KR20090094060A - 복수 개의 반도체 웨이퍼의 양면 동시 연마 방법 - Google Patents
복수 개의 반도체 웨이퍼의 양면 동시 연마 방법Info
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Abstract
본 발명은 각각의 반도체 웨이퍼가 롤링 장치에 의해 회전하도록 구성되어 있는 복수 개의 캐리어 중 하나의 컷아웃 내에 자유롭게 이동 가능하도록 배치되어 사이클로이드 궤도 상에서 이동하도록 되어 있으며, 또한 상기 반도체 웨이퍼는 두 개의 회전하는 링 형상의 작업 디스크 사이에서 재료 제거 방식으로 가공되고, 각각의 상기 작업 디스크는 접합 연마재를 내포한 작업 층을 포함하며, 상기 작업 층의 사이에 형성되는 작업 간극의 형태는 연마 공정 동안 결정되고, 적어도 하나의 작업 디스크의 작업 영역의 형태는 상기 작업 간극이 예정된 형태를 갖도록 하는 방식으로 작업 간극의 측정된 기하학적 형상에 따라 기계적으로 또는 열적으로 변경되는 것을 특징으로 하는 복수 개의 반도체 웨이퍼의 양면 동시 연마 방법에 관한 것이다.
본 발명은 또한, 가공 동안 반도체 웨이퍼의 일부 영역이 일시적으로 작업 간극을 떠나게 되는 것을 특징으로 하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 또한, 캐리어가 완전히 제1 재료로 이루어지거나, 이 제1 재료로 이루어진 피복재가 제2 재료로 이루어진 캐리어의 전체에 또는 일부에 피복되어, 연마 공정 동안 상기 제1 재료만이 작업 층과 기계적으로 접촉하도록 하며 연마재의 예리성을 감소시키는 작업 층과 제1 재료가 상호 작용하지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은, 각각의 반도체 웨이퍼가 롤링 장치에 의해 회전하도록 구성되어 있는 복수 개의 캐리어 중 하나의 컷아웃(cutout) 내에 자유롭게 이동가능하도록 배치되어 사이클로이드 궤도 상에서 이동하도록 되어 있으며, 또한 상기 반도체 웨이퍼는 두 개의 회전하는 링 형상의 작업 디스크 사이에서 재료 제거 방식으로 가공되고, 각각의 상기 작업 디스크는 접합 연마재를 내포한 작업 층을 포함하는, 복수 개의 반도체 웨이퍼의 양면 동시 연마 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 전자 기기, 마이크로 전자 장치 및 마이크로 전자 기계 장치는 시작 재료(물질)로서, 전체 평탄도 및 국부 평탄도, 일면 기준 국부 평탄도(나노위상학), 거칠기, 세정도, 그리고 불순물 원자, 특히 금속으로부터의 자유도와 같은 극단적인 요건을 전제로 하는 반도체 웨이퍼를 필요로 한다. 반도체 웨이퍼란 반도체 재료로 만들어진 웨이퍼를 일컫는 것이다. 또한, 반도체 재료는 예를 들어, 갈륨 비소와 같은 화합물 반도체나, 주로 규소이며 경우에 따라 게르마늄과 같은 원소 반도체, 또는 그외 이들의 층 구조체가 있다. 층 구조체의 예를 들자면, 층간 절연층 상의 소자 지탱 실리콘 상부 층(실리콘 온 인슐레이터(SOI;silicon on insulator)), 또는 실리콘 기판(변형 실리콘(s-Si)) 상에 형성된 게르마늄의 비율이 위로 갈수록 증가하는 구성의 층간 실리콘/게르마늄 층 상측의 격자-변형 실리콘 상부 층, 또는 이들 두 구조체의 조합 층 구조체(절연체 상의 변형 실리콘(sSOI))가 있다.
반도체 재료는 전자 기기 구성 요소용의 경우 단결정 형태로 사용되는 것이 바람직하며, 또는 태양 전지(광전지)용의 경우 다결정 형태로 사용되는 것이 바람직하다.
종래 기술에 따르면, 전술한 바와 같은 반도체 웨이퍼를 제조하기 위해서는, 반도체 잉곳(ingot)을 제조한 다음, 우선 이 반도체 잉곳을 보통 다중-철사 톱(다중 철사 슬라이싱(MWS) 기법)을 사용하여 박형 웨이퍼로 분할한다. 이러한 분할 공정에 이어서 하나 이상의 가공 단계를 거쳐 반도체 웨이퍼가 제조되는데, 그러한 후속 가공 단계는 일반적으로 다음과 같은 그룹으로 분류될 수 있다.
a) 기계 가공;
b) 화학적 가공;
c) 화학-기계 가공;
d) 적절한 경우 층 구조체 형성.
개개의 공정의 조합도 전술한 바와 같은 그룹에 속하는 것이며 그 순서는 의도한 용례에 따라 변할 수 있다. 또한, 가장자리 가공, 세정, 분류, 측정, 열처리, 패키징 등과 같은 다양한 이차 가공 단계가 사용된다.
종래 기술에 따른 기계 가공 단계로는, 래핑(lapping)("배치(batch)" 처리에 의한 복수 개의 반도체 웨이퍼의 양면 동시 래핑)과, 가공물의 일면을 클램핑 고정한 상태에서 이루어지는 개개의 반도체 웨이퍼의 일면 연마(SSG;single-side grinding)(보통 연속하여 양면이 연마되는 방식으로 수행됨, "일면 연마" 및 "연속 일면 연마"라 칭함), 또는 두 개의 연마 디스크 사이에서 이루어지는 개개의 반도체 웨이퍼의 양면 동시 연마(동시 "이중 디스크 연마(DDG;double-disk grinding)"라 칭함)가 있다.
화학적 가공 단계에는, 에칭욕(bath) 내에서의 알칼리성 에칭, 산성 에칭 또는 이들의 조합 에칭 단계와, 적절하다면 반도체 웨이퍼와 에칭욕을 이동시키면서 수행하는 "층류형 에칭(LFE;laminar-flow etch)", 에칭제를 웨이퍼의 중심 내로 공급하는 일면 에칭과 웨이퍼 회전을 이용한 라디얼 스핀-오프(radial spin-off) 에칭(간단히 "스핀 에칭"이라고도 함), 또는 기상(gas-phase) 에칭이 포함된다.
화학-기계 가공 단계에는, 폴리싱 슬러리(예를 들어, 알칼리성 실리카 졸)를 공급하면서 힘을 가하여 반도체 웨이퍼와 폴리싱 천을 상대 이동시킴으로써 재료의 제거가 이루어지는 폴리싱 방법이 포함된다. 종래 기술에 알려진 폴리싱 방법으로는, 배치 처리에 의한 양면 폴리싱(DSP) 방법과, 배치 처리에 의한 개개의 웨이퍼 일면 폴리싱 방법(반도체 웨이퍼를 진공을 이용하여 장착한 다음, 폴리싱 가공 동안 반도체 웨이퍼의 일면을 지지체 상에 접착제 접합하거나 부착한 상태로 수행됨)이 있다.
최종적일 수 있는 층 구조체의 형성은 보통 기상 조건하에서 수행되는 에피텍셜 증착, 산화, 증기 증착(예를 들어, 금속화 공정) 등에 의해 영향을 받는다.
특히 평면도가 우수한 반도체 웨이퍼를 생산함에 있어서는, 힘-록킹 또는 포지티브 록킹 클램핑을 사용하지 않는 "프리-플로팅(free-floating)" 방식[즉, "프리-플로팅 처리(FFP)"]의 구속력을 인가하지 않는 방식으로 반도체 웨이퍼가 광범위하게 가공되는 방식의 가공 단계가 특히 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 열 드리프트(drift)를 이용하거나 다중 철사 슬라이싱(MWS) 방법에서의 교호 하중에 의해 발생하는 바와 같은 파동 문제는 프리-플로팅 처리(FFP)를 이용하여 재료의 손실을 거의 유발하지 않고 해결될 수 있다. 종래 기술에 공지된 이러한 프리-플로팅 처리(FFP)의 예로는, 래핑, 이중 디스크 연마(DDG) 및 양면 폴리싱(DSP)이 있다.
가공 순서의 시작 단계에서는 프리-플로팅 처리(FFP), 다시 말해 보통 기계적 프리-플로팅 처리(FFP)를 한번 이상 사용하는 것이 특히 유리하다. 그 이유는, 이와 같은 기계 가공을 수행함으로써, 파동 문제를 완전히 해결하는데 필요한 최소한도의 재료 제거 작업이 특히 신속하면서도 경제적으로 이루어질 수 있기 때문이며, 또한, 재료의 제거량이 많은 경우에 사용되는 화학적 가공 또는 화학 기계적 가공의 차별적인 에칭의 단점을 방지할 수 있기 때문이다.
그러나, 프리-플로팅 처리(FFP)가 전술한 바와 같은 장점을 얻을 수 있기 위해서는, 하중이 동일한 리듬으로 연속적으로 가해지는 상태에서 가공 공정이 중단 없이 대규모로 이루어지는 방식으로 방법이 수행될 수 있어야만 한다. 그 이유는, 필요할 수도 있는 셋팅, 트루잉(truing) 또는 드레싱 공정이나 빈번하게 요구되는 공구 변경을 위해 공정을 중단하여야 하는 경우 예측 불가능한 "냉간 시동(cold start)" 작용을 야기하는데, 이 냉간 시동 작용은 프리-플로팅 처리 방법의 소정의 유리한 특징을 무효화하며 경제적인 실행 가능성에 악영향을 미치기 때문이다.
래핑 공정의 경우, 저밀도로 공급된 래핑 입자의 롤링 운동의 결과 깨지기 쉬운 부식성 재료가 제거됨으로 인해 반도체의 표면에 상당히 심각한 손상 깊이 및 거칠기를 초래하게 된다. 따라서, 래핑 공정은 상기와 같은 손상 표면 층을 제거하기 위한 복잡한 후속 가공을 필요로 하여, 결과적으로 래핑 공정이 갖고 있는 장점이 무효화되는 문제가 있다. 더욱이, 공급 입자가 반도체 웨이퍼의 가장자리로부터 중심으로 이송되는 과정에서 공급된 입자의 예리성이 고갈되거나 상실됨으로 인해, 래핑 공정은 항상, 웨이퍼의 가장자리로 갈수록 두께가 감소하는["에지 롤-오프(edge roll-off)" 현상] 바람직하지 못한 볼록한 형태의 두께 프로파일을 갖는 반도체 웨이퍼를 초래한다.
이중 디스크 연마(DDG)는 기본적으로, 운동학적 이유로 인해 반도체 웨이퍼의 중심(연마 중심)에서 재료가 보다 많이 제거되도록 한다. 특히, 구조적인 측면에서 바람직한 직경이 작은 연마 디스크를 사용하는 경우에는, 마찬가지로 웨이퍼 두께에 있어서 "에지 롤-오프" 현상을 야기하며, 또한, 반도체 웨이퍼를 변형[변형에 의해 야기된 뒤틀림(warpage)]시키는 이방성(반경 방향 대칭성) 가공 흔적을 초래한다.
독일 특허 제10344602 A1호에는, 복수 개의 반도체 웨이퍼가 각기, 링 형상의 외부 구동 링과 링 형상의 내부 구동 링에 의해 회전하도록 구성되어 있는 복수 개의 캐리어 중 하나의 개개의 컷아웃 내에 배치됨으로써, 특정한 기하학적 경로 상에 유지된 상태로, 접합 연마재가 피복되어 있는 두 개의 회전 작업 디스크 사이에서 재료 제거 방식으로 기계 가공되도록 하는 기계적 프리-플로팅 처리(FFP) 방법이 개시되어 있다. 상기 연마재는 예를 들어, 미국 특허 제6,007,407호에 개시된 바와 같은, 사용 장치의 작업 디스크에 고정된 필름 또는 "천"으로 구성되어 있다.
그러나, 전술한 방법에 의해 가공된 반도체 웨이퍼는 일련의 결점을 갖고 있어 특정한 요구를 갖는 용례에는 부적당한 것으로 밝혀졌다. 따라서, 예를 들어, 뚜렷한 에지 롤-오프 현상을 보이는 바람직하지 못한 볼록한 두께 프로파일을 갖는 반도체 웨이퍼가 일반적으로 초래하는 것으로 밝혀졌다. 또한, 이렇게 해서 얻어진 반도체 웨이퍼는 종종 불규칙한 파동을 나타내는 두께 프로파일을 구비하는 것 외에도 손상 깊이가 심한 거친 표면을 갖는다. 이와 같은 과도한 손상 깊이는 상기 독일 특허 제10344602 A1호에 개시된 방법의 장점을 무효화하는 복잡한 후속 가공 공정을 필요로 하는 문제가 있다. 볼록한 두께 프로파일 및 에지 롤-오프 현상이 남아 있는 경우에는 포토리소그라피 소자 패터닝 동안 부정확한 노광 공정을 야기하여, 결과적으로 구성 부품의 고장을 야기하게 된다. 따라서, 전술한 바와 같은 유형의 반도체 웨이퍼는 특정 요구의 용례에는 부적당하다고 말할 수 있다.
또한, 특히 선호되고 있는 다이아몬드를 연마재로 사용하는 경우, 종래 기술에 공지된 캐리어 재료는 크게 마모되며 이렇게 해서 발생한 연마 물질은 작업 층의 절삭 성능(예리성)에 악영향을 미치는 것으로 밝혀졌다. 이에 따라, 캐리어의 수명이 비경제적인 수준까지 단축되는 한편, 작업 층의 빈번한 비생산적인 재드레싱 처리가 필요하게 되는 문제가 있다. 더욱이, 종래 기술에 따른 래핑 공정에는 특히, 스테인레스 강과 같은 금속 합금으로 이루어진 캐리어가 사용되는데 이러한 캐리어가 갖고 있는 저마모 장점은 본 발명에 따른 방법을 수행하기에는 특히 부적당한 것으로 밝혀졌다. 따라서, 일 예로서, 스테인레스강 캐리어의 경우 공지된 바와 같은 철/강 중에서의 탄소의 높은 용해도로 인해 본 발명에 따른 방법에서 작업 층의 연마재로서 바람직하게 사용되고 있는 다이아몬드의 즉각적인 취화 및 무뎌짐 현상이 야기된다. 더욱이, 반도체 웨이퍼 상에 탄화철 층 및 산화철 층과 같은 바람직하지 못한 퇴적물이 형성되는 것이 관찰되었다. 압력에 의해 야기되는 강제 마모에 의한 무딘 작업 층의 자체 드레싱 효과를 억제한다는 측면에서는 높은 연마 압력이 부적당한데, 그 이유는 반도체 웨이퍼의 변형을 야기할 수 있으며 프리-플로팅 처리(FFP)의 장점이 무효화 되기 때문이다. 더욱이, 반복적으로 발생하는 전체 연마 입자의 분출 현상은 반도체 웨이퍼의 바람직하지 못한 수준의 과도한 거칠기 및 손상을 야기한다. 캐리어의 고유 중량으로 인해 상하부 작업 층의 무뎌짐 정도가 서로 달라질 수 있어, 결과적으로 반도체 웨이퍼의 전후면의 거칠기 및 손상 또한 달라지게 된다. 밝혀진 바와 같이, 이 경우 반도체 웨이퍼는 비대칭적인 파동을 나타내어, 다시 말해 바람직하지 못한 수준의 과도한 "휨(bow)" 및 "와프(warp)"(변형에 의해 유발된 뒤틀림)를 초래한다.
따라서, 본 발명의 목적은, 선 폭이 매우 좁은("설계 규칙") 전자 기기 부품을 생산하기에 적당한 기하학적 형상을 갖는 반도체 웨이퍼를 제공하는 것이다. 본 발명의 목적은 특히, 예를 들어, 반도체 웨이퍼의 가장자리로 갈수록 두께가 연속적으로 감소하여 웨이퍼의 중심에서 두께가 최대가 되는 구성, 에지 롤-오프 현상, 또는 반도체 웨이퍼 중심에서의 국부적인 두께 최소화와 같은 기하학적 오류를 방지하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 반도체 웨이퍼의 과도한 표면 거칠기 또는 손상을 방지하기 위한 것이다. 특히, 본 발명의 목적은 활 모양 휨 및 뒤틀림이 적은 반도체 웨이퍼를 생산하기 위한 것이다.
마지막으로, 본 발명의 목적은 경제적인 작동이 가능하도록 하기 위하여, 마모 부품의 빈번한 교체나 복원을 방지할 수 있도록 연마 방법을 개선하기 위한 것이다.
전술한 목적은, 각각의 반도체 웨이퍼가 롤링 장치에 의해 회전하도록 구성되어 있는 복수 개의 캐리어 중 하나의 컷아웃 내에 자유롭게 이동 가능하도록 배치되어 사이클로이드 궤도 상에서 이동하도록 되어 있으며, 또한 상기 반도체 웨이퍼는 두 개의 회전하는 링 형상의 작업 디스크 사이에서 재료 제거 방식으로 가공되고, 각각의 상기 작업 디스크는 접합 연마재를 내포한 작업 층을 포함하며, 상기 작업 층의 사이에 형성되는 작업 간극의 형태는 연마 공정 동안 결정되고, 적어도 하나의 작업 디스크의 작업 영역의 형태는 상기 작업 간극이 예정된 형태를 갖도록 하는 방식으로 작업 간극의 측정된 기하학적 형상에 따라 기계적으로 또는 열적으로 변경되는 것을 특징으로 하는 복수 개의 반도체 웨이퍼의 양면 동시 연마를 위한 제1 방법에 의해 달성된다.
마찬가지로, 전술한 목적은, 각각의 반도체 웨이퍼가 롤링 장치에 의해 회전하도록 구성되어 있는 복수 개의 캐리어 중 하나의 컷아웃 내에 자유롭게 이동가능하도록 배치되어 사이클로이드 궤도 상에서 이동하도록 되어 있으며, 또한 상기 반도체 웨이퍼는 두 개의 회전하는 링 형상의 작업 디스크 사이에서 재료 제거 방식으로 가공되고, 각각의 상기 작업 디스크는 접합 연마재를 내포한 작업 층을 포함하며, 가공 동안 상기 반도체 웨이퍼는 그 일부 영역이 일시적으로 상기 작업 층에 의해 범위가 한정되는 작업 간극을 떠나게 되며, 반경 방향에서의 최대 오버런은 반도체 웨이퍼의 직경의 0% 초과 최대 20%의 범위이고, 상기 오버런은 반경 방향으로 측정한 작업 디스크에 대한 상대적인 길이로서 정의되며, 이 오버런에 의해 반도체 웨이퍼가 연마 공정 동안 적시에 특정 지점에서 작업 간극의 내부 또는 외부 가장자리를 초과하여 돌출되는 것을 특징으로 하는 복수 개의 반도체 웨이퍼의 양면 동시 연마를 위한 제2 방법에 의해 달성된다.
또한, 전술한 목적은 각각의 반도체 웨이퍼가 롤링 장치에 의해 회전하도록 구성되어 있는 복수 개의 캐리어 중 하나의 컷아웃 내에 자유롭게 이동가능하도록 배치되어 사이클로이드 궤도 상에서 이동하도록 되어 있으며, 또한 상기 반도체 웨이퍼는 두 개의 회전하는 링 형상의 작업 디스크 사이에서 재료 제거 방식으로 가공되고, 각각의 상기 작업 디스크는 접합 연마재를 내포한 작업 층을 포함하며, 상기 캐리어는 완전히 제1 재료로 이루어지거나, 제2 재료로 이루어진 캐리어가 제1 재료로 완전히 또는 부분적으로 피복되어, 연마 공정 동안 상기 제1 재료만이 작업 층과 기계적으로 접촉하도록 하는 한편 연마재의 예리성을 감소시키는 작업 층과의 상호 작용을 갖지 않도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 복수 개의 반도체 웨이퍼의 양면 동시 연마를 위한 제3 방법에 의해 달성된다.
전술한 방법은 각기 특성이 크게 개선된 반도체 웨이퍼를 생산하기에 적당하다.
또한, 전술한 세 개의 방법 중 두 개를 조합하거나 특히 바람직하게는 세 개 모두를 조합한 방법은 특성이 특히 크게 개선된 반도체 웨이퍼를 생산하기에 적당하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 복수 개의 반도체 웨이퍼의 양면 동시 연마 방법에 의하면, 가공 반도체 웨이퍼의 과도한 표면 거칠기 또는 손상을 방지할 수 있으며, 마모 부품의 빈번한 교체나 복원을 방지하여, 경제적인 작동을 달성할 수 있다.
또한, 본 발명은 특성이 크게 개선된 반도체 웨이퍼를 생산할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 방법을 수행하기에 적당한 장치를 도시한 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 방법을 수행하기에 적당한 장치의 하부 작업 디스크를 도시한 평면도.
도 3은 본 발명에 따른 방법을 수행하기에 적당한 장치의 작업 디스크 사이의 작업 간극 변경 원리를 도시한 도면.
도 4는 서로 다른 온도에서의, 본 발명에 따른 방법을 수행하기에 적당한 장치의 두 개의 작업 디스크에 의해 형성되는 작업 간극의 반경 방향 프로파일을 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 작업 간극 변경 방식을 채용하지 않고 가공된 반도체 웨이퍼의 기하학적 분포와, 본 발명에 따른 작업 간극 변경 방식으로 가공된 반도체 웨이퍼의 TTV의 누적 도수 분포를 비교 도시한 도면[여기서, TTV(total thickness variation)는 반도체 웨이퍼의 최대 두께와 최소 두께 사이의 차이].
도 6은 작업 디스크의 형태를 제어함으로써 본 발명에 따라 대략 일정하게 유지되는 작업 간극의, 가공 동안 측정된, 게이프(gape)와 이에 따른 작업 간극의 서로 다른 위치에서의 표면 온도를 도시한 도면(여기서, 게이프는 작업 디스크의 외부 가장자리 부근에서의 작업 간극의 폭과 작업 디스크의 내부 가장자리 부근에서의 작업 간극의 폭 사이의 차이).
도 7은 가공 동안 본 발명에 따른 방식으로 제어가 이루어지지 않은 작업 간극의, 가공 동안 측정된, 게이프와 작업 간극의 서로 다른 위치에서의 온도 변화를 도시한 도면.
도 8은 본 발명에 따른 방법에 의해 가공되어, 가공 동안 일부 영역이 일시적으로 작업 간극을 떠나게 되는 반도체 웨이퍼의 두께 프로파일을 도시한 도면.
도 9는 본 발명에 따르지 않은 방법에 의해 가공되어, 전체 가공 동안 전체 영역이 작업 간극에 남아 있는 반도체 웨이퍼의 두께 프로파일을 도시한 도면.
도 10은 본 발명에 따르지 않은 방법에 의해 가공되어, 가공 동안 일부이긴 하지만 과도하게 넓은 영역이 일시적으로 작업 간극을 떠나게 되는 반도체 웨이퍼의 두께 프로파일을 도시한 도면.
도 11은 본 발명에 따른 캐리어가 사용된 경우의, 본 발명에 따른 방법에 의한 연속적인 가공 과정에 따른 반도체 웨이퍼로부터의 평균 재료 제거율을 도시한 도면.
도 12는 본 발명에 따르지 않은 캐리어가 사용된 경우의, 본 발명에 따르지 않은 방법에 의한 연속적인 가공 과정에 따른 평균 제거율을 도시한 도면.
도 13은 본 발명에 따르지 않은 방법에 의해 가공된 반도체 웨이퍼와, 본 발명에 따른 방법에 의해 가공된 반도체 웨이퍼의 와프(warp)를 비교 도시한 도면.
도 14는 본 발명에 따른 방법에 의해 가공되지 않은 경우의 불균일한 재료 제거율을 나타내는 웨이퍼와, 장치의 두 개의 작업 층이 동일한 재료 제거율을 나타내는 본 발명에 따른 방법에 의해 가공된 반도체 웨이퍼의 전면 및 후면의 표면 손상 깊이["표면 속 손상(SSD;sub-surface damage)"]를 비교 도시한 도면.
도 15는 본 발명에 따른 방법에 의해 가공되지 않은 경우의 불균일한 재료 제거율을 나타내는 웨이퍼와, 장치의 두 개의 작업 층이 동일한 재료 제거율을 나타내는 본 발명에 따른 방법에 의해 가공된 반도체 웨이퍼의 전면 및 후면의 표면 거칠기를 비교 도시한 도면.
도 16은 작업 간극이 제어되는 본 발명에 따른 방법에 의해 가공된 반도체 웨이퍼의 두께 프로파일을 도시한 직경 방향 단면도.
도 17은 작업 간극이 제어되지 않는 본 발명에 따르지 않은 방법에 의해 가공된 반도체 웨이퍼의 두께 프로파일을 도시한 직경 방향 단면도.
도 18은 각종 시험 재료에 대한 "가속 마모 시험"에서의 캐리어의 마모율을 도시한 도면.
도 19는 캐리어의 각종 시험 재료에 대한 "가속 마모 시험"에서의 캐리어의 마모 및 반도체 웨이퍼로부터의 재료 제거 비율을 도시한 도면.
도 20은 캐리어의 각종 시험 재료에 대한 "가속 마모 시험"에서의 가공 기간에 따른 작업 층의 절삭 능력의 상대적인 변경을 도시한 도면.
도 21은 본 발명에 따른 단층 캐리어(고체 재료)의 예시적인 실시예를 도시한 도면.
도 22는 완전 또는 부분 피복재를 이용한 본 발명에 따른 복층 캐리어의 예시적인 실시예를 도시한 도면.
도 23은 하나 이상의 "노브(knob)" 또는 세장형 "바(bar)" 형태의 부분 영역의 피복재를 이용한 본 발명에 따른 캐리어의 예시적인 실시예를 도시한 도면.
도 24는 치형 외부 링과 삽입 요소를 포함하는 본 발명에 따른 캐리어의 예시적인 일 실시예를 도시한 도면.
도 25는 본 발명에 따른 반경 방향 대칭 힘의 작용 하에서의 작업 디스크의 형태 조절 원리를 도시한 도면.
도 26은 본 발명에 따른 작업 간극의 신속한 온도 제어와 작업 디스크 형태의 완만한 제어 조합에 의한 작업 간극의 기하학적 형상의 제어 원리를 도시한 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 상부 작업 디스크 4 : 하부 작업 디스크
7 : 내부 구동 링 9 : 외부 구동 링
11 : 상부 작업 층 12 : 하부 작업 층
13 : 캐리어 14 : 반도체 웨이퍼 수용 컷아웃
15 : 반도체 웨이퍼 16 : 반도체 웨이퍼의 중심점
17 : 롤링 장치의 캐리어 중심점의 피치 원
18 : 반도체 웨이퍼상의 기준점
19 : 반도체 웨이퍼상의 기준점의 궤도
21 : 캐리어의 중심점 22 : 롤링 장치의 중심점
23 : 웨이퍼 변형을 위한 작동 요소 30 : 작업 간극
30a : 작업 간극 외측의 폭 30b : 작업 간극 내측의 폭
34 : 작동제 공급 홀
35 : 측정 장치 작업 간극 온도(내측)
36 : 측정 장치 작업 간극 온도(외측)
37 : 측정 장치 작업 간극 폭(내측) 38 : 측정 장치 작업 간극 폭(외측)
39 : TTV 분포(작업 간극 통제 하에 가공된 경우)
40 : TTV 분포(작업 간극 통제 없이 가공된 경우)
41 : 가공 동안의 작업 간극 차 42 : 작업 간극 외측의 온도
43 : 작업 간극 내측의 온도 44 : 작업 간극 중심의 온도
45 : 오버런을 사용한 가공 후의 두께 프로파일
46 : 오버런을 사용하지 않은 가공 후의 두께 프로파일
47 : 오버런을 사용하지 않은 가공 후의 에지-롤-오프
48 : 예리성 손상 없는 캐리어를 이용한 제거율
49 : 예리성 감소 캐리어를 이용한 제거율
50 : 노치 방향에서 본 두께 프로파일
51 : 노치에 대하여 45°의 각도에서 본 두께 프로파일
52 : 평균 두께 프로파일
53 : 노치에 대하여 135°의 각도에서 본 두께 프로파일
54 : 비대칭 재료 제거 후의 와프(warp) 55 : 대칭 재료 제거 후의 와프
56 : 과도한 오버런의 경우의 노치
57 : 상부 작업 디스크(체적부)의 온도
58 : 대칭 재료 제거 후의 거칠기/손상
59 : 비대칭 재료 제거 후의 거칠기/손상
65 : 노치에 대하여 90°의 각도에서 본 두께 프로파일
66 : 작업 간극을 통제하지 않은 경우의 볼록성
67 : 캐리어의 재료 참조 기호 68 : 캐리어의 마모율
69 : 반도체 웨이퍼의 재료 제거 및 캐리어의 마모 비율
70 : 10분 후의 작업 층의 절삭 능력
71 : 30분 후의 작업 층의 절삭 능력
72 : 60분 후의 작업 층의 절삭 능력
73 : 10분 내지 60분 후의 작업 층의 절삭 능력
74 : (불완전)작업 층의 절삭 능력의 일시적인 발달
75 : 캐리어의 외부 치형부 76 : 캐리어의 컷아웃
77 : 반도체 웨이퍼를 수용하기 위한 개구의 라이닝
78 : 라이닝과 캐리어의 포지티브-록킹 연결을 위한 치형부
79a : 캐리어 전면 피복재 79b : 캐리어 후면 피복재
80 : 캐리어 피복재에 형성된 에지부
81 : 원형 "노브" 형태의 캐리어의 부분 영역 피복재
82 : 세장형 "바" 형태의 캐리어의 부분 영역 피복재
83 : 캐리어에 부분 영역 피복재를 접합하기 위한 접착제
84 : 캐리어의 연속적인, 포지티브-록킹 구성의 부분 영역 피복재
85 : 캐리어의 코킹(리벳) 고정된 연속적인 부분 영역 피복재
86 : 캐리어의 치형 외부 링 87 : 캐리어의 삽입 요소
90 : 내부 간극 측정 센서 측정 변수
91 : 외부 간극 측정 센서 측정 변수
92 : 거리 신호 차동 요소 93 : 간극 조절용 제어 요소
94 : 간극 조절용 조절 변수 95 : 내부 온도 센서 측정 변수
96 : 외부 온도 센서 측정 변수 97 : 온도 신호 차동 요소
98 : 간극 온도 조절용 제어 요소 99 : 간극 온도 조절용 조절 변수
A : 캐리어의 상대적인 마모율 ASR : 작업 디스크 반경
D : 두께 F : 힘
G : 반도체 웨이퍼의 재료 제거 및 캐리어의 마모 비율("G 계수")
H : 도수(누적 분포) MAR : 평균 제거율
R : 반경(반도체 웨이퍼) RG : 상대적인 간극 폭(상대적인 간극)
RMS(root-mean-square) : 거칠기 S : 작업 층의 상대적인 절삭 능력
SSD : 표면 속 손상 t : 시간
T : 온도 TTV : 최대 두께 편차
W : 와프
본 발명에 따른 방법을 수행하기에 적당한 장치의 서술
도 1에는 본 발명에 따른 방법을 수행하기에 적당한, 종래 기술에 따른 장치의 필수 구성 요소가 도시되어 있다. 도 1은 예를 들어, 독일 특허 제10007390 A1호에 개시된, 반도체 웨이퍼와 같은 디스크 형상의 가공물을 기계 가공하기 위한 두 개의 디스크 사용 장치의 기본 구성이 개략적으로 도시된 사시도이며, 도 2는 상기 장치의 하부 작업 디스크를 도시한 평면도이다.
전술한 바와 같은 유형의 장치는 상부 작업 디스크(1)와, 하부 작업 디스크(4), 그리고 내부 치형 링(7)과 외부 치형 링(9)으로 형성된 롤링 장치를 포함하며, 상기 롤링 장치에 캐리어(13)가 삽입되어 있다. 이러한 유형의 장치의 작업 디스크는 링 형상으로 형성되어 있다. 또한, 상기 캐리어는 반도체 웨이퍼(15)를 수용하는 컷아웃(14)을 구비한다. 컷아웃은 일반적으로, 반도체 웨이퍼의 중점(16)이 캐리어의 중점(21)에 대하여 이심률(e)로 배치되도록 배열되어 있다.
가공 동안, 작업 디스크(1,4)와 치형 링(7,9)은 각기 회전 속도(no, nu, ni, na)로, 전체 장치(4방 구동체)의 중심점(22)을 중심으로 동심적으로 회전한다. 그 결과 캐리어는, 한편으로는 중심점(22)을 중심으로 피치 원(17) 상에서 순환하며, 다른 한편으로는 동시에 캐리어 개개의 중심점(21)을 중심으로 제자리에서 회전한다. 반도체 웨이퍼의 임의의 기준점(18)에 있어서, 하부 작업 디스크(4) 또는 작업 층(12)에 대하여 특징적인 궤도(19)(운동학)가 초래하며, 이 궤도를 트로코이드(trochoid)라 한다. 트로코이드는 모든 규칙적인, 단축 또는 연장 에피사이클로이드(epicycloid) 또는 하이포사이클로이드(hypocycloid)의 보편적인 일 예로서 이해하면 된다.
상부 작업 디스크(1)와 하부 작업 디스크(4)는 각기 연마재가 접합되어 있는 작업 층(11, 12)을 지탱하고 있다. 적당한 작업 층의 일 예가, 미국 특허 제6,007,407호에 개시되어 있다. 작업 층은 신속한 장착 또는 해체가 가능하도록 구성되는 것이 바람직하다. 작업 층(11, 12)의 사이에 형성된 사이 공간을 작업 간극(30)이라 하는데, 가공 동안 반도체 웨이퍼가 이 작업 간극 내에서 이동하게 된다. 이러한 작업 간극의 폭은 작업 층의 표면에 대해 수직 방향으로 측정되며, 소정 위치(특히, 반경 방향 위치)에 좌우되는 것을 특징으로 한다.
적어도 하나의 작업 디스크, 예를 들어, 상부 작업 디스크(1)는 홀(34)을 구비하며, 이 홀을 통해 작동제, 예를 들어, 냉각 윤활제가 작업 간극(30)으로 공급될 수 있다.
본 발명에 따른 제1 방법을 수행하기 위하여, 바람직하게는, 두 개의 작업 디스크 중 적어도 하나에, 예를 들어, 상부 작업 디스크에 적어도 두 개의 측정 장치(37, 38)가 장착되는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 이중 하나의 측정 장치(37)는 링 형상의 작업 디스크의 내부 가장자리에 가능한 한 근접하여 배치되고, 다른 하나의 측정 장치(38)는 작업 디스크의 외부 가장자리에 가능한 한 근접하여 배치된다. 이들 측정 장치는 작업 디스크 개개의 근거리 무접촉 측정을 수행한다. 이러한 유형의 장치는 종래 기술에 공지된 것으로서, 예를 들어, 독일 특허 제102004040429 A1호에 개시되어 있다.
본 발명에 따른 제1 방법의 특히 바람직한 일 구현예에서는, 두 개의 작업 디스크 중 적어도 하나에, 예를 들어, 상부 작업 디스크에 적어도 두 개의 측정 장치(35, 36)가 추가로 장착되며, 바람직하게는 이중 하나의 측정 장치(35)는 링 형상의 작업 디스크의 내부 가장자리에 가능한 한 근접하여 배치되고, 다른 하나의 장치(36)는 작업 디스크의 외부 가장자리에 가능한 한 근접하여 배치된다. 이들 측정 장치는 작업 간극 내부의 개개의 위치에서 온도 측정을 수행한다.
종래 기술에 따르면, 전술한 유형의 장치의 작업 디스크는 일반적으로, 작업 온도를 설정하기 위한 장치를 포함한다. 일 예로서, 작업 디스크에는 냉각 유로가 제공되어, 이 냉각 유로를 통해 냉각제, 예를 들어, 물이 유동하도록 되어 있으며, 이러한 냉각제의 온도는 서모스탯을 사용하여 조절된다. 이러한 유형의 적당한 장치의 일 예가 독일 특허 제19937784 A1호에 개시되어 있다. 공지된 바에 따르면, 상기 작업 디스크의 온도가 변경되는 경우, 작업 디스크의 형태 또한 변경된다.
종래 기술에는 또한, 작업 간극으로부터 멀리 위치한 작업 디스크의 일면에 대칭적으로 반경 방향 작용력을 가하는 방식으로, 하나 또는 두 개의 작업 디스크의 형태, 그리고 그에 따른 작업 디스크 사이의 작업 간극의 프로파일을 원하는 방식으로 변경하도록 사용될 수 있는 장치가 개시되어 있다. 독일 특허 제19954355 A1호에는, 온도 조절 장치에 의해 가열 또는 냉각될 수 있는 작동 요소의 열 팽창을 이용하여 전술한 바와 같은 작용력을 생성하는 방법이 개시되어 있다. 그 외에도, 하나 또는 두 개의 작업 디스크의 소정의 변형이 가능하도록 할 수 있는 방법으로는, 예를 들어, 기계적인 유압식 조절 장치를 사용하여 필요한 반경 방향 힘(F)을 생성하는 방법이 포함될 수도 있다. 이 경우, 유압식 조절 장치의 압력을 변경함으로써 작업 디스크의 형태를 변경할 수 있으며, 그에 따라 작업 간극의 형태 또한 변경할 수 있다. 그러나, 유압식 조절 장치 대신, 압전(피에조-크리스탈 타입) 작동 요소나 자기 변형 작동 요소(전류가 통과하게 되는 코일) 또는 전기 역학적 작동 요소("보이스 코일 액츄에이터(voice coil actuator)")가 또한 사용할 수 있다. 이 경우, 작업 간극의 형태는 작동 요소의 전류 또는 전압에 영향을 미치는 방식으로 변경 가능하다.
도 25a 및 도 25b에는, 상부 작업 디스크(1)에 작용하여 상부 작업 디스크를 변형시키는 조절 장치(23)를 이용한 작업 간극(30)의 형태 변경 방식이 개략적으로 도시되어 있다.
도시된 장치는 특히, 작업 디스크의 볼록 변형률 또는 오목 변형률을 원하는 방식으로 설정하도록 사용될 수 있다. 이러한 볼록 또는 오목 변형률은 특히, 가공 동안의 교호 하중에 의한 작업 간극의 바람직하지 못한 변형을 방지하는데 적합하다. 작업 디스크의 오목한 형태로의 변형률(도면의 좌측 참조) 및 볼록한 형태로의 변형률(도면의 우측 참조)이 도 3에 기본적인 개략도로 도시되어 있다. 여기서, 도면 부호 30b는 링 형상의 작업 디스크의 내부 가장자리 부근에서의 작업 간극(30)의 폭을 나타내며, 도면 부호 30a는 작업 디스크의 외부 가장자리 부근에서의 작업 간극의 폭을 나타낸다.
본 발명에 따른 제1 방법의 서술
본 발명의 제1 방법에 따르면, 작업 층의 사이에 형성되는 작업 간극의 형태는 연마 가공 동안 결정되며, 적어도 하나의 작업 디스크의 작업 영역의 형태는 작업 간극이 예정된 형태를 가질 수 있도록 하는 방식으로 작업 간극의 측정된 기하학적 형상에 기초하여 기계적인 방식으로 또는 열적인 방식으로 변경된다.
바람직하게는, 적어도 마지막 10%의 재료 제거 동안 작업 간극의 최대 폭과 최소 폭 사이의 차이 대 작업 디스크의 폭의 비율이 최대 50ppm이 되도록 작업 간극의 형태가 제어된다. 여기서, "작업 디스크의 폭"이라 함은 링 형상 작업 디스크의 반경 방향 폭을 의미하는 것임을 이해하여야 한다. 한편, 작업 층이 작업 디스크의 전체 영역에 걸쳐 피복되어 있지 않은 경우에는, "작업 디스크의 폭"이라 함은 작업 층이 피복되어 있는 작업 디스크 영역에서의 링 폭을 의미하는 것임을 이해하여야 한다. 또한, "적어도 마지막 10%의 재료 제거 동안"이라 함은 마지막 10% 내지 100%의 재료 제거 동안 상기 조건 "최대 50ppm"이 충족됨을 의미한다. 따라서, 본 발명에 따르면 전체 연마 공정 동안 상기 조건이 충족될 수 있다. "최대 50ppm"이라 함은 0ppm 내지 50ppm의 범위 이내의 값을 의미하는 것으로, 1ppm은 10-6과 같은 값이다.
바람직하게는, 연마 공정 동안, 적어도 하나의 작업 디스크에 합체되어 있는 적어도 두 개의 무접촉 거리 측정 센서를 사용하여 간극의 경로가 연속적으로 측정된다. 또한, 작업 디스크의 바람직하지 못한 변형을 야기하는 것으로 공지되어 있는 가공 동안의 교호 열 하중에도 불구하고 항상 소정의 작업 간극 코스를 얻을 수 있도록, 두 개의 작업 디스크 중 적어도 하나는 원하는 변형 측정값을 사용하여 지속적으로 재조절된다.
본 발명에 따른 제1 방법의 바람직한 일 실시예에 있어서, 작업 디스크의 전술한 냉각 유로는 작업 디스크의 형태를 제어하도록 사용된다. 이 작업 디스크의 형태 제어 방법은, 우선, 작업 디스크의 여러 온도 조건에서의, 사용된 연마 장치의 휴지 상태에서의 작업 간극의 반경 방향 프로파일을 결정하는 단계를 포함한다.
이를 위해, 일 예로서, 일정한 하중이 인가되며 세 개의 일정 지점에서의 최종 측정값이 동일하다는 조건을 갖는 상부 작업 디스크가 하부 작업 디스크에 대해 명목상 균일한 거리에 위치하도록 되며, 이들 작업 디스크의 사이에 초래하는 간극의 반경 방향 프로파일이 예를 들어, 마이크로미터 탐침을 사용하여 결정된다. 이러한 간극 프로파일 결정은 작업 디스크의 서로 다른 각각의 냉각 회로 온도에 대해 수행된다. 이러한 단계를 수행함으로써, 온도에 따른 작업 디스크의 형태 및 작업 간극의 형태 변경 특징을 구할 수 있다.
가공 동안, 무접촉 거리 측정 센서를 사용하여 연속적으로 거리를 측정함으로써, 작업 간극의 반경 방향 프로파일에 있어서의 가능한 변경이 결정되어, 작업 간극이 항상 소정의 반경 방향 프로파일을 유지하도록 공지된 온도 특성에 따라 작업 디스크의 온도를 원하는 방식으로 조절하는 방식으로 반작용적인 방식으로 제어된다. 작업 디스크의 온도 조절은 또한, 예를 들어, 가공 동안 작업 디스크의 냉각 유로에 대한 서모스탯을 이용하여 측정한 유동 유체의 온도를 원하는 방식으로 변경함으로써 이루어진다.
본 발명에 따른 전술한 바와 같은 제1 방법은, 가공 동안 작업 간극의 형태가 바람직하지 못한 방식으로 변경된다는 관찰 결과에 기초한 것으로서, 이러한 작업 간극 형태 변경은 예를 들어, 작업 디스크의 온도를 일정하게 조절하는 기능만을 갖춘 종래 기술에 따른 방법으로는 방지할 수 없다. 이러한 바람직하지 못한 간극 변경은 예를 들어, 가공 동안 인가되는 교호 열 하중에 의해 야기되는 것이다. 이는 공작물의 가공 과정에서 재료가 제거되는 동안 수행되는 재료 제거 작업에 기인할 수도 있으며, 이러한 작업은 가공 공정 중의 연마 공구의 예리성 변화에 따라 크게 달라질 수 있다. 또한, 일반적으로 가공 중에 선정되는 서로 다른 가공 압력(상부 작업 디스크에 인가된 하중)으로 인해 그리고 서로 다른 가공 속도(운동학적)에서의 작업 디스크의 흔들림 정도가 변함에 따라, 작업 디스크의 기계적 변형이 발생하게 된다. 작업 디스크의 바람직하지 못한 변형을 야기하는 가공 조건 변경의 다른 예를 들자면, 특정 작동제가 작업 간극에 추가된 경우의 화학 반응 에너지가 있다. 마지막으로, 장치 구동부 자체의 동력 손실로 인해 작동 조건이 연속적으로 변할 수 있다.
전술한 제1 방법의 다른 실시예에 있어서, 작업 간극의 온도 조절은, 가공 동안 작업 간극에 공급되는 작동 매체(냉각 윤활제, "연마수")를 사용하여, 작업 간극이 소정의 형태를 갖도록 상기 작동 매체의 체적 유량 또는 온도 진행 경과를 변경함으로써 수행된다. 이 경우, 상기 언급한 두 개의 제어 측정치를 조합하는 것이 특히 유리한데, 그 이유는 작업 디스크의 온도 조절에 따른 형태 변경 반응 시간과 연마수 공급은 서로 다른 문제로서, 작업 간극이 요건에 보다 잘 부합하는 방식으로 제어될 수 있도록 하기 때문이다. 제어 요건은 예를 들어, 소정 재료 제거율과, 상이한 연마 압력과, 서로 다른 조성의 작업 층의 상이한 절삭 특성 등이 변경되는 경우 변할 수 있다.
또한, 가공 동안 작업 간극의 서로 다른 위치의 온도(온도 프로파일)를 결정하는 온도 센서를 사용하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 작업 간극의 온도가 변함에 따라, 가공 동안 작업 간극 형태의 바람직하지 못한 변경을 종종 초래하는 것으로 알려져 있기 때문이다. 이와 같은 온도 변화에 기초하여 작업 간극의 형태를 본 발명에 따른 방식으로 제어함으로써 작업 간극 형태를 특히 신속하게 제어할 수 있다.
따라서, 예를 들어, 전술한 유압을 이용한 또는 열을 이용한 형태 변경 장치를 사용하여 적어도 하나의 작업 디스크의 형태를 변경하는 직접적인 방법, 또는 작업 간극에 공급되는 작동제의 온도 또는 유량을 변경하여 작업 디스크의 형태를 변경하는(이에 따라 작업 간극 그리고 결과적으로는 작업 디스크의 온도 변화를 야기하여 작업 간극의 형태가 변경되도록 하는) 간접적인 방법에 의해 작업 간극의 형태가 제어될 수 있다. 작업 간극의 폭 또는 작업 간극 내에서의 우세 온도를 검출하고, 그 측정치를 장치의 제어 유닛에 피드백하여, 압력이나 온도(형태의 직접 변경 방법) 또는 온도 및 유량(형태의 간접 변경 방법)을 폐루프 제어 방식으로 추적함으로써 작업 간극을 제어하는 것이 특히 유리하다. 전술한 양 방법(작업 간극 형태의 직접 또는 간접 변경 방법) 모두에 있어서, 작업 간극의 폭 또는 온도가 제어 편차를 결정하기 위해 임의로 사용될 수 있다. 제어 편차를 결정하기 위해 작업 간극의 측정 폭을 사용하는 것은, 시간 지연의 단점이 있긴 하지만 간극 편차(마이크로미터 단위)를 절대적으로 고려할 수 있다는 장점을 갖는다. 작업 간극 내에서 측정된 온도를 사용하는 것은, 제어 속도 증강의 장점이 있는데, 이는 작업 디스크가 변형되기 이전에도 이미 제어 편차를 고려할 수 있기 때문이다. 단점으로는, 작업 간극 형태의 온도 종속성에 대한 종래 기술의 정밀 지식(기준 간극 프로파일)이 유효하여야만 한다는 점이다.
특히 유리한 실시예는 전술한 두 가지 방법을 조합한 방법이다. 바람직하게는, 전술한 바와 같이 고속 제어가 가능함으로 인해, 작업 간극 내에서 측정된 온도에 기초하여 작업 간극의 형태를 짧은 시간 내에 제어할 수 있다. 이와 대조적으로, 긴 시간에 걸쳐 이루어지는 작업 간극 형태의 변경 드리프트를 조사하는 한편 적절한 경우에는 그러한 형태 변경 드리프트를 반작용적으로 제어하기 위하여, 작업 디스크의 내부 및 외부 가장자리에서의 작업 간극의 측정 폭이 사용되는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같은 특히 유리한 실시예의 일 구성이 도 26에 개략적으로 도시되어 있다. 우선, 저속 제어 루프의 경우, 무접촉 거리 센서(37, 38)는 차동 요소(92)를 통해 제어 요소(93)에 측정 신호(90, 91)를 연속적으로 전송한다. 상기 제어 요소는 웨이퍼 변형을 위한 작동 요소(23)에 조절 변수(94)를 전송한다. 이에 따라, 작업 간극의 기하학적 형상이 느린 속도로 수정될 수 있다. 다음, 고속 제어 루프의 경우에는, 온도 센서(35, 36)가 측정 신호(95, 96)를 제어 요소(98)에 전송하며, 예정된 소정의 온도 프로파일에 따른 상기 제어 요소의 조절 변수(99)가 작업 간극에 공급되는 냉각 윤활제의 유량 및/또는 온도에 영향을 미치게 된다. 따라서, 작업 간극의 기하학적 형상에 영향을 미치기 전에 이미 작업 간극의 온도 변화가 반작용적으로 제어될 수 있다.
가공 동안에 작업 간극이 반경 방향으로 상당히 균일한 폭을 갖는 경우, 다시 말해, 작업 디스크가 서로 평행하게 연장하거나 내측으로부터 외측으로의 약간의 게이프만을 갖는 경우, 본 발명에 따른 방법에 의해 가공된 반도체 웨이퍼의 평탄도가 최대가 되는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 전술한 제1 방법의 또 다른 실시예에 있어서는, 작업 간극이 일정하거나 내측으로부터 외측으로 폭이 약간만 증가하는 것이 바람직하다. 외경이 1470mm이고 내경이 561mm인 작업 디스크를 구비하는 예시적인 장치의 경우에, 작업 디스크의 폭은 결과적으로 454.5mm가 된다. 작업 디스크의 설치 면적이 한정되어 있기 때문에, 거리 센서는 작업 디스크의 내부 가장자리 및 외부 가장자리 상에 정확하게 위치하는 것이 아니라, 직경이 1380mm(외부 센서)와 645mm(내부 센서)인 피치 원 상에 위치하게 된다. 따라서, 센서 사이의 거리는 367.5mm, 다시 말해, 대략 400mm가 된다. 이러한 내외측 센서 사이에서의 작업 간극의 폭의 반경 방향 프로파일은 0㎛(평행 코스의 경우) 내지 20㎛(내측으로부터 외측으로 갈수록 폭이 증가하는 경우)의 범위 이내인 것이 특히 바람직한 것으로 증명되어 있다. 이에 따라, 측정시에 고려되는, 작업 디스크의 외부 가장자리에서의 작업 간극의 폭과 내부 가장자리에서의 작업 간극의 폭의 차이 대 작업 디스크의 폭의 비율은, 특히 50ppm(0㎛ 내지 20㎛/400mm)인 것이 바람직하다.
특히 평면도가 높은 반도체 웨이퍼를 제공하기 위한 본 발명의 목적을 달성함에 있어서의 본 발명의 전술한 제1 방법의 적합성이 도 5, 도 6, 도 7, 도 16 및 도 17에 예시되어 있다.
도 5에는 본 발명에 따른 작업 간극 변경 방식을 채용하지 않고 가공된 반도체 웨이퍼의 TTV 분포(40)와, 냉각 유로 및 작업 간극의 폭 측정을 사용하여 본 발명에 따른 방식으로 작업 간극이 제어된 상태로 가공된 반도체 웨이퍼의 TTV 도수 분포(H)(퍼센트)(39)가 비교 도시되어 있다. 작업 간극을 제어하는 본 발명에 따른 방법은 상당히 우수한 TTV 값을 야기한다(여기서, TTV는 최대 두께 편차로서, 전체 반도체 웨이퍼에 걸쳐 측정된 최대 두께와 최소 두께 사이의 차이를 일컫는다. 도시된 TTV 값은 용량성 측정 방법에 의해 결정된 것이다).
본 발명에 따른 방법에 의한 반도체 웨이퍼의 가공시 특히 낮은 재료의 총 제거율이 요구되는 경우에는, 가공 시간이 전술한 작업 간극을 제어하기 위한 본 발명에 따른 방법의 반응 시간보다 종종 짧다. 이 경우에, 작업 간극은 적어도 가공 말기로 갈수록, 다시 말해 적어도 마지막 10%의 재료 제거 동안, 내측으로부터 외측으로 약간의 게이프를 갖거나 반경 방향으로 균일한 폭으로 연장하면 되는 것으로 알려져 있다.
도 6에는 가공 동안의 작업 디스크의 외부 직경 부근에서의 작업 간극의 폭과 내부 직경 부근에서의 작업 간극의 폭 사이의, 본 발명에 따른 방법으로 측정된 차이(41)가 도시되어 있다. 총 가공 시간은 대략 10분이었으며, 총 90㎛ 두께만큼 반도체 웨이퍼의 재료가 제거되었다. 따라서, 평균 재료 제거율은 대략 9㎛/min이 된다. 작업 간극은, 본 발명에 따라 처음 100초 이내에는 압력 구축 위상과는 별개로, 평행한 방식으로 또는 약간의 게이프를 갖는 형태로 연장한다. 본 발명에 따르면, 가공 말기에 내측으로부터 외측으로 갈수록 넓어지는 간극은 대략 15㎛이다.
상기 도면에는 또한, 가공 동안 측정한, 상부 작업 디스크 표면의 작업 간극 일측의 범위를 한정하는 서로 다른 위치에서의 온도, 즉 링 형상의 작업 디스크의 내경 부근 위치에서의 작업 간극의 온도(43)와, 작업 간극의 중심 위치의 온도(44), 그리고 작업 디스크 외경 부근 위치에서의 작업 간극의 온도(42), 그리고 작업 디스크의 체적부의 평균 온도(57)가 도시되어 있다. 도시된 작업 디스크의 형태 및 온도는, 작업 간극의 내측과 외측이 전체 가공 시간 동안 평행하게 연장하도록 또는 약간의 게이프 만을 갖도록 본 발명에 따른 전술한 방법에 의해 제어된다(도 6에서, "G"는 간극의 내측 및 외측에서 측정한 폭 사이의 차이인 "간극 차"이며, "ASV"는 체적부 중의 작업 디스크 표면에서의 온도이고, "ASOA"는 작업 디스크 표면에서의 외측 온도이며, "ASOI"는 작업 디스크 표면에서의 내측 온도이고, "ASOM"은 "내측"과 "외측" 사이 중앙에서의 표면 온도이며, "T"는 섭씨 온도이고, "t"는 시간이다).
도 16에는 본 발명에 따른 방식으로 작업 간극이 제어된 상태로 가공된 반도체 웨이퍼의 두께 프로파일이 도시되어 있다. 반도체 웨이퍼의 노치에 대해 0°의 각도에서 본 두께 프로파일(50), 45°의 각도에서 본 두께 프로파일(51), 90°의 각도에서 본 두께 프로파일(65), 그리고 135°의 각도에서 본 두께 프로파일(53)의 네 개의 직경 방향 프로파일이 도시되어 있다. 또한, 도면 부호 52는 네 개의 개개의 프로파일의 직경 방향 평균 프로파일을 나타낸다(여기서, "D"는 마이크로미터 단위의 국부 영역의 두께이며, "R"은 밀리미터 단위의 반도체 웨이퍼의 반경 방향 위치이다). 이들 측정치는 용량성 두께 측정 방법에 의해 결정된 것이다. 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 작업 간극 제어 방식으로 가공된 반도체 웨이퍼의 일 예에 있어서, TTV, 다시 말해 전체 반도체 웨이퍼에 걸쳐 최대 두께와 최소 두께 사이의 차이는 0.55㎛이다.
도 7에는, 비교예로서, 본 발명에 따라 수행되지 않은 방법에 있어서의, 작업 간극 차이(41), 작업 간극 내측의 온도(43), 작업 간극 중심의 온도(44), 작업 간극 외측의 온도(42), 그리고 체적부의 온도(57) 프로파일이 도시되어 있다. 가공 동안 인가되는 전술한 바와 같은 교호 열 하중 및 기계적 하중으로 인해 온도 및 형태 변화가 야기된다. 이 경우, 작업 간극은 재조절되지 않았으며, 가공 말기에는, 본 발명에 따른 방식과는 달리, 작업 간극이 내측으로부터 외측으로 대략 25㎛ 정도로 수축되었다.
도 17에는, 가공 동안 본 발명에 따른 방식으로 작업 간극의 제어가 이루어지지 않은 비교예로서의, 본 발명에 따른 방법에 의해 가공되지 않은 반도체 웨이퍼의 두께 프로파일이 도시되어 있다. 얻어진 반도체 웨이퍼의 극단적인 볼록성을 최대 두께 표명 지점(66)을 통해 명확하게 인식할 수 있을 것이다. 사용된 장치의 크기(454.5mm의 작업 디스크의 링 폭) 및 반도체 웨이퍼의 크기(300mm)로 인해, 각각의 캐리어는 단지 하나의 반도체 웨이퍼만을 수용할 수 있도록 구성되어 있다. 캐리어의 중심점(21)에 대한 반도체 웨이퍼의 중심점(16)의 이심률(e)은 75mm이었으며(도 2), 이에 대응하여, 최대 두께 표명 지점(66)은 반도체 웨이퍼의 중심에 대하여 편심적으로 대략 75mm 거리에 위치하고 있다(도 17). 따라서, 이렇게 해서 얻어진 반도체 웨이퍼는 특히, 대칭적으로 회전하지 않는다. 본 발명의 방법에 따르지 않은 전술한 비교예에 도시된 반도체 웨이퍼의 TTV는 16.7㎛이다.
본 발명에 따른 제2 방법의 서술
본 발명에 따른 제2 방법이 이하에 보다 상세히 서술된다. 후술하는 제2 방법에서는, 가공 동안 반도체 웨이퍼의 일부 특정 영역이 일시적으로 작업 간극을 떠나게 되며, 점진적으로 이루어지는 가공 과정에서 반도체 웨이퍼의 이러한 "오버런(overrun)"으로 인해 반도체 웨이퍼가 가장자리 영역을 포함하는 작업 층의 전체 영역을 자주 거의 균일하게 완전히 쓸고 지나가는 방식으로 가공 동안의 운동학적 에너지가 선정되는 것이 바람직하다. 여기서, "오버런"이란 반경 방향으로 측정한 작업 디스크에 대한 반도체 웨이퍼의 상대적인 길이로서 정의되며, 이 오버런에 의해 반도체 웨이퍼는 연마 동안 적시에 특정 지점에서 작업 간극의 내부 또는 외부 가장자리를 초과하여 돌출된다. 본 발명에 따르면, 반경 방향에서의 최대 오버런은 반도체 웨이퍼 직경의 0% 초과 최대 20%의 범위 이내이다. 직경이 300mm인 반도체 웨이퍼의 경우에, 따라서, 최대 오버런은 0mm 초과 최대 60mm의 범위 이내이다.
본 발명에 따른 전술한 제2 방법은, 반도체 웨이퍼가 항상 완전히 작업 간극 내부에 남아 있는 연마 방법에 관한 비교예에 있어서, 작업 층 두께의 홈통 형상의 반경 방향 프로파일로 인해 작업 층의 마모가 초래된다는 관찰 결과에 기초한 것이다. 이것은 도 4에 도시된 방법에 따른 간극 프로파일의 측정에 의해 알려져 있다.
링 형상의 작업 디스크의 내부 및 외부 가장자리로 갈수록 작업 층의 두께가 증가함에 따라 작업 간극은 감소되며, 이와 같은 작업 간극의 감소에 의해 가공 동안 이 감소 작업 간극 영역을 쓸고 지나가는 반도체 웨이퍼의 해당 영역에서의 재료 제거율이 증가된다. 그 결과, 반도체 웨이퍼는 가장자리로 갈수록 두께가 감소하는 바람직하지 못한 볼록한 두께 프로파일을 갖게 된다("에지-롤-오프" 현상).
본 발명에 따른 제2 방법의 전술한 내용에 있어서, 제2 방법의 조건은, 반도체 웨이퍼의 일부 영역이 일시적으로 작업 층의 내부 및 외부 가장자리를 초과하여 연장하며, 작업 층의 전체 링 폭에 걸쳐 반경 방향으로 상당히 균일한 마모가 이루어지고, 작업 층 두께가 홈통 형상의 반경 방향 프로파일을 갖지 않으며, 이러한 방식으로 본 발명에 따라 가공된 반도체 웨이퍼가 에지 롤-오프 형상을 나타내지 않도록, 선정된다.
이러한 제2 방법의 일 실시예에 있어서, 캐리어의 반도체 웨이퍼의 이심률(e)은, 가공 동안 작업 층의 가장자리를 초과하는 반도체 웨이퍼의 일부 영역에서 본 발명에 따른 일시적인 오버런 현상이 발생하도록 하는 크기로 선정된다.
전술한 제2 방법의 다른 실시예에 있어서는, 가공 동안 작업 층의 가장자리를 초과하는 반도체 웨이퍼의 일부 영역에서 본 발명에 따른 일시적인 오버런 현상이 발생하도록, 작업 층의 내부 및 외부 가장자리가 링 형상으로 트리밍 처리된다.
전술한 제2 방법의 또 다른 실시예에 있어서는, 반도체 웨이퍼의 일부 영역이 일시적으로 본 발명에 따라 작업 디스크의 가장자리를 초과하도록 하는 작은 직경을 갖는 작업 디스크를 구비하는 장치가 선정된다.
특히, 전술한 바와 같은 세 개의 실시예 전부를 적절히 조합한 형태가 바람직하다.
본 발명에 따른 방법을 수행하기에 적당한 장치의 메인 구동체는 일반적으로 AC 서보모터(여기서, "AC"는 교류를 의미한다)이며, 이 AC 서보모터의 경우 기본적으로, 소정 회전 속도와 실제 회전 속도(후미각)의 사이에 가변적인 지연이 발생한다는 사실에 기초하여, 반도체 웨이퍼가 가장자리 영역을 포함하여 작업 층의 전체 영역을 자주 거의 균일하게 완전히 쓸고 지나가는 본 발명에 따른 전술한 제2 방법의 요건이 충족된다. 본 발명에 따른 방법을 수행하기에는 특히 불리한 명목상 주기적인 경로가 초래하는 방식으로 구동체의 회전 속도가 선정된다 하더라도, 실제로는, AC 서보제어로 인해 항상 에르고드적(ergodic)(다시 말해, 비주기적인) 경로가 발생한다. 따라서, 전술한 요건은 항상 충족된다.
도 8에는 본 발명에 따른 제2 방법에 따라 가공된, 직경이 300mm인 반도체 웨이퍼의 두께 프로파일(45)이 도시되어 있다. 오버런은 25mm이었다. 반도체 웨이퍼는 임의의 매우 적은 두께 변동만을 나타내고 있으며, 특히, 에지-롤-오프 현상을 나타내지 않는다. 이 경우, TTV는 0.61㎛이다.
도 9에는, 비교예로서, 가공 동안 반도체 웨이퍼의 전체 영역이 항상 작업 간극에 남아 있는 상태로, 본 발명에 따른 방식으로 기계 가공되지 않은 직경이 300mm인 반도체 웨이퍼의 두께 프로파일(46)이 도시되어 있다. 이에 따라, 반도체 웨이퍼의 가장자리 영역에 뚜렷한 두께 감소부(47)가 초래되며, 이 경우 TTV는 4.3㎛ 이상이다.
도 10에는, 다른 비교예로서, 가공 동안, 본 발명에 따른 방식과는 달리 상당한 수준의, 즉 75mm의 오버런이 발생하는 상태로, 본 발명에 따른 방식으로 기계 가공되지 않은 직경이 300mm인 반도체 웨이퍼의 두께 프로파일이 도시되어 있다. 상기 오버런(75mm)의 폭에 대응하는 반도체 웨이퍼의 가장자리로부터의 거리에 상당히 뚜렷한 노치(56)가 발생한다.
특히 과도한 오버런이 발생하는 경우, 작업 간극 외측에서는 반도체 웨이퍼가 안내될 수 없기 때문에, 반도체 웨이퍼 또는 캐리어의 탄성으로 인해, 반도체 웨이퍼를 안내하는 캐리어의 컷아웃으로부터 반도체 웨이퍼의 일부가 축 방향으로 튀어나오게 되는 것으로 밝혀졌다. 반도체 웨이퍼의 오버런 발생 부분이 다시 작업 간극에 들어가게 되는 경우, 반도체 웨이퍼의 대체로 원형의 가장자리 일부는 캐리어의 컷아웃 가장자리 상에 지지된다. 오버런의 크기가 지나치게 크지 않다면, 반도체 웨이퍼가 다시 작업 간극에 들어간 경우 마찰의 영향으로 컷아웃 내로 다시 밀어 넣어지게 된다. 그러나, 오버런의 크기가 과도하게 큰 경우에는, 상기와 같이 컷아웃 내로 밀어 넣어질 수 없으며, 결국 반도체 웨이퍼는 파손된다. 그러나, 전술한 바와 같은 캐리어 컷아웃 내로의 "스냅핑(snapping)"은 작업 층의 가장자리의 영역에서의 지나친 재료 제거 증가를 초래한다. 이에 따라, 도 10의 비교예에 도시된 바와 같이 노치(56)가 발생하게 된다. 도시된 비교예의 반도체 웨이퍼의 TTV는 2.3㎛이다. 전술한 바와 같은 노치(56)는 특히 유해한데, 그 이유는, 재료의 제거율이 커짐으로 인해, 거칠기와 손상 깊이가 증가되고 노치(56) 영역의 두께 프로파일의 곡률이 너무 커져 특히 반도체 웨이퍼의 나노 스케일의 기하학적 형상에 악영향을 미치기 때문이다.
본 발명에 따르면, 전술한 바와 같은 오버런은 반도체 웨이퍼 직경의 10% 초과 20% 미만이며, 특히, 반도체 웨이퍼 직경의 2% 내지 15% 사이인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 제3 방법의 서술
본 발명에 따른 제3 방법이 이하에 보다 상세히 후술된다. 본 발명의 제3 방법은 작업 층과 정밀하게 규정된 방식으로 상호 작용하는 캐리어의 사용을 포함한다. 본 발명에 따르면, 작업 층의 절삭 동작에 의해 캐리어가 손상되지 않도록 하는 방식으로 각각의 캐리어가 작업 층과 매우 낮은 수준으로만 상호 작용하거나, 캐리어가 작업 층에 소정의 거칠기를 제공하여 상기 작업 층이 가공 동안 연속적으로 드레싱 처리되도록 하는 방식으로 캐리어가 작업 층과 특히 상당히 높은 수준으로 상호 작용한다. 이러한 상호 작용은 캐리어 재료의 적절한 선정을 통해 달성된다.
본 발명에 따른 제3 방법은 후술하는 바와 같은 관찰에 기초한 것이다. 종래 기술에 공지된 캐리어용 재료는 연마 방법을 수행하기에는 완전히 부적당하다. 예를 들어, 래핑(lapping) 및 양면 폴리싱(polishing) 가공 동안 사용되는 바와 같은 금속으로 이루어진 캐리어는 연마 방법을 수행하는 동안 심하게 마모되며, 작업 층과의 바람직하지 못한 상당히 높은 수준의 상호 작용도를 나타낸다. 작업 층이 연마재로서 다이아몬드를 포함하는 것이 바람직함을 고려할 때, 관찰된 바와 같은 높은 수준의 마모 현상은 다이아몬드가 경질 재료에 미치는 공지된 바와 같은 높은 연마 효과에 의해 유발되는 것이다. 또한, 전술한 바람직하지 못한 상호 작용의 일 예로, 다이아몬드 중의 탄소가 특히 높은 비율로 철금속(강, 스테인레스강)과 같은 합금을 구성한다는 사실이다. 그 결과 다이아몬드는 깨지기 쉬운 상태가 되며 그 절삭 효과를 급속히 상실하여, 결과적으로 작업 층이 무뎌지게 만들며 재드레싱 과정을 거쳐야만 한다. 빈번한 재드레싱은 작업 층 재료의 비경제적인 소비와, 가공의 바람직하지 못한 중단, 그리고 이러한 방식으로 가공된 반도체 웨이퍼의 표면 조성, 형태 및 두께 합일성에 있어 불량한 결과를 초래하는 불안정한 가공 절차를 야기한다. 또한, 금속제의 연마 결과물로 인해 반도체 웨이퍼가 오염되는 단점이 있다. 마찬가지로 시험을 거친 기타 다른 캐리어 재료, 예를 들어, 알루미늄, 양극 산화 처리된 알루미늄, 금속 피복[예를 들어, 니켈-인으로 이루어진 경질 크롬-도금 보호 층(들)] 캐리어에 대해서도 유사한 불리한 특성이 관찰되었다.
높은 경도, 낮은 미끄럼 마찰 계수, 그리고 비교 테이블에 따른 마찰 조건 하에서의 낮은 마모 특성을 갖춘 재료로 이루어진 캐리어용의 마모 보호 피복재가 종래 기술에 공지되어 있다. 이와 같은 피복재는 예를 들어, 양면 폴리싱 공정 동안 거의 마모되지 않으며 이러한 피복재로 피복된 캐리어는 수천 번의 가공 사이클을 견디는 반면, 비금속 경질제 피복재는 연마 동안 심하게 마모되며 따라서 부적당한 것으로 알려져 있다. 피복재의 예로는, 세라믹 또는 유리질(에나멜) 피복재, 그리고 유사 다이아몬드 탄소(DLC)로 이루어진 피복재가 있다.
또한, 연마 동안, 캐리어용으로 조사된 각각의 재료는 보다 더하거나 덜한 마모 과정을 겪게 되며, 또한, 연마 결과 발생한 물질은 일반적으로 작업 층과 상호 작용하는 것으로 관찰되었다. 이러한 마모 및 상호 작용은 보통, 작업 층의 극심한 마모 또는 급속한 예리성(절삭 능력) 상실을 야기한다. 따라서, 마모 및 상호 작용은 모두 바람직하지 못하다.
전술한 바와 같은 단점이 없는 캐리어용의 적당한 재료를 찾기 위하여, 다양한 캐리어 시편이 조사되었다. 캐리어의 일부 재료 또는 피복재는, 작업 층의 영향만을 고려할 경우, 실제로 예상된 특성을 갖는 것으로 밝혀졌다. 일 예로서, 폴리테트라플로오르에틸렌(PTFE)으로 이루어진, 시판되고 있는 이른바 "미끄럼 피복재" 또는 "마모 보호 피복재"는 작업 층의 영향에 대해서는 저항성을 갖는 것으로 입증되어 있다. 그러나, 본 발명에 따른 방법을 수행하는 경우, 이러한 방식으로 피복된 캐리어가 작업 층의 영향 및 가공에 의해 발생된 예를 들어, 실리콘을 함유하는 연마 슬러리의 영향을 받는다면, 상기 미끄럼 피복재 또는 보호 피복재 또한 급속히 과도하게 마모되는 것으로 밝혀졌다.
이것은, 작업 층 내에 고정적으로 접합되어 있는 다이아몬드가 연마 효과를 발휘하며, 발생된 실리콘 슬러리에 저밀도로 포함되어 있는 규소, 이산화규소 및 기타 다른 입자가 래핑 효과를 발휘한다는 사실에 기인한 것이다. 이와 같은 연마 및 래핑 작용에 따른 혼합 부하는, 연마 또는 래핑 단독 공정에 의해 야기된 부하와는 완전히 상이한 캐리어 재료 부하를 초래한다.
본 발명에 따른 제3 방법을 실시하기 위하여, 서로 다른 재료로 이루어진 다양한 캐리어가 형성되어, 재료의 마모 및 작업 층과의 상호 작용을 결정하기 위한 비교 시험을 거쳤다. 이 "가속 마모 시험"이 이하에 기술된다. 시험에는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 방법을 수행하기에 적당한 장치를 사용한다. 이와 같은 시험 동안, 상부 작업 디스크는 사용하지 않으며 외측으로 선회시켜 놓는다. 캐리어 재료에 대한 일련의 시험을 시작하기에 앞서, 동일한 시작 조건을 창출하기 위하여, 하부 작업 층(12)을 각각의 경우에 일정한 조건을 유지하는 드레싱 방법에 의해 새롭게 드레싱 처리한다. 조사하고자 하는 마모 및 상호 작용 거동을 갖는 재료로 이루어진 캐리어(13)의 평균 두께(마이크로미터 단위)를 복수 개의 지점에서 측정하며, 또한 대안으로서, 무게 측정에 의해 결정된 캐리어 및 피복재의 상대 밀도가 주어지기도 한다. 캐리어를 롤링 장치(7,9) 내로 삽입하고, 제1 중량의 균일한 하중을 인가한다. 반도체 웨이퍼(15)의 평균 두께를 측정하며, 또한 바람직하게는, 무게 측정에 의해 결정하기도 한다. 반도체 웨이퍼를 캐리어 내로 삽입하고, 제2 중량의 균일한 하중을 인가한다. 하부 작업 층(12)을 구비한 하부 작업 디스크(4)와 롤링 장치(7,9)를 특정 시간 동안 사전 선정된 일정한 회전 속도로 이동하도록 설정한다. 상기 특정 시간 경과 후, 이동을 중단시키고, 캐리어와 반도체 웨이퍼를 제거한다. 그 후, 세정 및 건조 단계를 수행한 후, 평균 두께를 결정한다. 하중을 인가하면서 캐리어와 반도체 웨이퍼에 대해 상대적으로 작업 디스크와 롤링 장치를 이동시키는 동안, 캐리어의 재료 제거(바람직하지 못한 마모)와 반도체 웨이퍼의 재료 제거(소정의 연마 효과)가 이루어진다. 전술한 바와 같은 작업을 무게 측정, 마모/제거 작용 및 무게 측정의 순서로 다수 회 반복한다.
도 18에는 다양한 재료로 이루어진 캐리어에 대해 결정된 ㎛/min 단위의 평균 두께 손실[마모율(A)]이 대수적 표기의 플로팅 기법으로 도시되어 있다. 시험 및 실험 조건 동안 반도체 웨이퍼로부터 제거된 연마 슬러리 및 작업 층과 접촉하는 캐리어의 재료(67)가 표 1에 규정되어 있다. 표 1은 또한, 작업 층 및 연마 슬러리와 접촉하는 캐리어 재료가 피복재(예를 들어, 분무(spraying), 침지(dipping), 펼침 작업(spreading)에 의해 도포되고, 또한 적절하다면 후속 양생(curing) 공정을 통해 형성된, 필름 또는 고체 재료로서의 "층") 형태로 존재하는 지 여부가 규정되어 있다. 표 1에 사용된 약어로서, "GFP"는 유리 섬유 강화 플라스틱을 나타내며, "PPFP"는 PP 섬유 강화 플라스틱을 나타낸다. 그외, 각종 플라스틱을 나타내도록 사용된 약어들은 통상적으로 알려진 것으로서, "EP"는 에폭시드, "PVC"는 폴리염화비닐, "PET"는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(폴리에스테르), "PTFE"는 폴리테트라플로오르에틸렌, "PA"는 폴리아미드, "PE"는 폴리에틸렌, "PU"는 폴리우레탄, 그리고 "PP"는 폴리프로필렌을 가리킨다. 또한, "ZSV216"은 시험한 미끄럼 피복재 제조 업자의 칭호를 나타내는 것이며, "경질 종이"는 섬유 강화 페놀 수지 종이이다. "세라믹"은 규정된 EP 매트릭스에 매입된 마이크로스코픽 세라믹 입자를 나타낸다. "콜드(COLD)"는 자가 접착 방식으로 장착된 필름 후면을 이용한 도포를 나타내며, "핫(HOT)"은 핫 멜트 접착제가 장착된 필름 후면이 가열 및 가압 공정에 의해 캐리어 코어에 연결되는 핫 라미네이션 공정을 나타낸다. "캐리어 하중" 열은 마모 시험 동안의 캐리어의 중량 하중을 나타낸다. 반도체 웨이퍼의 중량 하중은 모든 경우에 대해 9kg이었다.
| 약어 | 캐리어 재료 | ||||
| 유형 | 도포 | 캐리어하중 | |||
| 층 | 필름 | 고체 재료 | [kg] | ||
| a | EP-GFP | X | 2 | ||
| b | EP-GFP | X | 4 | ||
| c | PVC 필름 | X | 2 | ||
| d | PVC 필름 | X | 4 | ||
| e | PET (콜드) | X | 2 | ||
| f | PET (핫) | X | 4 | ||
| g | EP-CFP | X | 4 | ||
| h | PP-GFP | X | 4 | ||
| i | PP-PPFP | X | 4 | ||
| j | 경질 종이 | X | 4 | ||
| k | PTFE II | X | 4 | ||
| l | PA 필름 | X | 4 | ||
| m | PE (I) | X | 4 | ||
| n | PE (II) | X | 4 | ||
| o | PU | X | 4 | ||
| p | EP/세라믹 | X | 4 | ||
| q | EP (프라이머) | X | 4 | ||
| r | 미끄럼 피복재 ZSV216 | X | 4 | ||
분명히 알 수 있는 바와 같이, 캐리어용의 각종 재료는, 작업 층에 의해 유발되는 연마 효과 및 반도체 웨이퍼로부터 재료가 제거됨에 따라 발생한 연마 슬러리에 의해 유발되는 래핑 효과로 이루어진 복잡한 혼합 부하 조건 하에서, 캐리어 마다 극도로 상이한 마모율을 보인다. 재료(i)(PP 섬유 강화 플라스틱)의 경우 신뢰성 있는 마모율을 결정할 수 없었다[도 18에 측정 지점이 점선으로 "에러 바(error bar)"로 도시되어 있음]. 예를 들어, PVC 필름[시험 하중이 2kg인 재료(c) 및 시험 하중이 4kg인 재료(d)], PET 재료[시험 하중이 2kg인 열가소성 자가 접착 필름 재료(e) 및 핫 라미네이션 방법에 의해 도포된 결정형 PET 필름 재료(f)], PP 재료(h), PE 재료[LD-PE로 이루어진 초박형 연성 필름 재료(m) 및 분자량이 서로 다른 LD-PE로 이루어진 보다 두껍고 보다 경질의 재료(n)]의 경우에는 최저 마모율을 보여주고 있다. 탄성중합체 PU 재료(o)의 경우 특히 낮은 마모율이 구해진다.
도 19에는 시험의 한 사이클 동안 구해진 반도체 웨이퍼의 재료 제거율 및 캐리어의 측정 마모율이 도시되어 있다. 이 플롯도에는 실험을 시작하기에 앞서 각각의 경우에 새롭게 드레싱 처리된 작업 층의 절삭 능력(예리성)이 도시되어 있다. 일부 캐리어 재료는 작업 층이 급속히 무뎌지도록 만들어, 반도체 웨이퍼에 대해 비교적 낮은 제거율만을 초래하는 한편, 캐리어 마모율과 반도체 웨이퍼 제거율이 심지어 더 불리해지도록 만든다. 따라서, PVC 재료(c,d), PET 재료(e,f) 그리고 세라믹 입자 충전 EP 재료(p)로 이루어진 캐리어에 의해, 설명된 바와 같은 유리하게 높은 "G 계수"(재료 제거율) 값이 제공된다. 그러나, PU 재료(o)용으로 결정된 비율은 여전히 전술한 재료의 비율보다 높은 10의 계수 값 이상이다.
도 20에는 작업 층과 캐리어 재료의 연마 상호 작용이 도시되어 있다. 기준 재료(c)(2kg 시험 하중의 PVC 필름)의 평균 제거율에 대한, 각기 10분, 30분 및 60분의 시험 기간이 경과한 후 일정한 시험 조건 하에서 구해진 재료 제거율(73)이 도시되어 있다(여기서, 10분 후의 제거율은 도면 부호 70으로, 30분 후의 제거율은 도면 부호 71로, 그리고 60분 후의 제거율은 도면 부호 72로 도시되어 있다). 도시된 바와 같은 시간 경과에 따른 작업 층의 제거율 감소는 바람직하지 못한 현상이다. 캐리어는 작업 층이 급속도로 무뎌지도록 만들어, 빈번한 재드레싱 처리 및 불안정하면서도 비경제적인 작업 절차를 초래한다. 일부 캐리어 재료의 경우, 예를 들어, 페르티낙스(pertinax) 재료(j)(일반적으로 "경질 종이"로 간주되는 페놀 수지 함침 종이), PE 필름 재료(m) 또는 시험을 거친 EP 프라이머 피복재 재료(q) 또는 "마모 보호 피복재" ZSV216 재료(r)의 경우, 작업 층의 예리성이 급속도로 감소하도록 하여 30분 또는 60분 안에 완전히 무뎌지도록 만들거나, 상태가 매우 불안정하여 수분 경과 후 완전히 마모되거나 파손되도록 만든다[점선(74) 참조]. PA 재료(l) 및 PE 재료(n)로 이루어진 캐리어는 작업 층의 예리성의 무뎌짐 정도가 낮으므로 유리한 것으로 증명되었다. 그러나, 탄성중합체 PU 재료(o)가 특히 안정적이며, 작업 층의 예리성 무뎌짐 효과도 낮다.
또한, 도 20에는 섬유 강화 층이 작업 층과 접촉하는 형태의 캐리어 재료에 의해 야기되는 작업 층의 특히 급속한 무뎌짐 현상이 도시되어 있다. 예를 들어, EP-GFP 재료(a,b), EP-CFP 재료(g) 및 PP-GFP 재료(h)의 경우, 10분 경과 후 작업 층의 연마 효과가 이미 철저히 감소 되었으며, 수분 이상 지난 후에는 거의 완전히 정지된 상태이다. 유리 섬유 강화 EP 재료(a,b)와 비교하여, 유리 섬유(p) 없이 EP로만 이루어진 피복재는 작업 층이 보다 상당히 느린 속도로 무뎌지도록 한다. 따라서, 제1 재료의 경우 유리 섬유와, 탄소 섬유 그리고 세라믹 섬유를 포함하지 않는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 전술한 제3 방법의 제1 실시예의 경우(캐리어의 상호 작용이 거의 없는 경우), 완전히 제1 재료로만 이루어지거나, 제1 재료로 이루어진 완전 또는 부분 피복재를 포함하는 캐리어가 사용되어, 오직 제1 재료 층만이 기계 가공 동안 작업 층과 접촉하도록 되어 있으며, 상기 제1 재료는 높은 연마 저항을 갖추고 있다.
상기 제1 재료로는, 폴리우레탄(PU), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 실리콘, 고무, 폴리염화비닐(PVC), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리아미드(PA) 및 폴리비닐 부티랄(PVB), 에폭시 수지 및 페놀 수지가 바람직하다. 또한, 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 폴리에테르 에테르 케톤 (PEK), 폴리옥시메틸렌/폴리아세틸(PON), 폴리설폰(PSU), 폴리페닐렌 설폰(PPS) 및 폴리에틸렌 설폰(PES)이 또한 유리하게 사용될 수 있다.
열가소성 탄성중합체(TPE-U) 형태의 폴리우레탄이 특히 바람직하다. 마찬가지로, 실리콘 고무(실리콘 탄성중합체) 또는 실리콘 수지와 같은 실리콘 물질, 그리고 가황 고무, 부타디엔-스티렌 고무(SBR), 아크릴로니트릴 고무(NBR), 에틸렌-프로필렌-디엔 고무(EPDM) 등의 형태의 고무 물질 및 플루오르고무가 특히 바람직하다. 또한, 부분적으로 결정형이거나 비결정질의 중합체, 특히 폴리에스테르계 열가소성 탄성중합체(TPE-E)와 같은 PET와, 특히 PA66 및 열가소성 폴리아미드 탄성중합체(TPE-A)와 같은 폴리아미드, 그리고 PE 또는 PP, 특히 열가소성 올레핀 탄성중합체(TPE-O)와 같은 폴리올레핀에 부착되는 것이 특히 바람직하다. 마지막으로, 특히 가소성 (연성) PVC (PVC-P)와 같은 PVC가 특히 바람직하다.
피복재 또는 고체 재료의 경우, 섬유 강화 플라스틱(FRP; 복합 플라스틱)이 마찬가지로 바람직하며, 이 경우, 섬유 강화재는 유리 섬유, 탄소 섬유 또는 세라믹 섬유를 포함하지 않는다. 예를 들어, 면, 셀룰로오즈 등 및 폴리올레핀(PE, PP), 아라미드 등과 같은 천연 섬유 및 합성 섬유가 특히 섬유 강화재로 바람직하다.
본 발명에 따른 캐리어의 예시적인 실시예가 도 21 내지 도 24에 도시되어 있다. 도 21에는 완전히 제1 재료로만 이루어진 캐리어(15)(단층 캐리어)가 도시되어 있다. 일 예로서, 도 21a에는 하나의 반도체 웨이퍼를 수용하기 위한 하나의 개구(14)를 구비하는 캐리어가 도시되어 있다. 도 21b에는 복수 개의 반도체 웨이퍼를 동시에 수용하기 위한 복수 개의 개구(14)를 구비한 캐리어가 도시되어 있다. 상기 수용 개구 옆으로, 캐리어는 항상 외부 치형부(75)를 포함한다. 이 외부 치형부는 가공 머신의 내부 및 외부 핀형 휠로부터 형성된 롤링 장치와 정합된다. 그 외에도, 캐리어는 선택적으로 하나 이상의 천공부 또는 개구(76)를 포함되는데, 이러한 천공부 또는 개구의 주요 용도는 전면 및 후면(상부 및 하부 작업 층) 사이의 작업 간극에 공급되는 냉각 윤활제의 통과 유량을 향상시키는 한편 냉각 윤활제의 변경이 가능하도록 하는 것이다.
도 21c에는 본 발명의 다른 실시예로서, 반도체 웨이퍼를 수용하기 위한 개구(14)가 제3 재료(77)로 라이닝 처리된, 제1 재료로 이루어진 단층 캐리어가 도시되어 있다. 캐리어(15)의 제1 재료가 매우 경질이며 반도체 웨이퍼와 직접 접촉하여 반도체 웨이퍼의 가장자리 영역의 손상 위험을 증가시키는 경우에는, 이러한 추가 라이닝(77)이 바람직하다. 라이닝(77)을 구성하는 제3 재료는 보다 연성으로 가장자리 손상을 방지할 수 있는 재료로 선정된다. 이러한 라이닝은 예를 들어, 접착제 접합 또는 포지티브 록킹을 사용하여, 또한 적절하다면, 도 21c의 실시예에 도시된 바와 같이, 접촉 영역을 확장하는 "도브테일"(78)을 사용하여 캐리어(15)에 연결된다. 적당한 라이닝(77)용의 제3 재료의 예가 유럽 특허 제0208315 B1호에 개시되어 있다.
마찬가지로, 캐리어는 작업 층과 접촉하지 않으며 작업 층과 접촉하는 피복재보다 높은 강성도(탄성률)를 갖는 재료로 이루어진 코어를 구비하는 것이 바람직하다. 캐리어 코어용 재료로는 특히, 부식 방지 기능을 갖는 합금강(스테인레스 강) 및/또는 탄성강과 같은 금속 및 섬유 강화 플라스틱이 바람직하다. 이 경우에, 피복재, 즉 제1 재료는 비강화 플라스틱으로 이루어지는 것이 바람직하다. 피복재는 증착, 침지, 분무, 침수, 중온(warm) 또는 고온(hot) 접착제 접합, 화학 접착제 접합, 소결 또는 포지티브 록킹에 의해 코어에 도포되는 것이 바람직하다. 피복재는 또한, 이음 또는 가압, 사출 성형 또는 접착제 접합에 의해 코어의 짝을 이루는 홀 내로 삽입되는 개개의 점 또는 스트립(strip)으로 이루어질 수도 있다.
제2 재료로 이루어진 코어(15)와, 제1 재료로 이루어진 전면 피복재(79a) 및 후면 피복재(79b)를 포함하는 복층 캐리어의 실시예가 도 22에 도시되어 있다. 특히, 도 22a에는 코어(15)의 전체 영역에 걸쳐 전면 및 후면이 피복되어 있는 캐리어가 도시되어 있으며, 도 22b에는 전체 영역의 일부만이 피복되어 있는 캐리어가 도시되어 있다. 도시된 실시예에서는, 일 예로서, 반도체 웨이퍼를 수용하기 위한 개구와 캐리어의 외부 치형부에 링 형상의 영역(80)이 형성되어 있다.
도 22b에 도시된 실시예에 따른 일부 영역만이 피복된 캐리어의 장점 중 하나는, 예를 들어, 반도체 웨이퍼를 수용하기 위한 개구의 가장자리에 도 21c에 도시된 바와 같은 제3 재료로 이루어진 라이닝(77)이 제공될 수 있다는 점으로, 라이닝은 보다 경질의 제2 재료로 이루어진 코어(15)에만 연결되며, 피복재 도포 이전 또는 이후에 선택적으로 도포될 수 있다. 일부 영역만이 피복된 캐리어의 다른 장점은, 예를 들어, 외부 치형부 영역이 저마모 특성을 갖는 제1 재료와 무관하게 형성되고, 그 결과, 가공 머신의 롤링 장치의 롤링 운동 과정에서 연마 결과물로 인한 교란을 방지할 수 있다는 점이다.
작업 층과 접촉하지 않는 플라스틱 코어의 경우에는, 강성 섬유, 예를 들어, 유리 섬유나 탄소 섬유와 같은 강성 섬유, 특히 초탄성 탄소 섬유로 이루어진 섬유 강화재가 바람직하다.
피복재는 특히, 연속적인 라미네이션(롤 라미네이션) 방법에 의해 사전 제작된 필름 형태로 도포되는 것이 바람직하다. 이 경우에, TPE-U, PA, TPE-A, PE, TPE-E 또는 에틸렌 비닐 아세테이트(EVAc) 등의 기본 중합체를 포함하는 필름의 후면이, 콜드-접합 접착제 또는, 특히 바람직하게는 중온 또는 고온의 핫 멜트 접착제(핫 라미네이션)로 피복된다.
또한, 캐리어의 경우 강성 코어 및 개별 스페이서를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 스페이서는 미끄럼 저항이 낮은 연마-저항성 재료로 이루어지며, 가공 동안 코어가 작업 층과 접촉하지 않도록 하는 방식으로 배열된다.
이러한 유형의 스페이서를 구비한 캐리어의 예시적인 실시예가 도 23에 도시되어 있다. 스페이서는 예를 들어, 전면(81a) 및 후면(81b)에 도포된 "노브(knob)" 또는 "점"(81) 또는 세장형 "바"(82)일 수 있고, 스페이서의 형태 및 개수는 각각의 경우에 필요한 소정 형태 및 개수로 선정된다(도 23a). 도 23b에 도시된 바와 같이, 스페이서(82a)(캐리어의 전면에 형성된) 및 스페이서(82b)(캐리어의 후면에 형성된)는 예를 들어, 캐리어(15)에 연결될 수 있는데(도 23b), 이러한 연결은 접착제 접합, 예를 들어, 개개의 피복 요소(82)(및 81)의 후면에 제공된 자가-접착제(83)를 이용하여, 또는 캐리어의 홀에 포지티브 록킹 방식으로 끼워질 수 있는 피복 요소(84) 형태를 이용하여, 또는 예를 들어, 코킹 결합, 리벳 결합, 융해 작용 등에 의해 캐리어의 홀을 관통한 다음 캐리어의 전면 및 후면 상에서 버섯 형태로 폭이 확장(가압 등에 의해)되는 피복 요소(85)를 이용하여 이루어질 수 있다. 더욱이, 도 22의 실시예에 따른 전면 피복재(79a) 및 후면 피복재(79b)는 도 23b에 도시된 일 예의 피복 요소(84, 85) 각각에 따른 캐리어의 홀을 관통하여 연장하는 복수 개의 웹(web)에 의해 서로 연결될 수 있으며, 그에 따라, 도포 피복재(79)의 바람직하지 못한 탈착에 대한 추가적인 보호 대책을 제공할 수 있다.
마지막으로, 제2 재료로 이루어진 코어의 경우, 캐리어의 박형의 링 형상 외부 프레임으로만 구성되는 것이 바람직하며, 여기서, 상기 링은 롤링 장치에 의해 구동되는 캐리어의 치형부를 포함한다. 제1 재료로 이루어진 삽입 요소(inlay)는 개개의 반도체 웨이퍼용의 하나 또는 복수 개의 컷아웃을 포함한다. 바람직하게는, 이 제1 재료로 이루어진 삽입 요소는 포지티브 록킹, 접착제 접합 또는 사출 성형에 의해 링 형상 프레임에 연결되어 있다. 프레임은 삽입 요소와 비교하여 실질적으로 보다 강성의 재질로 이루어지며, 따라서 삽입 요소보다 실질적으로 마모가 덜한 것이 바람직하다. 가공 동안, 바람직하게는 오직 삽입 요소만이 작업 층과 접촉하게 된다. PU, PA, PET, PE, PU-UHWM, PBT, POM, PEEK 또는 PPS로 이루어진 삽입 요소를 구비한 강제 프레임이 특히 바람직하다.
도 24에 도시된 바와 같이, 치형부를 갖는 링 형상의 프레임(86)의 경우, 제2 재료로 이루어진 프레임이 가공 장치의 작업 층과 접촉하지 않도록 하기 위하여, 프레임은 삽입 요소(87)보다 두께가 얇으면서 삽입 요소(87)의 두께 방향으로 실질적으로 중앙 위치에 연결되는 것이 바람직하다. 삽입 요소(87)와 프레임(86) 사이의 연결 위치는 바람직하게는, 도 23b에 포지티브 록킹 방식으로 압입된 스페이서(84) 형태의 실시예로 도시된 바와 같이, 굵은 바늘 형태의 구성으로 구체화되거나, 도 23b에 스페이서(85) 형태의 실시예로 도시된 바와 같이 삽입 요소(87)의 폭이 프레임(86)의 가장자리를 초과하여 보다 넓어지는 형태로 구체화된다.
작업 층과 접촉하여 마모되도록 구성된 전술한 스페이서가 코어의 홀을 이용한 이음 방식에 의해 또는 코어 표면으로의 접착제 접합 방식에 의해 용이하게 교체될 수 있다면, 이러한 구성이야말로 특히 바람직한 구성이라 하겠다.
마찬가지로, 부분적으로 또는 전체적으로 마모된 피복재가 코어로부터 용이하게 벗겨 내어져 새로운 피복재를 도포하는 방식으로 복원될 수 있는 구성이 특히 바람직하다. 피복재가 적당한 물질로 이루어진 경우에는, 전술한 바와 같은 스트리핑 작업이 적당한 용제[예를 들어, 테트라하이드로푸란(THF)], 산(예를 들어, 포름산 처리 PET 또는 PA)를 이용하여 또는 산소를 풍부하게 함유한 대기 중에서의 가열(소각)에 의해 가장 간단한 방식으로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 재료 제거 공정(연마, 래핑, 폴리싱 가공)을 이용한 복잡한 방식으로 소정 두께로 보정된 다음 열 처리 또는 기타 다른 몇몇 방식의 후처리 과정을 거치거나 강, 알루미늄, 티타늄 또는 그 합금, 고성능 플라스틱(적절하다면 강화 섬유가 추가될 수도 있는 PEEK, PPS, POM, PSU, PES 등)으로 피복된 금속 또는 스테인레스 강과 같은 값비싼 재료로 이루어진 코어의 경우에, 마모 피복재의 재도포 과정을 반복함으로써 피복재의 광범위한 마모 후에도 캐리어를 재사용할 수 있는 것이 바람직하다. 특히 바람직하게는, 이 경우에, 피복재는 스탬핑(stamping), 절삭 플로터(plotter) 등을 사용하여 정확한 끼워 맞춤 방식으로 캐리어의 치수에 맞게 사전에 절삭되어 준비된 필름 형태의 라미네이션에 딱 맞게 도포되어, 피복재의 돌출 가능한 부분의 트리밍(trimming), 에지 트리밍, 디버링(deburring) 공정과 같은 재작업이 필요 없도록 하는 것이다. 특히 바람직하게는, 고성능 플라스틱으로 이루어진 코어의 경우에는, 마모된 제1 피복재의 잔류물이 또한 남을 수 있다.
예를 들어, EP, PU, PA, PET, PE, PBT, PVB 등과 같은 강화 섬유의 추가가 가능한 플라스틱과 같은 저렴한 재료로 이루어진 코어의 경우에는, 단일 피복재가 바람직하다. 이 경우에, 특히 바람직하게는, 피복재는 코어용 블랭크(슬라브)에 이미 형성되어 있으며, 캐리어는 밀링, 절삭, 워터젯 절삭, 레이저 절삭 등을 이용하여 후면 피복재, 코어 및 전면 피복재로부터 형성된 "샌드위치" 슬라브로부터 단지 분리될 수 있을 뿐이다. 본 실시예에 있어서, 피복재가 거의 코어까지 마모되고 나면, 캐리어는 폐기된다.
도 11에는, 일 예로서, 연속적인 가공 과정(F)에 따른 반도체 웨이퍼의 평균 제거율(MAR)이 도시되어 있다. 도시된 예에 있어서는, 작업 층의 예리성에 영향을 미치지 않는 본 발명에 따른 캐리어가 사용되었다. 도면에 도시된 15번의 가공 사이클에 걸쳐 평균 제거율은 실질적으로 일정한 값(48)을 유지하였다. 가공의 한 사이클 동안 반도체 웨이퍼로부터 제거된 재료의 양은 90㎛이었으며, 전면 및 후면에 100㎛ 두께의 PVC 피복재가 제공된 스테인레스 강 코어로 이루어진 캐리어가 사용되었다. 마모로 인한 상기 피복재의 두께 감소는 가공 사이클당 평균 3㎛이었다.
도 12에는, 비교예로서, 연속적인 가공 과정(F)에 따른 반도체 웨이퍼의 평균 제거율(MAR)이 도시되어 있다. 도시된 비교예에 있어서는, 본 발명에 따른 캐리어가 아닌 작업 층의 예리성을 감소시키는 캐리어가 사용되었다. 가공의 일 사이클로부터 다음 사이클로 갈수록 평균 제거율이 연속적으로 감소하여, 즉, 처음에는 30㎛/min 이상이었지만 14번의 가공 사이클을 거친 후에는 5㎛/min 이하의 평균 제거율을 나타내었다. 본 비교예에서는, 유리 섬유 강화 에폭시 수지로 이루어진 캐리어가 사용되었으며, 마모로 인한 피복재의 두께 감소는 가공 사이클당 평균 3㎛이었다.
본 발명에 따른 제3 방법의 제2 실시예의 경우("캐리어 드레싱 공정을 채용하는 실시예"), 완전히 제2 재료로만 이루어진 캐리어가 사용되거나, 제2 재료로 이루어진 작업 층과 접촉하는 일부 영역에 피복재가 형성된 캐리어가 사용된다. 상기 제2 재료는 작업 층을 드레싱 처리하는 물질을 포함하고 있다.
전술한 바와 같은 제2 재료의 경우, 경질 물질을 포함하는 한편 작업 층과 접촉시 마모됨으로써, 그러한 마모의 결과 작업 층을 드레싱 처리하는 경질 물질이 해제되도록 구성되는 것이 바람직하다. 이와 같이 제2 재료의 마모 과정에서 해제되는 경질 물질의 경우, 작업 층에 포함된 연마재보다 연성인 것이 특히 바람직하다. 이러한 해제 재료의 특히 바람직한 예에는, 코런덤(corundum)(Al2O3), 탄화 규소(SiC), 산화 지르코늄(ZrO2), 이산화 규소(SiO2) 또는 산화 세륨(CeO2)이 포함되며, 작업 층에 포함된 연마재의 특히 바람직한 예로는 다이아몬드가 있다. 특히 바람직하게는, 캐리어의 제1 재료로부터 해제된 경질 물질은 매우 연성(SiO2, CeO2)이거나, 그 입자 크기가 매우 작다(Al2O3, SiC, ZrO2)이다. 이와 같은 경질 물질은 작업 층의 연마재를 이용한 가공에 의해 결정되는, 반도체 웨이퍼의 표면 거칠기 및 손상 깊이를 증가시키지 않는다.
일반적으로, 캐리어와 작업 층 사이의 상호 작용도는 두 개의 작업 층이 서로 다르다. 이것은, 예를 들어, 하부 작업 층과 보다 증가된 상호 작용도를 야기하는 캐리어의 고유 중량 또는 작업 간극에 공급되어 상측 및 하측에 서로 다른 냉각 윤활 필름을 생성하는 작동제(냉각 윤활제)의 분포도에 기인한다. 작업 층의 예리성을 감소시키는, 본 발명에 따르지 않은 캐리어의 경우에는 특히, 상부 작업 층과 하부 작업 층이 서로 상당히 비대칭적으로 무뎌지는 결과가 초래된다. 이것은 결국, 반도체 웨이퍼의 전면 및 후면으로부터의 재료 제거율이 달라지도록 하며, 반도체 웨이퍼의 바람직하지 못한 거칠기를 야기하는 변형이 발생하게 된다.
도 13에는, 일 예로서, PVC로 이루어진 본 발명에 따른 캐리어를 이용하여 가공된 반도체 웨이퍼의 두께 프로파일(53)의 와프(W)와, 비교예로서, 본 발명에 따르지 않은 캐리어를 이용하여 가공된 반도체 웨이퍼의 두께 프로파일(54)의 와프가 도시되어 있다. 도시된 예에서, 본 발명에 따르지 않은 캐리어는 스테인레스 강으로 이루어진 것이다. 작업 층의 다이아몬드 중의 탄소 성분이 스테인레스 강 내에서 방면됨에 따라, 다이아몬드는 깨지게 쉬운 상태로 변하게 되며 결국 작업 층이 무뎌지게 된다. 캐리어의 중량으로 인해, 하부 작업 층과 캐리어의 상호 작용도가 상부 작업 층과 캐리어의 상호 작용도보다 높으므로, 하부 작업 층이 보다 빠르게 무뎌지게 된다. 그 결과, 반도체 웨이퍼의 상측과 하측이 서로 상당히 비대칭적인 재료 제거율을 나타내게 되며, 결과적으로 전면 및 후면의 거칠기가 크게 달라진다. 그 결과, 와프(변형에 의해 유발된 뒤틀림)가 발생한다. 이러한 와프가 반도체 웨이퍼 상의 반경 방향 측정 위치(R)를 중심으로 플로팅 기법을 이용하여 표시되어 있다. 와프(W)는 장착된 반도체 웨이퍼의 전체 직경에 걸쳐 변형으로 인한 힘이 인가되지 않는 상태에서의 그 반도체 웨이퍼의 최대 휨을 나타내는 것이다. 본 발명에 따라 가공된 반도체 웨이퍼의 와프는 7㎛이며, 본 발명에 따른 방식으로 가공되지 않은 반도체 웨이퍼의 와프는 56㎛이다.
도 14에는, 일 예로서, 본 발명에 따른 캐리어(스테인레스 강으로 이루어진 코어 상에 PVC 필름이 적층되어 형성된)를 이용하여 가공된 반도체 웨이퍼의 하측(U) 및 상측(O)의 손상 깊이(58)(표면 속 손상, SSD)와, 비교예로서, 본 발명에 따르지 않은 캐리어(유리 섬유 강화 에폭시 수지로 이루어진)를 이용하여 가공된 반도체 웨이퍼의 하측(U) 및 상측(O)의 손상 깊이(59)가 도시되어 있다. 본 발명에 따라 가공된 반도체 웨이퍼의 경우에, 하측 및 상측의 SSD(58)는 측정 오류 범위 이내의 동일한 값이다. 반면에, 본 발명에 따른 방식으로 가공되지 않은 반도체 웨이퍼의 경우, 상부 작업 층에 의해 가공된 상측(O)의 SSD(59)는 본 발명에 따라 가공된 반도체 웨이퍼의 양면에서의 SSD보다 상당히 낮으며, 하부 작업 층에 의해 가공된 하측(U)의 SSD(59)는 본 발명에 따라 가공된 반도체 웨이퍼의 양면에서의 SSD보다 상당히 높다. SSD는 레이저-음향 측정 방법(레이저 펄스 여가 후 음향 분산도 측정 방식)에 의해 결정된 것이다.
도 15에는, 일 예로서, 본 발명에 따른 캐리어(스테인레스 강 코어 상의 PVC 필름으로 이루어진)를 이용하여 가공된 반도체 웨이퍼의 상측(O) 및 하측(U)의 RMS 거칠기(58)와, 비교예로서, 본 발명에 따르지 않은 캐리어(유리 섬유 강화 에폭사이드로 이루어진)를 이용하여 가공된 반도체 웨이퍼의 RMS 거칠기(59)가 도시되어 있다. 본 발명에 따라 가공된 반도체 웨이퍼의 경우에, 상측 및 하측의 거칠기(58)는 측정 오류 범위 이내의 동일한 값이다. 본 발명에 따른 방식으로 가공되지 않은 반도체 웨이퍼의 경우에, 상부 작업 층에 의해 가공된 상측(O)의 거칠기(59)는 본 발명에 따라 가공된 반도체 웨이퍼의 양면에서의 거칠기보다 상당히 낮으며, 하부 작업 층에 의해 가공된 하측(U)의 거칠기는 본 발명에 따라 가공된 반도체 웨이퍼의 양면에서의 거칠기보다 상당히 높다(RMS는 실효값으로서, 거칠기 진폭의 RMS 값을 일컫는다). 이와 같은 거칠기는 스타일러스 외형분석기(stylus profilometer)를 사용하여 결정된 것이다(80㎛ 필터 길이).
Claims (3)
- 각각의 반도체 웨이퍼가 롤링 장치에 의해 회전하도록 구성되어 있는 복수 개의 캐리어 중 하나의 컷아웃 내에 자유롭게 이동 가능하도록 배치되어 사이클로이드 궤도 상에서 이동하도록 되어 있으며, 상기 반도체 웨이퍼는 두 개의 회전하는 링 형상의 작업 디스크 사이에서 재료 제거 방식으로 가공되고, 각각의 상기 작업 디스크는 접합 연마재를 내포한 작업 층을 포함하며, 가공 동안 상기 반도체 웨이퍼의 일부 영역이 일시적으로 상기 작업 층에 의해 범위가 한정되는 작업 간극을 떠나게 되며, 반경 방향에서의 최대 오버런(overrun)은 반도체 웨이퍼 직경의 0% 초과 최대 20%의 범위 이내이고, 상기 오버런은 반경 방향으로 측정한, 작업 디스크에 대한 상대적인 길이로서 정의되며, 이 오버런에 의해 반도체 웨이퍼가 연마 공정 동안 적시에 특정 지점에서 작업 간극의 내부 또는 외부 가장자리를 초과하여 돌출되는 것인 복수 개의 반도체 웨이퍼의 양면 동시 연마 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 반도체 웨이퍼는, 그 일부 영역이 일시적으로 작업 간극을 떠나게 되는 경우, 작업 층의 전체 가장자리 영역을 완전하게 그리고 흔히는 실질적으로 균일하게 점진적으로 쓸고 지나가는 것인 복수 개의 반도체 웨이퍼의 양면 동시 연마 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 반도체 웨이퍼는, 일시적으로 작업 간극의 내부 가장자리를 통과하여 그리고 일시적으로 작업 간극의 외부 가장자리를 통과하여 작업 간극을 떠나게 되는 것인 복수 개의 반도체 웨이퍼의 양면 동시 연마 방법.
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