KR100549730B1 - 화학기계연마용 패드컨디셔너 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학기계연마용 패드컨디셔너에 관한 것으로, 종래의 패드컨디셔너에 사용되는 연마수단을 다이아몬드 대신 팁이 형성된 니들로 대체하면서 다이아몬드가 이탈되는 단점을 보완하고 연마상태가 고르게 되어 패드컨디셔너의 수명이 길어질 수 있게 하는데, 그 목적이 있다.

이를 위해 감광성유리로 된 배열판에 관통공을 형성하는 관통공 형성단계와, 상기 배열판을 가열하여 세라믹화하는 배열판 세라믹화단계와, 상기 관통공에 니들을 삽입하는 니들 삽입단계와, 상기 니들을 상기 관통공으로부터 지지하는 지지층을 배열판 일측에 형성하는 지지층 형성단계와, 니들 팁이 위치한 부위의 배열판을 식각하는 니들 팁부위의 배열판 식각단계와, 상기 니들이 돌출된 배열판에 고경도물질을 코팅시키는 배열판 코팅단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학기계연마용 패드컨디셔너의 제조방법을 포함하여 제조되는 것을 특징으로 한다.

감광성유리, 배열판, 관통공, 지지층, 니들, 팁

Description

화학기계연마용 패드컨디셔너 및 그 제조방법{ Chemical Mechanical Polishing Pad Conditioner And The Fabrication Method Of It }

도 1은 종래의 CMP 공정을 나타내는 상태도.

도 2는 종래의 패드컨디셔너의 제조과정상의 단면상태도.

도 3은 종래의 패드컨디셔너에 관통구멍이 형성된 상태도.

도 4는 본 발명에 따른 패드컨디셔너의 제조방법을 단계적으로 보이는 블록도.

도 5a 내지 도 5f는 본 발명에 따른 패드컨디셔너의 제조방법에 따라 각 단계의 상태도.

도 6은 본 발명에 따른 패드컨디셔너를 나타낸 상태도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

S100 : 관통공 형성단계 S101 : 배열판 세라믹화 단계

S200 : 니들 삽입단계 S300 : 지지층 형성단계

S400 : 니들 팁부위의 배열판 식각단계

S401 : 배열판 코팅단계 10 : 배열판

11 : 관통공 12 : 니들

13 : 팁 14 : 지지층

본 발명은 웨이퍼의 마무리 폴리싱 공정에 이용되는 패드컨디셔너에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미세한 관통공을 형성하여 위치정밀도를 확보하면서 기존의 다이아몬드 대신 팁이 형성된 니들을 통해 웨이퍼의 마무리 폴리싱을 하는 데 사용되는 화학기계연마용 패드컨디셔너 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 웨이퍼(Wafer)의 폴리싱에는 CMP(Chemical Mechanical Polishing)라는 연마 방법이 제안되고 있다. CMP는 기계적 연마작용에 화학적 연마작용을 더하여 작용시킴으로써, 연마속도의 확보와 피연마재의 무결함을 모두 가능하게 한 것이며, 실리콘 웨이퍼의 마무리 폴리싱 공정에서 널리 사용되고 있다.

또한 근래에는 디바이스의 고집적화에 따라, 집적회로를 제조하는 소정단계에서, 웨이퍼 표면이나 웨이퍼 표면에 도전체ㆍ유전체층이 형성된 반도체 기판표면을 연마해야 할 필요가 생겼다. 반도체 기판은 연마됨으로써 높은 융기, 긁힌 곳, 거칠음 등의 표면 결함이 제거된다. 통상, 이 공정은 웨이퍼 위에 여러 가지의 소자 및 집적회로를 형성하는 사이에 이루어진다. 이 연마 공정에서 실리콘 웨이퍼의 마무리 폴리싱 공정과 마찬가지로, 연마속도와 무결함을 양립시킬 필요가 있다. 화학 슬러리(Slurry)를 도입함으로써, 반도체 표면에 보다 큰 연마제거 속도 및 무결 함성이 주어지는 화학적이면서 기계적인 평탄화가 이루어진다.

CMP 공정의 일예로서는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 예를 들어 5~300nm 정도의 입자 직경을 가지는 실리카 입자를 가성(苛性)소자, 암모니아 및 아민(Amine) 등의 알칼리 용액에 현탁시킨 PH 9~12정도의 화학 슬러리(101)와, 폴리우레탄 수지 등으로 이루어진 연마포(102)가 사용된다.

연마시에는 화학 슬러리(101)를 유포(流布)하면서 반도체 기판(103)을 연마포(102)에 적당한 압력으로 맞닿게 하여 상기 도면의 화살표가 나타내는 바와 같이 회전시킴으로써 연마가 이루어진다.

그리고 상기 연마포(102)의 컨디셔닝법(드레싱법)에서는, 연마포(102)에 물 또는 화학 슬러리(101)를 흘리면서, CMP 컨디셔너를 사용한 컨디셔닝을 하여, 연마포(102)의 눈이 막히는 것을 해소하고, 이물질을 제거하였다. CMP 컨디셔너를 사용한 컨디셔닝은 반도체 기판(103)의 연마가 끝난 후에, CMP 컨디셔너를 연마포(102)와 맞닿게 하던가, 반도체 기판(103)의 연마와 동시에, 반도체 기판(103)이 닿는 위치와 다른 위치에서 CMP 컨디셔너를 연마포(102)에 닿게 하여 행해진다.

한편, 도 2에 나타내는 바와 같이, 납재(203)가 설치된 지지부재(201)의 표면에, 접착제(204)를 도포해둔다. 그리고, 접착제(204)를 도포한 지지부재(201)의 표면위에 배열판(205)을 놓고 마스킹한다.

배열판(205)에는 도 3에도 나타내는 바와 같이, 다이아몬드 입자(202)를 배열시키기 위한 관통구멍(206)이 형성되어 있다. 즉, 배열판(205)에는 관통구멍 (206)이 일정하게 배열되어져 있다. 관통구멍(206)의 입구 직경(X)은 다이아몬드입 자(202)의 사이즈(D)에 대하여 1.0D<X<2.0D이여서, 한 개의 관통구멍(206)에 한 개 이상의 다이아몬드입자(202)가 동시에 들어가지 않도록 하고 있다. 한편, 배열판 (205)의 주위에는 비산(飛散)방지용 벽(205a)이 설치되어 있다.

도 2에 나타내는 바와 같이 상기 배열판(205)을 지지부재(201)의 표면에 위치시킨 상태에서, 배열판(205) 위에 다이아몬드입자(202)를 뿌린다. 이 때, 배열판 (205)에 적당한 진동을 가하여, 다이아몬드입자(202)가 모든 관통구멍(206)으로 들어가도록 한다. 모든 관통구멍(206)에 다이아몬드입자(202)가 들어가면, 배열판 (205) 위의 나머지 다이아몬드입자(202)를 솔 등을 사용하여 제거한다. 그 후, 배열판(205)을 지지부재(201)의 표면으로부터 떼어내면, 다이아몬드입자(202)는 일정하게 배열된 상태에서 지지부재(201)의 표면위에 남게 된다.

이상 설명한 바와 같이 하여 지지부재(201)의 표면에 다이아몬드입자(202)를 배열시켰으면, 단층, 납땜을 행하여 다이아몬드입자(202)를 고정시킨다. 이 납땜시에, 지지부재(201)의 표면에 도포된 접착제(204)는 납재(203)를 가열함으로써 승화하고, 지지부재(201)의 표면위에 잔류하지 않는다.

그러나 상기와 같은 종래의 패드컨디셔너는 다이아몬드가 빠지게 되면서 연마상태가 고르지 않게 되며 이에 따라 패드컨디셔너의 수명이 짧아지는 단점이 있었다.

또한 일정하게 관통구멍을 배열판에 배열하는 종래의 패드컨디셔너는 관통구멍을 위치시키는데 정밀도에 한계가 있어 위치정밀도가 향상되는 패트컨디셔너가 요구되고 있는 실정이다.

따라서 본 발명은 이러한 사정을 감안하여 개발된 것으로, 종래의 패드컨디셔너에 사용되는 연마수단을 다이아몬드 대신 팁이 형성된 니들로 대체하면서 다이아몬드가 빠지는 단점이 보완되고 연마상태가 고르게 되어 패드컨디셔너의 수명이 길어질 수 있는 화학기계연마용 패드컨디셔너를 제공함에 그 목적이 있다.

또한 관통구멍을 배열판에 배열함에 있어 포토리소그라피공정을 통해 관통구멍을 위치시키는데 정밀도의 한계를 극복하여 위치정밀도가 향상될 수 있는 화학기계연마용 패드컨디셔너를 제공함에 또 다른 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 화학기계연마용 패드컨디셔너는, 감광성 유리로 된 배열판에 관통공을 형성하는 관통공 형성단계와, 상기 배열판을 가열하여 세라믹화하는 배열판 세라믹화단계와, 상기 관통공에 니들을 삽입하는 니들 삽입단계와, 상기 니들을 상기 관통공으로부터 지지하는 지지층을 배열판 일측에 형성하는 지지층 형성단계와, 니들 팁이 위치한 부위의 배열판을 식각하는 니들 팁부위의 배열판 식각단계와, 상기 니들이 돌출된 배열판에 고경도물질을 코팅시키는 배열판 코팅단계를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 한다.

또한 니들 팁부위의 배열판 식각단계 후에 니들의 경도를 높이도록 하는 고경도 물질코팅은 다이아몬드박막, 다이아몬드상카본, 질화티타늄(TiN), 티타늄카본 나이트라이드(TiCN)로 하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명에서는 도5f와 같이 감광성 유리로 이루어진 배열판(10)에 다수의 관통공(11)이 관통형성되고, 일단부가 초경합금으로 된 뾰족한 팁(13)으로 이루어진 니들(12)이 상기 관통공에 삽입됨과 동시에 상기 팁은 상기 배열판(10)으로부터 돌출형성되고, 상기 니들의 팁이 돌출형성된 배열판의 반대편 면에는 상기 니들을 지지하는 지지층(14)이 구성되며, 상기 배열판 상에 돌출된 팁은 고경도 물질이 코팅되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학기계연마용 패드컨디셔너를 제공한다.

특히, 팁은 텅스텐 합금으로 이루어지며 화학기계의 효과적인 연마를 위해 그 끝단의 직경이 30~100㎛인 것을 특징으로 한다.

또한 배열판은 니들의 경도를 높이도록 니들이 돌출된 부위에 다이아몬드박막, 다이아몬드상카본, 질화티타늄(TiN), 티타늄카본나이트라이드(TiCN)와 같은 고경도물질이 코팅되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 예시도면을 참고하여 상세히 설명하고자 한다.

도면에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 화학기계연마용 패드컨디셔너 및 그 제조방법은 종래의 다이아몬드를 배열판에 배열하여 접착하는데 반해, 팁(13)이 형성된 니들(12)을 배열판(10)에 형성시키는 구조 및 방법이다.

도 4는 화학기계연마용 패드컨디셔너의 제조방법을 단계별 블록도이다.

따라서 먼저 화학기계연마용 패드컨디셔너의 제조방법을 살펴보면, 우선 관 통공 형성단계로써 감광성유리를 재질로 하는 배열판(10)에 관통공(11)을 형성하는 단계이다. 도 5a는 감광성유리인 배열판(10)에 노광, 열처리, 에칭공정 등을 거쳐 관통공(11)이 형성된 상태를 나타낸다.

감광성유리인 배열판(10)에 관통공(11)이 형성될 부분이 관통된 포토마스크(도시 생략)를 통하여 자외선을 조사시킨 다음, 이를 600℃ 정도에서 열처리하면 자외선이 조사된 부분을 선택적으로 결정화시킬 수 있다.

그리고 상기 배열판(10)을 불산수용액(불산 10%수용액)에 담그면 결정화된 부분을 선택적으로 제거하는 것이 가능하여 우선적으로 결정화된 부분이 용해됨으로써 미세한 관통공(11)이 상기 배열판(10)에 관통되어 형성된다.

따라서 상기와 같이 일반적으로 알려져 간단히 설명한 포토리소그라피공정을 통해 감광성유리를 이용한 미세가공 즉, 마이크로머시닝을 하는 것이 가능하고, 감광성유리를 이용하여 위치를 정밀하게 할 수 있으며, 미세한 관통공(11)을 형성하는 경우 레이저나 기계가공에 비해 매우 경제적이다.

그리고 감광유리는 보통의 적유리에 존재하는 환원성 이온 대신에 감광제(세륨-Ce-이온)를 치환하여 만든 것이며, 감광현상은 상업적으로 여러 용도에서 이용되어 왔다. 그 한가지로 다른 조성의 결정을 더욱 성장시키기 위하여 불균일핵으로서 작은 금속입자를 쓸 경우가 있고, 특히 LiO₂-SiO₂ 유리는 결정상의 Li₂SiO ₃ 석출에 유용하고, 이 결정은 주위의 유리보다도 불산에 훨씬 더 용해가 잘 된다. 이렇게 하여 화학적 가공이 가능한 유리를 만들 수 있다.

또한 감광성 유리는 자외선이나 X선 패턴으로 쬐이면 그 빛에 의해 금속 핵이 생기고 이어서 어떤 온도로 가열하면 Li₂SiO₃ 결정이 그 패턴을 만들어 유리 매트릭스 속에 성장한다. 불산에 방치하면 유리 속의 이들 결정질 부분만이 용해되어 다른 방법으로는 만들기 어려운 작은 구멍의 망(Grid)과 같은 구조를 만들 수가 있다. 이 기술을 적용하면 1㎠당 5104과 같은 높은 밀도를 갖는 구멍의 배열을 제조할 수 있다.

또한 다음은 배열판 세라믹화단계로써, 기계적 강도를 높이도록 배열판(10)을 800~850℃로 가열하여 세라믹화시키는 단계이고, 도 5b는 배열판(10)인 감광성유리가 가열되어 세라믹화된 상태를 나타낸다.

그리고 다음은 니들 삽입단계로써, 관통공(11)에 니들(12)을 삽입하는 단계이며, 이때의 니들(12)은 텅스텐 합금 등의 초경합금이며, 니들(12)의 팁(13)은 그 끝단이 직경 30~100㎛이다. 도 5c는 관통공(11)이 형성된 자리에 니들(12)이 삽입된 상태를 나타낸다.

또한 다음은 지지층 형성단계로써, 니들(12)을 관통공(11)으로부터 지지하는 지지층(14)을 배열판(10) 일측에 형성하는 단계이다. 도 5d는 니들(12)이 삽입된 배열판(10)에서 팁(13)이 형성된 배열판(10)의 반대측에 지지층(14)이 형성된 상태를 나타낸다.

따라서 스테인레스나 니켈을 용사 또는 도금 등의 방식에 의해 니들(12)이 삽입된 배열판(10) 일측에 형성시키되, 니들(12)의 팁(13)이 위치한 반대쪽의 상기 배열판(10)에 형성시킨다.

그리고 다음은 니들 팁(13)부위의 배열판(10) 식각단계로써, 니들(12)의 팁(13)이 위치한 부위의 배열판을 식각하는 단계이다. 도 5e는 팁(13)이 형성된 배열판(10)의 면에 니들(12)의 팁(13)이 돌출형성되도록 배열판(10)이 식각된 상태를 나타낸다.

따라서 니들(12)의 팁(13)이 위치한 부위를 불산수용액으로 50~100㎛ 정도의 두께를 식각시켜 니들(12)의 팁(13) 부위가 돌출형성되면서 니들(12)과 니들(12) 사이에 홈모양이 형성되어 연마도중에 화학슬러리가 배출될 수 있게 된다.

또한 다음은 배열판 코팅단계로서, 니들(12)의 경도를 높이도록 고경도물질을 니들(12)이 돌출된 배열판(10)에 코팅시키는 단계이다. 도 5f는 니들(12)의 팁(13)이 배열판(10)으로부터 돌출된 상태에서 상기 배열판(10)에 고경도물질이 코팅된 상태를 나타낸다.

따라서 다이아몬드박막, 다이아몬드상카본, 질화티타늄(TiN), 티타늄카본나이트라이드(TiCN)와 같은 고경도물질을 니들(12)의 팁(13)이 돌출된 부위의 배열판(10)에 코팅시켜 코팅층(15)을 형성시킨다.

한편, 본 발명에 따른 화학기계연마용 패드컨디셔너의 실시예를 살펴보면 다음과 같다. 도 6은 패드컨디셔너의 사시도로서 니들(12)의 팁(13)을 확대한 상태도 나타낸다.

배열판(10)에 다수의 관통공(11)이 관통형성되고, 상기 관통공(11)의 내부에는 팁(13)이 형성된 니들(12)이 삽입형성되며, 상기 니들(12)의 일단에는 반도체공 정 중 웨이퍼의 연마를 위한 뾰족한 팁(13)이 돌출형성된다.

아울러 니들(12)의 팁(13)이 형성된 배열판(10)의 타측에 상기 니들(12)을 지지하는 지지층(14)이 형성되고 상기 니들(12)의 팁(13)은 배열판(10)으로부터 연마를 위해 돌출형성된다.

또한 팁(13)은 텅스텐 합금과 같은 초경합금으로써 그 끝단의 직경이 30~100㎛이고, 배열판(10)은 니들(12)의 경도를 높이도록 니들(12)이 돌출된 부위에 다이아몬드박막, 다이아몬드상카본, 질화티타늄(TiN), 티타늄카본나이트라이드(TiCN)와 같은 고경도물질이 코팅되어 1~3㎛의 코팅층(15)이 형성된다.

상기와 같이 설명한 본 발명에 따른 화학기계연마용 패드컨디셔너의 동작을 간단히 살펴보면, 연마수단인 니들(12)의 팁(13)이 연마도중 종래의 다이아몬드와 같이 빠질 염려 없이 상기 팁(13)을 통해 연마되면서 연마중 사용되는 화학슬러리는 배출홈을 별도로 형성시킬 필요없이 팁(13)과 팁(13) 사이로 배출된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 화학기계연마용 패드컨디셔너는 종래의 패드컨디셔너에 사용되는 연마수단을 다이아몬드 대신 팁이 형성된 니들로 대체함으로써 다이아몬드가 빠지는 단점이 보완되고 연마상태가 고르게 되어 패드컨디셔너의 수명이 길어질 수 있고, 관통구멍을 배열판에 배열함에 있어 미세패턴을 형성할 수 있는 포토리소그라피공정을 통해 관통구멍을 위치시키는데 정밀도의 한계를 극복하여 위치정밀도가 향상될 수 있다.

또한 니들이 배열판으로부터 돌출되도록 형성된 상태에서 다이아몬드박막, 다이아몬드상카본, 질화티타늄, 티타늄카본나이트라이드 등을 코팅함으로써 내마모성을 크게 향상시키고 팁이 거의 부러지지 않게 할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.

Claims (4)

1. 감광성유리로 된 배열판에 관통공을 형성하는 관통공 형성단계(S100);와,

   상기 배열판을 가열하여 세라믹화하는 배열판 세라믹화단계(S101);와

   상기 관통공에 니들을 삽입하는 니들 삽입단계(S200);와,

   상기 니들을 상기 관통공으로부터 지지하는 지지층을 배열판 일측에 형성하는 지지층 형성단계(S300);와,

   니들 팁이 위치한 부위의 배열판을 식각하는 니들 팁부위의 배열판 식각단계(S400);와,

   상기 니들이 돌출된 배열판에 고경도물질을 코팅시키는 배열판 코팅단계(S401);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학기계연마용 패드컨디셔너의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 배열판 코팅단계(S401)는 다이아몬드박막, 다이아몬드상카본, 질화티타늄(TiN), 티타늄카본나이트라이드(TiCN) 중 하나가 배열판에 코팅되는 것을 특징으로 하는 화학기계연마용 패드컨디셔너의 제조방법.
3. 감광성 유리로 이루어진 배열판(10)에 다수의 관통공(11)이 관통형성되고,

   일단부가 초경합금으로 된 뾰족한 원추형 팁(13)으로 이루어진 니들(12)이 상기 관통공(11)에 삽입되며,

   상기 니들(12)의 팁(13)은 상기 배열판(10)으로부터 돌출형성되고,

   상기 니들(12)의 팁(13)이 돌출형성된 배열판의 타측에는 상기 니들을 지지하는 지지층(14)이 구성되며,

   상기 배열판 상에 돌출된 팁은 고경도 물질이 코팅되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학기계연마용 패드컨디셔너.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 팁(13)은 텅스텐 합금으로 이루어지며 그 끝단의 직경이 30~100㎛인 것을 특징으로 하는 화학기계연마용 패드컨디셔너.

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