KR20220045386A - 가공물의 연마 방법 - Google Patents

Abstract

본 실시예에 따르면, 가공물을 캐리어에 장착하는 장착 단계; 상기 장착 단계에서 캐리어에 장착된 가공물을 연마 패드에 가압시키고, 상기 캐리어를 상기 연마 패드 상에서 이동시키는 가공물 폴리싱 단계(workpiece polishing step); 상기 캐리어 폴리싱 단계에서 폴리싱된 가공물을 캐리어에서 제거하는 탈거 단계; 및 상기 탈거 단계에서 가공물이 제거된 캐리어를 상기 연마 패드에 가압시키고, 상기 캐리어를 상기 가공물 폴리싱 단계와 동일한 경로를 따라 상기 연마 패드 상에서 이동시키는 캐리어 런 단계(carrier run step);를 포함하는 가공물의 연마 방법을 제공한다.

Description

가공물의 연마 방법 {Polishing method of a workpiece}

본 발명은 가공물을 연마하는 연마 패드의 두께 편차를 해소시킬 수 있는 가공물의 연마 방법에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 소자 등의 전자부품을 생산하기 위해 사용되는 실리콘 웨이퍼(wafer)는, 봉형의 단결정 실리콘 잉곳(ingot)을 얇게 절단하는 슬라이싱 공 정(slicing), 절단된 웨이퍼의 두께와 평탄도를 유지하도록 하는 랩핑 공정(lapping process), 불순물이나 결함 등의 제거를 위한 에칭 공정(etching), 표면의 손상이나 평탄도를 향상시키기 위한 폴리싱 공정(polishing)과 후속 세정 공정(cleaning) 등의 공정 단계를 거쳐 제조된다.

폴리싱 공정 중 양면 연마 공정(Double Side Polishing : DSP)은 슬러리(slurry)를 연마제로 사용하여 정반 가압하에 패드(pad)와 웨이퍼의 마찰을 통하여 연마를 수행하는 것으로서, 웨이퍼의 평탄도를 결정할 수 있다.

따라서, DSP 공정은 슬러리와 웨이퍼 표면의 화학적 작용을 이용하는 화학적 공정(Chemical process)과 정반 가압 하에서 패드와 웨이퍼 간의 마찰을 이용하는 기계적 공정(Mechanical process)의 복합적인 작용(Mechano-Chemical Polishing)에 의해 이루어진다.

도 1은 일반적인 연마 패드의 응력-변형 특성이 나타나는 그래프이다.

일반적으로, 폴리싱 공정이 진행되면, 가공물이 연마 패드를 가압함으로서, 연마 패드에 하중이 가해지거나, 제거되는 시점에 변형이 발생될 수 있다.

폴리싱 공정에 사용되는 연마 패드는 폴리우레탄을 섬유 가닥에 함침하는 과정을 통하여 만들어지기 때문에 폴리싱 공정 중 연마 패드는 도 1에 도시된 바와 같이 점탄성적인 응력-변형 특성을 나타낸다.

연마 패드는 하중이 가해지는 순간 일정 크기의 탄성 변형(순간적인 변형 : ε₁)을 보이고, 시간이 지남에 따라 변형이 점점 증가하거나 변형을 회복하는 시간지연 변형(시간지연 변형 : ε₂)을 보인 다음, 시간이 지나도 회복되지 않는 영구변형(영구 변형 : ε₃)을 보인다.

상기와 같은 연마 패드의 점탄성적인 거동은 가공물의 연마 결과에 영향을 미치게 되는데, 폴리싱 공정이 진행될수록 가공물이 연마 패드를 지속적으로 압축하고, 가공물의 하중에 의한 접촉으로 연마 패드의 두께 변화가 발생한다.

종래의 폴리싱 공정이 반복될수록 연마 패드의 변형은 일정 시간 이내에 회복되지 못하고, 다시 연마 패드는 하중을 받아 지속적으로 압축되어 영구 변형될 수 있다. 따라서, 공정 초기 하중에 대해 연마 패드의 두께 변화가 크게 나타나지만, 공정 시간이 경과됨에 따라 연마 패드의 두께 변화가 줄어들어 일정한 값에 수렴하는 것을 확인할 수 있다.

종래 기술에 따르면, 웨이퍼가 캐리어에 장착되고, 연마 패드가 정반에 부착된 다음, 캐리어가 정반의 중심을 기준으로 공전하는 동시에 자전하고, 웨이퍼가 연마 패드에 가압된 상태로 이동됨에 따라 연마된다.

상기와 같이 폴리싱 공정을 진행하면, 캐리어에 하나의 웨이퍼가 장착되는 소형 정반 뿐 아니라 캐리어에 세 개의 웨이퍼가 장착되는 대형 정반에서 모두 웨이퍼의 이동 궤적이 연마 패드의 센터와 에지 사이의 중간 영역에 많이 분포되고, 연마 패드의 중간 영역에서 접촉 빈도가 높은 것을 확인할 수 있다.

그러나, 종래 기술의 폴리싱 공정에 따르면, 연마 패드의 중간 영역에서 두께 편차가 크게 나타나고, 이러한 연마 패드의 두께 편차는 폴리싱 공정 중 불균일한 압력 분포와 슬러리 유동 특성 등을 변화시킴으로, 가공물의 연마 품질을 저하시킬 뿐 아니라 연마 패드의 수명을 단축시키는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 가공물을 연마하는 연마 패드의 두께 편차를 해소시킬 수 있는 가공물의 연마 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 실시예에 따르면, 가공물을 캐리어에 장착하는 장착 단계; 상기 장착 단계에서 캐리어에 장착된 가공물을 연마 패드에 가압시키고, 상기 캐리어를 상기 연마 패드 상에서 이동시키는 가공물 폴리싱 단계(workpiece polishing step); 상기 캐리어 폴리싱 단계에서 폴리싱된 가공물을 캐리어에서 제거하는 탈거 단계; 및 상기 탈거 단계에서 가공물이 제거된 캐리어를 상기 연마 패드에 가압시키고, 상기 캐리어를 상기 가공물 폴리싱 단계와 동일한 경로를 따라 상기 연마 패드 상에서 이동시키는 캐리어 런 단계(carrier run step);를 포함하는 가공물의 연마 방법을 제공한다.

상기 장착 단계는, 적어도 캐리어의 두께 보다 두꺼운 가공물을 준비하는 제1과정과, 상기 제1과정에서 준비된 가공물이 안착되는 적어도 하나 이상의 홀이 구비된 캐리어를 준비하는 제2과정과, 상기 제2과정에서 준비된 캐리어의 홀들에 맞물리도록 가공물들을 안착시키는 제3과정을 포함할 수 있다.

상기 가공물 폴리싱 단계는, 상정반과 하정반의 서로 대향된 면에 각각 연마 패드를 부착하는 제1과정과, 상기 제1과정에서 부착된 연마 패드들에 상기 가공물의 상/하면을 가압시키는 제2과정과, 상기 제2과정에서 가압물이 상기 연마 패드에 가압되면, 상기 캐리어를 상기 연마 패드 상에서 소정 경로를 따라 이동시키는 제3과정을 포함할 수 있다.

상기 가공물 폴리싱 단계는, 점탄성(viscoelasticity)을 갖는 연마 패드들을 적용할 수 있다.

상기 가공물 폴리싱 단계는, 상기 캐리어를 자전시키는 동시에 상기 하정반의 중심을 기준으로 공전시킬 수 있다.

상기 캐리어 런 단계는, 상기 연마 패드들에 상기 캐리어의 상/하면을 가압시키는 제1과정과, 상기 제1과정에서 캐리어가 상기 연마 패드에 가압되면, 상기 캐리어를 상기 연마 패드 상에서 소정 경로를 따라 이동시키는 제2과정을 포함할 수 있다.

상기 캐리어 런 단계는, 상기 캐리어를 자전시키는 동시에 상기 하정반의 중심을 기준으로 공전시킬 수 있다.

상기 가공물 폴리싱 단계와 캐리어 런 단계는, 각각 상기 캐리어를 이동시키는 동안 상기 연마 패드에 슬러리를 공급하는 과정을 포함할 수 있다.

상기 가공물 폴리싱 단계와 캐리어 런 단계는, 동일한 공정 조건 하에서 진행될 수 있다.

상기 공정 조건은, 상기 캐리어의 이동 속도 및 이동 경로, 공정 시간, 상기 연마 패드에 가해지는 압력, 상기 연마 패드에 공급되는 슬러리 유량을 포함할 수 있다.

본 실시예의 가공물의 연마 방법은 캐리어에 장착된 가공물을 연마 패드에 가압 및 이동시키는 폴리싱 공정을 진행한 다음, 가공물을 제거한 캐리어를 연마 패드에 가압 및 이동시키는 캐리어 런 공정을 진행한다.

즉, 폴리싱 공정 중 연마 패드(P)의 가압 부분과 캐리어 런 공정 중 연마 패드(P)의 가압 부분을 서로 반대되게 구현함으로서, 연마 패드(P)의 두께 편차를 효과적으로 해소할 수 있다.

따라서, 웨이퍼와 연마 패드 사이의 압력 분포와 슬러리의 유동 특성을 균일하게 유지할 수 있으므로, 웨이퍼의 가공 형상 즉, 연마 품질을 균일하게 유지할 수 있고, 연마 패드의 수명을 연장시킬 수 있다.

도 1은 일반적인 연마 패드의 응력-변형 특성이 나타나는 그래프.
도 2는 본 실시예에 따른 가공물의 연마 방법이 도시된 순서도.
도 3a 및 도 3b는 본 실시예에 따른 폴리싱 장치의 연마 방법이 도시된 도면.
도 4는 본 실시예에 따른 가공물의 연마 방법을 적용하기 전/후 GBIR이 도시된 그래프.

이하에서는, 본 실시예에 대하여 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다.

도 2는 본 실시예에 따른 가공물의 연마 방법이 도시된 순서도이고, 도 3a 및 도 3b는 본 실시예에 따른 폴리싱 장치의 연마 방법이 도시된 도면이다.

본 실시예에 따른 가공물의 연마 방법에 따르면, 가공물(W)을 캐리어(C)에 장착한 상태에서 연마 패드(P) 상에서 가공물 폴리싱 단계를 진행한 다음, 가공물(W)을 캐리어(C)에서 제거한 상태에서 연마 패드(P) 상에서 캐리어 런 단계를 진행할 수 있다.

여러 번의 가공물 폴리싱 단계를 진행한 다음, 연마 패드(P)의 두께 편차가 크게 발생되는 것으로 판단되는 시점에 한 번의 캐리어 런 단계를 진행할 수 있으나, 한정되지 아니한다.

먼저, 가공물(W)을 캐리어(C)에 장착할 수 있다.(S1 참조)

가공물(W)은 폴리싱 공정이 요구되는 웨이퍼일 수 있으나, 한정되지 아니한다. 다만, 캐리어(C)는 가공물(W)이 안착될 수 있는 적어도 하나 이상의 홀(h)이 구비되고, 캐리어(C)의 두께는 적어도 가공물(W)의 두께 보다 얇게 구성되어야 한다.

다음, 가공물(W)이 캐리어(C)의 홀(h)에 안착되면, 캐리어(C)의 외주를 하정반(미도시)의 내/외주에 위치한 인터널 기어(internal gear : 미도시)와 선 기어(sun gear : 미도시)에 맞물리게 하고, 상정반이 하정반으로 이동됨에 따라 캐리어(C)의 상/하면이 상/하정반에 의해 가압될 수 있다.

또한, 점탄성(viscoelasticity)을 갖는 연마 패드들(P)이 상/하정반의 대향되는 면에 각각 부착되고, 캐리어(C)에 장착된 가공물(W)의 상/하면이 연마 패드들(P)에 가압 접촉될 수 있다.

다음, 연마 패드(P)에 슬러리를 공급하는 동안, 캐리어(C)에 장착된 가공물(W)을 연마 패드(P) 상에 가압 및 이동시키는 가공물 폴리싱을 진행할 수 있다.(S2 참조)

폴리싱 공정이 진행되는 동안, 연마 성능과 냉각 성능을 향상시키기 위하여 슬러리를 일정한 유량으로 연마 패드(P)에 공급한 다음, 슬러리를 회수하여 재사용하는 과정을 반복한다.

가공물(W)과 연마 패드(P) 및 품질 등을 고려하여 최적의 폴리싱 공정 조건이 설정될 수 있는데, 폴리싱 공정 조건은 캐리어(C)의 이동 속도 및 이동 경로, 공정 시간, 연마 패드(P)에 가해지는 압력, 연마 패드(P)에 공급되는 슬러리 유량 등을 포함할 수 있다.

폴리싱 공정 조건 하에서 인터널 기어와 선 기어가 회전하면, 캐리어(C)가 하정반의 중심을 기준으로 공전 및 자전하게 되고, 캐리어(C)에 안착된 가공물(W)을 슬러리가 공급된 연마 패드(P) 상에서 소정의 경로를 따라 이동시킨다. 따라서, 가공물(W)의 표면을 슬러리와 연마 패드(P)에 의해 정밀하게 연마시킬 수 있다.

한편, 연마 패드(P) 상에서 가공물(W)의 이동 궤적에 해당하는 일부분이 가공물의 집중 하중에 의해 더욱 가압되고, 폴리싱 공정이 반복될수록 연마 패드(P) 상에서 가공물(W)의 이동 궤적에 해당하는 부분이 다른 부분에 비해 마모됨에 따라 두께가 얇아질 수 있다.

폴리싱 공정이 완료되면, 가공물(W)을 캐리어(C)에서 제거할 수 있다.(S3 참조)

다른 가공물(W)을 캐리어(C)에 장착하고, 상기와 같은 폴리싱 공정을 반복할 수 있으며, 폴리싱 공정을 반복할수록 연마 패드(P)의 두께 편차가 크게 발생될 수 있다.

연마 패드의 두께 편차를 해소하기 위하여, 연마 패드(P)에 슬러리를 공급하는 동안, 가공물(W)이 제거된 캐리어(C)를 연마 패드(P) 상에서 동일한 경로를 따라 이동시키는 캐리어 런(carrier run)을 진행할 수 있다.(S4 참조)

캐리어 런 공정이 진행되는 동안, 상/하정반의 온도 변화를 최소화시키기 위하여 폴리싱 공정과 동일하게 슬러리를 일정한 유량으로 연마 패드(P)에 공급한 다음, 슬러리를 회수하여 재사용하는 과정을 반복한다.

슬러리 이외에 다른 유체를 사용할 수 있으나, 슬러리를 사용하는 것이 바람직하다. 캐리어 런 공정 중 슬러리를 사용하면, 별도의 유량 제어 및 회수 유로를 구성할 필요가 없이 슬러리의 유량 제어 및 회수 유로를 그대로 적용할 수 있고, 연마 패드(P)에 머금은 슬러리를 그대로 유지할 수 있기 때문에 추후 폴리싱 공정을 진행하더라도 헌팅을 방지할 수 있다.

캐리어 런 공정 조건은 다양하게 설정될 수 있으나, 작업 편의성 및 연마 품질을 보장하기 위하여 폴리싱 공정 조건과 동일하게 유지하는 것이 바람직하다.

캐리어 런 공정 조건 하에서 인터널 기어와 선 기어가 회전하면, 캐리어(C)가 하정반의 중심을 기준으로 공전 및 자전하게 되고, 캐리어(C)를 슬러리가 공급된 연마 패드(P) 상에서 소정의 경로를 따라 이동시킨다.

연마 패드(P) 상에서 가공물(W)이 제거된 캐리어(C)의 이동 궤적에 해당하는 일부분이 캐리어(C)의 집중 하중에 의해 더욱 가압되고, 캐리어 런 공정이 반복될수록 연마 패드(P) 상에서 가공물(W)이 제거된 캐리어(C)의 이동 궤적에 해당하는 부분이 다른 부분에 비해 마모됨에 따라 두께가 얇아질 수 있다.

이와 같이, 폴리싱 공정이 진행되는 동안, 가공물(W)이 장착된 캐리어(C)의 홀(h) 부분이 연마 패드(P)에 집중 하중을 가하는 반면, 캐리어 런 공정이 진행되는 동안, 홀(h)을 제외한 나머지 캐리어(C) 부분이 연마 패드(P)에 집중 하중을 가한다.

따라서, 폴리싱 공정 중 연마 패드(P)의 가압 부분과 캐리어 런 공정 중 연마 패드(P)의 가압 부분을 서로 반대되게 구현함으로서, 연마 패드(P)의 두께 편차를 효과적으로 해소할 수 있다.

도 4는 본 실시예에 따라 반복적인 폴리싱 공정 중 캐리어 런 공정을 적용하기 전/후 GBIR이 도시된 그래프이다.

GBIR(Grobal Backside Ideal focal plane Range)은, 실리콘 웨이퍼의 이면을 완전히 흡착했을 때 실리콘 웨이퍼의 이면을 기준으로 실리콘 웨이퍼 전체의 최대 변위와 최소 변위와의 차이를 산출한 것으로서, 웨이퍼 표면이 평탄도를 나타내는 척도로 볼 수 있다.

폴리싱 공정을 반복하는 중 캐리어 런 공정을 적용하기 전/후를 살펴보면, 도 6에 도시된 바와 같이 GBIR이 낮아지고, 웨이퍼 평탄도가 개선된 것을 확인할 수 있다.

폴리싱 공정은 웨이퍼를 장착한 캐리어를 적용함으로서, 웨이퍼의 장착 부분 즉, 캐리어의 홀과 대응되는 연마 패드의 일부분을 가압하여 연마 패드의 두께 편차를 심화시키기 때문에 GBIR이 높게 나타난다.

하지만. 캐리어 런 공정은 웨이퍼를 탈거한 캐리어를 적용함으로서, 캐리어의 홀을 제외한 캐리어의 나머지 부분과 대응되는 연마 패드의 나머지 부분을 가압하여 연마 패드의 두께 편차를 해소시키기 때문에 GBIR이 낮게 나타난다.

즉, 연마 패드의 두께 편차가 해소되면, 웨이퍼와 연마 패드 사이의 압력 분포와 슬러리의 유동 특성을 균일하게 유지할 수 있으므로, 웨이퍼의 가공 형상 즉, 연마 품질을 균일하게 유지할 수 있을 뿐 아니라 연마 패드의 수명을 늘릴 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

C : 캐리어
P : 연마 패드
W : 가공물

Claims (6)

1. 가공물을 캐리어에 장착하는 장착 단계;
   상기 장착 단계에서 캐리어에 장착된 가공물을 연마 패드에 가압시키고, 상기 캐리어를 상기 연마 패드 상에서 이동시키는 가공물 폴리싱 단계(workpiece polishing step);
   상기 캐리어 폴리싱 단계에서 폴리싱된 가공물을 캐리어에서 제거하는 탈거 단계; 및
   상기 탈거 단계에서 가공물이 제거된 캐리어를 상기 연마 패드에 가압시키고, 상기 캐리어를 상기 가공물 폴리싱 단계와 동일한 경로를 따라 상기 연마 패드 상에서 이동시키는 캐리어 런 단계(carrier run step);를 포함하는 가공물의 연마 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 가공물 폴리싱 단계는,
   상정반과 하정반의 서로 대향된 면에 각각 연마 패드를 부착하는 제1과정과,
   상기 제1과정에서 부착된 연마 패드들에 상기 가공물의 상/하면을 가압시키는 제2과정과,
   상기 제2과정에서 가압물이 상기 연마 패드에 가압되면, 상기 캐리어를 상기 연마 패드 상에서 소정 경로를 따라 이동시키는 제3과정을 포함하는 가공물의 연마 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 가공물 폴리싱 단계는,
   상기 캐리어를 자전시키는 동시에 상기 하정반의 중심을 기준으로 공전시키는 가공물의 연마 방법.
4. 제2항에 있어서,
   상기 캐리어 런 단계는,
   상기 연마 패드들에 상기 캐리어의 상/하면을 가압시키는 제1과정과,
   상기 제1과정에서 캐리어가 상기 연마 패드에 가압되면, 상기 캐리어를 상기 연마 패드 상에서 소정 경로를 따라 이동시키는 제2과정을 포함하는 가공물의 연마 방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 캐리어 런 단계는,
   상기 캐리어를 자전시키는 동시에 상기 하정반의 중심을 기준으로 공전시키는 가공물의 연마 방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 가공물 폴리싱 단계와 캐리어 런 단계는,
   각각 상기 캐리어를 이동시키는 동안 상기 연마 패드에 슬러리를 공급하는 과정을 포함하는 가공물의 연마 방법.

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