KR101972868B1 - 다중 센서를 구비한 양면 랩그라인딩 장치의 연마량 제어 장치 - Google Patents

다중 센서를 구비한 양면 랩그라인딩 장치의 연마량 제어 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중 센서를 구비한 양면 랩그라인딩 장치의 연마량 제어 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 다중 센서를 구비한 양면 랩그라인딩 장치의 연마량 제어 장치는 표면 연마 대상물에 연마 하중을 전달하는 가압 실린더, 상정반 회전 모터, 하정반 회전 모터 및 선기어 회전 모터를 갖는 구동부, 연마 공정에 의해 표면 연마 대상물의 두께의 감소분에 해당하는 변위의 변화량을 실시간으로 측정하는 변위 측정 센서, 상기 가압 실린더에 의해 표면 연마 대상물에 전달되는 연마 하중을 실시간으로 측정하는 하중 측정 센서 및 상기 가압 실린더에 가해지는 충격량을 실시간으로 측정하는 가속도 측정 센서를 갖는 센서부, 상기 센서부로부터 실시간으로 측정된 변위의 변화량, 연마 하중의 변화량, 속도의 변화량 및 상기 각 회전 모터로부터 입력되는 회전수 데이터 정보를 바탕으로 양면 그라인딩 장치의 연마량을 제어하는 제어부, 실시간 변위 표시부, 실시간 하중 표시부, 실시간 속도 표시부 및 실시간 회전수 표시부를 갖는 표시부, 그리고, 상정반, 하정반 및 캐리어 플레이트를 갖는 다중 센서를 구비한 양면 랩그라인딩 장치의 연마량 제어 장치의 각종 조건의 설정 또는 변경하기 위한 정보를 입력하는 입력부를 포함한다.

Description

다중 센서를 구비한 양면 랩그라인딩 장치의 연마량 제어 장치{THE POLISHING AMOUNT CONTROLLING APPARATUS OF DOUBLE-SIDED LAP-GRINDING APPARATUS HAVING MULTIPLE SENSORS}
본 발명은 다중 센서를 구비한 양면 랩그라인딩 장치의 연마량 제어 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체 웨이퍼나 사파이어 기판 등의 연마 대상 표면을 화학적 및 기계적으로 연마하는 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing, CMP) 방법이나 다이아몬드 입자를 사용하여 연마하는 다이아몬드 기계적 연마(Diamond Mechanical Polishing, DMP) 방법을 이용하여 한번의 연마 공정으로 연마 대상 표면 양면을 동시에 가공할 수 있는 다중 센서를 구비한 양면 랩그라인딩 장치의 연마량 제어 장치에 관한 것이다.
최근, 반도체 웨이퍼나 사파이어 기판 등의 표면 연마 대상물에 화학적 및 기계적인 연마를 동시에 실시하여 연마면(공정면)을 평탄화하는 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing, CMP) 방법이나 다이아몬드 입자를 사용하여 연마하는 다이아몬드 기계적 연마(Diamond Mechanical Polishing, DMP) 방법을 사용하는 랩그라인딩 장치가 널리 사용되고 있다. 이러한 랩그라인딩 장치를 이용한 도 1의 좌측에 도시된 바와 같이 종래의 단면 가공 기술의 경우 표면 연마 대상물의 두 표면 중 한 표면만을 먼저 연마한 후 표면 연마 대상물을 뒤집어 다시 다른 표면을 연마하므로 공정이 복잡하고 연마 효율이 떨어지는 문제점이 있다. 도 1은 각각 종래 단면 랩그라인딩 장치를 이용한 단면 가공 방법, 종래 양면 랩그라인딩 장치를 이용한 양면 가공 방법 및 본 발명의 한 실시예에 따른 다중 센서를 구비한 양면 랩그라인딩 장치의 연마량 제어 장치를 이용한 양면 가공 방법에 대한 가공 공정 설명도이다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 도 1의 중간 및 후기된 선행기술문헌인 특허문헌 특허등록 제0932741호의 '웨이퍼의 양면연마장치 및 양면연마 방법'에 개시된 바와 같이 한 번에 표면 연마 대상물의 양 표면을 동시 가공하는 양면 가공 기술을 이용하는 양면 랩그라인딩 장치가 개발되었다.
그런데 상기 양면 가공 기술을 이용하는 양면 랩그라인딩 장치의 경우 표면 연마 대상물의 표면 연마가 단순히 연마 작동 시간을 임의로 정하거나 기준 변위량에 도달시 연마를 종료하는 방법으로 구동되고 있다. 따라서 연마 공정 중 발생하는 이상 연마 현상을 일으킬 수 있는 연마 대상물의 변위 변화량, 압력 변화량, 회전력 및 속도의 변화량을 실시간으로 감지하여 이에 따른 정밀 연마량 제어가 이루어지지 못하므로 이러한 이상 연마 현상에 대한 대처가 불가능 하였다. 따라서 이로 인해 양면 연마 작업이 완료된 연마 대상물의 표면 연마 상태가 불균일하거나 기설정된 연마 목표치에 도달하지 못하는 최종 연마 대상물의 형상 정밀도가 떨어지는 문제점이 있었다.
KR 10-0932741 B1
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 양면 랩그라인딩 장치의 연마 공정 중 표면 연마 대상물에 가해지는 변위 변화량, 압력 변화량, 회전수 및 속도의 변화량을 실시간으로 감지하여 이에 따른 양면 랩그라인딩 장치의 정밀 연마량 제어가 가능하도록 하여 연마 효율과 함께 최종 연마 대상물의 형상 정밀도를 향상시킬 수 있는 다중 센서를 구비한 양면 랩그라인딩 장치의 연마량 제어 장치를 제공하는 것이다.
상기의 과제 해결을 위한 본 발명에 따른 다중 센서를 구비한 양면 랩그라인딩 장치의 연마량 제어 장치는 표면 연마 대상물에 연마 하중을 전달하는 가압 실린더, 상정반 회전 모터, 하정반 회전 모터 및 선기어 회전 모터를 갖는 구동부, 연마 공정에 의해 표면 연마 대상물의 두께의 감소분에 해당하는 변위의 변화량을 실시간으로 측정하는 변위 측정 센서, 상기 가압 실린더에 의해 표면 연마 대상물에 전달되는 연마 하중을 실시간으로 측정하는 하중 측정 센서 및 상기 가압 실린더에 가해지는 충격량을 실시간으로 측정하는 가속도 측정 센서를 갖는 센서부, 상기 센서부로부터 실시간으로 측정된 변위의 변화량, 연마 하중의 변화량, 속도의 변화량 및 상기 각 회전 모터로부터 입력되는 회전수 데이터 정보를 바탕으로 양면 그라인딩 장치의 연마량을 제어하는 제어부, 실시간 변위 표시부, 실시간 하중 표시부, 실시간 속도 표시부 및 실시간 회전수 표시부를 갖는 표시부, 그리고, 상정반, 하정반 및 캐리어 플레이트를 갖는 다중 센서를 구비한 양면 랩그라인딩 장치의 연마량 제어 장치의 각종 조건의 설정 또는 변경하기 위한 정보를 입력하는 입력부를 포함한다.
상기 제어부는 각종 신호 처리, 변위 변화량, 연마 하중 변화량, 속도의 변화량 및 회전수에 관한 데이터 수집 소프트 웨어와 데이터 분석 프로그램, 분석된 데이터를 바탕으로 상기 구동부를 제어하도록 CPU를 구동하기 위한 제어 알고리즘이 저장된 메모리를 포함할 수 있다.
상기 제어 알고리즘은 실시간으로 측정되는 변위의 변화량이 기준 변위의 변화량 허용 범위를 순간적으로 벗어나는 경우 상기 구동부의 구동을 정지시키며, 실시간으로 측정되는 연마 하중의 변화량이 허용 범위를 지속 하회하면 상기 가압 실린더의 가압력을 증가시키도록 제어하며 반대로 지속 상회하면 상기 가압 실린더의 가압력을 감소시키도록 제어하며, 허용 범위를 순간적으로 벗어나는 경우 상기 구동부의 구동을 정지시키며, 실시간으로 측정되는 속도의 변화량이 허용 범위를 순간적으로 벗어나는 경우 상기 구동부의 구동을 정지시키며, 상기 모터들의 회전수를 실시간으로 체크하여 회전수가 허용 범위를 하회하면 하회된 모터의 회전수를 증가시키도록 제어하며 회전수가 허용 범위를 상회하면 상회된 모터의 회전수를 감소시키도록 제어하는 알고리즘일 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 다중 센서를 구비한 양면 랩그라인딩 장치의 연마량 제어 장치에 의하면, 양면 랩그라인딩 장치의 연마 공정 중 표면 연마 대상물에 가해지는 변위 변화량, 압력 변화량, 속도 변화량 및 회전수의 변화량을 실시간으로 감지하여 이에 따른 양면 랩그라인딩 장치의 정밀 연마량 제어가 가능하므로 연마 효율과 함께 최종 연마 대상물의 형상 정밀도를 향상시킬 수 있는 유리한 효과가 있다.
도 1은 각각 종래 단면 랩그라인딩 장치를 이용한 단면 가공 방법, 종래 양면 랩그라인딩 장치를 이용한 양면 가공 방법 및 본 발명의 한 실시예에 따른 다중 센서를 구비한 양면 랩그라인딩 장치의 연마량 제어 장치를 이용한 양면 가공 방법에 대한 가공 공정 설명도, 그리고,
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 다중 센서를 구비한 양면 랩그라인딩 장치의 연마량 제어 장치가 포함된 양면 랩그라인딩 장치의 전체 구성도,
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 다중 센서를 구비한 양면 랩그라인딩 장치의 연마량 제어 장치가 포함된 양면 랩그라인딩 장치의 개략도, 그리고,
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 다중 센서를 구비한 양면 랩그라인딩 장치의 연마량 제어 장치가 포함된 양면 랩그라인딩 장치의 구성 블록도이다.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 기술하는 실시예는 본 발명의 이상적인 공정 설명도, 전체 구성도, 개략도, 및 구성 블록도를 참고하여 설명할 것이다.
이하, 첨부한 도면 도 1 내지 도 4를 참고로 하여 본 발명의 한 실시예에 따른 다중 센서를 구비한 양면 랩그라인딩 장치의 연마량 제어 장치에 관하여 설명한다. 설명은 양면 랩그라인딩 장치 전체를 설명하며 연마량 제어 장치에 대해서 상세히 설명토록 한다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 다중 센서를 구비한 양면 랩그라인딩 장치의 연마량 제어 장치가 포함된 양면 랩그라인딩 장치의 전체 구성도, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 다중 센서를 구비한 양면 랩그라인딩 장치의 연마량 제어 장치가 포함된 양면 랩그라인딩 장치의 개략도, 그리고, 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 다중 센서를 구비한 양면 랩그라인딩 장치의 연마량 제어 장치가 포함된 양면 랩그라인딩 장치의 구성 블록도이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 다중 센서를 구비한 양면 랩그라인딩 장치의 연마량 제어 장치가 포함된 양면 랩그라인딩 장치(1)는 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 연마량 제어 장치(10), 상정반(20), 하정반(30), 선기어(40) 및 캐리어 플레이트(50)를 포함한다.
캐리어 플레이트(50)는 표면 연마 대상물(미도시)이 연마 공정시 안착되어 유지되는 복수의 연마 대상물 유지공(미도시)이 형성되어 있다.
상정반(20) 및 하정반(30)은 각각 이 캐리어 플레이트(50)의 상하 방향에 배치되어 있으며 표면 연마 대상물의 양 표면을 동시에 연마하는 연마 패드(미도시)가 각각 부착되어 있다.
선기어(40)는 캐리어 플레이트(50)에 연마 공정시 회전력을 전달한다.
연마량 제어 장치(10)는 구동부(100), 센서부(200), 제어부(300), 표시부(400) 및 입력부(500)를 포함한다.
구동부(100)는 표면 연마 대상물에 연마 하중을 전달하는 가압 실린더(110), 상정반 회전 모터(120), 하정반 회전모터(130) 및 선기어 회전모터(140)를 포함한다.
센서부(200)는 변위 측정 센서(210), 하중 측정 센서(220) 및 가속도 측정 센서(230)을 포함한다.
변위 측정 센서(210)는 상정반(20)을 지지하는 지지부 인근에 결합되어 있으며 연마 공정에 의해 표면 연마 대상물의 두께의 감소분에 해당하는 변위의 변화량을 실시간으로 측정한다.
하중 측정 센서(220)는 가압 실린더(110)와 상정반(20)을 지지하는 지지부 사이에 배치되어 가압 실린더(110)에 의해 표면 연마 대상물에 전달되는 연마 하중을 실시간으로 측정한다. 본 실시예에서 하중 측정 센서(220)는 로드셀을 사용하였다.
가속도 측정 센서(230)는 가압 실린더(110)와 상정반(20)을 지지하는 지지부 사이에 배치되어 가압 실린더(110)에 가해지는 비정상적인 충격 또는 기준치 이상의 진동 여부를 확인하기 위해 속도의 변화량 즉 가속도를 실시간으로 측정한다.
제어부(300)는 증폭기(310), A/D 변환기(320), CPU(330) 및 메모리(340)를 포함한다.
증폭기(310)는 센서부(200)로부터 입력되는 각종 변위 측정 및 연마 하중 측정 아날로그 신호를 증폭한다.
CPU(330)는 PC 기반으로 증폭을 마친 변위 측정, 연마 하중 측정, 속도 측정 아날로그 신호가 A/D 변환기(320)에 의해 변환된 디지털 신호를 입력받아 실시간으로 측정된 변위의 변화량, 연마 하중의 변화량, 속도의 변화량 및 각종 회전 모터(120, 130, 140)로부터 입력되는 회전수 데이터 정보를 바탕으로 양면 그라인딩 장치의 정밀 연마량 제어를 통해 최종 연마 대상물의 형상 정밀도를 향상시킬 수 있도록 구동부(100)를 구동시킨다.
즉 CPU(330)는 실시간으로 측정되는 변위의 변화량이 기준 변화량 범위에 도달하는 경우 연마가 완료되었으므로 구동부(100)의 구동을 종료하며, 만일 기준 변위의 변화량 허용 범위를 순간적으로 벗어나는 경우(예를 들어 이상 피크 신호 입력 등) 이는 표면 연마 대상물에 순간 충격이나 진동 등이 가해진 것으로 판단하여 즉각 구동부(100)의 구동을 정지시킴으로써 표면 연마 대상물의 표면 불균일 연마 발생 현상을 방지하고 실시간 표면 연마 대상물의 검사가 가능하도록 한다.
또한, CPU(330)는 실시간으로 측정되는 연마 하중의 변화량을 측정하여 만일 연마 하중이 허용 범위를 지속 하회하면 가압 실린더(110)의 가압력을 증가시키도록 제어하며 반대로 지속 상회하면 가압 실린더(110)의 가압력을 감소시키도록 제어함으로써 최종 연마 대상물의 형상 정밀도를 향상시킨다. 또한, 만일 기준 하중 허용 범위를 순간적으로 벗어나는 경우(예를 들어 이상 피크 신호 입력 등) 이는 표면 연마 대상물에 순간 충격이나 진동 등이 가해진 것으로 판단하여 즉각 구동부(100)의 구동을 정지시킴으로써 표면 연마 대상물의 표면 불균일 연마 발생 현상을 방지하고 실시간 표면 연마 대상물의 검사가 가능하도록 한다.
또한, CPU(330)는 실시간으로 측정되는 가압 실린더(110)의 속도의 변화량 즉 가속도가 기설정된 허용 범위를 순간적으로 벗어나는 경우(예를 들어 이상 피크 신호 입력 등) 이는 가압 실린더(110)에 순간 충격이나 진동 등이 가해진 것으로 판단하여 즉각 구동부(100)의 구동을 정지시킴으로써 표면 연마 대상물의 표면 불균일 연마 발생 현상을 방지하고 실시간 표면 연마 대상물의 검사가 가능하도록 한다.
또한, CPU(330)는 실시간으로 입력되는 각 모터(120, 130, 140)의 회전수를 체크하여 만일 회전수가 허용 범위를 하회하면 하회된 모터(120, 130. 140)의 회전수를 증가시키도록 제어하며 회전수가 허용 범위를 상회하면 상회된 모터(120, 130. 140)의 회전수를 감소시키도록 제어함으로써 최종 연마 대상물의 형상 정밀도를 향상시킨다.
메모리(340)는 각종 신호 처리, 변위 변화량, 연마 하중의 변화량, 속도의 변화량 및 회전수에 관한 데이터 수집 소프트 웨어와 데이터 분석 프로그램, 분석된 데이터를 바탕으로 구동부(100)를 제어하도록 CPU(330)를 구동하기 위한 제어 알고리즘이 저장되어 있다.
한편, 표시부(400)는 실시간 변위 표시부(410), 실시간 하중 표시부(420), 실시간 회전수 표시부(430) 및 실시간 속도 표시부(440)를 포함하고 있다.
입력부(500)는 다중 센서를 구비한 양면 랩그라인딩 장치의 연마량 제어 장치를 사용자의 조작으로 실행, 종료(exit), 리셋(reseat)하거나 센서부(200)나 제어부(300) 및 구동부(100)의 각종 조건의 설정 또는 변경하기 위한 정보의 입력이 가능하도록 표시부(400)의 일측에 마련되어 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태의 공정 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
1 : 양면 랩그라인딩 장치 10 : 연마량 제어 장치
20 : 상정반 30 : 하정반
40 : 선기어 50 : 캐리어 플레이트
100 : 구동부 110 : 가압 실린더
120 : 상정반 회전 모터 130 : 하정반 회전 모터
140 : 선기어 회전 모터 200 : 센서부
210 : 변위 측정 센서 220 : 하중 측정 센서
230 : 가속도 측정 센서
300 : 제어부 310 : 증폭기
320 : A/D 변환기 330 : CPU
340 : 메모리 400 : 표시부
410 : 실시간 변위 표시부 420 : 실시간 하중 표시부
430 : 실시간 회전수 표시부 440 : 실사간 속도 표시부
500 : 입력부

Claims (3)

  1. 표면 연마 대상물에 연마 하중을 전달하는 가압 실린더, 상정반 회전 모터, 하정반 회전 모터 및 선기어 회전 모터를 갖는 구동부,
    연마 공정에 의해 표면 연마 대상물의 두께의 감소분에 해당하는 변위의 변화량을 실시간으로 측정하는 변위 측정 센서, 상기 가압 실린더에 의해 표면 연마 대상물에 전달되는 연마 하중을 실시간으로 측정하는 하중 측정 센서 및 상기 가압 실린더에 가해지는 충격량을 실시간으로 측정하는 가속도 측정 센서를 갖는 센서부,
    상기 센서부로부터 실시간으로 측정된 변위의 변화량, 연마 하중의 변화량, 속도의 변화량 및 상기 각각의 회전 모터로부터 입력되는 회전수 데이터 정보를 바탕으로 양면 그라인딩 장치의 연마량을 제어하는 제어부,
    실시간 변위 표시부, 실시간 하중 표시부, 실시간 속도 표시부 및 실시간 회전수 표시부를 갖는 표시부, 그리고,
    상정반, 하정반 및 캐리어 플레이트를 갖는 다중 센서를 구비한 양면 랩그라인딩 장치의 연마량 제어 장치의 각종 조건의 설정 또는 변경하기 위한 정보를 입력하는 입력부
    를 포함하며,
    상기 제어부는
    상기 센서부로부터 입력되는 각종 변위 측정, 연마 하중 측정 및 속도 측정 아날로그 신호를 증폭하는 증폭기,
    PC 기반으로 증폭을 마친 상기 변위 측정, 상기 연마 하중 측정 및 상기 속도 측정 아날로그 신호가 A/D 변환기에 의해 변환된 디지털 신호를 입력받아 실시간으로 측정된 변위의 변화량, 연마 하중의 변화량, 속도의 변화량 및 상기 각각의 회전 모터로부터 입력되는 회전수 데이터 정보를 바탕으로 양면 그라인딩 장치의 정밀 연마량 제어를 통해 최종 연마 대상물의 형상 정밀도를 향상시킬 수 있도록 상기 구동부를 구동시키는 CPU, 및
    각종 신호 처리, 변위 변화량, 연마 하중 변화량, 속도의 변화량 및 회전수에 관한 데이터 수집 소프트 웨어와 데이터 분석 프로그램, 분석된 데이터를 바탕으로 상기 구동부를 제어하도록 상기 CPU를 구동하기 위한 제어 알고리즘이 저장된 메모리
    를 포함하며,
    상기 제어 알고리즘은
    실시간으로 측정되는 변위의 변화량이 기준 변화량 범위에 도달하는 경우 연마가 완료되었으므로 상기 구동부의 구동을 종료하며, 기준 변위의 변화량 허용 범위를 순간적으로 벗어나는 경우 이는 표면 연마 대상물에 순간 충격이나 진동이 가해진 것으로 판단하여 즉각 상기 구동부의 구동을 정지시킴으로써 표면 연마 대상물의 표면 불균일 연마 발생 현상을 방지하고 실시간 표면 연마 대상물의 검사가 가능하도록 하며,
    실시간으로 측정되는 연마 하중의 변화량이 허용 범위를 지속 하회하면 상기 가압 실린더의 가압력을 증가시키도록 제어하며 반대로 지속 상회하면 상기 가압 실린더의 가압력을 감소시키도록 제어하며, 기준 하중 허용 범위를 순간적으로 벗어나는 경우 이는 표면 연마 대상물에 순간 충격이나 진동이 가해진 것으로 판단하여 즉각 상기 구동부의 구동을 정지시킴으로써 표면 연마 대상물의 표면 불균일 연마 발생 현상을 방지하고 실시간 표면 연마 대상물의 검사가 가능하도록 하며,
    실시간으로 측정되는 상기 가압 실린더의 속도의 변화량이 기설정된 허용 범위를 순간적으로 벗어나는 경우 이는 상기 가압 실린더에 순간 충격이나 진동이 가해진 것으로 판단하여 즉각 상기 구동부의 구동을 정지시킴으로써 표면 연마 대상물의 표면 불균일 연마 발생 현상을 방지하고 실시간 표면 연마 대상물의 검사가 가능하도록 하며,
    실시간으로 입력되는 상기 각각의 회전 모터들의 회전수를 실시간으로 체크하여 회전수가 허용 범위를 하회하면 하회된 모터의 회전수를 증가시키도록 제어하며 회전수가 허용 범위를 상회하면 상회된 모터의 회전수를 감소시키도록 제어함으로써 최종 연마 대상물의 형상 정밀도를 향상시키도록 하는
    알고리즘인
    다중 센서를 구비한 양면 랩그라인딩 장치의 연마량 제어 장치.
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