KR101996747B1 - 탄성막, 기판 보유 지지 장치 및 연마 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 과제는, 웨이퍼 에지부의 좁은 영역에 있어서 연마 프로파일을 정밀하게 조정할 수 있는 탄성막을 제공하는 것이다.
탄성막(10)은, 기판에 맞닿아 기판을 연마 패드에 압박하는 맞닿음부와, 상기 맞닿음부의 주위 단부로부터 상방으로 연장되는 제1 에지 주위벽과, 제1 에지 주위벽에 접속된 제2 에지 주위벽과, 맞닿음부의 상면에 접속된 경사부를 갖는 제3 에지 주위벽을 구비하고 있다.

Description

탄성막, 기판 보유 지지 장치 및 연마 장치{ELASTIC MEMBRANE, SUBSTRATE HOLDING APPARATUS, AND POLISHING APPARATUS}
본 발명은 웨이퍼 등의 기판을 보유 지지하기 위한 기판 보유 지지 장치에 사용되는 탄성막에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 그러한 탄성막을 구비한 기판 보유 지지 장치 및 연마 장치에 관한 것이다.
최근, 반도체 디바이스의 고집적화·고밀도화에 수반하여, 회로의 배선이 점점 미세화되고, 다층 배선의 층수도 증가하고 있다. 회로의 미세화를 도모하면서 다층 배선을 실현하려고 하면, 하측의 층의 표면 요철을 답습하면서 단차가 보다 커지므로, 배선층수가 증가함에 따라, 박막 형성에 있어서의 단차 형상에 대한 막 피복성(스텝 커버리지)이 나빠진다. 따라서, 다층 배선하기 위해서는, 이 스텝 커버리지를 개선하고, 그에 적합한 과정에서 평탄화 처리해야 한다. 또한 광 리소그래피의 미세화와 함께 초점 심도가 얕아지므로, 반도체 디바이스의 표면의 요철 단차가 초점 심도 이하에 들어가도록 반도체 디바이스 표면을 평탄화 처리할 필요가 있다.
따라서, 반도체 디바이스의 제조 공정에 있어서는, 반도체 디바이스 표면의 평탄화가 점점 중요해지고 있다. 이 표면의 평탄화에 있어서 가장 중요한 기술은, 화학 기계 연마(CMP:Chemical Mechanical Polishing)이다. 이 화학 기계 연마는, 실리카(SiO2) 등의 지립을 포함한 연마액을 연마 패드의 연마면 상에 공급하면서 웨이퍼를 연마면에 미끄럼 접촉시켜 연마를 행하는 것이다.
CMP를 행하기 위한 연마 장치는, 연마 패드를 지지하는 연마 테이블과, 웨이퍼를 보유 지지하기 위한 톱 링 또는 연마 헤드 등이라고 칭해지는 기판 보유 지지 장치를 구비하고 있다. 이러한 연마 장치를 사용하여 웨이퍼의 연마를 행하는 경우에는, 기판 보유 지지 장치에 의해 웨이퍼를 보유 지지하면서, 이 웨이퍼를 연마 패드의 연마면에 대해 소정의 압력으로 압박한다. 이때, 연마 테이블과 기판 보유 지지 장치를 상대 운동시킴으로써 웨이퍼가 연마면에 미끄럼 접촉하고, 웨이퍼의 표면이 연마된다.
연마 중의 웨이퍼와 연마 패드의 연마면 사이의 상대적인 압박력이 웨이퍼의 전체면에 걸쳐 균일하지 않은 경우에는, 웨이퍼의 각 부분에 부여되는 압박력에 따라 연마 부족이나 과연마가 발생해 버린다. 따라서, 웨이퍼에 대한 압박력을 균일화하기 위해, 기판 보유 지지 장치의 하부에 탄성막으로 형성되는 압력실을 설치하고, 이 압력실에 공기 등의 유체를 공급함으로써 탄성막을 통해 유체압에 의해 웨이퍼를 압박하는 것이 행해지고 있다.
상기 연마 패드는 탄성을 가지므로, 연마 중의 웨이퍼의 에지부(주연부)에 가해지는 압박력이 불균일해져, 웨이퍼의 에지부만이 많이 연마되는, 소위 「에지 새깅」을 일으켜 버리는 경우가 있다. 이러한 에지 새깅을 방지하기 위해, 웨이퍼의 에지부를 보유 지지하는 리테이너 링을 톱 링 본체(또는 캐리어 헤드 본체)에 대해 상하 이동 가능하게 설치하고, 웨이퍼의 외주연측에 위치하는 연마 패드의 연마면을 리테이너 링으로 압박하도록 하고 있다.
일본 특허 출원 공개 제2013-111679호 공보
최근, 반도체 디바이스의 종류가 비약적으로 증대하고 있고, 디바이스마다나 CMP 공정마다(산화막 연마나 금속막 연마 등) 웨이퍼 에지부의 연마 프로파일을 조정할 필요성이 높아지고 있다. 이 이유의 하나로는, 각 CMP 공정 전에 행해지는 성막 공정이 막의 종류에 따라 다르므로 웨이퍼의 초기 막 두께 분포가 다른 것을 들 수 있다. 통상 CMP 후에 웨이퍼 전체면에서 균일한 막 두께 분포로 하는 것이 필요해지므로, 다른 초기 막 두께 분포마다 필요해지는 연마 프로파일이 달라진다.
다른 이유로서는, 비용 등의 관점에서 연마 장치에서 사용되는 연마 패드나 연마액 등의 종류가 매우 증가하고 있는 것도 들 수 있다. 연마 패드나 연마액 등의 소모재가 다르면, 특히 웨이퍼 에지부에서의 연마 프로파일은 크게 달라진다. 반도체 디바이스 제조에 있어서는, 웨이퍼 에지부의 연마 프로파일은 제품의 수율에 크게 영향을 미친다. 따라서, 웨이퍼 에지부, 특히 반경 방향으로 좁은 영역에서 웨이퍼 에지부의 연마 프로파일을 정밀하게 조정하는 것은 매우 중요하다.
웨이퍼 에지부의 연마 프로파일을 조정하기 위해 특허문헌 1에 개시되는 바와 같은 다양한 탄성막이 제안되어 있다. 그러나, 이들은 비교적 넓은 영역에서의 웨이퍼 에지부의 연마 프로파일을 조정하는 경우에 적합하였다.
따라서, 본 발명은 웨이퍼 에지부의 좁은 영역에 있어서 연마 프로파일을 정밀하게 조정할 수 있는 탄성막(멤브레인)을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 그러한 탄성막을 구비한 기판 보유 지지 장치 및 연마 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 형태는, 기판 보유 지지 장치에 사용되는 탄성막이며, 기판에 접촉하여 상기 기판을 연마 패드에 압박하는 맞닿음부와, 상기 맞닿음부의 주위 단부로부터 상방으로 연장되는 제1 에지 주위벽과, 상기 제1 에지 주위벽의 내주면에 접속된 수평부를 갖는 제2 에지 주위벽을 구비하고, 상기 제1 에지 주위벽의 내주면은, 상기 맞닿음부에 대해 수직으로 연장되는 상측 내주면 및 하측 내주면을 갖고 있으며, 상기 상측 내주면은 상기 제2 에지 주위벽의 상기 수평부로부터 수직 상방으로 연장되고, 상기 하측 내주면은 상기 제2 에지 주위벽의 상기 수평부로부터 수직 하방으로 연장되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 형태는, 상기 상측 내주면 및 상기 하측 내주면은, 동일면 내에 있는 것을 특징으로 한다.
바람직한 형태는, 상기 하측 내주면에는, 상기 제1 에지 주위벽의 둘레 방향으로 연장되는 환상 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
바람직한 형태는, 상기 환상 홈은, 상기 하측 내주면의 하단부에 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
바람직한 형태는, 상기 제2 에지 주위벽의 직경 방향 내측에 배치된 제3 에지 주위벽을 더 구비하고, 상기 제3 에지 주위벽의 하단부는 상기 맞닿음부에 접속되어 있고, 상기 제3 에지 주위벽의 하단부는 상기 제1 에지 주위벽에 인접하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 형태는, 기판을 압박하기 위한 복수의 압력실을 형성하는 탄성막과, 상기 탄성막이 장착되는 헤드 본체와, 상기 기판을 둘러싸도록 배치된 리테이너 링을 구비하고, 상기 탄성막은 상기 탄성막인 것을 특징으로 하는 기판 보유 지지 장치이다.
본 발명의 또 다른 형태는, 연마 패드를 지지하기 위한 연마 테이블과, 기판을 상기 연마 패드에 가압하기 위한 기판 보유 지지 장치를 구비한 연마 장치이며, 상기 기판 보유 지지 장치는, 기판을 압박하기 위한 복수의 압력실을 형성하는 탄성막과, 상기 탄성막이 장착되는 헤드 본체와, 상기 기판을 둘러싸도록 배치된 리테이너 링을 구비하고, 상기 탄성막은 상기 탄성막인 것을 특징으로 한다.
탄성막을 연마 장치의 기판 보유 지지 장치에 사용함으로써, 기판의 외주부의 좁은 범위에서의 연마 레이트를 정밀하게 제어하는 것이 가능해진다. 따라서, 다양한 프로세스에 있어서 기판 면내에서의 연마 레이트의 균일성이 높아지고, 수율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 연마 장치의 일 실시 형태를 도시하는 도면.
도 2는 도 1에 도시하는 연마 장치에 구비되어 있는 연마 헤드(기판 보유 지지 장치)를 도시하는 도면.
도 3은 도 2에 도시하는 연마 헤드에 구비된 탄성막(멤브레인)을 도시하는 단면도.
도 4는 탄성막의 일부를 도시하는 확대 단면도.
도 5는 제1 에지 주위벽의 상측 내주면 및 하측 내주면이 경사져 있는 경우의 힘의 작용 방향을 설명하는 도면.
도 6은 제1 에지 주위벽의 상측 내주면 및 하측 내주면이 경사져 있는 경우의 힘의 작용 방향을 설명하는 도면.
도 7은 제1 에지 주위벽의 상측 내주면이 경사져 있는 경우의 힘의 작용 방향을 설명하는 도면.
도 8은 제1 에지 주위벽의 하측 내주면이 경사져 있는 경우의 힘의 작용 방향을 설명하는 도면.
도 9는 제1 에지 주위벽의 상측 내주면 및 하측 내주면이 맞닿음부에 대해 수직으로 연장되는 경우의 힘의 작용 방향을 설명하는 도면.
도 10은 탄성막의 다른 실시 형태를 도시하는 단면도.
도 11은 탄성막의 또 다른 실시 형태를 도시하는 단면도.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은 연마 장치의 일 실시 형태를 도시하는 도면이다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 연마 장치는, 연마 패드(19)를 지지하는 연마 테이블(18)과, 연마 대상물인 기판의 일례로서의 웨이퍼(W)를 보유 지지하여 연마 테이블(18) 상의 연마 패드(19)에 압박하는 연마 헤드(기판 보유 지지 장치)(1)를 구비하고 있다.
연마 테이블(18)은, 테이블축(18a)을 통해 그 하방에 배치되는 테이블 모터(29)에 연결되어 있고, 그 테이블축(18a) 주위로 회전 가능하게 되어 있다. 연마 패드(19)는 연마 테이블(18)의 상면에 접착되어 있고, 연마 패드(19)의 표면(19a)이 웨이퍼(W)를 연마하는 연마면을 구성하고 있다. 연마 테이블(18)의 상방에는 연마액 공급 노즐(25)이 설치되어 있고, 이 연마액 공급 노즐(25)에 의해 연마 테이블(18) 상의 연마 패드(19) 상에 연마액(Q)이 공급되도록 되어 있다.
연마 헤드(1)는, 웨이퍼(W)를 연마면(19a)에 대해 압박하는 헤드 본체(2)와, 웨이퍼(W)를 보유 지지하여 웨이퍼(W)가 연마 헤드(1)로부터 튀어나오지 않도록 하는 리테이너 링(3)을 구비하고 있다. 연마 헤드(1)는, 헤드 샤프트(27)에 접속되어 있고, 이 헤드 샤프트(27)는, 상하 이동 기구(81)에 의해 헤드 아암(64)에 대해 상하 이동하도록 되어 있다. 이 헤드 샤프트(27)의 상하 이동에 의해, 헤드 아암(64)에 대해 연마 헤드(1)의 전체를 승강시켜 위치 결정하도록 되어 있다. 헤드 샤프트(27)의 상단부에는 로터리 조인트(82)가 장착되어 있다.
헤드 샤프트(27) 및 연마 헤드(1)를 상하 이동시키는 상하 이동 기구(81)는, 베어링(83)을 통해 헤드 샤프트(27)를 회전 가능하게 지지하는 브리지(84)와, 브리지(84)에 장착된 볼 나사(88)와, 지주(86)에 의해 지지된 지지대(85)와, 지지대(85) 상에 설치된 서보 모터(90)를 구비하고 있다. 서보 모터(90)를 지지하는 지지대(85)는, 지주(86)를 통해 헤드 아암(64)에 고정되어 있다.
볼 나사(88)는, 서보 모터(90)에 연결된 나사축(88a)과, 이 나사축(88a)이 나사 결합하는 너트(88b)를 구비하고 있다. 헤드 샤프트(27)는, 브리지(84)와 일체로 되어 상하 이동하도록 되어 있다. 따라서, 서보 모터(90)를 구동하면, 볼 나사(88)를 통해 브리지(84)가 상하 이동하고, 이에 의해 헤드 샤프트(27) 및 연마 헤드(1)가 상하 이동한다.
헤드 샤프트(27)는 키(도시하지 않음)를 통해 회전통(66)에 연결되어 있다. 이 회전통(66)은 그 외주부에 타이밍 풀리(67)를 구비하고 있다. 헤드 아암(64)에는 헤드 모터(68)가 고정되어 있고, 상기 타이밍 풀리(67)는, 타이밍 벨트(69)를 통해 헤드 모터(68)에 설치된 타이밍 풀리(70)에 접속되어 있다. 따라서, 헤드 모터(68)를 회전 구동함으로써 타이밍 풀리(70), 타이밍 벨트(69), 및 타이밍 풀리(67)를 통해 회전통(66) 및 헤드 샤프트(27)가 일체로 회전하고, 연마 헤드(1)가 회전한다. 헤드 아암(64)은, 프레임(도시하지 않음)에 회전 가능하게 지지된 아암 샤프트(80)에 의해 지지되어 있다. 연마 장치는, 헤드 모터(68), 서보 모터(90)를 비롯한 장치 내의 각 기기를 제어하는 제어 장치(40)를 구비하고 있다.
연마 헤드(1)는, 그 하면에 웨이퍼(W)를 보유 지지할 수 있도록 구성되어 있다. 헤드 아암(64)은 아암 샤프트(80)를 중심으로 하여 선회 가능하게 구성되어 있고, 하면에 웨이퍼(W)를 보유 지지한 연마 헤드(1)는, 헤드 아암(64)의 선회에 의해 웨이퍼(W)의 수취 위치로부터 연마 테이블(18)의 상방 위치로 이동된다.
웨이퍼(W)의 연마는 다음과 같이 하여 행해진다. 연마 헤드(1) 및 연마 테이블(18)을 각각 회전시켜, 연마 테이블(18)의 상방에 설치된 연마액 공급 노즐(25)로부터 연마 패드(19) 상에 연마액(Q)을 공급한다. 이 상태에서, 연마 헤드(1)를 소정의 위치(소정의 높이)까지 하강시키고, 이 소정의 위치에서 웨이퍼(W)를 연마 패드(19)의 연마면(19a)에 압박한다. 웨이퍼(W)는 연마 패드(19)의 연마면(19a)에 미끄럼 접촉되고, 이에 의해 웨이퍼(W)의 표면이 연마된다.
다음으로, 도 1에 도시하는 연마 장치에 구비되어 있는 연마 헤드(기판 보유 지지 장치)(1)에 대해, 도 2를 참조하여 상세하게 설명한다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 연마 헤드(1)는, 헤드 샤프트(27)의 하단부에 고정된 헤드 본체(2)와, 연마면(19a)을 직접 압박하는 리테이너 링(3)과, 웨이퍼(W)를 연마면(19a)에 대해 압박하는 유연한 탄성막(10)으로 기본적으로 구성된다. 리테이너 링(3)은 웨이퍼(W)를 둘러싸도록 배치되어 있고, 헤드 본체(2)에 연결되어 있다. 탄성막(10)은, 헤드 본체(2)의 하면을 덮도록 헤드 본체(2)에 장착되어 있다.
탄성막(10)은, 동심 형상으로 배치된 복수(도시에서는 8개)의 환상의 주위벽(10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f, 10g, 10h)을 갖고, 이들 복수의 주위벽(10a∼10h)에 의해, 탄성막(10)의 상면과 본체 장치(2)의 하면 사이에, 중앙에 위치하는 원 형상의 중앙 압력실(12), 최외주에 위치하는 환상의 에지 압력실(14a, 14b), 및 중앙 압력실(12)과 에지 압력실(14a, 14b) 사이에 위치하는, 이 예에서는 환상의 5개의 중간 압력실(제1∼제5 중간 압력실)(16a, 16b, 16c, 16d, 16e)이 형성되어 있다.
헤드 본체(2) 내에는, 중앙 압력실(12)에 연통되는 유로(20), 에지 압력실(14a)에 연통되는 유로(22), 에지 압력실(14b)에 연통되는 유로(24f), 및 중간 압력실(16a, 16b, 16c, 16d, 16e)에 각각 연통되는 유로(24a, 24b, 24c, 24d, 24e)가 각각 형성되어 있다. 그리고, 유로(20, 22, 24a, 24b, 24c, 24d, 24e, 24f)는, 각각 유체 라인(26, 28, 30a, 30b, 30c, 30d, 30e, 30f)을 통해 유체 공급원(32)에 접속되어 있다. 유체 라인(26, 28, 30a∼30f)에는, 개폐 밸브(V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7, V8)와 압력 레귤레이터(R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8)가 각각 설치되어 있다.
리테이너 링(3)의 바로 위에는 리테이너실(34)이 형성되어 있고, 리테이너실(34)은, 헤드 본체(2) 내에 형성된 유로(36) 및 개폐 밸브(V9)와 압력 레귤레이터(R9)가 설치된 유체 라인(38)을 통해 유체 공급원(32)에 접속되어 있다. 압력 레귤레이터(R1∼R9)는, 각각 유체 공급원(32)으로부터 압력실(12, 14a, 14b, 16a∼16e) 및 리테이너실(34)에 공급하는 압력 유체의 압력을 조정하는 압력 조정 기능을 갖고 있다. 압력 레귤레이터(R1∼R9) 및 개폐 밸브(V1∼V9)는, 제어 장치(40)에 접속되어 있고, 그들의 작동이 제어 장치(40)로 제어되도록 되어 있다.
도 2에 도시하는 바와 같이 구성된 연마 헤드(1)에 따르면, 웨이퍼(W)를 연마 헤드(1)로 보유 지지한 상태에서, 각 압력실(12, 14a, 14b, 16a∼16e)에 공급되는 압력 유체의 압력을 각각 제어함으로써, 웨이퍼(W)의 반경 방향을 따른 탄성막(10) 상의 복수의 영역마다 다른 압력으로 웨이퍼(W)를 압박할 수 있다. 이와 같이, 연마 헤드(1)에 있어서는, 헤드 본체(2)와 탄성막(10) 사이에 형성되는 각 압력실(12, 14a, 14b, 16a∼16e)에 공급하는 유체의 압력을 조정함으로써, 웨이퍼(W)에 가해지는 압박력을 웨이퍼(W)의 영역마다 조정할 수 있다. 동시에, 리테이너실(34)에 공급하는 압력 유체의 압력을 제어함으로써, 리테이너 링(3)이 연마 패드(19)를 압박하는 압박력을 조정할 수 있다.
헤드 본체(2)는, 예를 들어 엔지니어링 플라스틱(예를 들어, PEEK) 등의 수지에 의해 형성되고, 탄성막(10)은, 예를 들어 에틸렌프로필렌고무(EPDM), 폴리우레탄고무, 실리콘고무 등의 강도 및 내구성이 우수한 고무재에 의해 형성되어 있다.
도 3은 탄성막(멤브레인)(10)을 도시하는 단면도이다. 탄성막(10)은, 웨이퍼(W)에 접촉하는 원형의 맞닿음부(11)와, 맞닿음부(11)에 직접 또는 간접적으로 접속되는 8개의 주위벽(10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f, 10g, 10h)을 갖고 있다. 맞닿음부(11)는 웨이퍼(W)의 이면, 즉, 연마해야 하는 표면과는 반대측의 면에 접촉하고, 웨이퍼(W)를 연마 패드(19)에 대해 가압한다. 주위벽(10a∼10h)은, 동심 형상으로 배치된 환상의 주위벽이다.
주위벽(10a∼10h)의 상단부는, 4개의 보유 지지 링(5, 6, 7, 8)에 의해 헤드 본체(2)의 하면에 장착되어 있다. 이들 보유 지지 링(5, 6, 7, 8)은 보유 지지 수단(도시하지 않음)에 의해 헤드 본체(2)에 착탈 가능하게 고정되어 있다. 따라서, 보유 지지 수단을 해제하면, 보유 지지 링(5, 6, 7, 8)이 헤드 본체(2)로부터 이격되고, 이에 의해 탄성막(10)을 헤드 본체(2)로부터 제거할 수 있다. 보유 지지 수단으로서는 나사 등을 사용할 수 있다.
맞닿음부(11)는, 중간 압력실(16c)에 연통되는 복수의 관통 구멍(17)을 갖고 있다. 도 3에서는 1개의 관통 구멍(17)만을 도시한다. 맞닿음부(11)에 웨이퍼(W)가 접촉한 상태에서 중간 압력실(16c)에 진공이 형성되면, 웨이퍼(W)가 맞닿음부(11)의 하면에, 즉, 연마 헤드(1)에 진공 흡인에 의해 보유 지지된다. 또한, 웨이퍼(W)가 연마 패드(19)로부터 이격된 상태에서 중간 압력실(16c)에 가압 유체를 공급하면, 웨이퍼(W)가 연마 헤드(1)로부터 해제된다. 관통 구멍(17)은 중간 압력실(16c) 대신 다른 압력실에 형성해도 된다. 그 때에는 웨이퍼(W)의 진공 흡인이나 해제는 관통 구멍(17)을 형성한 압력실의 압력을 제어함으로써 행한다.
주위벽(10h)은, 가장 외측의 주위벽이며, 주위벽(10g)은 주위벽(10h)의 직경 방향 내측에 배치되어 있다. 또한, 주위벽(10f)은 주위벽(10g)의 직경 방향 내측에 배치되어 있다. 이하, 주위벽(10h)을 제1 에지 주위벽, 주위벽(10g)을 제2 에지 주위벽, 주위벽(10f)을 제3 에지 주위벽이라 한다.
도 4는 탄성막(10)의 일부를 도시하는 확대 단면도이다. 웨이퍼(W)의 에지부의 좁은 범위에서의 연마 레이트를 조정 가능하게 하기 위해, 탄성막(10)은 도 4에 도시되는 바와 같은 형상을 채용하고 있다. 이하, 탄성막(10)에 대해 상세하게 설명한다. 제1 에지 주위벽(10h)은, 맞닿음부(11)의 주위 단부로부터 상방으로 연장되고, 제2 에지 주위벽(10g)은 제1 에지 주위벽(10h)에 접속되어 있다.
제2 에지 주위벽(10g)은 제1 에지 주위벽(10h)의 내주면(101)에 접속된 외측 수평부(111)를 갖고 있다. 제1 에지 주위벽(10h)의 내주면(101)은, 맞닿음부(11)에 대해 수직으로 연장되는 상측 내주면(101a) 및 하측 내주면(101b)을 갖고 있다. 상측 내주면(101a)은 제2 에지 주위벽(10g)의 수평부(111)로부터 상방으로 연장되고, 하측 내주면(101b)은 제2 에지 주위벽(10g)의 수평부(111)로부터 하방으로 연장되어 있다. 바꿔 말하면, 맞닿음부(11)에 대해 수직으로 연장되는 내주면(101)을 분할하는 위치에 제2 에지 주위벽(10g)의 외측 수평부(111)가 접속되어 있다. 하측 내주면(101b)은 맞닿음부(11)의 주위 단부에 접속되어 있다. 하측 내주면(101b)의 외측에 위치하는 외주면(102)도, 맞닿음부(11)에 대해 수직으로 연장되어 있다. 상측 내주면(101a) 및 하측 내주면(101b)은, 동일면 내에 있다. 이 「동일면」이라 함은, 맞닿음부(11)에 수직한 상상면을 말한다. 즉, 상측 내주면(101a)의 직경 방향 위치와 하측 내주면(101b)의 직경 방향 위치는 동일하다.
제1 에지 주위벽(10h)은, 맞닿음부(11)의 상하 이동을 허용하는 절곡부(103)를 갖고 있다. 이 절곡부(103)는, 상측 내주면(101a)에 접속되어 있다. 절곡부(103)는, 맞닿음부(11)와 수직한 방향(즉, 연직 방향)으로 신축 가능하게 구성된 벨로즈 구조를 갖고 있다. 따라서, 헤드 본체(2)와 연마 패드(19)의 거리가 변화해도, 맞닿음부(11)의 주위 단부와 웨이퍼(W)의 접촉을 유지할 수 있다. 헤드 본체(2)와 연마 패드(19)의 거리가 변화하는 요인으로서는, 헤드 본체(2)와 연마 패드(19)의 상대적인 기울기, 연마 테이블(18)의 회전에 수반하는 연마 패드 표면(19a)의 면 진동, 헤드 샤프트(27)의 회전에 수반하는 액시얼 진동(연직 방향의 진동) 등을 들 수 있다. 제1 에지 주위벽(10h)은, 절곡부(103)의 상단부로부터 직경 방향 내측으로 연장되는 림부(104)를 갖고 있다. 림부(104)는, 도 3에 도시하는 보유 지지 링(8)에 의해 헤드 본체(2)의 하면에 고정된다.
제2 에지 주위벽(10g)은, 제1 에지 주위벽(10h)의 내주면(101)으로부터 수평하게 연장되는 외측 수평부(111)를 갖고 있다. 또한, 제2 에지 주위벽(10g)은, 외측 수평부(111)에 접속된 경사부(112)와, 경사부(112)에 접속된 내측 수평부(113)와, 내측 수평부(113)에 접속된 연직부(114)와, 연직부(114)에 접속된 림부(115)를 갖고 있다. 경사부(112)는, 외측 수평부(111)로부터 직경 방향 내측으로 연장되면서 상방으로 경사져 있다. 림부(115)는, 연직부(114)로부터 직경 방향 외측으로 연장되어 있고, 도 3에 도시하는 보유 지지 링(8)에 의해 헤드 본체(2)의 하면에 고정된다. 제1 에지 주위벽(10h) 및 제2 에지 주위벽(10g)이 보유 지지 링(8)에 의해 헤드 본체(2)의 하면에 장착되면, 제1 에지 주위벽(10h)과 제2 에지 주위벽(10g) 사이에 에지 압력실(14a)이 형성된다.
제3 에지 주위벽(10f)은, 제2 에지 주위벽(10g)의 직경 방향 내측에 배치되어 있다. 제3 에지 주위벽(10f)은, 맞닿음부(11)의 상면에 접속된 경사부(121)와, 경사부(121)에 접속된 수평부(122)와, 수평부(122)에 접속된 연직부(123)와, 연직부(123)에 접속된 림부(124)를 갖고 있다. 경사부(121)는, 맞닿음부(11)의 상면으로부터 직경 방향 내측으로 연장되면서 상방으로 경사져 있다. 림부(124)는, 연직부(123)로부터 직경 방향 내측으로 연장되어 있고, 도 3에 도시하는 보유 지지 링(7)에 의해 헤드 본체(2)의 하면에 고정된다. 제2 에지 주위벽(10g) 및 제3 에지 주위벽(10f)이 보유 지지 링(8, 7)에 의해 각각 헤드 본체(2)의 하면에 장착되면, 제2 에지 주위벽(10g)과 제3 에지 주위벽(10f) 사이에 에지 압력실(14b)이 형성된다.
주위벽(10e)은, 제3 에지 주위벽(10f)의 직경 방향 내측에 배치되어 있다. 주위벽(10e)은, 맞닿음부(11)의 상면에 접속된 경사부(131)와, 경사부(131)에 접속된 수평부(132)와, 수평부(132)에 접속된 연직부(133)와, 연직부(133)에 접속된 림부(134)를 갖고 있다. 경사부(131)는, 맞닿음부(11)의 상면으로부터 직경 방향 내측으로 연장되면서 상방으로 경사져 있다. 림부(134)는, 연직부(133)로부터 직경 방향 외측으로 연장되어 있고, 도 3에 도시하는 보유 지지 링(7)에 의해 헤드 본체(2)의 하면에 고정된다. 주위벽(10e) 및 제3 에지 주위벽(10f)이 보유 지지 링(7)에 의해 헤드 본체(2)의 하면에 장착되면, 주위벽(10e)과 제3 에지 주위벽(10f) 사이에 중간 압력실(16e)이 형성된다.
도 3에 도시하는 주위벽(10b, 10d)은, 도 4에 도시하는 제3 에지 주위벽(10f)과 실질적으로 동일한 구성을 갖고 있으며, 도 3에 도시하는 주위벽(10a, 10c)은, 도 4에 도시하는 주위벽(10e)과 실질적으로 동일한 구성을 갖고 있으므로, 그들의 설명을 생략한다. 도 3에 도시하는 바와 같이, 주위벽(10a, 10b)의 림부는 보유 지지 링(5)에 의해 헤드 본체(2)의 하면에 고정되고, 주위벽(10c, 10d)의 림부는 보유 지지 링(6)에 의해 헤드 본체(2)의 하면에 고정된다.
도 4에 도시하는 바와 같이, 에지 압력실(14a)은 에지 압력실(14b)의 상방에 배치되어 있다. 에지 압력실(14a)과 에지 압력실(14b)은, 대략 수평하게 연장되는 제2 에지 주위벽(10g)에 의해 구획되어 있다. 제2 에지 주위벽(10g)은 제1 에지 주위벽(10h)에 접속되어 있으므로, 에지 압력실(14a)과 에지 압력실(14b)의 차압은 제1 에지 주위벽(10h)을 연직 방향으로 압하하는 하향의 힘을 발생시킨다. 즉, 에지 압력실(14a) 내의 압력이 에지 압력실(14b) 내의 압력보다도 클 때, 에지 압력실(14a, 14b)간의 차압에 의해 하향의 힘이 제1 에지 주위벽(10h)에 발생하고, 제1 에지 주위벽(10h)은 맞닿음부(11)의 주연부를 연직 방향으로 웨이퍼의 이면에 가압한다. 결과적으로, 맞닿음부(11)의 주연부가 웨이퍼 에지부를 연마 패드(19)에 대해 가압한다. 이와 같이, 제1 에지 주위벽(10h) 자체에 하향의 힘이 연직 방향으로 작용하므로, 맞닿음부(11)의 주연부는 웨이퍼 에지부의 좁은 영역을 연마 패드(19)에 대해 가압할 수 있다. 따라서, 웨이퍼의 에지부의 프로파일을 정밀하게 제어하는 것이 가능해진다.
상측 내주면(101a)은 맞닿음부(11)에 대해 수직으로 상방으로 연장되고, 하측 내주면(101b)은 맞닿음부(11)에 대해 수직으로 하방으로 연장되어 있다. 이러한 상측 내주면(101a) 및 하측 내주면(101b)의 형상에 의해, 제1 에지 주위벽(10h)과 제2 에지 주위벽(10g)의 접속 부분에는 경사 방향의 힘이 작용하지 않고, 웨이퍼 에지부의 좁은 영역에서 연마 레이트를 제어하는 것이 가능해진다. 이 점에 대해, 도 5∼도 9를 참조하여 설명한다.
도 5∼도 8에 도시하는 바와 같이, 상측 내주면(101a) 및/또는 하측 내주면(101b)이 경사져 있으면, 제1 에지 주위벽(10h)과 제2 에지 주위벽(10g)의 접속 부분에는 경사 방향의 힘이 작용한다. 이로 인해, 제1 에지 주위벽(10h)과 맞닿음부(11)의 접속 부분에 힘이 넓은 범위에서 작용하고, 웨이퍼 에지부의 좁은 범위에서의 연마 레이트를 제어할 수 없게 된다. 또한, 에지 압력실(14a, 14b)간에 차압이 발생하였을 때에, 제1 에지 주위벽(10h)과 제2 에지 주위벽(10g)의 접속 부분에 경사 방향의 힘이 작용하고, 제1 에지 주위벽(10h)이 변형되거나 쓰러져, 웨이퍼에 힘이 전달되지 않는다.
이에 반해, 도 9에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태의 상측 내주면(101a) 및 하측 내주면(101b)의 양쪽은, 연직 방향으로, 즉, 맞닿음부(11)에 대해 수직으로 연장되어 있다. 이러한 형상으로 함으로써, 제1 에지 주위벽(10h)과 제2 에지 주위벽(10g)의 접속 부분에는 경사 방향의 힘은 거의 작용하지 않고, 에지 압력실(14a, 14b)간의 차압에 의해 발생하는 하향의 힘은 제1 에지 주위벽(10h)을 타고 웨이퍼 에지부에 연직 방향으로 작용한다. 따라서, 웨이퍼 에지부의 좁은 범위에서의 연마 레이트를 제어하는 것이 가능해진다.
도 10은 탄성막(10)의 다른 실시 형태를 도시하는 단면도이다. 특별히 설명하지 않는 구성은 도 4에 도시하는 구성과 동일하다. 도 10에 도시하는 바와 같이, 하측 내주면(101b)에는, 제1 에지 주위벽(10h)의 둘레 방향으로 연장되는 환상 홈(105)이 형성되어 있다. 이 환상 홈(105)은, 하측 내주면(101b)의 하단부에 형성되어 있고, 제1 에지 주위벽(10h)에 박육부를 형성하고 있다. 이러한 환상 홈(105)이 맞닿음부(11)에 인접하여 형성되어 있으므로, 제1 에지 주위벽(10h)에 경사 방향의 힘이 작용한 경우라도, 그 경사 방향의 힘은 맞닿음부(11)에 전달되기 어려워진다. 따라서, 웨이퍼 에지부의 좁은 범위에서의 연마 레이트를 제어하는 것이 가능해진다.
도 11은 탄성막(10)의 또 다른 실시 형태를 도시하는 단면도이다. 특별히 설명하지 않는 구성은 도 4에 도시하는 구성과 동일하다. 도 11에 도시하는 바와 같이, 제3 에지 주위벽(10f)의 하단부(125)는 제1 에지 주위벽(10h)에 인접하고 있다. 예를 들어, 제3 에지 주위벽(10f)의 하단부(125)와 제1 에지 주위벽(10h)의 하측 내주면(101b)의 거리는, 1㎜ 이상 10㎜ 이하이며, 보다 바람직하게는 1㎜ 이상 5㎜ 이하이다. 본 실시 형태의 형상에 따르면, 에지 압력실(14b) 내의 압력이 맞닿음부(11)에 작용하는 영역을 좁게 할 수 있다. 따라서, 웨이퍼 에지부의 좁은 범위에서의 연마 레이트를 제어하는 것이 가능해진다.
상술한 실시 형태는, 본 발명이 속하는 기술 분야에 있어서의 통상의 지식을 갖는 사람이 본 발명을 실시할 수 있는 것을 목적으로 하여 기재된 것이다. 상기 실시 형태의 다양한 변형예는, 당업자라면 당연히 이룰 수 있는 것이며, 본 발명의 기술적 사상은 다른 실시 형태에도 적용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 기재된 실시 형태에 한정되는 일은 없고, 특허 청구 범위에 의해 정의되는 기술적 사상에 따른 가장 넓은 범위로 해석되는 것이다.
1 : 연마 헤드 2 : 헤드 본체
3 : 리테이너 링 5, 6, 7, 8 : 보유 지지 링
10 : 탄성막(멤브레인)
10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f, 10g, 10h : 주위벽
11 : 맞닿음부 12 : 중앙 압력실
14a, 14b : 에지 압력실 16a∼16e : 중간 압력실
17 : 관통 구멍 18 : 연마 테이블
18a : 테이블축 19 : 연마 패드
19a : 연마면 25 : 연마액 공급 노즐
27 : 헤드 샤프트 32 : 유체 공급원
34 : 리테이너실 40 : 제어 장치
64 : 헤드 아암 66 : 회전통
67 : 타이밍 풀리 68 : 헤드 모터
69 : 타이밍 벨트 70 : 타이밍 풀리
80 : 아암 샤프트 81 : 상하 이동 기구
82 : 로터리 조인트 83 : 베어링
84 : 브리지 85 : 지지대
86 : 지주 88 : 볼 나사
88a : 나사축 88b : 너트
90 : 서보 모터 101 : 내주면
101a : 상측 내주면 101b : 하측 내주면
111 : 수평부
V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7, V8, V9 : 개폐 밸브
R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9 : 압력 레귤레이터

Claims (10)

  1. 기판 보유 지지 장치에 사용되는 탄성막이며,
    기판에 맞닿아 상기 기판을 연마 패드에 압박하는 맞닿음부와,
    상기 맞닿음부의 주위 단부로부터 상방으로 연장되는 제1 에지 주위벽과,
    상기 제1 에지 주위벽에 접속된 제2 에지 주위벽과,
    상기 맞닿음부의 상면에 접속된 경사부를 갖는 제3 에지 주위벽과,
    상기 제3 에지 주위벽의 직경 방향 내측에 배치되고, 또한 상기 맞닿음부의 상면에 접속된 경사부를 갖는 제4 주위벽을 구비하고,
    상기 제1 에지 주위벽은 상기 맞닿음부에 수직한 내주면 및 외주면을 갖고 있으며,
    상기 제2 에지 주위벽은 상기 제1 에지 주위벽의 상기 내주면에 접속되어 있고,
    상기 제3 에지 주위벽의 상기 경사부 및 상기 제4 주위벽의 상기 경사부 각각은 상기 맞닿음부의 상면으로부터 직경 방향 내측으로 연장되면서 상방으로 경사진 것을 특징으로 하는 탄성막.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 에지 주위벽과 상기 제2 에지 주위벽의 사이에는 제1 에지 압력실이 형성되고,
    상기 제2 에지 주위벽과 상기 제3 에지 주위벽의 사이에는 제2 에지 압력실이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 탄성막.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제3 에지 주위벽과 상기 제4 주위벽의 사이에는 중간 압력실이 형성되어 있고,
    상기 제2 에지 압력실의 일부는, 상기 중간 압력실의 상방에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 탄성막.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제3 에지 주위벽의 상기 경사부는, 상기 제2 에지 주위벽의 하방이며, 또한 상기 맞닿음부의 상방에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 탄성막.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제3 에지 주위벽의 하단과 상기 제1 에지 주위벽의 하측 내주면의 거리는, 1㎜ 이상 10㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 탄성막.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 거리는 1㎜ 이상 5㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 탄성막.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 에지 주위벽의 상기 내주면은 상기 맞닿음부에 대해 수직으로 연장되는 상측 내주면 및 하측 내주면을 갖고 있으며,
    상기 상측 내주면은 상기 제1 에지 주위벽의 상기 내주면에 접속된 상기 제2 에지 주위벽으로부터 상방으로 연장되고,
    상기 하측 내주면은 상기 제2 에지 주위벽으로부터 하방으로 연장되는 것을 특징으로 하는 탄성막.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 상측 내주면 및 상기 하측 내주면은 동일면 내에 있는 것을 특징으로 하는 탄성막.
  9. 기판을 압박하기 위한 복수의 압력실을 형성하는 탄성막과,
    상기 탄성막이 장착되는 헤드 본체와,
    상기 기판을 둘러싸도록 배치된 리테이너 링을 구비하고,
    상기 탄성막은 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 탄성막인 것을 특징으로 하는 기판 보유 지지 장치.
  10. 연마 패드를 지지하기 위한 연마 테이블과,
    기판을 상기 연마 패드에 가압하기 위한 기판 보유 지지 장치를 구비한 연마 장치이며,
    상기 기판 보유 지지 장치는,
    기판을 압박하기 위한 복수의 압력실을 형성하는 탄성막과,
    상기 탄성막이 장착되는 헤드 본체와,
    상기 기판을 둘러싸도록 배치된 리테이너 링을 구비하고,
    상기 탄성막은 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 탄성막인 것을 특징으로 하는, 연마 장치.
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