KR100567981B1 - 연마용 숫돌 및 그 숫돌을 사용한 기판의 연마방법 - Google Patents

연마용 숫돌 및 그 숫돌을 사용한 기판의 연마방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 표면에 요철의 패턴을 가지는 반도체웨이퍼 등을 연마할 때 볼록부만을 연마할 수 있고, 이에 의하여 요철의 단차가 없어지면, 연마가 자동적으로 종료하는 셀프스톱기능을 가지는 숫돌 및 이 숫돌을 사용한 연마방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 연마대상기판을 평탄하고 경면형상으로 연마하는 숫돌로서, 입자지름이 2㎛이하이고, 또한 순도가 90%이상인 연마입자로 이루어지는 숫돌이다. 그 조성비(체적비)가 연마입자 : 바인더 = 1 : 0.5 이상(연마입자비율 1에 대한 바인더의 비율이 0.5이상)이며, 또한 연마입자 10%이상, 바인더 60%이하 및 기공 10 ~ 40%이다.
또 표면에 요철이 형성된 연마대상기판을 숫돌을 사용하여 연마하는 기판의 연마벙법에 있어서, 상기 숫돌의 연마면에 연마입자를 함유하지 않는 액체공급하에서 연마대상기판의 피연마면을 소정시간 연마하여 상기 표면의 요철을 해소하여 평탄화하고, 평탄화된 연마대상기판의 피연마면에 연마입자를 공급하여 더욱 균일하게 소정막두께의 깎음증가 연마를 행한다.

Description

연마용 숫돌 및 그 숫돌을 사용한 기판의 연마방법{POLISHING GRINDING WHEEL AND SUBSTRATE POLISHING METHOD WITH THIS GRINDING WHEEL}
본 발명은 반도체 웨이퍼 등의 연마대상기판을 평탄하고 경면형상으로 연마하는 숫돌 및 그 숫돌을 사용한 기판의 연마방법에 관한 것이다.
최근, 반도체디바이스의 고집적화가 진행됨에 따라 회로의 배선이 미세화하고, 배선간 거리도 보다 좁아지고 있다. 특히 선폭이 미세하게 되면, 광리소그래피의 경우, 허용되는 초점심도가 얕아지기 때문에, 스텝퍼의 결상면의 평탄도를 필요로 한다. 그래서 반도체웨이퍼의 표면을 평탄화하는 것이 필요하게 되나, 이 평탄화법의 1수단으로서 연마장치에 의하여 연마하는 것이 행하여지고 있다.
종래 이와 같은 종류의 연마장치는, 연마포을 붙인 턴테이블과 톱링을 가지고, 톱링이 일정한 압력을 턴테이블에 주어 턴테이블과 톱링의 사이에 연마대상 기판을 개재시켜, 연마포에 연마액을 공급하면서 그 연마대상기판의 표면을 화학·기계적으로 연마하는 방법(CMP)이 사용되고 있다.
도 1은 종래의 화학·기계적 연마방법에 의한 연마장치의 일예의 주요부를 나타내는 도이다. 연마장치는 상면에 우레탄 등의 연마포(6)을 붙인 회전하는 턴테이블(5)과, 회전 및 가압가능하게 연마대상기판인 반도체웨이퍼(4)를 유지하는 톱링(1)과, 연마포(6)에 연마액(Q)을 공급하는 연마액 공급노즐(9)을 구비하고 있다. 톱링(1)은 톱링샤프트(8)에 연결되어 있고, 또 톱링(1)은 그 하면에 폴리우레탄 등의 탄성매트(2)를 구비하고 있으며, 탄성매트(2)에 접촉시켜 반도체웨이퍼(4)를 유지한다. 또한 톱링(1)은 연마중에 반도체웨이퍼(4)가 톱링(l)의 하면으로부터 벗어나지 않도록 하기 위하여 원통형상의 가이드링(3)을 바깥 둘레 가장자리부에 구비하고 있다. 여기서 가이드링(3)은 톱링(1)에 대하여 고정되어 있고, 연마대상기판인 반도체웨이퍼(4)가 유지면내에 유지되어, 연마중에 연마포(6)와의 마찰력에 의하여 톱링밖으로 뛰어 나가지 않도록 되어 있다. 또한 톱링(1)은 샤프트 (8)에 대하여, 볼베어링(7)에 의하여 경사이동 가능하게 지지되어 있다.
반도체웨이퍼(4)를 톱링(1)하면의 탄성매트(2)의 하부에 유지하고, 턴테이블 (5)상의 연마포(6)에 반도체웨이퍼(4)를 톱링(1)에 의하여 가압함과 동시에, 턴테이블(5) 및 톱링(1)을 각각 독립으로 회전시켜 연마포(6)와 반도체웨이퍼(4)를 상대운동시켜 슬라이딩함으로써 연마한다. 이 때, 연마액 공급노즐(9)로부터 연마포 (6)상에 연마액(Q)을 공급한다. 연마액은 예를 들어 알칼리용액에 실리카 등의 미립자로 이루어지는 연마입자를 현탁한 것을 사용하고, 알칼리에 의한 화학적 연마작용과 연마입자에 의한 기계적 연마작용과의 복합작용인 화학·기계적 연마에 의하여 반도체웨이퍼를 연마한다.
그러나, 이와 같은 종래의 연마포에 연마입자를 다량으로 함유하는 슬러리형상의 연마액을 공급하면서 화학·기계적 연마를 행하는 방법에는 이하에 설명하는 2가지의 문제점이 있다.
제 l 문제점은, 연마초기는 볼록부가 우선적으로 연마되나, 점차로 오목부도 깎이게 된다. 이 때문에 요철의 단차가 좀처럼 해소되지 않는다. 이것은 연마가 비교적 부드러운 연마포을 사용하고, 또한 유리연마입자를 다량으로 함유하는 슬러리형상의 연마액에 의하여 연마를 행하기 때문에, 화학·기계적 연마가 반도체웨이퍼 표면상의 볼록부 뿐만 아니라 오목부에도 작용하기 때문이라고 생각된다. 즉 도 2는 종래의 화학·기계적 연마에 의한 연마특성을 나타내며, 가로축은 상대시간이고, 세로축은 볼록부 및 오목부의 막두께의 단차부의 높이를 나타내고 있다. 도시하는 바와 같이, 단차해소까지에 필요한 상대시간을 l 이라 하면, 볼록부가 약 27000Å 정도 내지 16000Å 정도까지 깎이고, 오목부도 약 20000Å 내지 16000Å 정도까지 깎이며, 이 시점에서 단차가 해소되고 있다. 도 3A는 단차부의 연마초기의 단계를 나타내며, 도 3B는 연마중기의 단계를 나타내고, 도 3C는 연마종기의 단계를 나타낸다. 도시하는 바와 같이 볼록부와 함께 오목부도 연마되기 때문에, 단차의 완전한 해소가 곤란하며, 또는 시간이 걸린다는 문제가 있다.
또 제 2 문제점으로서 비용 및 환경의 문제가 있다. 이것은 연마액으로서는 예를 들어 미세 분말실리카의 현탁액 등의 연마슬러리가 사용되고 있으나, 평탄도의 면내 균일성이 높은 연마를 행하기 위해서는, 연마포상에 충분히 윤택하게 연마액이 공급되지 않으면 안된다. 그러나 공급된 연마액의 대부분은 실제의 가공에 기여하는 일 없이 폐액으로서 배출되게 된다. 일반적으로 높은 정밀도의 반도체의 가공에 사용되는 연마액의 비용은 높기 때문에, 연마공정의 비용문제를 일으키게 된다. 또 상기한 연마액은 예를 들어 실리카 등의 연마입자를 다량으로 함유하는 슬러리형상이기 때문에, 그 폐액에 의한 작업환경의 유지가 매우 어렵다. 즉, 장치의 연마액의 공급시스템 및 폐액의 배출시스템 등에 대한 오염이 매우 현저하고, 또한 폐액 자체의 처리도 매우 난도가 높은 것이 요구되고 있다. 또 연마액을 사용한 연마후에 반도체웨이퍼의 세정에 의한 연마액의 제거가 행하여지나, 이 폐액처리도 마찬가지로 환경유지상의 부하가 인가되는 것이었다.
본 발명은 상기한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 표면에 요철의 패턴을 가지는 반도체웨이퍼 등을 연마할 때, 볼록부만을 연마할 수 있고, 이에 의하여 요철의 단차가 없어지면, 연마가 자동적으로 종료하는 셀프스톱기능을 가지는 숫돌 및 이 숫돌을 사용한 연마방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또 본 발명은 숫돌을 사용한 연마에 의하여 기판표면의 요철의 단차가 해소되고, 또한 소정의 막두께까지 증삭(增削)이 용이하게 가능한 기판의 연마방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 입자지름이 2㎛ 이하(바람직하게는 0.5㎛ 이하)이고, 또한 순도가 90% 이상(바람직하게는 94% 이상)인 연마입자로 이루어지는 숫돌로, 조성비(체적비)가 연마입자 : 바인더 = 1 : 0.5 이상(연마입자비율 l에 대한 바인더의 비율이 0.5 이상)이며, 또 연마입자 10% 이상, 바인더 60% 이하 및 기공 10∼40% 인 것을 특징으로 하는 연마용 숫돌이다.
상기 발명에 의하면, 연마입자, 바인더 및 기공이 그 조성비(체적비)에 있어서 밸런스 좋게 구성되어 있고, 이에 의하여 단차부의 볼록부만이 우선적으로 연마 되고, 그 사이에 오목부는 연마되지 않는다. 따라서 볼록부가 없어져 평탄화된 후는 연마를 행하더라도 막두께가 변화하지 않는, 말하자면 연마가 자동적으로 정지하는 셀프스톱기능이 작용한다. 즉, 연마입자의 양이 지나치게 많거나, 바인더의 양이 지나치게 적으면, 연마입자가 자생(유리)하기 쉽기 때문에, 단차가 소멸한 시점에서 연마가 자동적으로 정지하는 기능(셀프스톱기능)이 없어진다. 또 반대로 연마입자의 양이 지나치게 적거나, 바인더의 양이 지나치게 많으면, 연마입자가 자생(유리)하기 어렵기 때문에 연마속도가 저하하여, 스루풋이 저하한다. 기공의 양에 관해서도 마찬가지이나, 이 조성비(체적비)를 10∼40%, 바람직하게는 l5∼30% 로 하는 것이 셀프스톱기능을 숫돌에 가지게 하는 데에 있어서 특히 중요하다. 즉, 기공의 양이 많으면, 숫돌은 유연하게 연마입자가 자생(유리)하기 쉬워지고, 기공의 양이 적으면 연마입자가 자생(유리)하기 어렵게 된다. 또 입자지름이 2㎛ 이하로 작기 때문에, 이에 의하여 웨이퍼를 손상한다는 문제가 저감된다. 특히 0.5㎛ 이하의 입자지름의 연마입자를 사용하는 것이 바람직하다.
일반적으로 반도체웨이퍼의 피연마면과, 숫돌의 연마면과의 사이의 슬라이딩면에 연마입자가 다량으로 존재하면, 연마속도가 커진다. 이것에 대하여 슬라이딩면에 존재하는 연마입자의 양이 적으면, 연마속도가 작아지고, 반도체웨이퍼 등의 생산의 스루풋이 저하한다. 따라서 반도체웨이퍼 표면에 요철이 형성되어 있는 피연마면을 연마할 때, 연마의 초기로부터 종기에 있어서는 피연마면의 볼록부에 높은 면압이 작용하고, 그 볼록부가 숫돌의 연마면을 깎아든다고 생각된다. 이에 의하여 연마입자의 탈락이 생기고, 유리연마입자에 의하여 비교적 큰 연마속도로 연 마가 진행한다. 그리고 볼록부의 연마가 종료하고 단차가 없어져 평탄화하면, 탈락하는 연마입자가 적어진다고 생각된다. 그리고 연마에 있어서는 슬라이딩면이 항상 이동하기 때문에, 잔류연마입자가 슬라이딩면으로부터 유출한다. 이에 의하여 슬라이딩면에 존재하는 유리연마입자량이 극단적으로 적어져, 연마속도가 극단적으로 저하하며, 실질적으로 연마가 정지하는 셀프스톱기능이 생긴다고 생각된다.
또 상기 조성비(체적비)가 연마입자 10∼60%(바람직하게는 20∼5O%), 바인더 30∼60%(바람직하게는 35∼55%) 및 기공 l0∼40%(바람직하게는 15∼30%)인 것이 바람직하다. 이에 의하여 상기한 셀프스톱기능을 양호하게 작용시킬 수 있다.
또 순도가 90% 이상(바람직하게는 94% 이상)의 연마입자로 이루어지는 숫돌로, 상기 연마입자와 바인더와 기공으로 구성되는 것이 바람직하다. 이에 의하여 비교적 입수가 용이한 원료를 사용하여, 반도체디바이스의 제조에 있어서 콘태미네이션의 문제가 생기지 않는 숫돌을 제조할 수 있다.
본 발명의 기판의 연마방법은, 숫돌을 사용하여 표면에 요철패턴을 가지는 반도체 디바이스웨이퍼를 연마하는 방법에 있어서, 숫돌면을 드레싱하여 표면에 미소한 요철을 형성시킨 후에, 그 표면에 부착되어 있는 유리화한 연마입자를 제거하여 블랭킷웨이퍼의 연마속도를 충분히 저하시킨 상태에서 상기 반도체 디바이스웨이퍼의 연마를 행하는 것을 특징으로 하는 것이다. 이에 의하여 숫돌이 가지는 셀프스톱기능을 유효하게 발휘시킬 수 있다.
또 본 발명의 기판의 연마방법은, 표면에 요철이 형성된 기판을 숫돌을 사용하여 연마하는 방법에 있어서, 상기 숫돌위에 연마입자를 함유하지 않는 액체공급하에서 소정시간 연마한 후, 그 숫돌위에 연마입자를 함유하는 연마슬러리를 공급하면서, 더욱 연마하는 것을 특징으로 하는 것이다. 여기서 소정시간이란 기판표면의 요철이 해소되어 평탄화되는 데 충분한 시간이다. 상기 발명에 의하면, 같은 숫돌을 사용하여, 그 숫돌위에 유리연마입자를 다량으로 함유하는 연마 슬러리를 공급하여 연마를 행하는 것에 의하여 증삭을 행할 수 있다. 이 연마는 연마슬러리에 함유되는 다량의 유리연마입자에 의하여 행하여지기 때문에, 비교적 빠른 연마속도가 얻어져 소정의 막두께로 단시간에 도달하는 것이 가능하다.
또 본 발명의 기판의 연마방법은, 표면에 요철이 형성된 기판을 숫돌을 사용하여 연마하는 방법에 있어서, 상기 숫돌위에 연마입자를 함유하지 않은 액체공급하에서 소정시간 연마한 후, 그 연마입자를 함유하지 않은 액체를 계속 공급함과 동시에, 상기 숫돌의 연마면의 드레싱을 행하면서, 그 드레싱에 의하여 생긴 유리연마입자에 의하여 더욱 연마하는 것을 특징으로 하는 것이다. 이에 의하여 같은 숫돌을 사용하여, 그 숫돌의 드레싱을 행하면서 연마함으로써, 드레싱에 의하여 생기는 유리연마입자에 의하여 연마속도를 상승시킬 수 있다. 이에 의하여 연마액 공급수단 등의 부가설비를 필요로 하는 일 없이, 통상의 숫돌을 사용한 연마장치에 부속되어 있는 설비만으로 증삭을 행할 수 있다.
또 본 발명의 기판의 연마방법은, 표면에 요철이 형성된 기판을 연마하는 방법에 있어서, 숫돌위에 연마입자를 함유하지 않은 액체공급하에서 소정시간 연마한 후, 상기 기판을 연마포와 연마입자를 함유하는 연마슬러리를 사용하여 더욱 연마하는 것을 특징하는 것이다. 이에 의하여, 종래의 연마포와 연마슬러리를 사용한 화학·기계적 연마로 증삭을 행하기 때문에, 기존의 설비를 이용하여 증삭을 행할 수 있다.
도 1은 종래의 화학·기계적 연마에 의한 연마장치의 요부를 나타내는 설명도,
도 2는 도 1의 연마장치에 의한 연마특성을 나타내는 도,
도 3은 도 2의 연마특성에 의한 피연마면의 단차의 상태를 나타내는 도,
도 4A 및 도 4B는 본 발명의 실시형태의 턴테이블형의 연마장치의 요부를 나타내는 도로서, 도 4A는 평면도, 도 4B는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시형태의 스크롤형의 연마장치의 단면도,
도 6A 및 도 6B는 도 5의 스크롤형의 연마장치의 요부를 도시한 도면로서, 도 6A는 스크롤기구의 평면도, 도 6B는 도 6A의 AA선을 따른 단면도,
도 7A는 숫돌과 연마입자와 기판면과의 관계를 모식적으로 나타내는 도,
도 7B는 연마패드와 연마입자와 기판면과의 관계를 모식적으로 나타내는 도,
도 8A 및 도 8B는 연마입자의 입자지름에 의한 응력의 분포를 나타내는 도로서, 도 8A는 입자지름이 큰 경우를 나타내고, 도 8B는 입자지름이 작은 경우를 나타낸다.
도 9는 연마입자, 바인더, 기공의 조성비(체적비)를 나타내는 도로서, 부호 B로 나타낸 영역의 조성에 의하여 양호한 셀프스톱기능을 가지는 숫돌을 얻을 수 있음을 나타낸다.
도 10은 숫돌의 연마특성을 나타내는 도로서, 셀프스톱기능을 가지는 경우를 나타낸다.
도 llA, 도 11B 및 도 llC는 도 10의 숫돌의 연마특성에 의한 피연마면의 단차의 상태를 나타내는 도,
도 12는 숫돌의 연마특성을 나타내는 도로서, 셀프스톱기능을 가지지 않은 경우를 나타낸다.
도 13A, 도 13B 및 도 13C는 도 12의 숫돌의 연마특성에 의한 피연마면의 단차의 상태를 나타내는 도,
도 14는 숫돌의 연마면의 드레싱(날을 세움)후의 연마속도의 시간변화를 나타내는 도,
도 15A 및 도 l5B는 드레싱후의 숫돌의 연마면을 모식적으로 나타내는 도로서, 도 15A는 연마입자가 다량으로 잔류하고 있는 상태를 나타내고, 도 15B는 연마입자가 거의 잔류하고 있지 않은 상태를 나타낸다.
도 16A 내지 도 l6C는 각종 숫돌의 연마특성을 비교한 도로서, 도 l6A는 셀프스톱기능을 가지는 경우를 나타내고, 도 16B 및 도 16C는 셀프스톱기능을 가지지 않은 경우를 나타낸다. 좌측의 도면은 연마속도추이를 나타내고, 가로축이 연마시간이며, 세로축이 연마속도이다. 중앙의 도면은 막두께 추이를 나타내고, 가로축이 연마시간이며, 세로축이 오목부 및 볼록부의 막두께이다. 우측의 도면은 블랭킷웨이퍼 (BL)와 반도체웨이퍼의 연마초기(Dl)와 반도체웨이퍼의 연마종기(D2)의 연마속도를 비교한 것이다.
도 17A 내지 도 17D는 잔류연마입자의 제거방법을 나타내는 도로서, 도 l7A는 브러시에 의한 방법을 나타내며, 도 17B는 롤브러시에 의한 방법을 나타내고, 도 17C는 워터제트에 의한 방법을 나타내며, 도 17D는 초음파유체를 사용한 방법을 나타낸다.
도 18A 및 도 18B는 본 발명의 제 l 실시예의 연마방법을 나타내는 도,
도 19는 제 1 단계 및 제 2 단계의 연마에 의한 막두께의 변화를 나타내는 도,
도 20A 및 도 20B는 막두께의 관리방법을 나타내는 도로서, 도 20A는 시간관리를 나타내고, 도 20B는 막두께 관리를 나타낸다.
도 21은 연마입자를 함유하지 않은 액체(W)와 연마입자를 함유하는 슬러리 (Q)의 변환기구를 나타내는 도,
도 22는 연마입자를 함유하지 않은 액체(W)와 연마입자를 함유하는 슬러리 (Q)의 변환기구의 플로우를 나타내는 도,
도 23은 본 발명의 제 2 실시예의 연마방법을 나타내는 도,
도 24는 드레싱동작의 변환기구를 나타내는 도,
도 25는 드레싱동작의 변환기구의 플로우를 나타내는 도,
도 26A 및 도 26B는 본 발명의 제 3 실시예의 연마방법을 나타내는 도,
도 27은 상기 방법에 가장 적합한 장치의 일예를 나타내는 평면도,
도 28은 상기 방법에 가장 적합한 장치의 다른예를 나타내는 사시도,
도 29는 도 28의 요부의 확대평면도,
도 30은 본 발명의 실시에 가장 적합한 연마장치의 전체구성의 일예를 나타내는 평면도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 관하여 도면을 참조하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 숫돌을 사용한 연마장치의 일예를 나타내는 도면이다. 이 연마장치는 표면에 연마포를 대신하여 직경 약 60 cm의 숫돌(15)을 부착설치한 턴테이블(5)과 연마중에 물 또는 연마입자를 함유하지 않은 약액(W)을 공급하는 액공급노즐(10)을 구비하고 있다. 그 밖의 연마대상기판(4)을 유지하는 톱링(1) 등의 구성은, 도 1에 나타내는 종래의 연마장치와 아주 동일하다. 여기서 숫돌 (15)의 연마면상에 물 또는 약액(W)을 공급하는 것은, 연마시의 연마면의 윤활과 화학반응의 촉진 및 연마에 의하여 생기는 열을 제거하는 냉각을 위함이다. 여기서 물 또는 약액(W)은 pH l 정도까지의 산, pH l2정도까지의 알칼리, 완충용액, 계면활성제, 산화제, 환원제, 초순수, 전해이온수 등이다. 일예로서 이 경우에는 2OOm1/min 정도의 물을 공급하고 있다. 물은 불순물을 함유하지 않는 초순수를 사용하여도 좋다. 연마대상기판인 반도체웨이퍼(4)는 톱링(1)에 의하여 탄성매트(2)를 거쳐 숫돌(15)상에 가압되면서 구동축(8)에 의하여 회전구동된다. 한쪽에서 숫돌(15)을 부착설치한 턴테이블(5)도 독립으로 회전구동되고, 여기서 반도체웨이퍼(4)의 피연마면이 숫돌(15)의 표면과 접촉하여 슬라이딩함으로써 연마가 진행된다.
또한 도 4에 나타내는 연마장치는, 종래의 연마포을 부착설치한 턴테이블에 슬러리형상의 연마액을 공급하는 것 대신에 숫돌을 사용하도록 한 것이다. 그러나 숫돌을 사용하여 피가공물의 표면을 평탄 또한 경면형상으로 연마하는 연마장치로서는 상기한 턴테이블형 외에, 스크롤형, 또는 컵형 등의 방식이 사용되고 있다.
스크롤형은 대좌(臺座)에 숫돌을 고정함과 동시에 연마대상기판을 유지부재에 유지하여, 양자를 상대적으로 순환병진운동하면서 슬라이딩함으로써 연마하는 방식이다. 컵형의 연마장치는 컵형상 또는 링형상의 숫돌을 지지부재에 고정하여 대좌에 연마대상기판을 고정한다. 그리고 연마대상기판의 피가공면에 컵형상 또는 링형상의 숫돌을 가압하여 슬라이딩함으로써 연마를 행하는 것이다. 이들장치에 있어서도 이하에 설명하는 조성의 숫돌을 사용함으로써, 연마가 진행되어 단차의 소멸후에 연마가 진행되지 않게 되는 셀프스톱기능을 발휘시킬 수 있다.
도 5 및 도 6A와 도 6B는, 스크롤형의 연마장치의 순환병진운동기구를 나타내는 도면이다. 여기서 순환병진운동이란, 2개의 면이 서로 마주 상대하는 자세를 바꾸지 않고 병진운동만으로 상대적으로 원 등의 순환운동을 하는 것이다. 이와 같은 장치에서는 숫돌판의 크기를 기판보다 조금 크게 할 뿐으로 좋다. 따라서 평탄도가 높은 숫돌판의 제조가 용이함과 동시에, 구동용 모터도 소형으로 가능하여 장치도 콤팩트하게 되고, 점유면적도 작아서 좋다. 이 장치는 순환병진운동하는 연마공구면을 제공하는 병진테이블부(31)와 웨이퍼(4)를 피연마면을 밑으로 향하게 하여 꽉 쥐고 소정압력으로 연마공구면을 가압하는 톱링(32)을 구비하고 있다.
병진테이블부(31)는 내부에 모터(33)를 수용하는 통형상의 케이싱(34)의 상부에 안쪽으로 고리형상으로 돌출한 지지판(35)이 설치되고, 이것에는 둘레방향에 3개이상의 지지부(36)가 형성되어 정반(37)이 지지되어 있다. 즉 이 지지부(36)의 상면과 정반(37)의 하면이 대응하는 위치에는 둘레방향으로 등간격으로 복수의 오목부(38, 39)가 형성되고, 이것에는 각각 베어링(40, 41)이 장착되어 있다. 그리고 이 베어링(40, 41)에는 도 6에 나타내는 바와 같이 "e"만큼 어긋난 2개의 축체(42, 43)를 가지는 연결부재(44)가 각 축체의 단부를 삽입하여 장착되고, 이에 의하여 정반(37)이 반경" e"의 원을 따라 병진운동가능하게 되어 있다.
또 정반(37)의 중앙하면측에는 모터(33)의 주축(45)의 상단에 편심하여 설치된 구동단(46)을 베어링(47)을 거쳐 수용하는 오목부(48)가 형성되어 있다. 이 편심량도 마찬가지로 "e"이다. 모터(33)는 케이싱(34)내에 형성된 모터실(49)에 수용되고, 그 주축(45)은 상하의 베어링(50, 5l)에 의하여 지지되어 있음과 동시에, 편심에 의한 부하의 균형을 취하는 밸런서(52a, 52b)가 설치되어 있다.
정반(37)은 연마해야 할 웨이퍼(4)의 지름에 편심량"e"을 더한 값보다 약간 큰 지름으로 설정되고, 2매의 판형상부재(53, 54)를 접합하여 구성되어 있다. 이들 부재의 사이에는 연마면에 공급하는 물 또는 약액 등의 액을 유통시키는 공간 (55)이 형성되어 있다. 이 공간(55)은 측면에 설치된 액공급구(56)에 연통하고 있음과 동시에, 상면으로 개구하는 복수의 액토출구멍(57)과 연통하고 있다. 정반 (37)의 상면에는 숫돌판(59)이 접착되어 있다. 이 숫돌판(59)의 액토출구멍(57)에 대응하는 위치에 토출구멍(58)이 형성되어 있다. 이들 토출구멍(57, 58)은 통상은 정반(37), 숫돌판(59)의 전면에 대략 균일하게 분산배치되어 있다.
가압수단인 톱링(32)은 샤프트(60)의 하단에 연마면에 맞추어 어느 정도의 경사이동을 가능하게 하여 설치되고, 도시 생략한 에어실린더의 가압력과 구동모터의 회전력이 샤프트(60)를 거쳐 이 톱링(32)에 전달된다. 이 톱링(32)의 기판유지부(61)에는 탄성시트(62)가 장착된다. 또한 케이싱(34)의 상부외측에는 연마면에 공급된 액을 회수하는 회수조(63)가 설치되어 있다.
이들 연마유닛에서의 연마공정을 설명하면, 모터(33)의 작동에 의하여 정반 (37)이 병진 원운동하고, 톱링(32)에 설치된 웨이퍼(4)는 정반(37)에 부착한 숫돌판(59)의 면상에 가압되어 있다. 연마액 공급구(56), 공간(55), 액토출구멍 (57, 58)을 거쳐 연마면에는 액이 공급되고, 이것은 숫돌판(59)의 면의 홈을 거쳐 숫돌판(59)과 웨이퍼(4)사이의 연마면에 공급된다.
여기서 숫돌판(59)의 면과 웨이퍼(4)면에는 반경"e"이 미소한 상대 병진 원운동이 생겨 웨이퍼(4)의 피연마면은 그 전면에 있어서 균일한 연마가 이루어진다. 또한 피연마면과 연마면의 위치관계가 동일하면, 연마면의 국부적인 차이에 의한 영향을 받기 때문에, 이것을 피하기 위하여 톱링(32)을 서서히 자전시켜, 숫돌판 (59)의 동일장소만에서 연마가 이루어지는 것을 방지하고 있다.
이들 연마에 사용되는 숫돌은, 연마에 의하여 피연마면의 단차가 평탄화된 후는 연마가 진행되지 않는, 이른바 셀프스톱기능을 가지는 숫돌이며, 연마입자로서 산화세륨(CeO2)등의 미세 분말이 사용되고, 바인더로서 폴리이미드 또는 페놀 등의 수지가 사용되고 있다.
또한 연마입자로서는 상기한 CeO2 외에, SiO2, A12O3, ZrO2, MnO2, Mn2O3 등이 사용된다. 또 바인더로서도 상기한 폴리이미드 또는 페놀수지 외에, 우레탄수지, 에폭시수지, 폴리비닐알콜수지 등을 사용하도록 하여도 좋다. 이들은 연마대상이 되는 반도체웨이퍼상에 형성되는 피막의 종류 및 연마입자와 바인더의 상성 등의 점에서 적절하게 선택된다.
숫돌은 경질(탄성계수가 매우 큼)이기 때문에, 연마패드를 사용하는 통상의 CMP와 비교하여 연마입자의 크기가 웨이퍼손상에 직접 영향을 준다. 예를 들어 도 7B에 나타내는 바와 같이, 통상의 연마패드(20)는 숫돌(21)과 비교하여 매우 연질이기 때문에, 위로부터의 하중에 의하여 연마입자(22)를 반도체웨이퍼(23)에 밀어 넣음과 동시에 패드(20)자신도 반도체웨이퍼(23)에 접촉한다. 즉 위로부터의 하중이 패드부분에도 분산되어 연마입자에만 집중하는 일이 없기 때문에, 연마입자(22)의 반도체웨이퍼의 손상에 대한 영향은 완화된다. 이에 대하여 숫돌(21)의 경우는 도 7A에 나타내는 바와 같이, 패드(20)에 비하여 매우 경질이고, 숫돌면은 반도체웨이퍼면에 접촉하기 어렵기때문에, 위로부터의 하중은 대략 연마입자 (22)에서만 받게 된다. 즉 1개의 연마입자(22)에 걸리는 하중이 통상의 CMP보다도 커지기 때문에, 반도체웨이퍼의 손상에 대한 영향은 당연 커진다.
이 대책으로서는 반도체웨이퍼와 접촉하는 연마입자의 수를 많게 하여 연마입자 하나 하나가 받는 하중을 경감시킬 필요가 있다. 예를 들어 입자지름 2㎛ 내지 0.5㎛로 l/4로 미세화한 경우, 도 8A 및 도 8B에 나타내는 바와 같이, 평면상에 깔아 채워지는 연마입자의 수는 16배로 증가한다. 따라서 연마입자가 받는 하중 (F)은 단순계산으로 1/16로 경감되게 된다. 상기와 같은 이유로부터 연마입자는 미세화하는 것이 바람직하다. 또 반도체웨이퍼의 손상완화에 대한 연마입자 미세화의 효과는, 통상의 CMP 이상으로 중요하다. 이와 같은 관점에서 연마입자의 크기는 2㎛이하, 바람직하게는 0.5㎛ 이하가 가장 적합하다.
숫돌을 청정실 내로 가지고 들어가 사용되기 때문에, 불순물을 함유하지 않는 것이 필수적이다. 일반적으로 불순물(특히 메탈)은 반도체디바이스의 성능에 악영향을 미치게 한다. 특히 엄격한 것은 연마용액중의 메탈농도이나, 연마입자중의 금속산화물성분에 있어서도 산, 또는 알칼리용액중에서 일부가 용해하여 이온상태로 되는 경우가 있다. 이온상태의 메탈성분은 절연막인 SiO2(산화)막속으로 침투하기 쉬워 절연막의 절연성능을 저하시킨다. 또 연마, 세정후의 웨이퍼에 대한 잔존금속오염도 다음공정 및 청정실의 오염이라는 관점에서 대단히 문제가 된다. 이와 같은 이유로부터 연마입자중의 불순물(연마입자 주성분이외의 메탈성분)은 적극 적은 쪽이 바람직하다. 예를 들어 CeO2연마입자의 경우, 순도는 5O% 이하가 일반적이나, 90% 이상의 순도를 가지는 연마입자를 사용한 숫돌의 경우의 실시예는 없다. 통상의 CMP의 슬러리의 경우에서는 메탈계 불순물, 예를 들어 철이 적어도 60 ppm 정도 함유되어 있으면, 세정후도 제거되지 않고 반도체웨이퍼 표면에 잔류한다. 철농도를 수 ppm 이하로 억제하면, 통상의 세정공정만으로 거의 제거할 수 있다. 따라서 90% 이상(바람직하게는 94% 이상)의 순도의 연마입자를 사용함으로서 연마에 있어서 메탈계 불순물에 의한 오염을 회피할 수 있다. 아울러 Na는 디바이스특성에 악영향을 미치게 하기 때문에, 연마입자중의 Na 농도는 1OO ppm 이하가 바람직하다.
사용하는 CeO2　연마입자의 입자지름과 손상의 양의 관계를 실험에 의하여 검토하였다. 평균입자지름 1.3㎛ 및 O.4㎛의 CeO2　연마입자를 사용하여 숫돌을 제작하였다. 바인더는 폴리이미드수지를 사용하였다. 제작은 후기하는 가열처리병용형의 건식가압성형법으로 행하였다. l.3㎛ 연마입자의 숫돌과, 0.4㎛ 연마입자의 숫돌로서, 반도체웨이퍼의 대미지(손상의 양)를 비교한 바, 0.4㎛ 연마입자로 함으로써 손상의 양이 l/10 정도로 저감되었다. 그러면서도 연마성능은 거의 동등하였다. 이 결과로부터 연마입자는 미세화한 쪽이 좋다고 할 수 있다.
연마장치에 있어서는 숫돌의 조직체에 고정된 연마입자에 연마대상기판의 피연마면의 볼록부가 슬라이딩함으로써, 연마가 진행됨과 동시에 슬라이딩면에 숫돌의 조직체로부터 이탈한 유리연마입자에 의하여 주로 연마가 진행된다고 생각된다. 즉 이와 같은 숫돌을 사용한 연마방법에 의하면, 숫돌은 종래의 연마포 (패드)와 비교하여 경질이기 때문에, 반도체기판상에 요철이 형성되어 있는 경우에는 볼록부에 숫돌의 연마면이 접촉함으로써 볼록부에 높은 면압이 작용한다. 이에 따라 볼록부가 숫돌의 연마면을 깎어 들고, 연마입자의 탈락을 야기한다. 이 조직체로부터 탈락한 유리연마입자에 의하여 연마가 진행된다. 단차가 없어져 평탄화한 후에는 탈락하는 연마입자도 적어져, 슬라이딩면이 톱링 및 턴테이블의 회전과 함께 이동하기 때문에 잔류연마입자가 슬라이딩면에 존재하지 않게 된다. 이 때문에 연마속도가 저하하여 연마의 셀프스톱기능이 작용한다.
또 이와 같은 숫돌을 사용한 연마방법에 의하면, 연마입자를 다량으로 함유하는 슬러리형상의 연마액을 사용하는 일 없이 연마를 행할 수 있기 때문에, 고가의 반도체연마용의 연마액을 사용할 필요가 없어져, 연마공정의 비용을 저감할 수 있음과 동시에, 그 폐액의 처리가 매우 용이하게 되어 환경문제에 대한 부하가 저감된다. 마찬가지로 소모부재인 연마포을 사용할 필요도 없어져 연마공정의 비용을 저감할 수 있다.
도 9는 숫돌의 조직체내에 있어서의 연마입자와 바인더와 기공과의 조성비 (체적비)에 의한 셀프스톱기능에 관한 실험예를 나타내는 도면이다. 도면에 있어서 ▲는 바인더가 페놀수지인 것을 나타내며,
Figure 111999018206524-pct00001
는 바인더가 폴리이미드수지인 것을 나타내고, □는 바인더가 우레탄수지인 것을 나타낸다. 이 경우에는 연마입자로서 CeO2 가 사용되고 있다.
본 발명자 들의 실험예에 의하면, 도면에 있어서 B로 표시된 영역의 조성비를 가지는 숫돌에 의하여, 양호한 셀프스톱기능을 얻을 수 있다. 즉 연마입자로서는 체적비가 전체의 10% 이상이고, 또한 바인더량의 2배 이하의 범위가 적당하다. 연마입자의 양이 바인더량의 2배 이상이 되면, 연마입자가 자생하기 쉽게 되어, 슬라이딩면에 있어서의 유리연마입자의 양이 지나치게 많아 셀프스톱기능이 없어진다. 또 숫돌이 감모되기 쉽고, 또한 무너지기쉬운 등의 기계적 강도가 부족한 문제가 있다. 또한 숫돌의 성형시에 균열이 생기기 쉽기 때문에, 성형이 어려워진다. 또 연마입자의 양이 전체의 체적비 10% 이하로 지나치게 적으면, 유리하는 연마입자의 양이 적어지기 때문에, 연마속도가 너무 느려, 반도체디바이스의 생산 등에 있어서의 스루풋이 저하한다.
또 바인더의 양으로서는 연마입자량의 절반이상이고 또한 전체의 체적비 60% 이하가 가장 적합하다. 바인더의 양이 연마입자량의 절반이하가 되면, 조직체내에 있어서의 연마입자의 유지력이 약하기 때문에, 연마입자가 자생하기 쉽고, 이에 의하여 유리연마입자가 증대하기 때문에 셀프스톱기능이 없어진다. 또 숫돌이 감모되기 쉽고 또한 무너지기 쉬운 등의 문제가 있다. 또 바인더의 양이 전체의 60% 이상이면, 숫돌의 조직체내에 있어서의 연마입자의 유지력이 지나치게 강하여 연마입자가 자생하기 어렵기 때문에 연마속도가 극단적으로 낮아진다. 또 숫돌의 기계적인 강도가 지나치게 강하기 때문에, 반도체웨이퍼 등의 피연마면을 손상할 염려가 있다.
기공의 양으로서는 10∼40% 가 가장 적합하다. 기공의 양이 l0% 이하로 적으면, 바인더의 양이 지나치게 많은 경우에는 상기한 바와 같이 연마입자의 유지력이 지나치게 강하여 연마입자가 자생하기 어렵기 때문에, 연마속도가 저하한다. 또 바인더의 양에 대하여 연마입자량이 지나치게 많은 경우에는, 연마입자가 극단적으로 자생하기 쉬워져 셀프스톱기능이 듣지 않게 된다. 또 기공의 양이 40% 이상으로 많으면, 숫돌의 기계적강도가 저하하여 전체로서 취약해지고, 또 감모되기 쉬워 무너지기 쉽다. 그리고 연마입자가 자생하기 쉽기 때문에 마찬가지로 셀프스톱기능이 듣지 않게 된다. 또한 도 9의 점선으로 둘러싸인 범위는 연마입자 10∼60%, 바인더 30∼60% 및 기공 l0∼40%의 범위이다. 특히 연마입자 20∼50%, 바인더 35∼55%, 기공15∼30% 가 바람직하다.
도 10 및 도 11A, llB, 11C는, 연마입자 : 바인더 : 기공 = 30 : 45 : 25이고, 연마입자로서 CeO2(산화세륨), 바인더로서 폴리이미드를 사용하여 구성한 숫돌(도 9에 있어서의 A점에 나타냄) 등의 상기한 셀프스톱기능를 얻을 수 있는 영역내의 숫돌을 사용하여 요철을 가지는 반도체웨이퍼 표면을 연마한 예를 나타낸다. 도시한 바와 같이, 볼록부는 연마초기에 있어서는 약 20000Å 이상 있고, 이것이 시간(상대시간)(1)의 사이에 l5000Å 이하로 연마가 진행되나, 그 시간의 2배의 시간(2)까지 연마를 계속하여도, 그 후는 오목부의 막두께와 같아진 채로 막두께가 유지된다. 즉 볼록부만이 우선적으로 연마되어 그동안에 오목부는 연마되지 않는다. 이에 의하여 단차를 해소하여 요철의 면을 평탄화하는 것이 용이하고, 그 후는 연마를 행하더라도 막두께가 변화하지 않기 때문에, 이른바 연마가 자동적으로 정지하는 셀프스톱기능이 작용한다. 이 때문에 연마의 시간관리가 용이해지고 프로세스의 허용범위(프로세스 윈도우)가 넓어진다. 또 오목부의 초기막두께를 그대로 남길 수 있기 때문에, 연마후의 잔막의 두께의 설계가 용이해진다. 또 반도체웨이퍼면내에서 연마속도가 느린 영역이 있더라도 빠른영역에서는 평탄화후에는 연마가 실질적으로 거의 정지하여, 외견상 대기하고 있는 것이 된다. 그 동안에 연마속도가 느린 영역의 연마가 진행되어 평탄화되기 때문에, 결과적으로 반도체 웨이퍼면내의 평탄면의 균일성이 향상한다.
도 llA, 1lB, llC는 이 때의 반도체웨이퍼 표면의 피연마면의 요철의 변화를 나타낸다. llA는 연마초기를 나타내며, llB는 상기한 연마시간이 l 인 연마중기를 나타내고, 1lC는 상기한 연마시간이 2인 연마종기를 나타낸다. 도시하는 바와 같 이, 볼록부가 우선적으로 연마되고, 시간 1에서 단차가 해소되어 시간 2까지 연마를 계속하더라도 평탄화후는 연마가 진행되지 않음을 나타내고 있다.
도 12는 비교예로서 셀프스톱기능이 작용하지 않는 숫돌(연마입자 : 바인더 : 기공 = 50 : l5 : 35, 도 9에 있어서 부호 C로 나타냄)의 연마특성의 예를 나타낸다. 도 13A는 연마초기(시간 0)의 상태를 나타내며, l3B는 연마중기(시간 1)의 상태를 나타내고, 13C는 연마종기(시간 2)의 상태를 나타낸다.
이 경우는 도 9에 나타내는 바와 같이, 바인더의 비율이 낮고, 숫돌이 물러 조직체로부터 연마입자가 자생하기 쉬운 숫돌이다. 먼저 시간 1까지는 볼록부만이 우선적으로 연마되고, 그 동안 오목부는 거의 연마되지 않는다. 이에 의하여 요철면의 단차의 해소는 용이하나, 그 후도 유리연마입자의 존재에 의하여 연마가 진행된다. 이 때문에 시간 2에 있어서는 평탄면 자체의 막두께가 연마의 진행에 의하여 감소한다. 이 때문에 단차의 해소는 용이하나, 그 후도 연마가 진행되기 때문에, 프로세스 허용범위(프로세스 윈도우)가 좁고, 또한 단차해소전과 해소후에 연마속도가 변화되기 때문에, 연마시간의 관리가 어려워진다.
도 14는 숫돌의 연마면을 드레싱(날을 세움)한 후의 블랭킷웨이퍼의 연마특성을 나타내는 도면이다. 도면에 있어서 가로축은 드레싱후의 숫돌을 사용한 연마시간이며, 세로축은 연마속도(Å/min)이다. 숫돌의 연마면을 드레싱(날을 세움)한 직후는, 많은 유리연마입자가 잔류하고 있기 때문에, 이대로 연마하면 부호 a로 나타내는 바와 같이 연마속도가 빠르다. 이 숫돌의 상태로 표면에 요철패턴을 가지는 반도체웨이퍼의 피연마면을 연마하면, 볼록부가 깎여 평탄화되어 단차는 해소되 나, 그 후도 연마가 진행되어 도 12에 나타내는 경향과 유사한 현상이 나타난다. 이 때문에 셀프스톱기능이 작용하지 않는다. 셀프스톱기능이란 기판의 단차가 해소되어 평탄해지면, 이 이상 연마를 행하더라도 연마가 진행되지 않는 것, 즉 막두께가 거의 변화되지 않는 일이다. 이것은 표면에 요철패턴을 가지지 않는 블랭킷웨이퍼에서는 연마가 진행되지 않는 것과 동등하다. 따라서 드레싱후의 숫돌을 사용하는 경우에는, 블랭킷웨이퍼를 사용하여 사전에 연마속도가 충분히 저하하여 안정된 상태로 하여 두면, 연마대상의 요철의 패턴을 가지는 반도체웨이퍼의 연마시, 셀프스톱기능을 효과적으로 끌어 낼 수 있다.
즉, 반도체디바이스 웨이퍼의 연마전에, 드레싱후의 숫돌은 충분히 블랭킷 웨이퍼를 사용하여 연마를 행하여, 도면의 부호 b로 나타내는 바와 같이 그 연마속도가 충분히 저하하고 나서 반도체디바이스 웨이퍼를 연마함으로써 도 10에 나타내는 셀프스톱기능을 효과적으로 끌어 낼 수 있다.
숫돌은 예를 들어 후기하는 가열처리병용형의 건식가압성형법으로 제작하는 경우는 연마입자분말과 바인더분말의 혼합, 금형에 대한 충전, 숫돌성형 (가압+가열), 냉각, 대판에 접착부착, 숫돌의 연마면의 연삭(평면내기)의 순서로 제작한다. 최종적으로 연삭레벨에서 마무리되는 숫돌면의 평면도는 ±l0O㎛ 정도이나, 이 정도의 평면도에서는 반도체웨이퍼를 가압하여도 극히 일부밖에 접촉하지 않기 때문에, 이른바 한쪽 맞댐이 되어 적정한 연마를 행할 수 없다. 따라서 반도체웨이퍼의 연마에 제공하기 위해서는 예를 들어 다이아몬드 연마입자(# 100 또는 # 200)를 니켈전착한 드레서와 같은 지그를 숫돌면에 가압하여 예를 들어 4OOg/cm2 정도로 1O분정도 숫돌면을 드레싱하여 평탄화할 필요가 있다. 이것을 숫돌면의 형상수정이라 부르기로 한다. 반도체디바이스 웨이퍼의 연마에 사용하기 위한 최종적인 숫돌면의 평탄도는 ±30㎛ 정도 이하로 하는 것이 바람직하다.
형상수정된 직후의 숫돌면은 도 15A에 나타내는 바와 같이 드레서로, 이른바 갈아진 것처럼 되어 표면에 유리화한 연마입자(22)가 다량으로 존재하는 상태로 되어 있다. 이 상태에서 블랭킷웨이퍼를 연마하면, 도 14의 부호 a와 같이 연마속도가 빨라진다. 이 상태에서 반도체디바이스 웨이퍼를 연마한 경우는, 양호한 단차특성을 유지하면서 평탄화되나, 도 12 및 13에 나타내는 바와 같이, 평탄화후도 반도체웨이퍼는 계속 연마된다. 이에 대하여 도 l5A에 나타내는 바와 같은 형상수정후의 숫돌 표면의 다량의 잔류연마입자(22)를 제거하면, 숫돌 표면은 도 15B와 같이 된다. 이 상태에서 블랭킷웨이퍼를 연마하면, 도 14의 부호 b와 같이 연마속도가 매우 느려진다. 이 상태에서 반도체디바이스 웨이퍼를 연마한 경우는, 양호한 단차특성을 유지하면서 평탄화됨과 동시에, 평탄화후는 반도체웨이퍼가 거의 연마되지 않는 특성이 얻어진다. 즉 평탄화되면 마치 자동적으로 연마가 정지한 것 같은 상태가 되어 셀프스톱효과가 생긴다.
셀프스톱효과의 작용원리는 다음과 같이 생각된다. 반도체디바이스 웨이퍼표면에는 미소한 요철형상이 형성되어 있다. 반도체디바이스 웨이퍼를 숫돌면에 가압하면, 미소한 요철형상이 드레서의 역활을 다하여, 드레싱(다이아몬드 연마입자의 지름은 100∼300㎛ 정도)정도의 날세움 효과는 얻어지지 않으나, 미소한 요철형상이 숫돌 표면으로 파고 들어가 연마입자를 긁어 내는 효과를 가진다. 도 15B와 같은 숫돌면에서는 블랭킷웨이퍼를 연마하여도 거의 깎이지 않는 것은 도 14의 부호 b에 나타내는 바와 같다. 이 상태에서 반도체디바이스 웨이퍼를 깎으면, 숫돌면이 소프트하게 드레싱(날을 세움)되어 연마입자가 긁어내지기 때문에, 도 15A의 상태에 근접하고, 이 연마입자에 의하여 반도체디바이스 웨이퍼의 볼록부가 연마된다. 반도체디바이스 웨이퍼의 볼록부의 연마가 종료하여 평탄화되면, 블랭킷웨이퍼와 같은 상태가 되어, 드레싱효과도 없어져 연마입자가 긁어내지지 않게 되기 때문에, 숫돌 표면은 도 l5B와 같은 상태로 되돌아간다. 이 때문에 연마의 진행이 거의 정지한다.
또한 어떠한 숫돌이라도 상기와 같은 처치를 실시하면, 셀프스톱효과가 발휘되는 것은 아니며, 숫돌 조성조건에 따라 다르다. 숫돌의 반도체디바이스 웨이퍼 연마특성은, 도 l6A, 16B, 16C에 나타내는 바와 같이, 크게 3가지로 구별된다. 드레싱후에 블랭킷웨이퍼의 연속연마를 행하면, 특성의 차이가 명확해진다. 처음에는 연마속도가 빠르나, 그 후 급격하게 저하하여 안정화되는 것 같은 숫돌의 경우에 한하여, 단차가 해소됨과 동시에 셀프스톱효과가 발현한다(도 l6A 참조). 또 연마속도가 빠른채로 급격한 저하가 보이지 않는 것 같은 숫돌의 경우는 단차는 해소되나, 그후도 깎이기 때문에, 셀프스톱효과는 보이지 않는다(도 l6B 참조). 처음부터 연마속도가 낮아 즉시 저하안정화되는 것 같은 숫돌의 경우는, 반도체디바이스 웨이퍼가 가지는 소프트한 드레싱능력으로서는 연마입자가 긁어내지지 않기 때문에, 거의 연마할 수 없어 단차해소는 물론, 셀프스톱효과도 보이지 않는다(도 16C 참조). 상기한 도 16A와 같은 특성을 가지는 숫돌은 상기한 연마입자, 바인 더, 기공의 조성비가 도 9에 나타내는 영역 B내의 조성조건을 만족하는 숫돌이다. 이 범위밖에서 바인더율이 적은 숫돌이나 기공율이 많은 숫돌의 경우는, 비교적 유연한 숫돌의 경우로서, 도 l6B와 같은 특성을 볼 수 있다. 또 도 l6C와 같은 특성은, 바인더율이 많은 숫돌이나 기공율이 적은 숫돌의 경우이며, 비교적 단단한 숫돌의 경우에 볼 수 있다.
숫돌에 의한 반도체디바이스 웨이퍼의 연마에 있어서 셀프스톱효과를 발휘시키기 위해서는, 연마전에 드레싱후의 숫돌 표면으로부터 잔류하는 다량의 연마입자를 제거하여 둘 필요가 있다. 그 제거방법의 하나는, 상기한 바와 같이 블랭킷웨이퍼를 연속연마하여 연마속도를 저하안정화시키는 방법이다. 이와 같은 방법에 의하면, 블랭킷웨이퍼를 숫돌 표면에 가압하여 회전하면서 연마면에 물 등을 공급하기 때문에, 연속적으로 연마함으로써 숫돌 표면의 잔류연마입자가 효과적으로 제거된다. 단 숫돌면에 가압하는 것은 블랭킷웨이퍼에 한정되는 것이 아니라, 기본적으로 평활면을 가지는 경질재의 기판이면 좋다. 예를 들어 석영유리기판이나 세라믹기판이어도 좋고, 이들 기판을 더미기판으로서 숫돌면에 가압하여 회전하면서 연마면에 물 등을 공급함으로써 연마입자의 제거를 행한다. 더미기판은 통상의 반도체웨이퍼 캐리어(톱링)에 척(유지)가능하게 하기 위하여 일반의 반도체웨이퍼와 같은 정도의 크기와 두께(lmm 이하)인 것이 바람직하다. 물론 이것보다 두께가 있는 기판을 사용하여도 좋으나, 그 경우는 척(유지)을 가능하게 하는 것 같은 전용유지기구의 부가(예를 들어 가이드링을 두껍게 하는 등)가 필요하다. 또한 기판의 가압회전시에는 반드시 물 등의 액체를 공급하는 것이 필요하고, 공급하는 액체는 연마면을 냉각하는 효과와 연마입자를 외부로 운반해가는 효과를 가진다.
운전조건은 예를 들어 블랭킷웨이퍼의 경우에는 테이블숫돌/기판 = 5O/35 rpm, 기판면압 = 5OOg/cm2 (웨이퍼연마면압 상당), 물공급량 = 200 ml/min, 총연마시간 = l0분 정도이다.
다른 방법으로서는, 숫돌면(15)을 블랭킷웨이퍼 대신에 브러시(25)로 물세정하여 제거하는 방법(도 17A 참조)이나, 롤브러시(26)로 물세정하여 제거하는 방법(도 17B 참조)이 있다. 이들 방법에 의하여 잔류연마입자가 제거되어, 적절하게 거칠어진 숫돌면(30㎛ 정도 이하의 요철)만이 남는다. 운전조건은 예를 들어 테이블숫돌/브러시는 20/l2rpm, 브러시면압은 2OOg/cm2, 물공급량은 2OOm1/min, 제거시간 은 l 분정도이다. 브러시(25)를 사용하는 경우는 굵기 1 mm 이하로 비교적 유연한 털끝의 브러시가 바람직하며, 이것을 회전시키면서 숫돌면(15)에 가압하여 물 등의 액체(W)를 공급하면서 연마입자를 제거한다.
또 워터제트(27) 등의 액유체압(도 17C 참조), 또는 초음파유체원(28) 등의 초음파유체(28a)(도 17D 참조)등으로 세정하여 제거하는 방법 등이 있다. 워터제트(27)를 사용하는 경우는, 워터제트(27)의 수압력으로서는 5kPa 이하, 바람직하게는 2kPa 이하로 행하는 편이 좋다. 이 방법에 의하여 잔류연마입자가 제거되어, 적절하게 거칠어진 숫돌면(30㎛ 정도 이하의 요철)만이 남는다. 과대한 수압력을 사용하면 잔류연마입자의 제거뿐만 아니라, 적절하게 거칠어진 숫돌면이 무너져 평활화하여 반도체디바이스 웨이퍼가 가지는 드레싱효과가 듣지 않게 되는 경우가 있다. 초음파유체(28a)도 상기한 이유로 발신주파수 및 강도 등을 적절하게 조정하는 것이 바람직하다.
초음파유체에 의한 제거방법에서는 주파수 20 kHz, 출력 50 W 정도, 시간수분간정도로 하여 물을 200 m1/min 정도 공급하면서 행한다. 숫돌 전면을 효과적으로 처리하기 위하여 처리중에는 초음파유체원(28)을 숫돌면(15)의 중심과 바깥둘레의 사이에서 왕복이동시키는 것이 바람직하다. 또 초음파폰과 숫돌의 거리는 1 mm 정도나 그것 이하가 바람직하다. 또한 초음파폰 외에 캐비제트 또는 메가제트(상품 명)등의 수압류를 사용하여도 좋다. 이들 방법에 의하여, 잔류연마입자가 제거되어 적절하게 거칠어진 숫돌면(30㎛ 정도 이하의 요철)만이 남는다. 단 과대한 출력으로 장시간처리를 행하면 잔류연마입자의 제거뿐만 아니라, 적절하게 거칠어진 숫돌면도 무너져 소실할 가능성이 있다.
드레싱후에 상기와 같은 숫돌면의 처치를 행하면, 단기적으로는 반도체디바이스 웨이퍼의 연마속도는 안정된다. 단 연마를 거듭하면, 연마속도가 조금씩 저하하는 경우가 있다. 이 날세움(소프트드레싱)은, 먼저 나타낸 숫돌면의 형상수정을 위한 드레싱과는 달리, 숫돌면을 적절하게 거칠게 하는 것이 목적이기 때문에, 기본적으로는 면압 1OOg/cm2 이하의 소프트조건으로 행하는 것이 바람직하다. 소프트조건으로 날세움을 행하면, 그 후의 숫돌 표면의 연마입자 제거조작은 필요없거나 또는 필요하더라도 단시간으로 된다. 예를 들어 운전조건으로서는 다이아몬드입도 # 2OO, 드레서면압 = 5Og/cm2 이하, 소요시간 = l 분이내 정도가 가장 적합하다. 이 방법에 의하여 숫돌면에 수십 ㎛ 이하 정도의 미소한 요철이 형성된다.
다음에 본 발명의 폴리싱용 숫돌의 제조방법의 개략을 설명한다. 일반적으로는 가열처리병용형의 건식의 가압성형방법이 사용된다. 이것은 연마입자재 분말과 바인더재 분말을 일정한 비율로 균일혼합한 혼합분말을 소정의 금형내에 일정량충전하고, 이것을 단계적으로 프레스 등에 의하여 가압하면서 소정의 압력까지 올리고, 동시에 가열하면서 소정의 치수로 성형하는 방법이다. 가열처리를 병용함으로써 바인더재가 연화되어, 인접하는 연마입자에 부착함으로써, 전체로서 강고한 조직체가 만들어진다. 그 외에 예를 들어 이하와 같은 습식의 숫돌의 제조방법이 있다. 먼저 용기에 넣은 유기용제(예를 들어 에타놀)를 준비하여 이것에 바인더재인 폴리이미드수지 등의 원료(액체 또는 분체)를 용기중에 주입한다. 다음에 바인더재가 용해된 유기용제중에 연마입자를 혼합한다. 이 실시예로서는 연마입자로서 CeO₂를 사용하고, 그 투입량은 바인더재에 대하여 상기한 조성비가 되도록 결정한다. 그리고 교반장치를 사용하여 바인더재를 유기용제로 희석한 액속으로 연마입자가 균일하게 분산되도록 교반한다.
다음에 연마입자가 바인더재에 분산된 액을 트레이에 흘려넣어, 진공오븐속에서 예를 들어 50℃ 정도로 2시간정도 가열함으로써 액의 건조를 행한다. 이 건조에 의하여 액중의 유기용제가 휘산하여 연마입자에 바인더재가 부착한 중간체가 고체형상으로 형성된다. 다음에 고체형상의 중간체를 분쇄하여 분말형상으로 하고, 예를 들어 바닥판을 가지는 통형상의 금형내에 연마입자에 바인더가 부착된 분말형상의 중간체를 넣어, 상판에 프레스 등에 의하여 압력을 주어 아래쪽으로 누른다. 이에 의하여 연마입자에 바인더가 부착된 분말형상의 중간체는 압축되어, 고형물로 된다. 이 압축성형에 의하여 숫돌의 형상이 결정된다. 이 압축성형된 고형물을 화로에 넣어 열처리한다. 이 열처리에 의하여 바인더가 가열되어 연화(겔화) 하여 인접하는 연마입자에 부착된 바인더와 융합함으로써, 전체로서 강고한 조직체가 이루어진다.
즉 이 조직체에 있어서는 연마입자가 분산되어 배치되고, 연마입자 사이를 바인더가 연결하여 유지하고 있어 이들 사이에 빈구멍부(기공)가 존재하고 있는 구조가 얻어진다. 이 기공은 주로 분말형상의 중간체를 압축성형할 때, 각 분말사이에 공기가 들어가 형성되는 것으로 생각된다. 　따라서 조직체내에 있어서의 기공의 조성비는 이 압축성형시의 압축율에 의하여 제어가능하다.
또한 셀프스톱기능을 가지는 숫돌의 연마입자 및 바인더의 종류로서, CeO2및 폴리이미드수지 또는 페놀수지 등을 예시하였으나, 상기한 설명중에 기재되어 있지 않은 종류의 연마입자 및 바인더이더라도 셀프스톱기능을 발휘할 수 있는 숫돌을 구성할 수 있음은 물론이다.
이와 같은 숫돌을 사용한 연마방법에 있어서는, 상기한 바와 같이 볼록부만이 연마되어 평탄화가 용이하다는 이점이 있으나, 특정한 조성조건의 숫돌에서는 평탄화후는 더이상 연마가 진행되지 않는다. 그러나 이와 같은 특성에도 불구하고소정의 나머지 막두께까지 더욱 증삭을 하고 싶은 경우가 있다. 이와 같은 단차해소후의 증삭은 상기한 숫돌을 사용한 연마방법에서는 불가능하다. 본 발명의 기판 의 연마방법은 제 l 단계의 숫돌을 사용하여 단차를 평탄화하는 연마와, 제 2 단계의 원하는 나머지 막두께로 증삭을 행하는 연마로 구성되어 있다.
도 l8A, 18B는 본 발명의 제 1 실시예의 기판의 연마방법을 모식적으로 나타낸 것이다. 제 l 단계 도 l8A는 상기한 숫돌을 사용한 연마장치에 의한 연마이다. 이 숫돌은 표면에 요철이 형성된 반도체웨이퍼 등을 액공급노즐(10)로 물(W)의 공급만으로 연마함으로써, 볼록부만이 우선적으로 연마되어 단차가 해소되면, 연마속도가 급격하게 저하하는 셀프스톱기능을 가진다. 그러나 연마후의 잔막의 두께를 소정치로 제어할 필요가 있는 경우에는, 상기한 숫돌을 사용한 연마에서는 셀프스톱기능에 의하여 시간을 들여 연마를 계속하더라도, 연마는 조금도 진행되지 않는다.
이 때문에 먼저 시간관리로 기판표면의 단차의 해소를 인식한다. 그리고 제 2 단계 도 l8B에서는 제 1 단계와 같은 연마장치를 사용하여 제 1 단계에서의 물의 공급으로 바꾸어 유리연마입자를 다량으로 함유하는 연마슬러리를 공급하면서 증삭을 행한다. 이 연마슬러리의 공급은 슬러리공급노즐(9)로부터 종래의 화학·기계적연마에 사용하는 것과 같은 유리연마입자를 다량으로 함유하는 연마슬러리(Q)를 사용한다. 예를 들어 SC-l(Cabot사 제품의 제품명)등의 콜로이달실리카계 슬러리가 가장 적합하다. 연마슬러리의 공급에 의하여 숫돌의 연마면에는 다량의 유리연마입자가 존재함으로서 이에 의하여 종래의 화학·기계적 연마(CMP)와 같은 빠른 연마속도가 얻어진다.
도 19는 상기한 연마의 각 단계를 모식적으로 나타내는 도면이다. 제 1 단 계는 평탄화를 위한 연마이며, 숫돌을 사용한 연마장치에 의하여 볼록부만이 우선적으로 연마되어 단차가 해소된다. 단차의 해소후는 연마속도가 급격하게 저하하기 때문에, 단차의 해소에 필요한 시간에 여유를 본 연마시간을 설정함으로써 제 1 단계의 연마시간관리를 행하게 된다. 제 2 단계의 연마는 증삭을 위한 연마로서 소정량의 막두께를 연마한다. 이 연마는 도 l8B에 나타내는 숫돌을 그대로 사용하여 슬러리공급노즐로부터 그 숫돌위에 연마슬러리를 공급함으로써 행하는 것은 상기한 바와 같다. 그 경우의 연마속도는 사용하는 연마슬러리의 종류에 의하여 결정되기 때문에, 비교적 단시간의 연마에 의하여 원하는 나머지 막두께(Ax)를 얻을 수 있다. 또 이 연마는 평탄면에서의 연마이기 때문에, 화학·기계적 연마에 의하여 기판표면의 전면에 걸쳐 균일한 연마속도가 얻어져, 완성품도 균일한 막두께의 평탄면이 얻어진다.
원하는 나머지 막두께를 얻기 위해서는, 시간관리와 막두께관리의 2가지 방법이 있다. 도 20A는 시간관리의 경우를 나타내며, 도 18A에 나타내는 숫돌을 사용한 연마장치에 의하여 시간 Tl까지 연마한다. 이에 의하여 기판표면의 평탄화가 달성된다. 그리고 도 18B에 나타내는 바와 같이, 슬러리공급노즐로부터 연마슬러리를 공급하면서, 시간(T2)까지 증삭의 연마를 행한다. 상기한 바와 같이, 사용하는 연마슬러리의 종류에 따라 연마속도가 결정되기 때문에, 이에 의하여 원하는 막두께를 증삭함으로써 표면의 평탄상태를 유지하면서 원하는 나머지 막두께로 연마할 수 있다. 도 20B는 막두께관리의 경우를 나타낸다. 도 l8A에 나타내는 숫돌을 사용한 연마장치에 의하여 연마를 함으로써, 단차를 해소하여 막두께(A1)까지 평탄 화한다. 그리고 막두께를 모니터하면서 나머지 막두께(A2)까지 도 18B에 나타내는 연마슬러리를 사용한 연마에 의하여 증삭을 행한다. 이 경우에는 막두께를 모니터하면서 연마를 행하기 때문에, 정확한 나머지 막두께를 얻을 수 있다.
제 1 단계의 연마에서 공급하는 「연마입자를 함유하지 않은 액체」와, 제 2 단계의 연마에서 공급하는 「연마입자를 함유하는 연마슬러리」는, 도 22에 나타내는 플로우를 따라, 도 2l에 나타내는 전자밸브(X1, X2, Yl, Y2)의 개폐상태를 조작하여 구분하여 사용된다. 예를 들어 연마시작전의 각 밸브는 도 22에 나타내는 초기 상태로 하여 두고, 각 액은 배관과 탱크(TKl, TK2)의 사이에서 순환하도록 한다. 제 1 단계의 연마는, 변환기에 의하여 각 밸브를 도 22의 제 1 단계연마에 나타내는 상태로 하여 두고, 노즐(10)로부터의 물(W)의 공급만으로 연마를 행하도록 한다. 제 1 단계의 연마종료는 시간관리로 하고, 도 20A에 나타내는 시간(Tl)을 연마종료시간으로 한다. 시간(T1)검출후에 제 2 단계의 연마를 시작한다. 제 2 단계의 연마는 변환기에 의하여 각 밸브를 도 22의 제 2 단계연마에 나타내는 상태로 하여 노즐(9)로부터의 연마슬러리(Q)의 공급만으로 연마를 행하도록 한다. 제 2 단계의 연마종료는 시간관리 또는 막두께관리로 하고, 도 20A에 나타내는 시간 (T2), 도 20B에 나타내는 막두께(A2)를 검출하면 연마종료로 한다.
도 23A, 23B는 본 발명의 제 2 실시예의 연마방법을 나타낸다. 도 23A는 제 1 단계의 연마에 사용하는 연마장치를 나타내며, 이것은 상기한 숫돌에 의한 연마장치이다. 도 23B에 나타내는 제 2 단계의 연마장치는, 상기한 연마장치에 다이아몬드 드레서(16)를 부가한 것이다. 다이아몬드 드레서(16)는 숫돌(15)의 접촉면에 입도 # 200정도의 다이아몬드의 미세 분말을 고착한 것으로, 숫돌(15)의 연마면의 드레싱(날을 세움)을 물(W)을 숫돌(15)에 공급시켜 행한다. 도시하는 바와 같이, 회전하는 턴테이블(5)의 한쪽에서 반도체웨이퍼의 숫돌에 의한 연마를 행하고, 동시에 다른쪽에서 다이아몬드 드레서(16)를 숫돌의 연마면에 접촉함으로써 숫돌의 연마면의 드레싱(날을 세움)을 행한다. 이 경우도 액공급노즐(10)로 물(W)을 공급하고 있다.
제 2 실시예의 연마방법에 있어서의 제 1 단계 연마와 제 2 단계 연마는, 도 24에 나타내는 변환장치를 사용하여 도 25에 나타내는 플로우에 의거하여 전환한다. 예를 들어, 연마시작전의 각 밸브 및 드레서는 도 25에 나타내는 초기상태로 한다. 제 1 단계의 연마는, 변환기에 의하여 밸브와 드레서를 도 25의 제 1 단계 연마에 나타내는 상태로 하여 두고, 노즐(10)로부터의 물(W)의 공급만으로 연마를 행하도록 한다. 제 1 단계의 연마종료는 시간관리로 하고, 도 20A에 나타내는 시간(T1)을 연마종료시간으로 한다. 시간(T1)검출후에 제 2 단계의 연마를 시작한다. 제 2 단계의 연마는 변환기에 의하여 드레서를 도 25의 제 2 단계 연마에 나타내는 상태로 하고, 노즐(10)로부터의 물(W)의 공급과 드레서(16)에 의한 드레싱으로 연마를 행하도록 한다. 또한 드레서(16)의 일반적인 운전조건은 회전수 3Orpm, 면압 5Og/cm2정도이다. 제 2 단계의 연마종료는 시간관리 또는 막두께 관리로 하고, 도 20A에 나타내는 시간(T2), 또는 도 20B에 나타내는 막두께(A2)를 검출하면 연마종료로 한다.
도 26은 본 발명의 제 3 실시예의 연마방법을 모식적으로 나타내며, 도 27은 이 연마장치의 평면도를 나타낸다. 도 26A에 나타내는 숫돌(15)을 사용한 연마장치에 의한 제 l 단계의 연마가 종료한 반도체웨이퍼(4)를 도 26B에 나타내는 바와 같이, 연마포(6)를 사용한 종래의 화학·기계적 연마에 의한 연마장치에 옮겨 연마를 속행한다. 이 화학·기계적 연마장치는 종래의 기존의 장치를 유용하여도 좋으나, 숫돌을 사용한 연마장치내에 배치하여, 양자를 보완적으로 이용하도록 하여도 좋다. 즉 셀프스톱기능을 가지는 숫돌을 사용한 연마에서는 물 또는 연마입자를 함유하지 않은 약액을 공급하기 때문에, 반도체웨이퍼의 표면에 형성된 요철의 단차가 해소되어 평탄화되면, 셀프스톱기능이 작용하여 이 이상 연마를 속행하더라도 막두께는 변하지 않으며 연마는 진행되지 않는다. 이에 대하여 종래의 화학·기계적 연마는, 연마포가 탄성을 가지기 때문에 볼록부뿐만 아니라 오목부에도 외부로부터 슬러리로서 공급되는 유리연마입자가 작용하여 양자 모두 연마되기 때문에 단차가 좀처럼 해소되지 않는다는 단점이 있으나, 평탄면을 비교적 빠른 연마속도로 연마할 수 있고, 그 연마결과도 또 균일한 평탄면를 얻을 수 있다는 이점이 있다. 이 때문에 제 1 단계의 물 또는 연마입자를 함유하지 않은 약액공급하에서의 숫돌에 의한 연마와, 제 2 단계의 연마포 및 외부로부터 공급되는 유리연마입자를 다량으로 함유하는 슬러리를 사용한 종래의 화학·기계적 연마를 조합함으로써, 요철을 가지는 기판표면으로부터 원하는 나머지 막두께의 평탄면에 전체로서 단시간에 연마할 수 있다. 나머지 막두께의 관리는, 시간관리 또는 막두께 관리에 의하여 행하는 것은 상기한 각 실시형태와 동일하다.
도 27은 1개의 연마실(78)내에 숫돌(15)을 사용한 연마장치(71)와, 연마포 (6)을 사용한 연마장치(72)를 나란히 설치한 예를 나타낸다. 연마장치(71)에 있어서는 노즐(10)로부터 물 또는 약액이 공급되어 셀프스톱기능을 가지는 숫돌(15)에 의한 연마가 행하여진다. 연마장치(72)에 있어서는 노즐(9)로부터 연마입자를 다량으로 함유하는 연마슬러리가 연마포(6)상에 공급되어, 화학·기계적 연마가 행하여진다. 이 장치에 있어서는 연마대상의 반도체웨이퍼(4)는 수수구(73)로부터 연마실(78)내의 수수대(70)에 놓여지고, 다음에 연마장치(71)에 의하여 숫돌(15)을 사용한 연마가 행하여져 표면의 단차가 해소된 후에, 연마장치(72)에 의하여 화학·기계적 연마에 의한 증삭이 행하여진다. 한편 제 2 연마장치(72)에는 증삭 및 마무리 연마용 숫돌을 설치하여도 좋다. 제 2 연마면으로서의 숫돌은 제 l 연마장치(71)에 사용되는 숫돌(15)보다도 연마입자의 지름이 작고, 기공분률이 높으며, 즉 유리연마입자가 자생하기 쉬운 숫돌이 적합하다. 또 결합제의 경도도 숫돌(15)의 것보다 유연한 숫돌을 사용하면 좋다.
도 28 및 도 29는 1개의 턴테이블에 연마포(6)와 숫돌(15)의 양쪽을 동심원형상으로 설치한 연마장치의 내부사시도와 연마부의 평면도를 각각 나타낸다. 이 연마장치(80)의 경우에는 숫돌(15)에 의한 연마의 종료후에 반도체웨이퍼(4)를 유지하는 톱링(1)을 연마포(6)상으로 이동하여 도시 생략한 노즐로부터 연마슬러리(Q)를 공급함으로서 증삭 및 마무리연마를 행할 수 있다.
도 28 및 도 29에 나타내는 바와 같이, 숫돌테이블과 연마포테이블을 동일 턴테이블상에서 동심원형상의 중심부분과 바깥 둘레부분이 되도록 구성한 것에 의하여 2단계 연마의 경우에도 턴테이블을 2개 설치할 필요가 없어, 공간을 절약할 수 있으며, 또 턴테이블을 회전구동시키기 위한 회전구동원(모터)도 1개로 충분하다. 또 도면에 나타내는 바와 같이, 숫돌 연마면과 연마포 연마면에는 양자의 연마에서 사용되는 액체(물 또는 약액 또는 슬러리)가 혼합되지 않도록 배출용홈(81)이 설치되어 있다. 또한, 이들 도면에 있어서는 중심부측에 숫돌(15), 바깥둘레측에 연마포(6)를 배치하였으나, 이들의 배치구성은 반대(즉, 중심측에 연마포 6, 바깥둘레측에 숫돌 l5)가 되도록 구성하여도 좋다. 또 중심측 및 외주측의 쌍방에 숫돌을 배치하고, 평탄화용 숫돌과 증삭 및 마무리연마용 숫돌을 배치하여 구분하여 사용하여도 좋다.
도 30은 본 발명의 실시에 가장 적합한 연마장치의 전체구성의 일예를 나타낸다. 이 연마장치는 연마부(130)와 세정부(150)로 구성되어 있다. 연마부(130)는 그 중앙에 본 발명의 숫돌을 구비한 턴테이블(133)을 배치하고, 그 양측에 톱링(135)을 설치한 연마유닛(137)과, 드레싱도구(139)를 설치한 드레싱유닛(l41)을 배치하고, 또한 연마유닛(137)의 옆에 워크수수장치(143)를 설치하여 구성되어 있다. 한편, 세정부(150)는 그 중앙에 화살표 G 방향으로 이동가능한 2대의 반송로봇(101)을 설치하고, 그 한쪽측에 1차·2차세정기(l55, l57)와 스핀건조기(또는 세정기능부착 건조기)(l59)를 병렬로 배치하고, 다른쪽측에 2개의 워크반전기(161, 163)를 병렬로 배치하여 구성되어 있다. 그리고 연마전의 반도체웨이퍼를 수납한 카세트(165)가 도시한 위치에 세트되면, 도면의 우측의 반송로봇(101)이 그 카세트(165)로부터 반도체웨이퍼를 1매씩 인출하여 워크반전기(l63)에 수수하여 반전한다. 또한 그 반도체웨이퍼는 반전기(163)로부터 도면 좌측의 반송로봇(101)에 수수되어 연마부(130)의 워크수수장치(143)로 반송된다.
워크수수장치(143)상의 반도체웨이퍼는, 일점쇄선의 화살표로 나타내는 바와 같이 회동하는 연마유닛(137)의 톱링(135)의 하면에 유지되어 턴테이블(133)상으로이동되어 회전하는 턴테이블(133)의 연마면(l34)상에서 연마된다. 연마후의 반도체웨이퍼는 다시 수수장치(143)로 복귀되고, 도면 좌측의 반송로봇(101)에 의하여 워크반전기(l61)에 수수되어 순수한 물로 세정되면서 반전된 후, l차·2차세정기 (l55, 157)로 약액이나 순수한 물로 세정되고, 그 후 스핀건조기(또는 세정기능부착 건조기)로 스핀건조되며, 도면 우측의 반송로봇(l01)에 의하여 원래의 카세트 (165)에 복귀된다. 또 드레싱유닛(141)은 톱링(l35)에 의한 반도체웨이퍼의 연마종료후, 일점쇄선의 화살표로 나타내는 바와 같이, 턴테이블(l33)상으로 이동하여 회전하는 드레싱도구(139)를 회전하는 턴테이블(133)의 연마면(l34)에 가압하여 연마면(134)의 날세움·재생을 행한다. 또한 여기서 나타낸 연마장치의 턴테이블 (133)의 구성으로서는, 자전형의 턴테이블, 스크롤형의 턴테이블, 또는 컵형 연마공구중 어느 것이더라도 좋다.
이 연마장치는 청정실내에서 사용할 수 있다. 연마장치는 오염물질을 다량으로 배출하기 때문에, 연마장치 전체를 하우징으로 덮어, 연마부, 세정부에서 발생하는 미스트나 더스트는 배기수단에 의하여 배기하고, 장치천장부에는 청정한 공기를 장치내에 공급하기 위한 케미컬필터를 구비하고 있다. 또 연마장치내의 분위기는 그 장치가 수납되어 있는 외부의 분위기(청정실)보다도 저압으로 유지하도록압력제어되어 있고, 연마장치로부터 더러워진 분위기나 미스트, 더스트가 장치밖으로 누출하지 않도록 되어 있다. 또 이 연마장치에서는 숫돌에 사용하는 연마입자에 순도가 높은 연마입자를 사용하고 있고, 또 CMP 후에 웨이퍼의 세정을 행하여 건조시키고 나서 카세트에 되돌리기 때문에, 금속오염물질이나 파티클을 충분히 제거할 수 있다. 또 청정실의 분위기도 오염시키는 일이 없다.
본 발명에 의하면, 연마입자, 바인더, 기공의 조성비를 균형있게 구성함으로써 셀프스톱기능을 가지는 숫돌을 제공할 수 있다. 이 숫돌을 사용한 연마장치에 의하면 볼록부가 연마되어 평탄화된 후에 연마가 진행되지 않기 때문에, 연마시간의 관리가 용이해지고, 또 면내평탄면의 균일성을 향상시킬 수 있다. 또 본 발명에 의하면 제 l 단계를 숫돌을 사용한 연마에 의하여 비교적 짧은 시간으로 단차를 소멸시키고, 제 2 단계를 유리연마입자가 다량으로 존재하는 상태로 함으로써 평탄화된 면을 비교적 빠른 속도로 똑같이 연마할 수 있다. 이에 의하여 표면의 요철이 없는 소망량의 나머지 막두께를 가지는 평탄면에 전체로서 비교적 짧은 시간으로 증삭연마하는 것이 가능하게 된다. 따라서 본 발명은 반도체웨이퍼가 정밀한 가공 등에 이용가능하다.

Claims (28)

  1. 삭제
  2. 연마대상기판을 평탄하고 경면 형상으로 연마하는 숫돌에 있어서,
    입자지름이 2㎛ 이하이고, 순도가 90% 이상이며, Na 농도가 100ppm 이하인 연마입자;
    바인더; 및
    기공으로 이루어지고,
    상기 연마입자와 상기 바인더의 체적비는 1 : 0.5 이상(연마입자비율 l 에 대한 바인더의 비율이 0.5 이상)이고,
    상기 연마입자는 l0∼60%, 상기 바인더는 30∼60%, 및 상기 기공은 10∼40%의 체적비를 가지는 것을 특징으로 하는 연마용 숫돌.
  3. 표면에 요철패턴을 가지는 연마대상기판을 평탄하고 경면형상으로 연마하는 숫돌에 있어서,
    연마입자; 바인더; 및 기공으로 이루어지고,
    상기 연마입자는 순도가 90% 이상이고, Na 농도가 100ppm 이하인 것을 특징으로 하는 연마용 숫돌.
  4. 표면에 요철패턴을 가지는 연마대상 기판을 연마하는 방법에 있어서,
    순도가 90% 이상이고 Na 농도가 100ppm 이하인 연마입자와, 바인더, 및 기공으로 이루어지는 연마용 숫돌을 사용하는 것을 특징으로 하는 기판의 연마방법.
  5. 회로배선이 형성된 반도체웨이퍼를 평탄하고 경면형상으로 연마하는 숫돌에 있어서,
    연마입자; 바인더; 및 기공으로 이루어지고,
    상기 연마입자는, 순도가 90%이상이고, Na 농도가 100ppm 이하인 것을 특징으로 하는 연마용 숫돌.
  6. 회로배선이 형성된 반도체웨이퍼를 연마하는 방법에 있어서,
    순도가 90% 이상이고 Na 농도가 100ppm 이하인 연마입자와, 바인더, 및 기공으로 이루어지는 연마용 숫돌을 사용하는 것을 특징으로 하는 기판의 연마방법
  7. 제 4항 또는 제 6항에 있어서,
    상기 숫돌을 사용한 후에 연마포를 사용하여 제 2 단계의 연마를 행하는 것을 특징으로 하는 기판의 연마방법.
  8. 제 4항 또는 제 6항에 있어서,
    상기 숫돌을 사용한 연마후에, 다시 제 2 숫돌을 사용하여 제 2 단계의 연마를 행하는 것을 특징으로 하는 기판의 연마방법.
  9. 제 4항 또는 제 6항에 있어서,
    숫돌의 연마면을 드레싱하여 표면에 미소한 요철을 형성시킨 후에, 상기 연마대상 기판의 연마를 행하는 것을 특징으로 하는 기판의 연마방법.
  10. 제 4항 또는 제 6항에 있어서,
    숫돌의 연마면을 드레싱하여 표면에 미소한 요철을 형성시킨 후에 그 연마면에 부착되어 있는 유리화한 연마입자를 제거하여, 상기 연마대상 기판의 연마를 행하는 것을 특징으로 하는 기판의 연마방법.
  11. 제 4항 또는 제 6항에 있어서,
    숫돌의 연마면을 드레싱하여 표면에 미소한 요철을 형성시키면서 상기 연마대상 기판의 연마를 행하는 것을 특징으로 하는 기판의 연마방법.
  12. 제 4항 또는 제 6항에 있어서,
    상기 숫돌의 연마면에 연마입자를 함유하는 않는 액체공급하에서 그 숫돌로부터 자생한 유리연마입자에 의하여 연마를 행하는 것을 특징으로 하는 기판의 연마방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 연마입자를 함유하지 않는 액체는 물 또는 약액인 것을 특징으로 하는 기판의 연마방법.
  14. 제 4항 또는 제 6항에 있어서,
    입자지름이 0.5㎛이하의 연마입자와, 바인더와 기공으로 구성되어 있는 숫돌을 사용하여 상기 연마대상 기판을 연마하는 것을 특징으로 하는 기판의 연마방법.
  15. 제 4항 또는 제 6항에 있어서,
    상기 숫돌은 제 1항 내지 제 3항중 어느 한 항기재의 숫돌인 것을 특징으로 하는 기판의 연마방법.
  16. 표면에 요철이 형성된 연마대상기판을 숫돌을 사용하여 연마하는 기판의 연마방법에 있어서,
    상기 숫돌의 연마면에 연마입자를 함유하지 않은 액체공급하에서 연마대상기판의 피연마면을 미리 설정된 시간동안 연마한 후,
    상기 연마대상기판의 피연마면에 연마입자를 공급하여 다시 균일하게 미리 설정된 막두께의 증삭연마를 행하는 것을 특징으로 하는 기판의 연마방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 증삭연마는 상기 숫돌을 사용하여 연마입자를 함유하지 않은 액체공급하에서 미리 설정된 시간동안 연마한 후, 상기 숫돌의 연마면에 연마입자를 함유하는 연마 슬러리를 공급하면서 다시 연마하는 것을 특징으로 하는 기판의 연마방법.
  18. 제 16항에 있어서,
    상기 증삭연마는 상기 숫돌을 사용하여 연마입자를 함유하지 않는 액체공급하에서 미리 설정된 시간동안 연마한 후, 상기 숫돌의 연마면의 드레싱을 행하면서, 그 드레싱에 의하여 생긴 유리연마입자에 의하여 그 연마면에 연마입자를 함유하지 않는 액체를 계속 공급하여 다시 연마하는 것을 특징으로 하는 기판의 연마방법.
  19. 제 16항에 있어서,
    상기 증삭연마는 숫돌상에 연마입자를 함유하지 않는 액체공급하에서 미리 설정된 시간동안 연마한 후, 상기 기판을 연마포과 연마입자를 함유하는 연마슬러리를 사용하여 다시 연마하는 것을 특징으로 하는 기판의 연마방법.
  20. 표면에 요철이 형성된 연마대상기판을 숫돌의 연마면에 가압하면서 슬라이딩함으로써 상기 기판을 연마하는 장치에 있어서,
    연마대상기판을 유지하는 홀더와,
    숫돌을 유지하는 홀더와,
    상기 연마대상기판의 피연마면과 숫돌의 연마면을 가압하면서 슬라이딩하는 기구와, 상기 연마대상기판의 피연마면과 숫돌의 연마면의 슬라이딩면에 연마입자를 함유하지 않는 액체를 공급하는 수단과,
    연마입자의 공급에 의한 증삭을 위한 수단을 일체적으로 구비한 것을 특징으로 하는 기판의 연마장치.
  21. 제 20항에 있어서,
    연마입자의 공급에 의한 증삭을 위한 수단은, 연마입자를 함유하는 연마슬러리를 상기 숫돌의 연마면에 공급하는 공급수단인 것을 특징으로 하는 기판의 연마장치.
  22. 제 20항에 있어서,
    연마입자의 공급에 의한 증삭을 위한 수단은, 상기 숫돌의 연마면을 드레싱하여 연마입자를 공급하는 수단인 것을 특징으로 하는 기판의 연마장치.
  23. 제 20항에 있어서,
    숫돌의 연마면에 연마입자를 함유하지 않는 액체를 공급하여 연마하는 제 1 연마수단과 연마포상에 연마입자를 함유하는 연마슬러리를 공급함으로써 연마를 행하는 제 2 연마수단을 구비한 것을 특징으로 하는 기판의 연마장치.
  24. 표면에 요철패턴을 가지는 대상물을 평탄하고 경면형상으로 연마하는 방법에 있어서,
    주어진 시간 주기 동안 연마판을 이용하여 상기 대상물을 연마하는 단계를 함유하고, 상기 연마판에 있어서 체적비는 각각 연마입자 l0∼60%, 바인더 재료 30∼60% 및 기공 10∼40%이며,
    연마포를 이용하여 상기 대상물을 추가 연마하는 단계를 함유하는 것을 특징으로 하는 연마방법.
  25. 표면에 요철패턴을 가지는 대상물을 평탄하고 경면형상으로 연마하는 방법에 있어서,
    연마입자, 바인더 재료 및 기공을 구비한 연마판을 이용하여 상기 대상물을 연마하는 단계를 함유하고, 체적비는 각각 연마입자 l0∼60%, 바인더 재료 30∼60% 및 기공 10∼40%인 것을 특징으로 하는 연마방법.
  26. 제 25항에 있어서,
    상기 연마입자는 CeO2로 이루어지며, 상기 바인더는 폴리이미드 수지로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연마방법.
  27. 제 25항에 있어서,
    상기 연마입자는 SiO2, A12O3, ZrO2, MnO2, Mn2O3 가운데 하나 이상으로 이루어지며, 상기 바인더는 페놀수지, 우레탄수지, 에폭시수지, 폴리비닐알콜수지 가운데 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연마방법.
  28. 제 25항 내지 제 27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연마는, 연마입자를 함유하는 연마 슬러리를 사용하지 않으면서, 상기 연마판 및 물 또는 약액을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 연마방법.
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