KR101281982B1 - Ｃｍｐ용 다층 연마 패드 재료 - Google Patents

Ｃｍｐ용 다층 연마 패드 재료 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저부층 (14)이 실질적으로 연마층 (12)과 동일 공간에 걸쳐있고, 연마층 (12)이 접착제를 사용하지 않고 저부층 (14)에 연결되고, 연마층 (12)이 저부층의 평균 표면 조도 (Ra)보다 큰 평균 표면 조도를 가지는, 연마층 (12) 및 저부층 (14)을 포함하는 화학 기계적 연마용 다층 연마 패드에 관한 것이다.
화학 기계적 연마, 다층 연마 패드, 다층 연마 패드 재료

Description

ＣＭＰ용 다층 연마 패드 재료{MULTI-LAYER POLISHING PAD MATERIAL FOR CMP}
본 발명은 화학 기계적 연마에 사용되는 다층 연마 패드 재료에 관한 것이다.
화학 기계적 연마(chemical-mechanical polishing; "CMP") 공정은 반도체 웨이퍼, 전계 방출 디스플레이, 및 많은 다른 마이크로전자 기판 상에 편평한 표면을 형성하는 마이크로전자 소자 제조에 사용된다. 예를 들면, 일반적으로 반도체 소자의 제조는 다양한 공정층(process layer)의 형성, 이러한 층의 일부의 선택적인 제거 또는 패턴화, 및 반도체 웨이퍼를 형성하기 위한 반도체 기판의 표면 위에 추가적인 공정층의 침착을 포함한다. 공정층은 예로써, 절연층, 게이트 산화물층, 도전층, 및 금속 또는 유리층 등을 포함할 수 있다. 일반적으로, 웨이퍼 공정의 특정한 단계에서 공정층의 최상부 표면이 후속 층의 침착을 위해 평면인, 즉 편평한 것이 바람직하다. CMP는 공정층을 평면화시키는 데 사용되며, 여기서, 침착된 물질, 예를 들면 도전성 또는 절연 물질을 후속 공정 단계를 위해 연마한다.
전형적 CMP 공정에서, CMP 공구(tool)의 캐리어 상에 웨이퍼를 뒤집어 장착한다. 일정한 힘으로 캐리어 및 웨이퍼를 연마 패드를 향해 하향으로 민다. 캐리 어 및 웨이퍼는 CMP 공구의 연마 테이블 상의 회전 연마 패드 위에서 회전한다. 일반적으로, 연마 조성물(또한, 연마 슬러리로도 불림)은 연마 공정 동안 회전 웨이퍼와 회전 연마 패드 사이에 도입된다. 전형적으로, 연마 조성물은 최상부 웨이퍼 층(들)의 일부와 상호작용하거나 이들을 용해시키는 화학 물질, 및 상기 층(들)의 일부를 물리적으로 제거하는 연삭 물질을 함유한다. 웨이퍼 및 연마 패드는 동일한 방향 또는 반대 방향으로 회전할 수 있고, 어느 쪽이든 수행되는 특정 연마 공정에 바람직하다. 또한, 캐리어는 연마 테이블 상의 연마 패드를 가로질러 진동할 수 있다. CMP 연마 패드는 종종 2 개 이상의 층, 예를 들면 연마층 및 저부(예를 들면, 하위패드(subpad))층을 포함하며, 이들은 접착제, 예를 들면 고온 용융 접착제 또는 감압 접착제를 사용함으로써 함께 연결된다. 이러한 다층 연마 패드는 예를 들면, 미국 특허 5,257,478에 개시되어 있다.
작업편(workpiece)의 표면 연마시, 종종 연마 공정을 현장에서(in situ) 모니터링하는 것이 유리하다. 연마 공정을 현장에서 모니터링하는 한 방법은 연마 공정 동안 광선이 통과하여 작업편 표면을 검사할 수 있게 하는 입구를 제공하는 "창(window)"을 갖는 연마 패드를 사용하는 것을 포함한다. 창을 갖는 이러한 연마 패드는 당업계에 공지되어 있고, 작업편, 예를 들면 반도체 소자를 연마하는 데 사용되었다. 예를 들면, 미국 특허 5,893,796은 연마 패드의 일부를 제거하여 천공을 제공하고, 천공에 투명한 폴리우레탄 또는 수정 플러그를 배치하여 투명한 창을 제공하는 것을 개시하고 있다. 유사하게, 미국 특허 5,605,760은 막대 또는 플러그로서 주조되는 균일한 속이 찬 중합체 물질로 형성된 투명한 창을 갖는 연마 패 드를 제공한다. 투명한 플러그 또는 창은 전형적으로 연마 패드를 형성하는 동안(예를 들면, 패드를 성형하는 동안) 연마 패드에 일체로 결합되거나 또는 접착제의 사용을 통해 연마 패드의 천공에 부착된다.
연마 패드 층을 함께 연결하거나 연마 패드 내에 창을 부착하기 위해서 접착제에 의존하는 선행 기술의 연마 패드는 많은 단점을 갖는다. 예를 들면, 접착제는 종종 이와 관련된 심한 연무를 갖고, 전형적으로 24 시간 이상의 경화를 필요로 한다. 또한, 접착제는 연마 조성물의 성분들로부터 화학적 공격을 받기 쉽기 때문에, 패드 층을 연결하거나 또는 창을 패드에 부착시키는 데 사용되는 접착제의 종류는 사용될 연마 시스템의 종류를 기준으로 선택해야 한다. 또한, 패드 층 또는 창의 연마 패드에 대한 결합은 때때로 불완전하거나 시간이 경과됨에 따라 저하된다. 이는 패드 층의 층간 박리 및 휨(buckling) 및(또는) 패드와 창 사이에 연마 조성물의 누출을 일으킬 수 있다. 일부 경우, 시간이 경과함에 따라 연마 패드로부터 창이 제거될 수 있다. 일체로 성형된 연마 패드 창을 형성하는 방법은 이러한 문제점들 중 적어도 일부를 피하는 데 성공적일 수 있으나, 종종 비용이 많이 들고, 사용될 수 있는 패드 재료의 유형 및 제조될 수 있는 패드 구조의 유형이 제한적이다.
따라서, 접착제의 사용에 의존하지 않으면서 효과적이고 저렴한 방법을 사용하여 제조될 수 있는 반투명 영역(예를 들면, 창)을 포함하는 효과적인 다층 연마 패드 및 연마 패드가 필요하다. 본 발명은 이러한 연마 패드, 뿐만 아니라 그들의 사용 방법을 제공한다. 본 발명의 이러한 이점 및 다른 이점들, 뿐만 아니라 추가 적인 발명의 특징은 본 명세서에 제공된 발명의 설명으로부터 명확히 이해될 것이다.
<발명의 개요>
본 발명은 화학 기계적 연마용 다층 연마 패드를 제공한다. 연마 패드는 실질적으로 동일 공간에 걸쳐 있고 접착제를 사용하지 않고 함께 연결된 다공성 연마층 및 다공성 저부층을 포함한다. 연마층은 저부층의 평균 표면 조도 (Ra)보다 큰 평균 표면 조도를 가진다. 또한, 본 발명은 실질적으로 동일 공간에 걸쳐 있고 접착제를 사용하지 않고 함께 연결되는 2 개 이상의 층을 포함하는 다층 광 투과 영역을 포함하는 연마 패드를 제공한다.
또한, 본 발명은 작업편을 연마하는 화학 기계적 연마 장치 및 방법을 제공한다. CMP 장치는 (a) 회전하는 플래튼(platen), (b) 본 발명의 연마 패드, 및 (c) 회전 연마 패드와 접촉함으로써 연마될 작업편을 고정하는 캐리어를 포함한다. 연마 방법은 (i) 본 발명의 연마 패드를 제공하는 단계, (ii) 작업편을 상기 연마 패드와 접촉시키는 단계, 및 (iii) 작업편에 대해 연마 패드를 운동시켜 작업편을 연삭함으로써 작업편을 연마하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명은 본 발명의 연마 패드의 제조 방법을 추가로 제공한다. 제1 방법은 (i) 초임계 기체의 존재 하에서 지정된 시간 동안 중합체 시트를 승압 하에 두는 단계, (ii) 상기 중합체 시트에서 초임계 기체를 부분적으로 탈착(desorb)하는 단계, 및 (iii) 상기 부분적으로 탈착된 중합체 시트를 중합체 시트의 유리 전이 온도를 초과하는 온도 하에 둠으로써 발포하는 단계를 포함한다. 제2 방법은 (i) 초임계 기체의 존재 하에서 지정된 시간 동안 제1 면 및 제2 면을 갖는 중합체 시트를 승압 하에 두는 단계, (ii) 중합체 시트의 제1 면을 중합체 시트의 유리 전이 온도를 초과하는 제1 온도 하에 두는 단계, (iii) 중합체 시트의 제2 면을 제1 온도 미만의 제2 온도 하에 두는 단계, 및 (iv) 중합체 시트를 발포하는 단계를 포함한다.
도 1은 접착제 층에 의해 연결된 연마층 및 저부층을 포함하는 선행 기술의 다층 연마 패드의 단면도를 도시한다.
도 2는 접착제를 사용하지 않고 함께 연결된 연마층 및 저부층을 포함하는 본 발명의 다층 연마 패드의 단면도를 도시한다.
도 3은 저부층이 광 투과성이고, 연마층의 일부가 광학적 검출 포트를 나타내도록 제거된 것인 연마층 및 저부층을 포함하는 본 발명의 다층 연마 패드의 단면도를 도시한다.
도 4는 접착제를 사용하지 않고 함께 연결된 연마층, 중간층 및 저부층을 포함하는 본 발명의 다층 연마 패드의 단면도를 도시한다.
도 5는 중간층이 광 투과성이고, 연마층 및 저부층의 일부가 광학적 검출 포트를 나타내도록 제거된 것인 연마층, 중간층 및 저부층을 포함하는 본 발명의 다층 연마 패드의 단면도를 도시한다.
도 6은 창 부위의 층이 접착제를 사용하지 않고 함께 연결되고, 창 부위가 연마 패드에 용접된 것인 다층 광 투과성 창 부위를 포함하는 연마 패드의 단면도 를 도시한다.
도 7은 속이 찬 폴리우레탄 시트의 CO2 포화 시간(분)에 대한 CO2 농도(mg/g)의 플롯이다.
도 8은 속이 찬 폴리우레탄 시트의 CO2 탈착 시간(분)에 대한 CO2 농도(mg/g)의 플롯이다.
도 9는 20 분 동안 CO2 탈착 후 93 ℃에서 발포함으로써 제조된 다층 연마 패드(샘플 A)의 SEM 화상이다.
도 10은 120 분 동안 CO2 탈착 후 93 ℃에서 발포함으로써 제조된 다층 연마 패드(샘플 B)의 SEM 화상이다.
도 11은 접착제를 사용하지 않고 함께 연결된 저다공도 층 및 고다공도 층을 나타내는, 공압출에 의해 제조된 다층 연마 패드의 SEM 화상이다.
본 발명은 접착제를 사용하지 않고 함께 연결된 2 개 이상의 층을 포함하는 다층 연마 패드 재료를 포함하는 연마 패드에 관한 것이다. 임의적으로, 연마 패드 재료는 접착제 없이 함께 연결된 3 개 이상(예를 들면, 4 개 이상, 6 개 이상, 또는 심지어 8 개 이상)의 층을 포함한다. 제1 실시태양에서, 다층 연마 패드 재료가 다층 연마 패드로 사용된다. 제2 실시태양에서, 다층 연마 패드 재료는 연마 패드 내의 광 투과 영역으로 사용된다.
연마 패드 재료의 층은 층간 접착제를 함유하지 않는다. 본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서, 용어 "접착제"는 당업계에 공지된 통상의 접착제 물질, 예를 들면 고온 용융 접착제, 감압 접착제, 아교 등을 지칭한다. 오히려, 연마 패드의 층은 각 층간 중합체 수지의 물리적 중첩, 산재(interspersement), 및(또는) 얽힘(intertwinement)에 의해 함께 기계적으로 상호결합, 상호연결 또는 연결된다. 바람직하게는, 층들은 실질적으로 동일 공간에 걸쳐 있다. 본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서, 연마 패드의 인접한 층간 공간과 관련하여 용어 "접착제를 포함하지 않음"이란 층간에 접착제를 사용하지 않고 층들이 기계적으로 상호결합, 상호연결 또는 연결되는 것을 의미한다.
이러한 다층 연마 패드 재료의 이점은 각 층이 상이한 물리적 또는 화학적 성질을 가질 수 있다는 점이다. 예를 들면, 일부 적용 분야에서는, 각 층이 동일한 중합체 조성을 가지지만 상이한 물리적 성질, 예를 들면 경도, 밀도, 다공도, 압축성, 강성, 인장 탄성율, 벌크 탄성율, 유변학적 성질, 크리프(creep), 유리 전이 온도, 용융 온도, 점도 또는 투명성을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 다른 적용 분야에서는, 연마 패드 층이 유사한 물리적 성질을 가지지만 상이한 화학적 성질(예를 들면, 상이한 화학적 조성)을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 물론, 연마 패드 층은 상이한 화학적 성질, 뿐만 아니라 상이한 물리적 성질을 가질 수 있다. 바람직하게는, 연마 패드 재료의 층은 하나 이상의 상이한 화학적 또는 물리적 성질을 가진다.
바람직하게는, 각 연마 패드 재료의 층은 중합체 수지를 포함한다. 중합체 수지는 임의의 적합한 중합체 수지일 수 있다. 전형적으로, 중합체 수지는 열가소성 엘라스토머, 열경화성 중합체, 폴리우레탄(예를 들면, 열가소성 폴리우레탄), 폴리올레핀(예를 들면, 열가소성 폴리올레핀), 폴리카르보네이트, 폴리비닐알코올, 나일론, 엘라스토머성 고무, 엘라스토머성 폴리에틸렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리이미드, 폴리아라미드, 폴리아릴렌, 폴리아크릴레이트, 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 그들의 공중합체 및 그들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된다. 바람직하게는, 중합체 수지는 열가소성 폴리우레탄이다.
층은 동일한 중합체 수지 또는 상이한 중합체 수지를 포함할 수 있다. 예를 들면, 한 층은 열가소성 폴리우레탄을 포함하고, 제2 층은 폴리에스테르, 폴리카르보네이트, 나일론, 폴리올레핀, 폴리비닐알코올, 폴리아크릴레이트 및 그들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 중합체 수지를 포함할 수 있다. 한 바람직한 연마 패드 재료는 가교된 폴리아크릴아미드 또는 폴리비닐 알코올(예를 들면, 가교된 또는 비-가교된)로부터 선택된 중합체 수지를 포함하는 층과 함께 열가소성 폴리우레탄 층을 포함한다. 또 다른 바람직한 연마 패드 재료는 가교된 아크릴아미드 또는 아크릴산으로부터 선택된 중합체 수지를 포함하는 층과 함께 폴리카르보네이트 층을 포함한다.
연마 패드 재료의 층은 친수성, 소수성 또는 그의 조합일 수 있다. 연마 패드 층의 친수성/소수성은 대개 층을 제조하는 데 사용된 중합체 수지의 유형에 의해 결정된다. 1 미터 당 34 밀리뉴톤(mN/m) 이상의 임계 표면 장력을 갖는 중합체 수지를 일반적으로 친수성으로 간주하며, 33 nM/m 이하의 임계 표면 장력을 갖는 중합체 수지를 일반적으로 소수성으로 간주한다. 일부 통상의 중합체 수지의 임계 표면 장력은 다음과 같다(값을 괄호 안에 표시함): 폴리테트라플루오로에틸렌(19), 폴리디메틸실록산(24), 실리콘 고무(24), 폴리부타디엔(31), 폴리에틸렌(31), 폴리스티렌(33), 폴리프로필렌(34), 폴리에스테르(39-42), 폴리아크릴아미드(35-40), 폴리비닐 알코올(37), 폴리메틸 메타크릴레이트(39), 폴리비닐 클로라이드(39), 폴리술폰(41), 나일론 6(42), 폴리우레탄(45), 및 폴리카르보네이트(45). 전형적으로, 하나 이상의 연마 패드 재료의 층은 친수성이다. 바람직하게는 2 개 이상의 층이 친수성이다.
연마 패드 재료의 층은 임의의 적합한 경도(예를 들면, 30-50 쇼어(Shore) A 또는 25-80 쇼어 D)를 가질 수 있다. 유사하게, 층은 임의의 적합한 밀도 및(또는) 다공도를 가질 수 있다. 예를 들면, 층들은 비다공성(예를 들면, 속이 찬), 거의 속이 찬(예를 들면, 10 % 미만의 공극(void) 부피를 가짐), 또는 다공성일 수 있고, 0.3 g/㎤ 이상(예를 들면, 0.5 g/㎤ 이상 또는 0.7 g/㎤ 이상) 또는 심지어 0.9 g/㎤ 이상의 밀도(예를 들면, 1.1 g/㎤, 또는 재료의 이론 밀도의 99 % 이하)를 가질 수 있다. 일부 적용 분야에서는, 연마 패드 재료의 한 층(예를 들면, 연마층)은 단단하고, 치밀하고(치밀하거나) 저 다공도를 갖는 한편, 다른 층(들)은 연성이고, 고 다공성이고(이거나) 저밀도를 갖는 것이 바람직할 수 있다.
연마 패드 재료의 층은 적합한 투명성(즉, 광선에 대한 투과성)을 가질 수 있다. 예를 들면, 한 층은 실질적으로 투명하고, 다른 층(들)은 실질적으로 불투명할 수 있다. 별법으로, 연마 패드 재료의 층 모두가 광 투과성일 수 있다. 3 개 이상의 층이 존재하는 경우, 중간층은 실질적으로 투명하고, 외부 층은 실질적으로 불투명할 수 있다. 연마 패드가 광학적 종점 검출 시스템과 함께 사용된 경우 광학적으로 투명한 것이 바람직하다. 연마 패드 층의 투명도는 적어도 부분적으로 (a) 선택된 중합체 수지의 유형, (b) 기공의 농도 및 크기, 및 (c) 임의의 포획(embedded) 입자의 농도 및 크기에 따라 좌우된다. 바람직하게는, 200 nm 내지 10,000 nm(예를 들면, 200 nm 내지 1000 nm)의 광선 중 하나 이상의 파장에서 광학적 투과율(즉, 패드 재료를 투과하는 광선의 총량)은 10 % 이상(예를 들면, 20 % 또는 30 %)이다.
다층 연마 패드 재료가 광 투과성인 경우, 임의적으로 연마 패드 재료가 특정 파장(들)의 광선을 선택적으로 투과시킬 수 있게 하는 염료를 추가로 포함한다. 염료는 광선 중 원치않는 파장(예를 들면, 바탕 광선(background light))을 여과하여 검출 신호 대 노이즈 비를 개선한다. 투명한 창은 임의의 적합한 염료 또는 염료의 조합을 포함할 수 있다. 적합한 염료는 폴리메틴 염료, 디- 및 트리-아릴메틴 염료, 디아릴메틴 염료의 아자 유사체, 아자(18) 아눌렌(annulene) 염료, 천연 염료, 니트로 염료, 니트로소 염료, 아조 염료, 안트라퀴논 염료, 황 염료 등을 포함한다. 바람직하게는, 염료의 투과 스펙트럼은 현장에서 종점 검출에 사용되는 광선의 파장과 매칭되거나 중첩된다. 예를 들면, 종점 검출(EPD) 시스템을 위한 광원이 633 nm의 파장을 갖는 가시 광선을 발생하는 HeNe 레이저인 경우, 633 nm의 파장을 갖는 광선을 투과할 수 있는 적색 염료가 바람직하다.
연마 패드 재료의 층은 임의의 적합한 두께를 가질 수 있다. 바람직하게는, 각 층은 다층 연마 패드 재료의 총 두께의 10 % 이상(예를 들면, 20 % 이상 또는 30 % 이상)인 두께를 갖는다. 각 층의 두께는 부분적으로 연마 패드 재료 층의 총 수에 따라 좌우된다. 또한, 연마 패드 재료 층 각각은 동일하거나 상이한 두께를 가질 수 있다. 바람직하게, 본 발명의 다층 연마 패드의 연마층 두께는 50 mil 내지 160 mil의 범위이다.
다층 연마 패드 재료는 다층 연마 패드로 사용될 수 있다다. 전형적 선행 기술의 다층 연마 패드(10)를 도 1에 도시하며, 여기서 연마층(12)은 그 사이의 접착제(16)에 의해 저부층(14)에 접착된다. 대조적으로, 본 발명의 다층 연마 패드는 예를 들면, 도 2-6에 도시된 바와 같이 접착제 없이 함께 연결되는 제1 층(예를 들면, 연마층) 및 제2 층(예를 들면, 저부층)을 포함한다. 특히, 도 2는 연마층(12) 및 저부층(14)을 포함하는 연마 패드(10)를 도시한다. 연마층 및 저부층은 동일한 중합체 수지(예를 들면, 폴리우레탄) 또는 상이한 중합체 수지(예를 들면, 폴리우레탄 및 폴리카르보네이트)를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 연마층은 저부층보다 높은 압축 탄성률을 갖는다. 예를 들면, 연마층은 속이 차거나 매우 낮은 다공도를 갖는 한편, 저부층은 매우 다공성(예를 들면, 발포된 중합체)일 수 있다.
본 발명의 다층 연마 패드가 현장 종점 검출 시스템과 함께 사용된 경우, 다층 연마 패드 중 하나 이상의 층이 200 nm 내지 10,000 nm(예를 들면, 200 nm 내지 1,000 nm, 또는 200 nm 내지 800 nm)의 하나 이상의 파장에서 10 % 이상(예를 들면, 20 % 이상 또는 30 % 이상)의 광선(예를 들면, 레이저 광선)에 대한 투과율을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 일부 경우, 연마층 및 저부층 양쪽 모두는 전체 연마 패드가 광선에 대해 적어도 부분적으로 투명하도록 광 투과성일 수 있다. 다른 경우에서, 연마층 및 저부층 중 오직 하나만이 실질적으로 불투명하고, 다른 층은 광 투과성일 수 있다. 예를 들면, 연마층은 실질적으로 불투명하고, 저부층은 광 투과성일 수 있다. 이러한 연마 패드를 현장 종점 검출 시스템과 사용하기 위해, 도 3에 도시한 바와 같이 연마층의 일부를 제거하여 연마층(12)에 실질적으로 광 투과성 저부층(14)의 영역(22)을 드러내는 천공(20)을 생성한다. 연마층 중의 천공에 의해 드러나는 저부층(14)의 광 투과 영역(22)은 "창"이 연마 공정 동안 연마 조성물에 의해 긁히는 것을 방지하기 위해 연마 표면(13)으로부터 우묵하게 들어간다. 광 투과성 연마층 및 실질적으로 불투명한 저부층의 경우, 저부층의 일부를 제거하여 저부층에 실질적으로 광 투과성 연마층의 영역을 드러내는 천공을 형성한다.
또한, 본 발명의 다층 연마 패드는 상기한 바와 같이, 연마층과 저부층 사이에 배치된 하나 이상의 중간층을 추가로 포함하는 연마 패드일 수 있다. 연마층(12), 저부층(14) 및 중간층(18)을 포함하는 연마 패드(10)를 도 4에 도시한다. 상기한 바와 같이, 연마 패드의 층은 임의의 적합한 화학적 및 물리적 성질(층간 동일하거나 상이할 수 있음)을 가질 수 있다. 일부 적용 분야의 경우, 각 층이 하나 이상의 상이한 화학적 성질 또는 물리적 성질을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 연마 패드는 미세다공성 폴리우레탄을 포함하는 연마층, 속이 찬 폴리우레탄을 포함하는 중간층, 및 연질 다공성 폴리우레탄을 포함하는 저부층을 포함할 수 있다. 별법으로, 연마층은 친수성 중합체를 포함하고, 중간층 및 저부층은 각각 소수성 중합체 및 친수성 중합체를 포함할 수 있다.
다른 적용 분야에서, 연마층 및 저부층이 동일한 화학적 및 물리적 성질을 갖고, 중간층이 하나 이상의 상이한 성질을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 중간층은 저 압축성을 갖고, 연마층 및 저부층은 고 압축성을 가질 수 있다. 별법으로, 중간층은 실질적으로 투명하고, 연마층 및 저부층은 실질적으로 불투명할 수 있다. 연마층(12)의 일부 및 저부층(14)의 일부를 제거하여 연마층(12) 중의 천공(20) 및 저부층 중의 천공(24)을 형성함으로써 이러한 연마 패드(10)를 현장 종점 검출 시스템으로 사용할 수 있다. 천공(20) 및 천공(24)이 정렬된 경우(즉, 서로의 상부에 배치됨), 실질적으로 광 투과성 중간층(18)의 영역(26)은 도 5에 도시한 바와 같이 드러난다. 이러한 연마 패드에서, 연마층 및 저부층의 천공에 의해 드러나는 중간층(18)의 광 투과 영역(26)은 "창"이 연마 공정 동안 연마 조성물에 의해 긁히는 것을 방지하기 위해 연마 표면(13)으로부터 우묵하게 들어간다.
본 발명의 다층 연마 패드는 임의의 적합한 치수를 가질 수 있다. 전형적으로, 다층 연마 패드는 30 mil 이상의 두께를 가지게 된다. 바람직하게는, 다층 연마 패드는 원형(회전 연마 공구에 사용됨)이나 루프형 선형 벨트(선형 연마 공구에 사용됨) 형상이다. 임의적으로, 다층 연마 패드의 연마층은 연마 패드의 표면을 가로질러 연마 조성물의 흐름을 촉진하는 홈, 구멍, 채널, 또는 다른 패턴들을 추가로 포함한다. 홈, 채널 등은 동심원, 나선, XY 망상선 패턴, 또는 임의의 다른 적합한 패턴의 형상일 수 있다.
임의적으로, 본 발명의 다층 연마 패드는 연마 패드(예를 들면, 연마층, 중간층, 및 저부층 중 하나 이상에서) 중의 절취된 천공 중에 삽입되는 하나 이상의 광 투과성 창을 추가로 포함한다. 바람직하게는, 존재하는 경우, 창은 접착제를 사용하는 것 이외의 수단에 의해 연마 패드에 보유된다. 예를 들면, 창은 용접 기술, 예를 들면 초음파 용접에 의해 연마 패드에 부착될 수 있다.
임의적으로, 본 발명의 다층 연마 패드는 임의의 적합한 포획 입자, 예를 들면 연삭제 입자, 수용성 입자, 물 흡수성 입자(예를 들면, 물 팽창성 입자) 등을 추가로 포함한다. 연삭제 입자는 금속 산화물 입자, 중합체 입자, 다이아몬드 입자, 탄화규소 입자 등을 비롯한 무기 입자 또는 유기 입자일 수 있다. 수용성 입자는 임의의 적합한 화학 기계적 연마제, 예를 들면 산화제, 착화제, 산, 염기, 분산제, 계면활성제 등일 수 있다. 물 흡수성 입자는 적합한 물 흡수성 중합체 입자일 수 있다.
본 발명의 다층 연마 패드에서, 연마층은 저부층의 평균 표면 조도 (Ra)보다 큰 평균 표면 조도를 가진다. 바람직하게, 연마층의 Ra는 25 ㎛ 초과이다. 저부층의 Ra는 바람직하게 20 ㎛ 미만이다. 바람직한 실시태양에서, 연마층의 Ra는 25 ㎛ 초과이고 저부층의 Ra는 20 ㎛ 미만이며, 더욱 바람직하게는, 연마층의 Ra는 30 ㎛ 초과이고 저부층의 Ra는 10 ㎛ 미만이다.
바람직하게, 주사 전자 현미경으로 측정했을 때 연마층은 104 셀/㎤ 초과의 기공 셀 밀도를 가지고, 저부층은 104 셀/㎤ 미만의 기공 셀 밀도를 가진다. 연마층 및 저부층은 바람직하게는 각각 15 내지 50 ㎛ 범위 내의 평균 셀 직경을 가지는 복수 개의 기공 셀을 포함한다. 연마층의 밀도는 바람직하게는 0.5 내지 1.05 g/㎤ 범위이고, 저부층의 밀도는 1 내지 1.2 g/㎤ 범위이다. 바람직하게, 전체 다층 연마 패드의 평균 밀도는 0.5 내지 1.2 g/㎤이다. 도 11은 층들이 접착제를 사용하지 않고 결합되어 있는 본 발명의 다층 연마 패드 (예를 들어, 이층)의 SEM 단면 화상을 나타낸다. 화상 상단의 층은 화상 하단의 층에 비하여 비교적 높은 평균 다공 밀도를 가진다.
본 발명의 다층 연마 패드의 바람직한 실시태양은 다공성 연마층 및 다공성 저부층을 포함한다. 저부층은 실질적으로 연마층과 동일 공간에 걸쳐 있고, 연마층 및 저부층은 각각 15 내지 50 ㎛ 범위 내의 평균 기공 직경을 가지는 복수 개의 기공 셀을 포함한다. 주사 전자 현미경으로 측정했을 때, 연마층은 104 셀/㎤ 초과의 기공 셀 밀도를 가지고, 저부층은 104 셀/㎤ 미만의 기공 셀 밀도를 가진다.
제2 실시태양에서, 다층 연마 패드 재료는 광선의 통과에 적어도 부분적으로 투명하고, 다른 불투명한 연마 패드에서 임의적인 광 투과 영역(예를 들면, 연마 패드 "창")로 사용된다. 이러한 연마 패드를 도 6에 도시하며, 여기서 광 투과 영역(32)은 제1 투과층(34) 및 제2 투과층(36)을 포함하고, 연마 패드(30)에 부착된다. 광 투과성 연마 패드 재료는 종점 검출 시스템과 함께 사용되는 경우, 연마 패드 재료가 200 nm 내지 10,000 nm(예를 들면, 200 nm 내지 1,000 nm, 또는 200 nm 내지 800 nm)의 하나 이상의 파장에서 10 % 이상(예를 들면, 20 % 이상, 또는 30 % 이상)의 광선(예를 들면, 레이저 광선)에 대한 투과율을 갖는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 광 투과성 연마 패드 재료는 200 nm 내지 35,000 nm(예를 들면, 200 nm 내지 10,000 nm, 또는 200 nm 내지 1,000 nm, 또는 심지어 200 nm 내지 800 nm) 범위의 하나 이상의 파장에서 40 % 이상(예를 들면, 50 % 이상, 또는 심지어 60 % 이상)의 광 투과율을 갖는다.
각 광 투과성 연마 패드 재료의 층이 어느 정도 광선 투과율을 가져야 하지만, 각 층에 의해 투과되는 광선의 양은 상이할 수 있다. 예를 들면, 연마 패드 재료의 제1 투과층(예를 들면, 연마층)은 미세다공성이거나 또는 포획 입자를 함유할 수 있기 때문에 광선의 통과에 대해 투과성이 적을 수 있고, 제2 투과층(예를 들면, 저부층)은 광선의 통과에 대해 투과성이 높은 비다공성의 속이 찬 시트일 수 있다. 별법으로, 제1 및 제2 투과층 양쪽 모두는 실질적으로 투과성이지만 상이한 중합체 조성을 가질 수 있다. 따라서, 다층 연마 패드 재료를 통해 투과되는 광선의 파장을 다층 연마 패드 재료의 각 층의 화학적 및 물리적 성질을 적합하게 선택함으로써 "조율할"수 있다. 광선 투과율은 사용되는 중합체 수지의 유형에 부분적으로 의존한다. 예를 들면, 제1 투과층(예를 들면, 연마층) 및 제2 투과층(예를 들면, 저부층)을 포함하는 연마 패드 재료에서, 제1 층은 특정한 범위의 광선의 파장에 대한 투과율을 갖는 제1 중합체 수지를 포함하고, 제2 층은 상이하지만 중첩되는 범위의 광선의 파장에 대한 투과율을 갖는 제2 중합체 수지를 포함할 수 있다. 따라서, 연마 패드 재료의 전체 투과율을 좁은 파장 범위로 조율할 수 있다.
제2 실시태양의 광 투과성 연마 패드 재료의 층은 임의의 적합한 치수(즉, 길이, 폭 및 두께) 및 임의의 적합한 형상(예를 들면, 원형, 타원형, 정사각형, 직사각형, 삼각형 등일 수 있음)을 가질 수 있다. 전형적으로, 층들은 서로 완전히 동일 공간에 걸쳐 있도록 실질적으로 동일한 길이 및 폭(예를 들면, 직경)을 갖는다. 연마 패드의 연마 표면과 동일 평면(즉, 공면)이 되거나 연마 패드의 연마 표면으로부터 우묵하게 들어가도록 광 투과성 연마 패드 재료를 연마 패드 내에 위치시킬 수 있다. 광 투과성 연마 패드 재료가 연마 패드의 연마 표면과 동일 평면에 있는 경우, 제1 투과층은 연마 패드의 연마 표면의 일부를 구성하게 된다.
제2 실시태양의 광 투과성 다층 연마 패드 재료는 임의의 적합한 두께를 가질 수 있고, 이 두께는 적어도 부분적으로 연마 패드 재료가 위치하는 연마 패드의 두께 및 연마 패드 재료의 상부 표면과 연마 패드의 연마 표면 사이에 요망되는 우묵한 정도에 따라 변한다. 전형적으로, 광 투과성 다층 연마 패드 재료는 1000 ㎛ 이상(예를 들면, 2000 ㎛ 이상, 또는 심지어 3000 ㎛ 이상)의 두께를 갖는 연마 패드(예를 들면, 적층된 연마 패드) 내에 위치하는 경우 10 ㎛ 이상(예를 들면, 50 ㎛ 이상, 100 ㎛ 이상, 200 ㎛ 이상, 또는 심지어 500 ㎛ 이상)의 총 두께(즉, 제1 투과층의 상부 표면으로부터 제2 투과층의 저부 표면까지)를 갖는다. 바람직하게는, 광 투과성 다층 연마 패드 재료는 1250 ㎛ 이상(예를 들면, 1600 ㎛ 이상)의 두께를 갖는 연마 패드의 경우 350 ㎛ 이상(예를 들면, 500 ㎛ 이상)의 두께를 갖는다. 광 투과성 다층 연마 패드 재료의 층 두께는 동일하거나 상이할 수 있다. 전형적으로, 광 투과성 다층 연마 패드 재료의 제1 층은 광 투과성 다층 연마 패드 재료의 총 두께의 10 % 이상(예를 들면, 20 % 이상, 또는 30 % 이상)인 두께를 갖는다. 유사하게, 광 투과성 다층 연마 패드 재료의 제2 층은 전형적으로 광 투과성 다층 연마 패드 재료의 총 두께의 10 % 이상(예를 들면, 20 % 이상, 또는 30 % 이상)인 두께를 갖는다.
제2 실시태양의 광 투과성 다층 연마 패드 재료가 위치되는 연마 패드는 임의의 적합한 중합체 수지를 포함할 수 있다. 예를 들면, 연마 패드는 전형적으로 열가소성 엘라스토머, 열가소성 폴리우레탄, 열가소성 폴리올레핀, 폴리카르보네이트, 폴리비닐알코올, 나일론, 엘라스토머성 고무, 엘라스토머성 폴리에틸렌, 그들의 공중합체 및 그들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 중합체 수지를 포함한다. 연마 패드는 소결, 사출 성형, 취입 성형, 압출 등을 비롯한 임의의 적합한 방법에 의해 제조될 수 있다. 연마 패드는 속이 차고 비다공성일 수 있거나, 미세다공성 폐쇄 셀을 함유할 수 있거나, 개방 셀을 함유할 수 있거나 그 위에 중합체가 성형된 섬유질 웹을 함유할 수 있다. 연마 패드는 전형적으로 불투명하거나 단지 부분적으로만 반투명하다.
제2 실시태양의 광 투과성 다층 연마 패드 재료를 포함하는 연마 패드는 임의적으로, 연마 패드의 표면을 가로질러 연마 조성물의 측방향 수송을 촉진하는 홈, 채널, 및(또는) 구멍을 추가로 포함하는 연마 표면을 갖는다. 이러한 홈, 채널 또는 구멍은 임의의 적합한 패턴일 수 있고, 임의의 적합한 깊이 및 폭을 가질 수 있다. 미국 특허 5,489,233에 기재된 바와 같이, 연마 패드는 2 개 이상의 상이한 홈 패턴, 예를 들면 대형 홈 및 소형 홈의 조합을 가질 수 있다. 홈은 경사진 홈, 중심이 같은 홈, 나선형 또는 원형 홈, XY 망상선 패턴의 형태일 수 있고, 연결성이 연속적 또는 비연속적일 수 있다. 바람직하게는, 연마 패드는 표준 패드 컨디셔닝 방법에 의해 제조된 적어도 소형의 홈을 포함한다.
제2 실시태양의 광 투과성 다층 연마 패드 재료를 포함하는 연마 패드는 광 투과성 다층 연마 패드 재료 이외에 하나 이상의 다른 특성 또는 성분을 포함할 수 있다. 예를 들면, 임의적으로 연마 패드는 상이한 밀도, 경도, 다공도 및 화학적 조성으로 된 영역을 포함할 수 있다. 임의적으로, 연마 패드는 연삭제 입자(예를 들면, 금속 산화물 입자), 중합체 입자, 수용성 입자, 물 흡수성 입자, 중공 입자 등을 비롯한 고체 입자를 포함할 수 있다.
본 발명의 연마 패드는 특히 화학 기계적 연마(CMP) 장치와 함께 사용하기 적합하다. 전형적으로, 상기 장치는 사용시 운동하여 궤도 운동, 선 운동 또는 원운동으로부터 발생하는 속도를 갖는 플래튼, 플래튼과 접촉하여 운동시 플래튼과 함께 운동하는 본 발명의 연마 패드, 및 연마 패드의 표면에 대해 접촉하여 운동함으로써 연마될 작업편을 고정하는 캐리어를 갖는다. 적어도 일부의 작업편을 연삭하여 작업편을 연마하기 위해, 작업편이 연마 패드와 접촉하고 이어서 연마 패드가 작업편에 대해, 전형적으로 그 사이에 연마 조성물과 함께 운동함으로써 작업편 연마가 수행된다. 전형적으로, 연마 조성물은 액체 담체(예를 들면, 수성 담체), pH 조절제, 및 임의적으로 연삭제를 포함한다. 연마되는 작업편의 유형에 따라, 연마 조성물은 임의적으로 산화제, 유기산, 착화제, pH 완충제, 계면활성제, 부식 억제제, 소포제 등을 추가로 포함할 수 있다. CMP 장치는 임의의 적합한 CMP 장치일 수 있으며, 이들 중 많은 것들이 당업계에 공지되어 있다. 또한, 본 발명의 연마 패드는 선형 연마 공구와 함께 사용될 수 있다.
바람직하게는, CMP 장치는 현장 연마 종점 검출 시스템을 추가로 포함하며, 이들 중 많은 것들이 당업계에 공지되어 있다. 작업편의 표면으로부터 반사되는 광선 또는 다른 방사선을 분석함으로써 연마 공정을 검사하고 모니터링하는 기술은 당업계에 공지되어 있다. 이러한 방법은 예를 들면, 미국 특허 5,196,353, 미국 특허 5,433,651, 미국 특허 5,609,511, 미국 특허 5,643,046, 미국 특허 5,658,183, 미국 특허 5,730,642, 미국 특허 5,838,447, 미국 특허 5,872,633, 미국 특허 5,893,796, 미국 특허 5,949,927 및 미국 특허 5,964,643에 기재되어 있다. 바람직하게는, 연마되는 작업편에 대한 연마 공정의 진행을 검사하거나 모니터링하는 것은 연마 종점의 결정, 즉 특정 작업편에 대한 연마 공정이 언제 종결되는지에 대한 결정을 가능케 한다.
본 발명의 다층 연마 패드 재료를 포함하는 연마 패드는 많은 유형의 작업편(예를 들면, 기판 또는 웨이퍼) 및 작업편 물질을 연마하는 데 사용하기 적합하다. 예를 들면, 연마 패드는 메모리 저장 장치, 반도체 기판 및 유리 기판을 비롯한 작업편을 연마하는 데 사용될 수 있다. 연마 패드를 사용하여 연마하기 적합한 작업편은 메모리 또는 강체 디스크, 자기 헤드, MEMS 디바이스, 반도체 웨이퍼, 전계 방출 디스플레이, 및 다른 마이크로전자 기판, 특히 절연 층(예를 들면, 이산화규소, 질화규소, 또는 저 유전성 물질) 및(또는) 금속 함유 층(예를 들면, 구리, 탄탈륨, 텅스텐, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 백금, 루테늄, 로듐, 이리듐 또는 다른 귀금속)을 포함하는 마이크로전자 기판을 포함한다.
본 발명의 다층 연마 패드 재료는 임의의 적합한 방법에 의해 제조될 수 있다. 한 적합한 방법은 층 중 하나 이상을 적어도 부분적으로 용융시키면서 층의 동일한 공간에 걸쳐 있는 면들을 접촉시킴으로써 연마 패드 재료의 층을 함께 연결시키는 것을 포함한다. 예를 들면, 연마 패드 층 간의 상호연결은 융합(예를 들면, 초음파 용접), 열 결합, 방사선-활성화 연결, 적층, 또는 공압출에 의해 형성될 수 있다. 바람직한 방법은 공압출이다. 압출은 전형적으로, 승온 및(또는) 승압 하에서, 형상화된 다이를 통해 중합체 펠릿을 가압함으로써 중합체 시트 또는 필름을 형성하는 것을 포함한다. 공압출시, 2 개 이상의 압출기 다이를 사용함으로써 2 개 이상의 중합체 수지 층을 동일한 공간에 걸쳐 있는 다층 중합체 시트로 형성할 수 있다. 공압출에 의해 형성된 다층 중합체 시트는 원하는 적용 분야에 따라 임의의 적합한 층 수를 가질 수 있다.
또 다른 적합한 방법은 단층 중합체 시트(예를 들면, 단층 연마 패드)의 한 면 또는 양면을 단층 중합체 시트의 한 면 또는 양면의 물리적 성질을 변화시키는 처리를 하는 것을 포함한다. 예를 들면, 중합체 시트의 한 면에 다공성을 도입하여 접착제를 사용하지 않고 속이 찬 층에 부착된 다공성 층을 갖는 2층 중합체 시트(예를 들면, 2층 연마 패드)를 형성하도록, 속이 찬 중합체 시트를 선택적으로 발포시킬 수 있다. 또한, 속이 찬 중간층 및 다공성 상부층 및 저부층을 갖는 3층 중합체 시트(예를 들면, 3층 연마 패드)를 제조하기 위해 속이 찬 중합체 시트의 양면을 선택적으로 발포시킬 수 있다.
다층 연마 패드 재료를 제조하는 한 적합한 방법은 (i) 초임계 기체 하에서 지정된 시간 동안 중합체 시트를 승압 하에 두는 단계 및 (ii) 시트를 중합체 시트의 유리 전이 온도(Tg)를 초과하는 온도 하에 둠으로써 중합체 시트를 발포하는 단계를 포함한다. 중합체 시트는 속이 찬 중합체 시트 또는 다공성 중합체 시트일 수 있다. 단계 (i)에서의 압력은 임의의 적합한 압력일 수 있고, 중합체 시트의 유형 및 초임계 기체의 유형에 따라 좌우된다. 예를 들면, 중합체 시트가 열가소성 폴리우레탄을 포함하는 경우, 압력은 1.5 MPa 내지 10 MPa(예를 들면, 2 MPa 내지 8 MPa)이어야 한다. 초임계 기체는 중합체 중에서 충분한 용해도를 갖는 임의의 적합한 기체(예를 들면, N2 또는 CO2)일 수 있고, 바람직하게는 CO2이다. 바람직하게는, 초임계 기체는 0.1 mg/g 이상(예를 들면, 1 mg/g, 또는 10 mg/g)의 용해도를 갖는다. 지정된 시간은 중합체 시트로의 기체 흡수율 및 원하는 흡수도에 의해 결정된다. 전형적으로, 시간은 1 시간 이상(예를 들면, 2 시간 이상, 또는 심지어 5 시간 이상)이다. 발포 온도는 임의의 적합한 온도일 수 있다. 발포 온도는 적어도 부분적으로 중합체 시트의 Tg에 따라 좌우된다. 발포 온도는 중합체 시트의 Tm을 초과하는 발포 온도도 사용할 수 있지만 전형적으로 중합체 시트의 Tg 내지 융점(Tm)이다.
한 바람직한 실시태양에서, 중합체 시트가 초임계 기체를 균일하게 흡수하는 것을 방지한다. 예를 들면, 중합체 시트의 오직 외부만이 초임계 기체를 흡수하도록 흡수 시간을 제한함으로써 초임계 기체는 중합체 시트로 부분적으로만 흡수될 수 있다. 이러한 방법은 초임계 기체가 중합체 시트로 확산되는 것을 지연시키기 위해 초임계 기체의 흡수 전에 중합체 시트를 냉각시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 별법으로, 초임계 기체 흡수는, 중합체 시트의 한 측면을 따라, 초임계 기체가 중합체 시트로 흡수되는 것을 방지하거나 제한할 수 있는 초임계 기체 장벽 물질, 예를 들면 후막, 포일(foil), 두꺼운 기판, 또는 다른 적합한 물질을 적용함으로써 제한되거나 방지될 수 있다. 일부 실시태양에서, 장벽 물질은 중합체 시트이다. 더 많은 초임계 기체를 흡수한 중합체 시트의 부분은 초임계 기체를 적게 또는 전혀 흡수하지 않은 나머지 부분보다 높은 다공도를 갖는다.
본 발명의 다층 연마 패드 재료를 제조하는 더욱 바람직한 방법은 (i) 초임계 기체의 존재 하에서 지정된 시간 동안 중합체 시트를 승압 하에 두는 단계, (ii) 상기 중합체 시트에서 초임계 기체를 부분적으로 탈착하는 단계, 및 (iii) 상기 부분적으로 탈착된 중합체 시트를 중합체 시트의 Tg를 초과하는 온도 하에 둠으로써 발포하는 단계를 포함한다. 단계 (i) 및 단계 (ii)는 상이한 조건 하에서 수행될 수 있다. 초임계 기체를 탈착한 중합체 시트의 부분은 초임계 기체를 보유한 잔여부에 비해 낮은 다공도를 갖는다. 일부 실시태양에서, 바람직하게는 중합체 시트는 단계 (i) 동안 초임계 기체로 포화된다. 전형적으로, 중합체 시트는 전형적으로 60 시간 이하(예를 들면, 40 시간 이하, 또는 30 시간 이하) 내에 완전히 포화된다. 탈착 단계는 임의의 적합한 온도 및 임의의 적합한 압력에서 수행될 수 있다. 전형적으로, 탈착 단계는 실온 및 대기압에서 수행된다. 중합체 시트로부터 기체 탈착율은 온도를 높이거나(탈착율 증가를 위해) 온도를 낮춤으로써(탈착율 감소를 위해) 조절될 수 있다. 탈착 단계에 필요한 시간은 중합체의 유형, 뿐만 아니라 탈착 조건(예를 들면, 온도 및 압력)에 따라 좌우되며, 전형적으로 5 분 이상(예를 들면, 10 분 이상)이다.
또 다른 바람직한 방법에서, 중합체 시트의 상이한 면에 적용되는 온도를 조절함으로써 중합체 시트를 선택적으로 발포시킨다. 중합체 시트에서의 발포도는 부분적으로 온도에 관련되기 때문에, 속이 찬 중합체 시트의 한 면에 상이한 온도를 적용시키면 중합체 시트 내에 2 개의 상이한 발포도(예를 들면, 상이한 다공도 및(또는) 상이한 기공 크기)를 생성시킬 수 있다. 따라서, 상기 방법은 (i) 초임계 기체의 존재 하에서 지정된 시간 동안 제1 면 및 제2 면을 갖는 중합체 시트를 승압 하에 두는 단계, (ii) 중합체 시트의 제1 면을 중합체 시트의 Tg를 초과하는 제1 온도 하에 두는 단계, (ii) 중합체 시트의 제2 면을 제1 온도 미만의 제2 온도 하에 두는 단계, 및 (iii) 중합체 시트를 발포하는 단계를 포함한다. 제2 온도가 중합체 시트의 Tg 미만이어서 실질적으로 중합체 시트의 그 면의 발포를 방지하거나, 또는 제2 온도가 중합체 시트의 Tg를 초과하지만 중합체 시트의 제1 면의 온도보다 낮아서 제2 면은 제1 면보다 적게 발포될 수 있다. 임의적으로, 이 방법은 상기한 바와 같이 탈착 단계를 추가로 포함한다. 이 방법의 한 실시태양에서, 속이 찬 중합체 시트의 제1 면은 신속한 열 어닐링(annealing)을 받게 되어 발포되는 한편, 중합체 시트의 제2 면은 실질적으로 실온으로 유지되어, 발포되지 않고 비다공성으로 유지된다.
관련 기술에서, 상이한 물리적 성질(예를 들면, 상이한 Tg)을 갖는 상이한 중합체 수지를 함유하는 층을 포함하는 다층 중합체 시트가 동일한 발포 공정을 받게 할 수 있다. 특히, 상기 방법은 (i) 초임계 기체의 존재 하에서 지정된 시간 동안 다층 중합체 시트를 승압 하에 두는 단계, (ii) 다층 중합체 시트를 중합체 시트의 하나 이상의 층의 Tg를 초과하는 온도 하에 두는 단계, 및 (iii) 중합체 시트를 발포하는 단계를 포함한다. 연마 패드의 층이 상이한 열적 성질을 갖는 경우, 각 층에서의 발포도는 상이하게 된다. 따라서, 각 연마 패드의 층은 동일한 발포 조건을 사용하여 발포되지만 상이한 다공도를 가질 수 있다. 발포 방법 및 조건은 앞서 논의된 것들 중 임의의 것일 수 있다. 유사하게, 연마 패드의 한 면 또는 양면의 다공성을 제거하거나 감소시키기 위해 단층 다공성 연마 패드를 처리하여 속이 찬 층 및 다공성 층을 포함하는 연마 패드를 제조할 수 있다.
일반적으로, 종래의 방법은 속이 찬 중합체 시트를 다공성 중합체 시트로 선택적으로 전환시키는 것을 포함한다. 본 발명의 다층 연마 패드 재료를 제조하는 한 대안적인 접근법은 다공성 중합체 시트를 비다공성 중합체 시트로 선택적으로 전환시키는 것을 포함한다. 구체적으로, 이 방법은 중합체가 유동하기 시작하고 빈 공간들을 충전하도록 단층 다공성 중합체 시트의 한 면 또는 양면을 중합체의 Tg를 초과하는 온도 하에 두는 것을 포함한다. 따라서, 중합체 시트의 한 면 또는 양면 상의 기공의 수를 감소시켜 낮은 다공도를 갖거나 또는 심지어 다공도를 갖지 않는 중합체 층을 형성할 수 있다. 예를 들면, 다공성 중합체 시트는 중합체 시트의 한 면에서 선택적으로 어닐링될 수 있거나, 중합체 시트의 한 면 또는 양면을 가열하는 소결 벨트를 통과할 수 있거나, 또는 중합체 시트의 하나 이상의 층을 선택적으로 냉각시키는 몰드 중에서 가열될 수 있다. 이러한 기술을 사용하여, 접착제 층을 사용할 필요 없이 다양한 다층 연마 패드를 제조할 수 있다. 특히, 속이 찬 층 및 다공성 층을 포함하는 2층 연마 패드, 뿐만 아니라 속이 찬 중간층 및 다공성 상부층 및 하부층, 또는 거꾸로 다공성 중간층과 속이 찬 상부층 및 하부층을 갖는 3층 연마 패드를 제조할 수 있다.
본 발명의 다층 연마 패드 재료를 제조하는 경우 층간 구조적 경계를 최소화하는 것이 바람직하다. 공압출된 다층 연마 패드에서는, 제1 층과 층간 중합체 중첩의 영역에 의해 정해진 제2 층 사이에 구조적 경계가 존재한다. 그러나, 상이한 물리적 성질을 갖도록 한 면 또는 양면이 선택적으로 개질된 단층 중합체 시트를 사용하는 다른 기술, 예를 들면 앞서 논의한 발포 기술은 이러한 정해진 구조적 경계를 제공하지 않는다. 구조적 경계가 없는 경우 층간 박리 저항성이 개선되고 우수한 연마 견실성(consistency)이 얻어진다.
하기 실시예는 본 발명을 추가로 설명하며, 물론 어떠한 방법으로도 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.
실시예 1
본 실시예는 접착제를 사용하지 않고 비다공성 층에 결합된 다공성 층을 포함하는 본 발명의 다층 연마 패드를 제조하는 방법을 예시한다.
1500 ㎛의 평균 두께를 갖는 속이 찬 열가소성 폴리우레탄 시트(샘플 A 및 B)를 실온에서 및 5 MPa의 압력에서 CO2(대략 50 mg/g 열가소성 폴리우레탄 샘플)로 포화시켰다. CO2 흡수 플롯을 시간의 함수로 도 7에 도시한다. 그 다음, CO2-포화된 샘플 A 및 B를 실온 및 대기압에서 각각 20 분 및 120 분 동안 유지시켰으며, 그 동안 중합체 시트로부터의 CO2의 부분적 탈착이 일어났다. CO2 손실 플롯을 시간의 함수로 도 8에 도시한다. 샘플로부터의 CO2 손실량은 열가소성 폴리우레탄 샘플에 대해 각각 4.5 mg/g(9 %) 및 13.5 mg/g(27 %)이었다. 부분적인 탈착 후, 샘플 A 및 B를 93 ℃에서 발포시켰다. 발포된 샘플 A 및 B의 SEM 화상을 도 9 및 도 10에 도시한다. 샘플 A는 1500 ㎛의 총 평균 두께를 갖고, 50 ㎛의 속이 찬 연마 패드 층 및 1450 ㎛의 다공성 연마 패드 층을 포함하였다. 샘플 B는 1500 ㎛의 총 평균 두께를 갖고, 200 ㎛의 속이 찬 연마 패드 층 및 130 ㎛의 다공성 연마 패드 층을 포함하였다.
본 실시예는 접착제 층의 사용을 필요로 하지 않으면서 본 발명의 다층 연마 패드를 제조하는 방법을 나타낸다.
실시예 2
본 실시예는 접착제를 사용하지 않고 다공성 저부층에 결합된 다공성 연마층 을 포함하고, 연마층이 저부층보다 큰 평균 표면 조도를 가지는 본 발명의 다층 연마 패드의 제조 방법을 예시한다.
2종의 연마 패드 재료를 하기 방법에 따라 제조하였다. 일련의 열가소성 폴리우레탄 (TPU) 발포 시트 (2A, 2B, 2C 및 2D)를 압출법으로 제조하였다. 중량 평균 분자량 50,000 g/mol 내지 150,000 g/mol, PDI 2.2 내지 4, RPI 2 내지 10 범위의 TPU를 사용하여 각 TPU 시트를 제조하였다. 각 경우에, TPU를 32/1 L/D 단일 스크류를 가지는 스크류 직경 6.35 cm (2.5 인치)의 압출기에 넣고, 승온 및 승압에서 중합체 용융물을 형성하였다. 승온 및 승압 하에 중합체 용융물에 이산화탄소 가스를 주입하여 중합체 용융물과 혼합된 초임계 유체 CO2의 형성을 일으킴으로써 단일상 용액을 형성하였다. CO2/중합체 용액을 94 cm (37 인치) 폭의 다이를 통해 압출하여 다공성 발포 시트를 형성하였다. CO2 농도는 시트 2A, 2B, 2C 및 2D에 대하여 각각 1.7%, 1.7%, 1.8% 및 1.8%였다.
압출기의 각 대역에 대한 온도, 게이트, 다이 및 용융물 온도, 다이 압력, 스크류 속도, CO2 농도 및 시트 치수를 표 1에 요약하였다.
Figure 112007084338063-pct00001
표 1에 나타낸 일련의 압출 파라미터 각각을 이용하여 셀 크기의 균일성이 양호한 (± 25 ㎛) 다공성 TPU 발포 시트를 제조하였다. 시트 2A의 일부를, 시트 2B가 실질적으로 다이로부터 압출된 직후, 아직 부분적으로 용융된 상태에서 시트 2B의 일부와 함께 한 쌍의 닙 롤러 (0.1397 mm)에 통과시켰다. 두 시트에 대한 닙 롤러의 압력이 두 층의 융합을 일으켜 본 발명의 다층 연마 패드가 형성되었으며, 이를 패드 2A/B로 명명하였다. 유사하게, 시트 2C의 일부를, 시트 2D가 실질적으로 다이로부터 압출된 직후, 아직 부분적으로 용융된 상태에서 시트 2D의 일부와 함께 한 쌍의 닙 롤러 (0.1523 mm)에 통과시켰다. 두 시트에 대한 닙 롤러의 압력이 두 층의 융합을 일으켜 본 발명의 다층 연마 패드가 형성되었으며, 이를 패드 2C/D로 명명하였다.
생성된 시트로부터 패드 샘플을 절단하였고, 본 실시예의 다층 연마 패드 (즉, 패드 2A/B 및 패드 2C/D)는 하기 표 2 및 3에 나타낸 특성을 가졌다. 몇몇 샘플들의 특성은 "그대로" 측정하였고 (버핑(buffing) 전으로 표지), 다른 샘플들의 특성은 버핑 후에 측정하였다 (버핑 후로 표지). 압출된 다층 시트의 양면 모두에 버핑을 실시하여, 연마층 표면으로부터 재료 5 내지 7 mil을, 저부층 표면으로부터 2 내지 3 mil을 제거하였다 (예를 들어, 존재하는 경우, 바람직하지 않은 물질이나 임의의 스킨층을 제거하기 위해). 표 2 및 3에서, "A측"이란 시트 2A로부터 형성된 패드 2A/B의 저부층을 의미하고, "B측"이란 시트 2B로부터 형성된 패드 2A/B의 연마층을 의미하고, "C측"이란 시트 2C로부터 형성된 패드 2C/D의 저부층을 의미하고, "D측"이란 시트 2D로부터 형성된 패드 2C/D의 연마층을 의미한다.
Figure 112007084338063-pct00002
표 2에서, "% Comp"는 퍼센트 압축성 (Ames)이다.
Figure 112007084338063-pct00003
표 3에서, 보존 계수 (Storage modulus), 손실 계수 (Loss modulus) 및 탄젠트 델타 (Tan Delta) 값은 제1 및 제2 가열 양자에 대하여 다음과 같이 나타냈다:제1 가열시 값 / 제2 가열시 값.

Claims (20)

  1. 다공성 연마층 및 다공성 저부층을 포함하며, 저부층이 연마층과 실질적으로 동일 공간에 걸쳐 있고, 연마층 및 저부층 사이의 공간에 접착제를 포함하지 않도록 연마층이 저부층과 함께 연결되고, 연마층이 저부층보다 큰 평균 표면 조도 (Ra)를 가지며, 주사 전자 현미경으로 측정했을 때 연마층이 104 셀/㎤ 초과의 기공 셀 밀도를 가지고, 저부층이 104 셀/㎤ 미만의 기공 셀 밀도를 가지는 것인, 화학 기계적 연마용 다층 연마 패드.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 연마층 및 저부층이 각각 15 내지 50 ㎛ 범위의 평균 셀 직경을 가지는 복수 개의 기공 셀을 포함하는 연마 패드.
  4. 제1항에 있어서, 연마층의 Ra가 25 ㎛ 초과인 연마 패드.
  5. 제1항에 있어서, 저부층의 Ra가 20 ㎛ 미만인 연마 패드.
  6. 제1항에 있어서, 연마층의 Ra가 25 ㎛ 초과이고 저부층의 Ra가 20 ㎛ 미만인 연마 패드.
  7. 제1항에 있어서, 연마층이 제1 중합체 수지를 포함하고, 저부층이 제2 중합체 수지를 포함하는 연마 패드.
  8. 제7항에 있어서, 연마층이 열가소성 폴리우레탄을 포함하고, 저부층이 폴리카르보네이트, 나일론, 폴리올레핀, 폴리비닐알코올, 폴리아크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리이미드, 폴리아라미드, 폴리아릴렌, 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 상기 중합체 수지들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 중합체 수지를 포함하는 연마 패드.
  9. 제1항에 있어서, 저부층 및 연마층이 각각 열가소성 엘라스토머, 열경화성 중합체, 폴리우레탄, 폴리올레핀, 폴리카르보네이트, 폴리비닐알코올, 나일론, 엘라스토머성 고무, 엘라스토머성 폴리에틸렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리이미드, 폴리아라미드, 폴리아릴렌, 폴리아크릴레이트, 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 상기 수지들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 중합체 수지를 포함하는 연마 패드.
  10. 제9항에 있어서, 상기 중합체 수지가 열가소성 폴리우레탄인 연마 패드.
  11. 제1항에 있어서, 연마층과 저부층 사이에 배치된 하나 이상의 중간층을 추가로 포함하며, 중간층(들)이 연마층 및 저부층과 실질적으로 동일 공간에 걸쳐 있고, 연마층, 중간층(들) 및 저부층의 각 인접면이 기계적으로 상호결합된 연마 패드.
  12. 제1항에 있어서, 연마층과 저부층 사이에 배치된 하나 이상의 중간층을 추가로 포함하며, 중간층(들)이 연마층 및 저부층과 실질적으로 동일 공간에 걸쳐 있고, 연마층, 중간층(들) 및 저부층의 각 인접면이 서로 융합된 연마 패드.
  13. 다공성 연마층 및 다공성 저부층을 포함하며, 저부층이 연마층과 실질적으로 동일 공간에 걸쳐 있고, 연마층 및 저부층 사이의 공간에 접착제를 포함하지 않도록 연마층이 저부층과 함께 연결되고, 연마층 및 저부층이 각각 15 내지 50 ㎛ 범위의 평균 기공 직경을 가지는 복수 개의 기공 셀을 포함하고, 주사 전자 현미경으로 측정했을 때 연마층이 104 셀/㎤ 초과의 기공 셀 밀도를 가지고, 저부층이 104 셀/㎤ 미만의 기공 셀 밀도를 가지는 화학 기계적 연마용 다층 연마 패드.
  14. 제13항에 있어서, 연마층 및 저부층이 각각 동일한 중합체 수지를 포함하는 연마 패드.
  15. 제14항에 있어서, 중합체 수지가 열가소성 폴리우레탄인 연마 패드.
  16. 제13항에 있어서, 연마층과 저부층 사이에 배치된 하나 이상의 중간층을 추가로 포함하며, 중간층(들)이 연마층 및 저부층과 실질적으로 동일 공간에 걸쳐 있고, 연마층, 중간층(들) 및 저부층이 서로 융합된 연마 패드.
  17. (a) 회전하는 플래튼(platen),
    (b) 상기 회전 플래튼에 부착된 제1항 기재의 연마 패드, 및
    (c) 회전 연마 패드와 접촉함으로써 연마될 작업편(workpiece)을 고정하는 캐리어
    를 포함하는 화학 기계적 연마 장치.
  18. 제1항 기재의 연마 패드의 연마면을 작업편과 접촉시키는 단계, 및
    작업편에 대해 연마 패드를 운동시켜 작업편을 마모시킴(abrade)으로써 작업편을 연마하는 단계
    를 포함하는 작업편 연마 방법.
  19. 저부층보다 큰 평균 표면 조도 (Ra)를 가지는 다공성 연마층 및 다공성 저부층 중 적어도 하나를 부분적으로 용융시킴으로써 연마층을 저부층에 고정시키면서, 연마층의 표면을 저부층의 표면에 대하여 가압하는 것을 포함하는 제1항의 연마 패 드의 제조 방법.
  20. 제19항에 있어서, 연마층 및 저부층 중 적어도 하나가 압출된 중합체 발포체인 연마 패드의 제조 방법.
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