KR20180056742A - 웨이퍼 연마 장치 및 이것에 이용하는 연마 헤드 - Google Patents

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Abstract

(과제) 웨이퍼면 내의 연마량의 균일성을 높이는 것이 가능한 웨이퍼 연마 장치를 제공한다.
(해결 수단) 웨이퍼 연마 장치(1)는, 연마 패드(22)가 접착된 회전 정반(21)과, 연마 패드(22) 상에 올려놓여진 웨이퍼(W)를 압압하면서 보유지지하는 연마 헤드(10)를 구비한다. 연마 헤드(10)는, 웨이퍼(W)의 상면에 맞닿아 압압력을 부여하는 멤브레인(16)과, 멤브레인(16)을 지지하는 지지 플레이트(15)를 구비한다. 멤브레인(16)은, 지지 플레이트(15)의 저면과 대향하는 주면부(16a)와, 지지 플레이트(15)의 외주 단면과 대향하는 측면부(16b)를 갖고, 멤브레인(16)의 측면부(16b)에 의한 세로 방향의 장력은, 멤브레인(16)의 주면부(16a)에 의한 가로 방향의 장력보다도 크다.

Description

웨이퍼 연마 장치 및 이것에 이용하는 연마 헤드
본 발명은, 웨이퍼 연마 장치 및 이것에 이용하는 연마 헤드에 관한 것으로, 특히, 멤브레인 가압 방식의 연마 헤드 및 당해 연마 헤드를 이용한 웨이퍼 연마 장치에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 기판 재료로서 실리콘 웨이퍼가 널리 이용되고 있다. 실리콘 웨이퍼는, 실리콘 단결정 잉곳에 외주 연삭, 슬라이스, 랩핑, 에칭, 양면 연마, 편면 연마, 세정 등의 공정을 순차 행함으로써 제조된다. 이 중, 편면 연마 공정은, 웨이퍼 표면의 요철이나 굴곡을 없애 평탄도를 높이기 위해 필요한 공정으로, CMP(Chemical Mechanical Polishing: 화학적 기계 연마)법에 의한 경면 가공이 행해진다.
통상, 실리콘 웨이퍼의 편면 연마 공정에서는 매엽식의 웨이퍼 연마 장치(CMP 장치)가 이용된다. 이 웨이퍼 연마 장치는, 연마 패드가 접착된 회전 정반과, 연마 패드 상의 웨이퍼를 압압하면서 보유지지하는 연마 헤드를 구비하고 있고, 슬러리를 공급하면서 회전 정반 및 연마 헤드를 각각 회전시킴으로써 웨이퍼의 편면을 연마한다.
웨이퍼의 전면(全面)을 균일하게 압압하여 웨이퍼면 내의 연마량의 균일성을 높이기 위해, 멤브레인 가압 방식의 연마 헤드를 이용한 웨이퍼 연마 장치가 이용되고 있다. 예를 들면, 특허문헌 1에는, 연마 패드 상의 웨이퍼에 압압력을 전달하는 멤브레인과, 멤브레인의 장력을 조정하는 장력 조정 수단을 구비한 웨이퍼 연마 장치가 기재되어 있다. 또한, 특허문헌 2에는, 웨이퍼면 내의 연마량의 균일화를 도모하기 위해, 멤브레인(탄성체막)의 웨이퍼 보유지지면에 표면 거칠기가 상이한 영역을 동심원 형상으로 배치하고, 외주로부터 반경의 10％ 이상 80％ 이하인 제1 영역의 산술 평균 거칠기 Ra가 5.0㎛ 이상 50㎛ 이하이고, 제1 영역의 내측인 제2 영역의 산술 평균 거칠기 Ra가 5.0㎛ 미만인 연마 헤드가 기재되어 있다. 또한 특허문헌 3에는, 원형의 저부와, 저부의 외연으로부터 기립한 벽부와, 벽부의 상단으로부터 원의 중심 방향으로 연장되는 환 형상부와, 환 형상부의 종단에 위치하는 돌출부를 갖는 연마 헤드용 멤브레인이 기재되어 있다.
일본공개특허공보 2003-25217호 일본공개특허공보 2007-12918호 일본공개특허공보 2005-79465호
종래의 멤브레인 가압 방식의 연마 헤드에 있어서, 멤브레인은 원반 형상의 지지 플레이트에 지지되어 있고, 멤브레인의 내측의 직경 치수는, 지지 플레이트의 직경 치수와 동일하거나 그보다도 근소하게 작은 치수로 설정되어 있고, 또한 멤브레인 고무의 내측의 높이 치수는 지지 플레이트의 높이 치수와 동일하게 설정되어 있었다. 그리고 이러한 멤브레인을 에어 가압함으로써, 웨이퍼와 대향하는 멤브레인의 압압면에 탄성력을 부여하고, 이에 따라 웨이퍼의 전면을 균일하게 압압하고 있었다.
그러나, 멤브레인의 내측의 직경 치수가 지지 플레이트의 직경 치수보다도 작고 또한 멤브레인의 내측의 높이 치수가 지지 플레이트의 높이 치수와 거의 동일한 경우에는, 웨이퍼에 접촉하는 멤브레인의 주면부(主面部)에 의한 수평 방향(가로 방향)의 장력이 멤브레인의 측면부에 의한 수직 방향(세로 방향)의 장력보다도 크기 때문에, 멤브레인에 의한 압압력의 면 내 분포에 불균일이 발생하여, 웨이퍼의 연마량(여유분)의 면 내 불균일이 커진다는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 웨이퍼면 내의 연마량의 균일성을 높이는 것이 가능한 웨이퍼 연마 장치 및 이것에 이용하는 연마 헤드를 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 의한 웨이퍼 연마 장치는, 연마 패드가 접착된 회전 정반과, 상기 연마 패드 상에 올려놓여진 웨이퍼를 압압하면서 보유지지하는 연마 헤드를 구비하고, 상기 연마 헤드는, 상기 웨이퍼의 상면에 맞닿아 압압력을 부여하는 멤브레인과, 상기 멤브레인을 지지하는 지지 플레이트를 구비하고, 상기 멤브레인은, 상기 지지 플레이트의 저면과 대향하는 주면부와, 상기 지지 플레이트의 외주 단면(端面)과 대향하는 측면부를 갖고, 상기 멤브레인의 상기 측면부에 의한 세로 방향의 장력은, 상기 멤브레인의 상기 주면부에 의한 가로 방향의 장력보다도 큰 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 연마 헤드는, 연마 패드가 접착된 회전 정반 상에 올려놓여진 웨이퍼를 압압하면서 보유지지하는 것으로서, 상기 웨이퍼의 상면에 맞닿아 압압력을 부여하는 멤브레인과, 상기 멤브레인을 지지하는 지지 플레이트를 구비하고, 상기 멤브레인은, 상기 지지 플레이트의 저면과 대향하는 주면부와, 상기 지지 플레이트의 외주 단면과 대향하는 측면부를 갖고, 상기 멤브레인의 상기 측면부에 의한 세로 방향의 장력은, 상기 멤브레인의 상기 주면부에 의한 가로 방향의 장력보다도 큰 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 멤브레인의 주면부에 의한 가로 방향의 장력에 의해 코너부가 주면부측으로 인장되어 코너부 부근의 평탄도가 악화되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 멤브레인의 느슨해짐을 방지하여 웨이퍼 압압면에 발생하는 압력의 균일화를 도모할 수 있어, 웨이퍼의 여유분의 면 내 분포의 균일성을 높일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 지지 플레이트의 두께(Ph)에 대한 상기 멤브레인의 상기 측면부의 내측의 높이(Mh)의 치수비(Mh/Ph)는, 0.75보다도 크고 또한 1보다도 작은 것이 바람직하다. 또한, 상기 지지 플레이트의 직경(Pd)에 대한 상기 멤브레인의 상기 주면부의 내측의 직경(Md)의 치수비(Md/Pd)는, 0.95보다도 크고 또한 1 이하인 것이 바람직하다. 지지 플레이트에 대한 멤브레인의 내경의 치수비가 이 범위 내이면, 멤브레인의 느슨해짐에 기인하는 웨이퍼의 연마량의 불균일을 억제할 수 있음과 함께, 멤브레인의 사이즈가 지나치게 작아 지지 플레이트에 부착할 수 없는 사태를 회피할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 멤브레인은, 독립적으로 가압 제어 가능한 복수의 가압 존으로 분할되는 일 없이 단일의 가압 존을 구성하고 있는 것이 바람직하다. 또한, 상기 연마 헤드는, 상기 웨이퍼의 외주 단면에 맞닿아 상기 웨이퍼를 수평 방향의 움직임을 규제하는 리테이너 링(retainer ring)을 추가로 구비하고, 상기 리테이너 링의 저면은 상기 연마 패드의 표면에 접촉하지 않는 것이 바람직하다. 웨이퍼 연마 장치가 소위 싱글 존 가압 방식의 웨이퍼 가압 기구나 비접지 타입의 리테이너 링을 채용하는 경우에는, 본 발명의 상기 효과가 커, 웨이퍼면 내의 연마량의 균일성을 한층 더 높일 수 있다.
본 발명에 의하면, 웨이퍼면 내의 연마량의 균일성을 높이는 것이 가능한 웨이퍼 연마 장치 및 이것에 이용하는 연마 헤드를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 의한 웨이퍼 연마 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 측면 단면도이다.
도 2는 멤브레인 및 지지 플레이트의 구조를 나타내는 측면 단면도로서, (a)는 멤브레인을 지지 플레이트에 부착한 상태, (b)는 멤브레인 단체(單體), (c)는 지지 플레이트 단체를 각각 나타내고 있다.
도 3은 지지 플레이트에 대한 멤브레인의 세로 치수비의 변화와 웨이퍼의 연마량의 둘레 방향의 불균일의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 지지 플레이트에 대한 멤브레인의 가로 치수비의 변화와 웨이퍼의 연마량의 지름 방향의 불균일의 관계를 나타내는 그래프이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
이하, 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대해서 상세하게 설명한다.
도 1은, 본 발명의 실시 형태에 의한 웨이퍼 연마 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 측면 단면도이다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 웨이퍼 연마 장치(1)는, 연마 패드(22)가 접착된 회전 정반(21)과, 연마 패드(22) 상에 올려놓여진 웨이퍼(W)를 압압하면서 보유지지하는 멤브레인 가압 방식의 연마 헤드(10)를 구비하고 있다. 연마 패드(22) 상에 슬러리를 공급하면서 회전 정반(21) 및 연마 헤드(10)에 보유지지된 웨이퍼(W)를 각각 회전시킴으로써, 연마 패드(22)와 접하는 웨이퍼(W)의 편면을 연마할 수 있다.
연마 헤드(10)는, 승강 가능하게 지지된 회전축(11)과, 회전축(11)의 하단에 접속된 스테인리스제의 가압 플랜지(12)와, 높이 조정 스페이서(13)를 통하여 가압 플랜지(12)의 저면에 부착된 리테이너 링(14)과, 가압 플랜지(12)에 부착된 지지 플레이트(15)와, 지지 플레이트(15)에 부착된 멤브레인(16)을 구비하고 있다. 지지 플레이트(15)는 드라이브 전달 핀(17)을 통하여 가압 플랜지(12)에 연결되어 있어, 가압 플랜지(12)와 함께 회전 가능하다. 또한 연마 헤드(10)는, 멤브레인(16)의 내부에 에어를 보내기 위한 멤브레인 가압 라인(18)과, 멤브레인 높이 조정 튜브(19)와, 멤브레인 높이 조정 스페이서(20)를 구비하고 있고, 멤브레인(16)의 상단부는 멤브레인 높이 조정 스페이서(20)에 압압되어 고정되어 있다.
리테이너 링(14)은 가압 플랜지(12)의 저면에 고정된 가이드 부재이다. 본 실시 형태의 리테이너 링(14)의 저면은 연마 공정 중에 연마 패드(22)의 표면에 접촉하고 있지 않고, 양자 간에는 소정 폭의 간극(G)이 항상 형성되어 있다. 리테이너 링(14)은 멤브레인(16)과 같이 가압 플랜지(12)로부터 독립적으로 동작 가능한 부재는 아니기 때문에, 리테이너 링(14)의 저면을 연마 패드(22)에 밀어붙이지 않아도 웨이퍼(W)의 외주 단면을 리테이너 링(14)에 맞닿게 하여 웨이퍼(W)의 수평 방향의 움직임을 제한할 수 있어, 연마 헤드(10)의 외측으로의 웨이퍼의 튀어나감을 방지할 수 있다.
멤브레인(16)은 가요성(可撓性)을 갖는 부재로서, 그 재질은 EPDM(에틸렌·프로필렌·디엔고무)이나 실리콘 고무인 것이 바람직하다. 멤브레인(16)의 두께는 0.7∼1.5㎜인 것이 바람직하고, 고무 경도는 30∼60도(JIS K 6253 typeA)인 것이 바람직하다.
멤브레인(16)의 주면(저면)의 평면 형상은 웨이퍼(W)의 사이즈에 맞춘 원형으로, 웨이퍼(W)의 상면의 실질 전면과 접하고 있다. 멤브레인(16)의 주면은 웨이퍼(W)의 상면을 압압하는 압압면을 구성하고 있고, 멤브레인(16)을 통하여 웨이퍼(W)를 에어 가압함으로써 웨이퍼(W)는 하방으로 압압된다. 멤브레인(16)과 지지 플레이트(15)의 사이의 간극은 밀폐 공간으로, 멤브레인 가압 라인(18)으로부터 밀폐 공간 내로 에어를 공급함으로써, 멤브레인(16)에 장력을 부여할 수 있어, 웨이퍼(W)와 대향하는 멤브레인(16)의 압압면의 탄성력을 높일 수 있다.
멤브레인(16)과 지지 플레이트(15)의 사이의 밀폐 공간은 복수의 작은 방으로 구분되는 일 없이 단일의 방을 구성하고 있기 때문에, 멤브레인 가압 라인(18)으로부터 공급되는 에어에 의해 멤브레인(16)의 전체가 팽창되어, 멤브레인(16)과 접하는 웨이퍼(W)의 상면에는 균일한 압압력이 부여된다. 즉, 멤브레인(16)을 이용한 본 실시 형태의 웨이퍼 가압 기구는, 독립적으로 가압 제어 가능한 복수의 가압 존으로 분할된 멀티 존 가압 방식이 아니라, 단일의 가압 존을 구성하는 싱글 존 가압 방식을 채용하는 것이다. 멀티 존 가압 방식의 경우, 멤브레인(16)의 가로 방향의 장력이 웨이퍼(W)의 압압력의 면 내 분포에 미치는 영향이 작지만, 싱글 존 가압 방식의 경우, 멤브레인(16)의 가로 방향의 장력이 웨이퍼(W)의 압압력의 면 내 분포에 미치는 영향이 커, 웨이퍼의 연마량(여유분)의 면 내 불균일이 커지기 쉬운 점에서, 본 발명의 효과도 현저하다.
도 2는, 멤브레인(16) 및 지지 플레이트(15)의 구조를 나타내는 측면 단면도로서, (a)는 멤브레인(16)을 지지 플레이트(15)에 부착한 상태, (b)는 멤브레인(16) 단체, (c)는 지지 플레이트(15) 단체를 각각 나타내고 있다.
도 2(a)∼(c)에 나타내는 바와 같이, 멤브레인(16)은, 원형의 주면부(16a)와, 주면부(16a)의 외주단으로부터 대략 직각으로 절곡되어 상방으로 연장되는 측면부(16b)와, 측면부(16b)의 상단으로부터 대략 직각으로 절곡되어 내경 방향으로 연장되는 링 형상의 상면부(16c)를 갖고, 상면부(16c)의 선단부에는 하향의 돌기부(16d)가 형성되어 있다. 멤브레인(16)의 주면부(16a)는 지지 플레이트(15)의 저면(15b)과 대향하는 부분으로, 그 외측 표면(저면)은 연마 패드(22) 상에 놓여진 웨이퍼(W)의 상면의 실질적으로 전면에 접촉하여 웨이퍼(W)를 압압하는 압압면을 구성한다. 멤브레인(16)의 측면부(16b)는 지지 플레이트(15)의 외주 단면(15c)과 대향하는 부분이다.
링 형상의 상면부(16c)의 내경측에는 개구부(16f)가 있고, 개구부(16f)의 직경은 지지 플레이트(15)의 직경보다도 근소하게 작은 정도이기 때문에, 멤브레인(16)의 개구부(16f)를 통하여 안쪽 틀 내에 지지 플레이트(15)에 끼워넣을 수 있어, 멤브레인(16)은 지지 플레이트(15)의 저면을 덮도록 장착된다. 또한 멤브레인(16)의 링 형상의 상면부(16c)가 지지 플레이트(15)의 상면에 밀착됨과 함께, 링 형상의 돌기부(16d)가 지지 플레이트(15)의 상면에 형성된 걸어맞춤 홈(15d)과 걸어맞춤된다. 또한 도 1에 나타내는 바와 같이, 멤브레인(16)의 링 형상의 상면부(16c)가 조정 튜브(19) 및 조정 스페이서(20)에 의해 억눌러져 있고, 이에 따라 멤브레인(16)의 측면부(16b)의 상단이 지지 플레이트(15)에 고정된 상태로 되어 있다.
원반 형상의 지지 플레이트(15)의 저면(15b)에는 그 외주를 따라 링 형상의 하향의 돌기(15a)가 형성되어 있다. 그 때문에, 멤브레인(16)의 주면부(16a)가 지지 플레이트(15)의 저면에 밀착될 일은 없고, 멤브레인(16)과 지지 플레이트(15)의 사이에는 간극(S)이 형성되기 때문에, 멤브레인(16) 내로의 에어의 유입을 좋게 할 수 있다. 멤브레인 가압 라인(18)은, 지지 플레이트(15)를 관통하는 통기구(15e)에 연통하고 있어, 통기구(15e)로부터 밀폐 공간 내로 보내진 에어에 의해 멤브레인이 가압된다.
멤브레인(16)의 내측의 사이즈는 지지 플레이트(15)의 사이즈 이하이기 때문에, 지지 플레이트(15)에 장착하기 위해서는 멤브레인(16)을 다소 연장하지 않으면 안되어, 지지 플레이트(15)에 장착된 멤브레인(16)의 주면부(16a) 및 측면부(16b)에는 가로 방향 및 세로 방향의 장력이 각각 발생한다.
멤브레인(16)의 측면부(16b)에 의한 세로 방향의 장력은, 멤브레인(16)의 주면부(16a)에 의한 가로 방향의 장력보다도 클 필요가 있다. 세로 방향의 장력이 가로 방향의 장력과 동등하거나 그보다도 작은 경우에는, 멤브레인(16)의 코너부(16e)가 중심측으로 인장되어 주면부(16a)의 외주 부근의 평탄도가 나빠지고, 웨이퍼 외주부에 있어서 연마량의 불균일이 발생하기 쉽다. 그러나, 멤브레인(16)의 세로 방향의 장력을 가로 방향의 장력보다도 큰 경우에는, 멤브레인(16)의 코너부(16e)가 외주축으로 인장되어 주면부(16a)의 외주 부근을 포함하는 전면의 평탄도가 양호해지기 때문에, 웨이퍼면 내의 연마량의 균일화를 도모할 수 있다.
본 실시 형태에 있어서, 지지 플레이트(15)의 두께(Ph)에 대한 멤브레인(16)의 내측(안쪽 틀)의 높이(Mh)의 치수비(세로 치수비)는, 0.75보다도 크고 또한 1 이하(0.75≤Mh/Ph＜1)인 것이 바람직하다. Mh/Ph가 1 이상인 경우에는, 멤브레인의 느슨해짐에 의해 웨이퍼의 연마량의 둘레 방향의 불균일이 증대하기 때문이고, Mh/Ph가 0.75보다도 작은 경우에는 멤브레인(16)의 내측의 높이 치수가 지나치게 작기 때문에 세로 방향의 장력이 지나치게 강해져 지지 플레이트(15)로의 부착이 매우 곤란해지기 때문이다.
지지 플레이트(15)의 직경(Pd)에 대한 멤브레인(16)의 내측(안쪽 틀)의 직경(Md)의 치수비(가로 치수비)는, 0.95보다도 크고 또한 1 이하(0.95≤Md/Pd≤1)인 것이 바람직하다. Md/Pd가 1보다도 큰 경우에는, 멤브레인의 느슨해짐에 의해 웨이퍼의 연마량의 지름 방향의 불균일이 증대하기 때문이고, Md/Pd가 0.95보다도 작은 경우에는 멤브레인(16)의 내측의 직경 치수가 지나치게 작기 때문에 가로 방향의 장력이 지나치게 강해져 지지 플레이트(15)로의 부착이 매우 곤란해지기 때문이다.
지지 플레이트(15)에 장착된 멤브레인(16)에 가해지는 응력 분포의 시뮬레이션의 결과에 의하면, 예를 들면 Mh/Ph＝0.99로 하고 또한 Md/Pd＝0.99로 한 종래의 멤브레인 구조체에서는, 인장 응력이 멤브레인(16)의 코너부에 집중되기 때문에, 코너부 부근의 주면부의 표면의 변형이 커져, 웨이퍼의 압압력의 균일성이 나빠진다. 그러나, Mh/Ph＝0.75로 하고 또한 Md/Pd＝1.0으로 한 본 발명의 멤브레인의 구조체에서는, 인장 응력이 멤브레인(16)의 측면부에 집중되고, 이에 따라 코너부 부근의 주면부의 표면의 변형이 작아져, 웨이퍼의 압압력의 균일성이 개선된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 의한 웨이퍼 연마 장치(1)는, 멤브레인 가압 방식의 연마 헤드(10)를 구비하고, 멤브레인(16)의 측면부(16b)에 의한 세로 방향의 장력이 주면부(16a)에 의한 가로 방향의 장력보다도 크기 때문에, 멤브레인(16)의 주면부(16a)의 느슨해짐을 억제하여 웨이퍼(W)에 균일한 압압력을 부여할 수 있다. 또한 지지 플레이트(15)의 두께(Ph)에 대한 멤브레인(16)의 내측의 높이(Mh)의 치수비(Mh/Ph)가 지지 플레이트(15)의 직경(Pd)에 대한 멤브레인(16)의 내측의 직경(Md)의 치수비(Md/Pd)보다도 작기 때문에, 멤브레인의 웨이퍼 압압면에 발생하는 압력의 균일화를 도모할 수 있다. 따라서, 멤브레인(16)의 느슨해짐을 방지하여 웨이퍼면 내의 연마량의 균일성을 높일 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대해서 설명했지만, 본 발명은, 상기의 실시 형태에 한정되는 일 없이, 본 발명의 주지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지의 변경이 가능하고, 그들도 본 발명의 범위 내에 포함되는 것인 것은 말할 필요도 없다.
예를 들면, 상기 실시 형태에 있어서, 연마 헤드(10)의 리테이너 링(14)은 가압 플랜지(12)에 고정된 것이지만, 리테이너 링(14)이 멤브레인(16)과 동일하게 가압 플랜지(12)와는 독립적으로 상하 이동 가능한 독립 방식의 것이라도 좋다.
실시예
지지 플레이트에 대한 멤브레인의 종횡 치수비가 웨이퍼의 연마량의 면 내 분포에 어떠한 영향을 미치는가를 평가했다. 이 평가 시험에서는, 초크랄스키법에 의해 육성된 결정 방위 (100)의 실리콘 단결정 잉곳으로부터 잘라내지고, 양면 연마 가공이 실시된 직경 450㎜, 두께 925㎛의 P형 실리콘 웨이퍼를 준비하고, 멤브레인 가압 방식의 연마 헤드를 구비한 웨이퍼 연마 장치를 이용하여 웨이퍼를 경면 연마했다. 연마 공정에서는, 실리카 농도 0.3wt/％, 실리카 입자 지름 35㎚의 슬러리를 이용하고, 또한 스웨이드(suede) 타입의 연마 패드를 이용했다. 연마 헤드 및 회전 정반의 회전 속도는 40rpm으로 하고, 멤브레인 압력은 10kpa로 하고, 목표 연마량(여유분)을 1㎛로 했다.
연마 공정에서는, 종횡 치수가 상이한 복수의 멤브레인 샘플을 준비하고, 이들 멤브레인 샘플을 이용하여 웨이퍼를 연마했다. 지지 플레이트에 대한 멤브레인의 세로 치수비(Mh/Ph)는, "1.01", "1.0", "0.90", "0.8", "0.75"의 5종류로 했다. 또한, 지지 플레이트에 대한 멤브레인의 가로 치수비(Md/Pd)는 "1.01", "1.0", "0.98", "0.95"의 4종류로 했다.
그 후, 웨이퍼 평탄도 측정 장치(쿠로다세이코 가부시키가이샤 제조 「나노메트로 450TT」)를 이용하여 각 웨이퍼의 연마량의 면 내 불균일을 평가했다. 그 결과를 도 3 및 도 4에 나타낸다.
도 3은, 지지 플레이트(15)에 대한 멤브레인(16)의 세로 치수비의 변화와 웨이퍼(W)의 연마량의 둘레 방향의 불균일의 관계를 나타내는 그래프로서, 가로축은 세로 치수비(Mh/Ph), 세로축은 웨이퍼의 둘레 방향의 두께 불균일(㎚)을 각각 나타내고 있다. 둘레 방향의 두께 불균일의 측정에서는, 웨이퍼를 45도 피치로 8섹터로 분할하여, 각 섹터에 있어서의 여유분 분포의 평균 프로파일을 산출했다. 그리고 평균 프로파일의 최댓값과 최솟값의 차를 웨이퍼의 둘레 방향의 두께 불균일의 값으로 했다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 멤브레인의 세로 치수비가 "1.01"일 때의 웨이퍼의 연마량의 둘레 방향의 불균일은, 멤브레인의 가로 치수비에 의하지 않고 50㎚ 이상으로, 연마량의 불균일이 컸다. 또한 멤브레인의 가로 치수비가 "1.01"일 때의 웨이퍼의 연마량의 둘레 방향의 불균일도, 멤브레인의 세로 치수비에 의하지 않고 50㎚ 이상으로, 연마량의 불균일이 컸다. 한편, 멤브레인의 세로 치수비가 "1.0" 이하일 때의 웨이퍼의 연마량의 둘레 방향의 불균일은, 멤브레인의 가로 치수비가 "1.01"인 경우를 제외하고, 연마량의 불균일이 작고, 특히 멤브레인의 세로 치수비가 작아질수록 작아지는 경향이 있는 것을 알 수 있었다.
도 4는, 지지 플레이트(15)에 대한 멤브레인(16)의 가로 치수비의 변화와 웨이퍼(W)의 연마량의 지름 방향의 불균일의 관계를 나타내는 그래프로서, 가로축은 가로 치수비(Md/Pd), 세로축은 웨이퍼의 지름 방향의 두께 불균일(㎚)을 각각 나타내고 있다. 웨이퍼의 둘레 방향의 두께 불균일의 값은, 웨이퍼의 중심으로부터 223㎜의 위치에서의 최댓값과 최솟값의 차로 했다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 멤브레인의 가로 치수비가 "1.01"일 때의 웨이퍼의 연마량의 지름 방향의 불균일은, 멤브레인의 세로 치수비에 의하지 않고 200㎚ 이상으로, 연마량의 불균일이 컸다. 또한 멤브레인의 세로 치수비가 "1.01"일 때의 웨이퍼의 연마량의 지름 방향의 불균일도, 멤브레인의 가로 치수비에 의하지 않고 250㎚ 이상으로, 연마량의 불균일이 컸다. 한편, 멤브레인의 가로 치수비가 "1.0" 이하일 때의 웨이퍼의 연마량의 지름 방향의 불균일은, 멤브레인의 세로 치수비가 "1.01"인 경우를 제외하고, 연마량의 불균일이 작고, 특히 멤브레인의 가로 치수비가 커질수록 작아지는 경향이 있는 것을 알 수 있었다.
이상의 결과로부터, 멤브레인의 세로 치수비(Mh/Ph)가 0.75∼1.0의 범위 내이고 또한 가로 치수비(Md/Pd)가 0.95∼1.0의 범위 내이면 웨이퍼면 내의 연마량의 불균일을 억제하여 평탄도를 확보할 수 있는 것이 확인되었다. 또한, 지지 플레이트에 대한 멤브레인의 세로 치수비(Mh/Ph)가 가로 치수비(Md/Pd)보다도 작은 경우에는, 웨이퍼면 내의 연마량의 균일성을 한층 더 높일 수 있고, 세로 치수비(Mh/Ph)와 가로 치수비(Md/Pd)의 차가 클수록 그 효과도 커지는 것이 확인되었다.
1 : 웨이퍼 연마 장치
10 : 연마 헤드
11 : 회전축
12 : 가압 플랜지
13 : 조정 스페이서
14 : 리테이너 링
15 : 지지 플레이트
15a : 지지 플레이트의 돌기
15b : 지지 플레이트의 저면
15c : 지지 플레이트의 외주 단면
15d : 지지 플레이트의 걸어맞춤 홈
15e : 지지 플레이트의 통기구
16 : 멤브레인
16a : 멤브레인의 주면부
16b : 멤브레인의 측면부
16c : 멤브레인의 상면부
16d : 멤브레인의 돌기부
16e : 멤브레인의 코너부
16f : 멤브레인의 개구부
17 : 드라이브 전달 핀
18 : 멤브레인 가압 라인
19 : 멤브레인 높이 조정 튜브
20 : 멤브레인 높이 조정 스페이서
21 : 회전 정반
22 : 연마 패드
W : 웨이퍼

Claims (6)

  1. 연마 패드가 접착된 회전 정반과,
    상기 연마 패드 상에 올려놓여진 웨이퍼를 압압하면서 보유지지하는 연마 헤드를 구비하고,
    상기 연마 헤드는,
    상기 웨이퍼의 상면에 맞닿아 압압력을 부여하는 멤브레인과,
    상기 멤브레인을 지지하는 지지 플레이트를 구비하고,
    상기 멤브레인은, 상기 지지 플레이트의 저면과 대향하는 주면부(主面部)와, 상기 지지 플레이트의 외주 단면과 대향하는 측면부를 갖고,
    상기 멤브레인의 상기 측면부에 의한 세로 방향의 장력은, 상기 멤브레인의 상기 주면부에 의한 가로 방향의 장력보다도 큰 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지지 플레이트의 두께(Ph)에 대한 상기 멤브레인의 상기 측면부의 내측의 높이(Mh)의 치수비(Mh/Ph)는, 0.75보다도 크고 또한 1보다도 작은 웨이퍼 연마 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 지지 플레이트의 직경(Pd)에 대한 상기 멤브레인의 상기 주면부의 내측의 직경(Md)의 치수비(Md/Pd)는, 0.95보다도 크고 또한 1 이하인 웨이퍼 연마 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 멤브레인은, 독립적으로 가압 제어 가능한 복수의 가압 존으로 분할되는 일 없이 단일의 가압 존을 구성하고 있는 웨이퍼 연마 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연마 헤드는, 상기 웨이퍼의 외주 단면(端面)에 맞닿아 상기 웨이퍼를 수평 방향의 움직임을 규제하는 리테이너 링을 추가로 구비하고,
    상기 리테이너 링의 저면은 상기 연마 패드의 표면에 접촉하지 않는 웨이퍼 연마 장치.
  6. 연마 패드가 접착된 회전 정반 상에 올려놓여진 웨이퍼를 압압하면서 보유지지하는 웨이퍼 연마 장치의 연마 헤드로서,
    상기 웨이퍼의 상면에 맞닿아 압압력을 부여하는 멤브레인과,
    상기 멤브레인을 지지하는 지지 플레이트를 구비하고,
    상기 멤브레인은, 상기 지지 플레이트의 저면과 대향하는 주면부와, 상기 지지 플레이트의 외주 단면과 대향하는 측면부를 갖고,
    상기 멤브레인의 상기 측면부에 의한 세로 방향의 장력은, 상기 멤브레인의 상기 주면부에 의한 가로 방향의 장력보다도 큰 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
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