KR100564910B1 - 마이크로 몰드를 이용한 씨엠피(화학기계적) 연마패드 및이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 마이크로 몰드(micro mold)를 이용한 CMP 연마패드(chemical mechanical polishing pad) 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연마패드(polishing pad)의 표면이 균일하게 형성되어 연마패드의 눈막힘 현상을 제거하며, 슬러리(slurry) 유동의 변화를 방지하고 연마패드와 웨이퍼(wafer)의 접촉 면적을 일정하게 유지하여, 연속적이면서도 안정적으로 웨이퍼(wafer)를 연마하며, 원하는 형상으로 반도체 웨이퍼를 연마할 수 있는, 마이크로 몰드를 이용한 CMP 연마패드 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
마이크로 몰드(micro mold), 연마패드(polishing pad), 슬러리(slurry), 웨이퍼(wafer), 화학기계적 연마(CMP)

Description

마이크로 몰드를 이용한 씨엠피(화학기계적) 연마패드 및 이의 제조방법{A CMP POLISHING PAD MADE BY MICRO MOLD AND IT'S MAKING PROCESS}
도 1은 종래의 CMP 장치를 도시하는 개략도.
도 2는 종래의 연마패드의 조성을 미세 촬영한 사진.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, CMP 연마패드 제작공정을 도시한 순서도.
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, CMP 연마패드 제작공정을 도시한 개략도.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, CMP 연마패드를 도시하는 사진.
본 발명은 마이크로 몰드를 이용한 CMP 연마패드 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연마패드의 표면이 균일하게 형성되어 연마패드의 눈막힘 현상을 제거하며, 슬러리(slurry) 유동의 변화를 방지하고 연마패드와 웨이퍼의 접촉 면적을 일정하게 유지하여, 연속적이면서도 안정적으로 웨이퍼(wafer)를 연마 하며, 원하는 형상으로 반도체 웨이퍼를 연마할 수 있는, 마이크로 몰드를 이용한 CMP 연마패드 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
반도체 디바이스(devices)의 기본 공정은 금속배선, 절연막 및 증간 배선을 CVD, PVD 및 에칭(etching) 등의 여러 가지 방법으로 성형하는 것을 기본으로 한다. 그리고 이와 같은 각각의 공정 사이에는 각 공정이 완료된 다음에 그 표면을 평탄화(flatten) 하는 공정이 수행된다.
상기 평탄화 공정은 반도체 소자의 고집적화에 따라 그 내부에서 다층화 구조를 가지면서, 각 도전성 패턴의 최소 선폭이 점점 감소되고 있기 때문에 최근에는 거의 필수적인 공정이 되고 있다. 평탄화 공정은 단순히 가공면의 평면도를 향상시키는 것에서부터, 박막 표면을 균일하게 제거하는 것까지 모두 포함하는 광범위한 개념이다. 그 중에서도 디바이스화 공정에서 절연막(insulating) 공정 후, 또는 층간 배선을 위한 스퍼터링(sputtering) 공정 후의 평탄화 공정이 매우 중요하다.
상기 절면막 공정과 스퍼터링 공정 후, 요철표면에 형성되는 돌출부분을 선택적으로 제거하여 평탄화시키는 작업이 필요하다. 또한, 금속배선, 산화물 및 질화물 등의 절연막의 이종재료를 동시에 균일하게 제거하여 평탄화시키는 작업도 필요하다.
상기 평탄화 공정은 반도체 디바이스의 공정에 있어서, 노광공정에서 광원의 초점 심도를 확보하는 데에 중요한 의미를 지니고 있다.
상기 평탄화 공정을 위하여 종래에는 SOG(spin on glass), etch-back을 비롯 해서 여러 가지 방법이 수행되었다. 그리고, 최근에는 기계적 연마 및 화학적 연마가 동시에 수행되는 화학 기계연마가 많은 비중을 차지하고 있다. 화학 기계연마는 종래의 기계적 연마와 화학적 연마의 장점을 동시에 얻을 수 있다는 점에서 현재 널리 사용되고 있다.
도 1은 일반적인 CMP 장치를 도시하는 개략도이다. 도 1에 따르면, 회전 테이블의 윗면에는 반도체 웨이퍼(wafer)를 연마하도록, 연마패드가 부착된다. 그리고 상기 연마패드의 상부에는, 웨이퍼를 부착하고 있는 웨이퍼 캐리어(carrier)가 연마패드와 마찰하도록 설치된다. 상기 웨이퍼 캐리어는 일정한 압력에 의하여 패드와 밀착되면서 회전 및 요동운동을 병행하게 된다. 상기 웨이퍼 캐리어의 운동은 회전 테이블의 회전 운동과 함께 반도체 웨이퍼 표면을 연마하여 평탄화시킨다.
그리고 상기 연마 공정이 진행되는 중에는, 슬러리 공급기구에 의하여 상기 웨이퍼와 패드 사이에 슬러리가 지속적으로 공급된다. 상기 연마 공정을 마친 후에는, 컨디셔너(conditioner)가 상기 패드의 윗면에 대하여 컨디셔닝(conditioning) 작업을 수행하게 된다.
상기 컨디셔닝 작업은 패드 표면의 미소제거 작업을 통해 새로운 패드 표면을 형성하는 것이다. 컨디셔닝 작업은 주로 다이아몬드 디스크를 사용하여 이루어진다.
도 2는 종래의 연마패드의 조성을 미세 촬영한 사진이다. 도 2에 따르면, 연마패드는 일반적으로 폴리우레탄(poly-urethane) 발포체(foam)로 제작되고, 다수개의 포어(porous)를 구비한다. 상기 포어는 연마 패드 제작 시에 인위적으로 만 들어지는 빈 공간이다. 포어는 폴리우레탄 발포 과정에서 생성되며, 크기는 30~100㎛이다. 일반적으로 포어의 비율은 폴리우레탄 발포체의 부피 중에서 50% 정도가 된다.
상기 포어는 연마하고자 하는 웨이퍼와 접촉하는 포어벽을 구성한다. 상기 포어벽은 연마패드 표면에 공급된 슬러리가 외부로 흘러나가지 않도록 방지하는 역할을 한다. 포어벽 내부에 저장된 슬러리는 웨이퍼가 연마될 때 공급된다.
종래의 CMP 연마패드는 다음과 같은 문제점이 있다. 먼저 웨이퍼와 접촉하는 포어의 분포가 균일하지 않아서 슬러리의 유동도 일정하지 못하게 된다. 따라서 웨이퍼를 가공한 뒤 평탄화 공정에 악영향을 끼치게 된다.
또한, 웨이퍼와 포어벽이 실제로 접촉하는 면적이 공정 도중에 변화함에 따라서, 연마패드 표면에 가해지는 압력도 변화하게 된다. 이 역시 웨이퍼 표면을 평탄화하는 작업에 안 좋은 영향을 미친다.
또한, 가공되는 피가공물 또는 연마 입자가 포어의 내부에서 응집되어 눈막힘 현상이 발생하게 된다. 포어에 눈막힘 현상이 발생하면 슬러리를 포어벽과 웨이퍼 사이에 원활하게 공급할 수 없게 된다.
따라서 상기 현상들로 인해 슬러리의 공급이 균일하게 이루어지지 않거나 슬러리 공급 자체가 차단되면, 연마패드를 균일하게 가공할 수 없게 된다.
본 발명은 상기의 문제점들을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 마이크로 몰드법을 이용하여 연마패드 표면에 원하는 형상을 균일하게 형성 하여 슬러리(slurry)를 균일하게 분배하고, 웨이퍼(wafer) 전면에 작용하는 압력을 균일하게 함으로서 웨이퍼를 균일하게 연마할 수 있는 마이크로 몰드를 이용한 CMP 연마패드 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 패드의 self-conditioning이 가능하게 하여 dressing 작업이 필요 없는 마이크로 몰드를 이용한 CMP 연마패드 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 패드 표면의 불균일성을 없애고 연마패드의 눈막힘 현상을 제거함으로서 슬러리 유동의 변화와 접촉 면적의 변화가 발생하지 않도록 방지하고, 연속적이면서도 안정적으로 반도체 웨이퍼를 연마하도록 하는 마이크로 몰드를 이용한 CMP 연마패드 제조방법을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 마이크로 몰드를 이용한 CMP 연마패드 제조방법은, 연마패드의 면적의 1∼50%가 웨이퍼와 접촉되고, 접촉돌기의 크기는 20∼500㎛가 되도록, 마이크로 몰드를 연마패드 형상으로 제작하는 단계; 친수성 계열의 폴리머(polymer)와 우레탄(urethane)을 10∼20:80∼90 비율로 혼합하여 폴리머 혼합액을 조성하는 단계; 상기 폴리머 혼합액을 3∼8㎜ 두께로 마이크로 몰드 표면에 도포한 후, 진공주형기(vacuum casting machine)를 사용하여 탈포(exclude)시키는 단계; 상기 마이크로 몰드를 오븐에 넣어 50∼70℃의 온도에서 23∼25시간 동안 열경화시키는 단계; 상기 마이크로 몰드 표면에 롤링(rolling) 공정으로 폴리카보네이트(poly carbonate) 필름을 덮는 단 계; 및 UV 램프를 사용하여 상기 폴리카보네이트 필름을 경화시킴으로서, 연마패드 제작을 완료하는 단계를 포함한다.
상기 접촉돌기는 정육면체, 원기둥, 또는 삼각뿔 형상으로 형성될 수 있다.
상기 친수성 계열 폴리머는, PEGMA, PEG, TMPTA를 5:4:1의 비율로 혼합하여 사용되는 것이 바람직하다.
상기 폴리머 혼합액은, 질량 대비 0.5∼1.5% 정도의 개시제(initiator)를 추가로 혼합하여 사용될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 마이크로 몰드를 이용한 CMP 연마패드 및 이의 제조방법을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 3과 도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, CMP 연마패드 제작공정을 도시한 순서도와 개략도이다. 도 3과 도 4에 따르면, 먼저 마이크로 몰드를 연마패드 형상으로 제작한 다음, 폴리머 혼합액을 마이크로 몰드 표면에 도포하고 경화시키는 것이 바람직하다.
마이크로 몰드 제작 방법으로는, 실리콘 프로세스를 이용하여 제작하는 방법과 마이크로 RP(rapid protype)을 이용하여 제작하는 두 가지 방법을 주로 사용한다.
마이크로 몰드는, 연마패드의 면적의 1∼50%가 웨이퍼와 접촉되고, 접촉돌기의 크기는 20∼500㎛가 되도록 설계한다. 연마패드 면적의 5% 정도가 웨이퍼와 접촉할 때 최대의 효과를 얻을 수 있다. 연마패드 제조공정과 웨이퍼 패턴의 형상에 따라 접촉면적을 넓힐 수도 있다. 하지만, 연마패드의 접촉면적은 1∼50% 범위를 벗어나지 않는 것이 바람직하다.
또한 접촉돌기의 크기는 상용화 된 연마패드의 두께를 기준으로 산정된다. 연마패드의 두께를 더 증가시키면, 연마패드의 탄성 및 점탄성 특성이 악화되어 연마결과에 좋지 않은 영향을 미친다.
다음은, 친수성 계열의 폴리머와 우레탄을 10∼20:80∼90 비율로 혼합하여 폴리머 혼합액을 조성하는 단계이다. 먼저, 친수성 계열 폴리머인 PEGMA, PEG, TMPTA를 각각 5:4:1의 비율로 혼합한다. 그런 다음 상기 폴리머와 우레탄을 10∼20:80∼90 비율로 혼합한다. 개시제는 필요에 따라서 추가로 혼합할 수 있다.
친수성 폴리머는 물과 접촉하면 팽창현상(swelling)이 발생하는 특징이 있다. 폴리머의 팽창현상이란 친수성 폴리머가 물과 접촉하여 물을 흡수하면, 폴리머의 연결 체인이 풀어져 표면이 연화되는 현상을 말한다. 이러한 폴리머의 팽창현상을 이용하면, 팽창된 폴리머가 웨이퍼(wafer)와 연마패드가 접촉할 때의 압력에 의하여, 자체적으로 미세하게 떨어져 나가므로 self-condition이 이루어진다. 우레탄은 연마패드의 내구성, 강도, 및 연성을 향상시키도록 혼합된다.
개시제는 경우에 따라 광경화개시제(liquid photo initiator) 및 열경화개시제(bake hardening initiator)를 선택하여 혼합하면 된다. 그리고 경화방식도 크게 광경화방식과 열경화방식으로 나눈다.
광경화 방식은 매우 빠르고 연속적으로 패드를 생산하는 장점이 있다. 하지만 UV가 투과되는 깊이가 얕아서 두꺼운 패드를 제작하기는 어렵다는 단점이 있다. 상기 광경화 개시제로는 Civa사 계열 개시제가 주로 사용된다.
열경화 방식은 패드의 두께나 크기의 제한을 받지 않고 제작할 수 있는 장점이 있다. 하지만 제작시간이 오래 걸리며 열에 의한 변형이 발생할 수 있다는 단점이 있다. 상기 열경화 개시제로는 벤졸 프록사이드(benzole proxide)가 주로 사용된다.
다음은 상기 폴리머 혼합액을 마이크로 몰드에 도포한 후, 진공주형기를 사용하여 탈포시키는 단계이다. 미리 제작된 마이크로 몰드에 상기 폴리머 혼합액을 3∼8㎜가 되도록 부어서 마이크로 몰드 표면을 도포한다. 그런 후, 연마패드를 제작할 때 기포가 발생하지 않도록, 진공 주형기를 사용하여 완전히 탈포시킨다. 상기 공정을 거침으로서 마이크로 몰드에 형성되는 미세 공간에 Filling이 잘 되도록 하는 효과가 있다.
진공 주형기에서 탈포 작업을 수행한 후 오븐에서 열경화시키면 마이크로 몰드 제작공정이 완료된다. 상기 열경화공정은, 55∼65℃의 온도에서 23∼25시간 동안 진행하는 것이 바람직하다.
다음은 상기 마이크로 몰드 표면에 롤링(rolling) 공정으로 폴리카보네이트 필름을 덮는 단계이다. 상기 진공 주형기에서 마이크로 몰드를 꺼낸 후, 마이크로 몰드 윗면에 롤링(rolling) 공정으로 폴리카보네이트(poly carbolate) 필름을 덮는다. 폴리카보네이트 필름은 변형이 적게 발생하므로 연마패드의 내구성을 향상시키게 된다.
마지막으로, UV(ultraviolet) 램프를 사용하여 상기 폴리카보네이트 필름을 경화시킴으로서, 연마패드 제작을 완료하는 단계이다. UV 램프를 이용하여 경화시 키면 연마패드 표면은 균일한 형상을 지니게 된다.
연마패드 표면이 균일하게 형성되므로, 눈막힘 현상을 방지하게 된다. 또한, 슬러리 유동도 일정하게 유지되고, 연마패드와 웨이퍼의 접촉면적이 일정하게 유지된다. 따라서 원하는 형상으로 반도체 웨이퍼를 연마할 수 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, CMP 연마패드를 도시하는 사진이다. 도 5에 따르면, 본 발명의 CMP 연마패드 제조방법에 따라, 표면이 균일하고 일정한 형상으로 CMP 연마패드가 형성된다. 따라서, 연마패드 표면에서 발생하는 눈막힘 현상을 방지하는 장점이 있다.
그리고 슬러리 유동의 변화를 방지하고, 연마패드와 웨이퍼의 접촉 면적을 일정하게 유지하게 된다. 따라서 연속적이면서도 안정적으로 반도체 웨이퍼를 연마하는 효과가 있다. 또한, 원하는 형상으로 반도체 웨이퍼를 연마하게 된다.
전술한 내용은 후술할 발명의 특허청구범위를 보다 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 개설하였다. 본 발명의 특허청구범위를 구성하는 부가적인 특징과 장점들이 이하에서 상술될 것이다. 개시된 본 발명의 개념과 특정 실시예는 본 발명과 유사 목적을 수행하기 위한 다른 구조의 설계나 수정의 기본으로서 즉시 사용될 수 있음이 당해 기술분야의 숙련된 사람들에 의해 인식되어야 한다.
또한, 본 발명에서 개시된 발명 개념과 실시예가 본 발명의 동일 목적을 수행하기 위하여 다른 구조로 수정하거나 설계하기 위한 기초로서 당해 기술 분야의 숙련된 사람들에 의해 사용되어질 수 있을 것이다. 또한, 당해 기술분야의 숙련된 사람에 의한 그와 같은 수정 또는 변경된 등가 구조는 특허청구범위에서 기술한 발명의 사상이나 범위를 벗어나지 않는 한도내에서 다양한 변화, 치환 및 변경이 가능하다.
이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은 연마패드의 표면이 균일하게 형성되어 연마패드의 눈막힘 현상을 제거하게 되는 장점이 있다.
그리고 슬러리 유동의 변화를 방지하고, 연마패드와 웨이퍼의 접촉 면적을 일정하게 유지하게 된다. 따라서 연속적이면서도 안정적으로 반도체 웨이퍼를 연마하는 효과가 있다. 또한, 원하는 형상으로 반도체 웨이퍼를 연마할 수 있다는 장점도 있다.

Claims (5)

  1. 마이크로 몰드(micro mold)를 이용한 CMP 연마패드(chemical mechanical polishing pad) 제조방법에 있어서,
    연마패드(polishing pad) 면적의 1∼50%가 웨이퍼(wafer)와 접촉되고, 접촉돌기의 크기는 20∼500㎛가 되도록, 마이크로 몰드를 연마패드 형상으로 제작하는 단계;
    친수성 계열의 폴리머(polymer)와 우레탄(urethane)을 10∼20:80∼90 비율로 혼합하여 폴리머 혼합액을 조성하는 단계;
    상기 폴리머 혼합액을 3∼8㎜ 두께로 마이크로 몰드 표면에 도포한 후, 진공주형기(vacuum casting machine)를 사용하여 탈포(exclude)시키는 단계;
    상기 마이크로 몰드를 오븐에 넣어 50∼70℃의 온도에서 23∼25시간 동안 열경화(bake hardening)시키는 단계;
    상기 마이크로 몰드 표면에 롤링(rolling) 공정으로 폴리카보네이트(poly carbonate) 필름을 덮는 단계; 및
    UV(ultraviolet) 램프를 사용하여 상기 폴리카보네이트 필름을 경화(hardening)시켜 연마패드 제작을 완료하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 몰드를 이용한 CMP 연마패드 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 접촉돌기는 정육면체, 원기둥, 또는 삼각뿔 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 몰드를 이용한 CMP 연마패드 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 친수성 계열 폴리머는, PEGMA, PEG, TMPTA를 5:4:1의 비율로 혼합하여 사용되는 것을 특징으로 하는 마이크로 몰드를 이용한 CMP 연마패드 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 폴리머 혼합액은, 질량 대비 0.5∼1.5%의 개시제(initiator)를 추가로 혼합하여 사용되는 것을 특징으로 하는 마이크로 몰드를 이용한 CMP 연마패드 제조방법.
  5. 제 1항 내지 4항 중 어느 한 항에 따른, 마이크로 몰드를 이용한 CMP 연마패드 제조방법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 마이크로 몰드를 이용한 CMP 연마패드.
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