KR20050015229A - 컨디셔너 캐리어용 복합운동기구가 구비된 반도체 웨이퍼표면연마장비 - Google Patents

Abstract

본 발명은 컨디셔너 캐리어용 복합운동기구가 구비된 반도체 웨이퍼 표면연마장비에 관한 것으로, 연마패드가 부착된 비회전의 플래튼과, 그 상부에 배치되어 하우징 내측에서 자전하는 스핀들이 구비되고 그 내부에는 복수의 캐리어축이 각각 연직상으로 배치되며 상기 각 캐리어축의 하부에 폴리싱 및 컨디셔너 캐리어가 각각 설치되어 있는 헤드부로 이루어진 CMP 장비에 있어서, 상기 컨디셔너 캐리어 및 그 캐리어축 사이에는, 상기 컨디셔너 캐리어의 공전과 동시에 연마패드 반경방향으로의 직선왕복 및 자전운동을 복합 병행할 수 있도록, 상기 컨디셔너 캐리어를 하부에 고정시킨 채로 내부에 형성된 소정의 직선경로를 따라 안내되는 이동부재를 구비한 직선운동장치부가 장착되어 이루어진 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 CMP 장비에 의하면, 상기 헤드부의 회전에 의한 공전과 동시에 연마패드 반경방향으로의 직선왕복 및 회전운동을 병행할 수 있게 됨으로써 폴리싱 캐리어의 구동에 의한 웨이퍼 연마시 원하는 형태의 웨이퍼 표면상태에 적합하게 연마패드의 표면을 컨디셔닝할 수 있고, 소형의 컨디셔너 디스크에 의해서도 컨디셔닝 작업이 가능하여 장비의 사용 및 유지에 소요되는 비용을 현저히 절감할 수 있는 효과가 있다.

Description

컨디셔너 캐리어용 복합운동기구가 구비된 반도체 웨이퍼 표면연마장비{Semiconductor wafer polishing system having combined mechanism for conditioner carrier}

본 발명은 컨디셔너 캐리어용 복합운동기구가 구비된 반도체 웨이퍼 표면연마장비에 관한 것으로, 특히 연마패드가 부착된 플래튼은 정지되어 있고 폴리싱 및 컨디셔너 캐리어가 장착된 헤드부의 스핀들만이 회전하는 방식의 CMP 장비(화학-기계적 연마장치)에 있어서, 폴리싱 캐리어의 구동에 의한 웨이퍼 연마시 원하는 형태의 웨이퍼 표면상태를 형성할 수 있도록 연마패드의 표면을 컨디셔닝하기 위하여, 상기 스핀들의 회전에 의한 컨디셔너 캐리어의 공전과 동시에 연마패드 반경방향으로의 직선왕복 및 회전운동을 병행하는 복합적인 움직임을 구현케 한 컨디셔너 캐리어용 복합운동기구가 구비된 반도체 웨이퍼 표면연마장비에 관한 것이다.

일반적으로, CMP(Chemical Mechanical Polishing) 장비는 기계적 연마 및 연마액(Slurry)에 의한 화학적 반응작용을 통해 웨이퍼 표면의 다수 배선층간 단차를 제거하여 고정밀 평탄화하기 위한 용도로 사용되는 표면연마장비이다.

상기 CMP 장비는 상면에 연마패드(탄성 연마포)가 부착된 플래튼(연마테이블)과, 웨이퍼를 상기 연마패드에 마찰시켜주는 헤드부로 이루어져 있다. 상기 헤드부에는 연마패드와 웨이퍼 표면이 상호 접촉될 수 있도록 웨이퍼를 파지한 상태로 하향 가압 및 회전되는 폴리싱 캐리어와, 상기 연마패드 상에 연마액(Slurry)을 공급하기 위한 슬러리 공급노즐과, 상기 연마패드의 연마능력을 지속적으로 유지할 수 있도록 연마패드 표면이 변형되거나 오염되지 않게 드레싱해주는 컨디셔너를 파지하여 회전시켜주는 컨디셔너 캐리어 등으로 구성된다.

상기 CMP 장비로는, 플래튼과 헤드부(컨디셔너 캐리어)가 상대적으로 각각 회전될 수 있게 한 것과, 플래튼은 정지되어 있고 헤드부(컨디셔너 캐리어)만 회전될 수 있게 한 것 등 다양한 구조로 개발되어 그 용도에 따라 선택적으로 사용되어지고 있다. 이중에서 플래튼 및 컨디셔너 캐리어가 모두 회전하는 CMP 장비의 대표적 일례로는, 상기 컨디셔너 캐리어가 플래튼의 일측에서 축선회 가능한 아암의 단부에 설치되어 있어 연마패드의 상부로 선회 및 하강하여 복합적인 상대운동에 의해 가변적 궤도를 따라서 마찰됨으로써 상기 연마패드의 표면이 웨이퍼 연마조건에 적합한 컨디셔닝 상태를 유지할 수 있게 한 것이 있다.

그러나 이에 비하여, 플래튼이 정지되어 있고 헤드부만 회전하는 방식의 CMP 장비에서는, 컨디셔너 캐리어의 자전운동과 헤드부 내 스핀들의 회전에 의한 공전운동이 동시에 이루어지면서 연마패드상의 일정 궤적만을 따라서 컨디셔닝하여 연마패드의 표면상태를 항상 균일하게 유지시켜줌으로써 웨이퍼 연마조건에 적합하게 컨디셔닝할 수 없는 문제점이 있었다.

또한, 상기 컨디셔너 캐리어의 제한적인 궤적상태에 따른 문제점을 해결하고 연마패드의 전체면에 대한 컨디셔닝 작업이 이루어지기 위해서는 그 컨디셔너 디스크의 직경이 커질 수밖에 없었으나, 상기 컨디셔너 디스크가 고가의 소모품인 점, 특히 링형 컨디셔너의 경우 그 직경이 크고 가공상의 어려움으로 인한 단가 상승요인이 있음을 감안할 때 장비의 사용 및 유지에 대한 비용부담이 크다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은, 플래튼은 정지되어 있고 헤드부만 회전하는 방식의 CMP 장비에 있어서 상기 헤드부의 회전에 의한 공전과 동시에 연마패드 반경방향으로의 직선왕복 및 회전운동을 병행할 수 있는 컨디셔너 캐리어의 복합적 메커니즘을 구현함으로써 폴리싱 캐리어의 구동에 의한 웨이퍼 연마시 원하는 형태의 웨이퍼 표면상태에 적합하게 연마패드의 표면을 컨디셔닝할 수 있도록 된 컨디셔너 캐리어용 복합운동기구가 구비된 반도체 웨이퍼 표면연마장비를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 소형의 컨디셔너 디스크에 의해서도 컨디셔닝 작업이 가능한 컨디셔너 캐리어의 복합적 메커니즘을 구현함으로써 장비의 사용 및 유지에 소요되는 비용을 현저히 절감할 수 있게 한 컨디셔너 캐리어용 복합운동기구가 구비된 반도체 웨이퍼 표면연마장비를 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 컨디셔너 캐리어용 복합운동기구가 구비된 반도체 웨이퍼 표면연마장비는, 상면에 연마패드가 부착된 비회전 방식의 플래튼과, 상기 플래튼의 상부에 배치되어 그 하우징의 내측에서 중심고정축을 중심으로 회전하는 스핀들이 구비되고 상기 스핀들의 내부에는 상기 중심고정축 상에 설치된 중공회전축에 인접하여 복수의 캐리어축이 연직방향으로 각각 배치되며 상기 각 캐리어축의 하부에 폴리싱 캐리어와 컨디셔너 캐리어가 각각 설치되어 상기 각 캐리어가 상기 스핀들과 함께 연마패드의 원주방향을 따라 공전하도록 된 헤드부로 이루어진 반도체 웨이퍼 표면연마장비에 있어서, 상기 컨디셔너 캐리어가 장착되는 캐리어축과 그 하부의 컨디셔너 캐리어 사이에는, 상기 스핀들의 회전에 의한 컨디셔너 캐리어의 공전과 동시에 상기 연마패드의 반경방향으로의 직선왕복과 자전운동을 복합적으로 병행할 수 있도록, 상기 컨디셔너 캐리어를 하부에 고정시킨 채로 내부에 형성된 소정의 직선경로를 따라 안내되는 이동부재를 구비한 직선운동장치부가 장착되어 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 직선운동장치부는, 수평방향으로 소정 길이만큼 신장 형성되고 그 측면상에는 길이방향을 따라 랙이 형성되어 있으며 그 상면이 상기 캐리어축의 단부에 결합되는 브래킷과, 상기 브래킷의 길이방향을 따라 배치되어 그 양단이 회전 가능하도록 지지된 나사축과, 상기 나사축을 구동시켜주기 위한 동력전달장치와, 상기 나사축의 정·역방향으로의 회전시 비회전되도록 구속됨으로써 그 나선을 따라 직선왕복운동을 수행하는 상기 이동부재로서의 직선운동너트와, 상기 직선운동너트의 하부에 장착되는 상기 컨디셔너 캐리어의 외주에 형성되어 상기 랙과 기어결합되는 피니언을 포함하여 이루어진 것이 바람직하다.

여기서, 상기 동력전달장치는, 컨디셔닝 작업 중에 상기 연마패드상에서의 다양한 형태의 구간별 속도조절 및 정·역회전의 방향조절이 가능하도록 제어할 수 있는 구동원으로서의 서보모우터와, 상기 모우터축과 상기 나사축에 각각 결합되는 한 쌍의 타이밍풀리 및 상기 한 쌍의 타이밍풀리에 체결되는 타이밍벨트로 이루어지고, 상기 나사축은 볼나사축으로서, 그 나선홈과 상기 직선운동너트 내주의 나선홈 사이에 볼을 개입하여서 된 볼스크류장치가 적용된 것이 바람직하다.

또한, 상기 컨디셔너 캐리어는, 상기 연마패드와 접촉되는 외측면이 컨디셔닝에 적합한 조도로 널링(knurling) 가공되어 있고 그 내측면에는 다수의 요홈이 형성된 컨디셔너 디스크와, 상기 컨디셔너 디스크의 내측면과 접촉되는 면상에 상기 요홈 내로 삽입되는 걸림돌기가 형성되고 그 중앙부에는 자력에 의해 상기 컨디셔너 디스크를 밀착시킬 수 있는 자성판이 구비되며 그 배면쪽에는 피스톤부가 돌출 형성된 디스크홀더와, 내측에 상기 피스톤부를 수용할 수 있는 챔버가 형성되어 그 밀폐된 챔버 내의 유체 주입정도에 따라 상기 연마패드상에서 컨디셔너 디스크를 원하는 형태의 구간별 압력상태로 가압 조절할 수 있도록 된 홀더 하우징과, 상기 디스크홀더와 홀더 하우징간의 중첩된 둘레를 따라 개재되는 박판형 링으로서 그 내주와 외주가 한 쌍의 고정링을 매개로 상기 디스크홀더와 홀더 하우징의 둘레에 각각 고정되어 상기 컨디셔너 디스크와 연마패드가 불균형상태로 가압접촉될 때 상기 홀더 하우징으로부터 상기 디스크홀더가 능동적으로 완충될 수 있도록 이들을 상호 연결시켜주는 가요성 링판과, 상기 홀더 하우징과 결합되고 그 외측면 둘레에 피니언이 형성된 기어 하우징과, 상기 챔버로 통하는 유체통로가 관통 형성되어 있고 상기 기어 하우징과 이동부재간을 결합시켜주는 접속하우징과, 상기 이동부재의 직선왕복운동시 상기 피니언의 기어결합에 의한 컨디셔너 디스크의 회전이 자유롭도록 상기 기어 하우징과 접속하우징간에 개재된 베어링과, 상기 기어 하우징과 접속하우징간의 기밀성을 유지할 수 있도록 개재되는 밀봉링을 포함하여 이루어진 것이 바람직하다.

또한, 상기 컨디셔너 캐리어는 그 컨디셔너 디스크의 직경을 150mm 이하로 하는 소형구조로 이루어진 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 컨디셔너 캐리어용 복합운동기구가 구비된 반도체 웨이퍼 표면연마장비를 첨부 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 내지 도 5b는 본 발명에 따른 컨디셔너 캐리어용 복합운동기구가 구비된 반도체 웨이퍼 표면연마장비에 대한 전체 구조 및 각부의 상세 구조를 각각 나타낸 것으로서, 도 1은 본 발명의 컨디셔너 캐리어(C)용 복합운동기구가 적용된 CMP 장비를 개략적으로 도시한 사시도, 도 2는 상기 컨디셔너 캐리어(C)용 복합운동기구가 CMP 장비의 헤드부(H)에 장착된 상태를 도시한 정면도, 도 3은 상기 컨디셔너 캐리어(C)의 기구적 작동을 이해할 수 있도록 외부의 케이스를 제거한 상태로 도시한 주요 구성부의 개략적인 단면도, 도 4는 상기 컨디셔너 캐리어(C)의 개략적인 측면도, 도 5a 및 도 5b는 상기 컨디셔너 캐리어(C)에 의한 연마패드(5)상의 컨디셔닝 궤적을 평면도시한 개념도이다.

상기 도면중 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 표면연마장비(CMP 장비)는, 상면에 연마패드(5)가 부착된 비회전 방식의 플래튼(P)과, 웨이퍼(1)를 상기 연마패드(5)에 마찰 회전시켜주는 헤드부(H)로 이루어져 있다. 상기 헤드부(H)에는 연마패드(5)와 웨이퍼(1) 표면이 상호 접촉될 수 있도록 웨이퍼(1)를 파지한 상태로 하향 가압 및 회전되는 폴리싱 캐리어(2)와, 상기 연마패드(5) 상에 슬러리를 공급하기 위한 슬러리 공급노즐(31a)과, 상기 연마패드(5)의 연마능력을 지속적으로 유지할 수 있도록 연마패드(5) 표면이 변형되거나 오염되지 않게 드레싱해주는 컨디셔너 디스크(60)를 파지하여 회전시켜주는 컨디셔너 캐리어(C)로 구성된다.

또한, 상기 헤드부(H)는, 중앙을 관통하여 중심고정축(31)이 설치되고, 상기 중심고정축(31)의 둘레에는 캐리어 종동풀리(32)를 갖는 중공회전축(30)이 결합되어 있어 감속모우터(10)의 캐리어 구동풀리(11) 및 구동벨트(14)를 통해 상기 캐리어 종동풀리(32)로 전달되는 구동력에 의하여 상기 중심고정축(31)을 중심으로 회전할 수 있도록 되어 있으며, 상기 헤드부(H)의 외형을 이루는 스핀들 하우징(21) 내에는 스핀들 종동풀리(22)를 갖는 스핀들(20)이 설치되어 있어 상기 감속모우터(10)의 스핀들 구동풀리(12) 및 구동벨트(15)를 통해 상기 스핀들 종동풀리(22)로 전달되는 구동력에 의하여 상기 중심고정축(31)을 중심으로 회전할 수 있도록 되어 있다. 상기 슬러리 공급노즐(31a)은 상기 중심고정축(31)의 유체통로와 연결되어 상부로부터 슬러리가 공급될 수 있도록 되어 있다.

상기 스핀들(20) 내에는 그 중앙부의 상기 중공회전축(30)과 그 둘레에 인접 배치된 다수의 캐리어축(3)이 수용되어 있어 상기 스핀들(20)의 회전과 함께 상기 캐리어축(3)이 공전할 수 있도록 되어 있다. 그리고, 상기 중공회전축(30)의 둘레에 고정된 캐리어 구동기어(33)와, 상기 각 캐리어축(3)의 둘레에 고정된 캐리어 종동기어(4)가 상호 기어결합되어 있어 상기 중공회전축(30)의 회전구동시 상기 각 캐리어축(3)들도 자전할 수 있도록 되어 있다.

상기 각 캐리어축(3)의 단부에는 캐리어 홀더(40)가 각각 체결되어 그 하부의 폴리싱 캐리어(2)나 컨디셔너 캐리어(C)를 연결시켜준다.

이상에서와 같이, 각 캐리어(2)(C)쪽으로의 공전 및 자전을 위한 동력전달구조를 살펴보았다. 상기 동력전달구조에서는 필요에 따라 상기 컨디셔너 캐리어(C)측의 캐리어 종동기어(4)를 제거하여 상기 컨디셔너 캐리어(C)의 자전운동을 억제할 수도 있다. 이하 본 발명의 설명에서는 상기 컨디셔너 캐리어(C)의 자전운동이 없는 경우를 기준하여 그 작동을 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 컨디셔너 캐리어(C)용 복합운동기구의 메커니즘은, 상기 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 직선운동장치부(50)의 결합에 의해 달성된다.

상기 직선운동장치부(50)는, 상기 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 스핀들(20)의 회전에 의한 컨디셔너 캐리어(C)의 공전과 동시에 상기 연마패드(5)의 반경방향으로의 직선왕복과 자전운동을 병행할 수 있도록 상기 스핀들(20)로부터 하향 돌출된 상기 캐리어축(3) 단부의 캐리어 홀더(40)에 결합되고, 내부에 형성된 소정의 직선경로를 따라 안내되는 이동부재가 구비되며, 상기 이동부재의 하부에 상기 컨디셔너 캐리어(C)가 장착되는 구조를 이룬다. 상기의 도 3은 외부의 케이스를 제거한 상태로 도시한 것이다.

상기 직선운동장치부(50)는, 컨디셔너 캐리어(C)의 자전을 유도함과 아울러 이를 안내할 수 있도록 수평방향으로 랙(45)이 설치된 랙 브래킷(46)과, 직선왕복운동을 유도하기 위한 볼나사축(51)과, 상기 볼나사축(51)을 회전시켜주는 동력전달장치와, 상기 컨디셔너 캐리어(C)와 결합된 상태로 상기 볼나사축(51)상에서 직선왕복을 수행하는 상기 이동부재로서의 직선운동너트(52)와, 상기 컨디셔너 캐리어(C)에 장착되어 상기 랙(45)과 기어결합되는 피니언(74) 등으로 이루어져 있다.

상기 랙 브래킷(46)은 수평방향으로 소정 길이만큼 신장 형성되고, 그 측면상에 길이방향을 따라 상기 랙(45)이 형성되어 있으며, 그 상면이 상기 캐리어 홀더(40)에 결합된 구조로 되어 있다.

또한, 볼나사축(51)은 상기 랙 브래킷(46) 측면상에서 상기 랙(45)의 상부에 길이방향을 따라 나란히 배치되어 그 양단이 회전 가능하도록 베어링에 의해 지지되고, 상기 볼나사축(51)의 일단에는 상기 동력전달장치로부터 동력을 전달받기 위한 타이밍풀리(57)가 고정되어 있다. 상기 볼나사축(51)은 그 나선홈과 상기 직선운동너트(52) 내주의 나선홈 사이에 다수의 볼(53)을 개입하여서 된 볼스크류장치가 적용된 것으로, 일반적인 나사축 및 너트의 구조에 비해 그 운동성능이 원활하고 정밀하게 동작할 수 있는 이점이 있다.

상기 동력전달장치로는 서보기구가 사용되며, 즉, 컨디셔닝 작업 중에 상기 연마패드(5) 상에서의 다양한 형태의 구간별 속도조절 및 정·역회전의 방향조절이 가능하도록 제어할 수 있는 구동원으로서의 서보모우터(54)와, 상기 서보모우터(54)의 모우터축과 상기 볼나사축(51)에 각각 결합되는 한 쌍의 타이밍풀리(56)(57) 및 상기 한 쌍의 타이밍풀리(56)(57)에 체결되는 타이밍벨트(58)로 이루어진다. 상기 서보모우터(54)는 모우터 브래킷(55)에 의해 상기 랙 브래킷(46)(또는 볼나사축(51)이나 직선운동장치부(50)의 케이스)과 나란히 배치되어 상호 일체로 고정되어 있다.

상기 직선운동너트(52)는 상기 볼나사축(51)의 정·역방향으로의 회전시 비회전되도록 구속됨으로써 그 나선을 따라 직선왕복운동을 수행하는 구성요소이다.

상기 피니언(74)은 상기 직선운동너트(52)의 하부에 장착되는 상기 컨디셔너 캐리어(C)의 기어 하우징(70) 외주에 형성되어 상기 랙(45)과 기어결합함으로써 상기 컨디셔너 캐리어(C)를 자전시켜주는 기능을 수행한다.

한편, 본 발명에 적용되는 상기 컨디셔너 캐리어(C)는, 컨디셔너 디스크(60)와, 디스크홀더(61)와, 홀더 하우징(68)과, 기어 하우징(70) 및 접속하우징(75)이 순차적으로 결합되고, 여기에 가요성 링판(67)과, 베어링(71) 및 밀봉링(72)이 개재된 구조를 이루고 있다.

먼저, 상기 컨디셔너 디스크(60)는 상기 연마패드(5)와 접촉되는 외측면이 컨디셔닝에 적합한 조도(粗度)로 널링(knurling) 가공되어 있고, 그 내측면에는 다수의 요홈이 형성된 것이다. 본 발명에 있어서 상기 컨디셔너 캐리어(C)는 그 컨디셔너 디스크(60)의 직경을 150mm 이하로 하는 소형구조를 적용할 수 있게 됨으로써 장비의 사용 및 유지에 따른 경제적 이점을 도모할 수 있다.

또한, 상기 디스크홀더(61)는, 상기 컨디셔너 디스크(60)의 내측면과 접촉되는 저면상에 상기 요홈 내로 삽입되는 걸림돌기(62)가 형성되고, 그 저면 중앙부에는 자력에 의해 상기 컨디셔너 디스크(60)를 밀착시킬 수 있는 자성판(64)이 구비되며, 그 상면쪽에는 피스톤부(69)가 돌출 형성된 구조를 이룬다. 즉, 상기 컨디셔너 디스크(60)는 상기 자성판(64)의 자력에 의해 디스크홀더(61)에 흡착된 채로, 상기 걸림돌기(62)에 의해 상기 컨디셔너 디스크(60)가 일체로 회전할 수 있게 되는 것이다. 그리고, 상기 디스크홀더(61)의 외주를 따라 형성된 다수의 체결공(63)은 후술하게 될 상기 가요성 링판(67)을 고정링(66)과 함께 상기 홀더 하우징(68)에 나사 체결하여 고정하기 위한 드라이버 삽입용 구멍이다.

또한, 상기 홀더 하우징(68)은 내측에 상기 디스크홀더(61)의 피스톤부(69)를 수용할 수 있는 챔버(73)가 형성된 것으로서, 후술하게 될 상기 접속하우징(75)의 유체통로(76)를 통해 공기 등의 유체가 유출입함에 따라, 상기 챔버(73)와 이로부터 연통되고 상기 가요성 링판(67)에 의해 밀폐된 홀더 하우징(67) 및 디스크홀더(61) 사이의 밀폐공간부를 진공 또는 팽압상태로 유지시켜줄 수 있으며, 이것에 의해 컨디셔닝에 필요한 적정상태의 구간별 내압조정이 가능하게 된다. 상기 도 3에 있어서, 부호 41은 캐리어 홀더(40)에 형성된 유체통로, 부호 42 및 44는 상기 캐리어 홀더(40) 및 접속하우징(75)에 접속되는 관 접속구, 부호 43은 상기 관 접속구(42)(44)간을 연결하는 도관을 각각 나타낸 것이다.

아울러, 이러한 구조에 의해 상기 컨디셔너 디스크(60)의 외부충격에 대한 완충효과도 도모할 수 있다. 즉, 상기 가요성 링판(67)은, 상기 디스크홀더(61)와 홀더 하우징(68)간의 중첩된 둘레를 따라 개재되는 박판형 링으로서, 그 내주와 외주가 한 쌍의 고정링(65)(66)을 매개로 상기 디스크홀더(61)와 홀더 하우징(68)의 둘레에 각각 고정되어 상기 컨디셔너 디스크(60)와 연마패드(5)가 불균형상태로 가압접촉될 때 상기 홀더 하우징(68)으로부터 상기 디스크홀더(61)가 능동적으로 완충될 수 있도록 이들을 상호 연결시켜주는 구성요소이다.

또한, 상기 기어 하우징(70)은 상기 홀더 하우징(68)과 결합되고, 그 외측면 둘레에 피니언(74)이 형성되어 있으며, 상기 접속하우징(75)은 앞서 언급한 바와 같이 상기 챔버(73)로 통하는 유체통로(76)가 관통 형성되어 있고, 상기 기어 하우징(70)과 직선운동너트(52)간을 결합시켜주는 구성요소이다.

상기 기어 하우징(70)과 접속하우징(75)간에는 상기 베어링(71)이 개재되어 있어 이를 매개로 상호 간섭되지 않는 구조를 이루므로, 상기 직선운동너트(52)의 직선왕복운동시 상기 피니언(74)의 기어결합에 의한 컨디셔너 디스크(60)의 회전이 자유롭게 된다. 상기 밀봉링(72)은 회전체인 기어 하우징(70)과 비회전체인 접속하우징(75)간의 기밀을 유지할 수 있도록 개재된다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 컨디셔너 캐리어용 복합운동기구에 의한 컨디셔너 디스크(60)의 거동을 살펴보면 다음과 같다.

도 5a는 컨디셔너 캐리어(C)가 연마패드(5)의 외주로부터 그 중심위치까지 이동하는 왕복 1/2 행정에 있어서 스핀들(20)이 4와 1/2회만큼 회전 운동함과 동시에 상기 컨디셔너 캐리어(C)가 직선 및 회전운동을 복합적으로 수행함으로써 형성되는 컨디셔너 디스크(60)의 중심점에 대한 궤적을 추적하여 도시한 것이다. 단, 상기 스핀들(20)의 회전수를 4와 1/2회로 나타낸 것은 하나의 예시에 불과하며, 경우에 따라서는 5회, 6회 등 임의로 변경하여 설정 가능한 것임을 밝혀둔다.

상기 도면에 도시된 바와 같이, 상기 컨디셔너 디스크(60)의 중심점은 시작점 s에서 출발하여 a(스핀들 1회전) → b(스핀들 2회전) → c(스핀들 3회전) → d(스핀들 4회전)를 경유한 후 종착점 f(스핀들 4와 1/2회전)에 도달하게 된다. 이때, 상기 b-c의 직선거리는 a-b의 직선거리에 비해 크게 나타나는데, 그 직선거리가 클수록 서보모우터(54)의 분당회전수(RPM)를 크게 한 것을 알 수 있고, 이는 상기 서보모우터(54)의 제어에 의해 자유롭게 조절할 수 있다.

또한, 도 5b는 컨디셔너 캐리어(C)가 연마패드(5)의 중심으로부터 그 외주위치까지 이동하는 나머지 1/2 행정에 있어서 상기 스핀들(20)이 4와 1/2회만큼 회전 운동함과 동시에 상기 컨디셔너 캐리어(C)가 직선 및 회전운동을 복합적으로 수행함으로써 형성되는 컨디셔너 디스크(60)의 중심점에 대한 궤적을 추적하여 도시한 것이다. 이 경우에 있어서도, 상기 스핀들(20)의 회전수를 임의로 변경하여 설정 가능하다.

상기 도면에 도시된 바와 같이, 상기 컨디셔너 디스크(60)의 중심점은 시작점 s'에서 출발하여 a'(스핀들 1/2회전) → b'(스핀들 1과 1/2회전) → c'(스핀들 2와 1/2회전) → d'(스핀들 3과 1/2회전)를 경유한 후 종착점 f'(스핀들 4와 1/2회전)에 도달하게 된다. 이때, 상기 b'-c'의 직선거리는 d'-f'의 직선거리에 비해 크게 나타나는데, 이것 역시 그 직선거리가 클수록 서보모우터(54)의 분당회전수(RPM)를 크게 한 것을 알 수 있다. 또한, 이와 같이 연마패드(5)의 방사상 방향으로 외향 작동시키면서 순수(DI Water)를 공급하는 경우에는 상기 연마패드(5)의 중앙쪽에 축적된 이물질을 그 외주쪽으로 밀어내 주게 되므로 매우 효과적으로 클리닝할 수 있음은 물론이다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 따른 컨디셔너 캐리어용 복합운동기구가 구비된 반도체 웨이퍼 표면연마장비에 의하면, 플래튼은 정지되어 있고 헤드부만 회전하는 방식의 CMP 장비에 있어서 상기 헤드부의 회전에 의한 공전과 동시에 연마패드 반경방향으로의 직선왕복 및 회전운동을 병행할 수 있는 컨디셔너 캐리어의 복합적 메커니즘을 구현함으로써 폴리싱 캐리어의 구동에 의한 웨이퍼 연마시 원하는 형태의 웨이퍼 표면상태에 적합하게 연마패드의 표면을 컨디셔닝할 수 있는 효과가 있다.

또한, 소형의 컨디셔너 디스크에 의해서도 컨디셔닝 작업이 가능한 컨디셔너 캐리어의 복합적 메커니즘을 구현함으로써 직경이 크고 가공성이 까다로운 링형의 컨디셔너에 비해 장비의 사용 및 유지에 소요되는 비용을 현저히 절감할 수 있고, 서보모우터 및 볼나사에 의한 직선왕복운동과 랙 및 피니언에 의한 회전운동을 병행할 수 있는 직선운동장치부를 적용함으로써 상기 서보모우터의 제어에 의한 다양한 형태의 구간별 속도조절이 가능하여 연마패드를 웨이퍼 연마조건에 적합한 최상의 컨디셔닝 상태로 유지할 수 있으며, 컨디셔너 캐리어의 내측에 가요성 링판을 설치함으로써 연마패드와의 가압접촉시 그 압력상태를 구간별로 능동 제어할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 컨디셔너 캐리어는 슬러리 공급중의 컨디셔닝 기능은 물론이고, 순수(DI Water)의 공급과 함께 연마패드의 방사상 방향으로 작동시키면 상기 연마패드의 중앙쪽에 축적된 이물질을 그 외주쪽으로 밀어내 주게 되어 클리닝 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 기준하여 설명되어 있으나 이는 예시적인 것이라 할 수 있고, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예들을 생각해 낼 수 있으므로 이러한 균등한 실시예들 또한 본 발명의 특허청구범위 내에 포함되는 것으로 보아야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 컨디셔너 캐리어용 복합운동기구가 적용된 반도체 웨이퍼 표면연마장비를 개략적으로 도시한 사시도이다.

도 2는 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 표면연마장비의 헤드부에 대한 결합구조를 도시한 정면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 컨디셔너 캐리어의 기구적 작동을 이해할 수 있도록 외부의 케이스를 제거한 상태로 도시한 주요 구성부의 개략적인 단면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 컨디셔너 캐리어의 개략적인 측면도이다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 컨디셔너 캐리어용 복합운동기구에 의한 연마패드상의 컨디셔닝 궤적을 평면도시한 것으로,

도 5a는 컨디셔너 캐리어가 연마패드의 외주로부터 그 중심위치까지 이동하는 1/2 행정에 있어서 스핀들이 소정회수만큼 회전 운동함과 동시에 상기 컨디셔너 캐리어가 직선 및 회전운동을 복합적으로 수행함으로써 형성되는 컨디셔너 디스크 중심점의 궤적을 추적하여 도시한 개념도이고,

도 5b는 컨디셔너 캐리어가 연마패드의 중심으로부터 그 외주위치까지 이동하는 나머지 1/2 행정에 있어서 상기 스핀들이 소정회수만큼 회전 운동함과 동시에 상기 컨디셔너 캐리어가 직선 및 회전운동을 복합적으로 수행함으로써 형성되는 컨디셔너 디스크 중심점의 궤적을 추적하여 도시한 개념도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

C ; 컨디셔너 캐리어 H ; 헤드부

P ; 플래튼 1 ; 웨이퍼

2 ; 폴리싱 캐리어 3 ; 캐리어축

4 ; 캐리어 종동기어 5 ; 연마패드

10 ; 감속모우터 11 ; 캐리어 구동풀리

12 ; 스핀들 구동풀리 14, 15 ; 구동벨트

20 ; 스핀들 21 ; 스핀들 하우징

22 ; 스핀들 종동풀리 30 ; 중공회전축

31 ; 중심고정축 32 ; 캐리어 종동풀리

33 ; 캐리어 구동기어 40 ; 캐리어 홀더

41, 76 ; 유체통로 42, 44 ; 관 접속구

43 ; 도관 45 ; 랙

46 ; 랙 브래킷 50 ; 직선운동장치부

51 ; 볼나사축 52 ; 직선운동너트

53 ; 볼 54 ; 서보모우터

55 ; 모우터 브래킷 56, 57 ; 타이밍풀리

58 ; 타이밍벨트 60 ; 컨디셔너 디스크

61 ; 디스크 홀더 62 ; 걸림돌기

63 ; 체결공 64 ; 자성판

65, 66 ; 고정링 67 ; 가요성 링판

68 ; 홀더 하우징 69 ; 피스톤부

70 ; 기어 하우징 71 ; 베어링

72 ; 밀봉링 73 ; 챔버

74 ; 피니언 75 ; 접속하우징

Claims (5)

1. 상면에 연마패드가 부착된 비회전 방식의 플래튼과, 상기 플래튼의 상부에 배치되어 그 하우징의 내측에서 중심고정축을 중심으로 회전하는 스핀들이 구비되고 상기 스핀들의 내부에는 상기 중심고정축 상에 설치된 중공회전축에 인접하여 복수의 캐리어축이 연직방향으로 각각 배치되며 상기 각 캐리어축의 하부에 폴리싱 캐리어와 컨디셔너 캐리어가 각각 설치되어 상기 각 캐리어가 상기 스핀들과 함께 연마패드의 원주방향을 따라 공전하도록 된 헤드부로 이루어진 반도체 웨이퍼 표면연마장비에 있어서,

   상기 컨디셔너 캐리어가 장착되는 캐리어축과 그 하부의 컨디셔너 캐리어 사이에는, 상기 스핀들의 회전에 의한 컨디셔너 캐리어의 공전과 동시에 상기 연마패드의 반경방향으로의 직선왕복과 자전운동을 복합적으로 병행할 수 있도록, 상기 컨디셔너 캐리어를 하부에 고정시킨 채로 내부에 형성된 소정의 직선경로를 따라 안내되는 이동부재를 구비한 직선운동장치부가 장착되어 이루어진 것을 특징으로 하는 컨디셔너 캐리어용 복합운동기구가 구비된 반도체 웨이퍼 표면연마장비.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 직선운동장치부는, 수평방향으로 소정 길이만큼 신장 형성되고 그 측면상에는 길이방향을 따라 랙이 형성되어 있으며 그 상면이 상기 캐리어축의 단부에 결합되는 브래킷과, 상기 브래킷의 길이방향을 따라 배치되어 그 양단이 회전 가능하도록 지지된 나사축과, 상기 나사축을 구동시켜주기 위한 동력전달장치와, 상기 나사축의 정·역방향으로의 회전시 비회전되도록 구속됨으로써 그 나선을 따라 직선왕복운동을 수행하는 상기 이동부재로서의 직선운동너트와, 상기 직선운동너트의 하부에 장착되는 상기 컨디셔너 캐리어의 외주에 형성되어 상기 랙과 기어결합되는 피니언을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 컨디셔너 캐리어용 복합운동기구가 구비된 반도체 웨이퍼 표면연마장비.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 동력전달장치는, 컨디셔닝 작업 중에 상기 연마패드상에서의 다양한 형태의 구간별 속도조절 및 정·역회전의 방향조절이 가능하도록 제어할 수 있는 구동원으로서의 서보모우터와, 상기 모우터축과 상기 나사축에 각각 결합되는 한 쌍의 타이밍풀리 및 상기 한 쌍의 타이밍풀리에 체결되는 타이밍벨트로 이루어지고,

   상기 나사축은 볼나사축으로서, 그 나선홈과 상기 직선운동너트 내주의 나선홈 사이에 볼을 개입하여서 된 볼스크류장치가 적용된 것을 특징으로 하는 컨디셔너 캐리어용 복합운동기구가 구비된 반도체 웨이퍼 표면연마장비.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 컨디셔너 캐리어는, 상기 연마패드와 접촉되는 외측면이 컨디셔닝에 적합한 조도로 널링(knurling) 가공되어 있고 그 내측면에는 다수의 요홈이 형성된 컨디셔너 디스크와, 상기 컨디셔너 디스크의 내측면과 접촉되는 면상에 상기 요홈 내로 삽입되는 걸림돌기가 형성되고 그 중앙부에는 자력에 의해 상기 컨디셔너 디스크를 밀착시킬 수 있는 자성판이 구비되며 그 배면쪽에는 피스톤부가 돌출 형성된 디스크홀더와, 내측에 상기 피스톤부를 수용할 수 있는 챔버가 형성되어 그 밀폐된 챔버 내의 유체 주입정도에 따라 상기 연마패드상에서 컨디셔너 디스크를 원하는 형태의 구간별 압력상태로 가압 조절할 수 있도록 된 홀더 하우징과, 상기 디스크홀더와 홀더 하우징간의 중첩된 둘레를 따라 개재되는 박판형 링으로서 그 내주와 외주가 한 쌍의 고정링을 매개로 상기 디스크홀더와 홀더 하우징의 둘레에 각각 고정되어 상기 컨디셔너 디스크와 연마패드가 불균형상태로 가압접촉될 때 상기 홀더 하우징으로부터 상기 디스크홀더가 능동적으로 완충될 수 있도록 이들을 상호 연결시켜주는 가요성 링판과, 상기 홀더 하우징과 결합되고 그 외측면 둘레에 피니언이 형성된 기어 하우징과, 상기 챔버로 통하는 유체통로가 관통 형성되어 있고 상기 기어 하우징과 이동부재간을 결합시켜주는 접속하우징과, 상기 이동부재의 직선왕복운동시 상기 피니언의 기어결합에 의한 컨디셔너 디스크의 회전이 자유롭도록 상기 기어 하우징과 접속하우징간에 개재된 베어링과, 상기 기어 하우징과 접속하우징간의 기밀성을 유지할 수 있도록 개재되는 밀봉링을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 컨디셔너 캐리어용 복합운동기구가 구비된 반도체 웨이퍼 표면연마장비.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 컨디셔너 캐리어는 그 컨디셔너 디스크의 직경을 150mm 이하로 하는 소형구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 컨디셔너 캐리어용 복합운동기구가 구비된 반도체 웨이퍼 표면연마장비.