KR20260015744A - 연마 장치 - Google Patents

Abstract

[과제] 패드 온도를 빠르게 상온보다도 낮은 온도까지 저하시킴으로써, 연마 레이트를 정밀하게 제어하는 것이 가능한 연마 장치를 제공한다.
[해결수단] 연마 장치는, 연마 패드(3)를 지지하는 회전 가능한 연마 테이블(2)과, 기판 W를 회전하는 연마 패드(3)의 연마면에 압박해서 기판 W를 연마하는 연마 헤드(1)와, 연마면의 온도를 측정하는 적어도 하나의 패드 온도 측정기(10)와, 연마면의 온도를 조정하는 패드 온도 조정 장치(5)와, 패드 온도 측정기(10)에 의해 측정된 연마면의 온도에 기초하여 패드 온도 조정 장치(5)의 동작을 제어하는 제어 장치를 구비한다. 패드 온도 조정 장치(5)는 연마면에 냉각제를 분사하는 적어도 하나의 냉각 노즐(51)과, 연마면에 드라이 가스를 분사하는 적어도 하나의 드라이 가스 노즐(61)을 포함한다. 냉각제는, 분위기 온도 이하의 비점을 갖는다.

Description

연마 장치{POLISHING APPARATUS}

본 발명은 반도체 웨이퍼 등의 기판을 연마 패드에 미끄럼 접촉시켜 연마하는 연마 장치에 관한 것으로, 특히 연마 패드의 표면 온도를 조정하면서 기판을 연마하는 연마 장치에 관한 것이다.

CMP(Chemical Mechanical Polishing) 장치는, 반도체 디바이스의 제조에 있어서, 기판의 표면을 연마하는 공정에 사용된다. CMP 장치는, 기판을 연마 헤드로 보유 지지하여 기판을 회전시키고, 또한 회전하는 연마 테이블 위의 연마 패드에 기판을 압박해서 기판의 표면을 연마한다. 연마 중, 연마 패드에는 연마액(슬러리)이 공급되고, 기판의 표면은, 연마액의 화학적 작용과 연마액에 포함되는 지립의 기계적 작용에 의해 평탄화된다.

기판의 연마 레이트는, 기판의 연마 패드에 대한 연마 하중뿐만 아니라, 연마 패드의 표면 온도(즉, 연마면의 온도)에도 의존한다. 이것은, 기판에 대한 연마액의 화학적 작용이 온도에 의존하기 때문이다. 따라서, 반도체 디바이스의 제조에 있어서는, 기판의 연마 레이트를 높여 더욱 일정하게 유지하기 위해서, 기판 연마 중의 연마 패드의 표면 온도를 최적의 값으로 유지하는 것이 중요하게 여겨진다. 또한, 본 명세서에서는, 연마 패드의 표면 온도를 「패드 온도」라고 칭하는 경우가 있다.

이에, 패드 온도를 조정하기 위한 패드 온도 조정 장치가 종래부터 사용되고 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조). 특허문헌 1에 기재된 패드 온도 조정 장치는, 연마 패드의 표면에 가열 유체를 분사하는 패드 가열기와, 연마 패드의 표면에 냉각 유체를 분사하는 패드 냉각기를 구비하고 있다. 패드 가열기 및 패드 냉각기에 각각 공급되는 가열 유체의 유량과 냉각 유체의 유량을 조정함으로써, 기판 연마 중의 패드 온도를 원하는 온도로 조정 및 유지할 수 있다.

일본 특허 공개 제2022-170648호 공보

기판에 대한 연마액의 화학적 작용은 온도에 의존하기 때문에, 일반적으로, 패드 온도가 저하되면 기판의 연마 레이트는 저하된다. 한편, 연마 패드의 종류에 따라서는, 패드 온도가 저하됨으로써 연마 패드의 경도가 증가하고, 연마 레이트가 증가하기도 한다.

이에, 근년, 연마 레이트를 보다 정밀하게 제어하기 위해서, 및 연마 후의 기판의 면내 균일성을 향상시키기 위해서, 패드 온도를 상온(예를 들어, 연마 패드 주변의 분위기 온도)보다도 낮은 온도(예를 들어, 0℃)까지 저하시키고자 하는 요망이 있다. 또한, 마찬가지의 이유에서, 연마 장치의 유저가, 일단 높은 온도까지 상승된 패드 온도를 빠르게 목표 온도까지 저하시키고자 하는 요망을 갖는 경우가 있다.

이에, 패드 온도를 빠르게 상온보다도 낮은 온도까지 저하시킴으로써, 연마 레이트를 정밀하게 제어하는 것이 가능한 연마 장치를 제공한다.

일 양태에서는, 연마 패드를 지지하는 회전 가능한 연마 테이블과, 기판을 상기 회전하는 연마 패드의 연마면에 압박해서 상기 기판을 연마하는 연마 헤드와, 상기 연마면의 온도를 측정하는 적어도 하나의 패드 온도 측정기와, 상기 연마면의 온도를 조정하는 패드 온도 조정 장치와, 상기 적어도 하나의 패드 온도 측정기에 의해 측정된 상기 연마면의 온도에 기초하여 상기 패드 온도 조정 장치의 동작을 제어하는 제어 장치를 구비하고, 상기 패드 온도 조정 장치는, 상기 연마면에 냉각제를 분사하는 적어도 하나의 냉각 노즐과, 상기 연마면에 드라이 가스를 분사하는 적어도 하나의 가스 노즐을 포함하고, 상기 냉각제는, 분위기 온도 이하의 비점을 갖는 연마 장치가 제공된다.

일 양태에서는, 상기 냉각 노즐은, 상기 연마 테이블의 회전 방향에서 볼 때, 상기 연마 헤드와 상기 가스 노즐의 사이에 배치되어 있다.

일 양태에서는, 상기 적어도 하나의 냉각 노즐은, 상기 연마 테이블의 반경 방향으로 분할된 복수의 영역의 각각에 대응하여 배치된 복수의 냉각 노즐이며, 상기 제어 장치는, 각 냉각 노즐에 공급되는 상기 냉각제의 유량을 제어함으로써, 상기 복수의 영역의 각각의 온도를 독립적으로 제어한다.

일 양태에서는, 상기 적어도 하나의 패드 온도 측정기는, 상기 복수의 영역의 각각의 온도를 측정 가능한 복수의 패드 온도 측정기이다.

일 양태에서는, 상기 패드 온도 조정 장치는, 상기 연마면을 가열하는 가열기를 더 구비하고, 상기 가열기는, 상기 연마 테이블의 회전 방향에서 볼 때, 상기 연마 헤드와 상기 적어도 하나의 냉각 노즐의 사이에 배치되어 있다.

일 양태에서는, 상기 냉각제는 드라이아이스이다.

패드 온도를 저하시키기 위해서 분위기 온도 이하의 비점을 갖는 냉각제가 사용되므로, 분위기 온도보다도 낮은 패드 온도에서 기판을 연마할 수 있다. 즉, 연마 장치는, 종래의 연마 장치보다도 넓은 온도 제어 범위에서 패드 온도를 제어하면서, 기판을 연마할 수 있다. 또한, 패드 온도를 빠르게 저하시킬 수 있으므로, 종래의 연마 장치보다도 정밀하게 기판을 연마할 수 있음과 함께, 연마 후의 기판 면내 균일성을 향상시킬 수 있다.

도 1은, 일 실시 형태에 따른 연마 장치를 나타내는 모식도이다.
도 2는, 일 실시 형태에 따른 냉각기를 나타내는 모식도이다.
도 3은, 일 실시 형태에 따른 가스 분사기를 나타내는 모식도이다.
도 4는, 일 실시 형태에 따른 냉각 노즐과 가스 노즐의 배치예를 나타내는 모식도이다.
도 5는, 냉각 노즐로부터 분사되는 냉각제를 포함하는 압송 가스를 나타내는 모식도이다.
도 6의 (a)는 다른 실시 형태에 따른 냉각 노즐을 나타내는 모식도이며, 도 6의 (b)는 도 6의 (a)에 도시한 냉각 노즐의 모식 단면도이다.
도 7은, 일 실시 형태에 따른 가열기를 나타내는 모식도이다.
도 8은, 연마 패드에 대한 냉각 노즐의 기울기 및 높이를 조정 가능한 위치 조정 기구의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 9는, 위치 조정 기구의 다른 예를 나타내는 모식도이다.
도 10은, 가열기의 가열 노즐, 냉각기의 냉각 노즐 및 가스 분사기의 가스 노즐이 일체로 형성된 공통 노즐을 나타내는 모식도이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은, 일 실시 형태에 따른 연마 장치를 나타내는 모식도이다. 도 1에 도시한 연마 장치는, 기판의 일례인 웨이퍼(W)를 보유 지지해서 회전시키는 연마 헤드(1)와, 연마 패드(3)를 지지하는 연마 테이블(2)과, 연마 패드(3)의 표면에 연마액(예를 들어, 슬러리)을 공급하는 연마액 공급 노즐(4)과, 연마 패드(3)의 표면 온도를 측정하는 패드 온도 측정기(10)와, 연마 패드(3)의 표면 온도를 조정하는 패드 온도 조정 장치(5)를 구비하고 있다. 연마 패드(3)의 표면(상면)은 웨이퍼(W)를 연마하는 연마면을 구성한다.

또한, 연마 장치는, 패드 온도 측정기(10)에 의해 측정된 연마 패드(3)의 연마면의 온도(즉, 패드 온도)에 기초하여, 패드 온도 조정 장치(5)의 동작을 제어하는 제어 장치(40)를 갖고 있다. 본 실시 형태에서는, 제어 장치(40)는 패드 온도 조정 장치(5)를 포함하는 연마 장치 전체의 동작을 제어하도록 구성되어 있다.

연마 헤드(1)는 연직 방향으로 이동 가능하며, 또한 그 축심을 중심으로 하여 화살표로 나타내는 방향으로 회전 가능하게 되어 있다. 웨이퍼(W)는, 연마 헤드(1)의 하면에 진공 흡착 등에 의해 보유 지지된다. 연마 테이블(2)에는 모터(도시생략)가 연결되어 있으며, 화살표로 나타내는 방향으로 회전 가능하게 되어 있다. 도 1에 도시한 바와 같이, 연마 헤드(1) 및 연마 테이블(2)은 동일한 방향으로 회전한다. 연마 패드(3)는 연마 테이블(2)의 상면에 첩부되어 있다.

웨이퍼(W)의 연마는 다음과 같이 하여 행해진다. 연마되는 웨이퍼(W)는, 연마 헤드(1)에 의해 보유 지지되고, 또한 연마 헤드(1)에 의해 회전된다. 한편, 연마 패드(3)는 연마 테이블(2)과 함께 회전된다. 이 상태에서, 연마 패드(3)의 표면에는 연마액 공급 노즐(4)로부터 연마액이 공급되고, 또한 웨이퍼(W)의 표면은, 연마 헤드(1)에 의해 연마 패드(3)의 표면(즉 연마면)에 대해서 압박된다. 웨이퍼(W)의 표면은, 연마액의 존재하에서 연마 패드(3)와의 미끄럼 접촉에 의해 연마된다. 웨이퍼(W)의 표면은, 연마액의 화학적 작용과 연마액에 포함되는 지립의 기계적 작용에 의해 평탄화된다.

도 1에 도시한 패드 온도 조정 장치(5)는 연마 패드(3)의 연마면에 냉각제를 분사해서 해당 연마면을 냉각하기 위한 냉각기(50)와, 연마면에 드라이 가스를 분사하는 가스 분사기(60)를 구비하고 있다. 냉각기(50)는 연마 패드(3)의 상방에 배치된 적어도 하나의 냉각 노즐을 포함하고 있으며, 해당 냉각 노즐로부터 냉각제가 분사된다. 냉각기(50)의 구성에 대해서는 후술한다.

냉각제는, 패드 온도를 저하시키기 위해서 사용되는 재료이며, 분위기 온도 이하의 비점을 갖고 있다. 본 명세서에서, 분위기 온도는, 특별히 지정하지 않는 한 연마 테이블(2) 및/또는 연마 패드(3)의 주변 온도에 대응한다. 냉각제의 예로서는, 드라이아이스 등의 상온 상압하에서 승화하는 고체 및 액화 가스(예를 들어, 액체 질소, 액체 산소, 액체 헬륨, 액화 탄산 가스 및 액체 수소) 등의 액체를 들 수 있다. 그러나, 냉각제의 종류는, 이들 예에 한정되지는 않는다. 냉각제의 양태는, 냉각제가 분위기 온도 이하의 비점을 갖는 한, 액체, 고체 및 기체 중 어느 것이어도 된다. 본 실시 형태에서는, 냉각제로서 이산화탄소가 고화한 드라이아이스가 사용되고 있다. 드라이아이스는, 상온 상압하에서는, -78.5℃의 비점(승화점)을 갖고, 직접 기체에 승화하는 재료이다. 또한, 드라이아이스는, 시장에서 입수하기 쉬운 비교적 저렴한 재료이다.

도 2는, 일 실시 형태에 따른 냉각기를 나타내는 모식도이다. 도 2에 도시한 냉각기(50)는 복수의(도 2에서는, 6개의) 냉각 노즐(51)과, 냉각제원(52)과, 냉각 노즐(51)과 냉각제원(52)을 연결하는 냉각제 라인(53)과, 냉각제 라인(53)에 배치된 메인 밸브(54)와, 냉각제 라인(53)에 배치된 냉각제 유량 조정기(55)와, 냉각제원(52)에 연결된 압송 라인(57)을 구비하고 있다.

냉각제원(52)은, 예를 들어 상기한 냉각제를 저장하는 봄베 등의 용기이다. 압송 라인(57)은 소정의 압력을 갖는 기체(이하, '압송 가스'라고 칭함)가 흐르는 라인이며, 이 압송 가스에 의해, 냉각제원(52)에 저장되는 냉각제가 냉각제 라인(53)을 통해 냉각 노즐(51)까지 반송된다. 냉각 노즐(51)로부터는, 냉각제가 포함되는 압송 가스가 분사된다. 압송 가스의 종류는, 냉각제를 냉각 노즐(51)까지 반송 가능한 한 자유롭게 선택할 수 있다. 그러나, 압송 가스는, 냉각제 및 연마액을 변질시키지 않도록, 또한 웨이퍼(W)에 형성된 디바이스에 악영향을 미치지 않도록, 질소, 아르곤 및 헬륨 등의 불활성 가스인 것이 바람직하다.

냉각제 라인(53)은 냉각제원(52)에 연결된 냉각제 주 라인(53a)과, 냉각제 주 라인(53a)으로부터 분기되어 각 냉각 노즐(51)까지 연장되는 냉각제 분기 라인(53b)으로 구성되어 있다. 메인 밸브(54)는 냉각제 주 라인(53a)에 배치되어 있으며, 냉각제 유량 조정기(55)는 냉각제 분기 라인(53b)의 각각에 배치되어 있다.

메인 밸브(54)와 냉각제 유량 조정기(55)는, 제어 장치(40)(도 1 참조)에 연결되어 있으며, 제어 장치(40)는 메인 밸브(54)와 냉각제 유량 조정기(55)의 동작을 제어한다. 각 냉각제 유량 조정기(55)는 냉각 노즐(51)의 선단으로부터 분사되는 냉각제가 포함되는 압송 가스의 유량을 제어 가능하게 구성되어 있다. 본 명세서에서는, 냉각제가 포함되는 압송 가스를, 단순히 「냉각제」라고 칭하고, 냉각제가 포함되는 압송 가스의 유량을, 단순히 「냉각제의 유량」이라고 칭하는 경우가 있다.

냉각제 유량 조정기(55)는 매스 플로 컨트롤러여도 되고, 전공 레귤레이터와 유량계의 조합이어도 된다. 냉각제 유량 조정기(55)가 전공 레귤레이터와 유량계의 조합인 경우, 제어 장치(40)는 유량계의 측정값에 기초하여 전공 레귤레이터의 동작을 제어하여, 냉각제 분기 라인(53b)을 흐르는, 냉각제를 포함하는 압송 가스의 압력을 조정한다. 냉각제 분기 라인(53b)을 흐르는 압송 가스의 압력을 변경함으로써, 냉각 노즐(51)로부터 분사되는, 냉각제를 포함하는 압송 가스의 유량을 변경할 수 있다.

도시한 예에서는, 복수의 냉각제 유량 조정기(55)가 냉각제 분기 라인(53b)에 배치되어 있다. 그러나, 1개의 냉각제 유량 조정기(55)를 냉각제 주 라인(53a)에 배치해도 된다. 이 경우, 제어 장치(40)는 냉각제 주 라인(53a)을 흐르는 냉각제를 포함하는 압송 가스의 유량을 조정함으로써, 각 냉각 노즐(51)로부터 분사되는 냉각제의 유량을 일괄해서 제어한다.

냉각 노즐(51)은, 그 선단으로부터 냉각제로서의 입자상의 드라이아이스를 압송 가스와 함께 분사하도록 구성되어 있다. 본 실시 형태에서는, 냉각제 라인(53)은 해당 냉각제 라인(53)의 도중에 드라이아이스가 완전히 기화 내지 액화하지 않도록 단열성을 갖는다. 냉각제 유량 조정기(55)는, 입자상의 냉각제를 포함하는 압송 가스의 유량을 측정 가능하며 또한 조정 가능하게 구성되어 있다. 이러한 냉각 노즐(51), 냉각제 라인(53) 및 냉각제 유량 조정기(55)는 시장에서 입수 가능하며, 냉각 노즐(51)로부터는, 예를 들어 0.1 내지 200㎛의 입자경을 갖는 드라이아이스 입자가 압송 가스와 함께 분사된다.

냉각제는, 웨이퍼(W)의 연마 중에 냉각기(50)의 냉각 노즐(51)로부터 분사된다. 냉각 노즐(51)로부터 분사된 냉각제에 의해, 우선, 연마 패드(3) 위의 연마액이 냉각된다. 또한, 연마액을 통과해서 연마 패드(3)의 연마면에 도달한 일부의 냉각제에 의해, 연마면이 직접 냉각된다. 즉, 냉각제는, 연마액을 통해 간접적으로, 또한 직접적인 접촉에 의해 패드 온도를 빠르게 저하시킬 수 있다. 그 결과, 패드 온도를 효율적으로 저하시킬 수 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 냉각제는, 0℃ 이하의 비점을 갖는 드라이아이스이기 때문에, 패드 온도를 0℃ 이하의 온도까지 빠르게 저하시키는 것도 가능하다.

도 3은, 일 실시 형태에 따른 가스 분사기를 나타내는 모식도이다. 도 3에 도시한 실시 형태에서는, 가스 분사기(60)는 연마면에 드라이 가스를 분사하는 복수의(도 3에서는, 6개의) 드라이 가스 노즐(61)과, 드라이 가스원(62)과, 드라이 가스 노즐(61)과 드라이 가스원(62)을 연결하는 드라이 가스 라인(63)과, 드라이 가스 라인(63)에 배치된 드라이 가스 메인 밸브(64)와, 드라이 가스 라인(63)에 배치된 드라이 가스 유량 조정기(65)를 구비하고 있다.

드라이 가스는, 예를 들어 연마 테이블(2) 및/또는 연마 패드(3)의 주변의 분위기가 갖는 습도보다도 낮은 습도를 갖는 기체이다. 냉각제 및 연마액을 변질시키지 않도록, 또한 웨이퍼(W)에 형성된 디바이스에 악영향을 미치지 않도록, 드라이 가스는, 질소, 아르곤 및 헬륨 등의 불활성 가스인 것이 바람직하다. 또는, 드라이 가스는, 드라이 에어여도 된다. 드라이 가스원(62)은, 예를 들어 연마 장치가 배치되는 공장의 유틸리티 라인이다.

드라이 가스 라인(63)은, 드라이 가스원(62)에 연결된 드라이 가스 주 라인(63a)과, 드라이 가스 주 라인(63a)으로부터 분기되어 각 드라이 가스 노즐(61)까지 연장되는 드라이 가스 분기 라인(63b)으로 구성되어 있다. 드라이 가스 메인 밸브(64)는, 드라이 가스 주 라인(63a)에 배치되어 있으며, 드라이 가스 유량 조정기(65)는 드라이 가스 분기 라인(63b)의 각각에 배치되어 있다.

드라이 가스 메인 밸브(64)와 드라이 가스 유량 조정기(65)는, 제어 장치(40)(도 1 참조)에 연결되어 있으며, 제어 장치(40)는 드라이 가스 메인 밸브(64)와 드라이 가스 유량 조정기(65)의 동작을 제어한다. 드라이 가스 유량 조정기(65)는 드라이 가스 노즐(61)의 선단으로부터 분사되는 드라이 가스의 유량을 제어 가능하게 구성되어 있다. 드라이 가스 유량 조정기(65)는, 매스 플로 컨트롤러여도 되고, 전공 레귤레이터와 유량계의 조합이어도 된다. 드라이 가스 유량 조정기(65)가 전공 레귤레이터와 유량계의 조합인 경우, 제어 장치(40)는 유량계의 측정값에 기초하여 전공 레귤레이터의 동작을 제어하여, 드라이 가스 분기 라인(63b)을 흐르는 드라이 가스의 압력을 조정한다. 드라이 가스 분기 라인(63b)을 흐르는 드라이 가스의 압력을 변경함으로써, 드라이 가스 노즐(61)로부터 분사되는 드라이 가스의 유량을 변경할 수 있다.

도시한 예에서는, 복수의 드라이 가스 유량 조정기(65)가 드라이 가스 분기 라인(63b)에 배치되어 있다. 그러나, 1개의 드라이 가스 유량 조정기(65)를 드라이 가스 주 라인(63a)에 배치해도 된다. 이 경우, 제어 장치(40)는 드라이 가스 주 라인(63a)을 흐르는 드라이 가스의 유량을 조정함으로써, 각 드라이 가스 노즐(61)로부터 분사되는 드라이 가스의 유량을 일괄해서 제어한다.

드라이 가스는, 냉각 노즐(51)로부터 연마 패드(3)에 분사된 냉각제가 연마 테이블(2)의 회전에 의해 연마 헤드(1)까지, 즉, 연마 중의 웨이퍼(W)까지 도달하는 것을 방지하기 위한 가스이다. 입자상 냉각제가 연마 중의 웨이퍼(W)까지 도달하면, 웨이퍼(W)와 연마 패드(3)의 사이에 입자상 냉각제가 끼게 되고, 그 결과, 웨이퍼(W)에 형성된 디바이스를 손상시킬 우려가 있다. 냉각제가 액상인 경우에는, 냉각제가 웨이퍼(W)에 형성된 디바이스에 악영향을 미칠 우려가 있다. 그 때문에, 드라이 가스에 의해, 냉각제가 기화하는 속도(이하, 「기화 스피드」라고 칭하는 경우가 있음)를 증가시켜, 냉각제가 연마 중의 웨이퍼(W)까지 도달하는 것을 방지한다.

드라이 가스를 연마 패드(3)에 분사시킴으로써, 냉각제의 주위에 존재하는, 기화한 냉각제의 기층이 분출되고, 그 결과, 냉각제의 기화 스피드가 증가한다. 또한, 연마 패드(3)에 분사된 냉각제는, 기화된 냉각제의 기층에 의해 그 주위를 덮고 있기 때문에, 매우 낮은 온도를 갖고 있다. 이에, 드라이 가스가 냉각제의 주위에 존재하는, 기화한 냉각제의 기층을 분출함으로써, 냉각제의 주위 온도를 상승시킬 수 있다. 이 관점에서도, 냉각제의 기화 스피드를 증가시킬 수 있다. 또한, 냉각제의 주위에 낮은 습도를 갖는 드라이 가스가 존재하는 것이어도, 냉각제의 기화 속도를 증가시킬 수 있다. 드라이 가스 노즐(61)로부터 분사되는 드라이 가스의 유량은, 냉각제가 연마 헤드(1)에 도달하지 않도록, 냉각제를 충분히 빠르게 기화할 수 있는 만큼의 양으로 조정된다.

도 4는, 일 실시 형태에 따른 냉각 노즐과 가스 노즐의 배치예를 나타내는 모식도이다. 도 5는, 냉각 노즐로부터 분사되는 냉각제를 포함하는 압송 가스를 나타내는 모식도이다. 도 4는, 연마 패드(3)를 상방에서 바라본 도면에 상당하고, 도 5는, 연마 패드(3)를 측방에서 바라본 도면에 상당한다.

도 4에 도시한 바와 같이, 복수의 냉각 노즐(51)은 연마 패드(3)의 반경 방향으로 직선상으로 배열되어 있다. 도 5에 도시한 바와 같이, 복수의 냉각 노즐(51)은 해당 복수의 냉각 노즐(51)로부터 분사되는 압송 가스가 연마 패드(3)의 중심선 CP로부터 외주연까지의 범위 전체에 충돌하도록 배열된다. 복수의 냉각 노즐(51)은 각각, 연마 패드(3)의 복수의 영역 Z1-Z6의 냉각을 담당한다(도 5 참조). 복수의 영역 Z1-Z6은, 복수의 냉각 노즐(51)에 대응하여 설정된 가상 영역이며, 동심상으로 설정되어 있다. 가장 중심에 위치하는 영역 Z1은, 원형의 영역이다. 이와 같이 복수의 냉각 노즐(51)을 배열함으로써 연마 패드(3) 전체를 냉각할 수 있다.

도시는 하지 않았지만, 복수의 냉각 노즐(51)로부터 분사되는 냉각제에 의해 연마 패드(3) 전체를 냉각할 수 있는 한, 복수의 냉각 노즐(51)은 연마 패드(3)의 반경 방향으로 직선상으로 배열될 필요는 없다.

또한, 복수의 냉각 노즐(51)로부터 분사되는 냉각제에 의해 연마 패드(3) 전체를 냉각할 수 있는 한, 냉각 노즐(51)의 수도 자유롭게 선택할 수 있다. 예를 들어, 도 6의 (a) 및 도 6의 (b)에 도시한 바와 같이, 패드 온도 조정 장치(5)는 연마 패드(3)의 대략 반경 방향으로 연장되는 긴 형상부(51a)와, 연마 패드(3)의 연마면을 향해 냉각제를 분사하기 위한 분사구(51b)를 갖는 단일의 냉각 노즐(51)을 갖고 있어도 된다. 이 경우, 분사구(51b)는 긴 형상부(51a)의 길이 방향을 따라서 형성된 슬릿 형상을 갖고, 분사구(51b)는 냉각제가 연마 패드(3)의 중심선 CP(도 4 및 도 5 참조)로부터 외주연에 이르는 범위 전체에 충돌하게 형성된다.

본 실시 형태에서는, 드라이 가스 노즐(61)은 냉각 노즐(51)에 대응하여 배열되어 있다(도 4 참조). 즉, 복수의 드라이 가스 노즐(61)은 연마 패드(3)의 복수의 영역 Z1-Z6에 대응하여 배열되어 있으며, 또한 연마 패드(3)의 반경 방향으로 직선상으로 배열되어 있다. 또한, 냉각 노즐(51)로부터 분사되는 냉각제가 연마 헤드(1)에 도달하는 것을 방지 가능한 한, 복수의 드라이 가스 노즐(61)은 연마 패드(3)의 반경 방향으로 직선상으로 배열될 필요는 없다. 또한, 냉각 노즐(51)로부터 분사되는 냉각제가 연마 헤드(1)에 도달하는 것을 방지 가능한 한, 드라이 가스 노즐(61)의 수도 자유롭게 선택할 수 있다. 도시는 하지 않았지만, 도 6의 (a) 및 도 6의 (b)를 참조하여 설명된 냉각 노즐(51)과 같이, 패드 온도 조정 장치(5)는 연마 패드(3)의 대략 반경 방향으로 연장되는 긴 형상부와, 연마 패드(3)의 연마면을 향해 드라이 가스를 분사하기 위한 분사구를 갖는 단일의 드라이 가스 노즐(61)을 갖고 있어도 된다.

도 4에 도시한 바와 같이, 냉각 노즐(51)은 연마 테이블(2)(즉, 연마 패드(3))의 회전 방향에서 볼 때, 연마 헤드(1)와 복수의 드라이 가스 노즐(61)의 사이에 배치되어 있다. 다시 말해, 냉각 노즐(51)은 복수의 드라이 가스 노즐(61)을 갖는 가스 분사기(60)에 대하여 연마 테이블(2)의 회전 방향의 상류측에 위치하고, 연마 헤드(1)에 대하여 연마 테이블(2)의 회전 방향의 하류측에 위치한다. 이와 같이 냉각 노즐(51)과 드라이 가스 노즐(61)을 배치함으로써, 냉각 노즐(51)로부터 분사된 냉각제의 일부가 드라이 가스 노즐(61)로부터 분사된 드라이 가스에 의해 분출되는 것이 방지되어, 냉각제가 원하는 냉각 성능을 발휘할 수 있음과 함께, 드라이 가스가 원하는 기화 성능을 발휘할 수 있다.

연마 장치는, 도 1에 도시한 바와 같이 1개의 패드 온도 측정기(10)를 갖고 있어도 되고, 도 4에 도시한 바와 같이, 복수의 영역 Z1-Z6의 수에 대응하는 복수의 패드 온도 측정기(10)를 갖고 있어도 된다. 즉, 연마 장치는, 적어도 하나의 패드 온도 측정기(10)를 갖고 있으면 된다. 패드 온도 측정기(10)는 연마 테이블(2)의 회전 방향에서 볼 때, 가스 분사기(60)와 연마 헤드(1)의 사이에 배치되어 있다. 다시 말해, 패드 온도 측정기(10)는 연마 헤드(1)에 대하여 연마 테이블(2)의 회전 방향의 상류측에 위치하고, 가스 분사기(60)에 대하여 연마 테이블(2)의 회전 방향의 하류측에 위치한다.

패드 온도 측정기(10)는, 비접촉으로 패드 표면 온도를 측정하고, 그 측정값을 제어 장치(40)로 보낸다. 패드 온도 측정기(10)는 연마 패드(3)의 표면 온도를 측정하는 적외선 방사 온도계 또는 열전대 온도계여도 되며, 연마 패드(3)의 직경 방향을 따른 연마 패드(3)의 온도 분포(온도 프로파일)를 취득하는 온도 분포 측정기여도 된다. 온도 분포 측정기의 예로서는, 서모그래피, 서모파일 및 적외 카메라를 들 수 있다. 연마 장치가 단일의 패드 온도 측정기(10)를 갖는 경우에는, 패드 온도 측정기(10)는 연마 패드(3)의 중심과 외주연을 포함하는 영역이며, 해당 연마 패드(3)의 반경 방향으로 연장되는 영역에 있어서의 연마 패드(3)의 표면 온도의 분포를 측정하게 구성된다. 본 명세서에 있어서, 온도 분포(온도 프로파일)는 패드 표면 온도와, 웨이퍼(W) 위의 반경 방향의 위치와의 관계를 나타낸다. 제어 장치(40)는 패드 온도 측정기(10)의 측정값으로부터 연마 패드(3)의 복수의 영역 Z1-Z6에 있어서의 각 패드 온도를 취득할 수 있다.

도 1로 되돌아가서, 본 실시 형태에 따른 연마 장치는, 연마 패드(3)의 연마면을 가열하는 가열기(9)를 갖고 있다. 도 7은, 일 실시 형태에 따른 가열기를 나타내는 모식도이다. 도 7에 도시한 가열기(9)는 연마 패드(3)의 상방에 배치된 가열 노즐(11)과, 가열 유체를 가열 노즐(11)에 공급하는 가열 유체 공급 시스템(30)을 적어도 구비하고 있다. 가열 유체 공급 시스템(30)을 통해 가열 노즐(11)에 공급된 가열 유체가 연마 패드(3)의 연마면에 분사됨으로써, 해당 연마면을 소정의 목표 온도로 가열할 수 있다.

또한, 이하에서는, 도 7을 참조하여, 가열 유체 공급 시스템(30)으로부터 가열 노즐(11)에 공급되는 가열 유체가 과열 증기인 예가 설명된다. 그러나, 가열 유체는 이 예에 한정되지는 않는다. 가열 유체는, 고온의 기체(예를 들어, 고온의 공기, 질소 또는 아르곤)여도 되고, 가열 증기여도 된다. 또한, 과열 증기란, 포화 증기를 더욱 가열한 고온의 증기를 의미한다.

또한, 이하에서 설명하는 가열기(9)는 가열 유체를 연마 패드(3)의 연마면에 분사함으로써, 패드 온도를 상승시키는 비접촉식의 가열기이지만, 가열기(9)에 의해 패드 온도를 원하는 목표 온도까지 상승시키는 것이 가능한 한, 가열기(9)도 이 예에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 가열기(9)는 연마 패드(3)의 연마면에 접촉하는 히터여도 된다.

도 7에 도시한 가열 유체 공급 시스템(30)은 과열 증기 발생기(31)와, 과열 증기 발생기(31)로부터 가열 노즐(11)까지 연장되는 과열 증기 공급 라인(32)과, 과열 증기 발생기(31)에 물을 공급하는 물 공급 라인(33)과, 과열 증기 발생기(31)에 상온의 가스를 공급하는 가스 공급 라인(34)을 구비하고 있다. 가스 공급 라인(34)은 가스 공급원(도시생략)으로부터 과열 증기 발생기(31)까지 연장되어 있다.

과열 증기 발생기(31)는 물 공급 라인(33)으로부터 공급된 물과, 가스 공급 라인(34)으로부터 공급된 상온의 가스를 혼합하여, 소정의 온도로 조정된 과열 증기를 생성한다. 과열 증기는, 과열 증기 공급 라인(32)을 통해 가열 노즐(11)에 공급되고, 가열 노즐(11)로부터 연마 패드(3)의 연마면에 분사된다. 이 동작에 의해, 연마 패드(3)의 연마면의 온도를 상승시킬 수 있다.

도 7에 도시한 가열 유체 공급 시스템(30)은 과열 증기 공급 라인(32)에 배치된 유량 조정기(35)와, 유량 조정기(35)의 상류측에서 과열 증기 공급 라인(32)으로부터 분기되는 배기 라인(36)을 더 구비하고 있다. 유량 조정기(35)에 의해, 가열 노즐(11)에 공급되는 과열 증기의 유량을 조정할 수 있다. 잉여 과열 증기는, 배기 라인(36)을 통해서 연마 장치로부터 배출된다.

제어 장치(40)는, 과열 증기 발생기(31) 및 유량 조정기(35)에 접속되어 있다. 제어 장치(40)는, 패드 온도 측정기(10)의 측정값에 기초하여 과열 증기 발생기(31) 및 유량 조정기(35)의 동작을 제어한다.

이와 같이 구성된 연마 장치에서 웨이퍼(W)의 연마를 행할 때에는, 제어 장치(40)는 패드 온도 측정기(10)의 측정값에 기초하여 패드 온도 조정기(5)의 동작을 제어하고, 연마 패드(3)의 연마면의 온도(즉, 패드 온도)를 원하는 온도에 일치시킨다. 보다 구체적으로는, 제어 장치(40)는 가열기(9)의 가열 노즐(11)로부터 분사되는 가열 유체의 유량, 및/또는 냉각기(50)의 냉각 노즐(51)로부터 분사되는 냉각제를 포함하는 압송 가스의 유량을 조정하여, 패드 온도를 원하는 온도에 일치시킨다. 이러한 제어를 행하는 제어 장치(40)는, 예를 들어 가열기(9)의 동작을 제어하여, 패드 온도를 상온보다도 높은 제1 연마 온도까지 상승시키고, 웨이퍼(W)의 제1 연마를 실시한다. 이어서, 제어 장치(40)는 적어도 냉각기(50)의 동작을 제어하여, 패드 온도를 제1 연마 온도보다도 낮은 제2 연마 온도까지 저하시키고, 웨이퍼(W)의 제2 연마를 실시한다.

이와 같은 복수의 연마 공정을 조합함으로써, 웨이퍼(W)를 보다 정밀하게 연마할 수 있다. 상술한 연마 장치에 의하면, 분위기 온도 이하의(또는, 상온 이하의) 비점을 갖는 냉각제를 사용하여 패드 온도를 저하시키기 위해서, 분위기 온도(또는, 상온)보다도 낮게 설정된 제2 연마 온도에서 웨이퍼(W)를 연마 가능하다. 다시 말해, 상술한 연마 장치는, 종래의 연마 장치보다도 넓은 온도 제어 범위에서 패드 온도를 제어하면서, 웨이퍼(W)를 연마할 수 있다. 또한, 제1 연마 온도에서 제2 연마 온도까지 패드 온도를 빠르게 저하시킬 수 있으므로, 종래의 연마 장치보다도 정밀하게 웨이퍼(W)를 연마할 수 있음과 함께 , 연마 후의 웨이퍼(W)의 면내 균일성을 향상시킬 수 있다.

패드 온도를 제1 연마 온도에서 제2 연마 온도까지 저하시킬 때에, 냉각기(50)만을 사용함으로써, 패드 온도를 빠르게 제2 연마 온도에 도달시킬 수 있다. 한편, 제어 장치(40)는 냉각기(50)와 가열기(9)를 병용함으로써, 제1 연마 온도에서 제2 연마 온도까지의 패드 온도의 저하 속도를 자유롭게 제어할 수 있다.

예를 들어, 제어 장치(40)가 제1 연마 온도와 제2 연마 온도의 사이에 설정된 중간 온도를 기억하고 있는 경우를 상정한다. 이 경우, 제어 장치(40)는 패드 온도가 중간 온도에 도달할 때까지 냉각기(50)의 동작만을 제어하여, 패드 온도를 급속하게 중간 온도까지 저하시킨다. 이어서, 제어 장치(40)는 패드 온도가 중간 온도에서 제2 연마 온도에 도달할 때까지, 냉각기(50)와 가열기(9)의 양자의 동작을 제어하여, 패드 온도를 제2 연마 온도로 완만하게 도달시켜도 된다. 이러한 제어에 의하면, 패드 온도가 제2 연마 온도를 크게 하회하는 현상(소위, 헌팅 현상)을 효과적으로 방지할 수 있다.

도 4에 도시한 바와 같이, 냉각기(50)가 복수의 냉각 노즐(51)을 갖고, 연마 장치가 각 냉각 노즐(51)에 대응하는 수의 복수의 패드 온도 측정기(10)를 갖는 경우에는, 제어 장치(40)는 상술한 복수의 영역 Z1-Z6(도 5 참조)의 패드 온도의 각각을 독립적으로 제어할 수 있다. 이와 같은 제어를 행할 때에, 도 2 및 도 3을 참조하여 설명된 바와 같이, 냉각기(50)가 각 냉각제 분기 라인(53b)에 배치된 복수의 냉각제 유량 조정기(55)를 갖고, 가스 분사기(60)가 각 드라이 가스 분기 라인(63b)에 배치된 복수의 드라이 가스 유량 조정기(65)를 갖고 있는 것이 바람직하다. 이와 같은 구성을 연마 장치가 갖고 있으면, 제어 장치(40)는 각 냉각제 분기 라인(53b)을 흐르는 냉각제의 유량과, 각 드라이 가스 분기 라인(63b)을 흐르는 드라이 가스의 유량을 용이하게 제어할 수 있다.

도 8은, 연마 패드에 대한 냉각 노즐(51)의 기울기 및 높이를 조정 가능한 위치 조정 기구의 일례를 나타내는 모식도이다. 도 8에 도시한 위치 조정 기구(90)는 각 냉각 노즐(51)의 말단에 연결된 노즐 브래킷(91)과, 노즐 브래킷(91)이 연결되는 보유 지지 브래킷(92)과, 노즐 브래킷(91)을 보유 지지 브래킷(92)에 연결하는 체결구(93)를 구비한다.

본 실시 형태에서는, 보유 지지 브래킷(92)은 연마 장치의 빔 등의 정지 부재(도시생략)에 고정되어 있다. 또한, 보유 지지 브래킷(92)에는, 긴 구멍(92a)이 형성되어 있다. 긴 구멍(92a)은 연마 패드(3)의 연마면에 대하여 수직인 방향으로 연장되어 있다. 다시 말해, 긴 구멍(92a)의 긴 직경은, 연마 패드(3)의 연마면에 대하여 수직인 방향으로 연장된다.

본 실시 형태에서는, 체결구(93)는 볼트와 너트로 구성되어 있으며, 노즐 브래킷(91)에는, 체결구(93)의 볼트가 삽입 가능한 관통 구멍(도시생략)이 형성되어 있다. 체결구(93)의 볼트를, 노즐 브래킷(91)의 관통 구멍과, 보유 지지 브래킷(92)의 긴 구멍(92a)에 삽입한 상태에서, 해당 볼트에 너트를 체결함으로써, 냉각 노즐(51)은 노즐 브래킷(91) 및 보유 지지 브래킷(92)을 통해 연마 장치에 보유 지지된다.

체결구(93)의 너트를 느슨하게 하여, 보유 지지 브래킷(92)에 대한 노즐 브래킷(91)의 각도를 변경함으로써, 냉각 노즐(51)의 연마 패드(3)의 연마면에 대한 기울기를 변경할(조정할) 수 있다. 또한, 체결구(93)의 너트를 느슨하게 한 상태에서, 체결구(93)의 볼트를 노즐 브래킷(91)과 함께 보유 지지 브래킷(92)의 긴 구멍(92a) 내를 이동시킴으로써, 연마 패드(3)의 연마면에 대한 냉각 노즐(51)의 연직 방향의 위치를 조정할 수 있다.

도 9는, 위치 조정 기구의 다른 예를 나타내는 모식도이다. 도 9에 도시한 위치 조정 기구(90)는 냉각 노즐(51)의 후단부에 연결된 회전 장치(95)와, 회전 장치(95)를 보유 지지 브래킷(92)에 연결하고, 냉각 노즐(51)과 회전 장치(95)를 보유 지지 브래킷(92)을 따라 이동시키는 상하 이동 장치(96)로 구성되어 있다. 회전 장치(95)는, 예를 들어 냉각 노즐(51)을 연마 패드(3)의 연마면에 대하여 회동시키는 모터(예를 들어, 서보 모터 또는 스테핑 모터)이다. 상하 이동 장치(96)는, 예를 들어 보유 지지 브래킷(92)에 형성된 레일(96a)과, 회전 장치(95)를 해당 레일(96a)에 연결하는 연결 부재(96b)와, 연결 부재(96b)를 레일(96a)을 따라 이동시키는 모터(예를 들어, 서보 모터 또는 스테핑 모터)(96c)로 구성된다.

위치 조정 기구(90)의 회전 장치(95)와 상하 이동 장치(96)는, 제어 장치(40)에 연결되고, 제어 장치(40)에 의해 회전 장치(95)의 동작과 상하 이동 장치(96)의 동작이 제어된다. 이와 같은 구성에 의하면, 연마 패드(3)의 연마면에 대한 냉각 노즐(51)의 기울기 및 높이를 자동으로 조정할 수 있다.

냉각제를 포함하는 압송 가스가 냉각 노즐(51)로부터 연마 패드(3)의 연마면에 분사될 때에, 연마면에 충돌하는 압송 가스가 연마면 위의 연마액을 비산시켜 버리는 경우가 있다. 연마액이 연마면으로부터 비산하면, 원하는 연마 레이트를 얻지 못할 우려가 있으며, 또한 비산한 연마액이 연마 테이블(2) 등의 연마 장치의 구성 요소를 오염시켜 버릴 우려도 있다. 이에, 연마 패드(3)의 연마면에 대한 냉각 노즐(51)의 기울기 및 높이를 조정함으로써, 연마액의 비산을 방지한다.

또한, 웨이퍼(W)의 연마를 반복함으로써, 연마 패드(3)의 표면이 깎이게 되고, 그 결과, 연마 패드(3)의 연마면에 대한 냉각 노즐(51)의 기울기 및 높이가 서서히 바뀌어 간다. 그 때문에, 위치 조정 기구(90)는 도 9를 참조하여 설명된, 연마 패드(3)의 연마면에 대한 냉각 노즐(51)의 기울기 및 높이를 자동으로 조정 가능한 구성을 갖는 것이 바람직하다.

도 10은, 가열기의 가열 노즐, 냉각기의 냉각 노즐 및 가스 분사기의 가스 노즐이 일체로 형성된 공통 노즐을 나타내는 모식도이다. 도 10에 도시한 바와 같이, 패드 온도 조정 장치(5)는 가열기(9)의 가열 노즐(11), 냉각기(50)의 냉각 노즐(51) 및 가스 분사기(60)의 드라이 가스 노즐(61)이 일체화된 공통 노즐(99)을 가져도 된다.

공통 노즐(99)은 상술한 가열 노즐(11)로서 기능하는 제1 토출구(99a)와, 상술한 냉각 노즐(51)로서 기능하는 제2 토출구(99b)와, 상술한 드라이 가스 노즐(61)로서 기능하는 제3 토출구(99c)를 구비하고 있다. 공통 노즐(99)에는, 상술한 냉각제 라인(53), 드라이 가스 라인(63) 및 과열 증기 공급 라인(32)이 연결되어, 제1 토출구(99a)로부터 과열 증기가 분사되고, 제2 토출구(99b)로부터 냉각제를 포함하는 압송 가스가 분사되고, 제3 토출구(99c)로부터 드라이 가스가 분사된다.

연마 장치가 이러한 공통 노즐(99)을 갖는 경우에는, 공통 노즐(99) 내에서의 냉각 노즐(51)은 연마 테이블(2)의 회전 방향에서 볼 때, 가열 노즐(11)과 드라이 가스 노즐(61)의 사이에 위치한다. 즉, 제2 토출구(99b)는 연마 테이블(2)의 회전 방향에서 볼 때, 제1 토출구(99a)와 제3 토출구(99c)의 사이에 위치한다. 다시 말해, 제2 토출구(99b)는 제3 토출구(99c)에 대하여 연마 테이블(2)의 회전 방향의 상류측에 위치하고, 제1 토출구(99a)에 대하여 연마 테이블(2)의 회전 방향의 하류측에 위치한다.

상술한 실시 형태는, 본 발명이 속하는 기술 분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 실시할 수 있음을 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 한정되지는 않고, 청구범위에 의해 정의되는 기술적 사상에 따른 가장 넓은 범위로 해석되는 것이다.

1: 연마 헤드
2: 연마 테이블
3: 연마 패드
5: 패드 온도 조정 장치
10: 패드 온도 측정기
11: 가열 노즐
40: 제어 장치
50: 냉각기
51: 냉각 노즐
52: 냉각제원
53: 냉각제 라인
54: 메인 밸브
55: 냉각제 유량 조정기
57: 압송 라인
60: 가스 분사기
61: 드라이 가스 노즐
62: 드라이 가스원
63: 드라이 가스 라인
64: 드라이 가스 메인 밸브
65: 드라이 가스 유량 조정기

Claims (6)

1. 연마 패드를 지지하는 회전 가능한 연마 테이블과,
   기판을 상기 회전하는 연마 패드의 연마면에 압박해서 상기 기판을 연마하는 연마 헤드와,
   상기 연마면의 온도를 측정하는 적어도 하나의 패드 온도 측정기와,
   상기 연마면의 온도를 조정하는 패드 온도 조정 장치와,
   상기 적어도 하나의 패드 온도 측정기에 의해 측정된 상기 연마면의 온도에 기초하여 상기 패드 온도 조정 장치의 동작을 제어하는 제어 장치를 구비하고,
   상기 패드 온도 조정 장치는,
   상기 연마면에 냉각제를 분사하는 적어도 하나의 냉각 노즐과,
   상기 연마면에 드라이 가스를 분사하는 적어도 하나의 가스 노즐을 포함하고,
   상기 냉각제는, 분위기 온도 이하의 비점을 갖는, 연마 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 냉각 노즐은, 상기 연마 테이블의 회전 방향에서 볼 때, 상기 연마 헤드와 상기 가스 노즐의 사이에 배치되어 있는, 연마 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 냉각 노즐은, 상기 연마 테이블의 반경 방향으로 분할된 복수의 영역의 각각에 대응하여 배치된 복수의 냉각 노즐이며,
   상기 제어 장치는, 각 냉각 노즐에 공급되는 상기 냉각제의 유량을 제어함으로써, 상기 복수의 영역의 각각의 온도를 독립적으로 제어하는, 연마 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 패드 온도 측정기는, 상기 복수의 영역의 각각의 온도를 측정 가능한 복수의 패드 온도 측정기인, 연마 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 패드 온도 조정 장치는, 상기 연마면을 가열하는 가열기를 더 구비하고,
   상기 가열기는, 상기 연마 테이블의 회전 방향에서 볼 때, 상기 연마 헤드와 상기 적어도 하나의 냉각 노즐과의 사이에 배치되어 있는, 연마 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 냉각제는 드라이아이스인, 연마 장치.