KR101455940B1

KR101455940B1 - 웨이퍼 연마장치

Info

Publication number: KR101455940B1
Application number: KR1020130086328A
Authority: KR
Inventors: 윤삼문
Original assignee: 주식회사 엘지실트론
Priority date: 2013-07-22
Filing date: 2013-07-22
Publication date: 2014-10-28

Abstract

본 발명은 헤드 어셈블리에 고정된 웨이퍼를 회전 테이블 위에 마찰 가공하여 연마시키는 웨이퍼 연마장치에 관한 것으로서, 특히 헤드 어셈블리와 회전 테이블 사이의 상호 회전부하를 완충시킴으로써, 연마 공정 중에 진동을 저감시킬 수 있는 웨이퍼 연마장치에 관한 것이다.
본 발명은 중심의 중공축을 따라 공기 압력을 제공하고, 하부에 회전력을 제공하는 스플라인 어셈블리; 상기 스플라인의 하부에 회전 가능하게 연결되고, 웨이퍼를 하면에 고정시키는 헤드 어셈블리; 및 상기 스플라인 어셈블리와 헤드 어셈블리 사이를 연결시키고, 소정의 간극을 가지도록 결합되는 이중 분할 플랜지;를 포함하는 웨이퍼 연마장치를 제공한다.

Description

웨이퍼 연마장치 {WAFER POLISHING APPARATUS}

본 발명은 헤드 어셈블리에 고정된 웨이퍼를 회전 테이블 위에 마찰 가공하여 연마시키는 웨이퍼 연마장치에 관한 것으로서, 특히 헤드 어셈블리와 회전 테이블 사이의 상호 회전부하를 완충시킴으로써, 연마 공정 중에 진동을 저감시킬 수 있는 웨이퍼 연마장치에 관한 것이다.

일반적으로 웨이퍼는 여러 단계에 걸쳐 연마 공정을 거치게 되는데, 워크 캐리어(Work carrier)에 의해 웨이퍼를 고정시키는 동시에 연마패드를 회전 테이블에 흡착시킨 다음, 웨이퍼와 연마패드 사이에 수직 및 회전 운동에 의하여 마찰됨에 따라 연마 공정이 진행되는 웨이퍼 연마장치가 사용되고 있다.

상기와 같은 웨이퍼 연마장치는 워크 캐리어와 테이블 사이에 작용하는 마찰력에 의해 진동이 발생하게 되고, 마찰력이 증가할수록 진동이 커지게 되며, 이로 인하여 워크 캐리어의 부품들 사이에 조립 밸런스가 깨져서 연마 가공 균일도를 비롯하여 장치 전체의 진동에 영향을 미치게 된다.

일본공개특허 제2000-006013호에는 워크 캐리어의 회전축의 베어링과, 이 베어링을 수납하는 케이싱과의 사이에 압전 소자를 장착한 연마장치가 제안되고 있으며, 연마 가공시에 진동이 발생한 경우에, 압전 소자가 감쇠력을 워크 캐리어에 부여하고, 진동을 감쇠시킴으로써, 진동을 억제한다고 하고 있다.

상기와 같은 웨이퍼 연마장치는 진동을 억제하더라도 워크 캐리어의 구조가 대폭 변경됨에 따라 구성이 복잡할 뿐 아니라 설비 비용 및 보수 비용이 높아지는 문제점이 있다.

한국공개특허 제2012-0060910호에는 연마를 개시할 때에 발생하는 진동을 억제하기 위하여, 회전 테이블의 가속도를 워크 캐리어의 가속도보다 작게 제어하는 반도체 웨이퍼의 연마방법을 개시하고 있다.

상기와 같은 웨이퍼 연마방법은 구조가 변경되지 않아 유리하지만, 워크 캐리어 또는 회전 테이블의 회전 가공 조건에 따라 구성 부품들 사이의 정밀도가 요구되기 때문에 진동을 저감시키기 위하여 회전 가공 조건을 변경하기 어렵고, 나아가 장치 전체의 진동을 제어하더라도 회전 가공 조건이 변경됨에 따라 웨이퍼의 연마 품질을 제어하기 어려워지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 워크 캐리어 상에 동력이 전달되는 부분의 간단한 구조 변경을 통하여 진동을 효과적으로 제어할 수 있는 웨이퍼 연마장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 중심의 중공축을 따라 공기 압력을 제공하고, 하부에 회전력을 제공하는 스플라인 어셈블리; 상기 스플라인의 하부에 회전 가능하게 연결되고, 웨이퍼를 하면에 고정시키는 헤드 어셈블리; 및 상기 스플라인 어셈블리와 헤드 어셈블리 사이를 연결시키고, 소정의 간극을 가지도록 결합되는 이중 분할 플랜지;를 포함하는 웨이퍼 연마장치를 제공한다.

본 발명에 따른 웨이퍼 연마장치는 스플라인 어셈블리와 헤드 어셈블리 사이에 소정의 간극을 유지하는 이중 분할 플랜지를 적용하기 때문에 구성의 복잡한 변경이 없더라도 진동을 저감시키기 용이하며, 나아가 회전 가공 조건의 변경 없이도 장치 전체에 걸쳐 진동이 저감된 상태에서 안정적인 연마 공정이 이뤄지도록 할 뿐 아니라 그에 따라 웨이퍼의 연마 품질을 보장할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 일반적인 웨이퍼 연마장치가 개략적으로 도시된 평면도.
도 2는 본 발명에 따른 웨이퍼 연마장치의 워크 캐리어가 개략적으로 도시된 측면도.
도 3은 본 발명에 따른 웨이퍼 연마장치의 워크 캐리어 주요부가 도시된 측단면도.
도 4는 도 3에 적용된 이중 분할 플랜지의 구조가 상세히 도시된 도면.

이하에서는, 본 실시예에 대하여 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다. 다만, 본 실시예가 개시하는 사항으로부터 본 실시예가 갖는 발명의 사상의 범위가 정해질 수 있을 것이며, 본 실시예가 갖는 발명의 사상은 제안되는 실시예에 대하여 구성요소의 추가, 삭제, 변경 등의 실시변형을 포함한다고 할 것이다.

도 1은 일반적인 웨이퍼 연마장치가 개략적으로 도시된 평면도이다.

도 1에 도시된 웨이퍼 연마장치는 웨이퍼를 마지막으로 미세하게 연마시키는 장치로써, 로딩부(loading unit : 10)와, 언로딩부(unloading unit : 20)와, 이송부(30)와, 턴 테이블(turn table : 40)과, 복수개의 회전 테이블(rotating table : R,L,C) 및 워크 캐리어(work carrier : 100)를 포함하도록 구성된다.

상기 로딩부(10)는 연마 공정을 진행하기 전에 웨이퍼가 적재된 곳이고, 상기 언로딩부(20)는 연마 공정을 진행한 후에 웨이퍼가 적재되는 곳으로써, 웨이퍼들은 적절한 수납용기에 일정간격을 두고 적층되도록 보관된다.

상기 이송부(30)는 웨이퍼를 한장씩 일종의 로봇암 형태로 구성될 수 있으며, 상기 턴 테이블(40)의 정해진 위치에 웨이퍼를 이송시킬 수 있도록 구성된다. 물론, 상기 이송부는 상기 로딩부(10)에서 상기 턴 테이블(40)의 정해진 위치로 이송시키거나, 상기 턴 테이블(40)의 정해진 위치에서 상기 언로딩부(20)로 이송시키게 된다.

상기 턴 테이블(40)은 자체적으로 90°로 회전 가능하게 설치되는데, 세 개의 회전 테이블(R,L,C)이 구비된다. 따라서, 상기 턴 테이블(40)이 회전되면, 상기 회전 테이블들(R,L,C)의 위치가 변경되는데, 상기 회전 테이블들(R,L,C)이 하나씩 순차적으로 상기 턴 테이블(40) 상에 정해진 위치에 놓이도록 작동되며, 상기 이송부(30)는 상기 턴 테이블(40) 상에 정해진 위치에 놓은 회전 테이블(R,L,C) 상에 웨이퍼를 이송시키도록 동작된다.

상기 회전 테이블들(R,L,C)은 상기에서 설명한 바와 같이 세 개가 구비될 수 있으며, 각각의 회전 테이블(R,L,C)은 그 상측에 연마패드를 진공 흡착할 뿐 아니라 회전 가능하게 구성되며, 수평면에 대해 경사지도록 조절될 수도 있다. 물론, 상기 회전 테이블들(R,L,C)은 회전 속도, 연마패드의 종류, 경사 각도 등을 조절하여 연마 품질을 제어할 수 있다.

상기 워크 캐리어(100)는 각각의 회전 테이블(R,L,C) 상측에 두 개씩 구비되는데, 하면에 웨이퍼를 고정시킬 뿐 아니라 회전시킬 수 있도록 구성되고, 상하 방향으로 승강 가능하여 상기 회전 테이블(R,L,C)의 상측에 웨이퍼를 맞닿도록 조절할 수 있도록 구성되며, 하기에서 보다 상세한 구성을 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 웨이퍼 연마장치의 워크 캐리어가 개략적으로 도시된 측면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 웨이퍼 연마장치의 워크 캐리어 주요부가 도시된 측단면도이다.

본 발명에 적용된 워크 캐리어(100)는 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이 스플라인 어셈블리(spline assembly : 110)와, 회전 구동부(120)와, 승강 구동부(130)와, 헤드 어셈블리(head assembly : 150)와, 이중 분할 플랜지(160)를 포함하도록 구성된다.

상기 스플라인 어셈블리(110)는 일종의 공기 압력과 승강 구동력과 회전 구동력을 전달할 수 있도록 구비되는데, 중공축 형상인 볼 스플라인(ball spline : 111)과, 상기 볼 스플라인(111)의 중심에 구비된 에어 라인(air line : 112)을 포함하도록 구성된다.

이때, 상기 볼 스플라인(111)은 외주 측에 볼 베어링 등을 비롯한 여러 가지 부품들에 의해 회전 가능할 뿐 아니라 승강 가능하게 설치되고, 상기 에어 라인(112)은 별도의 공기 압력을 제공하는 장치와 연결되도록 설치된다.

상기 회전 구동부(120)는 상기 볼 스플라인(111)이 회전 가능하도록 구동력을 제공할 수 있는데, 실시예에서는 상기 볼 스플라인(111) 일측에 구비된 모터를 비롯하여 벨트 및 풀리가 적용될 수 있다. 물론, 상기 회전 구동부(120)는 직접 회전 구동력을 전달하기 위하여 상기 볼 스플라인(111)과 바로 연결될 수도 있지만, 실시예에서는 간접적으로 회전 구동력을 전달하기 위하여 벨트 및 풀리와 같은 부품들에 의해 상기 볼 스플라인(111)과 연결되도록 구성된다.

상기 승강 구동부(130)는 상기 볼 스플라인(111)이 승강 가능하도록 구동력을 제공할 수 있는데, 실시예에서는 상기 볼 스플라인(111) 상측에 구비된 업/다운 실린더(up/down cylinder)가 적용될 수 있다. 물론, 상기 승강 구동부(130)는 간접적으로 승강 구동력을 전달하기 위하여 별도의 부품들에 의해 상기 볼 스플라인(111)과 연결될 수도 있지만, 실시예에서는 직접 승강 구동력을 전달하기 위하여 상기 볼 스플라인(111)과 바로 연결되도록 구성된다.

상기 헤드 어셈블리(150)는 웨이퍼를 하측에 고정시키는 동시에 회전시킬 수 있도록 구성되는데, 실시예에서 상기 헤드 어셈블리(150)는 커버(cover : 151)와, 텐션 슬리브(tension sleeve : 152)와, 드라이브 링(drive ring : 153)과, 슬리브(sleeve : 154)와, 백 플레이트(back plate : 155)와, 러버 척(rubber chuck : 156)과, 템플레이트 어셈블리(template assembly : 157) 등을 포함하도록 구성될 수 있다.

상기 커버(151)는 상기 볼 스플라인(111) 하측에 하기에서 설명될 이중 분할 플랜지(160)에 의해 연결되고, 회전력을 전달하도록 구성된다.

상기 드라이브 링(153)은 상기 커버(151)의 하측에 상기 텐션 슬리브(152)에 의해 고정되는데, 회전력을 비롯하여 공기 압력을 전달할 뿐 아니라 연마 가공 시에 상기 드라이브 링(153)을 기준으로 상측 부품에 대한 하측 부품의 유동성을 주어 얼라인(align) 기능을 수행하도록 한다.

상기 슬리브(154)는 상기 커버(151)와 드라이브 링(153) 하측에 볼트 체결되고, 상기 백 플레이트(155)는 상기 슬리브(154) 하측 공간을 덮어주도록 장착된다.이때, 상기 에어 라인(112)은 상기 커버(151)와 드라이브 링(153)을 관통하도록 설치되고, 상기 에어 라인(112)에서 제공되는 공기 압력이 전달될 수 있도록 상기 슬리브(154)와 백 플레이트(155)의 중심에 소정의 홀이 구비된다.

상기 러버 척(156)은 상기 슬리브(154)와 백 플레이트(155) 하측에 고정되는데, 상기 백 플레이트(155)를 통하여 제공되는 공기 압력에 의해 중심부가 상하 방향으로 유동될 수 있다. 물론, 상기 에어 라인(112)을 통하여 진공 흡입력이 제공되면, 상기 러버 척(156)이 웨이퍼를 흡착하여 이송시킬 수 있고, 상기 에어 라인(112)을 통하여 소정 크기 이상의 공기 압력이 제공되면, 상기 러버 척(156)이 웨이퍼를 가압하여 연마 공정을 수행할 수 있다.

상기 템플레이트 어셈블리(157)는 상기 러버 척(156) 하측에 웨이퍼를 고정시킬 수 있도록 구비되는데, 웨이퍼의 두께보다 얇게 형성되며, 웨이퍼의 둘레를 잡아줄 수 있어 연마 공정 시에 이탈되지 않도록 고정시키는 역할을 한다.

상기 이중 분할 플랜지(160)는 상기 스플라인 어셈블리(110)와 헤드 어셈블리(150) 사이에 구비되는데, 상기 볼 스플라인(111)의 하부와 상기 커버(151)의 상부 사이를 소정의 간극을 유지하도록 연결함으로써, 진동 발생을 저감시킬 수 있다.

도 4는 도 3에 적용된 이중 분할 플랜지의 구조가 상세히 도시된 도면이다.

상기 이중 분할 플랜지(160)는 도 4에 도시된 바와 같이 상기 스플라인 어셈블리의 볼 스플라인(111)과 상기 헤드 어셈블리의 커버(151) 사이를 연결시키는데, 반경 방향으로 소정의 간극을 가지도록 결합되는 내/외부 플랜지(161,162)로 구성된다.

상기 내부 플랜지(161)는 상기 볼 스플라인(111)의 외주와 상기 커버(151)의 내주 사이에 맞물리도록 설치되는데, 상기 내부 플랜지(161)의 내/외주에는 각각 오링(O₁,O₂)이 삽입되도록 설치되고, 상기 내부 플랜지(161)가 상기 볼 스플라인(111)의 하측에서 볼트(B₁) 체결된다.

상기 외부 플랜지(162)는 상기 내부 플랜지(161)의 외주와 상기 커버(151)의 상면 사이에 맞물리도록 설치되는데, 상기 외부 플랜지(162)가 상기 커버(151)의 상측에서 볼트(B₂) 체결된다.

상기 내부 플랜지(161)의 외주면은 상부에서 하부로 갈수록 직경이 커지면서 높이가 낮아지는 단차진 계단 형상으로 형성되고, 상기 외부 플랜지(162)의 내주면은 상기 내부 플랜지(161)의 단차진 외주면과 맞물리도록 계단 형상으로 형성된다.

이때, 상기 내/외부 플랜지(161,162)는 수평 방향(또는 원주방향)으로 밀착되지만, 수직 방향(또는 반경 방향)으로 소정 간극을 유지하도록 조립되는데, 상기 내/외부 플랜지(161,162)의 일측이 구동핀에 의해 체결되고, 상기 내/외부 플랜지(161,162) 사이에 회전력을 보다 유연하게 전달하도록 결합될 수 있다.

물론, 상기 구동핀(163)은 다양한 기둥 형상으로 형성될 수 있지만, 한 지점에서 부하를 받아 마찰 및 마모되는 것을 방지하기 위하여 원기둥 형태로 제작되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 구동핀(163)은 회전력을 전달하더라도 마찰 및 마모에 견딜 수 있는 강성이 높은 재질로 제작되는 것이 바람직하며, SUS304 또는 그보다 강성이 높은 재질이 적용되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 구동핀(163)은 상기 내/외부 플랜지(161,162) 사이의 반경 방향 간극을 0.1mm ~ 1.0mm 범위로 유지하도록 상기 내/외부 플랜지(161,162)를 연결하는 것이 바람직하며, 상기의 조건에서 진동 저감 효과가 높게 나타나는 것을 볼 수 있다.

기존의 단일 구조의 플랜지

RPM		Table
RPM		A Head	B Head	C Head	D Head
Head/Table	22/20	2.0	2.5	3.0	2.5
	17/15	5.0	7.0	5.0	6.0
	12/10	7.0	7.0	10.0	9.0

0.1mm 이격된 이중 분할 플랜지

RPM		Table
RPM		A Head	B Head	C Head	D Head
Head/Table	22/20	2.0	2.0	2.5	2.0
	17/15	3.0	4.5	3.0	3.5
	12/10	5.0	4.5	4.5	4.0

0.5mm 이격된 이중 분할 플랜지

RPM		Table
RPM		A Head	B Head	C Head	D Head
Head/Table	22/20	1.5	1.5	2.0	1.5
	17/15	1.5	1.5	2.0	1.5
	12/10	2.0	1.5	2.0	1.5

1.0mm 이격된 이중 분할 플랜지

RPM		Table
RPM		A Head	B Head	C Head	D Head
Head/Table	22/20	1.0	1.5	1.5	1.5
	17/15	Wipe out
	12/10	Wipe out

[표 1] 내지 [표 4]는 다양한 종류의 플랜지를 적용하여 스플라인 어셈블리와 헤드 어셈블리를 연결한 웨이퍼 연마장치의 경우, 헤드 속도와 테이블 속도를 변화시키면서 진동 변위량을 측정한 것으로써, 허용 가능한 진동 변위량은 0.5 ~ 3.0㎛ 수준이다.

[표 1]은 기존에 하나의 플랜지가 적용된 웨이퍼 연마장치의 경우, 진동 변위량이 기준치를 벗어나는 것을 볼 수 있는 반면, [표 2] 내지 [표 4]는 본 발명에 0.1mm, 0.5mm, 1.0mm 간격을 가진 이중 분할 플랜지가 적용된 웨이퍼 연마장치의 경우, 진동 변위량이 기준치를 만족하는 것을 볼 수 있다.

즉, 단일 구조의 플랜지는 헤드의 회전 운동이 테이블의 회전운동과의 가공 마찰로 인하여 진동 발생시키지만, 이중 분할 플랜지는 헤드의 회전운동이 테이블의 회전운동과의 가공 마찰이 발생하더라도 분할된 간극에서 상쇄되어 진동을 제어할 수 있다.

하지만, [표 4]에 도시된 바와 같이 이중 분할 플랜지의 간격이 커질수록 진동 변위량은 낮게 제어할 수 있지만, 가공 안정성이 불안정하여 웨이퍼가 빠져나가는 Wipe out 현상이 발생되는 것을 볼 수 있다.

따라서, [표 3]에 도시된 바와 같이 이중 분할 플랜지의 간격은 진동과 가공 안정성을 보장하기 위하여 0.5mm로 제한하는 것이 바람직하다.

110 : 스플라인 어셈블리 111 : 볼 스플라인
150 : 헤드 어셈블리 151 : 커버
160 : 이중 분할 플랜지 161 : 내부 플랜지
162 : 외부 플랜지 163 : 고정핀

Claims

중심의 중공축을 따라 공기 압력을 제공하고, 하부에 회전력을 제공하는 스플라인 어셈블리;
상기 스플라인의 하부에 회전 가능하게 연결되고, 웨이퍼를 하면에 고정시키는 헤드 어셈블리; 및
상기 스플라인 어셈블리와 헤드 어셈블리 사이를 연결시키는 이중 분할 플랜지;로 구성되고,
상기 이중 분할 플랜지는,
상기 스플라인 어셈블리의 외주와 상기 헤드 어셈블리의 내주 사이에 맞물리는 내부 플랜지와,
상기 내부 플랜지의 외주와 반경 방향으로 간극을 유지하는 동시에 상기 헤드 어셈블리 상측에 고정되는 외부 플랜지와,
상기 내/외부 플랜지 사이에 회전력을 전달하도록 상기 내/외부 플랜지에 축방향으로 체결된 구동핀으로 이루어진 웨이퍼 연마장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 내부 플랜지의 외주는 하측으로 갈수록 직경이 넓어지도록 단차지게 형성되고,
상기 외부 플랜지의 내주는 상기 내부 플랜지의 외주와 맞물리도록 단차지게 형성된 웨이퍼 연마장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 내부 플랜지는 상기 스플라인 어셈블리와 헤드 어셈블리와 맞닿는 면에 오링이 삽입되고, 상기 스플라인 어셈블리의 하측에 볼트 체결된 웨이퍼 연마장치.
제1항에 있어서,
상기 외부 플랜지는 상기 헤드 어셈블리의 상측에 볼트 체결된 웨이퍼 연마장치.
제1항에 있어서,
상기 구동핀은 상기 내/외부 플랜지 사이의 반경 방향 간극을 0.1mm ~ 1.0mm 범위로 유지하도록 상기 내/외부 플랜지를 연결하는 웨이퍼 연마장치.
제7항에 있어서,
상기 구동핀은 상기 내/외부 플랜지의 강성보다 높은 강성을 가진 재질로 구성되는 웨이퍼 연마장치.
제7항에 있어서,
상기 구동핀은 원기둥 형상으로 구성되는 웨이퍼 연마장치.