KR20180061240A - 연마 방법 및 연마 장치 - Google Patents

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히로시 요시다
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가부시키가이샤 에바라 세이사꾸쇼
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Abstract

본 발명은 기판의 주위 방향을 따라 막 두께의 변동이 존재하는 기판의 표면을 연마하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 연마 방법은, 기판(W)의 주위 방향에 있어서의 막 두께의 분포를 취득하고, 막 두께의 분포에 기초하여, 가장 크거나 또는 가장 작은 막 두께를 갖는 제1 영역을 결정하고, 연마 패드(2)를 보유 지지한 연마 테이블(3)을 회전시키고, 연마 헤드(1)로 기판을 회전시키면서, 기판(W)의 표면을 연마 패드(2)에 압박하고, 제1 영역을, 기판(W)의 표면 내의 제2 영역의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마한다.

Description

연마 방법 및 연마 장치
본 발명은 웨이퍼 등의 기판의 표면을 연마하는 연마 방법 및 연마 장치에 관한 것으로, 특히 기판의 주위 방향을 따라 막 두께의 변동이 존재하는 기판의 표면을 연마하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조에서는, 웨이퍼 위에 여러 종류의 막이 형성된다. 성막 공정 후에는, 막의 불필요한 부분이나 표면 요철을 제거하기 위하여, 웨이퍼가 연마된다. 화학 기계 연마(CMP)는, 웨이퍼 연마의 대표적인 기술이다. 이 CMP는, 연마면 위에 슬러리를 공급하면서, 웨이퍼를 연마면에 미끄럼 접촉시킴으로써 행하여진다. 웨이퍼에 형성된 막은, 슬러리에 포함되는 지립에 의한 기계적 작용과, 슬러리의 화학 성분에 의한 화학적 작용의 복합 효과에 의해 연마된다.
일본 특허 공개 제2002-079454호 공보 미국 특허 제7025658호 명세서
웨이퍼에 막을 형성하는 공정은, 도금, 화학 증착(CVD), 물리 증착(PVD) 등의 다양한 성막 기술을 사용하여 행하여진다. 이들 성막 기술에서는, 웨이퍼의 전체면에 걸쳐 막이 균일하게 형성되지 않는 경우가 있다. 예를 들어, 웨이퍼의 주위 방향을 따라 막 두께의 변동이 있거나, 막 전체가 비스듬히 형성되는 경우도 있다. 특히, 복수의 성막 장치를 사용하여 복수의 웨이퍼에 각각 막을 형성한 경우에는, 막 두께 분포가 웨이퍼 사이에서 상이한 경우가 있다. 그러나, 종래의 CMP 기술에서는, 이러한 웨이퍼의 주위 방향을 따른 막 두께의 변동을 해소할 수 없었다.
본 발명은 웨이퍼 등의 기판의 주위 방향을 따른 막 두께의 변동을 해소할 수 있고, 또한, 막 두께 분포의 차이와 상관없이, 복수의 기판 사이에서 동일한 막 두께 분포가 얻어지는 연마 방법 및 연마 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양태는, 기판의 주위 방향에 있어서의 막 두께의 분포를 취득하고, 상기 막 두께의 분포에 기초하여, 가장 크거나 또는 가장 작은 막 두께를 갖는 제1 영역을 결정하고, 연마 패드를 보유 지지한 연마 테이블을 회전시키고, 연마 헤드로 기판을 회전시키면서, 상기 기판의 표면을 상기 연마 패드에 압박하고, 상기 제1 영역을, 상기 기판의 표면 내의 제2 영역의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마하는 것을 특징으로 하는 연마 방법이다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역은, 상기 기판의 중심에 관하여 대칭임을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 기판의 표면을 상기 연마 패드에 압박하는 공정은, 상기 연마 헤드로 기판을 회전시키면서, 상기 연마 헤드의 회전 중심선으로부터의 상기 제1 영역의 거리가 커지거나, 또는 작아지는 방향으로 상기 연마 헤드를 편심시킨 상태에서, 상기 연마 헤드로 상기 기판의 표면을 상기 연마 패드에 압박하는 공정임을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 제1 영역을, 상기 기판의 표면 내의 제2 영역의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마하는 공정은, 상기 연마 테이블의 반경 방향에 있어서 상기 제1 영역이 상기 제2 영역보다도 외측에 위치하고 있을 때에, 상기 연마 헤드로부터 상기 기판의 표면 전체에 가해지는 하중을 증가 또는 저하시킴으로써, 상기 제1 영역을, 상기 기판의 표면 내의 제2 영역의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마하는 공정임을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 제1 영역을, 상기 기판의 표면 내의 제2 영역의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마하는 공정은, 상기 연마 테이블의 반경 방향에 있어서 상기 제1 영역이 상기 제2 영역보다도 외측에 위치하고 있을 때에, 상기 연마 헤드로부터 상기 제1 영역에 가해지는 국소 하중을 증가 또는 저하시킴으로써, 상기 제1 영역을, 상기 제2 영역의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마하는 공정임을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 제1 영역을, 상기 기판의 표면 내의 제2 영역의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마하는 공정은, 상기 연마 테이블의 반경 방향에 있어서 상기 제1 영역이 상기 제2 영역보다도 외측에 위치하고 있을 때에, 상기 연마 헤드를 상기 기판과 함께 상기 연마 테이블의 반경 방향에 있어서 외측 또는 내측으로 이동시킴으로써, 상기 제1 영역을, 상기 제2 영역의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마하는 공정임을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 기판의 표면을 상기 연마 패드에 압박하는 공정은, 상기 연마 헤드로 기판을 회전시키면서, 상기 연마 헤드의 탄성막을 보유 지지하는 막 홀더를 기울인 상태에서, 상기 탄성막으로 상기 기판의 표면을 상기 연마 패드에 압박하는 공정이며, 상기 막 홀더는, 상기 제1 영역으로부터 상기 제2 영역을 향하여 상방 또는 하방으로 기울어 있음을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태는, 기판의 주위 방향에 있어서의 막 두께의 분포를 취득하고, 상기 막 두께의 분포에 기초하여, 가장 크거나 또는 가장 작은 막 두께를 갖는 제1 영역을 결정하고, 상기 기판을 보유 지지한 기판 스테이지를 회전시키고, 연마 디스크를 회전시키면서, 해당 연마 디스크를 상기 기판의 표면에 압박하고, 상기 제1 영역을, 상기 기판의 표면 내의 제2 영역의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마하는 것을 특징으로 하는 연마 방법이다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역은, 상기 기판의 중심에 관하여 대칭임을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 제1 영역을, 상기 기판의 표면 내의 제2 영역의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마하는 공정은, 상기 연마 디스크가 상기 제1 영역에 접촉하고 있을 때에, 상기 제1 영역과 상기 연마 디스크의 상대 속도를 올림으로써, 상기 제1 영역을, 상기 기판의 표면 내의 제2 영역의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마하는 공정임을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 제1 영역을, 상기 기판의 표면 내의 제2 영역의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마하는 공정은, 상기 연마 디스크가 상기 제1 영역에 접촉하고 있을 때에, 상기 연마 디스크의 하중을 증가시킴으로써, 상기 제1 영역을, 상기 기판의 표면 내의 제2 영역의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마하는 공정임을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태는, 기판의 주위 방향에 있어서의 막 두께의 분포를 나타내는 제1 막 두께 분포를 취득하고, 상기 제1 막 두께 분포에 기초하여, 가장 크거나 또는 가장 작은 막 두께를 갖는 제1 영역을 결정하고, 연마 패드를 보유 지지한 연마 테이블을 회전시키고, 연마 헤드로 상기 기판을 회전시키면서, 상기 기판의 표면을 상기 연마 패드에 압박하고, 상기 제1 영역을, 상기 기판의 표면 내의 제2 영역의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마하는 제1 단계 연마 공정을 행하고, 연마된 상기 기판의 주위 방향에 있어서의 막 두께의 분포를 나타내는 제2 막 두께 분포를 취득하고, 상기 제2 막 두께 분포에 기초하여, 가장 크거나 또는 가장 작은 막 두께를 갖는 제3 영역을 결정하고, 상기 기판을 보유 지지한 기판 스테이지를 회전시키고, 연마 디스크를 회전시키면서, 해당 연마 디스크를 상기 기판의 표면에 압박하고, 상기 제3 영역을, 상기 기판의 표면 내의 제4 영역의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마하는 제2 단계 연마 공정을 행하는 것을 특징으로 하는 연마 방법이다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역은, 상기 기판의 중심에 관하여 대칭이며, 상기 제3 영역 및 상기 제4 영역은, 상기 기판의 중심에 관하여 대칭임을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태는, 연마 패드를 지지하는 연마 테이블과, 기판을 상기 연마 패드에 압박하는 연마 헤드와, 상기 연마 헤드를 회전 중심선의 주위로 회전시키는 헤드 회전 모터와, 상기 연마 헤드를 상기 회전 중심선에 대하여 편심시키는 헤드 편심 기구를 구비한 것을 특징으로 하는 연마 장치이다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 헤드 편심 기구는, 상기 연마 헤드의 회전 중심선으로부터의, 상기 기판의 표면 내의 제1 영역의 거리가 커지거나, 또는 작아지는 방향으로 상기 연마 헤드를 편심시킴으로써, 상기 연마 헤드는, 상기 제1 영역을, 상기 기판의 표면 내의 제2 영역의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마할 수 있음을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역은, 상기 기판의 중심에 관하여 대칭임을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태는, 연마 패드를 지지하는 연마 테이블과, 기판을 상기 연마 패드에 압박하는 연마 헤드를 구비하고, 상기 연마 헤드는, 헤드 본체와, 상기 기판을 상기 연마 패드에 압박하는 탄성막과, 상기 탄성막을 보유 지지하는 막 홀더와, 상기 헤드 본체와 상기 막 홀더 사이에 적어도 3개의 작동실을 형성하는 적어도 3개의 격벽막과, 상기 적어도 3개의 작동실 내의 압력을 각각 독립해서 제어함으로써, 상기 막 홀더를 원하는 방향으로 기울일 수 있는 적어도 3개의 압력 레귤레이터를 구비한 것을 특징으로 하는 연마 장치이다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 막 홀더는, 상기 기판의 표면 내의 제1 영역으로부터 제2 영역을 향하여 상방 또는 하방으로 기울어 있음으로써, 상기 연마 헤드는, 상기 제1 영역을, 상기 기판의 표면 내의 제2 영역의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마할 수 있음을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역은, 상기 기판의 중심에 관하여 대칭임을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 제1 영역을, 제2 영역과는 상이한 제거 레이트로 연마함으로써, 제1 영역 및 제2 영역에서의 막 두께의 차이를 작게 할 수 있다. 전형적으로는, 제1 영역 및 제2 영역에서의 막 두께를 동일하게 할 수 있다. 따라서, 본 발명에 관한 연마 방법은, 기판의 주위 방향을 따른 막 두께의 변동을 해소할 수 있다.
도 1은 CMP(화학 기계 연마) 장치의 일 실시 형태를 도시하는 사시도이다.
도 2는 CMP 장치의 상세한 구성을 도시하는 도면이다.
도 3은 연마 헤드의 단면도이다.
도 4는 웨이퍼의 노치를 검출하는 절결 검출 센서가 연마 테이블 옆에 배치되어 있는 실시 형태를 도시하는 도면이다.
도 5는 절결 검출 센서의 출력 신호와, 연마 헤드의 회전 각도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 연마 테이블에 배치된 막 두께 센서를 절결 검출 센서로서 사용한 실시 형태를 도시하는 도면이다.
도 7은 한번만 막 두께 센서를 웨이퍼의 표면을 가로지르게 하여, 막 두께 프로파일을 취득하는 실시 형태를 도시하는 도면이다.
도 8은 막 두께 지표값으로부터 작성된 막 두께 프로파일을 도시하는 도면이다.
도 9는 연마 헤드의 회전 각도와, 대응하는 막 두께 지표값의 관계를 나타내는 데이터 테이블이다.
도 10은 연마 헤드의 회전 각도와, 대응하는 막 두께 지표값의 관계를 나타내는 막 두께 분포의 그래프이다.
도 11은 막 두께 센서를 웨이퍼의 표면을 복수회 가로지르게 하여, 막 두께 프로파일을 취득하는 실시 형태를 도시하는 도면이다.
도 12는 막 두께 지표값으로부터 작성된 막 두께 프로파일을 도시하는 도면이다.
도 13은 연마 테이블의 1회전마다의, 연마 헤드의 회전 각도와, 대응하는 막 두께 지표값의 관계를 나타내는 데이터 테이블이다.
도 14는 연마 헤드의 회전 각도와, 대응하는 막 두께 지표값의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 15는 웨이퍼의 제1 영역과 제2 영역의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 16은 웨이퍼의 제1 영역과 제2 영역의 다른 예를 나타내는 모식도이다.
도 17은 연마 헤드의 웨이퍼 접촉면 위에 미리 정의된 좌표 영역의 일례를 도시하는 도면이다.
도 18은 연마 헤드의 웨이퍼 접촉면 위에 미리 정의된 좌표 영역의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 19는 현재의 막 두께 분포와 목표 막 두께 분포의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 20은 현재의 막 두께 분포와 목표 막 두께 분포의 다른 예를 나타내는 그래프이다.
도 21은 연마 헤드를 회전 중심선에 대하여 편심시킬 수 있는 헤드 편심 기구를 도시하는 단면도이다.
도 22는 도 21에 도시하는 헤드 편심 기구의 평면도이다.
도 23은 연마 헤드가 편심되어 있는 상태를 도시하는 단면도이다.
도 24는 연마 헤드가 편심되어 있는 상태를 도시하는 평면도이다.
도 25는 웨이퍼의 표면 내에 있는 제1 영역의, 회전 중심선으로부터의 거리가 커지는 방향으로 연마 헤드를 편심시킨 상태를 도시하는 모식도이다.
도 26은 연마 테이블상의 연마 패드의 연마면에 압박되어 있는 웨이퍼를 도시하는 모식도이다.
도 27은 연마 테이블상의 연마 패드의 연마면에 압박되어 있는 웨이퍼를 도시하는 모식도이다.
도 28은 연마 테이블상의 연마 패드의 연마면에 압박되어 있는 웨이퍼를 도시하는 모식도이다.
도 29는 제1 영역을, 제2 영역의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마하는 연마 방법의 일 실시 형태에 사용되는 연마 헤드의 단면도이다.
도 30은 도 29의 A-A선 단면도이다.
도 31은 웨이퍼 등의 기판의 표면 전체를 마무리 연마하는 데 사용할 수 있는 버프 연마 장치의 일 실시 형태를 도시하는 사시도이다.
도 32는 도 31에 도시하는 연마 디스크 및 디스크 아암을 도시하는 도면이다.
도 33은 웨이퍼의 주연부에 형성되어 있는 노치(절결)를 검출하는 공정을 설명하는 도면이다.
도 34는 제1 막 두께 센서의 출력 신호와, 웨이퍼 스테이지의 회전 각도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 35a는 제1 막 두께 센서만이 동작하여, 웨이퍼의 막 두께를 측정하는 모습을 도시하는 도면이다.
도 35b는 제1 막 두께 센서만이 동작하여, 웨이퍼의 막 두께를 측정하는 모습을 도시하는 도면이다.
도 36a는 제2 막 두께 센서만이 동작하여, 웨이퍼의 막 두께를 측정하는 모습을 도시하는 도면이다.
도 36b는 제2 막 두께 센서만이 동작하여, 웨이퍼의 막 두께를 측정하는 모습을 도시하는 도면이다.
도 37은 제1 막 두께 센서 및 제2 막 두께 센서의 이동 경로를 도시하는 도면이다.
도 38은 막 두께 분포의 일례를 도시하는 도면이다.
도 39는 막 두께 분포의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 40은 연마 디스크가 웨이퍼의 표면 위의 일방측에 위치하고 있을 때의 평면도이다.
도 41은 연마 디스크가 웨이퍼의 표면 위의 반대측에 위치하고 있을 때의 평면도이다.
도 42는 연마 디스크가 제1 영역에 접촉하면서, 연마 디스크가 제1 영역보다도 내측에 위치하고 있을 때에, 연마 디스크의 회전 속도를 저하시키는 실시 형태를 도시하는 도면이다.
도 43은 연마 디스크가 제1 영역에 접촉하면서, 연마 디스크가 제1 영역보다도 외측에 위치하고 있을 때에, 연마 디스크의 회전 속도를 증가시켜 웨이퍼 스테이지 및 웨이퍼의 회전 속도에 근접하는 실시 형태를 도시하는 도면이다.
도 44는 연마 디스크가 웨이퍼의 표면 위의 일방측에 위치하고 있을 때의 평면도이다.
도 45는 연마 디스크가 웨이퍼의 표면 위의 반대측에 위치하고 있을 때의 평면도이다.
도 46은 화학 기계 연마(CMP) 장치와 버프 연마 장치를 구비한 복합 연마 시스템을 도시하는 모식도이다.
도 47은 복합 연마 시스템의 동작 시퀀스를 나타내는 흐름도이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 웨이퍼 등의 기판의 표면 전체를 화학 기계적으로 연마하기 위한 주 연마 장치인 CMP(화학 기계 연마) 장치의 일 실시 형태를 도시하는 사시도이다. 주 연마 장치로서의 CMP 장치(100)는, 기판의 일례인 웨이퍼 W를 보유 지지하여 회전시키는 연마 헤드(기판 보유 지지 장치)(1)와, 연마 패드(2)를 지지하는 연마 테이블(3)과, 연마 패드(2)에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급 노즐(5)을 구비하고 있다. 연마 패드(2)의 상면은, 웨이퍼 W를 연마하기 위한 연마면(2a)을 구성한다.
연마 헤드(1)는, 그 하면에 진공 흡인에 의해 웨이퍼 W를 보유 지지할 수 있도록 구성되어 있다. 연마 헤드(1) 및 연마 테이블(3)은, 화살표로 나타내는 바와 같이 동일한 방향으로 회전하면서, 연마 헤드(1)는, 웨이퍼 W를 연마 패드(2)의 연마면(2a)에 압박한다. 연마면(2a)은, 웨이퍼 W의 표면보다도 커, 웨이퍼 W의 표면 전체가 연마면(2a)에 압박된다. 슬러리 공급 노즐(5)로부터는 슬러리가 연마 패드(2) 위에 공급되고, 웨이퍼 W는, 슬러리의 존재 하에서 연마 패드(2)의 연마면(2a)에 미끄럼 접촉된다. 웨이퍼 W의 표면은, 슬러리에 포함되는 지립에 의한 기계적 작용과, 슬러리의 화학 성분에 의한 화학적 작용의 복합 효과에 의해 연마된다.
연마 테이블(3)에는, 웨이퍼 W의 막 두께를 측정하는 막 두께 센서(15)가 하나 이상 배치되어 있다. 이 막 두께 센서(15)는, 와전류 센서 또는 광학식 센서이며, 웨이퍼 W의 막 두께에 따라 변화하는 막 두께 지표값을 출력하도록 구성되어 있다. 막 두께 지표값은, 막 두께를 직접 또는 간접적으로 나타내는 값이다. 막 두께 센서(15)는, 연마 테이블(3)과 함께 회전한다. 연마 테이블(3)이 1회전할 때마다, 막 두께 센서(15)는, 웨이퍼 W의 중심을 포함하는 복수의 측정점에서 막 두께를 측정하여, 상술한 막 두께 지표값을 출력한다.
막 두께 센서(15)는, 데이터 처리부(6)에 접속되어 있다. 웨이퍼 W의 표면 위의 복수의 측정점에서 얻어진 막 두께 지표값은, 막 두께 데이터로서 데이터 처리부(6)에 이송된다. 데이터 처리부(6)는, 막 두께 데이터로부터 막 두께 프로파일을 작성하고, 또한 막 두께 프로파일로부터 막 두께 분포를 작성한다. 본 명세서에 있어서, 막 두께 프로파일은, 막 두께 지표값(즉 막 두께)과, 웨이퍼 W 상의 반경 방향의 위치의 관계를 나타내고, 막 두께 분포는, 웨이퍼 W의 주위 방향에 있어서의 막 두께 지표값의 분포(즉 막 두께의 분포)를 나타낸다.
데이터 처리부(6)는, 동작 제어부(7)에 접속되어 있다. 동작 제어부(7)는, 막 두께 분포에 기초하여 연마 조건을 결정한다. 보다 구체적으로는, 동작 제어부(7)는, 현재의 막 두께 분포를 목표의 막 두께 분포에 근접시키기 위한 연마 조건을 결정한다. 동작 제어부(7)는, 연마 조건 조정 시스템(8)에 접속되어 있고, 연마 조건 조정 시스템(8)의 동작을 제어하도록 구성되어 있다. 이 연마 조건 조정 시스템(8)은, 후술하는 압력 레귤레이터, 헤드 선회 모터, 헤드 편심 기구 등으로 구성된다.
도 2는 CMP 장치(100)의 상세한 구성을 도시하는 도면이다. 연마 테이블(3)은, 테이블 축(3a)을 통하여 그 하방에 배치되는 테이블 모터(13)에 연결되어 있고, 그 테이블 축(3a)을 중심으로 회전 가능하게 되어 있다. 연마 테이블(3)의 상면에는 연마 패드(2)가 부착되어 있다. 테이블 모터(13)에 의해 연마 테이블(3)을 회전시킴으로써, 연마면(2a)은 연마 헤드(1)에 대하여 상대적으로 이동한다. 따라서, 테이블 모터(13)는, 연마면(2a)을 수평 방향으로 이동시키는 연마면 이동 기구를 구성한다.
연마 헤드(1)는, 헤드 샤프트(11)에 접속되어 있고, 이 헤드 샤프트(11)는, 상하 이동 기구(27)에 의해 헤드 아암(16)에 대하여 상하 이동하도록 되어 있다. 이 헤드 샤프트(11)의 상하 이동에 의해, 연마 헤드(1)의 전체를 헤드 아암(16)에 대하여 승강시켜, 위치 결정하게 되어 있다. 헤드 샤프트(11)의 상단에는 로터리 조인트(25)가 설치되어 있다.
헤드 샤프트(11) 및 연마 헤드(1)를 상하 이동시키는 상하 이동 기구(27)는, 베어링(26)을 통하여 헤드 샤프트(11)를 회전 가능하게 지지하는 브리지(28)와, 브리지(28)에 설치된 볼 나사(32)와, 지주(30)에 의해 지지된 지지대(29)와, 지지대(29) 위에 설치된 서보 모터(38)를 구비하고 있다. 서보 모터(38)를 지지하는 지지대(29)는, 지주(30)를 통하여 헤드 아암(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. 헤드 샤프트(11)는, 브리지(28)와 일체로 되어 상하 이동하도록 되어 있다. 따라서, 서보 모터(38)를 구동하면, 볼 나사(32)를 통하여 브리지(28)가 상하 이동하고, 이에 의해 헤드 샤프트(11) 및 연마 헤드(1)가 상하 이동한다.
헤드 샤프트(11)는 키(도시하지 않음)를 통하여 회전통(12)에 연결되어 있다. 이 회전통(12)은 그 외주부에 타이밍 풀리(14)를 구비하고 있다. 헤드 아암(16)에는 헤드 회전 모터(18)가 고정되어 있고, 상기 타이밍 풀리(14)는, 타이밍 벨트(19)를 통하여 헤드 회전 모터(18)에 설치된 타이밍 풀리(20)에 접속되어 있다. 따라서, 헤드 회전 모터(18)를 회전 구동함으로써 타이밍 풀리(20), 타이밍 벨트(19) 및 타이밍 풀리(14)를 통하여 회전통(12) 및 헤드 샤프트(11)가 일체로 회전하고, 연마 헤드(1)가 그 축심을 중심으로 하여 회전한다. 헤드 회전 모터(18), 타이밍 풀리(20), 타이밍 벨트(19) 및 타이밍 풀리(14)는, 연마 헤드(1)를 그 축심을 중심으로 하여 회전시키는 연마 헤드 회전 기구를 구성한다. 헤드 아암(16)은, 프레임(도시하지 않음)에 회전 가능하게 지지된 헤드 아암 샤프트(21)에 의해 지지되어 있다.
헤드 회전 모터(18)에는, 회전 각도 검출기인 로터리 인코더(22)가 설치되어 있다. 이 로터리 인코더(22)는, 헤드 회전 모터(18)에 연결된 연마 헤드(1)의 회전 각도를 검출하도록 구성되어 있다. 로터리 인코더(22)는 도 1에 도시하는 데이터 처리부(6)에 접속되어 있고, 로터리 인코더(22)에 의해 검출된 연마 헤드(1)의 회전 각도는, 데이터 처리부(6)에 송신된다.
연마 헤드(1)는, 그 하면에 웨이퍼 W 등의 기판을 보유 지지할 수 있도록 구성되어 있다. 헤드 아암(16)은 헤드 아암 샤프트(21)를 중심으로 하여 선회 가능하게 구성되어 있고, 헤드 아암 샤프트(21)는 헤드 선회 모터(23)에 연결되어 있다. 이 헤드 선회 모터(23)는, 헤드 아암 샤프트(21)를 소정의 각도만큼 시계 방향 및 반시계 방향으로 회전시키는 것이 가능하게 구성되어 있다. 따라서, 헤드 선회 모터(23)를 동작시키면, 연마 헤드(1) 및 헤드 아암(16)은 헤드 아암 샤프트(21)를 중심으로 선회한다.
웨이퍼 W의 연마는 다음과 같이 하여 행하여진다. 하면에 웨이퍼 W를 보유 지지한 연마 헤드(1)는, 헤드 아암(16)의 선회에 의해 웨이퍼 W의 수취 위치로부터 연마 테이블(3)의 상방 위치로 이동된다. 연마 헤드(1) 및 연마 테이블(3)을 각각 회전시켜, 연마 테이블(3)의 상방에 설치된 슬러리 공급 노즐(5)로부터 연마 패드(2) 위로 슬러리를 공급한다. 연마 헤드(1)를 하강시키고, 그리고 웨이퍼 W를 연마 패드(2)의 연마면(2a)에 압박한다. 이와 같이, 웨이퍼 W를 연마 패드(2)의 연마면(2a)에 미끄럼 접촉시켜 웨이퍼 W의 표면을 연마한다.
이어서, 기판 보유 지지 장치를 구성하는 연마 헤드(1)에 대하여 설명한다. 본 실시 형태에서는, 연마 헤드(1)는, 웨이퍼 W의 영역마다 압박력을 바꿀 수 있도록 구성되어 있다. 도 3은 연마 헤드(1)의 단면도이다. 도 3에 도시하는 바와 같이, 연마 헤드(1)는 헤드 샤프트(11)에 연결된 헤드 본체(41)와, 헤드 본체(41)의 하방에 배치된 리테이너 링(42)을 구비하고 있다.
헤드 본체(41)의 하방에는, 웨이퍼 W의 상면(연마해야 할 표면과 반대측의 면)에 맞닿는 탄성막(44)과, 탄성막(44)을 보유 지지하는 막 홀더(45)가 배치되어 있다. 탄성막(44)은, 웨이퍼 W의 상면에 접촉하는 웨이퍼 접촉면(기판 접촉면)(44a)을 갖고 있다. 이 웨이퍼 접촉면(기판 접촉면)(44a)은, 원형이며, 웨이퍼 W를 연마 패드(2)의 연마면(2a)에 대하여 압박할 수 있다.
탄성막(44)과 막 홀더(45) 사이에는 4개의 압력실 P1, P2, P3, P4가 설치되어 있다. 압력실 P1, P2, P3, P4는 탄성막(44)과 막 홀더(45)에 의해 형성되어 있다. 중앙의 압력실 P1은 원형이며, 다른 압력실 P2, P3, P4는 환상이다. 이들 압력실 P1, P2, P3, P4는, 동심원상으로 배열되어 있다.
압력실 P1, P2, P3, P4에는 각각 기체 이송 라인 F1, F2, F3, F4를 통하여 기체 공급원(50)에 의해 가압 공기 등의 가압 기체가 공급되도록 되어 있다. 또한, 기체 이송 라인 F1, F2, F3, F4에는 진공 라인 V1, V2, V3, V4가 접속되어 있고, 진공 라인 V1, V2, V3, V4에 의해 압력실 P1, P2, P3, P4에 부압이 형성되게 되어 있다. 압력실 P1, P2, P3, P4의 내부 압력은 서로 독립해서 변화시키는 것이 가능하고, 이에 의해, 웨이퍼 W의 대응하는 4개의 영역, 즉 중앙부, 내측 중간부, 외측 중간부 및 주연부에 대한 연마 압력을 독립해서 조정할 수 있다.
막 홀더(45)와 헤드 본체(41) 사이에는 압력실 P5가 형성되고, 이 압력실 P5에는 기체 이송 라인 F5를 통하여 상기 기체 공급원(50)에 의해 가압 기체가 공급되도록 되어 있다. 또한, 기체 이송 라인 F5에는 진공 라인 V5가 접속되어 있고, 진공 라인 V5에 의해 압력실 P5에 부압이 형성되게 되어 있다. 이에 의해, 막 홀더(45) 및 탄성막(44) 전체가 상하 방향으로 움직일 수 있다.
웨이퍼 W의 주위단부는 리테이너 링(42)에 둘러싸여 있어, 연마 중에 웨이퍼 W가 연마 헤드(1)로부터 튀어나오지 않게 되어 있다. 압력실 P3을 구성하는, 탄성막(44)의 부위에는 개구가 형성되어 있고, 압력실 P3에 진공을 형성함으로써 웨이퍼 W가 연마 헤드(1)에 흡착 보유 지지되게 되어 있다. 또한, 이 압력실 P3에 질소 가스나 클린 에어 등을 공급함으로써, 웨이퍼 W가 연마 헤드(1)로부터 릴리즈되게 되어 있다.
헤드 본체(41)와 리테이너 링(42) 사이에는, 환상의 롤링 다이어프램(46)이 배치되어 있으며, 이 롤링 다이어프램(46)의 내부에는 압력실 P6이 형성되어 있다. 압력실 P6은, 기체 이송 라인 F6을 통하여 상기 기체 공급원(50)에 연결되어 있다. 기체 공급원(50)은 가압 기체를 압력실 P6 내에 공급하고, 이에 의해 리테이너 링(42)을 연마 패드(2)에 대하여 압박한다. 또한, 기체 이송 라인 F6에는 진공 라인 V6이 접속되어 있고, 진공 라인 V6에 의해 압력실 P6에 부압이 형성되게 되어 있다. 압력실 P6 내에 진공이 형성되면, 리테이너 링(42)의 전체가 상승한다.
압력실 P1, P2, P3, P4, P5, P6에 연통되는 기체 이송 라인 F1, F2, F3, F4, F5, F6에는, 각각 압력 레귤레이터 R1, R2, R3, R4, R5, R6이 설치되어 있다. 기체 공급원(50)으로부터의 가압 기체는, 압력 레귤레이터 R1 내지 R6을 통하여 압력실 P1 내지 P6 내에 공급된다. 압력 레귤레이터 R1 내지 R6은, 기체 이송 라인 F1 내지 F6에 의해 압력실 P1 내지 P6에 접속되어 있다. 기체 이송 라인 F1 내지 F6은, 압력실 P1 내지 P6으로부터 로터리 조인트(25) 및 압력 레귤레이터 R1 내지 R6을 경유하여 기체 공급원(50)까지 연장되어 있다.
압력 레귤레이터 R1 내지 R6은, 기체 공급원(50)으로부터 공급되는 가압 기체의 압력을 조정함으로써, 압력실 P1 내지 P6 내의 압력을 제어한다. 압력 레귤레이터 R1 내지 R6은, 도 1에 도시하는 동작 제어부(7)에 접속되어 있다. 압력실 P1 내지 P6은 대기 밸브 개방(도시하지 않음)에도 접속되어 있어, 압력실 P1 내지 P6을 대기 개방하는 것도 가능하다.
동작 제어부(7)는, 막 두께 데이터로부터 생성한 막 두께 프로파일 및 막 두께 분포에 기초하여, 압력실 P1 내지 P4 각각의 목표 압력값을 설정하고, 압력실 P1 내지 P4 내의 압력이 대응하는 목표 압력값으로 유지되도록 압력 레귤레이터 R1 내지 R4를 조작한다. 압력실 P1 내지 P4는, 동심상으로 배열되어 있기 때문에, 웨이퍼 W의 반경 방향을 따른 막 두께의 변동을 해소할 수는 있지만, 웨이퍼 W의 주위 방향을 따른 막 두께의 변동을 해소할 수는 없다.
그래서, 본 실시 형태에서는, 주 연마 장치인 CMP 장치(100)는, 다음과 같이 하여 웨이퍼 W의 주위 방향을 따른 막 두께의 변동을 해소한다. 먼저, 웨이퍼 W의 연마 전에, 웨이퍼 W의 방향과, 연마 헤드(1)의 회전 각도를 관련짓기 위한 관련짓기 공정이 행하여진다. 이 관련짓기 공정은, 웨이퍼 W의 주연부에 형성되어 있는 노치(절결)를 검출하는 절결 검출 센서(51)를 사용하여 행하여진다.
일 실시 형태에서는, 도 4에 도시하는 바와 같이, 절결 검출 센서(51)는, 연마 테이블(3) 옆에 배치되어 있다. 연마 헤드(1)는, 웨이퍼 W를 보유 지지하고, 웨이퍼 W의 주연부가 절결 검출 센서(51)의 상방에 위치할 때까지, 연마 헤드(1)가 헤드 선회 모터(23)에 의해 이동된다. 이어서, 연마 헤드(1) 및 웨이퍼 W가, 연마 헤드(1)의 축심을 중심으로 하여 회전하면서, 절결 검출 센서(51)에 의해 웨이퍼 W의 노치(절결)(53)가 검출된다. 연마 헤드(1)의 회전 각도(즉 웨이퍼 W의 회전 각도)는, 도 2에 도시하는 로터리 인코더(22)에 의해 측정되고, 연마 헤드(1)의 회전 각도 측정값은, 데이터 처리부(6)에 송신된다. 절결 검출 센서(51)는 데이터 처리부(6)에 접속되어 있어, 절결 검출 센서(51)의 출력 신호는, 데이터 처리부(6)에 송신된다.
도 5는 절결 검출 센서(51)의 출력 신호와, 연마 헤드(1)의 회전 각도의 관계를 나타내는 그래프이다. 데이터 처리부(6)는, 도 5에 도시하는 바와 같은, 절결 검출 센서(51)의 출력 신호와, 연마 헤드(1)의 회전 각도의 관계를 취득할 수 있다. 데이터 처리부(6)는, 절결 검출 센서(51)의 출력 신호의 변화에 기초하여, 노치(53)의 위치를 나타내는 연마 헤드(1)의 회전 각도를 결정한다. 도 5에 도시하는 예에서는, 절결 검출 센서(51)의 출력 신호는, 연마 헤드(1)의 회전 각도가 180도일 때에 크게 변화한다. 따라서, 데이터 처리부(6)는, 노치(53)의 위치를 나타내는 연마 헤드(1)의 회전 각도는 180도라고 결정한다. 데이터 처리부(6)는, 노치(53)의 위치를 기준으로서 사용함으로써 웨이퍼 W의 방향을 연마 헤드(1)의 회전 각도로 나타낼 수 있다.
절결 검출 센서(51)는, 와전류 센서, 광학식 센서 또는 화상 센서 등으로 구성할 수 있다. 연마 테이블(3)에 배치된 막 두께 센서(15)를 절결 검출 센서로서 사용할 수도 있다. 이 경우는, 절결 검출 센서(51)를 연마 테이블(3) 옆에 설치할 필요는 없다.
도 6은 연마 테이블(3)에 배치된 막 두께 센서(15)를 절결 검출 센서로서 사용한 실시 형태를 도시하는 도면이다. 먼저, 막 두께 센서(15)가 소정의 위치에 도달할 때까지, 연마 테이블(3)을 회전시킨다. 이 소정의 위치는, 연마 헤드(1)가 도 1에 도시하는 연마 위치에 있을 때에, 막 두께 센서(15)가 연마 헤드(1)에 보유 지지된 웨이퍼 W의 주연부에 대향하는 위치이다. 이어서, 웨이퍼 W를 보유 지지한 연마 헤드(1)를, 도 1에 도시하는 연마 위치의 바로 위의 위치까지 이동시킨다. 이 위치에서는, 연마 헤드(1) 및 웨이퍼 W는, 연마 패드(2)에 접촉하지 않는다. 그리고, 연마 헤드(1) 및 웨이퍼 W가, 연마 헤드(1)의 축심을 중심으로 하여 회전하면서, 절결 검출 센서로서의 막 두께 센서(15)에 의해 웨이퍼 W의 노치(절결)(53)가 검출된다. 도 6에 도시하는 방법에서도, 데이터 처리부(6)는, 도 5에 도시하는 바와 같은, 절결 검출 센서로서의 막 두께 센서(15)의 출력 신호와, 연마 헤드(1)의 회전 각도의 관계를 취득할 수 있다.
웨이퍼 W의 방향과 연마 헤드(1)의 회전 각도를 관련짓는 관련짓기 공정이 종료된 후, 웨이퍼의 막 두께 프로파일을 취득하기 위한 프로파일 취득 공정이 행하여진다. 이 프로파일 취득 공정은, 연마 테이블(3)과 연마 헤드(1)를 상이한 회전 속도로 회전시키면서, 연마 헤드(1)는 웨이퍼 W의 표면(하면)을 저하중으로 연마 패드(2)의 연마면(2a)에 압박하고, 막 두께 센서(15)에 의해 웨이퍼 W의 표면 위의 복수의 측정점에서 막 두께를 측정함으로써 행하여진다. 웨이퍼 W의 표면 위의 복수의 측정점은, 바람직하게는 웨이퍼 W의 중심을 포함한다.
최초로 취득되는 막 두께 프로파일은, 초기 막 두께 프로파일이다. 이 초기 막 두께 프로파일을 취득하기 위하여, 웨이퍼 W의 표면(하면)을 연마 패드(2)에 압박할 때의 연마 헤드(1)의 하중은, 웨이퍼 W의 연마가 실질적으로 진행되지 않을 정도의 낮은 하중이다.
일 실시 형태에서는, 도 7에 도시하는 바와 같이, 한번만 막 두께 센서(15)를 웨이퍼 W의 표면을 가로지르게 하여, 막 두께 프로파일을 취득한다. 막 두께 센서(15)는, 웨이퍼 W의 중심을 포함하는 복수의 측정점에서 막 두께를 측정하여, 막 두께 지표값을 데이터 처리부(6)에 이송한다. 데이터 처리부(6)는, 막 두께 지표값으로부터 도 8에 도시하는 바와 같은 막 두께 프로파일을 작성한다. 이 막 두께 프로파일은, 막 두께 지표값과, 웨이퍼 W의 표면 위에 있어서의 반경 방향의 위치의 관계를 나타내고 있다.
프로파일 취득 공정 후는 연마 헤드(1)의 회전 각도와, 대응하는 막 두께 지표값의 관계를 나타내는 막 두께 분포의 취득 공정이 행하여진다. 도 7에 도시하는 예에서는, 막 두께 센서(15)가 웨이퍼 W의 표면을 가로지르기 시작하는 위치는, 연마 헤드(1)의 회전 각도로 치환하면 0°라고 표현된다. 마찬가지로, 막 두께 센서(15)가 웨이퍼 W의 표면으로부터 이격되는 위치는, 연마 헤드(1)의 회전 각도로 치환하면 225°라고 표현된다. 데이터 처리부(6)는, 도 9에 도시하는 바와 같이 연마 헤드(1)의 회전 각도와, 대응하는 막 두께 지표값의 관계를 결정한다. 도 10은 연마 헤드(1)의 회전 각도와, 대응하는 막 두께 지표값의 관계를 나타내는 막 두께 분포의 그래프이다. 도 10에 도시하는 막 두께 분포로부터 알 수 있는 바와 같이, 연마 헤드(1)의 회전 각도가 0°일 때의 막 두께 지표값은 가장 크다.
일 실시 형태에서는, 도 11에 도시하는 바와 같이 연마 테이블(3)과 연마 헤드(1)가 상이한 회전 속도로 회전하는 조건 하에서, 막 두께 센서(15)를 웨이퍼 W의 표면을 복수회 가로지르게 하여, 막 두께 프로파일을 취득한다. 막 두께 센서(15)는, 연마 테이블(3)이 1회전할 때마다, 웨이퍼 W의 중심을 포함하는 복수의 측정점에서 막 두께를 측정하고, 막 두께 지표값을 데이터 처리부(6)에 이송한다. 데이터 처리부(6)는, 막 두께 지표값으로부터 도 12에 도시하는 바와 같은 막 두께 프로파일을 작성한다.
도 11에 도시하는 예에서는, 막 두께 센서(15)의 이동 경로는, 연마 테이블(3)이 1회전할 때마다, 웨이퍼 W의 중심의 주위를 45°만 회전한다. 이러한 막 두께 센서(15)의 이동 경로는, 연마 헤드(1)의 회전 속도와 연마 테이블(3)의 회전 속도의 비에 따라 바뀐다. 도 13은 연마 테이블(3)의 1회전마다의, 연마 헤드(1)의 회전 각도와, 대응하는 막 두께 지표값의 관계를 나타내는 데이터 테이블이며, 도 14는, 도 13에 도시하는 연마 헤드(1)의 회전 각도와, 대응하는 막 두께 지표값의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 14로부터 알 수 있는 바와 같이, 연마 헤드(1)의 회전 각도가 45°일 때의 막 두께 지표값은 가장 크다.
데이터 처리부(6)는, 상술한 바와 같이 하여 얻어진 막 두께 프로파일로부터, 웨이퍼 W의 주위 방향에 있어서의 막 두께 분포를 작성하고, 이 막 두께 분포에 기초하여, 웨이퍼 W의 막 두께가 가장 크거나 또는 가장 작은 부분을 포함하는 제1 영역을 결정한다. 제1 영역은, 연마 헤드(1)의 회전 각도에 의해 특정할 수 있다. 도 10에 도시하는 예에서는, 웨이퍼 W의 막 두께가 가장 큰 제1 영역은, 연마 헤드(1)의 회전 각도 0°의 위치이다. 도 14에 도시하는 예에서는, 웨이퍼 W의 막 두께가 가장 큰 제1 영역은, 연마 헤드(1)의 회전 각도가 45°인 위치이다.
동작 제어부(7)는, 웨이퍼 W의 중심에 관하여 대칭인 제1 영역과 제2 영역에서의 막 두께가 동등해지도록, 연마 조건을 결정한다. 제2 영역은, 제1 영역의 위치에 따라 자동으로 특정되는 비교 영역이며, 제1 영역과 제2 영역이 웨이퍼 W의 중심에 관하여 대칭이라는 조건을 만족시키는 임의의 영역이다. 이에 반하여, 제1 영역은, 웨이퍼 W의 막 두께가 가장 크거나 또는 가장 작은 부분을 포함하는 목표 영역이며, 제2 영역에서의 막 두께와는 상이한 막 두께를 갖는다.
도 15는 웨이퍼 W의 제1 영역과 제2 영역의 일례를 나타내는 모식도이며, 도 16은 웨이퍼 W의 제1 영역과 제2 영역의 다른 예를 나타내는 모식도이다. 도 15 및 도 16에 도시하는 바와 같이, 제1 영역 T1과 제2 영역 T2는, 웨이퍼 W의 연마되는 표면 내에 있고, 웨이퍼 W의 주위 방향을 따라 배열되어 있다. 제1 영역 T1과 제2 영역 T2는, 웨이퍼 W의 중심 O에 관하여, 대칭이다. 즉, 웨이퍼 W의 중심 O부터의 제1 영역 T1까지의 거리는, 웨이퍼 W의 중심 O부터의 제2 영역 T2까지의 거리와 동등하다.
웨이퍼 W의 표면 위에 있어서의 제1 영역 T1의 반경 방향의 위치는, 도 8 또는 도 12에 도시하는 막 두께 프로파일로부터 결정할 수 있고, 웨이퍼 W의 표면 위에 있어서의 제1 영역 T1의 주위 방향 위치는, 도 10 또는 도 14에 도시하는 막 두께 분포로부터 결정할 수 있다. 제1 영역 T1의 위치는, 연마 헤드(1)의 웨이퍼 접촉면(44a)(도 3 참조) 위에 미리 정의된 좌표 영역을 사용하여 표현된다. 이 좌표 영역은, 웨이퍼 접촉면(44a)의 중심을 원점으로 하는 극좌표 상에 정의된 영역이다. 도 17은 연마 헤드(1)의 웨이퍼 접촉면(44a)(도 3 참조) 위에 미리 정의된 좌표 영역을 도시하는 도면이다. 도 17에 도시하는 바와 같이, 좌표 영역은, 연마 헤드(1)의 4개의 동심상의 압력실 P1, P2, P3, P4(도 3 참조)의 위치에 따라 웨이퍼 접촉면(44a)의 반경 방향으로 배열하는 복수의 영역과, 웨이퍼 접촉면(44a)의 주위 방향으로 배열하는 복수의 영역을 포함한다.
일 실시 형태에서는, 연마 헤드(1)는 단일의 압력실만을 가져도 된다. 이 실시 형태에서는, 도 18에 도시하는 바와 같이 연마 헤드(1)의 웨이퍼 접촉면(44a) 위에 미리 정의된 좌표 영역은, 웨이퍼 접촉면(44a)의 주위 방향으로 나열되는 영역을 포함하지만, 웨이퍼 접촉면(44a)의 반경 방향으로 나열되는 영역을 포함하지 않는다.
동작 제어부(7)는, 데이터 처리부(6)에 의해 결정된 제1 영역의 위치를, 좌표 영역에 의해 특정하고, 제1 영역의 제거 레이트가 제2 영역의 제거 레이트보다도 높아지거나 또는 낮아지도록 연마 조건을 결정한다. 도 19는 현재의 막 두께 분포와 목표 막 두께 분포의 일례를 나타내는 그래프이다. 이 예에서는, 제1 영역 T1은, 가장 막 두께가 큰 부분을 포함한다. 따라서, 제1 영역 T1에서의 현재의 막 두께 분포와 목표 막 두께 분포의 차 H1은, 제2 영역 T2에서의 현재의 막 두께 분포와 목표 막 두께 분포의 차 H2보다도 크다. 그래서, 제1 영역 T1을, 제2 영역 T2의 제거 레이트보다도 높은 제거 레이트로 연마함으로써, 제1 영역 T1 및 제2 영역 T2는 동시에 목표 막 두께에 근접시킬 수 있다. 현재의 막 두께 분포와 목표 막 두께 분포의 차는, 목표 연마량에 상당한다.
도 20은 현재의 막 두께 분포와 목표 막 두께 분포의 다른 예를 나타내는 그래프이다. 이 예에서는, 제1 영역 T1은, 가장 막 두께가 작은 부분을 포함한다. 따라서, 제1 영역 T1에서의 현재의 막 두께 분포와 목표 막 두께 분포의 차 H1은, 제2 영역 T2에서의 현재의 막 두께 분포와 목표 막 두께 분포의 차 H2보다도 작다. 그래서, 제1 영역 T1을, 제2 영역 T2의 제거 레이트보다도 낮은 제거 레이트로 연마함으로써, 제1 영역 T1 및 제2 영역 T2는 동시에 목표 막 두께에 근접할 수 있다.
이하, 제1 영역을, 제2 영역의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마하는 연마 방법의 일 실시 형태에 대하여 설명한다. 본 실시 형태에서는, 연마 헤드(1)로 웨이퍼 W를 회전시키면서, 연마 헤드(1)의 회전 중심선으로부터의 제1 영역의 거리가 커지는 방향으로 연마 헤드(1)를 편심시킨 상태에서, 연마 헤드(1)로 웨이퍼 W의 표면을 연마 패드(2)에 압박한다.
도 21은 연마 헤드(1)를 회전 중심선으로부터 편심시킬 수 있는 헤드 편심 기구(61)를 도시하는 단면도이며, 도 22는 도 21에 도시하는 헤드 편심 기구(61)의 평면도이다. 또한, 도 21 및 도 22에서는, 연마 헤드(1)는 모식적으로 도시되어 있다. 헤드 편심 기구(61)는, 헤드 샤프트(11)의 내면과 걸림 결합하여 헤드 샤프트(11)와 함께 회전하며, 또한 상하 방향으로 슬라이드 이동하는, 대략 원호상의 수평 단면을 갖는 3개의 로드(63)와, 이들 로드(63)를 연마 헤드(1)에 각각 연결하는 3개의 유니버설 조인트(64)와, 3개의 로드(63)를 각각 독립해서 상승 및 하강시키는 3개의 승강 장치(66)를 구비하고 있다. 단, 도 21에서는, 2개의 로드(63), 2개의 유니버설 조인트(64) 및 2개의 승강 장치(66)만이 기재되어 있다. 또한, 3개의 로드(63)의 각 원호상의 내면과 슬라이드하는 원기둥상의 안내 부재(도시하지 않음)를 헤드 샤프트(11)의 중심측에 설치해도 된다.
3개의 로드(63) 및 3개의 유니버설 조인트(64)는, 연마 헤드(1)의 회전 중심선 L의 주위에 등간격으로 배열되어 있다. 각 로드(63)는 연직 방향으로 연장되어 있으며, 각 로드(63)의 상단에는, 원환 디스크(67)가 고정되어 있다. 원환 디스크(67)는, 연마 헤드(1)의 회전 중심선 L과 동심이다. 3개의 로드(63) 및 이들 3개의 로드(63)에 각각 고정된 3개의 원환 디스크(67)는, 연마 헤드(1)와 함께 회전 중심선 L의 주위를 회전하지만, 3개의 승강 장치(66)의 위치는 고정되어 있다.
승강 장치(66)는, 원환 디스크(67)의 상면 및 하면에 굴러 접촉하는 2개의 롤러(71)와, 이들 롤러(71)를 보유 지지하는 랙(72)과, 랙(72)의 톱니에 맞물리는 피니언(73)과, 피니언(73)을 회전시키는 서보 모터(75)를 구비하고 있다. 랙(72)은 연직 방향으로 연장되어 있다. 서보 모터(75)의 회전은 랙(72)과 피니언(73)에 의해 연직 방향의 움직임으로 변환된다. 서보 모터(75)가 작동되면, 피니언(73)이 회전하여 랙(72)이 연직 방향으로 이동하고, 원환 디스크(67) 및 로드(63)가 연직 방향으로 이동한다. 롤러(71)는 원환 디스크(67) 및 로드(63)의 회전을 허용하면서, 원환 디스크(67) 및 로드(63)를 연직 방향으로 이동시키는 것이 가능하다.
로드(63)의 연직 방향의 움직임은, 유니버설 조인트(64)에 의해 연마 헤드(1)의 가로 방향의 움직임으로 변환된다. 보다 구체적으로는, 도 23 및 도 24에 도시하는 바와 같이, 3개의 로드(63) 중 1개 또는 2개를 상승시키고, 동시에, 나머지 로드(63)를 하강시키면, 연마 헤드(1)는 회전 중심선 L에 대하여 편심된다. 연마 헤드(1)의 편심 방향 및 양은, 3개의 로드(63)의 연직 방향의 변위에 의해 변경할 수 있다.
도 25는 웨이퍼 W의 표면 내에 있는 제1 영역 T1의, 회전 중심선 L로부터의 거리가 커지는 방향으로 연마 헤드(1)를 편심시킨 상태를 도시하는 모식도이다. 도 25로부터 알 수 있는 바와 같이, 제1 영역 T1의 회전 중심선 L로부터의 거리는, 제2 영역 T2의 회전 중심선 L로부터의 거리보다도 길다. 따라서, 제1 영역 T1은, 제2 영역 T2보다도 높은 속도로 연마 패드(2)의 연마면(2a) 위를 이동한다. 제1 영역 T1은, 제2 영역 T2의 제거 레이트보다도 높은 제거 레이트로 연마된다.
웨이퍼 W가, 도 20에 도시하는 막 두께 분포를 갖고 있는 경우, 제1 영역 T1을, 제2 영역 T2의 제거 레이트보다도 낮은 제거 레이트로 연마함으로써, 제1 영역 T1 및 제2 영역 T2는 동시에 목표 막 두께에 근접할 수 있다. 그래서, 이 경우는, 연마 헤드(1)로 웨이퍼 W를 회전시키면서, 연마 헤드(1)의 회전 중심선 L로부터의 제1 영역 T1의 거리가 작아지는 방향으로 연마 헤드(1)를 편심시킨 상태에서, 연마 헤드(1)로 웨이퍼 W의 표면을 연마 패드(2)에 압박한다. 제1 영역 T1의 회전 중심선 L로부터의 거리는, 제2 영역 T2의 회전 중심선 L로부터의 거리보다도 짧으므로, 제1 영역 T1은, 제2 영역 T2의 제거 레이트보다도 낮은 제거 레이트로 연마된다.
이어서, 제1 영역 T1을, 제2 영역 T2의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마하는 연마 방법의 다른 실시 형태에 대하여 설명한다. 본 실시 형태에서는, 연마 테이블(3)의 반경 방향에 있어서 제1 영역 T1이 제2 영역 T2보다도 외측에 위치하고 있을 때에, 연마 헤드(1)로부터, 제1 영역 T1 및 제2 영역 T2를 포함하는 웨이퍼 W의 표면 전체에 가해지는 하중을 증가시킨다.
도 26은 연마 테이블(3) 위의 연마 패드(2)의 연마면(2a)에 압박되어 있는 웨이퍼 W를 도시하는 모식도이다. 연마 테이블(3)과 웨이퍼 W는, 동일한 방향으로 회전한다. 연마 테이블(3)의 중심으로부터 웨이퍼 W의 표면 내의 어느 영역까지의 거리가 클수록, 그 영역과 연마 패드(2)의 연마면(2a)의 상대 속도는 높아진다. 웨이퍼 W의 중심에 관하여 대칭인 제1 영역 T1 및 제2 영역 T2는, 교대로 연마 테이블(3)의 중심에 근접하고, 이격된다.
도 26에 도시하는 바와 같이, 연마 테이블(3)의 반경 방향에 있어서 제1 영역 T1이 제2 영역 T2보다도 외측에 위치하고 있을 때에, 연마 헤드(1)로부터 웨이퍼 W의 표면 전체에 가해지는 하중을 증가시킨다. 보다 구체적으로는, 제1 영역 T1이 제2 영역 T2보다도 외측에 위치하고 있을 때에, 연마 헤드(1)의 압력실 P1, P2, P3, P4(도 3 참조) 내의 압력을 증가시키고, 제1 영역 T1이 제2 영역 T2보다도 내측에 위치하고 있을 때에, 연마 헤드(1)의 압력실 P1, P2, P3, P4 내의 압력을 저하시킨다. 이와 같이, 웨이퍼 W의 표면 전체에 대한 하중을 웨이퍼 W의 회전에 따라 주기적으로 증가시킴으로써, 특정된 제1 영역 T1의 제거 레이트를 높일 수 있다. 따라서, 연마 헤드(1)는, 제2 영역 T2의 제거 레이트보다도 높은 제거 레이트로 제1 영역 T1을 연마할 수 있다.
웨이퍼 W가, 도 20에 도시하는 막 두께 분포를 갖고 있는 경우, 제1 영역 T1을, 제2 영역 T2의 제거 레이트보다도 낮은 제거 레이트로 연마함으로써, 제1 영역 T1 및 제2 영역 T2는 동시에 목표 막 두께에 근접할 수 있다. 그래서, 이 경우는, 연마 테이블(3)의 반경 방향에 있어서 제1 영역 T1이 제2 영역 T2보다도 외측에 위치하고 있을 때에, 연마 헤드(1)로부터 웨이퍼 W의 표면 전체에 가해지는 하중을 저하시킨다. 이러한 조작에 의해, 제1 영역 T1은, 제2 영역 T2의 제거 레이트보다도 낮은 제거 레이트로 연마된다.
이어서, 제1 영역 T1을, 제2 영역 T2의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마하는 연마 방법의 다른 실시 형태에 대하여 설명한다. 본 실시 형태에서는, 연마 테이블(3)의 반경 방향에 있어서 제1 영역 T1이 제2 영역 T2보다도 외측에 위치하고 있을 때에, 연마 헤드(1)로부터 제1 영역 T1에 가해지는 국소 하중을 증가시킨다.
도 27은 연마 테이블(3) 위의 연마 패드(2)의 연마면(2a)에 압박되어 있는 웨이퍼 W를 도시하는 모식도이다. 연마 테이블(3)과 웨이퍼 W는, 동일한 방향으로 회전한다. 연마 테이블(3)의 중심으로부터 웨이퍼 W의 표면 내의 어느 영역까지의 거리가 클수록, 그 영역과 연마 패드(2)의 연마면(2a)의 상대 속도는 높아진다. 웨이퍼 W의 중심에 관하여 대칭인 제1 영역 T1 및 제2 영역 T2는, 교대로 연마 테이블(3)의 중심에 근접하고, 이격된다.
도 27에 도시하는 바와 같이, 연마 테이블(3)의 반경 방향에 있어서 제1 영역 T1이 제2 영역 T2보다도 외측에 위치하고 있을 때에, 연마 헤드(1)로부터 웨이퍼 W의 제1 영역 T1에 가해지는 국소 하중을 증가시킨다. 보다 구체적으로는, 제1 영역 T1이 제2 영역 T2보다도 외측에 위치하고 있을 때에, 연마 헤드(1)의 압력실 P1, P2, P3, P4(도 3 참조) 내 중 제1 영역 T1의 위치에 대응한 위치에 있는 하나 또는 복수의 압력실 내의 압력을 증가시키고, 제1 영역 T1이 제2 영역 T2보다도 내측에 위치하고 있을 때에, 제1 영역 T1의 위치에 대응한 위치에 있는 하나 또는 복수의 압력실 내의 압력을 저하시킨다. 이와 같이, 제1 영역 T1에 대한 국소 하중을 웨이퍼 W의 회전에 따라 주기적으로 증가시킴으로써, 특정된 제1 영역 T1의 제거 레이트를 높일 수 있다. 따라서, 연마 헤드(1)는, 제2 영역 T2의 제거 레이트보다도 높은 제거 레이트로 제1 영역 T1을 연마할 수 있다.
웨이퍼 W가, 도 20에 도시하는 막 두께 분포를 갖고 있는 경우, 제1 영역 T1을, 제2 영역 T2의 제거 레이트보다도 낮은 제거 레이트로 연마함으로써, 제1 영역 T1 및 제2 영역 T2는 동시에 목표 막 두께에 근접할 수 있다. 그래서, 이 경우는, 연마 테이블(3)의 반경 방향에 있어서 제1 영역 T1이 제2 영역 T2보다도 외측에 위치하고 있을 때에, 연마 헤드(1)로부터 웨이퍼 W의 제1 영역 T1에 가해지는 국소 하중을 저하시킨다. 이러한 조작에 의해, 제1 영역 T1은, 제2 영역 T2의 제거 레이트보다도 낮은 제거 레이트로 연마된다.
이어서, 제1 영역 T1을, 제2 영역 T2의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마하는 연마 방법의 다른 실시 형태에 대하여 설명한다. 본 실시 형태에서는, 연마 테이블(3)의 반경 방향에 있어서 제1 영역 T1이 제2 영역 T2보다도 외측에 위치하고 있을 때에, 연마 헤드(1)를 웨이퍼 W와 함께 연마 테이블(3)의 반경 방향에 있어서 외측으로 이동시킨다.
도 28은 연마 테이블(3) 위의 연마 패드(2)의 연마면(2a)에 압박되어 있는 웨이퍼 W를 도시하는 모식도이다. 연마 테이블(3)과 웨이퍼 W는, 동일한 방향으로 회전한다. 연마 테이블(3)의 중심으로부터 웨이퍼 W의 표면 내의 어느 영역까지의 거리가 클수록, 그 영역과 연마 패드(2)의 연마면(2a)의 상대 속도는 높아진다.
도 28에 도시하는 바와 같이, 연마 테이블(3)의 반경 방향에 있어서 제1 영역 T1이 제2 영역 T2보다도 외측에 위치하고 있을 때에, 연마 헤드(1)를 웨이퍼 W와 함께 연마 테이블(3)의 반경 방향에 있어서 외측으로 이동시킨다. 보다 구체적으로는, 제1 영역 T1이 제2 영역 T2보다도 외측에 위치하고 있을 때에, 헤드 선회 모터(23)를 동작시켜, 연마 헤드(1) 및 헤드 아암(16)을 반경 방향 외측으로 이동시키고, 제1 영역 T1이 제2 영역 T2보다도 내측에 위치하고 있을 때에, 헤드 선회 모터(23)를 동작시켜, 연마 헤드(1) 및 헤드 아암(16)을 반경 방향 내측으로 이동시킨다. 이와 같이, 연마 헤드(1) 및 웨이퍼 W를, 웨이퍼 W의 회전에 따라 주기적으로 요동시킴으로써, 특정된 제1 영역 T1의 제거 레이트를 높일 수 있다. 따라서, 연마 헤드(1)는, 제2 영역 T2의 제거 레이트보다도 높은 제거 레이트로 제1 영역 T1을 연마할 수 있다.
웨이퍼 W가, 도 20에 도시하는 막 두께 분포를 갖고 있는 경우, 제1 영역 T1을, 제2 영역 T2의 제거 레이트보다도 낮은 제거 레이트로 연마함으로써, 제1 영역 T1 및 제2 영역 T2는 동시에 목표 막 두께에 근접시킬 수 있다. 그래서, 이 경우는, 연마 테이블(3)의 반경 방향에 있어서 제1 영역 T1이 제2 영역 T2보다도 외측에 위치하고 있을 때에, 연마 헤드(1)를 웨이퍼 W와 함께 연마 테이블(3)의 반경 방향에 있어서 내측으로 이동시킨다. 이러한 조작에 의해, 제1 영역 T1은, 제2 영역 T2의 제거 레이트보다도 낮은 제거 레이트로 연마된다.
이어서, 제1 영역 T1을, 제2 영역 T2의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마하는 연마 방법의 다른 실시 형태에 대하여 설명한다. 도 29는 본 실시 형태에 사용되는 연마 헤드(1)의 단면도이며, 도 30은 도 29의 A-A선 단면도이다. 도 29 및 도 30에 도시하는 연마 헤드(1)는, 모식적으로 도시되어 있으며, 연마 헤드(1)의 상세한 구조는, 도 3에 도시하는 구조와 동일하다.
본 실시 형태에서는, 연마 헤드(1)로 웨이퍼 W를 회전시키면서, 연마 헤드(1)의 탄성막(44)을 보유 지지하는 막 홀더(45)를 기울인 상태에서, 연마 헤드(1)의 탄성막(44)으로 웨이퍼 W의 표면을 연마 패드(2)에 압박한다. 막 홀더(45)는, 제1 영역 T1로부터 제2 영역 T2를 향하여 상방으로 기울어 있다.
헤드 본체(41)와 막 홀더(45) 사이에는, 3개의 격벽막(79)이 배치되어 있다. 이들 격벽막(79)의 상단은 헤드 본체(41)의 내면에 접속되고, 격벽막(79)의 하단은 막 홀더(45)의 상면에 접속되어 있다. 격벽막(79), 헤드 본체(41) 및 막 홀더(45)에 의해, 3개의 작동실 P5-1, P5-2, P5-3이 형성된다. 3개의 격벽막(79)은, 연마 헤드(1)의 축심 주위에 등간격으로 배열되어 있다. 따라서, 3개의 작동실 P5-1, P5-2, P5-3도, 연마 헤드(1)의 축심 주위에 등간격으로 배열되어 있다. 또한, 4개 이상의 격벽막 및 4개 이상의 작동실이 설치되어도 된다.
작동실 P5-1, P5-2, P5-3에 연통되는 기체 이송 라인 F5-1, F5-2, F5-3에는, 각각 압력 레귤레이터 R5-1, R5-2, R5-3이 설치되어 있다. 기체 공급원(50)으로부터의 가압 기체는, 압력 레귤레이터 R5-1, R5-2, R5-3을 통하여 작동실 P5-1, P5-2, P5-3 내에 공급된다. 압력 레귤레이터 R5-1, R5-2, R5-3은, 기체 이송 라인 F5-1, F5-2, F5-3에 의해 작동실 P5-1, P5-2, P5-3에 접속되어 있다. 기체 이송 라인 F5-1, F5-2, F5-3은, 작동실 P5-1, P5-2, P5-3으로부터 로터리 조인트(25) 및 압력 레귤레이터 R5-1, R5-2, R5-3을 경유하여 기체 공급원(50)까지 연장되어 있다.
압력 레귤레이터 R5-1, R5-2, R5-3은, 기체 공급원(50)으로부터 공급되는 가압 기체의 압력을 조정함으로써, 작동실 P5-1, P5-2, P5-3 내의 압력을 제어한다. 압력 레귤레이터 R5-1, R5-2, R5-3은, 도 1에 도시하는 동작 제어부(7)에 접속되어 있고, 동작 제어부(7)에 의해 제어된다. 작동실 P5-1, P5-2, P5-3은 대기 밸브 개방(도시하지 않음)에도 접속되어 있어, 작동실 P5-1, P5-2, P5-3을 대기 개방하는 것도 가능하다. 또한, 기체 이송 라인 F5-1, F5-2, F5-3에는 진공 라인 V5-1, V5-2, V5-3이 접속되어 있어, 진공 라인 V5-1, V5-2, V5-3에 의해 작동실 P5-1, P5-2, P5-3에 부압이 형성되게 되어 있다.
압력 레귤레이터 R5-1, R5-2, R5-3은, 작동실 P5-1, P5-2, P5-3의 내부 압력을 서로 독립해서 변화시키는 것이 가능하다. 작동실 P5-1, P5-2, P5-3 내의 압력 밸런스를 바꿈으로써, 막 홀더(45)를 원하는 방향으로 기울이게 할 수 있다.
도 29에 도시하는 바와 같이, 막 홀더(45)는, 제1 영역 T1로부터 제2 영역 T2를 향하여 상방으로 기울어 있다. 제1 영역 T1의 주위에서는 탄성막(44)은 수축되어 있고, 한편 제2 영역 T2의 주위에서는 탄성막(44)은 신장되어 있다. 이렇게 막 홀더(45)가 경사져 있는 상태에서는, 탄성막(44)은, 제2 영역 T2보다도 제1 영역 T1의 주위에 있어서, 더 크게 신장할 수 있다. 따라서, 연마 헤드(1)는, 제2 영역 T2에 가하는 하중보다도 큰 하중으로 제1 영역 T1을 압박할 수 있다. 결과적으로, 제1 영역 T1은, 제2 영역 T2의 제거 레이트보다도 높은 제거 레이트로 연마된다.
웨이퍼 W가, 도 20에 도시하는 막 두께 분포를 갖고 있는 경우, 제1 영역 T1을, 제2 영역 T2의 제거 레이트보다도 낮은 제거 레이트로 연마함으로써, 제1 영역 T1 및 제2 영역 T2는 동시에 목표 막 두께에 근접시킬 수 있다. 그래서, 이 경우는, 작동실 P5-1, P5-2, P5-3 내의 압력 밸런스를 바꿈으로써, 막 홀더(45)를, 제1 영역 T1로부터 제2 영역 T2를 향하여 하방으로 기울인다. 이러한 조작에 의해, 제1 영역 T1은, 제2 영역 T2의 제거 레이트보다도 낮은 제거 레이트로 연마된다.
웨이퍼 W의 막 두께 분포는, 웨이퍼 W의 연마가 진행됨에 따라 변화한다. 이로 인해, 제1 영역 T1의 위치도 바뀔 수 있다. 그래서, 데이터 처리부(6)는 웨이퍼 W의 연마 중에 막 두께 분포를 갱신하면서, 동작 제어부(7)는, 갱신된 막 두께 분포에 기초하여 연마 조건을 최적화해도 된다. 예를 들어, 웨이퍼 W의 연마 중에 연마 테이블(3)이 소정의 횟수(예를 들어 5회전)만 회전할 때마다, 데이터 처리부(6)는, 막 두께 분포를 취득 및 갱신하여, 동작 제어부(7)는, 갱신된 막 두께 분포에 기초하여 연마 조건을 최적화한다. 웨이퍼 W의 연마 중의 막 두께 분포는, 도 7 내지 도 10에 도시한 공정 또는 도 11 내지 도 14에 도시한 공정에 따라 취득된다.
일 실시 형태에서는, 웨이퍼 W의 연마 중 동작 제어부(7)는, 막 두께 분포가 갱신될 때마다 연마 조건을 최적화하고, 최적화된 연마 조건에 따라 연마 조건 조정 시스템(8)을 조작하여, 웨이퍼 W는 최적화된 연마 조건 하에서 연마된다. 연마 조건 조정 시스템(8)은, 상술한 압력 레귤레이터 R1 내지 R4, 헤드 선회 모터(23), 헤드 편심 기구(61), 압력 레귤레이터 R5-1, R5-2, R5-3 등으로 구성된다.
상술한 각 실시 형태에 의하면, 막 두께의 차이에 기초하여, 제1 영역 T1을, 제2 영역 T2와는 상이한 제거 레이트로 연마함으로써, 웨이퍼의 중심에 대하여 대칭인 제1 영역 T1 및 제2 영역 T2에서의 막 두께를 동일하게 할 수 있다. 따라서, 웨이퍼의 주위 방향을 따른 막 두께의 변동을 해소할 수 있다.
이어서, 본 발명의 연마 방법을 실시할 수 있는 연마 장치의 다른 실시 형태에 대하여 설명한다. 도 31은 웨이퍼 등의 기판의 표면 전체를 마무리 연마하는 데 사용할 수 있는 버프 연마 장치의 일 실시 형태를 도시하는 사시도이다. 예를 들어, 제1 단계 연마로서의 화학 기계 연마가 상술한 CMP 장치(100)로 실행된 후에, 제2 단계 연마로서의 마무리 연마가 버프 연마 장치(200)로 실행된다.
버프 연마 장치(200)는, 웨이퍼 W를 보유 지지하는 웨이퍼 스테이지(기판 스테이지)(85)와, 웨이퍼 스테이지(85) 위의 웨이퍼 W를 연마하는 연마 디스크(87)와, 웨이퍼 W의 막 두께를 측정하는 2개의 막 두께 센서(88, 89)를 구비하고 있다. 웨이퍼 W는, 그 피연마면이 위를 향한 상태에서 웨이퍼 스테이지(85) 위에 적재된다. 웨이퍼 스테이지(85)는, 그 상면에 웨이퍼 W를 진공 흡인에 의해 보유 지지할 수 있도록 구성되어 있다. 웨이퍼 스테이지(85)는, 스테이지 축(91)을 통하여 스테이지 모터(92)에 연결되어 있고, 웨이퍼 스테이지(85) 및 이것에 보유 지지된 웨이퍼 W는, 웨이퍼 W의 축심을 중심으로 하여 스테이지 모터(92)에 의해 회전된다.
스테이지 모터(92)에는, 회전 각도 검출기인 로터리 인코더(95)가 설치되어 있다. 이 로터리 인코더(95)는, 스테이지 모터(92)에 연결된 웨이퍼 스테이지(85)의 회전 각도를 검출하도록 구성되어 있다. 로터리 인코더(95)는 데이터 처리부(110)에 접속되어 있고, 로터리 인코더(95)에 의해 검출된 웨이퍼 스테이지(85)의 회전 각도는, 데이터 처리부(110)에 송신된다.
연마 디스크(87)는 디스크 아암(120)에 회전 가능하게 지지되어 있다. 도 32는 연마 디스크(87) 및 디스크 아암(120)을 도시하는 도면이다. 연마 디스크(87)는 디스크 축(121)의 하단에 고정되어 있고, 이 디스크 축(121)은 디스크 아암(120)에 회전 가능하게 지지되어 있다. 디스크 아암(120) 내에는, 연마 디스크(87)를 그 축심을 중심으로 회전시키는 디스크 모터(122)가 배치되어 있다. 디스크 모터(122)는, 풀리 및 벨트로 구성되는 토크 전달 기구(123)를 통하여 디스크 축(121)에 연결되어 있다.
연마 디스크(87)는, 연마포(97)를 갖고 있으며, 연마포(97)의 하면은 웨이퍼 W를 버프 연마하는 연마면(97a)을 구성한다. 디스크 아암(120)에는, 디스크 축(121)을 통하여 연마 디스크(87)에 연결된 디스크 압박 장치(125)가 설치되어 있다. 디스크 압박 장치(125)는, 에어 실린더 등으로 구성되어 있고, 연마 디스크(87)의 연마면(97a)을 웨이퍼 W의 피연마면인 상면에 대하여 압박할 수 있도록 구성되어 있다.
디스크 아암(120)은 디스크 아암 샤프트(128)를 중심으로 하여 선회 가능하게 구성되어 있고, 디스크 아암 샤프트(128)는 디스크 선회 모터(130)에 연결되어 있다. 이 디스크 선회 모터(130)는, 디스크 아암 샤프트(128)를 소정의 각도만큼 시계 방향 및 반시계 방향으로 회전시키는 것이 가능하게 구성되어 있다. 디스크 선회 모터(130)를 동작시키면, 연마 디스크(87) 및 디스크 아암(120)은 디스크 아암 샤프트(128)를 중심으로 선회한다.
도 31로 되돌아가, 2개의 막 두께 센서(88, 89)는, 제1 막 두께 센서(88) 및 제2 막 두께 센서(89)로 구성되어 있고, 이들 2개의 막 두께 센서(88, 89)는 동일한 구성이다. 제1 막 두께 센서(88) 및 제2 막 두께 센서(89)는, 디스크 아암(120)의 선단에 설치되어 있고, 연마 디스크(87)의 양측에 배치되어 있다. 이들 막 두께 센서(88, 89)는, 웨이퍼 스테이지(85)에 보유 지지된 웨이퍼 W의 상방에 위치하고 있으며, 웨이퍼 W의 상방으로부터 웨이퍼 W의 막 두께를 측정한다. 제1 막 두께 센서(88) 및 제2 막 두께 센서(89)는, 연마 디스크(87)의 이동 방향을 따라 배열되어 있다. 각 막 두께 센서(88, 89)는, 와전류 센서 또는 광학식 센서이며, 웨이퍼 W의 막 두께에 따라 변화하는 막 두께 지표값을 출력하도록 구성되어 있다. 막 두께 지표값은, 막 두께를 직접 또는 간접적으로 도시하는 값이다. 제1 막 두께 센서(88) 및 제2 막 두께 센서(89)는, 연마 디스크(87)와 일체로 이동한다. 연마 디스크(87)가 웨이퍼 W의 일단으로부터 타단으로 이동할 때마다, 제1 막 두께 센서(88) 및 제2 막 두께 센서(89)는, 교대로, 웨이퍼 W의 중심을 포함하는 복수의 측정점에서 막 두께를 측정하여, 상술한 막 두께 지표값을 출력한다.
제1 막 두께 센서(88) 및 제2 막 두께 센서(89)는, 데이터 처리부(110)에 접속되어 있다. 웨이퍼 W의 표면 위의 복수의 측정점에서 얻어진 막 두께 지표값은, 막 두께 데이터로서 데이터 처리부(110)에 이송된다. 데이터 처리부(110)는, 막 두께 데이터로부터 막 두께 프로파일을 작성하고, 또한 막 두께 프로파일로부터 막 두께 분포를 작성한다. 상술한 바와 같이, 막 두께 프로파일은, 막 두께 지표값(즉 막 두께)과, 웨이퍼 W 상의 반경 방향의 위치의 관계를 나타내고, 막 두께 분포는, 웨이퍼 W의 주위 방향에 있어서의 막 두께 지표값의 분포(즉 막 두께의 분포)를 나타낸다.
데이터 처리부(110)는, 동작 제어부(112)에 접속되어 있다. 동작 제어부(112)는, 막 두께 분포에 기초하여 연마 조건을 결정한다. 보다 구체적으로는, 동작 제어부(112)는, 현재의 막 두께 분포를 목표의 막 두께 분포에 근접시키기 위한 연마 조건을 결정한다. 또한, 동작 제어부(112)는, 연마 조건 조정 시스템(113)에 접속되어 있다. 이 연마 조건 조정 시스템(113)은, 상술한 디스크 압박 장치(125), 디스크 모터(122) 등으로 구성된다.
웨이퍼 W의 연마는 다음과 같이 하여 행하여진다. 연마되는 면이 위를 향한 상태에서, 웨이퍼 W는 웨이퍼 스테이지(기판 스테이지)(85) 위에 보유 지지된다. 스테이지 모터(92)는, 웨이퍼 스테이지(85)와 웨이퍼 W를 회전시키고, 한편 디스크 모터(122)는 연마 디스크(87)를 회전시킨다. 연마 디스크(87)는, 디스크 압박 장치(125)에 의해 하강되어, 연마 디스크(87)의 연마면(97a)은 웨이퍼 W의 표면(상면)에 접촉된다. 연마 디스크(87)가 웨이퍼 W의 표면에 접촉한 채, 연마 디스크(87)는, 웨이퍼 W의 표면 위를 그 일단부터 타단까지 복수회 요동한다. 연마 디스크(87)는, 웨이퍼 W의 표면에 미끄럼 접촉하고, 이에 의해 웨이퍼 W의 표면을 연마한다.
본 실시 형태에서는, 마무리 연마 장치로서 사용되는 버프 연마 장치(200)는, 다음과 같이 하여 웨이퍼 W의 주위 방향을 따른 막 두께의 변동을 해소한다. 먼저, 웨이퍼 W의 연마 전에, 웨이퍼 W의 방향과, 웨이퍼 스테이지(85)의 회전 각도를 관련짓기 위한 관련짓기 공정이 행하여진다. 이 관련짓기 공정은, 웨이퍼 W의 주연부에 형성되어 있는 노치(절결)를 검출하는 절결 검출 센서로서 기능하는 제1 막 두께 센서(88)를 사용하여 행하여진다.
도 33은 웨이퍼 W의 주연부에 형성되어 있는 노치(절결)를 검출하는 공정을 설명하는 도면이다. 제1 막 두께 센서(88)가, 웨이퍼 스테이지(85) 위의 웨이퍼 W의 주연부의 상방에 위치할 때까지, 연마 디스크(87)가 디스크 선회 모터(130)에 의해 이동된다. 이 위치에서는, 연마 디스크(87)는 웨이퍼 W에 접촉하고 있지 않다. 이어서, 웨이퍼 스테이지(85) 및 웨이퍼 W가, 웨이퍼 스테이지(85)의 축심을 중심으로 하여 스테이지 모터(92)에 의해 회전되면서, 절결 검출 센서로서 기능하는 제1 막 두께 센서(88)에 의해 웨이퍼 W의 노치(절결)(53)가 검출된다. 노치(53)의 검출 중, 연마 디스크(87)는 웨이퍼 W와 비접촉으로 유지된다. 웨이퍼 스테이지(85)의 회전 각도(즉 웨이퍼 W의 회전 각도)는, 스테이지 모터(92)에 설치된 로터리 인코더(95)에 의해 측정되어, 웨이퍼 스테이지(85)의 회전 각도의 측정값은, 데이터 처리부(110)에 송신된다. 제1 막 두께 센서(88)의 출력 신호는, 데이터 처리부(110)에 송신된다.
도 34는 제1 막 두께 센서(88)의 출력 신호와, 웨이퍼 스테이지(85)의 회전 각도의 관계를 나타내는 그래프이다. 데이터 처리부(110)는, 도 34에 도시하는 바와 같은, 제1 막 두께 센서(88)의 출력 신호와, 웨이퍼 스테이지(85)의 회전 각도의 관계를 취득할 수 있다. 데이터 처리부(110)는, 제1 막 두께 센서(절결 검출 센서)(88)의 출력 신호의 변화에 기초하여, 노치(53)의 위치를 나타내는 웨이퍼 스테이지(85)의 회전 각도를 결정한다. 도 34에 도시하는 예에서는, 제1 막 두께 센서(88)의 출력 신호는, 웨이퍼 스테이지(85)의 회전 각도가 180도일 때에 크게 변화한다. 따라서, 데이터 처리부(110)는, 노치(53)의 위치를 나타내는 웨이퍼 스테이지(85)의 회전 각도는 180도라고 결정한다. 데이터 처리부(110)는, 노치(53)의 위치를 기준으로서 사용함으로써 웨이퍼 W의 방향을 웨이퍼 스테이지(85)의 회전 각도로 나타낼 수 있다.
일 실시 형태에서는, 제1 막 두께 센서(88) 대신, 제2 막 두께 센서(89)를 절결 검출 센서로서 사용해도 된다. 또한, 일 실시 형태에서는, 제1 막 두께 센서(88) 및 제2 막 두께 센서(89)와는 별도로, 절결 검출 센서를 설치해도 된다. 절결 검출 센서는, 와전류 센서, 광학식 센서 또는 화상 센서 등으로 구성할 수 있다.
웨이퍼 W의 방향과 웨이퍼 스테이지(85)의 회전 각도를 관련짓는 관련짓기 공정이 종료된 후, 웨이퍼의 막 두께 프로파일을 취득하기 위한 프로파일 취득 공정이 행하여진다. 이 프로파일 취득 공정은, 제1 막 두께 센서(88) 및 제2 막 두께 센서(89)를 1회 또는 복수회 웨이퍼 W의 표면을 가로지르게 하면서, 2개의 막 두께 센서(88, 89)로 웨이퍼 W의 표면 위의 복수의 측정점에서 막 두께를 측정함으로써 행하여진다. 웨이퍼 W의 표면 위의 복수의 측정점은, 바람직하게는 웨이퍼 W의 중심을 포함한다.
최초로 취득되는 막 두께 프로파일은, 초기 막 두께 프로파일이다. 초기 막 두께 프로파일을 작성하기 위한 막 두께 지표값을 취득하는 동안, 연마 디스크(87)는 웨이퍼 W와는 비접촉이며, 웨이퍼 W 및 웨이퍼 스테이지(85)는 회전하지 않는다.
제1 막 두께 센서(88) 및 제2 막 두께 센서(89)는, 교대로 막 두께를 측정한다. 도 35a 및 도 35b는, 제1 막 두께 센서(88)만이 동작하여, 웨이퍼 W의 막 두께를 측정하는 모습을 도시하는 도면이다. 제1 막 두께 센서(88)는, 웨이퍼 W의 표면을 가로지르면서, 웨이퍼 W의 표면 위의 복수의 측정점에서의 막 두께를 측정한다. 보다 구체적으로는, 제1 막 두께 센서(88)는, 웨이퍼 W의 한쪽측의 에지부로부터 이동을 개시하여, 제2 막 두께 센서(89)가 웨이퍼 W의 반대측의 에지부에 도달했을 때에, 제1 막 두께 센서(88)의 이동이 정지된다.
이어서, 제2 막 두께 센서(89)만이 동작하여, 웨이퍼 W의 표면을 가로지르면서, 웨이퍼 W의 표면 위의 복수의 측정점에서의 막 두께를 측정한다. 도 36a 및 도 36b는 제2 막 두께 센서(89)만이 동작하여, 웨이퍼 W의 막 두께를 측정하는 모습을 도시하는 도면이다. 제2 막 두께 센서(89)는, 웨이퍼 W의 상기 반대측의 에지부로부터 이동을 개시하여, 제1 막 두께 센서(88)가 웨이퍼 W의 상기 한쪽측의 에지부에 도달했을 때에, 제2 막 두께 센서(89)의 이동이 정지된다. 이와 같이 하여, 제1 막 두께 센서(88) 및 제2 막 두께 센서(89)는, 웨이퍼 W의 표면을 가로지르면서, 교대로 막 두께를 측정한다.
도 37은 제1 막 두께 센서(88) 및 제2 막 두께 센서(89)의 이동 경로를 도시하는 도면이다. 도 37에 있어서, 부호 J1은 제1 막 두께 센서(88)의 이동 경로를 나타내고, 부호 J2는 제2 막 두께 센서(89)의 이동 경로를 나타내고 있다. 도 37로부터 알 수 있는 바와 같이, 2개의 막 두께 센서(88, 89)를 사용함으로써 데이터 처리부(110)는, 웨이퍼 W의 한쪽측의 에지부부터 반대측의 에지부까지 미치는 막 두께 프로파일을 생성할 수 있다. 초기 막 두께 프로파일을 생성할 때는, 제1 막 두께 센서(88) 및 제2 막 두께 센서(89) 중 한쪽을 웨이퍼 W의 한쪽측의 에지부부터 반대측의 에지부까지 이동시키면서, 막 두께를 취득해도 된다.
막 두께 프로파일은, 제1 막 두께 센서(88) 및 제2 막 두께 센서(89)가 웨이퍼 W의 표면을 한번만 왕복하고 있는 동안에 취득된 막 두께 지표값으로부터 생성되어도 되고 또는 막 두께 프로파일은, 제1 막 두께 센서(88) 및 제2 막 두께 센서(89)가, 웨이퍼 W의 복수의 회전 각도에 있어서 웨이퍼 W의 표면을 왕복하고 있는 동안에 취득된 막 두께 지표값으로부터 생성되어도 된다.
데이터 처리부(110)는, 막 두께 프로파일로부터, 웨이퍼 W의 주위 방향에 있어서의 막 두께 분포를 작성한다. 막 두께 분포의 생성은, 먼저 설명한 실시 형태에 있어서의 도 7 내지 도 10에서 나타낸 공정 또는 도 11 내지 도 14에서 나타낸 공정과 동일하게 하여 행하여지므로, 그 중복되는 설명을 생략한다. 데이터 처리부(110)는, 막 두께 분포에 기초하여, 웨이퍼 W의 막 두께가 가장 크거나 또는 가장 작은 부분을 포함하는 제1 영역을 결정한다. 제1 영역은 웨이퍼 스테이지(85)의 회전 각도에 의해 특정할 수 있다.
도 38은 막 두께 분포의 일례를 도시하는 도면이다. 이 예에서는, 제1 영역 T1은, 가장 막 두께가 큰 부분을 포함하는 영역이며, 제1 영역 T1은 웨이퍼 스테이지(85)의 회전 각도가 45°인 위치이다. 도 39는 막 두께 분포의 다른 예를 나타내는 도면이다. 이 예에서는, 제1 영역 T1은, 가장 막 두께의 작은 부분을 포함하는 영역이며, 제1 영역은, 웨이퍼 스테이지(85)의 회전 각도가 45°인 위치이다.
동작 제어부(112)는, 웨이퍼 W의 중심에 관하여 대칭인 제1 영역과 제2 영역에서의 막 두께가 동등해지도록, 연마 조건을 결정한다. 제2 영역은, 제1 영역의 위치에 따라 자동으로 특정되는 비교 영역이며, 제1 영역과 제2 영역이 웨이퍼 W의 중심에 관하여 대칭이라는 조건을 만족시키는 임의의 영역이다. 이에 반하여, 제1 영역은, 웨이퍼 W의 막 두께가 가장 크거나 또는 가장 작은 부분을 포함하는 목표 영역이며, 제2 영역에서의 막 두께와는 상이한 막 두께를 갖는다. 제1 영역 및 제2 영역의 예로서는, 먼저 설명한 실시 형태에 있어서의 도 15 및 도 16에 도시하는 제1 영역 T1 및 제2 영역 T2를 들 수 있다.
웨이퍼 W의 표면 위에 있어서의 제1 영역의 반경 방향의 위치는 막 두께 프로파일(도 8 및 도 12 참조)로부터 결정할 수 있고, 웨이퍼 W의 표면 위에 있어서의 제1 영역의 주위 방향 위치는, 막 두께 분포(도 38 및 도 39 참조)로부터 결정할 수 있다. 제1 영역의 위치는, 웨이퍼 W의 표면 위에 미리 정의된 좌표 영역을 사용하여 표현된다. 이 좌표 영역은, 웨이퍼 W의 중심을 원점으로 하는 극좌표 상에 정의된 영역이다. 본 실시 형태에서 정의되는 좌표 영역은, 도 17에 도시하는 좌표 영역과 대략 동일하다. 즉, 좌표 영역은, 웨이퍼 W의 반경 방향으로 나열되는 복수의 영역과, 웨이퍼 W의 주위 방향으로 나열되는 복수의 영역을 포함한다.
제1 영역이 결정된 후, 웨이퍼 W의 표면이 연마 디스크(87)로 연마된다. 이 웨이퍼 W의 연마는, 웨이퍼 스테이지(85)로 웨이퍼 W를 회전시키면서, 회전하는 연마 디스크(87)를 웨이퍼 W의 표면 위에서, 복수회 요동시킴으로써 행하여진다. 웨이퍼 W의 연마 중 웨이퍼 스테이지(85)는, 연마 디스크(87)의 회전 속도보다도 높은 회전 속도로 회전된다. 웨이퍼 W의 연마 중 2개의 막 두께 센서(88, 89)는, 연마 디스크(87)와 함께 요동하면서, 상술한 바와 같이 교대로 웨이퍼 W의 막 두께를 측정하고, 각 회전각과 요동 위치에 수반하는 막 두께 지표값을 막 두께 데이터로서 데이터 처리부(110)에 송신한다.
웨이퍼 W의 주위 방향을 따른 막 두께의 변동을 해소하기 위하여, 제1 영역은, 제2 영역의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마된다. 이하, 제1 영역을, 제2 영역의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마하는 연마 방법의 일 실시 형태에 대하여 설명한다. 본 실시 형태에서는, 연마 디스크(87)가 제1 영역에 접촉하고 있을 때에, 제1 영역과 연마 디스크(87)의 상대 속도를 올린다. 예를 들어, 웨이퍼 스테이지(85) 및 웨이퍼 W를, 연마 디스크(87)의 회전 속도보다도 높은 회전 속도로 회전시키는 조건 하에서, 연마 디스크(87)가 제1 영역에 접촉하고 있을 때의 해당 연마 디스크(87)의 회전 속도를 저하시킴으로써, 제1 영역과 연마 디스크(87)의 상대 속도를 올린다. 연마 디스크(87)의 회전 속도는, 도 32에 도시하는 디스크 모터(122)에 의해 바꿀 수 있다.
도 40은 연마 디스크(87)가 웨이퍼 W의 표면 위의 일방측에 위치하고 있을 때의 평면도이며, 도 41은 연마 디스크(87)가 웨이퍼 W의 표면 위의 반대측에 위치하고 있을 때의 평면도이다. 웨이퍼 스테이지(85) 및 웨이퍼 W를, 연마 디스크(87)의 회전 속도보다도 높은 회전 속도로 회전시키는 조건 하에서, 연마 디스크(87)가 제1 영역 T1에 접촉하고 있을 때에, 연마 디스크(87)의 회전 속도를 저하시킨다. 또한, 연마 디스크(87)가 제1 영역 T1로부터 이격되었을 때에, 연마 디스크(87)의 회전 속도를 증가시켜 웨이퍼 스테이지(85) 및 웨이퍼 W의 회전 속도에 근접한다. 제1 영역과 연마 디스크(87)의 상대 속도는, 제2 영역과 연마 디스크(87)의 상대 속도보다도 높다. 이와 같이, 연마 디스크(87)와 웨이퍼 W의 상대 속도를 웨이퍼 W의 회전에 따라 주기적으로 증가시킴으로써, 특정된 제1 영역 T1의 제거 레이트를 높일 수 있다. 따라서, 연마 디스크(87)는, 제2 영역 T2의 제거 레이트보다도 높은 제거 레이트로 제1 영역 T1을 연마할 수 있다.
일 실시 형태에서는, 연마 디스크(87)가 제1 영역 T1에 접촉하고 있을 때에, 연마 디스크(87)의 회전 속도를 웨이퍼 스테이지(85) 및 웨이퍼 W의 회전 속도보다도 높임으로써, 제1 영역 T1과 연마 디스크(87)의 상대 속도를 올려도 된다.
웨이퍼 스테이지(85) 및 웨이퍼 W를, 연마 디스크(87)의 회전 속도보다도 높은 회전 속도로 회전시키는 조건 하에서, 도 42에 도시하는 바와 같이, 연마 디스크(87)가 제1 영역 T1에 접촉하면서, 연마 디스크(87)가 제1 영역 T1보다도 내측에 위치하고 있을 때에, 연마 디스크(87)의 회전 속도를 저하시켜도 된다. 또한, 도 43에 도시하는 바와 같이, 연마 디스크(87)가 제1 영역 T1에 접촉하면서, 연마 디스크(87)가 제1 영역 T1보다도 외측에 위치하고 있을 때에, 연마 디스크(87)의 회전 속도를 증가시켜도 된다. 이러한 조작에 의해서도, 제1 영역 T1과 연마 디스크(87)의 상대 속도를 올릴 수 있다. 따라서, 연마 디스크(87)는, 제2 영역 T2의 제거 레이트보다도 높은 제거 레이트로 제1 영역 T1을 연마할 수 있다.
웨이퍼 W가, 도 39에 도시하는 막 두께 분포를 갖고 있는 경우, 제1 영역 T1을, 제2 영역 T2의 제거 레이트보다도 낮은 제거 레이트로 연마함으로써, 제1 영역 T1 및 제2 영역 T2는 동시에 목표 막 두께에 근접시킬 수 있다. 그래서, 이 경우는, 연마 디스크(87)가 제1 영역 T1에 접촉하고 있을 때에, 연마 디스크(87)의 회전 속도를 웨이퍼 스테이지(85) 및 웨이퍼 W의 회전 속도에 근접시킴으로써, 제1 영역 T1과 연마 디스크(87)의 상대 속도를 내릴 수 있다. 따라서, 연마 디스크(87)는, 제2 영역 T2의 제거 레이트보다도 낮은 제거 레이트로 제1 영역 T1을 연마할 수 있다.
이어서, 제1 영역 T1을, 제2 영역 T2의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마하는 연마 방법의 다른 실시 형태에 대하여 설명한다. 본 실시 형태에서는, 연마 디스크(87)가 제1 영역 T1에 접촉하고 있을 때의 연마 디스크(87)의 하중을 증가시킨다. 연마 디스크(87)의 하중은, 도 32에 도시하는 디스크 압박 장치(125)에 의해 바꿀 수 있다.
도 44는 연마 디스크(87)가 웨이퍼 W의 표면 위의 일방측에 위치하고 있을 때의 평면도이며, 도 45는 연마 디스크(87)가 웨이퍼 W의 표면 위의 반대측에 위치하고 있을 때의 평면도이다. 연마 디스크(87)가 제1 영역 T1에 접촉하고 있을 때에, 연마 디스크(87)의 하중을 증가시킨다. 또한, 연마 디스크(87)가 제1 영역 T1로부터 이격되었을 때에, 연마 디스크(87)의 하중을 저하시킨다. 제1 영역 T1에 접촉하고 있을 때의 연마 디스크(87)의 하중은, 제2 영역 T2에 접촉하고 있을 때의 연마 디스크(87)의 하중보다도 크다. 이와 같이, 연마 디스크(87)의 하중을 웨이퍼 W의 회전에 따라 주기적으로 증가시킴으로써, 특정된 제1 영역 T1의 제거 레이트를 높일 수 있다. 따라서, 연마 디스크(87)는, 제2 영역 T2의 제거 레이트보다도 높은 제거 레이트로 제1 영역 T1을 연마할 수 있다.
웨이퍼 W가, 도 39에 도시하는 막 두께 분포를 갖고 있는 경우, 제1 영역 T1을, 제2 영역 T2의 제거 레이트보다도 낮은 제거 레이트로 연마함으로써, 제1 영역 T1 및 제2 영역 T2는 동시에 목표 막 두께에 근접시킬 수 있다. 그래서, 이 경우는, 연마 디스크(87)가 제1 영역 T1에 접촉하고 있을 때에, 연마 디스크(87)의 하중을 저하시킨다. 이러한 조작에 의해, 연마 디스크(87)는, 제2 영역 T2의 제거 레이트보다도 낮은 제거 레이트로 제1 영역 T1을 연마할 수 있다.
웨이퍼 W의 막 두께 분포는, 웨이퍼 W의 연마가 진행됨에 따라 변화한다. 이로 인해, 제1 영역 T1의 위치도 바뀔 수 있다. 그래서, 데이터 처리부(110)는 웨이퍼 W의 연마 중에 막 두께 분포를 갱신하면서, 동작 제어부(112)는, 갱신된 막 두께 분포에 기초하여 연마 조건을 최적화해도 된다. 예를 들어, 웨이퍼 W의 연마 중에 연마 디스크(87)가 소정의 횟수(예를 들어 5회)만큼 웨이퍼 W의 표면 위를 왕복(요동)할 때마다, 데이터 처리부(110)는 막 두께 분포를 취득 및 갱신하여, 동작 제어부(112)는, 갱신된 막 두께 분포에 기초하여 연마 조건을 최적화한다.
일 실시 형태에서는, 웨이퍼 W의 연마 중 동작 제어부(112)는, 막 두께 분포가 갱신될 때마다 연마 조건을 최적화하고, 최적화된 연마 조건에 따라 연마 조건 조정 시스템(113)을 조작하여, 웨이퍼 W는 최적화된 연마 조건 하에서 연마된다. 연마 조건 조정 시스템(113)은, 상술한 디스크 압박 장치(125), 디스크 모터(122) 등으로 구성된다.
상술한 버프 연마 장치(200)는, 웨이퍼의 표면을 연마하기 위하여 단독으로 사용해도 되고, 상술한 화학 기계 연마(CMP) 장치(100)와 조합하여 사용해도 된다. 버프 연마 장치(200)를 CMP 장치(100)와 조합하여 사용하는 경우는, CMP 장치(100)는, 웨이퍼의 표면 전체를 연마하기 위한 주 연마 장치로서 사용되고, 버프 연마 장치(200)는, CMP 장치(100)로 연마된 웨이퍼의 표면의 마무리 연마를 행하기 위한 마무리 연마 장치로서 사용된다.
도 46은 상술한 화학 기계 연마(CMP) 장치(100)와, 상술한 버프 연마 장치(200)를 구비한 복합 연마 시스템을 도시하는 모식도이다. 도 46에 도시하는 바와 같이, 이 복합 연마 시스템은, 웨이퍼의 표면 전체를 연마하기 위한 주 연마 장치로서의 화학 기계 연마(CMP) 장치(100)와, CMP 장치(100)로 연마된 웨이퍼의 표면의 마무리 연마를 행하기 위한 마무리 연마 장치로서의 버프 연마 장치(200)와, 버프 연마 장치(200)로 연마된 웨이퍼를 세정하기 위한 세정 유닛(300)과, 세정된 웨이퍼를 건조시키는 건조 유닛(400)과, 웨이퍼를 CMP 장치(100), 버프 연마 장치(200), 세정 유닛(300) 및 건조 유닛(400) 사이에서 반송하는 반송 장치(500)를 구비하고 있다. CMP 장치(100), 버프 연마 장치(200), 세정 유닛(300) 및 건조 유닛(400)의 배열은, 도 46에 도시하는 실시 형태에 한하지 않고, 다른 배열을 적용해도 된다.
CMP 장치(100)는, 상술한 제1 영역 및 제2 영역을 포함하는 웨이퍼의 표면 전체를 연마하는 제1 단계 연마 공정을 실행하고, 버프 연마 장치(200)는, 제1 단계 연마 공정 후, 웨이퍼의 표면을 마무리 연마하는 제2 단계 연마 공정을 실행한다. 이하, 복합 연마 시스템의 동작 시퀀스에 대하여 도 47을 참조하여 설명한다.
도 47은 복합 연마 시스템의 동작 시퀀스를 나타내는 흐름도이다. 먼저, 스텝 1에서는, 웨이퍼의 목표 막 두께 분포가, CMP 장치(100)의 동작 제어부(7)에 입력되어, 보존된다. 스텝 2에서는, 연마되는 웨이퍼는 CMP 장치(100)의 연마 헤드(1)에 보유 지지된다. 스텝 3에서는, 웨이퍼의 노치 위치가 검출되고, 또한 웨이퍼의 방향과 연마 헤드(1)의 회전 각도를 관련짓는 관련짓기 공정이 행하여진다(도 4 내지 도 6 참조).
스텝 4에서는, 초기의 막 두께 지표값과, 웨이퍼 위의 반경 방향의 위치의 관계를 나타내는 제1 초기 막 두께 프로파일이 취득된다. 제1 초기 막 두께 프로파일의 취득은, 웨이퍼를 저하중으로 연마 패드(2)에 압박하면서 행하여진다. 보다 구체적으로는, 제1 초기 막 두께 프로파일의 취득은, 도 7 및 도 8에서 나타낸 공정 또는 도 11 또는 도 12에서 나타낸 공정에 따라 행하여진다.
스텝 5에서는, 제1 초기 막 두께 프로파일로부터, 웨이퍼의 주위 방향에 있어서의 막 두께 지표값의 분포(즉 막 두께의 분포)를 나타내는 제1 막 두께 분포가 취득된다. 이 제1 막 두께 분포의 취득은, 도 9 및 도 10에서 나타낸 공정 또는 도 13 또는 도 14에서 나타낸 공정에 따라 행하여진다. 스텝 6에서는, 제1 막 두께 분포에 기초하여, 웨이퍼의 막 두께가 가장 크거나 또는 가장 작은 부분을 포함하는 제1 영역이 결정된다.
스텝 7에서는, 웨이퍼의 중심에 관하여 대칭인 제1 영역과 제2 영역에서의 막 두께가 동등해지도록, 연마 조건이 결정된다. 제2 영역은, 제1 영역의 위치에 따라 자동으로 특정되는 비교 영역이며, 제1 영역과 제2 영역이 웨이퍼의 중심에 관하여 대칭이라는 조건을 만족시키는 임의의 영역이다.
스텝 8에서는, 결정된 연마 조건 하에서, 웨이퍼의 제1 단계 연마 공정이 행하여진다. 웨이퍼의 연마 중 막 두께 프로파일은 계속적으로 취득되고, 새롭게 취득된 막 두께 프로파일에 기초하여 제1 막 두께 분포가 갱신된다. 또한, 갱신된 제1 막 두께 분포에 기초하여, 연마 조건이 최적화된다. 이와 같이, 웨이퍼의 연마 중 갱신된 제1 막 두께 분포는, 연마 조건의 결정에 피드백된다.
스텝 9에서는, 제1 목표 막 두께 분포에 도달한 경우, 또는 소정의 연마 시간에 도달한 경우에는, 웨이퍼의 제1 단계 연마 공정이 종료된다. 스텝 10에서는, 연마된 웨이퍼는, 반송 장치(500)에 의해, CMP 장치(100)로부터 버프 연마 장치(200)에 반송된다.
스텝 11에서는, 웨이퍼는, 연마된 면이 위를 향한 상태에서, 버프 연마 장치(200)의 웨이퍼 스테이지(85)에 보유 지지된다. 스텝 12에서는, 웨이퍼의 노치 위치가 검출되고, 또한 웨이퍼의 방향과 웨이퍼 스테이지(85)의 회전 각도를 관련짓는 관련짓기 공정이 행하여진다(도 33 및 도 34 참조).
스텝 13에서는, 초기의 막 두께 지표값과, 웨이퍼 위의 반경 방향의 위치의 관계를 나타내는 제2 초기 막 두께 프로파일이 취득된다. 스텝 14에서는, 제2 초기 막 두께 프로파일로부터, 제1 단계 연마 공정으로 연마된 웨이퍼의 주위 방향에 있어서의 막 두께 지표값의 분포(즉 막 두께의 분포)를 나타내는 제2 막 두께 분포가 취득된다. 제2 초기 막 두께 프로파일의 취득 및 제2 막 두께 분포의 취득은, 도 7 내지 도 10에서 나타낸 공정 또는 도 11 내지 도 14에서 나타낸 공정과 동일하게 하여 행하여진다. 스텝 15에서는, 제2 막 두께 분포에 기초하여, 웨이퍼의 막 두께가 가장 크거나 또는 가장 작은 부분을 포함하는 제3 영역이 결정된다.
스텝 16에서는, 웨이퍼의 중심에 관하여 대칭인 제3 영역과 제4 영역에서의 막 두께가 동등해지도록, 연마 조건이 결정된다. 제4 영역은, 제3 영역의 위치에 따라 자동으로 특정되는 비교 영역이며, 제3 영역과 제4 영역이 웨이퍼의 중심에 관하여 대칭이라는 조건을 만족시키는 임의의 영역이다. 제3 영역 및 제4 영역은, 도 31 내지 도 45에 도시하는 버프 연마 장치(200)의 각 실시 형태에서 설명한 제1 영역 T1 및 제2 영역 T2에 각각 상당한다. 즉, 제3 영역 및 제4 영역은, 웨이퍼 W의 중심에 관하여 대칭이다.
스텝 17에서는, 결정된 연마 조건 하에서, 웨이퍼의 제2 단계 연마 공정이 행하여진다. 웨이퍼의 연마 중 막 두께 프로파일은 계속적으로 취득되고, 새롭게 취득된 막 두께 프로파일에 기초하여 제2 막 두께 분포가 갱신된다. 또한, 갱신된 제2 막 두께 분포에 기초하여, 연마 조건이 최적화된다. 이와 같이, 웨이퍼의 연마 중 갱신된 제2 막 두께 분포는, 연마 조건의 결정에 피드백된다.
스텝 18에서는, 제2 목표 막 두께 분포에 도달한 경우, 또는 소정의 연마 시간에 도달한 경우에는, 웨이퍼의 제2 단계 연마 공정이 종료된다. 스텝 19에서는, 연마된 웨이퍼는, 반송 장치(500)에 의해, 버프 연마 장치(200)로부터 세정 유닛(300)에 반송되어, 여기에서 연마된 웨이퍼가 세정된다. 스텝 20에서는, 세정된 웨이퍼는, 반송 장치(500)에 의해, 세정 유닛(300)으로부터 건조 유닛(400)에 반송되고, 여기에서 세정된 웨이퍼가 건조된다. 이와 같이 하여, 제1 단계 연마 공정, 제2 단계 연마 공정, 세정 공정 및 건조 공정을 포함하는 일련의 웨이퍼 처리가 행하여진다.
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 한정되지 않고, 특허 청구 범위에 의해 정의되는 기술적 사상에 따른 가장 넓은 범위에 해석되는 것이다.
<산업상 이용가능성>
본 발명은 기판의 표면을 연마하는 방법 및 장치에 이용 가능하다.
1: 연마 헤드(기판 보유 지지 장치)
2: 연마 패드
2a: 연마면
3: 연마 테이블
5: 슬러리 공급 노즐
6: 데이터 처리부
7: 동작 제어부
8: 연마 조건 조정 시스템
11: 헤드 샤프트
12: 회전통
13: 테이블 모터
14: 타이밍 풀리
15: 막 두께 센서
16: 헤드 아암
18: 헤드 회전 모터
19: 타이밍 벨트
20: 타이밍 풀리
21: 헤드 아암 샤프트
22: 로터리 인코더
25: 로터리 조인트
26: 베어링
27: 상하 이동 기구
28: 브리지
29: 지지대
30: 지주
32: 볼 나사
32a: 나사축
32b: 너트
38: 서보 모터
41: 헤드 본체
42: 리테이너 링
44: 탄성막
44a: 웨이퍼 접촉면(기판 접촉면)
45: 막 홀더
50: 기체 공급원
51: 절결 검출 센서
53: 노치
61: 헤드 편심 기구
63: 로드
64: 유니버설 조인트
66: 승강 장치
67: 원환 디스크
71: 롤러
72: 랙
73: 피니언
75: 서보 모터
79: 격벽막
85: 웨이퍼 스테이지(기판 스테이지)
87: 연마 디스크
88, 89: 막 두께 센서
91: 스테이지 축
92: 스테이지 모터
95: 로터리 인코더
97: 연마포
97a: 연마면
100: 화학 기계 연마(CMP) 장치
110: 데이터 처리부
112: 동작 제어부
113: 연마 조건 조정 시스템
120: 디스크 아암
121: 디스크 축
122: 디스크 모터
123: 토크 전달 기구
125: 디스크 압박 장치
128: 디스크 아암 샤프트
130: 디스크 선회 모터
200: 버프 연마 장치
300: 세정 유닛
400: 건조 유닛
500: 반송 장치
P1, P2, P3, P4, P5, P6: 압력실
P5-1, P5-2, P5-3: 작동실
F1, F2, F3, F4, F5, F6, F5-1, F5-2, F5-3: 기체 이송 라인
R1, R2, R3, R4, R5, R6, R5-1, R5-2, R5-3: 압력 레귤레이터
T1: 제1 영역
T2: 제2 영역
L: 회전 중심선
W: 웨이퍼

Claims (19)

  1. 기판의 주위 방향에 있어서의 막 두께의 분포를 취득하고,
    상기 막 두께의 분포에 기초하여, 가장 크거나 또는 가장 작은 막 두께를 갖는 제1 영역을 결정하고,
    연마 패드를 보유 지지한 연마 테이블을 회전시키고,
    연마 헤드로 기판을 회전시키면서, 상기 기판의 표면을 상기 연마 패드에 압박하고,
    상기 제1 영역을, 상기 기판의 표면 내의 제2 영역의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마하는 것을 특징으로 하는 연마 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역은, 상기 기판의 중심에 관하여 대칭임을 특징으로 하는 연마 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기판의 표면을 상기 연마 패드에 압박하는 공정은, 상기 연마 헤드로 기판을 회전시키면서, 상기 연마 헤드의 회전 중심선으로부터의 상기 제1 영역의 거리가 커지거나, 또는 작아지는 방향으로 상기 연마 헤드를 편심시킨 상태에서, 상기 연마 헤드로 상기 기판의 표면을 상기 연마 패드에 압박하는 공정임을 특징으로 하는 연마 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 영역을, 상기 기판의 표면 내의 제2 영역의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마하는 공정은, 상기 연마 테이블의 반경 방향에 있어서 상기 제1 영역이 상기 제2 영역보다도 외측에 위치하고 있을 때에, 상기 연마 헤드로부터 상기 기판의 표면 전체에 가해지는 하중을 증가 또는 저하시킴으로써, 상기 제1 영역을, 상기 기판의 표면 내의 제2 영역의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마하는 공정임을 특징으로 하는 연마 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 영역을, 상기 기판의 표면 내의 제2 영역의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마하는 공정은, 상기 연마 테이블의 반경 방향에 있어서 상기 제1 영역이 상기 제2 영역보다도 외측에 위치하고 있을 때에, 상기 연마 헤드로부터 상기 제1 영역에 가해지는 국소 하중을 증가 또는 저하시킴으로써, 상기 제1 영역을, 상기 제2 영역의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마하는 공정임을 특징으로 하는 연마 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 영역을, 상기 기판의 표면 내의 제2 영역의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마하는 공정은, 상기 연마 테이블의 반경 방향에 있어서 상기 제1 영역이 상기 제2 영역보다도 외측에 위치하고 있을 때에, 상기 연마 헤드를 상기 기판과 함께 상기 연마 테이블의 반경 방향에 있어서 외측 또는 내측으로 이동시킴으로써, 상기 제1 영역을, 상기 제2 영역의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마하는 공정임을 특징으로 하는 연마 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기판의 표면을 상기 연마 패드에 압박하는 공정은, 상기 연마 헤드로 기판을 회전시키면서, 상기 연마 헤드의 탄성막을 보유 지지하는 막 홀더를 기울인 상태에서, 상기 탄성막으로 상기 기판의 표면을 상기 연마 패드에 압박하는 공정이며, 상기 막 홀더는, 상기 제1 영역으로부터 상기 제2 영역을 향하여 상방 또는 하방으로 기울어 있는 것을 특징으로 하는 연마 방법.
  8. 기판의 주위 방향에 있어서의 막 두께의 분포를 취득하고,
    상기 막 두께의 분포에 기초하여, 가장 크거나 또는 가장 작은 막 두께를 갖는 제1 영역을 결정하고,
    상기 기판을 보유 지지한 기판 스테이지를 회전시키고,
    연마 디스크를 회전시키면서, 해당 연마 디스크를 상기 기판의 표면에 압박하고,
    상기 제1 영역을, 상기 기판의 표면 내의 제2 영역의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마하는 것을 특징으로 하는 연마 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역은, 상기 기판의 중심에 관하여 대칭임을 특징으로 하는 연마 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 제1 영역을, 상기 기판의 표면 내의 제2 영역의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마하는 공정은, 상기 연마 디스크가 상기 제1 영역에 접촉하고 있을 때에, 상기 제1 영역과 상기 연마 디스크의 상대 속도를 올림으로써, 상기 제1 영역을, 상기 기판의 표면 내의 제2 영역의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마하는 공정임을 특징으로 하는 연마 방법.
  11. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 제1 영역을, 상기 기판의 표면 내의 제2 영역의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마하는 공정은, 상기 연마 디스크가 상기 제1 영역에 접촉하고 있을 때에, 상기 연마 디스크의 하중을 증가시킴으로써, 상기 제1 영역을, 상기 기판의 표면 내의 제2 영역의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마하는 공정임을 특징으로 하는 연마 방법.
  12. 기판의 주위 방향에 있어서의 막 두께의 분포를 나타내는 제1 막 두께 분포를 취득하고,
    상기 제1 막 두께 분포에 기초하여, 가장 크거나 또는 가장 작은 막 두께를 갖는 제1 영역을 결정하고,
    연마 패드를 보유 지지한 연마 테이블을 회전시키고,
    연마 헤드로 상기 기판을 회전시키면서, 상기 기판의 표면을 상기 연마 패드에 압박하고,
    상기 제1 영역을, 상기 기판의 표면 내의 제2 영역의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마하는 제1 단계 연마 공정을 행하고,
    연마된 상기 기판의 주위 방향에 있어서의 막 두께의 분포를 나타내는 제2 막 두께 분포를 취득하고,
    상기 제2 막 두께 분포에 기초하여, 가장 크거나 또는 가장 작은 막 두께를 갖는 제3 영역을 결정하고,
    상기 기판을 보유 지지한 기판 스테이지를 회전시키고,
    연마 디스크를 회전시키면서, 해당 연마 디스크를 상기 기판의 표면에 압박하고,
    상기 제3 영역을, 상기 기판의 표면 내의 제4 영역의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마하는 제2 단계 연마 공정을 행하는 것을 특징으로 하는 연마 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역은, 상기 기판의 중심에 관하여 대칭이며, 상기 제3 영역 및 상기 제4 영역은, 상기 기판의 중심에 관하여 대칭임을 특징으로 하는 연마 방법.
  14. 연마 패드를 지지하는 연마 테이블과,
    기판을 상기 연마 패드에 압박하는 연마 헤드와,
    상기 연마 헤드를 회전 중심선의 주위로 회전시키는 헤드 회전 모터와,
    상기 연마 헤드를 상기 회전 중심선에 대하여 편심시키는 헤드 편심 기구를 구비한 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 헤드 편심 기구는, 상기 연마 헤드의 회전 중심선으로부터의, 상기 기판의 표면 내의 제1 영역의 거리가 커지거나, 또는 작아지는 방향으로 상기 연마 헤드를 편심시킴으로써, 상기 연마 헤드는, 상기 제1 영역을, 상기 기판의 표면 내의 제2 영역의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마할 수 있는 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역은, 상기 기판의 중심에 관하여 대칭임을 특징으로 하는 연마 장치.
  17. 연마 패드를 지지하는 연마 테이블과,
    기판을 상기 연마 패드에 압박하는 연마 헤드를 구비하고,
    상기 연마 헤드는,
    헤드 본체와,
    상기 기판을 상기 연마 패드에 압박하는 탄성막과,
    상기 탄성막을 보유 지지하는 막 홀더와,
    상기 헤드 본체와 상기 막 홀더 사이에 적어도 3개의 작동실을 형성하는 적어도 3개의 격벽막과,
    상기 적어도 3개의 작동실 내의 압력을 각각 독립해서 제어함으로써, 상기 막 홀더를 원하는 방향으로 기울일 수 있는 적어도 3개의 압력 레귤레이터를 구비한 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 막 홀더는, 상기 기판의 표면 내의 제1 영역으로부터 제2 영역을 향하여 상방 또는 하방으로 기울어 있음으로써, 상기 연마 헤드는, 상기 제1 영역을, 상기 기판의 표면 내의 제2 영역의 제거 레이트와는 상이한 제거 레이트로 연마할 수 있는 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역은, 상기 기판의 중심에 관하여 대칭인 것을 특징으로 하는 연마 장치.
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