KR100582962B1 - 다이아몬드 공구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다이아몬드 공구에 관한 것으로서, CMP용 슬러리 환경에서 내식성이 우수한 CMP 패드용 다이아몬드 공구를 제공하는 것을 그 목적으로 한다. 이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다이아몬드 공구는 샹크 상에 복수의 다이아몬드가 본드층에 의해 부착되고, 상기 본드층 상에 형성된 코팅층을 포함하고, 상기 코팅층은 팔라디움 합금을 포함한다.

다이아몬드 공구, 전착, 융착, CMP, 컨디셔너, 코팅층

Description

다이아몬드 공구{DIAMOND TOOL}

도 1은 다이아몬드 공구의 개요를 나타내는 개략도.

도 2는 다이아몬드 공구의 표면 현미경 사진.

도 3은 다이아몬드 공구의 개략 단면도.

도 4는 다이아몬드 공구의 단면의 현미경 사진.

도 5는 본드층 위에 코팅층이 형성된 다이아몬드 공구의 개략 단면도.

도 6은 본드층 위에 복수의 코팅층이 형성된 다이아몬드 공구의 개략 단면도.

도 7은 기존 방법으로 코팅 시 부식 시험 결과(다이아몬드의 탈락)의 사진.

도 8은 기존 방법으로 코팅 시 부식 시험 결과(표면 균열)의 현미경 사진.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

1: 다이아몬드

2: 샹크

3: 본드층

4: 샹크용 금속층

5: 코팅층

6: 크롬 코팅층

본 발명은 다이아몬드 공구에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 반도체 CMP용 슬러리 환경에서 내식성이 우수한 CMP 패드용 다이아몬드 공구에 관한 것이다.

전자 디바이스의 소형화에 따라 고집적 회로를 제조하기 위해서 반도체의 소형화에 대한 요구가 증가하고 있다. 이를 위하여 웨이퍼 상의 반도체 회로를 세라믹 연마제와 에칭 능력을 갖는 슬러리 용액으로 화학-기계적 연마를 하는 CMP(Chemical mechanical planarization) 공정이 있으며, 그의 이용은 반도체 산업의 성장과 더불어 증가하고 있는 추세이다.

CMP 공정은 피연마재인 웨이퍼가 폴리우레탄계 패드와 가압 접촉하면서 서로 상대 회전을 하면서 수행된다. 이때, 웨이퍼와 패드 사이에는 슬러리가 공급되어 화학-기계적 연마 작용을 돕는다. 즉, 슬러리에 포함된 연마입자와 패드의 복수개의 돌기에 의해 웨이퍼 표면에 기계적인 연마 작용이 이루어지고, 슬러리 내에 함유된 화학성분에 의해 웨이퍼 표면과의 화학반응으로 인해 화학적인 연마 작용이 이루어진다.

이와 같이 폴리우레탄계 패드에 형성된 복수개의 돌기들은 연마 시간이 경과하면서 마모 또는 압력에 의하여 눕혀지는 현상이 발생하여 연마 작용의 효과가 떨어진다. 이때 연마 능력을 재활성화하기 위하여 다이아몬드 공구를 사용하며 이러한 공구를 다이아몬드 콘디셔너 또는 다이아몬드 드레서라고 한다.

이러한 다이아몬드의 공구는 통상 스테인레스강 또는 탄소강 재질의 몸체(이하 샹크라 칭함) 위에 다이아몬드를 니켈 전기 도금에 의해 부착시키거나, 또는 샹크와 다이아몬드 사이에 금속이나 합금을 용융시켜 이들을 서로 부착시킴으로써 제작된다. 통상 전자를 전착법 또는 전기도금법이라 하고, 후자를 융착법 또는 브레이징법이라 한다. 여기에서 샹크 위에 다이아몬드를 부착시키는 물질을 금속 본드(bond) 또는 결합재라 한다. 또한, 다이아몬드는 인조 및 천연 다이아몬드와 입방정질화붕소(cBN, cubic boron nitride)를 일반적으로 지칭하며, 추가적으로 탄화실리콘(silicone carbide) 및 알루미나(alumina) 등의 초연마재, 또는 이들 중 둘 이상의 혼합물을 의미하는 용어인 것을 미리 밝혀둔다.

상기 다이아몬드 공구의 제조 방법에 대해서는 많은 문헌과 공개된 특허에 개시되어 있다. 전기도금법으로 제조된 다이아몬드 공구 또는 콘디셔너에 대해서 상술하면 스텐레스강 재질에 다이아몬드를 일정하게 또는 불규칙적으로 올려 놓은 후 니켈 도금을 행하여 다이아몬드의 탈락을 방지한다. 이때 니켈을 사용하는 것은 그 가격이 저렴하고 연성이 우수하며 표면 광택이나 내식성의 목적이 아닌 어떤 구조를 만들 때 가장 우수하기 때문이다. 이렇게 제조된 콘디셔너는 사용 중에 니켈이 다이아몬드를 충분한 힘으로 잡고 있으므로 다이아몬드의 탈락 없이 사용 가능하다. 만일 다이아몬드가 탈락하는 경우에는 탈락된 다이아몬드가 CMP 연마패드를 통하여 피연마재인 반도체 웨이퍼 표면과 접촉하게 되어, 웨이퍼는 탈락된 다이아몬드에 의해 스크래치와 같은 치명적인 결함을 유발한다.

최근에는 반도체 산업의 변천에 따라 기존의 산화물 반도체 뿐만 아니라 그 회로가 텅스텐(W), 구리(Cu)와 같은 금속 배선도 등장하며 CMP에 사용되는 슬러리의 종류도 다양화되고 화학적-기계적 연마 작용에서 화학적 효과의 기여도가 증가하여 슬러리도 부식성이 높은 용액이 사용되고 있는 형편이다. 후자에 언급한 부식성이 높은 용액에서는 니켈이 화학적 침식, 즉 부식이 일어나 용출되어 최종적으로는 다이아몬드를 샹크에 부착시키는 본드가 그 역할을 원활히 수행하지 못하여 최종적으로 다이아몬드가 탈락되는 현상이 나타난다.

따라서 이를 방지하기 위해서는 본드의 내식성을 향상시키거나 본드와 부식성 물질의 접촉을 단절시키는 물질을 본드 위에 코팅하는 방법을 채택하고 있다. 그 구체적인 방법으로는 니켈 본드 대신 내식성이 우수한 세라믹을 본드로 사용하거나 내식성이 좋은 로듐(Rh), 팔라디움(Pd)과 같은 백금족 금속, 크롬(Cr)을 니켈 본드 층위에 코팅하는 것이다. 이러한 본드나 코팅 제품은 보통 부식성이 높은 세리아용 슬러리 또는 금속(Cu,W) 슬러리에 사용된다.

상술한 바와 같이 세리아용 및 금속 슬러리용 다이아몬드 콘디셔너는 코팅 등에 의하여 내식성을 향상시켜 사용한다. 그러나 이 환경에서 상술의 방법 들은 해결해야 할 문제점을 갖고 있다.

팔라디움이나 로듐과 같은 백금족 원소는 대부분의 환경에서 매우 우수한 내식성을 나타내나 그 코팅층의 경도와 내부 응력이 높아 그 표면에 미세한 균열이 존재하는 경우가 많고 제조 시 관찰되지 않은 균열도 CMP 사용 중 또는 공기 중에서 시간 경과에 따라 균열이 성장하는 경우가 종종 발생된다. 이러한 현상은 다음과 같은 문제점을 발생시킨다.

먼저 균열이 성장하여 백금족 금속의 코팅 층이 박편 형태로 코팅층에서 떨어져 나가는 경우, 이 박편이 CMP공정에서 패드를 통해 반도체 웨이퍼와 직접 접촉하여 반도체 표면에 스크래치나 이물질로서 치명적인 불량을 일으킨다. 또한 균열을 통하여 본드층의 금속이 직접 부식성의 슬러리 용액과 접촉하는 경우, 전기화학적으로 귀한 백금족의 금속은 본드층의 금속과 이종 접합 부식(갈바닉 부식)을 일으켜 본드층 금속의 부식을 가속화시켜서, 결국에는 다이아몬드 탈락에 의한 반도체 표면에 스크래치 발생이라는 치명적인 결함을 유발한다.

따라서 상기의 백금족 금속의 경우 그 코팅의 두께가 제한되어 최고 3 μm 이상의 코팅은 어려운 형편이다.

한편 크롬 코팅의 경우 이전부터 경제적인 내식성 향상 수단으로 사용되어 왔다. 크롬은 도금과의 전기화학적 전위 차이가 크지 않아 백금족 금속 코팅에서 관찰되는 이종 접합 부식의 위험성은 적다. 또한 광택이 있는 미려한 외관을 얻을 수 있다. 그러나 백금족에 비하여 그 자체의 내식성이 떨어지고 경도와 내부응력이 높아 그 도금 두께는 최대 1 μm 정도로 제한적이다. 또한 본드층을 내식성이 우수한 세라믹으로 하는 것은 기존의 금속 본드 공정에서 적용이 불가능하거나 많은 시간과 시설 투자를 요하는 단점이 있다.

도 1은 다이아몬드 공구, 또는 다이아몬드 콘디셔너에서 다이아몬드가 부착된 면을 개략적으로 도시한다. 상기 다이아몬드 콘디셔너는 샹크(2) 위에 다이아몬드(1)가 일정하게 (또는 불규칙하게) 배열 고착되어 있다. 샹크(2)의 형상은 그 용도나 적용에 따라 원판형, 막대기형 등으로 변형이 가능하나, 도 1에서는 원판형 이 도시되어 있다. 도 2는 샹크(2) 상에 고착된 다이아몬드(1)를 전자 현미경으로 관찰한 사진으로, 다이아몬드(1)가 니켈이나 그 합금과 같은 본드층(3)에 의하여 고착되어 있는 것을 알 수 있다. 전술한 바와 같이 본드층(3)의 제조는 전기도금법, 무전해도금법 또는 브레이징법 등 통상적인 방법으로 제조가 가능하다.

도 3은 도 1에 도시한 다이아몬드 공구 일부의 단면을 개략적으로 도시하고 있다. 최하층에 스테인레스강과 같은 재질로 구성된 샹크층(4)이 존재하고 그 상면에 다이아몬드(1)가 위치하며, 본드층(3)이 다이아몬드(1)를 샹크층(4)에 부착시키는 역할을 한다. 도 4는 도 3에서 설명한 개요를 보여주는 다이아몬드 공구의 단면의 전자현미경 관찰 사진이다.

도 5는 부식성 환경에서 사용되는 다이아몬드 공구의 개략 단면도로서, 본드층(3) 위에 내식성 향상을 위한 코팅층(5)이 형성된다. 이 코팅층(5)은 전술한 바와 같이 백금족의 팔라디움, 로듐 또는 백금과 내산성이 좋은 크롬 등으로 구성된다. 상기 코팅층(5)은 일반적으로 부식환경에서 우수한 내식성을 보이나 실제 사용 시 높은 경도 등에 의하여 도 7에 도시된 바와 같이 균열 등이 발생할 가능성이 높다. 이에 따라 부식 사례, 더 나아가 부식에 의해 도 8에 도시한 다이아몬드 탈락 등이 보고되고 있다.

우수한 코팅층은 다음의 특성을 만족해야 한다. 즉,

가. 자체 내식성이 우수하고,

나. 이종 금속 접합 부식 발생의 위험이 낮고,

다. 코팅층에 균열이 없고,

라. 경시 균열 발생이 없고,

마. 내마모성이 우수하여야 한다.

본 발명의 목적은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 백금족 금속 코팅과 크롬 코팅의 장점을 모두 취할 수 있는 다이아몬드 공구를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 세리아 및 메탈용 슬러리에서 내식성이 우수하고 제조가 간단한 다이아몬드 공구를 제공하는 것이다.

전술된 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다이아몬드 공구는 샹크 상에 복수의 다이아몬드가 본드층에 의해 부착되고, 상기 본드층 상에 형성된 코팅층을 포함하고, 상기 코팅층은 팔라디움 합금을 포함한다.

상기 코팅층은 두께가 0.1 내지 3 μm인 것이 바람직하다. 상기 팔라디움 합금은 팔라디움-니켈 합금을 포함하고, 팔라디움에 첨가되는 니켈의 함량비는 10 내지 50 %일 수 있다. 한편, 상기 팔라디움 합금은 팔라디움-코발트 합금을 포함하고, 팔라디움에 첨가되는 코발트의 함량비를 5 내지 40 %일 수 있다. 본 발명의 다이아몬드 공구는 상기 코팅층 위에 형성된 크롬 코팅층을 더 포함할 수 있으며, 상기 크롬 코팅층은 두께가 0.01 내지 1.0 μm, 보다 바람직하게는 0.1 내지 0.9 μm일 수 있다.

상기 다이아몬드 공구는 CMP 패드용 다이아몬드 컨디셔너를 포함할 수 있다. 상기 다이아몬드는 인조 또는 천연 다이아몬드, 입방정질화붕소, 탄화실리콘, 알루미나, 또는 이들 중 둘 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.

본 발명의 양호한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서는 전술된 특성을 만족시키기 위하여 우수한 내식성과 균열 발생 위험이 적도록 연성을 갖는 코팅층(5)을 선정하는 것이 필요하다. 그러한 코팅층은 기존의 단일 원소가 아닌 합금이 효과적이며 본 발명에서는 팔라디움-니켈(Pd-Ni) 합금, 팔라디움-코발트(Pd-Co) 합금을 코팅층으로 한다.

전자의 경우, 팔라디움-니켈 합금 코팅층은 전기도금법 또는 무전해도금법에 의하여 실시가 가능하다. 합금 중의 니켈은 코팅층의 연성을 향상시키나 10 % 미만에서는 그 효과가 없으며 50 %를 초과할 경우에는 내식성이 떨어지게 된다. 바람직한 코팅층의 두께는 0.1 내지 3 μm로 0.1 μm 미만에서는 충분한 내식성을 보이지 못하고 3 μm 를 초과할 경우에는 더 이상의 내식성 향상의 효과가 없다.

후자의 팔라디움-코발트 합금의 경우도 전자와 같은 제조 방법으로 코팅이 가능하며 합금 중 코발트의 비율은 5 % 내지 40 %가 유효한 것으로 나타났다. 5 %미만에서는 연성 향상의 효과가 없으며 40 %를 초과할 경우에는 내식성의 급격한 하락을 보인다. 그 두께는 상기와 같은 이유로 0.1 μm에서 3 μm로 한다.

팔라디움-니켈의 합금 코팅층과 팔라디움-코발트의 합금 코팅층은 세리아 용액과 금속 슬러리 용액을 사용하는 CMP환경에서 우수한 특성을 나타낸다.

한편 사용자에 따라서는 상기의 단층 코팅층의 내구 한도보다 더 우수한 내식 특성을 요구하는 경우가 있다. 이러한 요구를 만족시키기 위해서는 보다 안정되 고 우수한 내식성을 갖는 코팅층이 요구된다.

본 발명에서는 상기의 특성을 만족시키기 위하여 본드 금속 위에 팔라디움-니켈 또는 팔라디움-코발트의 합금 코팅층을 실시한 후 경도가 높고 미려한 외관을 보이는 크롬 도금을 실시하여 도 6과 같이 팔라디움 합금 코팅층(5)과 크롬 코팅층(6)으로 구성된 복수의 코팅층을 형성한다. 이때 크롬 코팅은 기존의 전기 도금법 또는 건식 도금법으로 가능하다.

크롬 코팅층(6)의 두께는 0.01 내지 1.0 μm, 보다 바람직하게는 0.1 내지 0.9 μm로, 0.01 μm 미만에서는 충분한 내식성을 보이지 못하며 1.0 μm 을 초과할 경우에는 경시 균열의 발생 위험이 있다.

단층에 팔라디움 합금 코팅을 실시하고 그 상층에 복층으로 크롬 코팅을 실시하여 내식성을 향상시키는 메커니즘은 다음과 같다.

실 사용에서 부식성의 슬러리와 크롬이 직접 접촉하게 된다. 이 경우 경도가 높은 슬러리 입자에 의해 코팅층이 마모될 가능성이 있으나 금속 중 경도가 가장 높은 크롬은 충분한 내마모성을 가지므로 사용 중에 코팅 파괴의 위험이 적다. 만일 크롬 코팅이 손상을 받는 경우 그 하층의 팔라디움 합금 코팅층도 부식성 용액과 접촉하게 된다. 두 코팅층이 부식성 환경에 노출될 경우 전기화학적으로 전위가 낮은 크롬이 선택적으로 부식되며, 하지층을 보호하는 희생양극 효과를 보여 전체 코팅층의 내구한도를 증가시킨다.

또 다른 메커니즘은 백금족 금속의 경우 부동태 특성을 갖는 금속과 연결되어 있을 경우 그 금속의 부동태 형성을 촉진하여 내식성을 올리게 된다. 본 발명에 서 크롬은 우수한 부동태 특성을 갖는 물질로 백금족인 팔라디움에 의하여 내식성이 향상되는 효과도 얻을 수 있다.

본 발명과 기존의 방법을 비교하기 위하여 단층 도금에 대하여 부식 시험을 실시하였다. 부식 실험의 방법은 다음과 같다.

<부식실험 1>

시판하는 세리아 슬러리 용액에 시편을 침적하고 200시간까지 10시간 마다 꺼내 관찰하면서 부식 발생 유무와 정도를 측정하였으며 부식 평가는 다음과 같다.

50 시간 이내 부식 발생: X 불량

50 내지 70 시간 부식 발생: △ 내식성 부족

70 내지 100 시간 부식 발생: O 양호

100 내지 150 시간 부식 발생: OO 우수

150시간 까지 부식발생 없음: ⊙ 극히 우수

<부식실험 2>

시판하는 금속 슬러리 용액에 시편을 침적하고 200시간까지 10시간 마다 꺼내 관찰하면서 부식 발생 유무와 정도를 측정하였으며 부식 평가는 전술된 바와 같다.

표1-1 단층 코팅의 내식성 평가

표1-2 단층 코팅의 내식성 평가

표면 외관은 부식 발생 시점에서 표면에 변색 유무를 육안으로 판별

다음으로는 하지에 팔라디움 합금 코팅을 실시한 후 그 상층에 크롬 코팅을 실시한 제품으로 전술된 시험과 동일한 부식 시험을 행하였다.

표2 복층 코팅의 내식성 평가

표면 외관은 부식 발생 시점에서 표면에 변색 유무를 육안으로 판별

상기와 같이 샹크층(4)의 상단에 다이아몬드(1)가 본드층(3)에 의해 부착된 반도체 CMP 패드용 콘디셔너의 내식성을 향상시키기 위하여 팔라디움-니켈 또는 팔라디움-코발트 합금을 코팅하거나 그 합금층 코팅층 상단에 크롬을 복층으로 코팅하는 다이아몬드 콘디셔너는 기존 백금족 순수 금속 단층 코팅 또는 크롬 단층 코팅된 다이아몬드 콘디셔너보다 우수한 내식성 및 사용 안정성을 갖으므로 부식성이 강한 세리아 슬러리 용액 또는 금속용 슬러리 용액에서 안정되게 사용할 수 있게 된다.

Claims (11)

1. 샹크 상에 복수의 다이아몬드가 본드층에 의해 부착된 다이아몬드 공구에 있어서,

   팔라디움 합금을 포함하며 상기 본드층 상에 형성된 코팅층과;

   상기 코팅층 위에 형성된 크롬 코팅층을;

   포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 코팅층은 두께가 0.1 내지 3 μm인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 팔라디움 합금은 팔라디움-니켈 합금을 포함하고, 팔라디움에 첨가되는 니켈의 함량비는 10 내지 50 %인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구.
4. 청구항 2에 있어서, 상기 팔라디움 합금은 팔라디움-니켈 합금을 포함하고, 팔라디움에 첨가되는 니켈의 함량비는 10 내지 50 %인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 팔라디움 합금은 팔라디움-코발트 합금을 포함하 고, 팔라디움에 첨가되는 코발트의 함량비를 5 내지 40 %인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구.
6. 청구항 2에 있어서, 상기 팔라디움 합금은 팔라디움-코발트 합금을 포함하고, 팔라디움에 첨가되는 코발트의 함량비를 5 내지 40 %인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구.
7. 삭제
8. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 크롬 코팅층은 두께가 0.01 내지 1.0 μm인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구.
9. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 크롬 코팅층은 두께가 0.1 내지 0.9 μm인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구.
10. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다이아몬드 공구는 CMP 패드용 다이아몬드 컨디셔너를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구.
11. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다이아몬드는 인조 또는 천연 다이아몬드, 입방정질화붕소, 탄화실리콘, 알루미나, 또는 이들 중 둘 이상의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구.

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