KR101238904B1 - 기판 연마장치 - Google Patents

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KR101238904B1
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Abstract

본 발명은 기계화학적 연마(MCP) 공법과 화학기계적 연마(CMP) 공법을 선택적으로 이용하여 사파이어 기판과 같은 웨이퍼 형태의 기판 표면을 경면으로 효과적으로 연마할 수 있는 기판 연마장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 기판 연마마장치는 본체와; 상기 본체에 수직한 축을 중심으로 회전하도록 설치되며, 상부면에 연마 대상 기판이 안착되는 하정반과; 상기 하정반에 회전력을 제공하는 하정반 구동부와; 상기 하정반 상에 안착된 연마 대상 기판 상에 안착되며, 수직한 축을 중심으로 회전하는 상정반과; 상기 상정반의 외면에 결합되며, 외주면에 기어이들이 형성되어 있는 링형태의 캐리어와; 상기 캐리어의 기어이와 치합되는 기어이가 외면에 형성되어 있으며, 상정반 구동부에 의해 회전하면서 상기 캐리어를 회전시키는 가이드롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

기판 연마장치{Substrate Polishing Apparatus}
본 발명은 기판 연마장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사파이어 웨이퍼와 같은 기판을 분말상의 연마제를 이용하여 기계화학적 연마(MCP) 공법으로 연마할 수 있는 기판 연마장치에 관한 것이다.
일련의 반도체 제조공정을 거친 사파이어 기판은 개별 칩으로 분리되기 전에 연마 공정을 거친다. 사파이어 기판의 연마 공정은 전 공정이나 이송 중 외부충격으로부터 가해지는 충격을 방지하기 위해 두껍게 제작된 사파이어 기판의 후면을 연마하여 박막화하기 위한 공정이다.
이러한 사파이어 기판는 일반적으로 초기 수백 ㎛의 두께를 가지며, 사파이어 기판 연마 공정은 이러한 사파이어 기판 두께를 수십 ㎛로 얇게 가공하는 공정인데, 사파이어 기판의 최종 두께는 반도체 제품의 종류 또는 고객의 요구에 따라 달라질 수 있다.
사파이어 기판을 연마하는 방법은 화학기계적 연마라 불리는 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공법과 기계화학적 연마라 불리는 MCP(Mechano Chemical Polishing) 공법이 있다. 현재 거의 모든 연마 공법은 연마제가 섞인 액체를 이용하는 화학기계적 연마(CMP) 공법을 이용하고 있으나 이러한 화학기계적 연마(CMP) 공법보다 분말상의 연마제를 사용하는 기계화학적 연마(MCP) 공법이 더 효율적이고 친환경적인 것으로 보고되고 있다.
하지만, 전술한 것과 같이 현재 대부분이 화학기계적 연마(CMP) 공법을 이용하기 때문에 이러한 연마 공법을 수행하는 장치들 또한 대부분 화학기계적 연마(CMP)용 장치들로, 기계화학적 연마(MCP)를 수행할 수 있는 장치는 거의 없는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 간단한 구성으로 기계화학적 연마(MCP) 공법과 화학기계적 연마(CMP) 공법을 선택적으로 이용하여 사파이어 기판과 같은 웨이퍼 형태의 기판 표면을 효과적으로 연마할 수 있는 기판 연마장치를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 본체와; 상기 본체에 수직한 축을 중심으로 회전하도록 설치되며, 상부면에 연마 대상 기판이 안착되는 하정반과; 상기 하정반에 회전력을 제공하는 하정반 구동부와; 상기 하정반 상에 안착된 연마 대상 기판 상에 안착되며, 수직한 축을 중심으로 회전하는 상정반과; 상기 상정반의 외면에 결합되며, 외주면에 기어이들이 형성되어 있는 링형태의 캐리어와; 상기 캐리어의 기어이와 치합되는 기어이가 외면에 형성되어 있으며, 상정반 구동부에 의해 회전하면서 상기 캐리어를 회전시키는 가이드롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 연마장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 하정반과 상정반 및 기판을 상대 회전시키면서 분말상의 연마제를 이용하여 기계화학적 연마(MCP) 공법으로 기판의 일면 또는 양면을 연마할 수 있다. 따라서, 화학기계적 연마(CMP) 공법으로 기판을 연마하는 경우보다 연마 시간을 단축시킬 수 있으며, 연마도를 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 하정반 및/또는 상정반을 교체하는 간단한 작업으로 화학기계적 연마(CMP) 공법으로 연마를 수행하거나, 랩핑(lapping)을 수행할 수 있으므로 장치의 호환성을 향상시킬 수 있는 이점도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 연마장치의 전체 구조를 나타낸 정면에서 본 요부 단면도이다.
도 2는 도 1의 기판 연마장치의 측면에서 본 요부 단면도이다.
도 3은 도 1의 기판 연마장치의 평면도이다.
도 4는 도 1의 기판 연마장치의 주요 부분에 대한 요부 종단면도이다.
도 5는 도 4에 대응하는 도면으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판 연마장치의 요부 종단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 기판 연마장치의 하정반의 평면도 및 측면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 기판 연마장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기판 연마장치를 나타낸 것으로, 이 실시예의 기판 연마장치는 본체(10)와, 상기 본체(10)의 베이스플레이트(11)에 수직한 축을 중심으로 회전하도록 설치되는 원반 형태의 하정반(20)과, 상기 하정반(20)에 회전력을 제공하는 하정반 구동부(70)와, 상기 하정반(20) 상에 안착된 연마 대상 기판(1)(예를 들어 원형의 사파이어 웨이퍼) 상에 안착되는 상정반(30)과, 상기 상정반(30)의 외면에 결합되며 외주면에 기어이(41)(gear teeth)들이 형성되어 있는 링형태의 캐리어(40)와, 상정반 구동부(80)에 의해 수직한 축을 중심으로 회전하면서 상기 캐리어(40)를 회전시키는 구동 가이드롤러(51) 및 종동 가이드롤러(52)와, 상기 상정반(30)의 상측에 안착되어 자중에 의해 상정반(30)에 하측으로 가압력을 제공하는 웨이트블록(60)(weight block)과, 상기 하정반(20)의 외주면 하측에 설치되어 하정반(20)의 외주면과 본체(10)의 베이스플레이트(11) 사이의 틈새를 통해 낙하하는 연마제를 포집하기 위한 연마제포집통(92)을 포함한 구성으로 이루어진다.
상기 본체(10)의 베이스플레이트(11) 상측에는 상기 하정반(20)의 외측 둘레를 따라 연마제가 이탈되는 것을 방지하고 캐리어(40)의 회동을 가이드하기 위한 가이드팬스(91)가 추가로 설치될 수 있다. 또한, 상기 본체(10)의 상부에는 상기 하정반 구동부(70) 및 상정반 구동부(80) 등의 작동을 제어하기 위한 컨트롤부(93)가 구성된다.
상기 하정반(20)은 원반형으로 이루어지며, 상부면에는 기판 연마를 위한 석영(quartz) 재질의 연마블록(21)이 장착된 구조로 이루어진다. 이 실시예에서 상기 하정반(20)의 연마블록(21)은 기계화학적 연마(MCP) 공법을 수행하기 위하여 편평한 면으로 이루어진다. 상기 하정반(20)의 상부면에는 분말 형태의 연마제가 공급된다.
상기 하정반(20)의 중심축에는 상기 하정반 구동부(70)와 연결되어 동력을 전달받는 스핀들(25)이 결합된다. 상기 하정반(20)의 스핀들(25)은 본체(10)에 고정되는 스핀들하우징(26) 내부에 회전이 가능하게 설치된다.
상기 하정반 구동부(70)는 공지의 구동장치를 이용하여 구성할 수 있는데, 이 실시예에서는 하정반 구동부(70)가 본체(10)의 하측에 고정되는 메인모터(71)와, 상기 메인모터(71)의 축과 상기 스핀들(25)을 연결하는 동력전달벨트(72)를 포함한 구성으로 이루어진다. 따라서, 상기 메인모터(71)가 작동하게 되면, 동력전달벨트(72)를 통해 스핀들(25)에 메인모터(71)의 회전력이 전달되고, 이에 따라 하정반(20)이 스핀들(25)을 중심으로 일방향(도면상 반시계방향)으로 회전하게 된다.
상기 상정반(30)은 하정반(20)보다 작은 직경을 갖는 원반형으로 이루어지며, 하부면에는 연마 대상 기판(1)이 접착제에 의해 일시적으로 부착된다. 기판(1)과 상정반(30)을 서로 접합시키는 접착제는 열을 가하면 융해되어 접착력이 제거되는 성질이 있는 것으로, 연마 완료 후 열을 가하면 기판(1)이 상정반(30)에서 분리된다.
상기 캐리어(40)는 외주면에 기어이(41)가 형성되어 있는 링형태로 이루어지며, 상기 상정반(30)의 직경과 거의 일치하는 내경을 갖도록 되어 상정반(30) 외주면에 끼워져 결합된다.
상기 구동 가이드롤러(51) 및 종동 가이드롤러(52)는 상기 하정반(20)의 상측에 설치되는 롤러마운트블록(53)에 일정 거리 이격되게 설치된다. 상기 구동 가이드롤러(51) 및 종동 가이드롤러(52)의 외주면에는 상기 캐리어(40)의 기어이(41)와 치합되는 기어이(51a, 52a)(gear teeth)가 형성되어 있다. 상기 구동 가이드롤러(51)는 상기 롤러마운트블록(53) 상에 구성되는 상정반 구동부(80)와 연결되어 상정반 구동부(80)로부터 동력을 전달받아 회전하면서 캐리어(40)를 회전시킨다. 그리고, 상기 종동 가이드롤러(52)는 상기 롤러마운트블록(53)에 자유롭게 회전하도록 설치되어, 상기 캐리어(40)의 회전에 의해 함께 회전하면서 구동 가이드롤러(51)와 함께 캐리어(40)가 일정한 위치에서 수직한 축을 중심으로 자전하도록 가이드하는 작용을 한다.
상기 상정반 구동부(80)는 상기 롤러마운트블록(53) 상에 설치되어 구동 가이드롤러(51)를 일방향(도면상 시계방향)으로 회전시키는 모터를 포함한 구성으로 이루어진다.
한편, 상기 롤러마운트블록(53)은 상기 하정반(20)의 상측에서 수평 이동 가능하게 설치되는 것이 바람직하다. 이는 상기 하정반(20) 상에 캐리어(40)를 설치할 때 구동 가이드롤러(51) 및 종동 가이드롤러(52)를 캐리어(40) 외측으로 일시적으로 이동시켰다가 구동 가이드롤러(51) 및 종동 가이드롤러(52)를 캐리어(40) 쪽으로 접근시켜 캐리어(40)와 구동 가이드롤러(51) 및 종동 가이드롤러(52)를 서로 연결함으로써 연결 작업이 좀 더 용이하고 원활하게 이루어질 수 있도록 하기 위함이다. 이 실시예에서 상기 롤러마운트블록(53)은 본체(10)의 베이스플레이트(11)에 수직하게 설치되는 회전축(미도시)을 중심으로 하정반(20) 상에서 일정 거리 수평하게 회전할 수 있도록 구성된다. 상기 롤러마운트블록(53)의 수평 회전이 안정적으로 이루어지도록 하기 위해 상기 롤러마운트블록(53)에는 원호형의 가이드홈(54)이 형성되고, 본체(10)에는 상기 가이드홈(54) 내측에 가이드핀(55)이 설치될 수 있다.
상기 웨이트블록(60)은 상기 상정반(30)의 직경 및 캐리어(40)의 내경과 대략 일치하는 직경을 갖는 원반형으로 이루어지며, 상정반(30)에 충분한 가압력을 제공할 수 있도록 무거운 금속재로 이루어진다.
상기 연마제포집통(92)은 하정반(20)의 외주면과 본체(10) 사이의 틈새 하측에 설치되는 상부면이 개방된 링형태로 이루어져, 연마 과정에서 하정반(20)의 외주면과 본체(10) 사이의 공간을 통해 낙하하는 연마제를 포집하여 재사용함과 더불어 연마제가 하정반 구동부(70) 등의 다른 구성부를 오염시키는 것을 방지하는 작용을 한다.
한편, 상기 본체(10)의 사방면에는 연마과정에서 분진이 날리는 것을 방지하기 위하여 투명한 차폐패널(12) 및 도어(13)가 설치된다.
상기와 같이 구성된 기판 연마장치는 다음과 같이 작동한다.
연마 대상 기판(1)을 상정반(30)의 하면에 부착시키고, 연마 대상 기판(1)이 하정반(20)의 연마블록(21) 상에 접촉되도록 상정반(30)을 하정반(20) 상에 안착시킨다. 그리고, 캐리어(40)의 내주면에 상정반(30)의 외주면이 삽입되어 결합되도록 상정반(30)에 캐리어(40)를 결합시킨다. 이어서, 상기 상정반(30) 상에 웨이트블록(60)을 안착시킨다.
이와 같이 상정반(30)-캐리어(40)-웨이트블록(60) 조립체를 만든 다음, 캐리어(40)와 구동 가이드롤러(51) 및 종동 가이드롤러(52) 간의 상대 위치를 조정하여 캐리어(40)의 기어이(41)가 구동 가이드롤러(51) 및 종동 가이드롤러(52)이 기어이(51a, 52a)들과 치합되도록 한다.
이어서, 하정반(20) 상에 미세한 분말상의 연마제를 투입하고, 작업자가 컨트롤부(93)를 조작하여 상기 하정반(20)의 회전 속도와 구동 가이드롤러(51)의 회전 속도를 설정하고, 연마 시간을 설정한 다음, 하정반 구동부(70) 및 상정반 구동부(80)의 작동을 개시한다.
상기 하정반 구동부(70)의 메인모터(71) 및 상정반 구동부(80)에 전원이 인가되면, 하정반(20)이 반시계방향으로 회전함과 동시에 구동 가이드롤러(51)가 시계방향으로 회전한다. 상기 구동 가이드롤러(51)가 시계방향으로 회전함에 따라 캐리어(40)는 반시계방향으로 회전하게 된다. 다시 말해서, 연마 공정이 시작되면, 하정반(20)과 캐리어(40) 및 상정반(30)은 반시계방향으로 회전하고, 구동 가이드롤러(51)와 종동 가이드롤러(52)는 시계방향으로 회전하면서 연마가 진행된다.
이 때, 상기 하정반(20)의 외측에는 가이드팬스(91)가 설치되어 있으므로 연마제가 외부로 이탈되지 않고 하정반(20) 내측에 모여지게 되고, 분말상의 연마제와 하정반(20)과 상정반(30)-기판(1) 조립체 간의 상대 회전에 의해 기판(1)의 하부면이 경면으로 연마된다.
전술한 실시예에서는 하정반(20)의 상면에만 석영 재질의 연마블록(21)이 설치되어 기판(1)의 하부면만 연마하는 것으로 설명하였으나, 도 5에 도시한 것과 같이 상정반(30)의 하부면과 연마 대상 기판(1)의 상부면 사이에 상기 연마 대상 기판(1)의 상부면을 연마하기 위한 석영(quartz) 재질의 상부연마블록(31)을 개재시켜 기판(1)의 양면 연마를 수행할 수도 있을 것이다.
또한, 전술한 실시예에서는 분말상의 연마제를 이용하여 기계화학적 연마(MCP) 공법을 실행하는 것으로 설명하였으나, 본 발명의 기판 연마장치는 연마제가 혼합된 액체를 공급하여 연마를 수행하는 화학기계적 연마(CMP) 공법에도 유용하게 적용될 수 있다. 이 경우, 하정반(20)과 기판(1) 간의 유체에 의한 압착력을 저하시킬 수 있도록 하기 위하여 도 6에 도시한 것과 같이 하정반(20)의 연마블록(121) 상부면에 공기가 유동할 수 있는 공기유동용 홈(122)이 격자형으로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 전술한 실시예의 기판 연마장치는 하정반(20)에 석영 재질의 연마블록(21)을 사용하여 기판(1)의 면을 경면으로 연마하는 것으로 설명하였으나, 하정반(20) 및/또는 상정반(30)을 다른 재질의 것으로 교체하고 연마제를 다른 종류의 것을 사용하여 랩핑(lapping) 가공을 수행할 수도 있을 것이다.
전술한 본 발명에 따른 기판 연마장치의 실시예는 단지 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시 목적으로 제안된 것으로 본 발명은 이에 국한되지 않으며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 첨부된 특허청구범위에 기재된 기술 사상의 범주 내에서 다양한 변경 및 실시가 가능할 것이다.
1 : 기판 10 : 본체
11 : 베이스플레이트 13 : 도어
20 : 하정반 21 : 연마블록
30 : 상정반 31 : 상부연마블록
40 : 캐리어 41 : 기어이(gear teeth)
51 : 구동 가이드롤러 52 : 종동 가이드롤러
51a, 52a : 기어이(gear teeth) 60 : 웨이트블록
70 : 하정반 구동부 71 : 메인모터
72 : 동력전달벨트 80 : 상정반 구동부
91 : 가이드팬스 92 : 연마제포집통
93 : 컨트롤부

Claims (10)

  1. 본체(10)와;
    상기 본체(10)에 수직한 축을 중심으로 회전하도록 설치되며, 상부면에 연마 대상 기판(1)이 안착되는 하정반(20)과;
    상기 하정반(20)에 회전력을 제공하는 하정반 구동부(70)와;
    상기 하정반(20) 상에 안착된 연마 대상 기판(1) 상에 안착되며, 수직한 축을 중심으로 회전하는 상정반(30)과;
    상기 상정반(30)의 외면에 결합되며, 외주면에 기어이(41)들이 형성되어 있는 링형태의 캐리어(40)와;
    상기 캐리어(40)의 기어이(41)와 치합되는 기어이(51a, 52a)가 외면에 형성되어 있으며, 상정반 구동부(80)에 의해 회전하면서 상기 캐리어(40)를 회전시키는 가이드롤러를 포함하며;
    상기 가이드롤러는 상기 하정반(20)의 상측에서 일정 거리 수평 이동 가능하게 설치되는 롤러마운트블록(53)에 설치되는 것을 특징으로 하는 기판 연마장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가이드롤러는 상기 상정반 구동부(80)에 연결되어 회전력을 전달받는 구동 가이드롤러(51)와, 상기 구동 가이드롤러(51)와 일정 거리 이격된 위치에 자유롭게 회전하도록 설치되며 외주면이 상기 캐리어(40)와 치합되어 회전하는 종동 가이드롤러(52)로 구성된 것을 특징으로 하는 기판 연마장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 상정반(30) 상에 안착되어 자중에 의해 상정반(30)에 하측으로 가압력을 제공하는 웨이트블록(60)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 연마장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 상정반(30)의 하부면과 연마 대상 기판(1)의 상부면 사이에 개재되어 상기 연마 대상 기판(1)의 상부면을 연마하는 상부연마블록(31)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 연마장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 하정반(20)의 상부면에 화학기계적(CMP) 공법의 연마를 수행하기 위한 공기유동용 홈(122)이 격자형으로 형성된 것을 특징으로 하는 기판 연마장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 하정반(20)의 상부면에는 기판 연마를 위한 석영(quartz) 재질의 연마블록(21)이 설치된 것을 특징으로 하는 기판 연마장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 하정반(20)의 외주면 하측에 설치되어 하정반(20)의 외주면과 본체(10) 사이의 틈새를 통해 낙하하는 연마제를 포집하기 위한 연마제포집통(92)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 연마장치.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서, 상기 롤러마운트블록(53)은 본체(10)에 수직하게 설치되는 회전축을 중심으로 수평 회전 가능하게 설치되며, 상기 롤러마운트블록(53)에는 원호형의 가이드홈(54)이 형성되고, 상기 본체(10)에는 상기 가이드홈(54) 내측에 삽입되어 롤러마운트블록(53)의 수평 회전을 안내하는 가이드핀(55)이 설치되는 것을 특징으로 하는 기판 연마장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 본체(10)에는 상기 하정반(20)의 외측 둘레를 따라 연마제가 이탈되는 것을 방지하고 캐리어(40)의 회동을 가이드하기 위한 가이드팬스(91)가 설치된 것을 특징으로 하는 기판 연마장치.
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