KR102208160B1 - 기판 보유 지지 장치, 연마 장치, 연마 방법 및 리테이너 링 - Google Patents

기판 보유 지지 장치, 연마 장치, 연마 방법 및 리테이너 링 Download PDF

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Abstract

본 발명의 과제는, 복수의 기판을 연속해서 연마하는 경우라도, 기판의 에지부에서의 연마 레이트의 상승을 방지할 수 있는 기판 보유 지지 장치를 제공하는 것이다.
기판 보유 지지 장치(1)는, 기판(W)을 보유 지지하는 톱 링 본체(10)와, 톱 링 본체(10)에 보유 지지된 기판(W)을 둘러싸도록 배치된 리테이너 링(40)을 구비한다. 리테이너 링(40)은, 연마 패드(2)에 접촉하는 환상의 패드 압박부(122)를 구비하고, 패드 압박부(122)는, 3㎜ 이상, 7.5㎜ 이하의 폭을 갖는다.

Description

기판 보유 지지 장치, 연마 장치, 연마 방법 및 리테이너 링 {SUBSTRATE HOLDER, POLISHING APPARATUS, POLISHING METHOD, AND RETAINING RING}
본 발명은 웨이퍼 등의 기판을 보유 지지하는 기판 보유 지지 장치에 관한 것으로, 특히 기판을 연마 패드 등의 연마구에 가압하여 기판의 표면을 연마하기 위해 사용되는 기판 보유 지지 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 그러한 기판 보유 지지 장치를 사용한 연마 장치 및 연마 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 기판 보유 지지 장치에 사용되는 리테이너 링에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조 공정에서는, 웨이퍼의 표면을 연마하기 위해 연마 장치가 널리 사용되고 있다. 이러한 종류의 연마 장치는, 연마면을 갖는 연마 패드를 지지하는 연마 테이블과, 웨이퍼를 보유 지지하기 위한 톱 링 또는 연마 헤드라고 칭해지는 기판 보유 지지 장치와, 연마액을 연마면에 공급하는 연마액 공급 노즐을 구비하고 있다.
연마 장치는 다음과 같이 하여 웨이퍼를 연마한다. 연마 패드와 함께 연마 테이블을 회전시키면서, 연마액 공급 노즐로부터 연마액을 연마면에 공급한다. 기판 보유 지지 장치에 의해 웨이퍼를 보유 지지하고, 또한 웨이퍼를 그 축심을 중심으로 하여 회전시킨다. 이 상태에서, 기판 보유 지지 장치는 웨이퍼의 표면을 연마 패드의 연마면에 가압하고, 연마액의 존재하에서 웨이퍼의 표면을 연마면에 미끄럼 접촉시킨다. 웨이퍼의 표면은, 연마액에 포함되는 지립의 기계적 작용과, 연마액의 화학적 작용에 의해 평탄하게 연마된다. 이러한 연마 장치는 CMP(화학 기계 연마) 장치라고도 불린다.
웨이퍼의 연마 중, 웨이퍼의 표면은 연마 패드에 미끄럼 접촉되므로, 웨이퍼에는 마찰력이 작용한다. 따라서, 웨이퍼의 연마 중에 웨이퍼가 기판 보유 지지 장치로부터 빠지지 않도록 하기 위해, 기판 보유 지지 장치는 리테이너 링을 구비하고 있다. 이 리테이너 링은, 웨이퍼를 둘러싸도록 배치되고, 웨이퍼의 외측에서 연마 패드를 가압하고 있다.
일본 특허 출원 공개 평10-286769호 공보
웨이퍼의 연마 레이트(제거 레이트라고도 함)는, 연마 패드에 대한 웨이퍼의 하중, 리테이너 링의 하중, 연마 테이블 및 웨이퍼의 회전 속도, 연마액의 종류 등의 연마 조건에 의존하여 바뀔 수 있다. 복수의 웨이퍼를 연속적으로 연마하는 경우, 동일한 연마 결과를 얻기 위해, 연마 조건은 일정하게 유지되는 것이 통상이다. 그러나, 복수의 웨이퍼를 연마해 감에 따라, 연마 조건이 동일함에도 불구하고, 웨이퍼의 에지부의 프로파일이 서서히 바뀌는 경우가 있다. 구체적으로는, 연마된 웨이퍼의 매수가 증가함에 따라, 에지부에서의 연마 레이트가 상승한다.
이러한 연마 레이트의 상승의 원인은, 리테이너 링의 형상 변화에 있다고 생각된다. 도 19는 웨이퍼의 연마 중의 리테이너 링을 도시하는 모식도이다. 도 19에 도시하는 바와 같이, 웨이퍼(W)의 연마 중, 리테이너 링(200)은 회전하는 연마 패드(201)의 연마면(201a)에 가압되므로, 리테이너 링(200)이 마모된다. 특히, 리테이너 링(200)의 내주면 및 외주면이 마모되어 둥그스름한 모양을 띈 형상으로 된다. 리테이너 링(200)의 내주면이 도 19에 도시하는 바와 같이 마모되면, 리테이너 링(200)이 웨이퍼(W)의 에지부에 가까운 패드 영역을 가압하는 힘이 저하되고, 결과적으로, 에지부에서의 연마 레이트가 상승해 버린다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것이며, 복수의 기판(예를 들어 웨이퍼)을 연속하여 연마하는 경우라도, 기판의 에지부에서의 연마 레이트의 상승을 방지할 수 있는 기판 보유 지지 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 그러한 기판 보유 지지 장치를 사용한 연마 장치 및 연마 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 기판 보유 지지 장치에 사용되는 리테이너 링을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 형태는, 기판을 연마 패드에 가압하기 위한 기판 보유 지지 장치이며, 상기 기판을 보유 지지하는 톱 링 본체와, 상기 기판 보유 지지 장치의 가장 외측의 노출면의 최하부를 구성하는 외주면을 갖는 단일의 리테이너 링을 구비하고, 상기 단일의 리테이너 링은, 원환부와, 상기 연마 패드에 접촉하는 환상의 패드 압박부를 구비하고, 상기 패드 압박부는, 기판 보유 지지면을 구성하는 내주면을 갖고 있으며, 상기 패드 압박부는, 상기 원환부의 내주 단부로부터 하방으로 연장되어 있고, 상기 패드 압박부의 폭은, 상기 원환부의 폭보다도 작으며, 상기 패드 압박부는, 3㎜ 이상, 7.5㎜ 이하의 폭을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 형태는, 연마 패드를 지지하기 위한 연마 테이블과, 기판을 보유 지지하여, 상기 기판을 상기 연마 패드에 가압하는 기판 보유 지지 장치와, 상기 연마 패드 상에 연마액을 공급하는 연마액 공급 노즐을 구비한 연마 장치이며, 상기 기판 보유 지지 장치는, 상기 기판을 보유 지지하는 톱 링 본체와, 상기 기판 보유 지지 장치의 가장 외측의 노출면의 최하부를 구성하는 외주면을 갖는 단일의 리테이너 링을 구비하고, 상기 단일의 리테이너 링은, 원환부와, 상기 연마 패드에 접촉하는 환상의 패드 압박부를 구비하고, 상기 패드 압박부는, 상기 원환부의 내주 단부로부터 하방으로 연장되어 있고, 상기 패드 압박부의 폭은, 상기 원환부의 폭보다도 작으며, 상기 패드 압박부는, 3㎜ 이상, 7.5㎜ 이하의 폭을 갖고, 상기 패드 압박부는, 상기 연마 패드에 접촉하는 패드 접촉면을 갖고, 상기 패드 접촉면은, 하방으로 돌출되는 단면 형상을 갖고, 상기 패드 압박부의 폭에 대한, 상기 패드 압박부의 내주면으로부터 상기 패드 접촉면의 최하점까지의 거리의 비는, 3/5∼2/3의 범위 내에 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 형태는, 연마 패드와 함께 연마 테이블을 회전시키고, 상기 연마 패드 상에 연마액을 공급하고, 기판을 상기 연마 패드에 가압하면서, 3㎜ 이상, 7.5㎜ 이하의 폭을 갖는 환상의 패드 압박부로 상기 기판을 둘러싸면서 상기 연마 패드를 가압하는 것을 특징으로 하는 연마 방법이다.
본 발명의 또 다른 형태는, 기판을 연마 패드에 가압하기 위한 기판 보유 지지 장치에 사용되는 리테이너 링이며, 원환부와, 상기 연마 패드에 접촉하는 환상의 패드 압박부를 구비하고, 상기 패드 압박부는 기판 보유 지지면을 구성하는 내주면을 갖고 있으며, 상기 패드 압박부는, 상기 원환부의 내주 단부로부터 하방으로 연장되어 있고, 상기 패드 압박부의 폭은, 상기 원환부의 폭보다도 작으며, 상기 패드 압박부는, 3㎜ 이상, 7.5㎜ 이하의 폭을 갖고 있으며, 상기 리테이너 링은, 복수의 보강 핀이 삽입되는 복수의 구멍을 갖는 것을 특징으로 한다.
패드 압박부의 폭이 작으므로, 패드 압박부에는 그 형상의 자기 수복 기능이 구비된다. 즉, 패드 압박부의 마모에 의해 그 형상이 바뀌면, 패드 압박부의 패드 접촉면의 면적이 감소하고, 패드 접촉면의 압력이 증가한다. 패드 접촉면의 압력이 증가하면, 패드 접촉면이 마모되고, 결과적으로 패드 접촉면의 면적이 증가한다. 이러한 패드 접촉면의 압력과 면적의 미소한 변동을 반복하면서, 패드 압박부의 형상은 대략 일정하게 유지된다. 따라서, 폭이 좁은 패드 압박부를 갖는 리테이너 링은, 기판의 에지부에서의 연마 레이트를 안정시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 기판 보유 지지 장치를 구비한 연마 장치를 도시하는 모식도.
도 2는 연마 장치의 상세한 구성을 도시하는 도면.
도 3은 톱 링의 단면도.
도 4는 드라이브 링 및 연결 부재를 도시하는 평면도.
도 5는 구면 베어링을 도시하는 도면.
도 6의 (a)는 연결 부재가 구면 베어링에 대해 상하 이동하고 있는 모습을 도시하고, 도 6의 (b) 및 도 6의 (c)는 연결 부재가 내륜과 함께 틸팅하고 있는 모습을 도시하는 도면.
도 7은 구면 베어링의 다른 구성예를 나타내는 확대 단면도.
도 8의 (a)는 연결 부재가 구면 베어링에 대해 상하 이동하고 있는 모습을 도시하고, 도 8의 (b) 및 도 8의 (c)는 연결 부재가 중간륜과 함께 틸팅하고 있는 모습을 도시하고 있는 도면.
도 9는 리테이너 링의 사시도.
도 10은 리테이너 링의 하면도.
도 11은 리테이너 링의 측면도.
도 12의 (a)는 리테이너 링의 일부를 도시하는 종단면도이며, 도 12의 (b)는 리테이너 링의 일부를 도시하는 하면도.
도 13의 (a) 내지 도 13의 (d)는 패드 압박부가 연마 패드와의 미끄럼 접촉에 의해 마모되는 모습을 도시하는 도면.
도 14는 패드 압박부의 폭과, 패드 압박부의 변형량의 관계를 조사한 구조 해석 결과를 나타내는 그래프.
도 15는 종래의 폭이 넓은 리테이너 링을 사용하여 복수의 웨이퍼를 연마하였을 때의 리테이너 링의 표면 형상을 나타내는 그래프.
도 16은 폭 5㎜의 패드 압박부를 갖는 리테이너 링을 사용하여 복수의 웨이퍼를 연마하였을 때의 리테이너 링의 표면 형상을 나타내는 그래프.
도 17은 폭 7.5㎜의 패드 압박부를 갖는 리테이너 링을 사용하여 복수의 웨이퍼를 연마하였을 때의 리테이너 링의 표면 형상을 나타내는 그래프.
도 18은 패드 압박부를 갖는 본 실시 형태의 리테이너 링의 다른 실시 형태를 나타내는 단면도.
도 19는 웨이퍼의 연마 중의 리테이너 링을 도시하는 모식도.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 기판 보유 지지 장치를 구비한 연마 장치를 도시하는 모식도이다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 연마 장치는, 웨이퍼(기판)(W)를 보유 지지하고 회전시키는 톱 링(기판 보유 지지 장치)(1)과, 연마 패드(2)를 지지하는 연마 테이블(3)과, 연마 패드(2)에 연마액(슬러리)을 공급하는 연마액 공급 노즐(5)과, 웨이퍼(W)의 막 두께에 따라 변화하는 막 두께 신호를 취득하는 막 두께 센서(7)를 구비하고 있다. 막 두께 센서(7)는, 연마 테이블(3) 내에 설치되어 있고, 연마 테이블(3)이 1회전할 때마다, 웨이퍼(W)의 중심부를 포함하는 복수의 영역에서의 막 두께 신호를 취득한다. 막 두께 센서(7)의 예로서는, 광학식 센서나 와전류 센서를 들 수 있다.
톱 링(1)은, 그 하면에 진공 흡착에 의해 웨이퍼(W)를 보유 지지할 수 있도록 구성되어 있다. 톱 링(1) 및 연마 테이블(3)은, 화살표로 나타내는 바와 같이 동일한 방향으로 회전하고, 이 상태에서 톱 링(1)은, 웨이퍼(W)를 연마 패드(2)의 연마면(2a)에 가압한다. 연마액 공급 노즐(5)로부터는 연마액이 연마 패드(2) 상에 공급되고, 웨이퍼(W)는, 연마액의 존재하에서 연마 패드(2)와의 미끄럼 접촉에 의해 연마된다. 웨이퍼(W)의 연마 중, 막 두께 센서(7)는 연마 테이블(3)과 함께 회전하고, 기호 A로 나타내는 바와 같이 웨이퍼(W)의 표면을 가로지르면서 막 두께 신호를 취득한다. 이 막 두께 신호는, 막 두께를 직접 또는 간접적으로 나타내는 지표값이며, 웨이퍼(W)의 막 두께의 감소에 따라 변화한다. 막 두께 센서(7)는 연마 제어부(9)에 접속되어 있고, 막 두께 신호는 연마 제어부(9)로 보내지도록 되어 있다. 연마 제어부(9)는, 막 두께 신호에 의해 나타내어지는 웨이퍼(W)의 막 두께가 소정의 목표값에 달하였을 때에, 웨이퍼(W)의 연마를 종료시킨다.
도 2는 연마 장치의 상세한 구성을 도시하는 도면이다. 연마 테이블(3)은, 테이블축(3a)을 통해 그 하방에 배치되는 모터(13)에 연결되어 있고, 그 테이블축(3a) 주위로 회전 가능하게 되어 있다. 연마 테이블(3)의 상면에는 연마 패드(2)가 부착되어 있고, 연마 패드(2)의 상면이 웨이퍼(W)를 연마하는 연마면(2a)을 구성하고 있다. 모터(13)에 의해 연마 테이블(3)을 회전시킴으로써, 연마면(2a)은 톱 링(1)에 대해 상대적으로 이동한다. 따라서, 모터(13)는, 연마면(2a)을 수평 방향으로 이동시키는 연마면 이동 기구를 구성한다.
톱 링(1)은, 톱 링 샤프트(11)에 접속되어 있고, 이 톱 링 샤프트(11)는, 상하 이동 기구(27)에 의해 톱 링 헤드(16)에 대해 상하 이동하도록 되어 있다. 이 톱 링 샤프트(11)의 상하 이동에 의해, 톱 링 헤드(16)에 대해 톱 링(1)의 전체를 승강시켜 위치 결정하도록 되어 있다. 톱 링 샤프트(11)의 상단부에는 로터리 조인트(25)가 장착되어 있다.
톱 링 샤프트(11) 및 톱 링(1)을 상하 이동시키는 상하 이동 기구(27)는, 베어링(26)을 통해 톱 링 샤프트(11)를 회전 가능하게 지지하는 브리지(28)와, 브리지(28)에 장착된 볼 나사(32)와, 지주(30)에 의해 지지된 지지대(29)와, 지지대(29) 상에 설치된 서보 모터(38)를 구비하고 있다. 서보 모터(38)를 지지하는 지지대(29)는, 지주(30)를 통해 톱 링 헤드(16)에 고정되어 있다.
볼 나사(32)는, 서보 모터(38)에 연결된 나사축(32a)과, 이 나사축(32a)이 나사 결합하는 너트(32b)를 구비하고 있다. 톱 링 샤프트(11)는, 브리지(28)와 일체로 되어 상하 이동하도록 되어 있다. 따라서, 서보 모터(38)를 구동하면, 볼 나사(32)를 통해 브리지(28)가 상하 이동하고, 이에 의해 톱 링 샤프트(11) 및 톱 링(1)이 상하 이동한다.
또한, 톱 링 샤프트(11)는 키(도시하지 않음)를 통해 회전통(12)에 연결되어 있다. 이 회전통(12)은 그 외주부에 타이밍 풀리(14)를 구비하고 있다. 톱 링 헤드(16)에는 톱 링용 모터(18)가 고정되어 있고, 상기 타이밍 풀리(14)는, 타이밍 벨트(19)를 통해 톱 링용 모터(18)에 설치된 타이밍 풀리(20)에 접속되어 있다. 따라서, 톱 링용 모터(18)를 회전 구동함으로써 타이밍 풀리(20), 타이밍 벨트(19) 및 타이밍 풀리(14)를 통해 회전통(12) 및 톱 링 샤프트(11)가 일체로 회전하고, 톱 링(1)이 그 축심을 중심으로 하여 회전한다. 톱 링용 모터(18), 타이밍 풀리(20), 타이밍 벨트(19) 및 타이밍 풀리(14)는, 톱 링(1)을 그 축심을 중심으로 하여 회전시키는 회전 기구를 구성한다. 톱 링 헤드(16)는, 프레임(도시하지 않음)에 회전 가능하게 지지된 톱 링 헤드 샤프트(21)에 의해 지지되어 있다.
톱 링(1)은, 그 하면에 웨이퍼(W) 등의 기판을 보유 지지할 수 있도록 되어 있다. 톱 링 헤드(16)는 톱 링 헤드 샤프트(21)를 중심으로 하여 선회 가능하게 구성되어 있고, 하면에 웨이퍼(W)를 보유 지지한 톱 링(1)은, 톱 링 헤드(16)의 선회에 의해 웨이퍼(W)의 수취 위치로부터 연마 테이블(3)의 상방으로 이동된다. 그리고, 톱 링(1)을 하강시켜 웨이퍼(W)를 연마 패드(2)의 연마면(2a)에 압박한다. 이때, 톱 링(1) 및 연마 테이블(3)을 각각 회전시키고, 연마 테이블(3)의 상방에 설치된 연마액 공급 노즐(5)로부터 연마 패드(2) 상에 연마액을 공급한다. 이와 같이, 웨이퍼(W)를 연마 패드(2)의 연마면(2a)에 미끄럼 접촉시켜 웨이퍼(W)의 표면을 연마한다.
다음으로, 기판 보유 지지 장치를 구성하는 톱 링(1)에 대해 설명한다. 도 3은 톱 링(1)의 단면도이다. 도 3에 도시하는 바와 같이, 톱 링(1)은, 웨이퍼(W)를 보유 지지하고, 웨이퍼(W)를 연마면(2a)에 대해 압박하는 톱 링 본체(10)와, 웨이퍼(W)를 둘러싸도록 배치된 리테이너 링(40)을 구비하고 있다. 톱 링 본체(10) 및 리테이너 링(40)은, 톱 링 샤프트(11)의 회전에 의해 일체로 회전하도록 구성되어 있다. 리테이너 링(40)은, 톱 링 본체(10)에 대해 상대적으로 상하 이동 가능하게 구성되어 있다.
톱 링 본체(10)는, 원형의 플랜지(41)와, 플랜지(41)의 하면에 장착된 스페이서(42)와, 스페이서(42)의 하면에 장착된 캐리어(43)를 구비하고 있다. 플랜지(41)는, 톱 링 샤프트(11)에 연결되어 있다. 캐리어(43)는, 스페이서(42)를 통해 플랜지(41)에 연결되어 있고, 플랜지(41), 스페이서(42) 및 캐리어(43)는, 일체로 회전하고, 또한 상하 이동한다. 플랜지(41), 스페이서(42) 및 캐리어(43)로 구성되는 톱 링 본체(10)는, 엔지니어링 플라스틱(예를 들어, PEEK) 등의 수지에 의해 형성되어 있다. 또한, 플랜지(41)를 SUS, 알루미늄 등의 금속으로 형성해도 된다.
캐리어(43)의 하면에는, 웨이퍼(W)의 이면에 접촉하는 탄성막(45)이 장착되어 있다. 탄성막(45)의 하면이 기판 보유 지지면(45a)을 구성한다. 탄성막(45)은 환상의 격벽(45b)을 갖고 있고, 이들 격벽(45b)에 의해, 탄성막(45)과 톱 링 본체(10) 사이에 4개의 압력실, 즉, 센터실(50), 리플실(51), 아우터실(52) 및 에지실(53)이 형성되어 있다. 이들 압력실(50∼53)은 로터리 조인트(25)를 경유하여 압력 조정 장치(65)에 접속되어 있고, 압력 조정 장치(65)로부터 가압 유체가 공급되도록 되어 있다. 압력 조정 장치(65)는, 이들 4개의 압력실(50∼53) 내의 압력을 독립적으로 조정할 수 있도록 되어 있다. 또한, 압력 조정 장치(65)는, 압력실(50∼53) 내에 부압을 형성하는 것도 가능하게 되어 있다.
탄성막(45)은, 리플실(51) 또는 아우터실(52)에 대응하는 위치에 관통 구멍(도시하지 않음)을 갖고 있으며, 이 관통 구멍에 부압을 형성함으로써 톱 링(1)은 그 기판 보유 지지면(45a) 상에 웨이퍼(W)를 보유 지지할 수 있도록 되어 있다. 탄성막(45)은, 에틸렌프로필렌고무(EPDM), 폴리우레탄고무, 실리콘고무 등의 강도 및 내구성이 우수한 고무재에 의해 형성되어 있다. 센터실(50), 리플실(51), 아우터실(52) 및 에지실(53)은 대기 개방 기구(도시하지 않음)에도 접속되어 있고, 센터실(50), 리플실(51), 아우터실(52) 및 에지실(53)을 대기 개방하는 것도 가능하다.
리테이너 링(40)은, 톱 링 본체(10)의 캐리어(43) 및 탄성막(45)을 둘러싸도록 배치되어 있다. 이 리테이너 링(40)은, 연마 패드(2)의 연마면(2a)에 접촉하는 링 형상의 부재이다. 리테이너 링(40)은, 웨이퍼(W)의 외주연을 둘러싸도록 배치되어 있고, 웨이퍼(W)의 연마 중에 웨이퍼(W)가 톱 링(1)으로부터 튀어나오지 않도록 웨이퍼(W)를 보유 지지하고 있다.
리테이너 링(40)의 상면은 드라이브 링(81)에 고정되어 있다. 드라이브 링(81)의 상부는, 환상의 리테이너 링 압박 기구(60)에 연결되어 있고, 이 리테이너 링 압박 기구(60)는, 드라이브 링(81)을 통해 리테이너 링(40)의 상면의 전체에 균일한 하향의 하중을 부여하고, 이에 의해 리테이너 링(40)의 하면을 연마 패드(2)의 연마면(2a)에 대해 압박한다.
리테이너 링 압박 기구(60)는, 드라이브 링(81)의 상부에 고정된 환상의 피스톤(61)과, 피스톤(61)의 상면에 접속된 환상의 롤링 다이어프램(62)을 구비하고 있다. 롤링 다이어프램(62)의 내부에는 리테이너 링 압력실(63)이 형성되어 있다. 이 리테이너 링 압력실(63)은 로터리 조인트(25)를 경유하여 압력 조정 장치(65)에 접속되어 있다.
압력 조정 장치(65)로부터 리테이너 링 압력실(63)에 가압 유체(예를 들어, 가압 공기)를 공급하면, 롤링 다이어프램(62)이 피스톤(61)을 하방으로 압하하고, 또한, 피스톤(61)은 드라이브 링(81)을 통해 리테이너 링(40)의 전체를 하방으로 압하한다. 이와 같이 하여, 리테이너 링 압박 기구(60)는, 리테이너 링(40)의 하면을 연마 패드(2)의 연마면(2a)에 대해 압박한다. 또한, 압력 조정 장치(65)에 의해 리테이너 링 압력실(63) 내에 부압을 형성함으로써, 리테이너 링(40)의 전체를 상승시킬 수 있다. 리테이너 링 압력실(63)은 대기 개방 기구(도시하지 않음)에도 접속되어 있고, 리테이너 링 압력실(63)을 대기 개방하는 것도 가능하다.
드라이브 링(81)은, 리테이너 링 압박 기구(60)에 착탈 가능하게 연결되어 있다. 보다 구체적으로는, 피스톤(61)은 금속 등의 자성재로 형성되어 있고, 드라이브 링(81)의 상부에는 복수의 자석(70)이 배치되어 있다. 이들 자석(70)이 피스톤(61)을 끌어당김으로써, 드라이브 링(81)이 피스톤(61)에 자력에 의해 고정된다. 피스톤(61)의 자성재로서는, 예를 들어 내식성의 자성 스테인리스가 사용된다. 또한, 드라이브 링(81)을 자성재로 형성하고, 피스톤(61)에 자석을 배치해도 된다.
리테이너 링(40)은, 드라이브 링(81) 및 연결 부재(75)를 통해 구면 베어링(85)에 연결되어 있다. 이 구면 베어링(85)은, 리테이너 링(40)의 반경 방향 내측에 배치되어 있다. 도 4는 드라이브 링(81) 및 연결 부재(75)를 도시하는 평면도이다. 도 4에 도시하는 바와 같이, 연결 부재(75)는, 톱 링 본체(10)의 중심부에 배치된 축부(76)와, 이 축부(76)에 고정된 허브(77)와, 이 허브(77)로부터 방사상으로 연장되는 복수의 스포크(78)를 구비하고 있다.
스포크(78)의 한쪽의 단부는, 허브(77)에 고정되어 있고, 스포크(78)의 다른 쪽의 단부는, 드라이브 링(81)에 고정되어 있다. 허브(77)와, 스포크(78)와, 드라이브 링(81)은 일체로 형성되어 있다. 캐리어(43)에는, 복수 쌍의 구동 핀(80, 80)이 고정되어 있다. 각 쌍의 구동 핀(80, 80)은 각 스포크(78)의 양측에 배치되어 있고, 캐리어(43)의 회전은, 구동 핀(80, 80)을 통해 드라이브 링(81) 및 리테이너 링(40)에 전달되고, 이에 의해 톱 링 본체(10)와 리테이너 링(40)은 일체로 회전한다.
도 3에 도시하는 바와 같이, 축부(76)는 구면 베어링(85) 내를 종방향으로 연장되어 있다. 도 4에 도시하는 바와 같이, 캐리어(43)에는, 스포크(78)가 수용되는 복수의 방사상의 홈(43a)이 형성되어 있고, 각 스포크(78)는 각 홈(43a) 내에서 종방향으로 이동 가능하게 되어 있다. 연결 부재(75)의 축부(76)는, 톱 링 본체(10)의 중앙부에 배치된 구면 베어링(85)에 종방향으로 이동 가능하게 지지되어 있다. 이러한 구성에 의해, 연결 부재(75) 및 이것에 연결된 드라이브 링(81) 및 리테이너 링(40)은, 톱 링 본체(10)에 대해 종방향으로 이동 가능하게 되어 있다. 또한, 드라이브 링(81) 및 리테이너 링(40)은, 구면 베어링(85)에 의해 틸팅 가능하게 지지되어 있다.
도 5는 구면 베어링(85)을 도시하는 도면이다. 축부(76)는, 복수의 나사(79)에 의해 허브(77)에 고정되어 있다. 축부(76)에는 종방향으로 연장되는 관통 구멍(88)이 형성되어 있다. 이 관통 구멍(88)은 축부(76)가 구면 베어링(85)에 대해 종방향으로 이동할 때의 공기 배출 구멍으로서 작용하고, 이에 의해 리테이너 링(40)은 톱 링 본체(10)에 대해 종방향으로 원활하게 이동 가능하게 되어 있다.
구면 베어링(85)은, 환상의 내륜(101)과, 내륜(101)의 외주면을 미끄럼 이동 가능하게 지지하는 외륜(102)을 구비하고 있다. 내륜(101)은, 연결 부재(75)를 통해 드라이브 링(81) 및 리테이너 링(40)에 연결되어 있다. 외륜(102)은 지지 부재(103)에 고정되어 있고, 이 지지 부재(103)는 캐리어(43)에 고정되어 있다. 지지 부재(103)는 캐리어(43)의 오목부(43b) 내에 배치되어 있다.
내륜(101)의 외주면은, 상부 및 하부를 절결한 구면 형상을 갖고 있으며, 그 구면 형상의 중심점(지지점) O는, 내륜(101)의 중심에 위치하고 있다. 외륜(102)의 내주면은, 내륜(101)의 외주면을 따른 오목면으로 구성되어 있고, 외륜(102)은 내륜(101)을 미끄럼 이동 가능하게 지지하고 있다. 따라서, 내륜(101)은, 외륜(102)에 대해 전 방향(360°)으로 틸팅 가능하게 되어 있다.
내륜(101)의 내주면은, 축부(76)가 삽입되는 관통 구멍(101a)을 구성하고 있다. 축부(76)는 내륜(101)에 대해 종방향으로만 이동 가능하게 되어 있다. 따라서, 축부(76)에 연결된 리테이너 링(40)은, 횡방향으로 이동하는 것은 허용되지 않고, 리테이너 링(40)의 횡방향(수평 방향)의 위치는 구면 베어링(85)에 의해 고정된다. 구면 베어링(85)은, 웨이퍼의 연마 중에, 웨이퍼와 연마 패드(2)의 마찰에 기인하여 리테이너 링(40)이 웨이퍼로부터 받는 횡방향의 힘(웨이퍼의 반경 방향 외측을 향하는 힘)을 받으면서, 리테이너 링(40)의 횡방향의 이동을 제한하는[즉, 리테이너 링(40)의 수평 방향의 위치를 고정하는] 지지 기구로서 기능한다.
도 6의 (a)는 연결 부재(75)가 구면 베어링(85)에 대해 상하 이동하고 있는 모습을 도시하고, 도 6의 (b) 및 도 6의 (c)는 연결 부재(75)가 내륜(101)과 함께 틸팅하고 있는 모습을 도시하고 있다. 연결 부재(75)에 연결된 리테이너 링(40)은, 내륜(101)과 일체로 지지점 O를 중심으로 하여 틸팅 가능하고, 또한 내륜(101)에 대해 상하로 이동 가능하게 되어 있다.
도 7은 구면 베어링(85)의 다른 구성예를 나타내는 확대 단면도이다. 도 7에 도시하는 바와 같이, 구면 베어링(85)은, 연결 부재(75)를 통해 리테이너 링(40)에 연결된 중간륜(91)과, 중간륜(91)을 상부로부터 미끄럼 이동 가능하게 지지하는 외륜(92)과, 중간륜(91)을 하방으로부터 미끄럼 이동 가능하게 지지하는 내륜(93)을 구비하고 있다. 중간륜(91)은, 구각(球殼)의 상반부보다도 작은 부분 구각 형상을 갖고, 외륜(92)과 내륜(93) 사이에 끼워져 있다.
외륜(92)은 오목부(43b) 내에 배치되어 있다. 외륜(92)은, 그 외주부에 플랜지(92a)를 갖고 있으며, 이 플랜지(92a)를 오목부(43b)의 단차부에 볼트(도시하지 않음)에 의해 고정함으로써, 외륜(92)이 캐리어(43)에 고정됨과 함께, 중간륜(91) 및 내륜(93)에 압력을 가하는 것이 가능하게 되어 있다. 내륜(93)은 오목부(43b)의 저면 상에 배치되어 있고, 중간륜(91)의 하면과 오목부(43b)의 저면 사이에 간극이 형성되도록, 중간륜(91)을 하방으로부터 지지하고 있다.
외륜(92)의 내면(92b), 중간륜(91)의 외면(91a) 및 내면(91b), 및 내륜(93)의 외면(93a)은, 지지점 O를 중심으로 한 대략 반구면으로 구성되어 있다. 중간륜(91)의 외면(91a)은, 외륜(92)의 내면(92b)에 미끄럼 이동 가능하게 접촉하고, 중간륜(91)의 내면(91b)은, 내륜(93)의 외면(93a)에 미끄럼 이동 가능하게 접촉하고 있다. 외륜(92)의 내면(92b)(미끄럼 접촉면), 중간륜(91)의 외면(91a) 및 내면(91b)(미끄럼 접촉면), 및 내륜(93)의 외면(93a)(미끄럼 접촉면)은, 구면의 상반부보다도 작은 부분 구면 형상을 갖고 있다. 이러한 구성에 의해, 중간륜(91)은, 외륜(92) 및 내륜(93)에 대해 전 방향(360°)으로 틸팅 가능하고, 또한 틸팅 중심인 지지점 O는 구면 베어링(85)보다도 하방에 위치한다.
외륜(92), 중간륜(91) 및 내륜(93)에는, 축부(76)가 삽입되는 관통 구멍(92c, 91c, 93b)이 각각 형성되어 있다. 외륜(92)의 관통 구멍(92c)과 축부(76) 사이에는 간극이 형성되어 있고, 마찬가지로, 내륜(93)의 관통 구멍(93b)과 축부(76) 사이에는 간극이 형성되어 있다. 중간륜(91)의 관통 구멍(91c)은, 외륜(92) 및 내륜(93)의 관통 구멍(92c, 93b)보다도 작은 직경을 갖고 있으며, 축부(76)는 중간륜(91)에 대해 종방향으로만 이동 가능하게 되어 있다. 따라서, 축부(76)에 연결된 리테이너 링(40)은, 횡방향으로 이동하는 것은 실질적으로 허용되지 않고, 리테이너 링(40)의 횡방향(수평 방향)의 위치는 구면 베어링(85)에 의해 고정된다.
도 8의 (a)는 연결 부재(75)가 구면 베어링(85)에 대해 상하 이동하고 있는 모습을 도시하고, 도 8의 (b) 및 도 8의 (c)는 연결 부재(75)가 중간륜(91)과 함께 틸팅하고 있는 모습을 도시하고 있다. 도 8의 (a) 내지 도 8의 (c)에 도시하는 바와 같이, 연결 부재(75)에 연결된 리테이너 링(40)은, 중간륜(91)과 일체로 지지점 O를 중심으로 하여 틸팅 가능하고, 또한 중간륜(91)에 대해 상하로 이동 가능하게 되어 있다. 도 7에 도시하는 구면 베어링(85)은, 틸팅의 중심인 지지점 O가 리테이너 링(40)의 중심 축선 상에 있는 점에서는 도 5에 도시하는 구면 베어링(85)과 동일하지만, 도 7에 도시하는 지지점 O는 도 5에 도시하는 지지점 O보다도 낮은 위치에 있는 점에서 다르다. 도 7에 도시하는 구면 베어링(85)은, 지지점 O의 높이를 연마 패드(2)의 표면과 동일하거나, 그것보다도 낮게 할 수 있다.
도 9는 리테이너 링(40)의 사시도이며, 도 10은 리테이너 링(40)의 하면도이며, 도 11은 리테이너 링(40)의 측면도이다. 도 12의 (a)는 리테이너 링(40)의 일부를 도시하는 종단면도이며, 도 12의 (b)는 리테이너 링(40)의 일부를 도시하는 하면도이다. 리테이너 링(40)의 내주면의 직경, 즉, 리테이너 링(40)의 내경은 웨이퍼의 직경보다도 약간 크다. 보다 구체적으로는, 리테이너 링(40)의 내주면의 직경은, 웨이퍼의 직경보다도 0.5㎜∼3㎜, 바람직하게는 1㎜∼2㎜만큼 크다.
리테이너 링(40)은, 원환부(121)와, 이 원환부(121)의 내주 단부로부터 하방으로 연장되는 환상의 패드 압박부(122)를 구비하고 있다. 이들 원환부(121)와 패드 압박부(122)는, 동일한 재료로부터 일체로 형성되어 있다. 패드 압박부(122)는, 톱 링 본체(10)의 탄성막(45)(도 3 참조)에 보유 지지된 웨이퍼를 둘러싸도록 배치되어 있다. 패드 압박부(122)의 폭[즉, 리테이너 링(40)의 반경 방향에 있어서의 패드 압박부(122)의 폭]은, 원환부(121)의 폭보다도 작다. 구체적으로는, 패드 압박부(122)의 폭은, 3㎜ 이상, 7.5㎜ 이하이며, 보다 바람직하게는, 3㎜ 이상, 5㎜ 이하이다. 패드 압박부(122)의 높이는, 그 폭과 동일하거나, 또는 그 폭보다도 크다.
패드 압박부(122)의 하면은, 연마 패드(2)에 접촉하는 패드 접촉면(40a)이다. 즉, 웨이퍼의 연마 중에는, 패드 압박부(122)의 패드 접촉면(40a)이 연마 패드(2)에 가압된다. 패드 접촉면(40a)에는, 리테이너 링(40)의 반경 방향으로 연장되는 복수의 레이디얼 홈(123)이 형성되어 있다. 이들 레이디얼 홈(123)은, 연마 패드(2) 상에 공급된 연마액을 리테이너 링(40)의 내측으로부터 외측으로, 및 외측으로부터 내측으로 흐르는 것을 허용한다. 일례로서, 각 레이디얼 홈(123)의 폭은 4㎜이다.
리테이너 링(40)에는, 그 둘레 방향을 따라 복수의 구멍(124)이 형성되어 있다[도 12의 (a)에서는 1개의 구멍(124)만을 도시함]. 보다 구체적으로는, 이들 구멍(124)은, 리테이너 링(40)의 원환부(121)의 상면에 형성되어 있다. 도 3에 도시하는 바와 같이, 드라이브 링(81)의 하부에는 스테인리스제의 복수의 보강 핀(82)이 고정되어 있고, 이들 보강 핀(82)은, 리테이너 링(40)의 복수의 구멍(124)에 각각 삽입되어 있다. 리테이너 링(40)의 강도는 이들 보강 핀(82)에 의해 보강되어 있다.
종래의 리테이너 링의 폭은, 약 15㎜이다. 이에 반해, 본 실시 형태에 관한 리테이너 링(40)의 폭은, 3㎜∼7.5㎜이다. 이와 같이 패드 압박부(122)의 폭이 작으므로, 패드 압박부(122)에는 그 형상의 자기 수복 기능이 구비된다. 이 자기 수복 기능에 대해, 도 13의 (a) 내지 도 13의 (d)를 참조하여 설명한다. 도 13의 (a) 내지 도 13의 (d)는, 패드 압박부(122)가 연마 패드(2)와의 미끄럼 접촉에 의해 마모되는 모습을 도시하는 도면이다. 초기 상태의 패드 압박부(122)는, 도 13의 (a)에 도시하는 바와 같이, 직사각 형상의 종단면을 갖고 있다. 패드 압박부(122)가 연마 패드(2)에 미끄럼 접촉되면, 패드 압박부(122)가 마모되고, 도 13의 (b)에 도시하는 바와 같이, 패드 압박부(122)의 내측 에지와 외측 에지가 둥글게 됨과 함께, 패드 접촉면(40a)의 면적이 작아진다. 패드 압박부(122)의 마모가 더욱 진행되면, 도 13의 (c)에 도시하는 바와 같이, 패드 접촉면(40a)의 면적이 더욱 작아진다.
리테이너 링(40)에 가해지는 하향의 하중이 일정한 조건하에서는, 패드 접촉면(40a)의 면적이 작아짐에 따라, 패드 접촉면(40a)의 압력은 증가한다. 결과적으로, 도 13의 (d)에 도시하는 바와 같이, 패드 접촉면(40a)의 면적이 증가하는 방향으로 패드 압박부(122)가 마모된다. 이러한 패드 접촉면(40a)의 압력과 면적의 미소한 변동을 반복하면서, 패드 압박부(122)의 형상은 대략 일정하게 유지된다. 따라서, 폭이 좁은 패드 압박부(122)를 갖는 리테이너 링(40)은, 웨이퍼의 에지부에서의 연마 레이트를 안정시킬 수 있다.
패드 압박부(122)의 폭의 하한값인 3㎜는, 패드 압박부(122)의 기계적 강도에 기초하여 결정된다. 도 14는 패드 압박부(122)의 폭과, 패드 압박부(122)의 변형량의 관계를 조사한 구조 해석 결과를 나타내는 그래프이다. 도 14에 있어서, 횡축은 패드 압박부(122)의 폭을 나타내고, 종축은 패드 압박부(122)의 횡방향으로의 최대 변형량(계산값)을 나타내고 있다. 패드 압박부(122)의 폭이 1㎜, 2㎜, 3㎜, 4㎜, 5㎜인 5개의 리테이너 링에 대해 구조 해석을 행하였다. 구체적으로는, 연마 시에 리테이너 링이 웨이퍼로부터 받는 힘을 리테이너 링 측면에 가한다고 하는 조건하에서, 패드 압박부(122)의 횡방향으로의 변형량을 계산하였다. 구조 해석에 사용한 리테이너 링의 재료는, 폴리페닐렌술피드였다.
패드 압박부(122)의 폭이 1㎜인 경우, 패드 압박부(122)의 변형량이 지나치게 커서, 그 계산을 할 수 없었다. 패드 압박부(122)의 폭이 2㎜인 경우, 패드 압박부(122)의 변형량이 컸다. 패드 압박부(122)의 폭이 3㎜ 이상인 경우, 패드 압박부(122)의 변형량이 작았다. 특히, 그래프로부터, 폭이 3㎜보다도 작으면 패드 압박부(122)의 변형량이 커지는 것을 알 수 있다. 이 구조 해석 결과로부터, 패드 압박부(122)의 폭의 하한값은 3㎜로 결정되었다.
도 15는 종래의 폭이 넓은 리테이너 링을 사용하여 복수의 웨이퍼를 연마하였을 때의 리테이너 링의 표면 형상을 나타내는 그래프이다. 도 15에 있어서, 종축은 리테이너 링의 패드 접촉면의 레벨(상하 방향의 위치)을 나타내고 있고, 종축을 따라 하방을 향할수록, 패드 접촉면의 연마 패드로부터의 거리가 큰 것을 나타내고 있다. 도 15의 횡축은, 패드 접촉면의 레벨의 측정점의 위치를 나타내고 있다. 레벨 측정점은, 리테이너 링의 반경 방향을 따라 배열되어 있다.
도 15로부터 알 수 있는 바와 같이, 종래의 리테이너 링에서는, 그 내주면(웨이퍼 보유 지지면)으로부터 외측으로 확대되는 폭 7㎜의 영역에서는, 패드 접촉면이 크게 마모되어 있다. 이와 같이 패드 접촉면의 내측 영역이 크게 마모되면, 리테이너 링은 웨이퍼의 에지부를 따라 연마 패드를 압박할 수 없고, 그 결과, 웨이퍼의 에지부의 연마 레이트가 상승해 버린다.
도 16은 폭 5㎜의 패드 압박부(122)를 갖는 본 실시 형태의 리테이너 링(40)을 사용하여 복수의 웨이퍼를 연마하였을 때의 리테이너 링(40)의 표면 형상을 나타내는 그래프이다. 도 16으로부터, 복수의 웨이퍼를 연마한 경우라도, 리테이너 링(40)의 패드 접촉면(40a)의 내측 영역은, 도 15에 나타내는 종래의 리테이너 링과 같이 크게 마모되어 있지 않은 것을 알 수 있다. 보다 구체적으로는, 패드 압박부(122)의 내주면(웨이퍼 보유 지지면)으로부터 3㎜의 영역에서는, 그 밖의 영역에 비해 크게는 마모되어 있지 않다. 따라서, 폭 5㎜의 패드 압박부(122)를 갖는 본 실시 형태의 리테이너 링(40)은, 패드 압박부(122)의 내주면(웨이퍼 보유 지지면)으로부터 3㎜의 영역을 가압할 수 있다. 도 16으로부터 알 수 있는 바와 같이, 복수의 웨이퍼를 연마한 경우라도, 패드 접촉면(40a)의 형상은 그다지 변화하고 있지 않다. 따라서, 리테이너 링(40)은, 웨이퍼의 에지부를 따라 연마 패드(2)를 양호하게 압박할 수 있다. 결과적으로, 웨이퍼의 에지부의 연마 레이트는 그다지 상승하지 않고, 웨이퍼의 에지부에 있어서 양호한 프로파일을 실현할 수 있다. 즉, 복수의 웨이퍼를 연속 연마한 경우라도, 안정적으로, 웨이퍼의 에지부에 있어서 양호한 프로파일을 실현할 수 있다.
도 17은 폭 7.5㎜의 패드 압박부(122)를 갖는 본 실시 형태의 리테이너 링(40)을 사용하여 복수의 웨이퍼를 연마하였을 때의 리테이너 링(40)의 표면 형상을 나타내는 그래프이다. 도 17로부터 알 수 있는 바와 같이, 리테이너 링(40)은, 패드 압박부(122)의 내주면(웨이퍼 보유 지지면)으로부터 5㎜의 영역에서는, 그 밖의 영역에 비해 크게는 마모되어 있지 않다. 바꿔 말하면, 폭 7.5㎜의 패드 압박부(122)를 갖는 본 실시 형태의 리테이너 링(40)은, 패드 압박부(122)의 내주면(웨이퍼 보유 지지면)으로부터 5㎜의 영역을 가압할 수 있다. 결과적으로, 웨이퍼의 에지부의 연마 레이트는 그다지 상승하지 않고, 웨이퍼의 에지부에 있어서 양호한 프로파일을 실현할 수 있다. 즉, 복수의 웨이퍼를 연속 연마한 경우라도, 안정적으로, 웨이퍼의 에지부에 있어서 양호한 프로파일을 실현할 수 있다.
도 18은 패드 압박부(122)를 갖는 본 실시 형태의 리테이너 링(40)의 다른 실시 형태를 나타내는 단면도이다. 이 실시 형태의 패드 압박부(122)는, 5㎜ 이상, 7.5㎜ 이하의 폭을 갖고 있다. 연마 패드(2)에 접촉하는 패드 접촉면(40a)은, 하방으로 돌출되는 단면 형상을 갖고 있으며, 이 패드 접촉면(40a)의 최하점은, 패드 압박부(122)의 내주면으로부터 3㎜∼5㎜의 범위 내에 위치하고 있다. 바꿔 말하면, 패드 압박부(122)의 폭에 대한, 패드 압박부(122)의 내주면으로부터 패드 접촉면(40a)의 최하점까지의 거리의 비는, 3/5∼2/3의 범위 내에 있다. 이러한 형상의 리테이너 링(40)은, 도 16 및 도 17에서 나타낸 바와 같이, 패드 압박부(122)의 내주면(웨이퍼 보유 지지면)으로부터 가까운 영역을 가압할 수 있다. 결과적으로, 웨이퍼의 에지부의 연마 레이트는 그다지 상승하지 않고, 웨이퍼의 에지부에 있어서 양호한 프로파일을 실현할 수 있다.
상술한 실시 형태에 관한 기판 보유 지지 장치는, 쉘로우·트렌치·아이솔레이션(STI) 공정 등의 반도체 디바이스 제조 공정에 적합하게 사용할 수 있다.
연마 패드(2)는, 발포 폴리우레탄으로 이루어지는 상층과, 부직포로 이루어지는 하층을 포함하는 적층 구조를 갖고 있다. 상층은, 4000hPa 내지 12000hPa로 압박되었을 때의 탄성률이 약 50㎫ 내지 100㎫인 고균일한 미소 발포 구조를 갖고, 하층은, 2500hPa 내지 4500hPa로 압박되었을 때의 탄성률이 약 1.5㎫ 내지 2.5㎫인 연속 발포 구조를 갖는다. 이러한 연마 패드(22)에 리테이너 링(40)을 가압하면, 리테이너 링(40)이 연마 패드(22)에 침강하고, 리테이너 링(40)의 테두리부의 면압이 상승하고, 이 테두리부가 크게 마모되어 버린다. 따라서, 상기한 재료 특성의 연마 패드(22)를 사용하는 경우에는, 패드 압박부(122)의 폭이 3㎜ 이상 7.5㎜ 이하인 리테이너 링(40)이 유효해진다.
웨이퍼 연마 시에 있어서의 연마 조건은, 연마 패드(2)의 표면으로부터의 리테이너 링(40)의 지지점 높이가 －10㎜ 내지 ＋50㎜이다. 리테이너 링(40)의 지지점 높이가 변화하면, 리테이너 링(40)의 자세가 변화하므로 리테이너 링(40)의 테두리부의 마모 형상에 영향을 미친다. 이러한 경우도, 패드 압박부(122)의 폭이 3㎜ 이상 7.5㎜ 이하인 리테이너 링(40)이 유효해진다. 톱 링(1)과 도시하지 않은 웨이퍼 전달 기구(기판 전달 기구) 사이에서 웨이퍼를 전달할 때에, 리테이너 링(40)의 외주면은, 이 웨이퍼 전달 기구를 가이드하는 가이드면으로서 기능한다.
쉘로우·트렌치·아이솔레이션(STI) 공정의 일부에 있어서, 리테이너 링(40)의 패드 접촉면의 면적이 그다지 변화하지 않는, 패드 압박부(122)의 폭이 3㎜ 이상 7.5㎜ 이하인 리테이너 링(40)이 유효해진다.
지금까지 본 발명의 일 실시 형태에 대해 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되지 않고, 그 기술적 사상의 범위 내에 있어서 여러 가지 다른 형태로 실시되어도 되는 것은 물론이다.
1 : 톱 링
2 : 연마 패드
3 : 연마 테이블
5 : 연마액 공급 노즐
7 : 막 두께 센서
9 : 연마 제어부
10 : 톱 링 본체
11 : 톱 링 샤프트
12 : 회전통
13 : 모터
14 : 상하 이동 기구
16 : 톱 링 헤드
20 : 타이밍 풀리
21 : 톱 링 헤드 샤프트
25 : 로터리 조인트
26 : 베어링
27 : 상하 이동 기구
28 : 브리지
29 : 지지대
30 : 지주
32 : 볼 나사
38 : 서보 모터
40 : 리테이너 링
41 : 플랜지
42 : 스페이서
43 : 캐리어
45 : 탄성막
45a : 기판 보유 지지면
50∼53 : 압력실
60 : 리테이너 링 압박 기구
61 : 피스톤
62 : 롤링 다이어프램
63 : 리테이너 링 압력실
65 : 압력 조정 장치
70 : 자석
75 : 연결 부재
76 : 축부
77 : 허브
78 : 스포크
79 : 나사
80 : 구동 핀
81 : 드라이브 링
82 : 보강 핀
85 : 구면 베어링
88 : 관통 구멍
91 : 중간륜
92, 102 : 외륜
93, 101 : 내륜
121 : 원환부
122 : 패드 압박부
123 : 레이디얼 홈
124 : 구멍

Claims (31)

  1. 기판을 연마 패드에 가압하기 위한 기판 보유 지지 장치이며,
    상기 기판을 보유 지지하는 톱 링 본체와,
    상기 기판 보유 지지 장치의 가장 외측의 노출면의 최하부를 구성하는 외주면을 갖는 단일의 리테이너 링을 구비하고,
    상기 단일의 리테이너 링은, 원환부와, 상기 연마 패드에 접촉하는 환상의 패드 압박부를 구비하고,
    상기 패드 압박부는, 기판 보유 지지면을 구성하는 내주면을 갖고 있으며,
    상기 패드 압박부는, 상기 원환부의 내주 단부로부터 하방으로 연장되어 있고,
    상기 패드 압박부의 폭은, 상기 원환부의 폭보다도 작고,
    상기 패드 압박부는, 3㎜ 이상, 7.5㎜ 이하의 폭을 갖는 것을 특징으로 하는, 기판 보유 지지 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 패드 압박부는, 3㎜ 이상, 5㎜ 이하의 폭을 갖는 것을 특징으로 하는, 기판 보유 지지 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 패드 압박부는, 5㎜ 이상, 7.5㎜ 이하의 폭을 갖고,
    상기 패드 압박부는, 상기 연마 패드에 접촉하는 패드 접촉면을 갖고,
    상기 패드 접촉면은, 하방으로 돌출되는 단면 형상을 갖고,
    상기 패드 접촉면의 최하점은, 상기 패드 압박부의 상기 내주면으로부터 3㎜∼5㎜의 범위 내에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는, 기판 보유 지지 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 패드 압박부는, 상기 폭 이상의 높이를 갖는 것을 특징으로 하는, 기판 보유 지지 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 패드 압박부의 하면에는, 상기 리테이너 링의 반경 방향으로 연장되는 복수의 레이디얼 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 기판 보유 지지 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    드라이브 링과,
    상기 드라이브 링에 고정된 복수의 보강 핀을 구비하고,
    상기 복수의 보강 핀은 상기 리테이너 링에 형성된 복수의 구멍에 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는, 기판 보유 지지 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 톱 링 본체의 중앙부에 배치된, 상기 리테이너 링을 지지하는 구면 베어링을 더 구비한 것을 특징으로 하는 기판 보유 지지 장치.
  8. 기판을 연마 패드에 가압하기 위한 기판 보유 지지 장치이며,
    상기 기판을 보유 지지하는 톱 링 본체와,
    상기 기판 보유 지지 장치의 가장 외측의 노출면의 최하부를 구성하는 외주면을 갖는 단일의 리테이너 링을 구비하고,
    상기 단일의 리테이너 링은, 원환부와, 상기 연마 패드에 접촉하는 환상의 패드 압박부를 구비하고,
    상기 패드 압박부는, 상기 원환부의 내주 단부로부터 하방으로 연장되어 있고,
    상기 패드 압박부의 폭은, 상기 원환부의 폭보다도 작고,
    상기 패드 압박부는, 5㎜ 이상, 7.5㎜ 이하의 폭을 갖고,
    상기 패드 압박부는, 상기 연마 패드에 접촉하는 패드 접촉면을 갖고,
    상기 패드 접촉면은, 하방으로 돌출되는 단면 형상을 갖고,
    상기 패드 압박부의 폭에 대한, 상기 패드 압박부의 내주면으로부터 상기 패드 접촉면의 최하점까지의 거리의 비는, 3/5∼2/3의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는, 기판 보유 지지 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    드라이브 링과,
    상기 드라이브 링에 고정된 복수의 보강 핀을 구비하고,
    상기 복수의 보강 핀은 상기 리테이너 링에 형성된 복수의 구멍에 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는, 기판 보유 지지 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 톱 링 본체의 중앙부에 배치된, 상기 리테이너 링을 지지하는 구면 베어링을 더 구비한 것을 특징으로 하는, 기판 보유 지지 장치.
  11. 연마 패드를 지지하기 위한 연마 테이블과,
    기판을 보유 지지하여, 상기 기판을 상기 연마 패드에 가압하는 기판 보유 지지 장치와,
    상기 연마 패드 상에 연마액을 공급하는 연마액 공급 노즐을 구비한 연마 장치이며,
    상기 기판 보유 지지 장치는, 상기 기판을 보유 지지하는 톱 링 본체와, 상기 기판 보유 지지 장치의 가장 외측의 노출면의 최하부를 구성하는 외주면을 갖는 단일의 리테이너 링을 구비하고,
    상기 단일의 리테이너 링은, 원환부와, 상기 연마 패드에 접촉하는 환상의 패드 압박부를 구비하고,
    상기 패드 압박부는, 기판 보유 지지면을 구성하는 내주면을 갖고 있으며,
    상기 패드 압박부는, 상기 원환부의 내주 단부로부터 하방으로 연장되어 있고,
    상기 패드 압박부의 폭은, 상기 원환부의 폭보다도 작고,
    상기 패드 압박부는, 3㎜ 이상, 7.5㎜ 이하의 폭을 갖는 것을 특징으로 하는, 연마 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 패드 압박부는, 3㎜ 이상, 5㎜ 이하의 폭을 갖는 것을 특징으로 하는, 연마 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 패드 압박부는, 5㎜ 이상, 7.5㎜ 이하의 폭을 갖고,
    상기 패드 압박부는, 상기 연마 패드에 접촉하는 패드 접촉면을 갖고,
    상기 패드 접촉면은, 하방으로 돌출되는 단면 형상을 갖고,
    상기 패드 접촉면의 최하점은, 상기 패드 압박부의 상기 내주면으로부터 3㎜∼5㎜의 범위 내에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는, 연마 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 패드 압박부의 하면에는, 상기 리테이너 링의 반경 방향으로 연장되는 복수의 레이디얼 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 연마 장치.
  15. 제11항에 있어서, 상기 패드 압박부는, 상기 폭 이상의 높이를 갖는 것을 특징으로 하는, 연마 장치.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 기판 보유 지지 장치는,
    드라이브 링과,
    상기 드라이브 링에 고정된 복수의 보강 핀을 구비하고,
    상기 복수의 보강 핀은 상기 리테이너 링에 형성된 복수의 구멍에 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는, 연마 장치.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 기판 보유 지지 장치는, 상기 톱 링 본체의 중앙부에 배치된, 상기 리테이너 링을 지지하는 구면 베어링을 더 구비한 것을 특징으로 하는, 연마 장치.
  18. 연마 패드를 지지하기 위한 연마 테이블과,
    기판을 보유 지지하여, 상기 기판을 상기 연마 패드에 가압하는 기판 보유 지지 장치와,
    상기 연마 패드 상에 연마액을 공급하는 연마액 공급 노즐을 구비한 연마 장치이며,
    상기 기판 보유 지지 장치는, 상기 기판을 보유 지지하는 톱 링 본체와, 상기 기판 보유 지지 장치의 가장 외측의 노출면의 최하부를 구성하는 외주면을 갖는 단일의 리테이너 링을 구비하고,
    상기 단일의 리테이너 링은, 원환부와, 상기 연마 패드에 접촉하는 환상의 패드 압박부를 구비하고,
    상기 패드 압박부는, 상기 원환부의 내주 단부로부터 하방으로 연장되어 있고,
    상기 패드 압박부의 폭은, 상기 원환부의 폭보다도 작고,
    상기 패드 압박부는, 5㎜ 이상, 7.5㎜ 이하의 폭을 갖고,
    상기 패드 압박부는, 상기 연마 패드에 접촉하는 패드 접촉면을 갖고,
    상기 패드 접촉면은, 하방으로 돌출되는 단면 형상을 갖고,
    상기 패드 압박부의 폭에 대한, 상기 패드 압박부의 내주면으로부터 상기 패드 접촉면의 최하점까지의 거리의 비는, 3/5∼2/3의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는, 연마 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 기판 보유 지지 장치는,
    드라이브 링과,
    상기 드라이브 링에 고정된 복수의 보강 핀을 구비하고,
    상기 복수의 보강 핀은 상기 리테이너 링에 형성된 복수의 구멍에 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는, 연마 장치.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 기판 보유 지지 장치는, 상기 톱 링 본체의 중앙부에 배치된, 상기 리테이너 링을 지지하는 구면 베어링을 더 구비한 것을 특징으로 하는, 연마 장치.
  21. 연마 패드와 함께 연마 테이블을 회전시키고,
    상기 연마 패드 상에 연마액을 공급하고,
    기판을 보유 지지하는 톱 링 본체와, 기판 보유 지지 장치의 가장 외측의 노출면의 최하부를 구성하는 외주면을 갖는 단일의 리테이너 링과, 상기 톱 링 본체의 중앙부에 배치된, 상기 리테이너 링을 지지하는 구면 베어링을 구비한 상기 기판 보유 지지 장치에서 기판을 보유 지지하고,
    기판을 상기 연마 패드에 가압하면서, 3㎜ 이상, 7.5㎜ 이하의 폭을 갖는 환상의 패드 압박부만으로 상기 기판을 둘러싸면서 상기 패드 압박부를 상기 연마 패드에 가압하는 공정을 포함하고,
    상기 패드 압박부는 기판 보유 지지면을 구성하는 내주면을 갖고 있는 것을 특징으로 하는, 연마 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 패드 압박부는, 3㎜ 이상, 5㎜ 이하의 폭을 갖는 것을 특징으로 하는, 연마 방법.
  23. 제21항에 있어서, 상기 패드 압박부는, 상기 폭 이상의 높이를 갖는 것을 특징으로 하는, 연마 방법.
  24. 기판을 연마 패드에 가압하기 위한 기판 보유 지지 장치에 사용되는 리테이너 링이며,
    원환부와,
    상기 연마 패드에 접촉하는 환상의 패드 압박부를 구비하고,
    상기 패드 압박부는 기판 보유 지지면을 구성하는 내주면을 갖고 있으며,
    상기 패드 압박부는, 상기 원환부의 내주 단부로부터 하방으로 연장되어 있고,
    상기 패드 압박부의 폭은, 상기 원환부의 폭보다도 작고,
    상기 패드 압박부는, 3㎜ 이상, 7.5㎜ 이하의 폭을 갖고 있으며,
    상기 리테이너 링은, 복수의 보강 핀이 삽입되는 복수의 구멍을 갖는 것을 특징으로 하는, 리테이너 링.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 패드 압박부는, 3㎜ 이상, 5㎜ 이하의 폭을 갖는 것을 특징으로 하는, 리테이너 링.
  26. 제24항에 있어서,
    상기 패드 압박부는, 5㎜ 이상, 7.5㎜ 이하의 폭을 갖고,
    상기 패드 압박부는, 상기 연마 패드에 접촉하는 패드 접촉면을 갖고,
    상기 패드 접촉면은, 하방으로 돌출되는 단면 형상을 갖고,
    상기 패드 접촉면의 최하점은, 상기 패드 압박부의 상기 내주면으로부터 3㎜∼5㎜의 범위 내에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는, 리테이너 링.
  27. 제24항에 있어서,
    상기 패드 압박부의 하면에는, 상기 리테이너 링의 반경 방향으로 연장되는 복수의 레이디얼 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 리테이너 링.
  28. 제24항에 있어서,
    상기 패드 압박부는, 상기 폭 이상의 높이를 갖는 것을 특징으로 하는, 리테이너 링.
  29. 제24항에 있어서,
    상기 패드 압박부는, 상기 폭과 동일한 높이를 갖는 것을 특징으로 하는, 리테이너 링.
  30. 기판을 연마 패드에 가압하기 위한 기판 보유 지지 장치에 사용되는 리테이너 링이며,
    원환부와,
    상기 연마 패드에 접촉하는 환상의 패드 압박부를 구비하고,
    상기 패드 압박부는, 상기 원환부의 내주 단부로부터 하방으로 연장되어 있고,
    상기 패드 압박부의 폭은, 상기 원환부의 폭보다도 작고,
    상기 리테이너 링은, 복수의 보강 핀이 삽입되는 복수의 구멍을 갖고,
    상기 패드 압박부는, 5㎜ 이상, 7.5㎜ 이하의 폭을 갖고,
    상기 패드 압박부는, 상기 연마 패드에 접촉하는 패드 접촉면을 갖고,
    상기 패드 접촉면은, 하방으로 돌출되는 단면 형상을 갖고,
    상기 패드 압박부의 폭에 대한, 상기 패드 압박부의 내주면으로부터 상기 패드 접촉면의 최하점까지의 거리의 비는, 3/5∼2/3의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는, 리테이너 링.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 패드 압박부는, 상기 폭과 동일한 높이를 갖는 것을 특징으로 하는, 리테이너 링.
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