KR100471527B1 - 연마체, 연마장치, 연마방법 및 반도체 소자의 제조방법 - Google Patents

연마체, 연마장치, 연마방법 및 반도체 소자의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 CMP 장치에 사용되는 무발포재료로 이루어지는 경질 연마패드에 관한 것이다. 본 발명의 연마패드는 그 표면에 나선형 홈 또는 동심원형 홈과 격자형 홈을 조합하여, 홈의 교차각을 2 도 이상으로 하고, 또한 그 표면에 곡률반경이 50 ㎛ 이하인 단부를 갖지 않는다. 따라서, 플래시의 발생이 없기 때문에, 연마대상물에 흠집이 나지 않으며, 또한 연마속도를 향상시킬 수 있다.

Description

연마체, 연마장치, 연마방법 및 반도체 소자의 제조방법{POLISHING BODY, POLISHER, POLISHING METHOD, AND METHOD FOR PRODUCING SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 예를 들어 ULSI 등의 반도체 소자를 제조하는 공정에 있어서 실시되는 반도체 소자의 평탄화 연마 등에 사용하기에 적합한 연마장치에 사용되는 연마체, 연마장치, 연마방법에 관한 것이며, 또한 이들 연마장치, 연마방법을 사용한 반도체 소자의 제조방법에 관한 것이다.
반도제 집적회로가 고집적화, 미세화됨에 따라, 반도체 제조 공정에 관련된 개별 공정은 그 수가 증가하고 복잡해지고 있다. 그 결과, 반도체 소자의 표면은 반드시 평탄하지는 않다. 반도체 소자의 표면에 있어서 단차(step difference)의 존재는 배선의 단끊어짐, 국소적인 저항의 증대 등을 초래하며, 단선이나 전기용량의 저하를 가져온다. 또한, 절연막에서는, 내전압 열화 및 누설의 발생으로도 이어진다.
한편, 반도체 집적회로가 고집적화, 미세화됨에 따라, 광리소그래피에 사용되는 반도체 노광장치의 광원파장은 짧아지고, 반도체 노광장치의 투영렌즈의 개구수, 소위 NA 는 커지고 있다. 이에 의해, 반도체 노광장치의 투영렌즈의 초점심도(focal depth)는 실질적으로 얕아지고 있다. 초점심도가 얕아지는 것에 대응하기 위해, 종래보다 훨씬 더 많이 반도체 소자 표면의 평탄화가 요구되고 있다.
구체적으로 설명하면, 도 1 에 나타내는 바와 같은 평탄화기술이 반도체 제조 공정에 있어서는 필수로 되어 있다. 도 1 은 반도체 제조 공정에 사용되는 평탄화기술을 예시하는 개략도로서, 반도체 소자의 단면을 도시한다. 도 1 에 있어서, 11 은 실리콘 웨이퍼, 12 는 SiO2 로 이루어지는 층간절연막, 13 은 Al 로 이루어지는 금속막, 14 는 반도체 소자를 나타낸다.
도 1a 는 반도체 소자 표면의 층간절연막(12)을 평탄화하는 예를 나타낸다. 도 1b 는 반도체 소자 표면의 금속막(13)을 연마함으로써 소위 다마스커스(damascene)가 형성된 예를 도시한다. 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing) 또는 화학적 기계적 평탄화(Chemical Mechanical Planarization, 이하에서는 CMP 라 함) 기술이 이러한 반도체 소자의 표면을 평탄화하기 위한 방법으로 널리 사용되고 있다. 현재 CMP 기술은 실리콘 웨이퍼의 전면(entire surface)을 평탄화할 수 있는 유일한 방법이다.
CMP 는 실리콘 웨이퍼의 경면연마법을 토대로 발전하고 있으며, 도 2 에 나타내는 바와 같은 CMP 장치를 사용하여 실시되고 있다. 도 2 에 있어서, 15 는 연마부재, 16 은 연마대상물 지지부(이하, 때때로 연마헤드라 함), 17 은 연마대상물인 실리콘 웨이퍼, 18 은 연마제 공급부, 19 는 연마제를 나타낸다. 연마부재(15)는 연마정반(20; polishing platen) 의 표면에 부착되는 연마체(21)(이하, 때때로 연마패드라 함)를 갖는다. 시트형상의 발포 폴리우레탄(foam polyurethane)이 연마체(21)로서 많이 사용되고 있다.
연마대상물(17)은 연마헤드(16)에 의해 지지되며, 회전하면서 진동하고, 연마부재(15)의 연마체(21)에 소정의 압력으로 가압된다. 연마부재(15)도 회전되며, 연마부재(15)와 연마대상물(17) 사이에서 상대운동이 수행된다. 이 상태에서, 연마제(19)가 연마제 공급부(18)로부터 연마체(21) 표면에 공급된다. 연마제(19)는 연마체(21) 표면상에서 확산되어, 연마부재(15) 와 연마대상물(17)의 상대운동에 따라 연마체(21)와 연마대상물(17) 사이의 공간에 들어가서, 연마대상물(17)의 피연마면을 연마한다. 구체적으로, 연마부재(15)와 연마대상물(17)의 상대운동에 의한 기계적 연마 및 연마제(19)의 화학적 작용이 상승적으로 작용하여 양호한 연마가 실시된다.
종래의 발포성 수지로 이루어지는 시트형상의 연마패드(이하, 발포성 연마패드라 함)를 사용하는 경우, 웨이퍼 전면에 걸쳐 연마균일성이 양호하다. 그러나, 발포성 연마패드는 일반적으로,
(1) 연마시 가장자리 흘러내림이 크다
(2) 하중이 가해지면 패드는 압축변형을 받는다.
등의 문제가 있다. 이러한 문제의 결과로, 발포성 연마패드는 패턴이 있는 웨이퍼의 경우, 단차제거특성, 즉 양호한 연마평탄성을 나타내지 못하였다. 따라서, 최근에는 경질 무발포수지로 이루어지는 연마패드(이하, 때때로 무발포 연마패드라 함)가 검토되고 있다.
무발포 연마패드에서도, 경질의 고분자재료의 표면에 홈구조로 이루어지는 요철이 형성되며, 이 요철이 연마대상물(이 경우에서는 웨이퍼)의 표면을 연마한다. 무발포 연마패드를 사용함으로써, 발포성 연마패드를 사용하는 경우 직면하였던 불량한 단차제거특성의 문제가 해결된다.
CMP 장치의 공정 안정성에 관해서는, 연마패드에 의해 처리되는 웨이퍼의 수가 증가하는 때에도 안정된 균일성, 평탄성에 대한 요구조건 이외에, 소자의 단선이나 절연파괴를 방지하기 위해 흠집(scratch)이 없는 것도 요구되고 있다.
그러나, 무발포수지로 이루어지는 경질연마패드가 양호한 패턴단차제거를 나타낸다 하여도, 웨이퍼의 스크레치를 유발하는 경향이 있고, 또한 연마속도가 발포 폴리우레탄으로 이루어지는 연마패드에 비하여 낮은 경향이 있다.
또한, 일반적으로 연마패드의 연마속도를 결정하는 중요한 인자는 연마패드표면에 있어서의 연마제의 유지성(retention)과 유동성(fluidity)을 포함한다. 연마제의 유지성의 점에서, 경질의 무발포 연마패드는 발포성 연마패드에 미치지 못한다. 또한, 종래의 무발포 연마패드를 정반상에 고정하고 연마제를 공급하면서 정반을 고속으로 회전시킨 경우에는, 원심력에 의해 연마제가 연마패드의 밖으로 튀기 때문에, 연마제의 유지성이 낮다. 따라서, 공급되는 연마제가 유효하게 연마속도향상에 기여하지 못한다는 문제가 있다.
한편, 종래 공정에서 가장 일반적으로 사용되는 연마체는 발포 폴리우레탄을 주성분으로 하는 연마체(연마패드) 이다. 이 연마체는 연마체 표면에 연마제를 유지하는 우수한 능력을 갖는다. 그러나, 이 연마체를 연속해서 사용하면, 연마체 표면의 발포부분의 구멍에 연마제의 연마입자(abrasive particle)가 들어가, 연마속도의 큰 변동이 발생한다. 따라서, 연마 전 및 연마 중에 다이아몬드를 전착한 지석(grinding wheel)에 의해 연마체 표면을 깍아내는 "드레싱"이라는 작업을 반드시 실시하여, 연마체 표면상태가 항상 동일 조건이 되도록 할 필요가 있다.
또한, 연마입자를 수지에 함유시킨 고정 연마입자 유형의 연마체도 상기한 발포 연마체와 마찬가지로, 연마입자에 의해 발포부분의 구멍의 막힘을 처리하고 연마입자의 상태를 고르게 하기 위해 드레싱을 필요로 한다.
연마된 실리콘 웨이퍼(연마대상물)에 관해서는, 균일성 및 평탄성이라는 연마특성이 매우 중요하다.
"균일성"이란 실리콘 웨이퍼 전영역에 걸쳐 얼마나 연마가 균일하게 실시되는지를 평가하기 위해 사용된다. 다음 식이 이 평가를 위해 일반적으로 사용된다.
균일성 (%) = (RA - RI)/(RA + RI) ×100
여기서, RA 는 측정한 연마량 분포(profile)에서의 최대연마량, RI 는 측정한 연마량 분포에서의 최소연마량이다. 상기 식으로부터 얻어지는 균일성 값에서, 작은 값이 더 양호한 특성을 나타낸다. 즉, 최대연마량과 최소연마량의 차가 적을 수록 실리콘 웨이퍼 전면에 걸쳐 연마의 균일성이 높아 진다.
또한, "평탄성"은 요철이 있는 패턴을 연마하였을 때 잔류단차의 크기를 평가하는데 사용된다. 즉, 단차를 갖는 패턴이 있는 실리콘 웨이퍼에서, 평탄성 값은 연마에 의해 얼마만큼 패턴화된 실리콘 웨이퍼에 있어서의 볼록부가 선택적으로 연마되고, 연마 후의 잔류단차가 감소되는가를 나타낸다.
균일성 및 평탄성의 양 연마특성은 연마체의 탄성률에 매우 큰 영향을 받는다. 연마체는 탄성률의 크기에 따라 탄성률이 작은 연질연마체 및 탄성률이 큰 경질연마체로 나뉜다.
연질연마체의 경우, 실리콘 웨이퍼에 압력을 가한 때 실리콘 웨이퍼의 휨에 대한 연마체 표면의 부착성은 매우 높고, 실리콘 웨이퍼의 전면에 걸쳐서 균일성은 매우 좋아진다. 그러나, 요철패턴을 갖는 실리콘 웨이퍼의 경우에 있어서, 연마체의 변형에 의해 실리콘 웨이퍼상의 요철에 연마체가 따르게 되어, 단차가 남은 채 연마가 진행된다. 따라서, 평탄성이 나빠진다.
한편, 탄성률이 큰 경질연마체의 경우, 요철패턴을 갖는 실리콘 웨이퍼에 대해 연마체의 변형이 작기 때문에, 요철패턴 중의 볼록부로부터 순차 연마되게 되어 평탄성이 좋다. 그러나, 실리콘 웨이퍼의 휨 및 가압시의 압력분포가 직접적으로 연마에 영향을 미치기 때문에, 균일성이 나빠진다.
그러나, 동일한 재료를 연마체에 사용하였을 때에도, 연마체의 두께 및 연마체 표면의 홈의 폭과 깊이라는 연마체의 구조적 요인이 외관상의 탄성의 변화로서 크게 영향을 미친다. 즉, 연마체의 두께가 두꺼울수록 연마체의 탄성변형량은 커져, 연마체는 외관상 연질이 된다. 한편, 얇은 연마체의 경우, 변형량이 작기 때문에, 연마제는 외관상 경질이 된다. 또한, 홈구조에 관해서도, 홈의 깊이가 깊고, 홈 사이의 볼록부분의 폭이 좁은 연마제는 하중이 인가될 때 큰 표면 변형을 나타내고, 따라서 이러한 연마체는 외관상 연질이 된다. 한편, 홈의 깊이가 얕고 홈 사이의 볼록부분의 폭이 넓은 연마체는 하중이 인가될 때 적은 변형을 나타내고, 따라서 이러한 연마체는 외관상 경질이 된다.
상기에서는, 탄성의 관점에서 연마체의 두께 및 홈구조를 설명하였다. 이 외에도, 홈의 중요한 역할은 연마제를 안정적으로 공급하는 것이다. 연마제의 이러한 안정공급을 달성하는 홈구조에 관해서는, 현재까지 여러 가지 형상의 홈패턴이 공개되어 있다. 이 홈에 의한 연마제의 공급이 충분하지 않으면, 연마제가 연마대상물의 연마면에 충분하게 공급되지 못하기 때문에, 연마시의 화학적 반응 및 기계적 연마가 충분하지 않다. 따라서, 연마속도가 저하된다. 또한, 연마대상물의 연마면과 연마체 사이의 마찰에 기인하는 온도상태도 불균일해져, 연마의 균일성이 현저하게 열화되고; 또한 연마대상물의 표면에서의 흠집의 발생이나 연마시의 연마헤드 및 연마정반의 진동 등으로 이어진다.
CMP 를 실시하기 위해 사용되는 연마장치는 각각의 컨셉(concept), 특색에 근거한 다양한 유형의 장치를 포함한다. 예를 들어, 이러한 연마장치는 처리량(throughput)을 향상시키기 위해 1 개의 연마체로 복수장의 실리콘 웨이퍼를 동시에 연마하는 연마장치, 장치 크기를 줄이기 위해 실리콘 웨이퍼보다도 작은 연마체를 사용하여 고속회전에 의해 연마를 실시하는 연마장치, 및 균일성을 향상시키기 위해 연마헤드부분을 특히 개량한 연마장치 등을 포함한다. 이와 같은 연마장치의 다양성은 연마제의 안정된 공급을 위한 최적의 홈구조와 불가분의 관계가 있고, 연마면으로 연마제의 안정된 공급은 사용되는 장치에 크게 의존한다.
CMP 에서는, 광학연마나 금속래핑 등의 다른 연마 유형의 가공시간과 비교하여 연마가공시간이 매우 짧다. 즉, 연마시의 회전, 가압 등이 매우 큰 조건으로 연마가 실시된다. 따라서, 연마체 표면에서의 연마제의 유지가 어려운 조건 하에서 연마가 실시된다.
최적이라고 여겨지는 홈구조에 관해서는, 상기의 장치에 의한 의존성을 들 수 있지만, 기본적으로, 중요한 것은 연마 중에 어떻게 연마체 표면에 연마제를 유지하는가 이다.
그러나, 종래의 발포 폴리우레탄을 주성분으로 하는 연마체, 및 연마입자를 수지에 함유시킨 고정 연마입자 유형의 연마체에서는, 드레싱에 의해 연마체 표면이 깍아져 두께가 서서히 얇아진다. 따라서, 연마체를 1 개의 탄성체로 보았을 때에 두께가 변화하기 때문에, 두께의 변화에 수반하여 연속적으로 탄성변형량이 변화하는 연마체가 되고, 연마체가 사용됨에 따라 균일성 및 평탄성에 큰 변동을 발생시킨다는 문제가 있다. 또한, 드레싱에 의해 상술한 연마체의 두께가 변화할 뿐만 아니라 연마체 표면의 홈구조(홈의 깊이 등)도 변화한다. 그 결과, 다른 문제, 즉 연마체의 두께나 홈구조에 의해 연마특성을 컨트롤할 수 없다는 문제가 발생한다.
상술한 바와 같이, 연질 연마체 및 경질 연마체의 어느 것에 있어서도 균일성의 향상 및 평탄성의 향상은 양립하지 않으며 균일성 및 평탄성의 양자 사이에는 모순(trade-off)의 관계가 있다.
최근에는, 상술한 연마 요구조건 양자 모두를 만족시키기 위하여 탄성률이 큰 하층 및 탄성률이 작은 상층의 2 층을 적층한 적층구조의 연마체가 사용되고; 또한, 균일성 및 평탄성 양자의 향상을 달성하기 위한 목적으로 연마헤드의 가압방식을 개량한 유체가압방식의 연마헤드 등이 사용된다.
그러나, 적층구조의 연마체에서는, 연마체 자체의 편차에 의한 연마특성의 차이가 커져 반도체 제조 공정의 관점에서 볼 때, 불안정 요소가 커진다는 문제가 있다. 또한, 연마헤드의 개량에서는, 연마헤드의 구조가 매우 복잡해진다는 문제가 있다.
발명의 개시
본 발명의 제 1 목적은 상기 문제를 해결하는 것으로, 보다 구체적으로는 흠집의 발생이 일어나기 힘들고, 또한 연마속도가 높은 연마체(연마패드), 연마장치 및 연마방법, 및 이들 연마장치, 연마방법을 사용하는 반도체 소자의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제 2 목적은 상기 문제를 해결하는 것으로, 보다 구체적으로는, 공급되는 연마제가 유효하게 연마에 기여하여, 연마제 공급에 대하여 효율적인 연마가 가능하고, 연마제의 유지성과 유동성이 높기 때문에, 연마속도가 높고, 또한 흠집의 발생이 적고, 또한 단차제거특성이 우수한 무발포의 연마체(연마패드) 및 이것을 사용하는 연마장치, 연마방법을 제공하고, 또한 상기한 연마장치, 연마방법을 사용함으로써 연마공정의 비용이 절감되고 보다 효율적인 공정이 달성되며, 이에 의해 종래의 반도체 소자 제조방법에 비하여 저비용으로 반도체 소자를 제조할 수 있는 반도체 소자 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제 3 목적은 상기 문제를 해결하는 것으로, 보다 구체적으로는, 연마체의 사용에 의한 마모가 매우 적고, 또한 표면형상의 변화가 작기 때문에 항상 안정된 연마특성을 갖는 연마체를 제공하고, 그리고 상기 연마체를 사용하는 연마장치와 연마방법을 제공하며, 그리고 상기 연마장치와 연마방법을 사용하는 반도체 소자의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 연마대상물의 균일성, 평탄성 및 연마속도라는 연마특성이 제어될 수 있고 상기 연마체를 사용하는 연마장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 4 목적은 상기 문제를 해결하는 것으로, 보다 구체적으로는 종래의 연마장치에 있어서도 균일성 및 평탄성이 모두 우수한 특성을 나타내는 연마체(연마패드)를 제공하고, 상기 연마체를 사용하는 연마장치, 연마방법을 제공하며, 그리고 상기 연마장치와 연마방법을 사용하는 반도체 소자의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 제 1 목적을 달성하기 위한 제 1 발명은 연마대상물을 지지하는 연마헤드와 연마체를 구비하고, 상기 연마체와 상기 연마대상물 사이에 연마제를 개재시킨 상태에서 상기 연마체와 상기 연마대상물을 상대운동시킴으로써, 상기 연마대상물을 연마하는 연마장치에 사용하는 연마체에 있어서, 상기 연마체는 적어도 그 표면이 무발포 고분자 중합체로 이루어지며, 상기 표면에 홈구조가 형성되며, 상기 표면은 날까로운 단부를 갖지 않는 것을 특징으로 한다.(청구범위 제 1 항)
발명자들은 웨이퍼의 흠집 발생원인을 실험을 반복하여 조사하였다.
먼저, 연마패드 자체를 조사한 결과, 본 발명자들은 무발포수지로 이루어지는 경질연마패드의 표면에 형성된 홈구조에 문제가 있는 것을 발견하였다. 이 홈구조 형성시에 그 표면에 플래시(flash; 버(burr)라고도 함)가 발생하는 일이 있다. 이 플래시는 연마 중에 벗겨지는 일도 있다. 이 플래시가 연마대상물, 즉 웨이퍼 표면에 흠집을 발생시킨다. 또한, 이 플래시가 핵이되어 슬러리의 응집이 발생하고, 응집된 슬러리가 웨이퍼 표면의 응집을 유발하는 것을 발견하였다.
본 발명은 이러한 발견을 토대로 하여 이루어진 것이다. 즉, 본 발명에 관한 연마체는 무발포의 고분자 중합체(macromolecular polymer)로 이루어지기 때문에, 상기 무발포제로 이루어지는 연마체의 장점을 그대로 갖지만, 그와 더불어 그 표면에 날카로운 단부를 갖지 않기 때문에, 그 단부를 형성할 때에 플래시가 발생하지 않는다. 따라서, 플래시 또는 슬러리의 응집에 의해 웨이퍼 표면이 손상되는 일이 없다. 또한, "단부"라는 것은 표면에 형성된 요철의 경계나 볼록부의 정점을 말한다. 또한, 이상의 설명에서 알 수 있는 바와 같이 "날카로운 단부"란 가공시에 플래시를 발생시켜 연마시에 그 플래시가 박리할 정도의 날카로움을 가진 단부를 말한다.
상기 제 1 목적을 달성하기 위한 제 2 발명은, 홈구조가 복수의 교점(intersection point)을 갖는 복수의 홈으로 이루어지며, 상기 교점에 있어서의 홈이 교차하는 각도가 2 도 미만의 예각을 갖지 않는 것을 특징으로 하는 상기 제 1 발명이다.(청구범위 제 2 항)
연마체 표면에는 연마제를 연마체와 연마대상물 사이에 공급하는 등의 목적을 위하여 홈이 형성되는 것이 보통이다. 발명자들은 추가로 실험을 실시한 결과, 통상의 무발포 고분자 중합체를 사용한 연마체의 경우, 홈의 교차각도가 2 도 이상이 되면, 가공시에 플래시가 발생하기 어려워지고, 설령 플래시가 발생한다고 해도 연마 중에 플래시가 벗겨지는 일이 적어지며, 연마대상물에 흠집을 내는 일이 극단적으로 감소하기 때문에, 상기 각도가 바람직하다는 것을 발견하였다. 따라서, 본 발명에 있어서는 홈의 교점에 있어서의 교차각도를 2 도 이상으로 한정한다.
상기 제 1 목적을 달성하기 위한 제 3 발명은, 상기 홈구조가 복수의 교점을 갖는 복수의 홈으로 이루어지며, 상기 홈 부분은 곡률반경 50 ㎛ 미만의 단부를 갖지 않는 것을 특징으로 하는 상기 제 1 발명이다.(청구범위 제 3 항)
계속된 실험의 결과, 발명자들은 연마체 표면에 형성되는 홈의 휨부, 교차부 또는 코너부의 각부에서 그 곡률반경이 50 ㎛ 미만인 날카로운 부분이 있으면, 그 부분에서 가공시에 플래시가 발생하는 일이 많아지며, 또한 연마시에 있어서 플래시가 떨어지는 것을 발견하였다. 본 발명은 이 같은 발견에 근거한 것으로, 홈의 부분에 곡률반경이 50 ㎛ 미만인 단부를 갖지 않는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 목적을 달성하기 위한 제 4 발명은, 상기 홈구조가 나선형 홈과 방사상형 홈의 조합, 또는 동심원형 홈과 방사상형 홈의 조합, 또는 격자형 홈 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 상기 제 1 내지 제 3 발명 중의 어느 하나이다.(청구범위 제 4 항)
이 홈구조의 경우, 나선형 홈과 방사상형 홈, 동심원형 홈과 방사상형 홈, 격자형 홈이 서로 교차하는 각도를 90 도에 가깝게 할 수 있다. 따라서, 가공시에 홈의 교차부분에서 플래시의 발생이 억제될 수 있고, 또한 연마시에 있어서 플래시가 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
상기 제 1 목적을 달성하기 위한 제 5 발명은, 상기 고분자 중합체가 에폭시수지, 아크릴수지, 폴리에스테르수지, 염화비닐수지 및 폴리카보네이트수지, 무발포우레탄수지의 군에서 선택된 어느 하나 이상의 수지인 것을 특징으로 하는 상기 제 1 발명 내지 제 4 발명 중 어느 하나이다.(청구범위 제 5 항)
상기 재료는 연마시의 마모량이 적다. 따라서, 상기 재료를 연마체로서 사용한 경우, 연마체의 수명이 향상된다. 따라서, 연마체의 교환빈도가 저하되기 때문에, 연마에 필요한 비용을 저감할 수 있다.
상기 제 1 목적을 달성하기 위한 제 6 발명은, 연마대상물을 지지하는 연마헤드와 적어도 그 표면이 무발포의 고분자 중합체로 이루어지는 연마체를 사용하고, 상기 연마체와 상기 연마대상물 사이에 연마제를 개재시킨 상태에서 상기 연마체와 상기 연마대상물을 상대운동시킴으로써, 상기 연마대상물을 연마하는 연마방법에 있어서, 상기 연마제가 산화세륨입자를 함유하는 것을 특징으로 하는 연마방법이다.(청구 범위 제 6 항)
일반적으로, CMP 유전체의 연마에는 연마제로서 이산화규소(SiO2)를 함유한 슬러리가 많이 사용되고 있다. 이 슬러리는 안정성이 우수하지만, 응집되여 유리(glass)를 형성하기 쉬운 성질을 갖는다. 이 응집물은 연마패드의 표면에 응집된다. 응집되는 장소가 홈의 내부인 경우, 응집물은 흠집의 원인이 되지 않지만, 홈의 외측, 즉 볼록부인 경우에는 흠집을 유발하기 쉽다.
이에 비하여, 산화세륨을 함유한 슬러리는 물에 분산되기 쉽고, 또한 이러한 슬러리는 용이하게 물로 세정할 수 있으며 응집되기 어렵기 때문에, 무발포수지로 이루어지는 경질 연마패드(이하, 무발포연마패드라 함)에 적합하다. 따라서, 본 발명에 있어서는 연마체에 적어도 그 표면이 무발포의 고분자 중합체로 이루어지는 것을 사용하여 연마제로서 산화세륨입자를 함유하는 것을 사용하고 있기 때문에, 이산화규소를 함유하는 연마제와 비교하여 연마제에 의해 유발된 흠집의 발생을 획기적으로 방지할 수 있다.
발포 연마패드로 산화세륨의 슬러리를 사용한 경우, 연마패드의 가공면의 발포내에서의 슬러리의 유지력이 높기 때문에, 과잉으로 세륨연마입자가 남아, 연마의 안정성에 영향을 미친다. 즉, 시간과 함께 연마속도가 변화하는 문제 및 슬러리 공급의 제어에 대한 응답성이 낮은 문제가 있었다. 이에 비하여, 본 발명에서 사용하고 있는 무발포연마패드는 유지력이 낮고, 이전 상태의 영향을 받지 않기 때문에, 슬러리농도의 제어가 즉시 연마특성, 특히 연마속도에 반영되어 안정된 연마특성을 유지할 수 있다.
또한, 무발포연마패드와 산화규소의 슬러리의 조합에서는 연마율을 높이는 것은 곤란하지만, 연마패드와 산화세륨 슬러리와의 조합에 의해 높은 연마속도를 얻을 수 있다. 또한, 산화세륨입자의 크기는 통상 입수할 수 있는 입자이며, 일반적으로는 입자 직경이 200 nm 이하이다.
상기 제 1 목적을 달성하기 위한 제 7 발명은, 연마대상물을 지지하는 연마헤드와 적어도 그 표면이 무발포 고분자 중합체로 이루어지는 연마체를 사용하고, 상기 연마체와 상기 연마대상물 사이에 연마제를 개재시킨 상태에서 상기 연마체와 상기 연마대상물을 상대 이동시킴으로써, 상기 연마대상물을 연마하는 연마방법에 있어서, 상기 연마제가 산화세륨입자를 함유하고, 또한 상기 연마체가 청구 범위 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 연마체인 것을 특징으로 하는 연마방법이다.(청구범위 제 7 항)
이 발명에 있어서는 연마체 자체가 플래시를 발생하지 않는다는 효과와, 연마제가 흠집의 발생을 일으키지 않는 것이라는 효과가 상승하여, 연마시에 있어서의 연마대상물의 흠집의 발생을 방지하는 효과를 높일 수 있다.
상기 제 1 발명의 목적을 달성하기 위한 제 8 발명은, 연마대상물을 지지하는 연마헤드와 연마체를 사용하고, 상기 연마체와 상기 연마대상물 사이에 연마제를 개재시킨 상태에서 상기 연마체와 상기 연마대상물을 상대운동시킴으로써, 상기 연마대상물을 연마하는 연마방법에 있어서, 상기 연마대상물과 상기 연마체의 사이에 하중을 서서히 인가하는 단계를 갖는 것을 특징으로 하는 연마방법이다.(청구범위 제 8 항)
본 발명자들이 발견에 따르면, 연마시에 있어서의 연마토크는, 연마대상물과 연마체 사이에 일정한 하중을 가한 경우 연마개시 직후에 급상승하고, 수초 후에 급저하하며, 약 10 초 후에 거의 일정한 값이 된다. 따라서, 상기 연마대상물과 상기 연마체 사이에 하중을 서서히 인가하는 단계를 갖도록 함으로써, 연마개시 직후에 토크가 급격하게 증대하는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 급격한 토크의 증대가 연마대상물의 흠집의 발생원인이 되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 연마장치로의 부하가 적어지며, 진동 및 열에 의한 영향이 적어질 뿐만 아니라, 단단한 연마패드를 사용한 경우에 발생하기 쉬운 흠집의 발생을 저감할 수 있는 우수한 효과가 있다.
상기 제 1 목적을 달성하기 위한 제 9 발명은, 연마대상물을 지지하는 연마헤드와 연마체를 사용하고, 상기 연마체와 상기 연마대상물 사이에 연마제를 개재시킨 상태에서 상기 연마체와 상기 연마대상물을 상대운동시킴으로써, 상기 연마대상물을 연마하는 연마방법에 있어서, 상기 연마대상물 또는 상기 연마체의 이동부하가 일정하게 되도록 상기 연마대상물과 상기 연마체의 사이의 하중을 조절하는 단계를 갖는 것을 특징으로 하는 연마방법이다.(청구 범위 제 9 항)
본 발명에 있어서도 연마개시 직후에 토크가 급격하게 증대하는 것을 방지할 수 있고, 그 결과 급격한 토크의 증대가 연마대상물의 흠집의 발생원인이 되는 것을 방지할 수 있다. 연마장치로의 부하가 더욱 적어지며, 진동 또는 열에 의한 영향이 더욱 적어질 뿐만 아니라, 단단한 연마패드를 사용한 경우의 흠집의 발생을 더욱 저감시킬 수 있는 우수한 효과가 있다.
상기 제 1 목적을 달성하기 위한 제 10 발명은, 연마대상물을 지지하는 연마헤드와 연마체를 구비하고, 상기 연마체와 상기 연마대상물 사이에 연마제를 개재시킨 상태에서 상기 연마체와 상기 연마대상물을 상대운동시킴으로써, 상기 연마대상물을 연마하는 연마장치에 있어서, 상기 연마체로서 상기 제 1 발명(청구범위 제 1 항) 내지 제 5 발명(청구범위 제 5 항) 중 어느 하나를 사용하고 있는 것을 특징으로 하는 연마장치이다.(청구범위 제 10 항)
본 발명에 있어서는, 상기 제 1 발명(청구범위 제 1 항) 내지 제 5 발명(청구범위 제 5 항) 중 어느 하나를 연마체로서 사용하고 있기 때문에, 각 발명의 항에서 설명한 작용효과를 발휘할 수 있어 상기 제 1 목적을 달성할 수 있다.
상기 제 1 목적을 달성하기 위한 제 11 발명은, 연마대상물을 지지하는 연마헤드와 연마체를 구비하고, 상기 연마체와 상기 연마대상물 사이에 연마제를 개재시킨 상태에서 상기 연마체와 상기 연마대상물을 상대운동시킴으로써, 상기 연마대상물을 연마하는 연마장치에 있어서, 상기 연마대상물과 상기 연마체 사이에 가변하중을 인가하는 하중인가기구(load-applying mechanism)와, 연마체를 이동시키는 연마체 이동기구와, 연마대상물을 이동시키는 연마대상물 이동기구와, 상기 연마체 이동기구와 상기 연마대상물 이동기구의 일측 또는 양측의 이동부하를 검출하기 위한 각각의 부하검출기구와, 상기 어느 하나의 부하검출기구에 의해 검출되는 부하의 값을 토대로 상기 하중인가기구가 인가하는 하중을 제어하기 위한 피드백기구를 구비하는 것을 특징으로 하는 연마장치이다.(청구범위 제 11 항)
상술한 바와 같이 본 발명자들이 발견에 따르면, 연마시에 있어서의 연마토크는, 연마대상물과 연마체 사이에 일정한 하중을 가한 경우 연마개시 직후에 급상승하고, 수초 후에 급저하하며, 약 10 초 후에 거의 일정한 값이 된다. 또한, 연마개시 직후에 토크가 급격하게 증대하는 것이 연마대상물의 흠집의 발생원인이 된다. 본 발명에 있어서는 연마체 이동기구와 연마대상물 이동기구의 일측 또는 양측의 이동부하를 검출하기 위한 각각의 부하검출기구와, 상기 어느 하나의 부하검출기구에 의해 검출되는 부하의 값을 토대로 상기 하중인가기구가 인가하는 하중을 제어하기 위한 피드백기구를 구비하기 때문에, 항상 이들의 부하(토크)를 적당한 값으로 유지할 수 있다. 따라서, 토크가 증대하는 것에 기인하여 연마대상물에 흠집이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
상기 제 2 목적을 달성하기 위한 제 1 발명은, 연마체와 연마대상물 사이에 연마제를 개재시킨 상태에서 상기 연마체와 상기 연마대상물을 상대운동시킴으로써, 상기 연마대상물을 연마하는 연마장치에 사용하는 상기 연마체에 있어서, 적어도 상기 연마체의 그 가공면부(working surface part)가 무발포수지로 이루어지며, 홈구조로 이루어지는 복수의 요철부를 가지며, 상기 홈구조는 동심원형, 나선형, 격자형, 삼각격자형, 방사상형의 홈의 군에서 선택된 1 개 또는 2 개 이상의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연마체이다.(청구범위 제 12 항)
본 발명으로 되는 연마체가 적어도 그 가공면부가 무발포수지로 이루어지는 홈구조를 가지고 있으면, 이 연마체는 시트형이거나 플레이트형이라도 되며, 또한 이종의 재료를 적층한 다층구조이거나 강성이 있는 평면 플레이트상에 성형된 플레이트형의 것이라도 된다.
또한, 연마속도의 향상 및 흠집의 제거를 위해 홈의 형상은 중요하고, 그 때문에 연마제의 유동성과 유지성, 연마분(polishing debris) 또는 응집된 연마입자의 배출성을 효과적으로 실시하는 데에 적합한 패턴이 선택된다. 발명자들의 실험 결과에 따르면, 그 패턴은 동심원형, 나선형, 격자형, 삼각격자형, 방사상형의 홈의 군에서 선택된 1 개 또는 2 개 이상의 조합이 바람직하다.
본 발명의 연마체는 연마제의 공급량에 대하여 종래의 발포연마패드와 동등한 효율로 연마 가능하고, 또한 이 연마체는 경질패드이기 때문에, 패턴이 있는 웨이퍼에 대하여 단차제거특성이 우수하다.
상기 제 2 목적을 달성하기 위한 제 2 발명은, 상기 제 1 발명(청구범위 제 12 항)에 있어서, 상기 요철부의 오목부(홈부) 및 볼록부의 단면이 각각 직사각형, 사다리꼴 및 3 각형에서 선택된 1 종류 이상의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 상기 제 1 발명이다.(청구범위 제 13 항)
본 발명에 있어서는, 요철부의 오목부(홈부) 및 볼록부의 단면이 각각 직사각형, 사다리꼴 및 3 각형에서 선택된 1 종류 이상의 형상을 각각 갖도록 하고 있기 때문에, 홈의 피치나 폭을 최적인 것으로 가공하기 쉽다는 장점을 갖는다.
상기 제 2 목적을 달성하기 위한 제 3 발명은, 상기 직사각형, 상기 사다리꼴 또는 상기 3 각형의 형상이 이하의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 상기 제 2 발명(청구범위 제 13 항)이다.(청구범위 제 14 항)
a ≥b, b ≥0, c ≥0
(여기에서, a 는 볼록부의 저변의 길이, b 는 볼록부의 상변의 길이, c 는 오목부의 저변의 길이이다.)
이와 같은 구성을 사용함으로써, 연마분 또는 응집된 연마입자가 배출되는 도중에 홈 속에서 막히는 일이 없어지고, 연마분 또는 응집된 연마입자의 연마체 가공면의 외부로의 배출이 원활하게 실시된다. 따라서, 연마속도를 향상시킬 수 있음과 동시에, 연마분 또는 응집된 연마입자에 의해 연마대상물에 흠집이 나는 것을 방지할 수 있다. 또한, 이와 같은 구성을 사용함으로써, 홈의 가공이 간단해진다는 이점도 있다.
본 발명의 연마체에 있어서는, 연마제의 유동성과 접촉면적의 크기가 최적화되고 있기 때문에, 연마속도가 빠르다. 또한, 이 연마체는 경질패드이기 때문에, 패턴이 있는 웨이퍼에 대하여 단차제거특성이 우수하고, 또한 홈 폭이 최적화되고 있기 때문에, 연마분이나 연마제의 응집물의 배출이 원활하게 실시되며, 또한 흠집의 발생이 없다.
상기 제 2 목적을 달성하기 위한 제 4 발명은, 상기 직사각형, 상기 사다리꼴 또는 상기 3 각형의 형상이 이하의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 상기 제 3 발명(청구범위 제 14 항)이다.(청구범위 제 15 항)
0.0 mm ≤b ≤3.0 mm, 0.1 mm ≤a+c ≤5.0 mm, d ≥0.1 mm
(여기에서, d 는 오목부의 깊이이다.)
실리콘 웨이퍼의 연마량과 상술한 연마조건의 관계는 (1) 식에 나타낸 Preston 식이라 불리는 경험식에 의해 주어진다.
R = k ×P ×V …(1)
여기에서, R 은 실리콘 웨이퍼의 연마량, P 는 실리콘 웨이퍼를 연마체에 대해 가압하는 단위면적 당의 압력, V 는 연마부재와 실리콘 웨이퍼의 상대운동에 의한 상대선속도, k 는 비례상수이다.
Preston 의 식에 따르면, 연마속도는 연마체와 연마대상물의 상대속도 뿐만 아니라 연마대상물과 연마체의 접촉면에서의 압력에 비례한다. 연마속도는 또한 유효접촉면적에도 비례하기 때문에, 단위면적 당의 하중이 동일하고 상대속도가 동일할 때, 접촉면적은 클수록 연마속도는 향상된다. 여기서, "유효접촉면적"의 "유효"의 의미는 연마체와 연마대상물의 접촉상태는 미가압시와 연마 중의 가압시에서 다르기 때문에, 또한 연마체와 연마대상물의 접촉이 불완전한 일이 있기 때문에, 연마 중의 접촉면적은 도면으로부터 단순하게 계산되는 값과는 다른 값인, 실효적(유효적)인 값을 취한다는 의미이다. 무발포연마패드에서는, 접촉면적이 단순히 큰 것만으로는 연마제가 상기 접촉면의 구석구석까지 공급되지 않기 때문에, 즉 연마제의 유동성이 낮기 때문에, 연마속도를 높일 수 없다. 연마제가 상기 접촉면의 구석구석까지 공급되도록 하려면, 홈의 밀도를 높이면 된다. 그러나, 단순히 홈의 밀도를 높여 홈의 총면적을 증가시키는 것만으로는 연마속도의 향상에 그다지 유효하지 않다. 홈의 총면적과 접촉면적의 합은 연마체 가공면의 면적과 같기 때문에, 홈의 총면적의 증가는 접촉면적을 감소시키고, 접촉면적의 감소는 이상의 논리에서 연마속도를 저하시키기 때문이다. 따라서, 홈의 밀도를 높여도 홈의 총면적을 증가시키면, 연마제의 유동성 향상의 효과, 따라서 연마속도 향상의 효과를 상쇄할 것이다. 유동성을 높이고, 또한 접촉면적을 줄이지 않기 위해서는 홈의 밀도를 높이는 것만으로는 불충분하며, 동시에 홈 폭을 좁게 하지 않으면 안된다. 홈 폭을 좁게하고 홈의 피치를 작게 하여 홈의 밀도를 높임으로써, 연마제가 접촉면의 구석구석까지 공급되고, 연마속도가 향상될 수 있다.
여기서, 중요한 것은 홈의 역할이다. 홈은 연마체의 볼록부를 형성하는 기능, 연마제를 접촉면인 볼록부에 공급하여 연마제의 유동성을 확보하는 기능 뿐만 아니라, 연마분 또는 응집된 연마제 중의 연마입자(이하, "응집된 연마입자"라 함)를 그 곳으로부터 배출하는 중요한 기능을 담당하고 있는 것이다. 이러한 의미에서, 그다지 홈 폭은 작지 않은 것이 좋다. 홈의 폭이 너무 작으면, 연마분 또는 응집된 연마입자가 배출되는 도중에 홈 속에서 막히기 때문에, 연마분 또는 응집된 연마입자의 연마체 가공면의 외부로의 배출이 방해되며, 이것이 연마 중에 연마대상물에 접촉함으로써 흠집의 발생원인이 되기 때문이다.
이상의 이유에 의해, 홈의 피치는 너무 성기거나 반대로 너무 촘촘해도 좋지 않고, 또 홈 폭은 너무 넓거나 반대로 너무 좁아도 좋지 않고 각각 최적치를 가져야 한다.
여기서, (a+c) 는 홈의 피치인데, 홈의 피치 (p) 는 연마제의 유동성의 양호함과 접촉면적의 많음이라는 서로 충돌되는 특성의 모순에 의해 결정된다. 실험의 결과, 홈의 피치 (p) 는 0.1 mm 이상 5.0 mm 이하가 바람직하다는 것이 판명되었다. 유사한 실험의 결과, 홈의 볼록부의 상변의 길이 (b) 는 0.0 mm 이상 3.0 mm 이하가 바람직하다는 것이 판명되었다. 홈의 깊이 (d) 의 하한은 연마분 또는 응집된 연마입자의 배출특성으로부터 결정되며, 0.1 mm 이상이 바람직하다는 것도 판명되었다.
상기 제 2 목적을 달성하기 위한 제 5 발명은, 상기 요철부의 오목부(홈부)의 단면이 곡부(curved portion)를 갖는 형상인 것을 특징으로 하는 상기 제 1 발명(청구범위 제 12 항)이다.(청구범위 제 16 항)
요철부의 오목부(홈부)의 단면이 곡부를 갖는 형상이면, 연마제의 공급이나 배출이 용이하며, 또한 연마부재의 가공면과 홈이 이루는 각도도 크게 취할 수 있기 때문에, 연마부재의 가공면에 발생하는 예각인 부분의 발생이 억제된다. 그 결과, 연마대상물의 흠집의 발생을 효과적으로 억제하는 것이 가능하다.
상기 제 2 목적을 달성하기 위한 제 6 발명은, 상기 곡부를 갖는 형상이 이하의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 상기 제 5 발명(청구범위 제 16 항)이다.(청구범위 제 17 항)
0.0 mm ≤e ≤3.0 mm, 0.1 mm ≤e+f ≤5.0 mm, g ≥0.1 mm
(여기에서, e 는 볼록부의 상변의 길이, f 는 오목부의 상변의 길이, g 는 오목부의 깊이이다.)
각 수치를 이 같이 한정한 이유는 상기 제 4 발명(청구범위 제 15 항)에 있어서의 수치한정 이유와 동일하며, 발명자들의 실험의 결과 결정된 것이다.
상기 제 2 목적을 달성하기 위한 제 7 발명은, 상기 요철부가 요철의 주기구조를 갖는 것을 특징으로 하는 상기 제 1 발명(청구범위 제 12 항) 내지 제 6 발명(청구범위 제 17 항) 중 어느 하나이다.(청구범위 제 18 항)
본 발명에 있어서는 요철부가 주기구조를 갖기 때문에, 가공이 간단하고, 자동공작기로 가공할 수 있다는 이점을 갖는다.
상기 제 2 목적을 달성하기 위한 제 8 발명은, 상기 무발포수지는 비커즈 경도(Vickers hardness)가 1.5 kgf/㎟ 이상, 또는 압축 영률이 25 kgf/㎟ 이상을 만족하는 것을 특징으로 하는 상기 제 1 발명(청구범위 제 12 항) 내지 제 7 발명(청구범위 제 18 항) 중 어느 하나이다.(청구범위 제 19 항)
경질무발포 연마부재의 큰 특징의 하나는 평탄성, 즉 능률적인 패턴의 단차제거특성이다. 연마부재의 경도가 저하되면, 그 단차제거특성은 악화된다. 발명자들의 실험의 결과, 연마부재의 재료의 비커즈 경도가 1.5 kgf/㎟ (약 1.5 ×107 Pa) 이상, 또는 압축 영률이 25 kgf/㎟ (약 2.5 ×108 Pa) 이상일 때에 잔류단차의 문제가 없을 정도로 억제할 수 있고, 또한 높은 연마속도와 양호한 평탄성을 모두 얻을 수 있다는 것을 알았다.
상기 제 2 목적을 달성하기 위한 제 9 발명은, 연마체와 연마대상물 사이에 연마제를 개재시킨 상태에서 상기 연마체와 상기 연마대상물을 상대운동시킴으로써, 상기 연마대상물을 연마하는 연마장치에 있어서, 연마체로서 상기 제 1 발명(청구 범위 제 12 항) 내지 제 8 발명(청구 범위 제 19 항) 중 어느 하나인 연마체를 사용하는 것을 특징으로 하는 연마체이다.(청구범위 제 20 항)
본 연마장치는 상기 제 1 발명(청구범위 제 12 항) 내지 제 8 발명(청구범위 제 19 항) 중 어느 하나인 연마체를 사용하고 있기 때문에, 각각 제 1 발명 내지 제 8 발명이 각각 갖는 작용효과를 얻을 수 있어, 상기 제 2 목적을 달성할 수 있다.
상기 제 2 목적을 달성하기 위한 제 10 발명은, 연마체와 연마대상물 사이에 연마제를 개재시킨 상태에서 상기 연마체와 상기 연마대상물을 상대운동시킴으로써, 상기 연마대상물을 연마하는 방법에 있어서, 연마체로서 상기 제 8 발명 (청구 범위 제 19 항) 에 관한 연마체를 사용하고, 당해 연마체의 온도를 제어하는 단계를 갖는 것을 특징으로 하는 연마방법이다.(청구범위 제 21 항)
연마속도는 접촉면적에 비례한다. 그러나, 일반적으로 고체와 고체의 접촉은 점이다. 본 발명의 무발포 연마부재는 경질의 재료를 사용하고 있기 때문에, 실효적인 접촉면적이 도면으로부터 단순하게 계산되는 값보다도 낮다. 따라서, 연마속도가 기대치보다도 낮은 일이 있다. 따라서, 볼록부 전체를 연마대상물로 적용하기 위해, 연마패드 재료의 수지의 경도의 온도의존성을 이용한다. 수지의 경도는 온도상승과 함께 낮아진다. 온도를 상승시키거나 또는 온도를 제어함으로써, 연마대상물에 대한 연마패드의 경도의 접촉을 향상시킨다. 연마속도는 온도에 의존하고, 온도가 높아질수록 연마속도는 상승한다. 이 연마속도의 상승 원인에는 유효(실효) 접촉면적의 증가 이외에 슬러리의 반응성의 향상이 있다. 따라서, 연마체의 온도를 제어함으로써, 연마속도를 향상시키거나 소정의 연마속도를 유지하도록 할 수 있다.
상기 제 3 목적을 달성하기 위한 제 1 발명은, 연마체와 연마대상물 사이에 연마제를 개재시킨 상태에서 상기 연마체와 상기 연마대상물을 상대운동시킴으로써, 상기 연마대상물을 연마하는 연마장치에 사용하는 연마체에 있어서, 표면에 형성되어 있는 홈을 가지며, 상기 홈의 상기 표면에서의 폭(W) 은 0.1 mm ≤W ≤2.0 mm 이고, 상기 홈이 형성되어 있는 영역을 포함하는 연마체의 체적에 대한 상기 홈이 형성되어 있는 영역의 체적의 비율(VL) 은 0.1 % ≤VL ≤30 % 이고, 상기 홈이 형성되어 있는 영역을 포함하지 않는 연마체의 체적에 대하여 발포에 의한 공극영역(void region)이 20 % 이하인 재료로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연마체이다.(청구범위 제 22 항)
상기 연마체에 따르면, 연마체의 재료가 무발포 타입 또는 저발포 타입이고; 따라서, 연마체의 사용에 의한 마모가 매우 적다. 또한 드레싱(dressing)이 필요없거나 드레싱에 필요한 시간이 짧아도 되므로, 마모에 의한 홈구조의 변화가 없다; 따라서, 항상 안정된 연마특성을 얻을 수 있다. 이러한 특징의 결과로, 연마체의 교환빈도가 저하되기 때문에, 연마에 필요한 비용을 저감시킬 수 있다. 또한, 표면에 형성되어 있는 홈구조(홈 폭(W), 체적비율(VL))에 따른 연마특성 중의 균일성, 평탄성 및 연마속도를 제어할 수 있다. 따라서, 이상적인 연마특성을 얻을 수 있도록 홈구조를 선택할 수 있다. 그 결과, 연마의 수율이 향상되고, 연마에 필요한 시간이 단축되기 때문에, 연마에 필요한 비용을 저감시킬 수 있다.
상기 제 3 목적을 달성하기 위한 제 2 발명은, 두께 (D) 가 0.5 mm ≤D ≤5.0 mm 인 것을 특징으로 하는 상기 제 1 발명(청구범위 제 22 항)이다.(청구범위 제 23 항)
이에 의해, 연마체의 두께 (D) 에 의해 연마특성 중의 균일성, 평탄성 및 연마속도를 제어할 수 있다. 따라서, 이상적인 연마특성을 얻을 수 있도록 두께를 선택할 수 있다. 따라서, 연마의 수율이 향상되고, 연마에 필요한 시간이 단축되기 때문에, 연마에 필요한 비용을 저감시킬 수 있다.
상기 제 3 목적을 달성하기 위한 제 3 발명은, 상기 홈의 깊이가 상기 홈 폭 (W) 의 3 배 이하인 것을 특징으로 하는 상기 제 1 발명(청구범위 제 22 항) 또는 제 2 발명(청구범위 제 23 항)이다.(청구범위 제 24 항)
이에 의해, 연마대상물의 연마면에 흠집을 발생시키는 일이 없다. 따라서, 연마의 수율이 향상되며, 연마에 필요한 비용을 저감시킬 수 있다.
상기 제 3 목적을 달성하기 위한 제 4 발명은, 표면에 대한 상기 홈의 형상이 나선형, 동심원형, 격자형, 삼각격자형, 그물코형, 랜덤형 또는 이들 중 2 종류 이상을 포함하는 형상인 것을 특징으로 하는 상기 제 1 발명(청구범위 제 22 항) 내지 제 3 발명(청구범위 제 24 항) 중 어느 하나이다.(청구범위 제 25 항)
이에 의해, 연마체 표면에서의 연마제의 유지능력이 높아지기 때문에, 연마속도가 향상되며, 또한 균일성도 향상된다. 따라서, 연마의 수율이 향상되고, 연마에 필요한 시간이 단축되기 때문에, 연마에 필요한 비용을 저감시킬 수 있다.
상기 제 3 목적을 달성하기 위한 제 5 발명은, 상기 홈의 단면형상이 곡률을 갖는 형상, 직사각형, V 자형 또는 다각형인 것을 특징으로 하는 상기 제 1 발명(청구범위 제 22 항) 내지 제 4 발명(청구범위 제 25 항) 중 어느 하나이다.(청구범위 제 26 항)
이에 의해, 연마대상물의 연마면에 흠집을 발생시키는 일이 없어진다. 따라서, 연마의 수율이 향상되고, 연마에 필요한 비용을 저감시킬 수 있다.
상기 제 3 목적을 달성하기 위한 제 6 발명은, 재료의 압축탄성률 (K) 이 0.1 GPa ≤K ≤2.0 GPa 인 것을 특징으로 하는 상기 제 1 발명(청구범위 제 22 항) 내지 제 5 발명(청구범위 제 26 항) 중 어느 하나이다.(청구범위 제 27 항)
본 수단에 있어서는, 재료가 너무 연하지 않기 때문에, 연마시에 마모량이 적고, 연마체의 수명이 길다. 또한, 평탄성이 악화되는 일이 없다. 또한, 재료가 너무 단단하지 않기 때문에, 연마대상물에 흠집이 나는 일이 없고, 또한 균일성이 나빠지는 일이 없다.
이에 의해, 재료의 압축탄성률 (K) 이 0.1 GPa ≤K ≤2.0 GPa 인 재료로 형성되어 있는 연마체에 대하여 연마의 수율이 향상되고, 연마에 필요한 비용을 저감시킬 수 있다.
상기 제 3 목적을 달성하기 위한 제 7 발명은, 상기 재료의 주성분이 에폭시수지, 아크릴수지, 폴리에스테르수지, 염화비닐수지, 폴리카보네이트수지 및 무발포우레탄수지의 군에서 선택된 어느 하나 이상의 수지인 것을 특징으로 하는 상기 제 1 발명(청구범위 제 22 항) 내지 제 6 발명(청구범위 제 27 항) 중 어느 하나이다.(청구범위 제 28 항)
이에 의해, 연마에 의한 연마체의 마모가 적기 때문에, 연마체의 수명이 향상된다. 따라서, 연마체의 교환빈도가 저하되기 때문에, 연마에 필요한 비용을 저감시킬 수 있다.
상기 제 3 목적을 달성하기 위한 제 8 발명은, 상기 연마제를 공급 및 배출하는 홈이 표면에 추가로 형성되어 있으며, 상기 연마제를 공급 및 배출하는 홈은 상기 홈의 일부이거나 또는 상기 홈과는 별도로 형성되어 있는 홈인 것을 특징으로 하는 상기 제 1 발명(청구범위 제 22 항) 내지 제 7 발명(청구범위 제 28 항) 중 어느 하나이다.(청구범위 제 29 항)
이에 의해, 연마제가 연마대상물의 연마면의 전체에 균일하게 공급되기 때문에, 균일성이 나빠지거나 마찰이 커짐에 의한 연마특성의 열화가 발생하는 일이 없다. 따라서, 연마의 수율이 향상되고, 연마에 필요한 비용을 저감시킬 수 있다.
상기 제 3 목적을 달성하기 위한 제 9 발명은, 적어도 일부에 투명영역을 갖는 것을 특징으로 하는 상기 제 1 발명(청구범위 제 22 항) 내지 제 8 발명(청구범위 제 29 항) 중 어느 하나이다.(청구범위 제 30 항)
이에 의해, 연마정반에 형성되어 있는 개구부 및 연마체의 투명영역을 통하여 연마상태를 관찰하는 장치에 의해, 연마공정의 도중에 연마대상물의 연마면의 연마상태를 바로 검출(in-situ 검출) 할 수 있다. 따라서, 연마공정 중에 연마의 종점을 검출할 수 있기 때문에, 연마의 수율이 향상되고, 연마에 필요한 비용을 저감시킬 수 있다. 투명영역을 구성하는 재료로서는, 예를 들어 염화비닐 등을 사용할 수 있다.
상기 제 3 목적을 달성하기 위한 제 10 발명은, 연마체와 연마대상물 사이에 연마제를 개재시킨 상태에서 상기 연마체와 상기 연마대상물을 상대운동시킴으로써, 상기 연마대상물을 연마하는 연마장치에 있어서, 연마체로서 상기 제 1 발명(청구범위 제 22 항) 내지 제 9 발명(청구범위 제 30 항) 중 어느 하나를 사용하고 있는 것을 특징으로 하는 연마장치이다.(청구범위 제 31 항)
본 발명에 있어서는, 연마체로서 상기 제 1 발명(청구범위 제 22 항) 내지 제 9 발명(청구범위 제 30 항) 중 어느 하나를 사용하고 있기 때문에, 각각 대응하는 연마체가 갖는 장점을 살릴 수 있어, 상기 제 3 목적을 달성할 수 있다.
상기 제 4 목적을 달성하기 위한 제 1 발명은, 연마체와 연마대상물 사이에 연마제를 개재시킨 상태에서 상기 연마체와 상기 연마대상물을 상대운동시킴으로써, 상기 연마대상물을 연마하는 연마장치에 사용하는 연마체에 있어서, 표면에 다른 2 종류 이상의 요철구조가 주기적 또는 비주기적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연마체이다.(청구범위 제 32 항)
상기 연마체에 따르면, 2 종류 이상의 요철구조가 형성되어 있다. 따라서, 요철구조에 의해 연마특성 중, 균일성이 좋은 부분 및 평탄성이 좋은 부분이 공존하게 된다. 이에 의해, 균일성 및 평탄성이 모두 향상된다.
즉, 연마체의 적층구조 또는 연마헤드를 개량하지 않고 연마체 표면에 2 종류 이상의 요철구조를 형성함으로써, 동일한 연마체에 외관상 경질연마체 및 연질연마체를 공존시키는 것이 가능하다. 따라서, 종래의 연마장치를 사용해도 일반적으로 모순관계에 있다고 일컬어지는 균일성 및 평탄성의 연마특성을 개선하는 것이 가능한 연마체 및 이것을 사용한 연마방법을 제공할 수 있다. 또한, 이것은 연마공정에 필요한 비용을 들이지 않고 반도체 제조 공정의 수율을 향상시킬 수 있다는 장점을 제공한다.
상기 제 4 목적을 달성하기 위한 제 2 발명은, 동일한 종류의 상기 요철구조가 형성되어 있는 영역내에서는 상기 요철구조의 오목부 및 상기 요철구조의 볼록부는 각각 2 개 이상 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 상기 제 1 발명(청구범위 제 32 항)이다.(청구범위 제 33 항)
이에 의해, 균일성 및 평탄성은 더욱 향상된다.
상기 제 4 목적을 달성하기 위한 제 3 발명은, 상기 요철구조가 제 1 요철구조 및 제 2 요철구조의 2 종류의 요철구조로 이루어지며, 상기 제 1 요철구조의 오목부 및 상기 제 2 요철구조의 오목부는 홈이며, 상기 제 1 요철구조의 볼록부의 폭은 상기 제 2 요철구조의 볼록부의 폭의 2 배 이상인 것을 특징으로 하는 상기 제 2 발명(청구범위 제 33 항)이다.(청구범위 제 34 항)
이에 의해, 볼록부의 폭이 넓은 제 1 요철구조가 형성되어 있는 연마체의 영역은 경질연마체와 동등하게 기능하고, 요철패턴을 갖는 연마대상물의 연마시에 선택적으로 요철패턴의 볼록부를 연마해감으로써, 평탄성이 향상된다. 한편, 볼록부의 폭이 좁은 제 2 요철구조가 형성되어 있는 연마체의 영역은 연질연마체와 등등하게 기능하고, 연마대상물의 휨이나 연마대상물 표면에 형성되어 있는 막의 형성시의 막두께의 불균일에 대해서도 추종하여 연마해 감으로써, 균일성이 향상된다.
상기 제 4 목적을 달성하기 위한 제 4 발명은, 상기 연마체의 평면형상이 원이며, 또한 동일한 종류의 상기 요철구조가 형성되어 있는 영역은 동심원형상으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 상기 제 1 발명(청구범위 제 32 항) 내지 제 3 발명(청구범위 제 34 항) 중 어느 하나이다.(청구범위 제 35 항)
이에 의해, 균일성 및 평탄성은 더욱 향상된다.
상기 제 4 목적을 달성하기 위한 제 5 발명은, 동일한 종류의 상기 요철구조가 형성되어 있는 영역은 격자형상으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 상기 제 1 발명(청구범위 제 32 항) 내지 제 3 발명(청구범위 제 34 항) 중 어느 하나이다.(청구범위 제 36 항)
이에 의해, 균일성 및 평탄성은 더욱 향상된다.
상기 제 4 목적을 달성하기 위한 제 6 발명은, 표면에 상기 연마제를 공급 및 배출하는 홈이 추가로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 상기 제 1 발명(청구범위 제 32 항) 내지 제 5 발명(청구범위 제 36 항) 중 어느 하나이다.(청구범위 제 37 항)
이에 의해, 연마제가 연마대상물의 전면에 균일하게 공급되기 때문에, 균일성이 나빠지거나 마모가 커져 연마장치의 특성의 열화가 발생하는 일이 없다.
상기 제 4 목적을 달성하기 위한 제 7 발명은, 비커즈 경도 (k) 가 2.5(Kgf/㎟) ＜ k ＜ 30(Kgf/㎟) 인 것을 특징으로 하는 상기 제 1 발명(청구범위 제 32 항) 내지 제 6 발명(청구범위 제 37 항) 중 어느 하나이다.(청구범위 제 38 항)
이에 의해, 균일성 및 평탄성은 더욱 향상된다.
상기 제 4 목적을 달성하기 위한 제 8 발명은, 상기 요철구조가 형성되어 있는 표면에 제 1 층과, 상기 제 1 층의 하부에 설치되며 제 1 층이 적층되어 있는 제 2 층으로 구성되고, 상기 제 2 층의 탄성률은 상기 제 1 층의 탄성률보다 큰 것을 특징으로 하는 상기 제 1 발명(청구범위 제 32 항) 내지 제 7 발명(청구범위 제 38 항) 중 어느 하나이다.(청구범위 제 39 항)
이에 의해, 적층구조의 연마체라도 균일성 및 평탄성을 향상시키는 것이 가능하다.
상기 제 4 목적을 달성하기 위한 제 9 발명은, 연마체와 연마대상물 사이에 연마제를 개재시킨 상태에서 상기 연마체와 상기 연마대상물을 상대운동시킴으로써, 상기 연마대상물을 연마하는 연마장치에 있어서, 연마체로서 상기 제 1 발명(청구범위 제 32 항) 내지 제 8 발명(청구범위 제 39 항) 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 연마장치이다.(청구범위 제 40 항)
본 발명에 있어서는, 상기 제 1 발명 내지 제 8 발명 중 어느 하나의 연마체를 사용하고 있기 때문에, 각각의 발명의 항에서 설명한 작용효과가 발휘되며, 상기 제 4 목적을 달성할 수 있다.
상기 제 1 목적 내지 제 4 목적을 각각 달성하기 위한 발명은, 청구 범위 제 6 항, 제 7 항, 제 8 항, 제 9 항 중 어느 하나에 관한 연마방법, 또는 청구 범위 제 10 항, 제 11 항, 제 20 항, 제 21 항, 제 31 항, 제 40 항에 관한 연마장치 중 적어도 1 개의 방법 또는 장치를 사용하여 웨이퍼를 연마하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법이다.(청구범위 제 41 항)
본 발명에 있어서는, 각각 장점을 갖는 연마방법 또는 장치를 이용하고 있기 때문에, 상기 제 1 목적 내지 제 4 목적을 따라 웨이퍼를 연마할 수 있다. 따라서, 반도체 소자를 양호한 정밀도, 수율 및 처리량으로 제조할 수 있다.
도 1 은 반도체 소자에 있어서의 평탄화기술의 개념도로서, 반도체 소자의 단면을 나타내는 것이다. 도 1a, 도 1b 에 있어서 왼쪽은 평탄화 전의 상태, 오른쪽은 평탄화 후의 상태를 나타낸다.
도 2 는 CMP 장치의 개략 구성도이다.
도 3 은 본 발명에 있어서의 CMP 연마장치의 연마패드의 예를 나타내는 개략 평면도이다.
도 4 는 본 발명의 토크검출기구를 가진 연마장치의 예를 나타내는 개념도이다.
도 5 는 CMP 장치에 있어서의 하중과 토크의 시간추이의 예를 나타내는 도면이다.
도 6 은 본 발명의 연마패드의 홈의 단면형상의 예를 나타내는 도면이다.
도 7 은 종래예의 연마패드의 나선형 홈과 격자형 홈을 조합시킨 홈구조의 부분적인 평면확대도를 나타내는 도면이다.
도 8 은 본 발명의 실시 형태에 있어서의 홈구조의 단면구조의 예를 설명하는 도면이다.
도 9 는 본 발명의 실시 형태에 있어서의 홈구조의 단면구조의 예를 설명하는 도면이다.
도 10 은 본 발명의 실시 형태에 있어서의 동심원형과 방사상형 홈의 조합의 홈구조의 예를 나타내는 도면이다.
도 11 은 본 발명의 실시 형태에 있어서의 격자형 홈의 홈구조의 예를 나타내는 도면이다.
도 12 는 본 발명의 실시 형태에 있어서의 삼각격자형 홈의 홈구조의 예를 나타내는 도면이다.
도 13 은 연마부재의 경도와 온도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 14 는 연마속도와 온도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 15 는 본 발명의 실시예인 연마헤드의 개요도이다.
도 16 은 본 발명의 실시 형태인 연마체의 일부분의 단면도이다.
도 17 은 하중이 가해진 상태의 연마체의 상태를 나타내는 단면도이다.
도 18 은 연마체의 개략구성의 예를 나타내는 평면도이다.
도 19 는 본 발명의 실시 형태인 연마체의 단면도이다.
도 20 은 본 발명의 실시 형태인 CMP 장치의 개략구성도이다.
도 21 은 본 발명의 실시 형태인 연마체를 나타내는 도면이다.
도 22 는 본 발명의 실시 형태인 연마체를 나타내는 도면이다.
도 23 은 본 발명의 실시 형태인 연마체를 나타내는 도면이다.
도 24 는 본 발명의 실시 형태인 연마체를 나타내는 도면이다.
도 25 는 반도체 소자 제조 공정을 나타내는 플로우 차트이다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위하여, 첨부된 도면을 따라 실시 형태를 설명하지만, 본 설명은 어디까지나 실시 형태의 예 및 실시예를 나타내는 것으로, 발명의 내용을 한정하는 것 같이 해석해서는 안된다.
먼저, 본 발명의 제 1 목적을 달성하기 위한 발명의 실시 형태의 예 및 실시예에 관하여 설명한다.
[실시 형태 1-1]
본 실시 형태의 연마패드(연마체) 는 그 표면에 형성한 홈구조에 플래시가 없다. 따라서, 첫째로 플래시가 발생하지 않는 홈구조 형성법을 채용하는 것, 이를 위하여 홈형성이 종료된 연마패드의 표면을 고르게 하는 처리를 하는 것도 중요하지만, 본 발명에서는 연마 중에 연마패드로부터 벗겨져 나오는 플래시를 없애는 것에 주목하였다.
본 실시 형태의 연마패드의 홈구조는 홈구조를 구성하는 복수의 홈이 교차하는 교점에서의 교차각도가 2 도 이하인 예각을 갖지 않는다. 따라서, 연마 중에 벗겨져 나오는 플래시를 크게 저감할 수 있는 것이다. 이를 위해서는, 동심원형과 방사상형의 홈의 조합(도 3a), 나선형과 방사상형의 조합, 또는 격자홈만의 구조(도 3b)가 가장 효과적이다. 이들의 홈구조의 경우, 교차각도는 90 도가 된다. 방사상형의 홈의 경우에는 방사상형의 홈을 구성하는 복수의 홈이 교차하는 교점 (통상은 연마패드의 중앙부) 에서의 교차각도가 2 도 이상인 각도를 갖도록 한다. 이를 위해서는, 방사상형의 홈을 구성하는 복수의 홈을 등각도 간격으로 형성한 경우는 복수의 홈을, 180 개를 초과하여 형성하지 않는 것이 바람직하다. 또한, 방사상형의 홈을 구성하는 복수의 홈의 길이를 장단 교대로 섞고, 방사상형의 홈을 구성하는 짧은 쪽의 복수의 홈의 연마패드의 중심측의 종단을 연마패드의 중앙부근에서 동심원형상으로 배치하는 것도 바람직하다. 따라서, 연마패드의 가공면에는 날카로운 단면을 갖지 않는 것이 바람직하고, 구체적으로는 곡률반경 50 ㎛ 미만의 단부를 연마패드의 가공면에 갖지 않는 것이 바람직하다.
[실시 형태 1-2]
본 실시 형태는 실시 형태 1-1 과 조합하여 사용되는 슬러리이다.
본 슬러리는 응집을 일으키기 어렵다.
응집되기 어려운 슬러리로서는 산화세륨을 함유한 슬러리가 바람직하게 사용된다. CMP 에 의한 유전체의 연마에는, 일반적으로 이산화규소(SiO2)를 함유한 슬러리가 많이 사용되고 있다. 이 슬러리는 안정성이 우수하지만, 응집되어 유리를 형성하기 쉬운 성질을 갖는다. 이 응집물은 연마패드의 표면에 형성된다. 응집되는 장소가 홈의 내부인 경우에는 응집물은 흠집의 원인이 되지 않지만, 홈의 외측, 즉 볼록부인 경우에는 흠집의 원인이 되기 쉽다. 산화세륨을 함유한 슬러리는 물에 용이하게 분산된다. 또한, 이러한 슬러리는 용이하게 물로 세정할 수 있어 응집되기 어렵다. 따라서, 무발포수지로 이루어지는 경질 연마패드(이하, 무발포 연마패드라 함)에 적합하다. 발포 연마패드에 산화세륨의 슬러리를 사용한 경우, 연마패드의 가공면의 발포내에서의 슬러리의 유지력이 높다. 그 결과, 과잉으로 세륨연마입자가 남아 연마의 안정성에 영향을 미친다. 즉, 시간과 함께 연마속도가 변화하는 문제와, 슬러리 공급의 제어조작에 대한 응답성이 낮은 문제가 있다. 이에 비하여, 무발포 연마패드는 유지력이 낮고, 이전의 상태의 영향을 받지 않는다. 그 결과, 슬러리 농도의 제어조작이 바로 연마성, 특히 연마속도에 반영되어 안정된 연마특성을 유지할 수 있다.
또한, 무발포 연마패드와 산화규소의 슬러리의 조합에서는 연마속도를 높이는 것이 어렵다. 그러나, 산화세륨 슬러리와의 조합에 의해 높은 연마속도를 얻을 수 있다.
[실시 형태 1-3]
본 실시 형태는 도 4 에 나타나며, 흠집을 저감시키는 연마장치이다. 또한, 이하의 도면에 있어서, 앞의 도면에 나타난 요소와 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙여 그 설명을 생략한다.
도 4 에 있어서, 22 는 연마헤드(16)를 회전시키는 회전모터, 23 은 회전모터(22)의 회전토크를 검출하는 회전토크 검출기구, 24 는 요동운동(연마패드의 가공면에 평행한 직선요동운동)을 검출하는 부하검출기구, 25 는 연마헤드(16)에 요동운동을 부여하는 요동기구, 26 은 실리콘 웨이퍼(17)의 피연마면에 하중을 인가하는 하중인가기구를 나타낸다. 이 하중인가기구는 외부로부터 수신된 부하 또는 회전토크신호에 따라 하중을 조정 가능한 가중조정기구를 구비한다. 27 은 정반회전모터, 28 은 정반회전의 회전토크를 검출하는 검출기구이다. 연마헤드(16)는 실리콘 위이퍼(17)를 지지함과 동시에 실리콘 웨이퍼(17)를 회전시킨다. 연마부재(15)는 연마정반(20)의 표면에 연마패드(21; 연마체)를 부착함으로서 구성된다.
연마패드(21)로서는 표면에 홈구조를 가진 무발포수지로 이루어지는 것이 사용되고 있다. 연마헤드(16)는 회전모터(22)에 의해 회전운동하고, 또한 연마부재(15)는 정반회전모터(27)에 의해 회전운동한다. 이 과정에서, 실리콘 웨이퍼(17)는 연마제(19)와 연마패드(21)의 작용에 의해 피연마면이 연마된다.
본 연마장치는 이하와 같이 동작한다. 연마 중에 정반토크 검출기구(28) 는 정반회전모터(27) 의 회전토크를, 연마헤드 토크검출기구(23)는 연마헤드 회전모터(22)의 회전토크를, 그리고 요동부하 검출기구(24)는 요동기구(25)로부터 요동부하를 검출한다. 정반토크 검출기구(28), 연마헤드 토크검출기구(23) 또는 요동부하 검출기구(24) 중 어느 하나로부터의 토크 또는 부하신호는 하중인가기구(26)에 피드백되고, 하중인가기구(26)는 이 토크 또는 부하신호를 미리 설정된 기준신호와 비교하여 그 차이에 따라 하중을 증감한다. 구체적으로는, 하중인가기구(26)는 토크 또는 부하가 기준보다도 클 때에는 하중을 경감시키고, 반대로 기준보다도 작을 때에는 하중을 증가시킨다. 이와 같이, 하중인가기구(26)가 인가하는 하중의 결과, 발생하는 피연마면의 하중에 의한 회전토크 또는 요동부하는 항상 일정하게 유지된다.
토크 또는 부하를 제어하는 대상은 바람직하게는 연마헤드 회전모터(22) 이다.
이상의 예에서는, 연마 동안에 토크 또는 부하가 연속적으로 제어되었다; 그러나, 더욱 간략적으로, 토크 또는 부하의 피드백제어를 실시하지 않고, 단순히 도 4 와 같이 연마헤드로의 하중을 단계적으로 인가하는 것만으로도 가능하다. 이와 같은 경우는, 피드백제어에 필요한 외부신호에 따라 하중을 조정하는 하중조정기구 등의 기능은 필요없게 된다.
도 5 는 연마부재와 연마헤드가 모두 정속도로 회전하고 있을 때 연마헤드에 인가되는 하중과 연마헤드 회전모터의 회전토크의 시간적 변화를 나타낸다. 도 5a 는 연마개시와 동시에 일정치의 하중을 인가한 경우이고, 도 5b 는 연마개시부터 단계적으로 서서히 하중을 일정치까지 증가시킨 경우이다. 도 5a 는, 토크가 연마개시 직후에 급상승하고, 수초 후에 급강하하며 약 10 초 후에 일정치로 안정되는 것을 나타내고 있다. 이것은 정지마찰로부터 동마찰로의 전환을 나타낸다. 이에 비하여, 도 5b 에 있어서는 토크가 연마개시 직후부터 거의 일정하게 안정되고 있다.
본 발명은 연마개시 직후의 토크의 급격한 증대가 연마부재와 연마대상물에 미치는 영향을 고려하여, 예를 들어 그 급격한 변화시에 연마대상물 표면에 흠집이 발생하기 쉬운 등의 실험적 결과에서 토크를 될 수 있는 한 일정하게 제어하면 흠집을 방지할 수 있지 않을까라는 추정을 토대로 고안되었다. 그 결과, 흠집의 감소 뿐만 아니라, 불필요한 진동이나 열의 발생이 억제되어 안정된 연마결과를 얻는 것이 가능해졌다.
위의 설명에서는 연마헤드, 정반 모두 이동을 위하여 회전을 실시한 예이다. 그러나, 예를 들어 일측이 직선운동인 경우라도 소위 상대운동을 실시하고 있는 경우에도 유효하다는 것은 말할 나위도 없다. 또한 도 4 에서는 요동기구를 연마헤드측에 설치하고 있다; 그러나, 이것을 연마체측에 설치해도 되는 것은 말할 나위도 없다.
[실시예 1-1]
이하의 실시예는 실시 형태 1-1 에 대응한다.
먼저, 경질연마패드를 이하와 같이 제작하였다.
재료로서 에폭시 주제(principal agent) 에피코트 828, 에피코트 871(모두 유까쉘에폭시사 제조)과 경화제(curing agent) 디아미노디페닐메탄을 중량비 2.6 : 3.9 : 1 로 혼합 교반하여, Ø800 mm 사이즈의 몰드에 흘려 넣고, 이 혼합물을 150 ℃ 에서 8 시간 가열하여 경화시켰다. 이어서, 절삭가공으로 상기 에폭시수지 표면에 피치 0.5 mm, 깊이 0.3 mm 의 나선형상 V 홈(V 각도 60°)과 폭 2 mm, 깊이 0.5 mm 의 5 도 패임의 방사상형 홈을 형성하여 연마패드로 하였다. 도 6 에 이 홈의 단면형상의 확대도를 나타낸다. 도 6 에 있어서, 31 은 연마패드의 표면, 32 는 연마패드의 홈을 나타낸다.
이 연마패드를 정반에 양면테이프로 부착하여 연마패드로 하였다. 연마대상물로서 열산화막이 1 ㎛ 두께로 형성된 6 인치 실리콘 웨이퍼를 표면장력으로 연마헤드의 탄성막(배킹 막(backing film))에 고정하고, 이하에 나타내는 연마조건으로 연마를 실시하였다.
연마조건
ㆍ연마패드 회전수 : 50 rpm
ㆍ연마헤드 회전수 : 50 rpm
ㆍ요동거리 : 30 mm
ㆍ요동빈도 : 15 왕복/분
ㆍ연마제 : Cabot 사 제조 SEMI Supers 25 를 2 배로 희석(산화규소 슬러리)
ㆍ연마제 유량(flow rate) : 200 ml/분
ㆍ웨이퍼에 대한 하중 : 460 gf/㎠
이와 같이 연마된 웨이퍼의 연마속도를 측정한 바, 200 nm/분 이 얻어졌다. 연마면을 흠집 검사기로 검사한 바, 흠집은 발견되지 않았다.
[비교예 1-1]
홈구조를 제외하고, 실시예 1-1 과 동일한 조건으로 연마패드를 제작하였다. 홈구조는 도 7 의 연마패드 평면확대도에서 나타내는 바와 같이, 나선형과 격자형 홈의 조합으로 형성되었다. 도 7 에 있어서, 33 은 나선형 홈, 34 는 격자형 홈이다.
이 연마패드를 사용하여 실시예 1-1 과 동일한 실리콘 웨이퍼를, 실시예 1-1 과 완전하게 동일한 조건으로 연마하였다. 이와 같이 연마된 웨이퍼를 흠집 검사기로 검사한 바, 연마면에 때때로 흠집이 보였다. 이것은 연마패드에 홈이 교차하는 각도가 2 도 미만인 예각을 갖는 부분이 있기 때문이다.
[실시예 1-2]
실시예 1-1 과 동일한 조건으로 제작된 연마패드로 실시예 1-1 과 동일한 웨이퍼에 대하여 연마제로서 산화세륨입자를 5 중량% 함유하는 슬러리를 사용하는 것 이외에는 실시예 1-1 과 동일한 조건으로 연마하였다. 그 결과, 연마속도 420 nm/분 이 얻어졌다. 연마면을 흠집 검사기로 검사한 바, 흠집은 발견되지 않았다.
[실시예1-3]
도 4 에 나타내는 하중인가기구(26)에 의해 연마헤드에 단계적으로 하중을 인가함으로써, 도 5b 에 나타내는 바와 같이 웨이퍼에 대한 하중을 0 에서 400 gf/㎠ 까지 약 10 초 걸쳐서 단계적으로 증가시킨 것 이외에는 비교예 1-1 과 동일한 연마패드, 동일한 웨이퍼, 동일한 연마조건으로 연마하였다.
이와 같이 연마된 웨이퍼를 흠집 검사기로 검사한 바, 흠집은 발견되지 않았다.
또한, 웨이퍼에 대한 하중을 0 에서 400 gf/㎠ 까지 약 10 초 걸쳐서 단계적으로 증가시킨 것 외에 실시예 1-1 과 동일한 연마패드를 사용하여, 동일한 웨이퍼에 대하여 동일한 연마조건으로 연마하였다.
이와 같이 연마된 웨이퍼를 흠집 검사기로 검사한 바, 흠집은 발견되지 않았다.
따라서, 단계적으로 하중을 가함으로써, 정반 및 연마헤드의 회전의 부하(토크)가 급증하는 것을 방지하고, 토크는 연마초기부터 거의 일정하였다.
이상의 실시 형태 및 실시예의 설명에서는, 연마헤드에 인가되는 하중을 제어 또는 단계적으로 변화시켜 연마하였다. 그러나, 관련 압력이 상대적인 압력이기 때문에, 관련 하중이 연마체에 대한 하중이라도 본 발명의 효과는 변화하지 않는 것은 말할 나위도 없다.
이하, 본 발명의 제 2 발명을 달성하기 위한 발명의 실시 형태의 예 및 실시예에 관하여 설명한다.
[실시 형태 2-1]
도 8 은 본 발명의 제 2-1 의 실시 형태에 의한 연마체(21) 의 가공면부의 홈구조로 이루어지는 요철부의 확대단면을 나타내는 도면으로, 41 은 볼록부, 42 는 오목부(홈부) 이다. a 는 볼록부(41)의 저변의 길이, b 는 볼록부(41)의 상변의 길이, c 는 오목부(42; 홈부)의 저변의 길이, d 는 오목부(42; 홈부)의 깊이를 나타내고 있다. 여기에서, 요철부는 주기구조(periodic structure)를 취하는 것이 바람직하다. 이와 같은 경우, 도 8 에 있어서의 p 는 요철부의 요철의 주기구조의 피치(이하, 홈의 피치라고 부름) 이며, p-b 는 홈(42; 오목부의 상부)의 폭이다. 도 8 에서는 연마체 가공면부만을 나타낸다. 그러나, 본 발명으로 되는 연마체는 적어도 그 가공면부가 무발포수지로 이루어지는 홈구조를 갖고 있으면, 시트형상이거나 플레이트형상이라도 되며, 또 이종의 재료를 적층한 다층구조이거나 강성이 있는 평면플레이트상에 성형된 플레이트형상의 것이라도 된다.
여기서, 상기 프레스톤(Preston)의 식에 따르면, 연마속도는 연마체와 연마대상물의 상대속도 뿐만 아니라 연마대상물과 연마체의 접촉면에서의 압력에 비례한다. 연마속도는 또한 유효접촉면적에도 비례하기 때문에, 단위면적 당의 하중이 동일하고 상대속도가 동일할 때, 접촉면적이 커질수록 연마속도는 향상된다. 여기서, "유효접촉면적"의 "유효"의 의미는, 연마체와 연마대상물의 접촉상태는 미가압시와 연마 중의 가압시에서는 다르기 때문에, 또한 연마체와 연마대상물의 접촉이 불완전한 일이 있기 때문에, 연마 중의 접촉면적은 도면으로부터 단순하게 계산되는 값과는 다른 값인, 실효적(유효적)인 값을 취한다는 의미이다. 무발포 연마패드에서는, 접촉면적이 단순히 큰 것만으로는 연마제가 상기 접촉면의 구석구석까지 공급되지 않기 때문에, 즉 연마제의 유동성이 낮기 때문에, 연마속도를 높일 수 없다. 연마제가 상기 접촉면의 구석구석까지 공급되도록 하려면, 홈의 밀도를 높이면 된다. 그러나, 단순히 홈의 밀도를 높여 홈의 총면적을 증가시키는 것만으로는 연마속도의 향상에 그다지 유효하지 않다. 홈의 총면적과 접촉면적의 합은 연마체 가공면의 면적과 같기 때문에, 홈의 총면적의 증가는 접촉면적을 감소시키고, 접촉면적의 감소는 이상의 논리에서 연마속도를 저하시키기 때문이다. 따라서, 홈의 밀도를 높여도 홈의 총면적을 증가시키면, 연마제의 유동성 향상의 효과, 따라서 연마속도 향상의 효과를 상쇄할 것이다. 유동성을 높이고, 또한 접촉면적을 줄이지 않기 위해서는 홈의 밀도를 높이는 것만으로는 불충분하며, 동시에 홈 폭을 좁게 하지 않으면 안된다. 홈 폭을 좁게 또한 홈의 피치를 작게 하고 홈의 밀도를 높임으로써, 연마제가 접촉면의 구석구석까지 공급되고 연마속도가 향상되는 것이다.
여기서, 중요한 것은 홈의 역할이다. 홈은 연마체의 볼록부를 형성하는 기능, 연마제를 접촉면인 볼록부에 공급하여 연마제의 유동성을 확보하는 기능 뿐만 아니라, 연마분 또는 응집된 연마제 중의 연마입자(이하, 응집된 연마입자라고 함)를 접촉면으로부터 배출하는 중요한 기능을 담당하고 있는 것이다. 이러한 의미에서, 그다지 홈 폭은 작지 않은 것이 좋다. 홈의 폭이 너무 작으면 연마분 또는 응집된 연마입자가 배출되는 도중에 홈 속에서 막히기 때문에, 연마분 또는 응집된 연마입자의 연마체 가공면의 외부로의 배출이 방해되며, 이 연마분 또는 응집된 연마입자가 연마 중에 연마대상물에 접촉함으로써 흠집의 발생원인이 되기 때문이다.
이상의 이유에 의해, 홈의 피치는 너무 성기거나 반대로 너무 촘촘해도 좋지 않고, 또한 홈 폭은 너무 넓거나 반대로 너무 좁아도 좋지 않고 각각 최적치를 갖는다.
도 8 에서 바람직한 홈 폭 (p-b) 의 범위는 홈으로부터 배출되는 연마분 또는 응집된 연마입자의 치수에 의존하고, 산화실리콘계 슬러리의 경우, 0.05 mm 이상 4.5 mm 이하가 바람직하다.
홈의 피치 (p) 는 이상과 같이 한정된 홈 폭의 제한 하에, 연마제의 유동성의 좋음과 접촉면적의 많음이라는 서로 충돌되는 특성의 모순에 의해 결정된다. 실험의 결과, 0.1 mm 이상 5.0 mm 이하가 바람직하다는 것을 알았다. 또, 홈의 볼록부의 상변의 길이 (b) 는 0.0 mm 이상 3.0 mm 이하가 바람직하다는 것도 알았다.
또한, 볼록부의 저변의 길이 (a) 와 상변의 길이 (b)의 관계는 a ≥b 이고, 상변의 길이 (b) 는 b ≥0 이고, 오목부의 저변의 길이 (c) 는 c ≥0 인 것이 바람직하다. a ≥b 로 함으로써, 제작이 용이할 뿐만 아니라 전단방향의 힘에 대하여 강한 구조로 할 수 있다. 또한, b = 0 일 때는 볼록부의 상변은 에지형상으로 된다. 그러나, 이 에지형상의 볼록부가 연마대상물에 가압되는 연마상태에서는 에지부분은 압축되어 유한의 면적에서 연마대상물에 접촉한다. 따라서, b = 0 일 때에도 유효접촉면적은 0 으로 되지 않는다. 홈의 깊이 (d)의 하한은 연마분 또는 응집된 연마입자의 배출성으로부터 결정되며, 0.1 mm 이상이 바람직하다. 또한, 요철부는 주기구조를 취하는 것이 제작을 용이하게 하기 때문에 바람직하다.
[실시 형태 2-2]
도 9 는 본 발명의 제 2-2 의 실시 형태에 의한 연마체 가공면부의 홈구조로 이루어지는 요철부의 확대단면을 나타내는 도면이다. 제 2-2 의 실시 형태에 의한 연마체에서는 오목부(42; 홈부)의 단면이 U 자형이지만, 그 외는 제 2-1 의 실시 형태에 의한 연마체와 유사하다. 따라서, 제 2-1 의 실시 형태에 의한 연마체와 동일한 부분에 관해서는 설명을 생략한다. 제 2-2 의 실시 형태에 의한 연마체에 있어서, e 는 볼록부(41)의 상변의 길이, f 는 오목부(42; 홈부)의 상변의 길이, g 는 홈의 깊이를 나타내고 있다. 여기서, 요철부는 주기구조를 취하는 것이 제작을 용이하게 하기 때문에 바람직하다. 이 경우, 도 9 에 있어서의 p2 는 요철부의 요철의 주기구조의 피치(이하, 홈의 피치라고 함)이다.
제 2-1 의 실시 형태에 의한 연마체와 동일하게 제 2-2 의 실시 형태에 의한 연마체에서는, 바람직한 홈 폭(f)의 범위는 홈으로부터 배출되는 연마분 또는 응집된 연마입자의 치수에 의존한다. 실험의 결과, 산화실리콘계 슬러리의 경우, 0.05 mm 이상 4.5 mm 이하가 바람직하다는 것을 알았다.
홈의 피치 (p2) 는 이상과 같이 한정된 홈 폭의 제한 하에, 연마제의 유동성의 좋음과 접촉면적의 많음이라는 서로 충돌되는 특성의 모순에 의해 결정된다. 실험의 결과, 0.1 mm 이상 5.0 mm 이하가 바람직하다는 것을 알았다. 또한, 홈의 볼록부의 상변의 길이(e) 는 0.0 mm 이상 3.0 mm 이하가 바람직하다는 것도 알았다.
또한, e = 0 일 때는, 볼록부의 상변은 에지형상으로 되다. 그러나. 이 에지형상의 볼록부가 연마대상물에 가압되는 연마상태에서는, 에지부분은 압축되어 유한의 면적에서 연마대상물에 접촉하기 때문에, e = 0 일 때에도 유효접촉면적은 0 으로 되지 않는다. 홈의 깊이 (g) 의 하한은 연마분 또는 응집된 연마입자의 배출성으로부터 결정되며, 0.1 mm 이상이 바람직하다.
제 2-2 의 실시 형태에 있어서는, 연마체 가공면부에 오목부(홈부)의 단면이 U 자형인 홈이 형성된다. 홈이 U 자형이면, 연마제의 공급이나 배출이 용이하다. 또한 연마체 가공면과 홈이 이루는 각도도 크게 취할 수 있기 때문에, 연마체의 가공면에 발생하는 예각인 부분의 발생을 억제할 수 있다. 그 결과, 연마대상물의 흠집의 발생을 억제하는 것이 가능하다.
또한, 제 2-2 의 실시 형태에 의한 연마체에서는, 연마체 가공면에 형성되어 있는 오목부(홈부)의 단면형상을 U 자형인 것으로 하였다. 그러나, U 자형 이외의 곡률반경을 갖는 형상이라도 된다.
제 2-1 및 제 2-2 의 실시 형태에 의한 연마체에 있어서, 연마속도를 향상시키기 위하여, 또한 흠집을 없애기 위하여, 홈의 형상은 중요하다. 따라서, 연마제의 유동성과 유지성을 지속시키고, 연마분 또는 응집된 연마입자의 배출을 효과적으로 실시하는 데에 적합한 패턴이 선택된다. 그 패턴은 동심원형, 나선형, 격자형, 삼각격자형, 방사상형의 홈의 군에서 선택된 1 개 또는 2 개 이상의 조합이 바람직하다. 이 중, 동심원형과 방사상형의 홈이 도 10 에, 격자형의 홈이 도 11 에, 삼각격자형의 홈이 도 12 에 나타나 있다 (모두 연마체(21) 의 평면도이다).
이상 설명한 바와 같이, 연마속도는 접촉면적에 비례한다. 그러나, 일반적으로 고체와 고체의 접촉은 점접촉이다. 본 발명의 무발포 연마체는 경질의 재료를 사용하고 있기 때문에, 유효 접촉면적은 도면으로부터 단순하게 계산되는 값보다도 작다. 따라서, 연마속도가 기대치보다도 낮은 일이 있다.
볼록부 전체를 연마대상물에 어울어지게 하기 위해서는 몇 가지 장치가 필요하다. 이를 위하여, 연마패드 재료의 수지 경도의 온도의존성을 이용한다. 수지의 경도는 온도상승과 함께 낮아진다. 연마대상물에 대한 연마패드의 경도의 적합성은, 온도를 상승시키거나 또는 온도를 제어함으로써 개선된다. 도 13 에는 본 발명의 실시예의 연마체의 재료인 고분자 중합체의 경도가 온도의 상승에 따라 저하되는 모습을 나타내고 있다 (각 선은 다른 고분자재료에 관하여 각각의 특징을 나타낸 것이다). 도 14 에 나타내는 바와 같이, 연마속도는 온도에 의존하고 온도가 높아질수록 연마속도는 상승한다. 이 연마속도의 상승 원인에는 유효(실효) 접촉면적의 증가 이외에 슬러리의 반응성의 향상이 있다.
경질의 무발포의 연마체의 큰 특징의 하나는 평탄성, 즉 패턴의 단차를 효과적으로 제거하는 것이다. 연마체의 경도가 저하되면, 그 단차제거특성은 악화된다. 이하에, 연마체의 경도와 단차제거특성의 관계를 조사하는 실험을 하였다. 500 nm 두께의 4 mm ×4 mm 의 패턴막의 표면 위에 1 ㎛ 두께의 산화규소(SiO2) 막이 형성된다. 초기 단차가 500 nm 인 웨이퍼를 재료의 경도를 여러 가지로 변화시킨 연마체로 700 nm 연마 제거한 바, 연마체의 재료의 비커즈 경도가 1.5 kgf/㎟ (약 1.5 ×107 Pa) 이상, 또는 압축 영률이 25 kgf/㎟ (약 2.5 ×108 Pa) 이상일 때에 잔류단차를 150 nm 이하로 할 수 있다는 것을 알았다.
이에 의해, 비커즈경도가 1.5 kgf/㎟(약 1.5 ×107 Pa) 이상, 또는 압축영률이 25 kgf/㎟(약 2.5 ×108 Pa) 이상을 유지할 수 있고, 또한 최고 온도 조건에서 연마를 실시하면, 가장 높은 연마속도와 양호한 평탄성을 모두 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.
상기 연마패드에는 도 10, 도 11, 도 12 에서 나타낸 홈구조의 적당한 장소에 구멍을 뚫고, 연마 중의 연마상태를 그 장소에서 광학적으로 측정하기 위하여 측정광을 통과시키기 위한 측정창을 1 개소 이상에 형성해도 된다. 또한, 그 측정창의 연마대상물측의 면에 연마대상물 및 연마헤드가 접촉하였을 때의 흠집 발생을 방지하기 위하여 하드코팅를 실시하고, 그 반대측의 면에 반사방지막을 입히는 것도 바람직하다. 또한, 본 발명의 연마체는 이것을 예를 들어 종래예인 도 2 에 나타낸 바와 같은 연마장치에 장착하면, 연마속도가 높고, 단차제거특성이 우수하며, 또한 흠집의 발생이 없는 연마장치를 얻을 수 있다.
[실시예 2-1]
도 15 는 본 발명의 실시예인 연마헤드를 나타내는 개요도이다. 도 15 에 있어서, 43 은 연마대상물 지지부 (연마헤드) 의 주요부, 44 는 알루미늄제 링, 45 는 탄성막, 46 은 O 링, 47 은 리테이너 링(retainer ring), 48 은 O 링, 49 는 기밀공간, 50, 51 은 고압공기 유입구멍이다. 나선형의 V 홈 (홈의 피치 : 0.5 mm, 볼록부의 상변의 길이 : 0.15 mm) 과 방사상형의 오목홈 (5 도 간격, 깊이 0.5 mm) 의 양측을 갖는 에폭시수지로 이루어지는 무발포 시트를 지름 800 mm ×두께 20 mm 의 알루미늄 베이스 플레이트상에 고정하여, 연마패드를 형성하였다.
이어서, 내경 Ø145 mm 의 알루미늄제 링(44)에 탄성막(45) (로델니터제 R201) 을 부착하고, 이 링(44)을 도 15 에 나타나는 바와 같이 O 링(46, 48)을 통하여 배치하고, 도 15 에 나타내는 연마헤드를 구성하였다. 47 은 리테이너 링이고, 이 링은 연마대상물(17; 실리콘 웨이퍼)의 튀어나옴 방지용 링이다. 49 는 연마대상물(17)을 가압하기 위하여 정압(positive pressure)으로 유지된 기밀공간으로, 정압을 인가하기 위하여 압축기체가 고압공기 유입구멍(50, 51)을 통해 공급된다. 이 기밀공간(49)과 탄성막(45)에 의해, 연마헤드는 리테이너 링(47)을 포함한 전체 시스템과 독립적으로 가압할 수 있는 구조로 되어 있다.
SiO2 의 열산화막이 1 ㎛ 의 두께로 형성된 6 인치 실리콘 웨이퍼(17)를 탄성막(45)에 표면장력으로 고정하여, 이하에 나타내는 가공조건으로 연마를 실시하였다.
가공조건
ㆍ연마패드 회전수 : 50 rpm
ㆍ연마헤드 회전수 : 50 rpm
ㆍ요동거리 : 30 mm
ㆍ요동회수 : 15 왕복/분
ㆍ연마제 : Cabot 사 제조 SEMI Supers 25 를 2 배로 희석
ㆍ연마제 유량 : 50 ml/분
ㆍ웨이퍼에 대한 하중 : 400 g/㎠(3.9 ×104 Pa)
정반의 온도, 따라서 연마패드의 온도는 50 ℃ 으로 유지하였다.
이상의 조건으로 연마한 결과, 연마속도로서 200 nm/분 이 얻어졌다. 또한, 500 nm 두께의 4 mm ×4 mm 의 패턴막의 표면에 1 ㎛ 두께의 산화규소(SiO2) 막이 형성되고, 초기 단차가 500 nm 인 웨이퍼를 700 nm 의 두께만큼 연마 제거한 바, 잔류단차는 100 nm 이하로 양호하였다. 또한, 흠집의 발생도 없었다.
[비교예 2-1]
연마패드의 온도를 실온으로 하였을 때, 실시예 2-1 과 동일하게, 잔류단차는 100 nm 이하로 양호하였지만, 연마속도는 150 nm/분 으로 저하되었다. 흠집의 발생은 없었다.
[비교예 2-2]
홈의 볼록부의 상변의 길이를 0.35 mm 로 넓힌 것을 제외하고, 실시예 2-1 과 동일한 연마패드로 연마패드의 온도를 50 ℃ 로 하여 연마를 실시하였다. 연마속도는 실시예 1 의 200 nm/분 에서 180 nm/분 으로 저하되었다. 이것은 연마제의 유동성이 저하되었기 때문이라고 생각된다. 흠집의 발생은 없었다.
이하, 본 발명의 제 3 목적을 달성하기 위한 발명의 실시 형태의 예 및 실시예에 관하여 설명한다.
[실시 형태 3-1]
도 16 에 나타나는 본 실시 형태에 있어서의 연마체(21; 연마패드)는 홈(32) 이 형성되어 있는 영역을 포함하지 않는 연마체(21) 의 체적에 대하여 발포에 의한 공극영역이 20 % 이하인 재료로 형성되어 있다. 상기 발포에 의한 공극영역이 0 % 인 연마체는 무발포형의 연마체라고도 한다. 또한, 상기 발포에 의한 공극영역이 0 % 를 초과하고 있지만, 비교적 적은 연마체는 저발포 타입의 연마체라고도 한다. 이와 같은 무발포형 및 저발포형의 연마체 자체는 발포형의 연마체 (상기 발포에 의한 공공영역이 비교적 많은 연마체) 에 비하여 연마제의 유지능력이 낮다. 따라서, 연마체(21)의 표면에는 단면형상이 V 자형의 홈(32) 이 형성되어 있다.
본 실시 형태에 있어서의 연마장치는 도 2 에 나타낸 연마장치와 기본적으로 동일한 구성을 가지며, 본 실시 형태로서 나타낸 연마체를 연마체(21; 연마패드)로서 사용하고 있는 것만이 다르다. 따라서, 본 실시 형태는 도 2 를 참조하여 설명한다.
연마체(21)는 양면테이프 또는 접착제(adhesive agent)에 의해 연마정반(20) 에 부착되어 있다.
실리콘 웨이퍼(17)는 연마헤드(16)에 의해 지지되며, 회전하면서 요동된다. 이 웨이퍼(17)는 연마부재(15)의 연마체(21)에 소정의 압력으로 밀어붙혀 진다. 연마부재(15)도 회전시켜, 실리콘 웨이퍼(17)와의 사이에 상대운동을 시킨다. 이 상태에서, 연마제(19)가 연마제 공급부(18)로부터 연마체(21)상에 공급된다. 연마제(19)는 연마체(21)의 표면 위로 확산되어, 연마부재(15)와 실리콘 웨이퍼(17)의 상대운동에 수반하여 연마체(21)와 실리콘 웨이퍼(17) 사이에 들어가서 실리콘 웨이퍼(17)의 피연마면을 연마한다. 즉, 연마부재(15)와 실리콘 웨이퍼(17)의 상대운동에 의한 기계적 연마와 연마제(19)의 화학적 작용이 상승적으로 작용하여 양호한 연마가 실시된다.
도 17 은 연마대상물에 의해 하중이 가해진 상태의 연마체의 일부분의 단면도이다. 도 17 에 있어서, 연마체(21)의 표면에 형성되어 있는 홈의 단면형상은 직사각형이다. 도 17a 는 연마대상물(17)에 의해 하중이 가해져 있지 않은 상태이며, 도 17b 는 연마대상물(17)에 의해 하중이 가해지고 있는 상태이다. 표면에 홈이 형성되어 있는 연마체에 있어서, 하중이 가해지면 연마체 전체에 탄성변형이 일어나게 된다. 그러나, 연마체(21)의 표면으로부터 홈의 바닥까지의 영역(21a)과 그 하층에 해당하는 홈이 없는 연마체의 벌크영역(21b)으로 연마체(21)를 나누어 본 경우, 도 17b 에 나타내는 바와 같이, 탄성변형은 단위면적 당의 하중이 더 큰 홈이 형성되어 있는 영역(21a)에서 크게 발생한다. 이 변형은 홈 사이의 볼록부분의 폭이 좁은 경우나 홈이 깊은 경우에 크다. 또한, 반대로 홈 사이의 볼록부분의 폭이 더 넓은 경우나 홈이 얕은 경우에는 홈영역(21a) 의 변형은 작다. 이 홈이 형성되어 있는 영역(21a) 의 변형량의 대소에 따라 연마특성은 크게 변화한다. 즉, 변형량이 크면 연질의 연마체의 특징인 균일성의 향상을 가져오고, 한편 변형량이 작으면 경질의 연마체의 특징인 평탄성의 향상을 가져온다.
연마체 표면에서의 홈(32)의 폭(W) (도 16) 이 0.1 mm 보다 좁은 경우에는 이 연마체를 제조함에 있어서 홈의 치수의 정밀도를 유지한 채 홈을 형성하는 것은 곤란하다. 또한, 홈(32) 의 내부에 들어온 연마제의 제거도 어려워 홈(32)의 내부에 연마제가 고착되어, 그 찌꺼기에 의해 연마시에 실리콘 웨이퍼의 연마면에 흠집이 발생할 가능성이 있다. 한편, 연마체 표면에서의 홈(32)의 폭(W) 이 2.0 mm 보다 넓은 경우에는 연마제를 통해 연마대상물과 접촉하는 면적이 감소함으로써, 연마체와 연마대상물의 접촉저항에 의해 발생하는 열이 적어지기 때문에, CMP 의 화학적인 요소의 효과가 없어 연마속도가 현저하게 저하된다. 이 때문에, 연마체 표면에서의 홈(32)의 폭(W) 은 0.1 mm ≤W ≤2.0 mm 인 것이 바람직하다.
또한, 홈(32)이 형성되어 있는 영역을 포함하는 연마체(21)의 체적에 대한 홈(32) 이 형성되어 있는 영역의 체적의 비율(VL) 이 0.1 % 보다 작은 경우는 연마체(21)의 표면에서의 연마액(polishing liquid)의 유지능력이 저하되기 때문에, 이에 의해 연마속도가 현저하게 저하되고, 균일성이 나빠진다. 또한, 연마체의 변형량이 작아져 균일성이 나빠진다. 한편, 상기 비율(VL) 이 30 % 를 초과하는 경우는 연마체의 변형량이 커지기 때문에 평탄성이 나빠진다. 따라서, 상기 비율(VL) 은 0.1 % ≤ VL ≤30 % 인 것이 바람직하다.
이와 같이, 상기한 바와 같은 연마체를 사용한 상기한 바와 같은 연마장치에서는 연마체의 재료가 무발포 타입 또는 저발포 타입이기 때문에, 연마체의 사용에 의한 마모가 매우 적으며, 또한 드레싱이 필요없거나 또는 드레싱에 필요한 시간이 짧아도 된다. 따라서, 마모에 의한 홈구조의 변화가 없기 때문에, 항상 안정된 연마특성을 얻을 수 있다. 이들에 의해 연마체의 교환빈도가 저하되기 때문에, 연마에 필요한 비용을 저감시킬 수 있다는 효과를 갖는다. 또한, 표면에 형성되어 있는 홈구조(홈 폭(W), 체적비율(VL))에 의해 연마특성 중의 균일성, 평탄성 및 연마속도를 제어할 수 있고, 적합한 연마특성을 얻을 수 있도록 홈구조를 선택할 수 있다. 이에 의해, 연마의 수율이 향상되거나 연마에 필요한 시간이 단축되기 때문에, 연마에 필요한 비용을 저감시킬 수 있다는 효과를 갖는다.
또한, 이 실시 형태에 있어서, 홈(32)의 단면의 형성을 V 자형으로 하였지만, 다른 형상이라도 된다.
[실시 형태 3-2]
본 실시 형태에 의한 연마체는 두께(D) (도 16) 가 0.5 mm ≤W ≤5.0 mm 이다. 그 외는 제 3-1 의 실시 형태에 의한 연마체와 동일하기 때문에 설명을 생략한다. 또한, 연마장치는 제 3-1 의 실시 형태의 연마장치와 동일한 것을 사용하고 있다.
연마체(21)의 두께(D) 가 5.0 mm 보다 두꺼우면, 연마체의 절대변형량이 증가하여 평탄성이 나빠진다. 한편, 연마체(21)의 두께(D)가 0.5 mm 보다 얇으면 연마체의 절대변형량이 감소하여 균일성이 나빠진다. 이 때문에, 두께(D) 는 0.5 mm ≤W ≤5.0 mm 인 것이 바람직하다.
이와 같이, 이 실시 형태에 의한 연마체를 사용한 연마장치에서는 연마체의 두께(D)에 의해 연마특성 중의 균일성, 평탄성 및 연마속도를 제어할 수 있고, 적합한 연마특성을 얻을 수 있도록 두께를 선택할 수 있다. 이에 의해, 연마의 수율이 향상되거나 연마에 필요한 시간이 단축되기 때문에, 연마에 필요한 비용을 저감시킬 수 있다는 효과를 갖는다.
[실시 형태 3-3]
본 실시 형태에 있어서의 연마체는 홈(32)의 깊이가 연마체 표면에서의 홈 폭(W) (도 16) 의 3 배 이하이다. 그 외는 제 3-1 또는 3-2 의 실시 형태에 있어서의 연마체와 동일하기 때문에 설명을 생략한다. 또한, 연마장치로서는 제 3-1 의 실시 형태와 동일한 연마장치을 사용하고 있다.
홈(32)의 깊이가 연마체(21)의 표면에서의 홈(32)의 폭(W) 의 3 배를 초과하면, 연마체의 홈내부의 연마제의 제거가 어려워 연마제가 내부에 고착되어, 그 고착물이 벗겨졌을 때에 연마대상물의 연마면에 흠집을 발생시킬 가능성이 높다. 따라서, 홈(32)의 깊이는 연마체 표면에서의 홈 폭(W)의 3 배 이하인 것이 바람직하다.
이와 같이, 본 실시 형태에 의한 연마체를 사용한 연마장치에서는 연마대상물의 연마면에 흠집을 발생시키는 일이 없다. 이에 의해, 연마의 수율이 향상되고, 연마에 필요한 비용을 저감시킬 수 있다는 효과를 갖는다.
[실시예 3-4]
도 18 은 본 실시 형태에 의한 연마체의 개략 구성도 (평면도) 이다. 본 실시 형태에 의한 연마체에서는 연마체 표면에 대한 홈의 형상은 그물코형(knitted shape)이다. 연마체 표면에 대한 홈의 형상이 그물코형상이면, 연마제를 안정되게 공급할 수 있고, 또한 연마정반의 회전에 수반하는 원심력에 의해 연마체상의 연마제가 연마체의 밖으로 튀어나가기 어렵다. 따라서, 연마체 표면에서의 연마제의 유지능력을 향상시킬 수 있다. 따라서, 연마체 표면에 대한 홈의 형상은 그물코형인 것이 바람직하다. 그 외에 관해서는 상기 각 제 3-1, 제 3-2, 제 3-3 의 실시 형태에 의한 연마체와 동일한 것이기 때문에 설명을 생략한다.
또한, 이상의 실시 형태에 의한 연마체 표면에 대한 홈의 형상은 그물코형으로 하였지만, 나선형, 동심원형, 격자형, 삼각격자형 또는 랜덤형 중 어느 하나 또는 이들 및 그물코형 중의 2 종류 이상을 포함하는 형상이라도 된다.
이와 같은 홈의 형상을 갖는 연마체를 사용한 연마장치에서는 연마체 표면에서의 연마제의 유지능력이 높기 때문에, 연마속도가 향상되고, 또한 균일성도 향상된다. 이에 의해, 연마의 수율이 향상되고 연마에 필요한 시간이 단축되기 때문에, 연마에 필요한 비용을 저감시킬 수 있다는 효과를 갖는다.
[실시 형태 3-5]
도 19 는 본 실시 형태에 있어서의 연마체의 단면도이다. 도 19a 는 홈(32)의 단면형상이 V 자형인 연마체이고, 도 19b 는 홈(32)의 단면형상이 U 자형인 연마체이다. 도 19a 에서는 연마체(21)의 표면에 단면형상이 V 자형인 홈(32)이 형성되어 있다. 도 19b 에서는 연마체(21)의 표면에 단면형상이 U 자형인 홈(32)이 형성되어 있다. 홈이 이들과 같은 단면형상이면 연마제의 공급 및 배출이 용이하고, 또한 연마체 표면과 홈이 이루는 각도도 크게 취할 수 있기 때문에, 연마체 표면에 발생하는 예각인 부분의 발생을 억제할 수 있다. 따라서, 실리콘 웨이퍼의 연마면에서의 흠집의 발생을 억제하는 것이 가능하다.
연마체(21)의 그 외의 구성은 제 3-1 내지 3-4 의 실시 형태에 있어서의 연마체와 동일하기 때문에 설명을 생략한다.
또한, 본 실시 형태에 의한 연마체에서는 연마체 표면에 형성되어 있는 홈의 단면형상을 V 자형 또는 U 자형으로 하였지만, U 자형 이외의 곡률을 갖는 형상, 직사각형 또는 다각형이라도 된다.
이와 같은 연마체를 사용한 연마장치에서는 연마대상물에 흠집을 발생시키는 일이 없다. 이에 의해, 연마의 수율이 향상되고, 연마에 필요한 비용을 저감시킬 수 있다는 효과를 갖는다.
[실시 형태 3-6]
본 실시 형태에 의한 연마체는 재료의 압축탄성률 (K) 이 0.1 GPa ≤K ≤2.0 GPa 이다. 그 외의 구성은 제 3-1 내지 제 3-5 의 실시 형태에 있어서의 연마체와 동일하기 때문에 설명을 생략한다.
본 실시 형태에 있어서는, 재료가 너무 연하지 않기 때문에, 연마시에 마모량이 적고, 연마체의 수명이 길어지고, 또한 평탄성이 악화되는 일이 없다. 또한, 재료가 너무 단단하지 않기 때문에, 연마대상물에 흠집이 나는 일이 없고, 또한 균일성이 나빠지는 일이 없다.
이와 같은 실시 형태에 의한 연마체를 사용한 연마장치에서는 재료의 압축탄성률(K) 이 0.1 GPa ≤K ≤2.0 GPa 인 재료로 형성되어 있는 연마체에 대하여 연마의 수율이 향상되고, 연마에 필요한 비용을 저감시킬 수 있다는 효과를 갖는다.
[실시 형태 3-7]
본 실시 형태에 의한 연마체에서는 그 재료의 주성분이 에폭시수지, 아크릴수지, 폴리에스테르수지, 염화비닐수지 및 폴리카보네이트수지, 무발포우레탄수지의 군에서 선택된 어느 하나 이상의 수지이다. 이들의 재료를 주성분으로 하는 연마체는 연마에 의한 마모가 적다.
이와 같은 연마체를 사용한 연마장치에서는 연마에 의한 연마체의 마모가 적기 때문에, 연마체의 수명이 향상된다. 이에 의해, 연마체의 교환빈도가 저하되기 때문에, 연마에 필요한 비용을 저감시킬 수 있다는 효과를 갖는다.
[실시 형태 3-8]
본 실시 형태에 있어서의 연마체 표면에는 연마제를 공급 및 배출하는 홈이 추가로 형성되어 있다. 이에 의해, 연마제가 연마대상물의 전면에 균일하게 공급된다. 또한, 상기 연마제를 공급 및 배출하는 홈의 단면형상은 곡률을 갖는 형상, 직사각형, V 자형 또는 다각형인 것이 바람직하다. 또한, 상기 연마제를 공급 및 배출하는 홈의 연마체 표면에 대한 형상은 방사상형, 격자형, 삼각격자형, 그물코형 또는 랜덤형인 것이 바람직하다.
또한, 상기 연마제를 공급 및 배출하는 홈으로서는 상기 각 실시 형태에 있어서 연마체에 형성되어 있는 홈의 일부를 이용해도 되며, 또는 이들과는 다른 새로운 홈을 형성해도 된다.
이와 같은 연마체를 사용한 연마장치에서는 연마제가 연마대상물의 연마면의 전체에 균일하게 공급되기 때문에, 균일성이 나빠지거나 연마대상물과 연마체의 마찰이 커짐에 의한 연마특성의 열화가 발생하는 일이 없다. 이에 의해, 연마의 수율이 향상되고, 연마에 필요한 비용을 저감시킬 수 있다는 효과를 갖는다.
[실시 형태 3-9]
본 실시 형태는 연마체의 일부에 투명영역을 갖는 것이다.
도 20 은 본 실시 형태인 연마장치의 개략 구성도이다. 도 20 에 있어서, 61 은 개구부, 62 는 연마공정 측정장치, 63 은 측정광을 나타낸다. 도 20 에 나타내는 연마장치의 기본구성은 도 2 에 나타낸 것과 동일하기 때문에, 상이한 부분에 관해서만 설명한다. 연마정반(20)에는 개구부(61)가 형성되어 있다. 또한, 연마정반(20)의 아래에는 광학적으로 연마상태를 관찰하여 연마공정 (예를 들어 실리콘 웨이퍼의 두께) 을 측정하는 연마공정 측정장치(62)가 설치되어 있다. 연마정반(20)의 위에 설치된 연마체(21)에는 투명영역 (도시하지 않음) 이 형성되고, 이 투명영역과 연마정반(20)의 개구부(61)가 겹치도록 되어 있다. 따라서, 연마공정 측정장치(62)로부터 조사된 측정광(63)은 이 개구부(61)와 연마체(21)의 투명영역을 통과하여 실리콘 위이퍼에서 반사되어, 다시 연마체(21)의 투명영역과 개구부(61)를 통과하여 연마공정 측정장치(62)에 돌아와서 검출된다. 이에 의해, 연마의 진행상황이 측정된다.
광학적으로 연마상태를 관찰하여 연마공정을 측정하는 연마공정 측정장치(62)로서는 반사분광특성(반사분광 스펙트럼)으로부터 연마종점의 검출 및 막두께 측정을 하는 장치를 사용하는 것이 바람직하다. 연마면의 상태를 관찰하는 연마공정 측정창치(62)로 계측된 반사분광 스팩트럼을 컴퓨터 (도시하지 않음) 에 의한 시뮬레이션 등으로 얻어진 참조 스팩트럼과 비교하여 막두께의 산출 또는 연마종점이 검출된다. 또한, 연마면의 상태를 관찰하는 연마공정 측정장치(62)로서는 상술한 반사분광특성(반사분광 스펙트럼)으로부터 연마종점의 검출 및 막두께 측정을 하는 장치 대신에 특정한 파장에서의 반사율의 변화로부터 연마종점의 검출 또는 막두께 측정을 하는 장치 또는 연마면을 CCD 카메라 등으로 촬영한 화상을 화상처리함으로써 연마종점의 검출 또는 막두께 측정을 하는 장치 등을 사용해도 된다.
이와 같이 본 실시 형태에 의한 연마장치에서는 연마정반에 형성되어 있는 개구부 및 연마체의 투명영역을 통하여 연마상태를 관찰하는 장치에 의해, 연마공정의 도중에 연마대상물의 연마면의 연마상태를 바로 검출(in-situ 검출) 할 수 있다. 이에 의해, 연마공정 중에 연마의 종점을 검출할 수 있기 때문에, 연마의 수율이 향상되며, 연마에 필요한 비용을 저감시킬 수 있다는 효과를 갖는다.
이상 설명한 제 3-1 내지 제 3-9 에 있어서의 각 실시 형태에 있어서, 연마특성을 제어하기 위해서는 본 발명에서 규정한 범위내에서 홈구조 및 연마체의 두께를 다음과 같이 하면 된다.
즉, 균일성을 향상시키기 위해서는 홈의 깊이를 깊게 하고, 연마체의 두께를 두껍게 하면 된다. 또한, 평탄성을 향상시키기 위해서는 홈의 깊이를 얕게 하고, 연마체의 두께를 얇게 하면 된다. 또한, 연마속도를 상승시키기 위해서는 연마체의 홈 사이의 볼록부분의 폭을 넓게 하면 된다.
또한, 이들 각 실시 형태에 있어서의 연마체에 있어서, 표면에 홈을 형성하는 방법은 주지의 방법, 예를 들어 홈 가공용 비트(bit)를 사용하여 연마체 표면을 선반가공하는 방법 등을 사용할 수 있다.
[실시예 3-1]
홈구조를 갖는 에폭시수지로 이루어지는 무발포성 연마체를 연마장치의 연마정반의 표면에 양면테이프에 의해 부착하였다. 에폭시수지의 압축탄성률은 0.98 GPa 이다. 실시예 3-1 의 연마체 표면에는 홈 폭(W) 0.35 mm, 홈 사이의 볼록부분의 폭 0.15 mm, 깊이 0.30 mm 의 V 자형의 홈이 나선형으로 형성되어 있다. 연마체의 두께는 4.0 mm 이며, 홈이 형성되어 있는 영역을 포함하는 연마체의 체적에 대한 상기 홈이 형성되어 있는 영역의 체적의 비율(VL) 은 2.6 % 이다.
배킹재(backing material)를 통하여 열산화막이 1 ㎛ 의 두께로 형성된 6 인치 실리콘 웨이퍼를 연마헤드에 장착하고, 이하의 조건으로 150 초간 연마를 실시하였다.
연마헤드 회전수 : 50 rpm
연마정반 회전수 : 50 rpm
연마헤드의 하중 : 3.92 ×104 Pa
연마헤드의 요동폭 : 30 mm
연마헤드의 요동속도 : 15 왕복(stroke)/분
사용연마제 : Cabot 사 제조 SS 25 를 이온교환수로 2 배 희석
연마제 유량(flow rate) : 200 ml/분
또한, 상기 조건으로 플라스마 TEOS (테트라에톡시실란) 막 패턴이 있는 실리콘 웨이퍼를 연마하였다. 이 패턴이 있는 실리콘 웨이퍼는 패턴부분이 1.5 ㎛ 의 플라스마 TEOS 막으로 되어 있고, 패턴이 없는 부분은 1.0 ㎛ 의 플라스마 TEOS 막으로 되어 있어서, 초기의 단차로서 0.5 ㎛ 의 단차가 있다. 실리콘 웨이퍼내에는 4.0 mm 정사각형(square)의 패턴이 2 차원으로 배열되어 있다. 이 막을 패턴이 없는 부분이 0.8 ㎛ 의 두께로 될 때까지 연마하였다.
[실시예 3-2]
표면에 홈구조를 갖는 에폭시수지로 이루어지는 무발포성 연마체로 실시예 3-1 과 동일한 연마대상물 (열산화막이 1 ㎛ 의 두께로 형성된 6 인치 실리콘 웨이퍼 및 플라스마 TEOS 막 패턴이 있는 실리콘 웨이퍼) 의 연마를 실시하였다. 이 연마체 표면에는 홈 폭(W) 0.25 mm, 홈 사이의 볼록부분의 폭 0.25 mm, 깊이 0.25 mm 의 V 자형의 홈이 나선형으로 형성되어 있다. 연마체의 두께는 4.0 mm 이고, 홈이 형성되어 있는 영역을 포함하는 연마체의 체적에 대한 상기 홈이 형성되어 있는 영역의 체적의 비율(VL) 은 1.6 % 이다. 연마조건은 실시예 3-1 과 완전하게 동일한 조건이다.
[실시예 3-3]
표면에 홈구조를 갖는 에폭시수지로 이루어지는 무발포성 연마체로 실시예 3-1 과 동일한 연마대상물 (열산화막이 1 ㎛ 의 두께로 형성된 6 인치 실리콘 웨이퍼 및 플라스마 TEOS 막 패턴이 있는 실리콘 웨이퍼) 의 연마를 실시하였다. 이 연마체 표면에는 홈 폭(W) 0.25 mm, 홈 사이의 볼록부분의 폭 0.25 mm, 깊이 0.25 mm 의 V 자형의 홈이 나선형으로 형성되어 있다. 이 연마체의 두께는 2.0 mm 이고, 홈이 형성되어 있는 영역을 포함하는 연마체의 체적에 대한 상기 홈이 형성되어 있는 영역의 체적의 비율(VL) 은 3.1 % 이다. 연마조건은 실시예 3-1 과 완전하게 동일한 조건이다.
[실시예 3-4]
실시예 3-3 의 연마체로 열산화막이 1 ㎛ 의 두께로 형성된 6 인치 실리콘 웨이퍼를 1000 장 연마한 후에 실시예 3-1 과 동일한 연마대상물(열산화막이 1 ㎛ 의 두께로 형성된 6 인치 실리콘 웨이퍼 및 플라스마 TEOS 막 패턴이 있는 실리콘 웨이퍼) 의 연마를 실시하였다. 이 연마에 관해서는 연마 전 또는 연마 중에 드레싱을 실시하지 않는다. 연마조건은 실시예 3-1 과 완전하게 동일한 조건이다.
[실시예 3-5]
표면에 홈구조를 갖는 에폭시수지로 이루어지는 무발포성 연마체로 실시예 3-1과 동일한 연마대상물 (열산화막이 1 ㎛ 의 두께로 형성된 6 인치 실리콘 웨이퍼 및 플라스마 TEOS 막 패턴이 있는 실리콘 웨이퍼) 의 연마를 실시하였다. 이 연마체 표면에는 홈 폭(W) 0.25 mm, 홈 사이의 볼록부분의 폭 0.25 mm, 깊이 0.25 mm 의 U 자형의 홈이 그물코형으로 형성되어 있다. 이 연마체의 두께는 4.0 mm 이고, 홈이 형성되어 있는 영역을 포함하는 연마체의 체적에 대한 상기 홈이 형성되어 있는 영역의 체적의 비율(VL) 은 5.2 % 이다. 연마조건은 실시예 3-1 과 완전하게 동일한 조건이다.
[비교예 3-1]
표면에 홈구조를 갖는 에폭시수지로 이루어지는 무발포성 연마체로 실시예 3-1 과 동일한 연마대상물(열산화막이 1 ㎛ 의 두께로 형성된 6 인치 실리콘 웨이퍼 및 플라스마 TEOS 막 패턴이 있는 실리콘 웨이퍼) 의 연마를 실시하였다. 이 연마체 표면에는 홈 폭(W) 0.05 mm, 홈 사이의 볼록부분의 폭 0.45 mm, 깊이 2.0 mm 의 직사각형의 홈이 나선형으로 형성되어 있다. 연마체의 두께는 4.0 mm 이고, 홈이 형성되어 있는 영역을 포함하는 연마체의 체적에 대한 상기 홈이 형성되어 있는 영역의 체적의 비율(VL) 은 5.0 % 이다. 연마조건은 실시예 3-1 과 완전하게 동일한 조건이다.
[비교예 3-2]
표면에 홈구조를 갖는 에폭시수지로 이루어지는 무발포성 연마체로 실시예 3-1 과 동일한 연마대상물 (열산화막이 1 ㎛ 의 두께로 형성된 6 인치 실리콘 웨이퍼 및 플라스마 TEOS 막 패턴이 있는 실리콘 웨이퍼) 의 연마를 실시하였다. 비교예 3-2 의 연마체 표면에는 홈 폭(W) 0.45 mm, 홈 사이의 볼록부분의 폭 0.05 mm, 깊이 2.0 mm 의 직사각형의 홈이 나선형으로 형성되어 있다. 연마체의 두께는 4.0 mm 이고, 홈이 형성되어 있는 영역을 포함하는 연마체의 체적에 대한 상기 홈이 형성되어 있는 영역의 체적의 비율(VL) 은 45.0 % 이다. 연마조건은 실시예 3-1 과 완전하게 동일한 조건이다.
[평가]
이상의 실시예와 비교예에 관하여 각각의 연마 후의 연마대상물을 사용하여 연마속도, 균일성, 평탄성을 측정하였다. 연마속도에 관해서는 열산화막이 1 ㎛ 의 두께로 형성된 6 인치 실리콘 웨이퍼의 에지로부터 내측 5 mm 부분을 제거한 부분의 평균 연마량과 연마시간으로부터 환산하여 산출하였다. 균일성에 관해서는 열산화막이 1 ㎛ 의 두께로 형성된 6 인치 실리콘 웨이퍼의 에지로부터 내측 5 mm 의 부분을 제거한 연마량 분포로부터 이하의 식에 의해 균일성을 산출하였다.
균일성(%) =(RA - RI) /(RA + RI) ×100
여기에서, RA 는 측정한 연마량 분포에서의 최대연마량, RI 는 측정한 연마량 분포에서의 최소연마량이다. 또한, 평탄성에 관해서는 6 인치의 플라스마 TEOS 막 패턴이 있는 실리콘 웨이퍼를 사용하여 패턴이 없는 부분이 0.8 ㎛ 의 두께로 될 때까지 연마하고, 그 때의 실리콘 웨이퍼 내의 복수의 개소에서 잔류단차를 측정하고, 이들 잔류단차의 측정치 중의 최대치를 평탄성이라 하였다.
상기 각 실시예, 비교예의 연마체의 홈구조, 두께 및 상기 측정에 의한 결과를 표 1 에 나타낸다(실시예 3-1 을 실시예 1, 비교예 3-1 을 비교예 1 로 나타낸다.)
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5 비교예 1 비교예 2
홈 폭(W)(mm) 0.35 0.25 0.25 0.25 0.25 0.05 0.45
홈 사이의 볼록부분의 폭(mm) 0.15 0.25 0.25 0.25 0.25 0.45 0.05
홈 깊이(mm) 0.30 0.25 0.25 0.25 0.25 2.0 2.0
홈의 단면형상 V 자형 V 자형 V 자형 V 자형 U 자형 직사각형 직사각형
연마체표면에 대한 홈형상 나선형상 나산형상 나선형상 나선형상 그물코형상 나선형상 나선형상
두께(D)(mm) 4.0 4.0 2.0 2.0 4.0 4.0 4.0
체적비율(VL)(%) 2.6 1.6 3.1 3.1 5.2 5.0 45.0
연마속도(nm/min) 212 256 252 255 254 160 150
균일성(%) 8.8 10.5 11.9 12.0 8.0 25.0 20.0
평탄성(nm) 80 35 20 20 35 50 100
연마체의 재료는 완전히 동일하지만, 본 발명에 관한 홈구조와 연마체의 두께의 규정에 의해 상기에 나타낸 바와 같이 연마특성에 큰 차이가 보였다.
실시예 3-1 과 실시예 3-2 에서는 홈구조가 다를 뿐이지만, 홈 폭이 넓고 깊이가 깊은 실시예 3-1 에서 균일성이 우수하며, 그 반대의 실시예 3-2 에서는 평탄성이 우수하다. 이것은 이미 설명한 바와 같이, 홈이 형성되어 있는 영역의 외관상의 탄성률의 차이가 원인이다. 연마속도에 관해서도 홈 사이의 볼록부분의 폭이 넓은 실시예 3-2 에서 큰 상승이 보이고 있다.
실시예 3-2 와 실시예 3-3 에 관해서는, 홈구조가 동일하고 연마체의 두께가 다른 것이다. 실시예 3-2 에서는 균일성이 우수하고, 실시예 3-3 에서는 평탄성이 우수하다. 이 예에 관해서도 연마체의 두께 차이에 의한 연마시의 절대변형량의 차이가 원인이다.
실시예 3-3 과 실시예 3-4 에 관해서는 연속연마 전과 연속연마 후의 평가이다. 본 발명에 의한 연마체에서는 연마 마다 드레싱공정을 실시하지 않고 있음에도 불구하고 연속연마에 의해 연마특성이 변화하지 않는 것을 나타내고 있다.
실시예 3-5 와 실시예 3-2 에서는 연마체 표면에 있어서의 홈의 형상이 그물코형의 것과 나선형의 것의 비교이다. 이 예에서는 연마제의 공급 및 배출능력이 우수한 실시예 3-5 의 그물코형상의 구조가 우수하다는 것을 나타내고 있다.
비교예 3-1 및 비교예 3-2 는 본 발명의 청구항의 범위에서 벗어난 홈구조를 가지고 있는 것이다. 비교예 3-1 에서는 홈 사이의 폭이 넓어 연마제를 충분히 공급할 수 없으며, 연마효율이 나쁘다. 또한, 비교예 3-2 에서는 홈 사이의 폭이 극단적으로 작아서, 연마시의 접촉면적이 작기 때문에, 연마효율이 떨어진다. 또한, 이 양자에 관해서는 연마시에 발생하는 실리콘 웨이퍼의 연마면의 흠집이 극단적으로 큰 경향이 있었다.
이하, 본 발명의 제 4 목적을 달성하기 위한 발명의 실시 형태의 예 및 실시예에 관하여 설명한다.
[실시 형태 4-1]
도 21a, 도 21b 는 본 실시 형태에 관한 연마체를 나타내는 도면이다. 도 21a 는 평면도, 도 21b 는 도 21a 의 A-A' 부분의 단면도이다 (또한, 단면도는 다른 형상의 2 종류의 단면이 있는 것을 나타내는 것으로, 단면위치는 정확하게 A-A' 위치에는 대응하지 않고 있다).
본 실시 형태에 관한 연마체는 평면형상이 원형을 하고 있으며, 표면에 2 종류의 요철구조가 형성되어 있다. 여기에서는 2 종류의 요철구조의 각각을 제 1 요철구조 및 제 2 요철구조라 칭한다. 도 21a 에서 나타내는 바와 같이 제 1 요철구조를 갖는 영역 (도 21a 의 검은 부분) 및 제 2 요철구조를 갖는 영역 (도 21a 의 흰 부분) 은, 연마체 표면에 동심원형상으로 배치되어 있다. 제 1 요철구조가 형성되어 있는 영역 (도 21a 의 검은 부분) 은 3 개소에 배치되어 있으며, 제 2 요철구조가 형성되어 있는 영역 (도 21a 의 흰 부분) 은 2 개소에 배치되어 있다. 제 1 요철구조가 형성되어 있는 영역에서는 오목부 및 볼록부는 각각 2 개 이상 형성되어 있으며, 제 2 요철구조가 형성되어 있는 영역에서도 오목부 및 볼록부는 각각 2 개 이상 형성되어 있다. 제 1 요철구조의 오목부 및 제 2 요철구조의 오목부는 모두 홈이다. 이들 홈은 동심원형 또는 나선형으로 형성되어 있다. 그리고, 도 21b 에 나타내는 바와 같이 제 1 요철구조의 볼록부의 폭 및 제 2 요철구조의 볼록부의 폭은 다르며, 제 1 요철구조의 볼록부의 폭은 제 2 요철구조의 볼록부의 폭보다 넓다.
[실시 형태 4-2]
도 22a, 도 22b 는 본 실시 형태에 관한 연마체를 나타내는 도면이다. 도 22a 는 평면도, 도 22b 는 도 22a 의 B-B' 부분의 단면도이다 (또한, 단면도는 다른 형상의 2 종류의 단면이 있는 것을 나타내는 것으로, 단면위치는 정확하게 B 와 B' 위치에 대응하고 있지는 않다).
본 실시 형태에 관한 연마체는 평면형상이 원형을 하고 있으며, 표면에 2 종류의 요철구조가 형성되어 있다. 여기서는 2 종류의 요철구조의 각각을 제 1 요철구조 및 제 2 요철구조라 칭한다. 도 22a 에 나타내는 바와 같이, 제 1 요철구조를 갖는 영역 (도 22a 의 검은 부분) 및 제 2 요철구조를 갖는 영역 (도 22a 의 흰 부분) 은, 연마체 표면에 격자형으로 배치되어 있다. 제 1 요철구조가 형성되어 있는 영역에서는 오목부 및 볼록부는 각각 2 개 이상 형성되어 있으며, 제 2 요철구조가 형성되어 있는 영역에서도 오목부 및 볼록부는 각각 2 개 이상 형성되어 있다. 제 1 요철구조의 오목부 및 제 2 요철구조의 오목부는 모두 홈이다. 이들 홈은 각 영역내에서 도 22a 내의 상하방향을 따라 직선형으로 형성되어 있다. 그리고, 도 22b 에 나타내는 바와 같이, 제 1 요철구조의 볼록부의 폭과 제 2 요철구조의 볼록부의 폭은 다르며, 제 1 요철구조의 볼록부의 폭은 제 2 요철구조의 볼록부의 폭보다 넓다.
상기 제 4-1 실시 형태 또는 제 4-2 실시 형태에 관한 연마체는 도 2 에 나타내는 바와 같은 CMP 장치에 탑재되어 실리콘 웨이퍼의 연마 등에 사용된다.
실리콘 웨이퍼가 지지되고 있는 연마헤드에 압력을 가하여 연마정반상에 제 4-1 실시 형태 또는 제 4-2 실시 형태에 관한 연마체에 소정의 압력으로 밀어붙이면, 연마체의 요철구조의 볼록부의 폭이 넓은 영역에서는 연마체에 가해지는 단위면적 당의 압력이 작고, 이에 수반하는 연마체의 변형량은 작다. 한편, 연마체의 요철구조의 볼록부의 폭이 좁은 영역에서는 연마체에 가해지는 단위면적 당의 압력이 크고, 이에 수반하는 연마체의 변형량은 크다. 즉, 동일한 연마체에 외관상 경질 연마체와 연질 연마체가 공존하고 있는 것이 된다.
탄성률이 작은 연질 연마체는 균일성이 우수하고, 탄성률이 큰 경질 연마체는 평탄성이 우수하다. 이 경향은 본 발명에 관한 연마체에서도 동일하게 적용된다. 즉, 연마체의 요철구조의 볼록부의 폭이 넓은 부분은 경질 연마체와 동등하게 기능하고, 요철패턴의 연마시에 선택적으로 실리콘 웨이퍼상의 요철패턴의 볼록부분을 연마해감으로써 균일성이 향상된다. 한편, 연마체의 요철구조의 볼록부의 폭이 좁은 부분은 연질 연마체와 동등하게 기능하고, 실리콘 웨이퍼의 휨이나 막 형성시의 막 두께 불균일에 대해서도 추종하여 연마해감으로써 평탄성이 향상된다.
[실시 형태 4-3]
도 23a, 도 23b 는 본 실시 형태에 관한 연마체를 나타내는 도면이다. 도 23a 은 평면도, 도 23b 는 도 23a 의 C-C' 부분의 단면도이다(또한, 단면도는 다른 형상의 2 종류의 단면이 있는 것을 나타내는 것으로, 단면위치는 정확하게 C-C' 위치에 대응하고 있지는 않다).
본 실시 형태에 관한 연마체는 상기 제 4-1 실시 형태에 관한 연마체의 변형예이다. 본 실시 형태에 관한 연마체가 상기 제 4-1 실시 형태에 관한 연마체와 다른 부분은 연마제를 공급 및 배출하기 위하여 연마체 표면에 형성되어 있는 홈 부분이다. 연마제를 공급 및 배출하기 위하여 도 23a 에 나타내는 바와 같이, 중심으로부터 방사상형으로 직선의 홈(71)이 형성되어 있다. 그 외의 구성은 제 4-1 실시 형태와 동일하기 때문에 설명을 생략한다.
[실시 형태 4-4]
도 24a, 도 24b 는 본 실시 형태에 관한 연마체를 나타내는 도면이다. 도 24a 는 평면도, 도 24b 는 도 24a 의 D-D' 부분의 단면도이다 (또한, 단면도는 다른 형상의 2 종류의 단면이 있는 것을 나타내는 것이고, 단면위치는 정확하게 D-D' 위치에 대응하고 있지는 않다).
본 발명의 제 4-4 실시 형태에 관한 연마체는 상기 제 4-2 의 실시 형태에 관한 연마체의 변형예이다. 본 실시 형태에 관한 연마체가 상기 제 4-2 의 실시 형태에 관한 연마체와 다른 부분은 연마제를 공급 및 배출하기 위하여 연마체 표면에 형성되어 있는 홈 부분이다. 연마제를 공급 및 배출하기 위하여, 도 24a 에 나타내는 바와 같이 종방향으로 직선의 홈(72) 이 형성되고, 횡방향으로 직선의 홈(73)이 형성되어 있다. 그 외의 구성은 제 4-2 실시 형태와 동일하기 때문에 설명을 생략한다.
실리콘 웨이퍼의 연마에 있어서는 연마제가 실리콘 웨이퍼 전면에 균일하게 공급되는 것이 바람직하다. 균일하게 공급되지 않는 경우에는, 균일성이 나빠지고 마찰이 커져 연마장치의 특성의 열화가 발생하는 경우가 있다. 제 4-3 실시 형태 및 제 4-4 실시 형태에 관한 연마체의 연마제를 공급 및 배출하는 홈은, 연마시에 발생하는 상기의 문제를 해결하면 되고, 홈 폭, 홈 형상, 홈 깊이에 대해서는 어떠한 형태에 관해서도 한정되는 것은 아니다.
또한, 제 4-1 내지 제 4-4 실시 형태에 관한 연마체에서는, 2 종류의 요철구조를 사용하고 있지만, 3 종류 이상의 요철구조를 사용해도 된다.
또한, 이들의 실시 형태에 관한 연마체에서는, 동일한 종류의 요철구조가 형성되어 있는 영역내에서 오목부의 폭 및 볼록부의 폭은 일정했지만, 오목부의 폭 및 볼록부의 폭이 순서대로 변화해가는 요철구조를 사용해도 된다.
또한, 제 4-1 및 제 4-3 실시 형태에서는, 제 1 요철구조를 갖는 영역 및 제 2 요철구조를 갖는 영역은 동심원형상으로 배치되어 있고, 제 4-2 및 제 4-4 실시 형태에서는, 제 1 요철구조를 갖는 영역 및 제 2 요철구조를 갖는 영역은 격자형으로 배치되어 있지만, 제 1 요철구조를 갖는 영역 및 제 2 요철구조를 갖는 영역은, 주기적으로 배치시켜도 되고, 그 외의 형태로 배치시켜도 된다.
또한, 제 4-1 내지 제 4-4 실시 형태에 관한 연마체에서는 제 1 요철구조 및 제 2 요철구조의 오목부는 홈으로 하였지만, 홈 대신에 구멍이라도 된다.
또한, 이들의 실시 형태에 관한 연마체에서는 제 1 요철구조의 오목부의 홈은 직사각형이고, 제 2 요철구조의 오목부의 홈은 V 자형이지만, 이들 홈의 형상은 V 자형, U 자형, 직사각형 및 사다리꼴의 어느 하나라도 된다.
또한, 이들의 실시 형태에 관한 연마체는 탄성률이 큰 층과의 적층구조를 하고 있는 연마체에 관해서도 동일하게 적용된다. 이 경우, 적층구조를 하고 있는 연마체는 표면에 요철구조가 형성되어 있는 제 1 층, 및 제 1 층의 하면 (표면과 반대측의 면) 에 적층되어 있는 제 2 층으로 구성되어 있으며, 본 발명의 효과를 얻기 위해서는, 제 2 층의 탄성률은 제 1 층의 탄성률보다 큰 것이 바람직하다.
또한, 연마체 표면에 홈을 형성하는 방법은 주지의 방법, 예를 들어 홈 가공용 비트를 사용하여 연마체 표면을 선반 가공하는 방법 등을 사용할 수 있다.
[실시예 4-1]
제 4-1 실시 형태에 관한 구조(도 21a) 를 가지며 에폭시수지로 이루어지는 무발포성 연마체를 CMP 장치의 연마정반에 부착하였다. 이 연마체 표면에는 깊이 0.3 ㎜ 의 V 홈, 폭 0.1 ㎜ 의 볼록부로 이루어지는 요철구조(도 21b 의 제 2 요철구조) 및 깊이 0.3 ㎜, 폭 5 ㎜ 의 오목부, 폭 5 ㎜ 의 볼록부로 이루어지는 요철구조(도 21b 의 제 1 요철구조) 가 동심원형으로 20 ㎜ 간격으로 형성되어 있다. 제 2 요철구조의 V 홈의 경사면의 각도는 60°정도이다.
에폭시수지로 이루어지는 무발포성 연마체의 비커즈 경도는 7.0(Kgf/㎟) 이상이다. 상술한 바와 같이, 연질연마체 및 경질연마체가 공존하는 구조로 하기 위해서는 연마체의 비커즈 경도는 2.5(Kgf/㎟) 이상 30(Kgf/㎟) 이하인 것이 바람직하다. 또한, 본 실시예에서는 요철구조의 볼록부의 폭이 넓은 부분과 볼록부의 폭이 좁은 부분의 폭의 비는 50 이다. 상술한 바와 같이, 연질 연마체 및 경질 연마체가 공존하는 구조로 하기 위해서는 요철구조의 볼록부의 폭이 넓은 부분과 볼록부의 폭이 좁은 부분의 폭의 비는 2 이상인 것이 바람직하다.
연마헤드에는 배킹재를 통하여 열산화막이 1 ㎛ 의 두께로 형성된 6 인치 실리콘 웨이퍼를 장착하고, 이하의 조건으로 연마를 실시하였다.
연마헤드의 회전수 : 50 rpm
연마정반의 회전수 : 50 rpm
하중(연마헤드를 연마체에 밀어붙이는 압력) : 400 g/㎠
연마헤드의 요동 폭 : 30 ㎜
연마헤드의 요동속도 : 15 왕복/분
연마시간 : 2 분
사용 연마제 : Cabot 사 제조의 SS25 를 이온 교환수로 2 배 희석
연마제 유량 : 200 ml/분
또한, 복수의 500 ㎚ 의 단차를 갖는 복수의 2 ㎜ 정사각형의 볼록패턴(볼록부의 막 두께 1500 ㎚, 오목부의 막 두께 1000 ㎚)이 형성되어 있는 6 인치 실리콘 웨이퍼에 대하여 상기 조건으로 시간 관리에 의해 볼록부를 500 ㎚ 연마하였다.
[실시예 4-2]
제 4-3 실시 형태에 관한 구조(도 23a) 를 가지며, 에폭시수지로 이루어지는 무발포성 연마체를 CMP 장치의 연마정반에 부착하였다. 이 연마체에는 미리 연마제를 공급 및 배출하기 위하여, 폭 2 ㎜, 깊이 0.3 ㎜ 의 방사상형의 홈(71) 이 형성되어 있다. 또한, 이 연마체 표면에는 깊이 0.3 ㎜ 의 V 홈, 폭 0.1 ㎜ 의 볼록부로 이루어지는 요철구조 (도 23b 의 제 2 요철구조) 및 깊이 0.3 ㎜, 폭 5 ㎜ 의 오목부, 폭 5 ㎜ 의 볼록부로 이루어지는 요철구조 (도 23b 의 제 1 요철구조) 가 동심원형상으로 20 ㎜ 간격으로 배치되어 있다. 제 2 요철구조의 V 홈의 경사면의 각도는 60°정도이다.
이 연마체를 사용하여 실시예 4-1 과 동일하게 열산화막이 1 ㎛ 의 두께로 형성된 6 인치 실리콘 웨이퍼, 및 복수의 500 ㎚ 의 단차를 갖는 복수의 2 ㎜ 정사각형의 볼록패턴이 형성되어 있는 6 인치 실리콘 웨이퍼의 연마를 실시하였다.
[실시예 4-3]
제 4-4 실시 형태에 관한 구조 (도 24a) 를 가지며, 에폭시수지로 이루어지는 무발포성 연마체를 CMP 장치의 연마정반에 부착하였다. 이 무발포 연마체에는 미리 연마제를 공급 및 배출하기 위하여, 폭 2 ㎜, 깊이 0.3 ㎜ 의 격자형상의 홈(72, 73)이 형성되어 있다. 또한, 이 연마체 표면에는 깊이 0.3 ㎜ 의 V 홈, 폭 0.1 ㎜ 의 볼록부로 이루어지는 요철구조 (도 24b 의 제 2 요철구조) 및 깊이 0.3 ㎜, 폭 5 ㎜ 의 오목부, 폭 5 ㎜ 의 볼록부로 이루어지는 요철구조 (도 24b 의 제 1 요철구조) 가 20 ㎜ 의 등간격으로 격자형상으로 배치되어 있다.
이 연마체를 사용하여 실시예 4-1 과 동일하게 열산화막이 1 ㎛ 의 두께로 형성된 6 인치 실리콘 웨이퍼, 및 복수의 500 ㎚ 의 단차를 갖는 복수의 2 ㎜ 정사각형의 볼록패턴이 형성되어 있는 6 인치 실리콘 웨이퍼의 연마를 실시하였다.
[비교예 4-1]
표면에 홈구조를 갖는 에폭시수지로 이루어지는 무발포성 연마체를 CMP 장치의 연마정반에 부착하였다. 이 연마체 표면에는 연마제를 유지하기 위하여 0.5 ㎜ 간격으로 볼록부 폭 0.2 ㎜, 깊이 0.3 ㎜ 의 V 홈이 형성되어 있고, 또한 연마제를 공급 및 배출하기 위하여, 폭 2 ㎜, 깊이 0.3 ㎜ 의 방사상형의 홈이 형성되어 있다.
이 연마체를 사용하여 실시예 4-1 과 동일하게 열산화막이 1 ㎛ 의 두께로 형성된 6 인치 실리콘 웨이퍼, 및 복수의 500 ㎚ 의 단차를 갖는 복수의 2 ㎜ 사방의 볼록패턴이 형성되어 있는 6 인치 실리콘 웨이퍼의 연마를 실시하였다.
[비교예 4-2]
표면에 홈구조를 갖는 발포성 연마체(제 1 층) 와, 탄성률이 매우 큰 탄성체(제 2 층) 의 적층으로 이루어지는 적층구조의 연마체를 CMP 장치의 연마정반에 부착하였다. 이 연마체의 제 1 층의 표면에는 연마제를 유지하기 위하여 0.5 ㎜ 간격으로 볼록부 폭 0.2 ㎜, 깊이 0.3 ㎜ 의 V 홈이 형성되어 있고, 또한 연마제를 공급 및 배출하기 위하여, 폭 2 ㎜, 깊이 0.3 ㎜ 의 방사상형의 홈이 형성되어 있다.
이 연마체를 사용하여 실시예 4-1 과 동일하게 열산화막이 1 ㎛ 형성된 6 인치 실리콘 웨이퍼, 및 복수의 500 ㎚ 의 단차를 갖는 복수의 2 ㎜ 사방의 볼록패턴이 형성되어 있는 6 인치 실리콘 웨이퍼의 연마를 실시하였다.
[평가]
실시예 4-1, 4-2, 4-3 및 비교예 4-1, 4-2 에 대해서, 각각의 연마 후의 실리콘 웨이퍼를 사용하여 균일성 및 평탄성의 평가를 실시하였다.
균일성에 대해서는 열산화막이 1 ㎛ 의 두께로 형성된 6 인치 실리콘 웨이퍼를 사용하여 에지로부터 내측 5 ㎜ 의 부분을 제외한 연마량 분포를 측정하고, 이하의 식에 의해 균일성을 평가하였다.
균일성(%) =(RA - RI) /(RA + RI) ×100
여기에서, RA 는 측정한 연마량 분포에서의 최대연마량, RI 는 측정한 연마량 분포에서의 최소연마량이다.
또한, 평탄성에 관해서는 복수의 500 ㎚ 의 단차를 갖는 복수의 2 ㎜ 정사각형의 볼록패턴이 형성되어 있는 6 인치 실리콘 웨이퍼에서, 500 ㎚ 의 단차량을 연마했을 때의 실리콘 웨이퍼내의 복수의 개소에서 잔류단차를 측정하고, 그들의 잔류단차의 측정값 중의 최대값을 평탄성으로 하였다.
상기의 실시예 및 비교예에 대하여 균일성 및 평탄성의 평가결과를 정리하면, 이하의 표 2 와 같이 된다 (실시예 4-1 을 실시예 1, 비교예 4-1 을 비교예 1 로 기재한다).
실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2
균일성(%) 7 6 6 10 6
평탄성(nm) 80 80 100 100 200
이 평가로부터 비교예 4-1, 4-2 와 같은 균일성 또는 평탄성의 어느 하나가 나쁘다는 특성은 실시예 4-1, 4-2, 4-3 에는 보이지 않고, 실시예에서 균일성 및 평탄성 모두 우수한 특성을 나타내고 있다.
또한, 실시예 4-2 와 비교예 4-1 에서 에지로부터 내측 1 ㎜ 의 부분을 제외하고 균일성을 평가한 바, 실시예 4-2 에서는 8 %, 비교예 4-1 에서는 20 % 였다. 이로부터 본 발명에 관한 연마체에 의해 실리콘 웨이퍼의 최주변의 연마특성도 충분하게 개선되어 있는 것이 확실하다.
[반도체 소자 제조방법의 실시 형태]
도 25 는 반도체 소자 제조공정을 나타내는 플로우 차트이다. 반도체 소자 제조공정을 시작할 때, 먼저 스텝 S200 에서, 다음에 예시하는 스텝 S201 내지 S204 중에서 적절한 처리공정을 선택한다. 선택에 따라 스텝 S201 내지 S204 의 어느 하나로 진행한다.
스텝 S201 은 실리콘 웨이퍼의 표면을 산화시키는 산화공정이다. 스텝 S202 는 CVD 등에 의해 실리콘 웨이퍼 표면에 절연막을 형성하는 CVD 공정이다. 스텝 S203 은 실리콘 웨이퍼상에 전극을 증착 등의 공정으로 형성하는 전극형성공정이다. 스텝 S204 는 실리콘 웨이퍼에 이온을 주입하는 이온주입공정이다.
CVD 공정 또는 전극형성공정의 후에, 스텝 S205 로 진행한다. 스텝 S205 는 CMP 공정이다. CMP 공정에서는 본 발명에 관한 연마장치에 의해 층간 절연막의 평탄화나 반도체 소자 표면의 금속막의 연마에 의한 다마스커스(damascene) 의 형성 등이 실시된다.
CMP 공정 또는 산화공정의 후에 스텝 S206 으로 진행한다. 스텝 S206 은 포토리소그래픽 공정이다. 포토리소그래픽 공정에서는 실리콘 웨이퍼로의 레지스트의 도포, 노광 장치를 사용한 노광에 의한 실리콘 웨이퍼로의 회로패턴의 베이킹, 노광한 실리콘 웨이퍼의 현상이 실시된다. 또한, 다음의 스텝 S207 은 현상한 레지스트상 이외의 부분을 에칭에 의해 절삭하고, 그 후 레지스트 박리가 실시되어, 에칭이 완료되어 필요없게 된 레지스트를 제거하는 에칭공정이다.
다음의 스텝 S208 에서 필요한 전체공정이 완료되었는지를 판단하고, 완료되지 않았다면 스텝 S200 으로 되돌아가고, 앞의 스텝을 반복하여 실리콘 웨이퍼상에 회로 패턴이 형성된다. 스텝 S208 에서 전체공정이 완료되었다고 판단되면 종료된다.
본 발명에 관한 반도체 소자 제조방법에서는, CMP 공정에 있어서 본 발명에 관한 연마장치 및 연마방법을 사용하기 때문에, 반도체 소자를 양호한 정밀도, 수율 및 처리량으로 제조할 수 있다. 이에 의해, 종래의 반도체 소자 제조방법에 비하여 저비용으로 반도체 소자를 제조할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 상기의 반도체 소자 제조공정 이외의 반도체 소자 제조공정의 CMP 공정에 본 발명에 관한 연마장치를 사용해도 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 관한 연마체, 연마장치, 연마방법을 CMP 공정에 사용함으로써, 연마대상물에 흠집의 발생이 일어나기 어렵고, 또한 연마속도를 높일 수 있으며, 또 단차를 제거할 수 있다. 또한, 안정된 연마특성을 얻을 수 있다. 또한, 균일성 및 평탄성이 모두 우수한 연마대상물을 얻을 수 있다. 그리고, 본 발명에 관한 반도체 소자의 제조방법은 성능이 좋은 반도체 소자를 높은 수율과 처리량으로 제조하는 데에 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 설명에 있어서는 도 1 에 나타낸 바와 같은, 패턴이 형성된 웨이퍼의 연마를 예로서 설명하였지만, 본 발명은 베어 실리콘 기판(bare silicon substrate)의 평탄화를 위한 연마 등 다른 목적에도 사용할 수 있는 것은 말할 나위도 없다.

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  32. 연마체와 연마대상물의 사이에 연마제를 개재시킨 상태로, 상기 연마체와 상기 연마대상물을 상대이동시킴으로써, 상기 연마대상물을 연마하는 연마장치에 사용하는 연마체로서,
    연마제를 통해 직접 연마에 기여하는 부분으로서 표면에 요철구조를 갖는 부분이 주기적 또는 비주기적으로 형성되고, 상기 연마제를 통해 직접 연마에 기여하는 부분의 표면에 형성된 요철구조는 2종류 이상인 것을 특징으로 하는 연마체.
  33. 제 32 항에 있어서, 동일한 종류의 상기 요철구조가 형성되어 있는 영역내에서는 상기 요철구조의 오목부 및 상기 요철구조의 볼록부는 각각 2 개 이상 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연마체.
  34. 제 33 항에 있어서, 상기 요철구조가 제 1 요철구조 및 제 2 요철구조의 2 종류의 요철구조로 이루어지며, 상기 제 1 요철구조의 오목부 및 상기 제 2 요철구조의 오목부는 홈이며, 상기 제 1 요철구조의 볼록부의 폭은 상기 제 2 요철구조의 볼록부의 폭의 2 배 이상인 것을 특징으로 하는 연마체.
  35. 제 32 항에 있어서, 상기 연마체의 평면형상이 원이며, 또한 동일한 종류의 상기 요철구조가 형성되어 있는 영역은 동심원형상으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 연마체.
  36. 제 32 항에 있어서, 동일한 종류의 상기 요철구조가 형성되어 있는 영역은 격자형상으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 연마체.
  37. 제 32 항에 있어서, 상기 연마체의 표면에 상기 연마제를 공급 및 배출하는 홈이 추가로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연마체.
  38. 제 32 항에 있어서, 비커즈경도(k) 가 2.5(Kgf/㎟) ＜ k ＜ 30(Kgf/㎟) 인 것을 특징으로 하는 연마체.
  39. 제 32 항에 있어서, 표면에 상기 요철구조가 형성되어 있는 제 1 층과, 제 1 층의 하부에 설치되며 제 1 층이 적층되어 있는 제 2 층으로 구성되고, 상기 제 2 층의 탄성률은 상기 제 1 층의 탄성률보다 큰 것을 특징으로 하는 연마체.
  40. 연마체와 연마대상물 사이에 연마제를 개재시킨 상태에서, 상기 연마체와 상기 연마대상물을 상대운동시킴으로써, 상기 연마대상물을 연마하는 연마장치에 있어서, 연마체로서 제 32 항 내지 제 39 항 중 어느 한 항에 기재된 연마체를 사용하고 있는 것을 특징으로 하는 연마장치.
  41. 제 40 항에 기재된 연마장치를 사용하여 웨이퍼를 연마하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
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