KR101115743B1 - 연마 공정 중에 안정된 자세를 유지하는 이동식 화학 기계적 연마시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학 기계적 연마(CMP) 시스템에 관한 것으로, 상면에 플래튼 패드가 장착되어 회전 가능하게 설치된 하나 이상의 연마 정반과; 프레임과; 구멍 또는 홈 형상으로 수용부가 형성되고, 연마하고자 하는 기판을 하부에 장착한 상태로 상기 연마 정반의 상측을 통과하는 미리 정해진 경로를 따라 이동하는 기판 캐리어어 유닛과; 상기 기판 캐리어 유닛의 이동 경로를 따라 상기 프레임에 고정 설치된 가이드 레일과; 상기 기판 캐리어 유닛이 연마 공정을 행하는 상기 연마 정반 상의 미리 정해진 위치에서, 상기 기판 캐리어 유닛의 상기 수용부에 삽입되도록 설치되는 끼움돌기를; 포함하여 구성되어, 상기 기판 캐리어 유닛이 연마 공정을 행하는 상기 연마 정반 상의 미리 정해진 위치에서 상기 끼움 돌기가 상기 수용부에 삽입되어 상기 기판 캐리어 유닛이 회전되지 않는 하나의 자세로 유지됨에 따라, 이동식 기판 캐리어 유닛이 요동없이 높은 정도(精度)의 연마 공정을 수행할 수 있도록 하는 화학 기계적 연마 시스템을 제공한다.

Description

연마 공정 중에 안정된 자세를 유지하는 이동식 화학 기계적 연마시스템 {CHEMICAL MECHANICAL POLISHING SYSTEM WHICH PREVENTS ELECTRIC WIRES FROM BEING TWISTED}

본 발명은 이동식 화학 기계적 연마시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 기판을 장착한 기판 캐리어 유닛이 다수의 연마 정반의 상면을 지나가는 순환형 경로로 이동하면서 연마 정반 상에서 정지하여 연마 공정을 수행하더라도, 연마 공정 중에 플래튼 패드와 기판의 상대 회전에 의해 기판 캐리어 유닛의 자세가 요동하는 것을 방지할 수 있는 이동식 화학 기계적 연마 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 화학 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 공정은 연마층이 구비된 반도체 제작을 위한 웨이퍼 등의 기판과 연마 정반 사이에 상대 회전 시킴으로써 기판의 표면을 연마하는 표준 공정으로 알려져 있다.

도1 내지 도3은 종래의 화학 기계적 연마시스템의 개략도이다.

도1 및 도2에 도시된 바와 같이 화학 기계적 연마시스템은 상면에 연마용 플래튼 패드(16) 및 배킹 패드(15)를 정반 베이스(14)에 부착한 상태로 회전하는 연마 정반(10)과, 연마하고자 하는 기판을 장착한 상태로 하방(22d')으로 가압하며 회전(22d)시키는 기판 캐리어 유닛(20)과, 플래튼 패드(16)의 상면에 슬러리(30a)를 공급하는 슬러리 공급부(30)로 구성된다.

상기 연마 정반(10)은 모터(12)에 의한 회전 구동력은 동력전달용 벨트(11)를 통해 회전축(13)에 전달되어, 회전축(13)과 함께 정반 베이스(14)가 회전하며, 정반 베이스(14)의 상면에 부드러운 재질로 형성된 배킹층(backing layer, 15)과 연마용 플래튼 패드(16)가 적층된다.

상기 기판 캐리어 유닛(20)은 기판(55)을 파지하여 장착하는 캐리어 헤드(21)와, 캐리어 헤드(21)와 일체로 회전하는 회전축(22)과, 회전축(22)을 회전 구동하는 모터(23)와, 모터(23)의 회전 구동력을 회전축(22)에 전달하도록 모터축에 고정된 피니언(24) 및 회전축(22)에 고정된 기어(25)와, 회전축(22)을 회전 가능하게 수용하는 구동대(26)와, 구동대(26)를 상하로 이동시켜 플래튼 패드(16)에 기판(55)을 하방으로 가압하는 실린더(27)로 구성된다.

상기와 같이 구성된 화학 기계적 연마시스템은 기판(55)이 플래튼 패드(16)의 회전 중심으로부터 이격된 위치에 하방 가압되면서 접촉하고 회전하며, 플래튼 패드(16)도 회전하면서, 연마제와 화학 물질이 포함된 슬러리를 공급하는 슬러리 공급관(30)에 의해 플래튼 패드(16)에 슬러리(30a)가 공급되면, 플래튼 패드(16)의 상면에 소정의 폭과 깊이를 갖는 X-Y 방향의 그루브 패턴에 의해 슬러리(30a)가 기판(55)과 플래튼 패드(16)의 접촉면으로 유입되면서, 기판(55)의 표면이 연마된다.

한편, 기판(55)을 플래튼 패드(16)에 하방 가압시키는 구성은 전기적 신호를 받아 유체를 작동시키는 로터리 유니온(rotary union)에 의해 이루어질 수 있으며, 이에 대한 구성은 대한민국 공개특허공보 제2004-75114호에도 잘 나타나 있다.

이와 같은 화학 기계적 연마시스템은 하나의 기판(55)을 기판 캐리어 유닛(20)의 캐리어 헤드(21)에 로딩하여 장착한 후, 플래튼 패드(16)와 접착하면서 하나씩 연마할 수도 있지만, 대한민국 공개특허공보 제2005-12586호에 나타난 바와 같이, 동시에 다수의 기판(55)을 연마하도록 구성될 수 도 있다.

즉, 도3에 도시된 바와 같이, 회전 중심(41)을 중심으로 회전 가능하게 설치되고 다수의 브랜치로 분기된 캐리어 운반기(40)를 구비하여, 캐리어 운반기(40)의 끝단(40A, 40B, 40C)에 기판 캐리어 유닛(20)이 설치되고, 기판 로딩/언로딩 유닛(K)에 의해 새로운 기판(55s, 55')이 기판 캐리어 유닛(20)에 장착시키면, 캐리어 운반기(40)가 회전하여 기판 캐리어 유닛(20)의 끝단(40A, 40B, 40C)에 장착된 다수의 기판이 각각의 연마 정반(10, 10', 10")에서 동시에 연마되도록 구성된 화학 기계적 연마시스템(1)가 사용되었다.

그러나, 도3에 도시된 종래의 화학 기계적 연마시스템(1)는 동시에 다수의 기판(55)을 다수의 연마 정반(10, 10', 10")에서 연마할 수 있지만, 캐리어 운반기(40)의 다수의 브랜치 끝단(40A, 40B, 40C)에 위치한 각각의 기판 캐리어 유닛(20)에 모터(23), 실린더(27) 또는 로터리 유니온을 구동시키기 위한 전기를 공급해야 하므로, 이를 연결하는 전기 배선이 브랜치를 따라 연장 형성됨에 따라, 캐리어 운반기(40)의 회전에 의해 전기 배선이 서로 꼬이므로, 다시 원위치로 되돌리는 동작이 필수적이어서 공정의 효율이 저하되는 문제가 있었다.

이 뿐만 아니라, 브랜치 끝단(40A, 40B, 40C)에 위치한 각각의 기판 캐리어 유닛(20)이 다수의 연마 정반(10, 10, 10") 상에서 연마 공정을 수행하는 동안에, 회전하는 연마 정반(10, 10', 10")과 기판 캐리어 유닛(20)에 장착된 기판(55)의 상대 회전 운동에 의하여 캐리어 운반기(40)가 요동하여, 기판 캐리어 유닛(20)이 하나의 자세로 유지되지 못하고 요동됨에 따라 연마 효율이 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 기판을 장착한 기판 캐리어 유닛이 다수의 연마 정반을 통과하는 순환형 경로로 이동하면서 연마 정반 상에서 정지하여 연마 공정을 수행하더라도, 연마 공정 중에 플래튼 패드와 기판의 상대 회전에 의해 기판 캐리어 유닛의 자세가 요동하는 것을 방지할 수 있는 이동식 화학 기계적 연마 시스템 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

즉, 본 발명은 가이드 레일을 따라 자유롭게 상호 독립적으로 이동하는 다수의 기판 캐리어 유닛이 연마 공정을 위하여 어느 하나의 연마 정반 상에 위치하여 연마되는 공정 중에, 연마 정반의 회전에 의한 반력으로 가이드 레일 상의 기판 캐리어 유닛이 요동하는 것을 방지하여 예정된 연마 공정을 높은 정도(精度)로 수행할 수 있도록 하는 것을 그 목적으로 한다.

기판을 장착한 기판 캐리어 유닛이 여러 연마 정반을 거치는 순환형 경로로 이동하더라도 기판을 회전 구동하는 전원 공급용 전기 배선의 꼬임을 방지하여, 기판 캐리어 유닛에 장착된 기판을 다수의 정반 상에서 연속적으로 연마할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 2장 이상의 기판을 연속적으로 연마할 수 있도록 함에 따라 생산성을 향상시킬 뿐만 아니라, 2장 이상의 기판을 동시에 연마하는 데 있어서 전기 배선이 꼬이는 것을 근본적으로 방지하여 장기간 동안 고장없이 신뢰성있는 사용을 보장할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 상면에 플래튼 패드가 장착되어 회전 가능하게 설치된 하나 이상의 연마 정반과; 프레임과; 구멍 또는 홈 형상으로 수용부가 형성되고, 연마하고자 하는 기판을 하부에 장착한 상태로 상기 연마 정반의 상측을 통과하는 미리 정해진 경로를 따라 이동하는 기판 캐리어어 유닛과; 상기 기판 캐리어 유닛의 이동 경로를 따라 상기 프레임에 고정 설치된 가이드 레일과; 상기 기판 캐리어 유닛이 연마 공정을 행하는 상기 연마 정반 상의 미리 정해진 위치에서, 상기 기판 캐리어 유닛의 상기 수용부에 삽입되도록 설치되는 끼움돌기를; 포함하여 구성되어, 상기 기판 캐리어 유닛이 연마 공정을 행하는 상기 연마 정반 상의 미리 정해진 위치에서 상기 끼움 돌기가 상기 수용부에 삽입되어 상기 기판 캐리어 유닛이 회전되지 않는 자세로 유지되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 시스템을 제공한다.

이는, 기판을 회전 구동시키는 유닛이 고정된 상태이면 안정된 연마 공정을 행할 수 있지만, 여러 종류의 슬러리에 대한 화학적 연마를 위하여 슬러리 별로 구분된 여러 연마 정반으로 기판이 이동하면서 연마되는 경우에는, 기판이 연마 정반에 일정하게 가압되면서 상대 회전됨에 따라 기판을 장착하고 있는 기판 캐리어 유닛은 일측으로 회전하려는 반력이 작용하여 자세가 틀어지려는 현상이 발생되는데, 프레임과 연결된 끼움돌기가 기판 캐리어 유닛의 수용부에 삽입하여 상호 간섭시키는 것에 의해 기판 캐리어 유닛의 자세를 고정함에 따라, 연마 공정 중에 연마 정반과 접촉하며 상대회전하더라도 한쪽으로 자세가 틀어지려는 현상을 구속하여, 기판이 연마 정반의 플래튼 패드와 안정적으로 접촉한 상태로 연마 공정을 수행할 수 있도록 하기 위함이다.

즉, 기판 캐리어 유닛이 가이드 레일을 따라 자유롭게 상호 독립적으로 이동함에 따라 한 자리에서 연마 정반과 접촉하면서 상대 회전 운동이 이루어지는 연마 공정 중에는 요동이 발생되는 불안정한 자세가 될 수 밖에 없지만, 끼움돌기가 수용부에 끼워짐에 따라 기판 캐리어 유닛에 장착된 기판이 연마 정반에 접촉하여 연마되는 동안에도 제 자세를 안정되게 유지할 수 있게 되어, 기판 캐리어 유닛이 요동없이 높은 정도(精度)의 연마 공정을 수행할 수 있게 된다.

이 때, 상기 수용부는 상기 기판 캐리어 유닛의 측면에 위치하여, 끼움 돌기와 끼워지는 위치를 기판 캐리어 유닛의 측면을 고정시킬 수 있지만, 기판 캐리어 유닛의 이동 경로에 간섭되는 것을 최소화하기 위하여 수용부는 기판 캐리어 유닛의 상면에 위치할 수도 있다.

그리고, 상기 끼움 돌기는 탄성 지지되는 형태로 상기 기판 캐리어 유닛의 수용부에 삽입되도록 구성될 수도 있지만, 끼움 돌기와 수용부의 해제를 보다 원활하게 하고 끼움 돌기의 형상에 제한을 받지 않도록 하기 위하여, 상기 끼움 돌기는 상기 프레임에 대하여 상하로 이동하여 상기 기판 캐리어 유닛의 상기 수용부에 선택적으로 삽입되는 것이 바람직하다.

한편, 끼움 돌기와 수용부와의 간섭에 의하여 연마 공정 중에 기판 캐리어 유닛의 자세를 고정시키는 구성은 전술한 바와 달리, 끼움 돌기가 기판 캐리어 유닛에 장착되고 상기 수용부가 프레임에 형성될 수도 있다. 즉, 본 발명은, 상면에 플래튼 패드가 장착되어 회전 가능하게 설치된 하나 이상의 연마 정반과; 상기 연마 정반 상의 위치에 구멍 또는 홈 형상의 수용부가 형성된 프레임과; 연마하고자 하는 기판을 하부에 장착한 상태로 상기 연마 정반의 상측을 통과하는 미리 정해진 경로를 따라 이동하는 기판 캐리어 유닛과; 상기 기판 캐리어 유닛의 이동 경로를 따라 상기 프레임에 고정 설치된 가이드 레일과; 상기 기판 캐리어 유닛이 연마 공정을 행하는 상기 연마 정반 상의 미리 정해진 위치에서, 상기 기판 캐리어 유닛으로부터 일측으로 돌출되어 상기 프레임의 상기 수용부에 삽입되도록 설치된 끼움돌기를 포함하여 구성되어, 상기 기판 캐리어 유닛이 연마 공정을 행하는 상기 연마 정반 상의 미리 정해진 위치에서 상기 끼움 돌기가 상기 수용부에 삽입되어 상기 기판 캐리어 유닛이 회전되지 않는 자세로 유지되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 시스템을 제공한다.

이 때, 상기 수용부는 상기 기판 캐리어 유닛의 상측의 상기 프레임에 형성될 수 있다. 그리고, 상기 끼움 돌기는 상기 기판 캐리어 유닛으로부터 상하로 이동하여 상기 프레임의 상기 수용부에 선택적으로 삽입될 수 있다.

상기 끼움 돌기는 1개로 형성될 수도 있지만, 기판의 연마 공정 중에 기판 캐리어 유닛의 자세를 보다 견고하게 고정하기 위하여 끼움 돌기가 기판의 회전 중심으로부터 서로 다른 방향으로 이격되게 위치한 2개 이상으로 형성되는 것이 보다 효과적이다.

무엇보다도, 상기 끼움 돌기는 돌출 방향에 대한 수직한 방향의 면에 경사면이 형성됨으로써, 상기 기판 캐리어 유닛이 약간의 위치 오차를 갖고 미리 정해진 연마 위치에서 정지하더라도, 끼움 돌기가 수용부에 끼워지는 것이 가능해지고, 끼움돌기가 수용부에 끼워짐에 따라 기판 캐리어 유닛의 위치 오차가 자동적으로 보정되도록 할 수 있다. 이 때, 상기 수용부는 상기 끼움 돌기의 경사면과 접촉하는 면도 동일하거나 유사한 경사도를 갖는 경사면으로 형성됨에 따라, 끼움 돌기가 수용부에 삽입되는 공정이 마찰없이 부드럽게 이루어질 수 있게 된다.

한편, 상기 기판 캐리어 유닛에는, 연마하고자 하는 기판을 하부에 장착한 상태로 상기 가이드 레일을 따라 이동하고, 상기 기판과 일체로 회전하는 제1회전축과; 회전 구동력을 전달받아 회전하는 피동축 및 상기 피동축의 회전 구동력을 상기 제1회전축의 회전 구동력으로 동력 전달하는 동력전달부가 구비되고; 상기 기판 캐리어 유닛이 상기 연마 정반 상의 상기 미리 정해진 위치에 있으면 상기 기판 캐리어 유닛이 파지하고 있는 상기 기판이 회전하는 회전 구동력을 상기 기판 캐리어 유닛에 전달하여 상기 기판을 회전시키도록 상기 기판 캐리어 유닛에 도킹 가능하게 설치된 도킹 유닛이 추가적으로 포함된다.

이는, 기판 캐리어 유닛에 장착된 기판을 회전 구동시키도록 기판 캐리어 유닛의 이동과 함께 따라다니는 전기 배선을 제거하고, 기판 캐리어 유닛에 장착한 기판이 연마되는 연마 위치에서 도킹 유닛이 기판 캐리어 유닛에 도킹하여 회전 구동력을 기판 캐리어 유닛에 전달하도록 구성됨에 따라, 다수의 연마 정반에서 기판을 연속적으로 연마하고자 기판 캐리어 유닛을 이동시키더라도, 기판 캐리어 유닛의 이동에 의해 전기 배선이 꼬이는 현상을 근본적으로 제거하기 위함이다.

이와 동시에, 본 발명에 따른 기판 캐리어 유닛은 기판을 회전시키는 데 필요한 회전 동력원(예를 들어, 배터리)를 구비하지 않더라도, 연마 위치에서 도킹 유닛에 도킹되어 공급받음으로써, 회전 동력원을 구비하는 경우에 충전하거나 교환하는 복잡한 공정을 거치지 않아도 되므로, 기판의 연마 공정 효율이 보다 향상된다.

여기서, 상기 도킹 유닛은 상기 기판 캐리어 유닛의 피동축이 자기력을 이용한 비접촉 방식으로 회전 구동되는 것이 바람직하다. 이를 통해, 기판 캐리어 유닛이 미리 정해진 연마 위치에 위치 오차를 갖고 위치하더라도, 비접촉 방식의 마그네틱 방식으로 회전 구동력이 전달되므로, 기판 캐리어 유닛의 위치 제어를 보다 용이하게 할 수 있고, 기판 캐리어 유닛의 외부로부터 기판 캐리어 유닛의 내부로 회전 구동력을 안정되게 전달할 수 있게 된다.

또 한편, 상기 캐리어 유닛에는, 연마하고자 하는 기판을 하부에 장착한 상태로 상기 가이드 레일을 따라 이동하고, 장착한 기판의 연마 공정 중에 상기 기판을 하방으로 가압하는 로터리 유니온을 구비되고; 상기 기판 캐리어 유닛이 상기 연마 정반 상의 상기 미리 정해진 위치에 있으면 상기 기판 캐리어 유닛이 파지하고 있는 상기 기판을 하방으로 가압하는 상기 로터리 유니온에 공압을 공급하도록 상기 기판 캐리어 유닛에 도킹 가능하게 설치된 도킹 유닛을 추가적으로 포함한다. 여기서 공압을 공급하는 도킹 유닛은 상기 회전 구동력을 전달하는 도킹 유닛과 일체로 형성될 수도 있고 별개로 형성될 수도 있다.

마찬가지로, 상기 기판 캐리어 유닛에는 로터리 유니온에 공급하는 공압을 발생시키는 설비가 구비되지 않고, 상기 제1경로의 상기 연마 정반 상의 정해진 위치에서 상기 기판 캐리어 유닛에 도킹되어 상기 로터리 유니온에 공급하는 공압을 공급하는 도킹 유닛을 추가적으로 포함한다. 여기서 공압을 공급하는 도킹 유닛과 상기 회전 동력원을 공급하는 도킹 유닛은 별개로 설치될 수도 있고, 한꺼번에 하나의 모듈로 설치될 수도 있다. 이를 통해, 기판 캐리어 유닛 내의 로터리 유니온에 공압을 공급하기 위한 공급원을 구비하지 않더라도, 도킹 유닛에 의해 기판 캐리어 유닛에 장착된 기판을 회전시킬 수 있으므로, 외부로부터 공압을 공급하기 위한 배관의 꼬임 현상을 방지할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 화학 기계적 연마 시스템은 기판 캐리어 유닛에는 이동을 위한 이동 구동원이나, 기판을 회전시키는 회전 구동원이나, 로터리 유니온에 공압을 공급하는 공압 발생원을 구비하지 않고, 단순히 동력을 전달하는 부품만을 구비한 상태에서, 외부에 배열된 코일의 전류 방향 및 세기 조절에 의하여 정해진 경로를 따라 이동하고, 도킹 유닛이 도킹한 상태에서 공압과 회전 구동력을 전달받음으로써, 기판 캐리어 유닛이 순환형 이동 경로를 따라 반복하여 순환 이동하더라도 전기 배선이나 공압 배선에 의해 꼬이는 현상이 발생되지 않는다.

즉, 기판 캐리어 유닛이 전기 배선 등에 영향을 받지 않고 서로 다르게 위치 제어되면서 독립적으로 이동할 수 있으므로, 다수의 연마 정반에 대하여 하나의 순환 경로를 구성하는 것이 가능해지며, 이에 의하여 동시에 여러개의 기판을 연마하는 것도 가능해진다.

상기와 같이 기판 캐리어 유닛으로부터 전기 배선을 제거하고, 기판 캐리어 유닛에 기판을 장착한 상태로 이동하는 데 있어서, 상기 기판 캐리어 유닛은 다수의 연마 정반을 통과하도록 배열되어 연속적인 기판 연마 공정을 수행할 수 있게 된다. 또한, 기판은 다수의 연마 정반에서 서로 다른 슬러리로 연마되는 것이 가능해진다.

특히, 상기 기판 캐리어 유닛이 상기 가이드 레일을 따라 이동하는 경로는 순환식 경로로 형성되더라도, 전기 배선의 꼬임으로부터 자유롭게 기판의 연마 공정을 행할 수 있는 장점이 얻어진다. 이와 같이 기판 캐리어 유닛이 순환식 경로를 따라 이동하기 위하여, 상기 가이드 레일은 폐루프로 형성될 수 있다. 그리고, 기판 캐리어 유닛이 순환식 경로를 이동하는 데 있어서 필요한 공간을 최소화하고 순환식 경로를 보다 편리하게 확장하기 위하여, 상기 기판 캐리어 유닛이 이동하는 경로는 제1경로와 제2경로를 포함하는 순환형 경로를 형성하되, 상기 제1경로와 상기 제2경로는 상호 분리되어 상기 기판 캐리어 유닛을 수용한 상태로 상기 제2경로를 따라 이동하는 캐리어 홀더에 의하여 선택적으로 상기 제1경로와 상기 제2경로를 상기 기판 캐리어 유닛이 왕래할 수 있도록 연결되도록 구성될 수도 있다.

이를 통해, 상기 제1경로와 상기 제2경로가 하나의 연속된 경로로 형성되지 않고 서로 분리된 경로로 형성되더라도, 캐리어 홀더의 이동에 의해 상호 분리된 제1경로와 제2경로를 기판 캐리어 유닛이 옮겨갈 수 있도록 함에 따라, 공간을 많이 차지하는 곡선 경로를 구비하지 않고서도, 기판 캐리어 유닛의 이동 경로를 순환형으로 형성하는 것이 가능해진다. 즉, 기계적 연마 장치의 기판 캐리어 유닛의 이송 경로를 순환형으로 하면서도 차지하는 공간을 최소화할 수 있다.

또한, 기판 캐리어 유닛의 이송 경로가 하나의 연속된 경로로 형성하지 않고 서로 분리된 경로가 캐리어 홀더의 이동으로 선택적으로 연결되도록 구성됨에 따라, 기판 캐리어 유닛의 이송 경로를 다양한 형태로 자유 자재로 구성하는 것도 가능해진다. 예를 들어, 직사각형이나 정사각형 형태의 순환형 이송 경로를 형성할 수도 있고, 원주 형상이나 그 밖에 어떠한 형태의 순환형 이송 경로를 형성할 수 있게 된다.

특히, 기판 캐리어 유닛의 이송 경로를 직사각형 형태의 순환형 이송 경로로 형성하는 경우에는 확장성이 뛰어난 장점이 얻어진다. 즉, 순환형 이송경로가 하나의 루프 형태의 가이드 레일로 형성되면, 새로운 연마 정반을 추가하고자 하면, 루프 형태의 가이드 레일을 모두 해체하여 새로운 연마 정반이 순환형 이송 경로에 넣을 수 밖에 없지만, 본 발명에 따른 화학 기계적 연마 장치의 운송 시스템은 제1경로와 제2경로가 분리되어 서로 직각으로 연결하는 것이 가능하므로, 직선 형태의 경로 상에 연마 정반이 설치된 프레임을 삽입하는 것에 의해 간단히 확장될 수 있는 잇점이 얻어진다.

한편, 발명의 다른 분야에 따르면, 본 발명은 기판을 장착한 기판 캐리어 유닛이 미리 정해진 경로를 따라 서로 독립적으로 이동하면서 연마 정반의 상측에 정지하여 연마 공정을 수행하는 화학 기계적 연마 방법으로서, 상기 기판 캐리어 유닛에 기판을 장착하는 단계와; 상기 기판 캐리어 유닛을 이동시켜 연마 정반의 상측의 미리 정해진 위치로 이동시키는 단계와; 상기 기판 캐리어 유닛에 형성된 2개 이상의 수용부에 프레임과 연결 결합된 끼움 돌기를 삽입시켜 상기 기판 캐리어 유닛의 자세를 고정하는 단계와; 상기 기판 캐리어 유닛의 기판을 회전시키고 상기 연마 정반의 플래튼 패드를 회전시켜 연마 공정을 행하는 단계를; 포함하는 화학 기계적 연마 방법을 제공한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 기판 캐리어 유닛이 가이드 레일을 따라 자유롭게 상호 독립적으로 이동함에 따라 한 자리에서 연마 정반과 접촉하면서 상대 회전 운동이 이루어지는 연마 공정 중에는 요동이 발생되는 불안정한 자세가 될 수 밖에 없지만, 기판 캐리어 유닛과 프레임 중 어느 하나에 설치된 끼움돌기가 기판 캐리어 유닛과 프레임 중 다른 하나에 설치된 수용부에 끼워짐에 따라 기판 캐리어 유닛에 장착된 기판이 연마 정반에 접촉하여 연마되는 동안에도 제 자세를 안정되게 유지할 수 있게 되어, 기판 캐리어 유닛이 요동없이 높은 정도(精度)의 연마 공정을 수행할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명은 2장 이상의 기판을 연속적으로 연마할 수 있도록 함에 따라 생산성을 향상시킬 뿐만 아니라, 2장 이상의 기판을 동시에 연마하는 데 있어서 전기 배선이 꼬이는 것이 근본적으로 방지되어 장기간 동안 전기 배선의 고장없이 신뢰성있는 사용을 보장할 수 있다.

그리고, 본 발명은 전기 배선 등의 꼬임없이 다수의 기판을 어느 한 방향으로만 이동시키는 제어를 가능하게 함으로써 다수의 기판을 동시에 연마시키는 공정의 효율이 향상된다.

도1은 종래의 일반적인 화학 기계적 연마시스템의 구성을 도시한 개략도
도2는 도1의 연마 정반과 캐리어 유닛의 구성을 도시한 상세도
도3은 도1의 평면도
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 시스템의 배치를 도시한 평면도
도5는 도4의 순환형 경로를 도시한 개략도
도6은 도4의 화학 기계적 연마 시스템으로부터 연마 정반을 제외한 구성의 저면 사시도
도7은 도4의 측면도
도8은 도7의 절단선 A-A에 따른 종단면도
도9는 도6의'X'부분의 확대 사시도
도10은 도9의 기판 캐리어 유닛의 절개 사시도
도11은 도10의 측면도
도12a는 프레임에 설치된 끼움 돌기가 기판 캐리어 유닛의 수용부에 삽입되기 이전의 상태를 도시한 개략도
도12b는 프레임에 설치된 끼움 돌기가 기판 캐리어 유닛의 수용부에 삽입되어 기판 캐리어 유닛의 자세를 고정한 상태를 도시한 개략도

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마시스템(100)를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 시스템의 배치를 도시한 평면도, 도5는 도4의 순환형 경로를 도시한 개략도, 도6은 도4의 화학 기계적 연마 시스템으로부터 연마 정반을 제외한 구성의 저면 사시도, 도7은 도4의 측면도, 도8은 도7의 절단선 A-A에 따른 종단면도, 도9는 도6의'X'부분의 확대 사시도, 도10은 도9의 기판 캐리어 유닛의 절개 사시도, 도11은 도10의 측면도, 도12a는 프레임에 설치된 끼움 돌기가 기판 캐리어 유닛의 수용부에 삽입되기 이전의 상태를 도시한 개략도, 도12b는 프레임에 설치된 끼움 돌기가 기판 캐리어 유닛의 수용부에 삽입되어 기판 캐리어 유닛의 자세를 고정한 상태를 도시한 개략도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마시스템(100)은, 상면에 플래튼 패드가 장착되어 회전 가능하게 프레임(10)에 고정 설치된 다수의 연마 정반(110)과, 장착된 기판(55)을 연마 정반(110) 상에서 연마하도록 기판(55)을 하부에 장착한 상태로 이동하고 내부에 로터리 유니온(123)이 설치된 기판 캐리어 유닛(120)과, 기판 캐리어 유닛(120)을 미리 정해진 경로(130)를 따라 이동시키거나 파지하는 가이드 레일(132R, 134R, 135R, 136R)과, 기판(55)이 연마 정반(110) 상에서 회전하면서 연마할 때에 화학 연마 공정을 위하여 플래튼 패드 상에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급 유닛(150)과, 슬러리 공급 유닛(150)에 의해 공급되는 슬러리가 플래튼 패드 상에서 골고루 퍼지도록 하는 컨디셔너(140)와, 상기 경로(130)에 위치한 기판 캐리어 유닛(120)에 연마 공정을 거칠 기판(55)을 공급하는 기판 로딩 유닛(160)과, 기판 캐리어 유닛(120)에 의해 이동되어 연마 정반(110) 상에서 연마 공정을 마친 기판(55)을 언로딩하는 기판 언로딩 유닛(170)과, 기판 캐리어 유닛(120)이 연마 정반(110)의 상측에 위치하면 기판 캐리어 유닛(120)의 로터리 유니온(123)에 공압을 각각 공급하고 장착된 기판(55)을 회전구동시키는 회전 구동력을 전달하도록 기판 캐리어 유닛(120)에 도킹되는 도킹 유닛(180)과, 기판 캐리어 유닛(120)이 연마 공정을 수행하기 위한 연마 정반(110)상의 미리 정해진 위치에 도달하면 기판 캐리어 유닛(120)과 간섭되어 기판 캐리어 유닛(120)의 자세를 고정하는 캐리어 자세고정유닛(190)으로 구성된다.

상기 연마 정반(110)은 웨이퍼 등의 기판(55)을 연마하기 위해 회전 가능하게 프레임(10', 10" ; 10)에 고정 설치되며, 최상층에는 기판(55)의 연마를 위한 플래튼 패드(111)가 부착되고, 그 하부에는 이보다 부드러운 재질의 배킹층(backing layer,112)이 개재되어, 도3에 도시된 연마 정반(10)과 그 개별 구성이 동일하거나 유사하게 구성된다.

여기서, 연마 정반(110)은 서로 연속하지 않게 직선 형태로 구분되게 배열된 경로로 이루어진 순환형 경로(130) 중 제1경로(132)상에 다수개로 배열된다. 도5에 도시된 바와 같이, 제1경로(132)에서는 기판 캐리어 유닛(130)이 한 방향(왼쪽 방향)으로만 기판(55)을 이동시키면서 연마 정반(110) 상에 연마하도록 작동된다. 이와 같이, 연마될 기판(55)이 어느 한 방향으로만 일률적으로 이동하면서 기판(55)의 연마 공정이 이루어짐으로써 공정의 효율이 향상된다.

상기 컨디셔너(140)는 슬러리 공급 유닛(150)으로부터 연마 정반(110)의 플래튼 패드 상에 슬러리가 공급되면, 도면부호 140d로 표시된 방향으로 스윕(sweep) 운동을 행하여, 플래튼 패드 상의 슬러리가 골고루 넓고 균일하게 퍼지도록 한다. 이를 통해, 캐리어 헤드(121)에 장착된 기판(55)이 플래튼 패드와 접촉하며 서로 상대 회전 운동을 행하는 동안에 공급된 슬러리가 기판(55)에 균일하고 충분한 양만큼 공급될 수 있도록 한다.

상기 슬러리 공급 유닛(150)은 연마 정반(110)의 플래튼 패드 상에 슬러리를 공급하는 데, 기판(55)의 연마에 있어서 2종류 이상의 슬러리로 연마 공정을 행하고자 하는 경우에는 서로 다른 연마 정반(110)에서 연마를 행하도록 한다. 이를 위하여, 연마 정반(110)상에 공급되는 슬러리는 모두 동일한 종류로 공급되지 않으며, 기판(55)의 연마 공정에 따라 순차적으로 적당한 슬러리가 선택되어 플래튼 패드 상에 공급된다.

상기 순환형 경로(130)는 도4 내지 도6에 도시된 바와 같이, 다수의 연마 정반(110)을 통과하는 2열의 제1경로(132)와, 2열의 제1경로(132)의 사이에 제1경로(132)와 평행하게 배열된 제3경로(134)와, 상기 제1경로(132) 및 상기 제3경로(134)의 양단부에 배열된 한 쌍의 제2경로(131,133)로 이루어진다. 여기서, 제1경로(132)는 제1가이드레일(132R)에 의해 정해지고, 제2경로(131, 133)는 고정 레일(131R, 133R)에 의해 정해지며, 제3경로(134)는 제3가이드레일(134R)에 의해 정해진다.

여기서, 각각의 경로들(131-134)은 각각 서로 연결되지 않은 형태로 배열되지만, 제2경로(131,133)에는 기판 캐리어 유닛(120)을 파지한 상태로 이동하는 캐리어 홀더(135, 136)가 각각 설치되어, 캐리어 홀더(135, 136)가 제1경로(132) 또는 제3경로(134)로 옮겨갈 수 있는 위치(P1, P2, P3, P4, P5)에 도달한 경우에만, 기판 캐리어 유닛(120)이 서로 분절된 경로(131-134)를 서로 왕래할 수 있는 연결된 상태가 된다. 즉, 기판 캐리어 유닛(120)은 제1경로(132)와 제3경로(134)에서는 단독으로 제1가이드레일(132R)과 제3가이드레일(134R)을 따라 이동하지만, 제2경로(131, 133)에서는 단독으로 고정 레일(131R, 133R)을 따라 이동하지 못하고 캐리어 홀더(135, 136)에 위치한 상태에서 캐리어 홀더(135, 136)의 이동에 의해 이동하게 된다.

이 때, 기판 캐리어 유닛(120)은 순환형 경로(130)를 이동할 때에 항상 일정한 방향을 향하는 것이 기판 캐리어 유닛(120)의 이동을 제어하는 데 보다 효과적이며, 후술하는 도킹 유닛(180)의 배열 측면에서도 유리하다. 이를 위하여, 도6에 도시된 바와 같이, 캐리어 홀더(135, 136)에는 제1경로(132) 및 제3경로(134)를 한정하는 제1가이드레일(132R) 및 제3가이드레일(134R)과 동일한 방향을 향하고 동일한 치수와 간격을 갖는 한 쌍의 제2가이드 레일(135R, 136R)이 구비된다. 따라서, 기판 캐리어 유닛(120)은 제2가이드레일(135R, 136R)에 위치한 경우에 향하는 방향이 제1가이드레일(132R) 및 제3가이드레일(134R)에 위치하고 있는 경우에 향하는 방향과 항상 일정하게 유지된다. 그리고, 제2가이드레일(135R, 136R)이 제1가이드레일(132R) 및 제3가이드레일(134R)과 동일한 치수와 간격으로 형성됨에 따라, 제1경로(132) 및 제3경로(134)로부터 제2경로(131, 133)로 서로 왕래하는 것이 부드럽고 원활하게 이루어질 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 화학 기계적 연마 장치의 운반 시스템은 제1경로(132) 및 제3경로(134)의 양단에 이들에 대하여 이격되어 수직으로 배열된 제2경로(131, 133)가 분리된 상태로 있지만, 캐리어 홀더(135, 136)에 의해 선택적으로 연결되는 것에 의하여, 순환형 경로(130)의 방향 전환 부위를 뾰족한 꼭지점 경로에서도 기판 캐리어 유닛(120)을 이동시킬 수 있으므로, 순환형 경로(130)를 직사각형, 삼각형 등으로 배열하는 것이 가능해진다. 따라서, 도7에 도시된 바와 같이, 제3경로(134)를 안내하는 제3가이드레일(134R)은 제1경로(132)를 안내하는 제1가이드레일(132R)과 간격없이 밀착 배열될 수 있다. 즉, 기판 캐리어 유닛(120)의 경로를 콤팩트하게 밀착 제작하는 것이 가능해진다.

한편, 본 발명에 따른 화학 기계적 연마 장치는 캐리어 홀더(135,136)를 구비한 배열로 인하여 직사각형으로 배열하는 것이 가능하여 콤팩트한 설비로 구현하는 것을 가능하게 할 뿐만 아니라, 도4에 도시된 바와 같이, 기존의 설비에 연마 정반(110)과 제1가이드레일(132R) 및 제3가이드레일(134R) 등이 설치된 프레임(10")을 기존의 프레임(10') 사이에 끼워 넣거나 빼기만 하면, 간단히 연마 정반의 수를 늘리거나 줄일 수 있는 장점을 얻을 수 있다. 이와 유사하게, 도5에 도시된 구성에 대하여 제1경로(132) 및 제3경로(134)를 선택적으로 아래 또는 위쪽으로 추가 설치하는 것에 의해서도 간단히 연마 정반의 수를 조절할 수 있다. 이와 같이, 본 발명에 따른 화학 기계적 연마 장치는 생산 계획에 따라 연마 설비를 쉽게 확장할 수 있다.

상기 기판 캐리어 유닛(120)은 다양한 구성 부품(123-127)을 케이싱(122) 내에 고정한 상태로 경로(130)을 따라 이동하도록 제어되며, 다수의 기판 캐리어 유닛(120)은 상호 독립적으로 이동 제어된다. 참고로, 도4에서는 기판 캐리어 유닛(120)을 '조밀하게 밀집된 수직선'으로 표시되어 있다.

그리고, 기판 캐리어 유닛(120)이 순환 경로(130)를 따라 도면부호 120d로 표시된 방향으로 이동하는 과정에서, 기판 캐리어 유닛(120)의 양측에 배열된 직선 형태의 가이드 레일(132R, 133R, 134R, 135R, 136R)을 따라 타고 이동하므로, 기판 캐리어 유닛(120)은 항상 일정한 방향을 바라보는 자세가 유지되어 이동 중에 회전 운동(rotational movement)은 행해지지 않으며 이동 운동(translational movement)만 행하게 된다.

각각의 기판 캐리어 유닛(120)은 도10에 도시된 바와 같이 기판(55)을 파지하는 캐리어 헤드(121)와, 기판(55)의 회전을 허용하면서 기판(55)의 판면 방향으로 가압하는 로터리 유니온(123)과, 도킹 유닛(180)으로부터 회전 구동력을 전달받는 중공부를 구비한 피구동축(124)과, 피구동축(124)에 전달되는 회전 구동력을 전달하도록 축, 기어 등으로 이루어진 동력 전달 요소들(125)과, 동력 전달 요소(125)에 의해 전달된 회전 구동력에 의해 캐리어 헤드(121)를 회전 구동시키도록 캐리어 헤드(121)의 회전축 상에 설치된 피동 기어(126)와, 기판 캐리어 유닛(120)이 양측의 상,하부에 각각 회전 가능하게 설치되어 그 사이 공간에 가이드 레일(132R, 134R, 135R, 136R)을 수용하는 안내 롤러(127)와, 리니어 모터의 원리로 기판 캐리어 유닛(120)이 이동되도록 상면에 N극 영구자석(128n)과 S극 영구자석(128s)이 교대로 배열된 영구자석 스트립(128)과, 자세고정유닛(190)의 끼움 돌기(191)를 수용하는 구멍으로 형성된 수용부(129)로 구성된다.

여기서, 로터리 유니온(123)은 대한민국 공개특허공보 제2004-75114호에 나타난 구성 및 작용과 유사하게 구성된다.

한편, 프레임(10)에는 제1경로(132)의 제1가이드레일(132R)과 제3경로(134)의 제3가이드레일(134R)과 제2경로(131, 133)의 고정 레일(131R, 133R)이 고정된다. 이 때, 제1가이드레일(132R)과 제3가이드레일(134R)은 프레임으로부터 하방으로 연장된 브라켓(30G)에 의해 연결 고정된다.

그리고, 기판 캐리어 유닛(120)이 제1경로(132) 및 제3경로(134)를 따라 이동할 수 있도록, 기판 캐리어 유닛(120)의 케이스(122)의 상측에 형성된 영구자석 스트립(128)과 이격된 위치에 코일(90)이 경로(132, 133)의 방향을 따라 배열되어, 코일(90)에 인가되는 전류의 세기와 방향을 조절함으로써 코일(90)과 영구자석 스트립과의 상호 작용에 의하여 리니어 모터의 작동 원리에 의하여 기판 캐리어 유닛(120)은 제1경로(132) 및 제3경로(134)를 따라 가이드레일(132R, 134R)에 의해 안내되면서 이동한다. 그리고, 기판 캐리어 유닛(120)을 파지하는 캐리어 홀더(135, 136)가 제2경로(131, 133)을 따라 이동할 수 있도록, 캐리어 홀더(135, 136)의 상측에 배열된 영구자석 스트립(미도시)과 이격된 위치에 코일(90)이 배열되어, 코일(90)에 인가되는 전류의 세기와 방향을 조절함으로써 코일(90)과 영구자석 스트립과의 상호 작용에 의하여 리니어 모터의 작동 원리로 캐리어 홀더(135, 136)는 제2경로(131, 133)를 따라 고정 레일(131R, 133R)에 의해 안내되면서 이동한다.

마찬가지로, 캐리어 홀더(135, 136)와 제1경로(132) 및 제3경로(134)로 상호 왕래할 수 있도록, 캐리어 홀더(135, 136)의 상측에도 코일(90)이 배열되어, 기판 캐리어 유닛(120)의 상측에 배열된 영구자석 스트립(128)과의 상호작용으로 캐리어 홀더(135, 136)의 바깥으로 이동할 수도 있고 캐리어 홀더(135, 136)의 내부로 이동할 수도 있다.

기판 캐리어 유닛(120)의 상측 안내 롤러(127U)와 하측 안내 롤러(127L)의 사이에 수용되는 가이드 레일(132R, 134R, 135R, 136R)에는, 도9에 도시된 바와 같이, 보다 정숙한 이동을 구현하기 위하여 안내 롤러(127U, 127L; 127)와 접촉하는 가이드 레일(132R, 134R, 135R, 136R)의 끝단부에는 고무 재질의 방음 레일(G, G')이 부착된다.

상기 도킹 유닛(180)은 도9에 도시된 바와 같이 프레임(10)에 고정 설치되어, 기판 캐리어 유닛(120)이 미리 정해진 위치에 도달한 것이 감지되면, 기판 캐리어 유닛(120)에 도킹되어 기판(55)을 회전 구동하는 회전 구동력과 로터리 유니온(123)이 필요로 하는 공압을 공급한다. 이를 위하여, 도킹 유닛(180)은 기판 캐리어 유닛(120)에 접근하여 도킹하거나 멀어져 도킹 상태를 해제하는 것을 구동하는 도킹 모터(181)와, 도킹 모터(181)에 의해 회전하는 리드 스크류(182)와, 리드 스크류(182)와 맞물리는 암나사부를 구비하고 회전이 억제되도록 설치되어 리드 스크류(182)의 회전에 따라 도면부호 185d로 표시된 방향으로 이동하는 이동 블록(183)과, 이동 블록(183)과 결합되어 이동 블록(183)의 이동과 일체로 이동하는 지지 몸체(184)와, 지지 몸체(184)에 고정되어 회전 구동력을 발생시키는 회전 구동 모터(185)와, 회전 구동 모터(185)의 회전에 연동하여 함께 회전하는 커플링축(186)과, 기판 캐리어 유닛(120)의 로터리 유니온(123)에 공압 공급관(187a)을 통해 공압을 전달하도록 지지 몸체(184)와 함께 이동하도록 연결 설치된 다수의 공압 접속구(187)로 구성된다.

도9에 도시된 바와 같이, 기판 캐리어 유닛(120)에는 회전 구동력을 발생시키거나 공압을 발생시키는 구동원이 구비되지 않았으므로, 기판 캐리어 유닛(120)에 장착된 기판(55)의 연마 공정을 진행하기 위해서는 이들 구동력 및 공압을 공급받아야 한다. 따라서, 기판 캐리어 유닛(120)에 장착된 기판(55)이 연마 정반(110)의 미리 정해진 상측 위치에 도달하면, 연마 정반(110)이 상방으로 이동하여 연마 정반(110)의 플래튼 패드와 기판(55)이 접촉한 상태가 된다.

그리고, 도킹 유닛(180)의 도킹 모터(181)가 정방향으로 회전하면, 리드 스크류(182)의 회전에 따라 회전이 구속된 이동 블록(183)은 기판 캐리어 유닛(120)을 향하여 이동하고, 이동 블록(183)의 이동에 따라 지지 몸체(183) 및 이에 결합된 회전 구동 모터(185) 및 커플링축(186)이 함께 기판 캐리어 유닛(120)을 항햐여 이동하여, 커플링 축(186)은 피구동 중공회전축(124)의 내부에 소정의 간격을 두고 수용되고, 공압 접속구(187)는 기판 캐리어 유닛의 공압 수용구(123X)에 끼워지는 도킹 상태가 된다.

여기서, 도12a에 도시된 바와 같이, 커플링 축(186)의 외주면에는 N극 영구자석과 S극 영구자석이 교대로 이루어진 영구자석 스트립(186s)이 대략 6개 내지 12개씩 부착되게 배열되고, 중공부를 구비한 피구동축(124)의 내주면에도 N극 영구자석과 S극 영구자석이 교대로 이루어진 영구자석 스트립(124s)이 대략 6개 내지 12개씩 배열된다. 따라서, 커플링 축(186)이 186r로 표시된 방향으로 회전하면, 피구동축(124)의 중공부의 내주면에 배열된 영구자석(124s)과 커플링 축(186)의 외주면에 배열된 영구자석(186s)의 자기력의 상호 작용에 의하여, 도킹 유닛(180)의 커플링 축(186)으로부터 피구동축(124)에 회전 구동력이 전달되어 124r로 표시된 동일한 방향으로 함께 회전된다. 즉, 외주면에 N극 영구자석과 S극 영구자석이 교대로 번갈아가며 배열된 커플링 축(186)과 내주면에 N극 영구자석과 S극 영구자석이 교대로 번갈아가며 배열된 피구동축(124)이 마그네틱 커플링을 구성하면서, 회전 구동 모터(185)에 의해 발생된 회전 구동력을 기판 캐리어 유닛(120)으로 전달하게 되는 것이다. 기판 캐리어 유닛(120)으로 전달된 회전 구동력은 피구동 중공회전축(124)과 함께 회전하는 피니언(125a)과, 웜 기어 박스(125w)를 거쳐 전달 기어(125b)에 전달되어, 기판(55)을 장착한 캐리어 헤드(121)가 회전 구동된다.

이와 같이, 회전 구동 모터(185)의 회전 구동력을 기판 캐리어 유닛(120)에 전달하는 데 있어서 마그네틱 커플링(124, 186)을 이용하는 것을 통해, 기판 캐리어 유닛(120)이 미리 정해진 위치에 엄격하게 일치하지 않고 약간의 위치 오차가 있더라도, 비접촉 형태의 마그네틱 커플링(124, 186)을 통해 회전 구동력이 전달되므로, 기판 캐리어 유닛(120)의 위치 제어를 보다 용이하게 할 수 있고, 기판 캐리어 유닛(120)의 바깥에서 생성된 회전 구동력을 기판 캐리어 유닛(120)의 내부로 안정되게 전달할 수 있는 장점이 얻어진다.

한편, 도9의 도킹 유닛(180)의 공압 접속구(187)가 기판 캐리어 유닛(120)의 공압 수용구(123X)에 각각 끼워지면, (도면에는 기판 캐리어 유닛(120) 내부의 공압 전달튜브가 도시되지 않았지만) 공압 공급관(187a)을 통해 공압이 로터리 유니온(123)의 다수의 수압구(123a)로 각각 공급된다. 도9에 도시된 바와 같이, 로터리 유니온(123)에는 높이에 따라 공압이 각각 공급되어야 하므로, 공압 공급관(187a)과 공압 접속구(187)는 공압 수용구(123X)의 수만큼 많은 수가 한꺼번에 접속되어, 외부로부터의 공압이 로터리 유니온(123)으로 공급된다.

그리고, 기판 캐리어 유닛(120)이 정해진 위치에서 장착한 기판(55)의 연마 공정을 모두 마쳤으면, 도킹 모터(181)는 반대 방향으로 회전 구동되어 도킹 유닛(180)과 기판 캐리어 유닛(120)과의 도킹 상태가 해제된다. 그리고 나서 기판 캐리어 유닛(120)은 그 다음 연마 공정을 행할 연마 정반으로 이동하거나, 모든 연마 공정이 종료되었으면 제2경로(133), 제3경로(134)를 거쳐 제2경로(131)의 기판 언로딩 유닛(170)으로 이동된다.

상기 자세고정유닛(190)은 기판 캐리어 유닛(120)이 연마 위치에 도달하면 기판 캐리어 유닛(120)의 자세를 고정하기 위한 것으로, 기판 캐리어 유닛(120)이 연마되는 위치에서 기판 캐리어 유닛(120)의 수용부(129)에 끼움 돌기(191)가 삽입될 수 있는 위치에서 프레임(10)에 대하여 상하로 이동 가능하게 설치된다. 이는 리드 스크류나 랙 앤드 피니언 등의 다양한 형태로 구현할 수 있다. 다만, 자세고정유닛(190)은 프레임(10)에 설치되어 프레임(10)에 대하여 이동하지만, 프레임(10)에 지지되도록 설치된다. 이를 통해, 끼움 돌기(191)가 수용부(129)에 삽입된 상태에서 연마 공정 중에 기판 캐리어 유닛(120)이 기판 회전에 따른 반력으로 틀어지려는 힘을 효과적으로 저항할 수 있게 된다.

그리고, 끼움 돌기(191)의 측면은 경사면(191a)으로 형성되어, 끼움 돌기(191)가 기판 캐리어 유닛(120)의 수용부(129)에 삽입되는 과정에서, 기판 캐리어 유닛(120)의 수용부(129)의 측면에 슬라이딩 접촉하면서 부드럽게 삽입될 수 있으며, 기판 캐리어 유닛(120)이 미리 정해진 연마 위치로부터 약간의 위치 오차가 있더라도 기판 캐리어 유닛(120)을 미리 정해진 연마 위치로 잡아당겨 위치 오차를 보정하는 역할도 함께 한다.

이하 도5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 기판 운반 시스템의 작동 원리를 상술한다.

단계 1: 먼저, 기판 캐리어 유닛(120)이 캐리어 홀더(135)에 위치한 상태로 기판 로딩 유닛(160)에서 기판(55)을 로딩받은 후, 캐리어 홀더(135)의 상측 코일에 인가되는 전류를 조절하여 캐리어 홀더(135)가 제2경로(131)를 한정하는 고정 레일(131R)을 따라 P1위치에 도달하도록 이동시킨다. P1위치에서는, 캐리어 홀더(135)에 설치된 제2가이드레일(135R)이 실질적으로 제1경로(132)의 제1가이드레일(132R)과 연속하도록 배열되어, 제2경로(131)로부터 제1경로(132)에 충격없이 매끄럽게 옮겨갈 수 있게 된다.

단계 2: 캐리어 홀더(135)의 상측에 설치된 코일에 흐르는 전류를 조절하여, 캐리어 홀더(135)에 위치하였던 기판 캐리어 유닛(120)을 리니어 모터 방식으로 이동시켜, 제2경로(131)로부터 도면부호 120d1으로 표시된 방향으로 옮겨가 제1경로(132)에 이르게 된다. 그리고 나서, 첫 번째로 연마 공정을 행할 제1연마 정반(I)으로 이동하여 P2위치에 도달한다(도12a).

이 때, 프레임(10)에 설치된 자세고정유닛(190)은 기판(55)의 회전 중심으로부터 반대 방향으로 이격된 2개의 끼움 돌기(191)가 동시에 하방으로 이동하여 기판 캐리어 유닛(120)의 수용부(129)에 삽입됨으로써, 기판 캐리어 유닛(120)은 연마 공정이 행해지는 정해진 위치에서 위치 고정이 될 뿐만 아니라, 연마 공정 중에 기판(55)이 플래튼 패드(111)에 가압되면서 회전(121b)하더라도 플래튼 패드(111)와 기판(55)의 상대 회전에 따른 회전 반력에 저항할 수 있는 하나의 자세로 요동없이 유지될 수 있도록 한다.

한편, 자세고정유닛(190)의 끼움 돌기(191)는 예를 들어 원추형 또는 사다리꼴 형태와 같이, 끼움 돌기(191)의 측면이 경사면으로 형성된다. 이에 따라, 끼움 돌기(191)의 작은 단면의 선단부가 수용부(129)에 쉽게 삽입될 수 있으므로 작동 신뢰성이 확보되고, 기판 캐리어 유닛(120)이 미리 정해진 연마 위치(P2)에 도달한 상태가 미리 정해진 위치로부터 약간의 위치 오차가 있더라도, 끼움 돌기(191)가 기판 캐리어 유닛(120)의 수용부(129)에 보다 깊게 삽입되면서, 끼움 돌기(191)의 경사면에 의해 기판 캐리어 유닛(120)을 원래 미리 정해진 위치(P2)를 향하여 조금씩 잡아당김에 따라 기판 캐리어 유닛(120)의 위치 오차를 보정하게 된다.

즉, 본 발명에 따른 화학 기계적 연마 시스템(100)은 기판 캐리어 유닛(120)이 가이드 레일을 따라 이동하면서 연마 정반(110) 상의 미리 정해진 위치(P2..)에서 연마 공정을 수행하는 과정에서, 기판 캐리어 유닛(120)이 미리 정해진 위치로부터 약간의 위치 오차를 갖더라도 자세고정유닛(190)이 기판 캐리어 유닛(120)의 위치 및 자세를 고정하는 과정에서 위치 오차를 보상할 수 있게 되고, 기판 캐리어 유닛(120)에 장착된 기판(55)을 연마하는 동안에 발생되는 반력으로 기판 캐리어 유닛(120)이 틀어지는 것을 견고하게 방지할 수 있게 된다.

이와 같이, 기판 캐리어 유닛(120)의 위치가 자세고정유닛(190)에 의하여 미리 정해진 위치(P2)에 정확히 위치하게 되면, 도킹 유닛(180)의 도킹 모터(181)의 작동으로, 도킹 유닛(180)이 기판 캐리지 유닛(120)에 도킹된다. 따라서, 도킹 유닛(180)의 회전 구동 모터(185)의 회전 구동력이 기판 캐리어 유닛(120)에 전달될 수 있는 상태가 되고, 동시에 도킹 유닛(180)의 공압이 로터리 유니온(123)에 공급되어 기판(55)을 플래튼 패드를 향하여 하방 가압할 수 있는 상태가 된다. 그리고, 로터리 유니온(123)에 공압이 공급되면, 로터리 유니온(120)의 내부 챔버가 팽창하면서 캐리어 헤드(121)에 장착된 기판(55)이 하방으로 이동하면서 기판(55)이 플래튼 패드(111)에 접촉한 상태가 된다. 그리고 나서, 도킹 유닛(180)으로부터 회전 구동력이 전달되어 기판(55)을 회전 구동함으로써, 기판 캐리어 유닛(120)에 장착된 기판에 대하여 화학 기계식 연마 공정을 수행할 수 있게 된다. 즉, 기판 캐리어 유닛(120) 내에는 기판(55)을 회전시킬 수 있는 구동원과 로터리 유니온(123)에 공압을 공급할 공급원이 없었지만, 도킹 유닛(180)의 도킹에 의하여 제1연마정반(I)에서 장착한 기판(55)의 화학 기계식 연마 공정을 수행하게 된다.

연마 공정을 수행한 후 기판 캐리어 유닛이 이동하더라도, 기판 캐리어 유닛에 설치된 체크 밸브로 로터리 유니온의 공압상태를 부압상태로 일정하게 유지시킬 수 있으므로, 로터리 유니온의 공압으로 기판을 장착한 상태로 유지하는 것이 가능하다.

단계 3: 그리고 나서, 기판의 종류에 따라 제1연마정반(I), 제2연마정반(II), 제3연마정반(III)... 중 하나 또는 다수의 연마 정반 상에서 연마 공정을 행한다. 한편, 도면에 도시되지는 않았지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 연마 정반(110)에서 연마하고 있는 기판 캐리어 유닛(120) 이외에 대기중인 기판 캐리어 유닛이 준비되어, 연마 정반(110)에서의 연마 효율을 향상시킬 수 있다.

단계 4: 그 다음, 기판(55)의 연마 공정이 종료되면, 기판 캐리어 유닛(120)은 제1경로(132) 상의 코일(90)의 전류 제어를 통해 P3위치로 이동시킨다. 기판 캐리어 유닛(120)이 P3 위치에 도달하면, 제2경로(133)의 캐리어 홀더(136)가 P4위치로 이동하여, 캐리어 홀더(136)의 제2가이드레일(136R)이 제1경로(132)의 제1가이드레일(132R)과 연속 배열되도록 한다. 이에 따라, 제1경로(132)의 기판 캐리어 유닛(120)은 120d2로 표시된 방향으로 제2경로(133)로 원활하게 옮겨 올수 있게 된다.

그 다음, 기판 캐리어 유닛(120)을 수용하고 있는 캐리어 홀더(136)는 136d로 표시된 방향으로 이동하여, 제3경로(134)의 제3가이드레일(134R)과 캐리어 홀더(136)의 제2가이드레일(136R)이 서로 연속 배열되도록 한다.

단계 5: 그 다음, 상측 제1경로(132)에서 연마 공정을 행한 기판 캐리어 유닛(120)과 하측 제1경로(132)에서 연마 공정을 행한 기판 캐리어 유닛(120)은 모두 제3경로(134)를 통해 기판을 배출시킨다. 이를 위하여, 제2경로(133)상의 기판 캐리어 유닛(120)은 20d4 방향으로 이동하여 제3경로(134)로 이동한 후, 제3경로(134)를 따라 P6위치까지 이동한다.

기판 캐리어 유닛(120)이 P6 위치에 도달하면, 제2경로(131)의 캐리어 홀더(135)가 이에 연속하는 P7위치로 이동하여, 캐리어 홀더(135)의 제2가이드레일(135R)이 제3경로(134)의 제3가이드레일(134R)과 연속 배열되도록 한다. 이에 따라, 제3경로(134)의 기판 캐리어 유닛(120)은 120d5로 표시된 방향으로 제2경로(133)로 원활하게 옮겨 올수 있게 된다.

단계 6: 그리고 나서, 제2경로(131)의 캐리어 홀더(135)에 수용된 기판 캐리어 유닛(120)은 기판 언로딩 유닛(170)으로 이동되어, 연마 공정이 종료된 기판을 배출한다. 그리고, 단계 1 내지 단계 6을 반복한다.

이상과 같이, 기판 캐리어 유닛(120)은 전기적 신호와 공압이 필요한 기판(55)의 연마 공정에서만 도킹 유닛(140)과 도킹되어 전기적 신호 또는 회전 구동력 및 로터리 유니온(123)의 구동에 필요한 공압을 전달받으므로, 전기 배선이나 공압 공급관(183a)의 꼬임이 발생하지 않으면서 경로(130)을 따라 자유롭게 이동할 수 있게 되는 유리한 효과가 얻어진다. 더욱이, 기판 캐리어 유닛(120) 내에 모터를 수용하지 않는다면, 배선의 꼬임을 방지할 뿐만 아니라 기판 캐리어 유닛(120)의 중량이 매우 낮아지므로, 경량화된 기판 캐리어 유닛(120)의 이동 제어가 용이하고 이동에 필요한 전력 소모량을 줄일 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구 범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.

즉, 위 실시예에서는 끼움 돌기(191)가 프레임(10)에 설치되고 끼움 돌기(191)가 삽입되는 수용부가 기판 캐리어 유닛(120)에 형성된 것을 예로 들었지만, 상술한 바로부터 끼움 돌기가 기판 캐리어 유닛(120)에 설치되고 이 끼움 돌기가 삽입되는 수용부가 프레임(10)에 형성되는 것도 당연히 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에게 자명하게 실시할 수 있으며 특허청구범위에 기재된 바에 의해 본 발명의 범주에 속하는 것이다.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
100: 화학 기계적 연마시스템 110: 연마 정반
120: 기판 캐리어 유닛 129: 수용부
130: 순환 경로 180: 도킹 유닛
190: 자세고정유닛 191: 끼움 돌기

Claims (16)

1. 상면에 플래튼 패드가 장착되어 회전 가능하게 설치된 하나 이상의 연마 정반과;
   프레임과;
   구멍 또는 홈 형상으로 수용부가 형성되고, 연마하고자 하는 기판을 하부에 장착한 상태로 상기 연마 정반의 상측을 통과하는 미리 정해진 경로를 따라 이동하는 기판 캐리어어 유닛과;
   상기 기판 캐리어 유닛의 이동 경로를 따라 상기 프레임에 고정 설치된 가이드 레일과;
   상기 기판 캐리어 유닛이 연마 공정을 행하는 상기 연마 정반 상의 미리 정해진 위치에서, 상기 기판 캐리어 유닛의 상기 수용부에 삽입되도록 설치되는 끼움돌기를;
   포함하여 구성되어, 상기 기판 캐리어 유닛이 연마 공정을 행하는 상기 연마 정반 상의 미리 정해진 위치에서 상기 끼움 돌기가 상기 수용부에 삽입되어 상기 기판 캐리어 유닛이 회전되지 않는 자세로 유지되는 것을 특징으로 하는 이동식 화학 기계적 연마 시스템.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 수용부는 상기 기판 캐리어 유닛의 상측에 위치한 것을 특징으로 하는 이동식 화학 기계적 연마 시스템.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 끼움 돌기는 상기 프레임에 대하여 상하로 이동하여 상기 기판 캐리어 유닛의 상기 수용부에 선택적으로 삽입되는 것을 특징으로 하는 이동식 화학 기계적 연마 시스템.
   
4. 상면에 플래튼 패드가 장착되어 회전 가능하게 설치된 하나 이상의 연마 정반과;
   상기 연마 정반 상의 위치에 구멍 또는 홈 형상의 수용부가 형성된 프레임과;
   연마하고자 하는 기판을 하부에 장착한 상태로 상기 연마 정반의 상측을 통과하는 미리 정해진 경로를 따라 이동하는 기판 캐리어 유닛과;
   상기 기판 캐리어 유닛의 이동 경로를 따라 상기 프레임에 고정 설치된 가이드 레일과;
   상기 기판 캐리어 유닛이 연마 공정을 행하는 상기 연마 정반 상의 미리 정해진 위치에서, 상기 기판 캐리어 유닛으로부터 일측으로 돌출되어 상기 프레임의 상기 수용부에 삽입되도록 설치된 끼움돌기를;
   포함하여 구성되어, 상기 기판 캐리어 유닛이 연마 공정을 행하는 상기 연마 정반 상의 미리 정해진 위치에서 상기 끼움 돌기가 상기 수용부에 삽입되어 상기 기판 캐리어 유닛이 회전되지 않는 자세로 유지되는 것을 특징으로 하는 이동식 화학 기계적 연마 시스템.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 수용부는 상기 기판 캐리어 유닛의 상측의 상기 프레임에 형성한 것을 특징으로 하는 이동식 화학 기계적 연마 시스템.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 끼움 돌기는 상기 기판 캐리어 유닛으로부터 상하로 이동하여 상기 프레임의 상기 수용부에 선택적으로 삽입되는 것을 특징으로 하는 이동식 화학 기계적 연마 시스템.
   
7. 제 1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 끼움 돌기는 2개 이상 형성되되, 상기 기판의 회전 중심으로부터 서로 다른 방향으로 이격되게 위치한 것을 특징으로 하는 이동식 화학 기계적 연마 시스템
   
8. 제 1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 끼움 돌기는 돌출 방향에 수직한 방향의 면에 경사면이 형성된 것을 특징으로 하는 이동식 화학 기계적 연마 시스템.
   
9. 제 8항에 있어서,
   상기 끼움 돌기의 경사면에 부합하는 경사면이 상기 수용부의 측면에 형성된 것을 특징으로 하는 이동식 화학 기계적 연마 시스템.
   
10. 제 1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판 캐리어 유닛에는, 연마하고자 하는 기판을 하부에 장착한 상태로 상기 가이드 레일을 따라 이동하고, 상기 기판과 일체로 회전하는 제1회전축과; 회전 구동력을 전달받아 회전하는 피동축 및 상기 피동축의 회전 구동력을 상기 제1회전축의 회전 구동력으로 동력 전달하는 동력전달부가 구비되고;
    상기 기판 캐리어 유닛이 상기 연마 정반 상의 상기 미리 정해진 위치에 있으면 상기 기판 캐리어 유닛이 파지하고 있는 상기 기판이 회전하는 회전 구동력을 상기 기판 캐리어 유닛에 전달하여 상기 기판을 회전시키도록 상기 기판 캐리어 유닛에 도킹 가능하게 설치된 도킹 유닛을;
    추가적으로 포함하는 이동식 화학 기계적 연마 시스템.
    
11. 제 10항에 있어서,
    상기 캐리어 유닛에는, 연마하고자 하는 기판을 하부에 장착한 상태로 상기 가이드 레일을 따라 이동하고, 장착한 기판의 연마 공정 중에 상기 기판을 하방으로 가압하는 로터리 유니온을 구비되고;
    상기 기판 캐리어 유닛이 상기 연마 정반 상의 상기 미리 정해진 위치에 있으면 상기 기판 캐리어 유닛이 파지하고 있는 상기 기판을 하방으로 가압하는 상기 로터리 유니온에 공압을 공급하도록 상기 기판 캐리어 유닛에 도킹 가능하게 설치된 도킹 유닛을;
    추가적으로 포함하는 이동식 화학 기계적 연마 시스템.
    
12. 제 1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연마 정반은 다수이고, 상기 가이드 레일은 상기 기판 캐리어 유닛이 상기 다수의 연마 정반의 상면을 지나가도록 배열된 것을 특징으로 하는 이동식 화학 기계적 연마시스템.
    
13. 제12항에 있어서,
    상기 기판 캐리어 유닛이 상기 가이드 레일을 따라 이동하는 경로는 순환식 경로인 것을 특징으로 하는 이동식 화학 기계적 연마시스템.
    
14. 제 13항에 있어서,
    상기 가이드 레일은 폐루프로 형성된 것을 특징으로 하는 이동식 화학 기계적 연마시스템.
    
15. 기판을 장착한 기판 캐리어 유닛이 미리 정해진 경로를 따라 서로 독립적으로 이동하면서 연마 정반의 상측에 정지하여 연마 공정을 수행하는 화학 기계적 연마 방법으로서,
    상기 기판 캐리어 유닛에 기판을 장착하는 단계와;
    상기 기판 캐리어 유닛을 이동시켜 연마 정반의 상측의 미리 정해진 위치로 이동시키는 단계와;
    상기 기판 캐리어 유닛에 형성된 2개 이상의 수용부에 프레임과 연결 결합된 끼움 돌기를 삽입시켜 상기 기판 캐리어 유닛의 자세를 고정하는 자세고정단계와;
    상기 기판 캐리어 유닛의 기판을 회전시키고 상기 연마 정반의 플래튼 패드를 회전시켜 연마 공정을 행하는 연마단계를;
    포함하는 이동식 화학 기계적 연마 방법.
    
16. 제 15항에 있어서, 상기 자세고정단계가 행해진 다음에,
    상기 미리 정해진 위치에 설치된 도킹 유닛을 상기 기판 캐리어 유닛에 도킹시켜 상기 기판 캐리어 유닛에 상기 기판을 회전구동시키는 회전 구동력을 전달하는 단계를;
    추가적으로 포함하여, 상기 연마 단계를 행하는 것을 특징으로 하는 이동식 화학 기계적 연마 방법.
    

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