KR102457698B1 - 웨이퍼 연마 장치와 방법 - Google Patents

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Abstract

실시 예에 따른 웨이퍼 연마 장치는 하정반; 상기 하정반 상에 배치되고, 회전하는 상정반; 웨이퍼를 수용하고, 상기 하정반 상에 배치되는 캐리어(carrier); 및 상기 상정반과 함께 회전하며, 상기 캐리어에 수용된 웨이퍼에 광을 조사하고, 상기 웨이퍼에 의하여 반사된 광을 검출하고, 검출된 결과에 따른 검출 데이터를 출력하는 센서부를 포함하며, 상기 센서부는 상기 검출 데이터를 출력하는 두께 측정 센서를 포함하고, 상기 상정반의 상면에는 상기 두께 측정 센서의 하면을 수평상태로 정렬하는 정렬부가 배치된다.

Description

웨이퍼 연마 장치와 방법{WAFER POLISHING APPARATUS AND METHOD}
실시 예는 웨이퍼 연마 장치와 방법에 관한 것이다.
일반적으로 쵸크랄스키법(CZ법)에 의하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키고, 얻어진 실리콘 잉곳을 와이어 쏘우를 이용하여 슬라이싱하여 슬라이싱된 웨이퍼를 제작한 후, 슬라이싱된 웨이퍼에 대하여 래핑(lapping), 에칭(etching), 세정 및 연마(polishing) 공정을 수행하여 실리콘 웨이퍼를 얻을 수 있다.
연마 공정에서는 웨이퍼 연마 장치를 이용하여 슬라이싱된 웨이퍼의 양면을 연마함으로써 평탄화된 실리콘 웨이퍼를 얻을 수 있다.
웨이퍼의 연마 속도는 연마포, 캐리어 등의 가공 치구, 재료의 열화에 의하여 연마 공정을 수행할 때마다 달라질 수 있다. 따라서, 연마 시간을 고정하여 연마를 수행할 경우, 상술한 원인에 의하여 연마 속도가 달라짐에 따른 연마 후의 웨이퍼의 두께가 달라질 수 있다. 연마 중의 웨이퍼의 두께를 측정하면서, 연마의 속도 등을 조절할 필요가 있다.
실시 예는 연마되는 웨이퍼의 두께를 정확하게 측정할 수 있고, 웨이퍼의 연마 품질을 향상시킬 수 있는 웨이퍼 연마 장치 및 웨이퍼 연마 방법을 제공한다.
실시 예에 따른 웨이퍼 연마 장치는 하정반; 상기 하정반 상에 배치되고, 회전하는 상정반; 웨이퍼를 수용하고, 상기 하정반 상에 배치되는 캐리어(carrier); 및 상기 상정반과 함께 회전하며, 상기 캐리어에 수용된 웨이퍼에 광을 조사하고, 상기 웨이퍼에 의하여 반사된 광을 검출하고, 검출된 결과에 따른 검출 데이터를 출력하는 센서부를 포함하며, 상기 센서부는 상기 검출 데이터를 출력하는 두께 측정 센서를 포함하고, 상기 상정반의 상면에는 상기 두께 측정 센서의 하면을 수평상태로 정렬하는 정렬부가 배치된다.
예를 들어, 상기 상정반은 상기 센서부로부터 조사되는 광이 통과하는 하나의 관통 구멍을 구비할 수 있다.
예를 들어, 상기 두께 측정 센서는 광을 조사하는 광학 유닛 및 상기 웨이퍼로부터 반사된 광을 검출하는 광검출기를 포함하며, 상기 정렬부는 상기 두께 측정 센서의 하면 가장자리부와 상기 상정반의 상면과의 거리를 측정하여 상기 두께 측정 센서의 하면을 수평상태로 정렬하여, 광학 유닛으로부터 조사되는 광을 상기 관통 구멍의 중앙에 수직으로 조준시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 검출 데이터에 기초하여, 연마된 웨이퍼의 두께를 산출하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 센서부는, 상기 검출 데이터를 상기 제어부에 전송하는 케이블(cable); 및 상기 케이블과 연결되는 로터리 커넥터(rotary connector)를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 센서부는 상기 상정반의 상부면에 고정될 수 있다.
예를 들어, 상기 센서부가 고정되는 상기 상정반의 상부면의 일 영역의 반대편 영역에 고정되는 하중 보정부를 더 포함하며, 상기 하중 보정부의 무게는 상기 센서부의 무게와 동일할 수 있다.
예를 들어, 상기 상정반 상에 배치되며, 상기 상정반에 슬러리를 공급하며, 상기 상정반과 함께 회전하는 슬러리 공급부를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 관통 구멍의 내벽 상에 배치되고, 상기 관통 구멍의 하단을 덮어 막는 광 투과막을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제어부는, 기설정된 구간마다 취득한 상기 연마된 웨이퍼의 형상 정보와, 웨이퍼 두께 프로파일의 최대값과 최소값의 차, 및 웨이퍼 두께 프로파일의 적분값을 기초하여 상기 웨이퍼에 대한 연마 공정 수행 여부를 결정하는 할 수 있다,
예를 들어, 상기 제어부는, 상기 웨이퍼 두께 프로파일의 최대값과 최소값의 차가 최소가 되고, 웨이퍼 두께 프로일의 적분값이 0인 지점에서 상기 웨이퍼에 대한 연마를 종료할 수 있다.
예를 들어, 상기 제어부는, 상기 캐리어의 중심 이동 궤적의 좌표, 상기 캐리어에 수용된 웨이퍼의 중심 이동 궤적의 좌표, 및 상기 웨이퍼의 중심으로부터 상기 센서부에 의한 웨이퍼의 두께 측정 위치들까지의 거리들에 기초하여, 상기 연마된 웨이퍼의 형상 정보를 획득할 수 있다.
다른 실시 예에 따른 웨이퍼 연마 방법은 하정반, 상정반 및 상기 상정반과 함께 회전하는 센서부를 포함하는 웨이퍼 연마 장치를 이용하여, 상기 하정반 상에 배치되는 적어도 하나의 캐리어에 로딩된 웨이퍼에 대한 양면 연마를 시작함과 동시에 상기 센서부를 이용하여 연마되는 웨이퍼의 두께를 측정하는 단계; 상기 연마되는 웨이퍼의 두께가 기설정된 기준 두께에 도달하였는지 판단하는 단계; 상기 연마되는 웨이퍼의 두께가 상기 기준 두께에 도달한 경우, 기설정된 구간 동안 웨이퍼의 형상 정보를 취득하는 단계; 상기 획득된 웨이퍼의 형상 정보를 이용하여 상기 웨이퍼 두께 프로파일의 최대값과 최소값, 및 적분값을 산출하는 단계; 및 산출된 상기 웨이퍼의 두께 프로파일의 최대값과 최소값, 및 적분값에 기초하여, 상기 웨이퍼 연마의 종료 여부를 결정하는 단계를 포함한다.
예를 들어, 상기 웨이퍼의 형상 정보를 취득하는 단계는, 상기 기설정된 구간 동안 랜덤한 복수의 두께 측정 위치들에서 상기 연마되는 웨이퍼의 두께들을 측정하는 단계; 및 상기 연마되는 웨이퍼의 측정된 두께들에 기초하여, 상기 웨이퍼의 반경 방향으로의 상기 웨이퍼 두께의 최대값과 최소값, 및 상기 웨이퍼의 두께 프로파일을 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 웨이퍼의 형상 정보를 취득하는 단계는, 상기 웨이퍼가 연마되는 동안, 상기 웨이퍼 두께의 최대값과 최소값의 차, 및 상기 웨이퍼 두께의 프로파일 적분값의 이동 평균값을 도출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 웨이퍼 연마의 종료 여부를 결정하는 단계는, 상기 최대값과 최소값의 차이의 이동 평균값이 최소가 되고, 상기 프로파일 적분값의 이동 평균값 중 0이 되는 지점에서 웨이퍼 연마를 종료할 수 있다.
실시 예는 연마되는 웨이퍼의 두께를 정확하게 측정할 수 있어 웨이퍼의 연마 품질을 향상시킬 수 있다.
도 1은 실시 예에 따른 웨이퍼 연마 장치의 단면도를 나타낸다.
도 2는 고정형 두께 측정 센서 및 회전형 두께 측정 센서에 의하여 취득되는 데이터의 양을 나타낸다.
도 3은 실시 예에 따른 관통 구멍이 형성된 상정반의 일부분을 확대한 도면이다.
도 4는 캐리어와 웨이퍼 간의 두께 차이에 의한 갭 및 갭에 따른 웨이퍼 형상의 차이를 나타낸다.
도 5는 실시 예에 따른 웨이퍼 연마 방법을 나타내는 플로차트이다.
도 6은 연마 시간에 따른 웨이퍼 형상의 변화를 나타낸다.
도 7a는 웨이퍼 연마 중의 캐리어의 중심의 이동 궤적을 나타낸다.
도 7b는 도 7a에 도시된 캐리어에 장착된 웨이퍼의 중심의 이동 궤적을 나타낸다.
도 8은 실시 예의 두께 측정 센서를 이용하여 측정되는 웨이퍼의 두께 측정 위치들을 나타낸다.
도 9a와 도 9b는 연마 시간에 따른 웨이퍼 두께 프로파일의 최대값과 최소값, 및 웨이퍼 두께 프로파일 적분값을 나타낸 그래프이다.
이하, 실시 예들은 첨부된 도면 및 실시 예들에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다. 실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on)"에 또는 "하/아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상/위(on)"와 "하/아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한, 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 또한 동일한 참조번호는 도면의 설명을 통하여 동일한 요소를 나타낸다.
도 1은 실시 예에 따른 웨이퍼 연마 장치(100)의 단면도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 웨이퍼 연마 장치(100)는 하정반(110), 제1 연마 패드(112), 하정반 회전부(115), 상정반(120), 제2 연마 패드(122), 선기어(sun gear, 132), 인터널 기어(internal gear, 134), 적어도 하나의 캐리어(carrier, 140), 슬러리 공급부(150), 상정반 회전부(160), 센서부(170), 제어부(180) 및 정렬부(190)를 포함할 수 있다.
하정반(110)은 적어도 하나의 캐리어(140)에 로딩(loading) 또는 수용된 웨이퍼(W)를 지지하고, 중공을 갖는 환형의 원판 형상일 수 있다. 하정반(110)의 상부면에는 웨이퍼를 연마하기 위한 제1 연마 패드(112)가 장착 또는 부착될 수 있다.
하정반 회전부(115)는 하정반(110) 아래에 배치되고, 하정반(110)을 회전시킨다.
하정반 회전부(115)는 하정반(110)을 회전시키는 제1 회전축을 구비할 수 있으며, 제1 회전축은 하정반(110)을 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 회전시킬 수 있다.
예컨대, 구동 모터(미도시)의 회전에 의하여 제1 회전축은 회전할 수 있고, 제1 회전축과 함께 하정반(110)은 시계 반대 방향 또는 시계 방향으로 회전할 수 있다.
상정반(120)은 하부면이 하정반(110)의 상부면과 대향하도록 하정반(110) 상에 배치될 수 있으며, 중공을 갖는 환형의 원판 형상일 수 있다. 상정반(120)의 하부면에는 웨이퍼를 연마하기 위한 제2 연마 패드(122)가 장착 또는 부착될 수 있다.
상정반(120)은 후술하는 센서부(170)로부터 조사되는 광이 통과하는 하나의 관통 구멍(125)을 구비할 수 있다. 예컨대, 관통 구멍(125)은 상정반(120) 및 제2 연마 패드(122)를 관통할 수 있다.
그리고, 후술할 센서부(170)는 검출 데이터를 출력하는 두께 측정 센서(172)를 포함하는데, 상기 상정반(120)의 상면에는 두께 측정 센서(172)의 하면을 수평상태로 정렬하는 정렬부(190)가 배치된다.
도 3은 실시 예에 따른 관통 구멍이 형성된 상정반의 일부분을 확대한 도면이다.
도 3을 참조하면, 상정반(120)의 관통 구멍(125) 내에는 광을 투과시키는 광 투과막(310)이 배치될 수 있다. 그리고, 광 투과막(310)은 관통 구멍(125)의 내벽 상에 배치될 수 있으며, 관통 구멍(125)의 하단을 덮어 막을 수 있다.
예컨대, 광 투과막(310)의 일단은 체결구(312, 314)에 의하여 관통 구멍(125)에 인접하는 상정반(120)의 상부면에 고정될 수 있다. 예컨대, 체결구(312,314)는 나사일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
광 투과막(310)은 양면 테이프 또는 접착제 등을 이용하여 관통 구멍(125)의 내벽 상에 부착될 수 있으며, 광 투과막(310)의 타단은 관통 구멍(125)의 하단을 막을 수 있다. 광 투과막(310)은 투광성 플라스틱, 예컨대, 투명 PVC일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1을 참조하면, 슬러리 공급부(150)는 상정반(120) 상에 배치되며, 상정반(120)에 슬러리를 공급한다. 슬러리 공급부(150)는 상정반(120)의 상부면과 연결될 수 있고, 상정반(120)과 함께 회전할 수 있다. 상정반(120)은 내부에 슬러리 공급부(150)로부터 제공되는 슬러리가 흐르는 슬러리 공급관(미도시)이 구비될 수 있으며, 슬러리 공급관을 통하여 슬러리는 적어도 하나의 캐리어(carrier, 140)에 로딩되는 웨이퍼에 공급될 수 있다.
상정반 회전부(160)는 상정반(120)을 회전시키고, 상정반(120)을 상하 운동시킬 수 있다.
상정반 회전부(160)는 슬러리 공급부(150)와 연결될 수 있고, 상정반(120)을 을 회전시키는 제2 회전축을 구비할 수 있다.
예컨대, 제2 회전축은 슬러리 공급부(150)의 상부면과 연결될 수 있고, 슬러리 공급부(150) 및 상정반(120)을 함께 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 회전시킬 수 있다. 예컨대, 제2 회전축은 구동 모터(미도시)에 연결될 수 있고, 구동 모터의 회전에 의하여 제2 회전축은 회전할 수 있고, 제2 회전축과 함께 상정반(120)은 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 회전할 수 있다.
상정반 회전부(160)는 상정반(120)을 상하 이동시킴으로써 적어도 하나의 캐리어(140)에 로딩된 웨이퍼(W)에 가해지는 상정반(110)의 하중을 조절할 수 있다.
예컨대, 제2 회전축은 공압 또는 유압 실린더(cylinder, 미도시)와 연결될 수 있고, 공압 또는 유압 실린더에 의하여 적어도 하나의 캐리어(140)에 로딩된 웨이퍼(W)에 가해지는 상정반(120)의 하중이 조절될 수 있다.
선 기어(132)는 하정반(110)의 중공 내에 배치될 수 있고, 다수의 제1 핀들을 구비하는 핀 기어 (pin gear)형태일 수 있다.
인터널 기어(134)는 하정반(110)의 가장자리 둘레에 위치할 수 있다. 예컨대, 인터널 기어(134)는 내주면이 하정반(110)의 가장자리 외주면을 감싸는 환형의 원판 형상일 수 있다. 인터널 기어(134)는 다수의 제2 핀들을 포함하는 핀 기어 형태일 수 있다.
적어도 하나의 캐리어(140)는 하정반(110)의 상부면 상에 배치되고, 연마할 웨이퍼(W)를 수용 또는 로딩(loading)할 수 있다. 예컨대, 적어도 하나의 캐리어(140)는 하정반(110) 상의 제1 연마 패드(112)와 상정반(120) 상의 제2 연마 패드(122) 사이에 배치될 수 있다.
적어도 하나의 캐리어(140)는 웨이퍼(W)를 수용하는 웨이퍼 장착 홀(미도시) 및 웨이퍼 장착 홀과 이격하고 슬러리가 통과하는 적어도 하나의 슬러리 홀이 마련되는 캐리어 몸체, 및 캐리어 몸체의 외주면에 마련되는 기어를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 캐리어(140)는 에폭시 글래스(epoxy glass), SUS, 우레탄, 세라믹, 또는 폴리머 재질일 수 있다.
캐리어 몸체는 원반형일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 캐리어(140의 가장자리의 외주면에 형성되는 기어는 선 기어(132)의 제1 핀들 및 인터널 기어(134)의 제2 핀들과 서로 맞물릴 수 있다. 적어도 하나의 캐리어(140)는 선 기어(132) 및 인터널 기어(134)와 맞물려 연마 공정시 회전 운동을 할 수 있다.
센서부(170)는 슬러리 공급부(150)에 고정되고, 슬러리 공급부(150) 및 상정반(120)과 함께 회전하며, 상정반(120)의 관통 구멍(125)을 통하여 적어도 하나의 캐리어(140)에 수용된 웨이퍼(W)에 광을 조사하고, 웨이퍼(W)에 의하여 반사된 광을 검출하며, 검출된 결과에 따른 검출 데이터(WD)를 출력한다.
예컨대, 센서부(170)로부터 조사되는 광은 레이저(laser)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
센서부(170)는 두께 측정 센서(172), 케이블(174), 로터리 커넥터(rotary connector, 176)를 포함한다.
두께 측정 센서(172)는 슬러리 공급부(150) 및 상정반(120)과 함께 회전하며, 관통 구멍(125)을 통하여 웨이퍼(W)에 광을 조사하고, 웨이퍼(W)에 의하여 반사된 광을 검출할 수 있으며, 검출된 결과에 따른 검출 데이터(DW)를 출력할 수 있다.
예컨대, 두께 측정 센서(172)는 광(예컨대, 레이저)을 조사하는 광학 유닛, 및 웨이퍼(W)로부터 반사된 레이저를 검출하는 광검출기(photodetector)를 포함할 수 있다.
도 1과 도 3을 참고하면, 정렬부(190)는 상정반(120)의 상면에 형성된 관통 구멍(125)의 주변에 배치될 수 있는데, 두께 측정 센서(172)의 하면과 대향하도록 배치될 수 있다.
두께 측정 센서(172)의 중앙은 관통 구멍(125)의 중앙에 정렬될 수 있는데, 정렬부(190)는 두께 측정 센서(172)의 하면 가장자리부와 상정반(120)의 상면과의 거리를 측정하여 두께 측정 센서(172)의 하면을 수평상태로 정렬하여, 광학 유닛으로부터 조사되는 광을 상기 관통 구멍의 중앙에 수직으로 조준시킬 수 있다.
정확한 두께 측정을 위하여 광학 유닛으로부터 조사되는 광(예컨대, 레이저)은 관통 구멍(125)의 중앙에 정렬되도록 조준될 수 있다.
광학 유닛에서 조사되는 광이 관통 구멍(125)을 통해 수직으로 조준되어 캐리어(140)에 안착된 웨이퍼의 표면을 조준하여야 하기 때문에 관통 구멍(125)으로 광이 수직으로 조준되도록 정렬부(190)를 통해 두께 측정 센서(172)의 하면이 수평상태를 유지할 수 있다.
정렬부(190)는 상정반(120)의 상면과 두께 측정 센서(172)의 하면 가장자리부 사이의 거리를 측정하기 위해 상정반(120)의 관통 구멍(125) 둘레에 복수 개의 거리 측정 센서가 배치될 수 있다.
각 거리 측정 센서에서 측정된 거리는 제1 제어부(미도시)에 전달되어 각 거리 측정 센서에서 측정된 거리를 비교하여 두께 측정 센서(172)를 정렬해 줄 수 있다.
예를 들어, 정렬부(190)는 후술할 하중 보정부(155)의 위치를 변경하여 두께 측정 센서(172)의 중심을 이동시켜 두께 측정 센서(172)의 하면이 수평을 이루도록 두꼐 측정 센서(172)를 정렬해 줄 수 있다.
두께 측정 센서(172)는 웨이퍼(W)의 표면에서 반사되는 광과 웨이퍼(W)를 투과하여 반사되는 광을 검출할 수 있으며, 검출된 결과에 따른 웨이퍼의 두께에 관한 검출 데이터(WD)를 출력할 수 있다.
케이블(174)은 로터리 커넥터(176)를 통하여 두께 측정 센서(172)와 제어부(180)를 연결하며, 두께 측정 센서(172)의 광검출기에 의하여 검출된 웨이퍼의 두께에 관한 검출 데이터(WD)는 케이블(174)을 통하여 제어부(180)로 전송된다.
로터리 커넥터(176)는 케이블(174)과 연결되며, 두께 측정 센서(172)가 회전할 때, 케이블(174)이 꼬이지 않도록 하는 역할을 할 수 있다. 로터리 커넥터(176)는 베어링 구조로 구현될 수 있으며, 케이블(174)이 상정반(120)과 함께 회전하도록 함으로써 케이블(174)과 두께 측정 센서(172) 간에 간섭이 발생하지 않도록 하는 역할을 할 수 있다.
도 2는 고정형 두께 측정 센서 및 회전형 두께 측정 센서에 의하여 취득되는 데이터의 양을 나타낸다.
고정형 두께 측정 센서는 상정반의 회전과 상관없이 고정 배치되며, 상정반에는 복수의 관통 홀들이 형성된다. 연마시 상정반이 회전할 때, 고정형 두께 센서는 회전하는 상정반에 형성되는 복수의 관통 홀들을 통하여 레이저의 조사 및 반사되는 빛을 검출할 수 있다.
도 2를 참조하면, 고정형 두께 측정 센서의 경우 검출 데이터가 취득될 수 있는 위치들(P1 내지 P5)은 상정반에 이격하여 형성되는 관통 구멍들에 대응할 수 있다.
반면에, 실시 예와 같이, 상정반(120)과 함께 회전하는 회전형 두께 측정 센서(172)는 하나의 관통 홀(125)을 통하여 거의 연속적인 검출 데이터의 취득이 가능할 수 있다.
제어부(180)는 케이블(174)을 통하여 전송되는 웨이퍼의 두께에 관한 검출 데이터(WD)에 기초하여 웨이퍼의 두께를 산출한다.
예컨대, 제어부(180)는 웨이퍼(W)의 표면에서 반사되는 광과 웨이퍼(W)를 투과하여 반사되는 광의 위상차를 이용하여 웨이퍼(W)의 두께를 측정할 수 있다.
두께 측정 센서(172)는 상정반(120)과 동시에 회전하기 때문에, 하나의 관통 구멍(125)을 통하여 웨이퍼의 두께에 관한 연속적인 검출 데이터를 얻을 수 있고, 이로 인하여 실시 예는 정확한 웨이퍼의 두께 측정이 가능하다.
하중 보정부(155)는 두께 측정 센서(172)가 고정되는 슬러리 공급부(150)의 일 영역의 반대편 영역에 고정될 수 있다. 하중 보정부(155)의 무게는 두께 측정 센서(172)의 무게와 동일할 수 있다.
하중 보정부(155)는 두께 측정 센서(172)에 의하여 상정반(120)의 하중이 어느 한쪽으로 치우치는 것을 방지할 수 있다.
실시 예에 따른 웨이퍼 연마 장치(100)는 상정반(120)과 함께 회전하는 회전형 두께 측정 센서(172)를 구비하고, 회전형 두께 측정 센서(172)에 의하여 하나의 관통 홀(125)을 통하여 연속적인 검출 데이터의 취득이 가능하기 때문에, 연마 과정 중에 연마되는 웨이퍼의 두께를 정확하게 측정할 수 있다.
제어부(180)는 실시 예에 따른 웨이퍼 연마 장치(100)의 센서부(170)로부터 제공되는 웨이퍼의 두께에 관한 검출 데이터를 이용하여 양면 연마 과정 중에 정확한 두께 측정이 가능하며, 이를 이용하여 연마 과정의 다양한 GBIR 산포 요인의 영향을 덜 받을 수 있도록 웨이퍼를 연마할 수 있다.
먼저 연마 과정에서 웨이퍼의 형상에 영향을 주는 요인들에 대하여 설명한다.
양면 연마 과정에서 연마되는 웨이퍼의 형상은 캐리어 및 웨이퍼 간의 두께 차이에 의한 갭(gap)에 의하여 영향을 받을 수 있다.
도 4는 캐리어와 웨이퍼 간의 두께 차이에 의한 갭(Gap) 및 갭(Gap)에 따른 웨이퍼 형상의 차이를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 캐리어 및 웨이퍼 간의 두께 차이에 의한 갭(Gap)이 클수록 웨이퍼의 형상은 볼록한 형상일 수 있다. 반면에, 캐리어 및 웨이퍼 간의 두께 차이에 의한 갭(Gap)이 작을수록 웨이퍼의 형상은 오목한 형상으로 변화할 수 있다.
예컨대, 갭(Gap)이 6mm 이상일 경우에는 연마된 웨이퍼의 형상은 볼록한 형상일 수 있고, 갭(Gap)이 6mm 미만일 경우에는 연마된 웨이퍼의 형상은 적어도 일부가 오목한 형상을 가질 수 있다.
또한, 연마가 진행되면서 캐리어의 마모, 연마 패드 표면의 변화, 슬러리의 물성 변화 등 여러 가지 요인들 또한 연마되는 웨이퍼의 형상에 영향을 줄 수 있다. 상술한 요인들에 의하여 GBIR의 산포는 크게 나타날 수 있다.
상술한 요인들에 의하여 연마되는 웨이퍼의 형상이 영향을 받더라도 연마되는 웨이퍼의 두께에 따른 GBIR을 측정하고, 측정되는 결과에 기초하여 최적의 GBIR을 갖는 연마된 웨이퍼의 두께를 얻을 수 있다.
연마가 진행되면서 연마되는 웨이퍼의 형상에 영향을 주는 요인들에 의한 GBIR의 산포를 줄이기 위해서는 웨이퍼의 최적 연마 두께를 상황에 맞추어 바꾸어 주어야 한다.
실시 예에 따른 양면 연마 방법은 정밀한 연마 두께 조절이 가능한 도 1에 도시된 웨이퍼 연마 장치(100)를 이용하여, 연마 과정에서의 웨이퍼의 형상 변화를 모니터링하고, 공정 관리 범위 내에서 가장 낮은 GBIR 품질을 가지는 연마된 웨이퍼의 두께에서 양면 연마를 종료한다.
제어부(180)는 기설정된 구간마다 취득한 상기 연마된 웨이퍼의 형상 정보와, 웨이퍼 두께 프로파일의 최대값과 최소값의 차, 및 웨이퍼 두께 프로파일의 적분값을 기초하여 상기 웨이퍼에 대한 연마 공정 수행 여부를 결정할 수 있다.
그리고, 제어부(180)는 웨이퍼 두께 프로파일의 최대값과 최소값의 차가 최소가 되고, 웨이퍼 두께 프로일의 적분값이 0인 지점에서 상기 웨이퍼에 대한 연마를 종료할 수 있다.
또한, 제어부(180)는 캐리어의 중심 이동 궤적의 좌표, 캐리어에 수용된 웨이퍼의 중심 이동 궤적의 좌표, 및 웨이퍼의 중심으로부터 센서부에 의한 웨이퍼의 두께 측정 위치들까지의 거리들에 기초하여, 연마된 웨이퍼의 형상 정보를 획득할 수 있다.
도 5는 실시 예에 따른 양면 연마 방법을 나타내는 플로차트이고, 도 6은 연마 시간에 따른 웨이퍼 형상의 변화를 나타낸다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 웨이퍼 연마 장치(100)의 두께 측정 센서(170)를 통하여 제공되는 검출 데이터에 기초하여, 제어부(180)는 하정반(110) 상에 배치되는 적어도 하나의 캐리어(140)에 로딩된 웨이퍼(W)에 대한 양면 연마를 시작함과 동시에 연마되는 웨이퍼의 두께를 측정한다(S110). 예컨대, S110 단계에서 측정되는 웨이퍼의 두께는 웨이퍼의 평균 두께일 수 있다.
도 6에 따르면, 웨이퍼의 두께가 연마 시간에 따라 감소하는데, 직경이 300㎜인 웨이퍼의 경우, 웨이퍼의 연마의 초기에는 웨이퍼의 중앙이 상방으로 볼록한 형상이고, 웨이퍼의 평균 두께가 773㎛일 때 웨이퍼의 형상이 가장 플랫(Flat)하며, 웨이퍼의 평균 두께가 773㎛ 이하가 되면 웨이퍼의 중앙이 오목한 형상임을 알 수 있다.
실시 예에 따른 웨이퍼 연마 장치(100)의 두께 측정 센서(172)를 이용하여, 기설정된 구간 동안 웨이퍼의 두께들을 측정하고, 측정한 결과에 따라 반경 방향으로의 웨이퍼의 두께 프로파일을 획득할 수 있다.
예컨대, 제어부(180)는 캐리어(140)의 중심 이동 궤적의 좌표, 캐리어(140)에 수용된 웨이퍼(W)의 중심 이동 궤적의 좌표, 및 웨이퍼(W)의 중심으로부터 두께 측정 센서(172)에 의한 웨이퍼의 두께 측정 위치들까지의 거리들(예컨대, R1, R2)에 기초하여, 연마된 웨이퍼의 형상 정보를 획득할 수 있다.
선기어(132) 및 인터널 기어(134)에 의하여 캐리어(140)의 중심 이동 궤적을 제어할 수 있고, 캐리어(140)의 중심 이동 궤적을 제어함으로써 연마되는 웨이퍼의 중심의 이동 궤적을 제어할 수 있고, 연마되는 웨이퍼의 중심의 이동 궤적을 추정 또는 산출할 수 있다.
선기어(132) 및 인터널 기어(134)에 의한 캐리어(140)의 중심 이동 궤적의 제어를 통하여, 캐리어(140)에 장착된 웨이퍼(W)의 중심의 이동 궤적을 추정할 수 있다.
도 7a는 양면 연마 중의 캐리어의 중심(902)의 이동 궤적을 나타낸다.
캐리어 및 웨이퍼의 이동 궤적의 좌표는 XY 좌표계일 수 있고, 캐리어 및 웨이퍼의 이동 궤적의 XY 좌표계의 원점(901)은 캐리어 드라이브 중앙, 예컨대, 선기어(132)에 대응하는 좌표(X0, Y0)일 수 있다.
도 7a를 참조하면, 캐리어의 중심(902)의 이동 궤적(Xc, Yc)은 하기 수학식 1 내지 3에 의하여 산출될 수 있다.
Figure 112016000847796-pat00001
Figure 112016000847796-pat00002
Figure 112016000847796-pat00003
Vc는 캐리어의 회전 속도(예컨대, RPM)일 수 있으며, t는 시간(예컨대, second)일 수 있고, Rc는 원점(901)에서 캐리어의 중심(902)까지의 거리일 수 있다.
도 7b는 도 7a에 도시된 캐리어에 장착된 웨이퍼의 중심(903)의 이동 궤적을 나타낸다.
도 7b를 참조하면, 웨이퍼의 중심(903)의 이동 궤적(Xw, Yw)은 수학식 4 내지 6에 의하여 산출될 수 있다.
Figure 112016000847796-pat00004
Figure 112016000847796-pat00005
Figure 112016000847796-pat00006
Rw는 캐리어의 중심(902)에서 웨이퍼의 중심(903)까지의 거리일 수 있다. Vc 및 t는 도 7a에서 설명한 바와 동일할 수 있다.
도 8은 실시 예의 두께 측정 센서(172)를 이용하여 측정되는 웨이퍼의 두께 측정 위치들(904-1, 904-2)을 나타낸다. 도 8에서는 2개의 두께 측정 위치들(904-1, 904-2)만 도시하였지만, 실질적으로 두께 측정 센서(172)는 기설정된 구간 동안 랜덤한 복수 개의 두께 측정 위치들에서 웨이퍼의 두께들을 측정할 수 있다.
여기서, 두께 측정 위치는 관통 구멍(125)을 통하여 두께가 측정되는 웨이퍼의 일 영역의 위치일 수 있다.
도 8을 참조하면, 캐리어의 중심 이동 궤적의 좌표(Xc,Yc), 및 웨이퍼의 중심(903)의 이동 궤적의 좌표(Xw,Yw)를 이용하여, 웨이퍼의 중심(903)으로부터 웨이퍼의 두께 측정 위치들(904-1, 904-2)까지의 거리들(R1,R2)을 산출할 수 있다.
예컨대, 캐리어의 중심 이동 궤적의 좌표(Xc,Yc)를 이용하여, 웨이퍼의 중심 이동 궤적의 좌표(Xw,Yw)를 구할 수 있고, 웨이퍼의 중심 이동 궤적의 좌표(Xw,Yw) 및 두께 측정 위치들(904-1, 904-2)의 좌표((X1, Y1), (X2,Y2))를 이용하여, 웨이퍼의 중심(903)으로부터 두께 측정 위치들(904-1, 904-2)까지의 거리들(R1,R2)을 산출할 수 있다.
두께 측정 센서(172)에 의하여 랜덤(random)하게 웨이퍼의 두께가 측정되지만, 웨이퍼의 중심(903)으로부터 웨이퍼의 두께 측정 위치들(904-1,904-2)까지의 거리들(예컨대, R1, R2)을 산출할 수 있기 때문에, 웨이퍼의 반경 방향으로의 웨이퍼의 두께 프로파일을 얻을 수 있고, 이로 인하여 웨이퍼의 형상 정보를 획득할 수 있다. 예컨대, 웨이퍼의 반경 방향은 웨이퍼의 중심에서 웨이퍼의 에지로 향하는 방향일 수 있다.
연마되는 웨이퍼의 두께가 기설정된 기준 두께에 도달하였는지 판단하는 단계(S120)에서 기설정된 기준 두께는 연마 공정 관리 기준의 최대 두께일 수 있고, 예를 들어, 780㎛ 내지 800㎛ 일 수 있다.
연마된 웨이퍼의 두께가 기준 두께에 도달한 시점부터 매 기설정된 구간 동안 웨이퍼의 형상 정보를 취득할 수 있고, 여기서, 기설정된 구간은 15초 내지 60초 동안일 수 있다.
연마되는 웨이퍼의 두께가 기준 두께에 도달한 경우, 기설정된 구간 동안 웨이퍼의 형상 정보를 취득하는 단계(S130)는 기설정된 구간 동안 랜덤한 복수의 두께 측정 위치들에서 상기 연마되는 웨이퍼의 두께들을 측정하는 단계와, 연마되는 웨이퍼의 측정된 두께들에 기초하여, 상기 웨이퍼의 반경 방향으로의 상기 웨이퍼 두께의 최대값과 최소값, 및 상기 웨이퍼의 두께 프로파일을 획득하는 단계(S140)를 포함할 수 있다.
도 9a와 도 9b는 연마 시간에 따른 웨이퍼 두께 프로파일의 최대값과 최소값, 및 웨이퍼 두께 프로파일 적분값을 나타낸 그래프이다.
도 9a의 그래프에서 상방에 위치한 곡선이 연마 가공 시간에 따른 웨이퍼 두께 프로파일의 최대값과 최소값의 차를 나타내고, 하방에 위치한 곡선이 연마 가공 시간에 따른 웨이퍼 두께 프로파일의 적분값을 나타낸 것이다. 각 곡선 상에는 그래프 상에 도시된 A와 같이 오차에 의한 노이즈 데이터들이 발생한다.
이러한 노이즈를 제거해 주기 위해, 웨이퍼의 형상 정보를 취득하는 단계(S130)는, 웨이퍼가 연마되는 동안, 웨이퍼 두께의 최대값과 최소값의 차, 및 웨이퍼 두께의 프로파일 적분값의 이동 평균값을 도출하는 단계(S150)를 더 포함할 수 있다.
웨이퍼 두께의 최대값과 최소값의 차, 및 웨이퍼 두께의 프로파일 적분값의 이동 평균값을 도출하는 단계(S150)로부터 도 9b와 같이 노이즈가 제거된 웨이퍼 두께 프로파일의 최대값과 최소값, 및 웨이퍼 두께 프로파일 적분값을 도출할 수 있다.
웨이퍼 연마의 종료 여부를 결정하는 단계(S160)에서, 최대값과 최소값의 차이의 이동 평균값이 최소가 되고, 프로파일 적분값의 이동 평균값 중 0이 되는 지점에서 웨이퍼 연마를 종료(S170)할 수 있다.
GBIR(Global Backside reference Indicate Reading)은 웨이퍼의 전체적인 평탄도를 나타내는데, 실시 예에 따른 양면 연마 방법은 정밀한 두께 측정이 가능한 두께 측정 센서를 이용하여, 매 기설정된 구간마다 웨이퍼의 형상 정보를 획득하고, 획득된 형상 정보에 기초하여 가장 낮은 GBIR을 갖는 웨이퍼의 연마 두께를 획득할 수 있으며, 이로 인하여 웨이퍼의 연마 품질을 향상시킬 수 있다.
이상에서 실시 예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시 예에 포함되며, 반드시 하나의 실시 예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시 예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시 예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시 예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 하정반 112: 제1 연마 패드
115: 하정반 회전부 120: 상정반
122: 제2 연마 패드 132: 선기어
134: 인터널 기어 140: 캐리어
150: 슬러리 공급부 160: 상정반 회전부
170: 센서부 180: 제어부

Claims (16)

  1. 하정반;
    상기 하정반 상에 배치되고, 회전하는 상정반;
    웨이퍼를 수용하고, 상기 하정반 상에 배치되는 캐리어(carrier); 및
    상기 상정반과 함께 회전하며, 상기 캐리어에 수용된 웨이퍼에 광을 조사하고, 상기 웨이퍼에 의하여 반사된 광을 검출하고, 검출된 결과에 따른 검출 데이터를 출력하는 센서부를 포함하며,
    상기 센서부는 상기 검출 데이터를 출력하는 두께 측정 센서를 포함하고, 상기 상정반의 상면에는 상기 두께 측정 센서의 하면을 수평상태로 정렬하는 정렬부가 배치되고,
    상기 검출 데이터에 기초하여, 연마된 웨이퍼의 두께를 산출하는 제어부를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    기설정된 구간마다 취득한 상기 연마된 웨이퍼의 형상 정보와, 웨이퍼 두께 프로파일의 최대값과 최소값의 차, 및 웨이퍼 두께 프로파일의 적분값을 기초하여 상기 웨이퍼에 대한 연마 공정 수행 여부를 결정하는 웨이퍼 연마 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상정반은 상기 센서부로부터 조사되는 광이 통과하는 하나의 관통 구멍을 구비하는 웨이퍼 연마 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 두께 측정 센서는 광을 조사하는 광학 유닛 및 상기 웨이퍼로부터 반사된 광을 검출하는 광검출기를 포함하며,
    상기 정렬부는 상기 두께 측정 센서의 하면 가장자리부와 상기 상정반의 상면과의 거리를 측정하여 상기 두께 측정 센서의 하면을 수평상태로 정렬하여, 광학 유닛으로부터 조사되는 광을 상기 관통 구멍의 중앙에 수직으로 조준시키는 웨이퍼 연마 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 센서부는,
    상기 검출 데이터를 상기 제어부에 전송하는 케이블(cable); 및
    상기 케이블과 연결되는 로터리 커넥터(rotary connector)를 더 포함하는 웨이퍼 연마 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 센서부는 상기 상정반의 상부면에 고정되는 웨이퍼 연마 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 센서부가 고정되는 상기 상정반의 상부면의 일 영역의 반대편 영역에 고정되는 하중 보정부를 더 포함하며, 상기 하중 보정부의 무게는 상기 센서부의 무게와 동일한 웨이퍼 연마 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 상정반 상에 배치되며, 상기 상정반에 슬러리를 공급하며, 상기 상정반과 함께 회전하는 슬러리 공급부를 더 포함하는 웨이퍼 연마 장치.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 관통 구멍의 내벽 상에 배치되고, 상기 관통 구멍의 하단을 덮어 막는 광 투과막을 더 포함하는 웨이퍼 연마 장치.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 웨이퍼 두께 프로파일의 최대값과 최소값의 차가 최소가 되고, 웨이퍼 두께 프로일의 적분값이 0인 지점에서 상기 웨이퍼에 대한 연마를 종료하는 웨이퍼 연마 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 캐리어의 중심 이동 궤적의 좌표, 상기 캐리어에 수용된 웨이퍼의 중심 이동 궤적의 좌표, 및 상기 웨이퍼의 중심으로부터 상기 센서부에 의한 웨이퍼의 두께 측정 위치들까지의 거리들에 기초하여, 상기 연마된 웨이퍼의 형상 정보를 획득하는 웨이퍼 연마 장치.
  13. 하정반, 상정반 및 상기 상정반과 함께 회전하는 센서부를 포함하는 웨이퍼 연마 장치를 이용하여, 상기 하정반 상에 배치되는 적어도 하나의 캐리어에 로딩된 웨이퍼에 대한 양면 연마를 시작함과 동시에 상기 센서부를 이용하여 연마되는 웨이퍼의 두께를 측정하는 단계;
    상기 연마되는 웨이퍼의 두께가 기설정된 기준 두께에 도달하였는지 판단하는 단계;
    상기 연마되는 웨이퍼의 두께가 상기 기준 두께에 도달한 경우, 기설정된 구간 동안 웨이퍼의 형상 정보를 취득하는 단계;
    상기 획득된 웨이퍼의 형상 정보를 이용하여 상기 웨이퍼 두께 프로파일의 최대값과 최소값, 및 적분값을 산출하는 단계; 및
    산출된 상기 웨이퍼의 두께 프로파일의 최대값과 최소값, 및 적분값에 기초하여, 상기 웨이퍼 연마의 종료 여부를 결정하는 단계를 포함하는 웨이퍼 연마 방법.
  14. 제13 항에 있어서, 상기 웨이퍼의 형상 정보를 취득하는 단계는,
    상기 기설정된 구간 동안 랜덤한 복수의 두께 측정 위치들에서 상기 연마되는 웨이퍼의 두께들을 측정하는 단계; 및
    상기 연마되는 웨이퍼의 측정된 두께들에 기초하여, 상기 웨이퍼의 반경 방향으로의 상기 웨이퍼 두께의 최대값과 최소값, 및 상기 웨이퍼의 두께 프로파일을 획득하는 단계를 포함하는 웨이퍼 연마 방법.
  15. 제13 항에 있어서, 상기 웨이퍼의 형상 정보를 취득하는 단계는,
    상기 웨이퍼가 연마되는 동안, 상기 웨이퍼 두께의 최대값과 최소값의 차, 및 상기 웨이퍼 두께의 프로파일 적분값의 이동 평균값을 도출하는 단계를 더 포함하는 웨이퍼 연마 방법.
  16. 제13 항에 있어서, 웨이퍼 연마의 종료 여부를 결정하는 단계는,
    상기 최대값과 최소값의 차이의 이동 평균값이 최소가 되고, 상기 프로파일 적분값의 이동 평균값 중 0이 되는 지점에서 웨이퍼 연마를 종료하는 웨이퍼 연마 방법.
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