KR100303672B1

KR100303672B1 - 평면화를위한폴리싱공정과슬러리

Info

Publication number: KR100303672B1
Application number: KR1019970048178A
Authority: KR
Inventors: 마리아 로네이
Original assignee: 포만 제프리 엘; 인터내셔널 비지네스 머신즈 코포레이션
Priority date: 1996-12-09
Filing date: 1997-09-23
Publication date: 2001-11-02
Also published as: US5876490A; JP3130279B2; EP0846740A1; JPH10168431A; KR19980063482A

Abstract

본 발명은 연마 입자를 포함하고, 법선 응력 효과(normal stress effect)를 나타내는 슬러리에 관한 것이다. 슬러리는 추가로 비-폴리싱 입자를 함유하여 저도부(recess)에서 감소된 폴리싱 속도를 나타내는 반면, 연마 입자는 고도부(elevation)에서 높은 폴리싱 속도를 유지한다. 이로써 개선된 평면화(planarization)가 이루어 진다.

Description

평면화를 위한 폴리싱 공정 및 슬러리{POLISH PROCESS AND SLURRY FOR PLANARIZATION}

본 발명은 슬러리 조성물에 관한 것이다. 슬러리 조성물은 폴리싱에 유용하고, 특히 극소 전자 공학 산업에서 표면을 평면화하는데 유용하다. 또한 본 발명은 폴리싱될 특징부(feature)(예컨대, 거울 및 렌즈의 볼록표면 및 오목표면)의 크기 또는 표면 편차에 대한 큰 굴곡 반경을 갖는 비평면화된 표면을 폴리싱하는데 매우 유용하다. 본 발명은 이전에 가능한 것 보다 상당히 큰 정도의 평면화를 달성할 수 있게 한다. 본 발명은 긁힘없이도 증가된 경도의 폴리싱 패드를 사용가능하게 한다.

역사적으로, 폴리싱의 목표는 편평하지 않은 표면으로부터 긁어내는 것이다. 날카로운 피이크에서의 폴리싱 속도는 피이크에서의 응력 집중에 의해 요면(indentation)에서의 속도에 비해 크다. 이로 인해 자동적으로 피이크가 제거된다.

이와 대조적으로, 극소 전자 공학 산업에서 폴리싱의 목표는 긁힘없이 표면을 평면화시키는 것이다. 크게 보면, 표면 형태는 대부분의 증착 공정에 부합(conformal)하려는 속성으로부터 생성되는 넓은 골부분(valley)과 이에 인접한 넓은 고원부분(plateau)을 포함한다. 넓은 고원부분은 그리 큰 응력 집중을 나타내지 않으므로, 이들은 넓은 골부분에 비해 그리 신속하게는 폴리싱되지 않는다. 결과적으로, 폴리싱 공정이 평면화를 달성하기에 불충분하게 되고, 출발시 표면 형태(계단식 형태)는 제한된 정도로만 평면화된다.

특징부가 넓을 수록, 평면화가 보다 어려워진다. 연질 패드가 경질 패드에 비해 보다 부합적이므로, 이를 사용하면 실제적으로 평면화가 이루어지기 힘들다. 경질(강성) 패드를 사용하면, 평면화의 관점에서 보면 보다 바람직하지만, 부합도는 감소하기는 하지만 사라지지는 않으므로 아직까지 상기 문제점들이 해결되지는 못하고 있다. 또한, 경질 패드는 연마제 또는 폴리싱 찌꺼기(debris)에 의해 표면을 긁어버리고, 이로 인해 경질 패드는 표면 긁힘의 단점을 유발할 수 있으므로 허용될 수 없다.

평면화의 요건은 SiO₂의 얕은 트렌치 절연부(shallow trench isolation: STI) 적용시 가장 엄격한데, 이는 상기 특징부가 제일 밑에 위치하고, 모든 후속층들이 이러한 특징부 표면의 상세한 형태중의 어떠한 비-평면성이라도 복제할 것이기 때문이다. 제대로 평면화할 수 있는 폴리싱 공정이 미흡하므로, 여전히 골부분을 고원부분의 높이로 상승시키는 "의사 구조(dummy structure)" 또는 "폴리싱-스톱(polish stop)"의 증착에 의해 상기 문제점이 나타난다. 따라서, 계속해서 디자인 노력, 패턴화, 증착, 반응성 이온 에칭 및 폴리싱 단계에 주력할 필요가 있다. 이러한 비용이 많이 드는 부수적 단계는 무려 6단계에 달하는 경우도 있지만, 본래의 폴리싱 공정의 평면화가 효능적이라면, 1단계로도 충분할 것이다.

산화물 평면화에 관하여서, 산화물 폴리싱은 금속 폴리싱에 비해 보다 적은 정도로 평면화된다는 사실을 이해하는 것이 중요하다. 상기 문제점은 중간수준의 유전체에서 산화물의 초기 두께를 증가시킴으로써 감소되는데, 이는 증가량이 제거되면서 평면화가 개선되기 때문이다. 이러한 시도는 평면화의 비용을 증가시키지만, 여전히 평면화의 정도는 매우 큰 규모의 집적 설계에는 그리 양호하지 않다.

본 발명의 목적은 저도부(골부분)에 비해 고도부(고원부분)에서 상당히 빠른 폴리싱 속도를 갖고, 이에 따라 이전에 가능한 것에 비해 상당히 큰 평면화도를 달성하는 평면화 공정을 제공하는 것이다. 본 발명은 또한 긁힘을 유발하는 폴리싱 찌꺼기를 피복시킴으로써, 표면이 긁히는 일없이 보다 경질인 패드를 사용할 수 있도록 허용한다.

도 1은 폴리싱의 조건을 나타내는 실린더형 좌표계를 도시한다.

도 2는 회전 디스크 사이에서 중합체성 유체가 전단력을 받을 때 발생하는 제 1 법선 응력(normal stress)의 차이(σ₁(X))를 도시한다.

도 3은 본 발명에 따른 전단에 기인한 피복된 입자와 미피복된 입자의 상대 위치를 예시하고, 여기서 웨이퍼는 폴리싱 공정 동안 윗면이 아래로 놓인다.

도 4는 본 발명에 따라 달성된 평면화를 예시한다.

도 5는 본 발명에 따르지 않고 수득된 표면 프로필을 나타낸다.

도 6은 본 발명에 따라 수득된 표면 프로필을 나타낸다.

보다 상세하게, 본 발명은 연마 입자를 함유하고 법선 응력 효과를 나타내는 폴리싱 슬러리에 관한 것이다. 본 발명의 슬러리 조성물은, 폴리싱 작용의 감소 또는 삭감 효과 및 법선 응력 효과를 나타내는 입자를 현탁된 입자의 일부분중에 함유하는데, 예를 들어 이러한 입자는 패턴상의 저도부내로 들어가서 폴리싱 속도를 감소시킨다. 이는 연마 입자 및 고분자전해질(polyelectrolyte)을 함유하는 슬러리에 의해 달성되는 것이 바람직하다. 고분자전해질은 일부의 연마 입자상에 흡착되어 저도부에서 폴리싱 속도를 감소시키는 법선 응력 효과를 나타낸다. 고분자전해질의 농도는 연마 입자의 약 5 내지 50중량%이다.

다른 특정 실시태양에 따라, 폴리싱 슬러리는 연마 입자 및 수불용성 중합체 입자를 함유할 수 있다. 추가의 특정 실시태양은 연마 입자 및 계면활성제 미셀(micelle)을 함유하는 폴리싱 슬러리에 관한 것이다.

본 발명은 또한 표면의 평면화에 관한 것이다. 상기 공정은 전술된 슬러리를 평면화될 표면상에 제공하는 것을 포함한다. 이어서 표면은, 플래튼(platen) 및 캐리어의 고 회전 속도에 의해 슬러리에 고속의 전단을 제공하면서 폴리싱 패드, 바람직하게는 강성 폴리싱 패드와 접촉시킴으로써 평면화한다.

또한 본 발명은 폴리싱될 특징부(예컨대, 거울 및 렌즈의 볼록표면 및 오목표면)의 크기 또는 표면 편차에 따라 큰 굴곡 반경을 갖는 비평면화된 표면을 폴리싱하는데 사용될 수 있다. 저도부내로 중합체 입자를 상승시키는(이와 더불어, 폴리싱 속도를 감소시켜 미시적 규모의 평면화를 이룩하는) 법선 응력 효과를 갖는 성분을 사용하는 것 이외에, 법선 응력 효과의 또 다른 측면, 즉 중합체 입자가 폴리싱될 표면의 중심을 향해 측방향으로 이동하는 경향을 갖는 효과를 표면의 거시적 성형, 예로서 굴곡 생성에 사용할 수도 있다.

본 발명을 수행하기 위한 최적의 다양한 형태

본 발명에 따라, 연마 입자를 함유하고 법선 응력 효과를 나타내는 폴리싱 슬러리가 제공된다. 일부 비-뉴우튼 중합체 용액 및 중합체성 유체의 비선형 탄성은 전단 방향에 대해 수직으로 발생하는 법선 응력의 차이가 발생할 때 나타난다. 이 효과를 설명하기 위해, 폴리싱 조건을 두개의 견고한 평행 디스크 사이에서의 비틀림 유동(torsional flow)에 가까운 것으로 설정할 수 있고, 실린더형 좌표계, z, θ, r를 사용할 수 있다(도 1). z가 0인 하나의 디스크는 Ω₀의 각속도를 갖고, z가 d인 다른 디스크는 Ω_d의 각속도를 갖고, △Ω는 Ω_d- Ω₀이며, 그의 값은 0이다.

전단 속도는 X = r△Ω/d이며, 이때 r은 디스크의 중심으로부터 반경 거리이다. 전단 응력(T_zr, T_θr)은 0이고, 전단 응력(T_zθ)은 τ(X)로 표시된다. 제 1 법선 응력의 차이(T_zz- T_rr)가 σ₁(X)로 표시됨이 특히 중요하다.

제 1 법선 응력의 차이는 유체를 두 회전판 사이에서 방사상으로 유동하도록 하고, 판을 분리시키려는 경향이 있다. 상부 디스크내에 구멍을 뚫고, 이 구멍을 통해 모세관을 넣음으로써 모세관내에서 유체가 상승하게 된다. 이는 도 2에 도시되어 있다. 전단 속도가 높아질 수록 σ₁(X)는 더욱 증가한다는 것을 주지하는 것이 중요하다. 중합체 용액의 경우 σ(X)는 τ(X)에 비해 크지만, 뉴우튼 유체의 경우 σ₁≡ 0이다.

선행 기술에서 사용된 폴리싱 슬러리는 연마 입자의 수성 현탁액이고, 이는 뉴우튼 행동을 나타내는데, 즉 제 1 법선 응력의 차이는 0임을 의미한다. 그러나, 자체로 용액중에서 법선 응력 효과를 나타내고 연마 입자상에 흡착되는, 본 발명에 따른 고분자전해질을 슬러리에 첨가함으로써, 비-뉴우튼 행동이 상기 슬러리에 부여될 수 있다. 고분자전해질은 동일한 거동을 연마 입자에 부여한다. 고분자전해질은 중합체 쇄 및 작용기를 함유하고, 이는 상이하게 하전된 표면상에 전자 전달에 의해 화학적으로 흡착될 수 있다. 연마 입자의 표면으로 강하게 유인되는 고분자이온(polyion)은 랑그뮈어(Langmuir)형의 흡착 거동을 나타내게 되고, 중합체는 "단층(monolayer)"으로 입자가 덮여질 때까지 연마 입자의 표면상에 편평하게 놓여진다. 고분자이온은 물론 단층을 형성할 뿐만 아니라 작업판(workpiece)(웨이퍼)의 표면상에 흡착할 것이다.

본 발명자에 의해 인식되는 관점중 중합체-피복된 연마 입자에 관한 것은 하기와 같다:

1. 폴리싱 작용이 크게 감소되고, 이에 따라 폴리싱 속도가 감소된다.

2. 중합체-피복된 연마 입자는 중합체성 거대분자로서 작용하고, 이는 전단 방향에 대해 수직으로 저도부 공간으로 상승한다(도 2를 참고).

한편, 본 발명자들에 의해 인식되는 관점중 미피복된 연마 입자에 관한 것은 다음과 같다:

1. 폴리싱 속도는 미피복된 연마 입자의 용적-농도에 따라 좌우된다.

2. 미피복된 입자는 전단의 방향에 대해 수직으로 저도부 공간으로 상승하지 않는다.

평면화를 달성하도록 이들의 관찰사항을 이용하기 위해, 연마 현탁액중 고분자전해질의 양은, 일부의 입자들은 고분자전해질로 피복되고, 다른 일부의 연마 입자들이 미피복된 채로 남도록 한다. 또한, 본 발명에 의해 인식된 관점중 피복된 연마 입자 미피복된 연마 입자 모두를 함유한 슬러리에 관한 것은 하기와 같다:

1. 법선 응력 효과는 미피복된 입자로부터 피복된 입자를 분리시킨다. 피복된 입자는 패턴의 저도부(골부분)내로 상승되고 축적되는 반면, 미피복된 연마 입자는 슬러리의 보다 낮은 부분, 즉 패턴의 고도부(필드)에 남게된다(도 3에 도시된 바와 같다). 도 3에서, ⊙은 피복된 입자를 나타내고 ·는 미피복된 입자를 나타낸다. 평면화될 표면은 폴리싱 패드상에서 윗면이 아래로 향하게 놓는다.

2. 중합체-피복된 입자는 패턴의 저도부에 축적되고, 이들이 거의 폴리싱 작용을 하지 않기 때문에 저도부에서의 폴리싱 속도는 매우 느리다.

3. 미피복된 연마 입자는 패턴의 고도부 또는 필드에 축적되고, 이들은 폴리싱 작용이 감소되지 않으므로, 여기서의 폴리싱의 속도는 빠르다.

4. 고도부에서의 빠른 폴리싱 속도 및 저도부(골부분)에서의 느린 폴리싱 속도로 인해 도 4에 도시된 바와 같이 평면화가 유도되고, 이때 점선은 폴리싱 전의 프로필을 나타내고 실선은 폴리싱 공정 후의 프로필을 나타낸다.

또한 본 발명의 바람직한 관점에 따라, 폴리싱 패드는 하기 특징을 소유해야 한다:

1. 폴리싱 패드는 강성이지만, 패턴의 함몰된 영역내로 완전히 변형되지 않는 것이 바람직한데, 이는 완전 변형될 경우 피복된 연마 입자와 미피복된 연마 입자의 분리를 위한 공간이 없기 때문이다. 따라서, 강성에 대한 이러한 선호도에 의해 보다 경질인 패드의 사용을 필요로 한다. 보다 경질인 패드는 폴리싱 찌꺼기로 인한 긁힘을 유발하는 경향이 있다. 이러한 문제점은 일부 연마 입자들을 피복하기 위해 상기 고분자전해질(이는 폴리싱 찌꺼기를 위한 분산제로서 작용하기도 한다)을 사용함으로써 해결된다. 폴리싱 찌꺼기를 분산시키는 것은 긁힘을 방지하고, 보다 경질인 패드의 사용을 허용한다. 본 발명에 따른 "보다 경질인 패드"는 통상의 슬러리에 비해 3배 이상의 평면화 비를 달성하는 것으로 정의되고, 이때 평면화 비는 최종단계(폴리싱 후) 높이로 나눠진 초기 단계 높이를 지칭한다. 따라서, 본 발명에 사용하기에 적합한 "보다 경질인 패드"는 무리한 실험없이 상기 기재사항을 이해하면 당해분야의 숙련가에 의해 쉽게 결정될 수 있다.

2. 바람직하게 폴리싱 패드는 천공이 없는 보통의 평면이어야 한다. 천공이 존재할 경우, 피복된 입자는 여기에 축적되고, 평면화될 웨이퍼상 패턴의 저도부내에 피복된 입자의 수는 감소한다.

바람직하게, 슬러리는 연마 입자 및 고분자전해질을 포함한다. 고분자전해질은 연마 입자에 관한 이온 전하와 상이한 전하의 이온 잔기를 갖는다. 예를 들면, 연마 입자에 관한 이온 전하가 음이온성(즉, 네가티브)일 경우 고분자전해질은 양이온성이고, 연마 입자에 관한 이온 전하가 양이온성일 경우 고분자전해질은 음이온성이다. 연마 입자에 관한 전하가 중성일 경우, 고분자전해질은 양이온성 및/또는 음이온성일 수 있다.

고분자전해질이란 용어는 고분자이온을 함유하는 물질을 지칭하고, 이는 다수의 이온화 기를 갖는 거대 분자이다. 고분자전해질 물질의 전자중성화를 방지하기 위해, 고분자이온 전하는 대이온, 전형적으로 H⁺또는 Na⁺등과 같은 저분자량의 이온에 의해 보상되어야 한다. 대부분의 비하전된 중합체와는 달리, 고분자전해질은 일반적으로 극성 용매(예: 물)에 가용성이다. 수용액중 양성자화 평형에 관하여, 이들은 폴리산, 폴리염기, 또는 산성 및 염기성 기가 모두 존재할 경우 양성고분자전해질(polyampholyte)로 분류될 수 있다.

고분자전해질은 슬러리에 법선 응력 효과를 부여한다. 용액에서, 고분자전해질은 법선 응력 효과를 나타내고, 연마 입자상에 이들이 흡착하면 입자에 동일한 행동을 부여한다. 이는 법선 응력 효과를 나타내지 않는 선행 기술의 폴리싱 슬러리와 상이하다.

평면화를 달성하기 위한 본 발명에 따라서, 연마 현탁액중 고분자전해질의 양은 일부의 입자들이 고분자전해질로 피복되는 반면 또다른 일부의 연마 입자들이 미피복된 채로 남도록 하는 양이다. 이를 달성하기 위해, 고분자전해질은 슬러리중 연마 입자의 약 5 내지 약 50중량%, 바람직하게는약 15 내지 약 30중량%, 가장 바람직하게는 약 20중량%이다. 이들 비율은 연마 입자와 고분자전해질의 상대 크기에 따라 어느정도 좌우된다.

고분자이온을 폴리싱 연마 입자에 결합시킬 수 있는 이온화 기 또는 정착 기(anchoring group)로는:

1. 예를 들면 폴리(아크릴산), 폴리(메타크릴산), 폴리(메틸 메타크릴산), 폴리(말레산) 또는 포화되거나 불포화된 폴리(카복실산)에서 카복실 기와 같은 산성 기. (또한 중합체내로 혼입된 인산 및/또는 설폰산 기도 산성 작용기로서 작용할 수 있다)

2. 아미노, 아미드, 이미드, 비닐 피리딘, 피페리딘, 피페라진 유도체에 의한 중합체 등의 질소 함유 기를 포함하는 염기성 기가 포함된다.

연마 입자의 표면에 대해 높은 결합 에너지를 갖는 고분자이온의 경우, 이는 높은 전하 밀도를 갖는 것이 바람직하다. 전해질의 첨가는, 예를 들면 폴리아크릴산 등의 약한 폴리산의 강도를 증가시키고, 이에 따라 연마 입자상에 이의 흡착성을 증가시킨다. 예로서 실시예 2를 참조한다.

연마제의 표면에 대해 강한 결합 에너지를 갖는 고분자전해질의 경우, 폴리산은 염기성 특성을 갖는 연마제를 피복하기 위해 사용되어야 하고, 알루미나 연마제용의 폴리(아크릴산) 등이 있다. 한편, 폴리염기는 산성 특성을 갖는 연마제를 피복하기 위해 사용되어야 하고, 예로서 실리카 연마제를 피복시키는 폴리(에틸렌이민)이 있다. 거의 중성 특성을 갖는 폴리싱 연마제(예: 산화지르콘 또는 산화세륨)는 산성 또는 염기성 고분자이온 또는 양성고분자전해질로 피복될 수 있다.

하기 표 1은 본 발명에 적합한 일부 이온화가능한 쇄 분자를 예시한다.

특히, 고분자전해질 첨가제에서, 반복적으로 표시되는 단량체 단위의 수인 n은 바람직하게 5 내지 200의 범위내이어야 하고, 이는 약 500 내지 10,000의 고분자전해질의 바람직한 분자량을 이끌어 낸다.

극소전자공학산업에서 거의 모든 산화물 폴리싱은 알칼리 pH 범위에서 콜로이드성 실리카 슬러리를 적용한다. 본 발명에 따라, 바람직하게 평면화 고분자이온 첨가제는 질소 함유 기, 예로서 아미노, 아미드, 이미드, 비닐 피리딘, 피페리딘 또는 피페라진 유도체를 갖는다. 가장 바람직한 첨가제는 분자량이 약 2,000인 폴리에틸렌이민이다. 평면화 슬러리의 pH는 9 내지 11이어야 한다. 콜로이드성 실리카 폴리싱 슬러리는 실리카 입자 및 탈이온화수로 구성되므로, 평면화 슬러리를 제조하는 것은 수성 실리카 슬러리를 원하는 고형 농도로 희석시키고, 원하는 양의 폴리에틸렌이민 수용액을 첨가하고, 사용전 1시간 이상 동안 교반하여 흡착 평형에 도달하도록 하는 것을 포함한다. 천공을 함유하지 않거나 엠보싱된 패턴이 아닌 모든 경질 폴리싱 패드가 바람직하게 상기 평면화 슬러리와 함께 사용될 수 있다.

ZrO₂및 CeO₂연마제는 SiO₂를 폴리싱하기 위해 사용될 수도 있다. 이들의 등전점은 거의 중성이므로, 산성 및 염기성 고분자이온은 이들상에 흡착하고, 이에 따라 폴리(아크릴산) 및 폴리에틸렌이민은 산화지르코늄 및 산화세륨 슬러리를 위한 평면화 첨가제로서 작용할 수 있다. 구조상에 질소-함유 기와 카복실 기 둘다를 갖는 고분자전해질, 예로서 폴리(아미노산)과 암모늄 폴리아크릴레이트는 마찬가지로 유용하다. 첨가제의 분자량은 바람직하게 500 내지 10,000 범위이다. 천공을 함유하지 않거나 엠보싱된 패턴이 아닌 모든 경질 폴리싱 패드는 바람직하게 상기 평면화 슬러리와 함께 사용될 수 있다.

금속 평면화 구역에서, 본 발명의 가장 중요한 응용은 알루미늄 및 알루미늄 합금 평면화이다. 한 예시적 공정에 대한 상세한 설명을 실시예에 기술하고 있다.

텅스텐 평면화의 경우, 전형적인 슬러리는 알루미나 연마제 및 질산제2철 산화제를 함유한다. 본 발명에 따라, 바람직하게는 카복실-함유 고분자전해질(예: 폴리(아크릴산))이 사용된다. 고분자이온 첨가제는 평면화를 개선하고, 상기 폴리싱 공정에서 관찰되는 바와 같이 산화물의 긁힘을 방지한다.

구리 폴리싱의 경우, 전형적으로 알루미나 슬러리 및 산성 산화제가 사용된다. 본 발명에 따라, 바람직하게는 카복실-함유 고분자전해질, 예로서 폴리(아크릴산), 폴리(메타크릴산), 폴리말레산이 사용된다. 고분자이온 첨가제는 평면화를 개선시키고, 경질 패드에 의해 발생되는 긁힘을 방지한다.

연마 입자의 일부분을 피복하는 고분자전해질 뿐만 아니라, 슬러리는 바람직하게 폴리싱 찌꺼기를 분산하기 위한 분산제를 포함하고, 이로써 긁힘 발생을 방지하고 보다 경질인 폴리싱 패드의 사용을 허용한다. 높은 전하 밀도를 갖는 저분자량의 고분자이온은 폴리싱 찌꺼기 분산제로서 작용할 수 있으므로, 고분자전해질이 적절하게 선택될 경우 두가지 모두의 기능을 수행할 수 있다. 특히, 고분자전해질 첨가제에서, 반복적으로 표시되는 단량체 단위의 수인 n은 바람직하게 5 내지 200의 범위내이어야 하고, 이는 약 500 내지 10,000, 바람직하게는 약 1,000 내지 약 5,000, 가장 바람직하게는 약 2,000의 고분자전해질의 바람직한 분자량 범위를 이끌어 낸다. 고분자전해질이 분산제로서 작용하지 않는 경우, 슬러리는 비결정질의 폴리인산염, 아크릴아미드 중합체, 폴리말리에이트, 타닌산, 리그닌, 알긴산 등의 통상의 분산제를 포함할 수 있다.

사용된 연마 입자는, 통상적으로 사용되는 것 뿐만 아니라 통상의 연마 입자와 2가 희토류 이온(rare earth ion) 또는 이의 콜로이드성 수산화물의 현탁액－이의 적용시 실시예에 제시된 바와 같이 희토류 이온은 이의 보다 높은 원자가 형태이다－을 함유한 폴리싱 슬러리를 포함한다. 일부 적합한 희토류의 예는 Ce⁴⁺, Pr⁴⁺, Tb⁴⁺또는 콜로이드성 수산화물의 현탁액(예: Ce(OH)₄)이다. 2가 희토류 또는 희토류 수산화물 콜로이드는 슬러리에서 산화 촉매와 OH 이온의 원료로서 작용한다.

동시계류중인 미국 특허원 제 08/756,361 호(FI-996-106)(이의 전체 개시는 본원에 참고로 인용되어 있다)에 개시된 바와 같은 2가 희토류 첨가제는 폴리싱 슬러리의 일부분일 수 있다.

적합한 연마 입자의 예로는 알루미나, 산화세륨, 실리카, 산화지르코늄이 있다. 적절한 연마 입자는 전형적으로 약 30 내지 약 200㎚, 바람직하게는 약 75 내지 약 100㎚의 입경을 갖는다.

고분자전해질을 함유하는 슬러리 조성물은 바람직하게 이미 연마 입자가 함유되어 있는 슬러리에 고분자전해질을 첨가함으로써 일부의 연마 입자들을 "동일 반응계에서(in situ)" 피복함으로써 제조된다. 다른 절차에서, 일부의 연마 입자들을 예비피복하고, 미피복될 나머지 연마 입자를 함유하는 슬러리와 혼합할 수 있다. 또한, 연마 입자 일부분을 예비처리하여 이들이 슬러리에 비해 고분자전해질의 흡착에 더욱 감수성이도록 하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 2가 희토류 원소의 보다 높은 원자가 형태의 염 또는 질산제2철 등의 다른 산화제는 상기목적에 적합하다.

다른 양태에 따라, 비수용성 중합체는 고분자전해질로 피복된 연마 입자 대신 또는 이에 부가하여 비폴리싱 입자로서 사용될 수 있다. 적합한 합성 유기 중합체로는 폴리스티렌, 부타디엔 고무, 수-분산성 폴리우레탄 분말이 있다. 중합체는 서브미크론 분말 입자의 형태이다. 경우에 따라, 중합체 입자는 소듐 라우릴 설페이트 등의 계면활성제로 처리하여 이들을 친수성화시킬 수 있다.

중합체 입자는 사용될 경우 전형적으로 슬러리중 연마 입자의 약 5 내지 약 50중량%, 보다 전형적으로는 약 15 내지 약 30중량%, 바람직하게는 약 20중량%이다.

추가의 양태에서, 계면활성제 미셀은 고분자전해질로 피복된 연마 입자 대신 또는 이에 부가하여 비폴리싱 입자로서 사용될 수 있다. 응집물로 결속하는 임계 미셀 농도(CMC) 이상의 농도인 계면활성제 분자 또는 이온을 미셀이라 지칭한다. 수용액에서 미셀중 계면활성제 이온의 배향은 친수성 잔기가 물에 노출되도록 하는 배향이다. 매우 종종 미셀은 20 내지 100개의 응집수를 나타내는 구형이다. 예를 들면 알루미나 슬러리에 사용되는 상기 실행을 위해, 소듐 라우릴 설페이트 계면활성제는 CMC 이상의 농도, 전형적으로는 약 0.1 내지 약 2중량%, 바람직하게는 약 0.25중량% 이상으로 사용될 수 있다. 물론, 계면활성제는 경우에 따라 양이온성, 음이온성, 비이온성일 수 있다. 계면활성제 농도는 연마제 농도에 의존하지 않는다.

경우에 따라, 비폴리싱 입자의 상기 둘 이상의 유형의 혼합물이 사용될 수있다.

슬러리는 수성 슬러리가 바람직하지만, 슬러리의 적어도 일부가 법선 응력 효과를 나타낸다면 비수성(non-water-based) 슬러리(예로서 폴리실록산 유체와 세탄중 폴리이소부틸렌) 또는 수성 슬러리와 비수성 슬러리의 혼합물이 본 발명에 포함된다.

폴리싱 또는 평면화의 파라미터는 과도한 실험을 행하지 않고도 상기 개시를 이해한다면 당해분야의 숙련가에 의해 측정될 수 있다. 예를 들면, 폴리싱 패드와 웨이퍼의 회전 속도는 약 10 내지 약 150rpm이고, 압력은 약 2 내지 약 10psi이다. 웨이퍼는 직경이 100 내지 300㎜ 범위일 수 있다. 거울 또는 렌즈를 폴리싱할 경우, 낮은편의 속도가 전형적으로 사용된다. 이는 보다 많은 양의 비폴리싱 입자 및/또는 보다 낮은 압력을 사용함으로써 달성된다.

하기 비-제한적인 실시예는 추가로 본 발명을 예시하기 위해 제시되어 있다.

비교 실시예 1

자기적으로 교반되는 용기내로 약 4ℓ의 탈이온화수를 첨가하고, 이어서 피이크 입경이 75㎚이고 고형분 함량이 6중량%인 약 1ℓ의 콜로이드성 수성 알루미나 슬러리를 첨가한다. 약 21g의 (NH₄)₂Ce(NO₃)₆를 약 1ℓ의 탈이온화수에 용해시키고 상기에 첨가한다. 슬러리를 20분 이상 동안 교반한 결과 알루미나 함량이 1중량%인 약 6ℓ의 슬러리를 수득하였다. 산화세륨 염은 산화제로서 작용한다.

폴리싱될 웨이퍼는 100㎛×100㎛ 치수의 선-결합 패드를 갖고, 에칭 깊이는0.8㎛이다. 폴리싱 전의 표면 프로필은 표면상에 0.8㎛ 계단을 나타내고, 바람직하게는 부합적인 증착을 나타낸다. 이들은 평면화가 요구되는 계단이다.

로델 코포레이션(Rodel Corporation)으로부터 제작된 연질 폴리우레탄 패드인 폴리텍스(Polytex)^TM가 사용되는데, 보다 경질 패드를 사용하면 "흑색 찌꺼기"가 생성되는데, 이러한 찌꺼기는 알루미늄 필름을 긁어낸다. 다른 금속화 레벨상의 긁힘은 단기 수율을 감소시킨다.

1.1㎛ 두께의 Al-0.5중량% Cu 합금 필름의 폴리싱은 웨스텍 372 폴리싱 기계상에서 폴리싱 패드 위에 놓인 폴리싱될 웨이퍼와 함께 6psi의 하력(downforce)과 2psi의 배압에 의해 수행되었다. 플래튼의 회전은 75rpm이지만, 캐리어의 경우 50rpm이었다. 슬러리 유속은 200㎖/분이었다.

도 5는 알루미늄 합금의 제거 후 패드의 표면 프로필을 나타낸다. 패턴은 둥글어지지만 계단 높이는 동일하게 0.8㎛로 유지되어 평면화는 발생하지 않았다.

실시예 2

자기적으로 교반되는 용기내로 약 3ℓ의 탈이온화수를 첨가하고 이어서 피이크 입경이 75㎚이고 고형분 함량이 6중량%인 약 1ℓ의 콜로이드성 수성 알루미나 슬러리를 첨가한다. 약 21g의 (NH₄)₂Ce(NO₃)₆를 약 1ℓ의 탈이온화수에 용해시키고 상기 슬러리에 첨가하고 20분 이상 동안 교반한다. 그 다음으로 약 20㎖의 65중량% 폴리(아크릴산)용액－폴리(아크릴산)의 분자량은 2,000이다－ 을 슬러리에 첨가하고, 폴리(아크릴산)이 측정된 계량 실리더를 1ℓ의 탈이온화수로 세척하여슬러리에 넣는다. 슬러리를 1시간 이상 동안 교반하여 흡착 평형에 도달시킨다.

제조된 슬러리는 6ℓ이고, 이는 1중량%의 알루미나 및 약 0.2중량%의 폴리(아크릴산)을 함유한다. 산화제로서 작용하는 것 이외에, 산화세륨 염은 또한 알루미나 연마제상에 폴리(아크릴산)의 흡착을 촉진시킨다.

평면화를 위해, 비교실시예 1에 사용된 것 보다 경질인 패드를 사용한다. 패드는 프루덴버그 캄파니(Freudenberg Company)로부터 제조된 페드로 패드(Pedro pad)를 이용할 수 있다. 이는 부직 패드로서 1.5 내지 3인치 길이로 절단된 레이온 섬유를 배치함으로써 제조된다. 후속적으로, 아크릴계-부타디엔 고무 결합제를 섬유상에 놓고, 결합제를 경화시켜 원하는 점탄성을 수득한다. 비교 실시예 1에서 상술된 바와 동일한 폴리싱 조건 및 웨이퍼를 사용한다. 흑색 찌꺼기 형성이 폴리싱동안 관찰되지 않는다. 폴리싱에 의해 선 결합 패드를 둘러싸는 필드로부터 알루미늄 합금을 제거한 후의 패드 표면 프로필은 도 6에 도시되어 있다. 이 도면은 단지 0.06㎛의 계단 높이를 나타내고, 이는 평면화시 선행 기술의 0.8㎛ 단계 높이로부터 본 발명의 공정에 의한 0.06㎛ 계단 높이로의 1차 이상의 양적 개선을 나타낸다.

비교 실시예 3

보다 경질인 페드로 패드를 사용함을 제외하고 비교 실시예 1을 반복한다. 폴리싱 공정 동안 상당량의 흑색 찌꺼기 형성이 관찰되고, 알루미늄 필름은 극도로 긁혀지고, 극소 전자 공학 적용에 이를 사용할 수 없도록 한다 폴리싱후 계단 높이는 0.2㎛이지만, 대부분의 적용분야에 있어서 너무 크다.

비교 실시예 3과 실시예 2를 비교하면 본 발명의 중요성이 입증된다. 예를 들면, 고분자전해질 첨가제는 평면화를 개선시킬 뿐만 아니라 흑색 찌꺼기를 분산시킴으로써 보다 경질인 패드를 사용할 수 있도록 한다. 흑색 찌꺼기는 폴리싱에 의해 제거된 알루미늄 입자로 구성된다. 이러한 입자를 표면상에 경질 속성의 산화물을 전개시켜서, 웨이퍼를 긁어낸다. 고분자전해질은 본 발명에 따라 이들 입자에 결합하고, 이들을 피복시켜 긁힘 작용을 방지한다. 사실, 금속화의 제 1 레벨상에서 실시예 2의 절차를 사용할 경우, 본 발명을 추구하는 실시예 2에 따른 단기 수율은 95% 이상이었고, 반면 금속화의 제 1 레벨상에서 비교 실시예 3을 사용할 경우 심각한 긁힘으로 인해 비교 실시예 3으로부터의 단기수율은 0%였다.

Claims

폴리싱 슬러리(polish slurry)에 있어서,

연마 입자를 포함하고,

법선 응력 효과(normal stress effect)를 나타내고,

상기 연마 입자에 관한 전하와 상이한 전하의 이온 잔기를 갖고, 상기 연마 입자의 약 5 내지 약 50중량%의 농도를 갖고, 약 500 내지 약 10,000의 분자량을 갖는 고분자전해질(polyelectrolyte)을 추가로 포함하는 폴리싱 슬러리.
제 1 항에 있어서,

고분자전해질이 산성 기를 포함하는 슬러리.
제 1 항에 있어서,

고분자전해질이 염기성 기를 포함하는 슬러리.
제 1 항에 있어서,

고분자전해질이 양성고분자전해질(polyampholyte)인 슬러리.
제 1 항에 있어서,

고분자전해질이 폴리에틸렌이민인 슬러리.
제 1 항에 있어서,

고분자전해질이 폴리(아크릴산), 폴리(메타크릴산), 폴리말레산으로 구성된 군으로부터 선택되는 슬러리.
제 1 항에 있어서,

고분자전해질을 흡착하는 능력을 향상시키기 위해 일부 연마 입자를 예비처리한 슬러리.
제 1 항에 있어서,

고분자전해질을 흡착하는 연마 입자의 능력을 향상시키기에 충분한 양의 산화제로 일부 연마 입자를 예비처리한 슬러리.
제 8 항에 있어서,

산화제가 질산제2철인 슬러리.
제 1 항에 있어서,

수불용성 중합체 입자를 추가로 포함하는 슬러리.
제 1 항에 있어서,

계면활성제 미셀을 추가로 포함하는 슬러리.
제 1 항에 있어서,

연마 입자의 입자크기가 약 30 내지 약 200㎚인 슬러리.
제 1 항에 있어서,

연마 입자가 알루미나, 산화세륨, 실리카, 산화지르코늄으로 구성된 군으로부터 선택되는 슬러리.
제 1 항에 있어서,

수성 슬러리인 슬러리.
제 1 항에 있어서,

2가 희토류 이온(rare earth ion) 또는 이의 콜로이드성 수산화물의 현탁액을 추가로 포함하는 슬러리.
제 1 항에 있어서,

비-수성 슬러리인 슬러리.
제 1 항에 있어서,

고분자전해질이 폴리싱 찌꺼기를 분산시킬 수 있는 슬러리.
제 1 항에 있어서,

고분자전해질이 음이온성이고, 이의 분자량이 약 1,000 내지 약 5,000인 슬러리.
제 1 항에 있어서,

고분자전해질이 약 1,000 내지 약 5,000의 분자량을 갖고 양이온성인 슬러리.
제 1 항에 있어서,

농도가 15 내지 약 25%인 슬러리.
연마 조성물에 있어서,

연마 입자 및

상기 연마 입자에 관한 전하와 상이한 전하의 이온 잔기를 갖고, 상기 연마 입자의 약 5 내지 약 50중량%의 농도를 갖고, 약 1000 내지 약 5000의 분자량을 갖는 고분자전해질을 포함하는 연마 조성물.
제 1 항에 따른 슬러리를 제조하는 방법에 있어서,

고분자전해질을 연마 입자를 함유하는 슬러리에 첨가함으로써 일부 연마 입자들을 동일반응계(in situ)에서 피복함을 포함하는 슬러리의 제조 방법.
제 1 항에 따른 슬러리를 제조하는 방법에 있어서,

연마 입자의 일부를 예비피복하고, 이어서 예비피복된 연마 입자를 상기 연마 입자의 나머지 부분의 슬러리와 혼합함으로써 슬러리를 생산하는 슬러리의 제조 방법.
제 1 항에 따른 슬러리를 제조하는 방법에 있어서,

연마 입자의 일부를 예비처리하여 이들이 슬러리로부터의 고분자전해질의 흡착에 보다 감수성이 되도록 하는 것을 포함하는 슬러리의 제조 방법.
표면을 폴리싱하는 방법에 있어서,

연마 입자 및 상기 연마 입자에 관한 전하와 상이한 전하의 이온 잔기를 갖고, 상기 연마 입자의 약 5 내지 약 50중량%의 농도를 갖고, 약 500 내지 약 10,000의 분자량을 갖는 고분자전해질을 포함하는 슬러리를 표면에 제공하는 단계, 및

상기 표면을 폴리싱 패드와 접촉시켜 평면화하는 단계를 포함하는, 표면을 폴리싱하는 방법.
제 25 항에 있어서,

폴리싱 패드가 강성 폴리싱 패드인 방법.
제 25 항에 있어서,

고분자전해질이 추가로 폴리싱 찌꺼기를 분산시킴으로써 상기 찌꺼기에 의해 초래되는 긁힘을 감소시키는 방법.
제 25 항에 있어서,

표면이 극소 전자 공학 웨이퍼인 방법.
제 25 항에 있어서,

표면이 거울 또는 렌즈인 방법.
표면을 폴리싱하는 방법에 있어서,

연마 입자를 포함하고,

법선 응력 효과를 나타내고,

상기 연마 입자에 관한 전하와 상이한 전하의 이온 잔기를 갖고, 상기 연마 입자의 약 5 내지 약 50중량%의 농도를 갖고, 약 500 내지 약 10,000의 분자량을 갖는 고분자전해질을 추가로 포함하는 슬러리를 표면에 제공하는 단계를 포함하는,

표면을 폴리싱하는 방법.