KR20090038502A - 웨이퍼 연마 방법 - Google Patents

Abstract

장시간 패드 대기시간에 따른 패드 특성변화를 최소화시키고 패드 대기시간에 따른 패드 컨디셔닝 작업없이 연마 속도를 유지할 수 있는 웨이퍼 연마 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 웨이퍼 연마 방법은, 연마 패드에 웨이퍼를 가압 접촉하여 웨이퍼를 연마하는 방법에 있어서, 웨이퍼 연마 종료 후 다음 웨이퍼 연마 시작 전까지 상기 연마 패드 표면의 온도를 일정하게 유지하는 것을 특징으로 한다. 상기 연마 패드 표면의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 상기 연마 패드 표면에 30~45℃의 탈이온수(DIW)를 공급할 수 있다.

Description

웨이퍼 연마 방법 {Method for polishing of wafer}

본 발명은 웨이퍼 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 웨이퍼 제조를 위한 연마 방법에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 소자 제조용 베어(bare) 실리콘 웨이퍼 제조 공정에서는 원통형 실리콘(잉곳)을 낱개의 웨이퍼로 절단하는 슬라이싱(slicing) 공정을 거치게 된다. 슬라이싱 작업에서는 다이아몬드 조각을 붙인 날을 이용하거나 와이어 소(wire saw)라 불리는 피아노선을 이용하기도 한다. 이 때, 절단된 웨이퍼의 표면에는 요철이 존재하므로 연마에 의한 평탄화 공정을 거쳐야 한다.

일반적으로, 웨이퍼 연마 장치는 연마 헤드, 턴 테이블 및 턴 테이블에 의해 지지되는 연마 패드로 구성된다. 연마 헤드는 웨이퍼의 연마면이 연마 패드를 향하도록 웨이퍼를 고정하고 연마 패드 상에 접촉 가압한다. 연마를 하는 동안, 연마 패드 상에 콜로이달 실리카 슬러리(colloidal silica slurry)와 같은 연마 슬러리(abrasive slurry)가 연마 패드와 웨이퍼 사이에 제공되고, 연마 슬러리 내의 화학 성분이 웨이퍼 표면과 반응하여 반응층을 생성한다. 이 반응층은 연마 헤드 및 연마 패드가 각자의 구동축을 중심으로 서로 회전하고, 그에 따라 연마 헤드 상에 부착된 웨이퍼 연마면과 연마 패드가 서로 밀착된 상태로 마찰됨으로써 물리적으로 제거된다.

웨이퍼 제조용 연마 장치에 사용되는 연마 패드는 연질 연마 패드로서, 폴리에스테르(polyester) 펠트 조직에 폴리우레탄(polyurethane)을 함침한 것인데, 함침시 첨가되는 유기용제가 제조 후에도 패드 전체에 남아있어 연마 패드 사용 초기에 슬러리를 흡수하는 정도와 슬러리 흐름에 영향을 주어 연마 결과에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 현재는 패드 교체 후 패드에 잔존하는 이물질을 제거하여 슬러리 흐름을 향상시키고 패드 표면의 거칠기(roughness)를 제어 안정화시키는 시즈닝(seasoning) 작업 후, 생산용 웨이퍼에 대한 연마를 진행하고 있다.

또한 매회 연마가 끝날 때마다, 즉 웨이퍼 연마 종료 후 다음 웨이퍼 연마 시작 전까지, 연마 패드 표면에 남아있는 웨이퍼 반응물, 슬러리 입자, 이물질 등을 제거하기 위해 고압 탈이온수(Deionized Water : DIW) 분사를 실시한다. 그러나, 연마 횟수가 증가할수록 연마 패드 표면은 미처 제거되지 못한 웨이퍼 반응물, 슬러리 입자, 이물질 등이 높은 압력과 온도에 의해 유리질화된 후 고착되고(이른바 글레이징(glazing))), 연마 패드 내 위치에 따라 연마 패드와 웨이퍼간의 상대운동거리 차이에 의해 불균일한 표면 변형이 일어나게 된다. 따라서, 연마 패드 글레이징 제거 및 연마 패드 표면 형상 제어를 통해 웨이퍼의 연마율을 유지시키고, 평탄도 및 표면 거칠기를 향상시키기 위해 브러싱(brushing), 고압 DIW 분사와 같은 방법에 의한 연마 패드 드레싱이 필수적이다.

이러한 시즈닝, 드레싱 등을 총칭하여 컨디셔닝이라고 부르고 있다.

한편, 연마 패드 사용 중 장시간 작업 중단 또는 갑작스런 웨이퍼 연마 특성 변동 시, 기본적으로 사용 중인 연마 패드에 DIW를 흘려 젖은 상태를 유지한 후에 적절한 컨디셔닝을 진행하거나 필요한 경우 연마 패드를 교체하여 웨이퍼 연마를 재개하게 되는데, 이렇게 웨이어 연마 재개 전까지의 패드 대기시간이 길어질수록 연마 속도와 평탄도에 영향을 준다.

도 1은 패드 안정화 후 패드 대기시간을 10, 30, 60분 진행하였을 때 연마 속도의 변화를 실험한 결과이다. 도 1에서 네모는 연마 공정을 1회 진행한 경우, 동그라미는 2회 진행한 경우, 위로 향한 세모는 3회 진행한 경우, 그리고 마름모는 4회 진행한 경우이다.

도 1을 보면, 패드 대기시간이 30분까지는 연마 속도의 변화가 작으나, 60분 이상 대기시킬 경우 연마 속도가 급격하게 감소하는 것을 알 수 있다. 또한 연속으로 연마공정을 진행하였을 때에도 연마 속도를 초기 상태로 회복시키는 데 많은 시간이 필요함을 알 수 있다.

도 1의 실험결과와 같이 장시간 패드를 대기하면 패드 표면의 거칠기, 경도, 압축률, 점탄성도(viscoelasticity)와 같은 패드 특성이 변하고, 이러한 패드 특성은 연마공정에서 연마 속도와 평탄도에 영향을 준다. 따라서 장시간 패드를 대기한 후 웨이퍼 연마 공정을 재개할 때 도 2와 같은 순서를 따라 진행하고 있다.

도 2를 참조하면, 먼저 패드 교체 후 안정화 작업과 동일한 방법으로 패드 컨디셔닝(S1)을 실시한 후에 더미 웨이퍼와 같은 테스트 자재를 이용하여 연마한다(S2). 패드 컨디셔닝은 패드 대기시간에 따라 차이가 있어 연마 결과를 확인하여 야 한다(S3). 확인 후 양호한 결과로 판단되면 생산용 웨이퍼에 대한 연마 공정 재개(S4)를 진행하지만, 그렇지 않고 불량한 결과로 판단되면 다시 패드 컨디셔닝(S1)을 실시하여 테스트 자재에 대한 연마(S2) 후 결과 확인(S3)하는 과정을 반복하게 된다. 이러한 과정에는 당연히 많은 시간이 소요된다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 장시간 패드 대기시간에 따른 패드 특성변화를 최소화시키고 별도의 패드 컨디셔닝 작업없이 연마 속도를 유지할 수 있는 웨이퍼 연마 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 웨이퍼 연마 방법은, 연마 패드에 웨이퍼를 가압 접촉하여 웨이퍼를 연마하는 방법에 있어서, 웨이퍼 연마 종료 후 다음 웨이퍼 연마 시작 전까지 상기 연마 패드 표면의 온도를 일정하게 유지하는 것을 특징으로 한다. 상기 연마 패드 표면의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 상기 연마 패드 표면에 30~45℃의 탈이온수(DIW)를 공급할 수 있다.

패드를 장시간 대기시키는 경우 패드 특성 변화로 인해 연마 속도가 감소한다. 이를 해결하기 위하여 종래에는 도 2에 명시된 바와 같이 추가적으로 패드를 컨디셔닝한 후 공정을 재개하였으나, 본 발명에 따라 연마 패드의 표면 온도를 일정하게 유지하는 구성을 통하여 장시간 패드 대기시간에 따른 패드 특성변화를 최 소화시키고 패드 대기시간에 따른 패드 컨디셔닝 작업없이 연마 속도를 유지할 수 있게 된다.

특히, DIW 온도를 35~45℃로 유지하여 연마 패드 표면에 공급함으로써 연마 패드 표면의 온도를 일정하게 유지할 경우, 연마 속도를 6~8%까지 증가시킬 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 도면 및 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

먼저, 본 발명을 착상 및 구체화하기에 이른 실험예부터 설명하기로 한다.

도 3은 실험예에 사용된 연마 장치(10)의 개략도이다.

도 3을 참조하면, 연마 장치(10)는 턴 테이블(100), 연마 헤드(101), 연마 패드(103), 연마 슬러리 공급부(104) 등을 포함한다.

턴 테이블(100)은 회전 가능하게 설치되며 하부에는 자신의 구동축(A)을 구비하며, 도면에 도시하지는 않았지만 구동축(A)의 하부에는 구동축(A)을 회전시키는 회전수단, 예컨대 모터가 장착되어 있고 회전속도 제어가 가능하다.

연마 패드(103)는 원형의 형상을 가지며, 접착제에 의하여 턴 테이블(100) 상에 부착된다. 연마 패드(103)의 연마면인 상부면은 웨이퍼(102)와 직접 접촉에 의해 웨이퍼(102)를 기계적으로 연마한다.

연마 헤드(101)는 연마 패드(103) 상에 배치되어 연마 패드(103) 상부면에 연마하고자 하는 웨이퍼(102)의 표면이 향하도록 하기 위해 웨이퍼(102)를 그 하부면에 장착 고정하고 연마 패드(103) 상에 웨이퍼(102)를 접촉 가압한다. 보다 구체적으로, 연마 헤드(101)에 웨이퍼(102)가 고정되는 방법은 일반적으로 접착제의 일종인 왁스(wax)를 이용하거나, 연마 헤드(101)에 부착되어 있는 배킹 필름(backing film)과 웨이퍼(102) 사이에 물에 의한 표면 장력을 이용한다. 연마 헤드(101)의 상부에는 구동축(X)이 결합하고 이 구동축(X)은 모터(미도시)와 연결되어 있어 연마 헤드(101)를 회전시키며 회전속도 제어가 가능하다. 또한 이 구동축(X)은 왕복이동수단, 예컨대 리니어 모터(미도시)와도 연결되어 있어 연마 헤드(101)를 연마 패드(103)에 대하여 접근되는 방향과 이격하는 방향을 따라 왕복 이동시킨다.

본 발명에 따른 실험은 연마 헤드(101)에 웨이퍼(102)를 장착하고 연마 슬러리 공급부(104)를 통해 연마 슬러리를 분사시켜 일정 시간의 연마를 진행하였고, 컴퓨터(106)와 연결된 온도 센서(105)를 별도로 마련하여 인-시튜(in-situ)로 연마 직후 연마 패드(103) 표면의 온도를 측정하였다.

웨이퍼(102)가 연마 헤드(101)에 고정되어 연마 패드(103) 상으로 이송됨으로써 연마 공정이 시작된다. 연마 슬러리 공급부(104)는 연마 패드(103) 위로 액상의 연마 슬러리를 공급한다. 연마 패드(103) 위로 공급된 연마 슬러리는 턴 테이 블(100)의 회전에 의해 연마 패드(103)를 따라 확산되어 웨이퍼(102)와 연마 패드(103) 사이로 공급된다.

이러한 상태에서 연마 헤드(101)는 연마 패드(103)의 중심으로부터 일측에 배치되어 웨이퍼(102)를 고정시킨 상태로 자신의 구동축(X)을 중심으로 회전한다. 또한, 연마 패드(103)는 턴 테이블(100)의 회전에 의하여 턴 테이블(100)의 구동축(A)을 중심으로 함께 회전된다. 따라서, 웨이퍼(102)와 연마 패드(103)가 접촉된 상태에서, 연마 헤드(101)와 연마 패드(103)의 상대적인 운동으로 웨이퍼(102)가 연마 패드(103) 상부면에 마찰됨으로써 웨이퍼(102)의 연마가 진행되는 것이다.

한편, 패드 대기시에는 연마 슬러리 공급부(104)를 통해 DIW를 연마 패드(103) 표면에 계속 공급하고 일정 패드 대기시간 이후에 상기에 명시된 방법으로 연마 실험을 다시 진행하였다.

도 4는 패드 대기시간에 따른 연마 속도 변화를 나타낸다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 1시간 패드를 대기시킬 경우 연마 속도가 가장 급격하게 감소하였으며 1시간 이상 대기시켰을 경우에도 지속적으로 연마 속도가 감소하는 것을 보였으나 감소폭은 작았다. 이로부터 패드 대기 시에 패드 특성이 1시간 이내에 급격하게 변화가 진행되는 것으로 판단되었다.

도 5는 연마시간에 따른 패드 표면 온도에 대해 실험한 결과이다. 도 5에서 네모는 연마 공정을 1회, 동그라미는 2회, 세모는 3회 진행한 경우를 나타낸다.

기존에 연마초기 패드 표면에 공급되는 슬러리 온도와 연마간 드레싱(웨이퍼 연마 종료 후 다음 웨이퍼 연마 시작 전)에 사용되는 DIW의 온도는 상온이다. 이것 에 의하여 처음에는 낮은 패드 표면 온도를 나타내며 연마시간에 따라 인가된 압력과 회전속도가 패드와 웨이퍼 간 마찰력을 증가시켜 패드 표면의 온도가 상승한다. 이와 같이 연마초기 패드 표면의 온도를 연마 후기에 온도는 차이를 가지며, 본 발명자들은 이러한 온도차이로 인해 연마 속도의 차이를 가지고 올 수 있다고 판단하였다.

따라서, 본 발명에서는 연마 패드에 웨이퍼를 가압 접촉하여 웨이퍼를 연마하는 방법에 있어서, 웨이퍼 연마 종료 후 다음 웨이퍼 연마 시작 전까지 또는 연마 패드 교체 후 웨이퍼 연마 재개 전까지 연마 패드 표면의 온도를 일정하게 유지함으로써 패드 대기시간에 따른 연마 속도 감소를 제어하는 연마 방법을 제안하기에 이르렀다. 특히, 장시간 패드 대기에 따라 표면에 공급되는 DIW의 온도를 가열 등의 수단을 통해 상온보다 높은 것, 바람직하게는 30~45℃의 DIW를 이용하게 되면 연마 패드 표면의 온도를 일정하게 유지함으로써 패드 대기시간에 따른 연마 속도 감소를 제어할 수 있게 된다. 30℃ 미만의 온도는 종래 대비 개선의 효과가 크지 않으며 45℃ 이상의 온도는 연마 패드 특성 변화에 오히려 악영향을 미칠 수 있으므로 바람직하지 않다.

공급되는 DIW 온도에 따라 연마 속도의 변화를 알아보기 위하여 DIW 온도를 23, 35, 45℃로 나누어서 진행하였다. DIW 온도에 따라 실제 패드 표면의 측정된 온도는 23, 30, 40℃를 나타내었다. 패드 대기시간을 도 4의 결과를 바탕으로 최대 60분으로 설정하였고 각 조건에 따라 연마 속도의 변화를 실험하였다.

도 6은 패드 대기시간과 DIW 온도에 따른 연마 속도의 변화에 대한 실험 결 과를 도시하였다. 도 6에서 네모는 DIW 온도가 23℃, 동그라미는 DIW 온도가 35℃, 세모는 DIW 온도가 45℃인 경우를 나타낸다.

기존과 같이 패드 대기 중에 공급되는 DIW의 온도가 23℃로 낮은 경우에는 패드 대기시간에 따라 연마 속도가 감소하는 것을 보이나, 본 발명에 따라 DIW 온도를 35℃로 올린 경우 패드 대기시간에도 연마 속도의 변화는 거의 없었다. 또한 DIW 온도를 45℃로 올린 경우 기존 연마 속도보다 상승하였다. 즉, DIW 온도를 30~35℃로 유지할 경우 패드 대기시간에 따른 연마 속도 감소현상을 제어할 수 있으며, DIW 온도를 35~45℃로 유지할 경우 연마 속도를 6~8%까지 증가시킬 수 있다. 본 발명에 따라 이렇게 30~45℃의 DIW를 공급함으로써 연마 패드의 표면 온도를 일정하게 유지하는 경우, 장시간 패드 대기시 별도의 컨디셔닝 없이 연마 속도를 유지할 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다. 본 발명의 실시예는 예시적이고 비한정적으로 모든 관점에서 고려되었으며, 이는 그 안에 상세한 설명 보다는 첨부된 청구범위와, 그 청구범위의 균등 범위와 수단내의 모든 변형예에 의해 나타난 본 발명의 범주를 포함시키려는 것이다.

도 1은 패드 안정화 후 패드 대기시간을 10, 30, 60분 진행하였을 때 연마 속도의 변화를 실험한 결과이다.

도 2는 기존에 장시간 패드를 대기한 후 웨이퍼 연마 공정을 재개할 때의 순서도이다.

도 3은 실험예에 사용된 연마 장치의 개략도이다.

도 4는 패드 대기시간에 따른 연마 속도 변화를 나타낸다.

도 5는 연마시간에 따른 패드 표면 온도에 대해 실험한 결과이다.

도 6은 패드 대기시간과 DIW 온도에 따른 연마 속도의 변화에 대한 실험 결과를 도시하였다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10...연마 장치 100...턴 테이블 101...연마 헤드

103...연마 패드 104...연마 슬러리 공급부

Claims (2)

1. 연마 패드에 웨이퍼를 가압 접촉하여 웨이퍼를 연마하는 방법에 있어서,

   웨이퍼 연마 종료 후 다음 웨이퍼 연마 시작 전까지 상기 연마 패드 표면의 온도를 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 연마 패드 표면의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 상기 연마 패드 표면에 30~45℃의 탈이온수(DIW)를 공급하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 방법.

Images