KR100771562B1 - 반도체 웨이퍼의 화학기계적 연마 패드의 제조장치 및제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 웨이퍼의 화학기계적 연마 패드의 제조장치 및 제조방법에 관한 것으로, 연마 패드의 생산 공정을 단순화하여 연마 패드의 생산 시간을 단축시키고 생산 비용을 절감시킬 수 있는 제조장치 및 제조방법을 제공하기 위하여, 믹싱 과정을 거친 원소재를 그루브가 형성된 연마 패드로 성형하기 위한 몰드부와 몰드부가 안착되는 바닥판과 몰드부에 압력을 가하는 프레스기와 몰드부를 가열 또는 냉각시키기 위한 열교환기로 구성되는 것을 특징으로 하는 연마 패드의 제조장치와 폴리머에 첨가제를 첨가하여 균일하게 혼합된 원소재를 준비하는 믹싱 과정과 상기 교반 과정을 거친 원소재를 디스크 타입으로 제작된 몰드에 주입하는 과정과 상기 몰드를 진공 상태하에서 가열, 압축하여 연마 패드를 성형하는 성형 과정과 성형된 연마 패드의 표면에 존재하는 불균일한 표면 특성을 제거하기 위한 버핑 과정과 상기 성형된 연마 패드를 회전 테이블에 고정시키기 위한 테이핑 과정과 상기 과정을 통해 제작된 연마 패드를 적합한 형상으로 커팅하는 과정을 포함하여 구성되는 연마 패드의 제조방법으로, 종래의 슬라이싱 과정과 그루빙 과정이 생략되어 공정이 단순화되며 연마 패드를 성형과정에서 다양한 그루브 형상으로 제작 가능하게 한 반도체 웨이퍼의 화학기계적 연마용 패드의 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다.

반도체, 연마 패드, CMP, 화학기계적 연마

Description

반도체 웨이퍼의 화학기계적 연마 패드의 제조장치 및 제조방법{Manufacturing Apparatus and method of chemical-mechanical polishing pad}

도 1은 종래의 반도체 웨이퍼의 화학기계적 연마 장치을 도시하는 개략도.

도 2는 종래의 반도체 웨이퍼의 화학기계적 연마 패드를 제조하는 방법을 설명하는 공정도.

도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 반도체 웨이퍼의 화학기계적 연마 패드의 제조장치를 도시하는 사시도.

도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 반도체 웨이퍼의 화학기계적 연마 패드의 제조 장치중 몰드부를 도시하는 분해사시도.

도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 반도체 웨이퍼의 화학기계적 연마 패드의 제조 장치중 그루브 패턴의 돌출부 형상을 도시하는 사시도.

도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 반도체 웨이퍼의 화학기계적 연마 패드를 제조방법을 설명하는 공정도.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

100: 몰드부 102: 몰드

102a: 주입 공간 104: 그루브 패턴

106: 피이티 필름 108: 평판

110: 플레이트 판 112: 가열관과 냉각관

114: 진공 평판 200: 바닥판

300: 프레스기 400: 열교환기

본 발명은 반도체 웨이퍼의 화학기계적 연마 패드의 제조 장치 및 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폴리머에 첨가제를 첨가하여 균일하게 혼합된 원소재를 디스크 타입으로 제작된 몰드에 주입하고 상기 몰드를 진공 상태하에서 가열, 압축하여 상부에 그루브 형상을 가지는 연마 패드를 성형하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼의 화학기계적 연마용 패드의 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다.

도 1은 종래의 반도체 웨이퍼의 화학기계적 연마 장치를 도시하는 개략도이며 도 2는 종래의 반도체 웨이퍼의 화학기계적 연마 패드를 제조하는 방법을 설명하는 공정도이다.

도시된 바와 같이 반도체 소자 제작에 있어 필수적인 평탄화 기술에 적용되는 화학기계적 연마(CMP: Chemical-Mechanical Polishing)에 사용되는 연마 패드(1)는 회전 테이블(2)에 고정되며 웨이퍼(3)가 고정된 연마 헤드(head)(4)와의 상대 운동을 통해 연마 공정이 진행하게 된다.

이 과정에서 슬러리 공급기구(5)에 의해 슬러리(slurry)액이 공급되어 연마 대상 재료인 웨이퍼 표면의 박막 사이와의 화학적 반응에 의해 반응 표면층이 형성되고 이와 동시에 슬러리, 연마 패드, 박막사이의 압력과 상대운동에서 발생하는 기계적 에너지에 의해 박막의 표면에서 원자 또는 분자 단위로 재료를 제거해 나가게 된다. 또한, 일정한 시간 이상의 연마가 수행되고 나면, 상기 연마 패드(1)의 연마성을 확보하기 위하여 컨디셔너(6)가 상기 연마 패드(1)의 상면에 컨디셔닝을 수행하게 된다.

이러한 공정에 사용되는 화학기계적 연마 패드는 고집적, 초고속의 서브마이크론 이하의 반도체 소자 제작에 있어서 필수적인 소모품이며 반도체 수요의 증가에 따라 연마 패드의 수요도 증대되고 있다.

이러한 화학기계적 연마 패드는 경질 폴리우레탄(polyurethane)이나 폴리우레탄이 함침 또는 코팅된 부직 폴리에스테르 펠트(non-woven polyester felt)가 주류를 이루고 있다.

종래의 화학기계적 연마용 연마 패드의 제작 공정을 살펴보면 통상적으로 첨가제를 섞어 혼합하는 믹싱 과정과 준비되 재료를 몰드에 투입하는 과정과 압축성형, 주조성형, 압출성형 및 스크린 프린팅의 방법으로 성형하는 과정과 성형된 연마 패드를 큐링(curring)하는 과정과 성형된 연마 패드를 사용목적에 적합하게 슬라이싱(slicing)하는 과정과 슬러리의 체류시간 연장, 연마 잔류물질의 배출, 패드의 상대적인 유효강성과 웨이퍼의 접촉상태 제어를 위해 연마 패드에 그루브를 가공하는 그루빙(grooving) 과정과 표면에 존재하는 불균일한 표면층을 제거하고 연마공정에 적용시 패드의 젖음성(wettability)을 확보하기 위하여 표면에 버 핑(buffing)하는 과정과 연마 패드를 테이블에 고정시키기 위한 테이핑 과정과 마지막으로 커팅(cutting)하는 과정으로 이루어진다.

특히, 상기 그루빙 과정은 주로 다이아몬드 휠(diamond wheel)을 사용하여 가공이 이루어지며 연마 패드의 사용목적에 따라 동심원타입, 직교타입, 방사형 타입 및 나선형 타입 등으로 다양하게 가공된다.

그러나, 이러한 종래의 연마 패드는 생산 공정이 성형과정 후 큐링과 슬라이싱 과정과 그루브를 가공하는 그루빙 과정 등으로 여러 단계로 나누어져 공정이 복잡하고 생산 시간이 길어 생산 비용이 많이 소모되며 제작 단가가 비싸다는 문제점이 있다.

또한, 연마 패드의 그루브 형상이 변하는 경우 대처하기 힘들다는 문제점이 존재한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 반도체 웨이퍼의 화학기계적 연마 패드의 생산 공정 중 성형과정에서 디스크 타입으로 성형하고 상부에 그루브 형상을 형성시켜 생산 공정을 단순화하여 연마 패드의 생산 시간을 단축시키고 생산 비용을 절감시킬 수 있는 제조장치 및 제조방법을 제공하고자 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 반도체 웨이퍼의 화학기계적 연마 패드의 그루브 형상이 변하는 경우 손쉽게 대처가능한 제조장치와 제조방법을 제공하고자 하는 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 믹싱과정을 거친 원소재를 그루브가 형성된 연마 패드로 성형하기 위한 몰드부와 몰드부가 안착되는 바닥판과 몰드부에 압력을 가하는 프레스기와 몰드부를 가열 또는 냉각시키기 위한 열교환기로 구성되는 반도체 웨이퍼의 화학기계적 연마용 패드의 제조 장치와 폴리머에 첨가제를 첨가하여 균일하게 혼합된 원소재를 준비하는 믹싱 과정과 상기 교반 과정을 거친 원소재를 디스크 타입으로 제작된 몰드에 주입하는 과정과 상기 몰드를 진공 상태하에서 가열, 압축하여 연마 패드를 성형하는 성형 과정과 성형된 연마 패드의 표면에 존재하는 불균일한 표면 특성을 제거하기 위한 버핑 과정과 성형된 연마 패드를 회전 테이블에 고정시키기 위한 테이핑 과정과 상기 과정을 통해 제작된 연마 패드를 적합한 형상으로 커팅하는 과정을 포함하여 구성되는 반도체 웨이퍼의 화학기계적 연마 패드의 제조 방법을 특징으로 한다.

구체적으로 첨부된 도면을 참고하여 반도체 웨이퍼의 화학기계적 연마 패드의 제조장치에 대해 살펴보기로 한다.

도 3과 도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 반도체 웨이퍼의 화학기계적 연마 패드의 제조장치를 도시하는 사시도와 몰드부를 도시하는 분해사시도이다.

도시된 바와 같이 연마 패드의 제조장치는 원소재를 연마 패드 형상으로 제작하기 위한 몰드부(100)와 몰드부가 안착되는 바닥판(200)과 몰드부에 압력을 가하는 프레스기(300)와 몰드부를 가열 또는 냉각시키기 위한 열교환기(400)로 구성 된다.

상기 몰드부(100)는 평판의 중심에 믹싱과정을 거친 원소재가 주입되는 주입 공간이 원통형상으로 형성되는 몰드(102)와 몰드의 상부에 밀착되며 연마 패드의 상부 표면에 형성되는 그루브에 대응되는 돌출부를 상기 몰드의 주입 공간의 상부에 가지는 그루브 패턴(104)과 그루브 패턴의 상부 및 몰드의 하부 외측에 결합되어 분리가 용이하게 하기 위한 피이티 필름(106)과 피이티 필름의 상하부 외측에 결합되는 평판(108)과 평판의 상하부 외측에 결합되며 내부에 상기 열교환기와 연결되는 가열판과 냉각판(112)이 형성되는 플레이트판(110)과 평판의 상부에 위치하며 상하부의 플레이트 내부를 외부와 차단하기 위한 진공 평판(114)으로 구성된다.

상기 몰드(102)는 디스크 타입의 평판의 중심에 원소재가 투입될 주입 공간(102a)이 원통형으로 형성되도록 제작되며 상부는 개방되어 후술하는 그루브 패턴이 안착되어 믹싱 과정을 거친 원소재가 투입된다.

상기 그루브 패턴(groove pattern)은 상기 몰드의 상부에 밀착되며 연마 패드에 그루브를 형성하기 위하여 대응되는 돌출부를 상기 몰드(102)의 주입 공간(102a)의 상부에 형성된다. 또한, 각 그루브 패턴마다 그 형상을 달리하여 필요에 따라 그루브 패턴을 교체하여 사용할 수 있게 구성된다.

도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 반도체 웨이펴의 화학기계적 연마 패드의 제조 장치중 그루브 패턴의 돌출부 형상을 도시하는 사시도이다.

도시된 바와 같이 돌출부의 형상은 동심원타입, 직교타입, 방사형 타입 및 나선형 타입 등으로 제작될 수 있으며 각 형상은 사용 목적에 따라 적절히 교체사 용하게 된다.

이러한 상기 몰드(102)와 그루브 패턴(104)의 구성으로 성형 과정 후 별도의 슬라이싱 과정과 그루빙 과정을 생략할 수 있다.

상기 피이티 필름(PET: polyethylene terephthalate)(106)은 연마 패드의 표면의 오염을 방지하고 후술하는 평판과의 분리가 용이하게 하는 역활을 하며 상기 평판(108)은 연마 패드 제작시 평평한 기준면을 제공하기 위한 역활을 하며 스테인레스 재질로 제작하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 플레이트판(110)은 상하부판 내부에 냉각관과 가열관를 평행하게 연속으로 절곡된 형상으로 가지며 상기 냉각관과 가열관은 후술하는 열교환기(400)에 연결되어 몰드 내부에 투입되는 원소재를 가열 또는 냉각시키는 역활을 하게된다.

또한, 상기 진공 평판(114)은 성형과정에서 기포의 발생을 억제하는 역활과 균일한 패드 표면을 확보하기 위하여 후술하는 바닥판(200)과 밀착하게 되며, 기밀을 유지하기 위하여 탄성체를 진공 평판(114)와 바닥판(200)사이에 삽입하는 것이 바람직하다.

상기 바닥판(200)은 상기 몰드부(100)가 안착되며 후술하는 프레스기(300)의 압력을 지지하는 역활을 하게된다. 또한 상기 바닥판(200)과 상기 몰드부(100)의 밀착으로 형성되는 내부 공간에 상기 상/하부 플레이트 판이 들어가게 된다.

상기 프레스기(300)는 몰드부에 압력을 가하는 역활을 하며 종래의 유압장치를 이용한 것이며 다만, 몰드부에 균일하게 압력이 전달될 수 있도록 제작되는 것 이 바람직하며 상기 열교환기(400)는 상기 플레이트판에 열을 전달할 수 있는 공지의 수냉식 또는 공냉식 열교환기를 이용한 것으로 자세한 내용한 생략하기로 한다.

이러한 본 발명 제조 장치의 사용 방법을 설명하면 다음과 같다.

우선 분말 형태의 폴리머를 첨가제와 함께 균일하게 섞어 원소재를 준비하고다음으로 원소재를 몰드(102)에 주입하여 그루브 패턴(104)을 덮고 피이티 필름(106), 평판(108), 플레이트판(110)을 차례로 결합하여 바닥판(200)에 안착시키며 상부에는 진공 평판(114)이 놓이게 된다.

상기 프레스기(300)를 이용하여 예압을 가해 진공 평판이 바닥판에 밀착시킨 후 열 교환기를 가동하여 플레이트판(110)을 가열하게 된다.

상기 플레이트판(110)에 공급되는 열에 의해 원소재는 용융되어서 연마 패드 형상으로 성형되며 이때 상기 프레스기(300)는 몰드부(100)를 가압하여 기포 발생을 최소화하게 된다.

상기 과정을 거친 후 열교환기(400)에서는 냉매를 플레이트판(110) 내부에 형성되는 냉각관으로 공급하여 몰드부(100)를 냉각시키게 되며 이 후 몰드부를 분리하여 성형된 연마 패드를 빼내게 된다.

이 후 종래의 슬라이싱 과정과 그루빙 과정은 생략되고 버핑 과정과 상기 성형된 연마 패드를 회전 테이블에 고정시키기 위한 테이핑 과정과 상기 과정을 통해 제작된 연마 패드를 적합한 형상으로 커팅하는 과정을 거쳐 연마 패드를 완성하게 된다.

다음으로 상기와 같은 제조 장치에 의해 반도체 웨이퍼의 화학기계적 연마 패드를 제조 하는 방법에 대해 살펴보기로 한다.

도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 반도체 웨이퍼의 화학기계적 연마 패드를 제조 방법을 설명하는 공정도이다.

도시된 바와 같이 본 발명의 제조 공정은 크게 폴리머에 첨가제를 섞는 믹싱 과정(S100)과 원소재를 디스크 타입으로 제작된 몰드에 주입하는 과정(S200)과 상기 몰드를 진공 상태하에서 가열, 압축하여 연마 패드를 성형하는 성형 과정(S300)과 불균일한 표면 특성을 제거하기 위한 버핑 과정(S400)과 상기 성형된 연마 패드를 회전테이블에 고정시키기 위한 테이핑 과정(S500)과 상기 과정을 통해 제작된 연마 패드를 적합한 형상으로 커팅하는 과정(S600)으로 나눌 수 있다.

각 공정을 상세히 살펴보면, 상기 믹싱 과정(S100)은 폴리머를 일반적인 분말 형태로 준비하고 열경화제 등과 같은 첨가제를 혼합하여 균일하게 섞는 교반 과정이며, 상기 혼합된 적정량의 원소재를 디스크 타입으로 제작된 몰드에 주입하는 과정(S200)을 거치게 된다. 이러한 과정은 종래의 연마 패드 제작 방법에서 사용되는 것이므로 자세한 내용은 생략하기로 한다.

연마 패드를 성형하는 과정(S300)은 다시 원소재가 투입된 몰드에 원소재의 용융점이상으로 가열하여 원소재를 용융하는 과정과 열에 의해 용융된 원소재에 압력을 가하여 성형하는 과정과 패드 내부에 발생한 기포를 제거하고 균일한 두께를 얻기 위한 탈포 과정과 상기 공정으로 제작된 패드를 냉각하는 냉각 과정으로 나눌 수 있다.

상기 원소재를 용융하는 온도는 몰드부에 투입되는 폴리머와 첨가제에 따라 변화하며 상기 폴리머가 완전 용융될 수 있는 온도이상으로 가열하는 것이 바람직하며 냉각 과정에 있어서도 성형되는 연마 패드의 물성치를 고려하여 일정한 냉각 속도를 가지는 것이 바람직하다.

종래의 성형 과정과는 달리 연마 패드는 디스크 타입으로 상부에 그루브 형상이 동시에 형성되어 별도의 슬라이싱 과정과 그루빙 과정이 필요하지 않게 된다.

또한, 원소재를 용융,냉각하는 과정은 모두 동일한 장치에서 이루어지는 것을 특징으로 하며 상기 성형 과정에서 발생하는 기포를 제거하기 위하여 상기 공정은 압력을 가하여 밀폐된 상태에서 진행하게 된다.

그리고 상기 성형 과정에서 형성되는 그루브의 형상의 변화에 대처하기 위하여 몰드의 상부를 용이하게 교체가능하게 제작하는 것이 바람직하며 구체적인 장치는 본 발명의 제조 장치에서 설명하기로 한다.

이 후 불균일한 표면 특성을 제거하기 위한 버핑 과정(S400)과 상기 성형된 연마 패드를 회전 테이블에 고정시키기 위한 테이핑 과정(S500)과 상기 과정을 통해 제작된 연마 패드를 적합한 형상으로 커팅하는 과정(S600)을 거치게 되며 이러한 과정은 종래의 연마 패드 생산 과정과 동일한 것이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

다만, 연마 패드의 평탄성이 좋게하고 연마 속도를 향상시키기 위하여 미소중공체를 생성하기 위한 과정을 포함하여 구성할 수도 있으며 이 경우 첨가제를 미리 섞어 믹싱 과정을 행하는 것이 바람직하다.

이상과 같이 이루어진 본 발명은 반도체 웨이퍼의 화학기계적 연마 패드의 생산 공정을 단축시키는 제조방법과 제조장치를 제공하는 것을 기본적인 기술적 사상으로 하고 있음을 알 수 있으며, 이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이다.

상술한 바와 같이 본 고안은 별도의 절단 과정과 그루빙 과정을 필요하지 않아 공정이 단순화되고 재료 손실 절감되어 생산 시간이 단축되고 생산 비용이 절감되는 효과가 있다. 또한, 연마 패드를 성형하는 과정에서 다양한 그루브 형상으로 제작 가능하므로 다품종 소량생산에 적합한 연마 패드를 적시에 공급할 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 삭제
2. 반도체 웨이퍼의 화학기계적 연마에 사용되는 연마 패드의 제조장치에 있어서,

   믹싱 과정을 거친 원소재를 그루브가 형성된 연마 패드로 성형하기 위한 몰드부와; 상기 몰드부가 안착되는 바닥판과; 상기 몰드부에 압력을 가하는 프레스기와; 상기 몰드부를 가열 또는 냉각시키기 위한 열교환기를 포함하되,

   상기 몰드부는,

   평판의 중심에 믹싱과정을 거친 원소재가 주입되는 주입 공간이 원통형상으로 형성되는 몰드와;

   상기 몰드의 상부에 밀착되며 연마 패드의 상부 표면에 형성되는 그루브에 대응되는 돌출부를 상기 몰드의 주입 공간의 상부에 가지는 그루브 패턴과;

   상기 그루브 패턴의 상부 및 몰드의 하부 외측에 결합되어 분리가 용이하게 하기 위한 피이티 필름과;

   상기 피이티 필름의 상하부 외측에 결합되는 평판과;

   상기 평판의 상하부 외측에 결합되며 내부에 상기 열교환기와 연결되는 가열관과 냉각관이 형성되는 플레이트판과;

   상기 평판의 상부에 위치하며 상하부의 플레이트 내부를 외부와 차단하기 위한 진공 평판으로 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼의 화학기계적 연마에 사용되는 연마 패드의 제조장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 그루브 패턴의 돌출부는,

   연마 패드의 그루브 형상에 대응하여 다양하게 제작되는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼의 화학기계적 연마에 사용되는 연마 패드의 제조장치.
4. 반도체 웨이퍼의 화학기계적 연마에 사용되는 연마 패드의 제조방법에 있어서,

   폴리머에 첨가제를 첨가하여 균일하게 혼합된 원소재를 준비하는 믹싱 과정과;

   상기 교반 과정을 거친 원소재를 디스크 타입으로 제작된 몰드에 주입하는 과정과;

   상기 몰드를 진공 상태하에서 가열, 압축하여 연마 패드를 성형하는 성형 과정과;

   성형된 연마 패드의 표면에 존재하는 불균일한 표면 특성을 제거하기 위한 버핑 과정과;

   상기 성형된 연마 패드를 고정시키기 위한 테이핑 과정과;

   상기 과정을 통해 제작된 연마 패드를 적합한 형상으로 자르는 커팅 과정;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼의 화학기계적 연마용 패드의 제조방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 성형 과정은,

   상기 몰드에 열을 가하여 원소재를 용융하는 과정과;

   상기 열에 의해 용융된 원소재에 압력을 가하여 성형하는 과정과;

   상기 패드 내부에 발생한 기포를 제거를 제거하고 균일한 두께를 얻기 위한 탈포 과정과;

   상기 공정으로 제작된 패드를 냉각하는 냉각 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼의 화학기계적 연마용 패드의 제조방법.
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,

   상기 성형 과정은,

   연마 패드의 평탄성을 좋게하고 연마 속도를 향상시키기 위하여 미소중공체를 생성하기 위한 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼의 화학기계적 연마용 패드의 제조방법.
7. 반도체 웨이퍼의 화학기계적 연마에 사용되는 연마 패드의 제조방법에 있어서,

   폴리머에 첨가제를 첨가하여 균일하게 혼합된 원소재를 디스크 타입으로 제작된 몰드와 상기 몰드의 상부에 밀착되며 연마 패드의 상부 표면에 형성되는 그루브에 대응되는 돌출부를 가지는 그루브 패턴사이 공간에 주입하고, 상기 몰드를 진공 상태하에서 가열, 압축,냉각하여 연마 패드를 성형한 후, 연마 패드의 표면에 존재하는 불균일한 표면 특성을 제거하고 회전 테이블에 부착되는 테이프를 연마 패드에 고정시킨 후 적합한 형상으로 커팅하는 과정을 통하여 제작되는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼의 화학기계적 연마용 패드의 제조방법.

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