KR100497205B1 - 마이크로홀이 형성된 화학적 기계적 연마패드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학적 기계적 연마패드에 관한 것으로, 연마패드 상에 소정 깊이의 일정한 단면적을 갖는 마이크로홀이 형성되어 있는 특징으로 하며, 마이크로홀의 형태, 크기, 밀도 등을 자유로이 조절하여 배치할 수 있다. 본 발명에 따라 연마공정시 일정한 연마율을 유지할 수 있고, 공정조건에 따라 마이크로홀을 다양하게 배치할 수 있는 효과가 있다.

Description

마이크로홀이 형성된 화학적 기계적 연마패드 {CHEMICAL MECHANICAL POLISHING PAD WITH MICRO-HOLES}

본 발명은 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing, 이하 "CMP"라 함)에 사용되는 연마패드(Polishing Pad)에 관한 것으로, 특히, 그 표면에 마이크로홀(micro-holes)이 가공된 연마패드에 관한 것이다.

일반적으로 CMP는 반도체 소자 제조 공정에서 글로벌 평탄화(global planarization)를 이루기 위해 사용되는 초 정밀/경면 연마방법의 하나로서, 슬러리(slurry)을 연마패드와 웨이퍼(wafer) 사이에 투입하여 화학적으로 표면을 부식시킨 후 부식된 면을 기계적으로 연마하는 화학적 기계적 연마방법이다.

통상적인 CMP 장치(1)의 개략도 및 CMP 장치(1)에 의한 화학적 기계적 연마 공정의 모식도가 도 1 및 2에 도시되어 있다. CMP의 연마과정은 CMP 장치(1)의 연마패드(10) 상에서 이루어지는 화학적 부식반응과 기계적 연마공정을 포함한다. 화학적 부식반응은 슬러리(42)를 통하여 이루어지는데, 슬러리(42)는 웨이퍼(30)의 표면을 화학적으로 반응시킴으로써 후속되는 기계적인 연마공정이 용이하게 되도록 해주는 역할을 한다. CMP 연마과정에서, CMP 연마패드(10)는 정반(platen)(20)에 고정되어 회전하고, 웨이퍼(30)는 리테이너 링(Retainer Ring)(32)에 의해 고정되어 자전함과 동시에 진동(Oscillation) 운동을 한다. 이 때 슬러리 공급수단(40)에 의해 연마패드 위로 공급된 슬러리의 연마입자는 CMP 연마패드(10)와 웨이퍼(30) 사이로 유입되며 유입된 연마입자는 웨이퍼(30)와 연마패드(10)의 상대속도의 차이에 의해 웨이퍼(30)와 마찰하게 되어 기계적인 연마작용을 수행하게 된다. 슬러리(42)는 나노미터(nm) 크기의 연마입자를 함유한 콜로이드(colloidal) 형태의 액체로서, 연마공정 중에 CMP 연마패드(10) 위에 뿌려진다. 연마패드 상에 공급된 슬러리는 패드의 회전으로 인한 원심력에 의하여 연마패드의 원주 밖으로 배출되게 된다. 연마율을 높이기 위해서는 CMP 연마패드 상면에 다수의 연마입자가 존재하여 연마과정에 참여할 수 있어야 한다. 즉, CMP 연마패드는 공급되는 슬러리를 CMP 연마패드 표면에 가능한 오랜 시간 동안 잡아둘 수 있어야 한다.

종래에는 이와 같이 슬러리를 연마패드에 오랫동안 유지시키기 위한 방법으로서 연마패드에 직경이 마이크로미터(㎛) 크기인 구형 마이크로셀(micro-cells)을 형성하였다. 연마공정 중에 연마패드 상에 공급된 슬러리는 마이크로셀에 저장되었다가 웨이퍼의 압력에 의해 표면으로 분출되어 연마에 참여하게 된다. 또한, 마이크로셀은 연마공정 중에 웨이퍼에서 떨어져 나온 데브리스(debris)를 저장하는 역할을 한다. 마이크로셀에 저장된 데브리스는 연마공정 후의 컨디셔닝(conditioning) 시에 외부로 배출된다.

종래에 연마패드에 마이크로셀을 가공하는 방법으로서, 물리적으로 중공체를 집어넣는 방법 및 화학적으로 기포를 발생시켜 셀을 형성시키는 발포법이 사용되어 왔다.

중공체를 넣는 방법은 폴리머릭 메트릭스(polymeric matrix)와 다량의 중공 폴리머(cavity polymer)를 균일하게 분포되도록 함침시킴으로써 마이크로셀을 형성하는 것이며, 이때의 폴리머릭 메트릭스는 우레탄(urethane), 폴리에스테르(polyester), 불화 탄화수소(fluorinated hydrocarbon) 및 이들 혼합물 등의 수지에 경화제(curing agent)를 혼합하여 형성된다. 일반적으로 무기염(inorganic salts), 슈가(sugars), 수용성 껌(water soluble gums), 수지(resin) 등이 중공체로 많이 사용되며, 이와 같은 중공체들은 폴리비닐알콜(polyvinylalcohol), 펙틴(pectin), 폴리비닐 피로리딘(polyvinyl pyrrolidone), 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol), 폴리우레탄(polyurethane) 또는 그 조합으로 제조된다. 이러한 중공체들의 평균 직경은 약 150㎛이다. 각각의 중공체들을 고 전단 혼합(high shear mixing)에 의해 폴리머릭 메트릭스 상에 균일하게 분포하도록 함으로서 균일한 마이크로셀들을 형성한다. 도 3에는 이러한 중공체에 의해 형성된 마이크로셀들이 도시되어 있다. 이와 같이, 마이크로셀이 형성된 패드는 소정의 두께의 패드를 얻기 위한 후속 공정에 의해 절단되게 된다. 절단 과정에 의해 랜덤(random)하게 분포되어 있던 마이크로셀들은 절삭면에 개구되어 원형 또는 타원형으로 단면이 드러나게 된다. 이 과정에서 연마면에 드러나게 되는 마이크로셀 단면의 크기와 위치는 랜덤한 분포를 갖게 되며, 이러한 분포는 패드마다의 균질성을 저해시키는 요인으로 작용한다.

발포법에 의하여 셀을 형성하는 화학적 방법은 액상 폴리우레탄(polyurethane) 형성 물질에 경화제 등을 사용하여 폴리머릭 메트릭스를 형성하며, 화학반응에 직접 관여하여 기체를 발생하는 물이나 저비점의 액상 기체를 발포제로 사용함으로써 기포를 발생시켜 셀을 형성시킨다. 기포의 발생은 고 전단 혼합(high shear mixing)에 의한 응집(nucleation)에 의해 형성되며, 정포제(surfactant) 등의 적용으로 표면 장력을 줄여줌으로써 마이크로셀의 크기 및 균일화를 조절한다. 도 4에는 이러한 발포법에 의해 형성된 마이크로셀들이 도시되어 있다. 그러나, 도 4에 도시된 바와 같이, 발포법에 의한 마이크로셀은 온도에 따라 팽창 정도가 다른 특성이 있기 때문에 큐어링(curing) 시에 발생하는 열흐름(heat flow)에 따라 마이크로셀의 크기가 달라져서 연마패드에 균일한 크기의 마이크로셀이 형성되지 못하는 단점이 있다.

상술한 중공체에 의하거나 발포법에 의하여 생성된 마이크로셀의 형태는 구형 또는 타구형을 갖는다. 이러한 형태상의 특징으로 인하여 노출된 마이크로셀은 패드의 두께 방향으로 단면이 변화하기 때문에 연마공정시 연마패드가 마모함에 따라 연마패드 상에 노출되는 마이크로셀의 단면이 변화하게 된다. 즉, 연마가 진행함에 따라 노출된 원형 또는 타원형의 마이크로셀의 단면적이 작아지다가 결국 사라지게 되고, 연마패드 내부에 있는 마이크로셀은 연마면에 새롭게 개구되어야 한다.

따라서, 구형 또는 타구형의 마이크로셀을 갖는 연마패드는 연마가 진행되면서 연마패드의 두께가 변화함에 따라 연마율이 불안정해진다는 단점이 있다.

본 발명은 종래의 중공체 또는 발포법에 의해 형성되는 마이크로셀을 갖는 연마패드의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 마이크로셀과 동일한 역할을 수행하면서 슬러리를 효과적으로 저장 및 배출하여 일정한 연마율을 유지할 수 있는 마이크로홀을 갖는 연마패드를 제공하고자 한다.

본 발명은 균일한 크기를 갖는 마이크로홀을 사용자가 원하는 다양한 패턴으로 분포시킨 연마패드를 제공하여 연마공정시 연마패드의 두께의 변화에 관계없이 일정한 단면적의 마이크로홀을 갖는 연마패드를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 마이크로홀의 크기, 형상, 밀도를 조절하여 최상의 공정조건을 유지하여 연마 효율을 높일 수 있는 연마패드를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 연마패드 상에 소정 깊이의 일정한 단면적을 갖는 마이크로홀이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 구성 및 작용을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명은 CMP 공정에 사용되는 연마패드에 마이크로홀이 형성되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 마이크로홀은 상부가 개구되어 있고 일정한 단면적을 갖는다. 도 5a 및 5b에 본 발명에 따른 마이크로홀의 단면사진 및 평면사진이 도시되어 있다.

도 5a 및 5b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 가공된 마이크로홀은 균일한 직경 및 분포를 가진다. 도 5a 및 5b에 도시되어 있는 마이크로홀은 그 단면이 원형을 갖지만, 단면의 형태는 타원형, 삼각형 또는 사각형 등의 다각형, 별모양 등 여러 가지 다양한 형태로 형성할 수 있다. 원형 단면의 경우 그 직경은 약 10~200 ㎛가 바람직하다.

또한, 마이크로홀은 연마패드면과 수직으로 형성되는 것이 일반적이지만 연마면에 대하여 경사가 지도록 형성하는 것도 가능하다. 도 6에는 마이크로홀이 연마패드의 x, y, z축에 각각 α, β, γ의 각을 이루는 마이크로홀이 도시되어 있다. 여기에서, 0°〈 α, β, γ 〈 90°의 범위를 갖는다.

상기 마이크로홀의 단면적은 약 10 ㎛²~10 ㎜²의 범위가 되도록 하는 것이 바람직하며,마이크로홀의 깊이는 연마패드 두께의 0.01~1이 되도록 하는 것이 바람직하다.

이러한 마이크로홀의 배치는 도 7a에 도시된 바와 같이, 밑변 a, 높이 b 및 사이각 β를 갖는 삼각형 배치로 할 수 있다. 도 7b 및 7c에는 이러한 삼각형 배치를 기초로 하여 연마패드에 형성된 마이크로홀의 배치를 나타낸 실시예이다.

본 발명에 따른 연마패드에 형성되는 마이크로홀은 사용자가 원하는 크기, 밀도, 형태 등에 따라 다양하게 배치될 수 있다. 종래의 중공체 또는 발포법에 의한 마이크로셀의 경우에는 셀의 크기, 형태, 밀도 등을 조절할 수 있는 수단이 없었다. 그러나, 본 발명에 따르면, 사용자는 최적의 조건에 맞도록 마이크로홀의 형태, 크기, 밀도 등을 조절할 수 있다.

본 발명에 따른 마이크로홀이 형성된 연마패드의 실시예의 개략도가 도 8에 도시되어 있다. 도 8에서, 원형의 연마패드는 그 반경에 따라 마이크로홀의 밀도가 다른 4영역으로 나누어져 있다. 본 실시예에서, 각 영역 내부는 균일한 밀도, 형태 및 단면적을 갖는 마이크로 홀이 배치되어 있다. 이외에도, 연마패드는 다른 형태, 예를 들어, 직경방향으로 분할될 수 있음은 물론이다. 이와 같이, 본 발명에 따른 연마패드는 최상의 공정조건에 합치하도록 마이크로홀을 자유로이 배치할 수 있는 장점이 있다.

본 발명에 따라 연마패드에 형성되는 마이크로홀은 레이저, 천공핀 또는 드릴링 등의 방법으로 형성할 수 있다. 본 발명에서는 레이저 가공원리를 이용하는 것이 바람직하다. 레이저를 이용한 가공방법은 열변형층이 좁고 비접촉식이므로 공구의 마모가 없으며, 다양하고 미세한 형태의 마이크로홀을 가공할 수 있으며, 작업시 소음과 진동이 없고 작업환경이 깨끗하다는 특징이 있으며, 가공된 마이크로홀의 내부 표면이 정밀하고 매끈하다는 장점이 있다. 또한, 레이저 가공방법은 마이크로홀의 형태, 크기, 깊이, 밀도 등을 자유롭게 변경하고 조절하기가 용이한 장점이 있다.

본 발명에 따른 마이크로홀은 연마공정시 연마패드 상면에 공급되는 슬러리를 저장하였다가 웨이퍼의 압력에 의해 표면으로 분출되면서 연마에 참여하게 된다. 본 발명은 연마공정이 진행되어 연마패드의 두께가 변화하여도 마이크로홀이 항상 일정한 단면적을 갖기 때문에 일정한 연마율을 유지할 수 있다. 또한, 마이크로홀은 항상 개구되어 있기 때문에 종래의 마이크로셀과 같이 인위적으로 셀을 개구시켜 줄 필요가 없다. 또한, 본 발명에 따른 마이크로홀은 연마공정 중에 발생되는 데브리스를 저장하고 컨디셔닝시 외부로 배출시키는 역할을 한다.

본 발명은 마이크로홀이 형성된 연마패드를 제공함으로써, 슬러리를 효과적으로 흡수하고 연마공정이 진행 중에 일정한 연마율을 유지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 마이크로홀의 크기, 형상, 밀도 등을 자유로이 조절하여 최상의 공정조건을 유지하여 연마 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 마이크로홀이 형성된 연마패드에 관한 것으로, 당업자는 본 발명을 고려하여 충분히 변경, 변환, 치환 및 대체할 수 있을 것이고, 상술한 것에만 한정되지 않는다.

도 1은 일반적인 CMP 장치의 구조 및 연마방법을 나타내는 개략도.

도 2는 화학적 기계적 연마 공정의 개념을 나타내는 개략도.

도 3은 중공체에 의해 형성된 마이크로 셀의 사진.

도 4는 발포법에 의해 형성된 마이크로 셀의 사진.

도 5a는 본 발명에 따라 가공된 마이크로홀의 단면 사진.

도 5b는 본 발명에 따라 가공된 마이크로홀의 평면 사진.

도 6은 본 발명에 따라 연마면과 각을 이루도록 형성된 마이크로홀의 개략도.

도 7a는 본 발명에 따른 마이크로홀의 배치의 개념도이고, 도 7b 및 7c는 마이크로홀의 배치의 실시예.

도 8은 본 발명에 따른 일실시예로서 직경방향으로 서로 다른 밀도를 갖도록 배치된 연마패드의 개략도.

※도면의 부호에 대한 설명※

1: CMP 연마장치 10: CMP 연마패드

20: 정반 30: 웨이퍼

32: 리테이너 링 34: 헤드

40: 슬러리 공급수단 42: 슬러리

50: 컨디셔너

Claims (7)

1. 연마패드 상에 형성되어 일정한 연마율이 유지되도록 다양한 패턴으로 분포되어 있는 복수개의 마이크로 홀을 포함하며,

   상기 복수개의 마이크로홀은 각각 원형, 타원형, 삼각형, 사각형, 다각형 또는 별모양의 단면을 갖고, 상기 연마패드의 두께방향으로 10 ㎛²~10㎜²범위의 일정한 단면적을 가지며, 상기 연마패드의 두께에 대해 0.01 내지 1배의 깊이로 상기 연마패드 표면과 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마패드.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서, 상기 연마패드는 둘 이상의 영역으로 분할되며, 분할된 각각의 영역에는 서로 다른 단면적, 형태 및/또는 밀도를 갖는 마이크로홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마패드.
7. 제1항에 있어서, 상기 복수개의 마이크로홀은 레이저로 가공하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마패드.