KR20110080242A - 웨이퍼의 굴곡이 개선되는 웨이퍼의 랩핑 방법 - Google Patents

웨이퍼의 굴곡이 개선되는 웨이퍼의 랩핑 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 잉곳으로부터 슬라이싱된 웨이퍼를 상정반과 하정반 사이에 로딩하여 웨이퍼의 상하 표면을 연마하는 웨이퍼의 랩핑 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 웨이퍼의 랩핑 방법은, 상정반의 하중에 의해 웨이퍼에 인가되는 압력을, 이 압력에 의해 웨이퍼가 탄성 변형되지 않는 범위의 제1압력으로 설정하여 랩핑을 행하는 제1랩핑 단계; 및 제1랩핑 단계 이후에, 상정반의 하중에 의해 웨이퍼에 인가되는 압력을 상기 제1압력보다 큰 제2압력으로 설정하여 랩핑을 행하는 제2랩핑 단계;를 포함한다. 본 발명에 의하면, 슬라이싱 공정에 기인하여 웨이퍼 표면에 생기는 물결 모양의 굴곡을 효과적으로 개선할 수 있고, 나노토포그래피가 개선된 웨이퍼를 얻을 수 있으며, 양품 웨이퍼의 수율을 높일 수 있다.

Description

웨이퍼의 굴곡이 개선되는 웨이퍼의 랩핑 방법{Method for lapping wafer improved in wafer waviness}
본 발명은 웨이퍼의 랩핑(lapping) 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 웨이퍼의 굴곡을 개선할 수 있는 웨이퍼 랩핑 방법에 관한 것이다.
반도체 소자 등을 제조하는 원재료인 단결정 실리콘 웨이퍼 등의 웨이퍼는 크게, 쉐이핑(shaping) 공정, 경면 연마(polishing) 공정, 세정(cleaning) 공정을 거쳐 제조된다. 쉐이핑 공정은 다시, 잉곳(ingot) 형태의 단결정을 원반형의 웨이퍼로 자르는 슬라이싱(slicing) 공정, 슬라이싱 공정에 기인하는 결함을 제거하고 두께와 평탄도를 제어하기 위해 웨이퍼를 기계적으로 연마하는 랩핑(lapping) 공정, 랩핑 공정에 기인하는 결함을 화학적으로 제거하는 에칭(etching) 공정 등으로 세분할 수 있다.
슬라이싱 공정은 통상, 복수의 와이어 소(wire saw)를 이용하여 단결정 잉곳을 동시에 복수의 원반형 웨이퍼로 자르게 되는데, 와이어 소를 이용하는 공정 특성상 잘려진 웨이퍼 표면에는 소잉 자국이 남게 되고 또한 웨이퍼 전체적으로 보았을 때 물결 모양의 굴곡(waviness)이 형성되기도 한다. 이러한 물결 모양의 굴곡은 후속하는 랩핑, 에칭, 경면 연마 공정에서(주로 랩핑 공정에서) 개선되지만, 후속 공정에서 이러한 굴곡의 개선이 미흡한 경우에는 경면 연마 이후에도 굴곡이 잔류하여 웨이퍼의 나노토포그래피(nanotopography)에 영향을 미친다. 웨이퍼의 나노토포그래피가 나쁘면, 그 웨이퍼 상에 형성되는 반도체 칩이나 개별 반도체 소자의 품질과 수율이 떨어지게 된다. 따라서, 이러한 물결 모양의 굴곡을 제거하기 위해 슬라이싱 공정에 이어 랩핑 공정이 수행된다.
랩핑 공정은 일반적으로, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상정반(30)과 하정반(40) 사이에, 웨이퍼 홀에 웨이퍼(10)가 끼워진 캐리어(20)를 장착한 후, 슬러리(50)를 공급하면서 상정반(30)과 하정반(40)을 서로 가압하고 웨이퍼(10)를 회전시킴으로써 웨이퍼(10) 양면을 기계적으로 연마하여 진행된다. 이때, 캐리어(20)의 외주에는 선 기어(sun gear)(60) 및 인터널 기어(internal gear)(70)에 치합하는 기어가 형성되어 있어 랩핑 공정시 캐리어(20)는 자전과 공전을 하게 되고, 그에 따라 캐리어(20)에 끼워진 웨이퍼(10)도 회전하게 된다.
본 발명은 슬라이싱 공정에 기인하는 물결 모양의 굴곡을 효과적으로 제어함으로써 결과적으로 웨이퍼의 나노토포그래피가 개선된 웨이퍼를 제조할 수 있는 랩핑 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명자들은 거듭된 연구와 실험 끝에, 랩핑 공정의 여하에 따라서는 물결 모양의 굴곡이 제거되지 않고 경면 연마(polishing) 공정 이후에도 잔류하여 웨이퍼의 나노토포그래피를 악화시킬 수 있음을 알아내고, 이를 개선할 수 있는 랩핑 방법을 찾아내어 본 발명을 완성하게 되었다.
즉, 본 발명에 따른 웨이퍼의 랩핑 방법은, 잉곳으로부터 슬라이싱된 웨이퍼를 상정반과 하정반 사이에 로딩하여 웨이퍼의 상하 표면을 연마하는 웨이퍼의 랩핑 방법으로서, 상기 상정반의 하중에 의해 상기 웨이퍼에 인가되는 압력을, 이 압력에 의해 웨이퍼가 탄성 변형되지 않는 범위의 제1압력으로 설정하여 랩핑을 행하는 제1랩핑 단계; 및 상기 제1랩핑 단계 이후에, 상기 상정반의 하중에 의해 상기 웨이퍼에 인가되는 압력을 상기 제1압력보다 큰 제2압력으로 설정하여 랩핑을 행하는 제2랩핑 단계;를 포함한다.
여기서, 상기 제1압력은 35~40 g/cm2 의 범위내인 것이 바람직하고, 상기 제2압력은 100~110 g/cm2 의 범위내인 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 랩핑 공정을, 웨이퍼가 탄성 변형되지 않는 범위의 상대적으로 낮은 제1압력에서 수행하는 제1랩핑 단계와, 상대적으로 높은 제2압력에서 수행하는 제2랩핑 단계로 나누어서 행함으로써, 슬라이싱 공정에 기인하여 웨이퍼 표면에 생기는 물결 모양의 굴곡을 효과적으로 개선할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면 나노토포그래피가 개선된 웨이퍼를 얻을 수 있고, 동일한 배치(batch) 또는 로트(lot)에서 양품 웨이퍼의 수율을 높일 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술된 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 일반적인 랩핑 장비를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 랩핑 장비를 사용하여 랩핑 공정을 진행하는 상태를 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 비교예에 따른 랩핑 방법의 공정 다이어그램이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 랩핑 방법의 공정 다이어그램이다.
도 5는 비교예와 본 발명의 실시예에 따라 랩핑 공정을 행하고 연마 공정을 마친 후 웨이퍼의 나노토포그래피를 측정하여 도시한 그래프이다.
도 6은 비교예와 본 발명의 실시예에 따라 랩핑 공정을 행하고 연마 공정을 마친 웨이퍼의 나노토포그래피 맵이다.
도 7은 비교예와 본 발명의 실시예에 따라 랩핑 공정을 행하는 경우 탄성 변형 및 연마되는 상태를 모식적으로 도시한 단면도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
일반적으로 웨이퍼 랩핑 공정은, 전술한 바와 같이, 상정반(30, 도 1 및 도 2 참조)과 하정반(40) 사이에 웨이퍼(10)를 로딩하고, 상정반(30)의 하중에 의해 웨이퍼(10)에 인가되는 압력을 소정 범위로 조절하면서 진행된다. 이때 웨이퍼에 인가되는 압력은 랩핑에 의해 제거되는 양(두께)과 생산성 등을 고려하여 설정된다. 즉, 압력이 클수록 연마속도가 빠르고 그만큼 랩핑에 소요되는 시간을 짧게 할 수 있어 생산성은 증가하지만, 연마의 불균일성에 따른 평탄도 제어가 어려워질 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 비교예로서 소개되는 일반적인 랩핑 공정에서는 압력을 100 g/cm2 내외로 하고 랩핑 시간을 10분 내외로 하여 약 60um 정도의 두께를 제거하고 있다. 즉, 도 3에 공정 다이어그램이 도시된 비교예의 랩핑 방법은, 상정반의 하중에 의해 웨이퍼에 인가되는 압력(P)을 100 g/cm2로 설정하고 랩핑 시간(T)을 11분으로 하여 랩핑을 진행한다. 여기서 주목할 것은, 비교예의 랩핑은 압력을 한 가지로만 설정하는 1 단계 랩핑이라는 점이다.
이에 대해 본 발명에서는 웨이퍼에 인가되는 압력을 상대적으로 낮은 제1압력과 상대적으로 높은 제2압력의 두 가지로 하여 2 단계 랩핑을 진행한다. 즉, 도 4에 도시된 공정 다이어그램을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 랩핑에서는 압력(P1)을 40 내지 50 g/cm2 이하로 설정하여 랩핑을 진행하는 제1랩핑 단계(S1)와, 압력(P2)을 100 내지 110 g/cm2로 설정하여 랩핑을 진행하는 제2랩핑 단계(S2)로 나누어 진행한다. 이때 제1랩핑 시간(T1)과 제2랩핑 시간(T2)은 각각 5~6분으로, 전체 랩핑 시간은 비교예와 본 발명의 실시예 사이에 거의 차이가 없다.
구체적으로, 이하에 제시되는 실험예에서는, 아래 표 1과 같은 공정 조건으로 두께 약 900um로 슬라이싱된 300mm 직경의 실리콘 단결정 웨이퍼에 대하여 랩핑 공정을 진행하였다. 이어서, 비교예와 각 실시예에 따라 랩핑 공정을 마친 웨이퍼들에 대하여 통상적인 방법에 따라 동일하게 에칭 공정 및 경면 연마 공정을 진행한 후, 웨이퍼의 나노토포그래피를 구하여, 표 1과 도 5에 나타내었다. 여기서, 웨이퍼의 나노토포그래피는, 웨이퍼 전체에 대하여 소정 기준면에 대한 최고점(peak)과 최저점(valley)의 고저차(peak-to-valley) 데이터 값을 웨이퍼의 나노토포그래피로 취하였다. 또한, 도 6은 이렇게 구한 나노토포그래피를 맵(map)으로 나타낸 것이다. 도 6에서 명암은 기준면에 대한 각 지점의 고저를 나타내며 명암이 뚜렷할수록 고저차가 큼을 의미한다.
구분 제1랩핑 단계 제2랩핑 단계 나노토포그래피
(um)
압력(g/cm2) 시간(분 압력(g/cm2) 시간(분)
비교예 100 11 - - 32.4
실시예1 40 5 100 6 27.9
실시예2 40 5 110 5 28.8
실시예3 50 4.5 100 6 30.7
이상의 결과로부터, 상대적으로 높은 압력 조건에서 1 단계 랩핑만 수행한 비교예에 비해, 낮은 압력과 높은 압력의 두 가지 압력 조건으로 2 단계 랩핑을 수행한 실시예, 특히 실시예 1에서 물결 모양의 굴곡이 보다 많이 개선되어 나노토포그래피가 개선됨을 알 수 있다.
이와 같이 높은 압력에서 1 단계 랩핑을 수행한 경우에 비해 본 발명에 따라 낮은 압력 -> 높은 압력의 2 단계 랩핑을 수행한 경우에 나노토포그래피가 개선되는 원리는 다음과 같이 추론된다.
도 7은 비교예(a)와 본 발명의 실시예(b)에 따라 랩핑 공정을 행하는 경우 웨이퍼가 탄성 변형 및 연마되는 상태를 모식적으로 도시한 단면도이다. 단, 도 7에서는 설명과 이해의 편의를 위해 웨이퍼의 굴곡이나 두께를 과장하여 도시하고 있다.
먼저, 와이어 소를 이용하여 슬라이싱된 웨이퍼(10)는 도 7의 위쪽에 도시된 바와 같이, 물결 모양의 굴곡이 형성되어 있다. 이 굴곡진 웨이퍼(10)를 상정반(30)과 하정반(40) 사이에 로딩하고, 도 7의 (a)에 도시된 비교예 즉, 상정반(30)의 하중을 상대적으로 크게 함으로써 웨이퍼에 인가되는 압력을 상대적으로 높게 하여 랩핑을 수행하면, 굴곡진 웨이퍼가 상대적으로 높은 압력에 의해 탄성 변형하여 편평하게 펴진 상태에서(10a1 참조) 랩핑되게 된다. 그 결과, 편평해진 상태에서 웨이퍼(10a1)의 전체 표면이 일정한 두께로 연마 제거된다(10a2 참조). 랩핑을 마친 후 웨이퍼(10a2)를 랩핑 장비에서 언로딩하게 되면, 웨이퍼(10a2)에 내재되어 있던 탄성응력에 의해 탄성 복원된다(10a3 참조). 따라서, 랩핑 공정 중의 웨이퍼(10a1, 10a2)는 평탄한 것처럼 보이지만, 랩핑을 마치고 랩핑 장비에서 언로딩된 웨이퍼(10a3)는 다시 탄성 복원 또는 소성 변형(plastic deformation)이 일어나 결국 굴곡의 개선 효과가 미미하다.
한편, 도 7의 (b)에 도시된 본 발명의 실시예에서는 동일하게 굴곡진 웨이퍼(10)를 상정반(30)과 하정반(40) 사이에 로딩하고, 상정반(30)의 하중을 상대적으로 작게 함으로써 웨이퍼에 인가되는 압력을 상대적으로 낮게 하여 제1랩핑 단계를 수행하면, 웨이퍼가 탄성 변형되지 않고 굴곡이 거의 그대로 유지된 채(10b1 참조) 랩핑되게 된다. 그 결과, 웨이퍼(10b1)의 상하 표면에서 각각 볼록하게 솟은 부분이 주로 연마 제거되어 웨이퍼의 굴곡(waviness)이 제거된다(10b2 참조). 이렇게 웨이퍼의 굴곡이 제거된 상태에서 상대적으로 높은 압력 조건의 제2랩핑 단계를 수행한 후 랩핑 장비에서 웨이퍼를 언로딩하면, 웨이퍼에 탄성응력이 없기 때문에 비교예에서와 같은 탄성 복원 또는 소성 변형이 일어나지 않고 평탄하게 랩핑된 웨이퍼(10b3)가 얻어진다.
이와 같이, 본 발명에서는 굴곡진 웨이퍼가 탄성 변형되지 않는 범위의 제1압력에서 랩핑을 행함으로써 웨이퍼의 굴곡을 제거한 다음, 웨이퍼의 연마 속도가 빠르게 되도록 상대적 높은 압력의 제2압력에서 웨이퍼의 전체 표면을 원하는 사양에 맞게 일정한 두께만큼 연마 제거한다. 따라서, 본 발명에서는 제1랩핑 단계가 상대적으로 중요하며, 제1랩핑 단계에서 웨이퍼가 탄성 변형되지 않는 범위의 제1압력과, 웨이퍼의 굴곡이 거의 대부분 제거되는데 걸리는 시간인 제1랩핑 시간이 중요해진다.
제1압력 즉, 웨이퍼가 탄성 변형되지 않는 범위의 압력은 웨이퍼의 재질이나 두께, 크기에 따른 탄성계수 등에 따라 다양할 수 있으므로, 제1압력을 일의적으로 한정하는 것은 적절하지 않다. 하지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 주어진 제반 조건이나 사양에 따라 몇 번의 반복 실험을 통해 최적화할 수 있다. 참고로 전술한 실험예에서와 같이 두께 약 900um로 슬라이싱된 300mm 직경의 실리콘 단결정 웨이퍼의 경우에, 표 1과 도 5의 결과로부터 제1압력은 50 g/cm2 정도, 보다 확실하게는 40 g/cm2 정도가 그 상한이라고 할 수 있다. 한편, 제1압력이 작을수록 웨이퍼의 탄성 변형이 일어나지 않고 굴곡을 보다 확실하게 제거할 수 있기 때문에 제1압력의 하한을 설정하는 것은 적절하지 않다. 다만, 제1압력이 너무 작으면 굴곡을 제거하는 데에 걸리는 시간이 지나치게 증가하여 생산성에서 불리하다는 측면에서 굳이 그 하한을 설정한다면 35 g/cm2 정도가 적당하다.
또한, 제1랩핑 시간도 제1압력, 웨이퍼의 경도나 굴곡 정도, 상하정반 표면의 거칠기나 슬러리의 재질 등에 따라 다양할 수 있으므로 제1단계 랩핑의 지속시간을 일의적으로 한정하는 것은 적절하지 않다. 하지만 제1랩핑 시간 역시 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 주어진 제반 조건이나 사양에 따라 몇 번의 반복 실험을 통해 최적화할 수 있다. 참고로 전술한 실험예의 웨이퍼에 대하여 웨이퍼의 굴곡(waviness)이 10um 내외이고 제1압력이 40~50 g/cm2일 때, 제1랩핑 시간을 5~6분 정도로 하면 연마 제거되는 양이 14um 정도가 되어 웨이퍼의 탄성 변형 없이 웨이퍼의 굴곡을 거의 모두 제거할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 제2랩핑 단계의 제2압력과 제2랩핑 시간은 생산성 즉, 웨이퍼가 연마 제거되는 속도 및 웨이퍼의 두께 사양에 따라 적절하게 설정하면 된다. 전술한 실험예에서와 같은 웨이퍼의 경우에는, 제2압력을 예컨대, 100~110 g/cm2의 범위로 설정하고 제2랩핑 시간을 5~6분 정도로 설정할 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (3)

  1. 잉곳으로부터 슬라이싱된 웨이퍼를 상정반과 하정반 사이에 로딩하여 웨이퍼의 상하 표면을 연마하는 웨이퍼의 랩핑 방법에 있어서,
    상기 상정반의 하중에 의해 상기 웨이퍼에 인가되는 압력을, 이 압력에 의해 웨이퍼가 탄성 변형되지 않는 범위의 제1압력으로 설정하여 랩핑을 행하는 제1랩핑 단계; 및
    상기 제1랩핑 단계 이후에, 상기 상정반의 하중에 의해 상기 웨이퍼에 인가되는 압력을 상기 제1압력보다 큰 제2압력으로 설정하여 랩핑을 행하는 제2랩핑 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼의 랩핑 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1압력이 35~40 g/cm2의 범위내인 것을 특징으로 하는 웨이퍼의 랩핑 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2압력이 100~110 g/cm2의 범위내인 것을 특징으로 하는 웨이퍼의 랩핑 방법.
KR1020100000383A 2010-01-05 2010-01-05 웨이퍼의 굴곡이 개선되는 웨이퍼의 랩핑 방법 KR20110080242A (ko)

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CN116175397A (zh) * 2022-12-13 2023-05-30 西安奕斯伟材料科技有限公司 一种用于研磨硅片的设备和方法

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