KR20050063694A

KR20050063694A - 양면 연마 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20050063694A
Application number: KR1020040107896A
Authority: KR
Inventors: 아키라 호리구치; 쇼지 나카오
Original assignee: 카시와라 머신 매뉴팩쳐링 주식회사; 미츠비시 스미토모 실리콘 주식회사
Priority date: 2003-12-22
Filing date: 2004-12-17
Publication date: 2005-06-28
Also published as: TW200529975A; TWI273945B; US20050159089A1; JP4343020B2; KR100780005B1; JP2005205585A; US7029380B2

Abstract

웨이퍼의 평탄도를 개선할 수 있는 하나의 캐리어를 사용하여 1매의 웨이퍼를 연마 가공하는 매엽식 양면 연마 방법 및 장치가 개시된다. 회전하는 상하 정반(10, 20) 사이에 상하 정반(10, 20) 보다 큰 직경을 갖는 캐리어(30)를 배치하고, 각 캐리어(30)에 의해 상하 정반(10, 20) 보다 작은 직경을 갖는 웨이퍼(50)를 보유한다. 캐리어(30)의 외주면에 형성된 외치부에 원주 방향의 복수 부분에서 맞물리고, 각 맞물림 위치에서 각 중심에서 떨어진 위치를 중심으로 동기하여 회전하는 복수의 편심 기어(41)에 의해 캐리어(30)를 회전시킨다. 캐리어(30)는 그 중심 주변을 자전하면서, 그 중심에서 떨어진 상하 정반(10, 20)의 중심 주변으로 원운동 한다. 경우에 따라, 상측 정반(10)을 중심축에 직각한 방향으로 왕복 이동시킨다. 웨이퍼 각 부의 운동 궤적이 복잡해지고, 주속이 크게 변화함에 따라, 주속의 평균화가 진행되어 평탄도가 개선된다.

Description

양면 연마 방법 및 장치{Method and apparatus of polishing both faces of an object}

본 발명은, 반도체 장치의 소재인 반도체 웨이퍼의 양면 연마에 적합한 싱글 캐리어 방식의 양면 연마 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하나의 캐리어로 1매의 웨이퍼를 처리하는 매엽(枚葉)방식의 연마 가공에 적합한 양면 연마 방법 및 장치에 관한 것이다.

반도체 디바이스의 소재인 반도체 웨이퍼의 양면 연마로서는, 종래부터 유성 기어 방식의 양면 연마 장치가 많이 사용되고 있었다. 유성 기어 방식의 양면 연마 장치는, 복수 개의 웨이퍼를 동시에 양면 연마하는 배치식 장치의 일종이다. 유성 기어 방식의 양면 연마 장치에서는, 회전하는 상하의 정반 사이에 복수의 캐리어가 배치된다. 복수의 캐리어는 정반(定盤)보다 충분히 직경이 작고, 1매 또는 복수 매의 웨이퍼를 보유한 상태에서 정반 사이의 회전 중심 주위에 배치되며, 정반의 회전에 동반하여 유성 운동을 행한다. 이에 따라, 각 캐리어에 보유된 웨이퍼가 정반 사이에서 양면 연마된다.

그런데, 양면 연마되는 반도체 웨이퍼의 직경은 최근 급속하게 커지고 있으며, 약 300㎜ 정도에 달하고 있다. 장래에는 직경이 더욱 커지는 것도 예상되고 있다. 이러한 직경이 큰 웨이퍼를 양면 연마하는 경우, 유성 기어 방식과 같이 복수 매의 캐리어를 사용하는 멀티 캐리어 방식의 양면 연마 장치에서는, 장치 규모가 매우 커지고, 기계 정밀도를 확보하거나 장치 가격을 억제하는 것이 매우 곤란해진다. 또한, 웨이퍼에 요구되는 높은 평탄도를 만족시키기 위해서는, 웨이퍼 매수 마다 가공 조건을 바꾸는 것이 요구되고 있다. 이러한 점에서, 큰 직경을 갖는 웨이퍼의 양면 연마에는 웨이퍼를 한 매마다 가공하는 매엽식 장치 쪽이 유리하다.

매엽식 양면 연마 장치의 구조 상의 최대 특징은 회전하는 상하의 정반보다 외부 직경이 큰 하나의 캐리어를 사용하는 싱글 캐리어 방식이라는 점이다. 이러한 하나의 캐리어에서 정반보다 직경이 작은 1매의 웨이퍼를 보유하고, 그 캐리어를 상하의 회전하는 정반 사이에서 운동시킴으로써, 1매의 직경이 큰 웨이퍼를 양면 연마한다. 복수의 캐리어를 사용하여 복수 개의 웨이퍼를 동시에 양면 연마하는 멀티 캐리어 방식의 양면 연마 장치와 비교하여, 장치가 소형화되고, 가격 등에서 유리해지는 것은 말할 필요도 없다. 이러한 매엽식 장치의 하나가 일본 공개 특허 공보 제2001-315057호에 개시된 "매엽식 양면 연마 장치"이다.

상기 일본 공개 특허 공보 제2001-315057호에 개시된 매엽식 양면 연마 장치에 있어서, 캐리어는 중심에 대하여 편심된 위치에 웨이퍼를 보유한다. 상기 캐리어가 상하의 정반 사이에 동심 형상으로 배치되고, 중심 주위를 회전한다. 정반에 대한 캐리어의 동심 회전, 즉 자전에 의해, 편심 보유된 웨이퍼는 캐리어의 중심 주위를 회전하여 양면 연마된다.

또한, 매엽식 장치는 아니지만, 하나의 캐리어를 사용하는 싱글 캐리어 방식의 일종으로서, 그 캐리어의 중심 주위에 복수 매의 웨이퍼를 보유함과 동시에, 그 캐리어를 상하의 정반 사이에 편심 배치하고, 정반의 중심 주위로 원 운동시키는 배치식의 연마 장치는 일본 공개 특허 공보 제2000-33559호에 개시되어 있다.

그러나, 종래의 매엽식 양면 연마 장치는, 일본 공개 특허 공보 제2001-315057호에 의해 개시된 것도 포함하여, 그 연마 원리 상, 유성 기어 방식과 같이 복수의 캐리어를 사용하는 멀티 캐리어 방식의 양면 연마 장치에 비해, 웨이퍼의 평탄도의 확보가 어렵다고 하는 본질적인 문제가 있다. 왜냐하면, 복수의 캐리어를 사용하는 멀티 캐리어 방식의 양면 연마 장치의 경우에는, 그 복수의 캐리어가 상하의 정반 사이의 외주부에 배치된다. 외주부에 배치된 경우, 배치 위치의 외측과 내측에서의 주속(周速)차는 작다. 그 결과, 캐리어에 보유되는 웨이퍼도 각 부에서 비교적 균등한 주속으로 연마된다.

그런데, 매엽식 연마 장치의 경우, 웨이퍼는 정반보다 직경이 작다고는 말할 수 있으나, 그 직경 차는 매우 작다. 이에 따라, 정반의 중심부로부터 외주부까지를 사용하여 1매의 웨이퍼가 연마된다. 그리고, 정반에 대하여 동심 상태로 배치된 캐리어가 자전하는 일본 공개 특허 제2001-315057호에 개시된 매엽식 연마 장치의 경우, 캐리어에 편심 보유된 웨이퍼의 운동은 도 5에 도시한 바와 같다.

도 5는 약 300㎜의 직경을 갖는 웨이퍼의 중심점, 중심으로부터 편심 방향 및 반편심 방향으로 약 75㎜(1/2반경) 떨어진 중간점, 약 150㎜(반경) 떨어진 가장자리 점의 각 궤적을 도시한 것이다. 실제 연마에서는 캐리어 내에서 웨이퍼가 회전하지만, 도 5에서는 이 회전은 무시하고 있다. 캐리어 내의 웨이퍼 편심량은 약 30㎜ 정도이다.

도 5로부터 알 수 있듯이, 캐리어가 자전하는 일본 공개 특허 공보 제2001-315057호에 개시된 매엽식 연마 장치의 경우, 웨이퍼의 중심점은 정반의 중심 근방을 동일 반경으로 정반 중심 주위로 회전할 뿐이다. 한편, 편심 방향의 가장자리 점은, 정반의 최외주부를 동일 반경으로 정반 중심 주위로 회전할 뿐이다. 다른 점은, 이들의 사이를 정반 중심 주위로 동일 반경으로 회전할 뿐이다. 여기에서, 정반 중심점의 회전 주속은 0이다. 또한, 이 주속은 정반의 중심으로부터 떨어짐에 따라서 증대하고, 외주연에서 최대가 된다. 그 결과, 정반에 의한 연마율은 주속의 관점으로부터는 중심부와 외주부에서 큰 차가 생기고, 각 부의 주속이 변화하지 않기 때문에, 평탄도의 확보가 곤란해진다.

실제 연마에서는, 캐리어 내에서의 웨이퍼의 회전이 있고, 또한 주속의 차를 보충하기 위하여 중심부로의 연마액의 공급량을 많게 하는 등의 대책이 강구되기 때문에, 주속의 차 정도로는 평탄도는 저하되지 않지만, 큰 주속차를 흡수하는 것은 곤란하고, 평탄도의 확보가 어렵다.

또한, 도 6은 일본 공개 특허 공보 제2000-33559호에 제시된 연마 장치를 매엽 방식의 연마 가공에 적용한 경우의 궤적을 나타낸 것이다. 즉, 상기 일본 공개 특허 공보 제2000-33559호에 개시된 연마 장치는, 하나의 캐리어를 사용하는 싱글 캐리어 방식이지만, 그 캐리어에서 복수 매의 웨이퍼를 보유하는 배치식이다. 이러한 캐리어에서 1매의 웨이퍼를 동심 보유 또는 편심 보유하였다고 가정할 경우, 상기 캐리어가 정반의 중심 주위를 원 운동함으로써, 웨이퍼의 중심점은 정반의 중심부 근방에서 상기 캐리어의 원운동에 대응한 작은 반경의 원운동을 행한다. 또한, 웨이퍼의 가장 자리 점은 정반의 외주부에서 상기 캐리어의 원운동에 대응한 작은 반경의 원운동을 행한다. 상기 웨이퍼의 중간점은 정반의 중간부에서 상기 캐리어의 원운동에 대응한 작은 반경의 원운동을 행한다. 이 경우, 상기 캐리어 내의 웨이퍼 편심량은 약 10㎜ 정도이고, 상기 캐리어의 원운동 반경은 20㎜ 정도 이다.

웨이퍼 반경 방향의 각부에서 정반의 주속이 크게 다르고, 연마율에 큰 차이가 생기는 것은, 일본 공개 특허 공보 제2001-315057호에 개시된 매엽식 연마 장치의 경우와 근본적으로 동일하지만, 반경 방향의 각 점은 작은 반경의 원운동에 동반하여 정반 중심으로부터의 거리가 약간 변화하는 점에서는, 일본 공개 특허 공보 제2001-315057호에 개시된 매엽식 연마 장치의 경우보다도 다소 유리해진다. 그 반면, 반경 방향의 각 점의 운동 반경이 작고, 특히 웨이퍼 외주부의 운동 반경이 작은 점에서, 일본 공개 특허 공보 제2001-315057호에 기재된 매엽식 연마 장치의 경우보다도 불리해진다.

본 발명의 목적은, 장치 구조가 간단한 싱글 캐리어 형식이면서, 연마 대상체의 평탄도를 개선할 수 있는 양면 연마 방법 및 장치를 제공하는 것에 있다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 양면 연마 방법에 있어서, 회전하는 상하 정반들 사이에 상기 정반들 보다 직경이 큰 캐리어를 배치하고, 상기 캐리어 내에 보유된 상기 정반들 보다 직경이 작은 연마 대상체를 상기 상하 정반들의 회전에 의해 양면 연마할 때에, 상기 캐리어를 그 중심 주위로 자전시키면서, 그 중심으로부터 떨어진 위치를 중심으로 원 운동시킨다.

또한, 본 발명에 따른 양면 연마 장치는, 회전하는 상하 정반들, 상기 상하 정반들 보다 직경이 크며, 상기 정반들 보다 직경이 작은 연마 대상체를 보유하고 상기 상하 정반들 사이에 배치되는 캐리어, 상기 상하 정반들 사이에 배치된 상기 캐리어를 그 중심 주위로 자전시키는 제1 캐리어 구동 수단, 상기 캐리어를 그 중심으로부터 떨어진 위치를 중심으로 원 운동시키는 제2 캐리어 구동 수단을 구비한다.

본 발명에 있어서, 회전하는 상하 정반들 사이에 편심 배치된 캐리어가, 그 중심 주위로 자전하는 제1 회전 운동과, 그 중심으로부터 떨어진 위치를 중심으로 원 운동하는 제2 회전 운동이 조합된 복합 운동을 행한다. 그 결과, 제1 회전 운동만을 행하는 경우에 비하여, 연마 대상체의 평탄도가 향상되고, 제2 회전 운동만을 행하는 경우와 비교하여도 연마 대상체의 평탄도가 개선된다. 왜냐하면, 웨이퍼 중심부에서는 정반의 중심부 근방을 운동하지만, 그 궤적은 복잡하고, 주속이 변화한다. 웨이퍼 외주부에서는, 상기 정반의 외주부 근방을 큰 반경으로 회전 운동하고, 그 궤적이 복잡해지고, 주속이 변화한다. 이에 따라, 주속의 평균화가 진행되고, 연마 대상체의 평탄도가 개선된다.

또한, 상기 캐리어의 복합 운동에 있어서, 상측 정반이 중심축에 직각 방향으로 왕복 운동하는 동작이나, 상기 캐리어 내에 연마 대상체를 편심 보유하는 구성을 조합시키면, 웨이퍼와 같은 연마 대상체의 평탄도는 더욱 향상된다. 왜냐하면, 웨이퍼의 반경 방향 각부의 운동이 더욱 복잡화되고, 주속의 평균화가 진행되기 때문이다. 장치 상에 제약은 있으나, 상기 상측 정반 대신에 상기 하측 정반을 중심축에 직각 방향으로 왕복 운동시킬 수도 있다. 즉, 상기 상하 정반들을 중심축에 직각 방향으로 상대적으로 왕복 이동시키면 된다.

상기 캐리어에 복합 운동을 행하게 하는 캐리어 구동 수단으로서는, 캐리어의 외주면에 형성된 외치부에 원주 방향의 복수 위치에서 맞물림과 동시에, 각 맞물림 위치에서 각각이 각 중심으로부터 떨어진 위치를 중심으로 동기하여 회전하는 복수의 편심 기어를 갖고, 상기 제1 캐리어 구동 수단과 상기 제2 캐리어 구동 수단을 겸하는 구성인 것이 장치 구조 간략화의 관점에서 바람직하다. 즉, 이러한 캐리어 구동 수단들에 따르면, 복수의 편심 기어의 동기적인 편심 회전 운동에 의해, 상기 캐리어는 중심 주위의 자전 운동을 동반하면서 원운동을 행한다.

상기 캐리어의 원운동에 관해서는, 상기 캐리어를 상하의 정반 사이에 편심 배치하고, 정반의 중심 주위로 원 운동시키는 것이 장치 구성 등의 점에서 합리적이다.

본 발명은, 하나의 캐리어에서 1매의 웨이퍼를 보유하는 매엽식 장치에 특히 유효하다. 이러한 매엽식 장치에서는, 정반과 웨이퍼의 크기가 크게 변하지 않고, 동심(同心)에 가까운 상태에서 양자가 배치되기 때문에, 본질적으로 연마율의 차가 지나치게 커지기 때문이다. 단, 하나의 캐리어에서 복수 매의 웨이퍼를 보유하는 배치식 장치(캐리어의 중심 주위에 복수 매의 웨이퍼를 보유하는 장치)에 대해서도, 본 발명은 적용 가능하고 또한 유효하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 연마 장치의 개략적인 구성도이고, 도 2는 상기 양면 연마 장치의 측면도이다. 도 3은 상기 양면 연마 장치의 평면도이고, 도 4는 상기 양면 연마 장치의 사용 시 웨이퍼 각 점의 운동 궤적을 나타낸 평면도이다.

본 발명에 따른 양면 연마 장치는 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이 실리콘 웨이퍼(50)의 양면 연마에 사용되는 매엽식 연마 장치이며, 싱글 캐리어 방식이다. 이러한 양면 연마 장치는 상하 정반들(10, 20), 상하 정반들(10, 20)사이에 배치되는 캐리어(30), 그리고 상하 정반들(10, 20) 사이에서 캐리어(30)에 복합 운동을 행하게 하는 캐리어 구동 수단(40)을 구비한다.

상하 정반들(10, 20)은 상하로부터 서로 대향하게 배치되어 있고, 대향면에 연마 패드를 장착하고 있다. 상기 정반들(10, 20)의 직경(D1)은 가공되는 웨이퍼(50)의 직경(D3)보다 크고, 캐리어(30)의 직경(D2)보다 작다. 또한, 상기 정반들(10, 20)의 직경은 동일하게 도시하였지만, 반드시 동일하게 한정되는 것은 아니다. 상하 정반들(10, 20)의 직경이 동일하지 않은 경우에는, 작은 쪽의 정반 직경이 웨이퍼(50)의 직경(D3)보다 크면 된다.

상측 정반(10)은 수직한 구동축(11)의 하단에 수평하게 설치되어 있다. 구동축(11)은 상부 프레임(12)에 회전 자재로 지지되어 있고, 도시되지 않았지만, 구동 수단에 의해 중심 주위로 회전 구동되어, 상측 정반(10)을 회전시킨다.

구동축(11)은 상측 정반(10)의 승강을 위해 상부 프레임(12)과 함께 수직 방향으로 승강 구동된다. 또한, 상측 정반(10)을 회전 중심에 대하여 직각한 방향으로 왕복시키기 위해 수평 방향으로 소정 스트로크(S)로 왕복 구동된다.

하측 정반(20)은 상측 정반(10)의 아래에 동심 형상으로 배치되어 있고, 수직한 구동축(21)의 상단에 수평으로 설치되어 있다. 구동축(21)은 하부 프레임(22)에 회전 자재로 지지되어 있고, 도시되지 않은 구동 수단에 의해 중심 주변에 회전 구동되어, 하측 정반(20)을 정위치로 회전시킨다.

캐리어(30)는 웨이퍼(50)보다 얇고, 상하 정반(10, 20)보다 큰 직경을 갖는 원판이고, 그 원판 중심(O2)에 대해서 소정의 거리(δ1) 만큼 편심한 위치에 웨이퍼(50)를 수용하는 웨이퍼 수용공(31)을 갖고, 외주면에는 외기어(32)를 갖는다.

캐리어 구동 수단(40)은 캐리어(30)의 외기어(32)에 맞물리는 복수(도면에서는 4개로 도시됨)의 피니온 기어(41‥)를 갖는다. 복수의 피니온 기어(41‥)는 원주 방향으로 소정의 간격(도면에서는 약 90° 정도의 등간격으로 도시됨)으로 배치되어 있고, 수직한 축 상의 구동체(42‥)의 상면에 각각 회전하지 못하게 설치되어 있다.

여기서, 구동체(42‥)는 정반(20)의 주위에 동심 형상으로 배치되어 있고, 중간부가 하부 프레임(22)에 회전 자재로 지지되어 있다. 구동부(42‥)의 각 하단부에는 직경이 작은 부 구동기어(43)가 동심형상으로 설치되어 있다. 각 부 구동기어(43)는 내측에 배치된 직경이 큰 주 구동 기어(44)에 맞물려있고, 도시되지 않은 상기 구동 수단을 이용해서 주구동 기어(44)가 회전 구동됨에 따라, 구동체(42‥)는 동일한 방향으로 동기 회전한다. 또, 주구동 기어(44)는 구동축(21)에 베어링을 개재해서 회전 자재로 설치되어 있다.

또한, 구동체(42‥)의 각 상면에 설치된 복수의 피니온 기어(41‥)는 구동체(42‥)의 회전 중심에서 동일 방향으로 소정의 등거리(δ2)만큼 편심하여, 본 발명에서 따른 편심 기어를 구성한다. 이로 인하여, 피니온 기어(41‥)에 맞물리는 캐리어(30)도, 상하 정반들(10, 20)사이에서 정반 중심(O1)에 대해서 피니온 기어(41‥)의 편심 방향과 같은 방향으로 등거리(δ2)만큼 편심하여 지지되게 된다. O3은 웨이퍼(50)의 중심을 나타낸다.

이하, 본 발명에 따른 양면 연마 장치를 이용한 웨이퍼(50)의 양면 연마 방법에 대해서 설명한다.

상측 정반(10)을 상승시킨 상태에서, 하측 정반(20)상으로 웨이퍼(50)를 캐리어(30)와 함께 셋팅한다. 이 경우, 캐리어(30)는 외측 피니온 기어(41‥)에 맞물린다. 이에 따라 상하 정반(10, 20)에 대해서 편심해서 셋팅된다. 웨이퍼(50) 및 캐리어(30)의 셋팅이 끝나면, 상측 정반(10)을 하강시켜서 상하 정반들(10, 20) 사이에 웨이퍼(50)를 개재한다. 그리고 상하 정반들(10, 20) 사이에 도시되지 않는 연마액 공급 기구로부터 연마액을 공급하면서 상하 정반들(10, 20)을, 예를 들면, 역방향으로 같은 속도로 회전시킨다. 이와 동시에, 주구동 기어(44)를 회전시킨다. 이에 따라, 하측 정반(20) 주위에 배치된 구동체(42‥)가 정위치에서 동일방향으로 동기되어 회전한다.

구동체(42‥)의 동기 회전에 의해 피니온 기어(41‥)는, 자신의 중심 주변을 공전한다. 즉, 피니온 기어(41‥)는 자신의 중심 주변을 1회 회전할 때마다 1회 자전한다. 이에 따라, 캐리어(30)는 자신의 중심(O2) 주변을 회전하는 자전 운동과, 상하 정반들(10, 20)의 회전 중심(O1) 주변을 반경(δ2)으로 회전하는 원운동을 동시에 행한다. 다시 말하면, 캐리어(30)는 이에 맞물리는 자전용 피니온 기어(41‥)와 함께, 상하 정반들(10, 20)의 회전 중심(O1) 주위를 소정의 반경(δ2)으로 원운동 한다.

그 결과, 캐리어(30)내에 편심 보유된 웨이퍼(50)는 첫 번째로, 캐리어(30)의 원운동에 의해 상하 정반들(10, 20)의 회전 중심(O1)주위를 반경(δ2)으로 원운동 한다. 두 번째로 캐리어(30)의 자전 운동에 의해 캐리어(30)의 회전 중심(O2)주변을 반경(δ1)으로 회전하는 원운동과 자신의 중심(O3)주변을 회전하는 자전 운동을 행한다. 또, 상하 정반들(10, 20)이 중심축에 직각한 방향으로 스트로크(S)로 왕복 이동(유동)한다.

상하 정반들(10, 20)의 회전에 이와 같은 세 종류의 회전 동작 및 한 종류의 직선 동작이 조합됨에 따라, 웨이퍼(50)의 평탄도는 비약적으로 향상된다.

상하 정반들(10, 20)의 직경(D2), 캐리어(30)의 직경(D3), 상하 정반들(10, 20)에 대한 캐리어(30)의 편심량(δ2), 캐리어(30)내의 웨이퍼(50)의 편심량(δ1), 캐리어(30)의 자전 속도(v1), 캐리어(30)의 원운동 속도(v2), 그리고 상측 정반(10)의 왕복 스크로크(S)를 결정하는데 대해서는 연마 효율 및 평탄도를 고려하는 것이 중요하다. 평탄도의 확보에 있어서는, 웨이퍼(50)가 항상 상하 정반들(10, 20) 사이에 위치하는 것도 중요하다. 더욱이, δ1 + δ2 + S가 웨이퍼(50)의 반경만큼 보다 작은 것이 바람직하다. 왜냐하면, 하중 중심이 웨이퍼 상에서 일탈한 경우, 하중 분포가 불균일화 되고, 높은 평탄도를 달성할 수 없기 때문이다. 또한, 연마 효율 및 평탄도 등이 높은 차원에서 만족되도록 상기 조건들이 결정된다.

도 4에 나타난 캐리어의 운동 궤적은, 캐리어의 자전과 원운동을 조합했을 때의 웨이퍼 각 점의 운동 궤적을 약 300㎜ 정도의 직경을 갖는 웨이퍼의 중심점, 중심에서 편심 방향 및 편심 방향으로 약 75㎜(1/2 반경) 정도 떨어진 중간점, 중심에서 편심 방향 및 편심 방향으로 약 150㎜(반경) 정도 떨어진 외연점에 대해서 도시한 것이다. 도 6과의 비교를 위해, 캐리어 내의 웨이퍼 편심량(δ1)은 약 10㎜ 정도, 캐리어 원운동 반경(δ2)은 약 20㎜ 정도로 하고, 캐리어의 자전 속도에 대한 원운동 속도 비율(v2/v1)은 약 5 정도로 설정되어 있다. 그리고, 실제 연마에서는 캐리어 내에서 웨이퍼가 회전하지만 도 4에서는 이러한 회전은 무시하고 있다. 또, 상측 정반의 수평동은 실시하지 않고 있다.

도 5 및 도 6과의 비교에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 양면 연마 장치에서는 웨이퍼 중심에서는 각 중심부가 정반 중심부 근방을 주회(周回) 운동하지만, 그 궤적은 상당히 복잡하게 되어 주속이 크게 변화한다. 웨이퍼 외주부에서는, 각 외주부가 정반 외주부 근방을 큰 반경으로 회전 운동 한 다음, 그 궤적이 복잡하게 되어 주속이 변화한다. 이로 인해, 주속의 평균화가 진행되어 평탄도가 개선된다. 상측 정반을 중심축에 직각한 방향으로 왕복 이동시키면 평탄도가 더욱 향상되는 것은 확실하다.

상하 정반들(10, 20)의 회전 방향은 동일 방향이라도 상관없으나, 통상적으로는 회전력을 소거하고, 캐리어(30)에 따른 부담을 경감하기 위해 역방향으로 되어진다. 역방향의 경우, 캐리어(30)의 회전 방향은 상하 정반들(10, 20)의 회전 방향의 어느 하나에 맞춰진다. 상하 정반들(10, 20)의 회전 방향이 동일 방향인 경우의 캐리어(30)의 회전에 대해서는, 회전력을 소거하기 위해 상하 정반들(10, 20)에 대해서 역방향 회전으로 하는 것이 일반적이나, 상하 정반들(10, 20)에 대해서 속도를 바꾸어 동일 방향으로 회전시키는 것도 가능하다.

이하, 본 발명에 따라 실제로 실리콘 웨이퍼의 양면을 동시 연마한 경우와 종래 가술에 따라 연마한 경우를 비교하는 것으로 본 발명의 효과를 명확히 한다.

도 1 내지 도 3에 나타낸 양면 연마 장치(약 380㎜ 정도의 정반 직경)를 사용하고, 동시에 일반적인 실리콘 웨이퍼의 1차 연마에 사용되는 하기의 자재를 이용해서 두께가 약 0.8㎜ 정도인 300㎜의 직경을 갖는 실리콘 웨이퍼를 양면 연마하였다.

사용 캐리어:　수지제 캐리어(약 510㎜의 외경 및 약 0.7㎜의 두께)

연마패드:　로데일 닛타제 연마포 SUBA800

연마제:　Nalco2350 20배 희석액

연마 조건으로는, 상하 정반들은 캐리어로의 부담을 경감하기 위해 역방향으로 약 20rpm 정도의 속도로 회전시키고, 연마압은 약 150g/㎠ 정도로 하였다. 또한, 캐리어 내의 웨이퍼의 편심량(δ1)은 약 20mm 정도로 하고, 정반들에 대한 캐리어의 편심량(δ2)(캐리어의 원운동 반경)은 웨이퍼의 최외주 궤적이 정반 최외주를 지나도록 약 30mm 정도로 하였다. 또한, 캐리어의 자전 속도 v1은 약 7.5rpm 정도로 하고, 캐리어의 자전 속도에 대한 원운동 속도의 비(v2/v1)는 약 5 정도로 하였다.

양면 연마를 끝낸 실리콘 웨이퍼의 두께의 면내 분산(TTV)을 도 7에 나타내낸다. 어느 것이나 서브미크론의 TTV 값이 되고, 1차 연마에서 현념(懸念)되는 외주의 풀림이 작은 양호한 평탄 정도가 확보되었다. 주요 자재인 연마포를 보다 연질인 SUBA 600 또는 SUBA 400으로 변경해서 같은 연마를 행한 결과, 연마 능률은 저하하지만 자연스러운 연마 가공을 실현할 수 있고, 같은 정도의 양호한 평탄 정도를 확보할 수 있는 것도 확인되었다.

비교 참조를 위해, 양면 연마 장치를 도 5의 장치, 즉 상하 정반들에 대해서 동심 상태로 배치된 캐리어가 웨이퍼를 편심 보유해서 자전하는 매엽식 연마 장치(정반에 대한 캐리어의 편심량 δ2 = O)로 변경하였다. 연마 조건은 본 발명의 실시예에 대비하여 캐리어 내의 웨이퍼 편심량 약 20mm 정도로 하고, 캐리어의 자전속도 약 7.5rpm 정도로 하였다. 정반들의 사양, 운전 조건 및 사용 재료는 본 발명의 실시예와 같게 하였다. 양면 연마를 끝낸 실리콘 웨이퍼의 두께의 면내 분산(TTV)을 도 7에 맞추어 나타낸다.

도 7에 도시한 바와 같이, 종래의 연마 방법에 비하여 본 발명의 우위성은 확실하다.

그리고, 상술한 본 발명의 실시예에 있어서는 복수의 피니온 기어(41‥) 및 구동체(42‥)를 구동하기 위해, 구동체(42‥)의 각 부구동 기어(43)에 내측에서 맞물리는 주구동 기어(44)를 사용했지만, 이에 대신해 동기 구동 벨트를 외측에서 각 부구동 기어(43)에 걸어 감는 구성이라도 가능하며, 웨이퍼(50)가 큰 직경을 갖는 경우는 상하 정반들(10, 20) 및 캐리어(30)의 대형화에 동반해서 주구동 기어(44)가 대형화되기 위해 동기 구동 벨트를 사용하는 것이 오히려 바람직하다고 할 수 있다.

또한, 편심 기어인 피니온 기어(41)의 개수는 본 발명의 실시예에 있어서는 4개 정도로 하였으나 3개라도 상관없다. 다시 말하면, 편심 기어인 피니온 기어(41)는 2개 이상이면 특별히 그 개수가 한정되는 것은 아니다. 또, 그 편심 기어의 배치위치에 관해서 전술한 바에 따르면 원주 방향으로 등간격으로 하였으나, 반드시 등간격일 필요는 없다.

본 발명에 따른 양면 연마 방법 및 장치에 있어서, 회전하는 상하 정반들 사이에 상기 정반들 보다 직경이 큰 캐리어를 배치하고, 상기 캐리어에 보유된 웨이퍼와 같은 연마 대상체를 상기 상하 정반들의 회전에 의해 양면 연마할 때에, 상기 캐리어를 그 중심 주변에 자전시키고, 동시에 그 중심에서 떨어진 위치를 중심으로 원운동 시킴에 따라, 장치 구조가 간단한 싱글 캐리어 형식이면서, 웨이퍼의 평탄도를 멀티 캐리어 형식에 가까운 레벨까지 높일 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시에 따른 양면 연마 장치의 개략적인 구성도이다.

도 2는 상기 양면 연마 장치의 측면도이다.

도 3은 상기 양면 연마 장치의 평면도이다.

도 4는 상기 양면 연마 장치의 사용 시 웨이퍼 각 점의 운동 궤적을 나타낸 평면도이다.

도 5는 종래의 양면 연마 장치의 사용 시 웨이퍼 각 점의 운동 궤적을 나타낸 평면도이다.

도 6은 종래의 다른 양면 연마 장치의 사용 시 웨이퍼 각 점의 운동 궤적을 나타낸 평면도이다.

도 7은 양면 연마 후의 평탄 정도를 본 발명과 종래의 기술을 비교한 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 상측 정반 20 : 하측 정반

30 : 캐리어 40 : 캐리어 구동수단

41 : 피니온 기어(편심기어) 42 : 구동체

43 : 부 구동기어 44 : 주 구동기어

50 : 웨이퍼(워크) D1 : 정반 직경

D2 : 캐리어 직경 D3 : 웨이퍼 직경

O1 : 정반 중심 O2 : 캐리어 중심

O3 : 웨이퍼 중심 δ1 : 캐리어 내의 웨이퍼 편심량

δ2 : 정반중심에 대한 캐리어 편심량(캐리어의 원운동 반경)

Claims

회전하는 상측 및 하측 정반(定盤)들 사이에 상기 정반들 보다 직경이 큰 캐리어를 배치하고, 상기 캐리어 내에 보유된 상기 정반들 보다 직경이 작은 연마 대상체를 상기 상측 및 하측 정반들의 회전에 의해 양면 연마할 때에, 상기 캐리어를 그 중심 주위로 자전시키면서, 그 중심으로부터 떨어진 위치를 중심으로 원운동시키는 것을 특징으로 하는 양면 연마 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 캐리어를 자전시키기 위하여, 상기 캐리어에 외측으로부터 맞물린 복수의 기어와 함께 상기 캐리어를 원운동시키는 것을 특징으로 하는 양면 연마 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 캐리어는 1매의 웨이퍼를 동심(同心) 보유 또는 편심(偏心) 보유하는 것을 특징으로 하는 양면 연마 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 캐리어를 상기 상측 및 하측 정반들 사이에 편심 배치하는 것을 특징으로 하는 양면 연마 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 상측 정반을 상기 하측 정반에 대하여 중심축에 직각 방향으로 상대적으로 왕복 이동시키는 것을 특징으로 하는 양면 연마 방법.
회전하는 상측 및 하측 정반들과, 상기 상측 및 하측 정반들 보다 직경이 크며, 상기 정반들 보다 직경이 작은 연마 대상체를 보유하고 상기 상측 및 하측 정반들 사이에 배치되는 캐리어와, 상기 상측 및 하측 정반들 사이에 배치된 캐리어를 그 중심 주위로 자전시키는 제1 캐리어 구동 수단과, 상기 캐리어를 그 중심으로부터 떨어진 위치를 중심으로 원 운동시키는 제2 캐리어 구동 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 양면 연마 장치.
제 6 항에 있어서, 상기 캐리어는 1매의 웨이퍼를 동심 보유 또는 편심 보유하는 것을 특징으로 하는 양면 연마 장치.
제 6 항에 있어서, 상기 캐리어는 상기 상측 및 하측 정반들 사이에 편심 배치되고, 제2 캐리어 구동 수단은 상기 캐리어를 정반의 중심 주위로 원 운동시키는 것을 특징으로 하는 양면 연마 장치.
제 6 항에 있어서, 상기 캐리어 구동 수단은, 상기 캐리어의 외주면에 형성된 외치(外齒)부에 원주 방향의 복수 위치에서 맞물림과 동시에, 각 맞물림 위치에서 각 중심으로부터 떨어진 위치를 중심으로 동기하여 회전하는 복수의 편심 기어를 갖고, 상기 제1 캐리어 구동 수단과 상기 제2 캐리어 구동 수단을 겸하는 구성인 것을 특징으로 하는 양면 연마 장치.
제 6 항에 있어서, 상기 상측 정반을 상기 하측 정반에 대하여 중심축에 직각 방향으로 상대적으로 왕복 이동시키는 정반 구동 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 양면 연마 장치.