KR101151000B1 - 웨이퍼 연마 장치 및 웨이퍼 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 웨이퍼의 평탄도를 향상시키기 위한 웨이퍼 연마 장치 및 웨이퍼 제조 방법에 관한 것이다. 상기 웨이퍼 연마 장치는, 정반; 다이아몬드 입자를 포함하고, 상기 정반에 부착되는 패드; 상기 웨이퍼를 지지하기 위한 웨이퍼 캐리어; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성에 따르면, 웨이퍼 연마 장치에서 슬러리없이 웨이퍼를 가공함으로써 장치의 구성을 간단하게 하고, 슬러리 비용의 절감, 환경오염 방지, 고평탄도 달성, 추가 연마 공정의 생략과 같은 이점을 갖는 웨이퍼 연마 장치 및 웨이퍼 제조 방법을 제공할 수 있다.

Description

웨이퍼 연마 장치 및 웨이퍼 제조 방법{Apparatus for polishing wafer}

본 발명은 웨이퍼의 평탄도를 향상시키기 위한 웨이퍼 연마 장치 및 웨이퍼 제조 방법에 관한 것이다.

반도체 등의 전자부품을 생산하기 위한 소재로 사용되는 실리콘 웨이퍼(wafer)는, 단결정 실리콘 잉곳(ingot)을 웨이퍼 형태로 얇게 절단하는 슬라이싱 공정, 원하는 웨이퍼의 두께로 연마하면서 평탄도를 개선하는 래핑 공정(lapping), 웨이퍼 내부의 손상(damage)층 제거를 위한 식각 공정(etching), 표면 경면화 및 평탄도를 향상시키기 위한 폴리싱 공정(polishing), 웨이퍼 표면의 오염물질을 제거하기 위한 세정 공정(cleaning) 등의 단계를 거쳐 웨이퍼로 생산된다.

도 1은 종래의 웨이퍼 연마 장치를 설명하는 단면도이다. 도 2는 종래의 웨이퍼 연마 장치를 도시하는 평면도이다.

도 1을 참조하면, 웨이퍼 래핑 공정을 위해 먼저, 상정반(1)과 하정반(2) 사이에 웨이퍼 캐리어(3)를 배치하고, 웨이퍼 캐리어(3) 위에는 웨이퍼(W)를 장착한다. 이후, 연마용 입자(연마재)와, 분산제와, 희석제(물) 등이 혼합된 슬러리(slurry)(S)를 상정반(1)을 통해 지속적으로 공급하면서 상정반(1) 또는 하정반(2)을 회전시키면, 슬러리(S)에 포함된 연마용 입자에 의해 웨이퍼(W)의 표면이 연마된다. 연마재의 경우 일반적으로 알루미나 또는 지르코니아가 주 성분이며, 양면 연삭 가공의 주요역할을 한다. 또한, 분산제는 계면활성제와 아민류로 구성되며 연마재 입자간 재응집 및 침전을 방지하여 원활한 연삭가공이 가능하게 한다.

이때, 웨이퍼(W)를 실질적으로 연마하는 슬러리(S)의 적절한 공급은 웨이퍼(W)의 평탄도에 중대한 영향을 미치게 된다. 따라서, 상정반(1) 및 하정반(2)의 표면에는 슬러리(S)의 원활한 공급 및 배출을 위한 격자형의 홈(groove; G)이 형성되어 있으며, 이 홈(G)을 통하여 슬러리(S)가 공급 및 배출된다. 상정반(1)과 하정반(2)은 주로 구상흑연주철을 사용하여 제작된다.

도 2를 참조하면, 하정반(2) 위에 배치된 웨이퍼 캐리어(3)는 태양기어(4) 및 내주기어(5)에 형성된 기어 이와 맞물리면서 태양기어(4)를 중심으로 공전을 하면서 자전도 같이 하게 된다. 또한, 상정반(1) 또는 하정반(2)도 회전하게 된다. 이러한 과정에서, 웨이퍼(W)는 상정반(1)으로부터 공급된 슬러리(S)에 의해 표면이 연마된다.

종래의 웨이퍼 연마 장치는 웨이퍼(W)의 양면을 함께 연마하도록 구성된 것으로서, 상정반(1)으로 이송된 슬러리가 상정반(1)에 형성된 홈(G)을 통해 웨이퍼(W)의 상면으로 공급되는 방식을 취하고 있다. 상정반(1)을 통해 공급된 슬러리는 공간을 통해 하정반(2)의 상면으로 이동되고, 이러한 슬러리는 하정반(2) 및 웨이퍼 캐리어(3)가 회전하는 과정에서 웨이퍼(W)의 하면과 하정반(2)의 상면 사이의 공간으로 이동되어, 연마용 입자에 의해 웨이퍼(W)의 하면이 연마된다.

그러나, 종래의 웨이퍼 연마 장치에서 웨이퍼(W)의 상면은 상정반(1)을 통해 직접 공급된 슬러리(S)에 의해 비교적 균일하게 연마되지만, 웨이퍼(W)의 하면은 상정반(1)을 통해 공급된 슬러리(S)가 이동되는 방식을 취하고 있어, 불균일 또는 불충분한 슬러리(S) 공급으로 인해 웨이퍼(W) 상면에 비해 열위한 품질을 나타내는 문제점이 있었다.

또한, 슬러리(S)의 사용에 따른 유지비용이 높고, 슬러리(S)에 포함된 연마재의 분진에 의하여 작업자의 위험성이 따른다. 또한, 래핑 가공 후 정반 찌꺼기 및 폐슬러리로 인하여 환경을 저해시키는 것은 물론 폐기물 처리를 위한 비용이 추가로 발생된다.

또한, 연마재가 포함된 슬러리(S)의 공급에 의한 기존의 래핑 가공 방식은 높은 수준의 연삭력을 얻을 수 있지만 고평탄도를 얻기는 어려워서, 웨이퍼(W)의 형상 유지 및 평탄도 제어를 위해 에칭 공정 후, 고평탄도를 얻기 위한 공정이 추가되어야 한다.

따라서, 본 발명은 상기 사정을 감안하여 발명한 것으로, 웨이퍼 연마 장치에서 슬러리없이 웨이퍼를 가공함으로써 고평탄도를 확보하고 공정을 간소화할 수 있는 웨이퍼 연마 장치 및 웨이퍼 제조 방법을 제공하고자 함에 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 의하면, 웨이퍼를 연마하기 위한 웨이퍼 연마 장치는, 정반; 다이아몬드 입자를 포함하고, 상기 정반에 부착되는 패드; 상기 웨이퍼를 지지하기 위한 웨이퍼 캐리어; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 정반은 상정반과 하정반을 포함하고, 상기 웨이퍼 캐리어는 상기 상정반과 상기 하정반 사이에 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 윤활제로서 초순수를 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 윤활제로서 계면활성제가 포함된 분산제를 추가로 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 상정반과 상기 하정반 사이에 위치되어 회전하는 태양기어; 내주에 기어 이가 형성되어, 상기 태양기어와 동심으로 회전하는 내주기어; 를 더 포함하고, 상기 웨이퍼 캐리어는 상기 태양기어와 상기 내주기어 사이에서 기어 접촉되어 상기 태양 기어를 중심으로 공전하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 다이아몬드 입자는 베이스 부재에 부착되어 상기 패드를 형성하고, 상기 베이스 부재에는 상기 다이아몬드 입자가 포함된 돌출 패턴이 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 다이아몬드 입자는 상기 베이스 부재 상에 균일하게 분포되는 것을 특징으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 의하면, 잉곳으로부터 웨이퍼를 제조하는 방법은, 상기 잉곳을 웨이퍼 형태로 얇게 절단하는 슬라이싱 공정; 절단된 상기 웨이퍼의 양면을 기계적으로 연마하는 래핑 공정; 상기 웨이퍼의 결함 및 손상을 제거하는 에칭 공정; 상기 웨이퍼 표면의 평탄도를 향상시키기 위한 연마 공정; 을 포함하고, 상기 래핑 공정에서는 상정반 및 하정반의 표면에 부착된 다이아몬드 입자에 의해 상기 웨이퍼의 표면을 연마하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 래핑 공정에서는 윤활제로서 초순수가 공급되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 윤활제로서 계면활성제가 포함된 분산제가 추가로 공급되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 웨이퍼 연마 장치에서 슬러리없이 웨이퍼를 가공함으로써 장치의 구성을 간단하게 하고, 슬러리 비용의 절감, 환경오염 방지, 고평탄도 달성, 추가 연마 공정의 생략과 같은 이점을 갖는 웨이퍼 연마 장치 및 웨이퍼 제조 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 종래의 웨이퍼 연마 장치를 설명하는 단면도이다.
도 2는 종래의 웨이퍼 연마 장치를 도시하는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 연마 장치의 구성을 도시하는 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 연마 장치를 도시하는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다이아몬드 패드의 표면을 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 연마 장치의 구성을 도시하는 개략적인 단면도이다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 연마 장치를 도시하는 사시도이다.

본 발명의 웨이퍼 연마 장치(100)는 반도체 등의 전자부품을 생산하기 위한 소재로 사용되는 웨이퍼(wafer) 생산 공정에서, 웨이퍼를 원하는 두께로 연마하면서 평탄도를 개선하는 래핑 공정(lapping)과, 식각된 웨이퍼의 표면을 경면화하고 평탄도를 더욱 향상시키기 위한 폴리싱 공정(polishing)에서 주로 사용되는 장비이다. 바람직하게는, 본 발명의 웨이퍼 연마 장치(100)는 웨이퍼 래핑 공정에서 사용된다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 실시예의 웨이퍼 연마 장치(100)는 상정반(110), 하정반(120), 태양기어(130), 내주기어(140), 웨이퍼 캐리어(150)를 포함한다.

상정반(또는 정반)(110)과 하정반(또는 정반)(120)은 각각 원형의 판형상으로 이루어지며, 서로 마주하도록 배치되어 있다. 하정반(120)은 위치가 고정되고, 상정반(110)은 하정반(120)에 대해 접근 및 이격되는 방향으로 승강 가능하게 설치될 수 있다. 상정반(110)을 승강시키는 승강수단은 유압액츄에이트 또는 모터 등을 포함하도록 구성될 수 있다. 상정반(110) 또는 하정반(120)은 모터 등과 같은 구동수단에 의해 회전하며, 연마 과정에서 서로 반대방향으로 회전되는 것이 바람직하다.

태양기어(130)는 전체적으로 환형으로 이루어지며 하정반(120)의 상측 중심부에 배치된다. 태양기어(130)는 상정반(110)에 삽입되는 중심축(131)에 회전 가능하게 결합되며 모터 등의 구동수단에 의해 회전된다. 태양기어(130)는 상정반(110)과 동축으로 배치되어 있다. 태양기어(130)의 외주면에는 기어 이가 형성되어 있다.

내주기어(140)는 전체적으로 환형으로 이루어져 하정반(120)의 둘레를 감싸도록 배치된다. 내주기어(140)의 내주면에는 기어 이가 형성되어 있다. 내주기어(140)도 모터 등의 구동수단에 의해 태양기어(130)와 동심으로 태양기어(130)에 대해 상대회전 가능하다.

웨이퍼 캐리어(150)는 웨이퍼(W)의 연마공정시 웨이퍼(W)를 장착하여 지지하기 위한 것으로서, 대략 원반 형상이고 가공하고자 하는 웨이퍼(W)의 두께보다 작은 두께로 형성된다. 대체로, 웨이퍼 캐리어(150)의 두께는 연마가공이 종료된 후의 웨이퍼(W)의 두께와 비슷한 두께로 형성된다.

웨이퍼 캐리어(150)는 태양기어(130)와 내주기어(140) 사이에 위치되어, 그 외주면에 형성된 기어 이에 의해 태양기어(130) 및 내주기어(140)와 기어 접촉된다. 따라서, 태양기어(130)와 내주기어(140)의 상대회전에 따라, 웨이퍼 캐리어(150)는 스스로 자전하면서, 태양기어(130)를 중심으로 공전하게 된다. 도시된 실시예에서는, 웨이퍼 캐리어(150)는 하정반(120) 위에 5개가 놓여지고, 하나의 웨이퍼 캐리어(150)에는 4개의 웨이퍼(W)가 지지되어 연마작업이 진행된다.

웨이퍼(W)와 마주하는 상정반(110)과 하정반(120)의 표면에는 패드(111, 121)가 각각 부착된다. 패드(111, 121)의 표면에는 다이아몬드 입자(111a, 121a)가 부착된다. 본 실시예에서, 다이아몬드 입자(111a, 121a)는 원하는 두께로 슬라이싱된 웨이퍼(W)의 표면을 연마하기 위한 연마재로 작용한다. 래핑 공정 동안, 상정반(110)과 하정반(120) 사이에는 윤활제로서 초순수(DIW: Deionized Water)가 공급된다. 패드(111, 121)는 기계적인 연마작용을 하고, 초순수는 마찰력을 감소시켜 윤활성을 높이게 된다. 윤활성을 더욱 높이기 위해, 초순수 외에 계면활성제가 포함된 분산제가 추가로 공급될 수도 있다.

본 발명의 웨이퍼 연마 장치에서는 패드(111, 121)에 부착된 다이아몬드 입자(111a, 121a)가 연마재로서의 역할을 하므로, 연마재, 분산제, 희석제(물) 등이 혼합된 슬러리가 사용되지 않는다. 그에 따라, 종래의 웨이퍼 연마 장치에서 슬러리를 공급하기 위해 설치되던 구성들도 본 발명의 웨이퍼 연마 장치에서는 필요하지 않게 된다.

따라서, 슬러리를 사용하지 않음으로 인해 웨이퍼 연마 장치(100)의 구성이 간단해지고, 슬러리의 사용에 따른 유지비용이 절감되고, 슬러리에 포함된 연마재의 분진에 의한 작업 위험도 발생하지 않는다. 또한, 래핑 가공 후 정반 찌꺼기 및 폐슬러리로 인해 환경이 오염되는 문제도 발생하지 않고, 폐기물 처리를 위한 비용도 발생하지 않는다.

종래의 웨이퍼 연마 장치에서는 웨이퍼(W) 상면의 상정반을 통해 슬러리를 공급하고, 웨이퍼(W)의 하면은 상정반을 통해 공급된 슬러리가 이동되는 방식을 취하고 있으므로, 웨이퍼(W)의 하면은 웨이퍼(W)의 상면에 비해 열위한 품질을 나타내는 문제점이 있었다. 그러나, 본 발명에서는 상정반(110)과 하정반(120)에 각각 패드(111, 121)가 부착되므로 이러한 문제점도 발생되지 않는다.

본 발명의 웨이퍼 연마 장치(100)에서는, 패드(111, 121)가 상정반(110)과 하정반(120)에 부착되어 웨이퍼가 연마되므로, 패드(111, 121)에 부착된 다이아몬드 입자(111a, 121a)의 크기를 조절함으로써 웨이퍼(W)의 우수한 평탄도를 얻을 수 있고, 웨이퍼(W)가 연마되는 정도를 자유롭게 조절할 수 있다. 따라서, 종래의 웨이퍼 연마 장치에서 래핑 공정 후 웨이퍼(W)의 평탄도를 향상시키기 위해 웨이퍼(W)를 추가로 연마하던 공정을 본 발명의 웨이퍼 연마 장치(100)에서는 생략할 수 있게 된다.

상기에서 상정반(110)과 하정반(120)으로 구성되는 2개의 정반을 갖는 웨이퍼 연마 장치(100)에 대해 설명하였지만, 웨이퍼 연마 장치(100)는 하나의 정반만을 갖고, 이러한 정반에 패드가 부착되어 웨이퍼의 일 면을 연마하도록 구성될 수도 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 패드의 표면을 도시하는 도면이다.

패드(111)는 베이스 부재(111b)를 포함하고, 다이아몬드 입자(111a)는 베이스 부재(111b)에 부착된다. 다이아몬드 입자(111a)는 일정한 형상을 갖고, 베이스 부재(111b) 상에 균일하게 분포될 수 있다.

베이스 부재(111b)는 폴리카보네이트로 형성될 수 있다. 베이스 부재(111b)에는 돌출 패턴(111c)이 형성되고, 돌출 패턴(111c)에는 다이아몬드 입자(111a)가 뭉쳐져 교차결합되어 포함될 수 있다. 다이아몬드 입자(111a)는 베이스 부재(111b) 상에 균일하게 분포하는 것이 바람직하다.

돌출 패턴(111c)의 크기 및 다이아몬드 입자(111a)의 크기는 웨이퍼의 원하는 평탄도를 얻을 수 있도록 조절될 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.

반도체 웨이퍼는 단결정 실리콘 잉곳(ingot)으로부터 웨이퍼를 얇게 슬라이싱(slicing)함으로써 생성된다(슬라이싱 공정)(S10). 단결정 실리콘 잉곳은 일반적으로 쵸크랄스키법(Czochralski method)에 따라 성장되어 제조된다. 이 방법은 챔버 내의 도가니에서 다결정 실리콘을 용융시키고, 용융된 실리콘에 단결정인 종자 결정을 담근 후, 이를 서서히 상승시키면서 원하는 지름의 실리콘 단결정 잉곳으로 성장시키는 방법이다.

슬라이싱 공정에서는 와이어의 쏘 마크(saw mark) 등의 결함층이 웨이퍼 표면에 존재하게 되는데, 이러한 결함층을 제거하기 위한 방법으로 래핑(lapping) 공정을 실시한다(S20).

본 실시예의 래핑 공정에서는, 상정반 또는 하정반을 회전시키면서 상정반과 하정반의 표면에 부착된 다이아몬드 입자에 의해 웨이퍼의 표면을 연마한다. 래핑 공정 동안에는, 윤활제로서 초순수(DIW)가 공급될 수 있다. 초순수 외에 윤활제로서 계면활성제가 포함된 분산제가 추가로 공급될 수 있다. 따라서, 본 실시예의 래핑 공정에서는 연마재 등이 포함된 슬러리가 웨이퍼 연마 장치로 공급되지 않는 다. 이와 같이, 슬러리 없이 상정반과 하정반의 표면에 부착된 다이아몬드 입자에 의해 래핑 공정이 이루어짐으로써 상술한 바와 같이 비용 절감, 환경오염 방지, 고평탄도 달성, 추가 연마 공정의 생략과 같은 이점을 얻을 수 있다.

이후, 웨이퍼는 에칭되어 웨이퍼 표면 또는 내부의 손상이 제거된다.(에칭 공정)(S30).

다음으로, 웨이퍼 표면의 경면화 및 고평탄도를 얻기 위한 폴리싱(polishing) 공정이 수행된다(S40). 폴리싱 공정에서는, 상정반과 하정반의 표면에 폴리싱 패드를 부착하고, 슬러리를 공급하면서 웨이퍼의 표면을 연마한다. 이 때, 폴리싱 패드에서는 기계적인 연마가 일어나고, 슬러리는 화학적인 반응을 일으킨다. 폴리싱 패드는 폴리우레탄과 같은 기공성의 인조화합물로 이루어진다.

다음으로, 상기 공정을 거치면서 웨이퍼 표면에 부착된 오염물질을 제거하기 위해 세정 공정(cleaning)이 수행된다(S50).

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.

100 : 웨이퍼 연마 장치
110 : 상정반
120 : 하정반
111, 121 : 패드
111a, 121a : 다이아몬드 입자
111b : 베이스 부재
111c : 돌출 패턴
130 : 태양기어
131 : 중심축
140 : 내주기어
150 : 웨이퍼 캐리어
W : 웨이퍼

Claims (10)

1. 웨이퍼를 연마하기 위한 웨이퍼 연마 장치에 있어서,
   정반;
   다이아몬드 입자를 포함하고, 상기 웨이퍼와 마주하도록 상기 정반에 부착되는 패드;
   상기 웨이퍼를 지지하기 위한 웨이퍼 캐리어;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 정반은 상정반과 하정반을 포함하고, 상정반과 하정반의 일면에 상기 패드가 각각 부착되며,
   상기 웨이퍼 캐리어는 상기 상정반과 상기 하정반 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 장치.
3. 제1항에 있어서,
   윤활제로서 초순수를 사용하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 장치.
4. 제3항에 있어서,
   윤활제로서 계면활성제가 포함된 분산제를 추가로 사용하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 장치.
5. 제2항에 있어서,
   상기 상정반과 상기 하정반 사이에 위치되어 회전하는 태양기어;
   내주에 기어 이가 형성되어, 상기 태양기어와 동심으로 회전하는 내주기어;
   를 더 포함하고,
   상기 웨이퍼 캐리어는 상기 태양기어와 상기 내주기어 사이에서 기어 접촉되어 상기 태양 기어를 중심으로 공전하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 다이아몬드 입자는 베이스 부재에 부착되어 상기 패드를 형성하고,
   상기 베이스 부재에는 상기 다이아몬드 입자가 포함된 돌출 패턴이 형성되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 다이아몬드 입자는 상기 베이스 부재 상에 균일하게 분포되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 장치.
8. 잉곳으로부터 웨이퍼를 제조하는 방법에 있어서,
   상기 잉곳을 웨이퍼 형태로 얇게 절단하는 슬라이싱 공정;
   절단된 상기 웨이퍼의 양면을 기계적으로 연마하는 래핑 공정;
   상기 웨이퍼의 결함 및 손상을 제거하는 에칭 공정;
   상기 웨이퍼 표면의 평탄도를 향상시키기 위한 연마 공정;
   을 포함하고,
   상기 래핑 공정에서는 상기 웨이퍼와 마주하도록 상정반 및 하정반의 표면에 부착된 다이아몬드 입자에 의해 상기 웨이퍼의 표면을 연마하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 제조 방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 래핑 공정에서는 윤활제로서 초순수가 공급되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 제조 방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 윤활제로서 계면활성제가 포함된 분산제가 추가로 공급되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 제조 방법.

Images