KR20110123960A

KR20110123960A - 화학 기계식 연마시스템의 컨디셔너

Info

Publication number: KR20110123960A
Application number: KR1020100043466A
Authority: KR
Inventors: 서건식; 부재필; 김동수; 구자철; 전찬운; 반준호
Original assignee: 삼성전자주식회사; 주식회사 케이씨텍
Priority date: 2010-05-10
Filing date: 2010-05-10
Publication date: 2011-11-16
Also published as: US8662956B2; CN102240962A; CN102240962B; TWI451938B; US20110275289A1; KR101126382B1; TW201143976A

Abstract

본 발명은 화학 기계식 연마(CMP) 장치의 컨디셔너에 관한 것으로, 회전하는 플래튼 패드 상에서 기판을 연마하는 화학 기계식 연마 장치의 컨디셔너에 있어서, 상기 플래튼 패드의 표면을 미소 절삭하는 컨디셔닝 디스크를 고정하는 디스크 홀더와; 상기 디스크 홀더에 수직력을 전달하는 피스톤 로드와; 상기 피스톤 로드의 일부 이상을 감싸는 하우징과; 상기 피스톤 로드가 상기 디스크 홀더에 도입하는 수직력을 받도록 상기 하우징에 지지되도록 설치되어 상기 수직력을 측정하는 하중 센서와; 상기 하중 센서에 의해 측정된 수직력의 값이 미리 정해진 값과 차이가 있으면 상기 피스톤 로드에 인가하는 수직력을 미리 정해진 값에 이르도록 제어하는 제어부를 포함하여 구성되어, 컨디셔닝 디스크에 도입되는 수직력을 미리 정해진 값으로 일정하게 유지시킴으로써, 컨디셔너에 의하여 플래튼 패드가 전체적으로 일정하게 미소 절삭되어 플래튼 패드의 수명을 충분히 확보하면서도 웨이퍼 등의 기판에 슬러리를 원활하게 공급할 수 있는 화학 기계식 연마 장치의 컨디셔너 및 그 방법을 제공한다.

Description

화학 기계식 연마시스템의 컨디셔너 {CONDITIONER OF CHEMICAL MECHANICAL POLISHING SYSTEM}

본 발명은 화학 기계식 연마시스템의 컨디셔너에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 플래튼 패드 상에 미리 예정된 수직력이 정확하게 도입되어 연마 정반의 플래튼 패드 상에 도포되는 슬러리를 골고루 분산시켜 캐리어 헤드에 장착된 기판에 슬러리를 균일하게 공급하는 화학 기계식 연마 시스템의 컨디셔너에 관한 것이다.

일반적으로 화학 기계식 연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 공정은 연마층이 구비된 반도체 제작을 위한 웨이퍼 등의 기판과 연마 정반 사이에 상대 회전 시킴으로써 기판의 표면을 연마하는 표준 공정으로 알려져 있다.

도1은 종래의 화학 기계식 연마 장치를 개략적으로 도시한 도면이다. 도1에 도시된 바와 같이, 상면에 플래튼 패드(11)가 부착된 연마 정반(10)과, 연마하고자 하는 웨이퍼(w)를 장착하여 플래튼 패드(11)의 상면에 접촉하면서 회전하는 연마 헤드(20)와, 플래튼 패드(11)의 표면을 미리 정해진 수직력으로 가압하여 미세하게 절삭하여 플래튼 패드(11)의 표면에 형성된 미공이 표면에 나오도록 하는 컨디셔너(30)로 구성된다.

연마 정반(10)은 웨이퍼(w)가 연마되는 폴리텍스 재질의 플래튼 패드(11)가 부착되고, 회전축(12)이 회전 구동되어 회전 운동한다.

연마 헤드(20)는 연마 정반(10)의 플래튼 패드(11)의 상면에 위치하여 웨이퍼(w)를 파지하는 캐리어 헤드(21)와, 캐리어 헤드(21)를 회전 구동하면서 일정한 진폭만큼 왕복 운동을 행하는 연마 아암(22)으로 구성된다.

컨디셔너(30)는 플래튼 패드(11)의 표면에 연마제와 화학 물질이 혼합된 슬러리를 담아두는 역할을 하는 수많은 발포 미공들이 막히지 않도록 플래튼 패드(11)의 표면을 미세하게 절삭하여, 플래튼 패드(11)의 발포 기공에 채워졌던 슬러리가 캐리어 헤드(21)에 파지된 웨이퍼(w)에 원활하게 공급하도록 한다.

이를 위하여, 컨디셔너(30)는 컨디셔닝 공정 중에 플래튼 패드(11)에 접촉하는 컨디셔닝 디스크(31)를 홀더(32)로 파지한 상태에서, 홀더(32)와 연결된 회전축(33)을 회전시키도록 하우징(34) 내부에 모터 및 기어박스 등이 내장된다. 그리고, 하우징(34)의 내부에는 공압에 의하여 컨디셔닝 디스크(31)를 하방(31p)으로 가압하는 실린더가 설치되고, 하우징(34)으로부터 연장된 아암(35)이 스윕(sweep) 운동을 행하여, 플래튼 패드(11)의 넓은 면적에 걸쳐 발포 기공에 대한 미소 절삭을 행한다 한편, 컨디셔닝 디스크(31)는 플래튼 패드(11)의 미소 절삭을 위하여 플래튼 패드(11)와 접촉하는 면에 다이아몬드 입자가 부착될 수도 있다. 또한, 회전축(33)은 하우징(34) 이외에 설치된 구동 모터(미도시)에 의해 회전 구동될 수도 있다.

이와 같이 구성된 종래의 화학 기계식 연마 장치는 연마하고자 하는 웨이퍼(w)를 캐리어 헤드(21)에 진공으로 흡착하여 웨이퍼(w)가 플래튼 패드(11)에 가압되면서 회전 구동되고, 동시에 플래튼 패드(11)가 회전하도록 작동한다. 이 때, 슬러리 공급부(40)로부터 공급된 슬러리는 플래튼 패드(11)에 형성되어 있는 수많은 발포 기공에 담겨진 상태로 연마 헤드(20)에 고정된 상태로 회전하는 웨이퍼(w)에 공급된다. 이 때, 플래튼 패드(11)는 지속적으로 가압되므로 발포 기공의 개구부가 점점 막히게 되어 웨이퍼(w)에 슬러리가 원활히 공급되지 못하는 현상이 발생된다.

이와 같은 문제를 해소하기 위하여, 컨디셔너(30)는 플래튼 패드(11)를 향하여 가압하는 실린더를 구비하여, 다이아몬드 입자와 같이 경도가 높은 입자가 부착된 컨디셔닝 디스크(31)를 가압하면서 회전시키고, 동시에 스윕 운동을 행함으로써,플래튼 패드(11)의 전체 면적에 걸쳐 분포된 발포 기공의 개구부를 지속적으로 미세 절삭하여, 플래튼 패드(11)상의 발포 기공에 담겨진 슬러리가 원활하게 웨이퍼(w)에 공급되도록 한다.

이 때, 컨디셔너(30)의 컨디셔닝 디스크(31)가 충분한 힘으로 가압하지 않으면 플래튼 패드(11)의 발포 기공의 개구부를 개방하지 못하여 슬러리가 웨이퍼(w)에 원활히 공급하지 못하는 문제점이 발생되며, 컨디셔닝 디스크(31)가 과도한 힘으로 가압하면 플래튼 패드(11)의 개구부를 개방시키기는 하지만 플래튼 패드(11)의 사용 수명이 짧아져 경제성이 악화되는 문제가 있다.

컨디셔닝 디스크(31)의 수직 방향으로 가해지는 힘은 미리 정해진만큼의 힘이 가압되도록 실린더가 제어되지만, 플래튼 패드(11)의 표면에 실질적으로 도입되는 수직력은 실린더로부터 컨디셔닝 디스크(31)에 전달되는 중간 경로, 예컨대, 컨디셔너(30)의 관절 부위에서 손실되거나, 장시간동안 사용된 실린더에 의해 발생되는 수직력의 오차로 인하여 원하는 수직력이 컨디셔닝 디스크(31)에 전달되지 못하므로, 플래튼 패드(11)의 수많은 발포 기공에 담겨진 슬러리가 웨이퍼로 원활하게 전달되지 못하는 문제가 야기되었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 플래튼 패드 상에 미리 예정된 수직력이 정확하게 도입되어 연마 정반의 플래튼 패드 상에 도포되는 슬러리를 골고루 분산시켜 캐리어 헤드에 장착된 기판에 슬러리를 균일하게 공급하는 화학 기계식 연마 시스템의 컨디셔너를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 컨디셔닝 디스크가 회전하는 동안에 특정한 일측에 상대적으로 큰 수직력이 작용하는 것을 감지하여, 컨디셔닝 디스크의 전체적으로 일정한 수직력이 작용하도록 보정함으로써, 컨디셔너에 의하여 플래튼 패드가 전체적으로 일정하게 미소 절삭되어 플래튼 패드의 수명을 충분히 확보하면서도 웨이퍼 등의 기판에 슬러리를 원활하게 공급하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 회전하는 플래튼 패드 상에서 기판을 연마하는 화학 기계식 연마 장치에 사용되는 컨디셔너에 있어서, 상기 플래튼 패드의 표면을 미소 절삭하는 컨디셔닝 디스크를 고정하는 디스크 홀더와; 상기 디스크 홀더에 수직력을 전달하는 피스톤 로드와; 상기 피스톤 로드의 일부 이상을 감싸는 하우징과; 상기 피스톤 로드가 상기 디스크 홀더에 도입하는 수직력을 받도록 상기 하우징에 지지되도록 설치되어 상기 수직력을 측정하는 하중 센서를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계식 연마 장치의 컨디셔너를 제공한다.

이는, 플래튼 패드를 미소 절삭하는 컨디셔닝 디스크에 소정의 수직력을 전달하는 것이 예정되어 있지만, 컨디셔닝 디스크에 수직력을 전달하는 데 있어서 수직력을 발생시키는 공압 실린더의 위치에 따라 수직력을 전달하는 경로에서 정량적으로 파악하기 곤란한 손실량이 발생될 뿐만 아니라, 장시간 동안 컨디셔너를 사용하면 공압 실린더 자체에서 발생되는 수직력의 오차가 발생되어, 의도한 수직력을 정확하게 컨디셔닝 디스크에 전달하지 못하는 종래의 문제점을 해소하기 위한 것이다.

이를 위하여, 본 발명은, 컨디셔닝 디스크가 플래튼 패드에 가하는 수직력을 측정할 수 있도록, 하우징에 지지되도록 하중 센서를 설치하여 피스톤 로드에 의해 컨디셔닝 디스크에 가해지는 수직력을 실시간으로 측정함으로써, 플래튼 패드의 발포 기공의 개구부를 미소 절삭하는 컨디셔닝 디스크의 수직력을 일정하게 유지되는 지 여부를 항상 감시할 수 있다.

이 때, 상기 피스톤 로드는 상기 컨디셔닝 디스크의 회전 중심과 동축상에 위치하여 수직력을 전달하는 것이 가장 효과적이다. 그리고, 상기 피스톤 로드와 상기 디스크 홀더의 사이에 상기 하중 센서를 개재됨으로써, 상기 피스톤 로드가 하중 센서를 통하여 디스크 홀더에 수직력을 도입함으로써, 컨디셔닝 디스크에 가해지는 수직력을 직접 측정할 수도 있다.

이와 달리, 상기 피스톤 로드와 상방으로 이격된 회전축과; 상기 회전축과 상기 피스톤 로드의 사이에 공압 챔버가 형성되도록 상기 회전축과 상기 피스톤 로드를 감싸도록 형성되어 상기 회전축 및 상기 피스톤 로드와 함께 회전하는 실린더를; 더 포함하여 구성되고, 상기 실린더의 외벽에는 단차(step)가 구비되어, 피스톤 로드로 컨디셔닝 디스크를 플래튼 패드 상에 가압함에 따른 반력이 실린더에 전달되므로, 실린더의 단차에 의해 상기 하중 센서로 상기 수직력에 따른 반력이 전달될 수도 있다. 이 때, 컨디셔닝 디스크로 인가되는 수직력과 그 반력은 동일하므로, 상기 반력을 측정하는 것에 의하여 컨디셔닝 디스크가 가압하는 수직력을 측정할 수 있다.

이 때, 상기 하중 센서가 하우징 내부에 고정된 상태로 위치하기 위하여, 상기 실린더의 외주측에 배치되고, 그 사이에는 상대 회전 변위를 허용하는 베어링이 설치된다. 따라서, 상기 단차에 의해 상기 하중 센서로 상기 수직력이 전달되는 것은 상기 베어링을 경유하여 전단력으로 전달될 수 있다.

이와 달리, 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 하중 센서도 실린더와 함께 회전하고, 하중 센서로부터의 신호는 슬립링을 통해 수신할 수도 있다.

이 때, 상기 하중 센서는 상기 수직력을 받음에 따라 야기된 변형량으로부터 상기 수직력을 측정할 수 있다. 예를 들어, 상기 하중 센서는 로드셀일 수도 있고, 변형량에 따라 전기저항이 변화하는 스트레인게이지로 휘스톤 브리지 회로를 구성하여 수직력을 측정할 수도 있다.

그리고, 상기 하중 센서에 의해 측정된 수직력의 값이 미리 정해진 값과 차이가 있으면 상기 피스톤 로드에 인가하는 수직력을 미리 정해진 값에 이르도록 제어하는 제어부를 추가적으로 포함함으로써, 컨디셔닝 디스크를 통해 플래튼 패드를 가압하는 수직력을 항상 일정하게 유지시킬 수 있다.

한편, 상기 하중 센서는 상기 피스톤 로드의 주변에서 각각 수직력을 측정하도록 2개 이상으로 분절될 수 있다. 이를 통해, 컨디셔닝 디스크의 회전각에 따른 수직력을 파악하여, 어느 한쪽으로 큰 하중이 작용하는지 여부를 파악할 수 있다.

이와 같이, 컨디셔닝 디스크의 회전각에 따른 수직력이 어느 한쪽으로 크게 작용하는 편하중이 작용하는 경우에, 컨디셔닝 디스크의 회전각에 따른 수직력의 편차를 미리 정해진 값보다 작게 되도록 피스톤 로드를 제어하는 제어부를 추가적으로 포함할 수 있다. 이 경우에는 피스톤 로드가 1개로 형성되지 않고 회전각에 따른 수직력 편차를 조절할 수 있도록 2개 이상으로 형성될 수 있다.

한편, 발명의 다른 분야에 따르면, 본 발명은, 슬러리를 수용하는 다수의 기공이 형성되어 플래튼 패드의 상면을 미소 절삭하는 컨디셔닝 방법으로서, 연마되는 기판이 접촉한 상태로 상기 플래튼 패드를 회전시키는 단계와; 상기 플래튼 패드를 미소 절삭할 수 있는 경도를 갖는 입자가 구비된 컨디셔닝 디스크를 피스톤 로드를 통해 하방 가압하면서 회전시키는 단계와; 상기 피스톤 로드로 통해 상기 컨디셔닝 디스크를 가압하는 수직력을 측정하는 수직력 측정 단계를; 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계식 연마 공정의 컨디셔닝 방법을 제공한다.

이 때, 상기 수직력 측정 단계는, 상기 컨디셔닝 디스크의 회전 중심과 동축(同軸)에 위치한 피스톤 로드의 가압부가 상기 피스톤 로드의 일부 이상을 감싸는 하우징에 고정된 하중 센서를 가압하여, 상기 하중 센서에 의해 감지된 하중값으로 상기 수직력을 측정할 수도 있다.

또는, 상기 수직력 측정 단계는, 상기 컨디셔닝 디스크의 회전 중심과 동축에 위치한 피스톤 로드가 디스크 홀더를 가압하여 상기 컨디셔닝 디스크가 플래튼 패드에 접촉시키는 수직력에 의해 발생되는 상방향의 반력이 상기 피스톤 로드를 감싸는 실린더에 전달되고, 상기 실린더의 외주면에 형성된 단차에 의하여 상기 실린더의 외주변에 위치한 하중 센서에 전달되어, 상기 하중 센서에 전달되는 반력의 측정을 통해 상기 수직력을 측정할 수도 있다.

여기서, 상기 수직력 측정단계에서 측정된 수직력의 값이 미리 정해진 값과 차이가 있는 경우에는 상기 피스톤 로드를 통해 전달되는 수직력의 크기를 조절하는 단계를 추가적으로 포함하여, 컨디셔닝 디스크에 도입되는 수직력을 미리 정해진 값으로 일정하게 유지시킴으로써, 컨디셔너에 의하여 플래튼 패드가 전체적으로 일정하게 미소 절삭되어 플래튼 패드의 수명을 충분히 확보하면서도 웨이퍼 등의 기판에 슬러리를 원활하게 공급할 수 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은, 회전하는 플래튼 패드 상에서 기판을 연마하는 화학 기계식 연마 장치의 컨디셔너에 있어서, 상기 플래튼 패드의 표면을 미소 절삭하는 컨디셔닝 디스크를 고정하는 디스크 홀더와; 상기 디스크 홀더에 수직력을 전달하는 피스톤 로드와; 상기 피스톤 로드의 일부 이상을 감싸는 하우징과; 상기 피스톤 로드가 상기 디스크 홀더에 도입하는 수직력을 받도록 상기 하우징에 지지되도록 설치되어 상기 수직력을 측정하는 하중 센서와; 상기 하중 센서에 의해 측정된 수직력의 값이 미리 정해진 값과 차이가 있으면 상기 피스톤 로드에 인가하는 수직력을 미리 정해진 값에 이르도록 제어하는 제어부를 포함하여 구성되어, 컨디셔닝 디스크에 도입되는 수직력을 미리 정해진 값으로 일정하게 유지시킴으로써, 컨디셔너에 의하여 플래튼 패드가 전체적으로 일정하게 미소 절삭되어 플래튼 패드의 수명을 충분히 확보하면서도 웨이퍼 등의 기판에 슬러리를 원활하게 공급할 수 있는 화학 기계식 연마 장치의 컨디셔너 및 그 방법을 제공한다.

이를 통해, 본 발명은 플래튼 패드 상에 미리 예정된 수직력이 정확하게 도입되어 연마 정반의 플래튼 패드 상에 도포되는 슬러리를 골고루 분산시켜 캐리어 헤드에 장착된 기판에 슬러리를 균일하게 공급할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

한편, 컨디셔닝 디스크가 회전하는 동안에 특정한 일측에 상대적으로 큰 수직력이 작용하는 것을 감지하여, 컨디셔닝 디스크의 전체적으로 일정한 수직력이 작용하도록 보정함으로써, 컨디셔너에 의하여 플래튼 패드가 전체적으로 일정하게 미소 절삭되어 플래튼 패드의 수명을 충분히 확보하면서도 웨이퍼 등의 기판에 슬러리를 원활하게 공급할 수 있게 된다.

도1은 종래의 일반적인 화학 기계식 연마 장치의 구성을 도시한 개략도
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계식 연마 장치의 컨디셔너의 구성을 도시한 사시도
도3a 및 도3b은 도2의 컨디셔너의 수직력 도입 방식을 도시한 개략도
도4a 및 도4b는 컨디셔닝 디스크에 도입되는 수직력을 측정하는 구성을 도시한 분해 사시도
도5는 본 발명의 다른 형태에 따른 화학 기계식 연마 장치의 컨디셔너의 수직력 측정 구성을 도시한 분해 사시도
도6a 및 도6b는 본 발명의 또 다른 형태에 따른 화학 기계식 연마 장치의 컨디셔너의 구성을 도시한 단면도
도7은 도6a의 'A'부분의 확대도
도8은 도6a의 'B'부분의 확대도
도9는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계식 연마 장치의 컨디셔너의 작동 방법을 도시한 순서도이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계식 연마장치의 컨디셔너(100)를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

도3a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계식 연마 장치의 컨디셔너(100)는, 연마 정반(10) 상의 플래튼 패드(11)의 표면에 접촉한 상태로 회전하여 플래튼 패드(11)의 표면을 미소 절삭하는 컨디셔닝 디스크(111)를 고정하는 디스크 홀더(112)와, 공압에 의하여 하방으로의 수직력(130y)을 발생시키는 액츄에이터(130)와, 액츄에이터(130)에서 발생된 수직력(130y)을 디스크 홀더(112)에 전달하는 피스톤 로드(113)와, 피스톤 로드(113)의 일부 이상을 감싸는 하우징(120)과, 피스톤 로드(113)가 디스크 홀더(112)에 도입하는 수직력(130y)을 받도록 설치되어 수직력(130y)을 측정하는 하중 센서(140)와, 피스톤 로드(113)와 디스크 홀더(112)를 회전 구동하는 모터(150)와, 하중 센서(140)에서 측정된 수직력(130y)을 기초로 액츄에이터(130)에서 발생시키는 수직력을 보정하도록 제어하는 제어부(미도시)로 구성된다.

상기와 같이 구성된 컨디셔너(100)는 액츄에이터(130)에서 발생된 수직력(130y)이 직접 디스크 홀더(112)를 통해 컨디셔닝 디스크(111)에 전달되고, 그 수직력(130y)을 직접 하중 센서(140)에 의해 측정한다. 따라서, 액츄에이터(130)에서 발생시킨 수직력(130y)이 미리 예정된 값과 다르더라도, 그리고 긴 아암 형태로 형성되어 각 하우징 부재(121, 122; 122, 123) 사이의 관절 부위에서 약간의 유격이 발생되더라도, 액츄에이터(130)에서 생성하는 수직력(130y)이 미리 예정된 값이 되도록 조정하는 제어부에 의하여, 컨디셔닝 디스크(111)가 플래튼 패드(11)상을 가압하는 수직력을 항상 일정하게 유지시킬 수 있다.

한편, 도3b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 컨디셔너(100')는 액츄에이터(130')가 컨디셔닝 디스크(111)의 상측에 위치하지 아니하고, 컨디셔너(100')의 선회축 상에 위치한다는 점에서 전술한 컨디셔너(100)와 구성의 차이가 있다. 이 때, 선회축 상에 위치한 액츄에이터(130')에서 발생된 수직력(130y')이 컨디셔닝 디스크(111)와 동축상에 위치한 피스톤 로드(113)에 전달하는 것은 다양한 링크 메커니즘에 의해 구현될 수 있다.

상기와 같이 구성된 컨디셔너(100')는 액츄에이터(130')에 의해 수직력(130y')이 생성되어 컨디셔닝 디스크(111)와 동축상의 피스톤 로드(113)에 전달하는 데, 액츄에이터(130)에서 발생된 수직력(130y')의 방향과 컨디셔닝 디스크(111)에 도입되는 수직력(130y)의 방향이 같지만, 선회축에서 인가하는 수직력(130y')이 컨디셔닝 디스크(111)에까지 전달되는 과정에서 하우징(120)의 관절부에서 파악할 수 없는 양의 수직력이 손실된다.

그러나, 본 발명의 컨디셔너(100')는 수직력(130y)을 전달하는 피스톤 로드(113)의 사이에 하중 센서(140)가 위치하여 디스크 홀더(112)에 도입되는 수직력(130y)을 직접 측정하고, 제어부(미도시)에서 이 측정값을 기초로 선회축 상에 위치한 액츄에이터(130')에서 생성되는 수직력(130y')을 조절하므로, 디스크 홀더(112)에는 예정되어 있던 크기의 수직력(130y)이 항상 최종적으로 전달되도록 제어된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 컨디셔너(100, 100')는 컨디셔닝 디스크(111)에 도입되는 수직력(130y)을 직접 측정하고, 도9에 도시된 바와 같이 측정된 수직력(Fc)을 기초로 미리 정해진 크기의 수직력(Fs)이 플래튼 패드(11) 상에 가해지도록 제어함에 따라, 컨디셔닝 디스크(111)가 플래튼 패드(11)를 가압하는 수직력이 항상 일정한 값으로 유지되고, 플래튼 패드(11)의 발포 기공에 유입되어 있던 슬러리가 적당한 크기로 열린 개구부를 통해 골고루 분산되어, 캐리어 헤드(20)에 장착된 기판(w)에 슬러리를 균일하게 공급할 수 있으므로, 화학적 연마 공정이 원활하게 이루어지는 것을 보장할 수 있게 된다.

도4a 및 도4b는 피스톤 로드(113)와 디스크 홀더(112)의 사이에 하중 센서(140)가 개재되어 직접 수직력(130y)을 측정하는 구성을 도시한 것이다. 하중 센서(140)는 로드셀로 구성될 수도 있지만, 압축 변위 또는 휨 변위(도면에서는 압축 변위가 발생되는 것으로 예를 들었지만, 휨 변위가 유발되도록 하중 센서의 형상이나 배치를 구성할 수도 있음)에 따른 변형량을 스트레인 게이지(145x)로 검출하여, 이로부터 디스크 홀더(112)에 도입되는 수직력(130y)을 측정할 수도 있다. 이 때, 스트레인 게이지(145x)는 도4a에 도시된 바와 같이 쿼터 브리지 형태의 휘스톤 브리지(145)를 구성하여 수직력(130y)을 측정할 수도 있지만, 측정 민감도를 높이고 방향에 따른 편차를 보상하기 위하여 하프 브리지 또는 풀 브리지로 구성할 수도 있다.

도4a 및 도4b에 도시된 피스톤 로드(113)는 디스크 홀더(112)와 함께 회전하므로, 디스크 홀더(112)의 상방으로 뻗은 회전축(112a)에는 회전 토크를 전달받은 돌기(112p)가 형성되고, 하중 센서(140) 및 피스톤 로드(113)에는 이 돌기(112p) 및 축(112a)이 관통하는 구멍(113a) 및 홈(140x, 113h)이 형성된다. 즉, 하중 센서(140)는 디스크 홀더(112) 및 피스톤 로드(113)와 함께 회전하므로, 하중 센서(140)로부터의 신호선은 도면에 도시되지 않았지만 슬립링을 통해 외부의 신호처리 기기에 연결된다.

한편, 도5에 도시된 바와 같이, 하중 센서(140)는 회전축의 회전각에 따라 다수로 분절(140a, 140b, 140c, 140d)되어 각 회전각에서의 수직력을 측정할 수도 있다. 이를 위하여, 하중 센서(140)는 디스크 홀더(112) 및 피스톤 로드(113)와 함께 회전하지 않도록 설치된다.

즉, 디스크 홀더(112)의 회전축(112a)에 형성된 돌기(112p')는 하중 센서(140)가 설치된 상태에서는 하중 센서(140)와 상대 회전이 가능하도록 저면으로부터 이격된 위치에만 돌출된다. 그리고, 하중 센서(140)의 상면과 저면에는 도면에 도시되지는 않았지만 축력을 수용하면서 상대 회전 변위를 허용하는 스러스트 베어링이 설치된다. 그리고, 도면에 도시되지는 않았지만, 하중 센서(140)의 각 외주면은 하우징(120)에 고정되어, 절대 회전 변위가 구속된다.

따라서, 하중 센서(140)의 각 분절 모듈(140a, 140b, 140c, 140d)은 회전하지 않는 상태로 디스크 홀더(112)에 가해지는 수직력(130y) 성분을 회전각에 따라 각각 측정한다. 이를 통해, 컨디셔닝 디스크(111)가 회전하는 동안에 어느 일측으로 치우쳐 편하중이 크게 작용하는 것을 감지할 수 있다. 이와 같이 편하중이 작용하는 것으로 감지된 경우에는, 피스톤 로드(113)가 분절된 경우에는 각 피스톤 로드(113)에 인가되는 수직력의 편차를 조절하여, 컨디셔닝 디스크(111)에 의해 가해지는 수직력(130y)을 전체 면적에 걸쳐 균일하게 되도록 할 수 있다.

본 발명의 또 다른 형태에 따른 컨디셔너(200)의 구성이 도6a 내지 도8에 도시되어 있다. 도6a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 형태에 따른 컨디셔너(200)는 플래튼 패드(11)의 표면을 미소 절삭하는 컨디셔닝 디스크(211)를 파지하는 디스크 홀더(212)와, 공압에 의하여 하방으로의 수직력(130y)을 발생시키는 액츄에이터(230)와, 액츄에이터(230)에서 발생된 수직력(130y)을 디스크 홀더(112)에 전달하는 피스톤 로드(213)와, 피스톤 로드(213)의 일부 이상을 감싸는 하우징(220)과, 피스톤 로드(213)가 디스크 홀더(212)를 플래튼 패드(11)에 가압하는 것에 의하여 수직력(130y)과 동일한 크기의 반력을 측정하는 하중 센서(240)와, 피스톤 로드(213)와 디스크 홀더(212)를 회전 구동하는 모터(250)와, 하중 센서(240)에서 측정된 수직력(130y)을 기초로 액츄에이터(130)에서 발생시키는 수직력을 보정하도록 제어하는 제어부(260)로 구성된다.

그리고, 구동 모터(250)에 의하여 회전 구동되는 피니언(251)은 회전축(232)의 외주부에 고정된 기어(252)와 맞물린다. 이에 따라, 구동모터(250)에 의하여 회전축(232)은 회전 구동된다.

도7에 도시된 바와 같이 상기 액츄에이터(230)는 실린더(238)에 의해 둘러싸인 회전축(232)과 피스톤 로드(213)의 사이에 형성된 챔버(230c)를 구비하여, 공압 공급관(231)을 통해 고압 공기가 챔버(230c) 내에 조절된 압력이 유지되도록 유입되어 피스톤 로드(213)를 미리 정해진 크기의 수직력으로 하방 이동시키도록 작동한다. 이를 위하여, 회전축(232)의 중앙부에는 로터리 피팅(rotary fitting, 231)으로 튜브(231)가 연결 설치되어, 회전하지 않는 튜브(231)를 통해 챔버(230c) 내로 고압 공기를 주입시킬 수 있다.

하방으로 가압하는 피스톤 로드(213)의 수직력은 매개 부재(212a)를 통해 디스크 홀더(212)에 전달되어, 디스크 홀더(212)에 파지된 컨디셔닝 디스크(211)가 플래튼 패드(11)상을 가압하는 힘으로 작용한다.

컨디셔너(200)의 회전축(232)은 구동 모터(250)의 피니언(251)에 의해 회전 구동되고, 회전축(232)과 밀봉링(238a)으로 밀봉 결합된 실린더(238)도 회전축(232)과 함게 회전한다.

구동 모터(250)에 의해 회전 구동되면서 가압되는 디스크 홀더(212)가 하방으로 이동하여, 컨디셔닝 디스크(211)가 플래튼 패드(11)상에 접촉하면, 디스크 홀더(212)에 가해진 수직력은 상방으로 향하는 반력으로 작용한다. 이 때, 이 반력은 플래튼 패드(11)를 강체로 근사시킨다면 디스크 홀더(212)에 가해지는 수직력과 동일한 크기로 작용한다.

컨디셔닝 디스크(211)를 하방으로 밀어내는 수직력으로부터 야기된 반력에 의하여, 회전하는 실린더(238), 피스톤 로드(213) 및 회전축(232)은 모두 상방으로 들리는 변위가 발생된다. 이 때, 실린더(238)의 외벽에는 도8에 도시된 바와 같이 단턱(238s)이 형성되어, 실린더(238)가 상방(上方)으로 들리면서 단턱(238s)에 의해 베어링(249)의 내륜을 상방으로 함께 들어올린다.

여기서, 실린더(238)를 감싸도록 배열된 하중 센서(240)는 하우징(221)에 지지된 상태로 고정된다. 즉, 하중 센서(240)는 회전하지 않고 정지된 상태에 있으므로, 하중 센서(240)로부터의 신호선은 슬립링을 통하지 않고서도 외부의 신호처리기기로 연결된다. 구동 모터(250)의 구동에 의하여 실린더(238)가 회전하고, 하중 센서(240)는 회전하지 않는 고정된 상태로 있으므로, 하중 센서(240)와 실린더(238)의 사이에는 스페이서(248)에 의해 상하로 이격된 한 쌍의 볼 베어링 또는 롤러 베어링으로 이루어진 베어링(249)이 개재된다.

베어링(249)의 내륜은 실린더(238)의 단턱(238s) 상에 위치하여, 실린더(238)의 상방으로의 들림 이동에 따라 함께 상방 이동한다. 그리고, 베어링(249)의 외륜은 하중 센서(240)의 내주면에 억지끼워맞춤 상태로 고정되어, 실린더(238)의 상방 이동의 변위가 베어링(249)의 볼 또는 롤러에 의해 베어링(249)의 내륜으로 전달된다.

즉, 피스톤 로드(213)에 의하여 디스크 홀더(212)에 가한 수직력에 의해 발생된 상방으로의 반력은 실린더(238)의 상방 이동을 야기하고, 실린더(238)의 상방 이동에 따라 한 쌍의 베어링(249)의 내륜이 상방 이동하며, 베어링(249)의 볼 또는 롤러에 의해 그 변위가 베어링(249)의 외륜에 전달되어, 결과적으로 피스톤 로드(213)를 통해 컨디셔닝 디스크(111)에 가한 수직력은 하중 센서(240)의 내주면에 전단력으로 작용하게 된다. 따라서, 하중 센서(240)의 내주면에 작용하는 전단 변형량으로부터 스트레인게이지 또는 로드셀을 이용하여 반력을 측정할 수 있게 된다.

도9에 도시된 바와 같이, 하중 센서(240)에 의해 측정된 수직력(반력, Fc)을 기초로 하여, 미리 정해진 크기의 수직력(Fs)이 플래튼 패드(11) 상에 가해지도록 챔버(230c)에 공급하는 고압 공기의 양을 제어함으로써, 컨디셔닝 디스크(111)가 플래튼 패드(11)를 가압하는 수직력이 항상 일정한 값으로 유지시킬 수 있게 된다. 이를 통해, 플래튼 패드(11)의 발포 기공에 유입되어 있던 슬러리가 적당한 크기로 열린 개구부를 통해 골고루 분산되어, 캐리어 헤드(20)에 장착된 기판(w)에 슬러리를 균일하게 공급할 수 있으므로, 원활한 화학적 연마 공정을 보장할 수 있다.

이와 같이 반력으로부터 컨디셔닝 디스크(111)에 가해지는 수직력을 측정함에 따라, 액츄에이터(230)의 실린더(238)를 디스크 홀더(212)에 근접하게 위치시키면서 하중 센서(240)로부터의 신호를 슬립링 없이 안정적으로 수신할 수 있는 장점이 얻어진다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구 범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
100, 100', 200: 컨디셔너 111, 211: 컨디셔닝 디스크
112, 212: 디스크 홀더 113, 213: 피스톤 로드
120, 220: 하우징 130, 230: 액츄에이터
140, 240: 하중 센서 150, 250: 회전구동모터

Claims

회전하는 플래튼 패드 상에서 기판을 연마하는 화학 기계식 연마 장치의 컨디셔너로서,
상기 플래튼 패드의 표면을 미소 절삭하는 컨디셔닝 디스크를 고정하는 디스크 홀더와;
상기 디스크 홀더에 수직력을 전달하는 피스톤 로드와;
상기 피스톤 로드의 일부 이상을 감싸는 하우징과;
상기 피스톤 로드가 상기 디스크 홀더에 도입하는 수직력을 받도록 설치되어 상기 수직력을 측정하는 하중 센서를;
포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계식 연마 장치의 컨디셔너.
제1항에 있어서,
상기 피스톤 로드는 상기 컨디셔닝 디스크의 회전 중심과 동축상에 위치한 것을 특징으로 하는 화학 기계식 연마 장치의 컨디셔너.
제2항에 있어서,
상기 피스톤 로드와 상기 디스크 홀더의 사이에 상기 하중 센서가 개재된 것을 특징으로 하는 화학 기계식 연마 장치의 컨디셔너.
제1항에 있어서,
상기 피스톤 로드와 상방으로 이격된 회전축과;
상기 회전축과 상기 피스톤 로드의 사이에 공압 챔버가 형성되도록 상기 회전축과 상기 피스톤 로드를 감싸도록 형성되어 상기 회전축 및 상기 피스톤 로드와 함께 회전하고, 상방으로 상기 하중 센서에 힘을 전달할 수 있는 단차가 외주면에 형성된 실린더를;
더 포함하고, 상기 하중 센서는 상기 하우징에 지지되도록 설치되어, 상기 실린더의 단차(step)를 통해 상기 실린더에 전달된 상기 수직력의 반력이 상기 하중 센서로 전달되는 것을 특징으로 하는 화학 기계식 연마 장치의 컨디셔너.
제4항에 있어서,
상기 하중 센서는 상기 실린더의 외주측에 배치되고, 그 사이에는 상대 회전 변위를 허용하는 베어링이 설치된 것을 특징으로 하는 화학 기계식 연마 장치의 컨디셔너.
제5항에 있어서,
상기 단차에 의해 상기 하중 센서로 상기 수직력이 전달되는 것은 상기 베어링을 경유하여 전단력으로 전달되는 것을 특징으로 하는 화학 기계식 연마 장치의 컨디셔너.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하중 센서는 상기 수직력을 받음에 따라 야기된 변형량으로부터 상기 수직력을 측정하는 것을 특징으로 하는 화학 기계식 연마 장치의 컨디셔너.
제 7항에 있어서,
상기 하중 센서는 로드셀인 것을 특징으로 하는 화학 기계식 연마장치의 컨디셔너
제 7항에 있어서,
상기 하중 센서는 상기 변형량에 따라 전기저항이 변화하는 스트레인게이지를 포함하여, 상기 스트레인게이지로부터 수직력을 측정하는 것을 특징으로 하는 화학 기계식 연마장치의 컨디셔너
제7항에 있어서,
상기 하중 센서에 의해 측정된 수직력의 값이 미리 정해진 값과 차이가 있으면 상기 피스톤 로드에 인가하는 수직력을 미리 정해진 값에 이르도록 제어하는 제어부를;
추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계식 연마 장치의 컨디셔너.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하중 센서는 상기 피스톤 로드의 주변에서 각각 수직력을 측정하도록 2개 이상으로 분절된 것을 특징으로 하는 화학 기계식 연마 장치의 컨디셔너.
제11항에 있어서,
상기 피스톤 로드는 다수로 형성되어 상기 분절된 하중 센서에서 각각 측정된 수직력이 서로 편차가 있는 경우에 상기 수직력의 편차가 미리 정해진 값보다 작게 되도록 제어하는 제어부를;
추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계식 연마 장치의 컨디셔너.
슬러리를 수용하는 다수의 기공이 형성되어 플래튼 패드의 상면을 미소 절삭하는 컨디셔닝 방법으로서,
연마되는 기판이 접촉한 상태로 상기 플래튼 패드를 회전시키는 단계와;
상기 플래튼 패드를 미소 절삭할 수 있는 경도를 갖는 입자가 구비된 컨디셔닝 디스크를 피스톤 로드를 통해 하방 가압하면서 회전시키는 단계와;
상기 피스톤 로드로 통해 상기 컨디셔닝 디스크를 가압하는 수직력을 측정하는 수직력 측정 단계를;
포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계식 연마 공정의 컨디셔닝 방법.
제13항에 있어서,
상기 수직력 측정 단계는,
상기 컨디셔닝 디스크의 회전 중심과 동축(同軸)에 위치한 피스톤 로드의 가압부가 상기 피스톤 로드의 일부 이상을 감싸는 하우징에 고정된 하중 센서를 가압하여, 상기 하중 센서에 의해 감지된 하중값으로 상기 수직력을 측정하는 것을 특징으로 하는 화학 기계식 연마 공정의 컨디셔닝 방법.
제13항에 있어서,
상기 수직력 측정 단계는,
상기 컨디셔닝 디스크의 회전 중심과 동축(同軸)에 위치한 피스톤 로드가 디스크 홀더를 가압하여 상기 컨디셔닝 디스크가 플래튼 패드에 접촉시키는 수직력에 의해 발생되는 상방향의 반력이 상기 피스톤 로드를 감싸는 실린더에 전달되고, 상기 실린더의 외주면에 형성된 단차에 의하여 상기 실린더의 외주변에 위치한 하중 센서에 전달되어, 상기 하중 센서에 전달되는 반력의 측정을 통해 상기 수직력을 측정하는 것을 특징으로 하는 화학 기계식 연마 공정의 컨디셔닝 방법.
제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수직력 측정단계에서 측정된 수직력의 값이 미리 정해진 값과 차이가 있는 경우에는 상기 피스톤 로드를 통해 전달되는 수직력의 크기를 조절하는 단계를;
추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계식 연마 공정의 컨디셔닝 방법.