KR101019585B1 - 실리콘 웨이퍼 연마기용 유체 분배기 - Google Patents

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Abstract

실리콘 웨이퍼 연마기용 유체 분배기를 제공한다. 본 발명에 따른 유체 분배기는 원통형의 분배기 본체, 이 분배기 본체의 상부에 연결되어 분배기 본체 내부로 유체를 유입하는 유체 유입관, 및 상기 분배기 본체의 하부에 설치되어 상기 유체 유입관으로부터 분배기 본체를 통과한 유동 유체를 필요한 위치로 각각 분배 이송하는 다수개의 분배관을 포함하는 것이다. 본 발명에 따르면, 다중 영역에서의 균일한 유체 분배를 가질 수 있도록 하여 전반적인 웨이퍼 연마량을 균일하게 하여 평탄도(flatness) 품질을 향상시킬 수 있다.

Description

실리콘 웨이퍼 연마기용 유체 분배기 {Fluid distributing device of apparatus for polishing silicon wafer}
본 발명은 실리콘 웨이퍼의 표면 평탄도(flatness)를 제어하는 공정인 연마(polishing) 공정을 수행하는 연마기에 관한 것으로, 특히 연마기 내에 연마 슬러리 등의 유체를 웨이퍼 상으로 분배하는 유체 분배기에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 소자 제조용 베어(bare) 실리콘 웨이퍼 제조 공정에서는 원통형 실리콘 잉곳(ingot)을 낱개의 웨이퍼로 절단하는 슬라이싱(slicing) 공정을 거치게 된다. 슬라이싱 작업에서는 다이아몬드 조각을 붙인 날을 이용하거나 와이어 소(wire saw)라 불리는 피아노선을 이용하기도 한다. 이 때, 절단된 웨이퍼의 표면에는 요철이 존재하므로 연마에 의한 평탄화 공정을 거쳐야 한다.
연마는 웨이퍼의 한쪽 면씩 연마하는 단면 연마 또는 양쪽 면을 동시에 연마하는 양면 연마가 있는데, 그 중 양면 연마는 가공된 웨이퍼의 평탄도를 향상시키고 배면(back side)의 오염물이 표면(front side)으로 전이되는 것을 방지하기 위한 목적으로 반도체 웨이퍼의 표면 및 배면을 동시에 연마하는 방법이다. 상기에서 양면 연마는 단면 연마보다 가공 스트레스가 작으므로 평탄도가 우수하다.
양면 연마 공정에서 웨이퍼의 표면 및 배면을 함께 연마하는 데 사용되는 장치가 이른바 양면 연마기이며, 양면 연마기에서 연마의 대상이 되는 웨이퍼를 지지하기 위해서 웨이퍼 캐리어가 채용된다. 종래의 양면 연마기와 웨이퍼 캐리어가 도 1 및 도 2에 도시되어 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 양면 연마기(9)는 상호 반대방향으로 회전하는 상정반(1)과 하정반(3)을 구비한다. 상정반(1)의 하면과 하정반(2)의 상면에는 각각 웨이퍼(w)의 표면 및 배면을 연마하기 위한 패드(2, 4)가 부착된다. 종래의 웨이퍼 캐리어(5)는 상정반(1)과 하정반(3) 사이에 지지되며, 도 2에 도시된 바와 같이 복수개 장착된다. 웨이퍼 캐리어(5)는 원반형으로 웨이퍼(w)가 삽입 및 유지되는 웨이퍼 유지공(6)이 형성되어 있고, 웨이퍼 유지공(6)의 둘레를 따라 서로 다른 크기의 슬러리 홀(8)이 5개 배치되어 있다.
상기한 바와 같은 구성의 양면 연마기(9)에서 웨이퍼 캐리어(5)의 웨이퍼 유지공(6)에 웨이퍼(w)가 삽입된 후 상정반(1)이 하방으로 이동하여 웨이퍼(w)를 회전가압하게 된다. 이때 하정반(3)도 함께 회전하게 된다. 연마에 필요한 연마 슬러리는 소정의 유체 분배기(미도시)를 거쳐 상정반(1)을 통해 웨이퍼(w)의 전면으로 공급되며 슬러리 홀(8)을 통해 웨이퍼(w)의 후면으로도 유입된다.
연마 슬러리가 웨이퍼(w)와 패드(2, 4) 사이에 공급되면 연마 슬러리 내의 화학 성분이 웨이퍼(w)의 표면 및 배면과 반응하여 반응층을 생성한다. 그러한 상태에서 웨이퍼(w)와 패드(2, 4)가 마찰하며 상대회전하면 반응층이 물리적으로 제거되면서 웨이퍼(w)의 표면 및 배면이 평탄하게 가공된다. 일반적으로 사용되는 연마 슬러리는 단단한 실리카 입자를 포함한 것으로, 고알칼리성이므로 웨이퍼(w) 표면을 산화시켜 산화물로써 웨이퍼(w)를 녹여내고 실리카 입자로 산화물과 복합 생성물을 제거하는 것이다. 그리고, 이 과정에서 발생되는 오염원이 웨이퍼(w) 표면에 흡착되지 않도록 린스(rinse) 역할을 하는 탈이온수와 계면활성제(surfactant) 등의 유체가 연마 슬러리에 추가로 공급되어야 한다.
연마 특성에 영향을 미치는 인자들은 크게 연마 공정에서 발생하는 인자, 피 가공물에 대한 인자 그리고 공급되어지는 소모품의 재료 물성에 대한 인자들로 구분되어진다. 연마 공정에서 발생하는 인자는 압력, 상대속도, 연마온도 등이 있으며 피 가공물에 대한 인자들은 웨이퍼의 경도, 연마 전의 웨이퍼 평탄도 등이 있다. 그리고 공급되어지는 소모품의 재료 물성에 대한 인자들은 연마 슬러리의 화학적 조성 요인, 입자 크기, 입자 종류, 입자 함량 및 공급 유량 등의 연마 슬러리에 의한 요인과 패드의 전단 계수, 표면 거칠기, 포어(pore)의 크기, 그루브(groove) 모양, 그루브 크기, 밀도 등의 패드에 관한 요인들이 있다.
그런데 연마 공정에서 필연적으로 투입되는 연마 슬러리, 탈이온수, 계면활성제 등의 유체의 불균일한 공급이 이루어질 경우 가공되는 웨이퍼의 연마량 편차를 발생시켜 웨이퍼 편마모 현상 발생으로 이어지게 되어 평탄도 품질에 악영향을 미치게 됨에도 불구하고, 유체의 균일한 분배의 중요성에 대한 인식은 거의 없는 실정이다.
종래 연마 공정에서 사용 중인 유체 분배기의 경우 도 3a 및 도 3b와 같이 구성되어 있다.
도 3a는 종래 유체 분배기의 사진이다. 도시한 바와 같이 유체가 정방형 유체 분배기(20)의 측면에 형성된 유입관(10)을 통해 유체 분배기(20)로 들어가면 14개의 분배관(30)을 통해 슬러리, 탈이온수, 계면활성제 등을 웨이퍼 상으로 분배하게 되어 있다.
도 3b는 도 3a에 도시한 종래 유체 분배기에서 유체의 흐름을 도시한 개략도이다. "input"이라고 표시한 유입관(10)에서부터 각 분배관(30)을 순차적으로 거치도록 내부에 유체 흐름 방향(점선 화살표로 도시)이 직렬로 설계된 배관(25)이 설치되어 있다.
이러한 유체 분배기(20)는 그 설계 특성상 모든 지점에서 동일한 유량을 구현하기 힘든 단점이 있다. 즉 유체 흐름을 직렬로 설계하였기 때문에 유속 차이가 발생될 수밖에 없는 상황이며, 실제 1 ~ 14개 분배관(30)간에서는 필연적으로 유량 차이가 발생되게 된다. 이러한 유량의 변화는 웨이퍼 평탄도 품질 열위를 일으키는 직접적인 원인이 되므로 이에 대한 개선이 필요하다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 착상된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 기존 유체 분배기에서는 불가능하였던 다중 영역에서의 균일한 유체 분배를 가질 수 있도록 하여 전반적인 웨이퍼 연마량을 균일하게 하여 평탄도 품질을 향상시키는 새로운 유체 분배기를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 유체 분배기는 실리콘 웨이퍼 연마기용 유체 분배기로서, 원통형의 분배기 본체, 이 분배기 본체의 상부에 연결되어 분배기 본체 내부로 유체를 유입하는 유체 유입관, 및 상기 분배기 본체의 하부에 설치되어 상기 유체 유입관으로부터 분배기 본체를 통과한 유동 유체를 필요한 위치로 각각 분배 이송하는 다수개의 분배관을 포함하는 것이다.
상기 분배기 본체의 하부는 외주부보다 중심부가 상기 유체 유입관 쪽으로 가깝게 단차(step)가 형성되어 있으며 상기 외주부에 방사상으로 상기 분배관이 설치되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 유체 유입관을 통과한 유체가 상기 다수개의 분배관에 대해 균일한 속도 분포를 이루도록 상기 유체 유입관으로부터 각각의 분배관으로 분기하는 다수개의 유로가 상기 분배기 본체 내부에 더 형성되어 있을 수 있다.
본 발명에 따르면, 유체 유입관을 분배기 본체 위쪽으로 설치하며 분배기 본체를 원통형으로 설계하여 각 지점별로 유량 차이를 최소화한다. 분배기 본체 내부에 흐르는 유체의 유동 속도를 균일하게 형성하여 각 분배관을 통과하는 유동 유체의 분배량을 일정하게 유지시켜 분배 성능을 향상시키며, 유체 분배기 내부에 위상 차이를 두어 다중 영역에서도 유체 유량 편차가 최소화된다.
따라서, 종래의 유체 분배기의 경우 각각의 지점마다 유량 차이가 발생되었던 것에 비하여, 본 발명의 유체 분배기의 경우 이러한 지점마다의 유량 차이 발생을 최소화할 수 있어 유체의 등분배가 가능하게 되며, 이에 따라 전반적인 웨이퍼 연마량을 균일하게 하여 평탄도 품질을 향상시킬 수 있게 된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이다.
도 4a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 유체 분배기의 개략적인 평면도이고, 도 4b는 그 측면도, 그리고 도 4c는 변형예에 따른 측면도이다.
먼저 도 4a 및 도 4b에 도시한 바와 같이, 유체의 분배를 최대한 균일하게 할 수 있도록 분배기 본체(120) 내부로 유체를 유입하는 유체 유입관(110)은 분배기 본체(120)의 상부에 연결되도록 위쪽으로 위치 변경한다. 그리고 분배기 본체(120)는 소정의 내용적을 가지는 원통형으로 설계하되, 분배기 본체(120)의 하부는 외주부(121)보다 중심부(122)가 유체 유입관(110) 쪽으로 가깝게 단차가 형성되게 한다. 이 때, 외주부(121)와 중심부(122) 사이의 단차는 도시한 것처럼 소정의 기울기를 가지게 점진적으로 높이 변경이 생기도록 형성할 수도 있고, 급격히 높이 변경이 생기도록 형성할 수도 있다. 유체 유입관(110)은 분배기 본체(120)보다 작은 직경을 가지도록 연결되어 있다.
분배기 본체(120)의 하부에는 유체 유입관(110)으로부터 분배기 본체(120)를 통과한 유동 유체를 필요한 위치로 각각 분배 이송하는 다수개의 분배관(130)이 설치되는데, 외주부(121)에 방사상으로 분배관(130)이 설치되어 있는 것이 바람직하다. 분배관(130)은 분배구(미도시)에 소정의 관이 삽입 설치되는 구성일 수 있다. 이처럼 유체 분배기(120) 내부에 위상 차이를 두어 유체 분배기(120)에서 분배관(130)으로 유체가 점선 화살표 표시 방향과 같이 균일하게 공급될 수 있도록 한다.
이와 같이 구성된 유체 분배기는 유체 유입관(110)을 통하여 고속의 유동 유체가 분배기 본체(120)로 유입되는데, 이 때 상기 유체 유입관(110)보다 단면적이 넓어지는 분배기 본체(120)에서 유체의 속도가 감속되어 분배관(130)의 입구에 도달하게 된다. 따라서, 도 4c에 도시한 바와 같이, 분배기 본체(120')를 원통형으로 설계하고 분배기 본체(120)의 하부는 외주부(121)보다 중심부(122)가 유체 유입관(110) 쪽으로 가깝게 단차가 형성되게 하되, 유체 유입관(110)을 통과한 유체가 다수개의 분배관(130)에 대해 균일한 속도 분포를 이루도록, 유체 유입관(110)으로부터 각각의 분배관(130)으로 분기하는 다수개의 유로(125)를 분배기 본체(120) 내부에 더 형성할 수도 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 유체 분배기의 측면도이다.
이 유체 분배기는 분배기 본체(120")가 소정의 내용적을 가지는 원통형으로 설계되고 분배기 본체(120)의 하부에 단차가 형성되지 않은 것이 특징이다. 이 경우에도 도 4c에 도시한 것과 같은 다수개의 유로(125)가 형성되도록 분배기 본 체(120")를 변경하는 예도 가능하다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명을 통해 실제 제작된 유체 분배기의 사진으로, 도 6a는 유체 분배기의 유체 유입구 측(분배기 본체의 상부)에서 본 사진이고, 도 6b는 도 4a와 같이 유체 분배기의 분배관 측(분배기 본체의 하부)에서 본 사진이다. 기본적인 구성은 도 4a 및 도 4b와 모두 동일하게 모든 지점에서 균일한 유체 분배를 가질 수 있도록 제작하였으며, 실제 종래 유체 분배기 대비 웨이퍼 평탄도 면에서 개선된 효과를 얻을 수 있었다.
한편 본 발명에 따른 유체 분배기는 양면 연마기의 유체 분배기로 이용되는 것이 바람직하지만 단면 연마기의 유체 분배기로도 이용될 수 있으며, 나아가 래핑(lapping) 장치 등 유체의 공급이 필요한 기타 웨이퍼 제조 장치에서 유체 분배기로도 변형 적용될 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다. 본 발명의 실시예는 예시적이고 비한정적으로 모든 관점에서 고려되었으며, 이는 그 안에 상세한 설명 보다는 첨부된 청구범위와, 그 청구범위의 균등 범위와 수단내의 모든 변형예에 의해 나타난 본 발명의 범주를 포함시키려는 것이다.
도 1은 종래의 웨이퍼 양면 연마기의 개략적 구성도이며, 도 2는 복수의 웨이퍼 캐리어가 하정반에 장착된 상태의 개략적 평면도이다.
도 3a는 종래 유체 분배기의 사진이고, 도 3b는 도 3a에 도시한 종래 유체 분배기에서 유체의 흐름을 도시한 개략도이다.
도 4a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 유체 분배기의 개략적인 평면도이고, 도 4b는 그 측면도, 그리고 도 4c는 변형예에 따른 측면도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 유체 분배기의 측면도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명을 통해 실제 제작된 유체 분배기의 사진이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110...유체 유입관 120, 120', 120"...분배기 본체 121...외주부
122...중심부 125...유로 130...분배관

Claims (3)

  1. 원통형의 분배기 본체;
    상기 분배기 본체의 상부에 연결되어 분배기 본체 내부로 유체를 유입하는 유체 유입관; 및
    상기 분배기 본체의 하부에 설치되어 상기 유체 유입관으로부터 분배기 본체를 통과한 유동 유체를 필요한 위치로 각각 분배 이송하는 다수개의 분배관을 포함하고,
    상기 분배기 본체의 하부는 외주부보다 중심부가 상기 유체 유입관 쪽으로 가깝게 단차가 형성되어 있으며 상기 외주부에 방사상으로 상기 분배관이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼 연마기용 유체 분배기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 유체 유입관을 통과한 유체가 상기 다수개의 분배관에 대해 균일한 속도 분포를 이루도록 상기 유체 유입관으로부터 각각의 분배관으로 분기하는 다수개의 유로가 상기 분배기 본체 내부에 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼 연마기용 유체 분배기.
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