KR101086966B1 - 반도체 웨이퍼 연마방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 웨이퍼를 연마하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다이아몬드 슬러리가 혼합된 연마액과 함께 산화알루미늄 슬러리가 혼합된 연마액을 동시에 반도체 웨이퍼 상부로 도포하여 웨이퍼를 연마하는 래핑공정 및 상기 래핑된 웨이퍼 표면을 다이아몬드 슬러리로 폴리싱하는 공정을 포함하는 반도체 웨이퍼 연마방법이다. 사파이어(Sapphire) 기판과 같이 절삭이 용이하지 않은 난삭 웨이퍼 또는 질화갈륨(GaN)과 같이 깨지기 쉬운 취성 웨이퍼를 래핑하는 공정에서, 상기와 같이 다이아몬드 슬러리와 함께 산화알루미늄(Al₂O₃) 슬러리를 동시에 사용하는 경우, 스크래치가 원만해지고 부산물 배출이 원할해지며, 플레이트 왜곡 및 웨이퍼 손상이나 깨짐이 최소화되는 효과를 가진다.

반도체, 웨이퍼, 래핑공정

Description

반도체 웨이퍼 연마방법{Grinding Process of Semiconductor Wafer}

도 1은 종래 기술에 따른 반도체 웨이퍼 제조과정을 나타내는 순서도이다.

도 2는 종래 기술에 따라 다이아몬드 슬러리를 이용한 래핑공정을 나타내는 흐름도이다.

도 3은 본 발명에 따라 다이아몬드 슬러리와 산화알루미늄 슬러리를 동시에 이용한 래핑공정을 나타내는 흐름도이다.

도 4는 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 연마과정을 나타내는 순서도이다.

본 발명은 반도체 웨이퍼를 연마하는 방법에 관한 것으로, 반도체 웨이퍼 래핑 공정에 있어서 다이아몬드 슬러리가 혼합된 연마액과 함께 산화알루미늄 슬러리가 혼합된 연마액을 동시에 반도체 웨이퍼 상부로 도포하여 웨이퍼를 연마함으로써, 스크래치를 최소화 또는 완화시키어 웨이퍼가 깨지는 등의 문제를 최소화 할 수 있는 반도체 웨이퍼 연마방법에 관한 것이다.

오늘날 반도체 소자 제조용 재료로서 광범위하게 사용되고 있는 실리콘 웨이퍼(silicon 웨이퍼)는 다결정의 실리콘을 원재료로 하여 만들어진 결정 실리콘 박판을 말한다. 상기 실리콘은 일반적으로 산화 실리콘(SIO₂)으로써, 모래, 암석, 광물 등의 형태로 존재하며, 이들은 지각의 1/3 정도를 구성하고 있어서 지구상에서 매우 풍부하게 존재하고 있다. 따라서, 실리콘은 반도체 산업에 매우 안정적으로 공급될 수 있는 재료일 뿐만 아니라, 독성이 전혀 없어 환경적으로 매우 우수한 재료이다.

또한, 실리콘으로 만들어진 실리콘 웨이퍼는 넓은 에너지 밴드 갭(energy band gap; 1.2eV)을 갖고 있기 때문에, 비교적 높은 고온(약 200℃ 정도까지)에서도 소자가 동작될 수 있는 장점이 있다. 이러한 장점 때문에 실리콘 웨이퍼는 반도체 산업에서 DRAM, ASIC, TR, CMOS, ROM, EPROM 등의 다양한 형태의 반도체 소자를 만드는데 이용되며, 이들 소자들은 컴퓨터, 전자 제품, 산업용 기계, 인공 위성 등의 모든 산업 분야에서 없어서는 안될 중요한 부품들이다.

실리콘 웨이퍼는 처리 방법에 따라 폴리시드 웨이퍼(polished 웨이퍼), 에피텍시얼 웨이퍼(epitaxial 웨이퍼), SOI 웨이퍼(silicon on insulator 웨이퍼), 디퓨즈드 웨이퍼(diffused 웨이퍼) 및 하이 웨이퍼(HI 웨이퍼) 등으로 구분된다. 그 중 폴 리시드 웨이퍼는 가장 일반적인 웨이퍼로서, 단결정 실리콘 잉곳(ingot)을 웨이퍼 형태로 얇게 절단하는 슬라이싱 공정, 원하는 웨이퍼의 두께로 연마하면서 평탄도를 개선하는 래핑공정(lapping), 웨이퍼 내부의 손상(Damage)층 제거를 위한 식각 공정(etching), 표면 경면화 및 평탄도를 향상시키기 위한 폴리싱공정(polishing)과 후속 세정공정(cleaning) 등의 단계를 거쳐 디바이스용 웨이퍼로 생산되는 반도체 웨이퍼이다.

여기서, 도 1은 종래 기술에 따른 반도체 웨이퍼 제조과정을 나타내는 순서도이다. 종래 기술에 따른 반도체 웨이퍼 제조방법은 먼저, 제 1 단계(S11)로 소정의 직경을 갖는 봉 형상의 단결정 잉곳을 여러 장의 웨이퍼로 절단(slicing)하고, 이 절단된 웨이퍼를 세정하여 절단시 발생되는 파티클(particle) 또는 오염 물질을 제거한다. 상기에서 웨이퍼는 단결정 잉곳을 내주 또는 외주 블레이드로 1장 씩 절단되거나 또는 피아노 선으로 동시에 여러 장으로 절단될 수 있다. 제 2 단계(S12)에서는 절단된 웨이퍼의 가장자리(edge)를 에지그라인더(Edge Grinder)로 그라인딩(grinding)하여 곡면으로 만든다. 상기에서 절단된 웨이퍼의 가장자리(edge)를 그라인딩 함으로써 절단 공정 중 가장자리에서 발생되는 결함을 제거하며, 또한, 웨이퍼 가장자리를 곡면으로 만듬으로써 이 후 공정 중에 가장자리가 파손되거나 결함의 원인이 되는 것을 방지한다. 제 3 단계(S13)에서는 절단된 웨이퍼의 양면을 동시에 래핑(lapping)한 후 웨이퍼를 세정한다. 상기에서 웨이퍼를 래핑함으로써 두께의 균일성(thickness uniformity) 및 표면의 평탄도(flatness)를 향상시키며 절단시 발생된 가공결함층을 제거하여 표면 거칠기를 향상시킨다. 제 4 단계(S14)에서는 웨이퍼의 래핑된 양면을 화학적 식각하여 래핑에 발생되는 결함층을 제거하고 세정하여 식각 용액을 제거한다. 화학적 식각은 웨이퍼 절단 및 래핑 시 발생된 결함을 제거하여 표면 거칠기(roughness)를 개선한다. 상기에서 화학적 식각은 식각 용액이 담긴 식각 조(etching bath)에 여러 장의 웨이퍼 즉, 25장 또는 50장의 웨이퍼를 동시에 침지(dipping)하여 진행시킨다. 제 5 단계(S15)에서는 열처리하여 웨이퍼 내의 열전자를 제거한다. 상기에서 열처리는 열처리 로(furnace)에서 400∼700℃ 정도의 온도로 진행한다. 제 6 단계(S16)에서는 웨이퍼의 가장자리를 경면연마(mirror polishing)하여 경면(mirror surface)으로 만든다. 그리고, 웨이퍼를 세정하여 가장자리 경면 연마시 사용되는 연마제와 발생되는 파티클(particle)을 제거한다. 제 7 단계(S17)에서는 웨이퍼의 양면 중 반도체 회로가 형성될 앞면을 연마하여 경면(mirror surface)으로 만든다. 그러므로, 웨이퍼는 평탄도가 향상되며 소정 두께로 정밀하게 제어된다. 그리고, 웨이퍼를 세정하여 앞면 경면 연마시 사용되는 연마제와 발생되는 파티클(particle)을 제거하여 반도체 웨이퍼의 제조를 완료한다.

그러나, 종래 기술에 따른 반도체 웨이퍼 제조방법은 웨이퍼를 화학적 식각할 때 여러 장의 웨이퍼를 동시에 식각하기 때문에 전면에서 균일하게 식각되지 않아 평탄도가 저하되는데, 이러한 평탄도 저하는 경면 연마를 진행하여도 개선되기 어려워 반도체 웨이퍼의 품질이 저하되거나 연마 시간이 증가되는 문제점을 가지고 있 다.

한편, 반도체 웨이퍼는 반도체 장치의 집적도가 증가하여 다층 배선 공정이 실용화됨에 따라, 사진 공정의 마진을 확보하고 배선 길이를 최소화하기 위하여 반도체에서 고집적도 및 고속 동작 등이 가능한 다양한 제품이 요구되고 있다. 이에 따라, 반도체 웨이퍼도 고청정도 및 고평탄도 등의 고품질 제품이 요구되고 있는 실정이다.

현재, 하부 구조물을 평탄화 시키기 위한 방법으로는 보론-인-실리케이트 글라스(boron-phospho-silicate glass; BPSG) 리플로우(reflow) 공정, 알루미늄(Al) 플로우 공정, 스핀-온 글라스(spin-on glass; SOG) 에치백(etch-back)공정 및 화학적 기계연마(Chemical Mechanical Planarization:CMP) 공정 등이 사용되고 있다.

이 중에서, CMP 공정은 리플로우 공정이나 에치백 공정으로 달성할 수 없는 넓은 공간 영역의 글로벌 및 저온 평탄화를 달성할 수 있다는 장점 때문에 차세대 반도체 장치에서 유력한 평탄화 기술로 대두되고 있다. CMP 공정은 캐리어에 홀딩된 웨이퍼를 연마 패드 상에 가압하면서 이들 계면에 슬러리(슬러리)를 공급하여 기계적 마찰과 화학적 작용에 의해 웨이퍼의 표면을 소정 두께로 제거하는 공정으로써, 이 때 제거율(removal rate)은 압력과 시간에 비례하는데, 제거되는 두께가 수백 내지 수천 ㎛단위로 매우 정밀한 가공이 요구되므로 웨이퍼를 연마 패드에 가압하 는 기술이 매우 중요하다. 이러한 CMP 공정의 디펙트(defect)는 크게 파티클(particle), 마이크로 스크래치, 그리고 디스컬러(discolor)로 구분 할 수 있다.

상기 파티클은 슬러리가 모여서 형성되는 것으로, 여러 가지의 CMP 후속 세 정 방법이 개발되어 산화막 수준 이하로 제거 가능하고, 상기 디스컬러는 광학적 이미지의 두께 차이에 따라 발생되는 것으로써, CMP 후 습식 세정 공정을 거치면서 제거되어 소자에 영향을 미치지 않는다.

그러나, 상기 마이크로 스크래치는 CMP 과정에서 일단 발생되면 후속 습식 공정에 의해 그 크기가 더욱 증가되어, 후속단계에서 패턴 브리지(pattern bridge), 패턴 변형(pattern deformation), 그리고 스트링어(stringer) 등을 유발하게 된다. 예를 들어 STI(Shallow Trench Isolation) 형성을 위한 CMP 공정에서는 액티브(active) 영역까지 손상을 줄 우려가 있다. 이러한 마이크로 스크래치는 일반적으로 CMP 공정에 사용되는 슬러리에 의해 발생되는데, 실리카(silica) 입자들의 콜로이드(colloid) 수용액 또는 콜로이드 서스펜션(suspension)이 슬러리로서 주로 사용된다. 즉, 실리카 입자들은 제조 회사에 따라 50 - 200 nm 범위 내의 평균 지름을 갖으며, 특히 실리카 입자들 중에는 평균지름을 훨씬 넘는 소위 거대 입자들이 있게 되는데, 이들이 CMP 공정에서 마이크로 스크래치를 발생시키는 주원인이된다.

여기서, 갈륨비소(GaAs)나 InP등의 물질은 기판처리를 위한 래핑이나 폴리 싱, CMP기술이 이미 알려져 있어서 광소자 제작을 위한 양질의 기판을 제작할 수도 있다. 하지만, 사파이어 기판과 같이 절삭이 용이하지 않은 난삭 웨이퍼 및 질화갈륨(GaN)과 같이 깨지기 쉬운 취성 웨이퍼에 관해서는 아직 폴리싱이나 CMP기술이 정립되어 있지 않으며, 특히, CMP공정에 사용되는 슬러리(Slurry)나 이천트(echant) 등이 아직 개발되어 있지 않은 상태이다. 그래서, 최근까지 질화갈륨 상부에 파인 폴리싱(fine polishing)한 후, RIE(Reactive Ion Etching)나 CAIBE(Chemically Assisted Ion Beam Etching)등의 식각 공정을 통해 표면 손상된 부분을 제거하고 있으나, 이러한 RIE 등에 의한 식각 공정은 질화갈륨 표면의 손상이나 공정시 발생할 수 있는 공정 부산물 때문에 고품질의 질화갈륨 기판 표면을 얻을 수 없는 문제점이 있어 왔다.

그래서, 갈륨비소(GaAs)와 같은 연한 재료 절삭시에는 종래의 방법에 따라 산화알루미늄(Al₂O₃)과 글리세린(Glycerine)으로 처리하여, 2㎛ 이하의 균일한 평면을 형성하는 방법으로 래핑공정을 수행하였지만, 사파이어 기판과 같이 절삭이 용이하지 않은 난삭 웨이퍼 및 질화갈륨(GaN)과 같이 깨지기 쉬운 취성 웨이퍼에 대해서는 산화알루미늄 슬러리로 가공이 되지 않기 때문에, 그라인더(Grinder)로 두께조절을 하고 다이아몬드(Diamond) 슬러리로 입자 크기를 6㎛→3㎛→1㎛와 같이 점차로 줄여가며 표면을 마무리하는 방법을 사용하여 왔다. 그러나, 다이아몬드 슬러리만 적용시 입자 크기가 커질수록 절삭력은 좋아지나, 특히 6㎛이상의 입자에서는 스트 래치(Scratch)가 깊어지고 플레이트(Plate)의 왜곡이 발생하여 웨이퍼가 깨지는 등의 문제가 발생하였다.

또한, 사파이어 기판과 같이 절삭이 용이하지 않은 난삭 웨이퍼 및 질화갈륨(GaN)과 같이 깨지기 쉬운 취성 웨이퍼는 갈륨비소(GaAs)와 같은 연한 웨이퍼에 비해 절삭이 상대적으로 어려운 난삭에 해당하므로, 열이 많이 발생하고 왁스(Wax) 찌꺼기와 같은 공정부산물이 많이 발생하게 되어 절삭력 저하 및 웨이퍼 손상이 있을 수 있다. 따라서, 특히 6㎛이상의 입자가 적용되는 다이아몬드 슬러리를 이용하는 절삭공정 단계에 있어서 스크래치를 최소화 또는 완화하여 웨이퍼가 깨지는 등의 문제를 해결하고 열에 의해 발생되는 왁스 찌꺼기와 같은 공정부산물 등의 문제점을 개선할 수 있는 새로운 공정이 필요하게 되었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 종래의 반도체 웨이퍼 연마과정 중 다이아몬드 슬러리만을 사용하는 래핑공정에 있어서, 다이아몬드 슬러리를 사용하는 것과 더불어 플레이트 왜곡을 평탄화 시키기 위해 페이싱(Facing) 작업에 이용되던 산화알루미늄 슬러리를 병행하여 사용함으로써 상기와 같은 연마공정에서의 문제점 및 가공상의 어려움을 개선하고자 하였다.

이와 같이 본 발명은 다이아몬드 슬러리를 이용하는 연마공정 단계에서 스크래치를 최소화 또는 완화시켜 웨이퍼가 깨지는 등의 문제를 해결하고, 열이 많이 발생하여 야기되는 왁스 찌꺼기와 같은 공정부산물과 이에 따르는 웨이퍼 손상 및 절삭력 저하와 같은 문제점을 개선하고자 하는 것을 본 발명의 목적으로 한다.

본 발명은 반도체 웨이퍼를 연마하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 웨이퍼를 래핑하는 공정에 있어서 다이아몬드 슬러리가 혼합된 연마액과 함께 산화알루미늄 슬러리가 혼합된 연마액을 동시에 반도체 웨이퍼 상부로 도포하여 웨이퍼를 연마하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 연마방법은 반도체 웨이퍼를 연마하는 방법에 있어서, (a) 다이아몬드 슬러리가 혼합된 연마액과 함께 산화알루미늄 슬러리가 혼합된 연마액을 동시에 반도체 웨이퍼 상부로 도포하여 웨이퍼를 연마하는 래핑공정 및 (b) 상기 래핑된 웨이퍼 표면을 다이아몬드 슬러리로 폴리싱하는 공정을 포함한다. 구체적으로 상기 래핑공정에서 사용된 다이아몬드 슬러리는 6~10㎛ 범위의 입자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼의 연마방법에 관한 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 다른 특징은 다이아몬드 슬러리와 산화알루미늄 슬러리가 혼합된 연마액을 동시 도포하는 래핑공정에 앞서서, 산화알루미늄 슬러리로 플레이트를 페이싱하는 공정을 포함한다. 즉, (a) 화학적 기계연마(Chemical Mechanical Planarization:CMP) 장치에 반도체 웨이퍼를 올리고 왁스를 도포한후, 프레스나 스프링 지그를 이용하여 가공면적의 두께편차를 조절하는 공정; (b) 상기 두께편차가 조절된 웨이퍼를 원하는 두께만큼 절삭하는 그라인딩 공정; (c) 산화알루미늄(Al₂O₃) 슬러리로 플레이트를 페이싱하는 공정; (d) 6㎛~10㎛ 범위 내인 다이아몬드 슬러리가 혼합된 연마액과 함께 상기 산화알루미늄 슬러리가 혼합된 연마액을 동시에 도포하여 웨이퍼를 연마하는 래핑공정; (e) 1~3㎛ 범위의 다이아몬드 슬러리가 혼합된 연마액으로 상기 래핑된 웨이퍼를 폴리싱하는 공정; 및 (f) 상기 폴리싱된 웨이퍼에서 불순물을 제거하고 건조하는 공정으로 이루어진 반도체 웨이퍼 연마방법이다. 구체적으로 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 연마방법은 상기 (d) 래핑공정과 (e) 폴리싱하는 공정 사이에, 3~6㎛의 다이아몬드 슬러리가 혼합된 연마액으로 상기 1차 래핑공정을 거친 웨이퍼를 2차로 래핑하는 공정이 더 포함된 형태도 가능하다. 즉, 상기 (d) 래핑공정은, 상기 래핑공정으로 연마한 웨이퍼를 3~6㎛의 다이아몬드 슬러리가 혼합된 연마액으로 연마하는 추가 래핑공정을 더 포함하는 것일 수 있다.

이와 같은 본 발명의 가장 바람직한 실시형태는 상기 반도체 웨이퍼가 사파이어 기판과 같이 절삭이 용이하지 않은 난삭 웨이퍼 또는 질화갈륨(GaN)과 같이 깨지기 쉬운 취성 웨이퍼인 것을 특징으로 한다.

이하에서는 위와 같은 특징을 갖는 본 발명인 반도체 웨이퍼 연마방법과 이것의 구체적인 제조공정을 첨부한 도면을 참고로 하여 상세하게 설명하기로 한다.

일반적으로 반도체 웨이퍼 생산에 있어서의 래핑 공정은 단결정 잉곳으로부터 슬라이스된 웨이퍼의 두께를 감소시키고 이전 공정에서 발생한 표면손상을 제거하며, 각 웨이퍼들의 마주보는 표면들을 평탄 및 평행하도록 하기 위하여 실시하는 공정이다. 이러한 래핑 공정의 효율을 높이기 위해서는, 래핑할 때 빠른 시간 내에 웨이퍼 표면이 균일하게 연마되어야 하고, 웨이퍼 표면에 스크래치가 생기는 것을 방지하여야 하며, 래핑 공정 후 불순물들이 완전히 제거되어야 하고, 래핑 기기의 부식을 방지하여야 한다. 이를 위해서는 래핑 공정에 사용되는 래핑 슬러리의 물성 조절이 매우 중요하다. 일반적으로 래핑 슬러리는 연마제와 분산제를 물로 희석, 혼합하여 제조한다. 여기서, 분산제의 물성이 래핑 슬러리의 물성을 대부분 결정하게 되며, 따라서 래핑 공정의 효율성을 결정하는데 중요한 역할을 하게 된다. 상기 분산제의 성분들은 크게 점증성분, 분산성분, 방청성분, 윤활성분 등으로 나눌 수 있으며, 이 성분들의 종류 및 조성의 변화로 인하여 여러 가지 특성을 나타내게 된다.

종래에 일반적으로 널리 알려진 래핑 슬러리 성분은 갈륨비소(GaAs)와 같은 연한 재료 연마시에는 산화알루미늄(Al₂O₃)과 글리세린(Glycerine)이 일반적이다. 래핑 슬러리에 함유된 산화알루미늄의 입자크기는 래핑에 할당된 시간, 웨이퍼의 제거량, 래핑대미지의 정도에 따라 달라질 수 있지만, 7㎛에서 15㎛사이의 크기를 가지 는 것이 일반적이다. 그러나, 사파이어 기판과 같이 절삭이나 연마가 용이하지 않은 난삭 웨이퍼 및 질화갈륨(GaN)과 같이 깨지기 쉬운 취성 웨이퍼에 대해서는 산화알루미늄 슬러리로 가공이 되지 않기 때문에, 그라인더(Grinder)로 두께조절을 하고 다이아몬드 슬러리로 입자 크기를 6㎛→3㎛→1㎛와 같이 점차로 줄여가며 표면을 마무리하는 방법을 사용하여 왔다. 즉, 도 2에 나타난 바와 같이 산화알루미늄 슬러리로 플레이트를 평탄화 시키는 페이싱 공정후에, 6㎛ 다이아몬드 슬러리로 1차 래핑을 하고 3㎛ 다이아몬드 슬러리로 2차 래핑하는 과정을 거친후, 1㎛ 다이아몬드 슬러리로 패드 플레이트를 천천히 회전시키면서 폴리싱 하는 방법을 사용했다. 그러나, 이와 같이 다이아몬드 슬러리만으로 래핑하는 공정은 스트래치(Scratch)가 날카로워지고 왁스 찌꺼기와 같은 공정 부산물이 잘 제거되지 않아 웨이퍼가 손상되거나 깨지는 등의 문제가 있음은 전술한 바와 같다.

이에 본 발명은 도 3에 나타난 바와 같이, 다이아몬드 슬러리가 혼합된 연마액과 함께 산화알루미늄 슬러리가 혼합된 연마액을 동시에 반도체 웨이퍼에 도포하여 웨이퍼를 연마하는 래핑공정을 특징으로 하는 것이다. 본 발명에서 래핑공정은 웨이퍼 단면 또는 양면을 연마하여, 슬라이싱 공정에서 발생하는 단결정 내부 손상(damage)층을 제거하고, 웨이퍼의 두께 및 평탄도 균일성을 얻을 목적으로 행해진다. 여기서, 래핑 공정은 연마분말과 탈이온수 및 부유제를 혼합한 연마액을 래핑 상하 정반과 웨이퍼 사이에 흐르게 하여 압력을 가하면서, 연마액의 운동 및 미소 파괴 절삭으로 웨이퍼 양면을 연마하는 공정으로써 초기 웨이퍼 평탄도 및 형상을 제어하는 중요한 공정이다. 본 발명에서는 래핑 공정 중에 다이아몬드 슬러리외에 산화알루미늄 슬러리를 병행 적용함으로써, 스크래치의 날카로운 에지를 완만하게 하고 유동성을 증가시켜, 난삭 중 발생하는 많은 열로 야기되는 왁스 찌꺼기 등의 공정에 따른 부산물들을 원활히 배출시키고자 하였다.

이러한, 본 발명은 특히, 절삭력이 좋은 다이아몬드 입자 크기 6㎛ 이상을 적용했을 때에 유용하다. 입자 크기가 6㎛ 이상일 때에는 스크래치가 깊게 나고 플레이트가 쉽게 왜곡되는 이유로 웨이퍼가 깨지는 등의 문제가 현저하게 발생할 수 있기 때문이다. 이와 같은 본 발명의 실시형태는 상기 래핑공정이 사파이어 기판과 같이 절삭이 용이하지 않은 난삭 웨이퍼 또는 질화갈륨(GaN)과 같이 깨지기 쉬운 취성 웨이퍼에 적용되는 반도체 웨이퍼 연마방법이 바람직하다.

본 발명의 다른 특징으로는 위와 같이 다이아몬드 슬러리가 혼합된 연마액과 함께 산화알루미늄 슬러리가 혼합된 연마액을 동시에 도포하여 웨이퍼를 연마하는 상기 래핑공정이 산화알루미늄(Al₂O₃) 슬러리로 플레이트를 페이싱하는 공정이후에 적용된다는 것이다. 그리고 이에 앞서서, 이와 같은 본 발명은 그라인딩(grinding) 공정으로 두께를 조절한 이후의 단계에 적용될 수 있다. 즉, 도 4에 나타난 바와 같이 (b) 두께편차가 조절된 웨이퍼를 원하는 두께만큼 절삭하는 그라인딩 공정과 (c) 산화알루미늄(Al₂O₃) 슬러리로 플레이트를 페이싱하는 공정 및 (d) 6~10㎛ 범위 내인 다이아몬드 슬러리가 혼합된 연마액과 함께 상기 산화알루미늄 슬러리가 혼합된 연마액을 동시에 도포하여 웨이퍼를 연마하는 래핑공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 여기서, 다이아몬드 슬러리와 함께 산화알루미늄 슬러리가 혼합된 연마액을 동시에 도포한다는 것은 플레이트 페이싱 공정에서 사용했던 산화알루미늄 슬러리 공급 상태를 유지하여 표면에 다이아몬드 슬러리와 함께 산화알루미늄 슬러리가 도포되도록 하는 것을 의미한다.

일반적인 연마 공정, 즉 단면 연마 공정으로 반도체 웨이퍼를 연마 할 경우에는 연마하고자 하는 면의 반대면을 진공이나 왁스를 이용하여 지지판에 고정한 상태에서 상부면만을 연마 패드를 이용하여 연마한다. 이 때, 지지판에 고정하는 과정에서 반도체 웨이퍼의 미소한 형태 변형이 이루어지고, 이 상태에서 연마가 되는 것이다. 즉, 진공에 의하여 반도체 웨이퍼 고정시 발생한 형태 변형이 그대로 상부면 연마에 반영되고, 웨이퍼 두께를 조절하는 그라인딩 공정으로 가공이 계속되면 상부 연마 패드 뿐만 아니라, 지지판에 고정된 플레이트도 왜곡되기 마련이다. 이에 따라 본 발명에서는 엄격한 표면 평탄도를 만족시키기 위하여, 래핑공정 이전에 산화알루미늄 슬러리로 플레이트를 페이싱하는 공정을 포함하였고, 이것은 플레이트 페이싱 공정에서 사용했던 산화알루미늄 슬러리가 래핑공정에서도 공급 상태로 유지되는 것을 가능하게 하였다.

상기와 같은 본 발명은 (d) 래핑공정과 (e) 폴리싱 공정 사이의 단계에서, 3~6㎛의 다이아몬드 슬러리가 혼합된 연마액으로 상기 래핑공정을 거친 웨이퍼를 2차로 래핑하는 공정이 포함되는 형태도 가능하고, 이러한 래핑공정은 사파이어 기판과 같이 절삭이 용이하지 않은 난삭 웨이퍼 또는 질화갈륨(GaN)과 같이 깨지기 쉬운 취성 웨이퍼를 대상으로 적용하는 것이 바람직하다.

이하에서는 본 발명의 다른 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 하나의 실시예일 뿐, 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.

1단계 : 웨이퍼 마운팅(Wafer Mounting)

본 발명에 따라 반도체 웨이퍼를 연마하기 위하여 1단계로써 화학적 기계연마(Chemical Mechanical Planarization:CMP) 장치에 반도체 웨이퍼를 올리고 가공면적의 두께편차를 조절하는 웨이퍼 마운팅 고정을 수행하였다. 이것은 웨이퍼에 왁스를 도포한후 프레스나 스프링 지그를 이용하여 압착 및 냉각함으로써 두께편차를 조절하는 공정이다.

먼저, 웨이퍼, 글라스(Glass)판, 메탈 블럭(Metal Block)을 깨끗이 세정하여 건조시키었다. 먼지, 알갱이 등이 포함될 경우에는 불량 요인이 되기 때문이다. 그리고, 상기 메탈 블럭을 가열하고 왁스를 도포하였다. 왁스는 65℃정도에서 녹는 소프트 타입(Soft Type)을 사용하였는데, 하드타입(Hard Type)은 가공 중 충격 흡수 측면에서 불리하기 때문이다. 이후에는, 왁스가 녹으면 유리판을 좌우 혹은 회전시켜가며 왁스가 고루 묻도록 조치한다. 그리고, 프레스(Press)나 스프링 지그(Spring Jig)를 이용하여 압착 및 냉각하였다. 정밀계측기를 이용하여 가공면적에서 두께편차가 없는지를 확인하였고, 편차가 존재하면 왁스를 다시 녹이는 작업부터 반복한다. 이어서, 유리판이 선 접착된 메탈 블럭을 다시 가열하였다. 왁스 도포 후에는 웨이퍼는 가공면이 바깥을 향하도록 위치 시킨다. 웨이퍼를 좌우 혹은 회전시켜가며 고루 왁스가 묻도록 조치하고, 웨이퍼 외곽에 글라스 가이드(Glass Guide)를 위치 시키며, 프레스나 스프링 지그를 이용하여 압착 및 냉각시키었다. 정밀계측기를 이용하여 가공면적에서 두께편차가 없는지 확인하고, 편차가 존재하면 왁스를 다시 녹이는 작업부터 반복한다. 만약, 편차가 존재하지 않으면 가공기에 장입하여 절삭공정을 진행 시키었다.

2단계 : 그라인딩(Grinding)

두번째 단계로는 상기 두께편차가 조절된 웨이퍼를 원하는 두께만큼 절삭하기 위하여 그라인딩 공정을 수행하였다. 먼저, 드레싱 블럭(Dressing Block)을 이용하여 그라인딩 휠(Grinding Wheel)을 다듬었고, 초기 두께를 원점으로 하여 원하는 두께만큼 절삭을 행하였다. 두께를 측정하여 가공량이 부족하면 추가 가공을 하여 마무리 한다.

3단계 : 플레이트 페이싱(Plate Facing)

상기와 같이 그라인딩으로 웨이퍼 두께를 조절한 후에는 플레이트의 평탄도를 개선하기 위해, 플레이트를 페이싱하는 작업을 수행하였다. 페이싱하기 위한 용액으로는 산화알루미늄 슬러리를 사용하였고, 산화알루미늄 공급 장치에 상기 용액을 채워 놓은후 잘 섞어 주었다. 이어서, 플레이트를 천천히 회전시키면서 표면에 용액을 도포하였다. 그리고, 상기 용액은 페이싱 블럭(Facing Block)을 올려 놓고 공급한다.

4단계 : 래핑(Lapping)

래핑 단계는 슬라이싱 단계에 의해서 슬라이싱된 웨이퍼의 표면에 발생된 표면 손상 및 평탄도를 향상시키기 위해 본 발명에 따른 슬러리가 포함된 연마액을 이용하여 웨이퍼를 연마하는 과정이다. CMP 장치의 지그에 샘플 웨이퍼를 장착하고, 다이아몬드 슬러리 분사 장치에 연마액을 채워 놓고 잘 섞은후, 플레이트를 천천히 회전시키면서 표면에 상기 연마액을 분사시키었다. 용액은 지그를 올려 놓고 분사하였다.

종래의 래핑공정에서는 다이이몬드 슬러리만으로 분사시키었지만, 본 실시예에서는 페이싱시에 사용했던 산화알루미늄 슬러리 공급 상태를 유지하면서 표면에 다이아몬드 슬러리가 혼합된 연마액이 동시에 도포 되도록 구성하였다.

이어서, 다이아몬드 입자 크기(Size)를 줄여 가며 표면에 존재하는 그라인딩 흔적 및 큰 입자 크기의 스크래치 대미지를 제거하였다. 본 발명에 따른 방법은 다이아몬드 입자 크기가 6㎛ 이상일 경우에 적용하는 것이 가장 바람직하다. 다이아몬드 입자 크기가 3㎛ 미만일 경우에는 종래의 방법을 적용하여도 웨이퍼가 깨지거나 손상되는 일이 드물기 때문이다.

5단계 : 폴리싱(Polishing)

폴리싱 공정에서는 소정의 블록 등에 붙인 웨이퍼를 슬러리와 패드에 의해 화학적 기계적 연마가 이루어지도록 하는 것으로써, 본 실시예에서는 1㎛ 의 다이아몬드 슬러리가 혼합된 연마액으로 상기 래핑된 웨이퍼를 폴리싱하였다.

먼저, 페이싱 블럭(Facing Block)을 활용하여 패드 플레이트(Pad Plate)를 다듬고, 지그에는 래핑된 샘플 웨이퍼를 장착하였다. 그후에는 다이아몬드 슬러리 분사 장치에 용액을 채워 놓고 잘 섞은후, 패드(Pad) 플레이트를 천천히 회전시키면서 표면에 용액을 분사하였다. 그리고, 용액은 지그를 올려 놓고 분사한다.

6단계 : 디마운팅(Demounting)

마지막 단계는 폴리싱된 웨이퍼를 떼어내서 불순물을 제거하고 건조하는 디마운팅 공정이다. 상기 폴리싱된 웨이퍼의 두께를 기록하고 가열된 용액 속에서 떼어내었다. 끝으로 세정제를 활용하여 불순물을 제거하고 건조하여 마무리 한다.

상술한 바와 같은 실시예 1단계 내지 6단계를 통하여, 본 발명은 다이아몬드 슬러리와 산화알루미늄을 함께 이용하는 연마공정으로 스크래치를 완만하게 하고, 플레이트의 왜곡 및 웨이퍼의 손상과 깨짐을 최소화 하였으며, 열이 많이 발생하여 야기되는 왁스 찌꺼기와 같은 공정 부산물과 이에 따르는 절삭력 저하 및 웨이퍼 손상과 같은 문제점을 해결하였다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본발명의 권리 범위에 속하는 것이다.

본 발명은 6㎛이상의 입자가 적용되는 다이아몬드 슬러리를 이용하는 반도체 웨이퍼 연마단계에 있어서, 다이아몬드 슬러리만을 분사할 경우 플레이트의 왜곡이 심해지기 때문에, 페이싱 과정에서 사용했던 산화알루미늄 슬러리의 공급상태를 유지하여 웨이퍼 표면에 상기 두가지 슬러리 용액이 동시에 도포 되도록 함으로써, 스크래치가 완만해지고 부산물 배출이 원활해지며 플레이트 왜곡과 웨이퍼 손상이나 깨짐을 최소화 시킬 수 있는 효과를 가지고 있다.

Claims (5)

1. 삭제
2. 삭제
3. (a) 화학적 기계연마(Chemical Mechanical Planarization:CMP) 장치에 반도체 웨이퍼를 올리고 왁스를 도포한후, 프레스나 스프링 지그를 이용하여 가공면적의 두께편차를 조절하는 공정;

   (b) 상기 두께편차가 조절된 웨이퍼를 원하는 두께만큼 절삭하는 그라인딩 공정;

   (c) 산화알루미늄(Al₂O₃) 슬러리로 플레이트를 페이싱하는 공정;

   (d) 6㎛~10㎛ 범위의 다이아몬드 슬러리가 혼합된 연마액과 함께 상기 산화알루미늄 슬러리가 혼합된 연마액을 동시에 도포하여 웨이퍼를 연마하는 래핑공정;

   (e) 1~3㎛ 범위의 다이아몬드 슬러리가 혼합된 연마액으로 상기 래핑된 웨이퍼를 폴리싱하는 공정 및

   (f) 상기 폴리싱된 웨이퍼에서 불순물을 제거하고 건조하는 공정

   으로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 연마방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 (d) 래핑공정은, 상기 래핑공정으로 연마한 웨이퍼를 3~6㎛의 다이아몬드 슬러리가 혼합된 연마액으로 연마하는 추가 래핑공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 연마방법.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 반도체 웨이퍼는 사파이어 웨이퍼 또는 질화갈륨(GaN) 웨이퍼인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 연마방법.

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