KR101615547B1 - 연마 패드 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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KR101615547B1
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김팔곤
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Abstract

본원은 윈도우를 포함하고, 프리폴리머와 친수성 고분자 물질의 반응에 의해 발생하는 이산화탄소 기공을 포함하는 다공성 연마패드를 제조하는 방법 및 상기 제조방법에 의해 제조된 다공성 연마패드에 관한 것이다.

Description

연마 패드 및 이의 제조 방법 {POLISHING PAD AND PREPARING METHOD THEREOF}
본원은 윈도우를 포함하고, 프리폴리머와 친수성 고분자 물질의 반응에 의해 발생하는 이산화탄소 기체에 의한 기공을 포함하는 다공성 연마패드를 제조하는 방법 및 상기 방법에 의해 제조된 다공성 연마패드에 관한 것이다.
여러 해 동안, 광학 렌즈와 반도체 웨이퍼는 화학적-기계적 수단에 의해 연마되어 왔다. 반도체 기술분야의 급속한 진보는 고도 대규모 집적(VLSI) 및 최고도 대규모 집적(ULSI) 회로의 도래를 맞게 되었고, 이로 인해 반도체 기판 내에 더 작은 영역에 더 많은 소자를 채워 넣을 수 있게 되었다. 소자의 밀도가 클수록, 보다 높은 평탄도가 요구된다.
한편, 구리는 낮은 저항 때문에 연결물질로서 점점 더 많이 사용되고 있다. 통상, 도전성(금속) 및 절연 표면을 평탄화하는 데는 에칭 기술이 사용된다. 그러나, 상호연결물질로 사용되는 경우 유리한 성질에 기인하여 바람직한 특정 금속(Au, Ag, Cu)은 에칭에 쉽게 적용되지 않아, 화학적-기계적 연마(CMP)를 필요로 한다.
CMP 기술은 제거되는 기판상의 표면층의 화학적 전환과 전환 생성물의 기계적 제거를 조합한 것이다. 이상적으로는, 전환생성물은 부드러워, 높은 연마 속도를 용이하게 한다.
CMP 공정에 사용되는 통상의 연마 패드는 발포 시트 또는 중합체성 물질로 함침된 펠트(felt)로부터 형성된다. 그러나, 이러한 기재 패드는 연마 작동 동안 나타나는 힘에 적용되는 경우, 너무 유순해져서 연마할 기판에서 패드가 리세스(recess)되게 하여 과도한 연마를 야기한다. 그 결과, 끼워 넣은 회로의 표면은 과도하게 연마되어 디싱(dishing)으로서 공지된 원치 않는 리세스를 야기한다. 또한, 이러한 연마 패드는 연마 유체를 흡수하고, 연마 작동 동안 압축되어 모든 방향으로 변형되므로 패드가 너무 유순해진다. 이러한 상이한 방향에서 압축성의 측정은 기재 패드가 힘의 적용으로 인해 이러한 상이한 방향에서 변형된다.
상기 기판의 표면으로부터 물질이 원하는 양으로 제거되었을 때에 화학-기계적 평탄화(CMP) 공정을 종료하는 것이 유용하다. 일반적으로, 폴리싱 중단 여부를 결정하기 위해, 원하는 표면 평탄도 또는 층 두께에 도달한 시기 또는 하부 층이 노출된 시기를 검출할 필요가 있다. 일부 시스템들에 있어서, 상기 화학-기계적 평탄화(CMP) 공정은 상기 공정을 중단시키지 않고 언제 상기 기판의 표면으로부터 물질이 원하는 양으로 제거되었는지를 결정하기 위하여 지속적으로 모니터된다. 이는 통상적으로 인-시튜(in-situ) 광학적 연마 정지점 검출에 의해 이루어진다. 인-시튜 광학적 연마 정지점 검출은 광학적(또는 일부 다른) 광을 내측의 패턴으로부터 연마 패드 내의 개구나 윈도우를 통해 투영하는 것을 수반하여, 상기 광학적 광이 상기 기판의 연마된 표면으로부터 반사되고 상기 웨이퍼 표면의 평탄화 정도를 모니터하기 위해 검출기에 의해 수집된다.
이러한 투명창의 재질로는 폴리우레탄이 주로 사용되어 왔는데, 고체 폴리우레탄 창은 투명도가 그리 높지 않을 뿐만 아니라 CMP공정 동안 흠집이 생기기 쉬워서 투광율이 계속 감소한다. 또한, 고체 폴리우레탄 창은 연마 패드의 나머지 부분보다 느린 마모 속도를 갖기 때문에, 연마 패드에 돌출부를 형성하여 연마 결함을 발생시킬 수 있는 문제점이 있었다.
또한, 상기 폴리우레탄 투명창은 연마 패드에 설치하기도 용이하지 않을 뿐만 아니라, 설치 이후에도 많은 문제점을 야기할 수 있다. 이전에는 폴리우레판 투명창을 설치하기 위해서 연마 패드 본체의 일 부분을 뚫고 그 부위에 투명창을 끼워넣는 방법이 사용되었으나, 이러한 방법에 따르면 패드 본체 및 투명창 사이의 틈에 슬러리가 흘러들어서 레이저가 깨끗하게 전달되는 것을 방해하여 연마율 측정이 용이하지 않았다.
본원의 일 측면은, 주형의 일부분에 투명한 고분자 수지 블럭을 위치시키는 단계, 상기 주형에 프리폴리머(prepolymer)를 주입하는 단계, 상기 프리폴리머(prepolymer)상에 친수성 고분자 물질을 첨가하는 단계 및 상기 프리폴리머와 상기 친수성 고분자 물질의 반응에 의해 이산화탄소를 발생시켜 상기 프리폴리머 내 기공을 형성하는 단계를 포함하는, 연마 패드의 제조 방법을 제공한다.
본원의 또 다른 일 측면은 이산화탄소 기공을 포함하는 다공성 연마패드를 제공한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 제 1 측면은, 주형의 일부분에 투명한 고분자 수지 블럭을 위치시키는 단계, 상기 주형에 프리폴리머(prepolymer)를 주입하는 단계, 상기 프리폴리머(prepolymer)상에 친수성 고분자 물질을 첨가하는 단계 및 상기 프리폴리머와 상기 친수성 고분자 물질의 반응에 의해 이산화탄소를 발생시켜 상기 프리폴리머 내 기공을 형성하는 단계를 포함하는, 연마 패드의 제조 방법을 제공한다.
본원의 제 2 측면은, 본원의 제 1 측면에 의해 제조되고, 이산화탄소 기공을 포함하는 다공성 연마패드를 제공한다.
본원에 의하면, 주형의 일부분에 투명한 고분자 수지 블럭을 위치시키는 단계, 상기 주형에 프리폴리머(prepolymer)를 주입하는 단계, 상기 프리폴리머(prepolymer)상에 친수성 고분자 물질을 첨가하는 단계 및 상기 프리폴리머와 상기 친수성 고분자 물질의 반응에 의해 이산화탄소를 발생시켜 상기 프리폴리머 내 기공을 형성하는 단계를 포함하는, 연마 패드의 제조 방법을 통해 윈도우와 패드가 일체형인 연마패드를 제공할 수 있다.
기존의 윈도우를 포함하는 연마패드를 제조함에 있어서, 연마패드를 먼저 제조하고 상기 연마패드에 윈도우를 삽입하기 위하여 일 부분을 뚫고 그 부위에 투명창을 끼워넣는 방법이 사용되어왔다. 그러나 상기 종래 제조방법에 의하여 윈도우를 포함하는 패드를 제조하는 경우 패드와 윈도우가 접합되는 부분에서 슬러리 등의 누수가 발생하거나 윈도우가 탈착되는 불량을 야기하였다. 또한, 사용과정에 있어서 상기 틈에 슬러리가 흘러드는 경우 종점 검출을 위한 레이저가 깨끗하게 전달되는 것을 방해하여 재료제거율 측정이 정확하지 않다는 문제점이 있었다.
그러나 본원의 제조방법에 따라 제조된 연마패드는 주형의 일부에 투명한 고분자 수지 블럭을 위치시키고 프리폴리머를 주입함으로써 윈도우 일체형의 연마패드의 제조가 가능하므로 종래의 윈도우 탈착 및 슬러리 누수 등의 문제점들을 해결할 수 있다.
또한, 본원에 의하면, 다공성 연마패드의 제조공정에서 프리폴리머와 친수성 고분자 물질을 사용하여 이산화탄소를 발생시킴으로써, 연마패드 내에 기공을 형성시킬 수 있다.
특히, 종래에는 다공성 연마패드의 제조 공정에 있어 패드 내의 기공을 형성하기 위하여 물리적 발포제 또는 화학적 발포제를 사용하여 왔으나, 특히 물리적 발포제를 사용하여 제조된 다공성 연마 패드를 화학적 기계적 연마 공정에 사용하는 경우, 상기 물리적 발포제가 패드상에 잔류하여 웨이퍼에 스크래치 등의 손상을 입히는 경우가 빈번하였다.
그러나 본원의 제조방법에 따른 다공성 연마패드의 제조 시 물리적 발포제를 사용하지 않고 친수성 고분자 물질을 사용하여 기공을 형성함으로써 연마 속도를 균일하게 하고 연마대상의 표면 품질을 향상시키는 효과가 있다. 특히, 본원의 제조방법에서 기공을 형성하기 위해 사용되는 친수성 고분자 물질은 화학적-기계적 연마 공정 중에 슬러리 또는 증류수에 녹아 패드상에 잔류하지 않으므로 연마대상에 손상을 주지 않는다.
또한, 본원의 프리폴리머와 친수성 고분자 물질의 반응에 의하여 이산화탄소를 발생시키는 경우, 상기 반응의 온도, 교반 속도, 교반 시간 등을 조절함으로써 프리폴리머와 친수성 고분자 물질의 반응의 정도를 제어하여 이산화탄소 발생량을 조절할 수 있기 때문에 다공성 연마패드의 기공의 크기와 기공률을 용이하게 제어할 수 있다.
도 1은 본원의 일 구현예에 따른 다공성 연마패드의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2 은 본원의 일 구현예에 따라 주형의 일부분에 투명한 고분자 수지 블럭을 위치시키고 상기 주형에 프리폴리머를 주입하는 것을 나타낸 것이다.
도 3은 본원의 일 구현예에 따라 제조된 연마패드의 윈도우와 연마패드의 계면을 SEM으로 촬영한 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다.
그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, “A 및/또는 B” 의 기재는, “A, B, 또는, A 및 B” 를 의미한다.
이하, 본원의 다공성 연마패드의 제조방법 및 연마패드에 대하여 구현예 및 실시예와 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.
도 1 은 본원의 일 구현예에 따른 다공성 연마패드의 제조방법을 나타낸 것이다.
본원의 제 1 측면은, 주형의 일부분에 투명한 고분자 수지 블럭을 위치시키는 단계(S100), 상기 주형에 프리폴리머(prepolymer)를 주입하는 단계(S200), 상기 프리폴리머 상에 친수성 고분자 물질을 첨가하는 단계(S300) 및 상기 프리폴리머와 상기 친수성 고분자 물질의 반응에 의해 이산화탄소를 발생시켜 상기 프리폴리머 내 기공을 형성하는 단계(S400)를 포함하는, 연마 패드의 제조 방법을 제공한다.
먼저, 주형의 일부분에 투명한 고분자 수지 블럭(100)을 위치시킨다(S100).
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 투명한 고분자 수지 블럭(100)은 아크릴계, 폴리에스테르계, 우레탄계, 또는 폴리에테르계 고분자 수지를 포함하는 것일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 본원의 일 구현예에 따라 주형의 일부분에 투명한 고분자 수지 블럭(100)을 위치시키고, 상기 주형에서 투명한 고분자 수지 블록을 제외한 나머지 부분에 프리폴리머(200) 를 주입하는 것을 도 2 에 나타내었다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 투명한 고분자 수지 블럭은 연마패드 내에 삽입되어 상기 연마패드를 연마공정에 사용하는 경우 연마 종점을 검출하기 위한 창으로 사용되는 것으로서 윈도우의 역할을 하게 된다. 상기 투명한 고분자 수지 블럭은 광경화성 수지 또는 열경화성 수지를 포함할 수 있으며, 우레탄을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 윈도우는 연마패드에 형성되어 연마패드의 병진 운동 위치와 무관하게, 연마 헤드에 의해 보유 지지되는 기판에 대한 시야를 확보하도록 위치되어 연마 종점을 결정하기 위한 투광층으로 사용되는 것일 수 있다. 구체적으로, 연마 종점을 검출하기 위한 광원은 윈도우가 기판에 인접하여 있는 동안, 기판에 충돌하도록 윈도우를 통해 광빔을 투영하며 상기 기판으로부터 반사된 광은 검출기에 의해 검출되는 결과적인 빔을 형성한다. 광원 및 검출기는, 검출기로부터의 측정된 광의 세기를 수신하여 이를 이용하여, 새로운 층의 노출을 의미하는 기판의 반사도의 급작스런 변경을 검출하거나, 간섭 측정 원리를 사용하여 외층 (예를 들어, 투명 산화물 층)으로부터 제거된 두께를 계산하거나, 반사된 광의 스펙트럼을 모니터링 또는 목표 스펙트럼을 검출하거나, 측정된 스펙트럼의 순서를 라이브러리로부터의 기준 스펙트럼에 정합시기고, 기준 스펙트럼의 인덱스 값에 맞는 선형 함수가 목표값에 도달하는 부분을 결정하거나, 또는 미리 정해진 종점 규준에 대한 신호를 모니터링함으로써, 연마 종점을 결정하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 윈도우는 상기 패드 구조물에 일체로 되는 것으로서, 이는 단일 구성으로 된 패드가 되도록 투명 고분자 수지 블럭을 상기 패드를 형성하는 데 사용되는 상기 폴리머 매트릭스 내로 포함시키는 것일 수 있다. 상기 투명한 고분자 수지 블럭은 우수한 광투과성을 갖는 것으로서 광투과도가 약 1% 이상의 기공이 없는 고분자 수지 블럭인 것일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 본원의 도 2 에서는 단순한 사각형의 단면을 갖는 윈도우를 도시하였으나, 윈도우는 원형, 직사각형, 타원형 또는 성형과 같이 더 복잡한 형상을 가질 수 있으며, 이에 제한되지 않을 수 있다. 또한 윈도우의 상부는 하부의 하나 또는 그 초과의 측면들을 지나 돌출되는 것 또는 동일한 평면상에 존재하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 투명한 고분자 수지 블럭은 상기 프리폴리머와 일체형을 이루는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
기존의 윈도우를 포함하는 연마패드를 제조함에 있어서, 연마패드를 먼저 제조하고 상기 연마패드에 윈도우를 삽입하기 위하여 통상적으로 상기 패드 내에 개구부를 절단하여 그 부위에 투명창을 끼워넣는 방법에 의해 제조하였다. 그러나 상기 종래의 연마패드들은 패드와 윈도우가 접합되는 부분에서 슬러리 등의 누수가 발생하거나 윈도우가 탈착되는 불량을 야기하였다. 또한, 사용과정에 있어서 상기 틈에 슬러리가 흘러드는 경우 종점 검출을 위한 레이저가 깨끗하게 전달되는 것을 방해하여 연마율 측정이 정확하지 않다는 문제점이 있었다. 그러나 본원의 제조방법에 따라 제조된 연마패드는 주형의 일부에 투명한 고분자 수지 블럭을 위치시키고 프리폴리머를 주입함으로써 윈도우 일체형의 연마패드의 제조가 가능하므로 상기 문제점들을 해결할 수 있다.
이어서, 상기 주형에 프리폴리머(prepolymer)를 주입한다(S200).
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 프리폴리머는 폴리이소시아네이트를 포함하는 것으로서 연마패드의 매트릭스를 구성하는 우레탄 폼을 제조하는데 사용된다. 우레탄의 제조는 이소시아네이트와 예비중합체 폴리올로부터의 이소시아네이트- 종결 우레탄 예비중합체의 반응으로부터 제조되는 것일 수 있다. 상기 폴리올은 폴리프로필렌 에테르 글리콜, 이의 공중합체 및 이의 혼합물인 것일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 구체적으로 상기 반응은, 이소시아네이트, 디-이소시아네이트, 및 트리-이소시아네이트 예비중합체와 같은 우레탄 예비중합체를 이소시아네이트 반응성 잔기를 함유하는 예비중합체와 반응시킴으로써 형성될 수 있다. 적합한 이소시아네이트 반응성 잔기는 아민 및 폴리올을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 폴리이소시아네트의 성분으로는 1 분자 중에 이소시아네이트기를 2 개 이상 갖는 유기 화합물이면 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 지방족계, 지환족계 및 방향족계 폴리이소시아네이트 또는 이들의 변성물을 들 수 있다. 구체적으로는, 지방족계 및 지환족계 폴리이소시아네이트로는, 헥사메틸렌디이소시아네이트, 이소포론디이소시아네이트 등을 들 수 있다. 방향족계 폴리이소시아네이트로는, 톨릴렌디이소시아네이트, 디페닐메탄디이소시아네이트 및 폴리페닐렌폴리메틸렌 폴리이소시아네이트 등을 들 수 있고, 또 이들의 카르보디이미드 변성물이나 프리폴리머 등의 변성물도 포함된다.
본원의 일 구현예에 있어서, 본원의 연마패드의 제조과정에서는 상술한 중합체 수지들을 사용하여 제조될 수 있으며, 이러한 제조 과정에는 당업계에 널리 알려진 합성 방법을 별 다른 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 패드 본체가 폴리우레탄계 화합물로부터 제조되는 경우에는, 프리폴리머법(pre-polymer method) 또는 원-샷 법(one shot method) 등을 사용할 수 있다. 상기 프리 폴리머법에 의하는 경우, 폴리올 성분 및 이소시아네이트 성분을 반응시켜 우레탄 프리-폴리머를 형성한 후, 상기 우레탄 프리-폴리머, 디아민 또는 다이올, 발포제 및 촉매 등을 혼합하여 경화시킴으로서 폴리 우레탄계 수지를 형성할 수 있다. 또한, 상기 원-샷법에 의하는 경우, 폴리올 성분, 이소시아네이트 성분, 디아민 또는 다이올, 발포제 및 촉매 등을 혼합한 후 경화시킴으로서 폴리우레탄계 수지를 형성할 수 있다.
이어서, 상기 프리폴리머 상에 친수성 고분자 물질을 첨가한다 (S300).
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 친수성 고분자 물질은 폴리비닐알코올(PVA), 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리바이닐아세테이트(PVAc), 폴리아크릴산, 폴리에틸렌옥시드, 또는 술폰화이소프렌을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 친수성 고분자 물질은 친수성기를 포함하는 고분자 물질로서 상기 친수성기는 알코올기를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 친수성기를 포함하는 친수성 고분자 물질은 수분을 흡수 및 함유하여 프리폴리머에 첨가시 상기 프리폴리머에 수분을 공급하는 역할을 하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 친수성 고분자는 파우더 상태인 것일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 친수성 고분자로서 폴리비닐알코올(PVA), 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리바이닐아세테이트(PVAc), 폴리아크릴산, 폴리에틸렌옥시드, 또는 술폰화이소프렌이 상기 프리폴리머에 첨가되는 경우 분산성을 향상시키기 위해 교반시킬 수 있으며, 친수성 고분자를 고르게 분산시킴으로써 패드내의 기공 분포를 균일하게 할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 구체적으로 상기 친수성 고분자 파우더 입자의 크기는 약 1 μm 내지 약 150 μm 인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 본원의 친수성 고분자는 상기 프리폴리머 내에 기공을 형성하기 위한 것으로서, 프리폴리머에 혼합되어 친수성 고분자가 함유하는 수분과 프리폴리머 내의 작용기의 반응에 의해 이산화탄소를 발생시킴으로써 패드 내에 기공을 형성하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 중합체 수지 및 상기 친수성 물질 이외에, 용도에 따라서, 첨가제, 보조제를 상기 중합체 수지 등을 폴리이소시아네이트 성분에 혼합하여 사용하는 경우가 있다. 상기 이외의 첨가제, 보조제에 대해서는 특별히 한정되지 않고, 통상의 수지에 있어서 물성 향상이나 조작성 향상 등의 목적으로 사용되는 것으로, 우레탄화 반응에 현저한 악영향을 미치는 것이 아니면 어느 것을 사용해도 상관없다.
이어서, 상기 프리폴리머와 상기 친수성 고분자 물질의 반응에 의해 이산화탄소를 발생시켜 상기 프리폴리머 내 기공을 형성한다(S400).
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 친수성 고분자는 수분을 함유하는 것일 수 있다. 상기 수분을 함유하는 친수성 고분자는, 약 0.01% 내지 약 10 %의 수분을 함유하는 친수성 고분자 파우더를 약 1% 내지 약 50%의 습도를 갖는 분위기 하에서 약 1 내지 약 48 시간 동안 보관하여 함수율이 약 0.05% 내지 약 10% 이 되도록 하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 친수성 고분자의 함수율은 약 0.05% 내지 약 10%, 약 0.1% 내지 약 10%, 약 0.2% 내지 약 10%, 약 0.4% 내지 약 10%, 약 0.6% 내지 약 10%, 약 0.05% 내지 약 8%, 약 0.05% 내지 약 6%, 또는 약 0.05% 내지 약 4%인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 수분을 함유하는 친수성 고분자와 프리폴리머의 이소시아네이트가 반응 하여 하기 반응식 1 과 같이 이산화탄소를 생성하게 된다. 이때 발생된 이산화탄소는 프리폴리머 내부에서 기포를 형성하며, 상기 기포가 파열되기 전에 프리폴리머를 경화시키는 경우 폐쇄된 기공이 프리폴리머 내에 존재하게 된다. 본원의 다공성 연마패드의 제조방법에 따라 상기 친수성 고분자를 첨가하여 패드 내 기공을 형성하는 경우, 상기 친수성 고분자 물질은 슬러리 또는 증류수에 의해 제거되므로 제조된 연마패드의 표면 조도가 감소되고 스크래치가 더 적은 반도체 기판의 연마 표면을 제공할 수 있다.
[반응식1]
Figure 112015048628424-pat00001
구체적으로 상기의 반응식 1을 살펴보면, 이소시아네이트기(-NCO)와 폴리비닐알코올에 포함된 물(HOH)이 반응을 하여 불안정한 카르복시기가 형성되며, 이는 곧 NH2와 CO2로 분해된다. 이 때 발생한 이산화탄소는 상기 프리폴리머 내부에서 기포를 형성하며 이 상태에서 프리폴리머가 경화되는 경우 연마패드의 공극이 된다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 프리폴리머 내 기공을 형성하는 단계는, 상기 프리폴리머와 상기 친수성 고분자의 반응시 경화제를 첨가하는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 경화제는 우레탄 예비중합체를 경화 또는 경질화시키기 위하여 사용되는 화합물 또는 화합물의 혼합물이다. 경화제는 이소시아네이트기와 반응하여 예비중합체의 사슬을 함께 연결하여 폴리우레탄을 형성한다. 전형적으로 사용되는 일반적인 경화제는 MBCA로 약칭되고 종종 상표명 모카(MOCA; 등록상표)로 칭해지는 4,4'-메틸렌-비스(2-클로로아닐린) 메틸렌; MCDEA로 약칭되는 4,4'-메틸렌-비스-(3-클로로-2,6-디에틸아닐린); 디메틸 티오톨루엔디아민, 트리메틸렌글리콜 디-p-아미노벤조에이트; 폴리테트라메틸렌옥시드 디-p-아미노벤조에이트; 폴리테트라메틸렌옥시드 모노-p-아미노벤조에이트; 폴리프로필렌옥시드 디-p-아미노 벤조에이트; 폴리프로필렌옥시드 모노-p-아미노벤조에이트; 1,2-비스(2-아미노페닐티오)에탄; 4,4'-메틸렌-비스-아닐린; 디에틸톨루엔디아민; 5-tert-부틸-2,4-톨루엔디아민, 3-tert-부틸-2,6-톨루엔디아민; 5-tert-아밀-2,4-톨루엔디아민, 3-tert-아밀-2,6-톨루엔디아민, 또는 클로로톨루엔디아민 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 투명한 고분자 수지 블럭은 기둥형인 것이며, 상기 주형에 프리폴리머를 주입하는 단계는 상기 기둥형의 수지 블럭을 포함하도록 주형의 나머지 부분에 상기 프리폴리머를 주입하는 것을 포함하고, 상기 경화제에 의해 상기 프리폴리머를 경화시킨 후 형성된 일체형 연마패드를 일정한 두께를 갖는 층으로 절단하는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 주형의 일부에 상기 투명한 고분자 수지 블럭을 위치시킨 후, 상기 주형의 나머지 부분에 상기 투명한 고분자 수지를 포함하도록 수지 블럭과 동일한 높이로 프리폴리머를 주입하는 것일 수 있다. 이후, 친수성 고분자 물질을 첨가하여 이산화탄소를 발생시킴으로써 프리폴리머 내 기공을 형성하고 상기 수지 블록을 포함하는 프리폴리머를 경화시켜 윈도우를 포함하는 연마패드 케이크를 형성할 수 있다. 케이크의 길이는 이용되는 특정 윈도우 재료 및 그 재료에 요구되는 경화 방법에 따라 종래의 연마 패드 케이크를 제조하는 방법에 따라 제조될 수 있다. 일단, 윈도우 및 프리폴리머 재료가 경화되면, 케이크는 각각 윈도우를 포함하는 원하는 폭의 연마 패드들로 벗겨질 수 있다.
본원의 제 2 측면에 따르면, 본원의 제 1 측면에 의해 제조되고, 이산화탄소 기공을 포함하는 다공성 연마패드를 제공한다.
본원의 제 2 측면에서, 본원의 제 1 측면과 동일하게 적용될 수 있는 설명은 중복을 회피하기 위해 생략하고, 본원의 제 1 측면의 서술내용을 차용할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 본원의 제 1 측면에 따른 프리폴리머와 친수성 고분자 물질의 반응에 의하여 이산화탄소를 발생시키는 경우, 반응의 온도, 교반 속도, 교반시간 등을 조절함으로써 프리폴리머와 친수성 고분자 물질의 반응의 정도를 통해 이산화탄소 발생량을 제어할 수 있기 때문에 다공성 연마패드의 기공의 크기와 기공률을 용이하게 제어할 수 있다. 특히, 연마패드 내 공극을 형성하기 위한 기존의 제조방법에 의하면 기공의 크기와 공극률의 정교한 조절이 어렵고, 약 50 μm 이하의 균일한 기공의 제작이 용이하지 않았다.
따라서, 제 2 측면의 연마패드는 이산화탄소 기체에 의한 기공을 포함하게 되며, 바람직한 상기 기공의 크기는 약 1 μm 내지 약 200 μm 인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
또한, 제 2 측면의 연마패드는 이산화탄소 기체에 의한 기공을 포함하게 되며, 바람직한 상기 공극률은 약 1 % 내지 약 60% 인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 또한, 본원의 제 1 측면에 의해 제조된 본원의 제 2 측면의 연마패드는 기존의 연마패드가 물리적 발포제를 사용하여 기공을 형성함에 있어서 상기 발포제가 패드의 완성 후에도 패드 상에 잔류하여 연마공정에서 연마대상에 결함을 발생시키는 문제가 있었던 것과는 달리, 발포제에 의한 불순물이 발생하지 않아 결함발생을 방지한다. 본원의 제조방법에서 이산화탄소 기공을 형성하기 위하여 사용되는 친수성 고분자 물질은 화학적-기계적 연마 공정 중에 슬러리 또는 증류수에 용해되어 제거되는 것으로서 연마대상에 영향을 주지 않을 수 있다.
또한, 제 2 측면의 연마패드는 윈도우를 일체형으로 포함함으로써, 기존의 연마패드가 연마공정 중에 발생하는 슬러리, 부산물 등이 측정기에 유입되어 오류를 발생시키거나 패드의 물성저하를 초래하였던 문제점을 방지할 수 있다. 특히, 기존의 연마패드는 웨이퍼의 평탄화 공정 동안 연마패드가 압축될 때, 틈이 윈도우와 연마 패드 사이의 표면에 형성됨으로써 오염이 틈 사이에 축적되어 웨이퍼의 전면을 스크래칭하거나 광학적 간섭을 야기하였으므로, 작은 틈이라도 생기는 것이 바람직하지 않았다.
본원의 일 구현예에 따라 제조된 연마패드의 윈도우와 연마패드의 계면을 SEM으로 촬영한 것을 도 3 에 나타내었다. 이를 참조하면 본원의 제조방법에 의해 제조된 패드의 경우 윈도우와 패드의 수지 부분이 일체형으로 결합된 형태임을 확인할 수 있다.
기공이 없는 투명한 고분자 수지로서 일정한 두께를 갖는 기둥 또는 sheet 형태의 우레탄을 준비하였다. 상기 투명한 우레탄 수지를 주형 내 윈도우를 설치하고자 하는 위치에 삽입하였다. 프리폴리머를 준비하여 50℃ 내지 80℃로 가열한 후, 입자의 크기가 10 μm 내지 100 μm 인 파우더 형태의 폴리비닐알코올을 혼합하였다. 상기 폴리비닐알코올은 수분을 흡수하는 역할을 하는 것으로서, 0.01% 내지 10%의 수분을 함유하는 폴리비닐알코올 파우더를 1% 내지 50%의 습도를 갖는 분위기 하에서 1 내지 48 시간 동안 보관하여 함수율이 0.05% 내지 10% 이 되도록 준비하였다. 상기 프리폴리머와 폴리비닐알코올의 혼합물을 125℃의 오븐에 넣고 가열하며 경화제로서 용융시킨 4,4'-메틸렌-비스(2-클로로아닐린) 메틸렌을 주입한 후 30초 동안 교반하였다. 상기 교반 공정에서 폴리비닐알코올에 함유된 수분이 프리폴리머의 이소시아네이트기와 반응하여 상기 프리폴리머 내에 이산화탄소를 발생시킴으로써 우레탄 수지 내부에 기공을 형성하게 된다. 교반이 끝난 수지는 단차가 거의 없는 플레이트 또는 일정한 형틀에 도포하였다. 이때 플레이트 또는 형틀은 100℃ 오븐에서 1 시간 이상 가열된 것을 사용하였으며, 상기 플레이트 또는 형틀에 상기 수지를 도포한 후 100℃ 오븐에 넣어 24 시간 이상 경화시켰다. 경화가 끝난 후 우레탄을 형틀에서 분리하여 1 mm 내지 3 mm 두께로 절단하였다.
본원의 상기 실시예 1 에 따라 제조된 연마패드와 종래의 연마 패드의 연마성능을 비교하기 위하여, 종래의 연마패드로서 구형의 기공이 충전된 폴리우레탄 매트릭스로 이루어진 연마패드를 시판중인 실리콘 웨이퍼를 연마하기 위해 사용하였다. 연마대상인 상기 실리콘 웨이퍼의 표면층의 조성물은 이산화규소이다. 상기 웨이퍼는 시판중인 실리카계 연마 슬러리와 연마기의 부품으로서 공급되는 결합된 다이아몬드 패드 컨디셔너를 사용하는 시판중인 웨이퍼 연마기(AP-300) 상에서 연마하였다. 패드는 각각의 웨이퍼를 연마하기 전에 15 분 동안 컨디셔닝 시켰다. 상기 컨디셔닝의 작용은 일련의 불규칙하게 배열된 미소균열 또는 홈을 패드 표면에 형성하는 것으로서 상기 컨디셔닝에 의해 패드 상에 피치가 0.085 inch이고 깊이가 0.040 inch인 일련의 홈을 생성하였다. 또한, 사용되는 연마조건은 압력 9 psi, 가압판 속도 95 rpm, 캐리어 속도 90 rpm 및 연마 시간은 1 분이었다. 상기한 조건을 본 실험예 및 기타의 모든 실험예에 대해 일정하게 유지함으로써 본원의 제조방법에 따른 연마패드와 기존의 연마패드의 성능을 직접 대조할 수 있게 하였다.
기존의 연마패드의 경우 상기 연마조건에 따라 연마를 실시한 경우, 시험 웨이퍼에 대해 2,000 Å/min 이하의 재료제거율이 관찰되었다.
반면, 본원의 제조방법에 따른 연마패드를 사용하는 경우, 3,000 Å/min 이하의 높고 균일한 재료제거율이 관찰되었으며, 또한 전체 웨이퍼에 걸쳐 재료제거율의 불균일성이 매우 낮았다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 투명 고분자 수지 블럭
200: 프리폴리머

Claims (10)

  1. 주형의 일부분에 투명한 고분자 수지 블럭을 위치시키는 단계;
    상기 주형에 프리폴리머(prepolymer)를 주입하는 단계;
    상기 프리폴리머(prepolymer)상에 파우더 상태의 친수성 고분자 물질을 첨가하는 단계; 및
    상기 프리폴리머와 상기 친수성 고분자 물질의 반응에 의해 이산화탄소를 발생시켜 상기 프리폴리머 내 기공을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 친수성 고분자 파우더의 함수율은 0.05% 내지 10% 인 것인,
    다공성 연마 패드의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명한 고분자 수지 블럭은 아크릴계, 폴리에스테르계, 우레탄계, 또는 폴리에테르계 고분자 수지를 포함하는 것인, 다공성 연마 패드의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명한 고분자 수지 블럭은 상기 프리폴리머와 일체형을 이루는 것인, 다공성 연마 패드의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 친수성 고분자 물질은 폴리비닐알코올(PVA), 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리바이닐아세테이트(PVAc), 폴리아크릴산, 폴리에틸렌옥시드, 또는 술폰화이소프렌을 포함하는 것인, 다공성 연마 패드의 제조 방법.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 프리폴리머 내 기공을 형성하는 단계는 상기 프리폴리머와 상기 친수성 고분자의 반응시 경화제를 첨가하는 것을 포함하는 것인, 다공성 연마 패드의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 경화제는 4,4'-메틸렌-비스(2-클로로아닐린) 메틸렌, 4,4'-메틸렌 비스-(3-클로로-2,6-디에틸아닐린), 디메틸 티오톨루엔디아민, 트리메틸렌글리콜 디-p-아미노벤조에이트, 폴리테트라메틸렌옥시드 디-p-아미노벤조에이트, 폴리테트라메틸렌옥시드 모노-p-아미노벤조에이트, 폴리프로필렌옥시드 디-p-아미노 벤조에이트, 폴리프로필렌옥시드 모노-p-아미노벤조에이트, 1,2-비스(2-아미노페닐티오)에탄, 4,4'-메틸렌-비스-아닐린, 디에틸톨루엔디아민, 5-tert-부틸-2,4-톨루엔디아민, 3-tert-부틸-2,6-톨루엔디아민, 5-tert-아밀-2,4-톨루엔디아민, 3-tert-아밀-2,6-톨루엔디아민 또는 클로로톨루엔디아민을 포함하는 것인, 다공성 연마 패드의 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명한 고분자 수지 블럭은 기공이 없는 것인, 다공성 연마 패드의 제조 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 투명한 고분자 수지 블럭은 기둥형인 것이며,
    상기 주형에 프리폴리머를 주입하는 단계는 상기 기둥형의 수지 블럭을 포함하도록 주형의 나머지 부분에 상기 프리폴리머를 주입하는 것을 포함하고,
    상기 경화제에 의해 상기 프리폴리머를 경화시킨 후 형성된 일체형 연마패드를 일정한 두께를 갖는 층으로 절단하는 것을 포함하는 것인,
    다공성 연마 패드의 제조 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 4 항 및 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 의해 제조되고, 이산화탄소 기공을 포함하는, 다공성 연마 패드.
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