KR101527390B1 - 소수성층이 코팅된 화학적 기계적 연마장치용 멤브레인 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학적 기계적 연마장치의 폴리싱 헤드에 적용되어 기판의 복수 영역에 동일한 또는 서로 다른 압력을 가하기 위한 멤브레인에 관한 것으로서, 멤브레인은 실리콘 고분자 화합물로 이루어진 멤브레인 몸체 및 상기 멤브레인 몸체의 표면에 형성된 소수성 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

소수성층이 코팅된 화학적 기계적 연마장치용 멤브레인{Membrane for Chemical Mechanical Polishing having a hydrophobic layer}

본 발명은 화학적 기계적 연마장치용 멤브레인에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 화학적 기계적 연마장치의 폴리싱 헤드에 적용되어 반도체 기판의 복수 영역에 동일한 또는 서로 다른 압력을 가하여 화학적 기계적 연마 공정의 균일도를 향상시킬 수 있는 화학적 기계적 연마장치용 멤브레인에 관한 것이다.

반도체 소자는 기판 상에 미세한 크기의 소자를 집적하여 형성한 전자소자이고, 이러한 반도체 소자의 제조에는 박막증착 공정, 포토리쏘그라피 공정, 식각 공정, 이온주입 공정 등이 적용된다. 반도체 소자에서 트랜지스터, 캐패시터와 같은 소자를 고집적도로 형성하기 위해서는 반도체층, 금속층, 절연층들이 복잡한 구조로 적층되어 형성되는데, 이를 위하여 박막의 증착과 식각 과정이 반복적으로 이루어지면서 표면의 단차가 점차적으로 증가되게 된다. 표면의 단차가 증가되면 이후의 포토리쏘그라피 공정에서 포토리지스트를 좁은 선폭으로 형성하는데 제한을 받게 되므로 공정의 중간 중간에 평탄화 공정을 추가하여야 한다.

반도체 표면을 평탄화하는 기술로 최근에는 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing, 이하에서 'CMP'라 한다)가 널리 이용되고 있다. CMP는 연마 입자와 식각제를 포함하는 슬러리를 머금은 패드의 표면과 기판의 표면을 접촉시키면서 회전시켜서 기판의 상부층에서 화학적 기계적 연마가 동시에 이루어지도록 하는 공정이다. 이러한 CMP 공정에서는 웨이퍼 형태의 기판 상에서 균일하게 연마가 일어나도록 하는 것이 중요한데, 만약 웨이퍼의 중앙부와 외곽부에서 연마가 균일하게 이루어지지 않는다면 웨이퍼의 부위별로 층간절연막의 두께가 달라질 수 있고, 이는 컨택홀 내부에서의 오픈 불량 등을 유발할 수 있기 때문이다.

CMP용 멤브레인은 웨이퍼의 뒷면을 가압하여 웨이퍼와 CMP 패드와의 압력을 균일하게 유지시킬 수 있도록 하는 부분이다. CMP용 멤브레인은 실리콘 고무로 이루어지고, 폴리싱 헤드에 결합된 후에 복수개의 영역으로 나누어져 외부에서 기체가 주입될 수 있도록 구성되어 있다. 외부에서 기체가 일정 압력으로 주입되면 복수개의 영역으로 구분된 멤브레인의 각 영역이 부풀어 오르면서 웨이퍼의 서로 다른 영역에 독립적으로 압력을 전달할 수 있다. CMP용 멤브레인의 구조 및 기능에 대해서는 선행문헌인 한국공개특허 제2004-74269호에 자세히 개시되어 있다. 선행문헌은 CMP 장치에 관한 것으로서, 플레이튼, 상기 플레이튼 상에 설치되는 연마 패드, 상기 연마 패드에 반도체 기판을 가압하여 상기 반도체 기판을 연마하는 폴리싱 헤드를 구비하되, 상기 폴리싱 헤드는 상기 폴리싱 헤드의 저면에 위치되며 복수의 홀들이 형성된 지지 플레이트와, 상기 지지 플레이트의 아래에 위치되며 복수의 홀들이 형성된 가압부, 상기 가압부의 가장자리로부터 상부로 연장된 제 1고정부 및 상기 복수의 홀들로부터 상부로 연장된 제 2고정부를 가지는 멤브레인과, 상기 지지 플레이트의 상부에 위치되며 상기 멤브레인을 고정하는 클램프를 구비하여 웨이퍼의 연마 균일성을 향상시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.

CMP용 멤브레인은 일반적으로 폴리실록산과 같은 실리콘 고분자 화합물로 이루어지는데, 폴리실록산은 친수성이 강하여 CMP 공정을 진행한 후에 CMP용 멤브레인과 웨이퍼 뒷면이 탈착되지 않는 경우가 종종 발생한다. 특히 이러한 현상은 더미 웨이퍼나 불산액으로 세정한 웨이퍼의 경우에 더욱 빈번하게 발생된다. 이와 같이 CMP용 멤브레인과 웨이퍼가 분리되지 않으면 장비에서 알람이 발생하면서 공정 진행이 단절되는 등의 문제점을 가지고 있다. 따라서, CMP용 멤브레인의 표면 마찰력을 조절하여 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있으면서도 코팅층의 결합력을 강화시켜서 CMP용 멤브레인의 내구성을 향상시킬 수 있는 기술에 대한 필요성이 매우 크다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 CMP용 멤브레인에서 기판 접촉부의 물성을 개선하여 공정 진행 후에 CMP용 멤브레인과 웨이퍼 뒷면이 용이하게 탈착될 수 있고, CMP용 멤브레인의 몸체와 소수성 코팅층의 결합력이 강하여 코팅층이 쉽게 분리되지 않으며, 내마모성이 뛰어난 CMP용 멤브레인을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 과제를 달성하기 위하여, 화학적 기계적 연마장치의 폴리싱 헤드에 적용되어 기판의 복수 영역에 동일한 또는 서로 다른 압력을 가하기 위한 멤브레인으로서, 실리콘 고분자 화합물로 이루어진 멤브레인 몸체 및 상기 기판과 접촉하는 멤브레인 몸체의 표면에 형성된 소수성 코팅층을 포함하는 화학적 기계적 연마장치용 멤브레인을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 소수성 코팅층은 실리카 입자가 분산된 실리콘 고분자 화합물로 이루어질 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 실리카 입자는 하기의 구조식 1 또는 구조식 2로 표시되는 실록산 결합을 가지는 구상 실리카 입자일 수 있다.

구조식 1

(R은 지방족 탄화수소기, 방향족 탄화수소기, 불포화 탄화수소기 또는 이들이 조합된 탄화수소기)

구조식 2

(R과 R'는 지방족 탄화수소기, 방향족 탄화수소기, 불포화 탄화수소기 또는 이들이 조합된 탄화수소기)

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 실리카 입자는 실세스콰이옥산으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 실리카 입자의 함량은 소수성 코팅층의 5 내지 40중량%인 것이 바람직하다.

본 발명의 CMP용 멤브레인은 아래의 효과를 가진다.

1. CMP용 멤브레인 몸체에 코팅된 소수성 코팅층이 표면의 마찰력을 감소시켜서 CMP 진행 후에 CMP용 멤브레인이 웨이퍼 뒷면에서 탈착되지 못하는 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

2. CMP용 멤브레인의 몸체와 소수성 코팅층이 모두 실리콘 고분자 화합물 계열로 이루어져 상호 결합력이 높으므로, CMP 진행 또는 핸들링 과정에서 받는 스트레스로 인하여 코팅층이 벗겨지는 것을 방지할 수 있다.

3. 소수성 코팅층의 실리카 입자는 내마모성이 뛰어나므로 CMP용 멤브레인의 내구성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 CMP용 멤브레인의 사진이다.
도 2는 본 발명에 따라 기판 접촉부에 소수성 코팅층이 형성된 CMP용 멤브레인을 도시한 것이다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명은 화학적 기계적 연마장치의 폴리싱 헤드에 적용되어 기판의 복수 영역에 동일한 또는 서로 다른 압력을 가하기 위한 멤브레인에 관한 것으로서, 멤브레인은 실리콘 고분자 화합물로 이루어진 멤브레인 몸체 및 상기 멤브레인 몸체의 표면에 형성된 소수성 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

CMP용 멤브레인은 CMP 폴리싱 헤드에 결합되어 반도체 웨이퍼의 뒷면에 접촉된 채로 CMP 패드 방향으로 웨이퍼에 일정 압력을 가하는 기능을 수행한다. CMP용 멤브레인은 이와 같은 기능을 수행하기 위하여 외부에서 주입된 기체에 의하여 복수개의 영역으로 구분된 부분이 독립적으로 부풀어 오를 수 있도록 탄성을 가져야 하고, 오랜 시간 동안의 사용에 따른 노화도 적어야 한다. CMP용 멤브레인은 이와 같은 요구를 만족할 수 있도록 실리콘 고무와 같은 실리콘 고분자 화합물로 제조된다. 실리콘 고무는 탄소 원자가 주 사슬을 구성하는 탄소계 고분자와 달리 실리콘 원자와 산소 원자가 결합하여 주 사슬을 구성하며, 탄성을 가지기 위하여 주 사슬이 가교된 형태를 가진다.

본 발명의 CMP용 멤브레인은 실리콘 고분자 화합물로 이루어진 멤브레인 몸체 중 기판의 뒷면에 접촉되는 기판 접촉부의 표면에 소수성 코팅층이 형성되어 있다. 도 1은 본 발명의 CMP용 멤브레인의 사진이고, 도 2는 기판 접촉부에 소수성 코팅층이 형성된 CMP용 멤브레인을 도시한 것이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, CMP용 멤브레인(100)은 탄성을 가지는 재질로 이루어지고, 기판의 후면에 접촉되는 기판 접촉부(110)와 상기 기판 접촉부(110)에서 연장되어 형성된 복수개의 압력 조절부들(111~115)을 포함하여 이루어진다. CMP용 멤브레인(100)은 서로 다른 압력 조절부와 기판 접촉부 사이의 빈 공간에 기체가 주입되면서 기판 접촉부의 서로 다른 영역에 독립적으로 압력을 가할 수 있다. CMP용 멤브레인 몸체(110b)는 실리콘 고분자 수지로 이루어질 수 있는데, 프레스 몰딩 또는 사출 몰딩의 방법으로 성형될 수 있다. CMP용 멤브레인 몸체(110b) 중 기판의 뒷면과 접촉하는 기판 접촉부(100)의 표면에는 소수성 코팅층(110a)이 형성된다. 소수성 코팅층은 CMP용 멤브레인 몸체(110b)보다 상대적으로 소수성이 큰 물성을 가지는 층으로서, 기판 접촉부(100) 표면의 마찰력 계수를 감소시키는 기능을 한다.

CMP용 멤브레인 몸체는 원료물질이 되는 반응물인 A 부분과 B 부분을 금형에 주입하고, 일정한 온도로 가열하여 열 가교시키는 액상 사출 성형 방법으로 제조될 수 있다. 이때, A 부분은 실리카, 베이스 고분자, 헥사메틸디실라잔 및 백금촉매를 포함할 수 있고, B 부분은 실리카, 베이스 고분자, 헥사메틸디실라잔, 중합억제제 및 가교제를 포함할 수 있다.

소수성 코팅층은 실리카 입자가 분산된 실리콘 고분자 화합물로 이루어질 수 있는데, 실리카 입자는 하기의 구조식 1 또는 구조식 2로 표시되는 실록산 결합을 가지는 구상 실리카 입자일 수 있다. 구조식 1 및 구조식 2에서 R은 지방족 탄화수소기, 방향족 탄화수소기, 불포화 탄화수소기 또는 이들이 조합된 탄화수소기일 수 있고, 지방족 탄화수소기는 예를 들어 메틸기, 에틸기, 부틸기일 수 있고, 방향족 탄소기는 예를 들어 페닐기일 수 있으며, 불포화 탄화수소기는 예를 들어 비닐기일 수 있다. 실리카 입자는 3차원으로 가교된 네트워크 구조의 실록산 결합을 가질 수 있고, 구체적으로 실세스콰이옥산(silsesquioxane)으로 이루어질 수 있다.

실리카 입자는 소수성 코팅층에 소수성을 부여하고 그 정도를 조절하는 기능을 하는데, 실리카 입자의 함량에 따라 소수성의 정도가 달라진다. 실리카 입자의 함량은 소수성 코팅층의 5 내지 40중량%인 것이 바람직하다. 실리카 입자의 함량이 5중량% 미만이면 소수성 코팅층의 소수성이 충분하지 못하여 CMP 공정 후 멤브레인이 기판의 뒷면에서 분리되지 못하는 현상이 발생할 수 있고, 실리카 입자의 함량이 40중량%를 초과하면 소수성이 너무 강하여 멤브레인이 기판의 뒷면에서 미끌어지는 에러가 발생하거나 멤브레인 몸체와 소수성 코팅층간의 결합력이 약하여 필링(peeling) 또는 크랙(crack) 현상이 발생할 수 있다.

구조식 1

(R은 지방족 탄화수소기, 방향족 탄화수소기, 불포화 탄화수소기 또는 이들이 조합된 탄화수소기)

구조식 2

(R과 R'는 지방족 탄화수소기, 방향족 탄화수소기, 불포화 탄화수소기 또는 이들이 조합된 탄화수소기)

본 발명에서 CMP용 멤브레인 몸체에 소수성 코팅층을 형성하는 방법은 스프레이 방식, 디핑 방식, 브러슁 방식과 같은 다양한 방법에 의하여 진행될 수 있다. 소수성 코팅층을 형성하는 구체적 방법은 실리콘 오일(베이스 고분자로서 상온에서 액상인 저점도 실리콘 러버)과 실리카가 혼합된 제1원료와 촉매 등이 포함된 제2원료를 믹싱하고, 믹싱된 코팅 재료를 스프레이, 디핑, 브러슁 등의 방법으로 도포하고, 고온에서 경화시키는 것이다. 보다 상세한 소수성 코팅층 형성방법은 실시예를 이용하여 설명하기로 한다.

본 발명에 따라 CMP용 멤브레인의 기판 접촉부에 소수성 코팅층을 형성하면 아래와 같은 효과가 발생한다.

1. 본 발명에서는 CMP용 멤브레인의 기판 접촉부의 마찰력 계수를 조절하여 CMP 공정 진행 후 CMP용 멤브레인이 기판의 뒷면에 스티킹(sticking)되는 문제점을 해결할 수 있다. 반도체 제조공정에서 기판인 웨이퍼는 증착 공정, 세정 공정이 진행됨에 따라 기판의 앞면 또는 뒷면의 재질이 달라진다. 이때, 기판의 뒷면 재질에 따라서 CMP용 멤브레인 기판 접촉부와의 상호 작용력(interaction)이 달라지는데, 예를 들어 베어 웨이퍼(bare wafer) 또는 불산으로 세정된 웨이퍼의 경우에는 상호 작용력이 커서 CMP 진행 후에 CMP용 멤브레인 기판 접촉부와 웨이퍼 뒷면이 스티킹되어 분리되지 못하는 경우가 발생할 수 있다. 그러나 본 발명과 같이 CMP용 멤브레인 기판 접촉부에 소수성 코팅층을 형성한 경우에는 기판 접촉부와 기판 뒷면과의 마찰력 계수(coefficient of friction) 또는 부착 계수(coefficient of adhesion)를 적절하게 조절할 수 있으므로 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있다.

2. 본 발명에서는 CMP용 멤브레인 몸체와 소수성 코팅층이 모두 실리콘 고분자 화합물로 이루어지므로 CMP용 멤브레인 몸체와 소수성 코팅층간의 결합력이 향상된다. 만약 CMP용 멤브레인 몸체와 소수성 코팅층이 서로 다른 계열의 고분자 수지로 이루어지면 계면에서의 결합력이 상대적으로 약하여 공정 진행 중 또는 핸들링 과정에서 발생하는 스트레스로 인하여 소수성 코팅층이 CMP용 멤브레인 몸체에서 벗겨지거나 크랙이 발생할 수 있다.

이하에서 실시예를 이용하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 이러한 실시예는 본 발명을 용이하게 실시하기 위하여 제시된 일 구현예로서 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 제한되어서는 안된다.

실시예

1 단계(CMP용 멤브레인 몸체의 성형)

먼저, VTP4M(하기 화학식 1로 표시되는 고분자, 시영테크에서 구매) 69.5g, Aerosil300(Evonik에서 구매) 24g, 헥사메틸디실라잔(Evonik에서 구매) 6g, Pt(0)-1,3-디비닐-1,1,3,3-테트라메틸디실록산 복합체(백금 촉매) 0.5g을 혼합한 원료 물질의 A 부분과, VTP4M(하기 화학식 2로 표시되는 고분자, 시영테크에서 구매) 64.5g, Aerosil300(Evonik에서 구매) 24g, 헥사메틸디실라잔 6g, 1-에티닐-1-시클로헥산올(중합 억제제) 0.5g, YC483(하기의 화학식 5로 표시되는 가교제, 시영테크에서 구매) 5g을 혼합한 원료 물질의 B 부분을 준비하였다. 이어서, 준비된 원료물질 A 부분과 B 부분을 혼합한 후 혼합된 원료물질을 압출기로 공급하고, 압출기 전단에 연결된 금형으로 투입하였다. 이때, 압출기의 온도는 25℃였고, 금형의 온도는 120℃였다. 금형에 투입된 원료는 5분 동안 경화되고 금형이 분리되면서 성형된 멤브레인이 이젝트되었다. 이어서 금형에서 분리된 멤브레인을 200℃의 오븐에서 240분 동안 방치하여 잔류 휘발성분을 제거하였다.

화학식 1

(n은 1000 내지 1300의 정수)

화학식 2

(m은 10 내지 30의 정수이고, l은 10 내지 30의 정수)

2 단계(소수성 코팅층의 형성)

모멘티브 퍼포먼스 머터리얼스(Monetive Performance Materials)에서 제조한 엘에스알 탑 코트(LSR TOP Coat, 제품명)의 A 성분(고형분이 약 73%로서, 실리콘 오일에 구상실리카인 Tospearl이 20%로 첨가됨)과 B 성분(고형분이 약 0.45%로서, 촉매 등이 포함된 성분)을 1:1의 혼합비로 혼합하였다. 이어서, 혼합된 엘에스알 탑 코트를 실시예 1-1에 따라 제조된 CMP용 멤브레인 몸체의 기판 접촉부에 스프레이 방식으로 도포하였고, 180℃의 오븐에서 30분간 경화시켰다.

비교예 1

실시예의 1 단계(CMP용 멤브레인 몸체의 성형)만을 수행하여 CMP 멤브레인을 제조하였다.

비교예 2

실시예의 1 단계(CMP용 멤브레인 몸체의 성형)를 수행하고, 진공 중에서 패릴린(parylene, type C)을 가열하여 반응시킴으로써 고분자 형태의 패릴린 C 피막을 형성하였다.

상기 실시예와 비교예들에 따라 제조된 CMP용 멤브레인에 대하여 아래의 실험을 진행하였다.

평가예 1(스티킹 특성 평가)

실시예와 비교예들에 따라 제조된 CMP용 멤브레인에 대하여 실리콘 웨이퍼의 스티킹(sticking) 여부에 관한 실험을 진행하였다. 구체적으로, 더미 웨이퍼를 이용하여 어플라이드 머티어리얼즈의 CMP 장비로 공정을 진행하였고, 각 싸이클을 진행한 후에 물로 웨이퍼를 세정하고 다시 이를 헤드에 로딩하여 웨이퍼 표면에 물이 존재하게 한 상태에서 웨이퍼의 스티킹 여부를 관찰하였다. 아래의 표 1은 21회의 공정 싸이클을 진행하는 동안 스티킹(웨이퍼 미탈착 발생)이 발생한 횟수를 표시한 것이다.

샘플	스티킹 횟수
실시예	0
비교예 1	6
비교예 2	1

표 1을 참조하면, 실시예와 비교예 1의 샘플은 스티킹이 발생하지 않거나 1회 발생하여 스티킹 특성이 우수한 것으로 평가되었고, 코팅층을 형성하지 않은 비교예 2는 스티킹 현상이 6회 발생하여 스티킹 특성이 나쁜 것으로 평가되었다.

평가예 2(내구성 평가)

양면 테이프를 이용하여 베어 실리콘 웨이퍼를 뒷면이 위로 향하도록 실험대 위에 고정시켰다. 베어 실리콘 웨이퍼 뒷면에 실시예와 비교예 2에 따라 제조된 CMP용 멤브레인을 접촉시키고, CMP용 멤브레인 위에 금속 추(직경 100mm, 무게 2kg의 원기둥 모양)를 올리고 100회 회전시킨 후 CMP용 멤브레인에 형성된 코팅층의 크랙 발생 여부를 관찰하였다. 실시예의 CMP용 멤브레인에서는 코팅층의 크랙이 전혀 관찰되지 않았으나, 비교예 2의 CMP용 멤브레인에서는 패릴린 C 피막의 크랙이 다수 관찰되었다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 일 구현예를 이용하여 설명한 것으로써, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에서 설명된 구현예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 구현예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: CMP용 멤브레인 110: 기판 접촉부
110a: 소수성 코팅층 110b: 멤브레인 몸체
111~115: 압력 조절부

Claims (5)

1. 화학적 기계적 연마장치의 폴리싱 헤드에 적용되어 실리콘 기판의 뒷면 복수 영역에 동일한 또는 서로 다른 압력을 가하기 위한 멤브레인에 있어서,
   멤브레인 몸체; 및
   상기 멤브레인 몸체의 표면에 형성되어 상기 실리콘 기판의 뒷면에 접촉하는 소수성 코팅층;을 포함하고,
   상기 멤브레인 몸체는 실리콘 고분자 화합물로 이루어지고, 상기 소수성 코팅층은 실리카 입자가 분산된 실리콘 고분자 화합물로 이루어지고, 상기 실리카 입자는 하기의 구조식 1 또는 구조식 2로 표시되는 실록산 결합을 가지는 구상 실리카 입자인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치용 멤브레인.
   
   구조식 1
   

   

   
   (R은 지방족 탄화수소기, 방향족 탄화수소기, 불포화 탄화수소기 또는 이들이 조합된 탄화수소기)
   
   구조식 2
   

   

   
   (R과 R'는 지방족 탄화수소기, 방향족 탄화수소기, 불포화 탄화수소기 또는 이들이 조합된 탄화수소기)
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 실리카 입자는 실세스콰이옥산으로 이루어진 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치용 멤브레인.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 실리카 입자의 함량은 소수성 코팅층의 5 내지 40중량%인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치용 멤브레인.

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