KR100901019B1 - 양면 연마기 및 이를 이용한 연마 방법 - Google Patents

Abstract

상부 및 하부 연마판의 마주보는 면의 중앙부가 함몰되며, 그 사이에 웨이퍼가 개재되는 양면 연마기 및 이를 이용한 연마 방법이 제공된다. 웨이퍼와 접촉되는 상부 연마판 및 하부 연마판의 각 면의 중앙부가 연속적으로 내측으로 함몰되어 있으며, 상기 상부 및 하부 연마판의 주변부보다 상기 중앙부에 보다 큰 압력으로 상기 상부 연마판 및 하부 연마판을 압착시켜 웨이퍼를 연마시킨다. 이러한 구성으로 인하여, 상하부 연마판의 매칭이 최적화되어 평편도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 연마 공정 시간을 단축하고 작업 효율 및 웨이퍼의 품질을 향상시킬 수 있다.

연마, 평편도, 함몰, 정반, 연마판

Description

양면 연마기 및 이를 이용한 연마 방법{DOUBLE SIDE POLISHING AND POLISHING METHOD HAVING THE SAME}

본 발명은 양면 연마기 및 이를 이용한 연마 방법에 관한 것으로서, 보다 자세히 설명하면 상하부 연마판의 매칭이 최적화되어 평편도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 연마 공정 시간을 단축하고 작업 효율 및 웨이퍼의 품질을 향상시킬 수 있는 양면 연마기 및 이를 이용한 연마 방법에 관한 것이다.

반도체 소자의 고집적화로 인해 반도체 웨이퍼 제조 공정 중 랩핑(Lapping공정이나 화학기계적 양면 연마(DSP;Double Side Polishing, Lapper) 공정은 웨이퍼의 평편도(flatness)나 스크래치, 결함 등 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 제조 공정의 경우 웨이퍼, 랩핑(Lapping) 정반, 연마헤드 및 연마패드 등도 역시 대형화, 정밀화되어 가고 있는 추세이다.

DSP 장비를 이용한 DSP 공정은 단차를 가진 웨이퍼 표면을 패드 위에 밀착시킨 후에 연마제와 화학 물질이 포함된 슬러리(slurry)를 웨이퍼와 연마 패드 사이에 주입시켜 웨이퍼 표면을 평탄화시키는 것이다. 그 중에서, 양면 연마기인 랩핑공정의 랩퍼(Lapper)와 폴리싱공정의 DSP는 상부 및 하부 연마판을 구비하여 워크피스에 슬러리를 공급하면서 상기 연마판을 반대로 회전시켜 워크피스의 양면을 연마할 수 있는 장비이다. 즉, 슬러리에 의한 화학적 작용과 패드와 웨이퍼간의 상대 운동에 의한 기계적 작용의 상승 효과에 의하여 연마하는 공정이다.

보다 자세한 설명을 위하여, 도 1을 제시한다. 도 1은 일본 특개평 11-262862호에 도시된 종래의 양면 연마기이다.

이에 도시된 바와 같이, 연마기는 반대 방향으로 회전하는 상부 연마판(10)과 하부 연마판(12), 썬 기어(sun gear, 14), 내부 기어(internal gear, 16) 및 캐리어(18)로 구성된다. 캐리어(18)는 연마판(10, 12) 사이에 제공되고, 썬 기어(14) 및 내부 기어(16)와 맞물리는 기어(미도시)는 각 캐리어(18)의 외부 에지(edge)를 따라 형성된다. 이러한 구조를 통해 캐리어(18)는 그들 고유의 축 주변을 회전하면서 내부 기어(16)를 따라 선회(orbit)할 수 있다. 연마판(10, 12)을 회전시킴으로써, 캐리어(18)의 관통홀에 각각 지지된 워크피스(20)의 상면과 하면은 연마판(10, 12)에 의해 연마될 수 있다.

하부 연마판(12)은 하부 홀더(22)에 의해 지지되고, 하부 홀더는 베이스(24)에 의해 회전 가능하게 지지된다. 하부 홀더(22)는 회전 샤프트(rotary shaft; 22a)에 의해 회전되고, 그 결과 하부 연마판(12)이 회전된다. 상부 연마판(10)은 구동 샤프트(drive shaft; 26) 및 맞물림 부재(engaging members; 28 및 29)에 의해 회전된다.

썬기어(14)는 회전 샤프트(30)에 의해 회전된다. 케이스(casing; 32)는 내부 기어(16)를 지지한다. 상부 연마판(10) 위에 플레이트(40)가 마련되고, 단면이 U자 형상인 슬러리 링(42)이 상기 플레이터(40)에 제공되며, 상기 슬러리 링(42)에 접속 파이프(44) 및 접속 튜브(46)가 연결되어 슬러리 링(42)이 사우 연마판(10)에 형성된 슬러리 홀(48)과 통하게 된다. 유량을 제어하기 위한 밸브(50)가 접속 튜브(46)에 각각 마련된다. 플레이트(40)는 상부 연마판(10)과 함께 한 방향으로 회전되고, 슬러리 링(42)에 제공된 슬러리는 접속 파이프(44), 접속 튜브(46) 및 슬러리 홀(48)을 통해 워크피스(20)에 공급된다. 밸브(50)는 슬러리 홀(48)에 공급되는 양을 조정한다.

여기서, 상부 연마판과 하부 연마판의 경우에는 상온(20°C)에서 작동되며, 하부 연마판은 오목 형태(concave), 상부 연마판은 볼록 형태(convex) 타입으로서, 주가공시에 1차례 단일 압력으로 작업이 이루어진다. 이러한 상온에서의 DSP 공정에서는 작업을 안정적으로 수행하거나, 공정 시간을 단축하는데 한계를 지니고 있으며, 1차례 단일 압력으로 작업을 수행하는 것은 평편도가 훼손될 수 있는 문제점이 있다.

또한, 고온(대략 40°C)에서 발생할 수 있는 상하부 연마판의 매칭이 훼손되며, 압력을 가변하여 웨이퍼를 연마하였을 경우 등에 관한 연구가 미흡하여 웨이퍼의 품질 향상이 어려운 실정이다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 목적은 연마에 적합한 상하반 연마판의 모양을 제시하고, 이에 따른 압력 분포를 제시함으로써, 상하반 연마판의 매칭(matching)이 최적화되어 평편도를 향상시킬 수 있는 양면 연마기 및 이를 이용한 연마 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 연마 공정을 안정적으로 수행할 수 있으며, 공정 시간을 단축할 수 있는 양면 연마기 및 이를 이용한 연마 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 압력이 압력 조건을 변화시켜 가면서 평탄도 열위를 개선하여 품질 제어가 가능한 양면 연마기 및 이를 이용한 연마 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 고온(40°C)에서 양면 연마를 할 경우, 발생할 수 있는 상하부 연마판의 매칭(matching)이 가능하여, 작업 효율을 최적화할 수 있는 양면 연마기 및 이를 이용한 연마 방법을 제공함에 있다.

상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명의 양면 연삭기는 상부 연마판 및 하부 연마판이 구비되어, 그 사이에 웨이퍼를 개재하여 연마를 수행하는 양면 연마기에 있어서, 상기 웨이퍼와 접촉되는 상부 연마판 및 하부 연마판의 각 면의 중앙부가 연속적으로 내측으로 함몰되어 있으며, 상기 상부 및 하부 연마판의 주변부보다 상기 중앙부에 보다 큰 압력으로 상기 상부 연마판 및 하부 연마판을 압착시켜 웨이퍼를 연마하는 것을 특징으로 한다.

상기 상부 연마판의 최대 함몰 깊이는 40 내지 50 ㎛인 것이 바람직하며, 상기 하부 연마판의 최대 함몰 깊이는 20 내지 30 ㎛인 것이 좋다.

상기 압력은 연마 공정이 진행됨에 따라 변화하는 것이 좋은데, 상기 압력은 제1 압력값으로 가공한 후, 상기 제1 압력값보다 큰 제2 압력으로 가공하고, 그 후에 상기 제1 압력값과 상기 제2 압력값의 중간값으로 가공할 수 있다. 이때, 상기 제1 압력값은 150 내지 200 daN 이며, 상기 제2 압력값은 500 내지 600daN 이며, 상기 제3 압력값은 200 내지 300 daN 일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 양면 연삭기의 연마 방법은 각 면의 중앙부가 연속적으로 내측으로 함몰된 상부 연마판 및 하부 연마판을 제공하는 단계와, 상기 상부 연마판 및 하부 연마판 사이에 웨이퍼를 개재하되, 상기 함몰된 부위가 서로 마주보도록 배치하는 단계, 및 상기 상부 연마판 및 하부 연마판를 그 주변부보다 상기 중앙부에 보다 큰 압력으로 압착시켜 웨이퍼를 연마하는 단계를 포함한다.

이와 같이 구성되어, 상하부 연마판의 매칭이 최적화되어 평편도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 연마 공정 시간을 단축하고 작업 효율 및 웨이퍼의 품질을 향상시킬 수 있다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따르면 연마에 적합한 상하반 연마판의 모양을 제시하고, 이에 따른 압력 분포를 제시함으로써, 상하반 연마판의 매 칭(matching)이 최적화되어 평편도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 연마 공정을 안정적으로 수행할 수 있으며, 공정 시간을 단축할 수 있는 효과가 있다.

또한, 압력이 압력 조건을 변화시켜 가면서 평탄도 열위를 개선하여 품질 제어가 가능한 효과가 있다.

또한, 고온(40°C)에서 양면 연마를 할 경우, 발생할 수 있는 상하부 연마판의 매칭(matching)이 가능하여, 작업 효율을 최적화할 수 있는 효과가 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 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서는 연마 대상물을 웨이퍼를 예를 들어 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, LCD, 유리, 광학기기 및 디스플레이(Display) 관련산업 및 평탄화 작업이 필요한 산업의 장비들에도 적용할 수 있음은 물론이다. 또한 본 발명의 연마 장치 및 연마 방법은 웨이퍼의 평탄화 장비 및 반도체 디바이스 제조에 이용되는 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 등에서도 변형되어 적용할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 상부 연마판의 형상 프로파일을 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명에 따른 하부 연마판의 형상 프로파일을 도시한 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상부 연마판은 중앙 부분이 움푹 들어간 형태이며, 그 들어간 깊이는 대략 40 내지 50 ㎛ 정도이다. 즉, 전체적으로 원반 형태로서, 일면의 중앙 부분이 함몰된 형태이며, 그 반지름은 대략 475mm 정도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 하부 연마판도 중앙 부분이 움푹 들어간 형태이며, 그 들어간 깊이는 대략 20 내지 30㎛ 정도이다. 상부 연마판과 마찬가지로, 하부 연마판도 전체적으로 원반 형태로서, 반지름은 대략 475mm 정도이고, 일면의 중앙 부분이 함몰된 형태로 형성되어 있다. 함몰된 부위는 연속적으로 이루어진다.

상부 연마판과 하부 연마판은 서로 움푹 들어간 부분이 서로 맞대도록 구성되며, 그 사이에 웨이퍼가 개재되어 연마되게 된다. 상부 연마판과 하부 연마판의 함몰 부분이 서로 마주보면서 공간을 형성하게 되고, 그 사이에 놓이는 웨이퍼는 압착되며, 상부 및 하부 연마판이 회전하면서 연마되게 된다.

보다 자새한 설명을 위하여, 도 4 및 도 5를 제시한다. 도 4는 웨이퍼를 가공하기 전에 상부 및 하부 연마판의 모습을 도시한 정면도이며, 도 5는 웨이퍼를 연마 가공할 경우에 상부 및 하부 연마판의 모습을 도시한 정면도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상부 연마판(100)의 함몰부(110)와 하부 연마판(300)의 함몰부(310)는 서로 마주보고 있으며, 그 사이에 웨이퍼(200)가 개재된다. 즉, 웨이퍼(200)의 중앙에 해당하는 부분에서 상부 연마판(100) 및 하부 연마판(200)의 표면은 가장 멀리 떨어져 있다.

압착을 하게 되면, 도 5에 도시된 바와 같이, 그 중앙 부분에서 가장 큰 압력으로 압착시키게 된다. 즉, 상부 및 하부 연마판의 주압력은 웨이퍼의 중앙 부분의 압력을 가장 높게 하여 가공을 진행하는 것이 바람직하다. 즉, 웨이퍼 에지(edge)부위의 연마 제거(removal)량을 최소화하며, 웨이퍼의 에지부위에서의 연마로 인한 급격한 함몰을 방지하는 것이 좋다.

또한, 형태의 상부 및 하부 연마판을 사용하여 웨이퍼 연마를 수행하는 경우에는 주가공 압력의 크기를 공정이 진행되면서 적어도 2회 이상 변화시키는 것이 좋다. 이에 대한, 보다 자세한 설명을 위하여, 도 6을 제시한다. 도 6은 공정에 따라 압력 변화를 나타낸 그래프로서, x 축은 공정 단계를 나타내고 y축은 압력으로서 그 단위는 daN(deka N, *10N) 이다.

이와 같이, 첫번째 압력이 적용되는 공정(S1)에서는 대략 150 내지 200 daN 을 적용하여 가공한다. 그 후, 두번째 압력이 적용되는 공정(S2)에서는 대략 500 내지 600 daN 이 적용되어 가공하며, 세번째 압력이 적용되는 공정(S3)에서는 대략 200 내지 300 daN 이 적용되어 가공한다. 본 수치는 예시적인 것이며, 상기 압력은 제1 압력값으로 가공한 후, 상기 제1 압력값보다 큰 제2 압력으로 가공하고, 그 후에 상기 제1 압력값과 상기 제2 압력값의 중간값으로 가공하는 것이 좋다.

이와 같이, 압력 변화를 하는 것은 연속 상태에 의한 웨이퍼의 중앙 및 에지부, 그 중간 부분 등의 연마 정도를 달리할 수 있어서, 웨이퍼의 연마 품질을 조절할 수 있다.

이에 대한, 평탄도의 개선은 도 7 및 도 8을 통하여 알 수 있다. 도 7은 여 러가지 평탄도 측정 파라미터에 따른 평탄도 개선을 나타낸 그래프이며, 도 8은 샘플에 따른 SFQR(2)에 대한 결과를 나타낸 그래프이다.

그래프에서, GBIR(total thickness variance)는 전역적 평면도를, SBIR(site back ideal focal plane range)는 국소적인 평면도를, SFQR(reference plane-site front least square focal plane range)는 패터닝에 있어서 평평도의 지료를, center targ 는 웨이퍼의 휨 정도를 나타낸다.

도 7에 표시한 바와 같이, 갭 온도(GAP temperature)가 26이고, 압력이 550일 때, SBIR, SFQR, GBIR, Center targ 의 값(y 값, '*' 표시)을 나타낸 것이다. 즉, 각종 평탄도를 측정하는 지표가 개선된 것을 알 수 있다.

도 8에 표시한 바와 같이, 샘플을 이용하여 SFQR 결과가 개선된 것을 알 수 있다. 도 8에서는 도 7의 최적화 조건으로 메스(Mass) 적용을 진행한 결과 도 7의 개선 결과와 동일한 개선결과를 보여주는 것을 알 수 있다.

이러한 실험에 따른 결과를 살펴보면, 공정시간은 대략 18%가 단축되고, 연마 평편도는 대략 13%가 개선되는 효과를 보인다.

이와 같이, 평편도 및 공정 시간의 단축 등에서 향상된 효과를 가져와서, 전체적인 연마 효율 및 웨이퍼의 품질 향상을 이룩할 수 있다.

도 1은 일본 특개평 11-262862호에 도시된 종래의 양면 연마기이다.

도 2는 본 발명에 따른 상부 연마판의 형상 프로파일을 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명에 따른 하부 연마판의 형상 프로파일을 도시한 도면이다.

도 4는 웨이퍼를 가공하기 전에 상부 및 하부 연마판의 모습을 도시한 정면도이다.

도 5는 웨이퍼를 연마 가공할 경우에 상부 및 하부 연마판의 모습을 도시한 정면도이다.

도 6은 공정에 따라 압력 변화를 나타낸 그래프이다.

도 7은 여러가지 평탄도 측정 파라미터에 따른 평탄도 개선을 나타낸 그래프이다.

도 8은 샘플에 따른 SFQR(2)에 대한 결과를 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100: 상부 연마판 110: 상부 연마판의 함몰부

200: 웨이퍼 300: 하부 연마판

310: 하부 연마판의 함몰부

Claims (12)

1. 상부 연마판 및 하부 연마판이 구비되어, 그 사이에 웨이퍼를 개재하여 연마를 수행하는 양면 연마기에 있어서,

   상기 웨이퍼와 접촉되는 상부 연마판 및 하부 연마판의 각 면의 중앙부가 연속적으로 내측으로 함몰되어 있으며, 상기 상부 및 하부 연마판의 주변부보다 상기 중앙부에 보다 큰 압력으로 상기 상부 연마판 및 하부 연마판을 압착시켜 웨이퍼를 연마하는 것을 특징으로 하는 양면 연삭기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 상부 연마판의 최대 함몰 깊이는 40 내지 50 ㎛인 것을 특징으로 하는 양면 연삭기.
3. 제1항에 있어서,

   상기 하부 연마판의 최대 함몰 깊이는 20 내지 30 ㎛인 것을 특징으로 하는 양면 연삭기.
4. 제1항에 있어서,

   상기 압력은 연마 공정이 진행됨에 따라 크기가 적어도 2회 이상 변화하는 것을 특징으로 하는 양면 연삭기.
5. 제4항에 있어서,

   상기 압력은 제1 압력값으로 가공한 후, 상기 제1 압력값보다 큰 제2 압력으로 가공하고, 그 후에 상기 제1 압력값과 상기 제2 압력값의 중간값으로 가공하는 것을 특징으로 하는 양면 연삭기.
6. 제5항에 있어서,

   상기 제1 압력값은 150 내지 200 daN 이며, 상기 제2 압력값은 500 내지 600daN 이며, 상기 제3 압력값은 200 내지 300 daN 인 것을 특징으로 하는 양면 연삭기.
7. 각 면의 중앙부가 연속적으로 내측으로 함몰된 상부 연마판 및 하부 연마판을 제공하는 단계;

   상기 상부 연마판 및 하부 연마판 사이에 웨이퍼를 개재하되, 상기 함몰된 부위가 서로 마주보도록 배치하는 단계; 및

   상기 상부 연마판 및 하부 연마판를 그 주변부보다 상기 중앙부에 보다 큰 압력으로 압착시켜 웨이퍼를 연마하는 단계;

   를 포함하는 양면 연삭기의 연마 방법.
8. 제7항에 있어서,

   상기 상부 연마판의 최대 함몰 깊이는 40 내지 50 ㎛인 것을 특징으로 하는 양면 연삭기의 연마 방법.
9. 제7항에 있어서,

   상기 하부 연마판의 최대 함몰 깊이는 20 내지 30 ㎛인 것을 특징으로 하는 양면 연삭기의 연마 방법.
10. 제7항에 있어서,

    연마 공정이 진행됨에 따라 상기 압력의 크기를 적어도 2회 이상 변화시키는 단계를 더 포함하는 양면 연삭기의 연마 방법.
11. 제 10항에 있어서,

    상기 압력은 제1 압력값으로 가공한 후, 상기 제1 압력값보다 큰 제2 압력으로 가공하고, 그 후에 상기 제1 압력값과 상기 제2 압력값의 중간값으로 가공하는 것을 특징으로 하는 양면 연삭기의 연마 방법.
12. 제11항에 있어서,

    상기 제1 압력값은 150 내지 200 daN 이며, 상기 제2 압력값은 500 내지 600daN 이며, 상기 제3 압력값은 200 내지 300 daN 인 것을 특징으로 하는 양면 연삭기의 연마 방법.

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