KR20000073538A - 웨이퍼 후면 제거방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소자 형성과정을 마친 웨이퍼의 후면 일정 두께를 제거방법에 관한 것으로, 거친 휠을 이용하여 기계적으로 후면 대부분을 제거하는 그라인딩 단계와 습식 식각 단계를 순차적으로 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

따라서, 짧은 시간내에 공정을 이루면서도 종래 효과를 모두 거둘 수 있고, 종래 정밀 그라인딩 단계에서 얇아진 웨이퍼가 파손되거나 크랙이 발생하는 문제 및 열 스트레스에 의해 웨이퍼가 크게 휘어져 파손되는 문제를 제거할 수 있게 된다.

Description

웨이퍼 후면 제거방법 {Methods of removing some part of wafer backside}

본 발명은 웨이퍼의 전면 가공이 끝나고 칩에 반도체장치가 형성된 상태에서 칩의 두께를 줄이기 위해 웨이퍼 뒷면 상당부분을 기계적 화학적인 방법을 통해 제거하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 웨이퍼 후면을 그라인딩과 에칭을 통해 제거하는 방법에 관한 것이다.

반도체장치는 고도의 정밀성을 가지고 다수의 비선형 소자를 웨이퍼 기판의 좁은 면적에 형성함으로써 이루어진다. 이들 소자들이 기판상에 형성되면 웨이퍼의 뒷면을 상당부분 제거하게 된다. 웨이퍼 전면에 도체, 반도체, 절연막을 형성하고 패터닝하여 소자를 형성하는 공정에서는 웨이퍼는 자체로써 작업대가 되며 다수의 공정이 이루어지는 설비들을 옮겨다니게 된다. 따라서 이들 공정에서 가해지는 기계적인 충격 기타 외력에 견디기 위해 그리고 안정된 작업대로서의 역할을 하기 위해 어느 정도의 강도를 갖추어야 하며, 기계적인 강도는 웨이퍼의 두께와 비례하는 면이 있다.

특히 반도체장치의 제조상 효율성을 높이기 위해 웨이퍼 대구경화가 진행되면서 웨이퍼 자체의 중량을 지탱하기 위해서도 웨이퍼의 두께는 두꺼워져야 한다. 그러나, 웨이퍼를 가공하여 반도체 소자를 형성하는 공정이 완료되면 웨이퍼는 실질적으로 반도체장치의 개개를 형성하는 칩으로 분리되어 패키징 작업을 겪게 된다. 따라서 이 시점부터는 기판이 두꺼울 필요가 없게 되는 것이다.

그러므로 반도체장치의 소자 형성 가공이 완료되면 웨이퍼의 필요없는 뒷면 상당부분을 제거하게 된다. 이 제거과정을 통해 일반적으로 웨이퍼는 700um 이상의 두께에서 200um 정도의 두께로 변하게 된다. 뒷면을 제거하는 공정은 반도체장치가 형성된 앞면이 보호되는 상태에서 이루어져야 하며, 주로 기계적인 방법인 그라인딩(grinding)을 통해 이루어진다.

그라인딩 방법은 종래에는 두 단계로 이루어진다. 첫 단계에서는 다소 거친 표면을 가지는 휠을 사용하여 목표치에서 20um 정도 모자란 양을 제거하고 두번째 단계로는 보다 치밀한 표면을 가진 휠을 사용하여 모자란 20um를 갈아내는 것이다.

이하, 그라인더에서 각각의 휠이 부착된 스핀들이 동작하는 과정을 좀 더 살펴본다. 스핀들이 부착된 그라인더의 아암은 일종의 척으로서 회전이 가능하며 또한 상하운동이 가능하다. 아암은 일반적인 움직임에서는 가장 높은 상태인 제로 포인트에서 고속의 회전을 시작한다. 그리고 웨이퍼와 일정 간격이 될 때 까지는 빠르게 내려온다. 다음으로 웨이퍼와 일정 간격이 되면 서서히 내려오게 된다. 내려오는 상태에서 웨이퍼 후면과 만나게 되면 그라인딩이 시작된다. 한 종류의 휠이 웨이퍼를 그라인딩하는 것도 2내지 3단계로 두께를 조절하면서 이루어진다. 일정 두께가 그라인딩으로 제거되면 아암은 상승하고 다시 제로 포인트까지 올라가게 된다.

공정중에 웨이퍼는 척에 고정되어 있다. 포러스를 통해 진공이 웨이퍼 전면에 작용하여 그라인딩이 이루어지는 가운데 웨이퍼가 정위치를 이탈하지 않도록 하는 역할을 한다. 고속의 그라인딩에 의해 표면은 많은 열이 발생하므로 주변의 노즐을 통해 표면에 DI Water를 냉각수로 분사하게 된다. DI water는 냉각수의 역할 뿐 아니라 그라인딩에서 발생된 실리콘 미립자를 제거 세정하는 역할도 한다.

도1은 그라인딩이 이루어지는 상태에서의 웨이퍼와 그라인더를 개략적으로 나타낸 측단면도이다. 그라인더에서 실제로 그라인딩에 관련되는 부분은 그라인더의 모터축에 연결되어 회전하는 스핀들(11;spindle)과 스핀들에 부착되어 웨이퍼(10)와 닿게 되는 휠(12;wheel)이다. 휠(12)은 동심원을 형성하는 몇 개의 볼록한 부분이며 측면에서 보면 도1에서 나타나듯이 4각의 톱니와 같이 보인다. 웨이퍼(10)는 반도체장치가 형성되어 있는 전면에 보호용 감광 태이프가 부착되어 있다. 이런 상태에서 전면이 아래를 향하도록 하여 전면쪽을 척으로 잡아준다. 척의 작용부는 다공성 재질의 포러스(18;Porous)와 포러스(18)를 담고있는 세라믹(16) 원통으로 형성되어 있다. 아래쪽으로는 포러스(18)는 진공라인과 연결되어 포러스(18)에 닿는 웨이퍼(10)를 진공으로 척킹하게 된다. 세라믹(16)은 포러스(18)를 담는 통이며 진공이 외부로 누출되지 않게 하는 역할을 한다.

공정중에 스핀들(11)과 부착된 휠(12)은 고속으로 회전하면서 웨이퍼(10)의 중심이하 하반부를 그라인딩하는데 웨이퍼 역시 척에 의해 저속으로 회전하므로 웨이퍼 전면을 그라인딩하게 된다.

기계적 제거방법은 수분 내에 웨이퍼 1매를 처리할 수 있으므로 생산성이 높고 비교적 안정된 품질의 공정을 확보할 수 있다. 그러나 웨이퍼 두께가 얇아진 상태에서 다량의 열이 작용하여 열변형으로 웨이퍼가 크게 휘어지는 바우(bow-warp)현상이 발생하므로 주의의 대상이 된다. 바우현상은 웨이퍼 두께가 얇아질수록 변형이 크고, 냉각 후에도 복원되지 않으므로 문제가 심각하다. 후술하는 쏘마크(sawmark)도 문제가 된다.

첫 단계에서 거친 그라인딩에 사용하는 휠은 다이아몬드 미립자와 결합제인 레진으로 이루어진다. 다만 입자크기가 다소 커서 350mesh의 입자정도를 가지며 휠의 수명은 웨이퍼 2만매 가공 정도이다. 휠은 공정중에 표면 입자가 자연스럽게 떨어져 나가고 새롭게 노출된 부분의 입자가 그라인딩을 담당하게 된다. 이러한 입자의 탈락이 부분적으로 잘 이루어지지 않으면 하나의 입자가 돌출되어 깊은 스크래치를 남기게 된다. 이러한 스크래치를 포함하여 웨이퍼 후면에는 휠이 그라인딩한 흔적인 쏘마크가 남게된다. 이 쏘마크는 비교적 날카롭게 표면굴곡을 주게 되며 외부의 충격에서 파손이 시작되는 결을 이룰 수 있다. 따라서 다듬어지지 않으면 차후 칩의 강도에 영향을 준다.

두번째 단계에서 휠은 첫번째 단계에서 사용하는 휠과 마찬가지로 다이아몬드 미립자와 결합제인 레진으로 이루어지며 2000mesh 정도의 입자크기를 가지고 웨이퍼를 정밀하게 연마하게 된다. 웨이퍼 후면 약 20um정도를 제거하며 5000 내지 7000매 정도의 수명을 가지고 있다. 이때 첫 단계의 쏘마크를 완화시키는 역할도 하지만 자체의 미세한 쏘마크를 남기며, 웨이퍼 후면에 이물질이 개재된 경우 이미 얇아진 두께로 인해 파손이나 크랙이 발생하기 쉽다. 또한 미세 그라인딩으로 발생한는 열이 많아 바우현상등이 문제가 된다.

이러한 기계적인 웨이퍼 후면 제거방법의 문제점 때문에 후처리 공정으로 이용되기 시작한 것이 습식 에칭 방법이다. 습식에치에 사용되는 에천트는 주로 불산과 질산의 혼합액이며 부분적으로 0.03um 정도의 굴곡을 가지고 웨이퍼 내에서 8인치의 경우 3um 이하의 두께 편차를 가지는 공정이다. 에칭도 단계가 세분될 수 있는데 처음 단계는 기계적 처리의 쏘마크 등을 없애기 위한 공정이며 비교적 신속한 에칭이 이루어진다. 다음 단계는 식각액에 염산 등이 더 추가되어 전반적인 에칭이 이루어진다. 이 습식 에칭공정에서는 쏘마크가 발생하지 않고, 연마열로 열응력이 생기고 휘어지는 바우현상을 없앨 수 있다.

그러나 후처리 공정으로 습식에칭을 이용하는 경우 에칭에 상당 시간이 소요되므로 생산성이 떨어지므로 인라인으로 연결하여 처리하는 경우에도 애로현상이 발생하기 쉽고, 두번째 단계의 그라인딩 공정과 역할이 중복되는 면이 있다. 그리고 실제로 치명적인 파손이 일어나는 두번째 단계의 불량을 복구할 수 없는 한계가 있다.

본 발명은 이상의 기계적인 웨이퍼 후면 제거방법의 문제점 및 후처리로 습식 에칭이 부가된 웨이퍼 후면 제거방법의 문제점을 개선할 수 있는 새로운 웨이퍼 후면 제거방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도1은 그라인딩이 이루어지는 상태에서의 웨이퍼와 그라인더를 개략적으로 나타낸 측단면도이다.

도2는 본 발명의 일 실시예를 구현하기에 적합한 하나의 웨이퍼 후면 제거용 설비를 나타내는 도면이다.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 명칭

10: 웨이퍼 11: 스핀들(spindle)

12: 휠(wheel) 14: 테이프

16: 세라믹 18: 포러스(porous)

20: 그라인딩 섹션 21,32: 로봇 아암

23: 대기 스테이션 25: 이송 포크A

26: 인덱스 테이블 27: 척

30: 에칭 섹션 31: 이송 포크B

33: 스피너 34,35: 스핀 에쳐

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 웨이퍼 후면 제거방법은 거친 휠을 이용하여 기계적으로 후면 대부분을 제거하는 그라인딩 단계와 습식 식각 단계를 순차적으로 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 그라인딩 단계는 종래의 2 단계 그라인딩 방법의 첫 번째 단계에 해당하는 입도가 굵은 휠을 이용하는 그라인딩으로 최종적인 웨이퍼 목표 두께보다 20um 내지 30um 정도 두꺼운 상태까지 기계적으로 연마한다. 그리고 습식 식각 단계는 종래의 후처리 단계에서 진행하는 습식 식각에 해당하는 것으로 에천트로는 불산과 질산 등의 혼합액을 사용하여 목표 두께까지 웨이퍼 후면을 제거하는 것이다.

종래의 그라인딩 방식의 두번째 단계가 생략된다. 따라서 실제적으로 두번째 단계에서 이루어지는 치명적인 오류들, 웨이퍼 파손과 크랙, 바우현상을 대폭 줄일 수 있다. 또한 두번째 단계가 하는 역할인 거친 쏘마크의 제거 등은 습식 식각공정을 통해서 대체가 충분히 가능하다. 즉, 쏘마크의 최대 깊이는 주변 대비 20um 이내로 두번째 단계인 그라인딩 20um에서 제거될 수 있으므로 습식 식각을 30um 정도 할 경우 충분히 제거될 수 있는 깊이다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명의 구현에 적합한 하나의 장치예를 통해 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도2는 본 발명의 일 실시예를 구현하기에 적합한 하나의 웨이퍼 후면 제거용 설비를 나타내는 도면이다. 전면 가공을 마치고 보호용 UV 테이프를 부착한 웨이퍼가 카세트에 적재되어 장비로 반입되면서 순차적으로 장비의 공정이 진행된다. 화살표를 따라 공정을 진행하는 방법을 설명하면, 적재 카세트의 웨이퍼들은 이송용 로봇 아암(21)에 의해 대기 스테이션(23)으로 옮겨지고 이송 포크A(25)에 의해 인덱스 테이블(26)의 척(27)에 옮겨진다.

척은 세라믹 외면에 포러스한 내부 재질로 되어 진공에 의해 웨이퍼 전면을 잡아준다. 척(27)이 웨이퍼를 고정하면 인덱스 테이블(26)은 반 바퀴 회전하여 휠(12) 아래쪽에 웨이퍼 하반부가 겹치도록 놓여진다. 휠(12)은 350mesh 정도의 거친 입도를 가진 것으로 척은 저속으로 웨이퍼를 회전시키고 그 위에서 휠(12)은 고속으로 회전하면서 거친 연마를 하면서 수백 um의 웨이퍼 뒷면을 1 내지 2 분 내에 제거하게 된다.

그라인딩이 이루어지면 휠(12)은 제로 포인트로 올라가고 다시 인덱스 테이블(26)은 반 바퀴 회전하여 웨이퍼는 원래 인덱스 테이블에 놓였던 위치로 돌아온다. 다음으로 웨이퍼는 이송 포크B(31)에 의해 스피너(33)로 옮겨진다. 그 사이에 그라인딩을 마친 웨이퍼와 웨이퍼를 잡고 있던 척 표면에 대한 세정작업이 이루어진다. 스피너(33)에서는 세정을 마친 웨이퍼를 회전시켜 건조하게 된다.

그라인딩 섹션(20) 옆에는 에칭 섹션(30)이 있으며 그 사이에도 로봇 아암(32)이 있어서 그라인딩 섹션에서의 공정을 마친 웨이퍼를 스피너에서 스핀 에쳐로 옮겨준다. 에칭 섹션에는 그라인딩 섹션의 처리 척수보다 많은 에쳐를 설치한다. 본 예에서는 두 개의 스핀 에쳐(34,35)가 설치되어 스피너(33)에서 옮겨진 웨이퍼가 번갈아 가면서 두 에쳐 가운데 하나에 들어가 에칭공정을 거치게 된다. 이 경우 종래와 같이 습식 에칭으로 인해 웨이퍼 처리에 애로현상이 생기는 것을 막을 수 있고 따라서 생산능률을 높일 수 있다.

웨이퍼 전면은 이미 완성된 상태로 보호가 이루어져야 하므로 에칭에는 스핀 에쳐를 사용하여 뒷면에만 에천트가 닿아 에칭이 이루어지고 전면은 에어 블로잉과 스핀에 의해 보호된다. 에칭에는 불산과 질산의 혼합액이 주로 사용되며 바람직하게는 불산을 주로한 빠른 식각과 불산, 진산, 황산, 염산 등을 혼합한 고른 식각이 순차적으로 이루어지는 것이 바람직하다.

에칭을 거친 웨이퍼는 반출용 카세트에 적재되어 설비에서 반출되고 공정은 완료된다.

본 발명에 따르면 짧은 시간내에 공정을 이루면서도 종래 기계적 그라인딩에서 이루는 효과를 모두 거둘 수 있고, 종래에 기계적 그라인딩의 정밀 그라인딩 단계에서 얇아진 웨이퍼를 정밀하게 가공하면서 웨이퍼 전면에 파티클이 있는 경우 응력으로 웨이퍼가 파손되거나 크랙이 발생하는 문제 및 그라인딩에서 발생하는 열 스트레스에 의해 웨이퍼가 크게 휘어져 파손되기 쉽게 되는 문제를 제거할 수 있는 성과가 있다.

Claims (4)

1. 거친 휠을 이용하여 기계적으로 후면 대부분을 제거하는 그라인딩 단계와 습식 식각 단계를 순차적으로 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 후면 제거방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 그라인딩 단계는 입도가 거친 휠을 사용하여 목표 웨이퍼 두께보다 20um 내지 30 um 두껍도록 까지 진행되고 상기 습식 식각에 의해 목표 두께까지 달성되는 것임을 특징으로 하는 웨이퍼 후면 제거방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 습식 식각 단계는 불산을 위주로 한 빠른 식각 단계와 불산에 다른 강산을 섞어 고르게 식각을 하는 고른 식각 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 후면 제거방법.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 습식 식각단계는 상기 그라인딩 단계에 인라인으로 연결되면서 그라인딩 처리 장비보다 많은 숫자의 에쳐에서 이루어져 그라인딩 처리된 웨이퍼가 번갈아 복수의 에쳐에 분배되어 처리되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 후면 제거방법.