KR101362797B1 - 저마찰 유압실린더를 포함하는 양면 연마기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저마찰 유압실린더를 포함하는 양면 연마기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 작동 유체로 기체가 아닌 비압축성의 유체를 사용하여 외부적 요인에 의한 변수가 적어 높은 정밀도를 가진 저마찰 유압실린더를 포함하는 양면 연마기에 관한 것이다.
또한, 양면 연마기에 있어서, 상기 연마기는 웨이퍼의 상부를 연마하기 위한 상정반과, 상기 상정반의 정밀한 높이 조절을 위해 비압축성 유체를 사용하는 유압실린더와, 상기 유압실린더의 피스톤을 구성하는 복수 개의 윤활 슬롯과, 상기 윤활 슬롯의 간격을 유지하는 복수 개의 피스톤 링과, 상기 윤활 슬롯과 실린더 몸체 사이에 생성되어 씰링 수단으로 이용되는 유막을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

저마찰 유압실린더를 포함하는 양면 연마기{double side polishing apparatus including low friction hydraulic cylinders}

본 발명은 저마찰 유압실린더를 포함하는 양면 연마기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 작동 유체로 비압축성의 유체를 사용하여 외부적 요인에 의한 영향을 최소화하면서 높은 정밀도를 가진 저마찰 유압실린더를 포함하는 양면 연마기에 관한 것이다.

일반적으로 웨이퍼의 연마는 화학에칭에 의한 방법과 기계가공에 의한 방법이 주로 사용되고 있다. 화학 에칭법은 불산 등의 에칭 용액을 사용하여 웨이퍼의 표면을 용해시켜 연마를 진행하고, 기계 가공법은 연마제를 이용하여 기계적으로 양면 또는 일면을 연마 또는 연삭 가공한다.

화학에칭법에 비하여 기계가공에 의한 방식이 두께 가공 정밀도가 보다 높으며, 동시에 환경적인 측면이나 안전도 면에서 장점이 많아 널리 사용되고 있다.

기계연마에 의한 가공법으로 웨이퍼를 연마하는 양면 연마기는 웨이퍼의 상부를 연마하는 상정반과 하부를 연마하는 하정반을 포함하고 있다.

기계연마에 의한 연마장치는 상기 상정반의 높이 조절을 통해 정밀하게 웨이퍼의 표면을 연마하게 되는데, 기존의 양면연마기의 상정반은 공압 실린더를 이용하여 높이 조절하며 상,하 이동을 한다.

상기 공압실린더는 입,출력부를 통해 공기가 들어오고 나감으로서 실린더 행정의 움직임을 조절하며, 실린더 행정의 움직임에 따라 생기는 공간을 조절하여 공기의 유량을 제어하며, 내부로 유입된 공기의 유출속도 또는 압력에 대응되게 피스톤 속도가 결정되고, 실린더의 외측에 장착된 센서가 피스톤에 장착된 센서마그넷을 감지하여 피스톤의 상,하점을 감지하게 된다.

또한, 상기 실린더의 피스톤에는 작동기체의 누출을 막기 위한 피스톤 오링과 같은 씰링이 존재하나 실린더의 내벽과 씰링 사이에는 마찰력이 존재하게 된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 씰링을 사용한 공압 실린더 및 공압 실린더의 내부 압력 그래프를 살펴보면, 기존의 양면 연마기에 사용되는 공압 실린더는 작동기체의 누출을 막기 위한 씰링으로 대부분 고무 씰링(15)을 사용하며, 상기 고무 씰링(15)로 인하여 실린더의 내벽과 고무 씰링(15) 사이에는 마찰력이 존재하게 된다.

또한, 공압 실린더를 작동시키기 위해서는 A와 같이 피스톤의 위치를 고정하기 위해서는 초기 예압이 필요하며, 공압 실린더가 움직이기 위해서는 B와 같이 피스톤의 구동 마찰력과 로드 축 하중으로 인한 부하로 초과압력이 발생하며, 공압 실린더가 움직인 후에는 C와 같이 움직이기 위한 필요 압력이 줄어든다.

따라서, 피스톤 내부의 압력에 변화가 발생하며, 상기 압력의 변화로 이동하는 피스톤의 속도가 변하게 되어 정밀한 제어가 어려운 문제점이 있었다.

또한, 압축성 유체인 공압을 이용한 실린더의 사용으로 인하여 축방향 하중에 따라 내부에 유입된 유량과 관계없이 피스톤 위치가 변하여 정밀한 제어가 어려운 문제점이 있었다.

또한, 웨이퍼 연마기의 경우 웨이퍼 표면에 슬러리를 투여하여 웨이퍼의 연마를 실시하는데, 이는 점성계수가 높은 물질로 연마 작업 후 패드의 소재로 부터 이격시 점도가 높아 압축성 유체를 사용한 실린더에 축방향 충격을 가져오게 되는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 유막을 씰링수단으로 사용하여 작동시 마찰로 인한 작동속도의 변화가 없는 저마찰 유압실린더를 포함하는 양면 연마기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 비압축성 유체를 사용하여, 축방향 하중이나 내,외부 충격에 관계없이 피스톤에 유입된 유량에 따라 정밀한 위치제어가 가능한 저마찰 유압실린더를 포함하는 양면 연마기를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 저마찰 유압실린더를 포함하는 또한, 양면 연마기에 있어서, 상기 연마기는 웨이퍼의 상부를 연마하기 위한 상정반과, 상기 상정반의 정밀한 높이 조절을 위해 비압축성 유체를 사용하는 유압실린더와, 상기 유압실린더의 피스톤을 구성하는 복수 개의 윤활 슬롯과, 상기 윤활 슬롯의 간격을 유지하는 복수 개의 피스톤 링과, 상기 윤활 슬롯과 실린더 몸체 사이에 생성되어 씰링 수단으로 이용되는 유막을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 유압실린더의 피스톤을 구성하는 복수 개 윤활 슬롯 중 어느 하나는 센싱 마그넷인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 유압실린더의 실린더 몸체(1)와 윤활 슬롯(5)이 2 내지 7㎛의 간극을 가지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 비압축성 유체의 표면장력에 의해 상기 간극에 유막(9)이 생성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 유압실린더는 0.1 내지 0.5㎏/㎠ 범위 내의 최소 동작 압력으로 동작되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 유압실린더가 1 내지 2%의 반복 압력 편차(일정 반복 입력에 따른 출력 압력의 편차)를 가지는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 저마찰 유압실린더를 포함하는 양면 연마기에 의하면, 유막을 씰링 수단을 사용하여 씰링 수단과 씰링 사이의 마찰력이 최소화되어 마찰력으로 인한 작동속도의 변화없이 정밀한 높이 제어가 가능한 효과가 얻어진다.

또한, 비압축성 유체를 사용하여, 축방향 하중이나 충격에 관계없이 피스톤에 유입된 유량에 따라 정밀한 위치제어가 가능한 효과가 얻어진다.

도 1은 씰링을 사용한 공압 실린더 및 공압 실린더의 내부 압력 그래프.
도 2는 본 발명에 따른 저마찰 유압실린더를 포함하는 양면 연마기를 도시한 정면도.
도 3은 본 발명에 따른 저마찰 유압실린더를 포함하는 양면 연마기의 상정반을 도시한 정면도.
도 4는 본 발명에 따른 저마찰 유압실린더를 도시한 측면 투시도.
도 5는 본 발명에 따른 저마찰 유압실린더의 피스톤 링의 다른 예를 도시한 측면도.
도 6은 본 발명에 따른 저마찰 유압실린더의 피스톤 로드의 다른 예를 도시한 측면도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 씰링을 사용한 공압 실린더 및 공압 실린더의 내부 압력 그래프이며, 도 2는 본 발명에 따른 저마찰 유압실린더를 포함하는 양면 연마기를 도시한 정면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 저마찰 유압실린더를 포함하는 양면 연마기의 상정반을 도시한 정면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 저마찰 유압실린더를 도시한 측면 투시도이고, 도 5는 본 발명에 따른 저마찰 유압실린더의 피스톤 링의 다른 예를 도시한 측면도이며, 도 6은 본 발명에 따른 저마찰 유압실린더의 피스톤 로드의 다른 예를 도시한 측면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 저마찰 유압실린더를 포함하는 양면 연마기는 웨이퍼의 상부를 연마하기 위한 상정반(11)과, 상기 상정반(11)을 회전시키기 위한 상정반 회전 모터(13)와, 상기 상정반 회전 모터(13)와 상정반(11)의 높이를 조절하는 상정반 이송 실린더(12)로 구성되며, 상기 상정반 이송 실린더(12)로 저마찰 유압실린더가 사용된다.

상기 상정반 이송 실린더(12)는 기존 공압 실린더의 압축성 기체 대신에 비압축성 유체를 이용한다.

따라서, 본 발명에 따른 저마찰 유압실린더를 포함하는 양면 연마기는 웨이퍼의 상부를 연마하기 위한 상정반(11)의 정밀한 위치제어 및 이송을 위해 기존의 공압 실린더 대신 저마찰 유압실린더를 사용하기 때문에 반응성이 좋고, 압축성 기체의 사용으로 인한 급격한 속도 변화가 없다.

또한, 기존 공압 실린더에서 사용되던 고무 씰링(15)과 같은 마찰력을 일으키는 부재가 없으므로, 보다 낮은 제어 압력에 반응할 수 있으며, 특히 정밀도가 향상된 제어가 가능하다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 저마찰 유압실린더를 포함하는 양면 연마기의 상정반(11)은 복수 개로 구성되어, 동시에 복수 개의 웨이퍼(16) 상면을 연마할 수도 있으며, 각 상정반(11)의 회전 방향은 이해를 위한 도시일 뿐 특별한 제약을 두지 않는다.

상정반의 회전은 회전 모터(13)의 구동에 의해 회전되며, 필요에 따라서는 일정 각도만 회전될 수 있도록 리미트 센서 등을 부착하여 일정 각도만 회전된 후 다시 원래의 위치로 복귀할 수 있도록 구성될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 저마찰 유압실린더는 크게 실린더 몸체(1), 피스톤 로드(2) 및 피스톤(3)을 포함하여 구성되어 있으며, 상기 피스톤(3)은 복수 개의 피스톤 링(4) 및 윤활 슬롯(5)을 포함하여 구성되어 있다.

또한, 피스톤(3)의 움직임을 보다 정밀하게 측정하기 위해 센싱 마그넷(6)을 더 포함할 수도 있으며, 보다 정밀한 제어를 위해 서보 밸브(7)를 통해 비압축성 유체가 입,출력부(8)로 들어가거나 나가게 된다.

센싱 마그넷(6)은 피스톤 외부에 장착된 센서(미도시)가 피스톤의 위치를 측정하기 위하여 실린더 내부에 설치된 것으로서, 센싱 마그넷(6)의 위치를 센서가 자기장의 변화를 검출하여 피스톤을 정밀하게 제어할 수 있도록 현재 위치를 검출하는 기능을 한다.

또한, 양면 연마기에 있어서, 상기 연마기는 웨이퍼의 상부를 연마하기 위한 상정반(11)과, 상기 상정반(11)의 정밀한 높이 조절을 위해 비압축성 유체를 사용하는 유압실린더와, 상기 유압실린더의 피스톤(3)을 구성하는 복수 개의 윤활 슬롯(5)과, 상기 윤활 슬롯(5)의 간격을 유지하는 복수 개의 피스톤 링(4)과, 상기 윤활 슬롯(5)과 실린더 몸체(1) 사이에 생성되어 씰링 수단으로 이용되는 유막(9)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 실린더 몸체(1)와 윤활 슬롯(5)은 유막을 통해 접촉하게 되어 종래의 고무 씰링(15)보다 마찰이 적어진다.

또한, 상기 유압실린더의 피스톤(3)을 구성하는 복수 개 윤활 슬롯(5) 중 어느 하나는 센싱 마그넷(6)인 것을 특징으로 한다.

즉, 도 4에는 윤활 슬롯(5)과 센싱 마그넷(6)을 따로 도시하였으나, 필요에 따라서는 일부 또는 전부를 복수 개의 윤활 슬롯(5) 중 어느 하나의 슬롯을 센싱 마그넷(6)으로 구성하여 윤활 슬롯(5)의 기능과 센싱 마그넷(6)의 기능을 동시에 수행하도록 할 수 있다.

또한, 상기 유압실린더의 실린더 몸체(1)와 윤활 슬롯(5)이 2 내지 7㎛의 간극을 가지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 비압축성 유체의 표면장력에 의해 상기 간극에 유막(9)이 생성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 유압실린더는 0.1 내지 0.5㎏/㎠ 범위 내의 최소 동작 압력으로 동작되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 유압실린더가 1 내지 2%의 반복 압력 편차(일정 반복 입력에 따른 출력 압력의 편차)를 가지는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실예로서, 본 발명에 따른 저마찰 유압실린더는 실린더 로드의 일단에 피스톤(3)이 위치하고 있으며, 상기 피스톤(3)은 복수 개의 피스톤 링(4), 윤활 슬롯(5)으로 구성되어 있다.

또한, 피스톤의 상측면과 하측면에는 피스톤 링(4)과 윤활 슬롯(5) 또는 센싱 마그넷(6)을 고정하기 위한 고정 너트(20)을 포함한다.

또한, 상기 피스톤 링(4)은 원기둥의 형상에 축방향 중심으로 피스톤 로드(2)가 관통 가능하도록 홀이 형성되어 있다.

또한, 상기 윤활 슬롯(5)은 원판의 형상에 축방향 중심으로 피스톤 로드(2)가 관통가능하도록 홀이 형성되어 있다.

따라서, 상기 피스톤 링(4), 윤활 슬롯(5)이 복수 개가 교차하며, 피스톤(3)을 형성하고, 피스톤 링(4)에 비하여 윤활 슬롯(5)이 접촉면적이 적고 실린더 몸체(1)에 가까이 있어 유압 실린더의 마찰력이 줄어들게 된다.

또한, 상기 피스톤(3)의 중심 홀에 피스톤 로드(2)가 삽입되고, 고정 너트(20)에 의해 고정된다.

또한, 상기 피스톤(3)과 피스톤(3)이 삽입되는 실린더 몸체(1)는 일정 간격만큼 이격되어 있으며, 2~7㎛의 간극은 실린더 몸체(1)와 윤활 슬롯(5)과의 간극이다.

따라서, 상기 윤활 슬롯(5)보다 작은 원주를 가지는 피스톤 링(4)은 소정의 거리만큼 보다 큰 간극을 가진다.

또한, 피스톤(3)의 작동에 사용되는 작동 유체는 표면장력을 통해 2~7㎛의 유막(9)을 형성하여 피스톤(3)과 실린더 몸체(1)의 간극을 공극 없이 채우므로, 유막(9)이 씰링의 역할을 수행하게 된다.

상기와 같이, 피스톤(3)의 외주부를 평면으로 형성하지 않고, 윤활 슬롯(5)을 이용함으로 극히 적은 간극이지만 비압축성 유체가 입력부로 되돌아가지 않으면서 마찰력을 줄여 주므로 기존의 공압 또는 유압실린더에 사용되는 씰링에 비해 극히 적은 마찰력이 발생되며, 특히 유막(9)을 씰링 수단으로 이용함에 따라 윤활 효과가 크다.

따라서, 마찰력에 의해 발생되는 초기 예압 및 초과 압력을 최소화시켜 압력 편차가 적어지게 되므로 정밀한 제어가 가능하다.

또한, 상기와 같이 기존의 오링과 같은 고무 씰링(15) 대신 유막(9)을 이용한 유압실린더는 0.1~0.5㎏/㎠의 매우 낮은 최소 동작으로 움직이게 되며, 1~2%의 매우 낮은 반복 압력 편차(일정 반복 입력에 따른 출력 압력의 편차)를 가지게 된다.

또한, 피스톤(3)의 움직임을 보다 정밀하게 측정하기 위해 윤활 슬롯(5)의 위치 중 하나의 위치에 윤활 슬롯(5)을 센싱 마그넷(6) 기능을 하도록 센싱 마그넷(6)을 포함하여 피스톤(3)의 위치를 보다 정밀하게 측정할 수 있게 된다.

또한, 피스톤(3)의 정밀한 제어를 위해 서보 밸브(7)를 입,출력부(8)에 포함함이 바람직하다. 이는 본 발명의 저마찰 유압실린더가 유입된 유체 유량에 따라 이동되는 피스톤(3)의 변수가 기존 공압 실린더에 비해 매우 작은 특징을 가지므로, 서보 밸브(7)로 유량을 조절하여 피스톤(3)을 정밀하게 제어하기 위한 것이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 저마찰 유압실린더의 피스톤 링(4)은 (A)와 같이 원기둥의 형상에 중심에 홀이 형성된 것일 수도 있으며, (B)와 같이 일측에 단차가 형성된 것일 수도 있다.

따라서, (B)와 같이 일측에 단차가 형성된 피스톤 링(4)은 타 피스톤 링(4)과 단차부가 접하며, 단차의 높이는 윤활 슬롯(5)의 두께와 같으며, 윤활 슬롯(5)에 형성되는 홀의 크기는 단차부가 삽입가능한 크기를 갖게 된다.

또한, 단차부 및 윤활 슬롯(5)의 홀은 원형뿐만 아니라, 다각형의 형태일 수도 있으며, 다각형의 형태를 가질 경우 윤활 슬롯(5)의 회전이 방지되는 효과가 있다.

또한, 단차부가 형성된 피스톤 링(4)은 윤활 슬롯(5)을 직접적으로 가압하지 않으므로, 윤활 슬롯(5)의 변형이 보다 적은 효과를 가지고 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 저마찰 유압실린더의 피스톤 로드(2)의 다른 예로 (A) 내지 (B)와 같은 피스톤(3)이 피스톤 로드(2)에 고정되기 위해 피스톤(3)의 양측으로 고정 너트(20)를 더 포함할 수도 있다.

따라서, (C)와 같이, 피스톤 로드(2)는 일단에는 피스톤(3)이 위치하는 소정의 길이의 양측으로 나사산이 형성되어 있으며, 상기 나사산을 통해 나사결합된 고정 너트(20)가 피스톤(3)을 피스톤 로드(2)에 고정한다.

또한, 다른 예로서 (D)와 같이, 피스톤(3)이 위치하는 소정의 길이 또는 피스톤(3)이 위치하는 소정의 길이에 고정 너트(20)의 결합 길이를 포함한 길이 만큼 나사산이 형성될 수도 있다.

따라서, 같은 사이즈의 고정 너트(20)를 이용할 수 있어 생산성이 보다 높아 진다.

또한, 피스톤(3)이 위치하는 소정의 길이만큼 나사산이 형성된 경우에는 고정 너트(20)의 사용 없이 피스톤 링(4)의 홀 내부에 나사산을 형성하여 피스톤 링(4)이 고정의 역할을 하게 된다.

따라서, 고정 너트(20)의 미사용으로 인해 원가 절감이 가능한 효과가 있다.

또한, 다른 예로서 (E)와 같이, 피스톤 로드(2)의 일단에 고정 너트(20)의 길이만큼만 나사산이 형성될 수도 있다.

따라서, 상기와 같이 일단에만 나사산이 형성된 경우에 결합되는 피스톤(3)의 일측은 고정 너트(20)가 위치하며, 타측은 피스톤 로드(2)의 단차를 통해 피스톤(3)을 고정하게 된다.

또한, 다른 예로서 (F)와 같이, 피스톤(3)의 타측을 고정하는 단차부가 보다 크게 형성 될 수도 있다.

상기와 같이 보다 큰 단차를 통해 피스톤(3)과 피스톤 로드(2)에 걸리는 하중을 보다 효과적으로 전달할 수 있게 되어 하중으로 인한 단차부의 손상을 방지할 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양한 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형의 예들을 포함하도록 기술된 청구범위에 의해서 해석되어져야 한다.

11 : 상정반
12 : 상정반 이송 실린더
13 : 상정반 회전 모터
15 : 고무 씰링
16: 웨이퍼
1 : 실린더
2 : 피스톤 로드
3 : 피스톤
4 : 피스톤 링
5 : 윤활 슬롯
6 : 센싱 마그넷
7 : 서보 밸브
8 : 입,출력부
9 : 유막

Claims (6)

1. 양면 연마기에 있어서,
   상기 연마기는 웨이퍼의 상부를 연마하기 위한 상정반(11)과;
   상기 상정반(11)의 정밀한 높이 조절을 위해 비압축성 유체를 사용하는 유압실린더와;
   상기 유압실린더의 피스톤(3)을 구성하는 복수 개의 윤활 슬롯(5)과;
   상기 윤활 슬롯(5)의 간격을 유지하는 복수 개의 피스톤 링(4)과;
   상기 윤활 슬롯(5)과 실린더 몸체(1) 사이에 생성되어 씰링 수단으로 이용되는 유막(9)을 포함하는 것을 특징으로 하는
   저마찰 유압실린더를 포함하는 양면 연마기.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 유압실린더의 피스톤(3)을 구성하는 복수 개 윤활 슬롯(5) 중 어느 하나는 센싱 마그넷(6)인 것을 특징으로 하는
   저마찰 유압실린더를 포함하는 양면 연마기.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 유압실린더의 실린더 몸체(1)와 윤활 슬롯(5)이 2 내지 7㎛의 간극을 가지는 것을 특징으로 하는
   저마찰 유압실린더를 포함하는 양면 연마기.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 비압축성 유체의 표면장력에 의해 상기 간극에 유막(9)이 생성되는 것을 특징으로 하는
   저마찰 유압실린더를 포함하는 양면 연마기.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 유압실린더는 0.1 내지 0.5㎏/㎠ 범위 내의 최소 동작 압력으로 동작되는 것을 특징으로 하는
   저마찰 유압실린더를 포함하는 양면 연마기.
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 유압실린더가 1 내지 2%의 반복 압력 편차(일정 반복 입력에 따른 출력 압력의 편차)를 가지는 것을 특징으로 하는
   저마찰 유압실린더를 포함하는 양면 연마기.
   

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