KR101165440B1

KR101165440B1 - 무방향성이고, 불균일한 표면 거칠기를 갖는 연마패드, 그 연마패드 제조방법 및 제조장치

Info

Publication number: KR101165440B1
Application number: KR1020090067472A
Authority: KR
Inventors: 전성민; 김건; 김성민; 김효진; 권태경; 이주열
Original assignee: 에스케이씨 주식회사
Priority date: 2009-07-23
Filing date: 2009-07-23
Publication date: 2012-07-12
Also published as: KR20110009988A

Abstract

본 발명은 화학적 기계적 연마에 사용되는 연마패드, 그 연마패드 제조방법, 및 연마패드 제조장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 연마패드를 고정 지지하는 플레이튼 및 연마패드 표면에 표면 거칠기를 형성하는 밀링커터를 서로 상이한 속도로 회전시킴으로써 표면에 무방향성 및 불균일성의 표면거칠기를 갖는 연마패드를 제조하는 방법, 그 방법에 의해 형성된 연마패드 및 이를 제조하는 연마패드 제조장치에 관한 것이다.

본 발명에 의해 웨이퍼의 품질을 유지하면서도 웨이퍼 연마시 브레이크-인 타임을 감소시켜 웨이퍼의 생산성을 향상시킬 수 있다.

연마패드, 웨이퍼, 브레이크-인 타임, 밀링머신, 플레이튼, 밀링커터

Description

무방향성이고, 불균일한 표면 거칠기를 갖는 연마패드, 그 연마패드 제조방법 및 제조장치{Chemical Mechanical Polishing Pad with Non-directional and Non-uniform Surface Roughness}

본 발명은 연마패드, 연마패드 제조방법, 및 연마패드 제조장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 밀링머신을 사용하여 연마패드 표면에 표면거칠기를 갖는 연마패드를 제조하는 방법, 그 방법에 의해 형성된 연마패드 및 이를 제조하는 연마패드 제조장치에 관한 것이다.

일반적으로 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing, CMP) 패드를 사용하는 연마공정은 거친 표면을 마모하여 거울과 같은 평탄한 표면을 형성하는 것으로서, 통상적으로 반복적이고, 규칙적인 조작으로 연마할 제품의 표면에 패드를 문지르는 동안, 미립자의 현탁액(슬러리)이 CMP 패드와 평탄화될 소재 사이의 계면에 존재함으로써 연마가 이루어진다.

특히, 반도체 공정에서의 웨이퍼의 평탄화가 반도체 집적도에 큰 영향을 미치기 때문에, 웨이퍼의 평탄화를 위하여 화학적 기계적 연마 공정을 거쳐야만 한다.

종래 반도체 웨이퍼의 CMP 공정에서 사용되어 온 상기 연마패드로는, 첫째, 양모와 같은 천연 펠트 섬유 또는 천연 제직 섬유, 우레탄 혼입된 펠트, 폴리에스테르 또는 각종 형태의 필러로 충진된 우레탄 패드, 둘째, 이들 필러를 함유하지 않으나 슬러리를 저장할 수 있는 기포 혹은 기공이 함유된 연마패드, 셋째, 균일한 고분자를 매트릭스로 하여 슬러리를 저장할 수 있는 마이크로 홀이 형성된 연마패드 등의 3가지로 크게 발전하여 왔다.

일반적으로 연마패드를 사용하여 웨이퍼를 연마할 때에는 연마패드에 대하여 연마 전의 브레이크-인(break-in) 공정, 연마 중 또는 연마 후의 컨디셔닝 공정이 행해진다.

연마 전의 연마패드에 대한 브레이크-인 공정은 웨이퍼 연마에 최적의 상태를 확보하기 위해 수 십 만개의 다이아몬드 팁이 부착된 다이아몬드 디스크(diamond disk)를 사용하여 프리-컨디셔닝(pre-conditioning)하는 공정으로서, 연마패드 제작시의 오염물을 제거하고, 연마패드의 표면을 웨이퍼 연마시의 상태로 안정화하는 공정이다. 통상적으로, 이러한 브레이크-인 공정을 거친 후에 웨이퍼 연마를 시작한다.

또한, 웨이퍼의 연마 진행 중 또는 후에 행하는 컨디셔닝 공정은 웨이퍼의 연마와 함께 혹은 웨이퍼 연마와 별개로, 상기 다이아몬드 디스크를 사용하여 패드 표면의 거칠기를 일정한 수준 이상으로 유지하고, 연마 도중의 잔여 찌꺼기를 배출하도록 연마패드 표면을 조정하는 공정으로서, 안정한 연마율을 제공할 수 있도록 연마패드의 표면상태를 일정하게 유지하기 위한 공정이다. 브레이크-인 공정 및 컨 디셔닝 등에 의해 웨이퍼 연마시의 상태로 안정화된 연마패드의 표면거칠기 및 진폭과 패드 표면의 SEM 사진을 각각 도 4 및 도 5에 나타내었다.

한편, 오늘날 반도체 공정에 있어서는 경제성을 도모하기 위해 생산성과 수율의 중요성이 더욱 더 커지고 있다. 따라서 반도체의 대량화 및 고집적도화로 인해, 웨이퍼의 크기가 점점 커지는 추세이며, 이와 함께 하나의 웨이퍼로부터 가공되는 칩(chip)의 개수가 점점 많아지고 있다.

따라서, 이와 같은 반도체의 고집적도화 및 대량화 추세에 부응하기 위해서는 웨이퍼 평탄화도를 유지하고, 웨이퍼 표면에 결함(defect) 수가 적으면서도 웨이퍼 연마에 보다 짧은 시간이 소요될 것이 요구된다.

도 1 (a)에 종래의 방법으로 연마패드 표면에 표면 거칠기를 부여하는 방법을 개략적으로 도시하였다. 종래의 방법은, 도 1 (a)에 도시된 바와 같이, 플레이튼이 고정되어 있고, 밀링커터가 일정한 방향의 직선운동을 하면서 회전하여 연마패드 표면에 표면 거칠기를 형성하는 밀링머신을 사용하여 표면거칠기를 부여하였다.

이와 같은 종래의 밀링머신을 사용하여 표면거칠기를 형성하는 경우에는, 도 2에 도시된 바와 같이, X축 및 Y축 각각에 대하여 일정한 표면 조도를 가지며, 일정한 진폭을 갖는 침상형의 요철이 형성되게 된다. 한편, 밀링커터가 일정한 방향, 예를 들어, X축 방향으로 운동함으로 인해, 도 3과 같이 X축과 Y축 방향에 대한 표면거칠기가 서로 상이하게 된다. 이와 같은 표면형상을 갖는 연마패드를 사용하여 웨이퍼를 연마하는 경우에는 연마초기에 스크래치와 같은 웨이퍼 표면 흠 결(defect)이 많이 형성되는 문제가 있다. 따라서, 고평탄화도의 웨이퍼 표면을 얻기 위해서는 보다 긴 브레이크-인 타임이 요구된다.

종래 사용되어 온 도 2 및 도 3과 같은 표면특성을 갖는 연마패드를 사용하여 웨이퍼를 연마할 경우에는 웨이퍼 표면에 스크래치 등의 결함이 많이 발생하기 때문에, 연마패드 표면에 도 3 및 4에 나타낸 바와 같은 표면특성을 부여하기 위해 최소 20분 내지 1시간 정도의 브레이크-인 타임을 필요로 하였다.

이와 같이 종래의 방법으로 제조된 연마패드를 사용하여 웨이퍼를 연마하는 경우에는 패드 표면에 대한 브레이크-인 타임이 길어 생산성이 저하되고, 생산성을 향상시키기 위해 브레이크-인을 단시간 행하는 경우에는 연마초기에 스크래치 또는 결함이 많게 되어, 결과적으로 생산성이 저하되고, 수율이 낮아지는 문제가 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점으로부터 반도체 제조공정에서 생산성 향상을 위한 방안에 대하여 연구를 거듭한 결과, 연마패드 표면의 표면 거칠기를 연마 중의 표면거칠기와 일치시키는 경우에 브레이크-인 타임을 줄이면서도, 연마 초기의 표면 결함을 감소시킬 수 있음을 인식하고, 이와 같은 표면 거칠기를 구현하는 방법, 이에 의해 형성된 연마패드, 및 그 연마패드 제조장치를 제공하고자 한다.

본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위해,

제1 구현예로서, 회전 가능한 플레이튼 상에 연마패드를 부착하고, 상기 연마패드 표면에 회전가능한 밀링커터를 접촉한 후, 상기 플레이튼 및 밀링커터를 동시에 회전시켜 연마패드 표면에 무방향성 및 불균일성의 표면거칠기를 형성하는, 연마패드 제조방법,

제2 구현예로서, 상기 플레이튼의 회전속도와 밀링커터의 회전속도가 상이한 것인 연마패드 제조방법,

제3 구현예로서, 상기 밀링커터의 회전속도가 상기 플레이튼의 회전속도보다 큰 것인 연마패드 제조방법,

제4 구현예로서, 상기 밀링커터의 회전속도 RPM과 플레이튼의 회전속도 RPM의 비, 밀링커터 RPM/플레이튼 RPM이 10~1000인 연마패드 제조방법,

제5 구현예로서, 상기 밀링커터는 페이스 커터인 연마패드 제조방법,

제6 구현예로서, 상기 밀링커터는 고속도강(HSS, High speed steel), 초경공구강, 공업용 다이아몬드(PCD, Polycrystalline diamond), 증착 다이아몬드(CVD, Chemical vapor deposition of diamond) 또는 천연 다이아몬드(natural diamond)로 제조된 것인 연마패드 제조방법,

제7 구현예로서, 상기 방법으로 제조되는 연마패드로서, 상기 연마패드 표면에 무방향성이고 불균일한 표면거칠기를 갖는 연마패드,

제8 구현예로서, 상기 연마패드의 평균표면조도(Ra)는 0.5 내지 5.0㎛이고, 연마패드 표면의 일 지점에서 X축 방향으로 측정한 평균표면조도(Rax) 및 Y축 방향으로 측정한 평균표면조도(Ray)가 다음 식을 만족하는 연마패드,

0.7Ray<Rax<1.3Ray

0.7Rax<Ray<1.3Rax

제9 구현예로서, 표면에 연마패드를 고정지지하며 회전운동하는 플레이튼, 및 상기 연마패드와 대면하는 면에 커터가 장착되어 회전운동하는 밀링커터를 포함하되, 상기 플레이튼과 밀링커터는 동시에 회전하여 상기 연마패드 표면에 표면거칠기를 부여하는 연마패드 제조장치,

제10 구현예로서, 상기 플레이튼과 밀링커터가 서로 상이한 속도로 회전하는 것인 연마패드 제조장치,

제11 구현예로서, 상기 밀링커터의 회전속도가 상기 플레이튼의 회전속도보다 큰 것인 연마패드 제조장치,

제12 구현예로서, 상기 밀링커터의 회전속도 RPM과 플레이튼의 회전속도 RPM의 비, 밀링커터 RPM/플레이튼 RPM이 10~1000인 연마패드 제조장치,

제13 구현예로서, 상기 밀링커터가 페이스 커터인 연마패드 제조장치,

제14 구현예로서, 상기 밀링커터는 고속도강(HSS, High speed steel), 초경공구강, 공업용 다이아몬드(PCD, Polycrystalline diamond), 증착 다이아몬드(CVD, Chemical vapor deposition of diamond) 또는 천연 다이아몬드(natural diamond)로 제조된 것인 연마패드 제조장치를 제공한다.

본 발명에 의해 제공되는 연마패드를 사용하여 연마공정을 수행함으로써 브레이크-인 타임을 줄이면서, 연마 초기의 스크래치와 같은 결함을 최소화할 수 있어 웨이퍼의 생산성을 향상시킬 수 있다.

일반적으로, 웨이퍼 연마 중 또는 후에 연마패드 표면을 컨디셔닝한 경우의 패드 표면은 도 3에 도시된 바와 같은 표면 특성을 갖는다. 도 3에 도시된 컨디셔닝한 연마패드 표면은 표면 거칠기가 일정하지 않고, 요철 패턴이 일정한 방향성을 갖지도 않는다. 이는 컨디셔너의 다이아몬드 디스크가 저속 회전운동을 하고 플레이튼 또한 저속 회전운동을 하면서, 다이아몬드 디스크의 수 십 만개의 다이아몬드 팁이 패드 표면에 불균일하고, 상하좌우 방향성이 없는 표면 거칠기를 형성하기 때문이다.

본 발명은 연마패드 제조시에 연마패드 표면에 형성되는 표면거칠기를, 연마 공정 개시 후 사용중인 연마패드를 컨디셔닝함으로써 얻어지는 패드의 표면거칠기와 유사하게, 즉, 패드 표면에 무방향성으로 랜덤하게 형성되고, 높이가 불일정한 요철을 갖는 표면거칠기를 형성하고자 한다.

도 1은 종래의 밀링머신과 본 발명의 일 구현예에 따른 밀링머신의 구동을 개략적으로 나타낸 개념도이다. 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 종래의 밀링머신은 밀링커터가 회전운동과 직선운동을 동시에 하는 반면, 플레이튼은 고정되어 연마패드를 지지하는 구조를 갖는다. 그러나, 상기와 같은 무방향성이고 높이가 불균일한 표면 특성을 갖는 연마패드를 제조하기 위해, 본 발명은 플레이튼과 밀링커터를 포함하는 밀링머신을 사용하되, 상기 플레이튼과 밀링커터가 동시에 회전할 수 있는 것이어야 한다. 나아가, 이들 중 적어도 어느 하나가 직선운동을 하도록 제어될 수 있는 밀링머신을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 플레이튼은 그 표면 상에 연마패드를 부착하여 회전할 수 있는 것이어야 한다. 상기 플레이튼은 스틸, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 대리석 등으로 제조될 수 있다. 한편, 상기 플레이튼에 연마패드를 부착하는 방법은 본 분야에서 일반적으로 적용될 수 있는 방법이라면 사용가능하며, 특별히 한정하는 것은 아니지만, 플레이튼 내의 진공장치를 이용하거나 또는 연마패드에 접착테이프 등을 사용하여 부착할 수 있다.

나아가, 상기 밀링커터는 플레이튼 상에 부착되는 연마패드의 표면과 대면하도록 배치되며, 연마패드 표면에 상기 밀링커터가 접촉하여 그 패드 표면에 거칠기를 부여한다. 상기 밀링커터는 플레이튼과 동시에 회전할 수 있도록 구동가능한 것 이어야 한다. 상기 밀링커터는 이와 같이 회전가능하면서, 연마패드 표면에 표면거칠기를 부여할 수 있는 것이라면 특별히 제한하지 않는 것으로서, 예를 들어, 페이스 커터(face cutter, face miling cutter, 정면 밀링커터), 다이아몬드 디스크 등을 들 수 있다. 이들 밀링커터를 사용하여 연마패드 표면에 불균일하며 상하좌우의 방향성이 없는 표면거칠기를 부여할 수 있다. 상기 다이아몬드 디스크는 연마패드 표면에 표면거칠기를 부여할 때 분진을 생성할 수 있고, 다이아몬드 디스크의 소모 및 탈 부착시의 패드 휨 등의 문제를 일으킬 수 있는바, 페이스 커터를 사용하는 것이 보다 바람직하다. 도 9에 본 발명에 따른 밀링커터와 플레이튼을 포함하는 연마패드 제조장치를 개략적으로 도시하였다.

상기 밀링커터의 재질로는 반드시 이에 한정하는 것은 아니지만, 고속도강(HSS, High speed steel), 초경 공구강(초경질(超硬質)의 합금으로 만든 공구), 공업용 다이아몬드(PCD, Polycrystalline diamond), 증착 다이아몬드(CVD, Chemical vapor deposition of diamond), 천연 다이아몬드(natural diamond) 등의 회전 공구 또는 절삭공구에 사용할 수 있는 물질이면 특별히 한정하지 않는다.

이하, 본 발명의 연마패드에 무방향성 및 불균일성을 갖는 표면거칠기를 형성하는 방법에 대하여 설명한다.

밀링머신의 플레이튼 상에 상기한 바와 같은 방법으로 연마패드를 부착하고, 상기 부착된 연마패드 표면 위에 밀링커터를 접촉시킨 후, 상기 플레이튼 및 밀링커터를 동시에 회전시킴으로써 연마패드 표면에 무방향성 및 불균일한 표면거칠기를 형성할 수 있다. 즉, 도 1의 (b)에 예시한 바와 같이, 플레이튼 및 밀링커터가 각각의 표면의 일 지점을 기준으로 동시에 회전운동함으로써 무방향성 및 불균일성을 갖는 표면거칠기를 형성할 수 있다. 나아가, 상기 플레이튼과 밀링커터 중 어느 하나가 회전운동과 함께 직선운동을 동시에 하여도 좋다.

본 발명의 방법에 따라 연마패드 표면에 표면거칠기를 부여하면, 통상의 브레이크-인 공정이나, 연마패드 사용 중의 컨디셔닝 공정에 의해 얻어지는 연마패드 표면에 형성되는 표면거칠기, 즉, 도 5와 같은 컨디셔닝 후의 연마패드의 표면 거칠기와 유사한 표면거칠기를 갖는 연마패드, 즉, 도 7과 같은 표면거칠기를 갖는 연마패드를 얻을 수 있다. 이와 같은 본 발명의 연마패드를 사용하는 경우에는 브레이크-인 시간을 현저하게 단축시킬 수 있으며, 단시간의 브레이크-인으로도 연마 전 또는 연마 중의 최적의 연마패드 표면상태를 얻을 수 있다.

도 1의 (a)에 도시한 바와 같이 플레이튼이 고정되고, 밀링커터만이 회전운동하면서 직선운동하는 종래와 같은 밀링머신을 사용하여 연마패드 표면에 표면거칠기를 부여하는 경우에는, 도 3에 나타낸 SEM 사진과 같이, 밀링커터가 이동한 방향과 동일한 방향으로의 일정한 방향성을 갖는 표면거칠기가 얻어진다. 따라서, 종래의 방법으로 제조된 연마패드를 사용하여 웨이퍼를 연마하는 경우에는 연마 시작 전에 장시간의 브레이크-인 공정을 거쳐야 하며, 충분한 브레이크-인을 거치지 않으면, 연마초기에 패드 표면에 스크래치 등의 결함이 발생하게 된다.

본 발명의 밀링머신에 있어서, 플레이튼과 밀링커터의 회전방향은 특별히 한정하지 않으며, 회전방향이 동일하여도 좋으며, 상이하여도 좋다. 다만, 플레이튼과 밀링머신의 회전속도는 상이한 것이 바람직하며, 나아가서는, 밀링머신의 회전 속도가 플레이튼의 회전속도보다 큰 것이 바람직하다. 이와 같이 플레이튼과 밀링머신의 회전속도가 상이하게 회전하는 경우에 연마패드 표면에 불균일하고, 상하좌우의 방향성이 없는 무방향성의 표면거칠기를 부여하기에 보다 적합하다. 구체적으로는, 밀링커터의 회전속도 RPM과 플레이튼의 회전속도 RPM의 비, 즉, 밀링커터 RPM/플레이튼 RPM의 값이 10~1000의 값을 갖는 것이 바람직하며, 50 내지 500의 값을 갖는 것이 보다 바람직하며, 50 내지 200의 값을 갖는 것이 가장 바람직하다.

본 발명에 의해 형성된 연마패드는 그 표면에 특정 방향으로의 방향성을 갖지 않으며, 특정 방향에 대하여 표면 거칠기를 측정하는 경우 도 6과 같은 불균일한 표면거칠기가 얻어진다.

본 발명에 의해 얻어지는 연마패드의 표면조도는 밀링커터와 플레이튼의 회전속도, 커터 사이즈 등의 조건에 따라 조절될 수 있는 것이지만, 연마패드 표면의 평균표면조도 Ra는 웨이퍼 연마 중 컨디셔닝된 패드의 표면조도 범위인 0.5~5.0㎛를 갖도록 조절하는 것이 바람직하며, 나아가, 연마패드에 따라 상이할 수 있으나, 하나의 연마패드에 대하여, 일정한 지점에서 소정 방향으로 평균 표면조도를 측정하는 경우, X축 방향으로의 평균표면조도 값(Rax)과 Y축 방향으로 측정한 평균 표면조도 값(Ray)의 차이가 크지 않은 것이 바람직하며, 구체적으로는 Rax와 Ray의 값이 다음과 같은 식 (1) 및 (2)를 만족하는 것이 바람직하다.

0.7Ray < Rax < 1.3Ray (1)

0.7Rax < Ray < 1.3Rax (2)

상기 범위를 벗어나는 경우에는 종래의 방향성을 띄는 연마패드를 사용하는 경우와 마찬가지로 연마초기의 웨이퍼의 스크래치와 같은 결함을 줄이기 위해서 웨이퍼의 연마개시 전에 보다 장기간의 브레이크-인 타임이 요구되는 등 X 또는 Y의 일정한 방향으로의 방향성을 띄는 것으로 볼 수 있다.

이와 같은 본 발명의 방법에 의해 연마패드에 무방향성으로 랜덤하게 배열되고, 높이가 불일정한 표면거칠기를 형성함으로써, 웨이퍼의 연마 개시 전의 브레이크-인 타임을 줄이고, 연마초기의 웨이퍼의 스크래치와 같은 결함을 줄일 수 있다.

실시예

이하, 본 발명을 실시예를 들어 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 하기 실시예로 한정되는 것이 아니다.

제조예 1

용기에 폴리에테르 폴리올(관능기 2, Mw=1000) 200g을 투입한 후, 메틸렌 디페닐 이소시아네이트(MDI) 102.4g을 투입하였다. 이들이 혼합된 반응조의 온도를 80℃로 승온하여 3시간 교반하면서 반응시켜 양 말단이 이소시아네이트로 이루어진 프리폴리머(주제)를 제조하였다. 용기에 4,4'-메틸렌비스(o-클로로아닐린) 300g을 투입하고, 130℃에서 3시간 동안 가열 및 탈포공정을 진행하여 경화제를 제조하였다. 상기에서 제조된 주제와 경화제를 우레탄 반응 당량 1:1로 80℃에서 고속 믹서를 이용하여 혼합한 후, 25인치 원형 오픈 몰드에 부어 경화하여 우레탄 케이크를 제조하였다. 제조된 우레탄 케이크를 숙성하기 위해 80℃에서 24시간 동안 방치함으로써 완전히 반응시켜 폴리우레탄을 얻었다. 얻어진 폴리우레탄의 밀도는 1.15g/㎤, 경도는 Shore D로 69D이었다.

비교예 1

상기 제조예 1에서 얻어진 폴리우레탄 덩어리를 20인치로 커팅, 슬라이싱한 후, 레이저를 이용하여 그 표면에 격자형태의 그루브(폭은 400㎛, 핏치는 0.5인치) 및 홀(사이즈 175㎛, 깊이 600㎛, 핏치 250㎛)을 가공하여 연마패드를 제조하였다.

상기 제조된 연마패드를 고정된 플레이튼 상에 진공흡착하고, 직선운동하는 플레이튼과 회전운동하는 밀링커터를 보유한 통상의 밀링머신을 이용하여 연마패드 표면을 가공하였다. 이때 플레이튼은 직선운동을 하며, 밀링커터(천연 다이아몬드 재질의 커터)는 5000RPM으로 회전하였다.

미쓰토요(Mitutoyo) SJ-301 2차원 조도측정기를 이용하여 상기 표면 가공된 연마패드에 대하여 표면 거칠기를 측정하였다. 이때의 표면 조도 Ra는 1.6~2.5 사이의 값을 나타내었으며, 그 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2는 패드 표면의 거칠기를 X축과 Y축으로 측정하여 그래프로 나타낸 것으로서, 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 연마패드의 X축 방향으로의 표면거칠기 및 Y축 방향으로의 표면 거칠기가 차이가 있으며, 그 형태에 있어서는 일정한 규칙성을 띄고 있음을 알 수 있다.

또한, 얻어진 연마패드 표면의 주사형 전자현미경(SEM) 사진을 도 3에 나타내었다. 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 연마패드 표면에 형성된 표면거칠기는 일정한 방향성을 나타내고 있음을 알 수 있다.

나아가, 연마패드 표면의 임의의 3점에서 측정한 평균표면조도를 측정하였다. 측정 위치는 임의로 선정하였으며, 각 지점으로부터 약 12mm까지에 대한 평균표면조도를 측정한 값으로서, 다음 표 1에 나타내었다.

실시예 1

제조예 1에서 얻어진 비교예 1과 동일한 방법으로 우레탄 케이크를 제조하였다.

상기 제조된 폴리우레탄 덩어리를 20인치로 커팅, 슬라이싱한 후, 레이저를 이용하여 그 표면에 격자형태의 그루브(폭은 400㎛, 핏치는 0.5인치) 및 홀(사이즈 175㎛, 깊이 600㎛, 핏치 250㎛)을 가공하여 연마패드를 제조하였다.

상기 제조된 연마패드를 회전가능한 플레이튼 상에 진공흡착하고, 회전운동하는 페이스 커터(천연 다이아몬드 재질의 커터)를 보유한 밀링머신(페이스 밀링머신)을 이용하여 연마표면을 가공하였다. 이때 상기 플레이튼은 10RPM으로 회전하고, 페이스커터는 5000RPM으로 회전하였다.

미쓰토요 SJ-301 2차원 조도측정기를 이용하여 얻어진 연마패드에 대한 표면 거칠기를 측정하였다. 이때의 표면조도 Ra는 1.6~2.5㎛ 값을 나타내었고, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4는 패드 표면의 거칠기를 X축과 Y축으로 측정하여 그래프로 나타낸 것으로서, 도 4에서 보듯이 연마패드의 X축 방향으로 측정한 표면거칠기와 Y축 방향으로 측정한 표면 거칠기가 차이가 없으며, 그 형태에 있어서는 불일정한 표면 거칠기를 나타내고 있음을 알 수 있다.

또한, 얻어진 연마패드 표면의 주사형 전자현미경(SEM) 사진을 도 5에 나타내었다. 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 연마패드 표면에 형성된 표면거칠기는 특정 방향에 대한 방향성을 갖지 않음을 알 수 있다.

나아가, 연마패드 표면의 임의의 3점에서 측정한 평균표면조도를 측정하였 다. 측정 위치는 임의로 선정하였으며, 각 지점으로부터 약 12mm까지에 대한 평균표면조도를 측정한 값으로서, 다음 표 1에 나타내었다.

패드 표면에 형성된 표면 거칠기의 비교

비교예 1과 실시예 1에서 제조된 연마패드의 표면 거칠기를 비교해 보면, 종래의 장치를 사용한 경우의 패드 표면 거칠기는 밀링머신의 이동방향에 따른 커터 흔적이 연마패드 표면에 남아, X축 및 Y축 방향으로의 거칠기가 서로 상이하며, 거칠기 자체도 일정한 형태가 반복되어 있었다. 이는 기본적으로 밀링장치에서 플레이튼은 직선운동을 하고, 커터는 고속 회전운동을 하거나, 플레이튼은 정지해 있고 커터는 고속회전운동과 직선운동을 하게 되는 것에 기인한다.

그러나, 실시예 1에 따른 연마패드의 경우에는 X축 및 Y축 방향에 따른 특정 방향으로의 방향성을 나타내지 않으며, 불규칙하게 형성되어 있었다.

제조예 2

용기에 폴리에테르계 프리폴리머(유니로얄사 제조, 아디프렌 L-325; 이소시아네이트기 농도 2.2meg/g) 500중량부와 익스판셀 551DE(염화비닐리덴과 아크릴로니트릴의 공중합체로 이루어진 미소 중공형체) 13g을 혼합하여, 감압 탈포하였다. 이어서 교반하면서, 미리 120℃에서 용융시켜 놓은 4,4'-메틸렌비스(o-클로로아닐린)145g을 첨가하여 혼합액을 얻었다. 이 혼합액을 약 1분간 교반한 후, 원형의 오픈 몰드에 넣어 100℃ 오븐에서 6시간 숙성하여 폴리우레탄 미세발포체 블록(셀 직경 40㎛)을 얻었다. 얻어진 폴리우레탄 미세발포체 블록의 밀도는 0.75g/㎤이고, 경도는 Shore D로 69D이었다.

비교예 2

상기 제조예 2에서 얻어진 마이크로 홀을 형성되지 않은 연마패드를 고정된 플레이튼 상에 진공흡착하고, 직선운동하는 플레이튼과 회전운동하는 밀링커터를 보유한 통상의 밀링기기를 이용하여 연마패드 표면을 가공하였다. 이때 플레이튼은 직선운동을 하며, 밀링커터(천연다이아몬드 재질의 커터)는 5000RPM으로 회전하였다. 미쓰토요 SJ-301 2차원 조도측정기를 이용하여 얻어진 연마패드에 대한 표면 거칠기를 측정하였다. 이때의 표면 조도 Ra는 1.6~2.5㎛의 값을 나타내었으며, 도 2와 유사하게 표면거칠기의 진폭이 X축 방향 및 Y축 방향에 따라 차이가 있으며, 그 형태에 있어서는 방향에 따라 일정한 규칙성을 띄고 있었다. 또한, 얻어진 연마패드 표면 역시 도 3과 유사하게 일정한 방향성을 띄고 있었다.

실시예 2

상기 제조예 2에서 얻어진 마이크로 홀을 형성되지 않은 연마패드를 회전가능한 플레이튼 상에 진공흡착하고, 회전운동하는 페이스 커터를 이용하여 표면을 가공하였다. 이때 플레이튼은 10RPM으로 회전하며, 페이스 커터(천연 다이아몬드 재질의 커터)는 5000RPM으로 회전하였다. 미쓰토요 SJ-301 2차원 조도측정기를 이용하여 얻어진 연마패드에 대한 표면 거칠기를 측정하였다. 이때의 표면조도 Ra는 1.6~2.5㎛의 값을 나타내었고, 그 형태는 도 4와 유사하게 X축 방향 및 Y축 방향에 따른 연마패드의 표면거칠기의 차이가 없으며, 요철의 높이가 불일정하였다. 나아가, 얻어진 연마패드 표면은 도 5와 유사하게 특정 방향에 대한 방향성을 나타내지 않았다.

	#1		#2		#3
	Rax	Ray	Rax	Ray	Rax	Ray
비교예 1	1.4	1.8	1.6	1.1	1.3	1.8
실시예 1	2.1	2.3	1.8	1.9	2	2.3
비교예 2	1.5	2	1.3	1.9	1.2	2
실시예 2	2	1.8	2.1	1.9	2	1.9

상기 표 1에 기재된 측정 결과를 식 (1) 및 (2)에 적용하면 실시예 1 및 2의 경우에는 상기 식의 조건을 만족하나, 비교예 1 및 2의 경우에는 상기 식을 만족하지 않는 경우를 포함함을 알 수 있다.

연마패드 성능 테스트

상기 비교예 1, 2 및 실시예 1, 2에서 얻어진 연마패드의 하층에 양면 테이프를 이용하여 완충패드를 접착하여 각각 CMP패드를 제조하였다. 제조된 CMP 패드의 웨이퍼 연마성능을 테스트하였다.

제조된 패드의 화학 기계적 연마(CMP)공정에 적용하는 연마조건으로는, CMP 연마기로서 MIRRA(Applied Materials사 제조)를 이용하였으며, 슬러리로서, 실리카 슬러리(제일모직 제조, 스타플래너(Starplanar-4000))를 사용하였으며, 유량은 200㎖/분, 연마 하중은 7psi, 연마패드 회전수 46rpm, 웨이퍼 회전수 38rpm으로 실시하였다. 상기와 같은 조건 하에서 연마된 웨이퍼의 면내 균일성, 평균 연마속도, 스크래치 등의 결함 수량을 다음과 같은 방법으로 측정하였다.

평균 연마속도

8인치 실리콘 웨이퍼에 열산화막이 1㎛(10000A) 도포된 것을 이용하여 상기 연마조건으로 연마하여 1분간 연마했을 때의 평균 연마속도를 측정하였다. 그 결과를 하기 표 2에 표시하였다.

면내 균일성

8인치 실리콘 웨이퍼의 열산화막이 1㎛(10000A) 도포된 것을 이용하여 상기 연마조건으로 1분 연마한 후, 98군데의 웨이퍼의 면내 막 두께를 측정한 후, 다음 식으로 면내 균일성을 측정하였다. 그 결과를 하기 표 2에 표시하였다.

면내 균일성(%)=(최대 막 두께-최소 막 두께)/2×평균 막 두께)×100

결함 수량

8인치 실리콘 웨이퍼에 열산화막이 1㎛(10000Å) 도포된 것을 이용하여 상기 실시예 1의 연마조건으로 1분 동안 연마한 후, 웨이퍼를 세정 건조하여 KLA(케이엘에이 텐콜사 제조, KLA2112)로 웨이퍼 1장에 생기는 마이크로 결함을 측정하였다. 결과를 표 2 및 도 6에 나타내었다.

결함은 값이 작을수록 우수하며, 상업적으로 사용 가능한 결함 수치는 통상 500개를 넘지 않아야 한다.

	경도 (Shore D)	밀도 (g/㎤)	Break-in 타임(min)	면내 균일성 (%)	평균연마속도 (A/min)	결함 수 (개/웨이퍼)
비교예 1	65D	1.145	1	3.5% 이하	2500	900
			5	3.5% 이하	2450	600
			15	3.5% 이하	2400	400
			30	3.5% 이하	2450	130
실시예 1	65D	1.145	1	3.5% 이하	2500	600
			5	3.5% 이하	2450	200
			15	3.5% 이하	2400	160
			30	3.5% 이하	2450	150
비교예 2	55D	0.75	1	5.0% 이하	2600	950
			5	5.0% 이하	2550	500
			15	5.0% 이하	2600	170
			30	5.0% 이하	2650	160
실시예 2	55D	0.75	1	5.5% 이하	2600	800
			5	5.0% 이하	2600	180
			15	5.0% 이하	2600	170
			30	5.0% 이하	2650	160

상기 표 2 및 도 8에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1 및 2에서 얻어진 연마패드는 5분의 브레이크-인 공정을 행함으로써 웨이퍼당 결함수가 200개 및 180개 형성됨에 비해, 비교예 1 및 2에서 얻어진 연마패드의 경우에는 15분 이상 행하여야 상기 실시예 1 및 2와 유사한 결함수를 가짐 알 수 있다.

따라서, 본 발명의 연마패드를 사용하는 경우에는 종래와 동등한 수준의 면내 균일성을 확보하는 데에는 종래보다 짧은 브레이크-인 공정 시간이 필요하여, 종래보다 짧은 시간의 브레이크-인 공정에 의해서도 종래의 연마패드를 사용하는 경우에 비하여 연마 초기의 결함수를 현저하게 감소시킬 수 있음을 알 수 있다.

따라서, 본 발명에 의해 제조된 연마패드를 사용하여 웨이퍼를 연마하면 웨이퍼의 품질을 유지하면서도 연마 개시시 요구되는 브레이크-인 타임을 감소시켜 웨이퍼의 생산성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.

도 1은 연마패드 표면에 표면거칠기를 부여하는 장치의 구동을 개략적으로 도시한 것으로서, (a)는 직선 운동하는 플레이튼에 대하여 밀링커터가 회전운동을 하는 종래의 밀링머신을 사용하는 연마패드 제조장치의 구동예를 개략적으로 도시한 도면이고, (b)는 플레이튼과 밀링커터가 동시에 회전운동하는 본 발명에 따른 밀링머신을 사용하는 연마패드 제조 장치의 구동예를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2는 도 1 (a)와 같은 종래의 밀링머신을 사용하여 제조된 비교예 1의 연마패드의 표면 거칠기 및 진폭을 연마패드의 X축 및 Y축 방향으로 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 3은 도 2의 연마패드 표면에 대한 SEM 사진이다.

도 4은 상기 도 2의 연마패드를 사용한 연마공정 중에 패드 표면을 컨디셔닝한 연마패드의 표면 거칠기 및 진폭을 연마패드의 X축 및 Y축 방향에 대하여 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 5는 도 4의 연마패드 표면에 대한 SEM 사진이다.

도 6는 도 1 (b)와 같은 본 발명에 따른 밀링머신을 사용하여 제조된 실시예 1의 연마패드의 표면 거칠기 및 진폭을 연마패드의 X축 및 Y축 방향으로 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 7은 도 6의 연마패드 표면에 대한 SEM 사진이다.

도 8는 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2에 의해 제조된 연마패드를 사용하여 웨이퍼를 연마함에 있어서, 그 연마 전 브레이크-인 타임에 따른 웨이퍼 표면의 스크 래치 등의 결함 수를 나타낸 그래프이다.

도 9는 본 발명의 연마패드 제조장치에 있어서, 플레이튼과 밀링커터의 일례를 과장하여 개략적으로 나타낸 도면이다.

Claims

회전 가능한 플레이튼 상에 연마패드를 부착하고, 상기 연마패드 표면에 회전가능한 밀링커터를 접촉한 후, 상기 플레이튼 및 밀링커터를 동시에 회전시키되, 상기 플레이튼과 밀링커터를 상이한 속도로 회전시켜 연마패드 표면에 무방향성이고, 불균일한 표면거칠기를 형성하는, 연마패드 제조방법.
삭제
제 1항에 있어서, 상기 밀링커터의 회전속도가 상기 플레이튼의 회전속도보다 큰 것인 연마패드 제조방법.
제 3항에 있어서, 상기 밀링커터의 회전속도 RPM과 플레이튼의 회전속도 RPM의 비, 밀링커터 RPM/플레이튼 RPM이 10~1000인 연마패드 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 밀링커터가 페이스 커터인 연마패드 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 밀링커터는 고속도강(HSS, High speed steel), 초경공구강, 공업용 다이아몬드(PCD, Polycrystalline diamond), 증착 다이아몬드(CVD, Chemical vapor deposition of diamond) 또는 천연 다이아몬드(natural diamond)로 제조된 것인 연마패드 제조방법.
무방향성으로 랜덤하게 배열되고, 높이가 불일정한 침상형 요철의 표면거칠기를 갖는 연마패드.
제 7항에 있어서, 상기 연마패드의 평균표면조도(Ra)는 0.5 내지 5.0㎛이고, 연마패드 표면의 일 지점에서 측정한 X축 방향으로의 평균표면조도(Rax) 및 Y축 방향으로의 평균표면조도(Ray)가 다음 식을 만족하는 연마패드.

0.7Ray<Rax<1.3Ray

0.7Rax<Ray<1.3Rax
표면에 연마패드를 고정지지하며 회전운동하는 플레이튼, 및 상기 연마패드와 대면하는 면에 커터가 장착되어 회전운동하는 밀링커터를 포함하되, 상기 플레이튼과 밀링커터가 동시에 회전하여 상기 연마패드 표면에 표면거칠기를 부여하는 연마패드 제조장치.
제 9항에 있어서, 상기 플레이튼과 밀링커터가 서로 상이한 속도로 회전하는 것인 연마패드 제조장치.
제 9항에 있어서, 상기 밀링커터의 회전속도가 상기 플레이튼의 회전속도보다 큰 것인 연마패드 제조장치.
제 11항에 있어서, 상기 밀링커터의 회전속도 RPM과 플레이튼의 회전속도 RPM의 비, 밀링커터 RPM/플레이튼 RPM이 10~1000인 연마패드 제조장치.
제 9항에 있어서, 상기 밀링커터는 페이스 커터인 연마패드 제조장치.
제 9항에 있어서, 상기 밀링커터는 고속도강(HSS, High speed steel), 초경공구강, 공업용 다이아몬드(PCD, Polycrystalline diamond), 증착 다이아몬드(CVD, Chemical vapor deposition of diamond) 또는 천연 다이아몬드(natural diamond)로 제조된 것인 연마패드 제조장치.