KR100939556B1 - 탄성막 및 플렉시블 막 - Google Patents

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데츠지 도가와
오사무 나베야
마코토 후쿠시마
구니히코 사쿠라이
히로시 요시다
데루히코 이치무라
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가부시키가이샤 에바라 세이사꾸쇼
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Abstract

본 발명은 반도체웨이퍼 등의 기판을 연마하여 평탄화하는 폴리싱장치에 있어서 상기 기판(W)을 유지하여 연마면에 가압하는 기판유지장치에 관한 것이다. 본 발명의 기판유지장치는 내부에 수용공간을 가지는 톱링 본체(2)와, 톱링 본체의 수용공간 내에서 상하이동 가능한 상하 이동부재(206)를 구비하고, 상하 이동부재의 하면에는 탄성막을 구비한 맞닿음부재(209)를 설치하고, 맞닿음부재의 탄성막(291)은 바깥쪽으로 돌출한 칼라(291a)를 가짐과 동시에 기판에 직접적 또는 간접적으로 맞닿는 맞닿음부(291b)와, 맞닿음부의 칼라의 기초부(291d)로부터 위쪽으로 연장되어 상하 이동부재에 접속되는 접속부(291c)를 구비하고, 접속부는 맞닿음부보다도 신축성이 풍부한 재질로 형성되어 있다.
Figure R1020097007971
기판유지장치, 폴리싱, 탄성막, 플레시블 막

Description

탄성막 및 플렉시블 막{Elastic Membrane And Flexible Membrane}
본 발명은 폴리싱대상물인 기판을 유지하여 연마면에 가압하는 기판유지장치, 특히 반도체웨이퍼 등의 기판을 연마하여 평탄화하는 폴리싱장치에 있어서 그 기판을 유지하는 기판유지장치에 제공되는 탄성막 및 플렉시블 막에 관한 것이다. 또 본 발명은 이러한 기판유지장치를 구비한 폴리싱장치에 제공되는 탄성막 및 플렉시블 막에 관한 것이다.
최근, 반도체장치가 점점 미세화되어 소자구조가 복잡해지고, 또 로직계의 다층 배선의 층수가 증가함에 따라 반도체장치 표면의 요철은 점점 증가하여 단차가 커지는 경향에 있다. 반도체장치의 제조에서는 박막을 형성하여 패터닝이나 개공을 행하는 미세가공후에 다음의 박막을 형성한다는 공정을 몇번이나 반복하기 때문이다.
반도체장치 표면의 요철이 증가하면, 박막형성시에 단차부에서의 막 두께가 얇아지거나, 배선의 단선에 의한 오픈이나 배선층 사이의 절연불량에 의한 단락이 발생하기도 하기 때문에 불량품이 발생하거나 수율이 저하되는 경향이 있다. 또 초기적으로 정상동작을 하는 것이어도 장시간의 사용에 대해서는 신뢰성의 문제가 생긴다. 또한 리소그래피공정에 있어서의 노광시에 조사 표면에 요철이 있으면 노광계의 렌즈초점이 부분적으로 맞지 않게 되기 때문에, 반도체장치 표면의 요철이 증가하면미세패턴의 형성 그 자체가 어려워진다는 문제가 생긴다.
따라서, 반도체장치의 제조공정에 있어서는, 반도체장치 표면의 평탄화기술이 점점 중요하게 되고 있다. 이 평탄화기술 중, 가장 중요한 기술은 화학적 기계적 연마[CMP(Chemical Mechanical Polishing]이다. 이 화학적 기계적 연마는, 폴리싱장치를 사용하여 실리카(SiO2) 등의 숫돌입자를 함유한 연마액을 연마패드 등의 연마면상에 공급하면서 반도체웨이퍼 등의 기판을 연마면에 슬라이딩접촉시켜 연마를 행하는 것이다.
이 종류의 폴리싱장치는, 연마패드로 이루어지는 연마면을 가지는 연마테이블과, 반도체웨이퍼를 유지하기 위한 톱링 또는 캐리어헤드 등으로 불리우는 기판유지장치를 구비하고 있다. 이러한 폴리싱장치를 사용하여 반도체웨이퍼의 연마를 행하는 경우에는 기판유지장치에 의해 반도체웨이퍼를 유지하면서 이 반도체웨이퍼를 연마테이블에 대하여 소정의 압력으로 가압한다. 이때 연마테이블과 기판유지장치를 상대 운동시킴으로써 반도체웨이퍼가 연마면에 슬라이딩접촉하여 반도체웨이퍼의 표면이 평탄하고 또한 경면으로 연마된다.
이와 같은 폴리싱장치에 있어서, 연마 중의 반도체웨이퍼와 연마패드의 연마 면 사이의 상대적인 가압력이 반도체웨이퍼의 전면에 걸쳐 균일하지 않은 경우에는 반도체웨이퍼의 각 부분에 인가되는 가압력에 따라 연마부족이나 과연마가 생긴다. 그 때문에 기판유지장치의 반도체웨이퍼의 유지면을 고무 등의 탄성재로 이루어지는 탄성막으로 형성하고, 탄성막의 이면에 공기압 등의 유체압을 가하여 반도체웨이퍼에 인가하는 가압력을 전면에 걸쳐 균일화하는 것도 행하여지고 있다.
또, 상기 연마패드는 탄성을 가지기 때문에 연마 중의 반도체웨이퍼의 바깥 둘레 가장자리부에 가해지는 가압력이 불균일하게 되어 반도체웨이퍼의 바깥 둘레 가장자리부만이 많이 연마되는 이른바 「가장자리 처짐」을 일으키는 경우가 있다. 이와 같은 가장자리 처짐을 방지하기 위하여 반도체웨이퍼의 바깥 둘레 가장자리를 가이드링 또는 리테이너링에 의하여 유지함과 동시에, 가이드링 또는 리테이너링에 의해 반도체웨이퍼의 바깥 둘레 가장자리측에 위치하는 연마면을 가압하는 구조를 구비한 기판유지장치도 사용되고 있다.
그런데 반도체웨이퍼의 표면에 형성되는 박막은, 성막시의 방법이나 장치의 특성에 따라, 반도체웨이퍼의 반경방향의 위치에 따라 막 두께가 다르다. 즉, 반경방향으로 막 두께 분포를 가지고 있다. 이 때문에 상기한 바와 같은 종래의 반도체웨이퍼의 전면을 균일하게 가압하여 연마하는 기판유지장치에서는 반도체웨이퍼의 전면에 걸쳐 균일하게 연마되기 때문에, 상기한 반도체웨이퍼의 표면상의 막 두께 분포와 동일한 연마량 분포를 얻을 수 없다. 따라서 종래의 폴리싱장치에서는 상기 반경방향의 막 두께 분포에는 충분히 대응할 수 없고, 이것이 원인으로 연마부족이나 과연마가 생기고 있었다.
또, 성막의 방법이나 성막장치의 종류에 따라 상기한 반도체웨이퍼의 표면상의 막 두께 분포도 다르다. 즉, 막 두께가 두꺼운 부분의 반경방향의 위치나 그 수, 및 막 두께가 얇은 부분과 두꺼운 부분의 막 두께의 차는, 성막의 방법이나 성막장치의 종류에 따라 다르다. 따라서 어느 특정한 막 두께 분포에만 대응한 기판유지장치가 아니고, 여러가지 막 두께 분포에 용이하고 또한 저비용으로 대응할 수 있는 기판유지장치가 요망되고 있다.
또, 가장자리 처짐을 방지하기 위하여 가이드링 또는 리테이너링에 의하여 반도체웨이퍼의 바깥 둘레 가장자리측에 위치하는 연마면을 가압하는 구조를 구비한 기판유지장치에 있어서는, 상기한 가이드링 또는 리테이너링의 가압력을 제어하는 것만으로는 가장자리 처짐 등의 불균일한 연마가 충분히 억제되지 않는 경우가 있다. 또 반도체웨이퍼의 바깥 둘레 가장자리부에는 통상 장치는 형성되지 않으나, 금속의 용출이나 그 밖의 결함(Defect)을 방지하기 위한 등의 목적으로, 반도체웨이퍼의 바깥 둘레 가장자리부에 있어서 하층의 막을 노출시키지 않도록 바깥 둘레 가장자리부의 연마율을 의도적으로 작게 하거나, 이것과는 반대로 완전히 막을 제거하기 위하여 연마율을 의도적으로 크게 하거나 하고 싶다는 요망이 있다. 종래의 폴리싱장치에서는 반도체웨이퍼의 바깥 둘레 가장자리부의 연마율을 임의로 제어하는 것을 충분히 할 수 없는 것이 현재 상태이다.
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하여 반도체웨이퍼의 바깥 둘레 가장자리부의 연마율을 임의로 제어할 수 있도록 하는 폴리싱 장치에 제공되는 탄성막 및 플렉시블 막을 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 반도체웨이퍼 등의 연마대상물의 표면에 형성된 박막의 막 두께 분포에 대응하여 연마를 행할 수 있어, 연마후의 막 두께의 균일성을 얻을 수 있는 기판유지장치 및 폴리싱장치를 제공하는 것을 제 1 목적으로 한다.
또 본 발명은 연마대상물의 바깥 둘레 가장자리부의 연마율을 임의로 제어하는 것을 충분히 할 수 없다는 종래기술의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 반도체웨이퍼 등의 연마대상물을 균일하게 연마하면서, 특히 연마대상물의 바깥 둘레 가장자리부의 연마율을 임의로 제어할 수 있는 기판유지장치 및 폴리싱장치를 제공하는 것을 제 2 목적으로 한다.
상기한 제 1 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 형태는, 폴리싱대상물인 기판을 유지하여 연마면에 가압하는 기판유지장치에 있어서, 내부에 수용공간을 가지는 톱링 본체와, 그 톱링 본체의 수용공간 내에서 상하이동 가능한 상하 이동부재를 구비하고, 상기 상하 이동부재의 하면에는 탄성막을 구비한 맞닿음부재를 설치하고, 상기 맞닿음부재의 탄성막은 바깥쪽으로 돌출한 칼라(collar)를 가짐과 동 시에 상기 기판에 직접적 또는 간접적으로 맞닿는 맞닿음부와, 상기 맞닿음부의 칼라의 기초부로부터 위쪽으로 연장되어 상기 상하 이동부재에 접속되는 접속부를 구비하고, 상기 접속부는 상기 맞닿음부보다도 신축성이 풍부한 재질로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 기판유지장치이다.
이러한 구성에 의하여 기판에 가하는 압력을 독립으로 제어하어 막 두께가 두꺼운 부분의 연마면에 대한 가압력을 막 두께가 얇은 부분의 연마면에 대한 가압력보다 크게 하는 것이 가능하게 되기 때문에, 그 부분의 연마율을 선택적으로 높일 수 있다. 이에 의하여 성막시의 막 두께 분포에 의존하지 않고 기판의 전면에 걸쳐 과부족이 없는 연마가 가능해진다. 또한 상하 이동부재를 아래쪽으로 가압하여 연마를 행하는 경우에 있어서도 접속부가 탄성 변형되기 쉽기 때문에, 맞닿음부에 밀착시킨 기판에 과잉의 하향력이 가해지는 일이 없고, 칼라의 기초부에 끼워진 영역에 있어서 균일한 연마율을 실현할 수 있다. 또 상하 이동부재를 위쪽으로 들어 올려 연마를 행하는 경우에 있어서도, 접속부가 연장되기 쉽고 맞닿음부에 과잉의 상향력이 가해지는 일이 없기 때문에, 칼라의 기초부의 근방에 진공이 형성되는 일이 없어 기초부에 끼워진 영역에 있어서 균일한 연마율을 실현할 수 있다.
본 발명의 제 2 형태는, 폴리싱대상물인 기판을 유지하여 연마면에 가압하는 기판유지장치에 있어서, 내부에 수용공간을 가지는 톱링 본체와, 그 톱링 본체의 수용공간 내에서 상하이동 가능한 상하 이동부재를 구비하고, 상기 상하 이동부재의 하면에는 탄성막을 구비한 맞닿음부재를 설치하고, 상기 맞닿음부재의 탄성막은, 바깥쪽으로 돌출한 칼라를 가짐과 동시에 상기 기판에 직접적 또는 간접적으로 맞닿는 맞닿음부와, 상기 맞닿음부의 칼라의 기초부로부터 위쪽으로 연장되어 상기 상하 이동부재에 접속되는 접속부를 구비하고, 상기 접속부는 상기 맞닿음부보다도 두께가 얇은 두께가 얇은 부를 가지는 것을 특징으로 하는 기판유지장치이다.
이러한 구성에 의하여 성막시의 막 두께 분포에 의존하지 않고 기판의 전면에 걸쳐 과부족이 없는 연마가 가능해짐과 동시에, 상하 이동부재를 아래쪽으로 가압하여 연마를 행하는 경우에 있어서도, 두께가 얇은 부에 있어서 접속부가 변형되기 쉬워지기 때문에, 맞닿음부에 밀착시킨 기판에 과잉의 하향력이 가해지는 일이 없어, 칼라의 기초부에 끼워진 영역에 있어서 균일한 연마율을 실현할 수 있다. 또 상하 이동부재를 위쪽으로 들어 올려 연마를 행하는 경우에 있어서도 두께가 얇은 부가 연장되기 쉬워 맞닿음부에 과잉의 상향력이 가해지는 일이 없으므로, 칼라의 기초부의 근방에 진공이 형성되는 일이 없어 기초부에 끼워진 영역에 있어서 균일한 연마율을 실현할 수 있다. 특히, 두께가 얇은 부를 단면형상이 안쪽으로 잘록해지도록 형성하면, 이들 효과가 보다 효과적으로 발휘된다.
본 발명의 제 3 형태는, 폴리싱대상물인 기판을 유지하여 연마면에 가압하는 기판유지장치에 있어서, 내부에 수용공간을 가지는 톱링 본체와, 그 톱링 본체의 수용공간 내에서 상하 이동 가능한 상하 이동부재를 구비하고, 상기 상하 이동부재의 하면에는 탄성막을 구비한 맞닿음부재를 설치하고, 상기 맞닿음부재의 탄성막은 바깥쪽으로 돌출한 칼라를 가짐과 동시에 상기 기판에 직접적 또는 간접적으로 맞닿는 맞닿음부와, 상기 맞닿음부의 칼라의 기초부로부터 위쪽으로 연장되어 상기 상하 이동부재에 접속되는 접속부를 구비하고, 상기 맞닿음부의 칼라의 기초부의 하면의 밀착성을 약하게 한 것을 특징으로 하는 기판유지장치이다.
이러한 구성에 의하여 성막시의 막 두께 분포에 의존하지 않고 기판의 전면에 걸쳐 과부족이 없는 연마가 가능하게 됨과 동시에, 상하 이동부재를 위쪽으로 들어 올려 연마를 행하는 경우에 칼라의 기초부가 기판에 밀착되기 어렵게 되기 때문에 칼라의 기초부의 근방에 진공이 형성되기 어려워진다. 따라서 기초부에 끼워진 영역에 있어서 균일한 연마율을 실현할 수 있다.
이 경우에 있어서, 상기 맞닿음부의 칼라의 기초부의 하면에 상기 기판에 대한 밀착성이 낮은 중간부재를 개재시켜 상기 칼라의 기초부의 하면의 밀착성을 약하게 할 수 있다. 또는 칼라의 기초부의 하면에 예를 들면 홈을 형성함으로써, 또는 거친 면으로 함으로써 칼라의 기초부와 기판과의 밀착성을 약하게 할 수도 있다.
본 발명의 제 4 형태는, 폴리싱대상물인 기판을 유지하여 연마면에 가압하는 기판유지장치에 있어서, 내부에 수용공간을 가지는 톱링 본체와, 그 톱링 본체의 수용공간 내에서 상하 이동 가능한 상하 이동부재를 구비하고, 상기 상하 이동부재의 하면에는 탄성막을 구비한 맞닿음부재를 설치하고, 상기 맞닿음부재의 탄성막은 바깥쪽으로 돌출한 칼라를 가짐과 동시에 상기 기판에 직접적 또는 간접적으로 맞닿는 맞닿음부와, 상기 맞닿음부의 칼라의 기초부로부터 위쪽으로 연장되어 상기 상하 이동부재에 접속되는 접속부를 구비하고, 상기 맞닿음부의 칼라의 기초부에 상기 탄성막보다도 단단한 재질로 형성된 경질부재를 매설한 것을 특징으로 하는 기판유지장치이다. 이 경우에 있어서 상기 경질부재가 고리형상인 것이 바람직하 다.
이러한 구성에 의하여 성막시의 막 두께 분포에 의존하지 않고 기판의 전면에 걸쳐 과부족이 없는 연마가 가능하게 됨과 동시에, 상하 이동부재를 아래쪽으로 가압하여 연마를 행하는 경우에 있어서도, 접속부에 의한 하향력이 경질부재에 의해 분산되기 때문에, 맞닿음부에 밀착시킨 기판에 과잉의 하향력이 가해지는 일이 없고, 칼라의 기초부에 끼워진 영역에 있어서 균일한 연마율을 실현할 수 있다. 또 상하 이동부재를 위쪽으로 들어 올려 연마를 행하는 경우에 있어서도, 경질부재가 칼라의 기초부 근방의 변형을 억제하기 때문에, 칼라의 기초부 근방에 진공이 형성되는 일이 없고, 기초부에 끼워진 영역에 있어서 균일한 연마율을 실현할 수 있다.
본 발명의 제 5 형태는, 폴리싱대상물인 기판을 유지하여 연마면에 가압하는 기판유지장치에 있어서, 내부에 수용공간을 가지는 톱링 본체와, 그 톱링 본체의 수용공간 내에서 상하 이동 가능한 상하 이동부재를 구비하고, 상기 상하 이동부재의 하면에는 탄성막을 구비한 맞닿음부재를 설치하고, 상기 맞닿음부재의 탄성막은 바깥쪽으로 돌출한 칼라를 가짐과 동시에 상기 기판에 직접적 또는 간접적으로 맞닿는 맞닿음부와, 상기 맞닿음부의 칼라의 사이에 홈을 형성하면서 상기 칼라의 기초부로부터 바깥쪽을 향하여 상기 칼라의 선단보다 안쪽의 위치까지 연장되는 연장 돌출부와, 상기 연장 돌출부의 바깥쪽 단부로부터 위쪽으로 연장되어 상기 상하 이동부재에 접속되는 접속부를 구비한 것을 특징으로 하는 기판유지장치이다.
이와 같은 구성에 의하여 성막시의 막 두께 분포에 의존하지 않고 기판의 전 면에 걸쳐 과부족이 없는 연마가 가능하게 된다. 또 기판을 맞닿음부에 밀착시킨 후, 상하 이동부재를 위쪽으로 들어 올려 연마를 행하는 경우에는, 접속부에 의한 상향력이 연장 돌출부에 의해 가로방향 또는 경사방향의 힘으로 변환되어 칼라의 기초부에 가해지게 된다. 따라서 칼라의 기초부에 가해지는 상향력을 아주 작게 할 수 있어, 맞닿음부에는 지나친 상향력이 가해지는 일이 없다. 이 때문에 기초부의 근방에 진공이 형성되는 일이 없고, 기초부에 끼워진 영역에 있어서 균일한 연마율을 실현할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 형태는, 지름방향 안쪽에 위치하는 상기 접속부의 두께와 지름방향 바깥쪽에 위치하는 상기 접속부의 두께가 다른 것을 특징으로 하고 있다. 이 경우에 있어서, 상기 지름방향 안쪽에 위치하는 접속부의 두께가 상기 지름방향 바깥쪽에 위치하는 접속부의 두께보다도 얇은 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 일 형태는, 지름방향 바깥쪽으로 돌출한 상기 칼라의 길이와 지름방향 안쪽으로 돌출한 상기 칼라의 길이가 다른 것을 특징으로 하고 있다. 이 경우에 있어서, 상기 지름방향 바깥쪽으로 돌출한 칼라의 길이가 상기 지름방향 안쪽으로 돌출한 칼라의 길이보다도 긴 것이 바람직하다.
일반적으로 곡률이 작은 원통의 쪽이 곡률이 큰 원통보다도 강성이 크기 때문에 지름방향 안쪽에 위치하는 접속부가 칼라의 기초부에 가하는 상하방향의 힘은 지름방향 바깥쪽에 위치하는 접속부가 칼라의 기초부에 가하는 힘보다도 커진다. 따라서 상기한 바와 같은 구성에 의하여 지름방향 안쪽의 칼라의 기초부와 지름방향 바깥쪽의 칼라의 기초부에 가해지는 힘을 동일한 레벨로 조정하는 것이 가능해 지고, 또는 지름방향 바깥쪽의 칼라의 시일성을 높일 수 있어 기초부에 끼워진 영역에 있어서 균일한 연마율을 실현할 수 있다.
본 발명의 제 6 형태는, 폴리싱대상물인 기판을 유지하여 연마면에 가압하는 기판유지장치에 있어서, 내부에 수용공간을 가지는 톱링 본체와, 그 톱링 본체의 수용공간 내에서 상하 이동 가능한 상하 이동부재를 구비하고, 상기 상하 이동부재의 하면에는, 상기 기판에 직접적 또는 간접적으로 맞닿는 탄성막을 구비한 맞닿음부재를 설치하고, 상기 상하 이동부재를 강성이 높은 재질로 형성한 것을 특징으로 하는 기판유지장치이다.
이러한 구성에 의하여 상하 이동부재를 강성이 높고 경량의 재질, 예를 들면 에폭시계 수지에 의해 형성함으로써 상하 이동부재가 휘어지기 어렵게 되어, 국소적으로 연마율이 높아지는 것을 방지할 수 있다. 또 상하 이동부재로서 자성을 가지지 않은 재료를 선택하면, 연마해야 할 기판을 유지한 상태에서 와전류를 사용한 막 두께 측정방법으로 그 표면에 형성된 박막의 막 두께를 측정하는 것도 가능해진다.
본 발명의 제 7 형태는 폴리싱대상물인 기판을 유지하여 연마면에 가압하는 기판유지장치에 있어서, 톱링의 하면에는 탄성막을 구비한 맞닿음부재를 설치하고, 상기 맞닿음부재의 탄성막은 바깥쪽으로 돌출한 칼라를 가짐과 동시에 상기 기판에 직접적 또는 간접적으로 맞닿는 맞닿음부와, 상기 맞닿음부의 칼라의 기초부로부터 위쪽으로 연장되어 상기 톱링에 접속되는 접속부를 구비하고, 상기 톱링에는 상기 맞닿음부재의 칼라를 지지하는 지지부를 설치한 것을 특징으로 하는 기판유지장치 이다.
이러한 구성에 의하여 성막시의 막 두께 분포에 의존하지 않고 기판의 전면에 걸쳐 과부족이 없는 연마가 가능해짐과 동시에, 맞닿음부재의 주위의 공간에 가압유체가 공급되었을 때에, 칼라가 변형되어 톱링의 하면에 붙는 것이 방지되어, 안정적인 연마를 실현할 수 있다.
이 경우에 있어서, 상기 지지부의 지름방향 길이를 상기 맞닿음부재의 칼라의 지름방향 길이보다도 길게 하는 것이 바람직하다. 이러한 지지부를 설치함으로써 보다 확실하게 맞닿음부재의 칼라를 지지할 수 있기 때문에, 보다 안정적인 연마를 실현할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 형태는, 상기 지지부에 상기 맞닿음부재의 칼라의 상면으로 유체를 도입하는 유체 도입홈을 형성한 것을 특징으로 하고 있다. 이와 같은 구성에 의하여 칼라의 상면에 가압유체를 공급할 수 있기 때문에, 칼라의 기판에 대한 밀착성을 높혀 안정적인 연마를 실현할 수 있다.
본 발명의 제 8 형태는, 폴리싱대상물인 기판을 유지하여 연마면에 가압하는 기판유지장치에 있어서, 내부에 수용공간을 가지는 톱링 본체와, 그 톱링 본체의 수용공간 내에서 상하 이동 가능한 상하 이동부재와, 상기 기판의 바깥 둘레 가장자리부의 상면에 맞닿는 시일링을 구비하고, 상기 상하 이동부재에는 상기 시일링을 지지하는 지름방향 길이가 1mm 내지 7 mm의 지지부를 설치한 것을 특징으로 하는 기판유지장치이다.
이와 같은 구성에 의하여, 성막시의 막 두께 분포에 의존하지 않고 기판의 전면에 걸쳐 과부족이 없는 연마가 가능하게 됨과 동시에, 시일링 근방의 공간에 가압유체가 공급되었을 때에, 시일링이 변형되어 상하 이동부재의 하면에 붙는 일이 방지된다. 또 기판의 바깥 둘레부에 있어서는 과연마가 되는 경향이 있으나, 상하 이동부재의 지지부의 지름방향 길이를 1mm ~ 7mm 로 함으로써 이와 같은 과연마를 억제할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 형태는, 상기 상하 이동부재의 지지부에, 상기 시일링의 상면에 유체를 도입하는 유체 도입창을 형성한 것을 특징으로 하고 있다. 이와 같은 구성에 의하여 시일링의 상면에 가압유체를 공급할 수 있기 때문에, 시일링의 기판에 대한 밀착성을 높혀 안정적인 연마를 실현할 수 있다.
상기한 제 2 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제 9 형태는, 연마대상물인 기판을 유지하여 연마면에 가압하는 기판유지장치에 있어서, 상기 기판을 유지하는 톱링 본체와, 상기 기판의 바깥 둘레 가장자리부에 맞닿는 에지백과, 상기 에지백의 지름방향 안쪽에서 상기 기판에 맞닿는 토오크전달부재를 구비하고, 상기 에지백의 내부에 형성되는 제 1 압력실의 압력과, 상기 에지백의 지름방향 안쪽에 형성되는 제 2 압력실의 압력을 독립으로 제어하는 것을 특징으로 하는 기판유지장치이다.
이와 같은 구성에 의하여 토오크전달부재에 의해 기판에 충분한 토오크를 전달할 수 있고, 또 제 2 압력실의 압력에 의해 기판의 바깥 둘레 가장자리부를 제외하는 전면을 균일한 힘으로 연마면에 가압함과 동시에, 제 1 압력실의 압력을 제 2 압력실의 압력과는 독립으로 제어할 수 있다. 따라서 기판의 바깥 둘레 가장자리 부에 있어서의 연마율의 제어, 즉 바깥 둘레 가장자리부에 있어서의 연마 프로파일의 제어가 가능하게 된다.
본 발명의 바람직한 일 형태는, 상기 토오크전달부재에는 상기 토오크전달부재 내부의 공간과 외부의 공간을 연통하는 연통구멍을 형성한 것을 특징으로 하고 있다.
또, 반도체웨이퍼의 바깥 둘레 가장자리부의 연마율을 제어하는 관점으로부터 상기 제 1 압력실을 형성하는 상기 에지백 부재의 지름방향 폭이 1 mm 내지 10 mm 인 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 일 형태는, 상기 톱링 본체에 고정되거나 또는 일체로 설치되어 기판의 측단부를 유지하는 리테이너링을 구비하고, 상기 리테이너링의 연마면에 대한 가압력을 상기 압력실의 압력과는 독립으로 제어하는 것을 특징으로 하고 있다. 이와 같이 리테이너링의 가압력도 제어함으로써 보다 세밀한 제어가 가능하게 된다.
본 발명의 폴리싱장치는 상기한 기판유지장치와, 연마면을 가지는 연마테이블을 구비한 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 의한 탄성막은, 내부에 수용공간을 가지는 톱링 본체와, 상기 톱링 본체의 수용공간 내에서 상하이동 가능한 상하 이동부재를 구비하고, 폴리싱대상물인 기판을 유지하여 연마면에 가압하는 기판유지장치에 제공된다. 상기 탄성막은 상기 상하이동부재의 하면에 제공되고, 상기 기판에 직접적 또는 간접적으로 맞닿는 맞닿음부와, 상기 맞닿음부로부터 위쪽으로 연장되어 상기 상하이동부재에 접속되는 접속부를 구비하며, 상기 접속부는 상기 맞닿음부보다도 신축성이 풍부한 재질로 형성되어 있다.
또한 본 발명에 의한 플렉시블 막은, 반도체 기판에 맞닿는 플렉시블 막으로서, 동심의 제1 고리형상 접속부 제2 고리형상 접속부를 구비하고, 상기 제1 접속부에 비해 상기 제2 접속부가 지름방향 바깥쪽에 위치한다.
바람직하게는, 상기 플렉시블 막이 탄성 재료로 형성된다.
본 발명에 의하면, 종래 기술의 문제점을 해결하여 반도체웨이퍼의 바깥 둘레 가장자리부의 연마율을 임의로 제어할 수 있도록 하는 폴리싱 장치에 제공되는 탄성막 및 플렉시블 막을 제공할 수 있다.
이하, 본 발명에 관한 기판유지장치 및 폴리싱장치의 실시형태에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 관한 기판유지장치를 구비한 폴리싱장치의 전체구성을 나타내는 단면도이다. 여기서 기판유지장치는 폴리싱대상물인 반도체웨이퍼 등의 기판을 유지하여 연마테이블상의 연마면에 가압하는 장치이다. 도 1에 나타내는 바와 같이 본 발명에 관한 기판유지장치를 구성하는 톱링(1)의 아래쪽에는 상면에 연마패드(101)를 부착한 연마테이블(100)이 설치되어 있다. 또 연마테이블(100)의 위쪽에는 연마액 공급노즐(102)이 설치되어 있고, 이 연마액 공급노즐(102)에 의해 연마테이블(100)상의 연마패드(101)상에 연마액(Q)이 공급되도록 되어 있다.
또한 시장에서 입수할 수 있는 연마패드로서는 여러가지의 것이 있고, 예를 들면 로델사 제품의 SUBA800, IC-1000, IC-1000/SUBA400(2층 연마포), 후지밍코포레이티드사 제품의 Surfin xxx-5, Surfin 000 등이 있다. SUBA800, Surfin xxx-5, Surfin 000은 섬유를 우레탄수지로 굳힌 부직포이고, IC-1000은 경질의 발포 폴리우레탄(단층)이다. 발포 폴리우레탄은 포러스(다공질형상)로 되어 있고, 그 표면에 다수의 미세한 오목부 또는 구멍을 가지고 있다.
톱링(1)은 자재 이음부(universal coupling; 10)를 거쳐 톱링 구동축(11)에 접속되어 있고, 톱링 구동축(11)은 톱링 헤드(110)에 고정된 톱링용 에어실린더(111)에 연결되어 있다. 이 톱링용 에어실린더(111)에 의하여 톱링 구동축(11)은 상하 이동하여 톱링(1)의 전체를 승강시킴과 동시에 톱링 본체(2)의 하단에 고정된 리테이너링(3)을 연마테이블(100)에 가압하도록 되어 있다. 톱링용 에어실린더(111)는 레귤레이터(R1)를 거쳐 압축공기원(120)에 접속되어 있고, 레귤레이터(R1)에 의해 톱링용 에어실린더(111)에 공급되는 가압공기의 공기압 등을 조정할 수 있다. 이에 의하여 리테이너링(3)이 연마패드(101)를 가압하는 가압력을 조정할 수 있다.
또 톱링 구동축(11)은 키(도시 생략)를 거쳐 회전통(112)에 연결되어 있다. 이 회전통(112)은 그 바깥 둘레부에 타이밍풀리(113)를 구비하고 있다. 톱링헤드 (110)에는 톱링용 모터(114)가 고정되어 있고, 상기 타이밍풀리(113)는 타이밍벨트 (15)를 거쳐 톱링용 모터(114)에 설치된 타이밍풀리(116)에 접속되어 있다. 따라서 톱링용 모터(114)를 회전 구동함으로써 타이밍풀리(116), 타이밍벨트(115) 및 타이밍풀리(113)를 거쳐 회전통(112) 및 톱링 구동축(11)이 일체로 회전하고, 톱링(1)이 회전한다. 또한 톱링 헤드(110)는 프레임(도시 생략)에 고정 지지된 톱링 헤드 샤프트 (117)에 의해 지지되어 있다.
다음에 본 발명에 관한 기판유지장치의 제 1 실시형태에 대하여 설명한다. 도 2는 제 1 실시형태의 기판유지장치에 있어서의 톱링(1)을 나타내는 종단면도, 도 3은 도 2에 나타내는 톱링(1)의 저면도이다. 도 2에 나타내는 바와 같이 기판유지장치를 구성하는 톱링(1)은 내부에 수용공간을 가지는 원통용기형상의 톱링 본체(2)와, 톱링 본체(2)의 하단에 고정된 리테이너링(3)을 구비하고 있다. 톱링 본체(2)는 금속이나 세라믹스 등의 강도 및 강성이 높은 재료로 형성되어 있다. 또 리테이너링(3)은 강성이 높은 수지재 또는 세라믹스 등으로 형성되어 있다.
톱링 본체(2)는 원통용기형상의 하우징부(2a)와, 하우징부(2a)의 원통부의 안쪽에 끼워 맞춰지는 고리형상의 가압시트 지지부(2b)와, 하우징부(2a)의 상면의 바깥 둘레 가장자리부에 끼워 맞춰진 고리형상의 시일부(2c)를 구비하고 있다. 톱링 본체(2)의 하우징부(2a)의 하단에는 리테이너링(3)이 고정되어 있다. 이 리테이너링(3)의 하부는 안쪽으로 돌출되어 있다. 또한 리테이너링(3)을 톱링 본체(2)와 일체적으로 형성하는 것으로 하여도 좋다.
톱링 본체(2)의 하우징부(2a)의 중앙부의 위쪽에는 상기한 톱링 구동축(11)이 배치되어 있고, 톱링 본체(2)와 톱링 구동축(11)은 자재 이음부(10)에 의해 연결되어 있다. 이 자재 이음부(10)는 톱링 본체(2) 및 톱링 구동축(11)을 서로 경사이동 가능하게 하는 구면 베어링기구와, 톱링 구동축(11)의 회전을 톱링 본체(2) 에 전달하는 회전 전달기구를 구비하고 있고, 톱링 구동축(11)으로부터 톱링 본체(2)에 대하여 서로의 경사이동을 허용하면서 가압력 및 회전력을 전달한다.
구면 베어링기구는, 톱링 구동축(11)의 하면의 중앙에 형성된 구면형상 오목부(11a)와, 하우징부(2a) 상면의 중앙에 형성된 구면형상 오목부(2d)와, 양 오목부 (1la, 2d) 사이에 장착된 세라믹스와 같은 고경도 재료로 이루어지는 베어링볼(212)로 구성되어 있다. 한편, 회전 전달기구는, 톱링 구동축(11)에 고정된 구동 핀(도시생략)과 하우징부(2a)에 고정된 피구동 핀(도시 생략)으로 구성된다. 톱링 본체(2)가 기울어져도 피구동 핀과 구동 핀은 상대적으로 상하방향으로 이동 가능하기 때문에 이들은 서로의 접촉점을 어긋나게 걸어맞춰져 회전 전달기구가 톱링 구동축(11)의 회전 토오크를 톱링 본체(2)에 확실하게 전달한다.
톱링 본체(2) 및 톱링 본체(2)에 일체로 고정된 리테이너링(3)의 내부에 구획형성된 공간 내에는, 톱링(1)에 의해 유지되는 반도체웨이퍼(W)의 바깥 둘레부에 맞닿는 시일링(204)과, 고리형상의 홀더링(205)과, 톱링 본체(2) 내부의 수용공간 내에서 상하 이동 가능한 개략 원반형상의 척킹플레이트(206)(상하 이동부재)가 수용되어 있다. 시일링(204)은 그 바깥 둘레부가 홀더링(205)과 홀더링(205)의 하단에 고정된 척킹플레이트(206) 사이에 끼워져 있어, 척킹플레이트(206)의 바깥 가장자리 근방의 하면을 덮고 있다. 이 시일링(204)의 하단면은 폴리싱대상물인 반도체웨이퍼(W)의 상면에 접한다. 또한 반도체웨이퍼(W)의 바깥 가장자리에는 노치나 오리엔테이션 플랫이라 불리우는 반도체웨이퍼의 방향을 인식(특정)하기 위한 노치가 설치되어 있으나, 이러한 노치나 오리엔테이션 플랫보다도 척킹플레이트(206)의 안 둘레측으로까지 시일링(204)이 연장 돌출되어 있는 것이 바람직하다.
또한 척킹플레이트(206)는 금속재료로 형성되어 있어도 좋으나, 연마해야 할 반도체웨이퍼가 톱링에 유지된 상태에서 와전류를 사용한 막 두께 측정방법으로 그 표면에 형성된 박막의 막 두께를 측정하는 경우 등에 있어서는, 자성을 가지지 않은 재료, 예를 들면 불소계 수지, 에폭시계 수지나 세라믹스 등의 절연성의 재료로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
홀더링(205)과 톱링 본체(2) 사이에는 탄성막으로 이루어지는 가압시트(207)가 설치되어 있다. 이 가압시트(207)는 한쪽 끝을 톱링 본체(2)의 하우징부(2a)와 가압시트 지지부(2b) 사이에 끼워 넣고, 다른쪽 끝을 홀더링(205)의 상단부(205a)와 스토퍼부(205b) 사이에 끼워 넣어 고정되어 있다. 톱링 본체(2), 척킹플레이트 (206), 홀더링(205) 및 가압시트(207)에 의해 톱링 본체(2)의 내부에 압력실(221)이 형성되어 있다. 도 2에 나타내는 바와 같이 압력실(221)에는 튜브, 커넥터 등으로 이루어지는 유체로(31)가 연통되어 있고, 압력실(221)은 유체로(31)상에 배치된 레귤레이터(R2)를 거쳐 압축공기원(120)에 접속되어 있다. 또한 가압시트(207)는 에틸렌프로필렌고무(EPDM), 폴리우레탄고무, 실리콘고무 등의 강도 및 내구성이 뛰어난 고무재에 의하여 형성되어 있다
또한 가압시트(207)가 고무 등의 탄성체인 경우에 가압시트(207)를 리테이너링(3)과 톱링 본체(2)의 사이에 끼워 넣어 고정한 경우에는, 탄성체로서의 가압시트(207)의 탄성변형에 의해 리테이너링(3)의 하면에 있어서 바람직한 평면이 얻어지지 않게 된다. 따라서 이것을 방지하기 위하여 본 실시형태에서는 다른부재로서 가압시트 지지부(2b)를 설치하고, 이것을 톱링 본체(2)의 하우징부(2a)와 가압시트 지지부(2b) 사이에 끼워 넣어 고정하고 있다. 또한 리테이너링(3)을 톱링 본체(2)에 대하여 상하 이동 가능하게 하거나, 리테이너링(3)을 톱링 본체(2)와는 독립으로 가압 가능한 구조로 할 수도 있고, 이러한 경우에는 반드시 상기한 가압시트(207)의 고정방법이 사용된다고는 한정하지 않는다.
톱링 본체(2)의 시일부(2c)가 끼워 맞춰지는 하우징부(2a) 상면의 바깥 둘레 가장자리 부근에는 고리형상의 홈으로 이루어지는 세정액로(251)가 형성되어 있다. 이 세정액로(251)는 시일부(2c)의 관통구멍(252)을 거쳐 유체로(32)에 연통되어 있고, 이 유체로(32)를 거쳐 세정액(순수)이 공급된다. 또 세정액로(251)로부터 하우징부(2a), 가압시트 지지부(2b)를 관통하는 관통구멍(253)이 복수개소 설치되어 있고, 이 연통구멍(253)은 시일링(204)의 바깥 둘레면과 리테이너링(3) 사이의 약간의 간극(G)에 연통되어 있다.
척킹플레이트(206)와 반도체웨이퍼(W) 사이에 형성되는 공간의 내부에는, 반도체웨이퍼(W)에 맞닿는 맞닿음부재로서의 센터백(208) 및 링튜브(209)가 설치되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이 센터백(208)은 척킹플레이트(206) 하면의 중심부에 배치되고, 링튜브(209)는 이 센터백(208)의 주위를 둘러 싸도록 센터백(208)의 바깥쪽에 배치되어 있다. 또한 시일링(204), 센터백(208) 및 링튜브(209)는 가압시트(207)와 마찬가지로 에틸렌프로필렌고무(EPDM), 폴리우레탄고무, 실리콘고무 등의 강도 및 내구성이 뛰어난 고무재에 의해 형성되어 있다.
척킹플레이트(206)와 반도체웨이퍼(W) 사이에 형성되는 공간은, 상기 센터백 (208) 및 링튜브(209)에 의해 복수의 공간으로 구획되어 있고, 이에 의하여 센터백 (208)과 링튜브(209)의 사이에는 압력실(222)이, 링튜브(209)의 바깥쪽에는 압력실 (223)이 각각 형성되어 있다.
센터백(208)은 반도체웨이퍼(W)의 상면에 맞닿는 탄성막(281)과, 탄성막(281)을 착탈 가능하게 유지하는 센터백홀더(282)로 구성되어 있다. 센터백홀더(282)에는 나사구멍(282a)이 형성되어 있고, 이 나사구멍(282a)에 나사(255)를 나사 결합시킴으로써 센터백(208)이 척킹플레이트(206) 하면의 중심부에 착탈 가능하게 설치되어 있다. 센터백(208)의 내부에는 탄성막(281)과 센터백 홀더(282)에 의하여 중심부 압력실(224)이 형성되어 있다.
마찬가지로 링튜브(209)는 반도체웨이퍼(W)의 상면에 맞닿는 탄성막(291)과, 탄성막(291)을 착탈 가능하게 유지하는 링튜브 홀더(292)로 구성되어 있다. 링튜브 홀더(292)에는 나사구멍(292a)이 형성되어 있고, 이 나사구멍(292a)에 나사(256)를 나사 결합시킴으로써, 링튜브(209)가 척킹플레이트(206)의 하면에 착탈 가능하게 설치되어 있다. 링튜브(209)의 내부에는 탄성막(291)과 링튜브 홀더(292)에 의해 중간부 압력실(225)이 형성되어 있다.
본 실시형태에서는 센터백(208)의 탄성막(281)과 센터백 홀더(282)에 의해 압력실(224)을, 링튜브(209)의 탄성막(291)과 링튜브 홀더(292)에 의하여 압력실(225)을 각각 형성하고 있으나, 압력실(222, 223)에 대해서도 마찬가지로 탄성막과 이것을 고정하는 홀더를 사용하여 압력실을 형성할 수 있다. 또 적절하게 탄성 막과 홀더를 추가하여 압력실을 늘릴 수 있는 것은 물론이다.
압력실(222, 223), 중심부 압력실(224) 및 중간부 압력실(225)에는 튜브, 커넥터 등으로 이루어지는 유체로(33, 34, 35, 36)가 각각 연통되어 있고, 각 압력실(222∼225)은 각각의 유체로(33∼36)상에 배치된 레귤레이터(R3, R4, R5, R6)를 거쳐 공급원으로서의 압축공기원(120)에 접속되어 있다. 또한 상기 유체로 (31∼36)는, 톱링 샤프트(110)의 상단부에 설치된 로터리조인트(도시 생략)를 거쳐 각 레귤레이터(R1∼R6)에 접속되어 있다.
상기한 척킹플레이트(206)의 위쪽의 압력실(221) 및 상기 압력실(222∼225)에는 각 압력실과 연통되는 유체로(31, 33, 34, 35, 36)를 거쳐 가압공기 등의 가압유체를 공급하는 또는 대기압이나 진공으로 할 수 있게 되어 있다. 도 1에 나타내는 바와 같이 압력실(221∼225)의 유체로(31, 33, 34, 35, 36)상에 배치된 레귤레이터(R2∼R6)에 의해 각각의 압력실에 공급되는 가압유체의 압력을 조정할 수 있다. 이에 의하여 각 압력실(221∼225) 내부의 압력을 각각 독립으로 제어하는 또는 대기압이나 진공으로 할 수 있게 되어 있다. 이와 같이 레귤레이터(R2∼R6)에 의해 각 압력실(221∼225) 내부의 압력을 독립으로 가변으로 함으로써, 반도체웨이퍼(W)를 연마패드(101)에 가압하는 가압력을 반도체웨이퍼(W)의 부분마다 조정할 수 있다. 또한 경우에 따라서는 이들 압력실(221∼225)을 진공원(121)에 접속하는 것으로 하여도 좋다.
이 경우에 있어서 각 압력실(222∼225)에 공급되는 가압유체나 대기압의 온도를 각각 제어하는 것으로 하여도 좋다. 이와 같이 하면 반도체웨이퍼 등의 연마 대상물의 피연마면의 뒤쪽으로부터 연마대상물의 온도를 직접 제어할 수 있다. 특히, 각 압력실의 온도를 독립으로 제어하는 것으로 하면, CMP에 있어서의 화학적 연마의 화학반응속도를 제어하는 것이 가능해진다.
척킹플레이트(206)에는 아래쪽으로 돌출하는 안 둘레부 흡착부(261)가 센터백(208)과 링튜브(209) 사이에 설치되어 있고, 또 아래쪽으로 돌출하는 바깥 둘레부 흡착부(262)가 링튜브(20)의 바깥쪽에 설치되어 있다. 본 실시형태에 있어서는 8개의 흡착부(261, 262)가 설치되어 있다.
안 둘레부 흡착부(261) 및 바깥 둘레부 흡착부(262)에는 유체로(37, 38)에 각각 연통하는 연통구멍(261a, 262a)이 각각 형성되어 있고, 안 둘레부 흡착부(261) 및 바깥 둘레부 흡착부(262)는 유체로(37, 38) 및 밸브(V1, V2)를 거쳐 진공펌프 등의 진공원(121)에 접속되어 있다. 그리고, 안 둘레부 흡착부(261) 및 바깥 둘레부 흡착부(262)의 연통구멍(261a, 262a)이 진공원(121)에 접속되면, 연통구멍(261a, 262a)의 개구단에 음압이 형성되어 안 둘레부 흡착부(261) 및 바깥 둘레부 흡착부(262)에 반도체웨이퍼(W)가 흡착된다. 또한 안 둘레부 흡착부(261) 및 바깥 둘레부 흡착부(262)의 하단면에는 얇은 고무시트 등으로 이루어지는 탄성시트(261b, 262b)가 접착되어 있어 안 둘레부 흡착부(261) 및 바깥 둘레부 흡착부(262)는 반도체웨이퍼(W)를 유연하게 흡착 유지하도록 되어 있다.
여기서 시일링(204)의 바깥 둘레면과 리테이너링(3) 사이에는 약간의 간극(G)이 있기 때문에 홀더링(205)과 척킹플레이트(206) 및 척킹플레이트(206)에 설치된 시일링(204) 등의 부재는, 톱링본체(2) 및 리테이너링(3)에 대하여 상하방향 으로 이동 가능하고, 플로팅하는 구조로 되어 있다. 홀더링(205)의 스토퍼부(205b)에는 그 바깥 둘레 가장자리부로부터 바깥쪽으로 돌출하는 돌기(205c)가 복수개소에 설치되어 있고, 이 돌기(205c)가 리테이너링(3)의 안쪽으로 돌출되어 있는 부분의 상면에 걸어맞춰짐으로써 상기 홀더링(205) 등의 부재의 아래쪽으로의 이동이 소정의 위치까지 제한된다.
다음에 이와 같이 구성된 톱링(1)의 작용에 대하여 상세하게 설명한다.
상기 구성의 폴리싱장치에 있어서, 반도체웨이퍼(W)의 반송시에는 톱링(1)의 전체를 반도체웨이퍼의 이송위치로 위치시키고, 안 둘레부 흡착부(261) 및 바깥 둘레부 흡착부(262)의 연통구멍(261a, 262a)을 유체로(37, 38)를 거쳐 진공원(121)에 접속한다. 연통구멍(261a, 262a)의 흡인작용에 의해 안 둘레부 흡착부(261) 및 바깥 둘레부 흡착부(262)의 하단면에 반도체웨이퍼(W)가 진공 흡착된다. 그리고 반도체웨이퍼(W)를 흡착한 상태에서 톱링(1)을 이동시켜 톱링(1)의 전체를 연마면[연마 패드(101)]을 가지는 연마테이블(100)의 위쪽에 위치시킨다. 또한 반도체웨이퍼(W)의 바깥 둘레 가장자리는 리테이너링(3)에 의해 유지되어 반도체웨이퍼(W)가 톱링(1)으로부터 튀어 나가지 않게 되어 있다.
연마시에는 흡착부(261, 262)에 의한 반도체웨이퍼(W)의 흡착을 해제하여 톱링(1)의 하면에 반도체웨이퍼(W)를 유지시킴과 동시에, 톱링 구동축(11)에 연결된 톱링용 에어실린더(111)를 작동시켜 톱링(1)의 하단에 고정된 리테이너링(3)을 소정의 가압력으로 연마테이블(100)의 연마면에 가압한다. 이 상태에서 압력실(222, 223), 중심부 압력실(224) 및 중간부 압력실(225)에 각각 소정의 압력의 가압유체 를 공급하여 반도체웨이퍼(W)를 연마테이블(100)의 연마면에 가압한다. 그리고 미리 연마액 공급노즐(102)로부터 연마액(Q)을 흘림으로써 연마패드(101)에 연마액(Q)이 유지되어 반도체웨이퍼(W)의 연마되는 면(하면)과 연마패드(101) 사이에 연마액(Q)이 존재한 상태에서 연마가 행하여진다.
여기서, 반도체웨이퍼(W)의 압력실(222 및 223)의 아래쪽에 위치하는 부분은, 각각 압력실(222, 223)에 공급되는 가압유체의 압력으로 연마면에 가압된다. 또 반도체웨이퍼(W)의 중심부 압력실(224)의 아래쪽에 위치하는 부분은 센터백(208)의 탄성막(281)을 거쳐 중심부 압력실(224)에 공급되는 가압유체의 압력으로 연마면에 가압된다. 반도체웨이퍼(W)의 중간부 압력실(225)의 아래쪽에 위치하는 부분은, 링튜브(209)의 탄성막(291)을 거쳐 중간부 압력실(225)에 공급되는 가압유체의 압력으로 연마면에 가압된다.
따라서, 반도체웨이퍼(W)에 가해지는 연마압력은 각 압력실(222∼225)에 공급되는 가압유체의 압력을 각각 제어함으로써 반도체웨이퍼(W)의 부분마다 조정할 수 있다. 즉, 레귤레이터(R3∼R6)에 의하여 각 압력실(222∼225)에 공급되는 가압유체의 압력을 각각 독립으로 조정하여 반도체웨이퍼(W)를 연마테이블(100)상의 연마패드(101)에 가압하는 가압력을 반도체웨이퍼(W)의 부분마다로 조정하고 있다. 이와 같이 반도체웨이퍼(W)의 부분마다 연마압력이 원하는 값으로 조정된 상태에서 회전하고 있는 연마테이블(100) 상면의 연마패드(101)에 반도체웨이퍼(W)가 가압된다. 마찬가지로 레귤레이터(Rl)에 의해 톱링용 에어실린더(111)에 공급되는 가압유체의 압력을 조정하여 리테이너링(3)이 연마패드(101)를 가압하는 가압력을 변경 할 수 있다. 이와 같이 연마 중에 리테이너링(3)이 연마패드(101)를 가압하는 가압력과 반도체웨이퍼(W)를 연마패드(101)에 가압하는 가압력을 적절히 조정함으로써 반도체웨이퍼(W)의 중심부(도 3의 C1), 중심부로부터 중간부(C2), 중간부(C3), 그리고 둘레 가장자리부(C4), 또한 반도체웨이퍼(W)의 바깥쪽에 있는 리테이너링(3)의 바깥 둘레부까지의 각 부분에 있어서의 연마압력의 분포를 원하는 분포로 할 수 있다.
이와 같이 반도체웨이퍼(W)를 동심의 4개의 원 및 둥근고리부분(Cl∼C4)으로 구분하고, 각각의 부분을 독립된 가압력으로 가압할 수 있다. 연마율은 반도체웨이퍼(W)의 연마면에 대한 가압력에 의존하나, 상기한 바와 같이 각 부분의 가압력을 제어할 수 있기 때문에, 반도체웨이퍼(W)의 4개 부분(C1∼C4)의 연마율을 독립으로 제어하는 것이 가능해진다. 따라서 반도체웨이퍼(W) 표면의 연마해야 할 박막의 막 두께에 반경방향의 분포가 있어도 반도체웨이퍼 전면에 걸쳐 연마의 부족이나 과연마를 없앨 수 있다. 즉, 반도체웨이퍼(W) 표면의 연마해야 할 박막이, 반도체웨이퍼(W)의 반경방향의 위치에 의해 막 두께가 다른 경우에도 상기 각 압력실(222∼225) 중, 반도체웨이퍼(W) 표면의 막 두께가 두꺼운 부분의 위쪽에 위치하는 압력실의 압력을 다른 압력실의 압력보다도 높게 함으로써, 또는 반도체웨이퍼(W) 표면의 막 두께가 얇은 부분의 위쪽에 위치하는 압력실의 압력을 다른 압력실의 압력보다도 낮게 함으로써 막 두께가 두꺼운 부분의 연마면에 대한 가압력을 막 두께가 얇은 부분의 연마면에 대한 가압력보다 크게 하는 것이 가능해지고, 그 부분의 연마율을 선택적으로 높일 수 있다. 이에 의하여 성막시의 막 두께 분포에 의존하지 않고 반도체웨이퍼(W)의 전면에 걸쳐 과부족이 없는 연마가 가능해진다.
반도체웨이퍼(W)의 둘레 가장자리부에 일어나는 가장자리 처짐은 리테이너 링(3)의 가압력을 제어함으로써 방지할 수 있다. 또 반도체웨이퍼(W)의 둘레 가장자리부에 있어서 연마해야 할 박막의 막 두께에 큰 변화가 있는 경우에는 리테이너 링(3)의 가압력을 의도적으로 크게, 또는 작게 함으로써 반도체웨이퍼(W)의 둘레 가장자리부의 연마율을 제어할 수 있다.
또한 상기 각 압력실(222∼225)에 가압유체를 공급하면 척킹플레이트(206)는 상방향의 힘을 받기 때문에, 본 실시형태에서는 압력실(221)에는 유체로(31)를 거쳐 압력유체를 공급하고, 각 압력실(222∼225)로부터의 힘에 의해 척킹플레이트(206)가 위쪽으로 들어 올려지는 것을 방지하고 있다.
상기한 바와 같이 하여 톱링용 에어실린더(111)에 의한 리테이너링(3)의 연마 패드(101)에 대한 가압력과, 각 압력실(222∼225)에 공급하는 가압공기에 의한 반도체웨이퍼(W) 부분마다의 연마패드(101)에 대한 가압력을 적절히 조정하여 반도체웨이퍼(W)의 연마가 행하여진다. 그리고 연마가 종료하였을 때는 반도체웨이퍼(W)를 안 둘레부 흡착부(261) 및 바깥 둘레부 흡착부(262)의 하단면에 다시 진공 흡착한다. 이때 반도체웨이퍼(W)를 연마면에 대하여 가압하는 각 압력실(222∼225)에의 가압유체의 공급을 정지하고 대기압에 개방함으로써 안 둘레부 흡착부(261) 및 바깥 둘레부 흡착부(262)의 하단면을 반도체웨이퍼(W)에 맞닿게 한다. 또 압력실(221) 내의 압력을 대기압에 개방하거나, 또는 음압으로 한다. 이는 압력실(221)의 압력을 높은 채로 하여 두면 반도체웨이퍼(W)의 안 둘레부 흡착 부(261) 및 바깥 둘레부 흡착부(262)에 맞닿아 있는 부분만이 연마면에 강하게 가압되게 되기 때문이다. 따라서 압력실(221)의 압력을 신속하게 내릴 필요가 있어, 도 2에 나타내는 바와 같이 압력실 (221)로부터 톱링 본체(2)를 관통하도록 릴리프포트(239)을 설치하여 압력실(221)의 압력이 신속하게 내려가도록 하여도 좋다. 이 경우에는 압력실(221)에 압력을 인가할 때에는 유체로(31)로부터 항상 압력유체를 계속해서 공급할 필요가 있다. 또 릴리프포트(239)는 체크밸브를 구비하고 있어 압력실(221) 내를 음압으로 할 때에는 외기가 압력실(221)로 들어가지 않도록 하고 있다.
상기한 바와 같이 반도체웨이퍼(W)를 흡착시킨 후, 톱링(1)의 전체를 반도체웨이퍼의 이송위치로 위치시켜 안 둘레부 흡착부(261) 및 바깥 둘레부 흡착부(262)의 연통구멍(261a, 262b)으로부터 반도체웨이퍼(W)에 유체(예를 들면, 압축공기 또는 질소와 순수를 혼합한 것)를 분사하여 반도체웨이퍼(W)를 릴리스한다.
그런데 시일링(204)의 바깥 둘레면과 리테이너링(3) 사이의 약간의 간극(G)에는 연마에 사용되는 연마액(Q)이 침입하여 오나, 이 연마액(Q)이 고착되면 홀더링(205), 척킹플레이트(206) 및 시일링(204) 등의 부재의 톱링 본체(2) 및 리테이너 링(3)에 대한 원활한 상하이동이 방해된다. 그 때문에 유체로(32)를 거쳐 세정액로(251)에 세정액(순수)을 공급한다. 이에 의하여 복수의 연통구멍(253)으로부터 간극(G)의 위쪽에 순수가 공급되고, 순수가 간극(G)을 씻어 내어 상기한 연마액(Q)의 고착이 방지된다. 이 순수의 공급은 연마후의 반도체웨이퍼가 릴리스되고, 다음에 연마되는 반도체웨이퍼가 흡착되기까지의 사이에 행하여지는 것이 바람 직하다. 또 다음 연마까지 공급된 순수가 모두 외부로 배출되도록 리테이너링(3)에는 도 2에 나타내는 바와 같은 복수의 관통구멍(3a)을 설치하는 것이 바람직하다. 또한 리테이너링(3), 홀더링(205) 및 가압시트(207)에 의해 형성되는 공간(226) 내에 압력이 가득차 있으면 척킹플레이트(206)의 상승을 방해하게 되기 때문에, 원활하게 척킹플레이트 (206)를 상승시키기 위해서도 상기 관통구멍(3a)을 설치하여 공간(226)을 대기와 동압으로 하는 것이 바람직하다.
이상 설명한 바와 같이, 제 1 실시형태에 있어서의 기판유지장치에 의하면, 압력실(222, 223), 센터백(208) 내부의 압력실(224) 및 링 튜브(209) 내부의 압력실(225)의 압력을 독립으로 제어함으로써 반도체웨이퍼에 대한 가압력을 제어할 수 있다.
여기서, 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 기판유지장치에 있어서의 링 튜브 (209)의 제 1 형태에 대하여 보다 상세하게 설명한다. 또한 이하에서는 링 튜브 (209)에 대해서만 설명하나, 센터백(208)에 대해서도 마찬가지로 생각할 수 있다.
도 4는 도 2에 나타내는 링 튜브(209)를 나타내는 종단면도, 도 5는 도 4에 나타내는 링 튜브(209)의 탄성막(291)을 나타내는 종단면도이다. 제 1 형태에 있어서의 링 튜브(209)의 탄성막(291)은 도 4 및 도 5에 나타내는 바와 같이 바깥쪽으로 돌출한 칼라(291a)를 가지는 맞닿음부(291b)와, 상기 링 튜브 홀더(292)를 거쳐 척킹플레이트(206)에 접속되는 접속부(291c)를 가지고 있다. 칼라(291a)의 기초부(291d)로부터 위쪽을 향하여 상기 접속부(291c)가 연장되어 있다. 또 맞닿음부(291b)의 하면은 반도체웨이퍼(W)의 상면에 맞닿게 되어 있다. 이들 칼 라(291a), 맞닿음부 (291b), 접속부(291c)는 동일한 재료로 일체로 형성되어 있다.
상기한 바와 같이 반도체웨이퍼를 연마할 때, 압력실(222) 및 링 튜브(209)를 둘러 싸는 압력실(223)에는 가압유체가 공급된다. 이에 의하여 칼라(291a)는 각각 압력실(222, 223)에 공급되는 가압유체에 의해 반도체웨이퍼(W)에 밀착한다. 이 때문에 링 튜브(209) 내부의 압력실(225)에 공급되는 가압유체의 압력보다도 그 주위의 압력실(222 또는 223)에 공급되는 가압유체의 압력쪽이 매우 높은 경우에도 링 튜브(209)의 아래쪽으로 주위의 압력이 높은 가압유체가 흘러드는 일이 없다. 따라서 상기 칼라(291a)를 설치함으로써, 각 압력실의 압력제어의 폭을 크게 할 수 있어 반도체웨이퍼의 가압을 보다 안정적으로 행하는 것이 가능하게 되어 있다.
또 링 튜브(209)의 맞닿음부(291b)의 중앙부에는 개구(291e)가 형성되어 있고, 맞닿음부(291b)의 개구(291e)를 거쳐 중간부 압력실(225)에 공급되는 가압유체가 반도체웨이퍼(W)의 상면에 직접 접촉하게 된다. 연마 중은 중간부 압력실(225)에 가압유체가 공급되기 때문에, 이 가압유체에 의해 링 튜브(209)의 맞닿음부(291b)가 반도체웨이퍼(W)의 상면에 가압된다. 따라서 이러한 개구(291e)가 형성되어 있는 경우에도 중간부 압력실(225) 내부의 가압유체가 외부로 누설되는 일은 거의 없다. 또 반도체웨이퍼(W)의 릴리스시에 있어서는 상기 개구(291e)를 거쳐 반도체웨이퍼(W)에 가압유체에 의한 하방향의 압력을 가할 수 있기 때문에 반도체웨이퍼(W)의 릴리스가 보다 원할해진다.
또한 상기한 바와 같이 중간부 압력실(225)에 공급되는 가압유체의 온도를 제어하여 피연마면의 뒤쪽으로부터 반도체웨이퍼(W)의 온도를 제어하는 경우에 있 어서는, 이와 같은 개구(291e)를 링 튜브(209)의 맞닿음부(291b)에 형성함으로써 온도제어된 가압유체가 반도체웨이퍼(W)에 접촉하는 면적을 늘릴 수 있기 때문에, 반도체웨이퍼(W)의 온도제어성을 향상시킬 수 있다. 또 연마종료후, 반도체웨이퍼(W)를 릴리스할 때는 상기 개구(291e)를 거쳐 중간부 압력실(225)이 각각 외기에 개방되게 되기 때문에 중간부 압력실(225)에 공급된 유체 등이 그 내부에 가득차는 일이 없다. 따라서 연속하여 반도체웨이퍼(W)를 연마하는 경우에 있어서도 온도제어의 안정성을 유지할 수 있다.
여기서, 링 튜브(209)의 맞닿음부(291b)에 상기한 바와 같은 칼라(291a)를 설치하면 압력실(221)에 압력유체를 공급하여 척킹플레이트(206)를 아래쪽으로 가압하여 연마를 행하는 경우, 링 튜브(209)의 칼라(291a)의 기초부(291d) 근방에 있어서, 접속부(291c)에 의한 하향력이 반도체웨이퍼(W)에 과잉으로 인가되어 이 부분의 연마율이 국소적으로 높아지는 것을 생각할 수 있다.
한편, 도 6a 내지 도 6c에 나타내는 바와 같이, 반도체웨이퍼(W)를 링 튜브 (209)의 맞닿음부(291b)에 밀착시킨 후, 압력실(221)에, 압력실(222∼225)에 인가된 가압력의 합계보다 작아지도록 압력을 공급하여 척킹플레이트(206)를 위쪽으로 들어 올려 연마를 행하는 경우, 접속부(291c)에 의한 상향력이 반도체웨이퍼(W)와 밀착하고 있는 칼라(291a)의 기초부(291d) 근방에 가해져 기초부(291d)의 근방에 있어서 진공 (293)이 형성되어(도 6c 참조), 이 부분의 연마율이 국소적으로 낮아지는 것을 생각할 수 있다.
이들의 관점으로부터 본 실시형태에서는 링 튜브(209)의 접속부(291c)를 맞 닿음부(291b)보다도 신축성이 풍부한 유연한 재료로 형성하고 있다. 이와 같이 함으로써 척킹플레이트(206)를 아래쪽으로 가압하여 연마를 행하는 경우에 있어서도, 접속부(291c)가 탄성 변형되기 쉽기 때문에, 맞닿음부(291b)에 밀착시킨 반도체웨이퍼(W)에 과잉의 하향력이 가해지는 일이 없어, 칼라(291a)를 제외하는 맞닿음부(291b)의 전면에 있어서 균일한 연마율을 실현할 수 있다. 또 척킹플레이트(206)를 위쪽으로 들어 올려 연마를 행하는 경우에 있어서도, 접속부(291c)가 연장되기 쉬운 맞닿음부(291b)에 지나친 상향력이 가해지는 일이 없기 때문에, 칼라(291a)의 기초부(291d)의 근방에 진공이 형성되는 일이 없어, 칼라(291a)를 제외하는 맞닿음부(291b)의 전면에 있어서 균일한 연마율을 실현할 수 있다. 또한 접속부(291c)의 상하로 연장되는 부분(291f)(도 5참조)만을 신축성이 풍부한 유연한 재질로 형성하여도 좋고, 이것에 더하여 링 튜브 홀더(292)에 유지되는 부분(291g)도 신축성이 풍부한 유연한 재질로 형성하여도 좋다.
도 7은 본 발명의 기판유지장치에 있어서의 링 튜브의 탄성막의 제 2 형태를 나타내는 종단면도이다. 제 2 형태의 링 튜브에 있어서, 접속부(291c)는 맞닿음부 (291b)의 두께보다도 얇은 두께가 얇은 부(294)를 가지고 있다. 이 두께가 얇은부 (294)는 도 7에 나타내는 바와 같이 안쪽으로 잘록해져 있다. 이러한 두께가 얇은부(294)를 설치함으로써, 척킹플레이트(206)를 아래쪽으로 가압하여 연마를 행하는 경우에 있어서도, 두께가 얇은 부(294)에 있어서 접속부(291c)가 변형되기 쉬워지므로, 맞닿음부(291b)에 밀착시킨 반도체웨이퍼(W)에 과잉의 하향력이 가해지는 일이 없어, 칼라(291a)를 제외하는 맞닿음부(291b)의 전면에 있어서 균일한 연마율을 실현할 수있다. 또 척킹플레이트(206)를 위쪽으로 들어 올려 연마를 행하는 경우에 있어서도, 두께가 얇은 부(294)가 연장되기 쉬워 맞닿음부(291b)에 과잉의 상향력이 가해지는 일이 없기 때문에, 칼라(291a)의 기초부(291d)의 근방에 진공이 형성되는 일이 없어, 칼라(291a)를 제외하는 맞닿음부(291b)의 전면에 있어서 균일한 연마율을 실현할 수있다. 특히 두께가 얇은 부(294)를 단면형상이 안쪽으로 잘록해지도록 형성하면, 이들의 효과가 보다 효과적으로 발휘된다.
도 8은 본 발명의 기판유지장치에 있어서의 링 튜브의 탄성막의 제 3 형태를 나타내는 종단면도이다. 제 3 형태의 링 튜브에 있어서는 칼라(291a)의 기초부 (291d)의 하면에 반도체웨이퍼(W)에 대하여 밀착성이 낮은 중간부재(295)를 설치하고 있다. 이 중간부재(295)로서는, 웨이퍼(W)와의 밀착성이 낮은 것이면 어떠한 것이어도 좋고, 예를 들면 셀로판테이프 등을 사용할 수 있다. 또 두께는 얇을 수록 좋고, 0.2 mm 이하의 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 척킹플레이트(206)를 위쪽으로 들어 올려 연마를 행하는 경우에, 칼라(291a)의 기초부(291d)가 반도체웨이퍼(W)에 밀착하기 어렵게 되기 때문에, 칼라(291a)의 기초부(291d)의 근방에 진공이 형성되기 어렵게 된다. 따라서 칼라(291a)를 제외하는 맞닿음부(291b)의 전면에 있어서 균일한 연마율을 실현할 수 있다. 또 이러한 중간부재(295)를 설치하는 대신에 칼라(291a)의 기초부(291d)의 하면에 예를 들면 홈을 형성함으로써 또는 거친 면으로 함으로써 칼라(291a)의 기초부(291d)와 반도체웨이퍼(W)와의 밀착성을 약하게 하여도 좋다.
도 9는 본 발명의 기판유지장치에 있어서의 링 튜브의 탄성막의 제 4 형태를 나타내는 종단면도이다. 제 4 형태의 링 튜브에 있어서는, 칼라(291a)의 기초부 (291d)에 탄성막(291)보다도 단단한 재질(예를 들면 스테인레스)로 형성된 링형상의 경질부재(296)를 매설하고 있다. 이와 같이 함으로써 척킹플레이트(206)를 아래쪽으로 가압하여 연마를 행하는 경우에 있어서도, 접속부(291c)에 의한 하향력이 경질부재(296)에 의해 분산되기 때문에 맞닿음부(291b)에 밀착시킨 반도체웨이퍼(W)에 과잉의 하향력이 가해지는 일이 없어, 칼라(291a)를 제외하는 맞닿음부(291b)의 전면에 있어서 균일한 연마율을 실현할 수 있다. 또 척킹플레이트(206)를 위쪽으로 들어 올려 연마를 행하는 경우에 있어서도, 경질부재(296)가 칼라(291a)의 기초부(291d) 근방의 변형을 억제하기 때문에, 칼라(291a)의 기초부(291d) 근방에 진공이 형성되는 일이 없어, 칼라(291a)를 제외하는 맞닿음부(291b)의 전면에 있어서 균일한 연마율을 실현할 수 있다.
도 10은 본 발명의 기판유지장치에 있어서의 링 튜브의 탄성막의 제 5 형태를 나타내는 종단면도이다. 제 5 형태의 링 튜브는, 상기한 제 1 형태의 링 튜브의 탄성막(291)에 있어서, 지름방향 안쪽, 즉 반도체웨이퍼(W)의 중심측에 위치하는 접속부(291h)를 지름방향 바깥쪽에 위치하는 접속부(291i)보다도 얇게 한 예이다. 일반적으로 곡율이 작은 원통쪽이 곡율이 큰 원통보다도 강성이 크기 때문에, 지름방향 안쪽에 위치하는 접속부가 칼라의 기초부에 가하는 상하방향의 힘은 지름방향 바깥쪽에 위치하는 접속부가 칼라의 기초부에 가하는 힘보다도 커진다. 따라서 제 5 형태의 링 튜브와 같이 지름방향 안쪽에 위치하는 접속부(291h)를 지름방향 바깥쪽에 위치하는 접속부(291i)보다도 얇게 함으로써 이들 접속부(291h, 291i) 가 칼라의 기초부에 가하는 상하방향의 힘을 동일한 레벨로 조정하는 것이 가능해져 칼라(291a)를 제외하는 맞닿음부(291b)의 전면에 있어서 균일한 연마율을 실현할 수 있다. 또 제 1 형태의 링 튜브에 있어서, 지름방향 안쪽의 접속부를 지름방향 바깥쪽의 접속부보다도 신축성이 풍부한 유연한 재질로 형성함에 의해서도 동일한 효과를 기대할 수 있다.
도 11은 본 발명의 기판유지장치에 있어서의 링 튜브의 탄성막의 제 6 형태를 나타내는 종단면도이다. 제 6 형태의 링 튜브는 상기한 제 1 형태의 링 튜브의 탄성막(291)에 있어서 지름방향 바깥쪽으로 돌출한 칼라(291j)의 길이를 지름방향 안쪽으로 돌출한 칼라(291k)의 길이보다도 길게 한 예이다. 이와 같이 함으로써 지름방향바깥쪽의 칼라(291j)의 시일성을 높일 수 있어, 칼라(291a)를 제외하는 맞닿음부(291b)의 전면에 있어서 균일한 연마율을 실현할 수 있다.
도 12a 내지 도 12c는 본 발명의 기판유지장치에 있어서의 링 튜브의 제 7 형태를 나타내는 종단면도이다. 도 12a에 나타내는 바와 같이 제 7 형태의 링 튜브에 있어서의 탄성막(391)은 바깥쪽으로 돌출한 칼라(391a)를 가지는 맞닿음부(391b)와, 칼라(391a)의 사이에 홈(392)을 형성하면서, 칼라(391a)의 기초부(391c)로부터 바깥쪽으로 연장되는 연장 돌출부(391d)와, 링 튜브 홀더(292)를 거쳐 척킹플레이트 (206)에 접속되는 접속부(391e)를 가지고 있다. 연장 돌출부(391d)는 칼라(391a)의 기초부(391c)로부터 바깥쪽을 향하여 칼라(391a)의 선단보다도 안쪽의 위치까지 연장되어 있고, 이 연장 돌출부(391d)의 바깥쪽 끝부로부터 위쪽을 향하여 상기 접속부(391e)가 연장되어 있다. 이들 칼라(391a), 맞닿음 부(391b), 접속부(391e), 연장 돌출부(391d)는 동일한 재료로 일체로 형성되어 있다. 또 맞닿음부(391b)의 중앙부에는 개구(391f)가 형성되어 있다.
이와 같은 구성으로 함으로써 반도체웨이퍼(W)를 링 튜브의 맞닿음부(391b)에 밀착시킨(도 12b 참조) 후, 척킹플레이트(206)를 위쪽으로 들어 올려 연마를 행하는 경우에는 접속부(391e)에 의한 상향력이 연장 돌출부(391d)에 의해 가로방향 또는 경사방향의 힘으로 변환되어 칼라(391a)의 기초부(391c)에 가해지게 된다(도 12c 참조). 따라서 칼라(391a)의 기초부(391c)에 가해지는 상향력을 아주 작게 할 수 있어, 맞닿음부(391b)에는 과잉의 상향력이 가해지는 일이 없다. 이 때문에 기초부(391c)의 근방에 진공이 형성되는 일이 없어, 칼라(391a)를 제외하는 맞닿음부(391b)의 전면에 있어서 균일한 연마율을 실현할 수 있다. 이 경우에 있어서 상기한 제 5 및 제 6 형태의 링 튜브와 같이, 접속부(391e)의 두께나 칼라(391a)의 길이를 지름방향 안쪽과 바깥쪽에서 바꾸어도 좋고, 또 연장 돌출부(391d)의 길이도 지름방향 안쪽과 바깥쪽에서 바꿀 수도 있다. 또한 연마되는 반도체웨이퍼상의 막종류나 연마패드의 종류에 따라 칼라(391a)의 두께를 바꾸어도 좋다. 반도체웨이퍼에 전달되는 저항, 연마 토오크가 큰 경우는, 칼라(391a)의 비틀림을 방지하기 위하여 두껍게 하는 것이 바람직하다.
상기한 제 1 실시형태의 기판유지장치에서는 유체로(31, 33, 34, 35, 36)를 각각 별개로 설치하였으나, 이들 유체로를 통합하거나, 각 압력실끼리를 연통시키거나 하는 등, 반도체웨이퍼(W)에 가해야 할 가압력의 크기나 가하는 위치에 따라 자유롭게 개변(改變)하는 것이 가능하다. 또 상기한 제 1 실시형태에 있어서는, 센터백(208) 및 링 튜브(209)가 직접 반도체웨이퍼(W)에 접촉하는 예를 설명하였으나, 이것에 한정되는 것이 아니라, 예를 들면 센터백(208) 및 링 튜브(209)와 반도체웨이퍼(W)의 사이에 탄성패드를 개재시켜 센터백(208) 및 링 튜브(209)가 간접적으로 반도체웨이퍼(W)에 접촉하는 것으로 하여도 좋다. 또 상기한 각 형태를 적절하게 조합시키는 것도 가능하다.
또, 상기한 제 1 실시형태의 기판유지장치에 있어서는, 연마패드에 의해 연마면이 형성되는 것으로 하였으나, 이것에 한정되는 것이 아니다. 예를 들면 고정 숫돌입자에 의해 연마면을 형성하여도 좋다. 고정 숫돌입자는, 숫돌입자를 바인더 중에 고정하여 판형상으로 형성된 것이다. 고정 숫돌입자를 사용한 연마에 있어서는 고정 숫돌입자로부터 자생한 숫돌입자에 의해 연마가 진행된다. 고정 숫돌입자는 숫돌입자와 바인더와 기공에 의해 구성되어 있고, 예를 들면 숫돌입자에는 평균 입자지름 0.5㎛ 이하의 산화세륨(CeO2), 바인더에는 에폭시 수지를 사용한다. 이러한 고정 숫돌입자는 경질의 연마면을 구성한다. 또 고정 숫돌입자에는 상기한 판형상의 것 외에 얇은 고정 숫돌입자층의 밑에 탄성을 가지는 연마패드를 부착하여 2층 구조로 한 고정 숫돌입자패드도 포함된다. 그 밖의 경질의 연마면으로서는 상기한 IC-1000 이 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 제 1 실시형태의 기판유지장치에 의하면 기판에 가하는 압력을 독립으로 제어하여 막 두께가 두꺼운 부분의 연마면에 대한 가압력을 막 두께가 얇은 부분의 연마면에 대한 가압력보다 크게 하는 것이 가능해지기 때문에, 그 부분의 연마율을 선택적으로 높일 수 있다. 이에 의하여 성막시의 막 두께 분포에 의존하지 않고 기판의 전면에 걸쳐 과부족이 없는 연마가 가능해진다. 또한 상하 이동부재를 아래쪽으로 가압하여 연마를 행하는 경우에 있어서도, 맞닿음부에 밀착시킨 기판에 과잉의 하향력이 가해지는 일이 없어, 기초부에 끼워진 영역에 있어서 균일한 연마율을 실현할 수 있다. 또 상하 이동부재를 위쪽으로 들어 올려 연마를 행하는 경우에 있어서도 맞닿음부에 과잉의 상향력이 가해지는 일이 없기 때문에 칼라의 기초부 근방에 진공이 형성되는 일이 없어, 기초부에 끼워진 영역에 있어서 균일한 연마율을 실현할 수 있다.
다음에 본 발명에 관한 기판유지장치의 제 2 실시형태에 대하여 설명한다. 도 13은 제 2 실시형태의 기판유지장치에 있어서의 톱링(1)을 나타내는 종단면도, 도 14는 도 13에 나타내는 톱링(1)의 저면도이다. 도 13에 나타내는 바와 같이 기판유지장치를 구성하는 톱링(1)은 내부에 수용공간을 가지는 원통용기형상의 톱링 본체(2)와, 톱링 본체(2)의 하단에 고정된 리테이너링(3)을 구비하고 있다. 톱링 본체(2)는 금속이나 세라믹스 등의 강도 및 강성이 높은 재료로 형성되어 있다. 또 리테이너링(3)은 강성이 높은 수지재 또는 세라믹스 등으로 형성되어 있다.
톱링 본체(2)는 원통용기형상의 하우징부(2a)와, 하우징부(2a)의 원통부의 안쪽에 끼워 맞춰지는 고리형상의 가압시트 지지부(2b)와, 하우징부(2a) 상면의 바깥 둘레 가장자리부에 끼워 맞춰진 고리형상의 시일부(2c)를 구비하고 있다. 톱링 본체(2)의 하우징부(2a)의 하단에는 리테이너링(3)이 고정되어 있다. 이 리테이너링(3)의 하부는 안쪽으로 돌출되어 있다. 또한 리테이너링(3)을 톱링 본체(2)와 일체적으로 형성하는 것으로 하여도 좋다.
톱링 본체(2)의 하우징부(2a)의 중앙부의 위쪽에는 상기한 톱링 구동축(11)이 배치되어 있고, 톱링 본체(2)와 톱링 구동축(11)은 자재 이음부(10)에 의해 연결되어 있다. 이 자재 이음부(10)는 톱링 본체(2) 및 톱링 구동축(11)을 서로 경사이동 가능하게 하는 구면 베어링기구와, 톱링 구동축(11)의 회전을 톱링 본체(2)에 전달하는 회전 전달기구를 구비하고 있고, 톱링 구동축(11)으로부터 톱링 본체(2)에 대하여 서로의 경사이동을 허용하면서 가압력 및 회전력을 전달한다.
구면 베어링기구는, 톱링 구동축(11)의 하면의 중앙에 형성된 구면형상 오목부(11a)와, 하우징부(2a) 상면의 중앙에 형성된 구면형상 오목부(2d)와, 양 오목부 (11a, 2d) 사이에 장착된 세라믹스와 같은 고경도 재료로 이루어지는 베어링볼(12)로 구성되어 있다. 한편 회전 전달기구는, 톱링 구동축(11)에 고정된 구동 핀(도시 생략)과 하우징부(2a)에 고정된 피구동 핀(도시 생략)으로 구성된다. 톱링 본체(2)가 기울어져도 피구동 핀과 구동 핀은 상대적으로 상하방향으로 이동 가능하기 때문에 이들은 서로의 접촉점을 어긋나게 하여 걸어 맞추어져 회전 전달기구가 톱링 구동축 (11)의 회전 토오크를 톱링 본체(2)에 확실하게 전달한다.
톱링 본체(2) 및 톱링 본체(2)에 일체로 고정된 리테이너링(3)의 내부에 구획 형성된 공간 내에는, 톱링(1)에 의해 유지되는 반도체웨이퍼(W)의 바깥 둘레부에 맞닿는 시일링(404)과, 고리형상의 홀더링(405)과, 톱링 본체(2) 내부의 수용공간 내에서 상하이동 가능한 대략 원반형상의 척킹플레이트(406)(상하 이동부재)가 수용되어 있다.
시일링(404)은 그 바깥 둘레부가 홀더링(405)과 홀더링(405)의 하단에 고정된 척킹플레이트(406)의 사이에 끼워 넣어져 있고, 척킹플레이트(406)의 바깥 가장자리 근방의 하면을 덮고 있다. 이 시일링(404)의 하단면은 폴리싱대상물인 반도체웨이퍼(W)의 상면에 접한다. 시일링(404)은 에틸렌프로필렌고무(EPDM), 폴리우레탄고무, 실리콘고무 등의 강도 및 내구성이 뛰어난 고무재에 의해 형성되어 있다. 또한 반도체웨이퍼(W)의 바깥 가장자리에는 노치나 오리엔테이션 플랫이라 불리우는 반도체웨이퍼의 방향을 인식(특정)하기 위한 노치가 설치되어 있으나, 이와 같은 노치나 오리엔테이션 플랫보다도 척킹플레이트(406)의 안 둘레측으로까지 시일링(404)이 연장 돌출되어 있는 것이 바람직하다.
홀더링(405)과 톱링 본체(2) 사이에는 탄성막으로 이루어지는 가압시트(407)가 설치되어 있다. 이 가압시트(407)는 한쪽 끝을 톱링 본체(2)의 하우징부(2a)와 가압시트 지지부(2b) 사이에 끼워 넣고, 다른쪽 끝을 홀더링(405)의 상단부(405a)와 스토퍼부(405b) 사이에 끼워 넣어 고정되어 있다. 톱링 본체(2), 척킹플레이트 (406), 홀더링(405) 및 가압시트(407)에 의해 톱링 본체(2)의 내부에 압력실(421)이 형성되어 있다. 도 13에 나타내는 바와 같이 압력실(421)에는 튜브, 커넥터 등으로 이루어지는 유체로(31)가 연통되어 있고, 압력실(421)은 유체로(31)상에 배치된 레귤레이터(R2)를 거쳐 압축공기원(120)에 접속되어 있다. 또한 가압시트(407)는 에틸렌프로필렌고무(EPDM), 폴리우레탄고무, 실리콘고무 등의 강도 및 내구성이 뛰어난 고무재에 의해 형성되어 있다.
가압시트(407)가 고무 등의 탄성체인 경우에, 가압시트(407)를 리테이너 링(3)과 톱링 본체(2) 사이에 끼워 넣어 고정한 경우에는, 탄성체로서의 가압시트(407)의 탄성변형에 의해 리테이너링(3)의 하면에 있어서 바람직한 평면이 얻어지지 않게 된다. 따라서 이것을 방지하기 위하여 본 실시형태에서는 다른 부재로서 가압시트 지지부(2b)를 설치하여 이것을 톱링 본체(2)의 하우징부(2a)와 가압시트 지지부(2b) 사이에 끼워 넣어 고정하고 있다. 또한 리테이너링(3)을 톱링 본체(2)에 대하여 상하이동 가능하게 하거나, 리테이너링(3)을 톱링 본체(2)와는 독립으로 가압 가능한 구조로 할 수도 있고, 이와 같은 경우에는 반드시 상기한 가압시트(407)의 고정방법이 사용된다고는 한정하지 않는다.
톱링 본체(2)의 시일부(2c)의 하면에는 고리형상의 홈으로 이루어지는 세정액로(451)가 형성되어 있다. 이 세정액로(451)는 관통구멍(452)을 거쳐 유체로(32)에 연통되어 있고, 이 유체로(32)를 거쳐 세정액(순수)이 공급된다. 또 시일부(2c)의 세정액로(451)로부터 연장되어 하우징부(2a), 가압시트 지지부(2b)를 관통하는 연통구멍(453)이 복수부분 형성되어 있고, 이 연통구멍(453)은 시일링(404)의 바깥 둘레면과 리테이너링(3) 사이의 약간의 간극(G)에 연통되어 있다.
척킹플레이트(406)의 하면의 중앙부에는 중앙에 개구(408a)가 형성된 센터포트(408)가 설치되어 있다. 또 척킹플레이트(406)와 반도체웨이퍼(W) 사이에 형성되는 공간의 내부에는 반도체웨이퍼(W)에 맞닿는 맞닿음부재로서의 링 튜브(409)가 설치되어 있다. 본 실시형태에 있어서는 도 13 및 도 14에 나타내는 바와 같이 링 튜브(409)는 센터포트(408)의 주위를 둘러싸도록 센터포트(408)의 바깥쪽에 배치되어 있다. 또 척킹플레이트(406)에는 아래쪽으로 돌출하는 흡착부(440)가 링 튜 브(409)의 바깥쪽에 설치되어 있고, 본 실시형태에 있어서는 6개의 흡착부(440)가 설치되어 있다.
링 튜브(409)는 반도체웨이퍼(W)의 상면에 맞닿는 탄성막(491)과, 탄성막 (491)을 착탈 가능하게 유지하는 링 튜브 홀더(492)로 구성되어 있고, 이들 탄성막 (491)과 링 튜브 홀더(492)에 의해 링 튜브(409)의 내부에 압력실(422)이 형성되어 있다. 또 척킹플레이트(406)와 반도체웨이퍼(W) 사이에 형성되는 공간은, 상기 링 튜브(409)에 의해 복수의 공간으로 구획되어 있고, 링 튜브(409)의 안쪽, 즉 센터포트(408)의 주위에는 압력실(423)이, 링 튜브(409)의 바깥쪽, 즉 흡착부(440)의 주위에는 압력실(424)이 각각 형성되어 있다. 또한 링 튜브(409)의 탄성막(491)은 가압시트(407)와 마찬가지로 에틸렌프로필렌고무(EPDM), 폴리우레탄고무, 실리콘고무 등의 강도 및 내구성이 뛰어난 고무재에 의해 형성되어 있다.
링 튜브(409) 내의 압력실(422)에는 튜브, 커넥터 등으로 이루어지는 유체로 (33)가 연통되어 있고, 압력실(422)은 이 유체로(33)상에 배치된 레귤레이터(R3)를 거쳐 압축공기원(120)에 접속되어 있다. 또 센터포트(408)의 개구(408a)는 튜브, 커넥터 등으로 이루어지는 유체로(34)에 연통되어 있고, 센터포트(408)는 유체로(34)상에 배치된 레귤레이터(R4)를 거쳐 압축공기원(120)에 접속되어 있다. 흡착부(440)에는 튜브, 커넥터 등으로 이루어지는 유체로(35)와 연통하는 연통구멍(440a)이 형성되어 있고, 흡착부(440)는 이 유체로(35)상에 배치된 레귤레이터(R5)를 거쳐 압축공기원(120)에 접속되어 있다. 이 압축공기원(120)에 의해 흡착부(440)의 연통구멍 (440a)의 개구단에 음압을 형성하여 흡착부(440)에 반도체웨 이퍼(W)를 흡착할 수 있다. 또한 흡착부(440)의 하단면에는 얇은 고무시트 등으로 이루어지는 탄성 시트 (440b)가 접착되어 있어 흡착부(440)는 반도체웨이퍼(W)를 유연하게 흡착 유지하게 되어 있다. 또 상기 압력실(421∼424)은 톱링샤프트(110)의 상단부에 설치된 로터리조인트(도시 생략)를 거쳐 각 레귤레이터(R2∼R5)에 접속되어 있다.
상기한 척킹플레이트(406)의 위쪽의 압력실(421) 및 상기 압력실(422, 423, 424)에는 각 압력실에 연통되는 유체로(31, 33, 34, 35)를 거쳐 가압공기 등의 가압유체를 공급하는, 또는 대기압이나 진공으로 할 수 있게 되어 있다. 즉, 도 1에 나타내는 바와 같이, 압력실(421∼424)의 유체로(31, 33, 34, 35)상에 배치된 레귤레이터(R2∼R5)에 의해 각각의 압력실에 공급되는 가압유체의 압력을 조정할 수 있다. 이에 의하여 각 압력실(421∼424) 내부의 압력을 각각 독립으로 제어하는 또는 대기압이나 진공으로 할 수 있게 되어 있다. 이와 같이 레귤레이터(R2∼R5)에 의해 각 압력실(421∼424) 내부의 압력을 독립으로 가변으로 함으로써 반도체웨이퍼(W)를 연마패드(101)에 가압하는 가압력을 반도체웨이퍼(W)의 부분마다 조정할 수 있다.
이 경우에 있어서, 각 압력실(422∼424)에 공급되는 가압유체나 대기압의 온도를 각각 제어하는 것으로 하여도 좋다. 이와 같이 하면, 반도체웨이퍼 등의 연마대상물의 피연마면의 뒤쪽으로부터 연마대상물의 온도를 직접 제어할 수 있다. 특히 각 압력실의 온도를 독립으로 제어하는 것으로 하면 CMP에 있어서의 화학적 연마의 화학반응속도를 제어하는 것이 가능해진다.
여기서 시일링(404)의 바깥 둘레면과 리테이너링(3) 사이에는, 약간의 간극 (G)이 있기 때문에 홀더링(405)과 척킹플레이트(406) 및 척킹플레이트(406)에 설치된 시일링(404) 등의 부재는, 톱링 본체(2) 및 리테이너링(3)에 대하여 상하방향으로 이동 가능하여 플로팅하는 구조로 되어 있다. 홀더링(405)의 스토퍼부(405b)에는 그 바깥 둘레 가장자리부로부터 바깥쪽으로 돌출하는 돌기(405c)가 복수부분에 설치되어 있고, 이 돌기(405c)가 리테이너링(3)의 안쪽으로 돌출되어 있는 부분의 상면에 걸어맞춰짐으로써 상기 홀더링(405) 등의 부재의 아래쪽으로의 이동이 소정의 위치까지 제한된다.
예를 들면 척킹플레이트를 PPS(폴리페닐렌설파이드)로 형성한 경우, 압력실 (421)의 압력이 척킹플레이트(406) 하부의 압력실(422∼424)의 압력보다 높으면 척킹플레이트가 휘어져 흡착부(440)가 반도체웨이퍼(W)를 가압하게 되고, 이 부분의 연마율이 국소적으로 높아져 버린다. 따라서 본 실시형태에 있어서의 척킹플레이트(406)는 PPS보다도 강성이 높고 경량의 재질, 예를 들면 에폭시계 수지, 보다 바람직하게는 유리섬유 등에 의한 섬유 강화물에 의해 형성하고 있다. 이와 같이 척킹플레이트(406)를 강성이 높은 재질로 형성함으로써 압력실(421)의 압력이 척킹플레이트(406) 하부의 압력실(422∼424)의 압력보다 높아도 척킹플레이트(406)가 휘어지기 어렵게 되어 국소적으로 연마율이 높아져 버리는 것을 방지할 수 있다. 특히 에폭시계 수지는 자성을 가지지 않기 때문에, 연마해야 할 반도체웨이퍼가 톱링에 유지된 상태에서 와전류를 사용한 막 두께 측정방법으로 그 표면에 형성된 박막의 막 두께를 측정하는 경우 등에 있어서 적합한 재료이다. 또 에폭시계 수지에 한정되지 않고, 예를 들면 에폭시계 이외의 고강성의 수지나 그 섬유 강화물, 세라믹스 등을 사용하여도 효과적이다.
다음에 이와 같이 구성된 톱링(1)의 작용에 대하여 상세하게 설명한다.
상기 구성의 폴리싱장치에 있어서, 반도체웨이퍼(W)의 반송시에는 톱링(1)의 전체를 반도체웨이퍼의 이송위치로 위치시키고, 흡착부(440)의 연통구멍(440a)을 유체로(35)를 거쳐 압축공기원(120)에 접속된다. 이 연통구멍(440a)의 흡인작용에 의해 흡착부(440)의 하단면에 반도체웨이퍼(W)가 진공흡착된다. 그리고 반도체웨이퍼(W)를 흡착한 상태에서 톱링(1)을 이동시켜 톱링(1)의 전체를 연마면[연마패드(101)]을 가지는 연마 테이블(100)의 위쪽에 위치시킨다. 또한 반도체웨이퍼(W)의 바깥 둘레 가장자리는 리테이너링(3)에 의해 유지되어 반도체웨이퍼(W)가 톱링(1)으로부터 튀어 나가지 않게 되어 있다.
연마시에는 흡착부(440)에 의한 반도체웨이퍼(W)의 흡착을 해제하여 톱링(1)의 하면에 반도체웨이퍼(W)를 유지시킴과 동시에, 톱링 구동축(11)에 연결된 톱링용 에어실린더(111)를 작동시켜 톱링(1)의 하단에 고정된 리테이너링(3)을 소정의 가압력으로 연마 테이블(100)의 연마면에 가압한다. 이 상태에서 압력실(422, 423, 424)에 각각 소정의 압력의 가압유체를 공급하여 반도체웨이퍼(W)를 연마테이블(100)의 연마면에 가압한다. 그리고 미리 연마액 공급노즐(102)로부터 연마액(Q)을 흘림으로써 연마패드(101)에 연마액(Q)이 유지되어 반도체웨이퍼(W)의 연마되는 면(하면)과 연마패드(101) 사이에 연마액(Q)이 존재하는 상태에서 연마가 행하여진다.
여기서, 반도체웨이퍼(W)의 압력실(423 및 424)의 아래쪽에 위치하는 부분은, 각각 압력실(423, 424)에 공급되는 가압유체의 압력으로 연마면에 가압된다. 또 반도체웨이퍼(W)의 압력실(422)의 아래쪽에 위치하는 부분은 링 튜브(409)의 탄성막(491)을 거쳐, 압력실(422)에 공급되는 가압유체의 압력으로 연마면에 가압된다. 따라서 반도체웨이퍼(W)에 가해지는 연마압력은 각 압력실(422∼424)에 공급되는 가압유체의 압력을 각각 제어함으로써 반도체웨이퍼(W)의 부분마다 조정할 수 있다. 즉, 레귤레이터(R3∼R5)에 의해 각 압력실(422∼424)에 공급되는 가압유체의 압력을 각각 독립으로 조정하여 반도체웨이퍼(W)를 연마 테이블(100)상의 연마패드(101)에 가압하는 가압력을 반도체웨이퍼(W)의 부분마다 조정하고 있다. 이와 같이 반도체웨이퍼(W)의 부분마다 연마압력이 원하는 값으로 조정된 상태에서 회전하고 있는 연마 테이블(100)의 상면의 연마패드(101)에 반도체웨이퍼(W)가 가압된다. 마찬가지로 레귤레이터(R1)에 의해 톱링용 에어실린더(111)에 공급되는 가압유체의 압력을 조정하여 리테이너링(3)이 연마패드(101)를 가압하는 가압력을 변경할 수 있다. 이와 같이 연마 중에 리테이너링(3)이 연마패드(101)를 가압하는 가압력과 반도체웨이퍼(W)를 연마패드(101)에 가압하는 가압력을 적절하게 조정함으로써, 반도체웨이퍼(W)의 중심부(도 14의 C1), 중간부(C2), 둘레 가장자리부(C3), 또한 반도체웨이퍼(W)의 바깥쪽에 있는 리테이너링(3)의 바깥 둘레부까지의 각 부분에 있어서의 연마압력의 분포를 원하는 분포로 할 수 있다.
이와 같이 반도체웨이퍼(W)를 동심의 3개의 원 및 둥근고리부분(C1∼C3)으로 구분하여 각각의 부분을 독립된 가압력으로 가압할 수 있다. 연마율은 반도체웨이 퍼(W)의 연마면에 대한 가압력에 의존하나, 상기한 바와 같이 각 부분의 가압력을 제어할 수 있기 때문에, 반도체웨이퍼(W)의 3개의 부분(C1∼C3)의 연마율을 독립으로 제어하는 것이 가능해진다. 따라서 반도체웨이퍼(W) 표면의 연마해야 할 박막의 막 두께에 반경방향의 분포가 있어도 반도체웨이퍼 전면에 걸쳐 연마의 부족이나 과연마를 없앨 수 있다. 즉, 반도체웨이퍼(W) 표면의 연마해야 할 박막이 반도체웨이퍼(W)의 반경방향의 위치에 따라 막 두께가 다른 경우에도 상기 각 압력실(422∼424) 중, 반도체웨이퍼(W) 표면의 막 두께가 두꺼운 부분의 위쪽에 위치하는 압력실의 압력을 다른 압력실의 압력보다도 높게 함으로써, 또는 반도체웨이퍼(W) 표면의 막 두께가 얇은 부분의 위쪽에 위치하는 압력실의 압력을 다른 압력실의 압력보다도 낮게 함으로써 막 두께가 두꺼운 부분의 연마면에 대한 가압력을 막 두께가 얇은 부분의 연마면에 대한 가압력보다 크게 하는 것이 가능해져 그 부분의 연마율을 선택적으로 높일 수 있다. 이에 의하여 성막시의 막 두께 분포에 의존하지 않고 반도체웨이퍼(W)의 전면에 걸쳐 과부족이 없는 연마가 가능해진다.
반도체웨이퍼(W)의 둘레 가장자리부에 일어나는 가장자리 처짐은 리테이너링 (3)의 가압력을 제어함으로써 방지할 수 있다. 또 반도체웨이퍼(W)의 둘레 가장자리부에 있어서 연마해야 할 박막의 막 두께에 큰 변화가 있는 경우에는 리테이너링(3)의 가압력을 의도적으로 크게, 또는 작게 함으로써 반도체웨이퍼(W)의 둘레 가장자리부의 연마율을 제어할 수 있다. 또한 상기 각 압력실(422∼424)에 가압유체를 공급하면 척킹플레이트(406)는 상방향의 힘을 받기 때문에, 본 실시형태에서는 압력실(421)에는 유체로(31)를 거쳐 압력유체를 공급하고, 각 압력실(422∼424) 로부터의 힘에 의해 척킹플레이트(406)가 위쪽으로 들어 올려지는 것을 방지하고 있다.
상기한 바와 같이 하여 톱링용 에어실린더(111)에 의한 리테이너링(3)의 연마패드(101)에 대한 가압력과, 각 압력실(422∼424)에 공급하는 가압공기에 의한 반도체웨이퍼(W) 부분마다의 연마패드(101)에 대한 가압력을 적절하게 조정하여 반도체웨이퍼(W)의 연마가 행하여진다. 그리고 연마가 종료하였을 때는, 반도체웨이퍼(W)를 흡착부(440)의 하단면에 다시 진공 흡착한다. 이때 반도체웨이퍼(W)를 연마면에 대하여 가압하는 각 압력실(422∼424)에 대한 가압유체의 공급을 정지하고, 대기압으로 개방함으로써 흡착부(440)의 하단면을 반도체웨이퍼(W)에 맞닿게 한다. 또 압력실(421) 내의 압력을 대기압으로 개방하거나, 또는 음압으로 한다. 이것은 압력실(421)의 압력을 높은 채로 하여 두면, 반도체웨이퍼(W)의 흡착부(440)에 맞닿아 있는 부분만이 연마면에 강하게 가압되게 되기 때문이다.
상기한 바와 같이 반도체웨이퍼(W)를 흡착시킨 후, 톱링(1)의 전체를 반도체웨이퍼의 이송위치로 위치시키고, 흡착부(440)의 연통구멍(440a)으로부터 반도체웨이퍼(W)에 유체(예를 들면, 압축공기 또는 질소와 순수를 혼합한 것)를 분사하여 반도체웨이퍼(W)를 릴리스한다.
그런데 시일링(404)의 바깥 둘레면과 리테이너링(3) 사이의 약간의 간극(G)에는 연마에 사용되는 연마액(Q)이 침입하여 오나, 이 연마액(Q)이 고착되면 홀더링(405), 척킹플레이트(406) 및 시일링(404) 등의 부재의 톱링 본체(2) 및 리테이너링(3)에 대한 원활한 상하이동이 방해된다. 그 때문에 유체로(32)를 거쳐 세정 액로(451)에 세정액(순수)을 공급한다. 이에 의하여 복수의 연통구멍(453)으로부터 간극(G)의 위쪽에 순수가 공급되고, 순수가 간극(G)을 씻어 내 상기한 연마액(Q)의 고착이 방지된다. 이 순수의 공급은 연마후의 반도체웨이퍼가 릴리스되고, 다음에 연마되는 반도체웨이퍼가 흡착되기까지의 사이에 행하여지는 것이 바람직하다. 또 다음 연마까지 공급된 순수가 모두 외부로 배출되도록 리테이너링(3)에는 도 13에 나타내는 바와 같은 복수의 관통구멍(3a)을 설치하는 것이 바람직하다. 또한 리테이너링(3), 홀더링(405) 및 가압 시트(407)에 의해 형성되는 공간(425) 내에 압력이 가득 차 있으면 척킹플레이트(406)의 상승을 방해하게 되기 때문에, 원활하게 척킹플레이트(406)를 상승시키기 위해서도 상기 관통구멍(3a)을 설치하여 공간(425)을 대기와 동압으로 하는 것이 바람직하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시형태의 기판유지장치에 의하면, 압력실(422, 423, 424)의 압력을 독립으로 제어함으로써 반도체웨이퍼에 대한 가압력을 제어할 수 있다.
여기서 제 2 실시형태의 기판유지장치에 있어서의 링 튜브(409)에 대하여 보다 상세하게 설명한다.
도 15는 도 13에 나타내는 링 튜브(409)를 나타내는 종단면도이다. 본 실시형태에 있어서의 링 튜브(409)의 탄성막(491)은 도 15에 나타내는 바와 같이 바깥쪽으로 돌출한 칼라(491a)를 가지는 맞닿음부(491b)와, 상기 링 튜브 홀더(492)를 거쳐 척킹플레이트(406)에 접속되는 접속부(491c)를 가지고 있다. 칼라(491a)의 기초부(491d)로부터 위쪽을 향하여 상기 접속부(491c)가 연장되어 있다. 또 맞닿 음부(491b)의 하면은 반도체웨이퍼(W)의 상면에 맞닿음게 되어 있다. 이들 칼라(491a), 맞닿음부(491b), 접속부(491c)는 동일한 재료로 일체로 형성되어 있다.
상기한 바와 같이 반도체웨이퍼를 연마할 때, 압력실(422) 및 링 튜브(409)를 둘러 싸는 압력실(423, 424)에는 가압유체가 공급된다. 이에 의하여 칼라(491a)는 각각 압력실(423, 424)에 공급되는 가압유체에 의해 반도체웨이퍼(W)에 밀착된다. 이 때문에 링 튜브(409) 내부의 압력실(422)에 공급되는 가압유체의 압력보다도 그 주위의 압력실(423 또는 424)에 공급되는 가압유체의 압력쪽이 매우 높은 경우에도 링 튜브(409)의 아래쪽으로 주위의 압력이 높은 가압유체가 흘러 드는 일이 없다. 따라서 상기 칼라(491a)를 설치함으로써 각 압력실의 압력제어의 폭을 크게 할 수 있어 반도체웨이퍼의 가압을 보다 안정적으로 행하는 것이 가능하게 되어 있다.
또, 링 튜브(409)의 맞닿음부(491b)의 중앙부에는 개구(491e)가 복수부분에 형성되어 있고, 이 개구(491e)를 거쳐 압력실(422)에 공급되는 가압유체가 반도체웨이퍼(W)의 상면에 직접 접촉하게 된다. 연마 중은 압력실(422)에 가압유체가 공급되기 때문에, 이 가압유체에 의해 링 튜브(409)의 맞닿음부(491b)가 반도체웨이퍼(W)의 상면에 가압된다. 따라서 이러한 개구(491e)가 형성되어 있는 경우에도 압력실(422) 내부의 가압유체가 외부로 누설되는 일은 거의 없다. 또 반도체웨이퍼(W)의 릴리스시에 있어서는 상기 개구(491e)를 거쳐 반도체웨이퍼(W)에 가압유체에 의한 하방향의 압력을 가할 수 있기 때문에, 반도체웨이퍼(W)의 릴리스가 보다 원활해진다.
또한 상기한 바와 같이 압력실(422)에 공급되는 가압유체의 온도를 제어하여피연마면의 뒤쪽으로부터 반도체웨이퍼(W)의 온도를 제어하는 경우에 있어서는, 이와 같은 개구(491e)를 링 튜브(409)의 맞닿음부(491b)에 형성함으로써, 온도제어된 가압유체가 반도체웨이퍼(W)에 접촉하는 면적을 늘릴 수 있기 때문에, 반도체웨이퍼(W)의 온도제어성을 향상시킬 수 있다. 또 연마종료후, 반도체웨이퍼(W)를 릴리스할 때에는 상기 개구(491e)를 거쳐 압력실(422)이 각각 외기에 개방되게 되기 때문에, 압력실(422)에 공급된 유체 등이 그 내부에 가득차는 일이 없다. 따라서 연속하여 반도체웨이퍼(W)를 연마하는 경우에 있어서도 온도제어의 안정성을 유지할 수 있다.
도 15에 나타내는 바와 같이, 척킹플레이트(406)에는 링 튜브(409)의 칼라 (491a)를 지지하는 지지부(406a)가 설치되어 있다. 이와 같은 지지부(406a)를 설치하지 않은 경우, 링 튜브(409)를 둘러 싸는 압력실(423, 424)에 가압유체가 공급되었을 때에 칼라(491a)가 변형되어 도 16에 나타내는 바와 같이 척킹플레이트(406)의 하면에 붙는 경우가 있다. 이와 같은 상태에서는 압력실(422∼424)의 압력제어를 적절하게 할 수 없기 때문에, 본 실시형태에서는 상기한 바와 같이 척킹플레이트(406)에 링 튜브(409)의 칼라(491a)를 지지하는 지지부(406a)를 설치함으로써, 칼라(491a)가 척킹플레이트(406)의 하면에 붙는 것을 방지하여 각 압력실(422∼424)의 압력의 안정화를 도모하고 있다. 이 경우에 있어서 지지부의 지름방향 길이를 칼라(491a)의 지름방향 길이보다도 길게 하면, 보다 확실하게 칼라(491a)를 지지할 수 있다.
이 경우에 있어서, 링 튜브(409)의 칼라(491a)는 척킹플레이트(406)의 지지부(406a)에 접촉하게 되나, 칼라(491a)의 반도체웨이퍼(W)에 대한 밀착성을 높이기 위하여 압력실(423, 424)에 공급되는 가압유체에 의하여 칼라(491a)를 가압할 필요가 있다. 따라서 본 실시형태에서는 도 17에 나타내는 바와 같이, 척킹플레이트(406)의 지지부(406d)에 유체도입홈(406b)을 형성하여 압력실(423, 424)에 공급되는 가압유체에 의하여 칼라(491a)를 안정적으로 가압하여 칼라(491a)와 반도체웨이퍼(W)의 밀착성을 높이고 있다.
또 시일링(404)에 대해서도 마찬가지로 압력실(424)에 공급되는 가압유체에 의해 도 18에 나타내는 바와 같이 시일링(404)이 척킹플레이트(406)의 바깥 둘레 가장자리부에 붙는 것을 생각할 수 있으므로 본 실시형태에서는 도 19에 나타내는 바와 같이 척킹플레이트(406)의 바깥 둘레 가장자리부에 시일링(404)를 지지하는 지지부(406c)를 설치하고 있다. 이 경우에 있어서 상기한 지지부(406a)와 마찬가지로 지지부(406c)에도 유체도입홈을 설치하여 압력실(424)에 공급되는 가압유체에 의해 시일링(404)을 안정적으로 가압하여 시일링(404)과 반도체웨이퍼(W)의 밀착성을 높일 수도 있다. 또 이 홈은 반도체웨이퍼의 가장 바깥 둘레까지 가압유체를 유도할 수 있기 때문에, 웨이퍼 바깥 둘레부에서의 균일한 가압력이 실현된다.
리테이너링(3)을 연마패드(101)에 가압하면 리테이너링(3) 근방의 연마패드 (101)가 솟아 오르기(리바운드한다)때문에 반도체웨이퍼(W)의 바깥 둘레부의 연마율이 국소적으로 높아지는 경우가 있다. 본 실시형태에서는 상기한 척킹플레이트(406)의 지지부(406c)의 지름방향 길이(d)를 짧게 함으로써 이러한 반도체웨이 퍼(W)의 바깥 둘레부에 있어서의 과연마를 억제하는 것이 가능하게 되었다. 또 리바운드의 영향이 적은 경우는 길이(d)를 작게 함으로써 가압력을 집중시키거나, 길이(d)를 크게 함으로써 가압력을 분산시키거나 하여 연마율을 변화시킬 수 있다. 구체적으로는 1 mm∼7 mm의 범위에서 변화시킴으로써 원하는 연마율이 얻어진다.
상기한 제 2 실시형태의 기판유지장치에서는 유체로(31, 33, 34, 35)를 각각 별개로 설치하였으나, 이들 유체로를 통합하거나, 각 압력실끼리를 연통시키는 등, 반도체웨이퍼(W)에 가해야 할 가압력의 크기나 가하는 위치에 따라 자유롭게 개변하는 것이 가능하다. 또 상기한 실시형태에 있어서는 링 튜브(409)가 직접 반도체웨이퍼(W)에 접촉하는 예를 설명하였으나, 이것에 한정되는 것이 아니라, 예를 들면 링 튜브(409)와 반도체웨이퍼(W) 사이에 탄성패드를 개재시켜 링 튜브(409)가 간접적으로 반도체웨이퍼(W)에 접촉하게 하여도 좋다.
또, 도 13 내지 도 19에 나타내는 제 2 실시형태에 있어서는 연마패드에 의하여 연마면이 형성되는 것으로 하였으나, 이것에 한정되는 것이 아니다. 도 2 내지 도 12에 나타내는 제 1 실시형태에서 설명한 바와 같이, 고정 숫돌입자에 의해 연마면을 형성하여도 좋다.
상기한 바와 같이 본 발명의 제 2 실시형태에 의하면, 기판에 가하는 압력을 독립으로 제어하여 막 두께가 두꺼운 부분의 연마면에 대한 가압력을 막 두께가 얇은 부분의 연마면에 대한 가압력보다 크게 하는 것이 가능해지기 때문에, 그 부분의 연마율을 선택적으로 높일 수 있다. 이에 의하여 성막시의 막 두께 분포에 의존하지 않고 기판의 전면에 걸쳐 과부족이 없는 연마가 가능해진다. 또한 상하 이 동부재를 강성이 높고 경량의 재질, 예를 들면 에폭시계 수지에 의해 형성함으로써 상하 이동부재가 휘어지기 어렵게 되어 국소적으로 연마율이 높아져 버리는 것을 방지할 수 있다. 또 상하 이동부재로서 자성을 가지지 않은 재료를 선택하면, 연마해야 할 반도체웨이퍼가 톱링에 유지된 상태에서 와전류를 사용한 막 두께 측정방법으로 그 표면에 형성된 박막의 막 두께를 측정하는 경우 등에 있어서 적합하다.
다음에 본 발명에 관한 기판유지장치의 제 3 실시형태에 대하여 설명한다. 도 20은 제 3 실시형태에 있어서의 톱링(1)을 나타내는 종단면도이다. 도 20에 나타내는 바와 같이 기판유지장치를 구성하는 톱링(1)은 내부에 수용공간을 가지는 원통용기형상의 톱링 본체(2)와, 톱링 본체(2)의 하단에 고정된 리테이너링(3)을 구비하고 있다. 톱링 본체(2)는 금속이나 세라믹스 등의 강도 및 강성이 높은 재료로 형성되어 있다. 또 리테이너링(3)은 강성이 높은 수지재 또는 세라믹스 등으로 형성되어 있다.
톱링 본체(2)는 원통용기형상의 하우징부(2a)와, 하우징부(2a)의 원통부의 안쪽에 끼워 맞춰지는 고리형상의 가압시트 지지부(2b)와, 하우징부(2a) 상면의 바깥 둘레 가장자리부에 끼워 맞춰진 고리형상의 시일부(2c)를 구비하고 있다. 톱링 본체(2)의 하우징부(2a)의 하단에는 리테이너링(3)이 고정되어 있다. 이 리테이너링(3)의 하부는 안쪽으로 돌출되어 있다. 또한 리테이너링(3)을 톱링 본체(2)와 일체적으로 형성하는 것으로 하여도 좋다.
톱링 본체(2)의 하우징부(2a)의 중앙부의 위쪽에는 상기한 톱링 구동축(11) 이 배치되어 있고, 톱링 본체(2)와 톱링 구동축(11)은 자재 이음부(10)에 의해 연결되어 있다. 이 자재 이음부(10)는 톱링 본체(2) 및 톱링 구동축(11)을 서로 경사이동 가능하게 하는 구면 베어링기구와, 톱링 구동축(11)의 회전을 톱링 본체(2)에 전달하는 회전 전달기구를 구비하고 있고, 톱링 구동축(11)으로부터 톱링 본체(2)에 대하여 서로의 경사이동을 허용하면서 가압력 및 회전력을 전달한다.
톱링 본체(2) 및 톱링 본체(2)에 일체로 고정된 리테이너링(3)의 내부에 구획 형성된 공간 내에는 톱링(1)에 의해 유지되는 반도체웨이퍼(W)의 바깥 둘레 가장자리부에 맞닿는 에지백(504)과, 고리형상의 홀더링(505)과, 톱링 본체(2) 내부의 수용공간 내에서 상하이동 가능한 개략 원반형상의 척킹플레이트(506)와, 에지백(504)의 지름방향 안쪽에서 반도체웨이퍼(W)와 맞닿는 토오크 전달부재(507)가 수용되어 있다.
또한 척킹플레이트(506)는 금속재료로 형성되어 있어도 좋으나, 연마해야 할 반도체웨이퍼가 톱링에 유지된 상태에서 와전류를 사용한 막 두께 측정방법으로 그 표면에 형성된 박막의 막 두께를 측정하는 경우 등에 있어서는 자성을 가지지 않은 재료, 예를 들면 불소계 수지나 세라믹스 등의 절연성의 재료로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
홀더링(505)과 톱링 본체(2) 사이에는 탄성막으로 이루어지는 가압시트(508)가 설치되어 있다. 이 가압시트(508)는 한쪽 끝을 톱링 본체(2)의 하우징부(2a)와 가압시트 지지부(2b) 사이에 끼워 넣고, 다른쪽 끝을 홀더링(505)의 상단부(505a)와 스토퍼부(505b) 사이에 끼워 넣어 고정되어 있다. 톱링 본체(2), 척킹 플레이 트 (506), 홀더링(505) 및 가압시트(508)에 의해 톱링 본체(2)의 내부에 압력실 (521)이 형성되어 있다. 도 20에 나타내는 바와 같이 압력실(521)에는 튜브, 커넥터 등으로 이루어지는 유체로(31)가 연통되어 있고, 압력실(521)은 유체로(31)상에 배치된 레귤레이터(R2)를 거쳐 압축공기원(l20)에 접속되어 있다. 또한 가압시트(508)는 에틸렌 프로필렌고무(EPDM), 폴리우레탄고무, 실리콘고무 등의 강도 및 내구성이 뛰어난 고무재에 의하여 형성되어 있다.
톱링 본체(2)의 시일부(32c)가 끼워 맞춰지는 하우징부(2a) 상면의 바깥 둘레 가장자리 부근에는 고리형상의 홈으로 이루어지는 세정유로(551)가 형성되어 있고, 이 세정유로(551)는 시일부(2c)의 관통구멍을 거쳐 유체로(32)에 연통되어 있고, 이 유체로(32)를 거쳐 세정액(순수)이 공급된다. 또 세정액로(551)로부터 연장되어 하우징부(2a), 가압시트 지지부(2b)를 관통하는 연통구멍(553)이 복수부분 설치되어 있고, 이 연통구멍(553)은 에지백(504)의 바깥 둘레면과 리테이너링(3) 사이의 약간의 간극(G)으로 연통되어 있다.
도 21은 도 20의 에지백(504)를 나타내는 부분 단면도이다. 도 21에 나타내는 바와 같이 에지백(504)은 그 바깥 둘레측이 홀더링(505)의 스토퍼부(505b)와 홀더링(505)의 하부에 배치된 에지백 홀더(506a)와의 사이에 끼워 넣어져 있고, 그 안 둘레측이 에지백 홀더(506a)와 척킹플레이트 본체(506b)와의 사이에 끼워 넣어져 고정되어 있다. 이 에지백(504)의 하단면은 연마대상물인 반도체웨이퍼(W)의 바깥 둘레 가장자리부에 접한다. 에지백(504)은 탄성막에 의해 구성되어 있고, 에틸렌프로필렌고무(EPDM), 폴리우레탄고무, 실리콘고무 등의 강도 및 내구성이 뛰어 난 고무재에 의해 형성되어 있다.
에지백(504)의 하면은 반도체웨이퍼(W)의 바깥 둘레 가장자리부에 맞닿으나, 이 하면에는 반경방향 안쪽으로 돌출한 칼라(541)가 설치되어 있다. 또 에지백(504)의 내부에는 상기한 탄성막에 의해(제 1 )압력실(522)이 형성되어 있다. 이 압력실(522)에는 튜브, 커넥터 등으로 이루어지는 유체로(33)가 연통되어 있고, 압력실(522)은 이 유체로(33)상에 배치된 레귤레이터(R3)를 거쳐 압축공기원(120)에 접속되어 있다.
연마시 톱링(1)의 회전에 따라 반도체웨이퍼(W)도 회전하나, 상기한 에지백 (504)만으로는 반도체웨이퍼(W)와의 접촉면적이 작아 회전 토오크를 전달할 수 없을 염려가 있다. 이 때문에 반도체웨이퍼(W)에 맞닿아 반도체웨이퍼(W)에 충분한 토오크를 전달하는 토오크전달부재(507)가 척킹플레이트(506)에 고정되어 있다. 이 토오크전달부재(507)는 고리형상의 백형상을 하고 있고, 반도체웨이퍼(W)에 충분한 토오크를 전달할 만큼의 접촉면적을 가지고 반도체웨이퍼(W)와 접촉한다.
도 22는 도 20의 토오크 전달부재(507)를 나타내는 부분단면도이다. 도 22에 나타내는 바와 같이 토오크 전달부재(507)는 반도체웨이퍼(W)의 상면에 맞닿는 탄성막(57)1과, 탄성막(571)을 착탈 가능하게 유지하는 토오크 전달부재 홀더(572)로 구성되어 있고, 이들 탄성막(571)과 토오크 전달부재 홀더(572)에 의해 토오크 전달부재(507)의 내부에 공간(560)이 형성되어 있다. 토오크 전달부재(507)의 탄성막(571)은 에지백(504)과 마찬가지로 에틸렌프로필렌고무(EPDM), 폴리우레탄고무, 실리콘고무 등의 강도 및 내구성이 뛰어난 고무재에 의하여 형성되어 있다.
토오크 전달부재(507)의 탄성막(571)은, 도 22에 나타내는 바와 같이 바깥쪽으로 돌출한 칼라(571a)를 가지는 맞닿음부(571b)와, 상기 토오크 전달부재 홀더 (572)를 거쳐 척킹플레이트(506)에 접속되는 접속부(571c)를 구비하고 있다. 그리고 칼라(571a)의 기초부(571d)로부터 위쪽을 향하여 상기 접속부(571c)가 연장되어 있다. 또 맞닿음부(571b)의 하면은 반도체웨이퍼(W)의 상면에 맞닿음게 되어 있다. 접속부(571c)에는 안 둘레측 및 바깥 둘레측의 양쪽에 복수의 연통구멍(573)이 형성되어 있고, 토오크 전달부재(507)의 내부공간(560)과 외부공간(561, 562)이 연통되어 있다.
연직방향으로 연장되는 2개의 접속부(571c)를 비교적 가까운 거리에 나란히 배치함으로써 접속부(571c)가 토오크를 전달하는 데 충분한 강도를 가지게 할 수 있다. 또 칼라(571a)를 설치함으로써 반도체웨이퍼(W)와의 접촉면적을 충분히 확보할 수 있다.
척킹플레이트(506)와 반도체웨이퍼(W)의 사이에 형성되는 공간은 복수의 공간, 즉 에지백(504)의 지름방향 안쪽의 압력실(522), 상기한 토오크 전달부재(507)의 내부 공간(560), 에지백(504)과 토오크 전달부재(507) 사이의 공간(561), 토오크 전달부재(507)의 지름방향 안쪽의 공간(562)으로 구획할 수 있다. 상기한 바와 같이 토오크 전달부재(507)의 접속부(571c)에는 연통구멍(573)이 설치되어 있기 때문에, 공간 (561), 공간(560), 공간(562)은 이 연통구멍(573)을 거쳐 서로 연통되어 에지백(504)의 지름방향 안쪽에(제 2)압력실(523)이 형성된다.
토오크 전달부재(507) 내의 공간(560)에는 튜브, 커넥터 등으로 이루어지는 유체로(34)가 연통되어 있고, 공간(560)은 이 유체로(34)상에 배치된 레귤레이터(R4)를 거쳐 압축공기원(120)에 접속되어 있다. 또 에지백(504)과 토오크 전달부재(507)사이의 공간(561)은 튜브, 커넥터 등으로 이루어지는 유체로(35)가 연통되어 있고, 공간(560)은 이 유체로(35)상에 배치된 레귤레이터(R5)를 거쳐 압축공기원(120)에 접속되어 있다. 또한 토오크 전달부재(507)의 지름방향 안쪽의 공간(562)은 튜브, 커넥터 등으로 이루어지는 유체로(36)에 연통되어 있고, 공간(562)은 유체로(36)상에 배치된 레귤레이터(도시 생략)를 거쳐 압축공기원(120)에 접속되어 있다. 또한 상기 압력실(521∼523)은 톱링샤프트(110)의 상단부에 설치된 로터리조인트(도시 생략)를 거쳐 각 레귤레이터에 접속된다.
상기한 바와 같이 공간(561), 공간(560), 공간(562)은 서로 연통되어 있기 때문에, 이와 같이 복수의 유체로를 설치하지 않아도 하나의 유체로로부터의 가압유체의 공급에 의해 압력실(523)의 압력을 균일하게 유지할 수는 있으나, 압력실(523)의 압력을 변화시켰을 때의 응답을 좋게 하기 위해서는 제 3 실시형태와 같이 복수의 유체로(34, 35, 36)를 설치하는 것이 바람직하다. 단, 레귤레이터는 반드시 각 유체로(34, 35, 36)마다 설치할 필요는 없고, 유체로(34, 35, 36)를 하나의 레귤레이터에 접속하여 압력제어를 행하여도 좋다.
반도체웨이퍼를 연마할 때, 압력실(522) 및 압력실(523)에는 각각 가압유체가 공급된다. 에지백(504)의 하단면에는 칼라(541)가 설치되어 있으나, 이 칼라(541)는 압력실(523)에 공급되는 가압유체에 의해 반도체웨이퍼(W)에 밀착된다. 이 때문에 압력실(523) 내의 가압유체가 에지백(504)의 하면으로 돌아 드는 일이 없다. 따라서 상기 칼라(541)을 설치함으로써 압력실(522) 및 압력실(523)의 압력을 변화시켰을 때에도 안정된 제어가 가능하게 된다. 여기서 에지백(504) 내의 압력실(522)을 형성하는 탄성막의 지름방향 폭(d)은 반도체웨이퍼(W)의 바깥 둘레 가장자리부의 연마율을 제어한다는 관점에서 1∼10 mm 정도인 것이 바람직하고, 본 실시형태에 있어서는 5 mm로 하고 있다.
상기한 척킹플레이트(506)의 위쪽의 압력실(521) 및 상기 압력실(522, 523)에는 각 압력실에 연통되는 유체로(31, 33, 34∼36)를 거쳐 가압공기 등의 가압유체를 공급하는 또는 대기압이나 진공으로 할 수 있게 되어 있다. 즉, 압력실(521∼523)의 유체로(31, 33, 34∼36)상에 배치된 레귤레이터에 의해 각각의 압력실에 공급되는 가압유체의 압력을 조정할 수 있다. 이에 의하여 각 압력실(521∼523) 내부의 압력을 각각 독립으로 제어하는 또는 대기압이나 진공으로 할 수 있게 되어 있다. 이와 같은 구성에 의하여 압력실(523)의 압력에 의해 반도체웨이퍼(W)의 바깥 둘레 가장자리부를 제외하는 전면을 균일한 힘으로 연마면에 가압함과 동시에, 압력실(522)의 압력을 압력실(523)의 압력과는 독립으로 제어할 수 있어, 반도체웨이퍼(W)의 바깥 둘레 가장자리부에 있어서의 연마속도의 제어, 즉 바깥 둘레 가장자리부에 있어서의 연마프로파일의 제어를 할 수 있다. 또한 리테이너링(3)의 가압력도 제어함으로써 보다 세밀한 제어가 가능하게 된다.
이 경우에 있어서 각 압력실(522, 523)에 공급되는 가압유체나 대기압의 온도를 각각 제어하는 것으로 하여도 좋다. 이와 같이 하면, 반도체웨이퍼 등의 연마대상물의 피연마면의 뒤쪽으로부터 연마대상물의 온도를 직접 제어할 수 있다. 특히, 각 압력실의 온도를 독립으로 제어하는 것으로 하면, CMP에 있어서의 화학적 연마의 화학반응속도를 제어하는 것이 가능해진다.
또 척킹플레이트(506)에는 아래쪽으로 돌출하는 흡착부(540)가 에지백(504)과 토오크 전달부재(507)의 사이에 설치되어 있고, 본 실시형태에 있어서는 4개의 흡착부(540)가 설치되어 있다. 이 흡착부(540)에는 튜브, 커넥터 등으로 이루어지는 유체로(37)에 연통되는 연통구멍(540a)이 형성되어 있고, 흡착부(540)는 이 유체로(37)상에 배치된 레귤레이터(도시 생략)를 거쳐 압축공기원(120)에 접속되어 있다. 이 압축공기원(120)에 의해 흡착부(540)의 연통구멍(540a)의 개구단에 음압을 형성하여 흡착부(540)에 반도체웨이퍼(W)를 흡착할 수 있다. 또한 흡착부(540)의 하단면에는 얇은 고무시트 등으로 이루어지는 탄성시트(540b)가 접착되어 있고, 흡착부(540)는 반도체웨이퍼(W)를 유연하게 흡착 유지하도록 되어 있다.
다음에 이와 같이 구성된 톱링(1)의 작용에 대하여 상세하게 설명한다.
상기 구성의 폴리싱장치에 있어서, 반도체웨이퍼(W)의 반송시에는 톱링(1)의 전체를 반도체웨이퍼의 이송위치에 위치시키고, 흡착부(540)의 연통구멍(540a)을 유체로(37)를 거쳐 압축공기원(120)에 접속한다. 이 연통구멍(540a)의 흡인작용에 의해 흡착부(540)의 하단면에 반도체웨이퍼(W)가 진공 흡착된다. 그리고 반도체웨이퍼(W)를 흡착한 상태에서 톱링(1)을 이동시키고, 톱링(1)의 전체를 연마면 [연마패드 (101)]을 가지는 연마테이블(100)의 위쪽에 위치시킨다. 또한 반도체웨이퍼(W)의 측단부는 리테이너링(3)에 의해 유지되어 반도체웨이퍼(W)가 톱링(1)으로부터 튀어 나가지 않게 되어 있다.
연마시에는 흡착부(540)에 의한 반도체웨이퍼(W)의 흡착을 해제하여 톱링(1)의 하면에 반도체웨이퍼(W)를 유지시킴과 동시에, 톱링 구동축(11)에 연결된 톱링용 에어실린더(111)를 작동시켜 톱링(1)의 하단에 고정된 리테이너링(3)을 소정의 가압력으로 연마테이블(100)의 연마면에 가압한다. 이 상태에서 압력실(522) 및 압력실(523)에 각각 소정 압력의 가압유체를 공급하여 반도체웨이퍼(W)를 연마테이블(100)의 연마면에 가압한다. 그리고 미리 연마액공급노즐(102)로부터 연마액(Q)을 흘림으로써 연마패드(101)에 연마액(Q)이 유지되어 반도체웨이퍼(W)의 연마되는 면(하면)과 연마패드(101) 사이에 연마액(Q)이 존재한 상태에서 연마가 행하여진다.
여기서 반도체웨이퍼(W)의 압력실(522) 및 압력실(523)의 아래쪽에 위치하는 부분은, 각각 압력실(522) 및 압력실(523)에 공급되는 가압유체의 압력으로 연마면에 가압된다. 따라서 반도체웨이퍼(W)에 가해지는 연마압력은 압력실(522) 및 압력실(523)에 공급되는 가압유체의 압력을 각각 제어함으로써 반도체웨이퍼(W)의 바깥 둘레 가장자리부를 제외하는 전면을 균일한 힘으로 연마면에 가압함과 동시에 반도체웨이퍼(W)의 바깥 둘레 가장자리부에 있어서의 연마율을 제어할 수 있어, 반도체웨이퍼(W)의 바깥 둘레 가장자리부에 있어서의 연마프로파일의 제어를 행할 수 있다. 또 마찬가지로 레귤레이터(R2)에 의해 압력실(521)에 공급되는 가압유체의 압력을 조정하여 리테이너링(3)이 연마패드(101)를 가압하는 가압력을 변경할 수 있다. 이와 같이 연마 중에 리테이너링(3)이 연마패드(101)를 가압하는 가압력과 반도체웨이퍼(W)를 연마패드(101)에 가압하는 가압력을 적절하게 조정함으로써 반도체웨이퍼(W)의 바깥 둘레 가장자리부에 있어서의 연마프로파일을 보다 세밀하게 제어할 수 있다. 또한 반도체웨이퍼(W)의 압력실(523)의 아래쪽에 위치하는 부분에는, 토오크 전달부재(507)의 맞닿음부(571b)를 거쳐 유체로부터 가압력이 가해지는 부분과, 가압유체의 압력 그 자체가 반도체웨이퍼(W)에 가해지는 부분이 있으나, 이들 부분에 가해지는 가압력은 동일압력이다.
상기한 바와 같이 하여 톱링용 에어실린더(111)에 의한 리테이너링(3)의 연마패드(101)에 대한 가압력과, 압력실(522) 및 압력실(523)에 공급하는 가압유체에 의한 반도체웨이퍼(W)의 연마패드(101)에 대한 가압력을 적절하게 조정하여 반도체웨이퍼(W)의 연마가 행하여진다. 그리고 연마가 종료하였을 때는 반도체웨이퍼(W)를 흡착부(540)의 하단면에 다시 진공 흡착한다. 이때 압력실(522) 및 압력실(523)에 대한 가압유체의 공급을 정지하고 대기압에 개방함으로써 흡착부(540)의 하단면을 반도체웨이퍼(W)에 맞닿게 한다. 또 압력실(521) 내의 압력을 대기압에 개방하거나, 또는 음압으로 한다. 이것은 압력실(521)의 압력을 높은 채로 하여 두면, 반도체웨이퍼(W)의 흡착부(540)에 맞닿아 있는 부분만이 연마면에 강하게 가압되게 되기 때문이다.
상기한 바와 같이 반도체웨이퍼(W)를 흡착시킨 후, 톱링(1)의 전체를 반도체웨이퍼의 이송위치에 위치시키고, 흡착부(540)의 연통구멍(540a)으로부터 반도체웨이퍼(W)에 유체(예를 들면, 압축공기 또는 질소와 순수를 혼합한 것)를 분사하여 반도체웨이퍼(W)를 릴리스한다.
그런데 에지백(504)의 바깥 둘레면과 리테이너링(3) 사이의 약간의 간극(G) 에는 연마에 사용되는 연마액(Q)이 침입하여 오나, 이 연마액(Q)이 고착되면 홀더링(505), 척킹플레이트(506) 및 에지백(504) 등의 부재의 톱링 본체(2) 및 리테이너 링(3)에 대한 원활한 상하이동이 방해된다. 그 때문에 유체로(32)를 거쳐 세정액로(551)에 세정액(순수)을 공급한다. 이에 의하여 복수의 연통구멍(553)으로부터 간극(G)의 위쪽에 순수가 공급되고, 순수가 간극(G)을 씻어 내 상기한 연마액(Q)의 고착이 방지된다. 이 순수의 공급은 연마후의 반도체웨이퍼가 릴리스되고, 다음에 연마되는 반도체웨이퍼가 흡착되기 까지의 사이에 행하여지는 것이 바람직하다.
상기한 제 3 실시형태에서는, 유체로(31, 33∼37)를 각각 별개로 설치하였으나, 이들 유체로를 통합하거나, 각 압력실끼리를 연통시키는 등, 반도체웨이퍼(W)에 가해야 될 가압력의 크기나 가하는 위치에 따라 자유롭게 개변하는 것이 가능하다.
또 도 20 내지 도 22에 나타내는 제 3 실시형태에 있어서는, 연마패드에 의해 연마면이 형성되는 것으로 하였으나, 이것에 한정되는 것이 아니다. 도 2 내지 도 12에 나타내는 제 1 실시형태에서 설명한 바와 같이, 고정 숫돌입자에 의해 연마면을 형성하여도 좋다.
상기한 바와 같이 본 발명의 제 3 실시형태에 의하면, 토오크 전달부재에 의해 기판에 충분한 토오크를 전달할 수 있고, 또 제 2 압력실의 압력에 의해 기판의 바깥 둘레 가장자리부를 제외하는 전면을 균일한 힘으로 연마면에 가압함과 동시에 제 1 압력실의 압력을 제 2 압력실의 압력과는 독립으로 제어할 수 있다. 따라서 기판의 바깥 둘레 가장자리부에 있어서의 연마율의 제어, 즉 바깥 둘레 가장자리부에 있어서의 연마프로파일의 제어가 가능해진다.
본 발명은, 반도체웨이퍼 등의 기판을 연마하여 평탄화하는 폴리싱장치에 있어서 상기 기판을 유지하는 기판유지장치 및 상기 기판유지장치를 구비한 폴리싱장치에 제공되는 탄성막 및 플렉시블 막에 적합하게 이용 가능하다.
도 1은 본 발명에 관한 기판유지장치를 구비한 폴리싱장치의 전체구성을 나타내는 단면도,
도 2는 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 기판유지장치를 나타내는 종단면도,
도 3은 도 2에 나타내는 기판유지장치의 저면도,
도 4는 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 기판유지장치에 있어서의 링튜브의 제 1 형태를 나타내는 종단면도,
도 5는 도 4에 나타내는 링튜브의 탄성막을 나타내는 종단면도,
도 6a 내지 도 6c는 링튜브의 탄성막의 변형상태를 나타내는 종단면도,
도 7은 본 발명의 기판유지장치에 있어서의 링튜브의 탄성막의 제 2 형태를 나타내는 종단면도,
도 8은 본 발명의 기판유지장치에 있어서의 링튜브의 탄성막의 제 3 형태를 나타내는 종단면도,
도 9는 본 발명의 기판유지장치에 있어서의 링튜브의 탄성막의 제 4 형태를 나타내는 종단면도,
도 10은 본 발명의 기판유지장치에 있어서의 링튜브의 탄성막의 제 5 형태를 나타내는 종단면도,
도 11은 본 발명의 기판유지장치에 있어서의 링튜브의 탄성막의 제 6 형태를 나타내는 종단면도,
도 12a 내지 도 12c는 본 발명의 기판유지장치에 있어서의 링튜브의 제 7 형 태를 나타내는 종단면도,
도 13은 본 발명의 제 2 실시형태에 관한 기판유지장치를 나타내는 종단면도,
도 14는 도 13에 나타내는 기판유지장치의 저면도,
도 15는 본 발명의 제 2 실시형태에 관한 기판유지장치에 있어서의 링튜브를 나타내는 종단면도,
도 16은 척킹플레이트에 지지부를 설치하고 있지 않은 경우의 링튜브의 상태를 나타내는 종단면도,
도 17은 도 15의 척킹플레이트의 지지부를 나타내는 부분사시도,
도 18은 척킹플레이트에 지지부를 설치하고 있지 않은 경우의 시일링의 상태를 나타내는 종단면도,
도 19는 도 15의 기판유지장치에 있어서의 시일링을 나타내는 종단면도,
도 20은 본 발명의 제 3 실시형태에 관한 기판유지장치를 나타내는 종단면도,
도 21은 도 20의 에지백을 나타내는 부분단면도,
도 22는 도 20의 토오크전달부재를 나타내는 부분단면도이다.

Claims (4)

  1. 내부에 수용공간을 가지는 톱링 본체와, 상기 톱링 본체의 수용공간 내에서 상하이동 가능한 상하 이동부재를 구비하고, 폴리싱대상물인 기판을 유지하여 연마면에 가압하는 기판유지장치에 제공되는 탄성막에 있어서,
    상기 탄성막은 상기 상하이동부재의 하면에 제공되고, 상기 기판에 직접적 또는 간접적으로 맞닿는 맞닿음부와, 상기 맞닿음부로부터 위쪽으로 연장되어 상기 상하이동부재에 접속되는 접속부를 구비하며,
    상기 접속부는 상기 맞닿음부보다도 신축성이 풍부한 재질로 형성되거나, 또는 상기 맞닿음부보다도 두께가 얇은 부분을 가지는 것을 특징으로 하는 탄성막.
  2. 반도체 기판에 맞닿는 플렉시블 막으로서,
    상기 플렉시블 막은 상기 반도체 기판에 직접적으로 맞닿는 맞닿음부와,
    상기 맞닿음부로부터 위쪽으로 연장되어 벽면을 형성하는 제1 고리형상 접속부와,
    상기 맞닿음부로부터 위쪽으로 연장되어 벽면을 형성하는 제2 고리형상 접속부를 구비하며,
    상기 제1 고리형상 접속부와 상기 제2 고리형상 접속부는 동심을 가지도록 배치되고,
    상기 제1 고리형상 접속부에 비해, 제2 고리형상 접속부는 지름방향 바깥쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 플렉시블 막.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 플렉시블 막이 탄성 재료로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 플렉시블 막.
  4. 폴리싱대상물인 기판을 유지하면서 연마면에 가압하는 기판유지장치에 제공되는 탄성막에 있어서,
    상기 탄성막은 상기 기판에 직접적 또는 간접적으로 맞닿는 맞닿음부와,
    상기 맞닿음부로부터 위쪽으로 연장되어 상기 기판유지장치에 접속되는 접속부를 구비하며,
    상기 접속부는 상기 맞닿음부보다도 신축성이 풍부한 재질로 형성되거나, 또는 상기 맞닿음부보다도 두께가 얇은 부분을 가지는 것을 특징으로 하는 탄성막.
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