KR101040333B1

KR101040333B1 - 반도체 ｃｍｐ 공정용 고 인장 실리콘 멤브레인

Info

Publication number: KR101040333B1
Application number: KR1020080057718A
Authority: KR
Inventors: 유대천
Original assignee: 주식회사 엠앤이
Priority date: 2008-06-19
Filing date: 2008-06-19
Publication date: 2011-06-10
Also published as: KR20090131792A

Abstract

본 발명은 반도체 CMP공정용 고인장 실리콘 멤브레인에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 경도가 각기 상이한 3종류의 실리콘을 일정비율로 배합한 혼합실리콘에 일정비율의 경화제를 투여하여 조성된 고 인장 실리콘을 이용하여 제작되는 반도체 CMP공정용 고인장 실리콘 멤브레인에 관한 것이다.

반도체, CMP, 실리콘, 멤브레인, 인장, 경화제, 웨이퍼, 표면, 코팅, 가류제

Description

반도체 ＣＭＰ 공정용 고 인장 실리콘 멤브레인{HIGH ELONGATION SILICON MEMBRANE OF SEMICONDUCTOR CMP PROCESS}

본 발명은 웨이퍼(wafer) 표면을 평탄하게 연마하는 반도체 CMP(Chemical Mechanical Polishing), 즉 기계적·화학적 평탄화 공정에 사용하는 고 인장 실리콘 멤브레인에 관한 것이다.

CMP는 Chemical Mechanical Polishing의 약자로써 반도체 제조 공정 중 화학적인 반응과 기계적인 힘을 이용하여 웨이퍼(Wafer:피가공물)의 표면을 평탄하게 연마하는 공정으로서, 반도체 CMP 공정에 적용되는 멤브레인(membrane)은 웨이퍼와의 접촉면의 표면탄성과 점착성을 증가시키기 위해 그 재질의 물성 및 표면처리방법이 중요하게 고려되고 있다.

종래에는 웨이퍼의 사이즈(Size)가 200mm인 공정까지는 멤브레인(membrane)의 재질에 비중을 많이 둔 상태에서 표면처리를 하지 않아도 200mm 웨이퍼와의 점착이 좋아 웨이퍼 가공시 점착 및 평활도 제어(control)에 큰 문제가 없었으나, 웨 이퍼의 사이즈(size)가 300mm 이상으로 커지면서 멤브레인의 재질만으로는 표면의 점착성을 향상시키기 어려워, 웨이퍼의 깨어짐 방지를 위한 안정성을 가만하여 멤브레인의 재료 개선 및 표면처리가 고려되어야만 한다.

이와 같은 멤브레인의 재료 및 표면처리 문제를 해결하기 위해, 멤브레인 표면의 슬립(slip)성과 점착성을 향상시키기 위한 재료의 물성 개선, 표면의 약품 처리 및 표면 개질 방법을 진행시켜 왔다.

그리고 그 재료의 개선을 위해서 EPDM, CR, SILICONE 재료가 개선되어 왔으며, 제품의 표면을 개선하기 위해서 표면처리의 방법으로 몰드(mold)에서 성형 시 제품의 표면을 개선 진행하는 방법과 멤브레인 제조 후 약품을 통한 코팅(coating) 처리 방법이 진행되어왔다.

그러나 EPDM, CR, SILICONE 등의 원재료로 제작된 제품의 사용 중 CONTROL 및 PM 주기의 단축과 같은 사용상의 문제점이 발생하였으며, 그 물성의 개선을 위한 재료의 개선이 가장 우선적으로 요구되고 있다. 또한, 재료의 개선과 함께 제품의 표면 개선 또한 요구되고 있다.

상기 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 200㎜ 및 300㎜용 웨이퍼(wafer) 제작에 사용하는 반도체 CMP 공정용 고 인장 실리콘 멤브레인을 제공하고자 하는 것 을 발명의 목적으로 한다.

그리고, 상기 고 인장 실리콘 멤브레인의 재질로서, 종래 문제점인 저 인장과 불순물을 다량 포함하는 문제를 해결하여 고 인장의 신축성 및 복원력을 향상시킨 고 인장 실리콘 재질을 제공하고자 함을 발명의 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 경도가 55(Shore A)인 실리콘 37 ~ 46중량%와, 경도가 50(Shore A)인 실리콘 8 ~ 9중량%와, 경도가 20(Shore A)인 실리콘 45 ~ 54.99중량%에 경화제 0.01 ~ 2.00중량%를 첨가하여 밀링머신(Milling M/C)에서 10 ~ 50℃로 30 ~ 50분 동안 강제 혼합하여 조성된 고 인장 실리콘을 멤브레인 성형 몰드에 투입하여 150 ~ 170℃에서 20 ~ 30분 동안 성형하여 멤브레인을 제조하고, 그 멤브레인 표면에 코팅처리하여 제조되는 반도체 CMP공정용 고 인장 실리콘 멤브레인을 주요 기술적 구성으로 한다.

이하, 상기 기술적 구성에 대해 상세히 살펴보도록 한다.

본 발명에서는 경도가 서로 다른 3개의 실리콘이 사용되며, 상기 실리콘의 경도는 크게 쇼어 테스트(Shore Test)와 아알에이치디 테스트(IRHD Test)로 나뉘며, 상기 쇼어(Shore)는 다시 A, B, O, C, D 등으로 나뉘게 되는 것으로, 상기 쇼어 테스트는 일정한 높이에서 시료의 시험면상에 낙하시킨 해머가 튀어 올라온 높 이로써 시료의 경도를 측정하는 테스트로서 그 쇼어 경도(Shore hardness) 값이 A에 가까울수록 연한 재료이고, D와 가까울수록 단단한 재료이다.

본 발명의 실리콘은 Shore A 경도계를 통해 측정된 55, 50, 20의 각기 다른 경도의 실리콘을 사용한다.

상기 경도가 55(Shore A)인 실리콘, 경도가 50(Shore A)인 실리콘, 경도가 20(Shore A)인 실리콘 및 경화제의 배합비율에 대해 살펴보면, 상기 경도 55(Shore A)인 실리콘을 37중량% 미만으로 사용할 경우, 혼합 재료의 경도가 낮아지고 연신율이 100%이상으로 높아지는 문제가 발생하고, 46중량%를 초과하여 사용하게 될 경우에는 재료의 경도가 높아지고 연신율이 800%이하로 낮아지는 문제가 발생하므로, 상기 경도 55(Shore A)인 실리콘은 전체 혼합물의 혼합량에 대해 37 ~ 46중량% 범위로 사용하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 경도가 50(Shore A)인 실리콘을 8중량% 미만 또는 9중량%를 초과하여 사용하게 되는 경우에는 제품의 경도 및 인장 강도, 연신율을 조절하는데 문제가 있으므로, 상기 경도가 50(Shore A)인 실리콘은 전체 혼합물의 혼합량에 대해 8 ~ 9중량% 범위로 사용하는 것이 바람직하다.

또한 상기 경도가 20(Shore A)인 실리콘을 45중량% 미만으로 사용하게 되는 경우, 재료의 연신율이 800% 이하로 낮아지는 문제가 있고, 54.99중량%를 초과하여 사용하게 되는 경우에는 경도가 낮아지고 연신율이 1,000%이상으로 높아지는 문제가 있으므로, 상기 경도가 20(Shore A)인 실리콘은 전체 혼합물의 혼합량에 대해 45 ~ 54.99중량% 범위로 사용하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 경화제는 사이클로헥사논퍼옥사이드, t-부틸퍼옥시이소프로필카르보네이트, t-부틸퍼옥시라우릴레이트, t-부틸퍼옥시아세테이트, 디-t-부틸디퍼옥시프탈레이트, t-디브틸퍼옥시말레인산, t-부틸큐밀퍼옥사이드, t-부틸하이드로퍼옥사이드, 디벤조일퍼옥사이드, 디큐밀퍼옥사이드, 1,3-비스(t-부틸퍼옥시이소프로필)벤젠, 메틸에틸케톤퍼옥사이드, 디-(2,4-디클로로벤조일)퍼옥사이드, 1,1-디(t-부틸퍼옥시)-3,3,5-트리메틸사이클로헥산, 2,5-디메틸-2,5-디(벤조일퍼옥시)헥산, 2,5-디메틸-2,5-디(t-부틸퍼옥시)헥산, 디-t-부틸퍼옥사이드, n-부틸-4,4-비스(t-부틸퍼옥시)발러레이트 및 α,α'-비스(t-부틸퍼옥시)디이소프로필벤젠, 다이-(2,4-다이클로로벤조일)-퍼옥시다제(Di-(2,4-dichlorobenzoyl)-peroxide), 다이벤조일 퍼옥시다제(Dibenzoyl peroxide), 터트-부틸 퍼옥시벤조에이트(tert-Butyl peroxybenzoate), 1,1-다이-(터트-부틸퍼옥시)-3,3,5-트리메틸시클로헥산(1,1-di-(tert-butylperoxy)-3,3,5-trimethylcyclohexane), 다이-(2-터트-부틸-퍼옥시이소프로필)-벤젠(di-(2-tert-butyl-peroxyisopropyl)-benzene), 2,5-다이메틸-2,5-다이-(터트-부틸퍼옥시)-헥산(2,5-Dimethyl-2,5-di-(tert-butylperoxy)-hexane), 다이-터트-부틸퍼옥시다제(Di-tert-butylperoxide), 2,5-다이메틸-2,5-다이(터트-부틸퍼옥시-헥산-3(2,5-dimethyl-2,5-di(tert-butylperoxy)hexyne-3) 중 선택되는 어 느 1종 또는 2종 이상의 혼합으로 조성된 유기 과산화물 가류제로서, 0.01중량% 미만으로 사용할 경우에는 성형 가류시 실리콘 고무 혼합물의 분자를 서로 화학 결합시키는데 문제가 있고, 2.00중량%를 초과하여 사용하게 되는 경우에는 경화제가 과포화 상태이므로, 상기 경화제는 전체 혼합물의 혼합량에 대해 0.01 ~ 2.00중량% 범위로 사용하는 것이 바람직하다.

상기 경도가 각기 상이한 3종의 실리콘 및 경화제의 혼합조건으로서 온도의 경우, 10℃ 미만으로 유지하면 실리콘의 혼합이 잘 이루어지지 않는 문제가 있고, 50℃를 초과하게 되면 재료의 스코치(scorch) 현상, 즉 배합고무에 부부적 또는 전체적으로 가류가 발생하며, 이는 배합 설계의 실수 및 배합의 문제, 보관의 문제가 주며 스코치된 고무는 성형시 흐름성이 떨어지며 제품 성형시 외관 불량 및 물성 저하의 원인이 되는 것으로, 이와 같이 실리콘의 혼합과 스코치(scorch) 현상을 고려하였을 때 혼합 온도는 10 ~ 50℃를 유지하는 것이 바람직하다.

그리고 밀링머신(Milling M/C)에서의 강제 혼합 시간의 경우 30분 미만인 경우에는 재료의 혼합이 잘 이루어지지 않고, 50분을 초과하게 되는 경우에는 충분한 혼합이 이루어졌기 때문에 더 이상의 믹싱(Mixing)에 큰 의미가 없을 뿐만 아니라, 장시간의 믹싱의 경우, 스코치(Scorch) 현상(가류)이 발생할 수 있으므로, 밀링머신(Milling M/C)에서의 강제 혼합 시간은 30 ~ 50분을 유지하는 것이 바람직하다.

본 발명의 고 인장 실리콘 멤브레인은 상기 경도가 55(Shore A)인 실리콘, 경도가 50(Shore A)인 실리콘, 경도가 20(Shore A)인 실리콘 및 경화제의 배합비율 및 혼합조건에 의해 조성된 고 인장 실리콘을 이용하여 제조하는 것으로, 그 제조과정을 살펴보면 다음과 같다.

상기 고 인장 실리콘 멤브레인의 제조는 상기 고 인장 실리콘을 멤브레인 성형 몰드에 투입하여 150 ~ 170℃의 온도조건에서 20 ~ 30분의 성형시간으로 멤브레인을 성형한 후, 그 멤브레인 표면을 코팅 처리하여 완성되는 것으로, 상기 몰드 성형온도의 경우, 그 온도가 150℃ 미만인 경우에는 미 가류 문제가 발생하고, 170℃를 초과하게 되는 경우에는 가 가류의 문제가 발생하게 되므로, 상기 몰드 성형온도는 150 ~ 170℃를 유지하는 것이 바람직하며, 또한 상기 몰드 성형시간의 경우, 20분 미만으로 유지하게 되는 경우에는 미 가류의 문제가 발생하고, 30분을 초과하게 되는 경우에는 가 가류의 문제가 발생하게 되므로, 상기 몰드 성형시간은 20 ~ 30분을 유지하는 것이 바람직하다.

그리고, 멤브레인 표면을 코팅 처리는 실리콘계의 첨가물을 포함하고 있는 유기물계의 코팅액을 이용하여 UP-DOWN 방식 또는 DOWN-UP 방식을 적용하는 것으로, 상기 코팅액을 구체적으로 언급하자면, 실리콘 표면코팅제로서 실리콘 재질의 표면에 대응하여 표면 개질의 효과를 극대화하기 위해 실리콘과 휘발성 용매로 톨루엔을 1:1의 중량비율로 혼합한 것을 사용한다.

상기 코팅처리 방식 중 UP-DOWN 방식은 멤브레인을 450 ~ 600rpm의 회전수로 회전시키면서 30초간 코팅액에 침지하는 것으로, 에어(air) 배관을 통하여 진공을 잡아주도록 설계되어 있는 멤브레인 헤드가 멤브레인을 잡아주고, 그 멤브레인 헤드가 위에서 아래로 움직이며 코팅액으로 채워진 침수조에 얇게 침지되면서 맴브레인 표면을 코팅하는 방식이다.

이때 멤브레인 회전수가 450rpm 미만인 경우에는 코팅액의 점성으로 인하여 멤브레인 표면에 물결무늬가 발생할 수 있고, 600rpm을 초과하게 되는 경우에는 회전 속도가 너무 빨라서 코팅액이 주변으로 튀어 용액의 소실이 심하다는 문제가 발생하므로, 상기 멤브레인 회전수는 450 ~ 600rpm을 유지하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 DOWN-UP 방식은 코팅액이 멤브레인 표면까지 전달되도록 공급관을 형성하고, 멤브레인 측면 코팅을 위한 롤러회전체 및 붓이 설치되어 회전에너지를 공급할 수 있는 회전모터에 의해 멤브레인을 회전시키며 코팅처리하는 방식이다.

상기 롤러회전체는 멤브레인 측면코팅을 위한 장치로서 경도 50 ~ 60(Shore A)인 우레탄 탄성체 재질이다. 그리고 상기 멤브레인 측면코팅을 위한 회전속도는 100 ~ 200rpm이고, 멤브레인 중심표면의 코팅을 위한 회전속도는 500 ~ 1,000rpm을 유지하며, 상기 코팅액을 멤브레인 표면까지 전달하기 위한 공급관에 의해 공급되는 코팅액의 유속량은 50 ~ 100㎖/sec이다.

이와 같은 코팅처리 과정을 마치면 본 발명의 멤브레인 제조가 완성되며, 이 때 제조된 멤브레인은 인장강도(Tensile Strength, ㎏f/㎠) 80 ~ 100, 연신율(Elongation, %) 800 ~ 1,000, 100% 모듈러스(Modulus 100%, ㎏f/㎠) 10 ~ 20인 것을 특징으로 한다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 CMP공정용 고 인장 실리콘 멤브레인은 재질의 물성치 값인 신장률이 700% 이상인 고 인장 purity silicon을 이용하고, 표면코팅을 통한 멤브레인의 표면 개질효과를 극대화시켜 멤브레인의 슬림성과 점착성을 높여준다.

이상에서 살펴본 기술적 구성의 더욱 구체적인 내용을 실시 예를 통해 살펴보도록 한다.

도 1은 웨이퍼(13)를 가압하에 유지하기 위한 캐리어(12)가 구성되고, 그 캐리어(12) 하단에는 멤브레인(11)이 구성되고, 그 캐리어(12)는 스핀들 기구(14)에 직결되어 있어 회전할 수 있는 구성을 보이는 일반적인 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정의 연마장치(1)를 보인 사시도이다. 그리고, 도 2는 도 1의 멤브레인(11)의 실제 사진을 보이고 있다.

도 3은 본 발명의 멤브레인 표면 코팅 방식 중 UP-DOWN 방식을 나타낸 단면 도로서, 그 UP-DOWN 방식의 멤브레인 코팅의 경우 멤브레인의 헤드가 모터 및 회전 축(21)에 연결되어 있는 멤브레인 헤드 지지체(23)에 의해 위에서 아래로 움직이는 시설이며, 멤브레인 헤드가 멤브레인을 잡아주고 에어 라인(22)을 통하여 진공을 잡아줄 수 있게 설계되며 멤브레인이 회전하면서 침수조에 얇게 침지되면서 표면이 코팅액(24)으로 코팅되는 방식이며 이 경우 회전수만 450 ~ 600rpm으로 조절하여 30초간 침지하여 주면 자동 표면 코팅되는 방식이다.

실시 예 1

경도가 55(Shore A)인 실리콘 40㎏와, 경도가 50(Shore A)인 실리콘 9㎏와, 경도가 20(Shore A)인 실리콘 50중량㎏을 혼합하고, 여기에 경화제 1㎏을 첨가하여 반도체 CMP 공정용 고인장 실리콘을 조성한다.

하기의 표 1 및 2는 상기 실시 예 1에 따른 배합비율 및 그 배합비율에 의해 조성된 멤브레인의 물리적 특성을 보이고 있다.

표 1. 멤브레인 재질 배합비율

성분	배합설계(kg)	혼합(MIXING) 분율(%)
실리콘 A(경도 55)	40	40
실리콘 B(경도 50)	9	9
실리콘 C(경도 20)	50	50
경화제(Peroxide)	1	1
합 계	100	100

표 2. 표 1의 재질의 멤브레인 물성

항 목	수치 값
인장강도(Tensile Strength, kgf/㎠)	80 ~ 100
연신률(Elongation, %)	800 ~ 1,000
모듈러스 100% (Modulus, kgf/㎠)	10 ~ 20

도 1은 일반적인 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정의 연마장치를 도시한 사시도.

도 2는 도 1의 연마장치의 멤브레인을 보인 사진.

도 3은 본 발명의 멤브레인 표면 코팅 방식 중 UP-DOWN 방식을 나타낸 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

1 : 연마장치

11: 멤브레인

12: 캐리어

13: 웨이퍼

14: 스핀들기구

21 : 모터 및 회전 축

22 : 에어 라인(Air line)

23 : 멤브레인 헤드 지지체

24 : 코팅액

Claims

경도가 55(Shore A)인 실리콘과, 경도가 50(Shore A)인 실리콘과, 경도가 20(Shore A)인 실리콘에 경화제를 첨가하여 조성된 고 인장 실리콘을 멤브레인 성형 몰드에 투입하여 150 ~ 170℃에서 20 ~ 30분 동안 성형하여 멤브레인을 제조하고, 그 멤브레인 표면에 코팅처리하는 것에 있어서,

상기 고 인장 실리콘은 경도가 55(Shore A)인 실리콘 37 ~ 46중량%와, 경도가 50(Shore A)인 실리콘 8 ~ 9중량%와, 경도가 20(Shore A)인 실리콘 45 ~ 54.99중량%에 경화제 0.01 ~ 2.00중량%를 첨가하여 밀링머신(Milling M/C)에서 10 ~ 50℃로 30 ~ 50분 동안 강제 혼합하여 조성된 것임을 특징으로 하는 반도체 CMP공정용 고 인장 실리콘 멤브레인.
제 1항에 있어서, 경화제는 사이클로헥사논퍼옥사이드, t-부틸퍼옥시이소프로필카르보네이트, t-부틸퍼옥시라우릴레이트, t-부틸퍼옥시아세테이트, 디-t-부틸디퍼옥시프탈레이트, t-디브틸퍼옥시말레인산, t-부틸큐밀퍼옥사이드, t-부틸하이드로퍼옥사이드, 디벤조일퍼옥사이드, 디큐밀퍼옥사이드, 1,3-비스(t-부틸퍼옥시이소프로필)벤젠, 메틸에틸케톤퍼옥사이드, 디-(2,4-디클로로벤조일)퍼옥사이드, 1,1-디(t-부틸퍼옥시)-3,3,5-트리메틸사이클로헥산, 2,5-디메틸-2,5-디(벤조일퍼옥시)헥산, 2,5-디메틸-2,5-디(t-부틸퍼옥시)헥산, 디-t-부틸퍼옥사이드, n-부틸-4,4-비스(t-부틸퍼옥시)발러레이트 및 α,α'-비스(t-부틸퍼옥시)디이소프로필벤젠, 다이-(2,4-다이클로로벤조일)-퍼옥시다제(Di-(2,4-dichlorobenzoyl)-peroxide), 다이벤조일 퍼옥시다제(Dibenzoyl peroxide), 터트-부틸 퍼옥시벤조에 이트(tert-Butyl peroxybenzoate), 1,1-다이-(터트-부틸퍼옥시)-3,3,5-트리메틸시클로헥산(1,1-di-(tert-butylperoxy)-3,3,5-trimethylcyclohexane), 다이-(2-터트-부틸-퍼옥시이소프로필)-벤젠(di-(2-tert-butyl-peroxyisopropyl)-benzene), 2,5-다이메틸-2,5-다이-(터트-부틸퍼옥시)-헥산(2,5-Dimethyl-2,5-di-(tert-butylperoxy)-hexane), 다이-터트-부틸퍼옥시다제(Di-tert-butylperoxide), 2,5-다이메틸-2,5-다이(터트-부틸퍼옥시-헥산-3(2,5-dimethyl-2,5-di(tert-butylperoxy)hexyne-3) 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 혼합으로 조성된 유기 과산화물 가류제인 것을 특징으로 하는 반도체 CMP공정용 고 인장 실리콘 멤브레인.
삭제
삭제
삭제