KR102344217B1 - 연마장치 및 웨이퍼의 연마방법 - Google Patents

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히로미 키시다
유야 나카니시
료스케 요다
요스케 카나이
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신에쯔 한도타이 가부시키가이샤
후지코시 기카이 고교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 웨이퍼를 유지하기 위한 연마헤드와, 상기 웨이퍼를 연마하기 위한 연마포가 첩부된 복수의 정반과, 상기 웨이퍼를 상기 연마헤드에 장착하거나, 상기 연마헤드로부터 박리하기 위한 로딩/언로딩 스테이지를 구비하고, 상기 연마헤드를 선회이동시킴으로써, 상기 연마헤드로 유지한 상기 웨이퍼의 연마에 이용하는 상기 정반을 전환하면서 상기 웨이퍼를 연마하는 인덱스방식의 연마장치에 있어서, 상기 연마장치는, 상기 정반을 상하동할 수 있는 정반 상하동기구를 가지는 것을 특징으로 하는 연마장치이다. 이에 따라, 연마 중에 연마헤드에 모멘트 하중이 가해졌을 때에 발생하는 변위량을 작게 할 수 있다.

Description

연마장치 및 웨이퍼의 연마방법{POLISHING DEVICE AND WAFER POLISHING METHOD}
본 발명은, 인덱스방식의 연마장치 및 웨이퍼의 연마방법에 관한 것이다.
실리콘 웨이퍼로 대표되는 반도체 웨이퍼(이하, 간단히 웨이퍼라고도 함)의 연마는, 양면을 동시에 연마하는 방법이나, 편면을 연마하는 방법이 행해지고 있다.
웨이퍼의 편면을 연마하려면, 도 11에 나타내는 바와 같은, 연마포(103)가 첩부된 정반(104)과, 정반(104) 상에 연마제(107)를 공급하기 위한 연마제 공급기구(108)와, 연마하는 웨이퍼(W)를 유지하기 위한 연마헤드(102)로 구성된 연마장치(101)가 많이 이용되고 있다.
연마장치(101)는, 연마헤드(102)로 웨이퍼(W)를 유지하고, 연마제 공급기구(108)로부터 연마포(103) 상에 연마제(107)를 공급함과 함께, 정반(104)과 연마헤드(102)를 각각 회전시켜 웨이퍼(W)의 표면을 연마포(103)에 슬라이딩접촉시킴으로써 연마를 행하고 있다.
또한, 웨이퍼의 연마는, 연마포의 종류나 연마제의 종류를 바꾸어, 다단으로 행해지는 경우가 많고, 인덱스방식이라 불리는 2개의 정반 내지 3개의 정반을 가지는 연마장치가 많이 이용되고 있다.
여기서, 도 12에 제1~제3의 정반(204a~c)을 가지는 연마장치(201)의 일 예를 나타낸다. 연마장치(201)는, 제1~제4의 연마축(209a~d)에, 연마헤드(202a~d)가 부착되어 있으며, 1개의 정반에 2개 연마헤드를 할당할 수 있게 되어 있다. 이에 따라, 1배치(batch)당 2매의 웨이퍼의 연마가 가능하므로, 특히 생산성이 우수하다.
그리고, 이러한 연마장치(201)는, 연마포의 막힘을 억제하기 위하여, 브러싱이나 드레싱을 행하는 드레싱기구를 구비하고 있는 경우가 있다.
브러싱이나 드레싱에 의해, 연마포의 막힘을 억제할 수 있는데, 브러싱이나 드레싱 중에는, 웨이퍼를 연마할 수 없으므로, 생산성이 저하된다. 이에 따라, 브러싱이나 드레싱의 빈도나 시간은, 사용하는 연마포의 종류나, 연마절삭량(取り代)에 따라, 적시 설정하여, 생산성의 저하를 억제하고 있다.
인덱스방식의 연마장치(201)를 이용한 구체적인 연마 플로우를, 제1의 연마축(209a)의 연마헤드(202a)를 예로, 도 13의 플로우도에 기초하여 설명한다.
먼저, 웨이퍼를 연마헤드(202a)에 로딩한다(SP101). 웨이퍼를 로딩할 때에는, 연마헤드(202a)가 하강하여, 도 12에 나타내는 바와 같은 로딩/언로딩 스테이지(212) 상에 있는 웨이퍼를 유지한다. 한편, 웨이퍼의 유지방법은, 사용하는 연마헤드에 따라 다른데, 일반적으로는, 진공흡착방식이나, 템플레이트에 의한 수장(水張り)방식이 이용되고 있다.
그리고, 웨이퍼를 유지한 연마헤드(202a)는, 선회가능한 위치까지 상승한 후, 90도 선회하고(SP102), 제1의 정반(204a)에 이동한다(SP103).
여기서 선회가능한 위치란, 예를 들어, 연마헤드(202a)를 선회했을 때에, 연마헤드(202a)가 드레싱기구 등의 다른 부재에 접촉하지 않는 위치를 말한다.
그리고, 연마헤드(202a)는 제1의 정반(204a)의 연마포에 접촉하는 위치까지 하강하고, 연마포가 붙여진 제1의 정반(204a)에서의 연마가 개시된다.
제1의 정반(204a)에서의 연마종료 후, 연마헤드(202a)는 재차, 선회가능한 위치까지 상승하여, 90도 선회하고(SP104), 제2의 정반(204b)에 이동한다(SP105). 그리고, 재차 연마를 개시한다.
이러한 동작을 반복하면서(SP106~107), 제3의 정반(204c)에서 연마가 행해진 후, 연마헤드(202a)는 재차, 선회가능한 위치까지 상승하여, 역방향으로 270도 선회하고(SP108), 로딩/언로딩 스테이지(212)로 되돌아가, 웨이퍼의 언로딩(SP109)이 행해짐으로써, 1사이클이 종료된다.
상기와 같이, 종래의 인덱스방식의 연마장치에서는, 연마개시시 및 종료시나, 연마에 이용하는 정반의 전환시에, 연마헤드를 상하동시키고 있다.
제1의 연마축(209a)에 부착된 연마헤드(202a)에서 웨이퍼의 로딩/언로딩을 행하고 있을 때, 제2~4의 연마축(209b~d)에 각각 부착된 연마헤드(202b~d)에서는, 병행하여 각 제1~3의 정반(204a~c)에서 연마가 행해진다. 이처럼, 인덱스방식의 연마장치는, 대기시간이 짧고, 생산성이 우수한 연마를 행할 수 있다.
여기서, 종래의 연마장치의 측면도를 도 14a, 도 14b에 나타내었다. 또한, 이 연마장치에 있어서의, 2개의 연마헤드와 드레싱기구의 위치관계를 도 15a, 도 15b에 나타내었다.
도 14a에 나타내는 바와 같이, 웨이퍼(W)를 연마할 때에는, 웨이퍼(W)와 연마포(203)가 접촉하도록, 연마헤드(202)를 상하동의 최하단까지 하강시킨다.
도 15a에 나타내는 바와 같이, 연마헤드(202)가 상하동의 최하단에 위치하는 경우, 연마헤드(202)와 드레싱기구(206)는 동일한 높이범위에 있다. 따라서, 연마헤드(202)의 높이위치를 변경하지 않고, 연마헤드(202)의 선회동작을 행하면, 연마헤드(202)와 드레싱기구(206)가 충돌한다.
또한, 도 14b에 나타내는 바와 같이, 연마헤드(202)가 상하동의 최상단까지 상승했을 때에, 연마헤드(202)의 선회동작이나, 연마포(203)의 드레싱이 행해진다. 이때, 도 15b에 나타내는 바와 같이, 연마헤드(202)가 상하동의 최상단에 위치하는 경우, 연마헤드(202)가 드레싱기구(206)와 접촉하지 않는 높이위치로 되어 있다.
연마헤드(202)의 상하동의 스트로크폭은 예를 들어 120mm 정도로 되어 있다. 또한, 연마헤드를 상하동시키기 위한 기구로는, 일반적으로 에어실린더나, 볼스크류에 의한 구동방식이 채용되고 있다.
또한, 드레싱기구(206)는, 브러시나 드레스의 건조를 방지하기 위하여, 연마 중에는 보관수조(도시생략)에 착수하고 있다. 이에 따라, 드레싱기구(206)에는 상하동작을 하기 위한 기구도 마련되어 있다. 또한, 드레싱기구(206)는 브러시나 드레스를 회전시키기 위한 기구를 가지는 것이나, 고압제트 세정기구와 병용한 것도 있다.
그러므로, 드레싱기구의 두께를 얇게 하는 것이 곤란하고, 예를 들어, 일반적인 직경 300mm의 웨이퍼용의 연마장치이면, 드레싱기구와의 충돌을 피하기 위하여 연마헤드의 상하동의 스트로크폭은 120mm 이상 필요해지고, 연마축은 이 스트로크폭 이상의 길이가 필요해진다.
이러한 길이의 연마축을 이용하는 경우, 웨이퍼를 연마하고 있을 때에, 연마축이 모멘트 하중을 받으면, 수μm 정도의 변위가 발생한다. 연마축에 이러한 변위가 발생한 경우, 연마대상물인 웨이퍼의 에지부에서는, 그 변동이 커져, 웨이퍼의 품질에 악영향을 미친다는 문제가 있었다. 특히, 디자인룰 20nm 이하의 품질요구에 대응하기 위해서는, 웨이퍼 에지부의 품질이 중요하고, 연마축의 강성을 향상시킨, 고정도의 연마장치가 요구되고 있었다.
그러나, 연마축의 변위량을 억제하기 위하여 선회부의 강성을 높인 경우, 연마장치 상부의 중량이 무거워진다. 연마장치 상부의 중량이 무거워지면, 결과적으로 전체의 장치중량도 대폭 증가하여, 설치에어리어에 대한 제약이 생기므로, 고정도화는 곤란했다.
또한, 연마헤드가 선회동작을 할 때에는, 연마헤드와 드레싱기구의 물리적 간섭을 피하기 위하여, 연마헤드가 완전히 상승할 때까지 선회동작을 할 수 없다. 그러므로, 상하동의 스트로크폭이 길면, 연마헤드가 완전히 상승할 때까지의 시간이 오래 걸리고, 그 결과, 택타임(tack time)이 길어져, 생산성이 저하되는 문제가 있었다.
또한, 브러싱이나 드레싱을 행할 때에는, 그 효과를 일정하게 하기 위하여, 연마포나 브러시, 드레스의 라이프(마모)에 맞춰, 드레싱기구의 높이를 수동으로 조정할 필요가 있다. 그러나, 드레싱기구의 높이조절을 수동으로 행하기 위해서는 연마장치를 정지시킬 필요가 있으므로, 생산성 저하의 원인이 되고 있었다.
한편, 드레싱기구의 높이조정을 자동으로 행하는 기구를 마련함으로써, 높이조정에 따른 연마장치의 정지에 의한 생산성 저하를 억제하는 것은 가능하지만, 이 경우, 드레싱기구의 구조가 복잡해짐과 함께, 드레싱기구의 높이가 증가한다. 이에 따라, 연마헤드가 상승해야만 하는 높이위치가 높아짐에 따라, 택타임이 길어져, 오히려 생산성이 저하된다는 문제가 발생한다.
특허문헌 1에서는, 연마포의 높이를 변화시켜 연마포에 가해지는 압력을 제어할 수 있도록, 정반의 상하동기구를 마련한 연마장치가 기재되어 있는데, 이 연마장치에서는, 정반은 장치 상부에 있고, 하측에 위치하는 시료대 상에 고정된 웨이퍼를 연마하는 구조로 되어 있다. 이 장치에서는, 중량물인 정반과 정반 상하동기구가 장치 상부에 있으므로, 장치의 강성을 높이기 곤란하다. 또한, 인덱스방식은 아니기 때문에, 연속적인 연마가 곤란하고 생산성이 높지 않다. 게다가, 택타임에 영향을 미치는 연마포의 브러싱이나 드레싱에 대해서는 기재되어 있지 않다.
일본특허공개 H09-290363호 공보
본 발명은 상기와 같은 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 연마 중에 모멘트 하중이 가해졌을 때에 발생하는 연마축의 변위량을 작게 할 수 있는 연마장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 웨이퍼를 유지하기 위한 연마헤드와, 상기 웨이퍼를 연마하기 위한 연마포가 첩부된 복수의 정반과, 상기 웨이퍼를 상기 연마헤드에 장착하거나, 상기 연마헤드로부터 박리하기 위한 로딩/언로딩 스테이지를 구비하고, 상기 연마헤드를 선회이동시킴으로써, 상기 연마헤드로 유지한 상기 웨이퍼의 연마에 이용하는 상기 정반을 전환하면서 상기 웨이퍼를 연마하는 인덱스방식의 연마장치에 있어서,
상기 연마장치는, 상기 정반을 상하동할 수 있는 정반 상하동기구를 가지는 것을 특징으로 하는 연마장치를 제공한다.
이러한 연마장치이면, 연마헤드를 긴 스트로크폭으로 상하동시킬 필요가 없으므로, 연마축의 길이를 짧게 할 수 있다. 이에 따라 연마축의 강성이 높아지므로, 연마 중에 모멘트 하중이 가해졌을 때에 발생하는 연마축의 변위량을 작게 할 수 있다. 이에 따라, 웨이퍼를 정도 좋게 연마할 수 있다.
이때, 상기 연마장치는, 상기 연마헤드가 선회이동하는 궤도와 간섭하지 않는 위치에, 드레싱기구를 마련한 것이 바람직하다.
이러한 것이면, 연마헤드와 드레싱기구를 간섭시키는 일 없이, 연마헤드의 선회이동과 정반의 상하동을 병행하여 행할 수 있다. 그러므로, 택타임을 단축하여 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한 이때, 상기 연마장치는, 상기 연마헤드를 20mm 이하의 스트로크폭으로 상하동시키는 연마헤드 상하동기구를 가지는 것이 바람직하다.
연마헤드 상하동기구에 의해, 각종 연마헤드에 대한 대응이나, 홈없는 연마포에 대한 대응이 가능해지고, 상하동폭을 20mm 이하로 억제함으로써, 연마축의 강성의 저하를 확실하게 억제할 수 있어, 보다 확실하게, 연마 중에 모멘트 하중이 가해졌을 때의 연마축의 변위량을 작게 할 수 있다.
또한 이때, 상기 연마헤드의 선회이동과, 상기 정반과 상기 연마헤드의 상하동을, 병행하여 행할 수 있는 것이 바람직하다.
이러한 것이면, 택타임을 보다 단축시킬 수 있다.
또한 이때, 상기 정반 상하동기구는, 상기 드레싱기구로 상기 연마포의 드레싱을 행할 때에, 상기 연마포의 마모에 따라, 상기 정반의 높이를 조절하는 것이 바람직하다.
이러한 것이면, 연마포의 마모에 의한 드레싱효과의 불균일을 억제할 수 있음과 함께, 시간이 드는 드레싱기구의 높이를 조정할 필요가 없어지므로 생산성이 향상된다.
또한 본 발명에 따르면 상기와 같은 연마장치를 이용한 웨이퍼의 연마방법으로서,
상기 연마헤드로 유지한 상기 웨이퍼의 연마에 이용하는 상기 정반의 전환을, 이 정반을 하강시켜 상기 연마헤드를 선회이동시킴으로써 행하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼의 연마방법을 제공한다.
이러한 연마방법이면, 연마헤드를 긴 스트로크폭으로 상하동시킬 필요가 없으므로, 연마축의 길이를 짧게 하여 강성을 높인 연마축을 이용할 수 있으므로, 연마 중에 모멘트 하중이 가해졌을 때에 발생하는 연마축의 변위량을 작게 할 수 있다. 이에 따라, 웨이퍼를 정도 좋게 연마할 수 있다.
이때, 상기 웨이퍼의 연마종료 후에, 상기 연마포의 마모에 따라, 상기 정반의 높이를 조절하여 상기 연마포의 드레싱을 행하는 공정을 가지는 것이 바람직하다.
이렇게 한다면, 연마포의 마모에 의한 드레싱효과의 불균일을 억제할 수 있음과 함께, 시간이 드는 드레싱기구의 높이를 조정할 필요가 없어지므로 생산성이 향상된다.
본 발명의 연마장치, 및 이 연마장치를 이용한 연마방법은, 정반 상하동기구로 정반을 상하동할 수 있으므로, 연마헤드를 긴 스트로크폭으로 상하동시킬 필요가 없어, 연마축의 길이를 짧게 할 수 있다. 그러므로, 연마축의 강성이 높아지므로, 연마 중에 모멘트 하중이 가해졌을 때에 발생하는 연마축의 변위량을 작게 할 수 있다. 이에 따라, 높은 정도로 웨이퍼의 연마를 행할 수 있다. 또한, 연마헤드의 선회이동과, 정반의 상하동을 병행하여 행함으로써, 택타임을 단축하여, 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 정반 상하동기구에 의해, 드레싱효과를 유지할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 연마장치의 일 예에 있어서, 정반이 상하동의 최하단에 위치해 있을 때의 상태를 나타낸 개략측면도이다.
도 1b는 본 발명의 연마장치의 일 예에 있어서, 정반이 상하동의 최상단에 위치해 있을 때의 상태를 나타낸 개략측면도이다.
도 2는 본 발명의 연마장치의 일 예에 있어서, 정반 상하동기구의 일 예를 나타낸 개략도이다.
도 3a는 본 발명의 연마장치의 일 예에 있어서, 정반 상하동기구로 정반을 상승시켜, 웨이퍼를 연마하고 있을 때의 개략상면도이다.
도 3b는 본 발명의 연마장치의 일 예에 있어서, 정반 상하동기구로 정반을 상승시켜, 웨이퍼를 연마하고 있을 때의 개략측면도이다.
도 4a는 본 발명의 연마장치의 일 예에 있어서, 정반 상하동기구로 정반을 하강시켜, 연마포를 드레싱하고 있을 때의 개략상면도이다.
도 4b는 본 발명의 연마장치의 일 예에 있어서, 정반 상하동기구로 정반을 하강시켜, 연마포를 드레싱하고 있을 때의 개략측면도이다.
도 5는 본 발명의 연마장치의 일 예를 나타낸 개략상면도이다.
도 6은 본 발명의 웨이퍼의 연마방법의 일 예를 나타낸 플로우도이다.
도 7은 실시예 1에 있어서, 시뮬레이션에서 연마헤드에 가하는 모멘트 하중의 방향을 나타낸 개략도이다.
도 8은 실시예 1에 있어서, 시뮬레이션에서 연마축의 플랜지부에 가하는 하중의 방향을 나타낸 개략도이다.
도 9는 실시예 1에 있어서, 실제로 연마축의 플랜지부에 가하는 하중의 방향을 나타낸 개략도이다.
도 10은 실시예 3 및 비교예 3에 있어서의 드레싱횟수와 연마포의 두께의 변화의 관계를 나타낸 도면이다.
도 11은 일반적인 편면 연마장치의 일 예를 나타낸 개략도이다.
도 12는 일반적인 인덱스방식의 웨이퍼의 연마장치의 일 예를 나타낸 개략도이다.
도 13은 일반적인 인덱스방식의 웨이퍼의 연마방법의 일 예를 나타낸 플로우도이다.
도 14a는 종래의 연마장치에 있어서, 연마헤드가 상하동의 최하단에 위치해 있을 때의 상태를 나타낸 개략도이다.
도 14b는 종래의 연마장치에 있어서, 연마헤드가 상하동의 최상단에 위치해 있을 때의 상태를 나타낸 개략도이다.
도 15a는 종래의 연마장치에 있어서, 연마헤드가 상하동의 최하단에 위치하여, 웨이퍼를 연마하고 있을 때의 개략측면도이다.
도 15b는 종래의 연마장치에 있어서, 연마헤드가 상하동의 최상단에 위치하여, 연마포를 드레싱하고 있을 때의 개략측면도이다.
이하, 본 발명에 대하여 실시의 형태를 설명하나, 본 발명은 이것으로 한정되는 것은 아니다.
상기 서술한 바와 같이, 웨이퍼를 연마하고 있을 때에, 연마축이 모멘트 하중을 받은 경우에, 연마축에 변위가 생기고, 이에 따라 연마하고 있는 웨이퍼의 품질에 악영향을 미친다는 문제가 있었다.
이에, 본 발명자는 이러한 문제를 해결하기 위하여 예의검토를 거듭하였다. 그 결과, 연마장치에 정반 상하동기구를 마련하는 것에 상도하였다. 정반 상하동기구에 의해, 정반을 상하동할 수 있게 함으로써, 연마축의 길이를 짧게 할 수 있다. 이에 따라, 연마축의 강성이 높아져, 연마 중에 모멘트 하중이 가해졌을 때에 발생하는 연마축의 변위량을 작게 할 수 있다.
그리고, 이들을 실시하기 위한 최량의 형태에 대하여 정사하여, 본 발명을 완성시켰다.
먼저, 본 발명의 연마장치에 대하여 도 1a, 도 1b, 도 5를 참조하여 설명한다.
도 5와 같이, 본 발명의 연마장치(1)는, 웨이퍼를 유지하기 위한 연마헤드(2a~2d)와, 복수의 정반(4a~4c)과, 로딩/언로딩 스테이지(12)를 구비하고 있다. 또한, 도 1a, 도 1b와 같이, 연마장치(1)는, 정반(4a~4c)을 상하동할 수 있는 정반 상하동기구(5)를 구비하고 있다. 정반(4a~4c) 각각에는, 웨이퍼(W)를 연마하기 위한 연마포(3)가 첩부되어 있다. 웨이퍼(W)는, 로딩/언로딩 스테이지(12) 상에서, 연마헤드(2a~2d)에 장착되거나, 연마헤드(2a~2d)로부터 박리될 수 있다. 각 정반(4a~4c)의 상방에는, 웨이퍼(W)의 연마를 행할 때에 연마제(7)을 정반(4a~4c) 상에 공급하기 위한 연마제 공급기구(8)가 설치되어 있다(도 3b 및 도 4b 참조).
도 5에 나타내는 바와 같이, 연마장치(1)는, 로딩/언로딩 스테이지(12)의 상방에, 웨이퍼(W)를 유지하기 위한 연마헤드(2a)를 부착하여 회전시키기 위한 제1의 연마축(9a)을 가지고 있다. 마찬가지로, 제1의 정반(4a)의 상방에는 연마헤드(2d)와 제4의 연마축(9d), 제2의 정반(4b)의 상방에는 연마헤드(2c)와 제3의 연마축(9c), 제3의 정반(4c)의 상방에는 연마헤드(2b)와 제2의 연마축(9b)를 가지고 있다.
각각의 연마축(9a~9d)이 동시에 선회함으로써, 각 연마헤드(2a~2d)가 선회이동하고, 웨이퍼(W)의 연마에 이용하는 정반(4a~4c)을 전환하면서 연마를 행하는 것으로 되어 있다. 도 5에 나타낸 각 연마헤드(2a~2d)와 연마축(9a~9d)의 위치는 초기위치이며, 이 후, 선회이동을 반복하여 연마에 이용하는 정반을 전환하면서 웨이퍼(W)의 연마, 장착(로딩), 박리(언로딩)를 행한다.
여기서는, 설명을 용이하게 하기 위하여, 2개의 연마헤드를 부호 2a~2d로 나타내고, 2개의 연마축을 부호 9a~9d로 나타내고 있다. 즉, 1개의 정반에 대하여, 2개의 연마헤드가 할당되어 있는 구성으로 되어 있다.
연마헤드(2a~2d)에 의한 웨이퍼(W)의 유지방법으로서, 진공흡착법이나, 템플레이트에 의한 수장방식을 이용할 수 있다.
도 2와 같이, 정반(4a~4c) 및 정반 상하동기구(5)는 연마장치(1)의 하부에 위치하고 있다. 이처럼, 중량물인 정반(4a~4c)과 정반 상하동기구(5)를 장치의 하부에 마련함으로써, 장치의 강성을 높일 수 있다.
정반 상하동기구(5)는, 예를 들어 볼스크류를 이용하여 구성할 수 있다. 그리고, 정반 상하동기구(5)는, 정반(4a~4c)을 상하동시켜, 원하는 임의의 높이위치에 정지시킬 수 있다. 정반 상하동기구(5)는, 정반(4a~4c)을 각각 독립적으로 상하동시킬 수 있도록 구성되어 있다. 예를 들어, 도 1a, 도 1b에 나타내는 연마장치(1)에는, 각각의 정반(4a~4c)에 대응하는 3개의 독립된 정반 상하동기구(5)가 마련되어 있다. 정반(4a~4c)의 스트로크폭을, 예를 들면 100mm로 할 수 있다.
한편, 도 1a, 도 1b, 도 2에서는, 정반, 연마헤드, 연마축은 첨자 a의 것만 표시하고 있으며, 그 밖의 첨자의 것은 생략되어 있다. 연마헤드(2a~2d)는, 도 3a, 도 3b, 도 4a, 도 4b, 도 7에 있어서는, 부호 2로 나타내고 있다. 또한, 마찬가지로, 정반(4a~4c)은, 부호 4로, 연마축(9a~9d)은, 부호 9로 나타내고 있다.
도 1a와 같이 정반(4a~4c)이 상하동의 최하단까지 하강한 위치를, 연마포(3)의 드레싱을 행할 때의 정반(4a~4c)의 위치로 할 수 있다. 이처럼, 정반이 하강했을 때, 도 4a, 도 4b에 나타내는 바와 같이, 드레싱기구(6)로 연마포(3)를 드레싱(또는 브러싱)할 수 있다.
구체적으로는, 정반이 상하동의 최하단까지 하강한 후, 드레싱기구(6)가 도 3a에 나타내는 바와 같은 초기위치로부터, 도 4a에 나타내는 바와 같이, 연마포(3)의 상방으로 이동하여, 드레싱이 행해진다.
도 1b와 같이 정반(4a~4c)이 상하동의 최상단까지 상승한 위치를, 웨이퍼(W)를 연마할 때의 정반(4a~4c)의 위치로 할 수 있다.
이러한 연마장치이면, 연마헤드를 긴 스트로크폭으로 상하동시킬 필요가 없으므로, 연마축의 길이를 짧게 할 수 있다. 이에 따라 연마축의 강성이 높아지므로, 연마 중에 모멘트 하중이 가해졌을 때에 발생하는 연마축의 변위량을 작게 할 수 있다. 이에 따라, 웨이퍼를 정도좋게 연마할 수 있다.
도 4a, 도 4b에 나타내는 바와 같이, 연마헤드(2)가 선회이동하는 궤도와 간섭하지 않는 위치에, 드레싱기구(6)를 마련한 것이 바람직하다.
이러한 것이면, 연마헤드와 드레싱기구를 간섭시키는 일 없이, 연마헤드의 선회이동과 정반의 상하동을 병행하여 행할 수 있다. 그러므로, 택타임을 단축하여 생산성을 향상시킬 수 있다.
연마장치(1)에는, 연마헤드(2a~2d)를 상하동시키는 연마헤드 상하동기구(도시생략)를 마련할 수 있다. 상기한 바와 같이, 본 발명의 연마장치(1)는, 연마헤드(2a~2d)를 큰 스트로크폭으로 상하동시킬 필요는 없고, 각종 연마헤드에 대응하기 위하여 최저한의 필요한 스트로크폭을 가지고 있으면 된다. 이 스트로크폭은, 20mm 이하로 충분하며, 20mm이면, 흡착방식이나 수장방식 등, 구조가 상이한 연마헤드에도 대응할 수 있다. 상하동폭이 20mm 이하이면, 연마축의 강성의 저하를 확실하게 억제할 수 있어, 보다 확실하게, 연마 중에 모멘트 하중이 가해졌을 때의 연마축의 변위량을 작게 할 수 있다.
또한, 홈없는 연마포(3)를 사용했을 때, 웨이퍼(W)가 연마포(3)에 흡착되고, 연마헤드(2a~2d)를 연마포(3)로부터 박리할 때에, 정반(4a~4c)을 약간 들어올리는 현상이 발생하는 경우가 있다. 이러한 경우에, 1개의 정반에 할당된 복수의 연마헤드(2a~2d) 각각을 시간차를 두고 상승시킴으로써, 연마헤드(2a~2d)를 상승할 때의 웨이퍼(W)와 연마포(3)의 흡착력을 낮출 수 있다. 또한, 연마헤드의 변경에도 용이하게 대응할 수 있으므로, 정반 상하동기구(5)를 가지는 연마장치(1)여도, 연마헤드 상하동기구를 마련하는 편이 바람직하다.
상기에서는 1개의 정반에, 2개의 연마헤드를 할당하는 구성으로 하고 있으나, 1개의 정반에 1개의 연마헤드를 할당하도록 할 수도 있다. 이 경우에는, 상기와 같은 시간차로 연마헤드를 상승시키는 동작을 할 수는 없으므로, 연마헤드 상하동기구를 마련하지 않는 것이어도 되지만, 연마헤드의 변경에도 용이하게 대응할 수 있으므로, 상기 연마헤드의 상하동기구를 마련하는 편이 바람직하다.
연마헤드(2a~2d) 및 정반(4a~4c)은, 예를 들어 도 14a, 도 14b에 나타내는 바와 같은, 모터와 감속기(210)를 조합하여 회전시키는 방식이 일반적인데, 다이렉트 드라이브 모터를 사용하여 회전시킬 수도 있다. 도 1a, 도 1b에 나타내는 연마장치(1)에서는, 다이렉트 드라이브 모터(10)를 이용하고 있으며, 이 경우, 감속기 등의 부대설비가 필요 없기 때문에, 모터와 감속기를 사용한 경우와 비교할 때, 공간절약하여 정반 상하동장치를 설계할 수 있다.
연마장치(1)는, 연마헤드(2a~2d)의 선회이동과, 정반(4a~4c)과 연마헤드(2a~2d)의 상하동을, 병행하여 행할 수 있는 것이 바람직하다.
이처럼, 양자의 움직임을 병행하여 행할 수 있으므로, 상기 정반을 전환할 때나, 드레싱을 행할 때의 택타임을 단축할 수 있어, 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 정반 상하동기구(5)는, 드레싱기구(6)로 연마포(3)의 드레싱을 행할 때에, 연마포(3)의 마모 혹은 드레싱(또는 브러싱)의 마모에 따라, 정반(4a~4c)의 높이를 조절하는 것이 바람직하다. 연마사이클이 증가함과 함께, 연마포 및 드레싱(또는 브러싱)의 마모량이 증가하여, 이들의 상대적인 위치관계에 어긋남이 발생한다. 본 발명에서는, 정반(4a~4c)의 높이위치는 정반 상하동기구(5)에 의해 임의의 높이위치에서 정지가능하므로, 정반(4a~4c)의 높이를 상기와 같이 조정함으로써, 드레싱기구(6)의 높이를 조정하지 않고도, 드레싱의 효과를 일정하게 할 수 있다. 또한, 이러한 조정은 자동화할 수 있으므로, 공정시간을 단축할 수 있어, 생산성이 향상된다.
다음에, 상기한 바와 같은 본 발명의 연마장치(1)를 이용한 웨이퍼의 연마방법을 설명한다.
여기서는, 구체적인 웨이퍼의 연마방법 플로우를, 도 5에 나타내는 제1의 연마축(9a)에 부착된 연마헤드(2a)의 움직임을 중심으로 설명하면서, 도 6의 플로우도에 기초하여 설명한다.
먼저, 연마헤드(2a)에서 로딩/언로딩 스테이지(12) 상에 있는 웨이퍼를 연마헤드(2a)에 장착하고, 유지한다(SP1).
그리고, 웨이퍼를 유지한 연마헤드(2a)는, 90도 선회하고(SP2), 제1의 정반(4a)에 이동한다.
그리고, 제1의 정반(4a)을 웨이퍼와 연마포가 접촉하는 위치까지 상승시키고, 연마제 공급기구로부터 연마포 상에 연마제를 공급함과 함께, 제1의 정반(4a)과 연마헤드(2a)를 각각 회전시키면서 웨이퍼의 표면을 연마포에 슬라이딩접촉시킴으로써, 제1의 정반(4a)에서의 연마를 행한다(SP3).
제1의 정반(4a)에서의 연마종료 후, 제1의 정반(4a)을 강하시켜, 연마헤드(2a)를 90도 선회하고(SP4), 제2의 정반(4b)에 이동한다. 그리고, 제2의 정반(4b)을, 웨이퍼와 연마포가 접촉하는 위치까지 상승시켜, 재차 연마를 개시한다(SP5).
이러한 동작을 반복하면서(SP 6~7), 제3의 정반(4c)에서 연마가 행해진 후, 제3의 정반(4c)을 강하시켜, 제1의 연마헤드(2a)를 역방향으로 270도 선회하고(SP8), 로딩/언로딩 스테이지(12)로 되돌아가, 연마헤드(2a)로부터 웨이퍼를 박리하여, 언로드(SP9)가 행해짐으로써, 1사이클이 종료된다.
제1의 연마축(9a)의 연마헤드(2a)에서 웨이퍼의 로딩/언로딩을 행하고 있을 때, 제2~4의 연마축(9b~d)의 연마헤드(2b~d)에서는, 병행하여 각 제1~3의 정반(4a~c)에서 연마가 행해진다.
이러한, 웨이퍼의 연마방법이면, 연마 중에 모멘트 하중이 가해졌을 때의 연마축의 변위량을 작게 할 수 있는 본 발명의 연마장치를 이용하므로, 평탄도가 좋은 웨이퍼로 연마할 수 있다. 나아가, 택타임을 단축할 수 있으므로, 생산성이 향상된다.
또한, 웨이퍼의 연마종료 후에, 연마포의 마모에 따라, 정반의 높이를 조절하여 연마포의 드레싱을 행하면, 상기 본 발명의 연마장치에서 설명한 것과 마찬가지로 항상 일정한 드레싱효과를 얻을 수 있음과 함께, 공정시간을 단축할 수 있다.
한편, 드레싱을 행하는 타이밍은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 웨이퍼의 연마가 종료될 때마다 행할 수도 있다. 그러나, 드레싱빈도의 증가는 생산성 저하로 이어지므로, 사용하는 연마포나 연마제에 맞춰, 적절한 타이밍으로 드레싱을 행하는 것이 바람직하다.
실시예
이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하나, 본 발명은 이것들로 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
본 발명의 연마장치를 준비하고, 축 강성을 평가하였다. 준비한 연마장치는, 직경 300mm의 웨이퍼의 연마에 대응한 것으로 하였다. 연마헤드를 20mm의 스트로크폭으로 상하동시키는 연마헤드 상하동기구를 가지는 것으로 하고, 정반 상하동기구는 상하동의 스트로크폭이 100mm인 것으로 하였다.
먼저, 웨이퍼를 연마하고 있을 때에, 연마헤드 및 연마축에 모멘트 하중이 가해진 경우의 영향에 대하여, 시뮬레이션에 의해 해석을 실시하였다. 한편, 시뮬레이션은, Solidworks simulation을 이용하여 행하였다.
모멘트 하중의 영향에 대해서는, 도 7에 나타내는 바와 같이, 연마헤드(2)에 하중(F)을 가한 경우에 연마헤드(2)가 평행방향으로 변위하는 양을 구하였다.
시뮬레이션의 조건은, 연마시에 약 200kgf의 가로방향의 하중이 연마헤드(2)에 부하하는 것을 상정하여 행하였다. 그 결과, 표 1에 나타내는 바와 같이, 연마헤드(2)의 평행방향의 변위량은, 8.18μm였다.
또한, 축 강성으로서, 도 8에 나타내는 바와 같이 연마축(9)에 화살표 방향(가로방향)으로 하중(F)을 직접 가한 경우에 연마축(9)의 플랜지부의 단면(端面)이 하중(F)에 평행한 방향으로 변위하는 양에 대하여 구하였다.
시뮬레이션의 조건은, 연마축(9)에 직접, 약 15kgf의 가로방향의 하중을 부여한 경우를 상정하여 행하였다. 그 결과, 연마축(9)의 변위량은, 표 1에 나타내는 바와 같이, 0.15μm였다.
다음에, 시뮬레이션이 아닌, 도 9에 나타내는 바와 같이, 실제로 연마축(9)의 플랜지부에, 용수철저울(11)로 가로방향에 약 15kgf의 하중을 가해, 플랜지부의 단면의 변위량의 측정을 행하였다. 이때, 플랜지부의 단면의 변위량은 레이저 변위계로 측정하였다.
그 결과, 표 1에 나타내는 바와 같이 시뮬레이션에서의 변위량이 0.15μm이었던 것에 반해, 실측한 변위량은, 0.33μm였다.
Figure 112017034822719-pct00001

(비교예 1)
본 발명의 정반 상하동기구를 가지지 않는, 연마헤드 상하동기구의 스트로크폭이 120mm인 종래의 연마장치를 이용하여, 실시예 1과 동일한 방법으로, 시뮬레이션 및, 용수철저울(11)을 이용한 축 강성의 평가를 행하였다.
시뮬레이션의 조건은, 실시예 1과 마찬가지로, 연마시에 약 200kgf의 가로방향의 하중이 연마헤드에 부하되는 것을 상정하여 행하였다. 그 결과, 연마헤드의 평행방향의 변위량은, 표 2에 나타내는 바와 같이 171.90μm였다.
또한, 연마축에 약 15kgf의 가로방향의 하중을 준 경우를 상정하여 행한 연마축의 변위량은, 표 2에 나타내는 바와 같이 3.8μm였다.
다음에, 연마축의 플랜지부의 단면의 변위량의 실측값에 대해서도, 실시예 1과 동일한 방법으로 용수철저울(11)로 연마축에 하중을 가해, 측정을 행하였다. 그 결과, 시뮬레이션에서의 변위량이 3.8μm이었던 것에 반해, 표 2에 나타내는 바와 같이 실측한 변위량은, 8.1μm였다.
Figure 112017034822719-pct00002

이상의 결과로부터, 실시예 1에서는, 정반 상하동기구를 마련함으로써, 연마헤드 상하동기구의 스트로크폭을 120mm로부터 20mm로 작게 할 수 있고, 연마축의 강성을 높일 수 있었으므로, 비교예 1에 비해 모멘트 하중에 의한 연마축의 변위량을 대폭 저감할 수 있었다.
(실시예 2)
정반 상하동기구 및 연마헤드 상하동기구를 가지는 본 발명의 연마장치에 있어서, 연마헤드가 상하동의 최하단으로부터 최상단까지 이동하는데 필요한 시간을 측정하였다. 한편, 연마헤드 상하동기구의 스트로크폭은 20mm이고, 연마헤드의 상하이동속도를 35mm/초로 설정하였다.
그 결과, 이동시간은 가감속에 필요한 시간도 포함하여 평균 1.1초였다.
(비교예 2)
본 발명의 정반 상하동기구를 가지지 않는, 종래의 연마장치에 있어서, 연마헤드가 상하동의 최하단으로부터 최상단까지 이동하는데 필요한 시간을 측정하였다. 한편, 연마헤드 상하동기구의 스트로크폭은 120mm이고, 연마헤드의 상하이동속도는 실시예 2와 동일하게 35mm/초로 설정하였다.
그 결과, 이동시간은 가감속에 필요한 시간도 포함하여 평균 3.8초였다.
이상의 결과로부터, 실시예 2에서는, 연마헤드의 이동시간을 비교예 2에 비해 대폭 단축할 수 있었다.
(실시예 3)
본 발명의 정반 상하동기구 및 드레싱기구를 가지는 연마장치를 이용하여, 연마포의 드레싱을 행하고, 드레싱에 의한 연마포의 두께의 변화를 평가하였다. 연마포는, 두께측정이 용이한 경질의 발포우레탄 연마포를 이용하였다. 또한, 연마포의 두께가 쉽게 변화하도록, 연마포 표층의 제거효과가 높은 다이아몬드 드레서를 이용하고, 드레싱시간을 연장하여, 반복 드레싱을 행하였다.
그리고, 각각의 드레싱의 개시 전에, 연마포의 마모에 따라, 정반의 높이를 조정하였다. 구체적으로는, 드레싱 전후의 연마포의 두께로부터, 드레싱에 의한 연마포의 변화량을 구하고, 변화량에 상당하는 만큼, 정반의 높이를 상승시키면서 반복 드레싱을 행하였다. 이때의 측정결과를 도 10에 나타내었다. 도 10에서는, 최초의 드레싱 전의 연마포의 두께를 1.0으로 했을 때의, 드레싱의 반복에 따른 두께의 변화를 나타내고 있다. 연마포의 두께측정은, 연마포의 외주부에 마련한 두께측정용의 절결부를, 레이저 변위계로 측정하였다.
도 10에 나타내는 바와 같이, 연마포의 두께의 변화율은 거의 일정해지고, 연마포의 두께에 관계없이, 드레싱효과가 일정하게 유지되고 있는 것이 확인되었다.
(비교예 3)
본 발명의 정반 상하동기구를 가지지 않는, 정반의 높이위치가 고정된, 종래의 연마장치를 이용하여 드레싱기구의 높이의 조정을 행하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 3과 동일한 방법으로 드레싱에 의한 연마포의 두께의 변화를 평가하였다. 한편, 연마포 및, 드레서는 실시예 3과 동일한 것을 이용하였다.
그 결과, 도 10에 나타내는 바와 같이, 드레싱을 반복하면 연마포의 두께의 변화율이 저하되었다. 이는, 드레싱효과가 저하되고 있는 것을 나타내고 있다.
(실시예 4)
본 발명의 정반 상하동기구 및 드레싱기구를 가지는 연마장치를 이용하여, 실제로 300mm의 실리콘 웨이퍼의 연마 및, 연마포의 드레싱을 행하였다. 연마사이클 중에서는 웨이퍼의 픽업과 동시에 연마헤드의 선회동작을 행하도록 하였다.
그 결과, 비교예와 비교할 때, 평균 3초의 사이클타임 단축이 가능하였다.
나아가, 정반 상하동기구에 의해, 브러시나 연마포의 마모에 맞추어, 드레싱시의 정반 높이를 자동으로 설정한 결과, 연마장치를 정지하고, 드레싱기구의 높이조정이 필요없게 되어, 상기하는 바와 같은 사이클타임의 시간단축과 함께, 실시예 4에서는 비교예 4에 비해, 생산성이 5% 향상되었다.
(비교예 4)
본 발명의 정반 상하동기구를 가지지 않는, 종래의 연마장치를 이용하여, 실제로 300mm의 실리콘 웨이퍼의 연마 및, 연마포의 드레싱을 행하였다.
종래의 연마장치는, 웨이퍼의 픽업과 동시에 선회동작을 할 수가 없으므로, 실시예 3에 비해 평균 3초 사이클타임이 느리다는 결과가 되었다.
또한, 종래의 연마장치에서는, 브러시나 연마포의 마모에 맞추어, 연마장치를 정지하고, 드레싱기구의 높이조정을 할 필요가 있으므로, 실시예 4에 비해 상기 사이클타임이 느려짐과 함께, 생산성이 5% 낮았다.
한편, 본 발명은, 상기 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 상기 실시형태는 예시이며, 본 발명의 특허청구의 범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 가지며, 동일한 작용효과를 나타내는 것은, 어떠한 것이어도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

Claims (11)

  1. 웨이퍼를 유지하기 위한 연마헤드와, 상기 웨이퍼를 연마하기 위한 연마포가 첩부된 복수의 정반과, 상기 웨이퍼를 상기 연마헤드에 장착하거나, 상기 연마헤드로부터 박리하기 위한 로딩/언로딩 스테이지를 구비하고, 상기 연마헤드를 선회이동시킴으로써, 상기 연마헤드로 유지한 상기 웨이퍼의 연마에 이용하는 상기 정반을 전환하면서 상기 웨이퍼를 연마하는 인덱스방식의 연마장치에 있어서,
    상기 연마장치는, 상기 정반을 상하동할 수 있는 정반 상하동기구와 상기 연마헤드를 20mm 이하의 스트로크폭으로 상하동시키는 연마헤드 상하동기구를 가지며, 상기 연마헤드의 선회이동과, 상기 정반과 상기 연마헤드의 상하동을, 병행하여 행할 수 있는 것을 특징으로 하는,
    연마장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연마장치는, 상기 연마헤드가 선회이동하는 궤도와 간섭하지 않는 위치에, 드레싱기구를 마련한 것을 특징으로 하는,
    연마장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 정반 상하동기구는, 상기 드레싱기구로 상기 연마포의 드레싱을 행할 때에, 상기 연마포의 마모에 따라, 상기 정반의 높이를 조절하는 것을 특징으로 하는,
    연마장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 연마장치를 이용한 웨이퍼의 연마방법으로서,
    상기 연마헤드로 유지한 상기 웨이퍼의 연마에 이용하는 상기 정반의 전환을, 이 정반을 하강시켜 상기 연마헤드를 선회이동시킴으로써 행하는 것을 특징으로 하는,
    웨이퍼의 연마방법.
  5. 제2항 또는 제3항에 기재된 연마장치를 이용한 웨이퍼의 연마방법으로서,
    상기 연마헤드로 유지한 상기 웨이퍼의 연마에 이용하는 상기 정반의 전환을, 이 정반을 하강시켜 상기 연마헤드를 선회이동시킴으로써 행하고,
    상기 웨이퍼의 연마종료 후에, 상기 연마포의 마모에 따라, 상기 정반의 높이를 조절하여 상기 연마포의 드레싱을 행하는 공정을 가지는 것을 특징으로 하는,
    웨이퍼의 연마방법.
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