KR20160049208A - 감시 기능을 구비한 화학 기계식 연마시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학 기계식 연마(CMP) 시스템에 관한 것으로, 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 하나 이상의 연마 정반을 거칠 수 있는 이동 경로를 따라 기판을 보유한 상태로 이동하는 데 필요한 파라미터를 감지하는 센서를 구비한 기판 캐리어 유닛과; 상기 기판 캐리어 유닛에 설치된 상기 센서와 무선 통신을 행하는 제어부와; 상기 기판 캐리어 유닛이 상기 연마 정반 상의 정해진 위치에 도달하면 상기 기판 캐리어 유닛에 도킹하여 전원과 공압 중 어느 하나 이상을 공급하는 도킹 유닛을; 포함하여 구성되어, 무동력 상태로 이동중인 기판 캐리어 유닛이 기판을 보유하는 데 필요한 공압이나 기판 캐리어 유닛이 연마 정반으로 이동하는 데 필요한 위치 등을 이동 중인 기판 캐리어 유닛 내의 감지 센서로 감지함으로써, 화학 기계적 연마 공정 중에 발생될 수 있는 오류를 실시간으로 감지하여 기판이나 장치의 파손을 사전에 감지하여 예방할 수 있는 화학 기계적 연마 시스템을 제공한다.

Description

감시 기능을 구비한 화학 기계식 연마시스템 {CHEMICAL MECHANICAL POLISHING SYSTEM CAPABLE OF MONITORING PARAMETERS}

본 발명은 이동식 기판 캐리어 유닛이 구비된 화학 기계적 연마 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 동력 장치가 탑재되지 않고 외부의 동력으로 기판 캐리어 유닛이 기판을 보유한 상태로 이동하면서 다수의 연마 정반에서 화학 기계적 연마 공정을 행하는 데 있어서, 기판의 보유 상태를 유지하고 연마 정반으로 이동시키는 데 필요한 기판 캐리어 유닛의 파라미터를 감시할 수 있는 화학 기계적 연마 시스템에 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.

최근에는 웨이퍼의 연마층 두께를 보다 정교하게 조절하기 위하여 하나의 웨이퍼에 대하여 여러 단계의 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 화학 기계적 연마 시스템이 대한민국 공개특허공보 제2004-75114호 등에서 제안되고 있다.

특히, 본 출원인이 제안하여 특허등록된 대한민국 등록특허공보 제10-1187102호에 따르면, 무한 궤도 경로의 트랙을 따라 기판 캐리어 유닛에 전원 저장 장치를 구비하지 않고 외부의 전원에 의해 이동하고, 기판 캐리어 유닛이 연마 정반 상에 도달하면, 도킹 유닛이 기판 캐리어 유닛에 도킹하여 도킹 유닛으로부터 회전 구동력과 공압을 기판 캐리어 유닛에 공급하여 웨이퍼를 가압하면서 회전시키고 리테이너 링을 가압한다. 즉, 기판을 보유한 상태로 정해진 경로를 따라 이동하는 기판 캐리어 유닛에는 공압과 전원 장치를 구비하지 않아, 기판 캐리어 유닛의 이동에 따라 이를 이동시키는 데 필요한 전기 배선의 꼬임을 자연적으로 방지하면서도, 기판 캐리어 유닛을 경량화하여 이동에 필요한 동력을 최소화할 수 있는 잇점을 얻을 수 있다.

한편, 기판 캐리어 유닛은 최초 로딩 유닛이나 도킹 유닛에서 공급받은 공압으로 기판을 보유한 상태로 유지해야 하고, 화학 기계적 연마 공정을 위하여 연마 정반에 접근할 때에 리테이너 링의 하방으로의 처짐을 방지하기 위하여 공압을 유지해야만 한다. 이에 의해, 기판 캐리어 유닛이 연마 정반에 접근할 때에, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼의 이탈을 방지하는 리테이너 링이 하방으로 처지지 않아 연마 정반과 충돌하는 현상을 방지한다.

그러나, 위 등록특허공보에 개시된 이동식 화학 기계적 연마 시스템의 기판 캐리어 유닛은 기판을 보유한 상태로 이동 경로를 따라 이동하면서 연마 정반에서 화학 기계적 연마 공정을 거치는 데, 이동하는 동안에 기판 캐리어 유닛 내부의 공압이 낮아져 기판을 떨어뜨리거나, 리테이너 링을 상방으로 잡아당긴 상태를 유지해야 함에도 기판 캐리어 유닛 내부의 공압이 낮아지면서 하방으로 처진 리테이너 링이 연마 정반과 충돌하는 문제를 미리 감지하지 못하는 문제가 있었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 외부의 동력으로 기판 캐리어 유닛을 이동시키면서 화학 기계적 연마 공정을 행하는 시스템에 있어서, 기판의 보유 상태 등의 파라미터를 실시간으로 감시하는 화학 기계적 연마 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

즉, 본 발명은, 무동력 상태로 이동중인 기판 캐리어 유닛이 기판을 보유하기 위하여 필요한 공압을 제1파라미터로 하여 실시간 감지하여, 기판의 보유 상태가 정상 범위로부터 벗어나면 알람을 출력하여 기판의 파손을 방지하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 무동력 상태로 이동중인 기판 캐리어 유닛의 리테이너 링의 위치를 조절하는 공압을 제2파라미터로 하여 실시간 감지하여, 리테이너 링의 높이가 정상 범위로부터 벗어나는 것을 정확하게 감지하여, 기판 캐리어 유닛의 리테이너 링과 연마 정반의 충돌을 회피하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 하나 이상의 연마 정반을 거칠 수 있는 이동 경로를 따라 기판을 보유한 상태로 이동하는 데 필요한 파라미터를 감지하는 센서를 구비한 기판 캐리어 유닛과; 상기 기판 캐리어 유닛에 설치된 상기 센서와 무선 통신을 행하는 제어부와; 상기 기판 캐리어 유닛이 상기 연마 정반 상의 정해진 위치에 도달하면 상기 기판 캐리어 유닛에 도킹하여 전원과 공압 중 어느 하나 이상을 공급하는 도킹 유닛을; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 시스템을 제공한다.

이는, 무동력 상태로 이동중인 기판 캐리어 유닛이 기판을 보유하는 데 필요한 공압이나 기판 캐리어 유닛이 연마 정반으로 이동하는 데 필요한 위치 등을 이동 중인 기판 캐리어 유닛 내의 감지 센서로 감지함으로써, 화학 기계적 연마 공정 중에 발생될 수 있는 오류를 실시간으로 감지하기 위함이다.

이 때, 상기 기판 캐리너 유닛은 외부로부터 전원과 공압 중 어느 하나 이상을 공급받지 않고 이동하며, 기판 캐리어 유닛에 의해 운반중인 기판이 연마 정반 상에서 화학 기계적 연마 공정을 행하는 위치에 도달하면, 도킹 유닛이 기판 캐리어 유닛과 도킹하여 캐리어 헤드에 회전 구동력을 전달하고 로터리 유니언에 공압을 공급하여 화학 기계적 연마 공정이 원활히 이루어지게 된다.

예를 들어, 기판 캐리어 유닛이 무동력 상태로 이동하기 위하여, 상기 기판 캐리어 유닛에는 N극과 S극의 자석이 교대로 배치되고, 상기 이동 경로에는 상기 자석에 자기력을 발생시키는 코일이 배치되어 전류제어됨으로써, 상기 코일과 마주보는 자석 사이의 전자기력에 의해 상기 케리어 헤드를 이동시킨다.

한편, 상기 센서는 상기 기판 캐리어 유닛의 이동 중에 상기 기판을 보유하는 데 필요한 제1파라미터와, 상기 연마 정반 상에서 상기 기판이 화학 기계적 연마 공정을 행하도록 위치시키는 데 필요한 제2파라미터 중 어느 하나 이상을 감지할 수 있다.

여기서, 상기 제1파라미터는 상기 기판 캐리어 유닛에서 상기 기판을 보유한 상태를 유지하기 위한 공압일 수 있고, 상기 제2파라미터는 상기 연마 정반 상에서 상기 기판에 대한 화학 기계적 연마 공정을 행하는 동안에 상기 기판을 둘러싸고 있는 리테이너 링의 높이를 조절하는 가압 챔버의 공압일 수 있다.

따라서, 내부에 동력원을 구비하지 아니한 무동력 상태로 이동하는 기판 캐리어 유닛의 내부에 구비된 센서에 의하여, 기판 캐리어 유닛이 기판을 탑재한 상태로 이동하고 기판 캐리어 유닛이 연마 정반 상에 안착될 때까지 발생될 수 있는 오류를 미리 감지한다.

상기 센서를 구동하기 위해서는 전원이 필요한데, 기판 캐리어 유닛의 내부에는 이동을 위한 전원 장치가 구비되어 있지 않으므로, 최소한의 전력을 보관하는 배터리 전원에 의하여 센서를 작동시키는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 센서에 전원을 공급하는 배터리는 충전 가능한 배터리로 형성되어, 상기 기판 캐리어 유닛이 상기 도킹 유닛과 도킹된 상태에서 배터리의 충전이 이루어진다. 이에 의하여, 상기 센서의 감시는 반영구적으로 지속될 수 있다.

한편, 상기 제어부는 상기 센서에 의하여 감시되는 상기 파라미터의 이상 신호를 수신하면, 상기 기판 캐리어 유닛의 동작을 정지시킴으로써, 기판 캐리어 유닛으로부터 보유하고 있던 기판을 놓치더라도, 해당 기판 캐리어 유닛의 이동을 곧바로 정지시켜 기판의 손상을 방지할 수 있으며, 또한 기판 캐리어 유닛의 리테이너 링의 위치를 조절하는 챔버의 공압이 낮아져 리테이너 링의 위치가 기준치에 비하여 낮게 위치할 경우에도 리테이너 링과 연마 정반이 상호 충돌하는 것을 사전에 방지할 수 있다.

한편, 본 출원인이 출원하여 특허등록된 대한민국 등록특허공보 제10-1187102호의 기재 사항은 본 명세서의 일부로 통합된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은, 무동력 상태로 이동중인 기판 캐리어 유닛이 기판을 보유하는 데 필요한 공압이나 기판 캐리어 유닛이 연마 정반으로 이동하는 데 필요한 위치 등을 이동 중인 기판 캐리어 유닛 내의 감지 센서로 감지함으로써, 화학 기계적 연마 공정 중에 발생될 수 있는 오류를 실시간으로 감지하여 기판 캐리어 유닛의 이동 중에 발생될 수 있는 오류를 사전에 방지할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

즉, 본 발명은, 기판의 보유 상태 등의 파라미터를 실시간으로 감시하여, 무동력 상태로 이동중인 기판 캐리어 유닛이 기판을 보유하기 위하여 필요한 공압이나, 리테이너 링의 위치를 조절하는 공압을 실시간 감지하여, 이들 상태가 정상 범위로부터 벗어나면 알람을 출력하거나 작동을 정지시켜 기판이나 기판 캐리어 유닛의 파손을 방지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

무엇보다도, 본 발명은 기판 캐리어 유닛 내의 감지 센서를 작동시키는 전원을 충전 가능한 배터리로 공급하고, 배터리의 전원은 도킹 유닛이 도킹한 상태에서 충전되도록 구성됨에 따라, 기판 캐리어 유닛의 감지 센서을 작동시키는 전원을 원활히 공급할 수 있으면서 배터리의 크기와 용량을 최소한으로 유지하여, 기판 캐리어 유닛이 경량화된 상태를 유지할 수 있는 잇점을 얻을 수 있다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동식 화학 기계식 연마시스템의 구성을 도시한 평면도,
도2는 도1의 레이아웃을 구체화한 구성을 뒤집힌 상태로 도시한 이동식 화학 기계식 연마시스템의 이동 구조를 도시한 사시도,
도3은 도2의 이동식 화학 기계식 연마시스템의 이동 원리를 도시한 개략도,
도4는 도2의 기판 캐리어 유닛의 구성을 도시한 사시도,
도5는 도4의 기판 캐리어 유닛의 저면에 장착된 캐리어 헤드의 구성을 도시한 반단면도,
도6은 도2의 기판 캐리어 유닛에 도킹 유닛이 결합된 상태를 도시한 도면,
도7은 기판 캐리어 유닛의 도킹 상태에서 센서의 배터리의 충전 상태를 도시한 개략도이다.

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

도1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계식 연마시스템(100)은, 상면에 연마 패드가 장착되어 회전 가능하게 프레임(10)에 고정 설치된 다수의 연마 정반(110)과, 장착된 기판(W)을 연마 정반(110) 상에서 연마시키도록 기판(W)을 하부에 장착한 상태로 이동하고 내부에 로터리 유니온(123)이 설치된 기판 캐리어 유닛(120)과, 기판 캐리어 유닛(120)을 미리 정해진 경로(130)를 따라 안내하는 레일(132R, 134R, 135R, 136R)과, 기판 캐리어 유닛(120)이 연마 정반(110)의 상측에 위치하면 기판 캐리어 유닛(120)의 로터리 유니온(123)에 공압을 공급하고 장착된 기판(W)을 회전구동시키는 회전 구동력을 전달하도록 기판 캐리어 유닛(120)에 도킹되는 도킹 유닛(180)과, 기판 캐리어 유닛(120)의 이동과 각 연마 정반(110)에서의 화학 기계적 연마 공정을 제어하는 제어부(190)로 구성된다.

상기 연마 정반(110)은 웨이퍼 등의 기판(W)을 연마하기 위해 회전 가능하게 프레임(10)에 고정 설치되며, 최상층에는 기판(W)의 연마를 위한 연마 패드가 부착되고, 그 하부에는 이보다 부드러운 재질의 배킹층(backing layer)이 개재된다.

여기서, 연마 정반(110)은 서로 연속하지 않게 직선 형태로 구분되게 배열된 경로로 이루어진 순환형 경로(130) 중 제1경로(132)상에 다수개로 배열된다. 제1경로(132)에서는 기판 캐리어 유닛(130)이 한 방향(왼쪽 방향)으로만 기판(W)을 이동시키면서 연마 정반(110) 상에 연마하도록 작동된다. 이와 같이, 연마될 기판(W)이 어느 한 방향으로만 일률적으로 이동하면서 기판(W)의 연마 공정이 이루어짐으로써 공정의 효율이 향상된다.

연마 정반(110)에는 연마 패드의 표면을 개질하는 컨디셔너가 설치되고, 동시에 기판(W)의 화학적 연마를 위하여 슬러리를 공급하는 슬러리 공급부가 구비된다. 여기서, 연마 정반(110)상에 공급되는 슬러리는 모두 동일한 종류로 공급되지 않으며, 기판(W)의 연마 공정에 따라 순차적으로 적당한 슬러리가 선택되어 연마 패드 상에 공급된다.

상기 순환형 경로(130)는 다수의 연마 정반(110)을 통과하는 2열의 제1경로(132)와, 2열의 제1경로(132)의 사이에 제1경로(132)와 평행하게 배열된 제3경로(134)와, 상기 제1경로(132) 및 상기 제3경로(134)의 양단부에 배열된 한 쌍의 제2경로(131,133)로 이루어진다. 여기서, 제1경로(132)는 제1가이드레일(132R)에 의해 정해지고, 제2경로(131, 133)는 고정 레일(131R, 133R)에 의해 정해지며, 제3경로(134)는 제3가이드레일(134R)에 의해 정해진다.

순환형 경로(130)를 따라 이동하는 기판 캐리어 유닛(120)의 상측을 따라 분절 형태의 코일(90)이 배열되고, 그 양측에는 기판 캐리어 유닛(120)이 연마 정반(110)상의 미리 정해진 위치에 도달하면 장착된 기판(W)이 회전하더라도 기판 캐리어 유닛(120)이 견고하게 요동없이 제 위치로 고정되도록 선택적으로 프레임(10)에 고정하는 위치고정유닛이 설치된다.

여기서, 각각의 경로들(131-134)은 각각 서로 연결되지 않은 형태로 배열되지만, 제2경로(131,133)에는 기판 캐리어 유닛(120)을 파지한 상태로 이동하는 캐리어 홀더(135, 136)이 각각 설치되어, 캐리어 홀더(135, 136)이 제1경로(132) 또는 제3경로(134)로 옮겨갈 수 있는 위치(P1, P2, P3, P4, P5)에 도달한 경우에만, 기판 캐리어 유닛(120)이 서로 분절된 경로(131-134)를 서로 왕래할 수 있는 연결된 상태가 된다. 즉, 기판 캐리어 유닛(120)은 제1경로(132)와 제3경로(134)에서는 단독으로 제1가이드레일(132R)과 제3가이드레일(134R)을 따라 이동하지만, 제2경로(131, 133)에서는 단독으로 고정 레일(131R, 133R)을 따라 이동하지 못하고 캐리어 홀더(135, 136)에 위치한 상태에서 캐리어 홀더(135, 136)의 이동에 의해 이동하게 된다.

이 때, 기판 캐리어 유닛(120)은 순환형 경로(130)를 이동할 때에 항상 일정한 방향을 향하는 것이 기판 캐리어 유닛(120)의 이동을 제어하는 데 보다 효과적이며, 후술하는 도킹 유닛(180)의 배열 측면에서도 유리하다. 이를 위하여, 도6에 도시된 바와 같이, 캐리어 홀더(135, 136)에는 제1경로(132) 및 제3경로(134)를 한정하는 제1가이드레일(132R) 및 제3가이드레일(134R)과 동일한 방향을 향하고 동일한 치수와 간격을 갖는 한 쌍의 제2가이드 레일(135R, 136R)이 구비된다. 따라서, 기판 캐리어 유닛(120)은 제2가이드레일(135R, 136R)에 위치한 경우에 향하는 방향이 제1가이드레일(132R) 및 제3가이드레일(134R)에 위치하고 있는 경우에 향하는 방향과 항상 일정하게 유지된다. 그리고, 제2가이드레일(135R, 136R)이 제1가이드레일(132R) 및 제3가이드레일(134R)과 동일한 치수와 간격으로 형성됨에 따라, 제1경로(132) 및 제3경로(134)로부터 제2경로(131, 133)로 서로 왕래하는 것이 원활하게 이루어질 수 있다.

상기 기판 캐리어 유닛(120)은 다양한 구성 부품(123-127)을 케이싱(122) 내에 고정한 상태로 경로(130)을 따라 이동하도록 제어되며, 다수의 기판 캐리어 유닛(120)은 상호 독립적으로 이동 제어된다. 도1에서는 기판 캐리어 유닛(120)을 ‘조밀하게 밀집된 수직선’으로 표시되어 있다.

그리고, 기판 캐리어 유닛(120)이 순환 경로(130)를 따라 이동하는 과정에서, 기판 캐리어 유닛(120)의 양측에 직선 형태로 배열된 가이드 레일(132R, 133R, 134R, 135R, 136R)을 따라 타고 이동하므로, 기판 캐리어 유닛(120)은 항상 일정한 방향을 바라보는 자세가 유지되어 이동 중에 회전 운동(rotational movement)은 행해지지 않으며 이동 운동(translational movement)만 행하게 된다.

각각의 기판 캐리어 유닛(120)은 도4에 도시된 바와 같이 기판(W)을 파지하는 캐리어 헤드(20)와, 기판(W)의 회전을 허용하면서 기판(W)의 판면 방향으로 가압하는 로터리 유니온(123)과, 도킹 유닛(180)으로부터 회전 구동력을 전달받는 피구동 중공회전축(124)과, 피구동 중공회전축(124)에 전달되는 회전 구동력을 전달하도록 축, 기어 등으로 이루어져 캐리어 헤드(20)에 회전 구동력을 전달하는 동력 전달 요소들(125b, 125w...)과, 기판 캐리어 유닛(120)이 양측의 상,하부에 각각 회전 가능하게 설치되어 그 사이 공간에 가이드 레일(132R, 134R, 135R, 136R)을 수용하는 안내 롤러(127)와, 리니어 모터의 원리로 기판 캐리어 유닛(120)이 이동되도록 상면에 N극 영구자석(128N)과 S극 영구자석(128S)이 교대로 배열된 영구자석 스트립(128)으로 구성된다.

여기서, 로터리 유니온(123)은 대한민국 공개특허공보 제2004-75114호에 나타난 구성 및 작용과 유사하게 구성된다.

한편, 프레임(10)에는 제1경로(132)의 제1가이드레일(132R)과 제3경로(134)의 제3가이드레일(134R)과 제2경로(131, 133)의 고정 레일(131R, 133R)이 고정된다.

그리고, 기판 캐리어 유닛(120)이 제1경로(132) 및 제3경로(134)를 따라 이동할 수 있도록, 기판 캐리어 유닛(120)의 케이스(122)의 상측에 형성된 영구자석 스트립(128)과 이격된 위치에 코일(90)이 경로(132, 134)의 방향을 따라 배열되어, 외부 전원(88)으로부터 프레임(10)에 고정된 코일(90)로 인가되는 전류의 세기와 방향을 조절함으로써, 도3에 도시된 바와 같이 프레임(10)에 고정된 코일(90)과 기판 캐리어 유닛(120)에 고정된 영구자석 스트립(128S, 128N; 128)과의 상호 작용에 의하여, 리니어 모터의 작동 원리와 유사하게 기판 캐리어 유닛(120)은 제1경로(132) 및 제3경로(134)를 따라 가이드레일(132R, 134R)에 의해 안내되면서 이동한다. 그리고, 기판 캐리어 유닛(120)이 캐리어 홀더(135, 136)에 수용된 상태로 제2경로(131, 133)을 따라 이동할 수 있도록, 캐리어 홀더(135, 136)의 상측에 배열된 영구자석 스트립(미도시)과 이격된 위치에 코일(90)이 배열되어, 코일(90)에 인가되는 전류의 세기와 방향을 조절함으로써 코일(90)과 영구자석 스트립과의 상호 작용에 의하여 리니어 모터의 작동 원리로 캐리어 홀더(135, 136)는 제2경로(131, 133)를 따라 고정 레일(131R, 133R)에 의해 안내되면서 이동한다.

마찬가지로, 캐리어 홀더(135, 136)와 제1경로(132) 및 제3경로(134)로 상호 왕래할 수 있도록, 캐리어 홀더(135, 136)의 상측에도 코일(90)이 배열되어, 기판 캐리어 유닛(120)의 상측에 배열된 영구자석 스트립(128)과의 상호작용으로 캐리어 홀더(135, 136)의 바깥으로 이동할 수도 있고 캐리어 홀더(135, 136)의 내부로 이동할 수도 있다.

이와 같이, 기판 캐리어 유닛(120)에 장착된 기판(W)을 연마하기 위하여 연마 정반을 향하여 미리 정해진 경로(130)를 따라 이동하는 데 있어서, 기판 캐리어 유닛(120)에 이동을 위한 모터나 전원 공급부(88) 등의 구동 장치를 구비하지 않더라도, 기판 캐리어 유닛(120)의 외부에 설치된 코일(90)에 외부 전원(88)으로부터 인가되는 전류의 세기와 방향을 조절하면서 기판 캐리어 유닛(120)에 배열된 다수 쌍의 N극 영구자석 스트립(128N)과 S극 영구자석 스트립(128S)과 자기적인 상호작용을 통하여 기판 캐리어 유닛(120)을 상기 경로(130)를 따라 이동시킬 수 있다. 따라서, 기판 캐리어 유닛(120)의 내부에 이동구동수단을 구비하지 않으므로, 기판 캐리어 유닛(120)은 보다 가벼운 상태가 되어 낮은 동력을 소모하면서 보다 용이한 위치 제어를 통해 연마 정반 상의 미리 정해진 위치로 이동시킬 수 있으며, 기판 캐리어 유닛(120)의 내부에 이동구동수단이 구비되었더라면, 이동구동수단에 전원을 공급해야 하는데, 이 전원 공급 배선이 기판 캐리어 유닛의 이동에 따라 꼬임이 발생되는 치명적인 문제가 생기는 것도 근본적으로 방지할 수 있다.

상기 도킹 유닛(180)은 도6에 도시된 바와 같이 프레임(10)에 고정 설치되어, 기판 캐리어 유닛(120)이 미리 정해진 위치에 도달한 것이 감지되면, 기판 캐리어 유닛(120)에 도킹되어 기판(W)을 회전 구동하는 회전 구동력과 로터리 유니온(123)이 필요로 하는 공압을 공급한다.

다시 말하면, 기판 캐리어 유닛(120)에는 회전 구동력을 발생시키거나 공압을 발생시키는 구동원이 구비되지 않았으므로, 기판 캐리어 유닛(120)에 장착된 기판(W)의 연마 공정을 진행하기 위해서는 이들 구동력 및 공압을 공급받아야 한다. 따라서, 기판 캐리어 유닛(120)에 장착된 기판(W)이 연마 정반(110)의 미리 정해진 상측 위치에 도달하면, 도6에 도시된 바와 같이 도킹 유닛(180)이 기판 캐리어 유닛(120)을 향하여 이동(180d)하여 공압과 회전 구동력 및 전원을 공급할 수 있는 상태가 된다.

도킹 상태에서 도킹 유닛(180)은, 공압 공급관(182)의 커넥터(182x)를 통해 로터리 유니언(123)으로 공압을 공급한다. 여기서, 공압은 정압과 부압을 모두 포함한다. 그리고, 도6에 도시되지 않았지만, 도4의 중공 회전축(124)의 내부에 구동 회전축이 삽입되고, 중공 회전축(124)과 구동 회전축에 설치된 비접촉식 자기 커플러에 의하여 회전 구동력이 중공 회전축(124)에 전달된다. 중공 회전축(124)의 회전 구동력은 감속 기어 박스(125W)를 통해 수직 방향으로 배열된 전달 회전축(125y)으로 전달되고, 전달 회전축(125y)의 회전 구동력이 기어(125b)를 기판 캐리어 유닛(120)의 중앙부 하측에 위치한 캐리어 헤드(20)의 본체부(24)를 회전 구동하는 데 사용된다. 그리고, 도킹 상태에서 도킹 유닛(180)은, 외부의 전원 공급부(181a)로부터 커넥터(181x, 80x)를 통해 센서(80)의 배터리(85)에 전원을 공급하여 배터리(85)를 충전시킨다. 한편, 캐리어 헤드(20)의 본체부(24)를 회전 구동하기 위하여, 기판 캐리어 유닛(120)의 내부에는 구동 모터가 직접 장착되고, 커넥터(181x, 80x)를 거쳐 공급 케이블(80a)을 통해 공급되는 전원을 이용하여 캐리어 헤드(20)의 본체부(24)를 회전 구동할 수도 있다.

도킹 상태가 해제되면, 기판 캐리어 유닛(120)은 공압을 공급받지 못하므로, 도킹 유닛(180)으로부터 공압을 공급받는 공압 연결관의 밸브(182v)를 닫힘 상태로 조작되어, 도킹 상태에서의 공압 상태를 유지시킨다.

한편, 기판 캐리어 유닛(120)의 저부에 설치된 캐리어 헤드(20)는, 도킹 유닛(180)이 기판 캐리어 유닛(120)에 도킹된 상태에서 중공 회전축(124)을 통해 전달되는 회전 구동력에 의하여 회전 구동되는 본체부(24)와, 본체부(24)에 결합되어 본체부(24)와의 사잇 공간에 압력 챔버(C)를 형성하는 가요성 멤브레인(21)과, 화학 기계적 연마 공정 중에 기판(W)을 가압하는 가요성 멤브레인(21)의 바닥판의 둘레를 감싸는 리테이너 링(22)을 구비한다.

화학 기계적 연마 공정 중에 기판(W)을 가압하는 압력 챔버(C)에는, 도킹 유닛(180)이 기판 캐리어 유닛(120)에 도킹한 상태에서, 로터리 유니언(123)에 공급되는 공압이 공급된다. 로터리 유니언(123)으로부터 연장된 공압 공급로(123u)는 기판(W)을 가압하는 압력 챔버(C)에도 연장되고, 리테이너 링(22)을 상하 방향으로 이동시키는 가압 챔버(Cr)에도 연장되며, 화학 기계적 연마 공정 중에는 기판(W)에 직접적으로 정압을 인가하고 이동 중에는 기판(W)에 부압을 인가하는 개방 통로(77)에도 연장된다.

여기서, 가압 챔버(Cr)에 공급되는 공압의 제어 방식은, 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 동안에는 정압이 인가되어 리테이너 링(22)을 하방으로 밀어내어 연마 패드를 가압하게 하지만, 화학 기계적 연마 공정이 행해지지 않는 동안에는 부압이 인가되어 리테이너 링(22)이 상방으로 들리게 하여 정해진 높이를 유지하게 한다. 이를 통해, 리테이너 링(22)이 하방으로 쳐지는 것에 의하여 기판 캐리어 유닛(120)이 이동하면서 연마 정반(110)의 상면과 충돌하는 것을 방지한다.

그리고, 개방 통로(77)에 공급되는 공압의 제어 방식은, 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 동안에는 정압이 인가되어 기판(W)을 연마 패드를 향하여 가압하지만, 화학 기계적 연마 공정이 행해지지 않는 동안에는 부압이 인가되어 기판(W)을 흡입 고정하여 캐리어 헤드(20)의 저면에 밀착된 상태를 유지하게 한다. 이를 통해, 기판 캐리어 유닛(120)이 연마 정반(110) 등을 향하여 이동하는 도중에 기판(W)이 기판 캐리어 유닛(120)으로부터 이탈하지 않게 유지한다.

여기서, 기판 캐리어 유닛(120)에 공급되는 공압은 연마 정반(110) 근처에 배치된 도킹 유닛(180)과 기판 캐리어 유닛(120)이 상호 도킹된 상태에서만 공급되고, 도킹 유닛(180)과 기판 캐리어 유닛(120)이 상호 분리된 상태에서는 기판 캐리어 유닛(120)에 공압이 공급되지 못한다. 따라서, 기판 캐리어 유닛(120)이 도킹 유닛(180)과 연결이 해제되기 이전에 기판 캐리어 유닛(120)이 이동하는 동안에 필요한 공압으로 제어된 후, 도킹 유닛(180)으로부터 공압을 공급받는 공압 연결관의 밸브(182v)와 로터리 유니언(123)으로부터 캐리어 헤드(20)로 공급되는 공압 연결관의 밸브(123v)를 닫힘 상태로 조작되어 도킹 상태에서의 공압 상태를 유지시킨다.

그러나, 제어 오류가 발생되거나 밸브(182v)에서 공압이 누수되는 경우에는, 캐리어 헤드(20)의 개방 통로(77)와 가압 챔버(Cr)의 부압이 낮아지져 대기압에 근접해지면서, 개방 통로(77)에서 작용하는 흡입압에 의해 파지되어 있던 기판(W)이 기판 캐리어 유닛(120)의 이동 중에 파지 상태가 해제되면서 놓치는 현상이 발생되고, 리테이너 링(22)을 상방으로 들어올리는 힘이 낮아지면서 기판 캐리어 유닛(120)이 연마 정반(110) 상에 진입할 때에 리테이너 링(22)과 연마 정반(110)의 측면이 충돌하는 문제가 발생된다.

이에 따라, 기판 캐리어 유닛(120)의 공압 공급로 상에 공압을 감시하는 압력 감지 센서(81-83)가 다수 설치된다. 제1압력센서(81)는 리테이너 링(22)을 상하 방향(22d)으로 이동시키는 가압 챔버(Cr)로 공급되는 공압을 제1파라미터로 하여 제1파라미터의 값을 실시간으로 계측하고, 제2압력 감지 센서(82)는 기판(W)을 캐리어 헤드(20)의 저면에 위치 고정시키는 흡입압을 제2파라미터로 하여 제2파라미터를 실시간으로 계측하며, 제3압력 감지 센서(83)는 로터리 유니언(123)으로 공급되는 공압 연결관의 공압을 제3파라미터로 하여 제3파라미터를 실시간으로 계측하여, 계측된 신호는 제어부(190)로 무선 전송한다.

여기서, 각각의 압력 감지 센서(81-83)가 작동하기 위해서는 전원이 필요하므로, 기판 캐리어 유닛(120)의 내부에는 충전 가능한 배터리(85)가 구비된다. 배터리(85)는 감지 센서(81-83)의 작동과 제어부(190)로의 무선 전송에 필요한 전력을 비축하면 충분하므로, 그 크기와 용량은 작게 유지될 수 있다.

그리고, 압력 감지 센서(81-83)에서 감지된 감지 신호를 수신한 제어부(190)는 정해진 공압 등의 파라미터 범위의 바깥으로 측정값이 이탈한 경우에는, 알람을 출력하여 작업자에게 실시간으로 확인할 수 있도록 하거나, 기판 이송 유닛(120)의 이동을 즉시 정지시켜, 기판(W)이 파손되거나 기판 캐리어 유닛(120)이 손상되는 것을 사전에 방지할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 시스템은, 무동력 상태로 이동중인 기판 캐리어 유닛(120)이 기판(W)을 보유하는 데 필요한 공압이나 기판 캐리어 유닛이 연마 정반으로 이동하는 데 필요한 위치 등의 파라미터를 이동 중인 기판 캐리어 유닛 내의 감지 센서(81-83)로 감지함으로써, 화학 기계적 연마 공정 중에 발생될 수 있는 오류를 실시간으로 감지하여 기판 캐리어 유닛의 이동 중에 발생될 수 있는 오류를 사전에 방지할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

더욱이, 본 발명은 기판 캐리어 유닛 내의 감지 센서(81-83)를 작동시키는 전원을 충전 가능한 배터리(95)로 공급하고, 배터리(95)의 전원은 도킹 유닛(180)이 도킹한 상태에서 충전되도록 구성됨에 따라, 기판 캐리어 유닛(120)의 감지 센서(81-83)을 작동시키는 전원을 원활히 공급할 수 있으면서 배터리의 크기와 용량을 최소한으로 유지하여, 기판 캐리어 유닛(120)이 경량화된 상태를 유지할 수 있는 잇점을 얻을 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 상기와 같은 특정 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 본 발명의 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.

한편, 도면에 도시된 실시예에서는 기판(W)의 파지 상태를 유지하기 위하여 캐리어 헤드(20)의 개방 통로(77)에 직접 흡입압을 인가하는 구성을 예시하였지만, 캐리어 헤드(20)의 멤브레인(21)에 개방 통로(77)가 형성되지 않고 다수의 압력 챔버의 압력을 조절하여 기판(W)을 파지하는 구성에 대해서도 동일하게 적용될 수 있다.

C: 압력 챔버 Cr: 가압 챔버
20: 캐리어 헤드 22: 리테이너 링
77: 개방 통로 81, 82, 83: 감지 센서
85: 배터리 100: 화학 기계식 연마시스템
110: 연마 정반 120: 기판 캐리어 유닛
180: 도킹 유닛

Claims (9)

1. 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 하나 이상의 연마 정반을 거칠 수 있는 이동 경로를 따라 기판을 보유한 상태로 이동하는 데 필요한 파라미터를 감지하는 센서를 구비한 기판 캐리어 유닛과;
   상기 기판 캐리어 유닛에 설치된 상기 센서와 무선 통신을 행하는 제어부와;
   상기 기판 캐리어 유닛이 상기 연마 정반 상의 정해진 위치에 도달하면 상기 기판 캐리어 유닛에 도킹하여 전원과 공압 중 어느 하나 이상을 공급하는 도킹 유닛을;
   포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 시스템.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 기판 캐리너 유닛은 외부로부터 전원과 공압 중 어느 하나 이상을 공급받지 않고 이동하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 시스템.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 기판 캐리어 유닛에는 N극과 S극의 자석이 교대로 배치되고, 상기 이동 경로에는 상기 자석에 자기력을 발생시키는 코일이 배치되어, 상기 코일에 인가되는 전류 제어에 의하여 상기 케리어 헤드를 이동시키는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 시스템.
   
4. 제 2항에 있어서,
   상기 센서는 상기 기판 캐리어 유닛의 이동 중에 상기 기판을 보유하는 데 필요한 제1파라미터와, 상기 연마 정반 상에서 상기 기판이 화학 기계적 연마 공정을 행하도록 위치시키는 데 필요한 제2파라미터 중 어느 하나 이상을 감지하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 시스템.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 제1파라미터는 상기 기판 캐리어 유닛에서 상기 기판을 보유한 상태를 유지하기 위한 공압인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 시스템.
   
6. 제 4항에 있어서,
   상기 제2파라미터는 상기 연마 정반 상에서 상기 기판에 대한 화학 기계적 연마 공정을 행하는 동안에 상기 기판을 둘러싸고 있는 리테이너 링의 높이를 조절하는 가압 챔버의 공압인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 시스템.
   
7. 제 1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 센서는 배터리 전원에 의하여 작동되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 시스템.
   
8. 제 7항에 있어서,
   상기 센서에 전원을 공급하는 배터리는, 상기 기판 캐리어 유닛이 상기 도킹 유닛과 도킹된 상태에서 배터리 충전이 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 시스템.
   
9. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 센서에 의하여 감시되는 상기 파라미터의 이상 신호를 수신하면, 상기 기판 캐리어 유닛의 동작을 정지시키는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 시스템.
   
   

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