KR20140063426A - 기판 보유 지지 장치 및 연마 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 과제는, 톱 링을 상하로 구동시키는 기구의 손실 토크의 경시 변화분을 검출하고, 이 손실 토크의 경시 변화분을 이용하여 패드 서치시의 기준으로 되는 토크 제한값을 보정함으로써, 패드 서치시에 연마 패드의 표면의 높이를 정확하게 파악할 수 있는 기판 보유 지지 장치를 제공하는 것이다.
기판을 보유 지지하는 톱 링(1)을 상하 구동시키는 상하 구동 기구(24)와, 상하 구동 기구(24)에 의해 톱 링(1)을 하강시키고 있을 때, 또는 상승시키고 있을 때의 상하 구동 기구의 토크를 검출하는 토크 검출 수단과, 패드 서치시에 있어서 톱 링(1)이 연마 패드(101)의 표면에 접촉할 때의 상하 구동 기구(24)의 토크를 토크 제한값으로서 미리 설정하고 있는 제어부(40)를 구비하고, 제어부(40)는, 토크 검출 수단에 의해 검출된 토크와 미리 설정된 기준값으로부터 토크 보정량을 산출하고, 토크 보정량을 이용하여 토크 제한값을 보정한다.

Description

기판 보유 지지 장치 및 연마 장치{SUBSTRATE HOLDING APPARATUS AND POLISHING APPARATUS}
본 발명은, 연마 대상물인 기판을 보유 지지하여 연마 패드(연마면)에 압박하는 기판 보유 지지 장치에 관한 것으로, 특히, 반도체 웨이퍼 등의 기판을 연마하여 평탄화하는 연마 장치에 있어서 기판을 보유 지지하는 기판 보유 지지 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 이러한 기판 장치를 구비한 연마 장치에 관한 것이다.
최근, 반도체 디바이스의 고집적화ㆍ고밀도화에 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, 배선 층수가 증가함에 따라서, 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 이하로 들어가도록 반도체 디바이스 표면을 평탄화 처리할 필요가 있다.
따라서, 반도체 디바이스의 제조 공정에 있어서는, 반도체 디바이스 표면의 평탄화 기술이 점점 중요해지고 있다. 이 평탄화 기술 중, 가장 중요한 기술은, 화학적 기계 연마[CMP(Chemical Mechanical Polishing)]이다. 이 화학적 기계적 연마는, 연마 장치를 이용하여, 실리카(SiO2) 등의 지립을 포함한 연마액을 연마 패드의 연마면 상에 공급하면서 반도체 웨이퍼 등의 기판을 연마면에 미끄럼 접촉시켜 연마를 행하는 것이다.
이러한 종류의 연마 장치는, 연마 패드로 이루어지는 연마면을 갖는 연마 테이블과, 반도체 웨이퍼 등의 기판을 보유 지지하기 위한 톱 링 또는 연마 헤드 등이라 칭해지는 기판 보유 지지 장치를 구비하고 있다. 이러한 연마 장치를 이용하여 기판의 연마를 행하는 경우에는, 기판 보유 지지 장치에 의해 기판을 보유 지지하면서, 이 기판을 연마 패드의 연마면에 대해 소정의 압력으로 압박한다. 이때, 연마 테이블과 기판 보유 지지 장치를 상대 운동시킴으로써 기판이 연마면에 미끄럼 접촉하여, 기판의 표면이 평탄하고 또한 경면으로 연마된다.
이러한 연마 장치에 있어서, 연마 중의 기판과 연마 패드의 연마면 사이의 상대적인 압박력이 기판의 전체면에 걸쳐 균일하지 않은 경우에는, 기판의 각 부분에 인가되는 압박력에 따라서 연마 부족이나 과연마가 발생해 버린다. 그로 인해, 기판 보유 지지 장치의 기판의 보유 지지면을 고무 등의 탄성막으로 이루어지는 멤브레인으로 형성하고, 멤브레인의 이면측에 압력 유체가 공급되는 복수의 압력실을 형성하고, 압력실에 공기압 등의 유체압을 가하여, 기판에 인가하는 압박력을 전체면에 걸쳐 균일화하는 것도 행해지고 있다.
상술한 연마 장치에 있어서, 수지제의 연마 패드를 이용하여 연마를 행한 경우, 드레싱이나 연마 시간의 경과와 함께 연마 패드가 마모된다. 이 경우에 있어서, 톱 링에 보유 지지된 반도체 웨이퍼의 면압 분포가 변화되지 않도록 하기 위해서는, 연마시의 톱 링과 연마 패드의 거리를 일정하게 유지할 필요가 있다.
제품 처리시는, 미리 패드 서치라 칭하는 연마 기준 높이 위치를 구하는 기능ㆍ행위에 의해 구한, 톱 링에 의해 보유 지지한 기판과 연마 패드의 접촉 위치(높이)까지 서보 모터로 톱 링을 이동시키고, 그 접촉 위치(높이)에서 위치 결정 제어된 상태에서 연마한다. 톱 링을 그 접촉 위치(높이)로부터 연마 패드와 멤브레인 사이의 간극만큼, 톱 링을 위로 올린 위치에서 위치 결정 제어된 상태에서 연마하는 경우도 있다.
이 접촉 위치를 구하는 패드 서치 작업은, 예를 들어 연마 패드가 탄성체이고 또한 요철이 있으므로, 측장기 등으로 단순히 거리를 측정하여 접촉 위치를 구하면 오차가 큰 경우가 있다. 그로 인해, 톱 링을 상승 위치로부터 하강시켜, 연마 테이블측과의 접촉력을 검출하여 접촉 위치를 구하는 작업을 행하고 있다. 접촉력은, 톱 링을 승강시키는 위치 결정 기구의 서보 모터 출력 토크(출력 전류)를 모니터링하고 있다.
패드 서치라 칭하는 기능ㆍ행위는, 기판을 보유 지지한 톱 링을 어느 기준 높이(예를 들어, 수평 방향의 반송 높이)로부터 연마 패드와의 접촉 위치(높이)를 구하는 기능이다. 이 기능을 실시할 때, 미리 구해 둔 토크 제한값을 설정하고, 연마 패드와 접촉하여 토크 제한값에 도달하는 모터 토크값으로 된 위치에서 톱 링을 정지시켜, 그 위치를 연마할 때의 기준 위치(높이)로 설정한다.
패드 서치 작업을 더욱 상세하게 서술하면, 패드 서치시의 토크 제한값은 미리 구해 둔다. 그것을 구하는 방법은, 예를 들어 우선, 설계값으로부터 토크 제한값의 초기값을 설정한다. 그리고, 연마 패드를 부착하는 연마 테이블 상에 로드셀을 배치하고, 설정한 토크 제한값(초기값)에 도달할 때까지 톱 링을 하강시켜, 톱 링축의 하강 추력을 로드셀로 계측함으로써, 토크 제한값과 추력의 관계를 구한다. 즉, 기준(설계) 추력(일정 폭을 갖는 값)에 대해 추력의 계측값이 크면, 토크 제한값을 작게 하고, 다시 동일한 측정을 실시한다. 반대로, 기준(설계) 추력(일정 폭을 갖는 값)에 대해 계측값이 작으면, 토크 제한값을 크게 하고, 동일한 측정을 반복하여, 기준(설계) 추력(일정 폭을 갖는 값)의 범위에 속하는 토크 제한값을 구한다(찾는다). 이와 같이 하여 구한 토크 제한값을 패드 서치시의 토크 제한값으로서 설정한다.
일본 특허 출원 공개 제2008-207320호 공보
상술한 연마 장치에 있어서는, 톱 링을 상하로 구동시키는 상하 구동 기구의 손실 토크가 구동 초기에 대해 운전 이력에 의해 감소한다. 톱 링이 연마 패드의 표면에 접촉하는 위치를 상하 구동 기구의 모터 토크에 제한값을 설정하여 산출하는 시스템이므로, 기구 내의 손실 토크의 변화는 톱 링을 연마 패드의 표면에 압박하는 추력에 영향을 미친다. 기구 내의 손실 토크가 감소하면, 그만큼 톱 링을 연마 패드의 표면에 압박하는 추력은 증가하여, 톱 링을 연마 패드에 강하게 압박하게 된다. 그 결과, 기판 처리 매수나 리테이너 링 마모량 등으로 미리 설정한 시기에 패드 서치 작업을 실시하면 지나치게 압박하게 된다. 그로 인해, 연마 패드의 표면과 기판을 압박하는 멤브레인의 간극을 일정하게 유지할 수 없게 된다. 따라서, 연마 프로세스 조건이 바뀌어, 기판의 피연마면의 면내 균일성의 열화 등 프로세스 성능에 악영향을 미치는 것이 판명되었다.
본 발명은, 상술한 사정에 비추어 이루어진 것으로, 톱 링을 상하로 구동시키는 기구의 손실 토크의 경시 변화분을 검출하고, 이 손실 토크의 경시 변화분을 이용하여 패드 서치시의 기준으로 되는 토크 제한값을 보정함으로써, 패드 서치시에 연마 패드의 표면의 높이를 정확하게 파악할 수 있는 기판 보유 지지 장치 및 연마 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 기판 보유 지지 장치는, 연마 대상물인 기판을 보유 지지하여 연마 패드에 압박하는 기판 보유 지지 장치에 있어서, 기판을 보유 지지하여 연마 패드에 압박하는 톱 링과, 상기 톱 링을 상하 구동시키는 상하 구동 기구와, 상기 상하 구동 기구에 의해 상기 톱 링을 하강시키고 있을 때, 또는 상승시키고 있을 때의 상하 구동 기구의 토크를 검출하는 토크 검출 수단과, 상기 톱 링을 하강시켜 톱 링을 상기 연마 패드의 표면에 접촉시키는 패드 서치시에 있어서 톱 링이 연마 패드의 표면에 접촉할 때의 상기 상하 구동 기구의 토크를 토크 제한값으로서 미리 설정하고 있는 제어부를 구비하고, 상기 제어부는, 상기 토크 검출 수단에 의해 검출된 토크와 미리 설정된 기준값으로부터 토크 보정량을 산출하고, 상기 토크 보정량을 이용하여 상기 토크 제한값을 보정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 톱 링을 하강시켜 톱 링을 연마 패드의 표면에 접촉시키는 패드 서치시에 있어서 톱 링이 연마 패드의 표면에 접촉할 때의 상하 구동 기구의 토크를 토크 제한값으로서 미리 설정해 두고, 패드 서치시나 기판 처리시에 있어서 톱 링을 하강시키고 있을 때, 또는 상승시키고 있을 때의 상하 구동 기구의 토크를 검출하고, 검출된 토크와, 먼저 실시한 패드 서치시나 기판 연마 처리시 등에 있어서의 상하 구동 기구의 토크로부터 결정한 기준값으로부터 토크 보정량을 산출하고, 이 토크 보정량을 이용하여 상기 미리 설정한 토크 제한값을 보정한다.
이와 같이, 본 발명에 따르면, 먼저 실시한 패드 서치시나 기판 처리시에 있어서의 톱 링의 상하 구동 기구의 토크를 검출해 두고, 이 토크를 기준값으로서 설정하고, 그 후에 실시하는 패드 서치시나 기판 처리시에 있어서의 톱 링의 상하 구동 기구의 토크를 검출하고, 이 검출된 토크와 기준값을 비교함으로써, 상하 구동 기구의 손실 토크의 경시 변화분을 검출한다. 그리고, 이 손실 토크의 경시 변화분을 토크 보정량으로 하고, 이 토크 보정량을 이용하여 패드 서치시의 토크 제한값을 보정한다. 따라서, 톱 링의 상하 구동 기구의 손실 토크의 경시 변화가 있어도, 패드 서치시에 장치의 구동 초기와 마찬가지의 연마 패드의 압박력(추력)에 의해 연마 패드의 표면의 높이를 정확하게 파악할 수 있다.
본 발명의 바람직한 형태는, 상기 기준값은, 먼저 실시한 패드 서치시에 있어서의 상하 구동 기구의 토크로부터 구하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 먼저 실시한 패드 서치시에 있어서, 톱 링을 하강시키고 있을 때, 또는 상승시키고 있을 때의 상하 구동 기구의 토크를 검출하고, 이 검출한 토크를 기준값으로서 설정한다.
본 발명의 바람직한 형태는, 상기 기준값은, 먼저 실시한 기판 연마 처리시에 있어서의 상하 구동 기구의 토크로부터 구하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 먼저 실시한 기판 연마 처리시에 있어서, 톱 링을 하강시키고 있을 때, 또는 상승시키고 있을 때의 상하 구동 기구의 토크를 검출하고, 이 검출한 토크를 기준값으로서 설정한다.
본 발명의 바람직한 형태는, 상기 기준값은, 상한값과 하한값을 갖는 소정의 폭이 있는 임계값의 중심값인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 형태는, 상기 임계값의 중심값은, 상기 톱 링이 등속으로 하강 또는 상승하고 있을 때의 평균 토크인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 톱 링이 등속으로 이동하고 있을 때의 상하 구동 기구의 평균 토크는, 가속도가 0인 안정된 상태일 때의 토크이므로, 상하 구동 기구의 메커니컬 로스(기계적 손실)와 중력 부하(질량)의 합이다. 하강시의 토크는, 메커니컬 로스－중력 부하로 되고, 상승시의 토크는, 메커니컬 로스＋중력 부하 상당으로 된다. 중력 부하는 일정값으로서 취급할 수 있으므로, 상승 혹은 하강시의 토크를 모니터링함으로써 메커니컬 로스의 경시 변화를 검출할 수 있다. 따라서, 기준값은, 처음에 토크 제한값을 구하는 작업을 실시하였을 때의 상하 구동 기구의 하강시 혹은 상승시의 등속시 평균 토크로 하면 된다. 기준값＝「임계값의 중심값」을 오차가 적은 정확한 값으로 할 수 있다. 또한, 이때에 하강시 평균 토크를 사용한 경우에는, 이후에는 하강시의 평균 토크를 모니터링하여 메커니컬 로스의 경시 변화를 구한다.
본 발명의 바람직한 형태는, 상기 토크 보정량은, 상기 토크 검출 수단에 의해 검출된 토크와 상기 기준값의 차분인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 토크 검출 수단에 의해 검출된 토크가 미리 설정된 기준값보다 낮아진 경우에는, 차분을 패드 서치시의 토크 제한값으로부터 감산한다. 감산하는 이유는, 상하 구동 기구의 기계적 손실이 감소하였기 때문에, 톱 링 이동시의 필요 토크도 감소하였으므로, 패드 서치시의 토크 제한값이 동일한 상태의 경우에는, 톱 링을 연마 패드의 표면에 압박하는 추력이 증가해 버리기 때문이다. 반대로, 토크 검출 수단에 의해 검출된 토크가 미리 설정된 기준값보다 커진 경우에는, 상기 차분을 패드 서치시의 토크 제한값에 가산한다.
본 발명의 바람직한 형태는, 상기 토크 검출 수단은, 상기 톱 링이 등속으로 하강 또는 상승하고 있을 때의 토크를 검출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 톱 링이 등속으로 이동하고 있을 때의 상하 구동 기구의 토크는, 가속도가 0인 안정된 상태일 때의 토크이므로, 토크 검출 수단은 오차가 없는 정확한 토크를 검출할 수 있다.
본 발명의 연마 장치는, 연마 패드를 갖는 연마 테이블과, 상기 기판 보유 지지 장치를 구비하고 있다.
본 발명은, 톱 링에 의한 패드 서치시에 있어서 톱 링이 연마 패드의 표면에 접촉한 것을 검지하기 위한 토크 제한값을 보정하는 기능을 구비하고 있으므로, 톱 링의 상하 구동 기구의 손실 토크의 경시 변화분을 보정할 수 있다. 따라서, 톱 링의 상하 구동 기구의 손실 토크의 경시 변화가 있어도, 패드 서치시에 장치의 구동 초기와 마찬가지의 연마 패드의 압박력(추력)에 의해 연마 패드의 표면의 높이를 정확하게 파악할 수 있다. 그 결과, 연마 프로세스상 중요한 연마 패드의 표면과 톱 링의 멤브레인 사이의 간극을 재현성 좋게 제어할 수 있는 CMP 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 관한 연마 장치의 전체 구성을 도시하는 모식도.
이하, 본 발명에 관한 기판 보유 지지 장치 및 연마 장치의 실시 형태에 대해 도 1을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은, 본 발명에 관한 연마 장치의 전체 구성을 도시하는 모식도이다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 연마 장치는, 연마 테이블(100)과, 연마 대상물인 반도체 웨이퍼 등의 기판을 보유 지지하여 연마 테이블 상의 연마 패드에 압박하는 기판 보유 지지 장치를 구성하는 톱 링(1)을 구비하고 있다.
연마 테이블(100)은, 테이블 축(100a)을 통해 그 하방에 배치되는 연마 테이블 회전 모터(도시하지 않음)에 연결되어 있고, 그 테이블 축(100a) 주위로 회전 가능하게 되어 있다. 연마 테이블(100)의 상면에는 연마 패드(101)가 부착되어 있고, 연마 패드(101)의 표면(101a)이 반도체 웨이퍼 등의 기판을 연마하는 연마면을 구성하고 있다. 연마 테이블(100)의 상방에는 연마액 공급 노즐(102)이 설치되어 있고, 이 연마액 공급 노즐(102)에 의해 연마 테이블(100) 상의 연마 패드(101)에 연마액이 공급되도록 되어 있다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 톱 링(1)은, 기판(W)을 보유 지지하여 연마 패드(101)의 표면(연마면)(101a)에 압박하는 톱 링 본체(캐리어라고도 칭함)(2)와, 연마 패드(101)를 직접 압박하는 리테이너 링(3)으로 기본적으로 구성되어 있다. 톱 링 본체(캐리어)(2)는 개략 원반 형상의 부재로 이루어지고, 리테이너 링(3)은 톱 링 본체(2)의 외주부에 장착되어 있다. 톱 링 본체(2)는, 엔지니어링 플라스틱(예를 들어, PEEK) 등의 수지에 의해 형성되어 있다. 톱 링 본체(2)의 하면에는, 기판의 이면에 접촉하는 탄성막(멤브레인)(4)이 장착되어 있고, 멤브레인(탄성막)(4)의 상면과 톱 링 본체(캐리어)(2)의 하면 사이에 복수의 압력실이 형성되어 있다. 탄성막(멤브레인)(4)은, 에틸렌프로필렌 고무(EPDM), 폴리우레탄 고무, 실리콘 고무 등의 강도 및 내구성이 우수한 고무재에 의해 형성되어 있다.
톱 링(1)은, 톱 링 샤프트(11)에 접속되어 있고, 이 톱 링 샤프트(11)는, 상하 구동 기구(24)에 의해 톱 링 헤드(10)에 대해 상하 구동하도록 되어 있다. 이 톱 링 샤프트(11)의 상하 구동에 의해, 톱 링 헤드(10)에 대해 톱 링(1)의 전체를 상하 구동시켜 위치 결정하도록 되어 있다. 또한, 톱 링 샤프트(11)의 상단부에는 로터리 조인트(25)가 장착되어 있다.
상기 연마 패드(101)로서는 다양한 것이 있고, 예를 들어 다우케미컬사제의 SUBA800, IC-1000, IC-1000/SUBA400(2층 크로스), 후지미 인코포레이티드사제의 Surfin xxx-5, Surfin 000 등이 있다. SUBA800, Surfin xxx-5, Surfin 000은 섬유를 우레탄 수지로 굳힌 부직포이고, IC-1000은 경질의 발포 폴리우레탄(단층)이다. 발포 폴리우레탄은, 포러스(다공질 형상)로 되어 있고, 그 표면에 다수의 미세한 오목부 또는 구멍을 갖고 있다.
톱 링 샤프트(11) 및 톱 링(1)을 상하 구동시키는 상하 구동 기구(24)는, 베어링(26)을 통해 톱 링 샤프트(11)를 회전 가능하게 지지하는 브리지(28)와, 브리지(28)에 장착된 볼 나사(32)와, 지지 기둥(30)에 의해 지지된 지지대(29)와, 지지대(29) 상에 설치된 AC 서보 모터(38)를 구비하고 있다. 볼 나사(32)와 AC 서보 모터(38)는 감속기(39)를 통해 연결되어 있다. AC 서보 모터(38)를 지지하는 지지대(29)는, 지지 기둥(30)을 통해 톱 링 헤드(10)에 고정되어 있다.
볼 나사(32)는, 감속기(39)에 연결된 나사 축(32a)과, 이 나사 축(32a)이 나사 결합되는 너트(32b)를 구비하고 있다. 톱 링 샤프트(11)는, 브리지(28)와 일체로 되어 상하 구동하도록 되어 있다. 따라서, AC 서보 모터(38)를 구동시키면, 볼 나사(32)를 통해 브리지(28)가 상하 구동하고, 이에 의해 톱 링 샤프트(11) 및 톱 링(1)이 상하 구동한다. AC 서보 모터(38)는, 제어부(40)에 접속되어 있다.
또한, 톱 링 샤프트(11)는 키(도시하지 않음)를 통해 회전통(12)에 연결되어 있다. 이 회전통(12)은 그 외주부에 타이밍 풀리(13)를 구비하고 있다. 톱 링 헤드(10)에는 톱 링용 모터(14)가 고정되어 있고, 상기 타이밍 풀리(13)는, 타이밍 벨트(15)를 통해 톱 링용 모터(14)에 설치된 타이밍 풀리(16)에 접속되어 있다. 따라서, 톱 링용 모터(14)를 회전 구동시킴으로써 타이밍 풀리(16), 타이밍 벨트(15) 및 타이밍 풀리(13)를 통해 회전통(12) 및 톱 링 샤프트(11)가 일체로 회전하고, 톱 링(1)이 회전한다. 또한, 톱 링 헤드(10)는, 프레임(도시하지 않음)에 회전 가능하게 지지된 톱 링 헤드 샤프트(17)에 의해 지지되어 있다.
도 1에 도시하는 연마 장치를 사용하여 기판(W)의 연마를 행하는 경우, 드레싱이나 패드 교환 등에 의해, 연마 패드(101)의 두께가 항상 변화된다. 탄성막(멤브레인)(4)을 팽창시켜 기판(W)을 연마 패드(101)에 압박하는 연마 장치에 있어서는, 탄성막(멤브레인)(4)과 기판(W)의 거리에 따라 기판 외주부에 있어서의 탄성막의 접촉 범위와 면압 분포가 변화된다. 이 경우에 있어서, 연마의 진행에 수반하여 기판(W)의 면압 분포가 변화되지 않도록 하기 위해서는, 연마시의 톱 링(1)과 연마 패드(101)의 표면(연마면)(101a)의 거리를 일정하게 유지할 필요가 있다. 이와 같이, 톱 링(1)과 연마 패드(101)의 표면(연마면)(101a)과의 거리를 일정하게 하기 위해서는, 예를 들어 연마 패드(101)를 교환하여, 연마 패드(101)의 드레서에 의한 초기 드레싱을 행한 후에, 연마 패드(101)의 표면의 높이(위치)를 검지하여 톱 링(1)의 하강 위치를 조정할 필요가 있다. 이 연마 패드(101)의 표면의 높이(위치)를 검지하는 공정을 톱 링에 의한 패드 서치라 한다.
톱 링에 의한 패드 서치는, 톱 링(1)의 하면[또는 기판(W)의 하면]을 연마 패드(101)의 표면(연마면)에 접촉시켰을 때의 톱 링(1)의 높이 위치를 검지함으로써 행해진다. 즉, 톱 링에 의한 패드 서치시에는, AC 서보 모터(38)를 구동시켜, 인코더에 의해 회전수를 적산하면서 톱 링(1)을 하강시킨다. 톱 링(1)의 하면이 연마 패드(101)의 표면에 접촉하면, AC 서보 모터(38)에 대한 부하가 증가하여, AC 서보 모터(38)에 흐르는 전류가 커진다. 따라서, 토크 검출 수단에 의해 AC 서보 모터(38)에 흐르는 전류로부터 토크를 검출하여, 토크가 커졌을 때에, 톱 링(1)의 하면이 연마 패드(101)의 표면에 접촉하였다고 판단한다. 톱 링(1)의 하면이 연마 패드(101)의 표면에 접촉하였다고 판단되면, 제어부(40)는, 서보 모터(38)의 인코더의 적산값으로부터 톱 링(1)의 하강 거리(위치)를 산출하고, 이 하강 거리를 기억한다. 이 톱 링(1)의 하강 거리로부터 연마 패드(101)의 표면의 높이를 얻어, 제어부(40)는, 이 연마 패드(101)의 표면의 높이로부터 연마시의 톱 링(1)의 연마시 설정 위치를 산출한다.
도 1에 도시하는 바와 같은 연마 장치에 있어서는, 톱 링(1)을 상하로 구동시키는 상하 구동 기구(24)의 손실 토크가 구동 초기에 대해 운전을 계속해 감으로써 감소한다. 이 경우, 톱 링(1)이 연마 패드(101)의 표면에 접촉하는 위치를 상하 구동 기구(24)의 모터 토크에 제한값을 설정하여 산출하도록 하고 있으므로, 기구 내의 손실 토크의 경시 변화분을 적절하게 패드 서치시의 모터 토크 제한값으로 피드백할 필요가 있다.
따라서, 본 발명은, AC 서보 모터(38)의 제어부(40)는, 상하 구동 기구(24)에 의해 톱 링(1)을 하강시키고 있을 때, 또는 상승시키고 있을 때의 상하 구동 기구(24)의 토크를 검출하는 토크 검출 수단(도시하지 않음)을 구비하고 있다. 도 1에 도시하는 바와 같이, AC 서보 모터(38)의 제어부(40)에 있어서, 모터 전류 모니터 출력으로부터 토크 출력을 구하고, 구한 토크 출력으로부터 토크 보정량을 산출하여, 토크 제한값을 갱신하도록 하고 있다. 이하, 이 토크 제한값의 보정 방법에 대해 설명한다.
1) 통상 운전시의 톱 링의 승강 동작시에 있어서의 등속 이동 중의 전류 모니터값으로부터 보정하는 방법
톱 링의 승강 동작시에 있어서의 등속 이동시의 모터 전류 모니터 출력으로부터 등속시 토크를 구한다. 이 값을 상승 이동시와 하강 이동시를 따로따로(혹은, 한쪽만) 데이터 축적하고, 모니터값이 미리 설정한 기준값의 임계값(여기서의 기준값이라 함은, 톱 링의 승강 동작시에 있어서의 모터 전류값의 기준값이다. 토크 제한값의 기준값과는 별도로, 승강 동작시의 기준값을 미리 구해 둔다.)을 초과한 경우에는, 하기하는 2가지의 방법이 있다. 여기서, 임계값은, 상한값과 하한값을 갖는 소정의 폭이 있는 값이며, 상한값과 하한값의 중간이 중심값(＝기준값)이다.
제1 방법에서는, 알람을 발보한다. 작업자가 알람 내용을 확인하여, 본건에 해당되는 알람인 것을 인식하면, 패드 서치시의 토크 제한값을 갱신한다. 이 경우, 갱신하기 위해, 전술한 연마 테이블면에 로드셀을 배치하여 토크 제한값을 구하는 작업을 실시한다.
제2 방법에서는, 기준값과의 차분을 연산하여, 패드 서치시의 토크 제한값을 갱신한다. 갱신 이력을 남긴다(상위의 제어부로도 전송한다).
갱신 이력은, 1) 처리한 웨이퍼(기판)의 처리 이력에 반영하거나, 2) 갱신 이력을 장기 관찰함으로써 기구계의 이상 검지에 유용하게 쓰거나, 3) 갱신이 정확한지 판정하는 등에, 이용한다.
모니터값이 미리 설정한 임계값보다 낮아진 경우에는, 모니터값과 임계값의 중심값(＝기준값)과의 차분 ΔT분을 패드 서치시의 토크 제한값으로부터 감산한다. 감산하는 이유는, 상하 구동 기구의 기계적 손실이 감소하였기 때문에, 등속 이동시의 필요 토크도 감소하였으므로, 패드 서치시의 토크 제한값이 동일한 상태인 경우에는, 톱 링을 연마 패드의 표면에 압박하는 추력이 증가해 버리기 때문이다.
모니터값이 미리 설정한 임계값보다 커진 경우에는, 모니터값과 임계값의 중심값(＝기준값)과의 차분 ΔT분을 패드 서치시의 토크 제한값에 가산한다.
2) 패드 서치할 때의 톱 링의 하강 동작시에 있어서의 등속 이동 중의 평균 전류 모니터값으로부터 보정하는 방법
패드 서치시의 톱 링의 하강 동작시에 있어서의 등속 이동 중의 평균 전류 모니터값으로부터 평균 토크를 연산하고, 이 평균 토크가 미리 설정한 임계값을 초과하고 있는 경우에는, 평균 토크와 임계값의 중심값(＝기준값)과의 차분에 기초하여 토크 제한값을 갱신한다. 갱신 이력을 남긴다(상위의 제어부로도 전송한다).
갱신 이력은, 1) 처리한 웨이퍼(기판)의 처리 이력에 반영하거나, 2) 갱신 이력을 장기 관찰함으로써 기구계의 이상 검지에 유용하게 쓰거나, 3) 갱신이 정확한지 판정하는 등에, 이용한다.
평균 토크가 미리 설정한 임계값보다 낮아진 경우에는, 평균 토크와 임계값의 중심값(＝기준값)과의 차분 ΔT분을 패드 서치시의 토크 제한값으로부터 감산한다. 감산하는 이유는, 상하 구동 기구의 기계적 손실이 감소하였기 때문에 등속 이동시의 필요 토크도 감소하였으므로, 패드 서치시의 토크 제한값이 동일한 상태인 경우에는, 톱 링을 연마 패드의 표면에 압박하는 추력이 증가해 버리기 때문이다.
평균 토크가 미리 설정한 임계값보다 커진 경우에는, 평균 토크와 임계값의 중심값(＝기준값)과의 차분 ΔT분을 패드 서치시의 토크 제한값에 가산한다.
또한, 상기 임계값의 중심값(＝기준값)은, 전회 실시한 패드 서치시의 하강 동작시에 있어서의 등속 이동 중의 평균 토크로 해도 된다.
상승 동작시의 임계값의 중심값(＝기준값)은, 마찬가지로 전회 실시한 패드 서치시의 상승 동작시에 있어서의 등속 이동 중의 평균 토크로 해도 된다.
상기 1) 및 2)의 보정 방법에 있어서, 통상 운전시라 함은, 통상의 기판 연마 처리를 하고 있는 상태를 말한다. 패드 서치시라 함은, 장치의 구동 초기나 연마 패드를 교환한 후에 실시하는 패드 서치를 하고 있는 상태를 말하고, 이 이외에, 통상 운전(연마)을 시작하고 처리 매수에 따라 톱 링의 리테이너 감모량이 바뀌므로, 이 리테이너 링의 감모량이나 기판 처리 매수에 따라 도중에 추가 실시하는 패드 서치를 하고 있는 상태를 말한다.
톱 링의 상하 구동 기구에 있어서의 기계적 손실을 어떻게 하여 가능한 한 정확하게 검출할 것인지 생각하였을 때, 패드 서치의 횟수를 증가시키면 로스 타임이 증가한다. 1)의 보정 방법과 같이, 통상 운전시의 동작 중에 모니터링하여, 변화 모습도 감시하고, 패드 서치를 실시하기 전의 10매분의 기판 처리 동작으로부터 보정값을 산출하거나 하면, 로스 타임을 증가시키지 않고 또한 정밀도도 좋은 보정(토크 제한값의 변경)을 할 수 있다고 하는 장점이 있다.
반대로, 2)의 보정 방법과 같이, 패드 서치시의 톱 링의 하강 동작시에 있어서의 등속 이동 중의 토크로부터 기계적 손실을 어림하고, 토크 제한값을 갱신하여, 연마 패드에 대해 언제나 안정된 축 추력으로 톱 링이 접촉한 위치를 연마 패드 표면의 높이로 한다고 하는 방법은 시스템이 심플해도 된다. 패드 서치라고 하는 기능 소프트웨어 중에서 완결할 수 있다고 하는 장점을 살린 방법이다.
또한, 상기 1) 및 2)의 보정 방법에 있어서, 톱 링이 등속 상태인 토크를 검출하였지만, 이것은, 기계적 손실 성분을 검출하는 경우에는, 가능한 한 안정된 상태이고 또한 가속도가 0인 상태가 좋기 때문이다. 가속도가 0이 아닌 경우에는, 어느 질량을 어느 속도 상태로 바꾸기 위한 에너지를 공급[정부(正負) 있음]하고 있으므로, 그 성분도 포함되게 된다. 단, 이 성분은, 비교적 짧은 시간의 성분이므로, 톱 링은 반드시 등속 상태가 아니어도 된다.
또한, 톱 링의 상하 구동 기구는, 서보 모터를 이용한 추력원에 한정되지 않고, 예를 들어 리니어 모터에 의해 톱 링 샤프트를 승강시키는 등, 다른 추력원이어도 된다. 추력원이 전자기 모터이면, 전류 모니터값으로부터 토크(추력)를 구하여 이용한다. 유압 실린더 등 압력을 이용하는 경우에는, 압력 모니터값으로부터 추력을 구하고, 손실 토크의 경시 변화를 모니터하여 보정에 이용할 수 있다.
지금까지 본 발명의 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 : 톱 링 본체
3 : 리테이너 링
4 : 탄성막(멤브레인)
10 : 톱 링 헤드
11 : 톱 링 샤프트
12 : 회전통
13 : 타이밍 풀리
14 : 톱 링용 모터
15 : 타이밍 벨트
16 : 타이밍 풀리
17 : 톱 링 헤드 샤프트
24 : 상하 구동 기구
25 : 로터리 조인트
26 : 베어링
28 : 브리지
29 : 지지대
30 : 지지 기둥
32 : 볼 나사
32a : 나사 축
32b : 너트
38 : AC 서보 모터
39 : 감속기
40 : 제어부
100 : 연마 테이블
100a : 테이블 축
101 : 연마 패드
102 : 연마액 공급 노즐
W : 기판

Claims (14)

  1. 연마 대상물인 기판을 보유 지지하여 연마 패드에 압박하는 기판 보유 지지 장치에 있어서,
    기판을 보유 지지하여 연마 패드에 압박하는 톱 링과,
    상기 톱 링을 상하 구동시키는 상하 구동 기구와,
    상기 상하 구동 기구에 의해 상기 톱 링을 하강시키고 있을 때, 또는 상승시키고 있을 때의 상하 구동 기구의 토크를 검출하는 토크 검출 수단과,
    상기 톱 링을 하강시켜 톱 링을 상기 연마 패드의 표면에 접촉시키는 패드 서치시에 있어서 톱 링이 연마 패드의 표면에 접촉할 때의 상기 상하 구동 기구의 토크를 토크 제한값으로서 미리 설정하고 있는 제어부를 구비하고,
    상기 제어부는, 상기 토크 검출 수단에 의해 검출된 토크와 미리 설정된 기준값으로부터 토크 보정량을 산출하고, 상기 토크 보정량을 이용하여 상기 토크 제한값을 보정하는 것을 특징으로 하는, 기판 보유 지지 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기준값은, 먼저 실시한 패드 서치시에 있어서 상하 구동 기구의 토크로부터 구하는 것을 특징으로 하는, 기판 보유 지지 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 기준값은, 먼저 실시한 기판 연마 처리시에 있어서의 상하 구동 기구의 토크로부터 구하는 것을 특징으로 하는, 기판 보유 지지 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 기준값은, 상한값과 하한값을 갖는 소정의 폭이 있는 임계값의 중심값인 것을 특징으로 하는, 기판 보유 지지 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 임계값의 중심값은, 상기 톱 링이 등속으로 하강 또는 상승하고 있을 때의 평균 토크인 것을 특징으로 하는, 기판 보유 지지 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 토크 보정량은, 상기 토크 검출 수단에 의해 검출된 토크와 상기 기준값의 차분인 것을 특징으로 하는, 기판 보유 지지 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 토크 검출 수단은, 상기 톱 링이 등속으로 하강 또는 상승하고 있을 때의 토크를 검출하는 것을 특징으로 하는, 기판 보유 지지 장치.
  8. 연마 패드를 갖는 연마 테이블과, 연마 대상물인 기판을 보유 지지하여 연마 패드에 압박하는 기판 보유 지지 장치를 구비하고,
    상기 기판 보유 지지 장치는,
    기판을 보유 지지하여 연마 패드에 압박하는 톱 링과,
    상기 톱 링을 상하 구동시키는 상하 구동 기구와,
    상기 상하 구동 기구에 의해 상기 톱 링을 하강시키고 있을 때, 또는 상승시키고 있을 때의 상하 구동 기구의 토크를 검출하는 토크 검출 수단과,
    상기 톱 링을 하강시켜 톱 링을 상기 연마 패드의 표면에 접촉시키는 패드 서치시에 있어서 톱 링이 연마 패드의 표면에 접촉할 때의 상기 상하 구동 기구의 토크를 토크 제한값으로서 미리 설정하고 있는 제어부를 구비하고,
    상기 제어부는, 상기 토크 검출 수단에 의해 검출된 토크와 미리 설정된 기준값으로부터 토크 보정량을 산출하고, 상기 토크 보정량을 이용하여 상기 토크 제한값을 보정하는 것을 특징으로 하는, 연마 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 기준값은, 먼저 실시한 패드 서치시에 있어서의 상하 구동 기구의 토크로부터 구하는 것을 특징으로 하는, 연마 장치.
  10. 제8항에 있어서, 상기 기준값은, 먼저 실시한 기판 연마 처리시에 있어서의 상하 구동 기구의 토크로부터 구하는 것을 특징으로 하는, 연마 장치.
  11. 제8항에 있어서, 상기 기준값은, 상한값과 하한값을 갖는 소정의 폭이 있는 임계값의 중심값인 것을 특징으로 하는, 연마 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 임계값의 중심값은, 상기 톱 링이 등속으로 하강 또는 상승하고 있을 때의 평균 토크인 것을 특징으로 하는, 연마 장치.
  13. 제8항에 있어서, 상기 토크 보정량은, 상기 토크 검출 수단에 의해 검출된 토크와 상기 기준값의 차분인 것을 특징으로 하는, 연마 장치.
  14. 제8항에 있어서, 상기 토크 검출 수단은, 상기 톱 링이 등속으로 하강 또는 상승하고 있을 때의 토크를 검출하는 것을 특징으로 하는, 연마 장치.
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