KR101406709B1 - 화학 기계식 연마시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상부에 연마 정반이 회전 가능하게 고정되어 있는 제1베이스플레이트와, 상기 제1베이스플레이트 하부에 배치되며, 제1베이스플레이트와 수평 방향에 대해서는 상대적으로는 이동이 가능하고 수직적으로는 고정되어 있는 제2베이스플레이트와, 상기 연마 정반의 회전 동력을 전달하는 회전 구동 모터와, 상기 제1베이스플레이트와 제2베이스플레이트 간의 수평적인 왕복 이동을 위한 동력을 전달하는 오실레이션 모터, 및 상기 제1베이스플레이트와 제2베이스플레이트를 함께 수직 방향으로 이동시키는 상하 이동 모터를 포함하는 화학 기계식 연마시스템을 제공한다.

Description

화학 기계식 연마시스템 {CHEMICAL MECHANICAL POLISHING SYSTEM}

본 발명은 화학 기계식 연마시스템에 관한 것으로, 연마 정반이 회전과 더불어 수평적인 왕복 운동이 가능하고, 수직적으로도 이동이 가능하여 캐리어 유닛에 대한 정밀한 수직 위치 제어가 가능한 화학 기계식 연마시스템을 제안한다.

일반적으로 화학 기계식 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.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 화학 기계식 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 기계식 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 있다.

이 때, 플래튼 패드(16)상에 공급되는 슬러리가 기판(55)에 보다 잘 접촉하여 화학적 연마가 원활히 진행되도록 하고, 동시에 연마 입자에 의해 기판의 한 곳이 집중적으로 손상되는 것을 방지하기 위하여, 기판(55)을 파지하고 있는 캐리어 헤드(21)는 미리 정해진 진폭만큼 왕복운동을 하게 된다.

그러나, 기판(55)의 연속적인 연마 공정을 위한 이동식 연마 장치에서는 캐리어 헤드(21)가 일정 경로를 따라 이동함에 따라 소정의 진폭만큼 왕복 운동을 행하는 것이 곤란한 문제가 있다.

이를 해결하기 위해 연마 정반을 수평 방향으로 진동시킬 수 있는 시스템에 제안된 바 있다. 도 3을 참조하면, 연마 정반(110) 하부에 연마 정반의 회전을 위한 구동 모터(140)와 별개로 오실레이션이 가능하도록 또 다른 모터(150)를 베이스 플레이트(120)에 장착하였다. 이에 따라 연마 정반은 회전과 수평 이동이 가능하게 되었다.

한편, 이동식 연마 장치에서는 수평 방향으로 이동 경로를 따라 이동하는 캐리어 유닛과 연마 정반간의 수직 위치를 제어하기가 곤란한 면이 있다. 즉 수평적으로 이동하는 캐리어 유닛의 하부를 연마 정반의 연마면에 근접하여 접촉시키기 위해 또 다른 수직 위치 구동시스템이나 제어시스템을 구비하게 되면 전체적인 시스템의 구조가 복잡하게 되고 캐리어 유닛의 수평 이동과 수직 이동 간의 간섭 등으로 인하여 장치 설계가 어렵다.

따라서, 이동식 연마 시스템에서 캐리어 유닛과 연마 정반 간의 상대적인 수직 위치를 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 장치가 요구되고 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 화학 기계식 연마시스템에서 연마 정반과 캐리어 유닛 간의 상대적인 수직 위치를 정밀하게 제어하는데 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 연마 정반을 회전과 수평 이동이 가능하면서도 수직적으로 이동시킬 수 있는 새로운 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 연마 정반의 회전, 수평 이동, 수직 이동이 상호 간섭을 일으키지 않으면서 각각의 동작이 개별적으로 제어될 수 있는 화학 기계식 연마시스템을 제공하는데 있다.

상술한 바와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 상부에 연마 정반이 회전 가능하게 고정되어 있는 제1베이스플레이트와, 상기 제1베이스플레이트 하부에 배치되며, 제1베이스플레이트와 수평 방향에 대해서는 상대적으로는 이동이 가능하고 수직적으로는 고정되어 있는 제2베이스플레이트와, 상기 연마 정반의 회전 동력을 전달하는 회전 구동 모터와, 상기 제1베이스플레이트와 제2베이스플레이트 간의 수평적인 왕복 이동을 위한 동력을 전달하는 오실레이션 모터, 및 상기 제1베이스플레이트와 제2베이스플레이트를 함께 수직 방향으로 이동시키는 상하 이동 모터를 포함하는 화학 기계식 연마시스템을 제공한다.

상기 제1베이스플레이트 상면에는 컨디셔너가 고정되어 있는 것이 바람직하다. 이에 따라 연마 정반의 수직 이동 시 컨디셔너도 함께 동일한 간격을 유지한 채 상하로 이동할 수 있다.

상기 제1베이스플레이트와 제2베이스플레이트 간의 수평적인 왕복 이동을 위하여 상기 제1베이스플레이트 하면에는 LM 가이드가 장착되고 상기 제2베이스플레이트 상면에는 LM 레일이 장착될 수 있다.

상기 회전 구동 모터는 제1베이스플레이트 하면에 고정되어 있는 것이 바람직하며, 상기 오실레이션 모터는 제2베이스플레이트 하부에 설치되어 있는 것이 바람직하다.

한편, 상기 상하 이동 모터는 제2베이스플레이트 하부에 설치될 수 있다.

또한 상기 상하 이동 모터로부터 동력을 전달받아 상기 제1베이스플레이트와 제2베이스플레이트를 함께 수직 방향으로 이동시키는 LM 시스템을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 LM 시스템의 상면은 제2베이스플레이트 하면에 접촉할 수 있으며, 상기 LM 시스템의 측면은 별도의 프레임에 고정되어 있는 것이 바람직하다.

본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 'LM 가이드', 'LM 시스템' 및 이와 유사한 용어는 당업계에서 널리 사용되고 있는 리드 스크류 방식으로 직선 이동을 구동을 하기 위한 형태에 국한되지 않으며, 리니어 모터 등을 이용하여 직선 이동을 구현하는 다양한 구성을 모두 포함하는 것으로 정의하기로 한다.

본 발명에 따르면 화학 기계식 연마시스템에 있어서 연마 정반의 회전, 수평 이동, 수직 이동을 각각 독립적으로 제어할 수 있다. 따라서, 연마 공정 전에 캐리어 유닛과 연마 정반 간의 위치 제어가 용이하게 되고, 연마 공정 시에 회전과 오실레이션을 통한 균일하고 효과적인 연마를 수행하여 웨이퍼의 연마 품질을 크게 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래의 일반적인 화학 기계식 연마시스템의 구성을 도시한 개략도
도 2는 도 1의 연마정반과 캐리어 유닛의 구성을 도시한 상세도
도 3은 수평 이동이 가능한 연마 정반을 보인 도면
도 4는 본 발명에 따른 화학 기계식 연마시스템을 보인 도면
도 5는 본 발명의 제1베이스플레이트의 상면을 보인 도면
도 6은 본 발명의 화학 기계식 연마시스템의 다른 측면을 보인 도면
도 7은 본 발명의 제1베이스플레이트의 하부면을 보인 도면
도 8은 본 발명의 연마 시스템을 이용한 연마 정반의 회전, 수평 이동 및 수직 이동을 보인 모식도

본 발명은 화학 기계적 연마시스템에서 연마 정반이 수평적인 오실레이션이 가능하면서 수직 방향으로 상하 이동에 의해 캐리어 유닛과의 간격을 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 시스템을 제안한다.

특히, 본 발명의 화학 기계적 연마시스템은 기판을 장착한 기판 캐리어 유닛이 다수의 연마 정반을 통과하는 순환형 경로로 이동하면서 연마 정반 상에서 정지하여 연마 공정이 수행되는 이동식 연속 연마 공정에서 각 캐리어 유닛과 연마 정반 간의 간격을 제어하는데 매우 유리하다.

본 발명에 따른 화학 기계식 연마시스템은 연마 정반을 지지하는 하부 플레이트로서 제1베이스플레이트와 제2베이스플레이트를 구비하고, 제1베이스플레이트와 제2베이스플레이트 간 수평적인 상대 이동을 가능하게 하는 한편, 제1베이스플레이트와 제2베이스플레이트가 함께 수직 방향으로 이동 가능하도록 함으로써 연마 정반에 대해 수평적인 오실레이션과 수직적인 상하 이동이 독립적으로 제어되도록 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화학 기계식 연마시스템에 대하여 구체적으로 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해서는 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하며, 동일하거나 유사한 기능 혹은 구성에 대해서는 동일하거나 유사한 도면 부호를 부여하기로 한다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화학 기계식 연마시스템이 도시되어 있다.

이 시스템은 연마 정반을 중심으로 연마 정반의 회전과 오실레이션이 가능하도록 동력을 전달하는 모터와, 수직 방향으로 상하 이동을 가능하게 하는 동력을 전달하는 모터를 포함한다.

구체적으로는, 발명은 상부에 연마 정반(110)이 회전 가능하게 고정되어 있는 제1베이스플레이트(122)와, 상기 제1베이스플레이트 하부에 배치되며 제1베이스플레이트와 수평 방향에 대해서는 상대적으로는 이동이 가능하고 수직적으로는 고정되어 있는 제2베이스플레이트(124)를 포함한다.

또한, 연마 정반의 회전과 수평 및 수직 이동을 위한 각각의 모터가 포함된다. 먼저, 연마 정반의 회전 동력을 전달하는 회전 구동 모터(140)와, 상기 제1베이스플레이트와 제2베이스플레이트 간의 수평적인 왕복 이동을 위한 동력을 전달하는 오실레이션 모터(150), 그리고 상기 제1베이스플레이트와 제2베이스플레이트를 함께 수직 방향으로 이동시키는 상하 이동 모터(160)가 제1베이스플레이트와 제2베이스플레이트 하부에 배치되어 있다.

제1베이스플레이트(122)는 상부에 연마 정반(110)이 배치되어 회전 가능하도록 고정되어 있고, 하부의 제2베이스플레이트(124)와는 수직적으로 상호 고정된 채로 이격되어 배치된다. 제1베이스플레이트와 제2베이스플레이트 사이에는 레일(130)이 개재되어 수직 방향으로의 거리를 일정하게 유지하는 한편, 후술하는 바와 같이 수평적인 상대 이동을 가능하게 한다.

상기 회전 구동 모터는 제1베이스플레이트에 고정되어 구동축(미도시)의 회전을 통해 연마 공정 시 연마 정반을 회전시킨다. 회전 구동 모터의 동력이 직접적으로 제1베이스플레이트를 통해 연마 정반에 전달될 수 있도록, 제2베이스플레이트는 중앙에 빈 공간이 있는 프레임 형태로 제작될 수 있을 것이다.

상기 제2베이스플레이트(124)의 하부에는 연마 정반의 수직 이동을 위한 LM 시스템(170)과 상하 이동 모터(160)가 배치된다. LM 시스템과 상하 이동 모터는 필요에 따라 제2베이스플레이트 하부에 복수 개가 설치될 수 있는데, 각각의 LM 시스템에는 상하 이동 모터가 독립적으로 배치되어 동시에 상하 이동 모터를 제어함으로써 연마 정반을 수직 방향으로 정밀하게 이동시킬 수 있다.

상기 LM 시스템은 상면이 상기 제2베이스플레이트에 고정되어 있고 측부는 별도의 프레임에 고정되어 있다. 상하 이동 모터의 구동에 따라 (일측이 프레임에 고정되어 있는) LM 시스템은 상기 제2베이스플레이트를 수직 방향으로 이동시킨다. 그 결과, 수직적으로 제2베이스플레이트에 고정되어 있는 제1베이스플레이트 및 연마 정반이 함께 수직 방향으로 이동할 수 있다. 이와 같은 방식으로 연마 정반의 수직 위치를 정밀하게 제어하여 캐리어 유닛의 캐리어 헤드와의 간격을 조정할 수 있다.

본 발명에 있어서 연마 정반과 더불어 연마 정반에 공급되는 슬러리를 균일하게 분포시키는 컨디셔너(112)도 함께 수직 이동하는 것이 바람직하다. 이를 위하여 도 5에 도시한 바와 같이 제1베이스플레이트(122)에 컨디셔너(112)가 고정된 채로 연마 정반(110) 위에 배치되어 있다. 이에 따라 제1베이스플레이트와 제2베이스플레이트의 상하 이동 시에 연마 정반은 물론 컨디셔너가 함께 이동하게 되어 컨디셔너와 연마 정반의 이격 거리를 별도로 조정하거나 컨디셔너의 위치를 따로 제어할 필요가 없게 된다.

한편, 필요에 따라 연마 정반에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급부도 제1베이스플레이트에 고정적으로 배치할 수도 있을 것이다.

도 6은 본 발명에 따른 연마시스템을 다른 방향에서 도시한 측면도이다. 제2베이스플레이트(124)는 제1베이스플레이트(122)를 수직적으로 지지하면서 제1베이스플레이트와 상대적인 수평 이동이 가능하도록 하부면에 오실레이션 모터(150)가 장착되어 있다. 이 오실레이션 모터의 동력을 통해 제1베이스플레이트와 제2베이스플레이트는 수평 방향의 왕복 상대 이동, 즉 오실레이션이 가능하다. 이로 인하여 연마 공정 시 기판의 연마면에 대해 보다 균일하고 효율적인 연마가 가능하다.

제2베이스플레이트와 제1베이스플레이트 간의 오실레이션을 위하여 전술한 LM 시스템과 별개로 오실레이션 LM 요소들이 구비된다. 도 7을 참조하면, 제1베이스플레이트 하부를 도시한 것으로 LM 가이드(132)가 제1베이스플레이트 하면에 장착되어 있다. LM 가이드에는 LM 레일(130)이 결합되는데, 이 LM 레일은 제2베이스플레이트 상면에 장착되어 도 6에 도시한 바와 같이 제1베이스플레이트와 제2베이스플레이트 사이의 이격 공간 사이에 배치된다.

본 발명에 따른 화학 기계식 연마 시스템에 있어서, 오실레이션 모터는 제1베이스플레이트가 아닌 제2베이스플레이트에 고정되어 동력을 발생시켜 제1베이스플레이트가 제2베이스플레이트에 대하여 상대적으로 위치가 이동되도록 구성되어 있다. 한편, 제1베이스플레이트와 제2베이스플레이트가 수직적인 상대 위치는 고정되도록 함으로써 제2베이스플레이트를 수직적으로 이동시킴에 따라 제1베이스플레이트도 함께 상하로 이동하는 것이 가능하다.

결국, 본 발명에 따른 화학 기계식 연마시스템은 연마 정반 하부에 두 개의 베이스플레이트를 상호 이격적으로 배치하고 상대적인 운동을 제한함으로써 연마 정반의 회전, 수평 이동, 수직 이동을 각각 독립적으로 제어할 수 있게 되었다.

도 8은 이러한 연마 정반의 회전, 수평 이동, 수직 이동을 캐리어 유닛과의 관계에서 보여주는 모식도이다.

이동식 연마시스템에서 캐리어 유닛이 제1위치(200a)로부터 연마 정반 상부의 제2위치(200b)로 이동하게 되면, 캐리어 유닛의 수직 위치는 변화시키지 않은 채 연마 정반의 수직 위치를 제어하여 캐리어 유닛과의 상대 위치를 정밀하게 세팅시킨다.

제1베이스플레이트(122)와 제2베이스플레이트(124)는 상하로 이격되어 있지만 제1베이스플레이트 하부의 LM 레일(130)에 의해 제2베이스플레이트가 중력 방향에 대해 구속되므로, 상하 이동 모터(M3)를 구동하여 제2베이스플레이트를 상하로 이동시킬 경우, 제1베이스플레이트와 제2베이스플레이트 및 연마 정반 전체가 상하로 함께 이동하게 된다(VM). 이에 따라 연마 정반이 제1위치(110a)에서 캐리어 유닛의 하부에 근접하여 접촉하는 제2위치(110b)로 정확하게 이동할 수 있다.

또한, 제1베이스플레이트는 제2플레이트에 대해 상대 이동이 가능하므로, 오실레이션 모터(M2)를 제2베이스플레이트에 고정시킨 채로 오실레이션 모터를 구동하면, 제1베이스플레이트 및 연마 정반이 수평 방향으로 왕복 이동이 가능하게 된다(OM)

한편, 연마 정반은 제1베이스플레이트에 수평 및 수직 이동이 제한된 채로 회전이 가능하도록 고정되어 있기 때문에 회전 구동 모터(M1)의 구동으로 연마 정반만 회전시켜 연마 공정을 보다 원활하게 수행할 수 있다.

이와 같이 연마 정반의 회전, 수평 이동(오실레이션), 그리고 수직 이동을 통해 연마 공정 전에 캐리어 유닛과 연마 정반 간의 위치 제어가 용이하게 되고, 연마 공정 시에 회전과 오실레이션을 통한 균일하고 효과적인 연마를 수행하여 웨이퍼의 연마 품질을 크게 향상시킬 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 상기와 같은 특정 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 본 발명의 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.

110: 연마 정반 112: 컨디셔너
122: 제1베이스플레이트 124: 제2베이스플레이트
130: LM 레일 132: LM 가이드
140: 회전 구동 모터 150: 오실레이션 모터
160: 상하 이동 모터 170: LM 시스템

Claims (9)

1. 상부에 연마 정반이 회전 가능하게 고정되어 있는 제1베이스플레이트와,
   상기 제1베이스플레이트 하부에 배치되며, 제1베이스플레이트와 수평 방향에 대해서는 상대적으로는 이동이 가능하고, 상기 제1베이스플레이트와 수직 방향으로의 거리가 일정하게 유지되는 제2베이스플레이트와,
   상기 연마 정반의 회전 동력을 전달하는 회전 구동 모터와,
   상기 제1베이스플레이트와 제2베이스플레이트 간의 수평적인 왕복 이동을 위한 동력을 전달하는 오실레이션 모터, 및
   상기 제1베이스플레이트와 제2베이스플레이트를 함께 수직 방향으로의 이동을 위한 동력을 전달하는 상하 이동 모터를 포함하는
   화학 기계식 연마시스템.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 제1베이스플레이트 상면에는 컨디셔너가 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 화학 기계식 연마시스템.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 제1베이스플레이트 하면에는 LM 가이드가 장착되어 있고, 상기 제2베이스플레이트 상면에는 LM 레일이 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 화학 기계식 연마시스템.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 회전 구동 모터는 제1베이스플레이트 하면에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 화학 기계식 연마시스템.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 오실레이션 모터는 제2베이스플레이트 하부에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 화학 기계식 연마시스템.
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 상하 이동 모터는 제2베이스플레이트 하부에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 화학 기계식 연마시스템.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 상하 이동 모터로부터 동력을 전달받아 상기 제1베이스플레이트와 제2베이스플레이트를 함께 수직 방향으로 이동시키는 LM 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계식 연마시스템.
   
8. 제 7항에 있어서,
   상기 LM 시스템의 상면은 제2베이스플레이트 하면에 접촉하는 것을 특징으로 하는 화학 기계식 연마시스템.
   
9. 제 7항에 있어서,
   상기 LM 시스템의 측면은 별도의 프레임에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 화학 기계식 연마시스템.
   
   
   
   

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