KR20210002655A - 연마 헤드 및 이것을 이용한 웨이퍼 연마 장치 및 연마 방법 - Google Patents

연마 헤드 및 이것을 이용한 웨이퍼 연마 장치 및 연마 방법 Download PDF

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카츠토시 야마모토
타카유키 기하라
료야 데라카와
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Abstract

(과제) 웨이퍼의 외주부에 있어서의 연마 압력의 굴곡을 억제하여 고평탄화를 도모한다.
(해결 수단) 웨이퍼 연마 장치의 연마 헤드(10)는, 웨이퍼(W)의 중심부를 압압하는 중심부 제어 압력(Pc)과 웨이퍼(W)의 외주부를 압압하는 외주부 제어 압력(Pe)을 독립적으로 제어 가능한 멤브레인 헤드(16)와, 멤브레인 헤드(16)의 외주부를 구성하도록 당해 멤브레인 헤드(16)와 일체화된 외측 링(17)과, 멤브레인 헤드(16)의 외측에 형성된 접지형 리테이너 링(14)을 구비하고, 멤브레인 헤드(16)는, 중심부 제어 압력(Pc)을 제어하는 단실 구조의 중심부 압력실(R1)과, 중심부 압력실(R1)의 상방에 형성되고, 외주부 제어 압력(Pe)을 제어하는 외주부 압력실(R2)을 갖고, 외측 링(17)의 하단의 위치는, 적어도 중심부 압력실(R1)의 내측 저면(S1)의 위치에 도달해 있고, 외측 링(17)의 상단의 위치는, 적어도 중심부 압력실(R1)의 내측 상면(S2)의 위치에 도달해 있다.

Description

연마 헤드 및 이것을 이용한 웨이퍼 연마 장치 및 연마 방법
본 발명은, 연마 헤드 및 이것을 이용한 웨이퍼(wafer) 연마 장치 및 연마 방법에 관한 것으로, 특히, 웨이퍼의 마무리 연마에 적합한 연마 헤드 및 이것을 이용한 웨이퍼 연마 장치 및 연마 방법에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 기판 재료로서 실리콘 웨이퍼가 폭넓게 이용되고 있다. 실리콘 웨이퍼는, 실리콘 단결정 잉곳(single crystal ingot)에 외주 연삭, 슬라이스(slice), 랩핑(lapping), 에칭(etching), 양면 연마, 편면 연마, 세정 등의 공정을 순차적으로 행함으로써 제조된다. 이 중, 편면 연마 공정은, 웨이퍼 표면의 요철이나 굴곡을 제거하여 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, 연마포가 접착된 회전 정반과, 연마포 상의 웨이퍼를 압압하면서 보유 지지하는 연마 헤드를 구비하고 있고, 슬러리를 공급하면서 회전 정반 및 연마 헤드를 각각 회전시킴으로써 웨이퍼의 편면을 연마한다.
웨이퍼 연마 장치에 관한 것으로, 예를 들면 특허문헌 1에는, 러버막의 하면부에 실리콘 웨이퍼 등의 워크의 이면을 보유 지지하고, 당해 워크의 표면을 정반 상에 접착한 연마포에 슬라이딩시켜 연마하는 연마 헤드가 기재되어 있다. 이 연마 헤드는, 환상(環狀)의 강성 링과, 당해 강성 링에 균일한 장력으로 접착된 러버막(멤브레인)과, 러버막의 하면부의 주변부에 상기 강성 링과 동심에 형성되고, 강성 링의 내경보다도 외경이 큰 환상의 템플레이트(template)(리테이너 링(retainer ring))를 구비하고 있고, 템플레이트의 내경은 강성 링의 내경보다도 작고, 강성 링과 템플레이트와의 내경차와 상기 템플레이트의 내경과 외경과의 차의 비가 26％ 이상 45％ 이하이기 때문에, 템플레이트의 내주 부분을 자유롭게 변형할 수 있어, 러버막이 워크의 전체면을 균일하게 압압하는 것이 가능하다.
또한 특허문헌 2에는, 웨이퍼의 평탄도를 높이기 위해, 웨이퍼의 압압면을 복수의 압력 존으로 분할하고, 각 압력 존을 독립적으로 가압 제어 가능한 멀티 존 가압 방식의 캐리어 헤드를 구비한 웨이퍼 연마 장치가 기재되어 있다. 이 캐리어 헤드의 플렉시블막(멤브레인)은, 주요 부분과, 환상 외측 부분과, 3개의 환상 플랩(flap)을 포함하고, 동심원상으로 구획된 제1∼제3 압력실을 갖고 있다. 또한 캐리어 헤드는, 플렉시블막의 환상 외측 부분의 외벽면을 따라 형성된 오목부와, 오목부 내로 삽입된 외부 링과, 플렉시블막의 환상 내측 부분의 내벽면을 따라 형성된 내부 링을 구비하고 있고, 플렉시블막의 환상 부분이 보강된 구조를 갖고 있다.
일본공개특허공보 2008-110407호 일본공표특허공보 2015-536575호
실리콘 웨이퍼의 편면 연마에서는, 응력 집중이나 슬러리의 유입 등에 의해 웨이퍼 외주부의 연마량이 중심부보다도 커지는 경향이 있다. 그 때문에, 웨이퍼의 중심부의 제어 압력과 외주부의 제어 압력을 별도로 제어하는 것이 바람직하다.
그러나, 특허문헌 1에 기재된 종래의 연마 헤드는, 러버막이 단일한 압력 존을 구성하고 있기 때문에, 웨이퍼의 중심부의 제어 압력과 외주부의 제어 압력을 별도로 제어할 수 없다. 또한 템플레이트를 접지하는 방식에서는 템플레이트가 서서히 마모함으로써 연마면 압력 분포가 변동하기 때문에, 웨이퍼 연마면 압력 분포를 일정하게 제어하는 것이 어렵고, 웨이퍼의 외주부의 연마량을 제어하여 고평탄한 웨이퍼를 얻을 수 없다는 문제가 있다.
특허문헌 2에 기재된 종래의 웨이퍼 연마 장치는, 웨이퍼의 중심부의 제어 압력과 외주부의 제어 압력을 별도로 제어하는 것이 가능하다. 그러나, 플렉시블막의 측면에 형성된 외부 링이 환상 외측 부분의 상부에만 형성되어 있기 때문에, 웨이퍼의 외주부에 제어 압력을 충분히 전달할 수 없어, 외주부 제어 압력의 제어폭이 작다는 문제가 있다. 또한, 외부 링이나 내부 링은 플렉시블막에 접착되는 일 없이 단순히 삽입되어 있을 뿐이기 때문에, 외부 링이나 내부 링이 움직임으로써 플렉시블막의 이면 압력 분포에 굴곡이 발생하기 쉬워, 웨이퍼의 평탄도를 높이는 것이 어렵다는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 웨이퍼의 외주부에 있어서의 연마 압력의 굴곡을 억제하여 고평탄화를 도모하는 것이 가능한 연마 헤드 및 이것을 이용한 웨이퍼 연마 장치 및 연마 방법을 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 의한 웨이퍼 연마 장치의 연마 헤드는, 웨이퍼의 중심부를 압압하는 중심부 제어 압력과 상기 웨이퍼의 외주부를 압압하는 외주부 제어 압력을 독립적으로 제어 가능한 멤브레인 헤드(membrane head)와, 상기 멤브레인 헤드의 외주부를 구성하도록 당해 멤브레인 헤드와 일체화된 외측 링과, 상기 멤브레인 헤드의 외측에 형성된 접지형 리테이너 링을 구비하고, 상기 멤브레인 헤드는, 상기 중심부 제어 압력을 제어하는 단실 구조(single chamber structure)의 중심부 압력실과, 상기 중심부 압력실의 상방에 형성되고, 상기 외주부 제어 압력을 제어하는 외주부 압력실을 갖고, 상기 외측 링의 하단의 위치는, 적어도 상기 중심부 압력실의 내측 저면의 위치에 도달해 있고, 상기 외측 링의 상단의 위치는, 적어도 상기 중심부 압력실의 내측 상면의 위치에 도달해 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 웨이퍼의 중심부와 외주부의 연마 압력을 별도로 제어할 수 있고, 특히, 마모에 의한 리테이너 링의 두께의 변화에 맞추어 외주부 제어 압력을 조정할 수 있다. 또한 리테이너 링이 접지되어 있기 때문에, 웨이퍼의 외주부의 과연마나 연마면 압력 분포의 구배를 억제할 수 있다. 또한, 외측 링이 멤브레인 헤드의 중심부 압력실의 내측 저면에서 내측 상면까지의 넓은 범위에 연재(延在)하여 멤브레인 헤드의 외주부를 지지하고 있기 때문에, 외주부 압력실로부터의 압력을 웨이퍼의 외주부에 확실히 전달할 수 있어, 외주부 제어 압력의 제어폭을 크게 할 수 있다. 따라서, 웨이퍼의 외주부에 있어서의 연마 압력의 굴곡이나 무압 영역의 발생을 억제하여 웨이퍼의 연마면 압력 분포를 일정하게 할 수 있고, 이에 따라 웨이퍼의 평탄도를 높일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 멤브레인 헤드는, 상기 웨이퍼의 압압면을 구성하는 원형의 주면부(主面部)와, 상기 주면부의 외주단으로부터 상방으로 연장되는 환상의 측면부를 갖고, 상기 외측 링은, 상기 멤브레인 헤드의 성형 시에 상기 멤브레인 헤드와 일체 성형되어 상기 측면부의 외주면에 접착 고정되어 있는 것이 바람직하다. 이에 의하면, 연마 시에 외측 링이 움직여 연마 압력 분포가 변화하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 웨이퍼의 연마면 압력 분포를 일정하게 할 수 있어, 웨이퍼의 평탄도를 높일 수 있다. 또한, 외측 링이 멤브레인 헤드의 측면부의 하단에서 상단까지의 넓은 범위를 지지하고 있기 때문에, 가압 시의 멤브레인 헤드의 측면부의 변형을 억제하여 웨이퍼의 이면 압력 분포의 굴곡을 저감할 수 있다. 또한, 멤브레인 헤드는 상기 외측 링과 일체적으로 성형된 것이기 때문에, 소정의 형상으로 가공된 멤브레인 헤드에 외측 링을 끼워넣는 작업이 불필요하여, 멤브레인 헤드의 뒤틀림이나 조립 오차의 문제도 발생하지 않는다. 그 때문에, 멤브레인 헤드를 외측 링에 끼워맞출 때의 인장에 의해 발생하는 의도하지 않은 왜곡을 억제하여 외주부 제어 압력을 확실히 전달할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 멤브레인 헤드는, 상기 측면부의 상단부로부터 지름 방향의 내방(內方)으로 연장되는 상측 환상 플랩과, 상기 상단부보다도 하방의 상기 측면부의 중간부로부터 상기 지름 방향의 내방으로 연장되는 하측 환상 플랩을 추가로 포함하고, 상기 중심부 압력실은, 상기 주면부, 상기 측면부 및 상기 하측 환상 플랩에 둘러싸인 폐공간이고, 상기 외주부 압력실은, 상기 하측 환상 플랩, 상기 측벽부 및 상기 상측 환상 플랩에 둘러싸인 폐공간이고, 상기 주면부의 상면은, 상기 중심부 압력실의 내측 저면을 구성하고 있고, 상기 하측 환상 플랩의 저면은, 상기 중심부 압력실의 내측 상면을 구성하고 있는 것이 바람직하다. 이 구성에 의하면, 웨이퍼의 중심부와 외주부의 연마 압력을 별도로 제어할 수 있고, 이에 따라 웨이퍼의 연마면 압력 분포를 일정하게 할 수 있다. 또한, 상측 환상 플랩 및 하측 환상 플랩이 멤브레인 헤드의 지름 방향의 내방으로 연장되어 있기 때문에, 외주부 제어 압력이 리테이너 접지 압력에 부여하는 영향을 방지할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 멤브레인 헤드에 접촉하는 상기 외측 링의 코너부는 모따기되어 있는 것이 바람직하고, 상기 멤브레인 헤드에 접촉하지 않는 상기 외측 링의 외주면에는 오목부가 형성되어 있는 것이 바람직하다. 외측 링의 코너부를 모따기함으로써, 멤브레인 헤드와 외측 링과의 접착성을 높일 수 있다. 또한 외측 링의 외주면에 오목부를 형성함으로써, 멤브레인 헤드 및 외측 링을 일체 성형할 때에 외측 링을 금형에 부착하기 쉽게 할 수 있어, 외측 링의 핸들링성을 높일 수 있다.
본 발명에 의한 연마 헤드는, 상기 멤브레인 헤드의 성형 시에 상기 멤브레인 헤드와 일체 성형되어 상기 측면부의 내주면에 접착 고정된 내측 링을 추가로 구비하고 있어도 좋다. 이 구성에 의하면, 멤브레인 헤드의 측면부의 강도를 더욱 높일 수 있어, 외주부 압력실로부터의 압력을 웨이퍼의 외주부에 확실히 전달할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 멤브레인 헤드에 접촉하는 상기 내측 링의 코너부는 모따기되어 있는 것이 바람직하고, 상기 멤브레인 헤드에 접촉하지 않는 상기 내측 링의 내주면에는 오목부가 형성되어 있는 것이 바람직하다. 내측 링의 코너부를 모따기함으로써, 멤브레인 헤드와 내측 링과의 접착성을 높일 수 있다. 또한 내측 링의 외주면에 오목부를 형성함으로써, 멤브레인 헤드 및 내측 링을 일체 성형할 때에 내측 링을 금형에 부착하기 쉽게 할 수 있어, 내측 링의 핸들링성을 높일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 중심부 제어 압력의 부여 영역은, 상기 웨이퍼의 중심에서 반경이 적어도 0.85R(R은 웨이퍼의 반경)까지의 원형 영역이고, 상기 외주부 제어 압력의 부여 영역은, 상기 중심부 제어 압력의 부여 영역의 외측의 환상 영역인 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 연마 헤드는, 상기 멤브레인 헤드 및 상기 리테이너 링이 부착되는 강체 헤드를 추가로 구비하고, 상기 강체 헤드는, 상기 멤브레인 헤드의 상기 측면부 및 상기 외측 링과 상기 강체 헤드와의 사이의 간극에 접속된 관통공을 갖고, 상기 멤브레인 헤드를 세정하기 위한 세정액은 상기 관통공으로부터 상기 간극 내에 공급되는 것이 바람직하다. 이 구성에 의하면, 연마 공정 후의 리테이너 링에 부착되어 있는 슬러리를 제거할 수 있어, 간극 내에 들어간 지립(abrasive grain)이 고착, 응집한 후에 벗겨져 형성된 조대(coarse) 입자에 의한 웨이퍼면 내의 스크래치 등을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명은, 전술한 본 발명의 특징을 갖는 연마 헤드를 이용한 웨이퍼 연마 장치로서, 연마포가 접착된 회전 정반과, 상기 회전 정반 상에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급부와, 상기 연마포 상의 웨이퍼를 압압하면서 보유 지지하는 연마 헤드를 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 웨이퍼를 균일하게 연마하는 것이 가능한 웨이퍼 연마 장치를 제공할 수 있다.
추가로 또한, 본 발명은, 전술한 본 발명의 특징을 갖는 웨이퍼 연마 장치를 이용하여 웨이퍼의 편면을 연마하는 방법으로서, 상기 웨이퍼의 연마면 압력 분포가 일정해지도록 상기 중심부 제어 압력과 상기 외주부 제어 압력을 독립적으로 제어함과 함께, 상기 리테이너 링의 소모에 맞추어 상기 외주부 제어 압력을 작게 하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 웨이퍼를 균일하게 연마하는 것이 가능한 연마 방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 의하면, 웨이퍼의 외주부에 있어서의 연마 압력의 굴곡을 억제하여 고평탄화를 도모하는 것이 가능한 연마 헤드 및 이것을 이용한 웨이퍼 연마 장치 및 연마 방법을 제공할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 실시 형태에 의한 웨이퍼 연마 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 2는, 제1 실시 형태에 의한 연마 헤드의 구조를 나타내는 개략 측면 단면도이다.
도 3은, 도 2의 멤브레인 헤드의 구조를 상세하게 나타내는 부분 단면도이다.
도 4는, 제2 실시 형태에 의한 연마 헤드의 멤브레인 헤드의 구조를 상세하게 나타내는 부분 단면도이다.
도 5(a) 및 (b)는, 웨이퍼의 연마면 압력 분포를 나타내는 그래프이다.
도 6(a) 및 (b)는, 리테이너 링의 두께와 웨이퍼의 최외주부의 연마면 압력과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은, 리테이너 링의 두께와 웨이퍼의 연마면 압력 분포와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8(a) 및 (b)는, 웨이퍼의 이면 압력 분포를 나타내는 그래프이다.
도 9(a) 및 (b)는, 외측 링 일체형 헤드 형상(도 4 참조)의 연마 헤드를 이용했을 때의 웨이퍼 이면 압력 분포를 나타내는 그래프로서, 특히 (a)는 외측 링의 세로 길이가 긴 경우, (b)는 외측 링의 세로 길이가 짧은 경우를 각각 나타내고 있다.
(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 측면도이다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 웨이퍼 연마 장치(1)는, 연마포(22)가 접착된 회전 정반(21)과, 회전 정반(21) 상에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급부(23)와, 연마포(22) 상에 올려놓여진 웨이퍼(W)를 압압하면서 보유 지지하는 연마 헤드(10)를 구비하고 있다. 회전 정반(21)의 주면은 연마 헤드(10)보다도 충분히 큰 평면 사이즈를 갖고, 연마 헤드(10)의 하면(압압면)은 회전 정반(21)의 주면과 대향하고 있다. 본 실시 형태에서는 회전 정반(21) 상에 1개의 연마 헤드(10)가 형성되어 있는데, 복수매의 웨이퍼(W)를 동시에 연마하기 위한 복수의 연마 헤드(10)가 형성되어 있어도 좋다. 연마포(22) 상에 슬러리를 공급하면서 회전 정반(21) 및 연마 헤드(10)를 각각 회전시킴으로써, 연마포(22)와 접하는 웨이퍼(W)의 편면을 연마할 수 있다.
도 2는, 제1 실시 형태에 의한 연마 헤드(10)의 구조를 나타내는 개략 측면 단면도이다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 연마 헤드(10)는, 회전축(11)과, 회전축(11)의 하단에 형성된 강체 헤드(12)와, 강체 헤드(12)의 저면에 형성된 접지형 리테이너 링(14) 및 멤브레인 헤드(16)를 구비하고 있고, 멤브레인 헤드(16)를 통하여 웨이퍼(W)를 가압하는 웨이퍼 가압 기구를 구성하고 있다.
강체 헤드(12)는, 회전축(11)에 접속된 헤드 상부(12a)와, 드라이브 링(12d)을 통하여 헤드 상부(12a)에 접속된 헤드 하부(12b) 및 헤드 외주부(12c)를 구비하고 있다. 헤드 상부(12a)는 스핀들 기구에 의해 회전 구동됨과 함께, 전동 실린더에 의해 승강 구동된다. 드라이브 링(12d)은 금속의 판 스프링으로 이루어지고, 헤드 상부(12a)의 회전력을 헤드 하부(12b) 및 헤드 외주부(12c)에 전달하기 위한 부품이다. 멤브레인 헤드(16)는 헤드 하부(12b)에 부착되고, 리테이너 링(14)은 헤드 외주부(12c)에 부착된다.
리테이너 링(14)은 강체 헤드(12)의 저면의 외주부에 형성된 가이드 부재이다. 리테이너 링(14)은 연마포(22)의 상면을 압압 가능하게 구성되어 있고, 리테이너 링(14)의 저면은 연마포(22)에 접촉(접지)하고 있다. 리테이너 링(14)의 저면을 연마포(22)에 밀어 붙여 접촉시킴으로써 웨이퍼(W)의 수평 방향의 움직임을 규제할 수 있고, 연마 헤드(10)의 외측으로의 웨이퍼의 튀어나감을 방지할 수 있다. 또한, 리테이너를 연마포에 접지함으로써, 연마 헤드(10)의 기울기에 의한 연마량 분포의 구배 및 연마포의 휨에 의한 웨이퍼 외주부의 과연마를 억제할 수 있다.
멤브레인 헤드(16)의 저면은 웨이퍼의 이면(상면)의 전체면과 접촉하고 있다. 멤브레인 헤드(16)는 도시하지 않은 멤브레인 가압 라인에 접속되어 있고, 멤브레인 헤드(16)의 내부에는 공기압이 이송되어 넣어진다. 멤브레인 가압 라인으로부터 멤브레인 헤드(16) 내에 공기압이 공급되어 멤브레인 헤드(16)가 팽창함으로써 웨이퍼(W)가 하방으로 압압된다. 멤브레인 헤드(16) 내에는, 중심부 압력실(R1)과 외주부 압력실(R2)로 이루어지는 2개의 압력실이 형성되어 있고, 별도의 멤브레인 가압 라인으로부터 공급되는 공기압에 의해 각 압력실 내의 압력이 개별적으로 제어된다. 각 압력실에 공급되는 공기압을 개별적으로 설정함으로써, 웨이퍼(W)의 중심부 및 외주부에 적절한 압압력이 부여된다.
본 실시 형태에 의한 연마 헤드(10)는 리테이너 접지 방식을 채용하고 있고, 리테이너 링(14)을 연마포(22)에 밀어 붙이고 있기 때문에, 리테이너 접지 방식을 채용하고 있지 않은 종래의 연마 헤드(10)에 비하여 연마 헤드(10)의 기울기를 방지할 수 있다. 그 때문에, 웨이퍼의 연마량 분포의 구배를 억제할 수 있다. 또한, 리테이너 링(14)을 접지하지 않는 경우, 웨이퍼(W)를 연마포(22) 상에서 슬라이딩시켰을 때에 웨이퍼(W)의 외측의 연마포(22)가 휘어져 상방으로 솟아오르고, 이에 따라 웨이퍼(W)의 코너부의 연마량이 증가한다. 그러나, 리테이너 링(14)을 접지하는 경우에는 웨이퍼(W)의 외주부로의 응력 집중을 방지하여 웨이퍼(W)의 코너부의 과연마를 방지할 수 있다.
도 3은, 도 2의 멤브레인 헤드(16)의 구조를 상세하게 나타내는 부분 단면도이다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 멤브레인 헤드(16)는 얇은 고무재로 이루어지고, 웨이퍼(W)의 압압면을 구성하는 원형의 주면부(16a)와, 주면부(16a)의 외주단으로부터 상방으로 연장되는 환상의 측면부(16b)와, 측면부(16b)의 상단부로부터 지름 방향의 내방으로 연장되는 상측 환상 플랩(16c)과, 측면부(16b)의 상단부보다도 하방의 중간부로부터 지름 방향의 내방으로 연장되는 하측 환상 플랩(16d)을 갖고 있다.
멤브레인 헤드(16)의 주면부(16a)의 크기는 웨이퍼(W)와 거의 같다. 따라서, 예를 들면 웨이퍼(W)의 직경이 300㎜일 때, 주면부(16a)의 직경도 300㎜거나 그보다도 약간 큰 정도이다. 측면부(16b)의 높이(h1)는 10∼15㎜이고, 하측 환상 플랩(16d)이 접속된 중간부의 높이(h2)는 0.5h1∼0.7h1(㎜)로 할 수 있다. 하측 환상 플랩(16d)의 길이는 상측 환상 플랩(16c)보다도 길고, 하측 환상 플랩(16d)의 선단은 상측 환상 플랩(16c)보다도 지름 방향의 내방으로 돌출되어 있다.
상기와 같이, 멤브레인 헤드(16)는, 웨이퍼(W)의 중심부의 압력을 제어하는 단실 구조의 중심부 압력실(R1)과, 중심부 압력실(R1)의 상방에 형성되고, 웨이퍼(W)의 외주부의 압력을 제어하는 외주부 압력실(R2)을 갖고 있다. 중심부 압력실(R1)은, 멤브레인 헤드(16)의 주면부(16a), 측면부(16b)의 하부, 하측 환상 플랩(16d) 및 강체 헤드(12)에 둘러싸인 폐공간이다. 외주부 압력실(R2)은, 멤브레인 헤드(16)의 상측 환상 플랩(16c), 측면부(16b)의 상부, 하측 환상 플랩(16d) 및 강체 헤드(12)에 둘러싸인 폐공간이다.
멤브레인 헤드(16)의 측면부(16b)의 외주면 및 내주면에는 외측 링(17) 및 내측 링(18)이 각각 부착되어 있다. 외측 링(17)은, 멤브레인 헤드(16)의 측면부(16b)의 외측 표면(외주면)에 접착된 강체 링으로, 멤브레인 헤드(16)를 그의 외측으로부터 지지하고 있다. 또한 내측 링(18)은, 멤브레인 헤드(16)의 측면부(16b)의 내측 표면(내주면)에 접착된 강체 링으로, 멤브레인 헤드(16)를 그의 내측으로부터 지지하고 있다. 외측 링(17) 및 내측 링(18)의 재료에는 예를 들면 SUS를 이용할 수 있다. 외측 링(17) 및 내측 링(18)은 동일한 재료인 것이 바람직하다.
외측 링(17)이 형성되어 있지 않은 경우, 멤브레인 헤드(16)의 측면부(16b)는 외측 또는 내측으로 휠 수 있기 때문에, 측면부(16b)를 통하여 외주부 제어 압력(Pe)을 웨이퍼 외주부에 전달하는 것이 어렵다. 그러나, 외측 링(17)을 형성한 경우에는, 외측 링(17)이 측면부(16b)의 휨을 억제하는 벽이 되어, 측면부(16b)의 변형이 억제되기 때문에, 외주부 제어 압력(Pe)을 확실하게 전달할 수 있다. 또한 내측 링(18)을 형성한 경우는, 측면부(16b)의 변형을 확실히 억제할 수 있다.
본 실시 형태에 있어서, 멤브레인 헤드(16)는, 외측 링(17) 및 내측 링(18)과 일체적으로 형성된 것이다. 멤브레인 헤드(16)의 측면부(16b) 중 외측 링(17)과 접하는 부분(측면부(16b)의 하부)의 외경 치수는 외측 링(17)의 내경 치수와 일치하고 있고, 멤브레인 헤드(16)의 측면부(16b) 중 내측 링(18)과 접하는 부분(측면부(16b)의 하부)의 내경 치수는 내측 링(18)의 외경 치수와 일치하고 있다. 그 때문에, 멤브레인 헤드(16)에는 외측 링(17)이나 내측 링(18)과의 치수차에 기인하는 인장 응력(왜곡)은 존재하지 않는다. 또한 외측 링(17) 및 내측 링(18)을 멤브레인 헤드(16)에 부착하는 작업은 필요로 하지 않는다.
멤브레인 헤드(16)에 외측 링(17) 및 내측 링(18)을 끼워넣어 일체화하는 종래의 구조에서는, 밀착성을 높이기 위해 멤브레인 헤드(16)의 측면부(16b)의 외형 치수는 외측 링(17)의 내경보다도 조금 크게 설계되고, 또한 멤브레인 헤드(16)의 측면부(16b)의 내경 치수는 내측 링(18)의 외경보다도 조금 작게 설계된다. 그 때문에, 외측 링(17) 및 내측 링(18)을 멤브레인 헤드(16)에 끼워넣는 작업이 매우 어렵고, 멤브레인이 뒤틀리는 일 없이 깨끗하게 끼워넣는 것이 곤란하고, 조립 오차도 발생하기 쉬웠다. 또한, 외측 링(17) 및 내측 링(18)은 멤브레인 헤드(16)에 접착되어 있지 않기 때문에, 사용 중에 멤브레인 헤드(16)와 외측 링(17) 및 내측 링(18)과의 위치 관계가 어긋남으로써 연마 압력 분포의 불균일이 발생하기 쉽다는 문제도 있다.
그러나, 본 실시 형태에 의한 멤브레인 헤드(16)는, 성형 가공에 의해 그것이 완성된 시점에서 외측 링(17) 및 내측 링(18)과 일체화하고 있기 때문에, 종래와 같은 끼워넣음 작업이 불필요하고, 멤브레인 헤드(16)의 뒤틀림이나 조립 오차의 문제도 발생하지 않는다. 또한, 외측 링(17) 및 내측 링(18)은 멤브레인 헤드(16)에 접착 고정되어 있기 때문에, 연마 시에 외측 링(17) 및 내측 링(18)이 움직여 연마 압력 분포가 변화한다는 문제를 해결할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 의한 멤브레인 헤드(16)는 그의 형성 시에 외측 링(17)과 접착된 상태로 냉각되기 때문에, 외부로부터 압력을 가하지 않는 한 멤브레인 헤드(16)에는 장력이 걸려 있지 않다. 그 때문에, 연마 시에 압력을 가해도, 멤브레인 헤드(16)의 의도하지 않는 왜곡(즉, 멤브레인 헤드(16)가 외측 링(17)과 일체 성형되어 있지 않은 경우에, 멤브레인 헤드(16)를 외측 링(17)에 끼워맞출 때의 인장에 의해 발생하는 왜곡)을 억제하여 외주부 제어 압력을 확실히 전달할 수 있다.
본 실시 형태에 있어서, 외측 링(17)의 하단의 높이 방향의 위치는, 중심부 압력실(R1)의 내측 저면(S1)의 높이와 거의 같고, 외측 링(17)의 상단의 높이 방향의 위치는, 중심부 압력실(R1)의 내측 상면(S2)의 높이 이상이다. 즉, 외측 링(17)은 측면부(16b)의 높이 방향의 전체를 덮고 있다. 그 때문에, 가압 시에 멤브레인 헤드(16)의 측면부(16b)의 휨을 억제하여 외주부 제어 압력(Pe)을 웨이퍼(W)의 외주부에 확실히 전달할 수 있다. 따라서, 웨이퍼 이면 압력 분포의 굴곡을 저감할 수 있다. 외측 링(17)의 하단은, 중심부 압력실(R1)의 내측 저면(S1)의 위치에 도달해 있으면 좋고, 내측 저면(S1)보다도 약간 하방까지 연재하고 있는 것을 방해하는 것은 아니다. 또한, 외측 링(17)의 상단은, 중심부 압력실(R1)의 내측 상면(S2)의 위치에 도달해 있으면 좋고, 외측 링(17)의 상단의 높이 위치가 외주부 압력실(R2)의 외측 상면보다도 하방이면, 내측 상면(S2)보다도 상방까지 연재하고 있어도 외주부 제어 압력(Pe)을 전달할 수 있다.
멤브레인 헤드(16)와 접촉하는 외측 링(17) 및 내측 링(18)의 코너부는 모따기되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 외측 링(17)의 외주면 및 내측 링(18)의 내주면에는 오목부가 형성되어 있는 것이 바람직하다. 외측 링(17) 및 내측 링(18)의 코너부를 모따기함으로써, 멤브레인 헤드(16)와 외측 링(17) 및 내측 링(18)과의 접착성을 높일 수 있다. 또한 외측 링(17)의 외주면 및 내측 링(18)의 내주면에 오목부를 형성함으로써, 외측 링(17) 및 내측 링(18)을 금형에 부착하기 쉽게 할 수 있어, 외측 링(17) 및 내측 링(18)의 핸들링성을 높일 수 있다.
본 실시 형태에 있어서, 웨이퍼(W)의 외주부의 연마 압력은, 웨이퍼(W)의 중심부의 연마 압력으로부터 독립적으로 제어된다. 웨이퍼(W)의 외주부의 두께의 불균일 및 웨이퍼(W)의 측면을 보유 지지하는 리테이너 링(14)의 마모에 의한 두께의 변화에 맞추어 외주부 제어 압력(Pe)을 변경함으로써, 웨이퍼(W)의 외주부의 연마 압력을 조정할 수 있다.
중심부 제어 압력(Pc)의 부여 영역(Dc)은, 적어도 웨이퍼(W)의 중심에서 반경이 0.85R(R은 웨이퍼(W)의 반경)까지의 원형 영역이고, 웨이퍼(W)의 중심에서 반경이 0.93R까지의 영역인 것이 특히 바람직하다. 한편, 외주부 제어 압력의 부여 영역(De)은, 중심부 제어 압력의 부여 영역(Dc)의 외측의 환상 영역으로, 0.85R∼1R까지의 영역인 것이 바람직하고, 0.93R∼1R까지의 영역인 것이 특히 바람직하다. 이와 같이, 웨이퍼(W)의 대부분의 영역을 중심부 제어 압력(Pc)에 의해 제어하고, 웨이퍼(W)의 외주부를 외주부 제어 압력(Pe)에 의해 제어함으로써, 웨이퍼면 내를 균일하게 연마하는 것이 가능해진다.
리테이너 접지 방식에서는 리테이너 링(14)의 소모와 함께 리테이너 링(14)의 하면에 대한 멤브레인 헤드(16)의 주면부(16a)의 하방으로의 돌출량이 커지기 때문에, 웨이퍼(W)의 압압력이 커지고, 웨이퍼(W)의 연마량, 특히 웨이퍼의 외주부의 연마량이 기대의 연마량보다도 커져 버린다. 그러나, 리테이너 링(14)의 소모에 맞추어 외주부 제어 압력(Pe)을 감소시킴으로써 연마량 분포를 일정하게 조정할 수 있다.
본 실시 형태에 있어서, 하측 환상 플랩(16d) 및 상측 환상 플랩(16c)은 지름 방향의 내방으로 연재하고 있는 것이 바람직하다. 하측 환상 플랩(16d) 및 상측 환상 플랩(16c)이 지름 방향의 외측으로 연재시키는 것도 가능하지만, 그 경우에는, 리테이너 링(14)을 연마 헤드(10)의 상부로부터 가압할 때에 외주부 제어 압력(Pe)의 영향을 받아 리테이너 접지 압력(Pr)이 변동하고, 또한 리테이너 접지 압력(Pr)의 영향을 받아 외주부 제어 압력(Pe)이 변동한다. 그러나, 하측 환상 플랩(16d) 및 상측 환상 플랩(16c)이 지름 방향의 내방으로 연재하고 있는 경우에는, 외주부 제어 압력(Pe) 및 리테이너 접지 압력(Pr)의 한쪽이 다른 한쪽에 부여하는 영향을 방지할 수 있다.
또한, 하측 환상 플랩(16d) 및 상측 환상 플랩(16c)이 지름 방향의 내방으로 연재하고 있는 경우에는, 멤브레인 헤드(16)의 측면부(16b)와 리테이너 링(14)의 상방의 강체 헤드(12)의 일부와의 사이의 간극(D)을 가능한 한 넓게 확보할 수 있다. 이 경우에 있어서, 강체 헤드(12)는, 멤브레인 헤드(16)의 측면부(16b) 및 외측 링(17)과 강체 헤드(12)와의 사이의 간극(D)에 접속된 관통공(12e)을 갖고, 멤브레인 헤드(16)를 세정하기 위한 세정액이 관통공(12e)으로부터 간극(D) 내에 공급되는 것이 바람직하다. 연마를 계속하고 있으면 리테이너 링(14)의 표면에 슬러리가 고착하기 때문에, 이것을 제거하기 위한 세정이 필요하다. 본 실시 형태에 있어서는, 멤브레인 헤드(16)의 측면부(16b)와 강체 헤드(12)와의 사이의 간극(D) 내에 세정수를 주입하여 리테이너 링을 세정함으로써 슬러리를 제거할 수 있다. 따라서, 간극(D) 내에 들어간 지립이 고착, 응집한 후에 벗겨져 형성된 조대 입자에 의한 웨이퍼면 내의 스크래치 등을 억제할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 의한 웨이퍼 연마 장치(1)는, 웨이퍼(W)의 중심부와 외주부를 독립적으로 가압 제어 가능한 리테이너 접지형 2존 멤브레인 헤드를 구비하고, 멤브레인 헤드(16)의 측면부(16b)를 보유 지지하는 외측 링(17)이 측면부(16b)의 하단에서 상단까지의 넓은 범위를 지지하고 있기 때문에, 가압 시의 멤브레인 헤드(16)의 측면부(16b)의 변형을 억제하여 외주부 제어 압력의 제어폭을 크게 할 수 있다. 따라서, 웨이퍼의 외주부에 있어서의 연마 압력의 굴곡을 저감하여 웨이퍼의 연마면의 평탄도를 높일 수 있다. 또한, 외측 링(17) 및 내측 링(18)은 멤브레인 헤드(16)의 성형 시에 일체 성형된 것이기 때문에, 멤브레인 헤드(16)로의 외측 링(17) 및 내측 링(18)의 끼워넣음이 불필요하여, 조립 오차의 문제나 연마 시에 외측 링(17) 및 내측 링(18)이 움직이는 것에 의한 이면 압력 분포의 변동의 문제를 해결할 수 있다.
도 4는, 제2 실시 형태에 의한 연마 헤드(10)의 멤브레인 헤드(16)의 구조를 상세하게 나타내는 부분 단면도이다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 이 연마 헤드(10)의 특징은, 내측 링(18)(도 3 참조)이 생략되어 있는 점에 있다. 그 외의 구성은 제1 실시 형태에 의한 연마 헤드(10)와 동일하다. 멤브레인 헤드(16)의 측면부(16b)를 보유 지지하는 부재가 외측 링(17)뿐인 경우, 멤브레인 헤드(16)의 측면부(16b)의 보유 지지력이 저하하지만, 멤브레인 헤드(16)의 측면부(16b)의 변형을 교정함으로써 발생하는 멤브레인 헤드(16)의 외주부의 왜곡을 저감할 수 있다. 따라서, 웨이퍼 외주부의 이면 압력 분포의 변동을 억제할 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 것임은 말할 필요도 없다.
예를 들면, 상기 실시 형태에 있어서는, 멤브레인 헤드(16)의 측면부(16b)에 외측 링 및 내측 링이 접착된 구조인데, 멤브레인 헤드의 측면부(16b) 자체를 생략하는 것도 가능하다. 이 경우, 중심부 제어 압력을 부여하는 멤브레인 헤드의 주면부와, 외주부 제어 압력을 부여하는 멤브레인 헤드의 상측 환상 플랩 및 하측 환상 플랩이 별도의 멤브레인 부재로 구성되고, 중심부 제어 압력을 발생시키는 멤브레인 부재와 외주부 제어 압력을 발생시키는 멤브레인 부재가 강체 링을 통하여 연결된 구조가 된다.
실시예
＜외주부 제어 압력이 연마면 압력 분포에 부여하는 영향에 대한 고찰＞
본 발명에 의한 연마 헤드의 연마면 압력 분포를 시뮬레이션에 의해 평가했다. 여기에서, 연마 대상은 직경 300㎜의 실리콘 웨이퍼로 하고, 리테이너 링의 두께는 5㎜, 중심부 제어 압력(Pc)은 15㎪로 하고, 외주부 제어 압력(Pe)의 변경 범위를 0㎪∼40㎪로 했다. 그의 결과를 도 5(a) 및 (b)에 나타낸다.
도 5(a) 및 (b)는, 웨이퍼의 연마면 압력 분포를 나타내는 그래프로서, 특히 (a)는 내외측 링 일체형 헤드 형상(도 3 참조)의 경우, (b)는 외측 링 일체형 헤드 형상의 경우(도 4 참조)를 각각 나타내고 있다. 도 5(a) 및 (b)의 그래프의 가로축은 웨이퍼 중심으로부터의 거리(㎜), 세로축은 웨이퍼 연마면 압력(㎪)을 각각 나타내고 있다.
도 5(a) 및 (b)로부터 명백한 바와 같이, 웨이퍼의 중심으로부터 120㎜ 이하(0∼120㎜)의 중심부에 있어서의 웨이퍼 연마면 압력은, 중심부 제어 압력(Pc)과 동일한 약 15㎪을 나타냈다. 한편, 웨이퍼의 중심으로부터 120㎜이상(120∼150㎜)의 외주부에 있어서의 연마 압력은, 외주부 제어 압력(Pe)의 증가에 수반하여 증가하고, 15±10㎪의 넓은 범위 내에서 변화했다. 이 결과로부터, 외주부 제어 압력(Pe)을 약 25㎪로 설정하면 웨이퍼 연마면 압력 분포를 거의 일정하게 할 수 있는 것을 알 수 있었다. 이상의 결과로부터, 본 발명의 리테이너 접지형 2존 멤브레인에 의하면, 웨이퍼의 중심부의 연마면 압력과 외주부의 연마면 압력을 별도로 제어할 수 있어, 외주부 제어 압력(Pe)을 제어함으로써 웨이퍼의 연마면의 형상을 제어할 수 있는 것을 알 수 있었다.
＜리테이너 링의 두께가 연마면 압력에 부여하는 영향에 대한 고찰＞
다음으로, 본 발명에 의한 연마 헤드를 이용하여 웨이퍼를 연마했을 때의 웨이퍼 중심으로부터 149㎜의 최외주부에 있어서의 연마면 압력을 시뮬레이션에 의해 평가했다. 그의 결과를 도 6(a) 및 (b)에 나타낸다.
도 6(a) 및 (b)는, 리테이너 링의 두께와 웨이퍼의 최외주부의 연마면 압력과의 관계를 나타내는 그래프로서, 특히 (a)는 내외측 링 일체형 헤드 형상(도 3 참조)의 경우, (b)는 외측 링 일체형 헤드 형상의 경우(도 4 참조)를 각각 나타내고 있다. 도 6(a) 및 (b)의 그래프의 가로축은 리테이너 링의 두께(㎜), 세로축은 웨이퍼 최외주부의 연마면 압력(㎪)을 각각 나타내고 있다.
도 6(a) 및 (b)로부터 명백한 바와 같이, 웨이퍼 최외주부의 연마면 압력은, 리테이너 링의 두께의 감소에 의해 증가하고, 외주부 제어 압력(Pe)이 클수록 웨이퍼 최외주부의 연마면 압력의 증가율도 커지는 것을 알 수 있었다. 리테이너 링의 두께는 마모에 의해 서서히 감소하고, 이에 따라 웨이퍼 최외주부의 연마면 압력은 서서히 증가하지만, 외주부 제어 압력(Pe)을 서서히 작게 함으로써 웨이퍼 최외주부의 연마면 압력의 증가를 억제할 수 있어, 웨이퍼 최외주부의 연마면 압력을 일정하게 유지할 수 있다고 생각된다.
여기에서, 리테이너 링의 두께가 5.6㎜로부터 5.0㎜로 변화했을 때에, 웨이퍼 연마면 전체의 압력을 균일(15㎪)하게 유지하도록 외주부 제어 압력(Pe)을 조정한 경우와 조정하지 않았던 경우의 웨이퍼 연마면 압력 분포를 이하에 나타낸다. 또한 리테이너 링이 문질러 줄기 전의 웨이퍼 연마면 압력 분포도 나타낸다.
도 7은, 리테이너 링의 두께와 웨이퍼의 연마면 압력 분포와의 관계를 나타내는 그래프로서, 가로축은 웨이퍼 중심으로부터의 거리(㎜), 세로축은 웨이퍼 연마면 압력(㎪)을 각각 나타내고 있다.
도 7에 나타내는 바와 같이, 리테이너 링의 두께가 5.6㎜, 외주부 제어 압력(Pe)이 32㎪일 때, 웨이퍼 연마면 압력의 면 내 분포는 거의 일정(약 15㎪)했다. 그 후, 리테이너 링의 두께가 마모에 의해 감소하여 5.0㎜로 되고, 외주부 제어 압력(Pe)이 변경되는 일 없이 32㎪로 유지된 경우에는, 웨이퍼 외주부의 연마면 압력은 약 19㎪까지 증가했다. 그러나, 외주부 제어 압력(Pe)을 25.5㎪까지 작게 한 경우에는, 웨이퍼 외주부의 연마면 압력은 증가하지 않고, 연마면 압력 면 내 분포가 거의 일정하게 유지되었다. 이상의 결과로부터, 외주부 제어 압력(Pe)을 변경함으로써, 웨이퍼 연마면 압력을 조정할 수 있는 것이 확인되었다.
＜웨이퍼 이면 압력 분포의 평가＞
다음으로, 중심부 제어 압력(Pc)을 15㎪로 하고, 외주부 제어 압력(Pe)을 0∼40㎪의 범위 내에서 변화시켰을 때의, 실시예 및 비교예에 의한 멤브레인 헤드의 웨이퍼 이면 압력 분포의 변화를 시뮬레이션에 의해 평가했다. 실시예의 멤브레인 헤드는, 도 2 및 도 3에 나타낸 리테이너 접지형 2존 멤브레인 헤드로서, 리테이너 링의 두께는 5.0㎜로 했다. 한편, 비교예에 의한 멤브레인 헤드는, 리테이너 비접지형의 2존 멤브레인 헤드로서, 외측 링이 멤브레인의 측면부의 상측 반분만큼을 보유 지지하는 구조의 것을 이용했다.
도 8(a) 및 (b)는, 웨이퍼 이면 압력 분포를 나타내는 그래프로서, 특히 (a)는 내외측 링 일체형 헤드 형상(도 3 참조)의 경우, (b)는 외측 링 일체형 헤드 형상(도 4 참조)의 경우를 각각 나타내고 있다. 도 8(a) 및 (b)의 그래프의 가로축은 웨이퍼 중심으로부터의 거리(㎜), 세로축은 웨이퍼 이면 압력(㎪)을 각각 나타내 고 있다.
도 8(a) 및 (b)에 나타내는 바와 같이, 비교예에 의한 종래의 멤브레인 헤드는, 중심에서 142㎜까지의 범위 내는 압력 일정하지만, 웨이퍼 중심으로부터 148∼149㎜의 최외주부에서 압력이 극단적으로 커졌다. 한편, 실시예에 의한 멤브레인 헤드에서는, 그러한 극단적인 압력의 증가는 없었다. 또한 외주부 제어 압력(Pe)이 10㎪ 이하에서는 웨이퍼 중심으로부터 141∼149㎜의 범위 내에 무압 영역이 발생했지만, Pe가 20㎪ 이상에서는 무압 영역이 발생하지 않았다. 이와 같이, 외주부 제어 압력(Pe)의 변경에 의해, 웨이퍼의 외주부에 있어서 무압 영역을 없애, 웨이퍼의 외주부에 발생하는 이면 압력 분포의 굴곡의 크기를 제어할 수 있는 것을 알 수 있었다.
추가로 도 8(a)와 도 8(b)를 비교하면, 도 8(b)의 외측 링 일체형 헤드 형상(도 3 참조)보다도 도 8(a)의 내외측 링 일체형 헤드 형상(도 3 참조)의 쪽이, 이면 압력의 굴곡의 피크가 웨이퍼 중심 가까이에 발생하는 경향이 있는 것을 알았다.
도 9(a) 및 (b)는, 외측 링 일체형 헤드 형상(도 4 참조)의 연마 헤드를 이용했을 때의 웨이퍼 이면 압력 분포를 나타내는 그래프로서, 특히 (a)는 도 4와 같이 외측 링의 세로 길이가 길어 멤브레인 헤드의 측면부의 전체면을 커버하고 있는 경우, (b)는 외측 링의 세로 길이가 짧아 멤브레인 헤드의 측면부의 상반분만을 커버하고 있는 경우를 각각 나타내고 있다. 도 9(a) 및 (b)의 그래프의 가로축은 웨이퍼 중심으로부터의 거리(㎜), 세로축은 웨이퍼 이면 압력(㎪)을 각각 나타내고 있다.
도 9(b)에 나타내는 바와 같이, 외측 링의 세로 길이가 짧은 경우, 웨이퍼 이면 압력의 극값·변곡점과 굴곡의 피크의 높이가 높아졌다. 한편, 도 9(a)에 나타내는 바와 같이, 외측 링의 세로 길이가 긴 경우, 웨이퍼 이면 압력의 극값·변곡점과 굴곡의 피크 높이가 저감되었다. 이 결과로부터, 외측 링에 의한 멤브레인 헤드의 측면부의 보유 지지 범위가 넓은 쪽이 멤브레인 헤드의 동체 및 저면의 변형이 억제되는 것을 확인할 수 있었다.
1 : 웨이퍼 연마 장치
10 : 연마 헤드
11 : 회전축
12 : 강체 헤드
12a : 헤드 상부
12b : 헤드 하부
12c : 헤드 외주부
12d : 드라이브 링
12e : 관통공(세정공)
14 : 리테이너 링
16 : 멤브레인 헤드
16a : 멤브레인 헤드의 주면부
16b : 멤브레인 헤드의 측면부
16c : 멤브레인 헤드의 상측 환상 플랩
16d : 멤브레인 헤드의 하측 환상 플랩
17 : 외측 링
18 : 내측 링
21 : 회전 정반
22 : 연마포
23 : 슬러리 공급부
D : 간극
Dc : 중심부 제어 압력의 부여 영역
De : 외주부 제어 압력의 부여 영역
Pc : 중심부 제어 압력
Pe : 외주부 제어 압력
Pr : 리테이너 접지 압력
R1 : 중심부 압력실
R2 : 외주부 압력실
S1 : 중심부 압력실의 내측 저면
S2 : 중심부 압력실의 내측 상면
W : 웨이퍼

Claims (10)

  1. 웨이퍼의 편면을 연마하는 웨이퍼 연마 장치의 연마 헤드로서,
    상기 웨이퍼의 중심부를 압압하는 중심부 제어 압력과 상기 웨이퍼의 외주부를 압압하는 외주부 제어 압력을 독립적으로 제어 가능한 멤브레인 헤드와,
    상기 멤브레인 헤드의 외주부를 구성하도록 당해 멤브레인 헤드와 일체화된 외측 링과,
    상기 멤브레인 헤드의 외측에 형성된 접지형 리테이너 링을 구비하고,
    상기 멤브레인 헤드는,
    상기 중심부 제어 압력을 제어하는 단실 구조의 중심부 압력실과,
    상기 중심부 압력실의 상방에 형성되고, 상기 외주부 제어 압력을 제어하는 외주부 압력실을 갖고,
    상기 외측 링의 하단의 위치는, 적어도 상기 중심부 압력실의 내측 저면의 위치에 도달해 있고,
    상기 외측 링의 상단의 위치는, 적어도 상기 중심부 압력실의 내측 상면의 위치에 도달해 있는 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 멤브레인 헤드는,
    상기 웨이퍼의 압압면을 구성하는 원형의 주면부(主面部)와,
    상기 주면부의 외주단으로부터 상방으로 연장되는 환상의 측면부를 갖고,
    상기 외측 링은, 상기 멤브레인 헤드의 성형 시에 상기 멤브레인 헤드와 일체 성형되어 상기 측면부의 외주면에 접착 고정되어 있는, 연마 헤드
  3. 제2항에 있어서,
    상기 멤브레인 헤드는,
    상기 측면부의 상단부로부터 지름 방향의 내방으로 연장되는 상측 환상 플랩과,
    상기 상단부보다도 하방의 상기 측면부의 중간부로부터 상기 지름 방향의 내방으로 연장되는 하측 환상 플랩을 추가로 포함하고,
    상기 중심부 압력실은, 상기 주면부, 상기 측면부 및 상기 하측 환상 플랩에 둘러싸인 폐공간이고,
    상기 외주부 압력실은, 상기 하측 환상 플랩, 상기 측벽부 및 상기 상측 환상 플랩에 둘러싸인 폐공간이고,
    상기 주면부의 상면은, 상기 중심부 압력실의 내측 저면을 구성하고 있고,
    상기 하측 환상 플랩의 저면은, 상기 중심부 압력실의 내측 상면을 구성하고 있는, 연마 헤드.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 멤브레인 헤드에 접촉하는 상기 외측 링의 코너부가 모따기되어 있고,
    상기 멤브레인 헤드에 접촉하지 않는 상기 외측 링의 외주면에 오목부가 형성되어 있는, 연마 헤드.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 멤브레인 헤드의 성형 시에 상기 멤브레인 헤드와 일체 성형되어 상기 측면부의 내주면에 접착 고정된 내측 링을 추가로 구비하는, 연마 헤드.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 멤브레인 헤드에 접촉하는 상기 내측 링의 코너부가 모따기되어 있고,
    상기 멤브레인 헤드에 접촉하지 않는 상기 내측 링의 내주면에 오목부가 형성되어 있는, 연마 헤드.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중심부 제어 압력의 부여 영역은, 상기 웨이퍼의 중심에서 반경이 적어도 0.85R(R은 웨이퍼의 반경)까지의 원형 영역이고, 상기 외주부 제어 압력의 부여 영역은, 상기 중심부 제어 압력의 부여 영역의 외측의 환상 영역인, 연마 헤드.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 멤브레인 헤드 및 상기 리테이너 링이 부착되는 강체 헤드를 추가로 구비하고, 상기 강체 헤드는, 상기 멤브레인 헤드의 상기 측면부 및 상기 외측 링과 상기 강체 헤드와의 사이의 간극에 접속된 관통공을 갖고, 상기 멤브레인 헤드를 세정하기 위한 세정액이 상기 관통공으로부터 상기 간극 내에 공급되는, 연마 헤드.
  9. 연마포가 접착된 회전 정반과, 상기 회전 정반 상에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급부와, 상기 연마포 상의 웨이퍼를 압압하면서 보유 지지하는 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 연마 헤드를 구비하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 장치.
  10. 제9항에 기재된 웨이퍼 연마 장치를 이용하여 웨이퍼의 편면을 연마하는 방법으로서,
    상기 웨이퍼의 연마면 압력 분포가 일정해지도록 상기 중심부 제어 압력과 상기 외주부 제어 압력을 독립적으로 제어함과 함께, 상기 리테이너 링의 소모에 맞추어 상기 외주부 제어 압력을 작게 하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 방법.
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