KR20100130956A - 드레싱장치, 드레싱방법, 및 폴리싱장치 - Google Patents

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Abstract

기판의 표면을 평탄화하기 위하여 기판을 폴리싱하기 위한 폴리싱장치에 사용하기 위한 드레싱장치가 개시된다. 상기 드레싱장치는 드레서디스크, 상기 드레서디스크에 결합된 드레서드라이브샤프트, 상기 드레서드라이브샤프트를 통해 상기 폴리싱패드에 대하여 상기 드레서디스크를 가압하도록 구성된 유압실린더, 상기 유압실린더에 공급되는 가스의 압력을 측정하도록 구성된 압력측정장치, 상기 드레서드라이브샤프트 상에 작용하는 부하를 측정하도록 구성된 부하측정장치, 및 상기 유압실린더에 공급되는 가스의 압력을 제어하도록 구성된 압력제어장치를 포함한다. 상기 압력제어장치는, 상기 압력측정장치 및 부하측정장치의 측정값들을 토대로, 상기 폴리싱패드에 대한 드레서디스크의 가압력과 상기 가스의 압력간의 관계를 정립하도록 구성된다.

Description

드레싱장치, 드레싱방법, 및 폴리싱장치{DRESSING APPARATUS, DRESSING METHOD, AND POLISHING APPARATUS}
본 발명은 반도체웨이퍼와 같은 기판을 폴리싱하는데 사용되는 폴리싱패드를 드레싱하기 위한 드레싱장치 및 드레싱방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 기판의 표면을 평탄화하기 위하여 상기 기판을 폴리싱하기 위한 폴리싱장치에 사용되는 드레싱장치 및 드레싱방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 드레싱장치를 구비한 폴리싱장치에 관한 것이다.
최근, 반도체디바이스는 더욱 더 소형화되고, 디바이스 구조는 더욱 복잡해지고 있다. 표면 평탄화는 반도체디바이스의 제조에 있어서 매우 중요한 처리절차이다. 표면 평탄화에 사용되는 통상적인 기술은 화학적 기계적 폴리싱(CMP)이다. 이러한 화학적 기계적 폴리싱에 있어서는, 실리카(SiO2)와 같은 연마입자를 함유하는 폴리싱액이 폴리싱면 상으로 공급되면서, 기판이 폴리싱패드의 폴리싱면과 슬라이딩접촉하게 되어, 기판의 표면이 폴리싱된다.
화학적 기계적 폴리싱은 CMP 장치를 이용하여 수행된다. 상기 CMP 장치는 폴리싱패드가 그 상부면에 부착된 폴리싱테이블, 및 폴리싱될 워크피스인 반도체웨이퍼와 같은 기판을 잡아주는 톱링을 포함한다. 상기 폴리싱테이블 및 톱링은 각각 그 자체축을 중심으로 회전되면서, 상기 톱링이 상기 폴리싱패드의 폴리싱면(즉, 상부면)에 대하여 소정의 압력으로 기판을 가압하여, 기판과 폴리싱패드간의 슬라이딩접촉을 발생시키게 된다. 이러한 상태에서, 폴리싱액이 폴리싱패드의 폴리싱면 상으로 공급된다. 상기 기판은 이와 같이 기판과 폴리싱패드 사이에 폴리싱액이 존재하면서 폴리싱된다. 상기 기판의 표면은 알칼리에 의한 화학적 폴리싱 작용과 연마입자에 의한 기계적 폴리싱 작용의 조합으로 평탄화된다.
기판이 폴리싱되는 경우, 연마입자와 폴리싱 데브리스는 폴리싱패드의 폴리싱면(상부면)에 들러붙는다. 또한, 폴리싱패드의 특성이 변하여, 그 폴리싱 성능이 저하된다. 결과적으로는, 기판의 폴리싱이 반복됨에 따라, 폴리싱속도(즉, 제거율)가 저하되어, 고르지 않은 폴리싱이 발생한다. 따라서, 열화된 폴리싱패드의 폴리싱면을 재생하기 위하여, 드레싱장치가 폴리싱테이블에 인접하여 제공된다. 이러한 드레싱장치는 폴리싱면을 약간 긁어 내어 폴리싱패드의 폴리싱면을 재생시키게 된다.
도 1은 종래의 드레싱장치를 도시한 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 드레싱장치는 드레서디스크(131), 상기 드레서디스크(131)를 폴리싱패드(10)에 대하여 가압하기 위한 에어실린더(136), 및 상기 드레서디스크(131)와 에어실린더(136)를 서로 결합하는 드레서드라이브샤프트(132)를 포함한다. 상기 드레서드라이브샤프트(132)는 드레서디스크(131)에 결합된 회전부와 상기 에어실린더(136)에 결합된 비회전부로 분할된다. 상기 회전부와 비회전부는 커플링(137)을 통해 서로 결합된다.
상기 드레서드라이브샤프트(132)의 회전부는 볼스플라인(135)에 의해 지지된다. 이러한 볼스플라인(135)은 드레서드라이브샤프트(132)에 토크를 전달하는 리니어모션가이드이면서, 드레서드라이브샤프트(132)의 그 종방향의 직선 운동을 가능하게 한다. 상기 볼스플라인(135)은 모터(도시안됨)에 결합되어, 드레서디스크(131)가 드레서드라이브샤프트(132)를 통해 모터에 의해 회전되도록 한다.
상기 에어실린더(136)는 두 압력챔버들이 피스톤(136a)의 양 측에 제공되는 이중작용(double-acting) 에어실린더이다. 압력이 조정된 에어가 각각의 압력챔버 안으로 분사된다. 구체적으로는, 폴리싱패드(10) 상에 부하를 생성하기 위한 압축 공기가 상부 압력챔버 안으로 도입되고, 다른 한편으로는 드레서디스크(131)와 드레서드라이브샤프트(132)를 포함하는 가동부의 중량을 지지하기 위한 압축 공기는 하부 압력챔버 안으로 도입된다. 상기 하부 압력챔버에 공급되는 에어의 압력은 일정하게 유지된다. 폴리싱패드(10)에 대한 드레서디스크(131)의 가압력은 상부 압력챔버와 하부 압력챔버간의 차동 압력에 의해 결정된다.
다이아몬드 입자와 같은 경성 연마 입자들은 드레서디스크(131)의 하부면에 고정된다. 이러한 드레서디스크(131)의 하부면은 폴리싱패드(10)의 폴리싱면을 컨디셔닝하기 위한 드레싱면을 구성한다. 폴리싱패드(10)를 드레싱하는 경우, 상기 드레서디스크(131)는 폴리싱패드(10)에 대해 가압되는 한편, 폴리싱테이블(11)과 드레서디스크(131)가 회전되어, 순수가 상기 폴리싱패드(10)의 폴리싱면 상으로 공급된다. 상기 폴리싱패드(10)의 폴리싱면은 드레서디스크(131)의 드레싱면과 폴리싱면간의 슬라이딩접촉에 의해 드레싱(또는 컨디셔닝)된다.
드레싱 시, 상기 폴리싱패드(10)의 폴리싱면은 드레서디스크(131)에 의해 긁힌다. 상기 폴리싱패드(10)에 대한 드레서디스크(131)의 가압력은 폴리싱패드(10)의 수명에 큰 영향을 준다. 그러므로, 드레서디스크(131)의 가압력을 정확하게 제어하는 것이 필수적이다. 상술된 구조들에서는, 압력이 일정한 에어가 에어실린더(136)의 하부 압력챔버 안으로 공급되기 때문에, 상기 드레서디스크(131)의 가압력은 상부 압력챔버 안으로 도입되는 에어의 압력에 좌우된다. 따라서, 에어실린더(136)의 상부 압력챔버 안으로 도입되는 에어의 압력과 드레서디스크(131)의 가압력간의 관계를 정립하기 위해서는 캘리브레이션이 필수적이다.
상기 캘리브레이션은 폴리싱패드(10)와 드레서디스크(131)간의 부하측정장치(예컨대, 로드셀(load cell))를 삽입하여, 상기 부하측정장치로부터 얻어지는 측정값(즉, 가압력)을 에어실린더(136)에 공급되는 에어의 압력과 연관시킴으로써 행해진다. 하지만, 캘리브레이션을 실시하기 위해서는, 폴리싱장치의 작업들을 정지시킬 필요가 있다. 그 결과, 폴리싱장치의 작업 속도가 저하되게 된다.
상술된 문제점 이외에도, 상기 에어실린더를 이용하는 드레싱장치는 다음과 같은 단점을 수반한다. 상술된 바와 같이, 상기 폴리싱패드(10)에 대한 드레서디스크(131)의 가압력이 폴리싱패드(10)의 수명에 영향을 준다. 그러므로, 폴리싱패드(10)의 수명을 연장하기 위해서는, 상기 드레서디스크(131)의 가압력을 어느 정도 감소시키는 것이 필요하다. 하지만, 에어실린더(136)의 상부 압력챔버 내의 에어의 압력이 저하되는 경우, 상부 압력챔버와 하부 압력챔버간의 차동 압력에도 불구하고 피스톤이 움직일 수 없게 된다. 이는 상부 압력챔버와 하부 압력챔버간의 차동 압력이 제로에 근접하는 경우, 피스톤과 실린더간의 마찰 저항과 드레서드라이브샤프트(132)와 에어실린더(136)간의 마찰 저항이 상대적으로 높게 되기 때문이다. 이러한 에어실린더(136)가 작동하지 않는 데드존(dead zone)에서는, 폴리싱패드(10)의 드레싱이 양호하게 수행되지 않아, 상기 폴리싱패드(10)의 안정된 폴리싱 성능이 성취될 수 없게 된다.
본 발명은 상술된 단점들의 관점에서 고안되었다. 그러므로, 본 발명의 제1목적은 폴리싱장치의 작업들을 중단시키지 않으면서도, 드레서디스크의 가압력과 이에 대응하는 가압력을 생성하는 가스의 압력간의 관계를 정립할 수 있는 드레싱장치 및 드레싱방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제2목적은 드레서디스크의 낮은 가압력을 안정하게 생성할 수 있는 드레싱장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시형태는 폴리싱패드를 드레싱하기 위한 드레싱장치를 제공한다. 상기 장치는, 폴리싱패드와 슬라이딩접촉하게 될 드레서디스크; 상기 드레서디스크에 결합된 상하 이동가능한 드레서드라이브샤프트; 상기 드레서드라이브샤프트를 통해 상기 폴리싱패드에 대하여 상기 드레서디스크를 가압하기 위해 가스를 공급받도록 구성된 가압기구; 상기 가압기구에 공급되는 가스의 압력을 측정하도록 구성된 압력측정장치; 상기 드레서드라이브샤프트 상에 작용하는 부하를 측정하도록 구성된 부하측정장치; 및 상기 가압기구에 공급되는 가스의 압력을 제어하도록 구성된 압력제어장치를 포함한다. 상기 압력제어장치는, 상기 압력측정장치 및 상기 부하측정장치의 측정값들을 토대로, 상기 폴리싱패드에 대한 상기 드레서디스크의 가압력과 상기 가스의 압력간의 관계를 정립하도록 구성된다.
본 발명의 또다른 실시형태는 기판을 폴리싱하기 위한 폴리싱장치를 제공하는 것이다. 상기 장치는, 폴리싱패드를 지지하기 위한 회전가능한 폴리싱테이블; 상기 폴리싱패드에 대하여 기판을 가압하도록 구성된 톱링; 및 상술된 드레싱장치를 포함한다.
본 발명의 또다른 실시형태는 폴리싱패드를 드레싱하기 위한 드레싱장치를 제공하는 것이다. 상기 장치는, 폴리싱패드와 슬라이딩접촉하게 될 드레서디스크; 상기 드레서디스크에 결합된 상하 이동가능한 드레서드라이브샤프트; 상기 드레서드라이브샤프트를 통해 상기 폴리싱패드에 대하여 상기 드레서디스크를 가압하도록 구성된 유압실린더; 상기 드레서드라이브샤프트를 통해 상기 드레서디스크를 상승시키도록 구성된 리프팅기구; 및 상기 유압실린더에 공급되는 가스의 압력을 제어하도록 구성된 압력제어장치를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 리프팅기구는 스프링을 포함하여 이루어진다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 드레싱장치는 상기 드레서디스크가 상기 폴리싱패드와 접촉하게 되는 경우, 상기 드레서디스크의 상하 방향의 위치를 측정하도록 구성된 위치센서를 더 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 압력제어장치는, 상기 위치센서의 측정값을 토대로 상기 유압실린더에 공급되는 가스의 압력을 변경하도록 구성된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 드레싱장치는 상기 드레서드라이브샤프트 상에 작용하는 부하를 측정하도록 구성된 부하측정장치; 및 상기 유압실린더에 공급되는 가스의 압력을 측정하도록 구성된 압력측정장치를 더 포함한다. 상기 압력제어장치는, 상기 위치센서의 측정값으로부터 상기 폴리싱패드의 마모 정도를 판정하여, 상기 폴리싱패드의 마모 정도가 소정값에 이르게 된 경우, 상기 압력측정장치와 상기 부하측정장치의 측정값들을 토대로, 상기 폴리싱패드에 대한 상기 드레서디스크의 가압력과 상기 가스의 압력간의 관계를 정립하도록 구성된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 드레싱장치는 상기 드레서드라이브샤프트 상에 작용하는 부하를 측정하도록 구성된 부하측정장치; 및 상기 유압실린더에 공급되는 가스의 압력을 측정하도록 구성된 압력측정장치를 더 포함한다. 상기 압력제어장치는, 상기 압력측정장치와 상기 부하측정장치의 측정값들을 토대로, 상기 폴리싱패드에 대한 상기 드레서디스크의 가압력과 상기 가스의 압력간의 관계를 정립하도록 구성된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 드레싱장치는 상기 드레서드라이브샤프트 상에 작용하는 부하를 측정하도록 구성된 부하측정장치를 더 포함한다. 상기 압력제어장치는, 상기 폴리싱패드의 드레싱 시 상기 폴리싱패드에 대한 상기 드레서디스크의 가압력이 소정의 목표값으로 유지되도록, 상기 부하측정장치의 측정값을 토대로 상기 가스의 압력을 제어하도록 구성된다.
본 발명의 또다른 실시형태는 기판을 폴리싱하기 위한 폴리싱장치를 제공하는 것이다. 상기 장치는 폴리싱패드를 지지하기 위한 회전가능한 폴리싱테이블; 상기 폴리싱패드에 대하여 기판을 가압하도록 구성된 톱링; 및 상술된 드레싱장치를 포함한다.
본 발명의 또다른 실시형태는 폴리싱패드를 드레싱하는 방법을 제공하는 것이다. 상기 방법은 드레서디스크와 폴리싱패드를 회전시키는 단계; 가스를 공급받아 작동되는 가압기구에 의하여 드레서드라이브샤프트를 통해 상기 폴리싱패드에 대하여 상기 드레서디스크를 가압하는 단계; 상기 가압기구에 공급되는 가스의 압력을 측정하는 단계; 상기 드레서드라이브샤프트 상에 작용하는 부하를 측정하는 단계; 및 상기 가스의 압력의 측정값들과 상기 부하의 측정값들을 토대로, 상기 폴리싱패드에 대한 상기 드레서디스크의 가압력과 상기 가스의 압력간의 관계를 정립하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 드레서드라이브샤프트에 통합되는 부하측정장치가 드레싱 작업 전후 또는 드레싱 작업 시 매우 짧은 시간 내에 가스의 압력과 가압력간의 관계를 정립할 수 있다. 그러므로, 폴리싱장치의 작업들을 반드시 중단할 필요가 없어, 폴리싱장치의 작업 속도가 개선될 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 리프팅기구를 제공하여 에어실린더 내의 두 압력챔버들간의 가스압력차를 크게 설정할 수 있다. 그러므로, 에어실린더의 작업존이 데드존(이는 차동 압력의 변화에도 불구하고 피스톤이 작동하지 않는 구역임)에서 벗어나게 된다. 이에 따라, 에어실린더가 낮은 가압력을 안정하게 생성할 수 있게 된다.
도 1은 종래의 드레싱장치를 도시한 개략도;
도 2는 폴리싱장치의 사시도;
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 드레싱장치를 도시한 개략도;
도 4는 캘리브레이션에 의해 얻어지는, 상부 압력챔버 내의 공기의 압력과 드레서디스크의 가압력간의 관계를 도시한 그래프;
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 드레싱장치를 도시한 개략도;
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 드레싱장치의 변형예를 도시한 개략도;
도 7은 폴리싱패드에 가해지는 가압력과 에어실린더의 상부 압력챔버 내의 공기의 압력간의 관계를 도시한 그래프;
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 드레싱장치를 도시한 개략도;
도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 드레싱장치의 변형예를 도시한 개략도;
도 10은 본 발명의 제4실시예에 따른 드레싱장치를 도시한 개략도;
도 11은 본 발명의 제4실시예에 따른 드레싱장치의 변형예를 도시한 개략도;
도 12는 본 발명의 제5실시예에 따른 드레싱장치를 도시한 개략도;
도 13은 본 발명의 제5실시예에 따른 드레싱장치의 변형예를 도시한 개략도; 및
도 14는 본 발명의 제6실시예에 따른 드레싱장치를 도시한 개략도이다.
이하, 본 발명의 실시예들을 도면들을 참조하여 설명하기로 한다. 동일하거나 대응하는 구조적 요소들은 하기 설명에서 동일한 참조 부호들로 표시되며, 그 반복적인 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 폴리싱장치를 도시한 사시도이다. 상기 폴리싱장치는 폴리싱패드(10)를 지지하는 폴리싱테이블(11), 폴리싱패드(10)와 슬라이딩접촉시켜 웨이퍼와 같은 기판(즉, 폴리싱될 워크피스)을 폴리싱하기 위한 톱링유닛(20), 및 상기 폴리싱패드(10)의 상부면을 컨디셔닝(즉, 드레싱)하도록 구성된 드레싱유닛(드레싱장치)(30)을 포함한다. 상기 폴리싱패드(10)는 상기 폴리싱테이블(11)의 상부면에 부착되고, 상기 폴리싱패드(10)의 상부면은 폴리싱면을 제공한다. 상기 폴리싱테이블(11)은 모터(도시안됨)에 결합되어, 상기 폴리싱테이블(11) 및 폴리싱패드(10)가 화살표로 표시된 방향으로 모터에 의해 회전되게 된다.
상기 톱링유닛(20)은 기판을 잡아주어 그것을 폴리싱패드(10)의 상부면에 대하여 가압하도록 구성된 톱링(21), 상기 톱링(21)에 결합된 톱링드라이브샤프트(22), 및 상기 톱링드라이브샤프트(22)를 회전가능하게 잡아주는 톱링스윙아암(23)을 포함한다. 상기 톱링스윙아암(23)은 톱링스윙샤프트(24)에 의해 지지된다. 모터(도시안됨)는 톱링스윙아암(23)에 설치되고, 이러한 모터는 상기 톱링드라이브샤프트(22)에 결합된다. 이러한 모터의 회전은 톱링드라이브샤프트(22)를 통해 톱링(21)에 전달되어, 상기 톱링(21)이 화살표로 표시된 방향으로 톱링드라이브샤프트(22)를 중심으로 회전하게 된다.
폴리싱액과 드레싱액을 폴리싱패드(10)의 폴리싱면 상으로 공급하기 위한 액체공급기구(25)가 상기 톱링유닛(20)에 인접하여 제공된다. 이러한 액체공급기구(25)는 상기 폴리싱액과 드레싱액이 폴리싱패드(10)의 폴리싱면 상으로 별도로 공급되는 복수의 공급노즐(도시안됨)을 구비한다. 상기 액체공급기구(25)는 폴리싱액을 폴리싱패드(10) 상으로 공급하기 위한 폴리싱액공급기구와 드레싱액(예컨대, 순수)을 상기 폴리싱패드(10) 상으로 공급하기 위한 드레싱액공급기구 모두의 역할을 한다. 상기 폴리싱액공급기구 및 상기 드레싱액공급기구는 별도로 제공될 수도 있다.
상기 톱링(21)은 기판을 진공흡입 등에 의해 홀딩하기 위한 기판홀딩면을 제공하는 하부면을 가진다. 상기 톱링드라이브샤프트(22)는 예시되지 않은 상하-운동 액추에이터(예컨대, 에어실린더)에 결합된다. 이러한 구성에 의하면, 상기 톱링(21)은 톱링드라이브샤프트(22)를 통해 상하-운동 액추에이터에 의해 승강된다. 상기 톱링스윙샤프트(24)는 폴리싱테이블(11)의 방사상 바깥쪽으로 위치한다. 이러한 톱링스윙샤프트(24)는 회전하게 구성되어, 상기 톱링(21)이 폴리싱패드(10) 상의 폴리싱위치와 상기 폴리싱패드(10) 바깥쪽 레스트위치 사이에서 이동할 수 있도록 한다.
기판의 폴리싱은 다음과 같이 수행된다. 기판이 톱링(21)의 하부면 상에 유지되고, 상기 톱링(21) 및 폴리싱테이블(11)이 회전된다. 이 상태에서, 폴리싱액이 폴리싱패드(10)의 폴리싱면 상으로 공급된 후, 상기 톱링(21)이 기판을 상기 폴리싱패드(10)의 폴리싱면에 대해 가압시킨다. 기판의 표면(하부면)은 폴리싱액 안에 함유된 연마 입자들의 기계적 폴리싱 작용과 상기 폴리싱액의 화학적 폴리싱 작용에 의하여 폴리싱된다.
상기 드레싱유닛(드레싱장치)(30)은 폴리싱패드(10)의 폴리싱면과 슬라이딩접촉하게 될 드레서디스크(31), 상기 드레서디스크(31)에 결합된 드레서드라이브샤프트(32), 및 상기 드레서드라이브샤프트(32)를 회전가능하게 홀딩하는 드레서스윙아암(33)을 포함한다. 상기 드레서디스크(31)의 하부면은 상기 폴리싱패드(10)의 폴리싱면과 슬라이딩접촉하게 되는 드레싱면을 제공한다. 다이아몬드 입자와 같은 경성 연마 입자들이 드레싱면에 고정된다. 상기 드레서스윙아암(33)은 드레서스윙샤프트(34)에 의해 지지된다. 모터(도시안됨)는 드레서스윙아암(33)에 설치되고, 이러한 모터는 드레서드라이브샤프트(32)에 결합된다. 이러한 모터의 회전은 드레서드라이브샤프트(32)를 통해 드레서디스크(31)에 전달되어, 상기 드레서디스크(31)가 화살표로 표시된 방향으로 드레서드라이브샤프트(32)를 중심으로 회전하게 된다.
상기 드레서스윙샤프트(34)는 스윙모터(도시안됨)에 결합된다. 스윙모터가 동작 중일 때에는, 상기 드레서디스크(31)가 폴리싱패드(10)의 폴리싱면 상에서 실질적으로 폴리싱면의 반경 방향으로 이동한다. 폴리싱패드(10)를 드레싱하는 경우, 상기 드레서디스크(31)가 폴리싱패드(10)에 대하여 가압되는 한편, 상기 폴리싱테이블(11) 및 드레서디스크(31)가 회전되어, 드레싱액이 상기 폴리싱패드(10)의 폴리싱면 상으로 공급된다. 상기 폴리싱패드(10)의 폴리싱면은 드레서디스크(31)의 드레싱면과 폴리싱면간의 슬라이딩접촉에 의하여 컨디셔닝된다. 드레싱 시, 상기 드레서디스크(31)는 폴리싱패드의 반경 방향으로 오실레이션된다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 드레싱유닛(30)을 도시한 개략도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 드레싱유닛(30)은 드레서드라이브샤프트(32)를 통해 폴리싱패드(10)에 대하여 드레서디스크(31)를 가압하기 위한 가압기구로서 에어실린더(유압실린더)(36)를 포함한다. 상기 드레서드라이브샤프트(32)는 볼스플라인(35)에 의하여 지지된다. 이러한 볼스플라인(35)은 드레서드라이브샤프트(32)에 토크를 전달하는 리니어모션가이드이면서, 상기 드레서드라이브샤프트(32)의 그 종방향으로의 직선 운동을 가능하게 한다. 상기 볼스플라인(35)은 드레서스윙아암(33)에 고정된 지지베이스(49) 상에 고정식으로 장착되는 베어링(48)들에 의해 회전가능하게 지지된다. 상기 드레서스윙아암(33)에 대하여 상하 방향으로의 볼스플라인(35) 및 지지베이스(49)의 상대 위치들이 고정된다.
모터(도시안됨)는 볼스플라인(35)에 결합되고, 이러한 모터는 드레서디스크(31)로 하여금 드레서드라이브샤프트(32)를 통해 회전가능하게 만든다. 상기 드레서드라이브샤프트(32)는 드레서디스크(31)에 결합된 회전부와 상기 에어실린더(36)에 결합된 비회전부로 분할된다. 상기 회전부 및 비회전부는 커플링(37)에 의해 서로 결합된다. 상기 드레서드라이브샤프트(32)의 회전부는 스플라인샤프트의 형상을 가지며, 상기 드레서드라이브샤프트(32)가 상하방향으로 이동하도록 하는 볼스플라인(35)에 의해 지지된다.
상기 드레서드라이브샤프트(32)의 상단부는 상기 드레서드라이브샤프트(32)를 통해 폴리싱패드(10)에 대하여 드레서디스크(31)를 가압하도록 구성되는 에어실린더(가압기구)(36)에 결합된다. 상기 에어실린더(36)는 두 압력챔버들이 피스톤(36a)의 양 측에 배치되는 이중작용 에어실린더이다. 이러한 에어실린더(36)는 일종의 유압식 액추에이터이다. 압력조정장치로서의 역할을 하는 전공 레귤레이터(electropneumatic regulator; 40)는 에어실린더(36)의 상부 압력챔버에 결합된다. 이러한 전공 레귤레이터(40)는 공기원(도시안됨)으로부터 공급되는 압축 공기의 압력을 조정하고, 조정된 압력 Pc의 공기를 상기 에어실린더(36)의 상부 압력챔버에 전달하도록 구성된다. 이와 유사하게, 압력조정장치로서의 역할을 하는 전공 레귤레이터(41)는 에어실린더(36)의 하부 압력챔버에 결합된다. 상기 전공 레귤레이터(41)는 상술된 공기원으로부터 공급되는 압축 공기의 압력을 조정하고, 조정된 압력 Pb의 공기를 에어실린더(36)의 하부 압력챔버에 공급하도록 구성된다. 공기 대신에, 다른 타입의 가스가 사용될 수도 있다.
상부 압력챔버에 공급되는 공기는 폴리싱패드(10) 상에 부하를 생성하고, 다른 한편으로는 하부 압력챔버에 공급되는 공기가 드레서디스크(31)와 드레서드라이브샤프트(32)를 포함하는 상하 이동가능한 구성요소(이하, "드레서 어셈블리"라고 함)의 중량을 지지하기 위한 카운터 에어(또는 밸런스 에어)이다. 상기 카운터 에어의 압력은 드레서 어셈블리의 중량을 지지하기에 충분할 정도로 크게 설정되어, 드레싱을 하는 동안 일정하게 유지된다. 상기 폴리싱패드(10)에 대한 드레서디스크(31)의 가압력은 상부 압력챔버와 하부 압력챔버간의 차동 압력에 의하여 결정된다.
드레서디스크(31)로부터 폴리싱패드에 가해지는 가압력을 간접적으로 측정하기 위한 부하측정장치인 로드셀(45)이 드레서드라이브샤프트(32)에 제공된다. 상기 로드셀(45)은 증폭기(46)를 통해 압력제어장치(47)에 결합된다. 상기 로드셀(45)의 측정값(출력 신호)들이 증폭기(46)에 의해 증폭되고, 상기 증폭된 측정값들이 압력제어장치(47)에 전달된다.
상기 폴리싱패드(10) 상에 작용하는 가압력은 드레서 어셈블리의 중량 및 에어실린더(36)에 의해 생성되는 하향력의 결과적인 힘이다. 보다 기술적으로는, 폴리싱패드(10) 상에 작용하는 가압력이 볼스플라인(35)과 드레서드라이브샤프트(32)간의 마찰 저항 및 에어실린더(36)의 실링요소의 마찰 저항에 더욱 영향을 받는다. 하지만, 이러한 마찰 저항들은 드레서 어셈블리의 중량 및 에어실린더(36)에 의해 생성되는 힘에 비해 상대적으로 극히 작다. 그러므로, 이러한 마찰 저항들을 하기에 설명하는 것은 생략하기로 한다.
상기 로드셀(45)은 드레서드라이브샤프트(32)에 통합되고, 상기 드레서드라이브샤프트(32) 상에 작용하는 부하를 측정한다. 그러므로, 실제 가압력과 상기 로드셀(45)에 의해 얻어지는 측정값간의 차이가 존재한다. 상기 드레서디스크(31)에 의해 폴리싱패드(10)에 가해지는 가압력 F, 상기 로드셀(45)의 측정값 F' 및 가압력 F와 측정값 F'간의 차이를 도 3을 참조하여 설명하기로 한다. 도 3에 도시된 구조에서는, 드레서디스크(31)가 폴리싱패드(10)와 접촉 중일 때의 가압력 F가 다음과 같이 표현된다.
Figure pat00001
여기서, Fc는 에어실린더(36)의 상부 압력챔버에 도입되는 압력 Pc의 공기에 의해 생성되는 하향력을 나타내고, Fb는 에어실린더(36)의 하부 압력챔버에 도입되는 압력 Pb의 공기에 의해 생성되는 상향력을 나타내며, m1g는 드레서 어셈블리의 중심으로서 로드셀(45)에 대한 상기 드레서 어셈블리의 상부의 중량을 나타내고, m2g는 드레서 어셈블리의 중심으로서 상기 로드셀(45)에 대한 드레서 어셈블리의 하부의 중량을 나타낸다.
상기 로드셀(45)은 드레서드라이브샤프트(32) 상에 작용하는 압축력 뿐만 아니라 인장력을 측정하도록 구성된다. 드레서디스크(31)가 폴리싱패드(10)와의 접촉에서 벗어나면, 상기 드레서 어셈블리의 하부의 중량 m2g 만이 상기 로드셀(45) 상의 인장력으로서 작용한다. 그러므로, 이 상태에서 상기 로드셀(45)로부터 출력되는 측정값이 - m2g 가 된다. 다른 한편으로, 드레서디스크(31)가 폴리싱패드(10)와 접촉되어 있는 경우에는, 상기 드레서 어셈블리의 하부의 중량 m2g 이 상기 로드셀(45) 상에 가해지지 않게 된다. 상기 드레서디스크(31)가 폴리싱패드(10)와 접촉되어 있을 때에는 상기 로드셀(45)로부터 출력되는 측정값 F'가 다음과 같이 표현된다.
Figure pat00002
상기 수학식 1 및 수학식 2로부터, 가압력 F와 측정값 F'간의 차이 △S가 다음과 같이 주어진다.
Figure pat00003
그러므로, 실제 가압력 F는 보정량으로서 상기 차이 △S (=m2g)를 상기 로드셀(45)로부터 얻어진 측정값 F'에 가산하여 결정될 수 있다. 이러한 보정량 △S는 드레서디스크(31)가 폴리싱패드(10)와의 접촉에서 벗어난 경우 상기 로드셀(45)로부터 출력되는 측정값으로 주어질 수 있다. 대안적으로, 보정량 △S는 드레서디스크(31)와 폴리싱패드(10) 사이에 캘리브레이션 로드셀을 두고, 상기 폴리싱패드(10)에 가해지는 드레서디스크(31)의 실제 가압력(즉, 캘리브레이션 로드셀의 측정값)으로부터 상기 로드셀(45)의 측정값 F'를 감산하여 결정될 수도 있다. 이러한 보정량 △S (=m2g)은 드레서 어셈블리의 하부의 중량에만 좌우되고, △S의 값은 실질적으로 일정하다. 그러므로, 일단 보정량 △S가 얻어지면, 그것이 반복됨에 따라 그 값이 사용될 수 있다.
보정량을 획득하는 작업은 기판의 처리에 앞서 수행되고, 획득한 보정량은 압력제어장치(47)에 저장된다. 이러한 압력제어장치(47)는 보정량 m2g을 상기 로드셀(45)로부터 전달되는 측정값 F'에 가산하여, 상기 폴리싱패드(10)에 대한 드레서디스크(31)의 가압력 F를 결정하게 된다.
상기 압력제어장치(47)는 상기 로드셀(45)의 측정값 F'으로부터 얻어지는 가압력 F와 상기 에어실린더(36)의 상부 압력챔버 내의 공기의 압력 Pc간의 관계를 정립하기 위한 캘리브레이션을 수행하도록 구성된다. 상기 에어실린더(36)의 상부 압력챔버 안으로 공급되는 공기의 압력 Pc를 측정하기 위한 압력센서(압력측정장치)(42)는 전공 레귤레이터(40)에 제공된다. 상기 압력센서(42)의 측정값은 상기 압력제어장치(47)에 전달된다. 상기 압력제어장치(47)는 상기 가압력 F를 상기 압력센서(42)에 의해 동일한 시점에 얻어지는 측정값과 연관시킴으로써, 상기 드레서디스크(31)의 가압력 F와 상기 상부 압력챔버 내의 공기압 Pc간의 관계를 정립하게 된다.
본 실시예에 따르면, 종래의 캘리브레이션과 달리, 캘리브레이션을 위하여 폴리싱장치의 작업들을 정지시킬 필요는 없다. 또한, 드레서디스크(31)와 폴리싱패드(10) 사이에 캘리브레이션을 위한 부하측정장치를 반드시 끼워 넣을 필요는 없다. 그러므로, 캘리브레이션이 매우 단시간 내에 수행될 수 있고, 상기 폴리싱장치의 작업 속도가 개선될 수 있게 된다.
도 4는 캘리브레이션에 의해 얻어지는, 드레서디스크(31)의 가압력과 상부 압력챔버 내의 공기압간의 관계를 도시한 그래프이다. 도 4에서, 세로축은 드레서디스크(31)의 가압력 F를 나타내고, 가로축은 상부 압력챔버 내의 공기의 압력 Pc를 나타낸다. 도 4의 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기 드레서디스크(31)의 가압력은 상부 압력챔버 내의 공기의 압력에 근사적으로 비례한다. 그러므로, 원하는 가압력을 생성하기 위한 공기압이 도 4에 도시된 그래프로부터 결정될 수 있게 된다.
상기 압력제어장치(47)는 캘리브레이션에 의해 얻어지는, 가압력과 공기압간의 관계를 토대로, 입력장치(도시안됨)를 통해 입력되는 원하는 가압력에 대응하는 공기압을 결정하고, 상기 결정된 압력을 갖는 공기를 상기 에어실린더(36)의 상부 압력챔버에 공급하도록 전공 레귤레이터(40)에 명령한다. 상기 에어실린더(36)는 가압력을 드레서디스크(31)에 부여하고, 상기 드레서디스크(31)는 원하는 가압력으로 폴리싱패드(10)를 가압한다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 드레싱유닛을 도시한 개략도이다. 하기에 설명되지 않는 이러한 실시예의 구조 및 동작들은 상술된 제1실시예와 동일하므로, 그 반복적인 설명은 생략하기로 한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 에어실린더(즉, 가압기구)(36)의 하부 압력챔버는 대기로 통기되는 한편, 상부 압력챔버에는 상술된 제1실시예에서와 같이 전공 레귤레이터(40)를 통해 압축 공기가 제공된다. 제2실시예에 따른 드레싱유닛은 드레서디스크(31) 및 드레서드라이브샤프트(32)를 포함하는 드레서 어셈블리의 중량을 지지하기 위한 스프링(50)을 포함한다. 상기 스프링(50)은 에어실린더(36)로부터 별도로 제공되는 리프팅기구이다. 본 실시예에서는, 로드셀(45)이 제공되지 않는다.
상기 스프링(50)은 상기 드레서스윙아암(33)에 고정되는 지지베이스(52) 상에 장착된다. 상기 스프링(50)은 드레서드라이브샤프트(32)에 고정된 스프링스토퍼(51)와 접촉되어 있는 상단부를 가진다. 이러한 구성예에 의하면, 에어실린더(36)가 드레서디스크(31)를 가압하는 방향에 대향하는 방향으로 상기 스프링(50)이 드레서드라이브샤프트(32) 상에 힘을 가하여, 상기 드레서디스크(31)를 드레서드라이브샤프트(32)를 통해 상향으로 편향시키게 된다. 상기 드레서드라이브샤프트(32)의 회전부와 비회전부를 서로 결합시키는 역할을 하는 커플링(37)은 상기 스프링스토퍼(51) 하부에 위치한다. 상기 스프링(50)을 지지하기 위한 지지베이스(52)와 상기 볼스플라인(35)을 지지하기 위한 지지베이스(49)는 단일 부재일 수도 있다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 드레싱유닛의 변형예를 도시한 개략도이다. 본 변형예에서는, 스프링(50)이 커플링(37) 하부에 위치한다. 상기 스프링스토퍼(51)는 드레서드라이브샤프트(32)의 회전부에 고정된다. 상기 스프링(50)의 하단부는 볼스플라인(35)에 고정된다. 상기 스프링(50), 볼스플라인(35) 및 드레서드라이버샤프트(32)는 일체형으로 회전한다.
도 5 및 도 6에 도시된 드레싱유닛에서는, 폴리싱패드(10)에 대한 드레서디스크(31)의 가압력 F가 에어실린더(36)에 의해 생성되는 하향력 Fc[N], 드레서 어셈블리 전체의 중량 mg[N], 및 스프링(50)에 의해 생성되는 상향력 Fb[N]의 결과적인 힘으로서 표현된다. 도 7은 에어실린더(36)의 상부 압력챔버에 공급되는 공기의 압력 Pc와 폴리싱패드(10) 상에 작용하는 가압력 F간의 관계를 도시한 그래프이다. 도 7에서, 세로축은 폴리싱패드(10) 상에 작용하는 가압력 F를 나타내고, 가로축은 에어실린더(36)의 상부 압력챔버 내의 공기의 압력 Pc를 나타낸다. 세로축을 따르는 부호 "+"는 상향력을 나타내고, 부호 "-"는 하향력을 나타낸다. 도 7에 도시된 그래프는 드레서디스크(31)가 폴리싱패드(10)와 접촉되어 있는 것으로, 그리고 상기 스프링(50)의 길이가 일정하게 유지된다는 가정 하에 도시되어 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 압력 Pc가 P1 이상인 경우, 가압력은 드레서디스크(31)로부터 폴리싱패드(10)에 가해진다. 스프링(50)에 의해 생성되는 상향력 Fb는 에어실린더(36)에 의해 생성되는 하향력 Fc에 가산되기 때문에, 힘 Fc는 폴리싱패드(10) 상에 작용하는 가압력 F 보다 크다. 힘 Fc가 크다는 사실은 에어실린더(36)의 상부 압력챔버와 하부 압력챔버간에 공기압의 차이가 크다는 것을 의미한다. 즉, 에어실린더(36)의 데드존(즉, 상부 압력챔버와 하부 압력챔버간의 공기압의 차이가 작은 경우 피스톤(36a)과 실린더간의 마찰 저항으로 인하여, 상기 피스톤(36a)이 움직이지 않는 압력 범위)이 상기 에어실린더(36)의 동작 범위로부터 분리된다. 그러므로, 가압력 F가 작은 경우에도(예컨대, 10 N 이하), 상기 에어실린더(36)가 원활하게 작동가능하게 된다. 더욱이, 가압력 F가 작게 설정될 수 있기 때문에, 긁히는 폴리싱패드(10)의 정도가 작게 될 수 있다. 결과적으로, 폴리싱패드(10)의 수명이 길어질 수 있다.
리프팅기구로서 스프링(50)은 에어실린더(36)와 달리 슬라이딩 요소들을 구비하지 않는다. 그러므로, 스프링(50)을 사용하면 슬라이딩 저항의 증가를 초래하지 않고, 상기 에어실린더(36)가 드레서디스크(31)의 가압력 F를 0[N]을 포함하는 넓은 범위 내에서 원활하게 변경가능하다. 그 결과, 상기 드레서디스크(31)가 폴리싱패드(10)를 작은 가압력 F으로 안정하게 가압할 수 있게 된다.
상기 스프링(50)으로는 코일스프링이 사용되는 것이 바람직하다. 스프링(50) 대신에, 가스가 포위된 에어스프링(예컨대, 유연한 또는 변형가능한 재료로 형성된 에어백)이 상기 리프팅기구로서 사용될 수도 있다. 슬라이딩 저항을 줄이기 위해서는, 에어실린더(36)로서, 피스톤과 실린더 사이에 배치된 비접촉형 시일을 구비한 비접촉 시일 에어실린더 또는 피스톤과 실린더간의 립 시일(lip seal)을 사용하지 않는 금속형 에어실린더를 사용하는 것이 바람직하다.
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 드레싱유닛을 도시한 개략도이다. 하기에 설명되지 않는 이러한 실시예의 구조 및 동작들은 상술된 제2실시예와 동일하므로, 그 반복적인 설명은 생략하기로 한다. 본 실시예에서는, 부하측정장치로서의 역할을 하는 로드셀(45)이 드레서드라이브샤프트(32)에 통합된다. 이러한 로드셀(45)은 에어실린더(36)와 스프링(50) 사이에 위치하고, 증폭기(46)를 통해 압력제어장치(47)에 전기적으로 연결된다.
본 실시예에 있어서, 드레서디스크(31)의 실제 가압력과 상기 로드셀(45)의 측정값간의 차이는 스프링(50)의 상향력과 드레서 어셈블리의 중량에 대응한다. 상기 드레서디스크(31)의 가압력 F와 상기 로드셀(45)의 측정값 F'간의 차이를 아래에 설명하기로 한다.
공기가 에어실린더(36)의 상부 압력챔버 안으로 공급되지 않는 경우(즉, Fc가 제로인 경우), 상기 드레서 어셈블리는 스프링(50)에 의해 승강되고, 상기 드레서디스크(31)는 폴리싱패드(10)로부터 멀리 위치한다. 이후, 이 상태를 초기 상태라고 한다. 이러한 초기 상태에서는, 피스톤(36a)이 스프링(50)의 상승력을 받아 실린더의 상단부와 접촉하게 된다. 이러한 스프링(50)의 상승력 Fb은 다음과 같이 표현된다.
Figure pat00004
여기서, Fb0는 초기 상태에서의 스프링(50)의 상승력 [N]이고, k는 스프링상수 [N/mm] 이며, Z는 그 초기 위치(즉, 초기 상태에서의 위치)로부터 드레서 어셈블리의 변위 [mm] 이다.
초기 상태에서는, 에어실린더(36)의 힘 Fc가 제로이다. 상기 변위 Z도 제로이다. 그러므로, 스프링(50)의 상승력 Fb가 Fb0 이다. 초기 상태에서는, 드레서 어셈블리의 중량 m1g 및 m2g 와 상기 스프링(50)의 상승력 Fb0(=Fb)가 로드셀(45)에 작용한다. 상기 드레서 어셈블리의 하부의 중량 m2g는 상기 로드셀(45) 상의 인장력으로서 작용한다. 그러므로, 상기 로드셀(45)의 측정값 F'가 하기 수학식으로 표현된다.
Figure pat00005
공기가 에어실린더(36)의 상부 압력챔버 안으로 공급되는 경우, 하향력 Fc를 생성한다. 하향력 Fc가 소정값을 초과하면, 드레서 어셈블리는 스프링(50)의 상승력에 대항하여 하강한다. 드레서 어셈블리가 초기 위치로부터 약간 하강하고, 여전히 공기 중에 있으면(즉, Fc≠0, Z≠0, F=0), 힘의 평형 조건으로부터 하기 수학식이 성립한다.
Figure pat00006
상기 수학식 6은 변수 Z를 포함하기 때문에, 드레서 어셈블리는 힘 Fc에 좌우되는 소정의 위치에서 레스트(rest)하게 된다. 그러므로, 드레서디스크(31)의 가압력 F가 제로 또는 근사적으로 제로인 경우에도, 상기 드레서디스크(31)의 위치가 안정하게 된다. 이는 드레서디스크(31)가 매우 작은 힘으로 폴리싱패드(10)를 드레싱할 수 있다는 것을 나타낸다.
상기 드레서 어셈블리가 현수되는 경우 상기 로드셀(45)의 측정값 F'는 다음과 같이 주어진다.
Figure pat00007
힘 Fc가 더욱 증가됨에 따라, 드레서디스크(31)가 더욱 낮아져 폴리싱패드(10)와 접촉하게 된다. 이러한 접촉 상태에서(즉, Fc≠0, Z≠0, F≠0), 가압력 F는 다음과 같이 표현된다.
Figure pat00008
다른 한편으로, 로드셀(45)의 출력으로서 측정값 F'는 다음과 같이 표현된다.
Figure pat00009
이에 따라, 가압력 F와 측정값 F'간의 차이 △S가 다음과 같이 주어진다.
Figure pat00010
그러므로, 가압력 F는 보정량으로서 차이 △S (= 2m2g - 2(Fb0 + k·Z))를 로드셀(45)로부터 얻어지는 측정값 F'에 가산하여 주어질 수 있다. 이러한 보정량 △S는 공지된 값 Fb0, k, m2g 및 변위 Z의 실제 측정값으로 주어질 수 있다. 대안적으로, 캘리브레이션을 위한 로드셀은 드레서디스크(31)와 폴리싱패드(10) 사이에 위치할 수도 있어, 상기 폴리싱패드(10)에 가해지는 상기 드레서디스크(31)의 실제 가압력을 얻게 되고, 보정량 △S는 실제 가압력(즉, 캘리브레이션을 위한 로드셀의 측정값)으로부터 상기 로드셀(45)의 측정값 F'를 감산하여 결정될 수도 있다.
상기 보정량 △S는 스프링(50)의 스프링상수 k[N/mm]에 영향을 받는다. 보다 구체적으로는, 드레서디스크(31)가 폴리싱패드(10)와 접촉하는 경우 상기 드레서디스크(31)의 상하방향으로의 위치(이하, 이러한 위치를 가압 위치라고 함)가 상기 폴리싱패드(10)의 마모에 따라 낮아진다. 드레서디스크(31)의 가압 위치가 폴리싱패드(10)의 마모로 인하여 △Z 만큼 낮아지는 경우, 상기 스프링(50)의 상승력 Fb는 k·△Z 만큼 증가하게 된다. 그 결과, 드레서디스크(31)의 가압력 F가 k·△Z 만큼 감소된다. 그러므로, 스프링상수 k가 작은 스프링을 이용하면 가압력 F에 대한 영향력을 감소시킬 수 있게 된다. 예를 들어, 스프링상수 k가 1 N/mm 이고 폴리싱패드의 마모 정도가 0.5 mm 인 경우, 가압력 F는 대략 0.5 N 정도 감소된다.
제1실시예에서와 같이, 압력제어장치(47)는 압력센서(42)로부터 얻어지는 측정값들과 로드셀(45)로부터 얻어지는 측정값들을 토대로, 드레서디스크(31)의 가압력과 에어실린더(36)의 상부 압력챔버에 공급되는 공기압간의 관계를 결정하기 위한 캘리브레이션을 수행한다. 이러한 캘리브레이션은 예컨대 폴리싱패드(10)의 드레싱 직전이나 직후 소정의 타이밍으로 압력제어장치(47)에 의하여 자동으로 수행된다. 상기 캘리브레이션은 드레싱 동안에 수행될 수도 있다. 가압력 F가 상술된 바와 같이 폴리싱패드(10)의 마모에 따라 변하기 때문에, 캘리브레이션을 주기적으로 실시하는 것이 바람직하다.
도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 드레싱유닛의 변형예를 도시한 개략도이다. 이러한 변형예에 있어서, 상기 스프링(50)은 커플링(37) 하부에 배치된다. 상기 스프링스토퍼(51)는 드레서드라이브샤프트(32)의 회전부에 고정되고, 상기 스프링(50)의 하단부는 볼스플라인(35)에 고정된다. 상기 스프링(50), 볼스플라인(35) 및 드레서드라이브샤프트(32)는 일체형으로 회전된다. 본 예시에서도, 드레서디스크(31)의 가압력 F와 로드셀(45)의 측정값 F'간의 차이 △S(즉, 보정량)가 상술된 바와 동일한 절차들에 따라 결정된다.
도 10은 본 발명의 제4실시예에 따른 드레싱유닛을 도시한 개략도이다. 하기에 설명되지 않는 이러한 실시예의 구조 및 동작들은 상술된 제2실시예와 동일하므로, 그 반복적인 설명은 생략하기로 한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 드레싱유닛은 드레서디스크(31)의 상하방향으로의 위치를 측정하기 위한 위치센서(55)를 포함한다. 이러한 위치센서(55)는 스프링스토퍼(51)에 고정되어, 상기 위치센서(55)가 드레서드라이브샤프트(32)와 일체형으로 상하방향으로 이동하도록 한다. 상기 위치센서(55)는 스프링(50)이 장착되는 지지베이스(52)를 접촉하는 프로브를 구비한다. 상기 위치센서(55)는 지지베이스(52)에 대한 상하방향으로의 드레서드라이브샤프트(32)의 상대적인 위치, 즉 드레서디스크(31)의 상하방향으로의 위치를 측정한다. 이러한 위치센서(55)는 그 프로브가 측정 목표에 접촉하는 접촉형 위치센서이지만, 비접촉형 위치센서가 대안적으로 사용될 수도 있다.
상기 드레서디스크(31)의 가압 위치는 폴리싱패드(10)의 마모에 따라 낮아진다. 그러므로, 폴리싱패드(10)의 마모 정도가 드레서디스크(31)의 가압 위치의 변위(즉, 초기 가압 위치로부터의 변위)로 표현될 수 있다. 따라서, 상기 위치센서(55)는 드레서디스크(31)가 폴리싱패드(10)와 접촉하는 경우 드레서드라이브샤프트(32)의 상하방향으로의 위치를 측정하여, 상기 폴리싱패드(10)의 마모 정도를 간접적으로 측정하게 된다. 상기 위치센서(55)의 측정값은 압력제어장치(47)에 전달되되, 상기 위치센서(55)로부터의 측정값, 즉 폴리싱패드(10)의 마모 정도가 모니터링된다.
폴리싱패드(10)가 마모됨에 따라, 스프링(50)의 상승력 Fb이 증가된다. 그 결과, 상기 폴리싱패드(10)에 대한 드레서디스크(31)의 가압력 F가 감소되게 된다. 가압력 F가 감소되면, 폴리싱패드(10)의 의도된 드레싱이 수행되지 않을 수도 있다. 이러한 단점을 피하기 위하여, 상기 압력제어장치(47)는 가압력 F의 감소를 보상하기 위하여 에어실린더(36)의 상부 압력챔버 내의 공기압을 증가시킨다. 상기 가압력 F의 감소는 폴리싱패드의 마모의 결과에 따라 스프링(50)의 상승력 Fb의 변화로 인한 것이다. 그러므로, 상기 가압력 F의 감소 정도 △F가 다음과 같이 주어진다.
Figure pat00011
여기서, △Z는 드레서디스크(31)의 가압 위치의 변위, 즉 폴리싱패드(10)의 마모 정도를 나타낸다.
상기 압력제어장치(47)는 위치센서(55)로부터 얻어지는 측정값으로부터 폴리싱패드(10)의 마모 정도 △Z를 연산하고, 상기 수학식 11에 따라 가압력의 감소 정도 △F를 연산한다. 또한, 상기 압력제어장치(47)는 하기 수학식 12를 이용하여 얻어지는 값 △F를 생성하기 위한 공기압 △Pc를 결정한다.
Figure pat00012
여기서, A는 피스톤(36a)의 유효 압력수용영역을 나타낸다.
상기 압력제어장치(47)는 에어실린더(36)의 상부 압력챔버 내의 공기압을 △Pc 만큼 증가시켜, 폴리싱패드(10)의 마모 정도에 따라 에어실린더(36)에 의해 생성되는 힘 Fc를 보정하게 된다. 이러한 보정 작업은 폴리싱패드(10)의 마모에 관계없이 상기 드레서디스크(31)로 하여금 상기 폴리싱패드(10)를 일정한 가압력 F로 드레싱할 수 있게 한다.
도 11은 본 발명의 제4실시예에 따른 드레싱유닛의 변형예를 도시한 개략도이다. 본 변형예에서는, 스프링(50)이 커플링(37) 하부에 배치된다. 상기 스프링스토퍼(51)는 드레서드라이브샤프트(32)의 회전부에 고정되고, 상기 스프링(50)의 하단부는 볼스플라인(35)에 고정된다. 상기 스프링(50), 볼스플라인(35) 및 드레서드라이브샤프트(32)는 일체형으로 회전된다. 상기 위치센서(55)는 드레서드라이브샤프트(32)의 비회전부에 고정된 아암(53)에 의해 지지된다. 상기 위치센서(55)의 프로브는 지지베이스(52)와 접촉되어 있다. 상기 폴리싱패드(10)의 마모 정도는 위치센서(55)에 의해 간접적으로 측정된다.
도 12는 본 발명의 제5실시예에 따른 드레싱유닛을 도시한 개략도이다. 하기에 설명되지 않는 이러한 실시예의 구조 및 동작들은 상술된 제4실시예와 동일하므로, 그 반복적인 설명은 생략하기로 한다. 본 실시예에서는, 부하측정장치로서의 역할을 하는 로드셀(45)이 드레서드라이브샤프트(32)에 제공된다. 이러한 로드셀(45)은 에어실린더(36)와 스프링(50) 사이에 위치하여, 증폭기(46)를 통해 압력제어장치(47)에 결합된다. 제1실시예에서와 같이, 상기 압력제어장치(47)는 압력센서(42)로부터 얻어지는 측정값들과 로드셀(45)로부터 얻어지는 측정값들을 토대로, 드레서디스크(31)의 가압력과 에어실린더(36)의 상부 압력챔버에 공급되는 공기의 압력간의 관계를 결정하기 위한 캘리브레이션을 수행한다.
도 12에 도시된 구조들에 있어서, 압력제어장치(47)는 위치센서(55)의 측정값으로부터 결정되는 폴리싱패드(10)의 마모 정도가 미리 설정된 값에 도달한 때에 캘리브레이션을 수행할 수도 있다. 폴리싱패드(10)의 마모 정도에 따른 캘리브레이션은 드레서디스크(31)의 가압력 F의 변동을 방지할 수 있다. 또한, 상기 캘리브레이션은 톱링유닛(20)에 의해 실시되는 패드 서치(pad search)와 동기화되어 정기적으로 수행될 수도 있다(도 2 참조). 상기 패드 서치는 기판을 폴리싱할 때 톱링(21)의 기준 높이에 대한 탐색 작업이다. 보다 구체적으로, 상기 톱링(21)은 그것이 폴리싱패드(10)와 접촉할 때까지 그 승강된 레스트 위치로부터 낮아지고, 폴리싱패드(10)와 접촉할 때의 상기 톱링(21)의 높이는 폴리싱 공정에 대한 기준 높이가 되도록 결정된다.
바람직한 예시에 있어서, 상기 압력제어장치(47)는, 드레서디스크(31)가 폴리싱패드(10)의 드레싱 시에 사전설정된 목표 가압력을 유지하도록, 상기 로드셀(45)의 측정값을 토대로 상기 에어실린더(36)의 상부 압력챔버 안으로 공급되는 공기의 압력 Pc를 제어한다. 이러한 피드백 제어는 폴리싱패드(10)의 마모에 관계없이, 드레서디스크(31)가 그 가압력 F를 일정하게 유지시킬 수 있다.
도 13은 본 발명의 제5실시예에 따른 드레싱유닛의 변형예를 도시한 개략도이다. 본 변형예에서는, 스프링(50)이 커플링(37) 하부에 배치된다. 상기 스프링스토퍼(51)는 드레서드라이브샤프트(32)의 회전부에 고정되고, 상기 스프링(50)의 하단부는 볼스플라인(35)에 고정된다. 상기 스프링(50), 볼스플라인(35) 및 드레서드라이브샤프트(32)는 일체형으로 회전된다. 상기 위치센서(55)는 드레서드라이브샤프트(32)의 비회전부에 고정된 아암(53)에 의해 지지된다. 상기 위치센서(55)의 프로브는 지지베이스(52)와 접촉되어 있다. 상기 폴리싱패드(10)의 마모 정도는 위치센서(55)에 의해 간접적으로 측정된다.
도 14는 본 발명의 제6실시예에 따른 드레싱유닛을 도시한 개략도이다. 하기에 설명되지 않는 이러한 실시예의 구조 및 동작들은 상술된 제3실시예와 동일하므로, 그 반복적인 설명은 생략하기로 한다. 본 실시예에서는, 스프링(50)이 로드셀(45) 상부에 배치된다. 보다 구체적으로, 상기 스프링(50)은 에어실린더(36) 내부에 제공되어, 피스톤(36a)을 하부로부터 가압하기 위하여 배치된다. 상기 스프링(50)의 위치가 상기 예시로 제한되는 것은 아니며, 스프링(50)이 에어실린더(36)와 로드셀(45) 사이에 배치되는 한, 여타의 장소들에 상기 스프링(50)이 위치할 수도 있음에 유의한다.
본 실시예에 있어서, 드레서디스크(31)의 실제 가압력과 로드셀(45)의 측정값간의 차이는 드레서 어셈블리의 중량에 대응한다. 상기 드레서디스크(31)의 가압력 F와 상기 로드셀(45)의 측정값 F'간의 차이를 후술하기로 한다.
초기 상태(즉, Fc=0, Z=0, F=0)에서는, 하향력 m2g 만이 로드셀(45) 상의 인장력으로서 작용한다. 상기 스프링(50)의 상승력 Fb 및 상기 드레서 어셈블리의 상부의 중량 m1g가 로드셀(45) 상에 작용하지 않는다. 그러므로, 상기 로드셀(45)에서의 측정값 F'가 다음과 같이 표현된다.
Figure pat00013
공기가 에어실린더(36)의 상부 압력챔버 안으로 공급되어 드레서 어셈블리를 상기 초기 위치로부터 약간 저하시키고, 상기 드레서 어셈블리가 여전히 공기 중에 현수되는 경우(즉, Fc≠0, Z≠0, F=0), 하기 수학식이 힘들의 평형 조건으로부터 성립한다.
Figure pat00014
상기 수학식 14는 변수 Z를 포함하기 때문에, 드레서 어셈블리는 힘 Fc에 좌우되는 소정의 위치에서 레스트하게 된다. 그러므로, 드레서디스크(31)의 가압력 F가 제로 또는 근사적으로 제로인 경우에도, 상기 드레서디스크(31)의 위치가 안정하게 된다. 이는 드레서디스크(31)가 매우 작은 힘으로 폴리싱패드(10)를 드레싱할 수 있다는 것을 나타낸다.
이러한 현수된 상태에서는, 하향력 m2g 만이 로드셀(45) 상의 인장력으로서 작용한다. 그러므로, 상기 로드셀(45)의 측정값 F'가 다음과 같이 표현된다.
Figure pat00015
드레서디스크(31)가 폴리싱패드(10)와 접촉하게 되는 경우(즉, Fc≠0, Z≠0, F≠0), 상기 가압력 F는 다음과 같이 표현된다.
Figure pat00016
다른 한편으로, 상기 로드셀(45)의 출력인 측정값 F'가 다음과 같이 표현된다.
Figure pat00017
이에 따라, 가압력 F와 측정값 F'간의 차이 △S는 다음과 같이 주어진다.
Figure pat00018
그러므로, 가압력 F는 보정량으로서 차이 △S (=m2g)를 상기 로드셀(45)의 측정값 F'에 가산하여 얻어질 수 있다. 이러한 보정량 △S는 드레서디스크(31)가 폴리싱패드(10)와의 접촉에서 벗어난 경우 상기 로드셀(45)의 측정값에 의해 얻어질 수 있다. 대안적으로, 캘리브레이션을 위한 로드셀은 드레서디스크(31)와 폴리싱패드(10) 사이에 두어 폴리싱패드(10)에 가해지는 드레서디스크(31)의 실제 가압력을 얻게 될 수도 있고, 상기 보정량 △S는 실제 가압력(즉, 캘리브레이션용 로드셀의 측정값)으로부터 상기 로드셀(45)의 측정값 F'를 감산하여 결정될 수도 있다. 이러한 보정량 △S (=m2g)은 변수 Z를 포함하지 않기 때문에, 상기 값 △S는 폴리싱패드(10)의 마모에 관계없이 일정하다. 그러므로, 일단 보정량 △S가 결정되면, 그것이 반복됨에 따라 그 값이 사용될 수 있다.
제1실시예에서와 같이, 상기 압력제어장치(47)는 로드셀(45)의 측정값들과 압력센서(42)의 측정값들을 토대로, 상기 드레서디스크(31)의 가압력과 상기 에어실린더(36)의 상부 압력챔버에 공급되는 공기압간의 관계를 결정하기 위한 캘리브레이션을 수행한다. 이러한 캘리브레이션은 예컨대 폴리싱패드(10)의 드레싱 직전이나 직후 소정의 타이밍으로 압력제어장치(47)에 의하여 자동으로 수행된다. 상기 실시예의 드레싱유닛은 제5실시예에 따른 위치센서(55)를 포함할 수도 있다. 이 경우, 제5실시예에서 논의된 바와 같이, 상기 압력제어장치(47)는 상기 위치센서(55)의 측정값으로부터 결정되는 상기 폴리싱패드(10)의 마모 정도가 미리 설정된 값에 도달한 때에 캘리브레이션을 수행하는 것이 바람직하다.
앞선 실시예들의 설명을 통해 당업계의 당업자라면 본 발명의 제조 및 실시가 가능할 것이다. 더욱이, 이들 실시예들의 다양한 변형예들도 당업계의 당업자에게는 자명한 것이며, 본 명세서에 한정된 일반적인 원리와 구체적인 예시들은 여타의 실시예들에도 적용가능하다. 그러므로, 본 발명은 본 명세서에 기술된 실시예들로 제한되지 아니하고, 청구범위와 그 균등론의 범위에 의하여 한정되는 최대의 범위로 생각하여야 한다.

Claims (11)

  1. 폴리싱패드를 드레싱하기 위한 드레싱장치에 있어서,
    폴리싱패드와 슬라이딩접촉하게 될 드레서디스크;
    상기 드레서디스크에 결합된 상하 이동가능한 드레서드라이브샤프트;
    상기 드레서드라이브샤프트를 통해 상기 폴리싱패드에 대하여 상기 드레서디스크를 가압하기 위해 가스를 공급받도록 구성된 가압기구;
    상기 가압기구에 공급되는 가스의 압력을 측정하도록 구성된 압력측정장치;
    상기 드레서드라이브샤프트 상에 작용하는 부하를 측정하도록 구성된 부하측정장치; 및
    상기 가압기구에 공급되는 가스의 압력을 제어하도록 구성된 압력제어장치를 포함하여 이루어지고,
    상기 압력제어장치는, 상기 압력측정장치 및 상기 부하측정장치의 측정값들을 토대로, 상기 폴리싱패드에 대한 상기 드레서디스크의 가압력과 상기 가스의 압력간의 관계를 정립하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 드레싱장치.
  2. 기판을 폴리싱하기 위한 폴리싱장치에 있어서,
    폴리싱패드를 지지하기 위한 회전가능한 폴리싱테이블;
    상기 폴리싱패드에 대하여 기판을 가압하도록 구성된 톱링; 및
    제1항에 따른 드레싱장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 폴리싱장치.
  3. 폴리싱패드를 드레싱하기 위한 드레싱장치에 있어서,
    폴리싱패드와 슬라이딩접촉하게 될 드레서디스크;
    상기 드레서디스크에 결합된 상하 이동가능한 드레서드라이브샤프트;
    상기 드레서드라이브샤프트를 통해 상기 폴리싱패드에 대하여 상기 드레서디스크를 가압하도록 구성된 유압실린더;
    상기 드레서드라이브샤프트를 통해 상기 드레서디스크를 상승시키도록 구성된 리프팅기구; 및
    상기 유압실린더에 공급되는 가스의 압력을 제어하도록 구성된 압력제어장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 드레싱장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 리프팅기구는 스프링을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 드레싱장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 드레서디스크가 상기 폴리싱패드와 접촉하게 되는 경우, 상기 드레서디스크의 상하 방향의 위치를 측정하도록 구성된 위치센서를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 드레싱장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 압력제어장치는, 상기 위치센서의 측정값을 토대로 상기 유압실린더에 공급되는 가스의 압력을 변경하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 드레싱장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 드레서드라이브샤프트 상에 작용하는 부하를 측정하도록 구성된 부하측정장치; 및
    상기 유압실린더에 공급되는 가스의 압력을 측정하도록 구성된 압력측정장치를 더 포함하여 이루어지고,
    상기 압력제어장치는, 상기 위치센서의 측정값으로부터 상기 폴리싱패드의 마모 정도를 판정하여, 상기 폴리싱패드의 마모 정도가 소정값에 이르게 된 경우, 상기 압력측정장치와 상기 부하측정장치의 측정값들을 토대로, 상기 폴리싱패드에 대한 상기 드레서디스크의 가압력과 상기 가스의 압력간의 관계를 정립하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 드레싱장치.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 드레서드라이브샤프트 상에 작용하는 부하를 측정하도록 구성된 부하측정장치; 및
    상기 유압실린더에 공급되는 가스의 압력을 측정하도록 구성된 압력측정장치를 더 포함하여 이루어지고,
    상기 압력제어장치는, 상기 압력측정장치와 상기 부하측정장치의 측정값들을 토대로, 상기 폴리싱패드에 대한 상기 드레서디스크의 가압력과 상기 가스의 압력간의 관계를 정립하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 드레싱장치.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 드레서드라이브샤프트 상에 작용하는 부하를 측정하도록 구성된 부하측정장치를 더 포함하여 이루어지고,
    상기 압력제어장치는, 상기 폴리싱패드의 드레싱 시 상기 폴리싱패드에 대한 상기 드레서디스크의 가압력이 소정의 목표값으로 유지되도록, 상기 부하측정장치의 측정값을 토대로 상기 가스의 압력을 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 드레싱장치.
  10. 기판을 폴리싱하기 위한 폴리싱장치에 있어서,
    폴리싱패드를 지지하기 위한 회전가능한 폴리싱테이블;
    상기 폴리싱패드에 대하여 기판을 가압하도록 구성된 톱링; 및
    제3항에 따른 드레싱장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 폴리싱장치.
  11. 폴리싱패드의 드레싱방법에 있어서,
    드레서디스크와 폴리싱패드를 회전시키는 단계;
    가스를 공급받아 작동되는 가압기구에 의하여 드레서드라이브샤프트를 통해 상기 폴리싱패드에 대하여 상기 드레서디스크를 가압하는 단계;
    상기 가압기구에 공급되는 가스의 압력을 측정하는 단계;
    상기 드레서드라이브샤프트 상에 작용하는 부하를 측정하는 단계; 및
    상기 가스의 압력의 측정값들과 상기 부하의 측정값들을 토대로, 상기 폴리싱패드에 대한 상기 드레서디스크의 가압력과 상기 가스의 압력간의 관계를 정립하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 드레싱방법.
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