 조립되고, 이들간의 밀봉을 위하여 오링(56)이 개재된 결합상태를 이룬다.

또한, 상기 구동측 로터리 유니언(D)과 종동측 로터리 유니언(F)의 각 밀봉하우징(31)(61)에 형성된 통공(31a)(31b)(61a)(61b)간에는, 다수의 도관(62)이 결합되어 이들을 상호 연결시켜주게 된다. 상기 각 통공간의 접속과 관련해서는, 각각의 도관(62) 양단이 동일하게 부여한 '원문자'간에 각각 연결되는 것임을 상기 도 1에서 나타내었다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 표면연마장비의 캐리어용 다중 유체공급장치는, 동력전달계와 작동유체공급계를 중심회전축(10)과 유체공급관체(20)의 분리된 형태로 이격시켜 이원화하고 스핀들(40)과 스핀들 하우징(40)에 의해 회전부위를 견고하게 지지할 수 있는 구조를 이룸으로써 중심회전축(10)의 회전시 상기 중심회전축(10) 양단부 간의 롤링 현상을 최소화하여 밀봉성능이 향상됨과 아울러 각 캐리어에 작동유체가 원활히 공급될 수 있게 되고, 회전체와 비회전체의 접촉부위간을 단일층의 밀봉구조로 단순화하여 고도의 밀봉성을 유지할 수 있게 되는 것이다.

상기의 밀봉유닛(30)에 의한 작동유체의 밀봉원리를 설명하면 다음과 같다. 작동유체의 공급경로는, 상기 유체공급관체(20)의 각 유체통로(23) 및 내측 적층지지링(25)의 통공(24)을 통해 밀봉하우징(31)의 통공(31b)쪽으로 배출되는 상태로 형성된다. 이러한 상기 내측 적층지지링(25)의 통공(24) 및 밀봉하우징(31)의 통공(31b)을 통한 작동유체의 배출시, 상기 밀봉하우징(31)의 내측으로의 유체누출은 오링에 의해 밀봉되어 차단되고, 상기 유체공급관체(20)의 외측으로의 유체누출은 비회전체와 회전체간의 마찰이 발생하는 상기 순수순환링(26)의 외측면과 패킹링(35)의 긴밀한 밀착성에 의해 밀봉되어 차단된다. 즉, 매니폴드판(27)의 순수통로(28)와 유체공급관체(20)의 순수통로(21)를 경유하여 냉각수(순수)가 비회전체와 회전체간의 마찰이 발생하는 상기 순수순환링(26)의 외측면과 패킹링(35)의 접촉면 사이에 미세하게 침투하여 그 마찰면을 냉각 및 윤활시켜줌으로써 상기 패킹링(35)의 마모를 현저히 줄일 수 있게 된다. 이때, 상기 패킹링(35)은 벨로우즈링(37)에 의해 가압된 상태에 있어 장기간 사용 후 약간의 마모가 발생하더라도 상기 벨로우즈링(37)의 가압력에 의해 순수순환링(26)의 외측면에 긴밀하게 밀착된 상태를 유지하므로 장치 내측으로 순수가 침투되는 것을 방지할 수 있다.

아울러, 본 발명에 따른 냉각순환장치부의 구성에 의하면, 순수를 순환시키지 않고 그대로 사용할 경우에는 공냉식의 냉각구조를, 또는 상기 매니폴드판(27)의 순수통로(28)를 통해 순수를 공급하는 경우에는 수냉식 냉각구조를 모두 적용할 수 있음은 물론이다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 표면연마장비의 캐리어용 다중 유체공급장치에 의하면, 하나 이상의 캐리어가 장착된 CMP 장비에 있어서 동력전달계와 작동유체공급계를 중심회전축과 유체공급관체의 분리된 형태로 이격시켜 이원화하고 스핀들과 스핀들 하우징에 의해 회전부위를 견고하게 지지할 수 있는 구조를 이룸으로써 중심회전축의 회전시 상기 중심회전축 양단부 간의 롤링 현상을 최소화하여 밀봉성능이 향상됨과 아울러 각 캐리어에 작동유체가 원활히 공급될 수 있게 되고, 회전체와 비회전체의 접촉부위간을 단일층의 밀봉구조로 단순화하여 고도의 밀봉성을 유지할 수 있게 되는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 구동측 및 종동측 로터리 유니언이 스핀들 상에 견고히 고정될 수 있는 구조를 마련함으로써 상기 각 캐리어가 안정적으로 회전할 수 있게 되어 밀봉성능을 더욱 향상시킬 수 있게 되는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 밀봉부재(패킹링과 개스킷링)가 어느 정도 마모되더라도 상기 밀봉부재가 그 밀봉 접촉면에 항시 밀착될 수 있도록 이를 탄력적으로 가압 지지할 수 있는 벨로우즈링을 개재함과 아울러 별도의 냉각순환장치를 장착하지 않고도 스핀들 내부에 발생하는 열을 외부로 원활히 배출시킬 수 있는 순수순환식의 냉각구조를 마련함으로써 마찰열에 의한 밀봉부재의 변형을 방지하여 그 밀봉성능을 장기간 유지할 수 있게 되는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 상기 각 캐리어의 캐리어연결축과 그 구동장치부가 스핀들 외부의 별도 공간 내에 수용될 수 있는 독립적인 구조를 이룸으로써 장치 전체를 분해할 필요 없이 부분적인 분해 및 조립만으로도 간편하게 보수유지 작업을 수행할 수 있게 되는 이점이 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예들을 기준하여 설명되어 있으나 이는 예시적인 것이라 할 수 있고, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예들을 생각해 낼 수 있으므로 이러한 균등한 실시예들 또한 본 발명의 특허청구범위 내에 포함되는 것으로 보아야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 다중 유체공급장치가 적용된 CMP 장비(화학기계적 연마장치)의 전체 결합구조를 도시한 개략적인 종단면도이다.

도 2는 본 발명 장치의 구동측 로터리 유니언과 종동측 로터리 유니언간의 동력전달원리를 설명하기 위하여 그 내부구조를 일부 절개하여 도시한 개략적인 저면 사시도이다.

도 3은 본 발명 장치에 적용된 구동측 로터리 유니언의 구조 및 그 내부에 개재되는 밀봉유닛의 적층구조를 각각 도시한 종단면도 및 일부 확대도이다.

도 4는 도 3의 구동측 로터리 유니언에 적용된 유체공급관체의 유체통로 구조를 도시한 사시도이다.

도 5는 도 3의 구동측 로터리 유니언에 적용된 밀봉하우징의 평면도이다.

도 6은 도 5의 Ⅵ-Ⅵ선 단면도이다.

도 7은 본 발명 장치에 적용된 구동측 로터리 유니언의 유체공급관체와 밀봉하우징 간 또는 종동측 로터리 유니언의 중심회전축과 밀봉하우징 간에 개재되는 주요 밀봉유닛을 부분 절개하여 도시한 분해 사시도이다.

도 8은 본 발명 장치에 적용된 유체공급관체를 고정시켜주는 매니폴드판의 구조를 도시한 평면도이다.

도 9는 본 발명에 적용된 종동측 로터리 유니언 및 캐리어연결축의 결합구조를 도시한 종단면도이다.

도 10은 도 9의 종동측 로터리 유니언에 적용된 중심회전축의 유체통로 구조를 도시한 저면 사시도이다.

도 11은 도 9의 종동측 로터리 유니언에 적용된 밀봉하우징의 평면도이다.

도 12는 도 9의 ⅩⅡ-ⅩⅡ선 단면도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

D ; 구동측 로터리 유니언 F ; 종동측 로터리 유니온

1 ; 감속모우터 2 ; 캐리어 구동풀리

3 ; 스핀들 구동풀리 10 ; 중심회전축

11 ; 유체통로 12 ; 브래킷

13, 14, 15, 16 ; 베어링 17 ; 캐리어 종동풀리

18 ; 캐리어 구동기어 20 ; 유체공급관체

21 ; 순수통로 22 ; 순수회수통로

23 ; 유체통로 24 ; 통공

25 ; 내측 적층지지링 26 ; 순수순환링

26a ; 통공 27 ; 매니폴드판

28 ; 순수통로 29 ; 유체통로

30 ; 밀봉유닛 31, 61 ; 밀봉하우징

31a, 31b, 61a, 61b ; 통공 31c, 61c ; 유통홈

33 ; 연결관 34 ; 외측 적층지지링

35 ; 패킹링 36 ; 개스킷링

37 ; 벨로우즈링 38a, 38b ; 베어링

40 ; 스핀들 41 ; 스핀들 종동풀리

42 ; 스핀들 하우징 43 ; 구동부 하우징

44 ; 베어링 50 ; 중심회전축

51, 53 ; 유체통로 52 ; 캐리어연결축

54 ; 캐리어 종동기어 55 ; 결합핀

56 ; 오링 62 ; 도관

Claims (2)

1. 소정의 회전력을 발생하기 위한 구동원과;

   상기 구동원으로부터 전달받은 회전력을 외측으로 전달할 수 있도록 회전 가능하게 지지된 중심회전축과, 상기 중심회전축의 외주에 동축상으로 배치되어 고정 지지되고 내측으로 다수의 유체통로가 형성된 유체공급관체와, 상기 유체공급관체에 형성된 유체통로들과 연통되는 다수의 유체통로가 내부에 형성된 고정용의 매니폴드판과, 상기 유체공급관체의 외주에 동축상으로 배치되어 회전 가능하도록 지지되고 상기 유체공급관체의 각 유체통로와 대응되는 위치마다 외부로 통하는 통공이 각각 형성되며 상기 각 통공의 내주면을 따라 작동유체를 유통시킬 수 있는 다수의 유통홈이 형성된 밀봉하우징과, 상기 유체공급관체와 밀봉하우징 사이의 기밀을 유지할 수 있도록 상호 유기적으로 적층되어 삽입된 밀봉유닛을 포함하여 이루어진 구동측 로터리 유니언과;

   상기 유체공급관체의 외측에 회전 가능하도록 설치되어지되 그 내측으로 소정 장치부를 수용할 수 있는 공간이 마련되어 있고 상기 중심회전축과는 독립적으로 상기 구동원과 연결되어 그 회전력을 전달받는 스핀들과;

   상기 스핀들의 외주에서 상기 스핀들을 지지해주는 비회전의 스핀들 하우징과;

   상기 구동측 로터리 유니언의 중심회전축으로부터 회전력을 전달받아 소정의 속도로 회전되며, 내부에는 다수의 유체통로가 형성된 적어도 하나 이상의 캐리어연결축과;

   상기 캐리어연결축의 하단에 고정결합되는 캐리어와;

   상기 캐리어연결축의 상단부에 일체로 결합되어 상기 캐리어연결축으로부터 전달되는 회전력에 의한 회전을 하면서 상기 캐리어연결축의 내측에 형성한 유체연통로에 유체를 유통시키기 위한 다수의 유체통로가 형성된 중심회전축과, 상기 중심회전축의 외주에 동축상으로 배치됨과 아울러 일단부가 상기 스핀들의 내측에 고정되어 상기 중심회전축이 안정적으로 회전될 수 있도록 지지하고 상기 중심회전축의 각 유체통로와 대응되는 위치마다 외부로 통하는 통공이 각각 형성되며 상기 각 통공의 내주면을 따라 작동유체를 유통시킬 수 있는 다수의 유통홈이 형성된 비회전의 밀봉하우징과, 상기 중심회전축과 밀봉하우징 사이의 기밀을 유지할 수 있도록 상호 유기적으로 적층되어 삽입된 밀봉유닛을 포함하여 이루어진 적어도 하나 이상의 종동측 로터리 유니언; 및

   상기 구동측 로터리 유니언과 종동측 로터리 유니언의 각 밀봉하우징에 형성된 통공 간을 상호 연결시켜주는 다수의 도관;을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 표면연마장비의 캐리어용 다중 유체공급장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 구동측 로터리 유니언 내에 개재된 밀봉유닛은, 상기 유체공급관체의 외주에 각각 밀착되어 적층되고 유체를 유통시키기 위한 통공이 형성된 한 쌍의 내측 적층지지링과, 상기 내측 적층지지링의 사이에 개재되어 상기 유체공급관체와 각 인접 밀봉하우징의 통공 간을 연통시켜주는 순수순환링과, 상기 순수순환링의 상하 외주면과 접촉되어 기밀을 유지하기 위한 한 쌍의 패킹링과, 상기 각 패킹링의 상하 외부에 배치되는 한 쌍의 개스킷링과, 상기 각 패킹링을 순수순환링의 상하 외주면쪽으로 각각 가압할 수 있는 가압력을 제공하기 위한 탄성가압수단으로서 상기 각 개스킷링의 상하 외부에 배치되는 한 쌍의 벨로우즈링과, 상기 각 밀봉하우징의 내주에 밀착되어 적층됨과 아울러 상기 개스킷링 및 벨로우즈링을 고정 및 지지해주는 한 쌍의 외측 적층지지링을 포함하여 구성하되, 상기 각 부재가 상호 결합된 채로 상기 유체공급관체와 각 인접 밀봉하우징 사이의 공간부에 다수 적층되어 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 표면연마장비의 캐리어용 다중 유체공급장치.