본 발명은 베이스, 상기 베이스 상에 돌출되어 형성된 연마층을 포함하는 연마 입자가 내재된 연마 패드(Fixed Abrasive Polishing Pad)를 제공한다. 특히 상기 연마층은 연마 입자와 개구부를 포함한다.
상기 연마 입자는 세리아 입자, 실리카 입자, 알루미나 입자 등을 사용할 수 있다. 상기 개구부는 슬러리를 함유할 수 있도록 형성된 것으로, 기공이거나 또는 규칙적으로 배열된 다양한 형태를 가질 수 있다. 예를 들어 구형, 직육면체와 같은 다각기둥 형태, 또는 사면체 등의 형태로 형성될 수 있다. 또한, 상기 개구부는 슬러리에 의한 화학 반응과 연마 입자에 의한 기계적 연마 공정이 균형있게 진행되기 위해, 상기 개구부의 면적이 상기 연마층의 면적 대비 5 내지 30% 로 형성되는 것 이 바람직하다.
또한, 본 발명은 연마 입자가 내재된 연마 패드의 제조 방법을 제공한다. 상기 제조 방법은 베이스를 형성하고, 상기 베이스 상에 돌출되고 연마 입자와 개구부를 포함하는 연마층을 형성한다.
상기 제조 방법은 중합체에 발포제를 혼합하여 혼합물을 형성하고, 상기 중합체에 연마 입자를 분산한다. 그리고 상기 발포제에 의해 상기 혼합물에 기공을 형성한 후, 상기 혼합물을 미리 제조된 성형틀을 이용하여 프린팅함으로써 연마층을 형성한다. 상기 성형틀은 연마층과 대응되는 형태를 갖는 것이다. 그리고 베이스와 상기 연마층을 접합시킨다. 상기 발포제는 Na2SO4, NaHCO3 등과 같은 무기 발포제, 또는 ADAC(Azodicarbonamide), OBSH(Oxy benzene sulfonyl hydrazide), TSH(P-Tolune sulfonyl hydrazide) 등과 같은 유기 발포제를 사용할 수 있다.
또는 개구부를 형성하기 위해 발포제를 혼합하는 대신, 개구부가 형성된 연마층에 대응되는 성형틀을 이용하여 규칙적으로 배열된 개구부를 갖는 연마층을 형성할 수도 있다.
아울러, 본 발명은 연마 입자가 내재된 연마 패드를 포함하는 CMP 장치를 제공한다. 상기 CMP 장치는 웨이퍼를 안착시키는 웨이퍼 캐리어, 베이스와 상기 베이스 상에 돌출되어 형성되고 연마 입자와 개구부를 갖는 것을 특징으로 하는 연마 입자가 내재된 연마 패드, 및 상기 연마 패드를 지지하는 지지부를 포함한다. 상기 CMP 장치는 로터리 형식(Rotary type)일 수 있으며, 이 때 상기 연마 패드를 공급 하는 제1 롤러부와 연마 공정이 수행된 연마 패드를 회수하는 제2 롤러부를 더 포함할 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 연마 입자가 내재된 연마 패드는 웨이퍼와 상기 연마층의 접촉면에 슬러리를 함유할 수 있는 개구부를 포함함으로써 연마 입자에 의한 기계적 연마뿐 아니라 슬러리에 의한 화학적 연마가 효과적으로 수행될 수 있다. 또한, 본 발명의 CMP 장치는 상기 연마 패드를 로터리 형식으로 제공함으로써 연마 공정이 수행된 후 연마층이 소진됨에 따라 연마 패드를 교체하는 번거로움 없이 연속적으로 CMP 공정을 진행할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 구성 요소들은 설명의 편의를 위하여 그 크기가 과장될 수 있다.
도 4는 본 발명의 연마 입자가 내재된 연마 패드를 나타낸 사시도 이다. 그리고 도 5는 도 4의 연마 패드 중 연마층의 단면을 나타낸 도면이다. 본 실시예에서는 연마층에 기공이 형성된 본 발명의 연마 입자가 내재된 연마패드를 예시한다.
도 4를 참조하면, 베이스(32) 상에 연마입자(36)를 포함하는 연마층(31)이 형성된다.
상기 베이스(32)는 강도, 유연성, 내구성 등이 우수한 중합체를 포함할 수 있으며, 로터리 형식의 CMP 장치에서는 연마 패드가 느슨해지거나 풀어지지 않도록 충분한 장력을 유지할 수 있는 탄성력을 구비하여야 한다. 상기 베이스는 단일층으로 형성될 수도 있지만, 상기와 같이 많은 특성을 요구하므로 각각의 특성에 적합한 물질들을 적층한 다층 구조로 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 로터리 형식의 CMP 장치에 포함되는 연마 패드는 단단한 상부층 아래에 유연한 하부층을 형성하여 연마 패드의 전체적인 강도는 증가하지만 롤러 주위에서는 유연하게 구부러질 수 있도록 제조할 수 있다.
상기 베이스(32)로 폴리우레탄, 폴리에스테르, 폴리에테르, 에폭시, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 라텍스, 니트릴고무, 이소프렌고무, 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 폴리우레탄을 사용할 수 있다.
상기 연마층(31)은 기공(38)을 포함하며, 중합체(34) 상에 연마입자(36)들이 분산되어 있다.
상기 기공(38)은 연마층(31)의 면적 대비 약 5 내지 30% 면적으로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 기공(38)은 복수 개의 연마층들(31)에 일정한 비율로 형성될 수도 있지만, 웨이퍼 영역에 따른 연마율 차이를 고려하여 복수 개의 연마층(31)들에 다른 비율로 기공을 형성할 수도 있다. 예를 들어, 웨이퍼 중앙의 연마 제거율이 웨이퍼 에지(edge)의 것보다 더 크다면 연마 패드의 중앙에 위치한 연마층(31)에 더 낮은 비율로 기공을 형성할 수 있다.
상기 중합체(34)는 열가소성, 열경화성, 자외선 경화성의 특성을 갖는 물질 또는 이들의 전구체들을 사용할 수 있다. 예를 들어 폴리우레탄, 폴리프로필렌, 폴 리아크릴, 폴리에틸렌, 블럭코폴리머(block co-polymer) 등, 또는 폴리우레탄의 전구체인 활성수소화합물과 중합 촉매로서 이소시아네이트 혼합물 등을 사용할 수 있다. 연마층(31)에 함유된 연마 입자(36)가 웨이퍼와 마찰하여 연마 공정이 수행되기 위해서는, 상기 중합체(34)는 슬러리에 의해 녹을 수 있는 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 연마 입자(36)는 실리카(SiO2), 세리아(CeO2) 또는 알루미나(Al2O3) 등을 포함하며, 특히 STI 산화막 CMP 공정에 있어서는 연마 입자로 세리아를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 연마층(31)은 연마 대상, 결합제, 연마 입자, 연마 공정 조건 등에 따라 다양한 형태 및 크기를 가질 수 있으며, STI 산화막 CMP 공정에 있어 약 50 내지 약 200 ㎛의 폭과 약 20 내지 약 50㎛ 두께를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 상기 연마층(31)은 점도 개질제, 습윤제 등 당업자에 있어 CMP 공정에 유용한 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 점도 개질제는 상기 연마층(31)이 웨이퍼와 접촉시 윤활 특성을 좋게 하여 연마 입자 또는 다른 첨가제 들이 웨이퍼 접촉면에 고루 퍼지게 하므로 CMP 평탄도를 향상시킬 수 있다. 상기 점도 개질제는 에틸렌글리콜 또는 Gum 화합물과 같은 비이온성 고분자 화합물을 포함할 수 있다. 상기 습윤제는 중합체(34) 전반에 걸쳐 연마 입자의 혼합성 및 분산성을 개선하기 위함이다.
도 5를 참조하면, CMP 공정시 슬러리가 상기 기공(38) 사이로 함유될 수 있 다. 따라서 상기 연마층(31)과 웨이퍼가 닿는 면에서도 슬러리와 웨이퍼의 화학 반응이 진행될 수 있고, 상기 연마층(31)의 중앙부에 침투된 슬러리에 의해 연마 입자(36)가 녹아 나와 기계적 연마 공정도 효과적으로 진행될 수 있다.
도 4와 도 5에 예시된 연마 패드는 Na2SO4, NaHCO3 등과 같은 무기 발포제, 또는 ADAC(Azodicarbonamide), OBSH(Oxy benzene sulfonyl hydrazide), TSH(P-Tolune sulfonyl hydrazide) 등과 같은 유기 발포제를 이용하여 형성할 수 있다. 상세하게 중합체(34)에 발포제를 주입하여 혼합물을 형성한 후, 기계식 발포기를 이용하거나 또는 가열함으로써 상기 혼합물에 기공을 형성한다. 그리고 상기 혼합물을 미리 제조된 성형틀에 프린팅하고 자외선 또는 열을 가하여 경화시켜 연마층(31)을 형성한다. 상기 연마층(31)을 베이스(32)에 접착하여 연마 패드를 제조할 수 있다. 상기 혼합물을 프린팅 하기 전에 중합체(34)에 연마 입자(36)를 분산시켜 상기 연마 입자가 내재된 연마 패드를 제조한다.
도 6은 본 발명의 연마 입자가 내재된 연마 패드를 나타낸 사시도 이다. 그리고 도 7은 도 6의 연마 패드 중 연마층의 단면을 나타낸 도면이다.
도 6과 7을 참조하면, 연마층(33)에 일정한 형태를 가지며 규칙적으로 배열된 홈(39)이 형성된다. 상기 홈(39)은 미세 요철 구조를 갖는 성형틀을 이용하여 형성할 수 있다. 중합체(34)에 연마 입자(36)를 분산시킨 혼합물을 제조하고, 이를 홈(39)이 형성된 연마층(33)과 대응되는 성형틀에 프린팅한다. 그리고 가열하거나 자외선을 조사하여 중합체가 경화되도록 하여 연마층(33)을 제조한다. 상기 연마 층(33)을 베이스(32)에 접착하여 연마 패드를 제조할 수 있다.
본 실시예에 따른 연마 패드는 연마층(33)에 규칙적으로 홈(39)이 형성되므로, 상기 홈(39)으로 함유될 수 있는 슬러리의 양이 일정할 수 있으며, 또는 예측 가능하다. 따라서 상기 홈(39)으로 함유되는 슬러리에 의한 화학 반응이 균일하게진해되며,상기 슬러리에 의해 녹아나오는 연마 입자의 양이 일정하여 기계적 연마 공정도 균일하게 진행될 수 있다.
도 8은 본 발명의 연마 입자가 내재된 연마 패드를 포함하는 CMP 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다. 본 실시예서는 로터리 형식의 CMP 장치를 예시한다. 본 실시예에 따른 연마 패드는 도 6의 연마 패드를 예시한 것으로, 상기 연마 패드 상에 연마층이 형성된 것을 나타내기 위해 상기 연마층을 실제 크기보다 과장하여 나타낸 것이다. 상기 연마층은 그 폭이 약 50 내지 약 200 ㎛이고 그 두께가 약 20 내지 약 50㎛ 인 것이 바람직하다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 CMP 장치는 베이스(32) 상에 연마 입자를 포함하고 개구부가 형성된 연마층(31)이 형성된 연마 패드를 포함한다. 상기 연마 패드는 제 1 롤러부(50)에 감겨 있다. 상기 연마 패드(30)는 제 1 롤러부(50)로부터 풀려져 지지부(40) 상에 제공된다. 웨이퍼(10)는 웨이퍼 캐리어(20)에 의해 이송되어 상기 연마 패드(30) 상부에 위치한다. 상기 웨이퍼 캐리어(20)가 하강하면, 웨이퍼(10)의 피연마층은 연마 패드(30)의 연마층(31)과 마찰하여 화학적 기계적 연마 공정이 수행된다. 그리고 상기 연마 공정이 수행된 연마 패드(30)는 제 2 롤러부(52)로 감겨져 폐기된다. 이와 함께 상기 연마 패드(30) 위로 슬러리 공급부(60) 에 의해 슬러리가 공급된다. 상기 슬러리에 의해 중합체(34)가 녹아 연마 입자(36)가 웨이퍼의 피연마층과 마찰할 수 있다. 또한 연마층(31)에 형성된 기공(38)으로 슬러리가 함유되고 함유된 슬러리와 피연마층이 반응함으로써 화학적 연마 공정이 진행될 수 있다.
상기 슬러리는 연마 대상에 적합한 물질들을 포함한다. 예를 들어, STI 산화막 CMP 연마시에는 산화제, 식각액, 계면활성제 등을 포함할 수 있다.
그러므로 연마층(31)과 피연마층의 접촉면에 상기 기공(38)으로 인해 슬러리가 침투 가능하므로 화학적 연마가 효과적으로 진행될 수 있다. 뿐만 아니라 기공에 함유된 슬러리에 의해 상기 접촉면 중앙에도 연마 입자(36)가 녹아 나올 수 있으므로 기계적 연마 공정도 웨이퍼(20)의 피연마층 전면에 대해 고루 진행될 수 있다.