KR100873235B1 - 웨이퍼 연마 방법 - Google Patents

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Abstract

슬러리를 이용한 연마 후 상기 연마제와 상기 연마 공정에서 발생한 파티클을 제거하는 효율을 향상시키기 위한 웨이퍼 연마 방법이 개시된다. 웨이퍼 연마 방법은, 슬러리를 포함하는 연마제를 이용하여 화학적 기계적으로 웨이퍼의 표면을 연마하고, 상기 웨이퍼에 수소수를 제공하여 상기 웨이퍼 상의 상기 연마제와 파티클을 제거한 후, 상기 웨이퍼에 오존수를 제공하여 웨이퍼 표면을 친수화하고 파티클의 재흡착을 방지하는 단계를 거치게 된다. 따라서, 웨이퍼 상의 연마제와 파티클을 효과적으로 제거할 수 있다. 또한, 화학약품을 사용하지 않거나 소량의 화학약품으로 연마 공정이 수행되므로 폐수 처리 비용을 절감할 수 있다.
CMP, 연마, 수소수, 오존수

Description

웨이퍼 연마 방법{Method of Polishing Wafer}
본 발명은 웨이퍼 연마 방법에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 슬러리를 통해 표면 연마 공정이 수행된 반도체 웨이퍼 상의 슬러리 또는 파티클을 효율적으로 제거할 수 있는 웨이퍼 연마 방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 고집적화로 인해 반도체 웨이퍼 제조 공정 중 화학적 기계적 연마(chemical mechanical polishing, CMP) 공정시 웨이퍼에 가해지는 스크래치나 결함이 반도체 제조공정에서 소자의 수율 및 생산성에 큰 영향을 끼치는 중요한 인자 중의 하나로 인식되어 가고 있다.
특히, 대구경화된 웨이퍼(예, 300㎜ 직경의 웨이퍼)를 사용하는 최근의 반도체 소자의 제조공정의 경우 웨이퍼와 연마장치의 연마면도 역시 대형화되어 가고 있는 추세이다. 이러한 이유들로 인해 연마공정 진행시 웨이퍼와 연마면에 가해지는 스트레스와 충격이 높아지고, 그 결과 웨이퍼에 스크래치나 결함의 발생 빈도가 높아지는 경향이 있다.
상기 CMP 공정은 화학적인 방법과 기계적인 방법을 통하여 웨이퍼 표면을 평탄화 하는 방법이다.
통상적인 상기 CMP 공정을 수행하기 위한 연마장치는 연마 패드, 상기 웨이퍼를 고정하는 연마헤드와, 상기 연마헤드를 상기 연마 패드에 대해 회전시키는 구동부를 포함한다. 그리고, 연마 패드와 웨이퍼 사이에 연마입자를 포함하는 연마제(polishing agent)인 슬러리(slurry, 현탁액)가 제공된다. 즉, 평탄화할 웨이퍼의 표면을 상기 연마 패드에 접촉하도록 한 상태에서 상기 웨이퍼를 회전 운동시킴으로써 기계적으로 상기 웨이퍼의 요철을 제거하여 평탄화시킨다. 그리고, 상기 웨이퍼와 상기 연마 패드 사이로 슬러리를 공급하여 화학적으로 반응시킴으로써 상기 웨이퍼를 화학적으로 평탄화시킨다.
그리고, 상기 웨이퍼에 대한 CMP 공정이 수행된 후에는, 상기 CMP 공정 동안 사용된 슬러리, 상기 슬러리 내에 포함되어 있던 연마입자 또는 상기 웨이퍼로부터 발생된 파티클(이하, 파티클이라 한다)을 제거하기 위한 워터 폴리싱(water polishing) 공정이 수행된다. 상기 워터 폴리싱 공정은 탈이온수(deionized water, DI water) 또는 순수를 공급하여 상기 연마 공정에서 발생된 상기 파티클을 제거하는 공정이다.
그런데, 종래의 순수를 이용한 워터 폴리싱 공정으로는 상기 파티클을 완전히 제거하기 어려운 문제점이 있다.
상세하게는, 상기 CMP 공정이 수행되어 상기 웨이퍼의 표면이 평탄화되면 상기 웨이퍼의 표면은 양전하를 띠게 되고, 상기 파티클은 음전하를 띠게 된다. 따라서, 상기 웨이퍼와 상기 파티클 사이에 강한 정전기적 인력이 발생하여, 상기 파티클이 상기 웨이퍼 표면에 부착된다. 이로 인해, 상기 순수를 사용한 워터 폴리싱 공정으로는 상기 웨이퍼 표면에서 상기 파티클을 제거하는 것이 어렵다. 또한, 상기 파티클로 인해 상기 웨이퍼 표면에 스크래치(scratch) 또는 피트(pit)가 발생할 수 있는 문제점이 있다.
그리고, 상기와 같은 파티클은 상기 웨이퍼의 오염원으로 작용하게 되고 상기 웨이퍼의 연마 효율이 저하된다. 더불어, 상기 파티클은 후속하는 공정에서 불량의 원인이 되어, 생산 효율을 저하시키게 된다.
상기와 같은 문제점으로 인해, 상기 파티클의 제거 효과를 높이기 위해 다량의 분산제 또는 산화제 등의 케미컬을 사용하여 상기 웨이퍼에 대한 워터 폴리싱 공정을 수행할 수 있다. 그러나, 이와 같은 경우에는 상기 케미컬과 상기 웨이퍼 사이의 화학 반응에 의해 상기 웨이퍼 표면이 에칭되고, 피트가 발생하는 문제점이 있다. 또한, 상기 케미컬의 사용으로 인한 생산 비용 증가와, 상기 연마 공정 및 상기 워터 폴리싱 공정에서 발생하는 폐수의 처리 비용이 증가하게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 웨이퍼의 연마 방법에 있어서, 본 발명의 목적은 연마 및 세정 효율을 향상시킨 웨이퍼 연마 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 웨이퍼 연마 방법은, 웨이퍼에 연마제를 제공하여 상기 웨이퍼의 표면을 연마하는 제1 연마 단계, 상기 웨이퍼에 수소수를 포함하는 알칼리성의 제1 연마액을 제공하여 상기 웨이퍼에 잔류한 상기 연마제 또는 파티클을 제거하는 제2 연마 단계 및 상기 웨이퍼에 오존수를 포함하는 산성의 제2 연마액을 제공하여 상기 웨이퍼에 잔류한 상기 제1 연마액 및 파티클을 제거하는 제3 연마 단계를 포함한다.
실시예에서, 상기 웨이퍼는 실리콘 웨이퍼이다. 그러나, 상기 웨이퍼는 반도체웨이퍼와, 평판형 디스플레이용 유리 웨이퍼일 수 있다.
또한, 상기 제1 연마단계는 상기 웨이퍼에 대해 대한 화학적 기계적 연마(chemical mechanical polishing, CMP) 공정일 수 있다. 또한, 상기 연마제는 슬러리(slurry)일 수 있다.
실시예에서, 상기 제1 연마액과 상기 제2 연마액은 상기 제1 연마 단계에서 발생한 파티클을 상기 웨이퍼 표면에서 제거하기 위한 용액으로서, 상기 제1 연마액은 수소수이고, 상기 제2 연마액은 오존수일 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 연마액의 농도는 1 내지 3 ppm으로 pH 7 내지 pH 11의 알칼리성 용액이다. 또한, 상기 오존수의 농도는 5 내지 50 ppm으로 pH 7 이하의 산성 용액이다.
한편, 상기 제1 연마액에 첨가되어 상기 제1 연마액의 특성을 향상시키기 위한 첨가제가 더 포함될 수 있다. 예를 들어, 상기 첨가제는 수산화암모늄, 수산화나트륨, 수산화칼륨 및 테트라메틸암모늄 하이드록사이드(tetramethylammonium hydroxide, TMAH)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나일 수 있다. 상기 알칼리성 용액은 상기 웨이퍼와 상기 파티클의 제타전위를 모두 음전하를 띠도록 하여, 상기 웨이퍼와 상기 파티클 사이의 척력을 발생시킴으로써 상기 파티클의 제거 효과를 향상시키게 된다.
한편, 상술한 바와는 다르게, 상기 제1 연마액은 수소수와 오존수의 혼합액이고, 상기 제2 연마액은 오존수일 수 있다. 즉, 슬러리를 이용하여 상기 웨이퍼 표면을 평탄화 시킨 후, 상기 수소수와 상기 오존수를 같이 상기 웨이퍼 상으로 공급하여 상기 파티클을 제거할 수 있다. 그러나, 이 경우, 상기 수소수와 상기 오존수에 의한 제2 연마 공정이 완료되면 상기 오존수만을 공급하여 상기 웨이퍼를 산화시키는 제3 연마 단계를 수행하는 것이 바람직하다.
실시예에서, 상기 제1 연마액에도 상기 수소수의 효과를 향상시키기 위한 첨가제가 포함될 수 있다. 예를 들어, 상기 첨가제는 수산화암모늄, 수산화나트륨, 수산화칼륨 및 테트라메틸암모늄 하이드록사이드(tetramethylammonium hydroxide, TMAH)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나일 수 있다.
실시예에서, 상기 제3 연마 공정이 수행된 후, 세정 공정이 더 수행될 수 있 다. 구체적으로, 상기 세정 공정은, 상기 연마유닛에서 상기 웨이퍼를 언로딩하는 단계, 상기 웨이퍼를 세정조로 이송하는 단계 및 상기 웨이퍼로 세정액을 제공하여 상기 제2 연마액 및 이물질을 제거하는 세정 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 세정액은 불산을 순수에 혼합하여 희석시킨 희석 불산액을 사용할 수 있다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따르면, 첫째, 평탄화가 완료된 웨이퍼에 오존수와 수소수와 같은 기능수를 공급하여 연마 공정을 수행함으로써, 상기 평탄화 공정에서 사용된 슬러리와 상기 평탄화 공정 중에 발생한 파티클을 제거할 수 있다. 또한, 상기 웨이퍼 표면을 친수화하여 상기 파티클이 상기 웨이퍼에 재부착되는 것을 방지할 수 있다.
특히, 오존수와 수소수를 이용하여 상기 슬러리와 파티클을 제거할 수 있어서, 연마 효과를 향상시키고, 후속하는 공정 또는 반도체 제조 공정이 불량을 줄일 수 있다.
둘째, 약액 또는 화학약품을 사용하지 않거나, 소량의 약액 또는 화학약품으로 연마 공정이 수행될 수 있으므로, 약액 또는 화학약품의 사용량을 절감할 수 있다. 또한, 상기 연마 공정과 상기 연마 공정에 후속하여 수행되는 세정 공정에 소모되는 순수 또는 초순수의 사용량을 절감할 수 있다. 부가적으로, 상기 연마 공정과 상기 세정 공정에 소모되는 비용을 절감할 수 있다.
더불어, 상기 연마 공정 또는 상기 세정 공정에서 물의 회수율을 향상시킬 수 있다. 또한, 약액 또는 화학약품으로 인한 폐수가 적게 발생하므로, 폐수처리에 발생하는 비용을 절가하고, 폐수로 인한 환경오염을 저감시킬 수 있는 장점이 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연마 장치에 대해 설명한다.
먼저, 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 웨이퍼 연마 장치는 웨이퍼(10)에 대한 평탄화 공정이 수행되는 연마유닛(100)과, 상기 연마 공정이 완료된 상기 웨이퍼(10)에 대한 세정 공정이 수행되는 세정기(200)와, 상기 연마유닛(100)으로 상기 웨이퍼(10)를 인입시키거나, 상기 연마 공정이 완료된 웨이퍼(10)를 상기 연마유닛(100)으로부터 인출하고, 상기 세정기(200)로 이송하는 이송유닛(300)을 포함할 수 있다.
상기 웨이퍼(10)는 반도체 기판으로 사용되는 실리콘 웨이퍼일 수 있다.
그러나, 상기 웨이퍼(10)는 실리콘 웨이퍼에 한정되는 것은 아니며, 반도체 기판(semiconductor substrate), 평판디스플레이 장치용 유리 기판(glass substrate) 또는 액정 패널(liquid crystal panel) 등과 같은 실질적으로 다양한 기판일 수 있다.
상기 연마유닛(100)은 상기 웨이퍼(10)에 대한 화학적 기계적 연마(chemical mechanical polishing, CMP) 공정이 수행되는 연마장치일 수 있다. 즉, 상기 연마유닛(100)은 상기 웨이퍼(10)에 대해 기계적 화학적으로 상기 웨이퍼(10) 표면의 요철을 평탄화시키는 공정이 수행되고, 상기 연마 공정에서 사용된 슬러리 등을 제거하는 워터 폴리싱(water polishing) 공정이 수행된다. 이하에서는 상기 CMP 연마장치를 예로 들어 설명한다.
그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 연마유닛(100)은 상기 웨이퍼(10)에 대한 습식 세정 공정이 수행되는 장치를 포함할 수 있다. 또한, 상기 연마유닛(100)은 식각이나 증착과 같은 반도체 제조 공정이 수행되는 장치를 포함할 수 있다. 또한 본 발명은 웨이퍼의 평탄화 장비 및 반도체 디바이스 제조에 이용되는 STI CMP(Shallow Trench Isolation Chemical Mechanical Polishing), Metal CMP 및 Oxide CMP 등에서도 동일하게 적용할 수 있다.
또한, 상기 연마유닛(100)은 상기 웨이퍼(10)가 한 장씩 연마 공정이 수행되는 매엽식(single type) 연마장치일 수 있다. 또는, 상기 연마유닛(100)은 복수의 웨이퍼(10)에 대해 동시에 연마 공정이 수행되는 배치식(batch type) 연마장치일 수 있다. 그리고, 상기 연마유닛(100)은 편면 또는 양면 연마장치일 수 있다. 본 실시예에서는 배치식 연마장치를 예로 들어 설명한다.
상기 세정기(200)는 상기 연마 공정이 수행된 웨이퍼(이하, 처리 웨이퍼이라 한다)(10)에 대한 연마 후 세정 공정이 수행되는 장치로서, 상기 처리 웨이퍼(10)로 세정액을 공급하여 상기 웨이퍼(10) 상에서 연마제 또는 상기 연마 공정에서 발생된 파티클을 제거한다. 예를 들어, 상기 세정기(200)는 세정액이 수용되는 세정조(미도시)를 포함하고, 상기 처리 웨이퍼(10)가 상기 세정조 내의 세정액에 침지되어 상기 웨이퍼(10)에 대한 제1 세정 공정이 수행되는 세정 장치일 수 있다. 또는, 상기 세정기(200)는 상기 웨이퍼(10)를 회전시키면서 상기 웨이퍼(10) 상으로 세정액을 공급하여 스핀 방식 세정 장치일 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 세정기(200)는 상기 웨이퍼(10)로 세정액을 공급하는 세정액 공급부(210), 세정액 공급노즐(211) 및 세정액 공급밸브(212)를 포함할 수 있다.
상기 이송유닛(300)은 상기 처리 웨이퍼(10)를 상기 연마유닛(100)에서 인출하여 상기 웨이퍼(10)를 보관하기 위한 카세트(미도시) 또는 후속 공정이 수행될 반도체 제조 장치(미도시)로 이송한다. 예를 들어, 상기 이송유닛(300)은 상기 처리 웨이퍼(10)를 상기 세정기(200)로 이송한다.
또한, 상기 이송유닛(300)은 상기 연마 공정이 수행될 웨이퍼(이하, 미처리 웨이퍼이라 한다)(10)을 상기 연마유닛(100)으로 인입시키는 역할도 수행할 수 있다.
이하, 도 1과 도 2를 참조하여 상기 연마유닛(100)에 대해 상세하게 설명한다.
도면을 참조하면, 상기 연마유닛(100)은 연마 패드(113)와 연마테이블(111) 및 연마헤드(131)를 포함한다.
상기 연마 패드(113)는 웨이퍼(10)의 표면과 접촉되어 상기 웨이퍼(10) 상의 요철 중 돌출부를 선택적으로 제거하여 평탄화시키는 기계적 연마 요소이다. 예를 들어, 상기 연마 패드(113)는 표면에 미세돌기가 형성되어 있는 연마포일 수 있으며, 평탄화 효율을 높이기 위해 상기 연마 패드(113)의 표면에는 다양한 형상의 홈(groove)이 형성될 수 있다.
한편, 상기 연마 패드(113)와 상기 웨이퍼(10) 사이에는 상기 웨이퍼(10)의 표면을 화학적으로 평탄화하기 위한 연마입자가 포함된 연마제(polishing agent)인 슬러리(slurry, 현탁액)가 제공된다. 상기 슬러리를 상기 웨이퍼(10) 및 상기 연마 패드(113)로 공급하는 슬러리 공급부(150)가 구비된다. 또한, 상기 슬러리 공급부(150)는 상기 슬러리를 공급하는 슬러리 공급노즐(151)과 슬러리 공급밸브(152)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 슬러리 공급노즐(151)은 상기 연마 패드(113) 상부에 위치할 수 있다.
여기서, 상기 슬러리는 상기 웨이퍼(10)의 표면과 화학적으로 반응하여 상기 웨이퍼(10)의 표면을 평탄화시키는 화학적 연마 요소이다. 또한, 상기 슬러리 내에는 상기 웨이퍼(10) 표면을 기계적으로 평탄화시키기 위한 콜로이달 실리카(colloidal silica)를 포함하는 연마입자가 포함된다. 상기 슬러리는 상기 연마 패드(113)의 홈 사이로 유동하여 상기 웨이퍼(10)의 표면에 접촉된다. 따라서, 상기 웨이퍼(10)를 상기 연마 패드(113)의 표면에 가압 접촉시킨 상태에서 상기 슬러리를 공급한 후, 상기 웨이퍼(10)와 상기 연마 패드(113)를 회전시키면, 상기 연마 패드(113)와 상기 슬러리 내의 연마입자에 의해 상기 웨이퍼(10) 표면이 기계적으로 평탄화 되고, 상기 슬러리 내의 화학 성분에 의해 화학적으로 평탄화된다.
상기 연마테이블(111)은 상기 연마 패드(113)의 하부에서 상기 연마 패드(113)를 지지한다. 상기 연마테이블(111)의 하부에는 상기 연마 패드(113)를 상기 웨이퍼(10)에 대해 소정의 방향과 속도록 회전시키기 위한 제1 구동축(115)와, 상기 제1 구동축(115)과 연결되어 상기 연마테이블(111)로 구동력을 전달하는 제1 구동부(120)가 구비된다.
상기 연마헤드(131)는 상기 웨이퍼(10)를 고정시키고, 상기 웨이퍼(10)를 연마하기 위해 상기 웨이퍼(10)를 상기 연마 패드(113)에 대해 가압 및 회전시킨다. 특히, 상기 연마헤드(131)는 상기 웨이퍼(10)의 표면이 상기 연마 패드(113)의 연마면에 대해 평행을 이루도록 상기 웨이퍼(10)를 고정시킨다.
한편, 상기 웨이퍼(10)를 고정하는 방법으로는 진공에 의한 흡착 방식과 표면 장력에 의한 탄성지지 방식이 있다. 예를 들어, 상기 연마헤드(131)는 상기 진공 흡착 방식에 의해 상기 웨이퍼(10)에 고정시킬 수 있다. 여기서, 상기 연마헤드(131)는 상기 웨이퍼(10)에 진공을 제공하는 진공제공부(미도시)가 구비될 수 있다.
또한, 상기 웨이퍼(10)는 왁스(132)를 이용하여 일면이 상기 연마헤드(131)이 결합된 상태에서 다른 면에 대해 연마 공정이 수행될 수 있다.
상기 연마헤드(131)는 상기 연마헤드(131)를 상기 연마 패드(113)에 대해 회 전시키기 위한 제2 구동축(135)과, 상기 제2 구동축(135)과 연결되어 상기 연마헤드(131)로 구동력을 전달하는 제2 구동부(140)를 포함한다. 또한, 상기 제2 구동부(140)는 상기 웨이퍼(10)가 고정된 상기 연마헤드(131)를 상기 연마 패드(113)에 대해 승하강시킬 수 있다. 또한, 상기 제2 구동부(140)는 상기 웨이퍼(10)가 상기 연마 패드(113)에 가압된 상태에서 상기 연마헤드(131)를 상기 연마 패드(113)에 대해 직선 운동시킬 수 있다.
상기 연마헤드(131)는 상기 웨이퍼(10)를 고정시키는 블록(133)을 포함한다. 상기 블록(133)은 상기 연마 패드(113)에 대응되도록 제작된 평탄하고 변형이 없는 형태를 가지며, 세라믹 재질의 원반 형태를 가질 수 있다. 즉, 상기 블록(133)은 상기 웨이퍼(10)의 연마된 면의 평탄도에 악영향을 미치지 않도록 평면을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 블록(133)은 상기 슬러리에 의해 화학적으로 반응하지 않는 재질로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 웨이퍼(10)를 상기 연마 패드(113)에 소정 이상의 압력이 인가된 상태에서 지지할 수 있도록 소정 크기의 강도를 갖는 것이 바람직하다.
예를 들어, 상기 블록(133)은 세라믹 재질로 형성될 수 있다. 또는, 상기 블록(133)은 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC) 또는 알루미나(aluminum oxide, Al2O3) 재질로 형성되는 것도 가능할 것이다.
본 실시예에 따른 연마유닛(100)은 복수의 웨이퍼(10)에 대해 동시에 연마 공정이 수행되는 배치식(batch) 연마 장치일 수 있다. 또는, 상기 연마유닛(100)은 낱장의 웨이퍼(10)에 대해 연마 공정이 수행되는 매엽식 연마 장치일 수 있다.
상기 슬러리가 공급되고, 상기 연마 패드(113)와의 상대적인 회전에 의해 상기 웨이퍼(10) 표면에 대한 연마 공정이 수행되고 난 후, 상기 슬러리와 상기 연마 공정에서 상기 웨이퍼(10) 표면에서 발생한 파티클을 제거하는 공정이 수행된다.
이하에서는, 도 2를 참조하여 상기 슬러리와 상기 파티클의 제거 공정에 대해 상세하게 설명한다.
상기 연마유닛(100)에는 상기 웨이퍼(10)의 표면을 평탄화하기 위한 슬러리를 공급하는 슬러리 공급부(150)와, 상기 처리 웨이퍼(10)로 수소수를 공급하는 수소수 공급부(160) 및 오존수를 공급하는 오존수 공급부(165)가 구비된다.
상기 수소수 공급부(160)는 수소수를 공급하기 위한 수소수 공급노즐(161)과 수소수 공급밸브(162)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 오존수 공급부(165)는 오존수를 공급하기 위한 오존수 공급노즐(163)과 오존수 공급밸브(164)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 수소수 공급노즐(161)과 상기 오존수 공급노즐(163)은 상기 연마 패드(113) 상부에 위치할 수 있다.
한편, 상기 수소수 공급노즐(161)과 상기 오존수 공급노즐(163)은 하나의 노즐로 수렴될 수 있다. 즉, 상기 웨이퍼(10) 상으로 상기 수소수를 공급한 후 동일한 노즐을 이용하여 상기 오존수를 공급할 수 있다. 또한, 상기 수소수와 상기 오존수를 동시에 상기 웨이퍼(10)로 공급하는 것도 가능할 것이다.
여기서, 순수 또는 초순수에 소량의 가스성분 또는 약액 성분을 용해시키면 순수 또는 초순수에 비해 상기 파티클의 제거 효과가 향상된다.
즉, 상기 수소수와 상기 오존수는 순수에 소량의 가스성분을 용해시킨 기능수이다.
상기 수소수는 상기 웨이퍼(10)에 부착된 환원성 유기물 또는 파티클과 같은 미립자 제거에 효과적이다. 즉, 상기 웨이퍼(10)로 상기 수소수를 공급하면, 상기 웨이퍼(10)와 상기 파티클의 제타전위(zeta potential)가 모두 음전하를 띠게 되므로, 상기 웨이퍼(10) 표면과 상기 파티클 사이에 정전기적 반발력이 발생하게 되어 상기 파티클을 상기 웨이퍼(10) 표면에서 제거할 수 있다.
참고적으로, 상기 웨이퍼(10) 또는 상기 파티클의 제타전위는 상기 웨이퍼(10)를 둘러싸고 있는 용액의 pH에 의해 영향을 받는다. 즉, 용액의 pH가 증가하면 제타전위의 크기는 작아지고, 특히, 알칼리성에서는 음전하를 갖는다. 따라서, 상기 웨이퍼(10)에 상기 수소수를 공급하면 상기 웨이퍼(10)와 상기 파티클은 모두 음전하를 띠게 된다.
상세하게는, 상기 수소수는 순수에 수소가스(H2)를 용해시킨 용액으로서, pH가 7 이상인 알칼리성 용액이 된다. 예를 들어, 상기 수소수는 수소의 농도가 1 내지 3 ppm인 용액으로서, 바람직하게는, 상기 수소수는 pH가 7 내지 11 미만인 것이 바람직하다.
여기서, 상기 수소수의 수소 농도가 진하여 강한 염기성(즉, pH 11이상) 용액이 되는 경우, 상기 수소수에 의해 상기 웨이퍼(10)의 표면이 에칭되어 스크래치(scratch) 또는 피트(pit)가 발생할 수 있다. 또한, 상기 수소수의 수소 농도가 너무 연한 경우에는 상기 수소수가 중성에 가까워지고, 상기 알칼리성 수소 수의 특성을 갖지 못하므로, 상기 알칼리성 용액에 의한 세정 효과를 얻을 수 없다.
한편, 상기 수소수의 상기 파티클 제거 효과를 향상시키기 위해 상기 수소수에 소정의 첨가제를 혼합할 수 있다. 여기서, 상기 첨가제는 상기 수소수의 알칼리성을 강화시키기 위한 알칼리성 물질로서, 예를 들어, 수산화암모늄, 수산화나트륨, 수산화칼륨 및 테트라메틸암모늄 하이드록사이드(tetramethylammonium hydroxide, TMAH) 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
특히, 암모니아를 포함하는 알칼리 용액은 파티클과 상기 웨이퍼(10) 표면의 제타전위를 동극성으로 제어하여 전기적 반발력을 발생시키는 효과가 있어 상기 파티클이 상기 웨이퍼(10)에 부착되는 것을 방지하는 데 효과적이다.
여기서, 상기 수소수에 상기 첨가제가 혼합되더라도, 상기 수소수의 pH는 11 미만이 되도록 상기 첨가제의 양이 조절되는 것이 바람직하다.
상기 오존수는 상기 웨이퍼(10)의 표면을 산화시켜 친수성을 강화시키는 특성을 갖는다. 즉, 상기 웨이퍼(10)에 상기 오존수를 공급함으로써 상기 웨이퍼(10) 표면을 산화시켜 친수화하고, 상기 음전하를 띠는 파티클과 정전기적 반발력이 발생함으로써 상기 파티클이 상기 웨이퍼(10)에 재부착되는 것을 방지하는 역할을 한다.
상세하게는, 상기 오존수는 순수에 오존가스(O3)를 용해시킨 용액으로서, pH가 7 이하인 산성 용액이 된다. 예를 들어, 상기 오존수는 오존의 농도가 5 내지 50 ppm인 것이 바람직하다.
여기서, 상기 오존수의 농도가 진하여 상기 오존수가 강한 산성을 띠는 경우, 상기 웨이퍼(10) 상에 잔류하는 슬러리 내 연마입자들의 응집이 발생할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 웨이퍼 연마 방법에 대해 상세하게 설명한다.
도 4를 참조하면, 먼저, 연마하고자 하는 미처리 웨이퍼(10)를 연마유닛(100)에 로딩한다(S11).
상기 웨이퍼(10)는 상기 연마유닛(100)의 연마헤드(131)에 고정된다. 예를 들어, 상기 웨이퍼(10)는 진공 흡착 방식에 의해 상기 연마헤드(131)에 고정된다.
다음으로, 상기 웨이퍼(10)가 고정된 상태에서 상기 연마헤드(131)를 하강시켜 상기 웨이퍼(10)를 상기 연마 패드(113)에 가압 접촉시킨다. 그리고, 상기 웨이퍼(10)와 상기 연마 패드(113) 사이로 소정량의 슬러리가 공급되고 상기 웨이퍼(10)와 상기 연마 패드(113)가 회전하면서 제1 연마 공정이 수행된다(S12).
즉, 상기 웨이퍼(10)와 상기 연마 패드(113)의 표면이 가압 접촉된 상태에서 상기 슬러리에 의해 상기 웨이퍼(10)의 표면이 화학적으로 반응하여 상기 웨이퍼(10)의 표면이 화학적으로 평탄화되고, 동시에 상기 웨이퍼(10)와 상기 연마 패드(113)의 회전에 의한 물리력이 작용하여 상기 웨이퍼(10) 표면의 요철이 제거되어 기계적으로 평탄화된다.
여기서, 상기 연마헤드(131)는 상기 웨이퍼(10)의 표면을 평탄화시키기 위하 여 상기 연마 패드(113)에 대해 회전운동뿐만 아니라, 직선운동 또는 요동운동을 할 수 있다. 또한, 상기 연마헤드(131)는 상기 웨이퍼(10)를 상기 연마 패드(113)에 대해 소정의 압력을 가하여 가압 접촉시킨다.
상기 연마헤드(131)와 상기 연마 패드(113)는 서로 반대방향으로 회전한다. 또는, 상기 연마헤드(131)와 상기 연마 패드(113)는 서로 동일한 방향으로 회전시키는 것도 가능할 것이다.
상기 웨이퍼(10)에 대한 제1 연마 공정이 완료되면 상기 제1 연마 공정에서 사용된 슬러리와 슬러리 내의 연마입, 그리고 상기 제1 연마 공정 동안 발생되어 상기 웨이퍼(10)에 부착된 파티클 등을 제거하기 위한 연마 공정이 수행된다.
예를 들어, 상기 웨이퍼(10) 상으로 수소수를 공급하여 상기 웨이퍼(10) 표면에서 상기 파티클을 제거하는 제2 연마 공정이 수행된다(S13).
상세하게는, 상기 제1 연마 공정을 통해 상기 웨이퍼(10)의 표면은 양전하를 띠게 되고, 상기 슬러리 내의 연마입자 또는 상기 웨이퍼(10)로부터 박리된 파티클은 음전하를 띠게 된다. 따라서, 상기 웨이퍼(10)와 상기 파티클 사이에는 전기적 인력에 의해 강한 결합력이 발생하게 된다.
여기서, 상기 웨이퍼(10)로 상기 수소수를 공급하면, 상기 웨이퍼(10)의 표면과 상기 파티클이 모두 음전하를 띠게 되고, 상기 웨이퍼(10) 표면과 상기 파티클 사이에 전기적인 반발력이 발생하게 된다. 따라서, 상기 파티클과 상기 웨이퍼(10) 사이의 결합력이 약화되고, 상기 파티클을 상기 웨이퍼(10)에서 용이하게 제거할 수 있다.
또한, 상기 수소수에 의한 상기 웨이퍼(10)와 상기 파티클 사이의 척력이 강하게 작용하도록 도와주는 역할을 하는 소정의 첨가제를 상기 수소수에 혼합할 수 있다. 여기서, 상기 첨가제는 상기 수소수의 알칼리도를 강화시키기 위한 알칼리성 물질로서, 예를 들어, 수산화암모늄, 수산화나트륨, 수산화칼륨 및 테트라메틸암모늄 하이드록사이드(tetramethylammonium hydroxide, TMAH) 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
다음으로, 상기 웨이퍼(10) 상으로 오존수를 공급하여 상기 웨이퍼(10) 표면을 친수화시키고, 상기 분리된 파티클이 상기 웨이퍼(10)에 재부착되는 것을 방지하는 제2 연마 공정을 수행한다(S14).
상기 오존수는 산성 용액으로서, 상기 파티클이 제거된 상기 웨이퍼(10)의 표면에 산화막을 형성하여 상기 웨이퍼(10) 표면을 친수화한다. 예를 들어, 상기 웨이퍼(10)는 실리콘 웨이퍼로서 상기 웨이퍼(10) 표면에 형성되는 산화막인 SiO2가 생성되고, 친수성을 갖는다. 또한, 상기 웨이퍼(10) 표면의 산화막은 상기 음전하를 띠는 파티클과 정전기적 반발력에 의해 상기 파티클이 상기 웨이퍼(10)에 재부착되는 것을 방지하는 역할을 한다.
한편, 상술한 실시예에서는, 수소수를 공급하여 제2 연마하고, 오존수를 공급하여 제3 연마하는 방법에 대해 설명하였으나, 이와는 다르게 수소수와 오존수를 같이 공급하여 제2 연마 공정을 수행할 수 있다(S14).
즉, 상기 수소수를 이용하여 상기 웨이퍼(10) 상의 파티클을 제거하고, 상기 오존수를 이용하여 상기 파티클의 재부착을 방지하고, 상기 웨이퍼(10) 표면을 산 화시켜 친수화시킬 수 있다.
여기서, 상기 수소수와 상기 오존수를 같이 공급하여 연마 공정을 수행하는 경우에도, 연마 공정의 마지막 단계에서는 상기 오존수만을 공급하여 제3 연마 공정을 수행하는 것이 바람직하다(S15).
즉, 상기 제3 연마 공정을 통해 상기 웨이퍼(10) 표면에 산화막이 형성되어 친수화 되도록 한다.
상기 웨이퍼(10)에 대한 연마가 완료되면 상기 연마유닛(100) 외부에 구비된 이송유닛(300)에 의해 상기 처리 웨이퍼(10)가 상기 연마유닛(100)에서 언로딩된다(S16). 여기서, 상기 웨이퍼(10)는 상기 블록(133)에 결합된 상태에서 인출될 수 있다. 그리고, 상기 웨이퍼(10)는 상기 세정기(200)로 이송된다.
상기 세정기(200)에서는 상기 웨이퍼(10)로 세정액을 공급하여 상기 웨이퍼(10) 상의 파티클을 제거하는 세정 공정이 수행된다(S17).
여기서, 상기 웨이퍼(10)는 상기 연마 공정이 완료된 후 바로 상기 세정기(200)로 이송되어 세정 공정이 수행될 수 있다. 그런데, 상기 웨이퍼(10)의 표면에는 상기 제3 연마 공정(S15)에 의해 생성된 산화막이 형성되어 있는데, 상기 웨이퍼(10)를 이송하는 동안 공기중의 산소와 반응하여 상기 웨이퍼(10) 표면의 산화막이 성장할 수 있다. 또한, 상기 연마 공정에서 발생한 파티클이 상기 산화막 표면에 부착되어 있을 수 있다. 따라서, 상기 세정 공정을 수행하기에 앞서, 상기 웨이퍼(10) 표면에서 상기 산화막을 제거하기 위한 제1 세정을 수행한다.
상기 제1 세정 공정은 희석된 불산액(HF, hydrofluoric Acid)을 사용하여 상 기 웨이퍼(10) 표면의 산화막을 제거하는 공정이다. 상기 희석된 불산액은 초순수에 불산(HF)을 혼합한 용액으로서, 상기 희석된 불산액은 상기 연마 공정 또는 상기 이송 공정 중에 상기 웨이퍼(10) 상에 생성된 화학적 산화막 및 자연 산화막을 제거할 수 있다.
여기서, 상기 연마 공정 중에 상기 웨이퍼(10)에 재부착된 파티클이 있다 하더라도, 상기 세정 공정에서 상기 웨이퍼(10) 표명의 산화막을 제거함으로써 상기 파티클 역시 제거할 수 있다.
그리고, 상기 제1 세정이 완료된 웨이퍼는 세정기(200)에서 통상적인 세정 공정이 수행된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 웨이퍼 연마 장치를 설명하기 위한 개략적인 블록도;
도 2는 도 1의 연마유닛을 설명하기 위한 개략적인 측면도;
도 3은 도 2의 연마유닛을 설명하기 위한 사시도;
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연마 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 웨이퍼 100: 연마유닛
111: 연마 테이블 113: 연마 패드
115: 제1 구동축 120: 제1 구동부
131: 연마헤드 132: 왁스
133: 블록 135: 제2 구동축
140: 제2 구동부 150: 슬러리 공급부
151: 슬러리 공급노즐 152: 슬러리 공급밸브
160: 수소수 공급부 161: 수소수 공급노즐
162: 수소수 공급밸브 163: 오존수 공급노즐
164: 오존수 공급밸브 165: 오존수 공급부
200: 세정기 210: 세정액 공급부
211: 세정액 공급노즐 212: 세정액 공급밸브
300: 이송유닛

Claims (16)

  1. 웨이퍼에 연마제를 제공하여 상기 웨이퍼의 표면을 연마하는 제1 연마 단계;
    상기 웨이퍼에 수소수를 포함하는 알칼리성의 제1 연마액을 제공하여 상기 웨이퍼에 잔류한 상기 연마제 또는 파티클을 제거하는 제2 연마 단계; 및
    상기 웨이퍼에 오존수를 포함하는 산성의 제2 연마액을 제공하여 상기 웨이퍼에 잔류한 상기 제1 연마액 및 파티클을 제거하는 제3 연마 단계;
    를 포함하는 웨이퍼 연마 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 웨이퍼는 실리콘 웨이퍼인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수소수의 농도는 1 내지 3 ppm인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 오존수의 농도는 5 내지 50 ppm인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 연마액은 알칼리성 첨가제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 첨가제는 수산화암모늄, 수산화나트륨, 수산화칼륨 및 테트라메틸암모늄 하이드록사이드(tetramethylammonium hydroxide, TMAH)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 첨가제가 포함된 상기 제1 연마액은 pH7 내지 pH11을 갖는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 연마액은 수소수와 오존수의 혼합액이고, 상기 제2 연마액은 오존수인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 연마액은 알칼리성 첨가제가 더 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 방법.
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서,
    상기 첨가제는 수산화암모늄, 수산화나트륨, 수산화칼륨 및 테트라메틸암모늄 하이드록사이드(tetramethylammonium hydroxide, TMAH)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 연마단계는 상기 웨이퍼에 대해 대한 화학적 기계적 연마(chemical mechanical polishing, CMP) 공정이 수행되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 연마제는 슬러리(slurry)인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제3 연마단계 후,
    상기 웨이퍼를 언로딩하는 단계;
    상기 웨이퍼를 세정조로 이송하는 단계; 및
    상기 웨이퍼로 세정액을 제공하여 상기 제2 연마액 및 이물질을 제거하는 세정 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 세정액은 희석 불산액인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 방법.
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