KR19980071792A - 연마 장치 - Google Patents

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KR19980071792A
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마에다 시게루
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Abstract

공작물을 평면경 상태로 연마하는 연마 장치는 상부 표면에 부착되는 연마포를 갖는 턴테이블, 및 공작물을 연마하기 위하여 위에서 공작물을 지지하고 연마포에 대하여 공작물을 가압하기 위한 상부링을 포함한다. 지지링 또는 압착기 링이 상부링 주위에 배치된다. 지지링 또는 압착기 링은 상부링과 독립적으로 수직 이동 가능하며, 가압 기구에 의하여 연마포에 대해 가압된다. 안정 기구는, 상부링이 지지링 또는 압착기 링 내에서 실질적으로 안정화되도록 지지하기 위하여, 지지링 또는 압착기 링의 내부 주변 표면 및 상부링의 외부 주변 표면 간에 배치된다.

Description

연마 장치
본 발명은 반도체 웨이퍼와 같은 공작물을 평면경 상태로 연마하는 연마 장치에 관한 것으로, 더욱 상세히 하면 공작물 캐리어, 즉 턴테이블 상의 연마 표면의 기복 또는 표면 불규칙성을 따라 기울어질 수 있는 상부링을 장착한 연마 장치에 관한 것이다.
최근 반도체 소자 집적이 급격히 발전함에 따라, 배선 패턴 또는 접속 구조와 아울러, 활성 영역을 연결하는 접속구조들 사이의 간격을 더욱 더 좁혀야 할 필요가 생겼다. 그러한 접속구조를 형성시키는 공정으로는 사진평판술(photolithography)이 있다. 사진평판술을 이용할 경우 최대 너비 0.5㎛ 정도의 접속구조를 형성시킬 수 있지만 광시스템의 초점 깊이는 상대적으로 작기 때문에, 스테퍼(stepper)에 의하여 패턴 이미지가 조사될 표면은 가능한 한 편평하여야 한다. 통상적으로, 반도체 웨이퍼를 편평하게 하는 장치로서 자가-편평화(self-planarizing) CVD 장치, 에칭 장치 등을 사용하고 있다. 그러나, 이러한 장치는 반도체 웨이퍼를 완전히 편평하게 하지 못한다. 최근에는, 상기 통상적인 편평화 장치를 사용하는 것보다 더욱 용이하게 평면 가공하기 위하여, 반도체 웨이퍼를 편평하게 하는 연마 장치를 사용하고자 시도하였다.
통상적으로, 연마 장치는 제각기 다른 속도로 회전하는 턴테이블과 상부링으로 되어있다. 턴테이블의 상부 표면에는 연마포(polishing cloth)가 부착되어 있다. 연마 처리할 반도체 웨이퍼는 연마포 상에 위치시켜서, 상부링과 턴테이블 사이에 결합시켜 놓는다. 연마 입자를 함유한 연마액을 연마포 상에 공급하여 유지시킨다. 연마 동작동안, 상부링이 일정한 압력을 턴테이블에 가하기 때문에, 상부링과 턴테이블이 회전하는 동안, 연마포에 대향하여 지지되는 반도체 웨이퍼의 표면은 화학적 연마 및 기계적 연마 작용에 의해서 평면경 상태로 연마된다. 이러한 공정을 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical polishing)라고 한다.
연마포에 대하여 반도체 웨이퍼의 전표면에 걸쳐 균일한 압력을 가하지 않으면, 가하는 압력에 따라 반도체 웨이퍼는 국부적으로 불충분하게 연마되거나 과도하게 연마되는 경향이 있다. 본 분야에서는, 연마포에 대하여 반도체 웨이퍼에 불규칙한 압력이 가해지는 것을 방지하기 위하여 하기 배치가 제안되었다.
1) 공지된 해결책의 하나는 상부링으로부터 반도체 웨이퍼에 가해지는 압력을 균일하게 하기 위하여 상부링의 표면을 지지하는 공작물에 폴리우레탄 등의 탄성 패드를 부착하는 것이다.
2) 다른 해결책에 의하면, 상부링, 즉 반도체 웨이퍼를 지지하기 위한 공작물 캐리어는 연마포의 표면에 대하여 기울어질 수 있다.
3) 다른 방법으로는, 반도체 웨이퍼를 둘러싸는 연마포의 영역에 반도체 웨이퍼와는 독립적으로 압력을 가함으로써, 반도체 웨이퍼에 의하여 압력을 받는 연마포 및 이를 둘러싸는 영역간의 사이의 상당한 층을 제거하였다.
도면중 도 8은 공지의 연마 장치를 도시한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 공지의 연마 장치는 일반적으로 상부 표면에 연마포(6)가 부착되어 있는 턴테이블(5), 반도체 웨이퍼(4)가 연마되도록 지지하고 연마포(6)에 대하여 압력을 가하기 위한 상부링(1) 및 연마액(Q)을 연마포(6)에 공급하기 위한 연마액 공급 노즐(25)로 구성된다. 상부링(1)은 상부링 축(8)에 연결되고 이의 저면에 부착되는 폴리우레탄 등의 탄성 패드(2)를 갖는다. 반도체 웨이퍼(4)는 탄성 패드(2)와 접촉하는 상부링(1)에 의하여 지지된다. 상부링(1)에는 또한 반도체 웨이퍼(4)가 상부링(1)의 저면에서 빠지는 것을 방지하기 위하여 외부 주변 가장자리에 원통형 지지링(retainer ring)(3)이 탑재되어 있다. 지지링(3)은 상부링(1)의 저면에서 하향 돌출하여 연마 공정시에 반도체 웨이퍼(4)가 연마포(6)와 마찰하고 있는 도중에 상부링(1)으로부터 빠지지 못하게끔 반도체 웨이퍼(4)를 탄성 패드(2)에 지지시키기 위한 것이다.
작동시, 반도체 웨이퍼(4)는 상부링(1)의 저면에 부착되는 탄성 패드(2)의 저면에 대하여 지지된다. 이어서, 반도체 웨이퍼(4)는 상부링(1)에 의하여 턴테이블 상의 연마포(6)에 대하여 가압되며, 턴테이블(5) 및 상부링(1)은 서로 독립적으로 회전하여 연마포(6) 및 반도체 웨이퍼(4)를 서로 상대적으로 이동시킴으로써 반도체 웨이퍼(4)를 연마한다. 연마액(Q)은, 예를 들면 미세 연마 입자가 현택되어 있는 알칼리액으로 구성된다. 반도체 웨이퍼(4)는 알칼리 용액의 화학적 연마 작용 및 연마 입자의 기계적 연마 작용에 의하여 연마된다.
구형 베어링(7)은 상부링(1)의 상부 말단 표면 및 상부링(1)을 회전시키는 상부링 축(8)의 저면 사이에 슬라이딩 삽입된다. 좀더 상세히 하면, 상부링 축(8)의 저면 중심에 반구형 오목부(8a)가 형성되고, 상부링(1)의 상부 말단 표면 중심에 반구형 오목부(1b)가 형성된다. 구형 베어링(7)은 반구형 오목부(8a, 1b)에 슬라이딩하여 수용된다. 턴테이블(5)의 상부 표면은 약간 기울어져 있으나, 상부링(1)은 구형 베어링(7)에 의하여 상부링 축(8)에 대하여 기울어진다. 상부링 축(8)외측에는 다수의 토크 전달 핀(torque transmitting pins)(107)이 방사상으로 설치되어 상부링(1)의 상부면에서 상향 돌출된 다수의 토크 전달 핀(108)과 각각 점접촉되어 있다. 따라서, 상부링(1)이 기울어지는 경우에도, 토크는 토크 전달 핀(107, 108)들 사이의 점접촉을 통하여 상부링 축(8)로부터 상부링(1)으로 확실히 전달될 수 있다.
도면 중 도 9는 본 발명의 발명자가 일본 특허 출원 제 7-287976호에서 고안한 연마 장치를 도시한다. 도 9에 도시한 바와 같이, 반도체 웨이퍼(4)는 상부링(1)으로 지지되어, 턴테이블(5) 상의 연마포(6)에 대하여 가압된다. 반도체 웨이퍼(4)는 원통형 지지링(3)에 의하여 상부링(1)에 지지되며, 상기 원통형 지지링(3)은 키(18)에 의하여 상부링(1) 주변에 배치되어 연결되어 있다. 키(18)는 지지링(3)이 상부링(1)에 대하여 수직으로 이동하고 상부링(1)과 함께 회전하도록 한다. 지지링(3)은 베어링(19)에 의하여 회전할 수 있도록 지지되어 있는데, 이 베어링(19)은 환상으로 간격을 두고서 배치되어 있는 다수(예를 들면, 3개)의 축(21)에 의하여 환상으로 간격을 두고서 배치되어 있는 다수(예를 들면, 3개)의 지지링 기압 실린더(22)에 연결되는 베어링 홀더(20)로 지지된다. 지지링 기압 실린더(22)는 상부링 헤드(9) 상에 고정 탑재된다. 상부링(1)은 구형 베어링(7)과 슬라이딩 접촉으로 지지되는 상부 표면을 가지며, 상기 구형 베어링(7)은 상부링 축(8)의 저면에 슬라이딩으로 지지된다. 상부링 축(8)은 상부링 헤드(9)로 지지되어 회전 가능하다. 상부링(1)은 상부링 헤드(9) 상에 탑재되고 상부링 축(8)에 연결되어 작동하는 상부링 기압 실린더(10)에 의하여 수직으로 이동할 수 있다.
상부링 기압 실린더(10) 및 지지링 기압 실린더(22)는 각각 조절기(R1) 및 (R2)를 통하여 압축 공기 공급원(24)에 연결된다. 조절기(R1)는 압축 공기 공급원(24)으로부터 상부링 기압 실린더(10)로 공급되는 공기압을 조절하여, 상부링(1)이 연마포(6)에 대하여 반도체 웨이퍼(4)를 가압하는 압력을 조절한다. 조절기(R2)는 압축 공기 공급원(24)으로부터 지지링 기압 실린더(22)로 공급되는 공기압을 조절하여, 연마포(6)에 대하여 지지링(3)을 가압하는 압력을 조절한다. 상부링(1)의 압력에 대하여 지지링(3)의 압력을 조절함으로써, 연마압은 반도체 웨이퍼(4) 중심으로부터 주변 가장자리까지, 반도체 웨이퍼(4) 주변에 배치된 지지링(3)의 외부 주변 가장자리까지도 연속적이고 균일하게 된다. 그 결과, 반도체 웨이퍼(4)의 주변부가 과도하게 연마되거나 불충분하게 연마되는 것을 방지한다. 따라서, 반도체 웨이퍼(4)를 고품질로 연마할 수 있고 생산량을 증가시킬 수 있다.
도면 중 도 10은 반도체 웨이퍼(4)를 공지의 연마 장치로 연마하는 도중에 반도체 웨이퍼(4), 연마포(6) 및 탄성 패드(2)의 상태를 나타낸다. 반도체 웨이퍼(4)만을 연마포(6)에 대하여 가압하는 경우, 반도체 웨이퍼(4)의 주변부는 연마포(6)와의 접촉 및 비접촉 간의 경계에 위치하고, 또한 탄성 패드(2)와의 접촉 및 비접촉 간의 경계에 위치한다. 따라서, 반도체 웨이퍼(4)의 주변부에서 연마포(6) 및 탄성 패드(2)에 의하여 반도체 웨이퍼(4)에 가해지는 연마압은 불균일하므로, 반도체 웨이퍼(4)의 주변부는 과도하게 연마될 가능성이 있다. 그 결과, 반도체 웨이퍼(4)의 주변 가장자리가 연마되어 둥글게 되는(edge-rounding) 경우가 종종 있다. 도 9에 도시된 연마 장치는, 지지링(3)이 상부링(1)과 독립적으로 반도체 웨이퍼(4)의 주변에서 연마포(6)에 대하여 가압하므로, 반도체 웨이퍼(4) 주변 가장자리가 과도하게 연마되는 것을 효과적으로 막는다.
고안된 다른 지지링은 상부링 주변에 배치되어 자체 중량으로 연마포를 가압하는 수직 이동 가능한 고리형 추로 구성된다.
기존의 연마 장치 및 일본 특허 출원 제 7-287976호에 제시된 도 9의 연마 장치에서, 연마포가 기복을 갖거나 다른 표면 불규칙성을 갖더라도 반도체 웨이퍼의 연마하고자 하는 표면을 연마포와 평행하도록 하기 위하여 상부링을 기울일 수 있다. 상부링은 상부 링 및 상부 링 축 사이에 슬라이딩 삽입된 구형 컵 베어링 또는 볼을 통하여 기울어질 수 있다. 기울어질 수 있는 상부링은, 매끄러운 슬라이딩 움직임으로 인하여 상부링이 과도하게 기울어져 연마포(6)에 평행하게 유지될 수 없다는 한가지 문제점이 있다. 다시 말하면, 기울어질 수 있는 상부링은 안정적으로 연마포에 대하여 바람직한 위치에서 유지될 수 없다.
상기 문제점을 하기 도면의 도 11을 참조하여 상세히 설명한다. 도 11에서, 상부링(1)을 연마포(6)에 대하여 압력 F1으로 가압하고, 지지링(3)을 연마포(6)의 상부 표면(6a)에 대하여 실질적으로 평행하게 지지링 기압 실린더(22)를 사용하여 압력 F2로 하향 가압한다. 지지링(3)의 내부에 위치한 상부링(1)은, 상부링 축(8) 및 상부링(1) 사이에 슬라이딩 삽입된 구형 베어링(7)에 의하여 연마포(6)에 대하여 기울어질 수 있다. 상부링(1)에 의하여 지지되는 반도체 웨이퍼(4)를 연마하는 경우, 상부링(1)은 반도체 웨이퍼(4)의 저면 및 연마포(6)의 상부 표면(6a) 사이의 마찰력으로 인하여 쉽게 기울어진다. 상부링(1)이 연마포(6)와 평행한 상태에서 과도하게 기울어지면, 상부링(1) 상에 지지되는 반도체 웨이퍼(4)를 평면경 상태로 연마할 수 없다.
따라서, 본 발명의 목적은, 공작물 캐리어, 즉 상부링이 턴테이블 상의 연마포의 기복 또는 표면 불규칙성을 따라 기울어질 수 있고, 연마포에 대하여 상부링이 과도하게 기울어지는 것이 방지되는 연마 장치를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연마 장치의 수직 단면도,
도 2는 도 1에 도시한 연마 장치의 부분 확대 수직 단면도,
도 3은 도 1에 도시한 연마 장치를 개조한 부분 확대 수직 단면도,
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연마 장치의 수직 단면도,
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 연마 장치의 수직 단면도,
도 6은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 연마 장치의 수직 단면도,
도 7A는 본 발명의 제 5 실시예에 따른 연마 장치의 수직 단면도,
도 7B는 도 7A에 도시한 연마 장치와 유사하나 상부링이 과도하게 기울어지는 것을 방지하기 위한 기울기 억제 기구가 없는 연마 장치의 수직 단면도,
도 8은 공지의 연마 장치의 수직 단면도,
도 9는 본 발명의 발명자가 고안한 연마 장치의 수직 단면도,
도 10은 공지의 연마 장치로 반도체를 연마하는 동안에 반도체 웨이퍼, 부직포 및 탄성 패드의 상태를 도시한 부분 확대 단면도,
도 11은 연마 공정시 상부링이 기울어지는 방식을 도시한 부분 확대 단면도이다.
본 발명의 일예에 의한 공작물의 연마 장치는, 상부 표면에 탑재된 연마포를 갖는 턴테이블; 공작물을 연마하기 위하여 공작물을 지지하고 연마포에 대하여 제 1 압력을 가하는 상부링; 상부링 상에 공작물을 지지하기 위하여 상부링 외부에 위치하고 상부링에 대하여 수직으로 이동 가능한 지지링; 및 상부링이 지지링 내에서 실질적으로 안정화되도록 지지하기 위하여 지지링의 내부 주변 표면 및 상부링의 외부 주변 표면 사이에 배치되는 안정 기구로 구성된다.
본 발명의 다른 일예에 의한 공작물의 연마 장치는, 상부 표면에 탑재된 연마포를 갖는 턴테이블; 공작물을 연마하기 위하여 공작물을 지지하고 연마포에 대하여 제 1 압력을 가하며, 공작물의 외부 주변 가장자리를 지지하기 위한 지지부를 갖는 상부링; 지지부의 외부에 위치하고 상부링에 대하여 수직으로 이동 가능한 압착기 링; 및 상부링이 압착기 링 내에서 슬라이딩 안정화되도록 지지하기 위하여 압착기 링의 내부 주변 표면 및 상부링의 외부 주변 표면 사이에 배치되는 안정 기구로 구성된다.
안정 기구는, 상부링이 지지링 또는 압착기 링 내에 과도하게 기울어지는 것을 방지하기 위하여, 지지링 또는 압착기 링의 내부 주변 표면상에 지지되어 있으며 상부링의 외부 주변 가장자리와 롤링 접촉으로 지지되는 회전 가능한 다수의 롤러로 구성될 수 있다.
이와 달리, 상부링이 지지링 또는 압착기 링 내에 과도하게 기울어지는 것을 방지하기 위하여, 지지링 또는 압착기 링의 내부 주변 표면상에 지지되어 있으며 상부링의 외부 주변 가장자리와 롤링 접촉으로 지지되는 탄성 부재로 구성될 수 있다.
안정 기구는 지지링 또는 압착기 링의 내부 주변 표면 상에 배치되어 상부링의 외부 주변 표면과 맞물린다. 안정 기구는 롤러 또는 O-형 고무 링 등과 같은 탄성 부재로 구성된다. 지지링 또는 압착기 링의 내부 주변 표면 상의 롤러 또는 탄성 부재는 상부링의 외부 주변 표면과 접촉하여 상부링이 지지링 또는 압착기 링 내에서 실질적으로 각을 이루어 안정화되도록 지지한다. 상부링이, 공작물이 연마되는 도중에 상부링에 의하여 지지되는 공작물과 연마포 사이에 마찰 접촉으로 인하여 상부링을 기울어지게 하는 힘을 받는 경우에도, 공작물을 지지하는 상부링의 표면은 과도하게 기울어지는 것이 방지되며 연마포의 표면과 실질적으로 평행하게 유지된다. 또한, 안정 기구는 불안정한 상부링을 안정한 지지링 또는 압착기 링과 연계하여 안정화하는 역할을 한다. 안정 기구를 통하여, 지지링 또는 압착기 링은 상부 링에 대하여 수직으로 이동하거나, 상부링만이 회전하고 지지링 또는 압착기 링은 회전하지 않을 수 있다.
본 발명의 상기 및 기타 목적, 특징 및 장점은, 본 발명의 바람직한 실시형태를 실시예로 나타내는 도면과 함께 하기 상세한 설명을 통하여 더욱 명백할 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 연마 장치를 도면을 참조하여 하기한다. 도면에서, 동일하거나 상응하는 부분은 동일하거나 상응하는 참조 번호로 나타낸다.
도 1 및 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연마 장치이다.
도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 상부링(1)은 반도체 웨이퍼(4)를 지지하기 위한 저면을 가지며, 상기 저면 위에 연마되는 공작물이 위치한다. 폴리우레탄 등의 탄성 패드(2)를 상부링(1)의 저면에 부착한다. 지지링(3)은 상부링(1) 주변에 배치되어 상부링(1)에 대하여 수직으로 이동한다. 연마포(6)가 상부 표면에 부착되어 있는 턴테이블(5)은 상부링(1) 밑에 배치된다. 연마포(6)는 턴테이블(5)의 연마 표면을 구성한다.
상부링(1)은 상부링(1)의 상부 표면에 탑재된 볼(7)에 대하여 지지되는 수직 상부링 축(8)에 연결된다. 상부링 축(8)는 작동시에 상부링 헤드(9)의 상부에 고정 탑재되는 상부링 기압 실린더(10)에 연결된다. 상부링 축(8)은, 탄성 패드(2) 상에 지지되어 있는 반도체 웨이퍼(4)를 턴테이블(5) 상의 연마포(6)에 대하여 가압하기 위하여, 상부링 기압 실린더(10)에 의하여 수직으로 이동 가능하다.
상부링 축(8)는 키(도시하지 않음)에 의하여 회전 가능한 실린더(11)를 통하여 연장되어 실린더(11)와 공회전할 수 있도록 연결되는 중간부를 가지며, 회전 가능한 실린더(11)는 외부 주변 표면에 탑재된 도르래(12)를 갖는다. 도르래(12)는 작동시에 타이밍 벨트(13)에 의하여 상부링 모터(14)의 회전 가능한 축 상에 탑재된 타이밍 도르래(15)에 연결되며, 상기 상부링 모터(14)는 상부링 헤드(9) 상에 고정 탑재된다. 따라서, 상부링 모터(14)가 가동될 때, 회전 가능한 실린더(11) 및 상부링 축(8)는 타이밍 도르래(15), 타이밍 벨트(13) 및 타이밍 도르래(12)를 통하여 함께 회전한다. 이어서, 상부링(1)이 회전한다. 상부링 헤드(9)는 프래임(도시하지 않음) 상에 수직 고정된 상부링 헤드 축(16)에 의하여 지지된다.
지지링(3)은 공회전이 가능하나 수직으로 움직일 수 있어, 키(18)에 의하여 상부링(1)에 연결된다. 지지링(3)은 베어링 홀더(20)상에 탑재된 베어링(19)에 의하여 지지되어 회전 가능하다. 베어링 홀더(20)는 수직 축(21)에 의하여 다수(이 실시예에서는 3개)의 주변에 공간을 갖는 지지링 기압 실린더(22)에 연결된다. 지지링 기압 실린더(22)는 상부링 헤드(9)의 저면에 고정된다.
상부링 기압 실린더(10) 및 지지링 기압 실린더(22)는 압축 공기 공급원(24)에 연결시켜 조절기 (R1) 및 (R2) 각각을 통하여 공기를 넣는다. 조절기(R1)는 압축 공기 공급원(24)에서 상부링 기압 실린더(10)으로 공급되는 공기압을 조절하여 반도체 웨이퍼(4)를 연마포(6)에 대하여 가압한다. 조절기(R2)는 또한 압축 공기 공급원(24)에서 지지링 기압 실린더(22)로 공급되는 공기압을 조절하여, 연마포(6)를 가압하기 위하여 지지링(3)에 의하여 가해지는 압력을 조절한다. 조절기(R1) 및 (R2)는 제어기(도 1에 도시하지 않음)를 사용하여 제어한다.
연마액 공급 노즐(25)은 연마액(Q)을 턴테이블(5) 상의 연마포(6)에 공급하기 위하여 턴테이블(5) 상에 위치한다.
도 1 및 2에 도시된 연마 장치를 하기와 같이 작동한다. 연마하려는 반도체 웨이퍼(4)를 탄성 패드(2)에 대하여 상부링 밑에 지지시키고, 상부링 기압 실린더(10)를 작동시켜 반도체 웨이퍼(4)가 회전 턴테이블(5)의 상부 표면에서 연마포(6)에 대하여 가압될 때까지 상부링(1)을 턴테이블(5) 쪽으로 낮춘다. 상부링(1) 및 지지링(3)은 상부링 축(8)을 통하여 상부링 모터(14)에 의하여 회전한다. 연마액(Q)은 연마액 공급 노즐(25)를 통하여 연마포(6) 위에 공급되므로, 연마포(6) 위에 연마액(Q)가 보유된다. 따라서, 반도체 웨이퍼(4)의 저면을 반도체 웨이퍼(4) 및 연마포(6) 사이에 있는 연마액(Q)으로 연마한다.
상부링 기압 실린더(10)에 의하여 움직이는 상부링(1)에 의하여 가해지는 압력에 따라, 반도체 웨이퍼(4)가 연마되는 동안 지지링 기압 실린더(22)에 의하여 움직이는 지지링(3)에 의하여 연마포(6)에 가해지는 압력이 조절된다. 연마 공정 중에, 반도체 웨이퍼(4)를 연마포(6)에 대하여 가압하기 위하여 상부링(1)에 의해 가해지는 압력 F1(도 1 참조)을 조절기(R1)를 사용하여 조절할 수 있으며, 연마포(6)을 가압하기 위하여 지지링(3)에 의해 가해지는 압력(F2)를 조절기(R2)를 사용하여 조절할 수 있다. 따라서, 연마 공정 중에, 연마포(6)를 가압하기 위하여 지지링(3)을 사용하여 가하는 압력(F2)을, 반도체 웨이퍼(4)를 연마포(6)에 대하여 가압하기 위하여 상부링(1)에 가하는 압력(F1)에 따라 변화시킬 수 있다. 압력(F1)에 대한 압력(F2)을 조절함으로써, 연마압이 반도체 웨이퍼(4)의 중심으로부터 주변 가장자리로, 반도체 웨이퍼(4) 주변에 배치된 지지링(3)으 외부 주변 가장자리까지도 연속적으로 균일하게 분배된다. 따라서, 반도체 웨이퍼(4)의 주변부가 과도하게 연마되거나 불충분하게 연마되는 것이 방지된다. 이 때 반도체 웨이퍼(4)는 고품질로 연마될 수 있으며, 생산량이 우수하다.
반도체 웨이퍼(4)의 내부 영역보다는 반도체 웨이퍼(4)의 주변부로부터 재료의 두껍거나 얇은 두께를 제거하려 한다면, 지지링(3)에 의하여 가해지는 압력(F2)을 상부링(1)에 의하여 가해지는 압력(F1)을 근거하여 적당한 값으로 선택하여, 반도체 웨이퍼(4)의 주변부로부터 제거되는 재료의 양을 주의깊게 증가시키거나 감소시킨다.
상부링(1)의 기울어짐을 억제하는 기구[앞으로 기울기 억제 기구(70)로 칭함]을 지지링(3)의 내부 주변 표면에 배치하고 상부링(1)의 외부 주변 표면과 맞물리게 한다. 기울기 억제 기구(70)은 안정 기구를 포함하고, 상부링 축(8) 및 연마포(6)에 대하여 상부링(1)이 과도하게 기울어지는 것을 방지한다. 상부링 기압 실린더(10)는 상부링 축(8)의 저면 말단에 볼 베어링(7)을 통하여 하향압(F1)을 가한다. 상부링(1)은 볼 베어링(7) 주위에서 상부링(1)의 외부 주변 표면 및 지지링(3)의 내부 주변 표면 사이에 제공되는 작은 틈 내에 기울어질 수 있다. 반도체 웨이퍼(4)를 연마하는 동안, 상부링(1)에는 반도체 웨이퍼(4) 및 연마포(6) 사이의 마찰 접촉으로 인한 수평 마찰력이 생겨, 이러한 수평 마찰력으로 인한 모멘트 하에 볼 베어링(7) 주위에서 상부링(1)이 기울어지는 경향이 있다. 기울기 억제 기구(70)는 지지링(3) 내에서 상부링의 각도가 사실상 안정되게끔 상부링(1)의 외측면과 지지링(3)의 내축면 간에 일정한 틈을 유지하는 작용을 함으로써 상부링(1)이 과도하게 기울어지는 것을 방지하여 사실상 수평으로 유지되도록 하는 것이다.
도 2는 기울기 억제 기구(70)을 상세히 나타낸다. 지지링(3)은 환상 함입부(recess, 71)가 내부 주변 표면에 형성되어 있다. 기울기 억제 기구(70)은 각각의 축(73)에 의하여 환상 함입부(71)에 배치되어 회전할 수 있는 다수(예를 들면 6개)의 롤러(72)로 구성된다. 롤러(72)는 상부링(1)을 둘레를 따라서 적당한 간격으로 배치되어 상부링(1)이 볼베어링(7)을 중심으로 과도하게 기울어지는 것을 방지한다. 결과적으로, 반도체 웨이퍼(4) 및 연마포(6) 사이의 마찰력하에서도 지지링(3)의 저면 및 반도체 웨이퍼(4)를 지지하는 상부링의 저면은 연마포(6)의 상부 표면에 대하여 실질적으로 평행하게 유지된다. 또한, 기울기 억제 기구(70)은 불안정한 상부링(1)을 지지링(3)과 연계하여 안정화시키는 역할을 한다. 즉, 상부링(1)이 약간 진동하는 경우에도, 기울기 억제 기구(70)은 상부링(1)의 진동을 막는다. 롤러(72)는 나일론, 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌과 같은 합성 수지로 만드는 것이 바람직하다.
도 3은 개조한 기울기 억제 기구(70)을 상세히 도시한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 지지링(3)은 내부 주변 표면에 형성되는 환상 함입부(75)를 갖는다. 개조된 기울기 억제 기구(70)은 환상 함입부(75)에 맞는 O-형 고무 링과 같은 탄성 링(76)으로 구성된다. 탄성링(76)은 지지링(3)의 내부 주변 표면으로부터 내부로 방사 돌출되어 상부링(1)의 외부 주변 표면과 접촉하여, 상부링(1)을 지지링(3) 내에서 실질적으로 각을 이루어 안정화되도록 지지한다. 상부링(1)의 외부 주변 표면은 탄성 링(76)에 의하여 지지링(3)에 대하여 탄성 고정되므로, 상부링(1)이 과도하게 기울어지는 것이 방지되고, 따라서 반도체 웨이퍼(4) 및 연마포(6) 사이에 마찰력이 있더라도 실질적으로 연마포(6)에 평행하게 유지된다.
본 발명에 따른 기울기 억제 기구은, 상부링(1) 및 지지링(3)을 서로에 대하여 수직으로 움직이도록 하는 동시에 상부링(1)이 지지링(3)과 함께 회전하도록 하는 동안, 상부링(1)의 외부 주변 표면을 지지링(3)의 내부 주변 표면에 고정할 필요가 있다. 이러한 조건이 만족된다면, 기울기 억제 기구는 롤러(72) 또는 탄성링(76)에 제한되지 않으며, 다른 여러 요소를 모두 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 다른 연마 장치를 도시한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상부링(1) 주변에 배치된 지지링(3)은 다수의 롤러(27)에 의하여 하방 가압될 수 있는 지지링 홀더(26)에 의하여 지지된다. 롤러(27)는 각각의 축(28)에 의하여 지지되어 회전할 수 있으며, 상기 각각의 축(28)은 상부링 헤드(9)의 저부에 고정된 각각의 지지링 기압 실린더(22)에 연결되어 있다. 지지링(3)은 도 1 및 2에 도시한 제 1 실시예에서와 같은 키(18)에 의하여, 상부링(1)에 대하여 수직으로 움직일 수 있으며 상부링(1)과 함께 회전할 수 있다.
작동시, 상부링(1) 및 지지링(3)이 회전하는 동안, 롤러(27)는 지지링 홀더(26)와 롤링 접촉하고, 롤러(27)는 자체축에 대하여 회전한다. 이 때, 지지링(3)은 지지링 기압 실린더(22)가 내리누르는 롤러(27)에 의하여 하향 가압되며, 이로써 연마포(6)에 주어진 압력을 가한다. 연마 장치는, 상부링(1)을 지지링(3) 내에서 실질적으로 각을 이루어 안정화되도록 하기 위하여, 기울기 억제 기구(70)을 가져, 상부링(1)이 과도하게 기울어지는 것을 방지한다. 상부링(1) 및 압착기 링(3A)이 회전 가능하므로, 기울기 억제 기구(70)은 O-형 고무링 등과 같은 탄성 부재로 구성되는 것이 바람직하다.
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 연마 장치를 도시한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상부링(1)은 외부 주변 가장자리를 따라 연장되며 저부로부터 하향 돌출되는 환상 지지부(1a)를 갖는다. 환상 지지부(1a) 및 상부링(1)의 저면은 연결되어, 그 안에 반도체 웨이퍼(4)를 지지하기 위한 공간을 형성한다. 즉, 상부링(1)의 저면은 반도체 웨이퍼(4)의 상부 표면을 지지하고, 지지부(1a)는 반도체 웨이퍼(4)의 외부 주변 가장자리를 지지하여 반도체 웨이퍼(4)가 상부링(1)에서 빠지는 것을 방지한다. 압착기 링(3A)는 상부링(1) 주위에 배치되어 수직 이동할 수 있다.
압착기 링(3A)은 공회전할 수 있으나, 키(18)에 의하여 상부링에 연결되어 수직 이동 가능하다. 압착기 링(3A)은 베어링 홀더 상에 탑재된 베어링(19)에 의하여 지지되어 회전 가능하다. 베어링 홀더(20)는 수직 축(21)에 의하여 다수(이 실시예에서 3개)의 주변에 공간을 갖는 압착기 링 기압 실린더(23)에 연결된다. 압착기 링 기압 실린더(23)는 상부링 헤드(9)의 저면에 고정된다. 도 5에 도시한 연마 장치의 다른 상세한 설명은 제 1 실시예에 따른 도 1의 연마 장치와 동일하다.
도 5에 도시한 연마 장치는, 상부링(1)이 압착기 링(3A) 내에서 실질적으로 각을 이루어 안정화되도록 지지하는 기울기 억제 기구(70)을 가져, 상부링(1)이 과도하게 기울어지는 것을 방지한다. 상부링(1) 및 압착기 링(3A)이 회전 가능하므로, 기울기 억제 기구(70)은 O-형 고무링 등과 같은 탄성 부재로 구성되는 것이 바람직하다. 제 3 실시예에서, 압착기 링(3A)는 회전할 수 없으며(즉, 정지되어 있다.) 상부링(1)만이 회전 가능하다. 이와 같은 개조시, 기울기 억제 기구(70)은 도 2에 도시된 바와 같은 다수의 롤러로 구성된다.
도 6은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 연마 장치를 도시한다. 도 6에 도시한 바와 같이, 상부링(1)은 외부 주변 가장자리를 따라 연장되고 저면으로부터 하향 돌출되는 환상 지지부(1a)를 갖는다. 반도체 웨이퍼(4)는 상부링(1)의 저면 및 지지부(1a)에 의하여 지지되며, 상부링(1)에서 빠지는 것이 방지된다. 압착기 링(3A)는 상부링(1) 주위에 배치되어 수직 이동 가능하다. 압착기 링(3A)는 다수의 롤러(27)로 가압되는 압착기 링 홀더(26)에 의하여 지지된다. 롤러(27)는 각각의 축(28)에 의하여 상부링 헤드(9)의 저면에 고정되는 압착기 링 기압 실린더(23)에 연결된다. 압착기 링(3A)는 상부링(1)에 대하여 수직 이동 가능하고, 키(18)에 의하여 상부링(1)과 함께 회전할 수 있다. 도 6의 연마 장치의 기타 상세한 설명은 제 2 실시예에 따른 도 4의 연마 장치와 동일하다.
도 6에 도시된 연마 장치는, 상부링(1)이 압착기 링(3A) 내에서 실질적으로 각을 이루어 안정화되도록 하는 기울기 억제 기구(70)을 가져, 상부링(1)이 과도하게 기울어지는 것을 방지한다.
도 7A는 본 발명의 제 5 실시예에 따른 연마 장치를 도시한다. 도 7B는 도 7A에 도시한 연마 장치와 유사한 연마 장치를 도시한 것이나, 상부링이 과도하게 기울어지는 것을 방지하는 기울기 억제 기구가 없다. 도 7B에서, 지지링(3)은 연마하려는 반도체 웨이퍼(4)를 지지하는 상부링과 독립적으로 연마포(6)에 대하여 지지된다. 지지링(3)은 반도체 웨이퍼(4) 주변의 연마포를 자체 중량으로 눌러서, 반도체 웨이퍼(4)와 접촉하는 연마포(6)의 표면과 반도체 웨이퍼(4) 주변의 연마포(6)의 표면 간에 층(step)이 생기는 것을 방지한다. 상부링(1) 및 지지링(3)은 상호 독립적이므로, 상부링(1)이 기울어지는 경우, 상부링이 지지링(3)에 의하여 지지되지 않고, 연마포(6)의 표면과 평행한 상태로부터 과도하게 기울어질 수 있다. 한편으로, 도 7A 에 도시한 연마 장치는, 지지링(3)으로 지지되고 상부링(1)과 롤링 맞물림으로 지지되어 회전 가능한 다수의 탄성 롤러(72)로 구성되어 있는 기울기 억제 기구(70)을 가져, 상부링(1)이 지지링(3)에서 과도하게 기울어지는 것을 방지한다.
상기 실시예에서는 모두, 연마 장치에 의하여 연마하려는 공작물을 반도체 웨이퍼로 기재하였으나, 본 발명에 따른 연마 장치는 유리 제품, 액정 패널, 세라믹 제품 등을 포함하는 다른 공작물에 사용할 수 있다. 설명한 실시예에서 상부링(1), 지지링(3) 및 압착기 링(3A)은 기압 실린더에 의하여 가압되나, 유압 실린더로 가압할 수 있다. 이와 달리, 상부링(1), 지지링(3) 및 압착기 링(3A)은 기계 장치보다 압전 장치 또는 전자기 장치와 같은 전기 장치로 가압할 수 있다.
상기 실시예에서는 모두 기울기 억제 기구가 지지링 또는 압착기 링에 탑재되나, 기울기 억제 기구를 상부링에 탑재할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 배치에서, 연마하려는 공작물을 지지하는 상부링은 과도하게 기울어지는 것과 불균일한 압력이 분배되는 것이 방지되고, 공작물의 전표면을 평면경 상태로 연마하기 위하여 공작물의 전표면에 걸쳐 균일한 압력을 가할 수 있다. 결과적으로, 본 발명에 따르면, 반도체 웨이퍼의 제작에 연마 장치를 사용하는 경우, 반도체 웨이퍼를 외부 주변 가장자리를 포함하는 전표면에 걸쳐 평면경 상태로 연마할 수 있다. 따라서, 이와 같이 연마된 반도체 웨이퍼의 외부 주변 가장자리를 포함하는 모든 부분을 제품으로 사용할 수 있으며, 반도체 장치의 생산량이 증가될 수 있다.
본 발명에 관해서 특정한 바람직한 실시예를 들어서 상세히 설명하였으나, 본 발명은 첨부한 특허청구 범위에서 벗어남 없이 다양한 변형 및 변경이 가능한 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에 따르면, 공작물 캐리어, 즉 상부링이 턴테이블 상의 연마포의 기복 또는 표면 불규칙성을 따라 기울어질 수 있고, 연마포에 대하여 과도하게 기울어지는 것이 방지되는 연마 장치를 얻을 수 있다.

Claims (12)

  1. 상부 표면에 연마포가 부착되는 턴테이블; 공작물을 지지하고 상기 연마포에 대하여 공작물을 연마하기 위하여 제 1압력을 가하는 상부링; 상기 상부링의 외측에서 상부링에 대하여 수직으로 움직일 수 있도록 배치되어 공작물을 지지하는 지지링; 및 상기 지지링의 내측과 상기 상부링의 외측 사이에 배치되어 상기 상부링을 상기 지지링 내에 안정되게 지지하는 안정 기구로 구성되는 공작물의 연마 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 안정 기구는, 상기 상부링의 각도가 안정되도록 하여 상기 상부링이 상기 지지링 내에서 과도하게 기울어지는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 지지링에 상기 연마포에 대하여 제 2 압력을 가하기 위하여 가압 기구를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 안정 기구는, 상기 상부링이 상기 지지링 내에서 과도하게 기울어지는 것을 방지하기 위하여, 상기 지지링의 내부 주변 표면 상에 지지되고 상기 상부링의 외부 주변 표면과 롤링 접촉하여 지지되어 회전 가능한 다수의 롤러로 구성되는 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 안정 기구는, 상기 상부링이 상기 지지링 내에서 과도하게 기울어지는 것을 방지하기 위하여, 상기 지지링의 내부 주변 표면 상에 지지되고 상기 상부링의 외부 주변 표면과 접촉하여 지지되는 탄성 부재로 구성되는 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  6. 상부 표면에 연마포가 부착되는 턴테이블; 공작물을 지지하고 연마포에 대하여 공작물을 연마하기 위하여 제 1압력을 가하며, 공작물의 외부 주변 가장자리를 지지하기 위한 지지부를 갖는 상부링; 상기 지지부의 외측에서 상부링에 대하여 수직으로 움직일 수 있도록 배치되어 공작물을 지지하는 압착기 링; 및 상기 압착기 링의 내측과 상기 상부링의 외측 사이에 배치도어 상기 상부링을 상기 압착기 링 안정되게 지지하는 안정 기구로 구성되는 공작물의 연마 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 안정 기구는, 상기 상부링의 각도가 안정되도록 하여 상기 상부링이 상기 지지링 내에서 과도하게 기울어지는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 지지링에 상기 연마포에 대하여 제 2 압력을 가하기 위하여 가압 기구를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  9. 제 6항에 있어서, 상기 안정 기구는, 상기 상부링이 상기 압착기 링 내에서 과도하게 기울어지는 것을 방지하기 위하여, 상기 압착기 링의 내부 주변 표면 상에 지지되고 상기 상부링의 외부 주변 표면과 롤링 접촉하여 지지되어 회전 가능한 다수의 롤러로 구성되는 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  10. 제 6항에 있어서, 상기 안정 기구는, 상기 상부링이 상기 압착기 링 내에서 과도하게 기울어지는 것을 방지하기 위하여, 상기 압착기 링의 내부 주변 표면 상에 지지되고 상기 상부링의 외부 주변 표면과 접촉하여 지지되는 탄성 부재로 구성되는 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  11. 연마 표면을 갖는 턴테이블; 공작물을 지지하고 상기 연마포에 대하여 공작물을 연마하기 위하여 압력을 가하는 상부링; 상기 상부링의 외측에서 상부링에 대하여 수직으로 움직일 수 있도록 배치되어 공작물을 지지하는 지지링; 및 상기 지지링의 내측과 상기 상부링의 외측 사이에 배치되어 상기 상부링을 상기 지지링 내에 안정되게 지지하는 안정 기구로 구성되는 공작물의 연마 장치.
  12. 연마 표면을 갖는 턴테이블; 공작물을 지지하고 연마포에 대하여 공작물을 연마하기 위하여 압력을 가하며, 공작물의 외부 주변 가장자리를 지지하기 위한 지지부를 갖는 상부링; 상기 지지부의 외측에서 상부링에 대하여 수직으로 움직일 수 있도록 배치되어 공작물을 지지하는 압착기 링; 및 상기 압착기 링의 내측과 상기 상부링의 외측 사이에 배치되어 상기 상부링을 상기 압착기 링 안정되게 지지하는 안정 기구로 구성되는 공작물의 연마 장치.
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