KR0147144B1 - 경질 물질로 코팅된 웨이퍼, 그 제조 방법, 경질 물질로 코팅된 웨이퍼의 연마 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

경질 물질로 코팅된 웨이퍼, 그 제조 방법, 경질 물질로 코팅된 웨이퍼의 연마 장치 및 그 제조 방법

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구라우치 노리타카
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Abstract

본 발명은 경질물질로 코팅된 웨이퍼, 그 제조방법, 경질물질로 코팅된 웨이퍼의 연마장치 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 상기 복합 웨이퍼는 호울더에 블록으로 뒤틀린 형태로 부착되어 있고, 바람직하게는, 웨이퍼와 호울더의 바닥 사이에 버퍼가 삽입되어 있으며, 또한 호울더상에서 본래 편평한 웨이퍼 또는 본래 오목으로 뒤틀린 웨이퍼를 블록으로 뒤틀리게 변형하기에 효과적이고, 상기 호울더는 샤프트쪽으로 약간 기울일 수 있으며, 상기 블록으로 뒤틀린 웨이퍼는 회전형 웨트스톤 턴-테이블과 접촉하고 있고, 호울더를 기울이게 하기 위해서 보조 샤프트가 호울더의 주변을 밀어내고 있으며, 호울더의 약간의 경사가 웨이퍼상에서 접촉점을 변화시키고, 상기 경사각은 주 샤프트와 보조 샤프트 사이의 힘을 할당함에 의하여 조절될 수 있고, 연마된 표면의 거칠기는 Rmax50nm 및 Ra20nm 이하임을 특징으로 한다.

Description

경질 물질로 코팅된 웨이퍼, 그 제조 방법, 경질 물질로 코팅된 웨이퍼의 연마 장치 및 그 제조 방법
제1도는 기판을 가진 볼록하게 구부린 복합 웨이퍼 및 기판 상에 코팅된 경질 물질 막의 간략화된 단면도.
제2도는 뒤틀림이 원주를 포함하는 평면으로부터 중앙 높이에 의해 한정되기 때문에, 물결 모양과 같은 볼록 구부러짐 및 오목 구부러짐을 가지는 가시적으로 구부러져 있지 않은 복합 웨이퍼의 간략화된 단면도.
제3도는 경질 물질 막을 제조하고 막 상에 전극을 형성하는 공정을 위해 준비되는 첫번째 단계에서 기판으로서의 베이스 웨이퍼의 단면도.
제4도는 베이스 웨이퍼 및 볼록하게 구부려지는 웨이퍼 상에 부착된 울퉁불퉁한 경질 물질 막의 단면도.
제5도는 연마되는 매끄러운 막을 가지는 볼록하게 뒤틀린 복합웨이퍼의 단면도.
제6도는 베이스 웨이퍼 및 알루미늄 막이 증발되는 경질 물질막을 가진 볼록하게 뒤틀린 복합 웨이퍼의 단면도.
제7도는 알루미늄 인터디지탈 전극이 제6도의 알루미늄을 선택적으로 엣칭시킴에 의해 제조되는 베이스 웨이퍼 및 경질 물질 막을 가지는 복합 웨이퍼의 단면도.
제8도는 기판 상에 경질 물질 막을 제조하기 위한 필라멘트 CVD장치의 단면도.
제9도는 기판 상에 경질 물질 막을 제조하기 위한 마이크로파 플라즈마 CVD 장치의 단면도.
제10도는 기판 상에 경질 물질 막을 합성하기 위한 플라즈마 분사 CVD장치의 단면도.
제11도는 본 발명에 따라 제조된 경질 물질 막의 표면을 연마하기 위한 연마기의 정면도.
제12도는 연마기의 호울더만을 나타낸 확대 단면도.
제13도는 비어있는 영역은 연마된 부분이고 점선 영역은 미연마된 부분이며 연마 장치에 의해 평탄한 호울더로 연마되는 뒤틀리지 않은 웨이퍼의 단면도.
제14도는 연마기에 의해 평탄한 호울더로 연마되는 오목하게 뒤틀린 막의 웨이퍼 단면도.
제15도는 연마 장치에 의해 평탄한 호울더로 연마되는 볼록하게 뒤틀린 막의 웨이퍼 평면도.
제16도는 웨이퍼가 턴테이블에 고정되는 정적 호울더를 누르고 턴-테이블을 회전시킴에 의해 웨이퍼를 가는 일반적인 장치의 사시도.
제17도는 턴-테이블 상에 하부에 웨이퍼를 가지는 회전 호울더를 누르고 호울더를 회전시키며 턴-테이블을 회전시킴에 의해 웨이퍼를 가는 또 하나의 일반적인 연마기의 사시도.
제18도는 턴-테이블 상에 웨이퍼를 가지는 회전 호울더를 누르고, 호울더를 회전시키며, 턴-테이블을 회전시키고 세차 운동 또는 흔들리는 운동에 의해 호울더를 기울임에 의해 웨이퍼를 연마하기 위한 본 발명의 장치의 사시도.
제19도는 본 발명의 장치 내 샤프트 및 호울더의 단면도.
제20도는 호울더의 하부에 볼록한 스페이서를 거쳐 웨이퍼를 고정시킴에 의해 볼록하게 뒤틀린 상태로 웨이퍼를 유지하는 호울더의 단면도.
제21도는 연마되기 전에 초기 웨이퍼의 단면도 및 평탄한 웨이퍼의 경우에 일반적인 장치에 의해 연마되는 웨이퍼의 평면도.
제22도는 연마하기 전의 초기 웨이퍼의 단면도 및 오목하게 뒤틀린 웨이퍼의 경우에 통상적인 장치에 의해 연마되는 웨이퍼의 평면도.
제23도는 연마하기 전의 초기 웨이퍼의 단면도 및 오목하게 뒤틀린 웨이퍼의 경우에 일반적인 장치에 의해 연마되는 웨이퍼의 평면도.
제24도는 보조 샤프트 및 주 샤프트 상에 가해지는 힘의 함수로서 턴-테이블 상에 웨이퍼의 접촉 위치의 측정을 설명하는 웨이퍼, 보조 샤프트 및 주 샤프트의 간략화된 단면도 및 평면도.
제25도는 보조 샤프트에 가해지는 힘의 증가에 따른 웨이퍼의 접촉영역의 외부 변이를 설명하는 웨이퍼, 보조 샤프트 및 주 샤프트의 간략화된 단면도.
제26도는 (기판)/(경질막(1))/(경질막(2)) 구조를 가지고 강하게 내부압축 응력을 가지는 경질막(2)이 웨이퍼를 구부리는 웨이퍼의 단면도.
제27도는 압축 응력을 가진 막(2)이 제거되고 웨이퍼의 뒤틀림이 감소되기 때문에 연마 후, 웨이퍼의 단면도.
제28도는 (기판)/(연마가 어려운 막)/(연마가 수월한 막) 구조를 가지는 웨이퍼의 단면도.
제29도는 외부의 연마가 수월한 막이 제거되고 연마가 어려운 막이 드러나기 때문에 막의 두께가 균일한 연마 후 웨이퍼의 단면도.
제30도는 방사상 방향으로 호울더의 평행 변이에 따라 호울더 및 턴-테이블 사이의 접촉 영역의 변화를 설명하는 턴-테이블 및 호울더의 평면도.
제31도는 호울더의 방사상 왕복 운동이 접촉 영역을 변화시키며 거의 모든 턴-테이블의 표면까지 전체 접촉 영역을 넓히는 것을 설명하는 턴-테이블 및 호울더의 정면도.
제32도는 웨이퍼에 턴-테이블의 유효한 접촉 면적을 감소시키기 위해서 격자 형태 홈이 파여지는 턴-테이블의 평면도.
제33도는 효과적인 접촉 면적을 감소시키기 위해서 원심 홈이 파여지는 또 다른 턴-테이블의 평면도.
제34도는 제25도내 명시된 바와 같은 보조 샤프트 힘의 함수로서 접촉점이 변경될 적에 접촉점의 위치를 나타내는 턴-테이블의 평면도.
제35도는 주기적으로 함수에 의해 보조 샤프트 상에 작용하는 힘을 변화시킴에 의해 호울더의 세차운동을 발생시키기 위한 호울더, 주 샤프트 및 네 개의 보조 샤프트의 사시도.
제36도는 네 개의 보조 샤프트의 힘의 주기적인 변화에 의해 호울더가 세차운동을 하는 방법을 설명하기 위한 호울더의 평면도.
제37도는 세차운동에 의해 역 콘 상에 법선이 회전하는 것을 설명하는 웨이퍼 및 법선의 간략화된 도면.
제38도는 세차운동이 세개의 보조 샤프트의 작용에 의해 야기되는 방법을 설명하기 위한 호울더 및 세 개의 보조 샤프트의 평면도.
제39도는 접촉 영역이 나선형 궤적을 나타내는 턴-테이블의 평면도 및,
제40도는 동시에 9개의 웨이퍼를 연마할 수 있는 연마기의 사시도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1,41 : 턴-테이블 2,33,45 : 웨이퍼
8 : 벨트 31 : 진공 챔버
44,56 : 서셉터 48 : 냉각장치
51 : 플라즈마 59 : 전원
본 발명은 경질 물질로 코팅된 웨이퍼, 그 제조 방법, 경질 물질로 코팅된 웨이퍼의 연마 장치 및 그 연마 방법에 관한 것으로서, 경질 물질 웨이퍼는 SAW(표면 음향 파동 장치), 서미스터, 반도체 장치용 기판, 디스크의 보호막 및, X-선 윈도우에 사용될 것이다. 경질 물질은 일반적으로 다이아몬드, c-BN 또는 다이아몬드 형 탄소를 가리킨다. 여기서 인용된 모든 재료는 부피 재료의 상태에서 Hv3000 보다 큰 비커스 경도를 가진다. 경질 물질에는 밀도에 의해 나누어진 영 모듈러스비에 의해 측정되는 높은 음속이 부여된다. 그 결과, 표면 음향 파동의 속력은 매우 높다. 구체적으로, 이러한 경질 재료 코팅된 웨이퍼는 현재 SAW장치의 기판의 재료에 관심이 있다. SAW는 필터, 위상 쉬프터 또는 컨벌버에 적용된다. 내부가 절연체인 다이아몬드 및 c-BN은 약간의 불순물이 있는 것으로 도핑시킴에 의해 반도체로 전환될 수 있다.
본 발명은 또한 전자학, 광학 또는 광전자학의 기술 분야에서 사용될 수 있는 경질 물질이 코팅된 웨이퍼의 표면을 연마하기 위한 연마 방법 및 연마 장치에 관한 것이다.
경질 물질로 코팅된 웨이퍼는 현재 복합 웨이퍼라고 한다. 웨이퍼는 다이아몬드, 다이아몬드 형태 탄소 및 c-BN(입방 붕소 나이트라이드) 중 하나로 만들어진 경질 피막 및 기판 베이스 웨이퍼를 가진다.
베이스 웨이퍼는 경질막 보다 유연한 재료이다. 예컨대, Si 또는 Mo는 베이스 기판으로 채택된다. 구체적으로, 본 발명의 목적은 기체상 CVD 방법에 의해 합성된 다이아몬드 코팅된 웨이퍼를 연마하는 방법 및 장치이다.
본 발명은 1994년 6월 24일자 출원된 일본 특히 출원 제 94-165914호 및 1994년 5월 23일자로 출원된 일본 특허 출원 제 94-133773호를 우선권으로 청구하고 있다. 상기 재료는 우수한 물리적 및 화학적 성질을 가지고 있다. 그러나, 상기 재료는 상기 재료의 폭넓고 값싼 플레이트 또는 웨이퍼가 현재까지 가공될 수 없었기 때문에, 실제로 여러 분야에서 사용되지는 않았다. 경질 재료에는 많은 물리적 및 화학적 이점이 부여되어 있기 때문에, 다양한 목적에 경질 재료를 실제 응용하는 것이 실리콘 반도체 장치 기술을 경질 재료로 이전함에 의해 간절하게 요구된다. 우선 제조되어야만 하는 것은 경질 재료의 폭넓은 플레이트(또는 웨이퍼)이다.
기술은 기체 상 증착 방법에 의해 다이아몬드, c-BN(입방 붕소 나이트 라이드) 또는 다이아몬드 형태 탄소의 막을 제조할 수 있는 분명한 수준으로 성숙해 있다. 기체 상 증착 방법은 적합한 온도로 가열된 적절한 기판에 재료 기체를 주입하고, 기체가 고온 표면과 반응되게 하며 기체 상에서 기판 상에 경질 재료의 막을 증착시킴에 의해 재료의 막을 제조한다. 다이아몬드 또는 c-BN 막은 반응 챔버내에서 수소 기체 및 탄화수소 기체를 포함하는 재료 기체 또는 수소 기체, 붕소 함유 기체 및 질소 함유 기체를 포함하는 또 다른 재료 기체를 도입시키고, 가열된 기판 상에 재료 기체를 공급하고 화학 반응에 의해 다이아몬드 또는 c-BN을 합성하며 기판 상에 막으로서 합성된 재료를 파일함에 의해 제조된다.
재료 기체를 여기하는 몇가지 방법, 즉 고온 필라멘트 CVD 방법, 마이크로파 CVD 방법, 라디오 파 플라즈마 CVD 방법, 또는 DC 플라즈마 제트 CVD 방법이 있다. 몇 가지 방법은 기판 상에 경질 재료로 된 폭넓은 막을 제조할 수 있다. 그러나, 합성 속도가 느려서 상기 방법으로는 현재 수월하게 두꺼운 막을 제조할 수 없다. 몇 가지 방법에 따라 장시간의 증착은 기판 상에 상당히 두꺼운 막을 만들 수 있다.
그럼에도 불구하고, 또한 기판이 없는 경질 재료만으로 구성된 순수한 웨이퍼는 전혀 없다. 현재, 선행 기술은 순수한 다이아몬드 웨이퍼 또는 순수한 c-BN 웨이퍼를 제조할 수 없기 때문에, 실제로 다이아몬드 웨이퍼 또는 c-BN 웨이퍼는 없다.
전자학 기술에 경질 재료 즉, 다이아몬드, c-BN 또는 다이아몬드 형 탄소의 적용이 경질 재료의 넓은 면적 웨이퍼를 널리 요구한다. 몇명의 사람이 일전에 매우 작은 다이아몬드 기판 상에 표면 음향 파동 장치를 제조했었다.
그러나, 새로운 장치는 5 내지 10㎟의 아주 작은 다이아몬드 기판상에 제조된 사실은 설령 장치 그 자체가 우수한 성능을 가진다 해도, 공업상의 견지에서 무의미하다. 작은 기판은 그 위에 단지 소수의 장치가 제조되게 하기 때문에, 생산성이 빈약하다. 작은 기판 상에 제조된 장치는 생산성이 떨어지기 때문에 거의 실용성이 없다.
실리콘 반도체 장치에 성공을 가져온 것은 동시에 동일한 웨이퍼 공정에 의해 넓은 면적 Si 웨이퍼를 처리하여 단시간내에 많은 장치를 제조할 수 있다는 것이다. 다이아몬드, c-BN 또는 다이아몬드 형 탄소가 기판으로서 실질적으로 중요하게 하려면, 재료가 넓고 둥근 얇은 판(웨이퍼)으로 형성되어야만 한다. 넓은 웨이퍼의 출현은 경질 재료에 실리콘 반도체에 의해 성장된 기술이 제조시 적용될 수 있게 한다.
실리콘의 경우에, 넓은 단면을 가진 큰 단일 결정이 수월하게 쵸크랄스키 방법에 의해 성장될 수 있고, 주로 8-인치 웨이퍼가 현재 장치를 제조하기 위해서 제조될 수 있다. 12-인치 웨이퍼는 또한 실리콘으로 제조될 수 있다.
그러나, 다이아몬드 또는 c-BN 단일 결정은 통상적인 방법, 즉 현재의 쵸크랄스키 방법에 의해 성장될 수 없다. 그 결과, 또한 실리콘(Si) 또는 갈륨 아르세나이드(GaAs)와 상이한 경질 물질로 된 단일 물질만으로 구성된 균일 웨이퍼를 제조하는 것이 유망하지 않다. 현재 심지어 넓고 균일한 다이아몬드 웨이퍼 또는 c-BN 웨이퍼를 제조하는 것도 불가능하다.
본 발명은 다이아몬드, c-BN, 또는 다이아몬드 형태의 탄소로 된 단일 재료만으로 구성된 균일하고 넓은 웨이퍼를 제조하는 시도를 포기한다. 큰 단일 결정에서 시작하는 대신에, 본 발명은 기판 상에 형성된 비 경질 물질 기판 및 경질 물질 막으로 구성된 복합 웨이퍼를 제조하기 위한 상이한 재료로 된 기판으로부터 출발한다. 본 발명은 수월하게 제조되거나 얻어질 수 있는 통상적인 재료, 예컨대 Si, GaAs 등 상에 경질 물질 막을 제조하는 경향이 있다. 기판에 경질 물질 막을 복합시키는 것은 제조가 기판으로서 넓은 베이스 웨이퍼를 선택함에 의해 넓은 경질 물질 웨이퍼를 제조할 수 있게 할 수 있다. 비 경질 물질의 베이스 웨이퍼는 반응 결과가 파일되는 베이스 역할을 한다. 베이스 웨이퍼 상에 막은 반도체 장치 또는 SAW의 제조에 기여할 주된 부분이다.
순수한 다이아몬드 또는 c-BN만으로 구성된 균일한 웨이퍼는 기판상에 매우 두꺼운 막을 형성하고 기판을 엣칭에 의해 제거함에 의해 제조될 수 있다. 그러나, 이것은 매우 오랜 시간이 걸리고 두꺼운 층을 부착 시키는데에 매우 많은 재료가 들기 때문에 실용적이지 못하다. 큰 내부 응력은 기판이 엣칭될 적에, 막을 부술것이다. 그 결과, 독립적인 막은 비 실용적인 물체로 남는다.
본 발명은 비 경질 물질 웨이퍼로서 베이스 웨이퍼를 가진 복합 비균일 웨이퍼에 그 자체를 제공한다. 나머지 베이스 웨이퍼는 거의 모든 장치가 웨이퍼 표면의 성질 만을 사용하기 때문에 문제를 야기하지 않는다. 본 발명은 하부에 Si 또는 GaAs 표면을 가지고 상부에 다이아몬드 또는 c-BN 표면을 가지는 비균일 복합 웨이퍼를 채택한다. 복합 웨이퍼의 채택은 복합 웨이퍼가 얇은 막-형성 기술에 의해 제조될 수 있기 때문에, 경질 물질의 넓은 부피 단 결정을 제조하는 어려움을 극복할 수 있다. 본 발명에서 경질 물질 웨이퍼라는 용어는 부피 단 결정의 주괴를 슬라이싱함에 의해 제조되는 일반적인 웨이퍼와는 매우 상이하다. 본 발명에 의해 제안된 웨이퍼는 제조 방법에서 실리콘 웨이퍼 또는 갈륨 비소 웨이퍼와는 상이하다.
본 발명의 경질 물질 웨이퍼의 또 다른 요구 사항을 가진다. 앞서 언급한 바와 같이, 3㎟ 또는 5㎟의 다이아몬드 기판 상에 표면 음향 파동 장치를 제조하기 위해 사람들은 노력해 왔다. 이러한 시도는 기술의 관점에서 분명한 중요성이 있다. 그러나, 이러한 작은 기판은 공업적인 규모로 장치를 제조하는 것에 있어서는 소용이 없다. 공업상의 제조는 기판 웨이퍼에 대해 순환성, 일정한 두께, 평판함, 구부러지지 않음 및 커다란 직경을 요구한다.
웨이퍼의 면적과 관련하여, 전자학 물질에 대한 응용은 적어도 1인치 직경(25㎜)의 넓은 원형 또는 직사각형 웨이퍼를 요구한다. 1인치 이하 직경의 웨이퍼는 실리콘 반도체 공업에 의해 성숙된 웨이퍼 공정에 의해 처리될 수 없다. 또한, 2인치 직경 웨이퍼는 1인치 직경 웨이퍼보다 우수하다. 3인치 직경 웨이퍼는 공업상 제조의 견지에서 2인치 직경 웨이퍼 보다 바람직스럽고, 이것은 커다랗고 평탄하며 매끄러운 웨이퍼를 요구한다.
다행스럽게도, 기상 합성 기술의 진전은 적합한 기판 상에 다이아몬드 또는 c-BN의 상당히 넓은 막을 제조할 수 있게 한다. 그러나, 넓고 얇은 막을 형성하는 가능성은 웨이퍼 공정에 적합한 넓은 웨이퍼를 제조하는 가능성을 제공하지 않는다. 울퉁불퉁한 표면을 가진 웨이퍼는 소용이 없다. 즉, 표면의 매끄러움은 웨이퍼에 대한 요구사항 중 하나이다. 부가적으로, 평탄함 또는 구부러지지 않음은 또 하나의 중요한 문제이다. 즉, 경질 물질 웨이퍼는 구부림 없는 거울상 웨이퍼이어야만 한다. 여기서 평탄함은 표면의 긴 범위의 규칙성을 의미한다. 구부림은 표면의 긴 범위의 비규칙성을 의미한다. 매끄러움은 짧은 범위의 규칙성으로 정의되고 울퉁불퉁함은 표면에 많은 볼록함 또는 오목함을 가진 짧은 범위의 불규칙성을 의미한다.
웨이퍼는 광리소그라피에 의해 웨이퍼 상에 장치를 제조하기 위해서 거울처럼 매끄럽고 평탄해야만 한다. 만약 웨이퍼가 평탄하지 않거나 거울처럼 매끄럽지 않다면, 정확한 패턴이 광학 수단에 의해 웨이퍼 상에 그려질 수 없다.
기상 증착에 의해 제조되는 막은 표면 상에 많은 미소 요철을 가진다. 물결 형태는 때때로 어떤 경우에는 막의 표면 상에 형성된다. 다른 경우에는, 입상 볼록함은 막의 표면 상에 분포한다. 일반적으로, 기상증착에 의해 제조되는 막은 표면의 울퉁불퉁함에 기인하여 기판 웨이퍼로서 사용될 수 없다.
웨이퍼가 울퉁불퉁한 표면을 경험한다면, 웨이퍼는 연마 장치로써 표면으로부터의 울퉁불퉁함을 제거함에 의해 거울 웨이퍼로 전환될 수 있다. 연마는 표면으로부터의 볼록함, 오목함 또는 물결 형태를 제거하여 평탄하고 매끄러운 웨이퍼를 제조한다. 실제로 실리콘 웨이퍼의 경우에, 거울상 웨이퍼가 많은 절단된 웨이퍼로 Si 괴상을 슬라이싱하고 절단된 웨이퍼를 엣칭하며 연마 장치에 의해 엣칭된 웨이퍼를 연마함에 의해 제조될 수 있다. 동일한 처리는 또한 평탄하고 매끄러운 경질 물질 코팅된 웨이퍼를 만들수 없다. 경질 물질의 연마는 아직까지 기대하지 않은 몇가지 문제를 가지고 있다.
오목함 또는 볼록함이 연마에 의해 경질 물질-코팅된 웨이퍼의 표면으로부터 제거되기 때문에, 개시 막은 연마의 가장자리를 포함해서 충분한 두께를 가져야만 한다. 경질 물질의 두꺼운 막을 제조하는 것은 오랜 시간과 많은 재료가 든다. 막을 성장시키기 위해서 만족스러운 재료 및 시간을 할당함에 의해 극복되는 경제적인 것이 어려운 문제이다.
또 하나의 커다란 문제는 경질 물질을 연마하는 것이 어렵다는 것이다. 경질 물질은 연마하기에는 너무나 단단한 막을 제조한다. 다이아몬드 및 c-BN은 가장 단단한 물질이다. 이것을 연마하는 어려움은 실리콘 웨이퍼를 연마하는 것보다 심각하다. 다이아몬드 또는 c-BN는 연마제로서 다이아몬드 분말에 의해 연마된다. 연마는 때때로 다이아몬드 분말이 연마시 그 자체를 감소시킴에 의해 다이아몬드를 깎는다. 장시간 함께 연마하는 것은 다이아몬드 결정의 표면을 연마할 수 있다. 경도의 문제가 함께-연마시킴에 의해 해결될 수 있다.
그러나, 또한 보다 어려운 문제가 있다. 열 팽창 계수는 경질 물질 도포된 막 및 비 경질 재료 기판 사이에서 상이하다. 복합 웨이퍼가 반응 챔버 내에서 제조되고 냉각될 적에, 막 및 기판을 가진 복합 웨이퍼는 열 팽창 계수의 차이에 기인하여 커다란 내부 응력을 가진다. 복합 웨이퍼는 반응 챔버로부터 제거될 적에 내부 응력의 방출에 기인하여 구부러진다.
하나의 경우에, 복합 웨이퍼는 막의 측면으로 볼록하게 구부러진다. 또 하나의 경우에, 복합 웨이퍼는 기판의 측면에 오목하게 구부러진다. 또 다른 경우에, 웨이퍼는 전체로서 납작하다. 구부림의 방향이 현재 막의 측면과 관련하여 정의된다. 웨이퍼 구부림은 구부림의 방향에 의해 분류된다. 막을 향해 볼록한 구부림은 볼록-뒤틀림이라고 불리워진다. 막을 향해 오목한 구부림은 오목 뒤틀림이라고 불리워진다. 뒤틀림의 문제는 또한 작은 플레이트의 경우에도 숨어있다. 어떠한 뒤틀림에도 예컨대 3㎟ 또는 5㎟의 작은 복합 플레이트에 발생한다.
본 발명은 1인치 직경, 2인치 직경 또는 보다 큰 직경을 가진 복합 웨이퍼를 제조하는 것을 목적으로 한다. 커다란 구부림은 복합 막 그 자체의 열 팽창 계수 또는 내부 응력의 차이에 기인하여 복합 웨이퍼 내에서 나타난다. 웨이퍼의 폭 넓음은 커다란 비틀림을 야기한다. 비틀림의 문제는 경질 물질 코팅 웨이퍼에 대해 매우 심각하다. 실리콘의 경우에, 커다란 평탄한 거울 웨이퍼는 수월하게 Si 웨이퍼는 다층의 복합성이 없이 균일하다. 역으로, 뒤틀림은 경질 물질-코팅된 웨이퍼의 경우에 불균일함과 복합성에 기인하여 중요한 문제를 야기한다.
웨이퍼의 뒤틀림은 많은 어려움을 야기한다. 뒤틀림은 웨이퍼를 코팅하는 내식막 상에 광리소그라피가 정확히 마스크 패턴을 전사하지 못하도록 한다. 이것은 매우 큰 결점이다. 우선, 웨이퍼의 뒤틀림은 웨이퍼를 연마하는 것에 있어서 커다란 장애이다. 연마기는 전혀 구부림 웨이퍼를 연마할 수 없다. 연마는 울퉁불퉁한 웨이퍼를 거울 웨이퍼로 전환시킨다. 연마가 불가능하다면, 어떠한 거울 웨이퍼도 제조될 수 없다. 만약 웨이퍼가 거울-연마되지 않는다면, 광리소그라피는 전적으로 효과가 없다. 그 결과, 웨이퍼 공정에 의해 울통불퉁한 웨이퍼 상에 장치를 제조하는 것은 불가능하다. 연마는 웨이퍼에 근본적인 요구사항이다.
다이아몬드는 우리가 얻을 수 있는 물질 중에서 가장 단단한 물질이다. 다이아몬드 보다 더 단단한 물질은 없다. 그 결과, 다이아몬드는 현재 다이아몬드에 의해 연마된다. 즉, 다이아몬드 플레이트는 다이아몬드 분말을 사용하는 장치에 의해 연마된다.
다이아몬드 플레이트를 연마하기 위한 두가지 방법이 있다. 하나의 방법은 고정되어 있지 않은 연마 분말을 채택한다. 다른 것은 고정된 연마 분말을 채택한다. 전자의 연마 방법으로서 알려진 스카이프 연마는 철 연마 플레이트 및 다이아몬드 고정되지 않은 연마 분말을 사용한다. 상기 방법은 다이아몬드 플레이트를 호울더에 아교로 접착하고 회전 연마 터언-테이블 상에 호울더를 밀고 다이아몬드 분말을 함유하는 연마액을 공급하며 터언-테이블을 회전시키고 호울더를 회전시키며 다이아몬드 입자의 물리적 작용에 의해 대상 다이아몬드 플레이트를 가는 단계에 의해 다이아몬드 플레이트를 연마한다. 상기 방법은 연마시 고정되어 있지 않은 다이아몬드 분말에 따라 달라지기 때문에 다이아몬드 분말을 크게 낭비하는 결점을 가진다. 다이아몬드 분말의 소모는 가는데 소요되는 비용을 상승시킨다. 상기 방법의 또 하나의 결점은 누린 가는 속도 및 마감시 정확도가 떨어진다는 것이다.
또 하나의(고정된 분말) 방법은 다이아몬드 분말이 고정되어 있는 판으로 다이아몬드 판을 분쇄한다. 판 상에 다이아몬드 입자를 고정하는 방법에 의해 구분되는 여러가지 종류의 다이아몬드 판이 있다. 다이아몬드 분말이 페놀 수지, 폴리이미드 수지 등에 의해 고정되는 판은 수지 결합된 판이라 한다. 다이아몬드 분말이 동, 코발트, 텅스텐, 철, 니켈 등에 의해 고정되는 또 하나의 판은 금속 결합된 판이라 한다. 다이아몬드 분말이 니켈 등의 플레이팅에 의해 고정되는 판은 전자증착 판이라고 불리워진다. 고정된 다이아몬드 분말을 사용하는 상기 판은 다이아몬드 입자의 낭비를 막을 수 있는 이점이 있다.
고정된 입자 방법은 호울더 상에 다이아몬드 프레이트를 고착시키고 회전 판 테이블 상에 호울더를 밀고, 판 테이블을 회전시키며 자신의 축 둘레에 호울더를 회전시키고 고정된 다이아몬드 입자의 물리적 작용에 의해 다이아몬드 표면을 연마하는 단계에 의해 다이아몬드 플레이트 표면을 연마한다.
모든 방법은 다이아몬드 입자에 의해 다이아몬드 플레이트 또는 다이아몬드 막을 연마한다. 상기 방법은 다이아몬드 분말의 물리적 작용에 의존한다. 물리적 작용을 높이기 때문에, 상기 방법은 연마 면에 무거운 하중을 부가하는 것을 요구한다. 고압의 하중은 목적물인 다이아몬드 플레이트 또는 필름의 표면을 끌고, 긁거나 문지르도록 한다. 무거운 하중은 또한 판에 고정되거나 액체 뿐만아니라 대상 내에 흐르는 다이아몬드 입자를 손상시킨다. 무거운 하중없이, 목적이 되는 다이아몬드는 더 이상 갈아질 수 없고, 헛되이 판 상에서 미끄러진다.
무거운 하중을 덜어내는 연마 방법이 제안되어 왔다. 일본 특허 공개 공보 제 90-26900 호는 고온에서 산화 대기하에 가열된 평탄한 금속 테이블과 다이아몬드가 접촉되게 함에 의해 화학 반응에 의해 다이아몬드를 연마하는 열화학 방법을 제안한다. 상기 화학 방법은 어떠한 다이아몬드 분말도 사용하지 않는다.
제16도 및 제17도는 일반적인 목적을 위한 일반적인 연마 장치를 나타낸다. 연마되는 플레이트는 간략하게 웨이퍼라고 한다.
제16도에서, 연마 턴 테이블(1)(회전 웨트스톤)은 몇가지 수단에 의해 다이아몬드 분말이 고정되는 다이아몬드 판이다. 웨이퍼(2)는 호울더(3)의 하부 상에 고정된다. 호울더(3)는 샤프트(4)에 고정된다. 호울더(3)의 표면은 연마 턴 테이블(1)의 면과 평행이다. 공기 압력 실린더 또는 유압 실린더(5)는 턴 테이블(1)로 샤프트(4)를 거쳐 호울더(3)를 누르기 위해 샤프트(4)의 상부에 장착된다. 장치가 부드러운 물질을 연마할 적에, 하중은 불필요하다. 그러나 무거운 하중은 경질 물질 즉, 다이아몬드, c-BN 또는 다이아몬드 형태 탄소를 분쇄하는데 필수적이다. 암(6)은 실린더(5) 및 샤프트(4)를 지지한다. 암(6)은 몇 가지 방사상의 부품을 포함하는 방향으로 놓일 수 있다. 물체와 접촉하는 웨트스톤 테이블(1)의 영역은 턴-테이블(1)의 파손을 동일하게 하기 위한 방사상의 방향으로 움직인다 웨이퍼는 유사한 확률로써 연마 턴 테이블(1)의 중앙부 및 주변에 접촉한다. 턴-테이블은 일정하게 닳아지고 표면의 평탄함을 유지한다. 턴-테이블의 평탄함은 연마 테이블의 수명을 길게 한다. 제16도의 장치내에서, 호울더(3)는 회전하지 않는다. 웨이퍼의 경질 물질 막은 회전하는 턴-테이블 및 막 사이의 스크럽에 의해 갈아진다.
Hv3000보다 큰 비커스 경도를 가진 경질 물질의 연마되어야만 할 적에, 하기의 문제가 생긴다.
하나의 문제는 연마 테이블과 웨이퍼의 비평행으로부터 생기는 일정하지 못한 연마이다. 웨이퍼는 일정하게 전체 표면을 연마하기 위해서 분쇄 테이블과 평행하게 유지되어야만 한다. 그러나, 웨이퍼를 연마테이블과 평행하게 유지하는 것은 어렵다. 웨이퍼의 면이 약간 기울어질 적에, 경질 물질 막은 비스듬하게 연마된다. 약간의 부분은 너무 얇지만 다른 부분은 너무 두껍거나 연마되지 않은 채 남는다. 막의 두께는 전체 평면에서 일정하지 않는다. 이러한 평평하지 않게 가는 것은 바람직스럽지 않다. 일정하게 두꺼운 막을 얻는 것이 중요하다. 두꺼운 막의 경우에, 기울어진 연마가 일어난다면, 연마는 우선 연마 테이블과 접촉해 있는 코오너로부터 시작되고 난 후 다른 부분은 후에 연마된다. 약간의 부분이 전혀 연마되지 않는다면, 베이스 웨이퍼는 개시점에서 막 아래에 드러내어 진다. 이러한 웨이퍼는 경질 물질 코팅된 웨이퍼로서 소용이 없다. 상기 문제는 기울어진 연마의 문제라고 불리워진다.
다른 문제는 웨이퍼가 고유의 물결모양 뒤틀림, 오목 뒤틀림 또는 볼록 뒤틀림을 가질 적에 생긴다. 유연한 실리콘의 경우에, 목적물이 요철의 높이 보다 큰 두께로 연마될 적에 요철이 제거된다. 그러나, 이러한 쉬운 해결안은 경질 물질 코팅된 웨이퍼에 해당하지 않는다. 웨이퍼의 고유한 뒤틀림은 경질 물질의 경우에 심각한 문제를 야기한다. 연마 속도는 훨씬 더 느리다. 초기 연마 단계에서, 턴 테이블은 막의 가장 눈에 띄는 부분과 국부적으로 접촉한다. 접촉 면적은 매우 작고, 이것은 연마가 일정한 속도로 진행하게 한다. 연마 공정이 진행할 적에, 초기-오목 부분은 연마 테이블과 접촉된다. 접촉 면적의 증가는 단위 면적내 압력을 감소한다. 그 결과, 연마 속도는 감소한다. 그후 연마가 실질적으로 중지된다. 하중의 부가는 연마의 진전을 복구한다.
그러나, 장치는 불명확하게 호울더에 무거운 하중을 부가한다. 하중의 양은 웨이퍼가 부수어지지 않는 범위 내에 한정된다. 하중의 한계는 단위 면적당 압력의 감소를 야기하고, 이것은 웨이퍼 상에 연마되지 않은 부분 또는 불충분하게 연마된 부분을 남긴다. 이것은 호울더를 회전시키지 않는 제16도 내 명시된 정적 연마 장치의 결함이다.
제17도는 축 둘레에 호울더를 회전시키는 또 하나의 선행 기술의 장치의 사시도를 나타낸다. 연마 턴-테이블(1)은 다이아몬드 판이다. 웨이퍼(2)는 호울더(3)의 하부에 고정된다. 호울더(3)는 샤프트(4)에 고정된다. 베어링은 암(6)에 수직으로 샤프트(4)를 지지하고, 샤프트(4)가 회전되게 한다. 유압 실린더 또는 기체 압력 실린더(5)가 샤프트(4)를 거쳐 호울더(3)위에 하중을 적용하기 위해 샤프트(4) 위에 암(6)위에 장착된다. 암(6)은 샤프트(4)를 구동하기 위해 모터(7)를 지지한다. 회전 토크는 풀리를 경유하여 모터(7), 벨트 및 풀리로부터 샤프트(4)로 보내어진다. 토크는 호울더(3) 및 웨이퍼(2)를 회전시킨다. 웨이퍼는 턴-테이블(1) 및 호울더(3)의 회전 둘다에 의해 연마된다.
상기 장치는 모터에 의해 양으로 샤프트(4)를 회전시킨다. 그러나, 보다 간단한 예는 모터를 제거하고 베어링으로 회전하여 샤프트를 수용함에 의해 만들어질 수 있다. 양의 구동 토크가 없다면, 호울더(3)는 그 자체로 그 자신의 축 둘레로 회전한다. 즉, 접촉 영역의 라인 속도는 턴-테이블의 중앙 영역 및 주면 영역 사이에서 상이하다. 라인 속도의 차이는 적당한 속도로 특정한 방향으로 호울더(3)를 회전시킨다. 이것은 수동의 회전이다. 상기 회전은 수반하는 회전이라 한다. 웨이퍼(2)는 모터가 양으로 샤프트를 구동시키거나 속도 차이는 웨이퍼를 수동으로 웨이퍼를 구동하는가에 따라 턴-테이블 상에서 회전한다.
웨이퍼의 회전은 턴-테이블 상에 웨이퍼의 접촉을 똑같이 한다. 두가지 경우에, 웨이퍼의 회전은 턴-테이블의 법선에 샤프트의 경사에 의해 야기되어지는 기울어진 연마의 문제를 해결할 수 있다.
그러나, 웨이퍼의 회전은 물결 모양의 뒤틀린 복록하게 뒤틀리거나 오목하게 뒤틀린 웨이퍼 상에 남겨진 연마되지 않은 부분의 다른 문제를 해결할 수 없다. 만약 뒤틀린 웨이퍼가 볼록부의 하부까지 연마된다면, 평탄한 웨이퍼가 얻어질 수 있다. 그러나, 연마의 양은 경질 물질의 경우에 증가될 수 없다. 무거운 하중의 적용은 웨이퍼의 파열을 피하도록 한정된다. 하중의 한계는 장치가 연마되지 않은 부분이 완전히 웨이퍼 상에서 소멸하기 전에 연마를 포기하도록 한다.
본 발명의 발명자는 선행 기술의 장치는 볼록부의 하부까지 50㎛이상 높이의 뒤틀림을 가진 경질 물질 코팅된 웨이퍼를 연마할 수 없다. 임의의 경우에, 넓은 미연마된 부분이 웨이퍼 상에 남는다. 심지어 20 내지 40㎛의 뒤틀림의 높이의 웨이퍼에 대해, 선행의 연마는 미연마되거나 불완전하게 연마된 약간의 부분을 남길 것 같다.
상기 문제의 이해를 수월하게 하기 위하여, 세가지 종류의 연마의 결함이 현재 제21도, 제22도 및 제23도를 참조하여 명백해진다. 제21도 내지 제23도에서, 왼쪽 도면은 베이스 웨이퍼(기판) 및 울퉁불퉁한 경질 물질 막을 가진 복합 웨이퍼의 단면을 나타내고 오른쪽 도면은 연마 후 평면도를 나타낸다. 제21도는 평평한 웨이퍼의 경우를 나타낸다. 뒤틀림의 높이는 5㎛이하이다. 미연마된 부분은 주면으로부터 5 내지 10㎛쯤 떨어진 원내에 망상으로 분리되어 있다. 제22도는 오목-뒤틀린 웨이퍼의 경우를 나타낸다. 뒤틀림의 높이는 예컨대 30㎛이다. 연속적인 원형 부분은 주면으로부터 5 내지 10㎛ 떨어진 원내에 중간 영역내에 연마되지 않은 채 남아있다. 즉, 원주 및 중앙 부분이 연마된다. 제23도는 볼록-뒤틀린 웨이퍼의 경우를 나타낸다. 뒤틀림의 높이는 예컨대, -20㎛이다. 연속적인 주면 부분은 갈아지지 않은 채 남아 있다. 연마는 중앙 부분으로부터 개시하고 중앙 영역으로 전개되고 난 후, 원주로 침투한다. 상기 패턴은 두가지 보다 단순하고 유망하다. 이것은 연마의 결함의 형태이다. 제16도에 의해 앞서 설명된 경향이 정적 호울더의 경우에 나타나고 회전 호울더를 채택함에 의해 해결되기 때문에, 여기서 나타나지 않는다.
통상적인 웨이퍼 공정의 적용은 전자학, 광학 또는 광전자학의 분야에 대한 다이아몬드-코팅된 웨이퍼, 다이아몬드-형태 탄소 코팅된 웨이퍼, 또는 c-BN 코팅된 웨이퍼의 이용에 불가피하다. 예컨대, 광리소그라피의 기술은 미세 가공을 위해 복합 웨이퍼에 적용될 수 있어야만 한다. 광리소그라피는 웨이퍼의 평탄함을 요구한다. 다양한 웨이퍼 공정이 실리콘 반도체 기술에서 개발된다. 경질 물질 도포된 복합 웨이퍼는 웨이퍼 공정에 의해 요청되는 조건에 대처해야만 한다.
경질 물질 코팅된 복합 웨이퍼는 반도체 장치 제조의 요구사항을 만족시켜야만 한다. 일반적으로, 제조 기술은 2인치 보다 큰 직경 및 1㎜ 보다 작은 두께의 웨이퍼를 요구한다.
전자 장치의 크기는 해마다 작아진다. 장치의 소형화는 웨이퍼 두께의 감소를 요구한다. 얇게 하는 기술은 실리콘 웨이퍼에 해당한다.
실리콘과 달리, 단일 물질만으로 구성된 넓고 균일한 웨이퍼는 크고 긴 단일 결정을 제조하는 어려움 때문에, 경질 물질 즉, 다이아몬드, 다이아몬드 형태 탄소 및 c-BN의 경우에 제조될 수 없다. 상기 물질은 얇은 막으로 합성될 수 있다. 그 후 복합 웨이퍼는 경질 물질의 막으로 기판을 코팅함에 의해 제조될 수 있다. 균일한 웨이퍼 대신에, 이 성분 복합 웨이퍼는 경질 물질에 대해 제조될 것이다. 비균일 웨이퍼는 기판 및 경질 물질 막으로 이루어져 있다. 경질 물질은 현재 모든 물질을 자주 언급하는 것을 피하기 위하여 다이아몬드로 나타내어진다.
다이아몬드 코팅된 웨이퍼는 공지된 CVD 방법, 고온 필라멘트 CVD 방법 등에의해 제조될 수 있다. 다양한 물질들이 기판으로서 채택될 수 있다. 실리콘 웨이퍼를 제조하고 가공하는 기술이 성숙되어 있기 때문에, 기판으로 가장 편리한 것은 실리콘 웨이퍼이다. 싼 비용으로 평탄한 실리콘 웨이퍼를 제조하기에 수월하다.
복합 웨이퍼는 상기 언급된 방법에 의해 기판 상에 다이아몬드 얇은 막을 부착시킴에 의해 제조될 수 있다. 막의 표면은 울퉁불퉁하다. 그후, 다이아몬드 코팅된 웨이퍼의 울퉁불퉁한 표면은 매끄럽고 평탄한 표면으로 연마되어야만 한다.
그러나, 다이아몬드는 현재 얻을 수 있는 모든 물질 중에서 가장 단단한 물질이고, 다이아몬드 보다 더 단단한 물질은 없다. 그 결과, 다이아몬드는 기계적으로 가는 매체로서 다이아몬드 분말을 사용하는 연마기에 의해 연마된다. 연마시, 고압이 다이아몬드 표면에 가해진다. 그 결과, 다이아몬드 웨이퍼는 강한 응력을 견뎌야만 한다. 그러나, 다이아몬드 웨이퍼는 기판 웨이퍼 및 얇은 다이아몬드 막으로 이루어져 있다. 다이아몬드 막의 기계적 강도는 기판 때문이다. 고하중은 주로 오랜 시행시 기판을 누른다.
실리콘 웨이퍼는 기판이 부서지기 쉬운 물질일 적에 사용된다. 그 후, 실리콘 웨이퍼가 기판으로 채택될 적에, 복합 웨이퍼는 부서지기 쉽고 특히, 웨이퍼가 직경이 크고 두께가 얇을 적에 부서지기 쉽다. 또 다른 물질이 기판으로 사용된다 할 지라도, 물질이 고압에 의해 깨어지기 쉽기 때문에, 문제는 해결되지 않는다. 하나의 문제는 고압에 의해 웨이퍼가 부서진다는 것이다. 상기 문제는 거울상 다이아몬드 웨이퍼를 제조하기 위해서 해결되어야만 한다.
또 하나의 문제가 있다. 강한 내부 응력이 두개의 층상 구조에 기인하여 기판 및 막을 가진 복합 웨이퍼내에서 발생한다. 다이아몬드는 여기된 물질 기체로부터 기상에서 고온으로 합성된다. 그 후, 웨이퍼는 실온까지 냉각된다. 열 응력은 기판과 막 사이에서 열 팽창의 차이때문에 복합 웨이퍼에서 생긴다. 부가적으로, 다이아몬드 막은 고유한 내부 응력을 가진다. 열 응력 및 내부 응력은 복합 웨이퍼에 큰 정도로 요철이 생기게 한다.
통상적인 연마 장치는 평탄한 호울더 및 평탄한 연마 턴-테이블에 의해 평탄한 물체를 간다. 통상적인 기계는 뒤틀린 물체를 연마하는데 부적당하다. 평탄한 호울더 상에서 강제로 평탄하게 만든 상태로 뒤틀린 물체를 붙이고 턴-테이블 상에서 호울더에 의해 물체를 밀어서 호울더를 회전시키고 일반적인 기계 내에서 턴-테이블을 회전시킴에 의해 뒤틀린 물체를 연마하는 것이 생각되어 왔지만, 이러한 피상적인 개선은 헛된 것이었다. 하나의 문제는 웨이퍼가 부서질 확률이 크다는 것이다. 또 하나의 문제는 균일하게 막을 가는 것이 어렵다는 것이다. 또 다른 문제는 연마된 막의 두께의 변동이 크다는 것이다. 상기 문제는 기판 및 경질 물질 막을 가진 두 개의 층상 웨이퍼에 통상적인 연마기를 적용하는 것을 방해한다는 것이다.
본 발명의 목적은 비 경질 물질 기판 및 경질 물질 막을 가진 폭넓은 복합 웨이퍼를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 내부 응력이 없는 구부려지지 않은 복합 웨이퍼를 제공하는 것이다.
또 다른 본 발명의 목적은 부서지기 쉬운 기판 및 경질 물질 막을 가진 복합 웨이퍼를 연마하는 방법을 제공하는 것이다.
또 다른 목적은 웨이퍼를 부수거나 균열이 생기게 하지 않고 복합 웨이퍼를 연마하는 방법을 제공하는 것이다.
또 하나의 목적은 뒤틀림이 있는 복합 웨이퍼를 연마하는 방법을 제공하는 것이다.
또 다른 목적은 연마되지 않은 부분을 남김이 없이 구조가 복잡한 웨이퍼를 연마하는 방법을 제공하는 것이다.
또 다른 목적은 연마된 필름에 거의 두께에 변동이 없는 기판 및 경질 막을 가진 복합 웨이퍼를 연마하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 높은 효율성을 가진 복합 웨이퍼의 경질막을 연마하는 방법을 제공하는 것이다.
또 다른 목적은 거울상 웨이퍼로 비 경질 물질 기판 및 경질 물질 막을 가진 복합 웨이퍼를 연마하기 위한 기계를 제공하는 것이다.
또 다른 목적은 웨이퍼를 부수거나 균열이 생기게 함이 없이 복합 웨이퍼를 연마하기 위한 기계를 제공하는 것이다.
또 다른 목적은 유효하게 복합 웨이퍼를 연마하기위한 기계를 제공하는 것이다.
본 발명의 경질 물질 코팅된 웨이퍼는 5 내지 100㎛(바람직스럽기로는 15 내지 50㎛)의 두께, Rmax50nm 및 Ra20nm 보다 작은 표면 거칠음을 가진 비 경질 물질 베이스 웨이퍼 및 경질 물질 막으로 구성되며, 이것은 2㎛ 내지 150㎛의 구부림 높이를 가진 막의 측면 상에서 볼록하게 구부린다.
경질 물질 코팅된 웨이퍼를 제조하는 방법은 기상 증착 방법에 의해 5 내지 100㎛의 두께가 될 때까지 다이아몬드, c-BN 또는 다이아몬드 형태 탄소의 경질 물질 막을 부착시키고, 50nm 보다 작은 Rmax및 20nm 보다 작은 Ra에 표면 거칠음이 도달할 때까지 막을 연마하는 단계로 구성된다.
막을 제조하는 기상 방법은 필라멘트 CVD 방법, 마이크로파 플라즈마 CVD 방법, 라디오 주파수 플라즈마 CVD 방법, 플라즈마 불꽃 방법 등이다. 반응에 적절한 압력은 1 내지 300Torr이다. 물질 기체는 다이아몬드 또는 다이아몬드 형태 탄소를 제조하기 위한 수소 기체 및 탄화수소 기체이다. 물질 기체는 c-BN 막을 제조하기 위한 수소 기체, 붕화물 기체 및 질화물 기체이다.
다이아몬드 막 또는 다이아몬드 형태 막의 형성시, 수소 기체 및 탄화수소 기체는 물질 기체의 주된 부분을 구성한다. 그러나, 수소 기체의 전체 또는 수소 기체의 주된 부분은 희귀 기체로 대체될 수 있다. 탄화수소 기체는 또한 다이아몬드 또는 다이아몬드 형태 탄소의 경우에 탄소를 포함하는 약간의 유기 기체 또는 무기 기체로 대체될 수 있다. 물질 기체를 산호를 함유하는 약간의 유기 기체 또는 무기 기체로 도핑하는 것이 바람직스럽다.
기상 합성의 조건은 합성된 막의 측면을 향해 구부러지는 볼록하게 뒤틀린 웨이퍼를 제조하기 위해서 선택되어야만 한다. 이것은 중요한 문제이다. 평탄한 웨이퍼는 실질적으로 평탄한 웨이퍼가 연마하기에 부적합한 물결 모양의 표면을 가지기 때문에 상식에 반해 효과가 없다. 오목하게 뒤틀린 웨이퍼는 또한 부적절하다. 볼록하게 뒤틀린 웨이퍼만이 본 발명의 연마 장치에 의해 일정하게 연마될 수 있다. 볼록하게 뒤틀린 웨이퍼의 막은 막의 거칠음이 50nm 보다 작은 Rmax및 20nm 보다 작은 Ra로 감소될 때까지 연마되어야만 한다. 설령 표면이 완벽하게 매끄럽지 않다 해도, 거칠은 막은 웨이퍼 공정이 전극을 형성하고 미량의 불순물을 주입시키며 불순물을 확산시키거나 광리소그라피에 의해 금속, 산화물 또는 반도체를 선택적으로 엣칭시키게 한다.
제1도는 본 발명의 경질 물질 코팅된 웨이퍼의 단면도를 나타낸다. 이것은 볼록하게 뒤틀린 웨이퍼이다.
부분적으로 열팽창 계수의 차이 및 부분적으로 막의 커다란 두께 때문에, 웨이퍼가 경질 물질 막의 합성 후 실온까지 냉각될 적에, 강한 내부 응력이 복합 웨이퍼내에서 생긴다. 강한 내부 응력은 볼록한 형태나 오목한 형태로 복합 웨이퍼를 변형시킨다. 뒤틀림은 현재 웨이퍼의 둘레를 포함하는 평면으로부터 중앙의 높이 H로 표시된다. 높이 H의 표시는 오목한 뒤틀림에 양이고 볼록한 뒤틀림에 음인 것으로 측정된다. 본 발명은 -2 내지 -150㎛ 사이의 음의 높이를 가진 볼록하게 뒤틀린 웨이퍼를 선택한다.
제1도는 본 발명의 연마에 적합한 음의 뒤틀림 높이를 가진 볼록하게 뒤틀린 웨이퍼를 나타낸다.
본 발명자들은 웨이퍼의 뒤틀림이 기판 상에 막의 기상 증착의 조건에 의해 조절될 수 있다는 것을 알았다. 몇가지 합성 조건은 평탄한 웨이퍼를 제조할 수 있다. 평탄한 웨이퍼는 가장 적합한 조건이라고 간주되지만 이것은 옳지 않다. 평탄한 웨이퍼는 실제로는 제2도내 명시된 바와 같이 물결 형상이다. 평탄한 것처럼 보이는 웨이퍼는 부분적으로는 볼록하고 부분적으로는 오목하다. 즉, 평탄한 웨이퍼는 전반적으로 오목한 웨이퍼 또는 볼록한 웨이퍼 보다 더 복잡하게 이루어져 있다. 물결 형상의 표면을 가진 평탄한 웨이퍼가 연마될 적에, 연마되지 않은 부분이 노력을 해도 남을 수 있다. 그 결과, 본 발명은 평탄한 웨이퍼를 피한다. 본 발명은 연마하는 것이 어렵기 때문에, 오목하게 뒤틀린 웨이퍼를 선택하지 않는다.
본 발명은 최선으로서 경질 물질, 기판 및 뒤틀림의 하기 조건을 만족한다.
[A. 경질 물질 막]
다이아몬드 막, 다이아몬드 같은 막 및 c-BN 막은 하기의 조건이 구비되어야만 한다.
1. 필름의 두께 : 5㎛ 내지 100㎛; 바람직스럽기로는 15 내지 50㎛, 막의 커다란 두께는 막 형성 비용을 상승시킨다. 1000㎛ 두께 막은 유효하지만 이러한 두꺼운 막은 너무 많은 물질을 필요로 하고 부착시키기에 오랜 시간이 걸린다. 그 결과, 100㎛ 보다 두꺼운 막은 경제적인 면에서 부적합하다. 그와 반대로, 너무 얇은 두께의 막은 연마하기가 어렵게 한다. 베이스 웨이퍼는 표면의 일부분에서 나타난다. 때때로 웨이퍼는 연마면에 베이스 물질을 접촉시킴에 의해 부수어진다. 그 결과, 본 발명은 5㎛ 보다 두꺼운 두께를 가진 막을 채택하고 바람직스럽기로는 15 내지 50㎛이다.
2. 표면 거칠음 : Rmax은 50nm보다 작고 Ra은 20nm보다 작다.
만약 표면 거칠음이 상기 값 보다 크다면, 웨이퍼는 전자 장치용 웨이퍼 또는 내마모성 연장용 웨이퍼로서 사용될 수 없다. 만약 웨이퍼의 거칠음이 크다면, 광리소그라피는 웨이퍼 상에 장치 와이어의 미세 패턴을 형성할 수 없다. 큰 거칠음이 복합 웨이퍼의 마찰 계수를 상승시킨다. 높은 마찰 계수를 가진 웨이퍼는 내마모성 연장의 재료가 될 수 없다.
[B. 베이스 웨이퍼(기판)]
경질 물질 막이 성장된 베이스 웨이퍼는 넓고 얇은 판으로 형성하기에 적합한 비 경질 물질이다. 베이스 웨이퍼의 물질은 Si, GaAs, GaP, AlN, SiC, Si3N4, LiTaO3, LiNbO3, Li2B4O7, PbTiO3, PZT (PbZrO3-PbTiO3) 또는 수정 중 하나이다. Si 단결정 웨이퍼가 특히 바람직스럽다. 또한, (100) Si 웨이퍼는 다양하게 배향된 실리콘 웨이퍼 중에서 최적의 물질이다.
최적의 두께는 베이스 웨이퍼의 재료에 따라 달라진다. 일반적으로, 베이스 웨이퍼의 두께는 0.1 내지 1㎜이어야만 한다. 0.1㎜보다 얇은 베이스 웨이퍼는 커다란 뒤틀림에 의해 방해되고 부수어지는 경향이 있다. 반대로, 1㎜보다 더 두꺼운 웨이퍼는 웨이퍼 공정으로 처리될 수 없다. 그 결과, 장치는 상기 공정에 의해 이러한 두꺼운 웨이퍼 상에 세워질 수 없다. 만약 장치가 두꺼운 웨이퍼 상에서 제조된다면, 장치는 웨이퍼가 하부 표면을 갊에 의해 얇아지지 않는다면, 패키지 상에 장착될 수 없다.
상기 형태와 관련하여, 원형 웨이퍼는 수월하게 다루는 것, 즉, 운반, 고정, 저장, 또는 지지에 가장 적합하다. 그런, 직사각형 웨이퍼 또는 정사각형 웨이퍼는 또한 베이스 웨이퍼로서 이용가능하다. 이러한 웨이퍼는 몇가지 특수한 목적을 위해 사용된다. 일반적으로, 원형 웨이퍼는 실리콘 웨이퍼와 같은 일반적인 반도체 공정에 의해 처리하기에 가장 적합하다.
직경은 상기 목적으로부터 결정되는 임의 변수이다. 직경은 그러나, 웨이퍼 공정시 처리의 효율성때문에 1인치(25㎜)보다 더 커야만 한다. 2인치 웨이퍼, 3인치 웨이퍼, 4인치 웨이퍼, 5인치 웨이퍼 또는 8인치 웨이퍼는 또한 본 발명의 베이스 웨이퍼에 유용하다.
[C. 뒤틀림]
본 발명은 막의 합성 후, 복합 웨이퍼에 대한 블록-뒤틀림을 요구한다. 즉, 웨이퍼는 원주로부터 중앙으로 단조롭게 막의 측면으로 볼록하게 뒤틀려야만 한다. 뒤틀림 높이의 절대값 ｜H｜는 2 내지 150㎛의 범위이어야만 한다. 웨이퍼의 뒤틀림은 여기서 둘레의 원을 포함하는 평면으로부터 중앙의 높이 H에 의해 표시된다. 뒤틀림은 곡률 반경 R로 표시될 수 있다. R 및 H는 단순히 방정식 R=D2/8H로 표시되며, 여기에서 D는 웨이퍼의 직경이다. 또한 블록-뒤틀림은 음의 H로 분배되지만 오목-뒤틀림은 양의 H로 할당된다. 그 결과, 뒤틀림의 요구치는 간단히 -150㎛ ≤ H ≤ -2㎛, 바람직스럽기로는 -50㎛ ≤ H ≤ -5㎛이다.
본 발명은 뒤틀림없이 즉, H = 0으로 웨이퍼를 아래로 향하게 한다. 뒤틀림이 적은 웨이퍼는 다음의 연마 공정에 가장 적합한 것처럼 보인다. 그러나, 만약 웨이퍼가 육안으로 보이는 뒤틀림이 없다면, 실제로 보다 복잡한 형태의 구부러짐을 야기하는 제2도 내 명시된 바와 같은 약간이 물결 모양을 가진다. 이러한 물결 모양의 웨이퍼는 어떠한 방법으로도 완벽하게 연마될 수 없다. 연마되지 않은 부분 또는 불충분하게 연마된 부분은 표면에 망상으로 남아 있다. 보다 단순한 구부러짐은 설령 뒤틀림 매우 크다 할지라도, 연마에 보다 적합하다. 최소치의 뒤틀림은 비 뒤틀림 H = 0를 제외하기 위해 2㎛인 것으로 측정된다. 역으로, 최대 뒤틀림은 150㎛이다. 150㎛보다 큰 뒤틀림 높이를 가진 웨이퍼는 약간의 연마되지 않은 영역을 남긴다. 웨이퍼는 전체가 균일하게 연마되어야만 한다. 150㎛보다 더 크게 구부러지는 웨이퍼에 대해 불균일한 연마가 불가능하다. 그 결과 본 발명은 150㎛보다 큰 뒤틀림을 부정한다.
그 후, 본 발명의 연마 방법 및 연마기가 설명된다.
본 발명의 연마 방법은 볼록하게 뒤틀린 상태로 호울더의 하부 면의 중앙에 Hv3000보다 큰 기판 및 경질 막을 가진 복합 웨이퍼를 고정시키고, 회전하는 턴-테이블 상에 볼록한 막을 밀어서, 호울더의 중앙에 무거운 하중을 적용시키며, 호울더를 회전시키고, 호울더의 하부면을 턴-테이블로 기울이며, 웨이퍼와 턴-테이블 사이의 접촉 면을 중앙으로부터 웨이퍼의 원주 부분으로 점차적으로 옮기며, 연마 영역을 막의 중앙으로부터 둘레로 이동시키는 단계로 구성된다. 접촉 영역이 중앙으로부터 원주로 이동하기 때문에, 표면 전체가 완벽하게 연마되지 않은 부분없이 연마된다. 방향이 변하는 기울어진 축 둘레의 회전 움직임은 세차운동 또는 흔들리는 움직임이라고 한다. 물리학에서 한정된 의미에서, 세차운동은 기울어진 축 그 자체의 정밀한 콘내에서 회전을 요구한다. 그러나, 세차운동이라는 말은 여기서 호울더의 기울어진 축의 임의의 회전 움직임을 의미한다. 축의 소재지는 원 뿐만아니라 타원면을 포함한다. 세차 운동은 방사상의 방향으로 회전축의 상호 경사를 의미한다. 축의 소재지는 직선의 일부이다. 그 결과, 흔들리는 움직임은 타원면 위치가 길이가 영인 보다 짧은 축을 가지는 세차운동의 한계이다. 그 결과, 때때로 세차 운동 및 흔들리는 움직임 둘다는 세차운동으로 간략하게 표시된다.
본 발명은 호울더의 하부의 중앙에 웨이퍼를 고정시키고, 가는 턴-테이블 상에 호울더를 밀며, 호울더를 회전시켜서 호울더가 세차운동 또는 흔들리는 움직임을 취하도록 함에 의해 경질 물질 코팅된 웨이퍼를 연마한다. 부가적으로, 본 발명은 바람직스럽기로는 방사상의 방향으로 호울더를 왕복운동시킨다. 그 결과, 본 발명은 웨이퍼를 부수지 않고 일정한 두께의 평탄한 막으로 웨이퍼의 전 표면을 거울상-연마할 수 있다. 연마되지 않은 채 남아있는 부분은 없다. 모든 표면은 세차 운동 또는 흔들리는 운동에 의해 균일하게 갈아진다.
또한, 웨이퍼와 호울더 사이에 버퍼를 삽입하는 것이 바람직스럽다. 버퍼는 웨이퍼가 변형되게 하고, 충격을 흡수하며 웨이퍼가 부수어지지 않게 한다. 버퍼는 탄성 물질 예컨대, 고무, 플라스틱 등으로 제조될 수 있다.
본 발명은 볼록하게 뒤틀린 웨이퍼, 실질적으로 평탄한 웨이퍼 및 오목하게 뒤틀린 웨이퍼에 모두 적용될 수 있다. 임의의 경우에, 웨이퍼는 볼록-뒤틀림의 상태로 호울더에 고정되어야만 한다. 상기 한정은 연마함에 있어서 중요하다. 볼록 뒤틀림의 적절한 높이는 고정된 웨이퍼 내에서 3 내지 50㎛의 범위이다.
적절한 곡률을 가진 볼록-뒤틀린 웨이퍼의 경우에, 웨이퍼는 호울더의 하부에 고정된 버퍼에 접착될 수 있다. 웨이퍼는 버퍼를 거쳐 호울더에 의해 유지된다. 버퍼의 탄성 변형은 웨이퍼의 적합한 볼록-뒤틀림을 유지시킨다.
달리 말하면, 웨이퍼가 평탄하고 3 내지 50㎛ 범위의 최적 범위의 곡류을 가진 오목-뒤틀려져 있거나 볼록-뒤틀려져 있을 적에, 스페이서는 3 내지 50㎛ 범위 내에 뒤틀림 높이의 볼록 뒤틀린 상태로 강제로 웨이퍼를 변형시키기 위해 웨이퍼 및 버퍼 사이에 삽입된다. 스페이서의 사용은 고유 뒤틀림이 -3 내지 -50㎛사이의 범위인 웨이퍼의 경우에 불가피하다. 그러나, 스페이서의 채택은 -3 내지 -50㎛의 고유 뒤틀림을 가진 웨이퍼의 경우에 적합하다.
중요한 것은 전체의 볼록-뒤틀린 표면을 연마하는 턴-테이블과 접촉시키기 위한 호울더의 세차 운동 또는 흔들리는 운동이다. 세차 운동 또는 흔들리는 움직임의 크기는 웨이퍼의 블록 뒤틀림의 커브진 면의 중앙 각에 거의 동일하다. 호울더의 세차운동은 본 발명의 가장 실질적인 부분이다. 세차운동이 없다면, 중앙부를 제외한 아무것도 연마 테이블과 접촉하여 있지 않고 원주 부분은 전혀 연마될 수 없다. 세차운동은 기계가 웨이퍼의 원주를 갈 수 있게 한다.
앞서 설명한 바와 같이, 뒤틀림의 최적 높이는 -3 내지 -50㎛이다. 뒤틀림의 높이는 뒤틀림의 상부와 원주를 포함하는 평면 사이의 거리로서 정의된다.
본 발명은 웨이퍼의 임의의 크기에 적용될 수 있다. 구체적으로, 상기 방법은 1인치(25㎜) 보다 큰 직경 및 0.1 내지 2.1㎜의 두께를 가지는 웨이퍼에 적합하다. 웨이퍼가 넓을수록, 연마는 보다 어려워진다. 그러나, 상기 적용이 1인치(25㎜) 보다 큰 직경을 가진 웨이퍼에 적용될 수 있다. 상기 방법은 2 인치 웨이퍼, 3 인치 웨이퍼 및 4 인치 웨이퍼로 처리할 수 있다.
웨이퍼의 뒤틀림은 여기서 주면을 포함하는 평면으로부터 중앙의 높이(H)로 표시된다. H는 오목 뒤틀림에 대해 양인 것으로 측정된다. H는 볼록 뒤틀림에 대해 음이다. 웨이퍼의 곡률은 웨이퍼의 직경이 상이하다면, 동일한 뒤틀림 높이에 대해 상이하다. 단순한 이차원 뒤틀림의 경우에, 곡률 반경 R은 방정식 H = D2/8R로 뒤틀림 높이 H에 관계되며, 여기에서 D는 웨이퍼의 직경이다. 즉, 곡률 반경 R은 뒤틀림 높이에 반비례한다. 두가지 변수의 곱은 D2/8이다. 곡률 1/R은 뒤틀림 높이 H와 비례한다.
초기 뒤틀림과 관계없이, 웨이퍼는 웨이퍼에 적절한 볼록-뒤틀림 -3 내지 -50㎛를 제공하는 스페이서를 경유하여 호울더의 하부에 고정된다. 그 결과, 웨이퍼는 H = -3 내지 -50㎛의 볼록-뒤틀린 상태로 호울더에 붙여진다. 만약 웨이퍼가 -3 내지 -50㎛의 적합한 뒤틀림을 가진다면, 웨이퍼가 동시의 구부림에서 호울더 상에 고정될 수 있다. 그러나, 많은 경우에, 스페이서의 곡률은 웨이퍼의 고유 곡률과는 상이하다. 원래 오목 변형된 웨이퍼조차도 또한 강제로 반대로 구부려지고 호울더에 접착된다. 곡률의 차이는 샘플의 내부 응력을 상승시킨다. 그러나, 버퍼는 웨이퍼가 부서지는 것을 방지한다.
볼록-뒤틀린 웨이퍼는 있는 그대로 볼록 스페이서 및 버퍼를 거쳐 호울더에 고정될 수 있다. 평탄한 웨이퍼 및 오목-뒤틀린 웨이퍼는 또한 볼록 스페이서 및 버퍼를 거쳐 호울더에 고정된다.
제조시, 웨이퍼가 호울더에 세차운동 또는 흔들리는 운동을 일으키는 연마기에 의해 연마된다. 기계는 표면 최대 거칠음 Rmax가 50nm보다 작게 감소하고 평균 거칠음 Ra가 적어도 전체 표면의 50% 위에서 20nm보다 작게 감소될 때까지, 웨이퍼를 연마할 수 있다. 여기서 Rmax≤ 50㎛ 이고 Ra≤ 20nm 라는 것은 웨이퍼가 광리소그라피를 포함하는 웨이퍼 공정에 의해 처리될 수 있는 웨이퍼의 매우 매끄러운 표면을 한정한다. 그 후, 본 발명의 기계는 절반의 거울상-연마된 부분을 가진 매끄러운 웨이퍼로 경질-물질 코팅된 웨이퍼를 갈수 있다. 만약 연마되지 않은 부분이 남는다면, 둘레의 원형 영역이다. 여러가지 경우에, 거울상-연마된 부분은 전체 표면의 90%를 초과한다. 거울상-연마된 부분의 비는 세차운동 각 또는 흔들리는 각을 조정함에 의해 100%까지 상승할 수 있다. 본 발명이 중앙으로부터 둘레로 볼록-뒤틀린 웨이퍼의 접촉 영역을 펼치기 때문에, 중앙으로부터의 임의의 부분은 연속적으로 세차 운동 각을 조정함에 의해 연마될 수 있다. 이러한 중간 연마는 제23도내 명시된 상태와 유사하다. 본 발명은 제21도내 명시된 미연마된 부분의 망상 분포 또는 제22도내 표시된 중간 영역내 미연마된 부분을 방지한다.
세차운동 또는 흔들리는 운동에 부가하여, 원형 방향에 평행하지 않은 방향으로 호울더를 배치하는 것은 적합하지 않다. 턴-테이블이 회전하기 때문에, 비 원형 배치는 접촉 부분의 효과적인 방사상의 움직임을 야기한다. 그 결과 호울더의 비 원형 방향으로의 움직임은 현재 호울더의 방사상의 배치라고 불리워진다. 호울더의 방사상의 배치는 턴-테이블의 접촉 영역을 변화시키고 폭넓게 턴-테이블의 손상을 균등하게 한다. 상호 배치는 턴 테이블의 손상을 분산시키는데 보다 바람직스럽다. 손상이 턴-테이블 상에서 균일하게 생긴다면, 턴-테이블의 평탄함은 장시간 유지된다. 즉, 균일한 손상이 평탄함 및 연마하는 턴-테이블의 표면의 평행성을 유지하고 턴-테이블의 수명을 연장시킨다. 상호 움직임 또는 방사상의 방향으로의 배치는 제30도 및 제31도 내에 명시된다. 실선은 호울더의 외부 위치(s)를 표시한다. ΣS는 턴 테이블 상의 S에서 호울더(웨이퍼)의 접촉 영역의 위치를 나타내고 점선은 동일한 호울더의 내부 위치(T)를 가리킨다. Σt는 턴 테이블 상에 T에서 호울더(웨이퍼)의 접촉 영역의 위치이다. 호울더가 S 및 T 사이에 배치되거나 대응될 적에, 작은 원 m 및 큰 원 사이에 전체 영역은 웨이퍼와 접촉된다.
막의 초기 두께는 임의적이다. 막 두께는 웨이퍼의 너무 커다란 변형을 야기시키지 않도록 결정되어야만 한다. 기판의 두께는 또한 임의적이다. 만약 기판의 두께가 예컨대 경제적인 이유때문에, 0.1 내지 2㎜로 결정된다면, 막의 적합한 초기 두께는 0.01 내지 1㎜가 될 것이다.
시간과 재료의 경제적인 여건상 두꺼운 경질 막을 제조하는 것은 어렵다. 막의 실제 두께는 200㎛보다 작다. 그러나, 본 발명은 막의 임의의 두께에 적용할 수 있다. 막이 두꺼우면 두꺼울수록, 갈고 난 후에 두께의 변동은 더 작다.
본 발명은 ±10%내에 Rmax50mm 및 Ra20mm보다 작은 거칠음을 가지는 매끄러운 부분의 막 두께 변동을 감소시킬 수 있다. 두가지 방법이 ±10이내의 50mm보다 작은 Rmax 및 20mm 보다 작은 Ra를 가진 매끄러운 부분의 막 두께 변동을 억제하기에 유효하다.
(A) 점차로 가는 공정에 따른 뒤틀림을 감소시키는 뒤틀림 감소 방법. 제26도 및 제27도는 상기 방법을 나타낸다. 웨이퍼는 (기판)/(경질막 1)/(경질막 2)의 구조를 가진다. 상부 경질막(2)은 압축 응력을 가진다. 막(2)이 제거될 적에, 과잉 압축 응력이 사라지고 뒤틀림은 감소한다.
(B) 우선 경질층으로 기판을 코팅하고 다시 유연한 층으로 경질 층을 코팅하는 두개의 층상 방법. 제28도 및 제29도는 상기 방법을 나타낸다. 구조는 (기판)/(연마하기에 어려운 경질막)/(연마하기에 수월한 경질막)이다.
거의 모든 상부막이 연마될 적에, 연마하기에 어려운 막이 드러난다. 최종 막의 두께는 연마하기에 어려운 막의 두께와 거의 동일하다.
경질 물질 막을 연마하는데에는 오랜 시간이 걸린다. 본 발명은 다음의 개선안에 따라 가는 속도를 개선하고 가는 처리량을 상승시킬 수 있다. 개선안은 실질적인 접촉 영역의 면적을 감소시키기에 불연속적인 접촉 영역을 만든다. 접촉 면적을 감소시키는 몇가지 방법이 있다.
한가지는 제32도에 명시된 바와 같이, 웨트스톤 턴-테이블의 표면상에 격자 형태 홈을 파는 것이다. 여러가지 세로의 홈 및 엇갈린 홈이 턴-테이블 상에 형성된다. 여러가지 작은 사각형들이 웨이퍼와 접촉할 것이다. 그 결과, 접촉 영역의 실질적인 면적이 홈만큼 감소된다. 접촉 면적의 감소는 단위 면적당 압력을 상승시킴에 의해 연마 속도를 상승시킨다.
접촉 면적을 감소시키기 위한 또 다른 방법은 턴-테이블 상에 원형홈을 파는 것이다. 제33도는 동심원의 홈을 가진 턴-테이블의 평면도를 나타낸다.
또 다른 방법은 경질막 상에 격자상 홈 또는 동심원의 홈을 형성하는 것이다. 홈은 경질 물질 코팅된 칩으로 사용되지 않는다. 상기 방법은 장치용 작은 칩을 필요로 하는 웨이퍼에 적용할 수 있다.
본 발명의 경사진 연마는 고정되지 않은 다이아몬드 분말 또는 고정된 다이아몬드 분말에 의해 경질 물질 코팅된 웨이퍼를 연마한다. 고정되지 않은 가는 분말을 사용하는 경우에, 다이아몬드 분말을 포함하는 연마액이 금속 표면 또는 천 표면을 가지는 턴-테이블 상에 공급된다.
고정된 분말을 사용하는 경우에, 턴-테이블은 다이아몬드 웨트스톤 그 자체이어야만 한다. 다이아몬드 웨트스톤은 베이스 플레이트 상에 다이아몬드 분말을 고정하는 방법에 의해 여러가지 종류로 구분된다. 상기 방법은 수지-결합된 다이아몬드 웨트스톤, 금속-결합된 웨트스톤, 전자 증착된 다이아몬드 웨트스톤, 작은 다이아몬드 펠릿 웨트스톤 및 다이아몬드 펠릿 웨트스톤 중 어느 하나를 채택할 수 있다. 상기 웨트스톤은 물리적 작용에 의해 대상을 연마한다. 다이아몬드 웨트스톤에 부가하여, 적합한 온도로 가열된 평탄한 금속 턴-테이블은 열화학적 반응에 의해 경질 물질 코팅된 막을 연마할 수 있다.
본 발명의 이점이 현재 설명된다.
다이아몬드 및 c-BN의 부피 결정이 몇가지 방법에 의해 합성된다. 모든 부피 결정은 학문적인 의미는 별개로 하고 너무 좁은 면적을 가지기 때문에, 실질적인 중요성이 떨어지게 된다. 본 발명은 처음으로 단단한 물질 즉, 다이아몬드, 다이아몬드 형태 탄소 및 c-BN의 커다란 크기의 웨이퍼를 제조할 수 있었다. 경질 물질 웨이퍼는 기판 및 기판 상에 부착된 경질막을 가지는 복합 구조를 가진다. 이러한 점에서, 웨이퍼는 균일하고 전적으로 단일 물질로 구성된 Si웨이퍼 또는 GaAs웨이퍼와는 상이하다. 복잡하게 이루어진 웨이퍼는 전자 장치를 제조하는 기판으로 매우 유용한데, 이것은 이러한 장치가 웨이퍼의 표면만을 가장 잘 사용하기 때문이다.
화학 기상 증착법(CVD)은 본 발명이 폭 넓은 기판 웨이퍼 상에서 커다란 크기의 복잡하게 이루어진 웨이퍼를 제조할 수 있게 한다. 커다란 크기의 웨이퍼의 공급은 웨이퍼 공정에 의해 장치를 제조하는 비용을 감소시킨다.
본 발명의 웨이퍼는 그러나, 기판과 막 사이의 열 팽창의 차이에 의해 변형된다. 일반적인 개념에서, 연마기는 일반적으로 평탄한 물체를 연마하는 것에는 유효하지만 뒤틀린 물체를 연마하는 것에는 효과적이지 않다.
본 발명의 발명자들은 이러한 상식에 동의하지 않는다. 평탄한 웨이퍼는 오히려 연마하기에 어렵다. -150 내지 -2㎛ 범위의 뒤틀림을 가진 볼록-뒤틀린 웨이퍼는 균일하게 흔들리는 운동 또는 세차 운동에 따라 회전하는 호울더로 연마기에 의해 연마될 수 있다. 오목-뒤틀린 웨이퍼는 또한 버퍼 및 웨이퍼 사이에 볼록 스페이서를 삽입함에 의해 연마될 수 있다.
본 발명의 중요한 사항 중 한 가지는 변형된 물체를 연마할 수 있다는 것을 알아낸 것이다. 연마의 가능성은 본 발명이 최초에 경질 물질의 거울상 웨이퍼를 제조하도록 한다. 본 발명이 채택하는 기계는 중앙으로부터 원주로 볼록 뒤틀린 웨이퍼를 연마하거나 볼록 표면이 광리소그라피가 경질 물질 웨이퍼 상에 여러가지 장치를 제조할 수 있도록 하는 Rmax 50mm 및 Ra 20mm보다 작은 거칠음으로 충분히 모든 블록 표면이 연마될 때까지 조금씩 조금씩 호울더를 기울임에 의해 그 반대도 같다.
경질 물질 코팅된 웨이퍼는 기판과 경질 물질 막 사이의 열 팽장 계수의 차이에 의해 볼록 형태 또는 오목 형태로 구부려질 것 같다. 심지어 복합 웨이퍼가 전체로 뒤틀림으로부터 면제되어질 적에 조차, 웨이퍼는 물결 모양의 형태를 가진다. 임의의 경우에, 볼록 웨이퍼는 엄격한 의미에서는 평탄하지 않다. 일반적인 기계는 미연마된 부분을 남김이 없이 모든 표면을 연마할 수 없다.
본 발명은 호울더에 볼록 뒤틀린 웨이퍼를 고정시키고 회전 턴-테이블 상에서 호울더를 회전시키며 호울더에 표면 상에 모든 부분이 턴-테이블과 접촉할 수 있게 하는 흔들리는 운동 또는 세차운동을 부여함에 의해 미연마된 부분을 남기지 않고 복합 웨이퍼의 전체 표면을 연마하는데 성공했다. 연마된 부분은 Rmax 50mm 및 Ra 20mm보다 작은 충분한 매끄러움을 가진다. 본 발명은 ±10%내에 막 두께의 변동을 억제할 수 있다.
두개의 층상 변형이 또한 연마된 막의 두께 변동을 감소시키기 위해서 제안된다. 상기 변형은 처음에 연마하기 어려운 층으로 기판을 코팅하고 연마하기 어려운 층상에 명확한 두께까지 또 다른 연마하기 수월한 층을 부착시키는 것이다. 두 개의 층상 웨이퍼가 연마될 적에, 보다 유연한 상부 층은 완벽하게 연마되고 보다 경질 하부 코팅층은 전체가 드러내어진다. 그 결과, 두께 분포는 표면 전체로 일정해진다.
경질 물질 즉, 다이아몬드, 다이아몬드 형태 탄소 및 c-BN의 커다란 부피 결정이 현재의 기술로는 생성될 수 없다. 경질 물질의 막은 기상증착 방법에 의해 합성될 수 있다. 그러나, 기판상에 두꺼운 경질 물질막을 성장시키고 기판을 제거함에 의해 경질 물질 이외의 어떠한 다른 물질을 함유하지 않는 균일한 웨이퍼를 제조하는 데에는 매우 오랜 시간과 많은 비용이 든다. 얇은 경질 물질 막을 가진 복합 웨이프는 반도체 장치, 광학 장치 또는 광전자 장치의 재료에 적응하기에 충분하다. 복합 웨이퍼는 광리소그라피 또는 기타 웨이퍼 공정의 편리성 때문에, 거울상-연마되어야만 한다. 그러나, 복합 웨이퍼는 커다란 내부 응력 덕택에 강한 뒤틀림이 동반된다. 본 발명은 최초로 뒤틀린 복합 웨이퍼가 거울상 연마되도록 한다. 이것은 다양한 기술 분야에 경질 물질이 효과적으로 적용되도록 하는 중요한 발명이다.
제3도 내지 제7도는 기판 상에 다이아몬드, c-BN 또는 다이아몬드 형태 탄소와 같은 경질 피막을 제조하고, 상기 막을 연마하며, 상기 막을 금속층으로 도포하고, 엣칭시킴에 의해 전극을 형성하며 얼마나 많은 와이어 패턴이 부수어져 있는지를 검사하는 실험 단계를 나타낸다. 표1은 막을 형성하는 조건, 즉 기판의 종류, 기판 두께, 기판 직경, 경질 물질의 종류, 샘플 ① 내지 ⑫ 막 두께를 나타낸다. 모든 경질 물질을 언급하지 않기 위해서, 경질 물질을 여기서 다이아몬드라고 간략하게 나타낸다.
첫번째 단계 ①에서, 납작한 원형 베이스 웨이퍼가 제3도 내 표시된 기판으로서 제조된다. 두번째 단계 ②에서, 다이아몬드 막이 마이크로파 플라즈마 CVD방법, 필라멘트 CVD 방법, 플라즈마 제트 CVD 방법 또는 플라즈마 불꽃 방법에 의해 베이스 웨이퍼 기판에 부착된다. 반응 압력은 1Torr(133Pa) 내지 300Torr(0.04MPa)이다. 메틴 대 수소의 비(CH4/H2)는 0.1부피% 내지 10부피%이다. 거친 표면을 가진 다이아몬드 막이 제4도 내 명시된 기판 웨이퍼 상에 생성된다. 이것은 기판 웨이퍼 및 막을 가진 복합 웨이퍼이다. 중요한 사항은 기판과 막 사이의 열 팽창 차이에서 생기는 내부 응력에 기인한 복합 웨이퍼의 뒤틀림이다.
세번째 단계에서, 다이아몬드 막의 거친 표면은 기계적인 연마기에 의해 연마된다. 웨이퍼가 뒤틀려 있기 때문에, 몇가지 고안이 연마자가 이러한 굽힘 웨이퍼를 연마하기 위해서 필수적이다. 상기 고안은 후에 기술될 것이다. 요철은 막 표면으로부터 제거된다. 제5도는 복합 웨이퍼의 단면을 나타낸다. 막은 평탄해지지만, 뒤틀림은 남아 있다. 그 후, 알루미늄 막이 증발 또는 스퍼터링에 의해 경질 물질 막 상에 부착된다. 제6도는 네번째 단계 후에 복합 웨이퍼의 단면을 나타낸다. 미소 와이어 패턴은 광리소그라피에 의해 선택적으로 알루미늄 막의 부품을 엣칭시킴에 의해 제조된다. 와이어는 서로 다른 것과 평행하다.
와이어 라인 폭은 0.6㎛ 내지 2㎛의 범위로 변한다. 웨이퍼의 단면이 제7도에 명시된다. 다이어몬드 웨이퍼는 평행한 미소 와이어 패턴을 가진다. 와이어의 크기는 SAW의 손가락 사이 전극 크기와 유사하다. 그 후, 와이어 패턴의 부서짐에 대한 양품률의 조사된다. 결과는 표1, 표2 및 표3 내에 기재된다. 다이아몬드 막의 영률은 진동 납 방법에 의해 측정된다. 결과가 또한 표3 내에 표시된다.
샘플 ① 내지 ⑧은 본 발명의 구체적 실시예이다.
샘플 ⑨ 내지 ⑫는 비교 실시예이다. 기판의 두께는 밀리미터 단위로 표시된다. 기판 직경 단위는 인치이다. 샘플 ①의 기판은 실리콘 웨이퍼(100)이다. 샘플②은 두께 1mm이고 직경 4인치의 실리콘 웨이퍼(111)를 나타낸다. 샘플③은 기판을소ㅓ 폴리실리콘 웨이퍼를 가진다. 샘플 ④는 GaAs 웨이퍼를 채택한다. 샘플 ⑤는 기판으로서 AlN웨이퍼를 선택한다. 샘플 ⑥의 기판은 LiNbO결정이다. 샘플 ⑦은 기판으로서 LiTaO를 채택한다.
비교 샘플 ⑨는 0.05mm이고 직경 2인치인 다결정 실리콘 기판을 가진다. 샘플 ⑩은 8인치 Si 웨이퍼(100) 상에 막을 생성한다. 샘플 ⑫은 3인치 직경의 GaAs 단일 결정 웨이퍼를 사용한다.
베이스 웨이퍼의 두께는 모든 샘플에 대해 0.1 내지 1mm이다. 베이스 웨이퍼의 직경은 1 내지 8인치이다. 경질 물질 막의 두께 단위는 마이크로미터이다. 막 두께는 2 내지 1000㎛이다. 샘플⑤는 다이아몬드 형태 탄소 막을 생성한다. 샘플 ⑥은 c-BN 막을 제조한다. 다른 샘플들은 기판 웨이퍼 상에 다이아몬드 막을 생성한다.
제8도는 열에 의해 플라즈마로 기체를 여기시킴에 의해 기판 상에 경질 피막을 생성시키기 위한 필라멘트 CVD 장치의 개략적인 구조를 나타낸다. 진공 챔버(31)는 그 위에 기판 웨이퍼(33)를 장착시키기 위한 서셉터(32)를 함유한다. 챔버(31)은 진공 펌프에 연결하는 기체 배기 출구(34)를 가진다(도면내 명시되지 않음). 전극(3%)은 서셉터(32)의 사이에 끼어서 하부로부터 서 있다. 필라멘트(37)는 전극(32)사이에서 서셉터(32)를 회전시켰다. 수소 기체 및 탄솨수소 기체를 포함하는 물질 기체가 기체 주입구(38)를 통해 반응 챔버(31)로 공급된다. 진공게이지(39)가 진공 챔버(31)내 한 점에서 설치된다. 전원(41)이 전극(35)을 통해 필라멘트(37)로 전류를 공급한다. 전류는 필라멘트(37)에 열을 발생시킨다. 필라멘트(37)는 기판 웨이퍼(33) 및 물질 기체를 가열한다. 냉각 매재(40)는 서셉터를 냉각시키기 위해서 서셉터(32)의 내부 공간내에서 순환하고 적절한 온도에서 베이스 웨이퍼(33)를 유지한다. 필라멘트(37)로부터의 열은 물질 기체를 여가시키고 기체상 반응을 유도한다. 반응 결과가 가열된 기판 웨이퍼(33) 상에 파일되고 웨이퍼(33) 상에 얇은 막을 형성한다.
제9도는 마이크로파에 의해 플라즈마로 기체를 여기하는 마이크로파 CVD 장치의 개략도를 나타낸다. 장치는 수직으로 긴 챔버(42), 서셉터(44) 및 마이크로파 장치를 가진다. 챔버(42)에 상부로부터 챔버(42)의 하부로 흐르는 물질 기체가 공급된다. 지지 샤프트(43)가 챔버(42)에 서 있다. 샘플 베이스 웨이퍼가 서셉터(44) 위에 놓여 있다. 상부로부터 챔버로 도입되는 물질 기체가 기판 웨이퍼(45)의 근처에서 통과하고 배기 출구를 통해 챔버로부터 나간다(도면 내 명시되어 있지 않음). 플라즈마가 발생되는 부분이 냉각 장치(48)에 의해 냉각된다. 마그네트론(49)은 마이크로파를 진동시킨다. 마이크로파는 수평으로 웨이브-가이드(50)내에서 전해지고 횡단하여 물질 기체의 흐름을 통과하며 플라즈마(51)로 기체를 여기시킨다. 도전성 플레이트로 제조된 공명 플레이트(54)가 서셉터(44)에 대해 웨이브-가이드(50)에 직면한 특수 관내에 구비된다. 피스톤(52)은 웨이브-가이드의 시작 말단과 공명 플레이트(54)사이에 적절한 모드의 파를 만들기위해 오른쪽이나 왼쪽으로 공명 플레이트(54)를 움직인다.
제10도는 DC 아크 방전에 의해 플라즈마로 기체를 여기하는 플라즈마 제트 CVD 장치의 개략도를 나타낸다. 반응 챔버(55)는 중앙에 서셉터(56)를 가진다. 서셉터(56)은 그 위에 샘플 웨이퍼 기판(57)을 보유한다. 플라즈마 토치(58)가 반응 챔버(55)의 상부에서 장착되다. 플라즈마 토치(58)는 내부 음극, 외부 양극 및 음극 및 양극 사이에 기체 통로를 가진다. 기체(40)는 외부 기체 실린더로부터 반응 챔버(55)로 통로를 통과해 공급된다. 전원(59)는 음극 및 양극 사이에서 발생한다. 아크 방전 음극 및 양극 사이에서 발생한다. DC 아크 방전은 기체를 플라즈마로 여기한다. 기체는 아르곤 기체와 같은 플라즈마를 유지하기 위한 기체, 수소 기체와 같은 캐리어 기체 및 메탄 기체와 같은 탄화수소 기체이다.
제8도, 제9도 및 제10도 내 명시된 장치는 물질 기체를 여기시킬 수 있고 물질 기체로부터 합성된 경질 물질 막으로 기판 웨이퍼를 코팅할 수 있게 하는 통상적인 CVD 장치이다. 그 결과, 다이아몬드막, 다이아몬드 형태 탄소 막 c-BN막이 반응 챔버로 물질 기체를 공급하고 열, 마이크로파, 또는 아크 방전에 의해 기체를 여기시키며 샘플 웨이퍼 상에 반응 결과물을 부착시킴에 의해 장치 내 형성될 수 있다. 물질 기체는 다이아몬드 또는 다이아몬드 형태 탄소를 제조하는 경우에 수소 기체 및 탄화수소 기체의 혼합물이고 c-BN을 제조하는 경우에 수소 기체(H), 붕소(BH, BH, BH…), 암모니아(NH) 또는 질소(N)의 혼합물이다. 경질 물질막이 마이크로파 플라즈마 CVD 방법, 필라멘트 CVD 방법 또는 플라즈마 제트 CVD 방법에 의해 여기서 제조되지만, 다른 방법들도 이용가능하다.
기판 및 막을 가진 복합 웨이퍼의 조도 R및 R가 측정된다. 표면 조도는 표면상의 점들의 높이 차이에 의해 정의된다. 거친 표면은 많은 자그마한 요철을 가지고 있다. R는 언덕과 이웃하는 구릉 사이 차의 평균이다. 막의 형성은 막과 기판 사이에 열 팽창의 차이에서 생기는 내부 응력 때문에 웨이퍼내 약간의 뒤틀림을 발생시킨다. 그 결과, 뒤틀림은 또한, 주면을 포함한 평면으로부터 중앙의 높이 H에 의해 측정된다. 마이너스 표시 -은 막 표면 상에 볼록 뒤틀림을 의미한다. 플러스 표시 +는 막 표면 상에 오목 뒤틀림을 표시한다. 뒤틀림 높이 H는 뒤틀림 곡률이 아니다. 뒤틀림 높이가 주면을 포함하는 기저면으로부터의 중앙의 높이에 의해 한정되기 때문에, 동일한 뒤틀림 높이는 상이한 크기의 웨이퍼에 대해 다른 곡률을 만든다. R은 곡률 반경을 나타내고 D는 웨이퍼의 직경을 나타낸다. 뒤틀림이 구형이라면, 변수는 방정식 H = D /8R로 나타내어진다. 표2는 모든 샘플들에 대한 조도 R및 R및, H를 나타낸다.
(샘플 9는 균열이 생기고, 샘플 11은 파열됨.)
합성 후 R는 0.15 내지 100㎛로 널리 분산된다. 막 형성 후 R는 0.05 내지 40㎛의 범위이다. 뒤틀림 H는 +200 내지 -150㎛로 분포한다. 2-인치 Si 웨이퍼 상에 30㎛ 두께 다이아몬드 막을 생성시킨 샘플 ①은 R2.5㎛ 및 R0.5㎛의 조도를 가진다. 이것은 평탄한 표면이다. 뒤틀림 H는 막 표면 상에 볼록한 형태로 된 -15㎛이다.
4-인치 Si 웨이퍼를 사용한 샘플 ②는 H = -50㎛의 볼록한 형태로 뒤틀린다. 8-인치 다결정 실리콘 웨이퍼 상에 100㎛ 막을 제조하는 샘플 ③은 커다란 볼록 뒤틀림 H = -150㎛를 가진다. 기판이 넓기 때문에, 뒤틀림이 또한 크다.
GaAs 기판 및 15㎛ 다이아몬드 막을 가지는 샘플 ④는 H = -30㎛의 적절한 뒤틀림을 나타낸다. 3-인치 AlN 기판 상에 얇은 다이아몬드 형태 막을 만드는 샘플 ⑤는 매우 작은 뒤틀림 H = -5㎛을 가진다. 표면은 매우 평탄하다. 조도는 R0.4㎛ 및 R는 0.18㎛이다. 샘플 6은 2-인치 LiNBO기판 및 30㎛ 두께 c-BN막을 가진다. 조도는 R1.6㎛ 및 R0.5㎛이다. 이것은 매우 평탄하다. 뒤틀림은 H=-50㎛이다.
샘플 ⑦은 5-인치 LiTaO기판 상에 100㎛의 두꺼운 다이아몬드 막을 제조한다. 기판은 충분히 넓고, 막은 두껍다. 뒤틀림은 작다(H= -5㎛). 표면은 거칠다(R7㎛ 및 R4.2㎛).
샘플 ⑧는 두께 1mm를 가진 4-인치 수정 기판을 채택하고 두께 5㎛를 가진 다이아몬드 막을 생성시킨다. 표면은 평탄하다(R0.3㎛ 및 R0.1㎛). 샘플 ① 내지 ⑧은 본 발명의 구체적 실시예이다. 샘플 ⑨ 내지 ⑫는 비교 실시예이다.
샘플 ⑨는 얇은 2-인치 Si 다결정 웨이퍼(0.05mm=50㎛) 및 150㎛ 두께를 가진 두꺼운 다이아몬드 막으로 구성된다. 조도는 다이아몬드 막상에서 R12㎛ 및 R0.3㎛이다. 균열은 Si기판에 생긴다. 그 결과, 뒤틀림은 관찰되지 않는다. 연마는 균열이 연마를 방해하기 때문에, 상기 샘플에 대해 생략된다. 너무 얇은 기판이 두꺼운 막의 강한 내부 응력에 의해 파괴된다. 그 결과, 너무 얇은 기판 또는 너무 두꺼운 막은 복합 웨이퍼를 제조하기에 부적합하다.
샘플 ⑩은 폭이 매우 넓은 (8-인치)실리콘 다결정 웨이퍼(t=1mm)(100) 및 매우 얇은 2㎛ 두께의 다이아몬드로 구성되어 있다. 샘플 ⑩은 기판의 폭 및 막두께에 의해 특징지어진다. 표면은 매우 평탄하다(R0.15㎛ 및 R0.05㎛). 그러나, 뒤틀림은 오목 형태에서 매우 크다(H=+200μ). 막은 얇지만 웨이퍼는 매우 넓다. 그 후 샘플⑩은 커다란 뒤틀림 높이를 가진다.
샘플⑪은 3mm 두께 LiNbO웨이퍼 상에 매우 두꺼운 다이아몬드 막(1000㎛)을 부착시킨다. 샘플 ⑪은 두꺼운 막 및 두꺼운 기판을 특징으로 한다. 표면은 R100㎛ 및 R40㎛의 커다란 조도로 거칠다. 기판이 부수어져 있다. 막의 강한 내부 응력은 기판을 파괴할 수 있다. 샘플 ⑪은 연마될 수 없다. 상기 결과는 또한 두꺼운 막이 복합 웨이퍼에 적합하지 않다는 것을 의미한다.
샘플 ⑫는 기판으로서 3-인치 GaAs웨이퍼를 채택하고 GaAs웨이퍼 상에 30㎛ c-BN막을 제조한다. 뒤틀림은 0(H=0㎛)이다. 이것은 평탄한 웨이퍼이다. 비뒤틀림은 GaAs 및 다이아몬드 사이의 열 팽창 계수의 유사성에서 야기될 수 있다. 또한, 표면은 평탄하다(R2.1㎛ 및 R0.9㎛). 그 결과, 샘플 ⑫는 평탄함과 작은 조도에 기인하여 매우 우수한 복합 웨이퍼인 것처럼 보인다. 상기 예상은 후에 적중되지 못했다는 것이 기술될 것이다.
기상 CVD방법에 의해 생성된 경질 물질 막은 일반적으로 커다란 조도를 가진 거친 표면을 가진다. 전자 장치는 커다란 조도가 산란, 굴절, 또는 광 비임을 회절시킴에 의해 광에 의한 전사를 방해한다. 연마가 거친 CVD제조된 경질막을 웨이퍼 공정에 의해 복합 웨이퍼로 처리하기 위해서 불가피하다.
그러나, 평탄한 실리콘 웨이퍼 또는 평탄한 갈륨 아르세나이드 웨이퍼를 연마시키기 위해 사용되는 일반적인 연마 기계는 뒤틀린 웨이퍼를 연마할 수 없다. 선행 기술의 기계가 호울더가 평탄하고 연마 턴-테이블이 또한 평탄하기 때문에 납작한 물체에만 적합하다. 만약 뒤틀린 웨이퍼가 일반적인 기계에 의해 연마된다면, 주위의 부분 또는 중간 부분은 설령 호울더가 강한 힘으로 턴-테이블로 웨이퍼를 압착한다해도 연마되지 않은 채 남는다.
특수한 연마 기계 및 신규한 연마 방법이 고유하게 뒤틀린 웨이퍼로 처리하기 위해서 요구된다. 본 발명의 발명자들은 뒤틀린 경질 물질막에 적합한 특수한 연마 기계를 제조했다. 샘플 ① 내지 ⑧, 샘플 ⑩ 및 샘플 ⑫는 특수한 기계에 의해 연마된다. 연마는 막의 조도를 줄이고 웨이퍼의 뒤틀림을 변화시킨다. 그 후, 조도 및 뒤틀림은 또한 연마후 샘플에 대해 다시 측정된다. 몇 가지 샘플들은 오목 뒤틀림 또는 물결 형상 때문에 완벽하게 연마될 수 없다. 그 후, 연마된 부분 대 전체의 비가 또한 측정된다. 조도는 연마에 의해 감소된다. 뒤틀림은 또한 연마에 의해 증가하거나 감소한다. 일반적으로, 연마는 뒤틀림을 줄인다.
연마 방법 및 장치가 Si 또는 GaAs 웨이퍼의 경우와는 상이하기 때문에, 기계의 구조가 먼저 설명된다.
제11도는 본 발명이 뒤틀림을 가진 웨이퍼에 대해 채택하는 연마기계를 나타낸다. 제12도는 호울더의 확대된 부분이다.
턴-테이블(41)은 회전 샤프트(42)에 의해 지지되고 구동된다. 턴-테이블(41)은 다이아몬드 웨트스톤이다. 턴-테이블(41)이 경질 막을 가는 것을 목적으로 하기 때문에, 턴-테이블(41)은 표면 상에 다이아몬드 분말로 덥혀져야만 한다. 턴-테이블(41)의 표면 상에 다이아몬드 입자들은 그 자체를 닳게 함에 의해 물체를 연마한다. 이것은 수십 내지 수백 시간이 걸린다. 탄성 버퍼(11)(예컨대, 고무 디스크)가 호울더(3)의 바닥에 점착된다. 복합 웨이퍼(2)는 버퍼(11)에 고정된다. 버퍼의 사용은 하나의 고안이다. 주 샤프트(4)는 호울더(3)의 중앙에 접합된다. 주 샤프트(4)는 호울더(3)으로 축의 힘(압력) 및 회전 토크를 전달한다. 그러나, 호울더(3)는 샤프트(4)에 고정되지 않는다. 샤프트(4)는 호울더가 특정한 범위내에서 임의의 방향으로 기울어지도록 한다. 호울더(3)는 때때로 샤프트(4)와는 상이한 그의 축 둘레(중앙에서의 법선)를 회전한다. 축과 샤프트 사이의 각은 경사각 또는 기울어진 각이라고 한다. 턴-테이블(디스크 웨트스톤)(1)은 회전 샤프트(21) 둘레를 회전한다.
보조 샤프트(10)는 호울더 상에 한점을 누른다. 암(6)은 주 샤프트(5) 및 보조 샤프트(10)의 상부 말단을 지지한다. 유압 실린더(5)는 강한 압력을 호울더 샤프트(4)에 적용하기 위해 암(6)상에 장착된다. 웨이퍼가 주 샤프트(4)로부터 강한 힘에 의해 턴-테이블 상에 다이아몬드 분말하에서 눌러진다. 다이아몬드 분말을 그 자체를 버림에 의해 웨이퍼의 경질막을 문질러 벗긴다. 압력은 막의 문질러 벗겨짐 뿐만 아니라 디스크 웨트스톤(1) 상에 고정된 다이아몬드 분말의 낭비를 개선한다.
모터(7)는 호울더 샤프트(4)를 회전시키기 위하여 암(6)상에서 장착된다. 모터(7)의 토크는 풀리(16)를 거쳐 모터의 출력 샤프트(15)및 주 샤프트(4)의 풀리로 벨트(8)로부터 전달된다. 샤프트(4)는 중앙에 법선이고 주 샤프트(4)와는 상이한 자체 축에 대해 호울더(3)를 회전시킨다. 유압 실린더(9)는 보조 샤프트(10)하에 강한 힘을 적용하기 위한 암(6)상에 장착된다. 원형 홈(13)이 호울더(3)의 상부 표면 상에 파내어진다. 보조 샤프트(10)의 하부 말단은 홈(13)을 민다.
주 샤프트(4)는 주 샤프트로부터 호울더로 축의 힘 및 회전력을 전달하지만 호울더(3)가 샤프트로 상대적으로 기울어지게 한다. 보조 샤프트(10)의 사선의 힘은 호울더(3)를 턴-테이블(1)로 기울어지게 한다. 경사는 주 샤프트(4) 및 호울더(43)의 법선(회전축) 사이의 경사각에 의해 나타내어진다. 경사각은 보조 샤프트(10)의 힘에 따라 달라진다. 웨이퍼(2)의 블록-뒤틀림은 호울더(3)의 경사가 평탄하게 한다. 턴-테이블에 대한 웨이퍼(45)의 접촉점은 경사각에 의해 달라진다. 그 결과, 접촉점이 보조 샤프트(4) 및 보조 샤프트(10) 사이에 힘을 할당함에 의해 조절될 수 있다. 전체의 표면이 충분히 중앙으로부터 주면으로 주면으로부터 웨이퍼의 중앙으로 접촉점을 움직임에 의해 연마된다.
앞서 설명된 바와 같이, 경질 물질 코팅된 웨이퍼는 주 샤프트에 고정된 호울더를 가진 일반적인 기계에 의해 전적으로 연마될 수는 없다. 약간의 부분은 연마되지 않은 채 남아 있다. 웨이퍼가 매우 오랜 시간동안 일반적인 기계에 의해 처리된다면, 연마되지 않은 부분은 제거될수 있다. 그러나, 그렇다면, 막의 다른 부분은 닳아져서 기판이 나타난다. 일반적인 기계의 문제점이 현재 제13도 내지 제15도를 참조하여 명확해진다. 연마 후, 웨이퍼의 상태는 합성 후 웨이퍼의 상태에 달려 있다.
(1) 평탄한 웨이퍼의 경우(제13도) : 누구나 막의 합성 후 평탄한 웨이퍼가 평탄한 거울상 웨이퍼로 연마될 것이라고 생각할 수 있지만, 사실은 그렇지 않다. 평탄한 웨이퍼는 망상으로 분포하는 미연마된 부분이 생긴다. 제13도는 미연마된 부분의 분산을 가리킨다. 미연마된 부분은 광이 망상으로 산란되고 약하게 굴절되기 때문에, 거칠고 무딘 것처럼 보인다. 시야로 하는 관찰은 쉽게 미연마된 부분을 배경의 연마된 부분과 구분할 수 있다. 그 결과, 합성될 적에, 미연마된 부분은 연마에 적합하지 않다. 이것은 예상하지 못한 결과이다.
(2) 오목하게 뒤틀린 웨이퍼의 경우(제14도; H＞ 0): 중앙 부분 및 주면이 연마된다. 고리 형태의 연마되지 않은 부분이 중간 영역에 연마되지 않은 채 남아 있다.
(3) 볼록하게 뒤틀린 웨이퍼의 경우(제15도; H＜0): 중앙 부분 및 중간 부분이 연마된다. 주면은 연마되지 않은 채 남아 있다.
임의의 경우에, 일반적인 기계는 거울상-연마 경질 물질 웨이퍼에 적합하지 않다.
대조적으로, 본 발명은 샤프트 및 볼록한 형상의 웨이퍼로 기울어질 수 있는 호울더를 채택함에 의해 웨이퍼 전체를 연마할 수 있다.(H＜0). 모든 표면은 본 발명의 기계(제11도 및 제12도)에 의해 거울상 연마된다. 본 발명의 연마 결과는 표면 전체가 거울상-연마되기 때문에 도면내에 표시되어 있지 않다. 그 후, 샘플 1 내지 12는 제11도 및 제12도내 명시된 기계에 의해 연마된다. 조도, 연마된 면적 대 전체 면적의 비 및 뒤틀림 높이가 측정된다. 표 3은 측정 결과를 나타낸다.
(조도의 단위(nm)에 주의하라. 1000nm=1㎛)
(샘플 9 및 11은 합성에서 야기되는 균열 또는 부서짐때문에 연마되지 않는다)
연마후 샘플의 조도는 R1nm 내지 R100nm 및 R0.3nm 내지 R40nm의 범위이다. 미리 연마되는 웨이퍼 및 후에 연마되는 웨이퍼 사이에 뒤틀림의 단위가 상이하다는 것이 명시되어야만 한다. 미리 연마되는 샘플에 대해 표 2는 조도를 표시하기 위해서 ㎛를 사용한다. 후에 연마되는 웨이퍼에 대해 표 3은 조도를 나타내기 위해서 nm를 채택한다. 제5도는 연마된 웨이퍼의 간략화된 단면을 나타낸다.
연마 전에 중간 조도를 가지는 샘플 ①은 R8nm 및 R1nm까지 조도를 연마가 조도를 줄인다. 이것은 마스크로부터의 패턴이 광리소그라피에 의해 웨이퍼 상에 내성을 가지도록 전사할 수 있도록 하는 중간 조도이다. 광리소그라피는 R50nm 및 R20nm 이하의 조도를 필요로 한다. 뒤틀림은 예비-연마 값(-50㎛)과는 거의 상이함이 없는 -48㎛이다.
연마 전에 커다란 조도를 가지는 샘플 ③은 R40nm 및 R8nm의 후-연마 조도를 가진다. 커다란 예비 연마 조도를 일반적으로 후-연마 조도가 크게 한다. 뒤틀림은 연마 후, -150㎛ 내지 -139㎛로 약간 상이하다.
작은 조도를 가진 GaAs 기판 및 다이아몬드 막을 가진 샘플 ④는 R50nm 및 R20nm의 한계치 보다 훨씬 낮은 R5nm 및 R0.4nm의 작은 조도를 가진다. 뒤틀림은 미리 연마하는 값과 동일한 -30㎛이다.
샘플 ⑤는 연마 전에 매우 작은 조도를 가진 AlN 기판 및 다이아몬드 형태 탄소 막을 가진다. 조도는 R1nm 및 R0.3nm까지 감소한다. 이것은 매우 평탄한 거울상 연마된 표면이다.
샘플 ⑥은 c-BN막을 생성하는 실시예이다. 고유 조도는 매우 작다(R1600nm 및 R500nm). 연마는 만족스러운 값인 R3nm 및 R0.6nm 까지 조도를 줄인다. 뒤틀림은 미리 연마시키는 것과 후에 연마시키는 것 둘 다에 대해 -50㎛이다.
샘플 ⑦은 LiTaO기판 상에 100㎛다이아몬드 막을 형성하는 실시예이다. 너무두꺼운 막은 표면 형태를 나쁘게 한다. 커다란 예비 연마조도(R7000nm 및 R4200nm)는 광리소그라피의 적용에 한계치와 같은 R50nm 및 R20nm의 커다란 후연마 조도를 야기시킨다. 뒤틀림(-5㎛)은 연마에도 불구하고 일정하게 유지된다.
샘플 ⑧은 4-인치 수정 기판 및 얇은 (5㎛) 다이아몬드 막이다. 이것은 매우 평탄한 막(R300nm 및 R100nm)이다. 연마는 조도를 R1nm 및 R0.3nm까지 감소시킨다.
너무 두꺼운 막에 기인하여 웨이퍼 상에 균열을 가진 샘플 ⑨는 연마될 수 없다. 샘플 ⑩은 만족스럽게 작은 평탄함(R150nm 및 R50nm)을 가지지만 연마 전에 오목-뒤틀림 +200㎛를 가진다. 조도가 작기 때문에, 연마가 조도를 줄일 것이라고 예상되지만 사실은 그 반대이다. 후-연마 조도는 광리소그라피 적용의 영역 이하인 R70nm 및 R25nm이다. 연마는 평탄한 웨이퍼를 만들지 못한다. 또한, 샘플 ⑩은 50%의 연마되지 않은 표면을 남긴다. 연마는 왜 거의 뒤틀림을 가지지 않은 샘플 ⑩에 대해 그토록 비활성인가? 이것은 커다란 오목-뒤틀림에 의해 야기된다. 오목 변형은 오목 부분이 주 샤프트로부터 적용된 강한 압력에도 불구하고 턴테이블과 접촉하지 않도록 한다. 샘플⑩은 뒤틀림의 형태(H＜0 또는 H＞0)가 연마에 커다란 영향을 가진다는 것을 명확히 한다.
GaAs기판 상에 c-BN막을 생성하는 샘플 ⑫는 R2.1㎛ 및 R0.9㎛의 작은 조도를 가진다. 조도는 또한 연마 후, R100nm 및 R40nm이다. 10의 표면이 연마되지 않은 채 남아 있다. H=0의 복합 웨이퍼는 미소한 볼록 또는 오목한 면을 가진 물결 형상의 변형을 가진다. 그 후, 미연마된 부분이 연마 후, 망상으로 분포된다.
일반적으로, 연마가 조도를 적절한 블록-뒤틀림의 경우에 대략 1/100 내지 1/30까지 조도를 줄일 수 있다. 뒤틀림 H는 연마에 의해 H'까지 감소하지만, 뒤틀림의 형태(H의 표시)는 유지된다.
그 후 알루미늄 막이 제6도 내 명시된 바와 같이, 150nm의 두께까지 경질 막 상에서 증발된다. 빗 형태의 전극이 Al 막을 선택적으로 광리소그라피에 의해 엣칭시킴에 의해 경질 막 상에 형성된다. 제7도는 웨이퍼의 단면을 나타낸다. 빗-형상의 전극은 표면 음향파 장치(SAW)에 대표적인 전극인 인터디지탈 변환기라 한다. Al전극의 선 폭은 0.6 내지 2㎛로 변경된다. 막의 거칠음은 좁은 철사를 절단하는 경항이 있다. 철사 절단에 대한 양이 모든 샘플들에 대해 조사된다. 표4는 선폭 및 철사-절단에 대한 양을 기재한다.
2-인치(100) Si 웨이퍼 상에 30㎛ 두께의 다이아몬드 피막을 갖는 시료 ①은 1㎛ 라인 폭 전극 패턴의 양품률이 98% 임을 나타내며, 이것은 만족스런 양품률이다.
4-인치(111) Si 웨이퍼 상에 50㎛의 다이아몬드 피막을 갖는 시료 ②는 0.8㎛ 라인 폭 전극의 양품률이 96%임을 나타낸다. 상기 결과는 서브마이크론 와이어링 패턴을 충분히 높은 양품률로 제조할 수 있음을 나타낸다.
8-인치 폴리실리콘 웨이퍼 상에 100㎛의 다이아몬드 피막이 쌓인 시료 ③은 1.2㎛ 라인 폭 전극 패턴의 양품률이 97%임을 나타내며, 이것은 만족스런 양품률이다.
1-인치 GaAs 웨이퍼 및 15㎛의 다이아몬드 피막을 갖는 시료 ④는 1.5㎛라인 폭 전극 패턴의 양품률이 95%임을 나타낸다.
3-인치 AlN 웨이퍼 및 5㎛의 다이아몬드-형태 탄소 피막을 갖는 시료 ⑤는 양호한 뒤틀림(H=-5㎛) 및 Rmax1nm 및 Ra0.3nm의 탁월한 편평도를 갖는다. 0.6㎛ 라인 폭의 인터디지탈 전극의 생성양품률은 94%이다. 이는 시료중에서도 가장 폭이 좁은 전극이므로 이러한 좁은 라인 폭에서 상기 결과가 수득된 것은 놀라운 일이다.
-50㎛의 뒤틀림을 가지며 2-인치 LiNbO3기판상에 30㎛의 c-BN피막을 형성하는 시료 ⑥은 1㎛라인 폭의 인터디지탈 전극 제조시 99%의 양품률을 나타낸다. 상기 결과는 이러한 큰 뒤틀림으로 피막상에 좁은 와이어링 패턴을 제조할 수 있음을 나타내고 있다. 또한 상기 시료는 c-BN으로부터 양호한 웨이퍼를 제조할 수 있는 가능상을 나타내고 있다.
5-인치 LiTaO3기판상에 100㎛의 두꺼운 다이아몬드 피막을 제조한 시료 ⑦은 Rmax50nm 및 Ra20nm의 열등한 편평도를 갖는다. 0.8㎛라인 폭 전극 패턴을 제조하기 위한 양품률은, 그러나, 94%이다. 상기는 만족할만한 결과이다.
4-인치 석영 기판 및 5㎛ 다이아몬드 피막으로 구성된 시료 ⑧은 양호한 편평도를 가지나 -50㎛의 큰 뒤틀림을 갖는다. 2㎛폭 라인의 빗살-모양 전극이 피막상에서 제조될 때, -50㎛의 비교적 큰 뒤틀림에도 불구하고 그 양품률은 97%이다.
상기의 모든 구체적인 실시예는 30% 이상의 높은 양품률을 나타내고 있다. 즉, 상기 구체적인 실시예는 라인의 파괴가 없다. 그 이유는 상기 피막의 볼록 또는 오목 없이 편평한 표면을 갖기 때문이다. 또한, 모든 구체적인 실시예는 모두 연마된다. 모든 구체적인 실시예의 경우 표면의 100%가 완벽하게 연마된다. 이는 양호한 SAW 장치가 본 발명의 복합 웨이퍼로부터 고양품률로 생성될 수 있음을 의미한다. 복합 웨이퍼가 좁은 전극 패턴을 제조할 수 있으므로, 상기 웨이퍼가 반도체 장치 제조시 기판 웨이퍼로서 사용될 때, 다양한 장치가 광리소그라피 기술에 의하여 본 발명의 경질-물질 웨이퍼로부터 제조될 수 있다.
기판이 합성 중에 깨지기 때문에 비교 실시예인 시료 ⑨는 연마될 수 없다.
합성 중에 파괴되므로 시료 ⑪ 역시 연마될 수 없다.
8-인치(100) Si 웨이퍼상에 2㎛의 다이아몬드 피막이 형성된 시료 ⑩은 피막 형성 직후에는 탁월한 편평도를 갖는다. 그러나 연마 후 시료 ⑩은 Rmax70nm 및 Ra25nm의 불량한 편평도를 갖는다. 표면의 50%는 연마되지 않은 채로 남겨진다. 이러한 불량한 특성은 아마도 +200㎛의 큰 오목-뒤틀림으로부터 유래된다. 인터디지탈 전극이 연마부상에서 형성될 때, 양품률은 겨우 3%이다. 즉, 시료 ⑩은 전극 패턴을 형성하기 부적당하다. 이는 오목-뒤틀림 및 연마의 불완전성에 의한 것이다.
3-인치 GaAs 웨이퍼상에 30㎛의 c-BN 피막을 부착시킨 시료 ⑫는 뒤틀림이 없다. 뒤틀림이 0임에도 불구하고, 상기는 물결형 변형을 갖는다. 따라서 시료 ⑫는 물결형 변형에 기인하여 편평하게 될 수 없다. 시료 ⑫는 Rmax100nm 및 Ra40nm의 불량한 후-연마 거칠기를 갖는다. 표면의 10%가 연마되지 않은 채로 남아있다. 0.6㎛ 폭의 전극 패턴이 연마부상에서 제조될 때 그 양품률은 15%이다. 상기는 실용적인 유용성이 없다. 이러한 불량한 양품률은 연마의 어려움으로부터 유래되는 것이다.
제18도는 본 발명의 연마 장치의 사시도를 나타내는 것이다. 이는 제11도 및 제12도에 나타난 장치와 유사하다. 그러나 상기 장치는 볼록으로 뒤틀린 웨이퍼 외에 + H를 갖는 오목으로 뒤틀린 웨이퍼에 또한 적용될 수 있다. 상기 볼록으로 뒤틀린 웨이퍼는 볼록 형태 스페이서에 의하여 볼록으로 뒤틀린 웨이퍼로 재형성될 수 있다. 상기 장치는 회전 턴-테이블, 및 턴-테이블과 접촉하고 있는 목적 웨이퍼를 고정시키는 회전 호울더로 구성되어 있다. 제17도의 장치와 특히 다른 점은 호울더의 세차운동 또는 흔들림이다.
상기 턴-테이블(1)은 표면상에 다수의 다이아몬드 과립을 같는 원형 다이아몬드 웨트스톤이다. 상기 턴-테이블은 수지-결합된 다이아믄도 웨트스톤, 금속-결합된 다이아몬드 웨트스톤, 전자부착된 웨트스톤, 작은 다이아몬드 펠릿 웨트스톤 또는 다이아몬드 펠릿 웨트스톤 중의 어느 하나에 의해 제조될 수 있다. 상기 턴-테이블(1)은 회전 샤프트 주위를 회전한다. 호울더(3)는 상부 표면의 중심에 주 샤프트(4)를 갖는 더 작고 원형인 도구이다. 경질-물질로 피복된 웨이퍼(2)는 볼록으로 뒤틀린 상태로 버퍼(11)를 통해서 호울더(3)의 바닥에 달라붙는다. 주 샤프트(4)는 호울더(3)에 압력과 토오크를 부여하여, 호울더(3)가 경사각의 어느 정도의 범위 내에서 기울게 한다. 상기 호울더(3)는 아래방향으로 밀려지며 샤프트(4)에 의하여 회전된다. 그러나 샤프트(4)는 호울더(3)의 기울어짐을 방해하지 않는다. 상기 샤프트(4)는 언제나 호울더(3)에 수직이다. 이러한 점이 중요하다.
상기 버퍼(11)는 고무, 플라스틱 또는 기타 탄성 물질로 제조된다. 상기 버퍼(11)는 두 가지 역할을 한다. 하나의 역할은 웨이퍼(2)가 파괴되는 것을 막기 위하여 무거운 부하로부터 강한 압력을 경감시키는 것이다. 또 다른 하나의 역할은 샤프트로 호울더가 진행하게 하는 이방성 압력을 흡수시키는 것이다. 즉 상기 버퍼는 웨이퍼상에 가해지는 압력을 평형화시키기 위해서 탄성 변형에 의하여 호울더(3)가 샤프트(4)로 쉽게 진행하도록 한다.
상기 구동 장치는 샤프트(4)상에 설치된다. 구동 장치는 약간의 압력으로 회전가능한 샤프트(4)를 지지하는 베어링 및 조인트(도면에 나타나 있지 않음)를 포함한다. 풀리는 조인트보다 샤프트(4)의 더 낮은 회전부상에 고정된다. 샤프트상에 강한 힘을 부여하기 위한 조인트상에 실린더(5)가 갖추어져 있다. 큰 중량이 경질-물질로 피복된 웨이퍼를 연마시키기 위해 필요하다. 실린더(5)는 호울더상에 큰 질량을 부여한다. 상기 실린더는 호울더(3)의 중심에 응집된 부하를 가한다. 상기 실린더(5)는 예를 들면 유압 실린더 또는 기압 실린더이다.
수평으로 뻗은 암(6)은 실린더(5) 및 샤프트(4)를 지지한다. 모터(7)는 암(6)의 상부에 구비되어 있다. 모터(7)의 회전은 모터 풀리, 벨트(8) 및 샤프트 풀리를 통해 샤프트(4)로 전달된다. 상기 샤프트는 호울더(3) 및 경질 물질로 피복된 웨이퍼(2)를 회전한다. 상기 호울더(3)는 그 샤프트(4) 주위를 회전한다. 턴-테이블(1)은 회전 샤프트 주위를 회전하여, 더 큰 원을 그린다.
제19도는 호울더부, 주 샤프트(4)부 및 보조 샤프트(10)부를 나타내고 있다. 상기 샤프트(4)는 구부릴 수 있는 (12)에 의하여 호울더(3)에 결합되어 있다. 상기 구부릴 수 있는 (12)는 호울더(3)로 축압 및 회전을 전달하지만 호울더를 슬랜트로 전달할 수 있다. 샤프트의 바닥과 호울더 사이의 접촉은 예를 들면 샤프트를 기울게 할 수 있는 구형 표면에 의한다. 그러나 샤프트와 호울더는 제18도의 구체적인 실시예에서 몇개의 회전 전달 장치, 예를 들면 방사상 핀 및 홀을 구비하고 있다. 토오크 외에, 상기 샤프트(4)는 호울더(3)의 중심에 응집된 중량을 부여한다.
제20도는 바닥상에 웨이퍼를 갖는 호울더의 상태를 나타내고 있다. 탄성 버퍼(1)는 호울더(3)의 바닥에 고착되어 있다. 그 후 볼록 스페이서(14)가 버퍼(11)상에 놓인다. 상기 웨이퍼(2)는 볼록으로 뒤틀린 상태에서 볼록 스페이서(14)와 버퍼(11)를 통해 호울더(3)의 중심에 부착되어 있다. 몇 개의 웨이퍼는 초기에는 볼록으로 뒤틀려 있다. 다른 웨이퍼는 초기에는 오목으로 뒤틀려 있다. 나머지는 편평하다. 편평한 웨이퍼 또는 오목으로 뒤틀린 웨이퍼는 제20도에 나타나 있는 것처럼 볼록 스페이서(140를 삽입함에 의하여 볼록 뒤틀림으로 교정된다. 볼록 뒤틀림 웨이퍼에는 스페이서가 필요없다. 볼록으로 뒤틀린 웨이퍼는 제19도에 나타나 있는 것처럼 버퍼(11)에 직접 부착될 수 있다. 물론, 스페이서가 웨이퍼의 볼록 상태를 고정시키기 때문에 볼록 스페이서의 삽입은 본래 볼록으로 뒤틀린 웨이퍼의 경우 훨씬 유용하다. 통상적인 방법은 호울더에 편평한 물체를 부착하여 물체의 바닥과 호울더의 표면 사이가 평행하게 한다. 본 발명은 통상적인 방법과 달리 볼록으로 뒤틀린 상태에서 호울더상에 웨이퍼를 고착한다.
중요한 점은 샤프트(4)와 호울더(3) 사이의 각이 직각을 벗어나게 하면서 샤프트쪽으로 호울더의 세차 운동 또는 흔들림 운동이다. 세차는 상부의 운동으로 일반적으로 공지되어 있다. 회전 물질의 축은 또한 세차운동 중인 역 콘상에서 회전한다. 호울더의 세차운동은 호울더의 법선이 역 콘상으로 회전하고 있다는 것을 의미한다. 법선은 물체의 면에 수직인 라인으로서 면의 방향을 나타내는 것으로 정의된다. 샤프트는 턴-테이블에 수직으로 유지된다. 호울더는 샤프트에 자유롭게 기울어져 있다. 따라서 호울더의 회전축은 샤프트와 동일하지 않다. 회전축은 호울더의 중심에서 정해진 법선과 동일하다. 세차운동시, 샤프트와 축 사이의 기울어진 각은 항상 일정하며 콘의 상부 각의 1/2에 해당한다.
흔들림 운동은 회전 물질의 축이 특정 범위 내에서 수직면 내에서 진동한다는 것을 의미한다. 그 후 샤프트와 회전축 사이의 경사각은 특정 범위내에서 진동한다. 축 주위를 회전하면서, 호울더(3)는 흔들림 운동으로 경사각 ψ를 변화시킨다.
즉 흔들림 운동은 두 가지 종류의 호울더의 회전을 포함하고 있다. 설명하기 편리하게 하기 위해서 3차 좌표가 정의된다. 원점은 턴-테이블의 중심이다. Z-축은 호울더의 주 샤프트 또는 턴-테이블의 샤프트 방향이다. X-축은 턴-테이블의 중심을 호울더의 중심과 연결시키는 방사 방향이다. Y축은 호울더의 중심에서 탄젠트 방향과 평행하다. 회전의 한 종류는 샤프트 주위의(또는 Z-축 주위의) 법선 회전이다. 다른 종류의 회전은 Y-축(탄젠트 방향) 주위의 호울더를 상호 부분 회전(또는 진동)하는 것이다.
상기 언급된 구부릴 수 있는 Y-축 주위의 호울더를 회전시킨다. 구부릴 수 있는 실린더(5)로부터의 압력을 전달한다. 그러나 구부릴 수 있는 통상 호울더로 회전 토오크를 전달하거나 토오크를 전달하지 않는다.
후자의 경우, 상기 장치는 호울더를 구동시키기 위한 모터를 갖고 있지 않아서 호울더가 자유롭게 회전한다. 상기 호울더는 내부 영역과 외부 영역 사이의 턴-테이블의 라인 속도의 차이에 의해서 회전된다. 상기 회전은 턴-테이블의 회전에 의하여 유도된다. 이러한 경우, 구부릴 수 있는 회전 토오크를 전달할 필요가 없다.
전자의 경우, 상기 장치는 호울더를 포지티브 방향으로 회전시키는 모터를 가지고 있다. 상기 경우, 회전 토오크는 구부릴 수 있는 에 의하여 전달된다. 제18도는 모터는 갖는 실시예를 나타내고 있다. 물론, 본 발명의 두가지 경우에 모두 응용가능하다.
상기 호울더의 흔들림은 웨이퍼가 볼록 상태로 호울더의 하부상에 고정되기 때문에 부분적으로 허용된다. 그러나 호울더의 흔들림을 위해 요구되는 여러 조건 중에서 하나의 조건일 뿐이다. 다른 더 중요한 조건은 호울더를 포지티브 방향으로 흔들게 하는 장치이다. 흔들림 장치의 실시예가 설명되어 있다.
위 아래로 왕복운동을 할 수 있는 보조 샤프트(10)가 제18도 및 제19도에 나타난 바와 같이 호울더의 흔들림 운동을 유도하기 위하여 암(6)상에 설치된다. 압력 실린더(9)는 보조 샤프트(10)를 주기적으로 아래로 밀어내거나 위로 들어올린다. 보조 샤프트(10)는 호울더(3)의 상부 표면으로 수직 방향으로 아래로 뻗어진다. 보조 샤프트(10)의 바닥은 호울더(3)상에서 원형의 홈 꼭지(groove dug)를 밀어낸다. 턴-테이블의 회전 샤프트, 호울더의 주 샤프트 및 보조 샤프트는 수직 면에 필수적으로 배열할 필요가 없다. 보조 샤프트(10)의 상호 운동은 호울더(3)의 주변점을 위로 들어올리고 아래로 압축한다. 따라서 상기 호울더(3)는 흔들림 운동을 만들고 그 범위는 보조 샤프트(10)의 스트로크에 의해 결정된다.
보조 샤프트의 수는 임의로 결정된다. 제18도는 단일 보조 샤프트의 한 실시예를 나타내고 있다. 단일한 보조 샤프트까지도 호울더의 상호 흔들림 운동을 유도할 수 있다. 단일한 보조 샤프트가 호울더를 흔들 수 있는 이유는 웨이퍼가 볼록으로 뒤틀린 상태에서 호울더의 바닥상에 웨이퍼가 부착되어 홀더를 기울게 할 수 있기 때문이다. 그 기작이 이제 더 상세히 기술된다. 미리 채택된 3 차원 좌표가 설명을 위해 사용된다. Z-축은 턴-테이블 샤프트의 위 방향이다. X-축은 턴-테이블의 중심에서 호울더의 중심으로 그려진 방사방향이다. Y-축은 호울더의 중심에서 탄젠트방향이다. 더 간단하게 설명하기 위해서, 턴-테이블의 샤프트, 호울더의 주 샤프트 및 보조 샤프트(10)가 단일한 수직면 내에서 배열될 것이다. 이러한 가설은 호울더(10)의 흔들림 운동을 유도하기 위한 보조 샤프트(10) 작동의 일반성을 손상시키지 않는다.
제24도는 턴-테이블(1)의 중심(O), 주 샤프트(4)의 중심(B) 및 보조 샤프트(10)의 중심(C)사이의 기하학적인 관계를 나타내고 있다. G는 턴-테이블 상 웨이퍼의 접촉 영역의 중심이다. O, B, G 및 C는 X-축을 따라 배열된다.
B는 B(b, 0, 0)으로 표시된다. 보조 샤프트의 C는 C(c, 0, 0)으로 표시된다. 원형의 홈(13)은 호울더의 주변상에 존재한다. 홈(13)의 반경(f)은 c-b(f=c-b)이다. 보조 샤프트(10)의 기부가 홈(13)상에서 미끄러진다. 호울더(3)는 회전하지만 보조 샤프트(10)는 회전하지 않는다. 보조 샤프트는 실린더(9)에 의하여 작은 범위내에서 수직방향(Z-축)에 상응한다. 보조 샤프트(10)가 가라앉으면, 호울더(3)의 왼쪽이 내려가고 호울더의 오른쪽은 올라간다. 보조 샤프트(10)가 증가하면, 호울더(3)의 왼쪽은 올라가고 오른쪽은 내려간다. 상기 운동은 ZX-면 내에서의 흔들림 운동이다. 보조 샤프트가 상응할때, 호울더는 ZX-면 내에서 진동한다. 즉 호울더의 법선이 ZX-면 내에서 단순하게 진동한다.
제25도는 접촉점의 변화를 나타낸다. 웨이퍼의 표면은 이제 구형이다. 웨이퍼는 G점에서 턴-테이블과 접촉한다. 실제로, 턴-테이블과 웨이퍼는 변형된다. 접촉 영역은 어느 정도 한정된 영역이 된다. G점은 접촉 영역의 중심으로서 고려되어야 한다. 따라서 G점(g, 0, 0)의 좌표가 이제 힘의 균형에 의해 측정된다.
H는 주 샤프트상에 가해지는 힘이다. J는 보조 샤프트상에 작용되는 힘이다. K는 G점의 반대 힘이다. 힘과 토오크의 균형이 하기 두 개의 방정식을 제공한다.
상기 방정식의 해는
g = (Hb +Jc)/(H + J).
G점의 위치를 결정하는 방법은 웨이퍼의 만곡, 커브의 특이점, 턴-테이블의 탄성 계수, 및 턴-테이블과 웨이퍼 사이의 마찰계수와 관련이 없다. J=0일때, G점은 포인트 B점과 일치한다. J가 커질수록 G점은 B점으로부터 C점으로 치환한다. 볼록-뒤틀림은 G점의 치환을 위해 필요한 조건 중의 하나이다. G점을 완만하게 치환시키기 위해서는 볼록 뒤틀림이 만족할만하다. G점의 위치는 샤프트(4) 및 (10)상에 작용하는 힘의 비율에 의하여 고유하게 측정된다. G점이 b점과 일치할 때, 웨이퍼의 좁은 중앙부분만이 연마된다. 그러나 G점이 B점으로부터 이탈되면, 호울더가 회전하기 때문에 접촉점은 궤적으로서 원을 그린다. 따라서 접촉 영역은 일정한 폭을 갖는 원형의 띠가 된다.
제25도는 웨이퍼의 경사각 ψ과 샤프트상에 작용하는 힘의 비율의 함수로서 접촉점 사이의 관계를 나타내고 있다.
① 제25도는 J=0인 경우를 보여주고 있다. 상기 웨이퍼는 수평이며 ψ는 0이다. 접촉점 G1은 B점이다. ② 제25도는 보조 샤프트상에 작은 힘 J에 의해 유도된 작은 ψ를 갖는 웨이퍼의 작은 경사를 나타낸다. 접촉점 G2는 B점으로부터 이탈된다. ③ 은 또한 힘의 증가 J에 의하여 유도된 웨이퍼의 경사를 나타낸다. 접촉점 G3은 C점 쪽으로 약간 치환한다. ④는 더 큰 경사를 나타낸다. G4는 C점 근처가 된다. ⑤는 더 큰 J의 극한 경우를 나타내고, 접촉점 G4는 C점과 일치한다. 보조 샤프트상의 힘 J가 증가할수록, 접촉 지점 G는 B점으로 부터 C점으로 이동된다.
호울더가 회전하기 때문에, 접촉점은 웨이퍼상에 동심원을 그린다. 제34도는 G1, G2, G3, G4 및 G5와 일치하는 웨이퍼상에서의 접촉 영역의 변화를 나타낸다. 접촉 G1은 중심의 좁은 영역이다. 접촉 라인 G2는 가장 작은 원이다. 접촉 라인 G3은 다음으로 작은 원이다. 접촉 라인 G4는 중간-크기의 원이다. 접촉 라인 G5는 가장 큰 원이다. 실제적으로, 웨이퍼와 턴-테이블의 탄성 변형이 라인에서 구역으로 접촉점을 넓힌다. 접촉 영역은 라인 G2에서 G5까지의 양면상의 특정폭만큼 넓혀지는 링 구역이 된다.
접촉이 G1에서 G5까지 이동할 때, 연마가 웨이퍼의 중심으로부터 주변까지 진행된다. 반대로, 접촉점이 주변으로부터 중심까지 옮겨진다면, 연마는 주변에서 중심으로 이동된다. 특정한 경우에서, 웨이퍼의 전체 표면은 흔들림 운동에 의하여 연마될 수 있다. 볼록으로 뒤틀린 상태에서 웨이퍼를 호울더에 부착시키고 호울더를 흔드는 이유는 웨이퍼의 전체 표면을 연마시키기 위해서 중심과 주변 사이의 접촉 영역을 자유롭게 변화시키기 때문이다.
접촉점 G의 위치는 보조 샤프트의 힘 J에 대한 주 샤프트의 힘 H의 비율에 달려있으나 J와 H의 절대값에는 영향을 받지 않는다. 전체 힘(J+H)은 여분의 조절 변수로서 비축될 수 있기 때문에 편리하다. 연마 속도는 전체 힘(J+H)에 의해 자유롭게 조절된다. 예를 들면, 연마 속도 또는 압력이 웨이퍼의 재료, 두께, 직경 등을 조절해야 하는 경우가 있다. 자유 변수, K=H+J의 존재가 연마 공정을 조절하는데 편리하다.
접촉점 G는 J/H의 비율을 변화시킴에 따라 웨이퍼의 중심(B)과 주변(C)사이에서 왕복운동을 한다. 따라서 전체 웨이퍼 표면은 균일하게 연마될 수 있다. 상기 웨이퍼는 처음에는 오목부도 없으며 물결부도 없다. 나중에 상기 웨이퍼는 미연마부 또는 불충분하게 연마된 부분을 남기지 않고 균일하게 연마될 수 있다.
통상의 연마 방법으로는 제23도에 나타나는 바와 같이 볼록으로 뒤틀린 웨이퍼의 경우 주변부를 연마시킬 수 없다. 중간부는 제22도에 나타난 바와 같이 오목으로 뒤틀린 웨이퍼의 경우 미연마부가 남아있다. 편평하지만 물결형 웨이퍼의 경우, 미연마부는 제21도에 나타난것처럼 랜덤하게 남아있다. 통상의 방법과 달리, 본 발명의 볼록으로 뒤틀린 상태에서 웨이퍼를 고정시키고, 회전 호울더를 흔듦으로써 웨이퍼를 연마시킨다. 본 발명은 볼록을 변형된 웨이퍼를 연마시키기 위한 호울더의 회전축을 흔들기 때문에 완전히 새롭다. 상기 세차운동은 본 발명 호울더의 흔들림 운동으로서 유리하다. 그러나 상기 세차운동은 흔들림 운동보다 더 복잡한 운동이다. 따라서 상기 세차운동이 나중에 설명될 것이다.
기판의 강도 및 웨이퍼의 크기가 바람직한 볼록-뒤틀림 높이를 결정한다. 적당한 볼록-뒤틀림 높이는 0.1mm 내지 2.1mm 범위의 두께 및 1인치(25mm) 이상의 지경을 갖는 웨이퍼의 경우 -3㎛ 내지 -50㎛이다. 더욱 적당한 볼록-뒤틀림 높이는 -3㎛ 내지 -20㎛이다. 앞서 언급된 것처럼, 뒤틀림은 원주를 포함하여 평면으로부터의 중심의 높이에 의하여 나타내어 진다. 상기 높이는 볼록으로 뒤틀린 경우 (-)로 측정되고 오목으로 뒤틀린 경우 (+)로 측정된다. 원형으로 굽혀진 경우, 만곡의 반경 R은 등식 R=D2/8H에 의하여 높이 H와 결합되어 있으며, 이때 D는 웨이퍼의 직경이다. 따라서 바람직한 뒤틀림의 절대값 ｜H｜는 더 큰 웨이퍼 또는 더 두꺼운 웨이퍼의 경우 더 커진다.
목적 웨이퍼가 본래 편평하거나 오목으로 뒤틀려 있으면, 상기 웨이퍼는 적절한 볼록-뒤틀림으로 강제로 변형된다. 상기 뒤틀림의 전환은 앞서 언급된 스페이서(14)에 의해 수행된다. 편평한 웨이퍼 또는 오목으로 뒤틀린 웨이퍼는 볼록 스페이서(14)를 통해 호울더에 부착되는 버퍼(11)로 고정된다. -3㎛ 내지 -50㎛의 굴곡을 갖는 본래 볼록으로 뒤틀린 웨이퍼는 스페이서 없이 버퍼로 직접 부착될 수 있다. 물론, 스페이서의 삽입은 또한 볼록으로 뒤틀린 웨이퍼에 가능한다.
제20도에 나타나 있는 것처럼, 웨이퍼(2)는 통상 스페이서(14)와 버퍼(11)를 통해 호울더로 고정된다. 본 발명은 회전 호울더를 흔들림으로써 턴-테이블을 웨이퍼의 전체 표면과 접촉할 수 있게 한다. 연마는 흔들림 운동에 의하여 중심으로부터 주변까지 진행된다. 또는 연마는 주변에서부터 중심까지 진행된다. 볼록으로 뒤틀린 웨이퍼에는 오목부도 물결부도 존재하지 않는다. 미연마 또는 불충분하게 연마된 부분이 남지 않게 된다.
집중 부하가 호울더의 중심에 가해지는 이유는 호울더의 흔들림 운동을 용이하게 하기 때문이다.
웨이퍼와 호울더 사이에 끼어 있는 버퍼는 강한 힘이 연마 중에 웨이퍼에 가해질때 웨이퍼가 자체의 변형에 의하여 파손되지 않게 하며 웨이퍼상에 작용하는 구부적인 힘을 경감시킨다. 충격 흡수 작용 외에도, 버퍼는 흔들림 운동으로 그 자체의 변형에 의하여 호울더가 턴-테이블로 기울게 한다. 뒤틀림 높이가 적당하지 않다 하더라도, 버퍼의 자체-조절이 연마에 적당하도록 뒤틀림을 교정하고 턴-테이블이 웨이퍼 전체를 연마시키도록 한다.
또 다른 개선책이 이제 설명된다. 호울더가 턴-테이블상의 동일한 영역과 항상 접촉한다면, 링 영역만이 턴-테이블상에서 선택적으로 연마된다. 그 후 원형의 넓은 홈이 턴-테이블 상에 형성된다. 이러한 홈이 있는 턴-테이블을 사용하면 웨이퍼상의 압력을 다양하게 할 수 있고 연마된 피막의 두께를 변동시킨다. 또한 링-모양의 홈이 턴-테이블의 수명을 감소시킨다.
원형 홈의 발생을 막기 위해서, 본 발명은 암과 호울더를 이동시킴으로써 방사 방향의 턴-테이블 상 웨이퍼의 접촉 영역을 변화시킨다. 원형 방향이 아닌 다른 방향으로 호울더를 이동시키면 턴-테이블 상의 접촉 영역을 방사상으로 변형시킨다. 그 후 연마가 전체 턴-테이블 상에서 균일하게 일어난다. 접촉 영역이 방사상으로 변형되면 턴-테이블이 균일하게 유지되고 턴-테이블의 수명이 늘어난다.
제30도 및 제31도는 턴-테이블상에서 호울더의 변위를 나타내고 있다. 상기 호울더는 가장 바깥쪽 위치(S) 및 가장 안쪽 위치(T)를 취할 수 있다. 또한, 상기 호울더는 S와 T사이에서 연속적으로 왕복운동할 수 있다. 호울더가 S에 있을때, 턴-테이블상의 접촉 영역은 커다란 링-모양의 Σs 이다. 호울더가 T에 있을때, 턴-테이블상의 접촉 영역은 작은 링-모양의 Σt 이다. 상기 영역의 폭은 웨이퍼의 직경과 동일하다. 호올더가 T와 S 사이에서 이동할 수 있다면, 전체 접촉 영역은 가장 작은 원(m)과 가장 큰 원(p)으로 둘러싸인 넓은 면적을 차지한다. 상기 웨이퍼는 원 m과 원 p사이의 전체 영역을 접촉한다. 턴-테이블의 연마는 호울더의 왕복운동으로 평형하게 될 수 있다. 턴-테이블의 평탄성은 턴-테이블의 통상적인 연마에 의하여 유지된다.
본 발명은 비커스 경도가 Hv3000 이상인, 예를 들면 다이아몬드, 다이아몬드-형태 탄소 또는 c-BN의 경질-물질로 피복된 웨이퍼를 Rmax50nm 및 Ra20nm 이하의 거칠기로 연마시킬 수 있다. 웨이퍼가 볼록으로 뒤틀린 상태에서 호울더에 고정되고 전체 표면을 턴-테이블과 접촉시키기 위해서 호울더가 회전축을 흔들기 때문에, 본 발명은 통상 Rmax50nm 및 Ra20nm의 거칠기가 수득될 때까지 적어도 50%의 표면을 연마할 수 있다. 또한, 더 무거운 부하 또는 더 긴 시간을 선택하면, Ramax50nm 및 Ra20nm이하의 평탄성을 갖는 충분히 연마된 부위의 비율이 70% 이상으로 증가할 수 있다. 곡률, 부하 및 시간을 적절하게 선택하면 상기 장치에 의하여 경질 웨이퍼의 표면을 Rmax50nm 및 Ra20nm이하의 평탄성으로 100% 연마할 수 있다.
그 다음 문제는 평탄하게 연마된 피막의 두께가 불균일하다는 것이다. 피막의 초기 두께가 전체 표면에 걸쳐 균일하다면, 본 발명은 연마 후 피막 두께의 불균일을 ±20% 이하로 감소시킬 수 있다. 피막의 경도, 연마의 난이성 및 연마의 저속도 때문에 피막의 초기 두께가 균일하지 않다면, 연마된 피막 두께의 불균일을 제지하는 것이 용이하다.
추가의 장치로 본 발명은 Rmax50nm 및 Ra20nm 이하의 평탄부 두께의 불균형을 ±10%내로 감소시킬 수 있다. 평탄하게 연마된 피막 두께의 불균형을 감소시키는 두가지 장치가 존재한다. 하나는 뒤틀림을 감소시키는 방법이고 나머지 하나는 두 층으로 만드는 방법이다.
① 뒤틀림을 감소시키는 방법
연마가 진행됨에 따라 뒤틀림이 점차로 감소하는 방법이다. 볼록-뒤틀림이 크다면, 웨이퍼에서 중앙부가 주로 연마된다. 볼록-뒤틀림이 약하다면, 주변부가 연마되기 쉽다. 이러한 경향은 호울드 흔들림 운동의 일정한 진폭에 의한 것이다. 연마과정 중에 뒤틀림이 감소될 수 있다면, 초기 단계에는 중앙부가 주로 연마되고 말기 단계에는 주변부가 주로 연마된다. 따라서 중앙부터 주변으로 연마가 이동함에 의하여 전체 표면이 완전하게 연마될 수 있다. 그 후 피막의 두께는 전체 표면에 걸쳐 균일하게 된다. 피막 곡률의 역동적인 변화로 피막의 두께가 평형화되므로 이러한 방법은 꽤 새롭고 탁월한 방법이다.
본 발명은 하기 단계로 수행된다. 제26도 및 제27도는 연마 전후의 웨이퍼 부분을 나타내고 있다. 제26도는 (기판)/(경질피막1)/(경질피막2)의 구조를 나타내고 있다. 우선, 약한 압축 응력을 갖는 경질피막 1이 기판상에 쌓여진다. 그 후 강한 압축 응력을 갖는 또 다른 경질피막 2가 피막 1상에 침적된다. 피막 2는 웨이퍼가 제26도에 나타난 커다랗게 볼록으로 뒤틀린 상태로 굴곡되도록 한다. 상기 웨이퍼는 우선 강한 볼록-뒤틀림을 갖는다. 과도한 뒤틀림 때문에 연마의 초기단계에서 중앙부는 선택적으로 연마된다. 경질 피막 2가 웨이퍼의 중앙으로부터 제거되면서, 웨이퍼는 압축 응력이 없어지고, 뒤틀림이 점차로 감소한다. 뒤틀림이 감소하기 때문에, 주변부가 턴-테이블과 접촉하게 된다. 피막 2의 주변이 또한 연마된다. 마지막으로, 피막 2의 전부가 웨이퍼로부터 연마된다. 압축 응력이 감소하고 웨이퍼는 웨이퍼가 평탄해진다. 제27도는 최종 상태를 나타내며, 이때 웨이퍼는 약한 압축 응력을 갖는 피막 1만을 갖는다. 상기 피막은 완전하게 연마된다. 주변이 충분히 연마되기 때문에, 피막 두께의 불균일이 작다. 이러한 장치가 연마 진행의 함수로서 압축 응력과 뒤틀림을 감소시킨다. 주변부의 연마는 응력의 방출로 증가한다. 그 후 피막의 두께가 균일해진다.
② 두층으로 만드는 방법
다른 경도를 갖는 두 개의 경질 피막을 기판상에 형성하며 기판상에 더 견고한 피막만을 남김으로서 피막 두께의 불균일을 감소시키는 방법이다. 제28도 및 제29도는 연마전 웨이퍼의 초기부 및 연마후 최종부를 나타낸다. 상기 웨이퍼는 (기판)/(연마가 어려운 피막)/(연마가 쉬운 피막)의 구조를 갖는다. 상기 장치는 기판상에 우선 더 견고한 피막(연마가 어려운 피막)을 형성한 후 더 견고한 피막을 더 연질의 피막(연마가 쉬운 피막)으로 피복한다. 여기서 연마에 어려운 또는 쉬운이란 것은 상대적인 의미만을 갖는다. 양쪽 모두 Hv3000 이상의 비커스 경도를 가지며 연마가 어려운 경질 물질이다. 다이아몬드의 경우, (111)배향의 피막은 연마에 매우 어렵지만 (110)배향의 피막은 비교적 연마하기 쉽다. 기판상에서 증기상으로부터 합성된 다이아몬드는 때때로 랜덤한 방향으로 배향된 다결정으로 통상 구성되어 있다. 그러나, 본 발명자는 다이아몬드 다결정의 배향이 합성 조건에 의하여 조절될 수 있다는 사실을 발견했다. 다이아몬드가 여전히 다결정린임에도 불구하고, 합성 조건은 특정 방향의 다결정 과립의 배향을 결정할 수 있다. 따라서, (111)배향된 피막 또는 (110)배향된 피막은 생성조건을 조절함으로써 생성될 수 있다. 상기 장치는 제28도에 나타난 두층 구조를 제조하기 위해서 CVD 합성의 배향-선택성을 최대한 이용한다. 초기 단계에서는, 연마가 쉬운 피막이 제거된다. 하부 피복층(연마가 어려운 피막)이 나타난다. 연마가 어려운 피막이 나타나는 지점에서 연마는 더 이상 진행되지 않는다. 연마가 쉬운 피막만이 추가로 연마된다. 하부에 피복된 연마가 어려운 피막은 중앙부와 주변부에서 모두 나타난다. 하부에 피복된 피막이 특정한 두께로 생성되었기 때문에 연마된 피막은 균일한 두께를 갖는다. 연마가 쉬운 피막을 피복시킬 때의 또 다른 장점은 미연마부 또는 불충분한 연마부가 표면상에 더 이상 남아있지 않다는 점이다. 두층으로 만드는 방법은 연마중에 곡률의 변화없이 모든 표면을 연마시키는 유망한 방법이다. 상기가 경질 피막의 두께가 균일하다는 본 발명의 탁월성을 설명하고 있다.
다음 문제는 연마의 속도 및 압력이다. 본 발명은 -3 내지 -50㎛범위의 높이를 갖는 블록으로 뒤틀린 상태에서 웨이퍼를 호울더에 고착시키고 상기 볼록으로 튀틀린 웨이퍼를 편평한 턴-테이블과 접촉시키는 것이다. 일부의 웨이퍼만이 턴-테이블과 접촉한다. 접촉부의 면적은 좁다. 접촉 영역에 무거운 부하를 샤프트에 의해 부여함에 의하여 턴-테이블 상에 고착된 다이아몬드 과립이 경질 피막을 연마하기 때문에, 부하가 중요한 역할을 한다. 접촉 영역이 좁으면 압력, 즉 단위 면적 당의 힘을 증가시킨다. 높은 압력은 연마의 효율을 높이고 연마의 속도를 증가시킨다. 한편, 접촉 영역이 좁으면 중량의 감소에 의하여 기계의 부하를 경감시킬 수 있다. 볼록으로 뒤틀린 상태에서 호울더상에 고착된 웨이퍼를 연마시키는 본 발명의 장점 중의 하나가 부하가 감소될 가능성이다.
또한, 접촉 영역을 비연속적으로 하고 접촉 면적을 감소시킴으로써 단위 면적당 힘인 압력이 증가된다. 접촉 면적을 감소시키기 위해서는 두 가지 방법이 가능하다. 하나는 격자형 홈 또는 집중형 홈을 턴-테이블상에 만드는 것이다. 또 다른 하나는 격자형 홈(제32도) 또는 집중형 홈(제33도)을 웨이퍼의 경질 피막상에 형성하는 것이다. 두 방법 모두 유효한 접촉 면적을 감소시킴으로써 접촉 영역상의 압력이 증가되는 유사한 효과를 갖는다. 그러나 홈이 피막 또는 웨이퍼의 형태에 영향을 주지 않기 때문에 턴-테이블상에 홈을 형성시키는 것이 더 편리하다. 웨이퍼상에 홈을 형성하는 것이 특별한 목적을 갖는 특정 웨이퍼의 경우 또한 가능하다.
또 다른 유리점은 볼록-뒤틀림 연마 및 홈의 형성으로부터 유래한다. 연마에 의하여 턴-테이블 및 웨이퍼로부터 분리된 다수의 다양한 입자가 수득된다. 상기 입자는 웨이퍼 및 턴-테이블로부터 곧 배출되어야 할 폐물들이다. 본 발명에서, 웨이퍼는 볼록으로 뒤틀려 있고, 접촉영역은 좁으며 웨이퍼의 기타 부분은 턴-테이블로부터 분리되어 있다. 웨이퍼와 턴-테이블 사이의 틈이 통로를 형성시킴으로써 폐물의 배출을 용이하게 한다. 또한, 제32도 또는 제33도에 나타난 홈이 추가 폐물의 제거를 빠르게 한다.
웨이퍼와 턴-테이블 사이의 강한 마찰이 대량의 열을 생산한다. 상기 열이 웨이퍼와 턴-테이블의 온도를 올린다. 때때로 냉각수가 턴-테이블상에 제공되어 마멸 영역의 온도를 조절한다. 편평한 웨이퍼가 턴-테이블과 완전히 접촉한다면, 웨이퍼와 턴-테이블 사이에 물이 흐르지 않으므로 웨이퍼를 냉각시키기 위한 물이 필요하지 않게 된다. 반대로, 본 발명은 볼록으로 뒤틀린 형태로 웨이퍼를 유지시키며, 접촉영역이 아닌 다른 부위는 모세관 현상에 의하여 냉각수내에서 충분히 끌어당겨진다. 상기 틈은 냉매의 도관역할을 한다. 웨이퍼의 볼록 형태는 신속 정확한 온도 조절을 인식하는데 공헌한다. 웨이퍼 또는 턴-테이블 상에 홈을 형성시키는 것이 더욱 효과적이다.
앞서 언급된 것처럼, 본 발명은 호울더의 흔들림 운동 또는 세차운동을 특징으로 한다. 흔들림 운동이 세차운동보다 더 간단하기 때문에 지금까지는 흔들림 운동만이 설명되었다. 세차운동은 호울더의 운동을 한정하는 또 다른 개념이다. 본 발명은 호울더의 세차운동에 의한 접촉 영역을 주기적으로 변화시킬 수 있다. 이제 호울더의 세차운동이 제35도, 제36도, 제37도 및 제38도를 참고로 설명된다.
세차운동은 역 콘 상에서 물질을 회전시키는 축의 회전이다. 힘이 축을 기울이는 방향으로 회전 물질상에 가해지면, 축은 회전속도의 변화없이 상상의 역 콘상을 회전한다. 이제 M은 회전 모멘트를 나타내고, N은 회전물질상에 가해지는 외력이며 I는 관성 2차 모멘트를 의미한다. 회전 물질의 운동은 토오크 방정식 I(dM/dt)=MxN으로 기술되며, 여기서 x는 벡터곱이다. 따라서 회전축 자체가 외력 및 축에 모두 수직인 방향으로 회전한다. 회전 속도 자체는 항상 일정하지만 축 자체는 각속도 ω=N/I 로 외력 방향 주위를 회전한다. 상기 운동은 지금까지 설명되었던 흔들림 운동보다 훨씬 더 복잡하다. 세차운동은 꼭대기의 전형적인 운동으로서 공지되어 있다. 회전하는 꼭대기의 축이 역 콘을 따라 회전하는 이유는 중력이 꼭대기의 중력 중심에 작용하기 때문이다. 각속도 ω=N/I 는 일정하지만 역콘의 반경은 마찰에 기인하는 에너지 손실에 의하여 점차 증가한다. 따라서 꼭대기가 기울어지고 마지막에는 지면과 접촉하게 된다. 이러한 세차운동은 회전체의 회전축의 회전으로서 정의된다.
본 발명은 중력 대신 3가지 이상의 보조 샤프트에 의하여 호울더의 세차운동을 강제적으로 만든다. 제35도는 호울더 및 샤프트의 단순화된 사시도를 나타내고 있다. 호울더의 바닥상에 웨이퍼가 부착된다. 주 샤프트(4)는 호울더를 압축하고 회전시키기 위해서 호울더의 중심을 밀어낸다. 주 샤프트(4)를 호울더(3)로 연결시키는 구부릴 수 있는 가 토오크 및 압력을 전달한다. 구부릴 수 있는 때문에, 호울더(3)는 수직 방향으로 항상 유지되는 주 샤프트(4)로 기울어질 수 있다. 원형의 홈(13)이 호울더(3)의 주변상에 생긴다. 4개의 보조 샤프트(10)가 암에 설치된다. 보조 샤프트(10)는 도면에는 나타나 있지 않으나 압축 실린더(유압 또는 기압)에 의하여 수직으로 압축된다. 보조 샤프트의 바닥이 원형의 홈(13)내로 미끄러진다. 보조 샤프트는 홈(13)의 4개의 주변점을 압축한다. 보조 샤프트(10)는 회전하지 않지만 약간의 범위에서 수직 방향으로 왕복운동을 한다.
상기 실시예는 4개의 보조 샤프트를 갖는다. 3개 이상의 보조 샤프트가 호울더의 세차운동을 유도시키는데 필요하다. n은 보조 샤프트의 수를 나타낸다(n≥3). 보조 샤프트는 J1,J2,J3......,Jn으로 나타낸다. 일정한 부하가 주 샤프트에 가해진다. 보조 샤프트는 일정부와 사인곡선 변화부의 합인 힘을 제공한다. 사인곡선 변화부의 상은 인접한 보조 샤프트에 대해서 2π/n만큼 달라진다. 가해진 힘의 중력 중심(G)은 호울더의 기하 중심(O)에서 벗어나서 한정된 반경의 원상에서 이동한다. 제36도는 가해진 압력의 중력 중심의 궤적을 나타낸다.
상기 호울더는 바닥상에 볼록으로 뒤틀린 웨이퍼를 갖는다. 압력의 중력 중심이 주 샤프트에 의하여 제공되고 보조 샤프트가 원형 궤적을 그리고 웨이퍼는 볼록으로 뒤틀린 면을 가지기 때문에, 상기 호울더는 세차운동을 한다. 제37도는 호울더의 운동 및 호울더의 법선을 나타내고 있다. 호울더가 기울어지면, 접촉면이 중심과 달라진다.
보조 샤프트 J1,J2,J3......, 및 Jn상에 가해지는 힘인 F1,F2,F3......, 및 Fn은 하기 방정식에 의해 주어지는 값이다.
S는 힘의 일정부분이다. Q는 사인곡선 성분의 범위이다. H는 주샤프트상의 힘이다. 모든 힘 H,F1,F2,F3,Fi,......, 및 Fn은 평행하며 아래로 향한다. 따라서 상기 힘들의 백터합은 힘의 물리적인 합 T를 나타낸다. 상기 힘들의 작용점은 힘의 중력중심과 일치한다. 홈상에서 모두 미끄러지는 보조 샤프트는 XY면에서 회전 대칭점에 위치하고 있다. J1,J2,J3......, 및 Jn은 하기와 같이 나타낼 수 있다.
샤프트의 힘의 벡터합이 계산된 것이다.
전체 모멘트의 X-성분 Fx는
합 Σ의 범위는 1,2,3...,n이다. 대칭으로부터, Σcos(2iπ/n)=0이고 Σsin{(4iπ/n)-Ωt}=0이다. 유사하게 총 모멘트의 Y-성분 Fy는
상기 결과는 호울더에 가해지는 총 모멘트가 시간의 사인함수로서 변화한다는 것을 의미한다. 힘의 중력 중심 G(Gx,Gy)는 (H+nS)인 총 힘으로 모멘트(Fx,Fy)를 나눔으로써 계산된다. H는 주샤프트의 일정한 힘이다. S는 보조 샤프트의 일정한 성분이다. n 은 보조 샤프트의 수이다. 따라서 중력 G의 중심은 하기와 같이 나타낸다.
상기는 원형 궤적을 의미한다. 샤프트에 가해진 힘의 중력 중심은 반경이 (QWn/2(H+nS))인 둥근 궤적을 그린다. 각속도는 보조샤프트의 왕복운동의 각 진동수와 같은 Ω이다. W는 원형 홈의 반경이다. Q는 힘의 변수 성분이다. S는 보조샤프트의 힘의 일정한 성분이다. H/nS→0의 한계일때, G점의 반경은 (QW/2S)이다. 모든 힘 {Fi}가 +값이라면, S는 Q보다 커지고 G점의 반경은 홈의 반경 W의 반보다 항상 작다. 그러나 Fi가 -값이라면, 중력 점 G의 반경은 홈의 반경 W의 반보다 더 클 수 있다. -힘 Fi의 경우, 홈은 보조 샤프트가 홈 밖으로 잡아당겨지는 것을 막기 위한 형태여야 한다.
계산의 결과가 전부는 아니다. 구형 웨이퍼는 호울더의 바닥상에 부착된다. 그 후 웨이퍼의 S점을 턴-테이블에 접촉시키는 것은 힘의 중력 G의 중심과 일치해야 한다(S=G). 이는 하기 이유에 의하여 쉽게 증명된다. 웨이퍼가 블록면을 갖기 때문에 웨이퍼를 턴-테이블에 접촉시키는 것은 단일한 지점이어야 한다. 그 이유는 원이 직선으로 두 지점에서 접촉할 수 없기 때문이다. G가 S와 다르다면, 웨이퍼는 흔들리게 된다. S=G이다. 이는 볼록 웨이퍼에만 유효한다. 오목 웨이퍼 또는 편평한 웨이퍼는 복수의 접촉점을 갖기 때문에 이러한 모양은 S=G를 만족시키지 못한다. 이것이 볼록으로 뒤틀린 웨이퍼를 사용하는 가장 중요한 특성 중의 하나이다.
따라서, 가해진 힘의 중력 중심 G는 턴-테이블로의 웨이퍼의 접촉점과 항상 일치한다. 따라서, 웨이퍼가 구형 표면을 갖기 때문에, 경사각 θ는 s/R이고, 여기서 s는 중심으로부터의 접촉면의 편차이며 R은 웨이퍼 곡률의 반경이다(R=D2/8H)
지금까지, 가해진 힘의 중력 중심 G은 원형 궤적을 따라 이동한다는 것이 증명되었다. 상기 힘의 중력 중심 G는 볼록으로 뒤틀린 웨이퍼의 접촉점 S와 동일하다는 것이 또한 증명되었다. 법선의 경사각 θ가 편차 s으로부터 또한 계산되었다. 상기 결과는 웨이퍼의 접촉점이 원형을 그리며 그 경사각은 일정함을 나타내고 있다. 상기 편차 s 및 경사각 θ는 s=(QWn/2(H+nS)) 및 θ=(QWn/2R(H=nS))으로 주어진다. 호울더의 법선의 경사각이 일정하기 때문에 법선이 원형의 운동을 한다. 따라서 상기 운동은 세차운동만을 한다. 상기 세차운동은 법선이 역콘을 그리는 운동이다. 따라서, 턴-테이블은 중심으로부터 s만큼 떨어진 웨이퍼의 비 중심부를 연마시킬 수 있다.
그럼에도 불구하고, 단순한 세차운동은 중심으로부터 접촉점의 동일한 편차 s를 갖는다. 상기 접촉점은 접촉 원이라 불리는 원을 그린다. 접촉 원을 포함하는 밴드 영역만이 호울더가 그 축 주위를 회전할 때마자 세차운동에 의하여 연마될 수 있다. 흔들림 운동과 달리, 법선이 역콘을 따라 한정된 꼭대기 각으로 회전하기 때문에, 상기 세차운동은 일정한 원의 일정한 반경을 갖는다. 흔들림 운동은 접촉원의 반경이 변화하는 운동이다. 세차운동은 접촉 원의 반경을 일정한 값으로 유지시키는 또 하나의 운동이다. 이는 접촉 원의 반경과 일치하지 않는 운동이다.
경질 웨이퍼의 전체 표면을 균일하게 연마시키기 위해서는 접촉 원의 반경을 변화시켜야 한다. 반경 s가 s=(QWn/2(H+nS)으로 주어지기 때문에, s는 힘 H, 샤프트의 Q 및 S를 변화시킴으로써 다양할 수 있다.
접촉 원 반경 s는 주 샤프트의 힘인 H의 증가에 의하여 감소된다. H를 감소시키면 접촉 원 반경 s가 증가된다. 보조 샤프트의 상수 용어 S의 증가가 접촉 원 반경 s를 감소시킨다. 보조 샤프트의 진동용어 Q의 증가는 접촉 원 반경 s를 증가시킨다. 반경 s는 주 샤프트 힘 H, 상수부 S 및 보조 샤프트의 진동부 Q의 3개의 매개변수에 의하여 측정된다.
경질 웨이퍼의 전체 표면은 매개 변수를 변화시킴으로써 조절되는 접촉 원의 반경을 변화시킴으로써 연마될 수 있다. 예를 들면, 반경 s는 보조 샤프트의 진동력 Q를 감소시킴으로써 무한하게 감소될 수 있다. 반대로, 접촉 원의 반경은 H와 S를 감소시킴으로써 증가될 수 있다.
그 후 접촉 원의 반경의 상한이 이제 고려된다. 주 샤프트 힘 H가 소멸되면, 반경 s는 최대값을 취한다. 보조 샤프트의 경우에는, 일정한 힘 S가 소멸될 수 없다. 상수용어 S와 진동용어 QsinΩt의 합인 보조샤프트상에 작용하는 힘은 특정한 장치 없이 홈을 밀어내기 위해서 항상 +여야 한다. 따라서 S≥Q이다. S=Q일때, 상기 힘은 보조 샤프트의 경우 0이 된다. 상기 경우에서, 반경은 최대가 된다. 최대값은 Smax=W/2이다. W은 홈의 반경, 즉, 중심으로부터 보조 샤프트까지의 거리이다. 따라서, 세차 운동에 의한 접촉 원의 최대 반경은 중심과 보조 샤프트 사이의 거리의 반이다. 웨이퍼의 반경 D는 Smax(DSmax)보다 짧게 될 것이다.
상기 세차운동은 반경 s의 한계면에서 흔들림 운동과 다르다. 흔들림 운동에서 접촉 원의 최대 반경은 중심으로부터 보조 샤프트까지의 거리인 W이다. 상기 접촉 영역은 주 샤프트와 보조 샤프트 사이의 전체 길이를 대치할 수 있다.
n이 보조 샤프트의 수라고 가정한다면 상기는 일반적인 설명이다. 제35도 및 제36도는 4가지 보조 샤프트의 예를 나타내고 있다(n=4). 제36도는 A,B,C 및 D로 샤프트를 나타내고 있다. 주 샤프트는 0에 있다. 상수 S와 진동 Q로 구성된 힘이 보조 샤프트상에 가해질 때, 접촉점은 원을 그리면서 웨이퍼상에서 변화한다. 만약 임의의 +힘이 샤프트 A,B,C 및 D상에 가해질 수 있다면, 힘의 중력 중심은 사각형 ABCD내에서 특정한 점을 취할 수 있다. 그러나 힘의 중력중심이 원형 궤적상에서 이동하고 힘이 +인 조건이 부여된다면, 중력의 중심은 원의 반경 W/2내로 제한된다. 제36도에서, 힘의 중력 중심은 힘의 사인곡선적인 변화로 유발되는 해치 원 K2내에 존재한다. K3의 전체가 사각형 ABCD내에 존재한다고 할지라도 원 K3는 접촉 원이 될 수 없다. 샤프트 상에 +힘의 할당이 원 K3의 임의의 점에서의 중력의 중심을 측정할 수 있으나 +힘은 힘의 사인곡선적인 변화 요구를 만족시킬 수 없다.
제38도는 3가지 보조 샤프트 E,F 및 L의 경우를 보여주고 있다. 상기 샤프트는 정삼각형을 만든다. 상기 경우에서, 최대 접촉원은 삼각형의 변과 접촉하는 원이다. 즉, 최대 원의 반경 s는 중심에서부터 보조 샤프트까지의 거리 W의 반이다(s=W/2). 3개의 샤프트상에서 힘을 사인곡선적으로 변화시키는 것은 4개 샤프트의 경우에서와 유사한 방식으로 호울더의 세차운동을 유도시킨다. 보조 샤프트의 수는 3이상이다. 2개의 지점은 2차 공간을 형성하지 않기 때문에 보조 샤프트는 세차운동을 유발시킬 수 없다. 보조 샤프트의 수가 증가하면 최대 접촉원(Smax=W/2)를 증가시킬 수 없지만 더 작은 힘을 다수의 샤프트에 균일하게 할당함으로써 호울더의 이동을 더욱 평탄하게 만들 수 있다. 다수의 보조 샤프트의 선택이 샤프트상에 압력을 가하는 장치를 복잡하게 만들 것이다.
세차운동을 도입하기 위한 장치가 다소 복잡하다고 할지라도, 장치를 만드는 것이 가능하다. 세차운동에 있어서, 접촉 원의 반경 s를 증가 또는 감소시킴으로써 볼록으로 뒤틀린 웨이퍼의 전체를 균일하게 연마시키는 것이 바람직하다. 제39도는 접촉점의 궤적이 나선형인 또 다른 형태를 나타내고 있다. 나선형에서, 접촉점은 중앙에서 주변으로 또는 주변에서 중앙으로 변화될 수 있다.
지금까지 설명된 장치는 단일한 호울더를 갖는다. 그러나, 다수의 웨이퍼를 동시에 연마시킴으로써 처리량을 증가시키기 위하여 다수의 호울더를 장치에 설치하는 것이 여전히 바람직하다. 제40도는 이러한 고 처리 기계를 나타내고 있다. 상기 기계는 3개의 웨이퍼(2)를 연마시키기 위하여 3개의 호울더(3)를 지지하는 3개의 헤드(23)를 가지고 있다. 단순하게 나타내기 위해서 보조 샤프트가 제40도에서는 생략되었다. 바닥상에 웨이퍼(2)를 갖는 호울더(3)는 주 샤프트(4)에 의해 밀어진다. 주 샤프트(4)는 꼭대기에서 중간 디스크(20)에 의하여 회전하면서 지지된다. 헤드(23)가 암(26)에 고정된다. 상기 헤드(23)는 공통 샤프트(27)에 의하여 축력을 중간 디스크(20)에 부여한다. 상기 헤드(23)는 공통 샤프트(27)에 의하여 동시에 호울더(3)로 회전을 전달한다.
더 작은 선 기어(28)가 공통 샤프트(27)의 저부에 적합하게 된다. 더 작은 선 기어(28)는 중간 디스크(20)상에서 행성 톱니바퀴식 기어(29)로 맞물려 있다. 상기 행성 톱니바퀴식 기어(29)는 주 샤프트(4)를 통해 호울더(3)를 회전시킨다. 상기 압력은 공통 샤프트(27) 및 주 샤프트(4)에 의하여 호울더(3)로 전달된다. 호울더(3)의 회전 토오크는 헤드(23)에 의하여 공급된다. 상기 턴-테이블(1)은 그 자체의 샤프트 주위를 회전한다. 따라서 9 개의 호울더(3)가 그 자체의 축 주위를 회전하고 턴-테이블(1)은 중앙 샤프트 주위를 회전한다 .상기 장치의 두 가지 형태의 운동이 흔들림 운동 또는 세차운동으로 웨이퍼를 연마시키기에 충분하다.
그러나 실시예는 3가지 형태의 운동을 유도하는 더욱 복잡한 장치를 갖는다. 중간 디스크(20)는 공통 샤프트 주위를 회전한다. 따라서, 3개의 다른 회전 형태가 장치에서 발생한다. 하나는 턴-테이블(1)의 넓은 회전이고 또 다른 하나는 중간 디스크(20)의 회전이다. 후자는 개별적인 웨이퍼(3)의 회전이다. 턴-테이블(1)의 회전은 태양계에서 혹성의 회전과 비슷하다. 중간 디스크(20)의 운동은 마스터 혹성에 대한 위성의 운동과 유사하다. 개별적인 호울더의 운동은 위성의 회전과 비슷하다.
중간 디스크(20)를 회전시키기 위해서, 중간 디스크(20)는 원주상에 외부-맞물림 기어를 갖는다. 중간 기어를 중앙의 더 큰 선 기어(25)와 외부 기어(24)와 결합시킨다. 중앙의 선 기어(25)와 외부 기어(24)는 중간 디스크(20)에 회전을 부여한다. I,S 및 O는 톱니의 수이고 i, s 및 o는 중간 디스크(20)의 각 속도, 중앙 선 기어(25) 및 외부 기어(24)이다. j는 중간 디스크의 수를 나타낸다. 시계방향의 각속도는 +로 정의된다.
일부의 회전은 하기 방정식으로 만족한다;
모든 외부 기어가 동일한 톱니수 0(O1=O2=O3=O)을 갖고 모든 중간 기어가 동일한 톱니수 I(I1=I2=I3)를 갖는다면, 회전은 선 기어의 속도에 의하여 고유하게 측정된다. i1=i2=i3=-sS/I이고 o1=o2=o3=-sS/0이다. 선 기어가 단순한 자유륜이라면, 외부 기어의 회전이 중간 기어의 운동을 결정한다. 따라서, 방정식 i=i=i=oO/I가 상기 운동을 명료하게 기술한다. 웨이퍼의 회전이 또한 중간 디스크의 회전에 의하여 영향을 받는다. C 및 P는 더 작은 선 기어(28) 및 행성 톱니바퀴 기어(29)의 톱니수이다. c 및 p는 선 기어(28) 및 행성 톱니바퀴 기어(29)의 각속도를 나타낸다. 호울더의 회전은 행성 톱니바퀴 기어(29)와 동일하다. 선 기어(28)와 행성 톱니바퀴 기어(29) 사이의 결합은 운동 방정식 C(c-i)=-pP을 부여한다 .i=oO/I이기 때문에, 웨이퍼 p의 회전은 p=COo/P-Cc/P가 되며, 여기서 o는 외부 기어의 각속도이며 c는 공통 샤프트(27)의 각속도이다. 웨이퍼의 회전 p는 매개변수 o와 c에 의하여 조절될 수 있다. p는 반드시 -cC/P가 아니다.
제40도에 나타난 장치는 비록 매우 복잡하기는 하지만, 동시에 9개의 웨이퍼를 연마시킬 수 있다. 또한 상기 웨이퍼는 3개의 회전 모드에 의하여 연마되어 균일성을 증가시킨다.
다음 문제는 턴-테이블의 웨트스톤이다. 연마 분말은 경질 물질의 과립이다. 즉 알루미나 분말, 다이아몬드 분말 등이다. 상기 물질의 과립은 웨트스톤에 사용되어야 하는 물질보다 더 단단하다. 본 발명은 다이아몬드, 다이아몬드-형태 탄소 및 c-BN의 경질 물질 웨이퍼를 연마시키는 것을 그 목적으로 하고 있기 때문에, 다이아몬드가 아닌 다른 물질은 웨트스톤으로 사용될 수 없다. 다이아몬드 과립은 그 자체를 산재시킴으로써 목적의 경질 물질을 연마시킨다. 경질 물질의 연마에는 다이아몬드 분말을 사용한다.
분말의 조건에 따라 연마시키는 두 가지의 방법이 있다. 하나의 방법은 연마액 내에 포함되어 있는 자유 분말을 사용하는 것이고 다른 방법은 고정된 분말을 선택하는 것이다. 자유 분말법은 값비싼 다이아몬드 분말을 사용해야 하기 때문에 적당하지 않다. 자유 분말법은 연마의 낮은 효율성 및 최종면의 낮은 정밀성이라는 또 다른 결점을 갖는다. 때때로 자유 분말법으로 연마된 표면상에 긁힘이 발생한다.
따라서, 본 발명은 고정 분말법을 선택한다. 웨트스톤은 연마 분말, 결합 물질 및 충전제로 구성되어 있다. 연마 분말은 경질 물질의 미세한 과립이다. 이것이 연마 역할을 한다. 결합 물질은 과립들을 서로 결합시킨다. 웨트스톤은 수지-결합된 웨트스톤, 금속-결합된 웨트스톤, 유리-결합된 웨트스톤, 및 결합물질에 의한 고무 웨트스톤으로 분류된다. 상기 충전재는 연마에도 결합에도 작용하지 않는 분말이다. 탄산칼슘(CaCO3), 알루미나(Al2O3) 또는 탄화실리콘(SiC)의 미세한 분말이 충전재로서 사용된다.
다이아몬드 웨트스톤의 경우, 다이아몬드 분말의 체적비는 매개변수 농도에 의하여 나타낸다. 농도 100이란 25부피%의 다이아몬드를 포함하는 웨트스톤을 의미한다. 연마의 활성 매질이 다이아몬드 분말이기 때문에 연마분말은 농도에 비례한다. 한때 농도 100은 다이아몬드 분말의 최대 부피비였다. 결합 물질 기술의 발달은 최대 농도를 증가시킨다. 이제 농도 200이 50부피%의 다이아몬드 분말을 의미하는 최대 비율이다.
또 다른 매개변수는 과립의 평균 크기를 나타내는 맞물림#이다. 맞물림은 과립의 평균 직경으로 나누어진 1인치의 몫으로 정의된다. 맞물림 수가 높을수록 과립은 더 작음을 의미한다.
본 발명은 턴-테이블로서 수지-결합된 다이아몬드 웨트스톤, 금속-결합된 다이아몬드 웨트스톤, 또는 다이아몬드 전자부착 웨트스톤을 사용할 수 있다. 또한, 본 발명은 작은 다이아몬드 펠릿 웨트스톤 또는 다이아몬드 펠릿 웨트스톤에 의하여 현실화될 수 있다. 상기는 다량의 다이아몬드 펠릿이 고착된 웨트스톤이다. 상기 웨트스톤은 유리점과 결점을 갖는다.
표면상 다이아몬드 분말의 밀도가 가장 높기 때문에, 상기 중에서 가장 높은 연마성능을 갖는 전자부착 웨트스톤이 바람직하다. 상기 웨트스톤은 결합물질없이 기판에 다이아몬드 분말을 전자부착시키기 때문에, 다이아몬드의 밀도가 상승될 수 있다. 그러나, 전자부착은 기판상에 단일층의 다이아몬드 피복만을 생성한다. 다이아몬드의 단일층이 닳게 되면, 전자부착 웨트스톤은 연마의 기능을 잃게 된다. 상기 물질이 다이아몬드일때, 웨트스톤의 마멸이 심각하다. 연마되고 있는 경질 웨이퍼는 전자부착 웨트스톤을 재빨리 악화시킨다. 다른 웨트스톤과 달리, 전자부착 웨트스톤은 마무리에 의하여 기능을 회복하지 못하는데 그 이유는 단일한 다이아몬드 층을 갖기 때문이다.
표면상 다이아몬드 과립의 밀도가 충분히 높기 때문에, 작은 다이아몬드 펠릿 웨트스톤 또는 다이아몬드 펠릿 웨트스톤은 전자부착 웨트스톤 다음으로 높은 연마 효율을 갖는다. 웨트스톤이 닳게 되면, 새로운 연마 표면 및 최초의 성능이 마무리에 의하여 회복될 수 있다. 회복이 반복되면 이러한 웨트스톤의 수명을 연장시킨다. 그러나, 작은 다이아몬드 펠릿 웨트스톤과 다이아몬드 펠릿 웨트스톤은 상당히 비싸다.
수지-결합된 다이아몬드 웨트스톤과 금속-결합된 다이아몬드 웨트스톤은 마무리에 의해서 회복될 가능성과 펠릿 웨트스톤보다 값이 싸다는 유리점이 있다. 그러나 다이아몬드 분말의 농도는 여전히 불충분하다. 연마의 속도는 아직 만족스럽지 못하다. 금속-결합된 웨트스톤과 수지-결합된 웨트스톤 사이에서, 금속-결합된 웨트스톤이 다이아몬드 분말의 농도를 높일 가능성이 있고 연마속도가 우수하다. 그러나 수지-결합된 웨트스톤은 금속-결합된 웨트스톤보다 덜 비싸다. 목표 피막의 물질, 두께 또는 필요한 연마 마진을 고려함으로써 최적의 웨트스톤이 선택되어야 한다.
상기는 실온에서 경질 웨이퍼의 기계적인 연마를 설명하는 것이다. 이는 실온 기계적 연마라 불리울 수 있다.
물론 본 발명은 고온에서 화학 반응을 이용하는 연마에 적용될 수 있다. 고온 화학 연마법은 웨트스톤 대신 턴-테이블로서 편평하고 매끄러운 금속판을 사용한다 .상기 방법은 고온에서 화학 반응의 유리점을 취함으로써 목적 피막의 표면을 제거한다. 연마 장치는 진공 챔버내에 설치된다. 블록으로 뒤틀린 상태에서 목표 웨이퍼가 부착되는 호울더가 챔버내로 도입되고 구동장치에 적합하게 된다.
상기 챔버가 폐쇄되고 진동으로 된다. 턴-테이블이 400내지 900℃ 범위의 고온에서 가열된다. 진공 챔버에 산소 기채, 수소 기체, 산화 탄소 기체, 탄화수소 기체 및 대기 조절을 위한 희기체로부터 선택된 적어도 하나의 기체가 공급된다. 적당한 압력은 10-3(0.13Pa) 내지 102(1.3x104Pa) Torr이다. 철 군의 금속은 고온에서 다이아몬드와 반응하고 물체의 표면으로부터 화학적으로 다이아몬드를 제거한다.
고온 화학법에서, 상기 웨이퍼는 볼록으로 뒤틀린 상태에서 호울더상에 부착된다. 상기 호울더는 흔들림 운동 또는 세차운동을 한다. 웨이퍼의 전체 면은 중심에서 주변으로 또는 그 반대로 접촉 영역을 변화시키기 위하여 호울더를 기울임으로써 연마될 수 있다. 이러한 방법은 앞서 언급된 기계적인 연마법과 유사하다.
[실시예 1]
하기의 조건으로 제조된 웨이퍼는 본 발명에 의하여 정의된 방법에 따라 연마된다.
(경질 피막의 제조)
기판은 2-인치(50mm) 직경 및 1mm 두께를 갖는 거울-연마된(100) 실리콘 모노결정 웨이퍼이다. 핵 생성의 밀도를 증가시키고 다이아몬드 결정의 석출을 용이하게 하기 위하여 상기 실리콘 웨이퍼는 0.5 내지 1㎛의 직경을 갖는 다이아몬드 분말에 의하여 분쇄된다.
다이아몬드는 20㎛의 피막 두께가 수득될 때까지 공지된 필라멘트 CVD장치에 의하여 웨이퍼상에 석출된다. 필라멘트 CVD는 반응챔버내 서셉터 기판을 올려놓고, 수소 기체와 탄화수소 기체를 함유하는 물질 기체를 반응 챔버내로 도입하고, 상기 물질 기체를 필라멘트에 의해 가열하고, 물질 기체를 활성화시킨 후 증기상 반응을 기판상에서 유도하는 단계에 의하여 기판상에 피막을 제조한다. 상기 필라멘트는 7mm의 간격을 가지며 평행하게 뻗어있는 0.3mm의 텅스텐 와이어 10개로 이루어져 있다. 합성 조건은 하기와 같다;
반응 챔버내에서, 기판은 필라멘트에 의해 가열된다. 서스셉터는 냉각 장치를 갖는다. 기판의 온도는 냉각 장치의 동력을 조절함으로써 설치될 수 있는 반면, 필라멘트의 온도는 일정하게 유지된다(2100℃). 3개의 시료 ⑬,⑭ 및 ⑮에 대해서 기판의 온도는 3개의 다른 값 910℃(시료⑬), 860℃(시료⑭) 및 810℃(시료⑮)를 취하여 온도의 영향을 측정한다. 기판 온도의 차이가 복합 웨이퍼의 뒤틀림상에 영향을 준다. 뒤틀림 형태는 기판의 온도에 달려 있다. 그 결과는 기판의 온도가 높을수록 볼록으로 뒤틀린 복합 웨이퍼가 제조될 경향이 있고 기판의 온도가 낮을수록 오목으로 뒤틀린 복합 웨이퍼가 제조될 또 다른 경향이 있다는 것을 나타내고 있다. 이 점이 중요하다. 상기 두께는 반응 시간에 의하여 측정된다. 시료 ⑬,⑭ 및 ⑮는 20㎛의 동일한 두께를 갖는다.
시료의 뒤틀림이 측정된다.
시료⑬ : 30㎛의 높이를 갖는 오목-뒤틀림, H=+30㎛.
시료⑭ : 편평하지만 물결형, 물결의 높이는 5㎛. H=0.
시료⑮ : 20㎛의 높이를 갖는 볼록-뒤틀림. H=-20㎛.
시료⑬는 제22도에 상응한다. 시료⑭는 제21도를 나타낸다. 시료⑮는 제23도로 나타낸다. 앞서 언급된 것처럼, 뒤틀림은 원주를 포함하여 면에서부터 중심의 높이로 나타낸다. 피막면상에서 볼록-뒤틀림은 -부호를 갖는다. 피막면상에서 오목-뒤틀림은 +부호를 갖는다.
시료⑬, 시료⑭ 및 시료⑮ 각각은 60mm의 직경 및 2mm의 두께를 갖는 천연고무 디스크의 버퍼를 통하여 호울더의 중심에 고착된다. 상기 버퍼는 2mm의 균일한 두께를 갖는다. 따라서 본래의 뒤틀림이 호울더에 부착된 웨이퍼내에서 유지된다. 즉, 처음에 오목으로 뒤틀린 웨이퍼는 오목-뒤틀림 형태로 호울더에 부착된다. 또 하나의 처음에 볼록으로 뒤틀린 시료는 볼록으로 뒤틀린 상태에서 호울더에 부착된다.
시료들은 하기의 연마 조건으로 처리된다.
(연마조건)
상기 시료는 30시간의 조건하에서 연마된다. 30시간의 연마결과가 측정되었다. 그 후 시료가 50시간의 동일 조건하에서 또한 연마된다. 80시간의 연마결과가 체크된다.
(A,30시간 연마 후 상태)(제21도,제22도 및 제23도)
시료⑬ : 높이 +30㎛의 오목-형으로 변형된 시료⑬이 30시간의 연마에 의하여 중심 및 주변에서 연마된다. 그러나 미연마부가 원주로부터 5 내지 10mm 만큼 떨어진 링-모양의 중간 영역내에 남아있다.
상기 장치가 호울더를 흔듦에도 불구하고, 웨이퍼가 본래대로 오목-형으로 변형되기 때문에 중간 영역내의 미연마부는 없어질 수 없다. 상기 샤프트는 웨이퍼의 중심에서 강한 힘으로 밀어낸다. 상기 버퍼는 중심에서 탄성적으로 변형한다. 따라서 웨이퍼의 중심은 국부적으로 볼록 형태로 변형된다. 중앙부가 연마될 수 있다. 웨이퍼가 오목 형태로 본래대로 뒤틀리기 때문에 주변이 강한 압력으로 턴-테이블과 접촉되어 있다. 주변이 또한 연마될 수 있다. 그러나 중심과 주변 사이의 중간 영역은 여전히 볼록하게 변형된다. 본래의 오목-뒤틀림이 중간 영역이 턴-테이블과 접촉하는 것을 방해한다. 따라서 중간 영역은 링-모양으로 미연마된채로 남게 된다.
시료⑭ : 5㎛의 피크 차이를 갖는 실질적으로 편평하지만 물결형인 시료⑭는 30시간의 처리에 의하여 거의 균일하게 연마된다. 그러나 미연마부가 원주로부터 5 내지 10mm 만큼 떨어진 원내에서 랜덤하게 남아있다. 그 이유는 오목부 및 볼록부가 처음에는 랜덤하게 분포되기 때문이다.
시료⑮ : 높이 H가 -20㎛의 볼록한 형태로 변형된 시료⑮는 중심에서 중간 영역까지 균일하게 연마된다. 그러나 좁은 주변부가 제23도에 나타나 있는 바와 같이 링 형태로 미연마된 채 남게된다. 상기 결과는 5kgf로 30시간동안 연마하는 것이 3가지 종류의 뒤틀림 모두에 불충분하다는 것을 나타내는 것이다. 따라서 상기 시료들은 추가의 50시간 동안 동일한 기계에 의하여 또한 처리된다. 그 결과가 다시 관찰된다.
(B. 80시간의 연마 후 상태)
시료⑬ : 도너츠 모양의 미연마부는 약간 감소하지만 중간 영역내에 여전히 남아있다. 충분한 압력이 중간 오목 영역상에 작용하지 않기 때문에 미연마부를 완전하게 제거하는 것이 불가능하다.
시료⑭ : 랜덤하게 분포된 미연마부는 약간 감소하지만 여전히 존재한다. 상기 미연마부는 완벽하게 제거될 수 없다. 시료⑭가 편평한 것처럼 보일지라도, 시료⑭를 연마하는 것은 어렵다. 시료⑭를 80시간동안 연마시키는 것이 불가능하다는 것은 물결형 뒤틀림을 갖는 실질적으로 편평한 웨이퍼는 사실상 완벽하게 연마될 수 없다는 것을 의미한다.
시료⑮ : 80시간의 처리는 시료⑮를 완벽하게 주변까지 연마시킬 수 있다. 미연마부가 모두 없어진다. 상기 블록-뒤틀림은 전체 웨이퍼가 회전 턴-테이블에 접촉하게 한다. 이 사실은 웨이퍼가 볼록 상태로 호울더에 부착되어야 한다는 것을 의미한다.
상기 결과는 호울더 상 웨이퍼의 가장 좋은 형태는 볼록-뒤틀림이라는 것을 의미한다. 특정한 뒤틀림으로 호울더에 부착된 특정한 웨이퍼는 중앙 주 샤프트에 의해 부과된 무거운 부하 때문에 완벽하게 연마될 수 있다. 그렇지 않으면 상기 사실은 이러하다. 처음부터 오목으로 뒤틀린 시료는 중앙부에 남아있지 않지만 중간부는 미연마된 채로 남아있다 .처음에 편평한 시료는 표면상의 물결형 때문에 기대와는 달리 미연마된 랜덤한 부분을 남기게 된다. 결과적으로, 볼록-뒤틀림이 웨이퍼를 호울더에 부착시키기 위한 가장 좋은 형태이다.
모든 시료의 모든 연마부는 다양한 장치를 제조하기에 충분한 Rmax10nm 및 Ra5nm 이하의 평탄성을 갖는다. 시료⑮는 80시간의 연마 후 22㎛ ± 2㎛ 의 피막두께를 갖는다. 피막의 중앙부는 주변부보다 더 얇다.
[실시예 2]
하기 방법으로 제조된 시료16 및 시료17은 본 발명의 방법에 의하여 연마된다. 실시예 2는 연마중에 웨이퍼의 뒤틀림 변화의 영향을 검토한다.
(경질 피막을 제조하기 위한 조건)
기판은 1mm 두께의 거울-연마된 3인치(100) 실리콘 단일 결정 웨이퍼이다(75mm x 1mm). 상기 실리콘 웨이퍼는 0.5내지 1㎛의 평균 직경을 갖는 다이아몬드 분말에 의하여 분쇄된다. 15㎛두께의 다이아몬드 피막이 TM1형태의 마이크로파를 진동시키는 마이크로파 플라즈마 CVD장치에 의하여 분쇄된 Si 웨이퍼상에 생성된다. 상기 피막을 생성하는 조건은 하기와 같다.
상기 기판의 온도는 서셉터의 냉각력을 변화시킴으로써 조절될 수 있다.
더 높은 온도는 더욱 오목한 형태로 웨이퍼를 변형시키는 경향을 갖는다. 더 낮은 온도는 반대의 경향을 갖는다. 따라서 더 낮은 온도는 웨이퍼를 볼록 상태로 뒤틀리게 하기에 바람직하다.
시료16을 제조할때, 10㎛두께의 전반부가 더 작은 볼록-뒤틀림을 유도하기 위해서 860℃에서 합성되고 5㎛ 두께의 후반부가 더 큰 볼록-뒤틀림을 유도하기 위해서 800℃에서 합성된다. 시료16은 5㎛ 두께의 외부층 및 10㎛ 두께의 내부층을 갖는다. 마지막으로, 시료16은 -50㎛높이의 볼록-뒤틀림을 갖는다. 합성조건이 중도에서 변화하는 이유는 다른 뒤틀림을 갖는 두 층을 제조하고, 한층을 제거함으로써 뒤틀림을 중도에서 변화시키고, 연마시 뒤틀림의 변화영향을 검토하기 위함이다.
시료17은 820℃에서 합성된다. 시료17은 또한 -50㎛의 높이를 갖는 볼록-뒤틀림이다. 시료17의 최종 뒤틀림이 시료16의 최종 뒤틀림과 동일하다 할지라도, 상기 두개의 시료는 다른 내부 응력을 갖는다.
상기 버퍼는 85mm의 직경과 1mm의 두께의 천연고무 디스크이다(ψ85x1t). 시료16 및 17은 버퍼를 통해서 호울더에 부착된다. 그 후 상기 시료는 하기 조건하에서 호울더를 가압 실린더 및 구동장치에 적합하게 하여 본 발명의 기계를 연마시킴으로써 처리된다:
(연마조건)
(A. 20시간 연마후)
상기 시료를 20시간의 조건하에서 연마하고 시료의 표면을 관찰한다. 중심에서 주변까지 대략 70%의 표면이 시료16 및 시료17 양쪽에서 매끈하게 연마된다. 주변부는 미연마된 채로 남아있다. 호울더에 부착된 상태에서 뒤틀림이 시료16과 시료17의 경우 다르다. 시료16은 볼록-뒤틀림이 -20㎛까지 감소되었다. 이러한 감소는 800℃에서 합성되고 강한 볼록-뒤틀림이 부여된 5㎛ 두께의 외부층을 제거시킴으로써 일어난다. 시료17은 H=-45㎛인 볼록-뒤틀림이다. 시료17의 전체가 작은 볼록-뒤틀림을 부여하는 동일한 조건상에서 생성되었다. 뒤틀림의 감소는 더 작은 내부 응력의 감소때문에 시료16보다 훨씬 적다.
(B. 50시간 연마후)
연마가 불충분하기 때문에, 시료16 및 시료17 모두가 동일한 조건하에서 30시간 동안 추가로 연마된다. 50시간의 처리로 시료16을 완벽하게 연마할 수 있다. 연마가 진행될수록, 더 약한 내부 응력을 갖는 내부층 때문에 뒤틀림은 점차 감소한다. 뒤틀림이 감소하면 흔들림 운동에 의하여 기계가 주변부를 연마하게 된다. 시료17은 주변부가 턴-테이블로 접촉하게 하는 것을 방해하는 강한 볼록-뒤틀림을 유지한다. 따라서 주변은 장기간의 연마에도 불구하고 미연마된 채로 여전히 남게 된다. 대략 80%의 총 표면이 50시간의 연마에 의하여 연마된다. 시료16과 시료17 사이를 비교하면, 바람직한 피막은 연마의 진행에 따라서 뒤틀림이 감소하는 피막이라는 것을 알 수 있다.
시료16의 최종 두께는 11㎛ ± 1.5㎛이다. 중앙부는 주변부보다 더 얇다. 그 경향은 시료15와 유사하다. 모든 연마부는 시료16과 시료17 모두에 Rmax9nm 및 Ra4nm 이하의 만족스러운 평탄성을 부여한다.
[실시예 3]
시료18 및 19는 하기 조건하에서 마이크로파 플라즈마 CVD에 의하여 제조된다. 그 후 상기 시료들은 본 발명의 기계에 의하여 연마된다.
(경질 물질 피막의 제조)
상기 기판은 3인치(75mm) 직경 및 1mm 두께의 거울-연마된(100) 실리콘 단일 결정 웨이퍼이다(ψ3인치 x 1mmt). 상기 실리콘 웨이퍼는 0.5 내지 1㎛의 평균 직경을 갖는 다이아몬드 분말에 의하여 분쇄된다. 시료18 및 19는 하기의 조건하에서 TM1를 진동시키는 마이크로파 플라즈마 CVD법에 의하여 합성된 25㎛ 두꺼운 다이아몬드 피막에 의하여 Si 웨이퍼를 피복시킴으로써 제조된다. 물질 기체의 성분은 시료18의 제조를 위한 다양한 통로이다.
기판온도는 서셉터의 냉각 전력을 변화시킴으로써 다양화될 수 있는 반면에, 필라멘트 온도는 일정하게 유지된다. 기판의 온도가 높아질수록, 이전에 반복된 것처럼, 웨이퍼의 오목 형태로의 뒤틀림이 더 강해진다. 기판의 온도가 더 낮아질수록, 웨이퍼의 볼록 형태로의 변형이 더 강해진다. 그 후 시료19는 시료18보다 볼록-뒤틀림이 더 커진다.
시료18에서, 하부피복이 20㎛ 두께의 피막은 처음 단계에서는 저농도의 메탄을 포함하는 물질기체로부터 합성되지만 꼭대기가 5㎛ 두께의 피막은 나중 단계에서 더 높은 농도의 메탄을 포함하는 또 하나의 물질 기체로부터 합성된다. 메탄의 농도는 실리콘 웨이퍼상에 부착된 다이아몬드 피막의 배향을 결정짓는다. 즉, 다이아몬드 피막의 배향은 메탄의 농도에 의하여 조절될 수 있다. 최초 1부피%의 저농도의 메탄이 (111) 배향된 다이아몬드 피막을 제조한다. 나중의 3.5부피%의 고농도는 (110) 배향된 다이아몬드 피막을 제조한다. 시료18은 바닥 20㎛ (111) 배향된 피막 및 꼭대기 5㎛ (110) 배향된 피막의 두개의 피막을 갖는다. 반대로, 시료19는 처음부터 끝까지 (110) 배향된 피막을 제조하기 위하여 3부피%의 메탄 농도를 선택한다. 배향된이란 말은 피막이 다결정린임에도 불구하고, 거의 모든 결정이 특정방향으로 방향지워져있다는 것을 의미한다. (111)배향된 결정은 (111)단일 결정과 드라다. (111)배향된 결정은 필수적인 다결정이다. 상기 다결정은 결정학적 방향이 랜덤하게 배열된 작은 단일 결정들의 조합이다. (klm)배향된 결정은 거의 모든 단일 결정 과립들이 피막면에 수직인 방향[klm]을 갖는다는 것을 의미한다. 하나의 방향이 따라서 피막내에서 결정된다. 그럼에도 불구하고, [klm]에 수직인 다른 두 개의 축이 모든 과립의 경우 결정되지 않은채로 남게된다. (klm)결정은 반드시 다결정이지만 과립의 [klm]방향은 피막의 법선과 평행하다.
실시예19에 의해 제조되는 다이아몬드 피막은 단일 결정이 아니다 .그러나 과립의 하나의 결정학적 방향을 결정하는 배향은 통상 물질 기체 내 탄화수소 기체의 농도 즉, 수소 기체에 대한 탄화수소 기체의 비율에 의하여 조절될 수 있다. 이러한 사실은 본 발명의 발명자들에 의하여 처음부터 발견된 것이다. 따라서 수소에 대한 탄화수소의 비율이 다이아몬드-피복된 웨이퍼의 제조시 중요한 매개변수이다. 본 발명 이전에는 아무도 이러한 사실을 인식하지 못했다. 다이아몬드를 연마시킬 때의 난이성 정도는 다이아몬드의 배향에 달려있다 (111)배향은 연마되기 매우 어렵다.(110)배향은 (111)보다 연마시키기 쉽다.
상기 버퍼는 85mm의 직경과 1mm의 두께를 갖는 편평한 천연의 고무 디스크이다(ψ85 x 1t). 시료18 및 19는 탄성의 고무 버퍼를 통하여 호울더의 중심에 부착되어 있다. 상기 다이아몬드-피복된 웨이퍼는 본 발명의 연마기계에 의하여 연마된다.
(연마조건)
턴-테이블 : 농도 120의 #600 다이아몬드 분말 및 다수의 다이아몬드 펠릿이 부착된 기판 디스크를 갖는 15mm 직경의 다량의 금속-결합된 다이아몬드 펠릿으로 구성된 다이아몬드 펠릿 웨트스톤
(A. 15시간의 연마후)
시료18 및 19가 하기 조건하에서 15시간동안 연마된다. 중심에서 중간 영역까지 표면의 대략 70%가 연마된다. 0.5°의 흔들림 운동으로 볼록으로 뒤틀린 웨이퍼의 넓은 부분이 턴-테이블의 표면과 접촉하게 된다. 원주 가까이 표면의 30%는 시료18 및 19 모두에서 미연마된 채로 남아있다.
(B.35시간의 연마후)
시료18 및 19가 동일한 조건하에서 추가의 20시간 동안 처리된다. 전체 표면은 시료18 및 19 모두에서 완전히 연마된다. 상기 표면의 거칠기는 시료18 및 19 모두에서 완전히 연마된다. 상기 표면의 거칠기는 시료18 및 시료19 모두에서 Rmax100nm 및 Ra50nm 이하이다.
시료18 피막의 최종두께는 20㎛±1㎛이다. 시료19는 15㎛±5㎛의 최종 피막두께를 갖는다. 시료18은 시료19보다 피막 두께의 변동이 더 우세하다. 변동의 작음은 제28도 및 제29도를 참조로 이전에 설명된 시료18의 두 층 구조로부터 유래된다. 시료18은 하부 피복 20㎛ (111)배향된 피막 및 꼭대기 5㎛ (110)배향된 피막을 갖는다. (111)피막은 연마되기가 상당히 어렵다. (110)피막이 더 쉽다. 시료18에서, 연마가 용이한 (110)피막이 우선 연마된 후 거의 모든 (110)피막이 닳게 된다. 하부피복(111)층이 나타낸다. 연마는 연마가 어려운 (111)층에 의하여 실질적으로 정지된다. 그 후 최종두께는 최초의 (111)층의 두께와 거의 동일하다. 작은 변동 ±1㎛는 거의 모든 (110)층이 완벽하게 제거된다는 사실로부터 나온다. (111)층은 피막의 최종 표면을 결정한다. 물론 두 층으로 만드는 방법은 본래(111)층 두께의 작은 변동(fluctuation)을 요구한다.
대조적으로, 시료19는 연마가 용이한 단일(110)층을 가지기 때문에, 중심부는 연마되기 쉽다. 주변부는 중심보다 연마될 가능성이 적다. 따라서 주변부에 있는 피막은 중심보다 더 두껍다. 그 후 시료19에서 변동은 ±5㎛를 달성한다. 실시예 3은 기판상에 한정된 두께의 첫번쩨 연마가 어려운 피막을 부착시키고, 그 다음으로 연마가 쉬운 하부 피복의 피막을 부착시키고, 꼭대기 층을 전체적으로 연마시킨 후 연마가 어려운 층을 드러냄으로써 두께 변동을 감소-시키는 개선점을 갖는다.

Claims (41)

  1. 총 두께 범위는 0.1 내지 2.1mm이고, 직경은 25mm 이상이며, 피막의 50% 이상이 Rmax50nm 및 Ra20nm 이하의 거칠기로 연마되며, 뒤틀림 높이 H가 -150㎛내지 -2㎛으로 피막 면에 볼록-모양으로 웨이퍼가 뒤틀려 있으며, CVD법에 의하여 적어도 하나의 기판 표면상에 제조되는 Hv3000 이상의 비커스 경도를 갖는 경질 피막 및 뒤틀린 기판으로 구성된 것을 특징으로 하는 경질 물질로 코팅된 웨이퍼.
  2. 제1항에 있어서, 상기 웨이퍼가 원형이며, 볼록형태로 피막면상에서 중심에서 주변까지 단조롭게 뒤틀려 있는 것을 특징으로 하는 경질 물질로 코팅된 웨이퍼.
  3. 제2항에 있어서, 기판 두께(T2)에 대한 피막 두께(T1)의 비율(T1/T2)이 0.05내지 1범위이며, 기판 두께(T2)는 0.1 내지 2mm 이고 피막 두께(T1)은 0.002 내지 0.2mm인 것을 특징으로 하는 경질 물질로 코팅된 웨이퍼.
  4. 제3항에 있어서, 상기 경질 물질이 다이아몬드, 다이아몬드-형태 탄소 및 c-BN 중의 하나인 것을 특징으로 하는 경질 물질로 코팅된 웨이퍼.
  5. 제4항에 있어서, 상기 기판이 Si, GaAs, GaP, AIN, SiC, Si3N4, LiTaO3, LiNbO3, Li2B4O7, PbTiO3, PZT(PbZrO3-PbTiO3) 또는 석영의 단일 결정 또는 다결정인 것을 특징으로 하는 경질 물질로 코팅된 웨이퍼.
  6. 제5항에 있어서, 상기 기판이 (100) Si 단일 결정인 것을 특징으로 하는 경질 물질로 코팅된 웨이퍼.
  7. 제5항에 있어서, 중심에서 주변까지의 피막의 50% 이상이 Rmax50nm 및 Ra20nm 이하의 거칠기로 연마되는 것을 특징으로 하는 경질 물질로 코팅된 웨이퍼.
  8. 기판의 원주를 포함하는 면으로부터 -2내지 -150㎛의 중심높이를 갖도록 피막면상에 볼록 형태로 기판상에 경질 물질 피막을 형성하고, 웨트스톤 턴-테이블을 갖는 연마 기계의 호울더상에 웨이퍼의 기판표면을 고정시키며, 축 주위로 호울더를 회전시키고, 샤프트 주위로 턴-테이블을 회전시키며, 호울더의 표면을 턴-테이블로 기울게 하고, 중심에서 주변으로 또는 주변에서 중심으로 피막의 볼록 표면을 연마시키는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 경질 물질로 코팅된 웨이퍼의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 피막을 Rmax50nm 및 Ra20nm 이하의 거칠기로 연마시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 샤프트로 지지되는 호울더의 바닥 중심에서 볼록으로 뒤틀린 형태로 복합 웨이퍼를 부착시키고, 호울더를 구동장치 및 가압 실린더로 적합시켜 표면상에서 다이아몬드 분말을 갖는 다이아몬드 웨트스톤인 턴-테이블과 웨이퍼가 접촉하도록 하며, 샤프트를 통해 집중 부하를 호울더의 중심에 가해서 호울더가 샤프트로 기울어지게 하고, 구동장치에 의하여 샤프트를 통해 호울더를 회전시키고, 자체의 축 주위로 턴-테이블을 회전시키며, 호울더의 법선과 샤프트 사이의 경사각 ψ가 변화하는 흔들림 운동을 호울더에 부여하여 중심에서 주변까지 또는 주변에서 중심까지 턴-테이블에 대한 웨이퍼의 접촉 영역을 변화시키는 단계를 특징으로 하는 대기하에서 Hv3000 이상의 비커스 경로를 갖는 경질 피막 및 기판으로 구성된 경질 물질로 코팅된 복합 웨이퍼의 연마방법.
  11. 제10항에 있어서, 탄성적으로 변형될 수 있는 버퍼를 호울더의 바닥에 부착하고, 상기 볼록으로 뒤틀린 웨이퍼가 버퍼상에 부착되며 버퍼가 웨이퍼를 턴-테이블로 기울게 할 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 볼록 스페이서가 호울더 또는 버퍼의 바닥에 부착되고 본래 편평하거나 오목으로 뒤틀린 복합 웨이퍼가 볼록 스페이서를 통해 볼록으로 뒤틀린 형태로 호울더에 부착되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, Rmax50nm 및 Ra20nm 이하의 거칠기를 갖는 면적의 비율이 50% 이상이 될 때까지 상기 웨이퍼가 연마되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 턴-테이블의 마멸을 평형화시키기 위해서 원형이 아닌 방향으로 호울더를 변위시킴으로써 턴-테이블의 방사 방향으로 접촉영역이 변하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 다수의 중간 디스크가 암에 의해 회전하면서 지지되고, 바닥상에 볼록으로 뒤틀린 웨이퍼를 갖는 다수의 호울더가 각 중간 디스크에 의하여 회전 대칭 위치에서 적합하게 되며, 중간 디스크가 턴-테이블 위에서 그 축 주위를 회전하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 1인치(25mm)이상의 직경 및 0.1 내지 2.1mm 사이의 두께를 갖는 오목으로 뒤틀린, 볼록으로 뒤틀린 또는 편평한 복합 웨이퍼를 -3 내지 -50㎛의 뒤틀림 높이를 갖는 볼록으로 뒤틀린 상태의 호울더로 부착시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제14항에 있어서, -3 내지 -50㎛사이의 뒤틀림 높이를 갖는 본래 볼록으로 뒤틀린 웨이퍼를 -3 내지 -50㎛ 사이의 뒤틀림 높이를 갖는 볼록으로 뒤틀린 상태에서 호울더에 부착시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 5 내지 50㎛ 두께의 피막을 갖는 복합 웨이퍼를 피막 두깨의 변동이 ±20% 이하로 감소될 때가지 연마시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 한정된 두께를 갖는 연마가 어려운 층을 기판상에 부착시키고, 연마가 어려운 층을 연마가 수월한 층으로 피복하며, 두층을 다른 정도의 연마 난이도를 가지고 제조하고, 연마가 수월한 층 전체를 연마하고 연마가 어려운 층을 드러내게 함으로써 복합 웨이퍼의 피막 두께의 균일성이 증가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 접촉 영역상에 작용하는 단위 면적당 힘을 증가시키기 위해서 턴-테이블상에서 또는 웨이퍼 상에서 홈을 형성시킴으로써 접촉면적을 감소시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 샤프트에 의해 지지되는 호울더의 바닥의 중심에 볼록으로 뒤틀린 형태로 복합 웨이퍼를 부착시키고, 반응챔버내에서 호울더를 구동 장치 및 가입 실린더에 적합하게 하며, 반응 챔버내에 설치된 편평한 금속 턴-테이블과 웨이퍼가 접촉하도록 하고, 샤프트를 통해 집중 부하를 호울더의 중심에 가하여 호울더가 샤프트쪽으로 기울어지게 하며, 금속 턴-테이블을 400 내지 900℃로 가열시키고, 10-3Torr(0.13Pa) 내지 102Torr(1.3 x 104Pa)의 압력을 갖는 산소, 수소 기체, 산화탄소 기체, 탄화수소 기체 또는 회기체를 반응챔버내로 공급하며, 구동장치에 의하여 샤프트를 통해 호울더를 회전시키고, 그 축 주위로 턴-테이블을 회전시키며, 수직면내에서 호울더의 법선과 샤프트 사이의 경사각 ψ를 변화시키는 흔들림 운동을 호울더에 부여하고 중심에서 주변으로 또는 주변에서 중심으로 턴-테이블에 대한 웨이퍼의 접촉영역을 변화시키는 단계를 구성된 것을 특징으로 하는, Hv3000이상의 비커스 경도를 갖는 경질물질의 피막 및 기판으로 구성된 경질물질로 코팅된 복합 웨이퍼의 연마 방법.
  22. 샤프트로 지지되는 호울더의 바닥의 중심에 볼록으로 뒤틀린 모양으로 복합 웨이퍼를 부착하고, 구동장치 및 가압 실린더로 호울더를 적합시키며, 표면상에 다이아몬드 분말을 갖는 다이아몬드 웨트스톤인 턴-테이블과 웨이퍼를 접촉시키고, 샤프트를 통해 집중 부하를 호울더의 중심에 가함으로써 호울더를 샤프트로 기울어지게 하며, 구동장치에 의하여 샤프트를 통해 호울더를 회전시키고, 축 주위로 턴-테이블을 회전시키며, 호울더의 법선과 샤프트 사이의 경사각 ψ을 일정하게 하면서 샤프트 주위를 호울더의 법선이 회전하는 세차운동을 호울더에 부여하고, 경사각 ψ를 다양하게 함으로써 중심에서 주변까지 또는 주변에서 중심까지 턴-테이블로 웨이퍼의 접촉 영역을 변형시키는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 대기하에서 Hv3000 이상의 비커스 경도를 갖는 경질-물질의 피막 및 기판으로 구성된 경질-물질로 코팅된 복합 웨이퍼의 연마 방법.
  23. 제22항에 있어서, 탄성적으로 변형될 수 있는 버퍼가 호울더의 바닥에 부착되고, 상기 볼록으로 뒤틀린 웨이퍼가 버퍼가 부착되고 상기 버퍼가 웨이퍼를 턴-테이블로 기울이게 하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제23항에 있어서, 볼록 스페이서를 호울더 또는 버퍼의 바닥에 부착시키고, 본래 편평하거나 오목으로 뒤틀린 복합 웨이퍼를 볼록으로 뒤틀린 모양으로 볼록 스페이서를 통해서 호울더에 부착시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제24항에 있어서, Rmax50nm 및 Ra20nm 이하의 거칠기를 갖는 면적의 비율이 50% 이상이 될 때까지 상기 웨이퍼를 연마시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제25항에 있어서, 턴-테이블의 마멸을 평형화시키기 위해서 호울더를 원모양이 아닌 방향으로 배치시킴으로써 접촉 영역을 턴-테이블의 방사 방향으로 변화시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제26항에 있어서, 다수의 중간 디스크가 암에 의하여 회전하면서 지지되고, 바닥상에 볼록으로 뒤틀린 웨이퍼를 갖는 다수의 호울더는 각 중간 디스크에 의하여 회전 대칭인 위치에 맞추고, 중간 디스크가 턴-테이블 위에서 축 주위를 회전하는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제27항에 있어서, 1인치(25mm)이상의 직경 및 0.1 내지 2.1mm 의 두께를 갖는 오목으로 뒤틀린, 볼록으로 뒤틀린 또는 편평한 복합 웨이퍼가 -3 내지 -50㎛의 뒤틀림 높이를 갖는 볼록으로 뒤틀린 상태에서 호울더로 부착되는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제26항에 있어서, -3 내지 -50㎛의 뒤틀림 높이를 갖는 본래 볼록으로 뒤틀린 웨이퍼가 -3 내지 -50㎛ 의 뒤틀림 높이를 갖는 볼록으로 뒤틀린 상태에서 호울더로 부착되는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제29항에 있어서, 5내지 50㎛ 두께의 피막을 갖는 복합 웨이퍼를 피막 두께의 변동이 ±20%이하로 감소될때까지 연마시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제30항에 있어서, 기판상에 한정된 두께의 연마가 어려운 층을 부착시키고, 연마가 어려운 층을 연마가 수월한 층으로 피복시키며, 다른 정도의 연마 난이도를 갖는 두 층을 제조한 후, 연마가 수월한 층의 전체를 연마하여 연마가 어려운 층을 드러냄으로써 복합 웨이퍼 피막의 두께 균일성이 증가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제31항에 있어서, 접촉 영역상에 작용하는 단위 면적당 힘을 증가시키기 위하여 턴-테이블 또는 웨이퍼 상에 홈을 형성시킴으로써 접촉면적이 감소되는 것을 특징으로 하는 방법.
  33. 샤프트로 지지되는 호울더 바닥의 중심에 볼록으로 뒤틀린 형태로 복합 웨이퍼를 부착하고, 호울더를 반응 챔버내 구동장치 및 가압 실린더로 적합시켜서 반응챔버내에 설치된 편평한 금속 턴-테이블과 웨이퍼를 접촉하게 하며, 샤프트를 통해 집중 부하를 호울더의 중심에 가함으로써 호울더를 샤프트 쪽으로 기울이게 하고, 400 내지 900℃의 금속 턴-테이블을 가열하고, 10-3Torr(0.13Pa) 내지 102Torr(1.3 x 104Pa) 압력의 산소, 수소 기체, 산화탄소 기체, 탄화수소 기체 또는 희기체를 반응챔버내로 제공하며, 구동장치에 의하여 샤프트를 통해 호울더를 회전하고, 그 축 주위로 턴-테이블을 회전시켜서, 호울더의 법선과 샤프트 사이를 일정한 경사각 ψ로 호울더의 법선이 샤프트 주위를 회전하는 세차운동을 호울더에 부여하고 경사각 ψ를 변화시킴으로써 중심에서 주변으로 또는 주변에서 중심으로 턴-테이블에 대한 웨이퍼의 접촉 영역을 변화시키는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 Hv3000이상의 비커스 경도를 갖는 경질-물질의 피막 및 기판으로 구성된 경질-물질로 코팅된 복합 웨이퍼의 연마 방법.
  34. 다이아몬드 웨트스톤인 회전 턴-테이블, 복합 웨이퍼가 부착된 호울더, 호울더에 회전 및 압력을 전달하고 호울더가 기울어지게 하기 위하여 호울더의 중심에 결합된 샤프트, 회전가능하게 호울더를 지지하는 암, 샤프트의 중심으로 압력을 가하기 위한 실린더, 샤프트를 회전시키기 위한 구동 장치 및, 호울더에 흔들림 운동을 부여하기 위해서 호울더의 직경을 따라서 주변점을 밀어내기 위한 하나 이상의 보조 샤프트로 구성된 것을 특징으로 하는 경질 물질로 코팅된 복합 피막의 연막 장치.
  35. 다이아몬드 웨트스톤인 회전 턴-테이블, 복합 웨이퍼가 부착된 호울더, 호울더에 회전 및 압력을 전달하고 호울더가 기울어지게 하기 위하여 호울더의 중심에 결합된 샤프트, 회전가능하게 호울더를 지지하는 암, 샤프트의 중심으로 압력을 가하기 위한 실린더, 호울더에 세차운동을 부여하기 위하여 호울더의 주변점을 밀어내기 위한 3개 이상의 보조 샤프트, 및 샤프트를 회전시키기 위한 구동 장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 경질-물질로 코팅된 복합 피막의 연마 장치.
  36. 제35항에 있어서, 턴-테이블 상에서 접촉 영역이 방사 방향으로 이동하기 위해서 호울더를 지지하는 암이 대치되는 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  37. 제34항에 있어서, 상기 턴-테이블이 전자 부착 다이아몬드 웨트스톤인 것을 특징으로 하는 연마장치.
  38. 제35항에 있어서, 상기 턴-테이블이 전자 부착 다이아몬드 웨트스톤인 것을 특징으로 하는 연마장치.
  39. 제34항에 있어서, 상기 턴-테이블이 다수의 작은 다이아몬드 펠릿 또는 다이아몬드 펠릿을 베이스 디스크상에 고정시킴으로써 제조되는 작은 다이아몬드 펠릿 웨트스톤 또는 다이아몬드 펠릿 웨트스톤인 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  40. 제35항에 있어서, 상기 턴-테이블이 다수의 작은 다이아몬드 펠릿 또는 다이아몬드 펠릿을 베이스 디스크상에 고정시킴으로써 제조되는 작은 다이아몬드 펠릿 웨트스톤 또는 다이아몬드 펠릿 웨트스톤인 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  41. 평탄한 금속 디스크인 회전식 턴-테이블, 복합 웨이퍼가 부착된 호울더, 금속 턴-테이블을 가열시키기 위한 가열기, 호울더에 회전 및 압력을 전달시켜서 호울더를 기울게 하기 위한 호울더의 중심에 결합되어 있는 주 샤프트, 회전가능하게 호울더를 지지하는 암, 호울더의 중심으로 압력을 가하기 위한 실린더, 샤프트를 회전시키기 위한 구동 장치, 호울더에 흔들림 운동 또는 세차 운동을 부여하기 위하여 호울더의 주변점을 밀어내기 위한 하나 또는 하나 이상의 보조 샤프트, 보조 샤프트 상에 힘을 가하기 위한 실린더 및 피막 및 가열된 금속 턴-테이블 사이의 화학 반응에 의하여 경질 물질 피막이 연마되는 턴-테이블, 호울더, 샤프트, 구동장치 및 실린더를 포함하고 있는 진공 챔버로 구성된 것을 특징으로 하는 경질-물질로 코팅된 복합 피막의 연마장치.
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