실리콘 웨이퍼의 폴리싱 공정에서 웨이퍼 표면의 제거속도에 미치는 공정변수의 영향

배 선 혁, 김 도 현

한국과학기술원 화학공학과, 대전, 305-701

Effect of process parameters on the removal rate of wafer surface in the polishing process of silicon wafer

Sun Hyuck Bae, Do Hyun Kim

Department of Chemical Engineering, KAIST, Taejon 305-701, Korea

서론

20세기 이후 전자 산업에서 흔히 사용되는 실리콘 웨이퍼는 잉곳에서 얇게 잘라서 제조한다. 절단한 후에 균일한 두께를 유지시키고, 절단시 손상된 표면을 제거하고 매끈한 표면을 유지하도록 lapping, etching 등의 여러 공정이 사용되는데, 통상적인 마지막 단계의 실리콘 웨이퍼 처리공정으로는 슬러리를 사용한 폴리싱 공정이 사용된다. 웨이퍼 폴리싱 단계를 거친 실리콘 웨이퍼는 1□m 이하의 균일한 표면 평탄화도를 가져야하며, 표면에 잔류하는 오염 물질이 없어야 한다.

웨이퍼 폴리싱 공정은 단일 웨이퍼 공정(single-wafer process)과 회분식 웨이퍼 공정(batch-wafer process)으로 나누어진다. 단일 웨이퍼 공정은 주로 큰 웨이퍼의 폴리싱에 적당하고, 높은 수준의 표면 평탄화가 가능하며, 회분식 웨이퍼 공정은 한번에 열 개정도의 웨이퍼를 동시에 처리하며 30∼60분 정도의 시간동안 폴리싱이 이루어진다. 전형적인 웨이퍼 폴리싱 장치를 도식적으로 나타내면 Fig. 1과 같다.

폴리싱 패드는 polyester felt나 polyurethane laminate로 제조되며, 실리콘 웨이퍼는 holder에 고정되어 폴리싱 패드 위에서 압력이 가해짐과 동시에 회전된다. 이때, 폴리싱 슬러리 용액과 물의 혼합물이 패드 위에 떨어지면서 약간의 화학적 반응이 수반되는 물리적 폴리싱이 주로 이루어지는데, 슬러리 용액이 웨이퍼 표면으로 운반되는 기구와 속도에 패드의 porosity가 큰 영향을 미친다. 웨이퍼 표면과 패드 사이에 발생하는 마찰열로 인해 OH- 라디칼이 생성되며, 생성된 라디칼은 실리콘 웨이퍼 표면을 산화시킨다. 슬러리에 존재하는 미세한 실리카 입자는 산화된 웨이퍼 표면을 기계적으로 연마하게되어 (mechnical step) 웨이퍼 표면의 폴리싱이 이루어지게 된다.[1]

본 연구에서는 단일 웨이퍼 arm을 갖는 wafer polisher로 lapping을 거친 웨이퍼의 bare silicon surface를 상대속도와 하중을 변하시키면서 연마하고, 여러 가지 조건에서 연마 전·후 웨이퍼의 무게를 측정하여 연마속도의 균일도 변화를 분석하였다.

실험장치, 시편준비 및 실험방법

본 실험에 사용된 연마 장치는 4″,5″,6″웨이퍼 전용장비인 Logitech사의 Precision Lapping & Polishing Machine 모델 PM5로서 Fig. 2에 나타내었다. 장비는 크게 실제 연마가 발생하는 일차 연마(primary polishing)와 웨이퍼 캐리어, 그리고 슬러리 공급장치로 이루워져 있다.

일차 연마는 연마가 발생하는 부분으로 슬러리 공급장치와 플레이튼, 패드 컨디션어로 구성되어 있다. 플레이튼 위에는 연마시 웨이퍼와 접촉되는 패드를 부착하며, 패드는 일정한 밀도의 pore를 가지고 있는 폴리우레탄으로 구성되어 있다. 패드 컨디션어는 계속되는 연마에 의해 발생하는 패드의 마모와, 패드의 표면에 사용된 슬러리와 패드의 변형을 제거하는데 사용되며, 폴리비닐로 만들어진 블러쉬 형태로 되어있다. 패드 컨디션어는 연마가 끝날때마다 사용되며, 패드의 회전과 동시에 하중을 가하면서 행한다.

웨이퍼 캐리어는 스테인레스 스틸로 만들어지며, 웨이퍼의 장착 및 탈착을 위하여 캐리어의 뒷면을 통하여 진공을 가할 수 있게 구성되어 있다. 연마시 웨이퍼에 가해지는 하중은 캐리어 위에 무게추를 이용하여 가해진다.

본 실험에서 사용된 시편은 앞면은 lapping이, 뒷면은 final polishing이 끝난 (100) 타입의 4″와 6″ wafer이다. 실험 전에 제거속도를 재기위해 웨이퍼의 무게를 측정한 후, 웨이퍼의 표면에 존재하는 particle을 제거하기 위해 SC1(standard cleaning 1; NH4OH:H2O2:H2O(1:1:10)) 처리를 하고 DI(deionized) water로 세척한다. 세척 한 후 wafer의 건조를 방지하기 위해 DI water에 담궈둔다.

본 실험에서 사용된 일차 연마 패드는 Rodel사의 Suba 600을 사용하였고 슬러리는 Nalco사의 Nalco 2350을 사용하였다. 이 슬러리는 fumed 콜로이드 실리카 슬러리이며, pH 조절을 NH4OH를 이용한 알칼리 용액이다. 이 슬러리의 특성은 table. 1과 같다.

시편을 넣기 전에 패드의 온도를 30℃이상으로 안정화 시켜며, 패드의 세척을 위해 패드 컨디션어를 이용하여 패드를 단련(seasoning)해 주고 충분히 적셔 주었다. 또한 플레이튼의 회전을 안정화 시키기 위해 30분간 회전 시켰다. 패드의 온도, 플레이튼의 회전이 안정된 후 시편을 장입하였다.

시편을 연마기에 장입하는 동시에 일차 연마 패드에 슬러리를 공급하여 각 실험 조건하에서 연마를 행하였다. 연마 후 wafer를 세척하기 위해 DI water로 1분간 연마하였으며, SC1 처리를 하여 particle을 제거 하였다. 연마가 끝날때마다 패드의 컨디션닝을 1분간 진행하였다.

결과 및 토의

연마속도는 연마실험 전·후의 웨이퍼 무게변화를 측정하여 계산하였다. 정밀도 0.0001g의 저울로 무게를 측정하였으며 이 값과 처음 측정한 무게값과의 차를 이용하여 연마속도를 계산하였다. 즉 무게차를 밀도로 나누어 제거된 부피를 계산한 다음 이를 다시 wafer의 넓이로 나누어 제거된 평균 높이를 계산하였다. removal rate의 계산식은 다음과 같다.

[eqn: rm removal ~rate~[ mum over min ]~=~ {무게차이*10000} over {비중 * pi * 반지름^2 *연마시간 }] 슬러리에 존재하는 OH-는 웨이퍼 표면의 실리콘과 반응하여 실리콘 결합력을 약하게 만들며(chemical reaction), 약해진 실리콘 bonding을 슬러리의 실리카 입자가 끊어준다(mechanical reaction). 즉 슬러리의 유량이 증가함에 따라 chemical mechanical 반응도 증가한다. Fig. 3은 유량과 제거속도와의 관계를 나타낸 그래프이다. 실험결과 유량이 분당 160ml정도 일 때 최고의 제거속도를 보이며 그 이상의 유량에 대해선 saturation하는 결과를 보인다.

안정한 성질을 보이는 슬러리는 연마시간이 증가하여도 일정한 화학적 기계적 반응을 수행한다. 패드의 glazing효과를 무시할 경우 연마시간과 단위시간당 제거된 양은 일정하다. Fig. 4는 시간과 압력이 제거속도에 미치는 영향을 나타낸 그래프이다. 실험결과 짧은 시간 실험한 경우의 제거속도가 낮게 나타났으나 이는 연마실험 초기에 웨이퍼 표면에 공기중에 노출되어 다소 제거가 어려운 silicon oxide층이 존재하기 때문이다. 즉 연마시간과 단위시간당 제거된 양은 일정하다고 할 수 있다. 또한 대부분의 웨이퍼 연마에서 하중이 증가함에 따라 웨이퍼와 패드 사이의 슬러리 입자에 가해지는 수직력의 증가로 연마 속도가 증가한다.

참고문헌

[1] Kim, W.-C.: Master Thesis, KAIST, Taejon, KOREA(1996).

Table 1. slurry specification

	Nalco 2350
Particle size(nm)	70∼90
pH (at 25℃)	11.0∼11.5
Specific Gravity	1.17∼1.2
Viscosity(cps, at 25℃)	< 10
SiO2 (wt. %)	28∼30
Impurity element(ppb)
Na	< 100
K	< 50
Fe	< 10

Fig. . Schematic diagram of wafer polishing machine

Fig.  Wafer polishing machine

Fig. . Removal rate vs. Flowrate

Fig. 4. Removal rate vs. load