KR102202076B1 - 연마패드용 조성물, 연마패드 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

구현예에 따른 조성물은 우레탄계 예비중합체 내의 사슬을 구성하는 올리고머들의 조성이 조절되어 겔화 시간 등의 물성이 제어될 수 있다. 따라서 상기 구현예에 따른 조성물을 경화시켜 얻은 연마패드는 미세 포어 특성, 연마율 및 패드 절삭률이 제어될 수 있으므로, 상기 연마패드를 이용하여 높은 품질의 반도체 소자를 효율적으로 제조할 수 있다.

Description

연마패드용 조성물, 연마패드 및 이의 제조방법{COMPOSITION FOR POLISHING PAD, POLISHING PAD AND PREPARATION METHOD THEREOF}
구현예들은 반도체의 화학적 기계적 평탄화(CMP) 공정에 사용될 수 있는 다공성 폴리우레탄 연마패드용 조성물, 다공성 폴리우레탄 연마패드 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
반도체 제조공정 중 화학적 기계적 평탄화(CMP) 공정은, 웨이퍼(wafer)를 헤드에 부착하고 플래튼(platen) 상에 형성된 연마패드의 표면에 접촉하도록 한 상태에서, 슬러리를 공급하여 웨이퍼 표면을 화학적으로 반응시키면서 플래튼과 헤드를 상대운동시켜 기계적으로 웨이퍼 표면의 요철부분을 평탄화하는 공정이다.
연마패드는 이와 같은 CMP 공정에서 중요한 역할을 담당하는 필수적인 원부자재로서, 일반적으로 폴리우레탄 수지로 이루어지고, 상기 폴리우레탄 수지는 디이소시아네이트 모노머와 폴리올을 반응시켜 얻은 예비중합체, 경화제, 발포제 등을 포함한다.
또한 연마패드는 표면에 슬러리의 큰 유동을 담당하는 그루브(groove)와 미세한 유동을 지원하는 포어(pore)를 구비하며, 상기 포어는 공극을 갖는 고상 발포제, 불활성 가스, 액상 재료, 섬유질 등을 이용하여 형성하거나, 또는 화학적 반응에 의해 가스를 발생시켜 형성된다.
한국 공개특허공보 제 2016-0027075 호
연마패드를 제조하는데 사용되는 우레탄계 예비중합체(prepolymer)는 모노머에 따라 물성이 변하며, 이는 화학적 기계적 평탄화(CMP) 공정의 성능에 크게 영향을 미친다. 따라서 우레탄계 예비중합체의 조성과 물성을 조절하는 것은 연마패드의 성능을 제어하는데 있어 매우 중요하다.
이에 본 발명자들이 연구한 결과, 우레탄계 예비중합체 내의 사슬을 구성하는 올리고머들의 조성에 따라 겔화 시간이 변화되고, 그에 따라 연마패드의 신율과 포어 입경이 달라짐으로써 연마율 등의 CMP 성능에 영향을 미침을 발견하게 되었다. 특히 본 발명자들은 우레탄계 예비중합체의 제조에 사용되는 방향족 디이소시아네이트 모노머와 폴리올의 반응에 의해 생성된 올리고머들의 조성에 주목하였다.
따라서 구현예들은, 우레탄계 예비중합체 내의 사슬을 구성하는 올리고머들의 조성을 조절하여 물성을 제어한 조성물, 상기 조성물의 제조방법, 이를 이용하여 연마패드를 제조하는 방법, 상기 조성물로부터 얻은 연마패드, 및 상기 연마패드를 이용하여 반도체를 제조하는 방법을 제공하고자 한다.
일 구현예에 따르면, 우레탄계 예비중합체, 경화제 및 발포제를 포함하고, 우레탄계 예비중합체, 경화제 및 발포제를 포함하고, 상기 우레탄계 예비중합체는 하기 화학식 1에서 n이 0 또는 1인 제 1 올리고머; 및 하기 화학식 1에서 n이 2 또는 3인 제 2 올리고머를 포함하는, 조성물이 제공된다.
[화학식 1]
Figure 112018130480728-pat00001
다른 구현예에 따르면, 상기 화학식 1에서 n이 0 또는 1인 제 1 올리고머를 제조하는 단계; 상기 화학식 1에서 n이 2 또는 3인 제 2 올리고머를 제조하는 단계; 상기 제 1 올리고머 및 상기 제 2 올리고머를 포함하는 우레탄계 예비중합체를 제조하는 단계; 및 상기 우레탄계 예비중합체, 경화제 및 발포제를 혼합하는 단계를 포함하는, 조성물의 제조방법이 제공된다.
또 다른 구현예에 따르면, 우레탄계 예비중합체를 포함하는 제 1 원료 조성물을 준비하는 단계; 경화제를 포함하는 제 2 원료 조성물을 준비하는 단계; 발포제를 포함하는 제 3 원료 조성물을 준비하는 단계; 상기 제 1 원료 조성물을 상기 제 2 원료 조성물 및 상기 제 3 원료 조성물과 순차 또는 동시 혼합하여 원료 혼합물을 제조하는 단계; 및 상기 원료 혼합물을 금형 내에 주입하여 경화하는 단계;를 포함하고, 상기 우레탄계 예비중합체는 앞서 일 구현예에 따른 조성물에 포함된 우레탄계 예비중합체와 같은 구성을 갖는, 연마패드의 제조방법이 제공된다.
또 다른 구현예에 따르면, 폴리우레탄 수지 및 상기 폴리우레탄 수지 내에 분산된 다수의 미세 포어들을 포함하고, 상기 폴리우레탄 수지는 우레탄계 예비중합체로부터 유래된 것이고, 상기 우레탄계 예비중합체는 앞서 일 구현예에 따른 조성물에 포함된 우레탄계 예비중합체와 같은 구성을 갖는, 연마패드가 제공된다.
또 다른 구현예에 따르면, 연마패드를 이용하여 웨이퍼의 표면을 연마하는 단계를 포함하고, 상기 연마패드는 폴리우레탄 수지 및 상기 폴리우레탄 수지 내에 분산된 다수의 미세 포어들을 포함하고, 상기 폴리우레탄 수지는 우레탄계 예비중합체로부터 유래된 것이고, 상기 우레탄계 예비중합체는 앞서 일 구현예에 따른 조성물에 포함된 우레탄계 예비중합체와 같은 구성을 갖는, 반도체 소자의 제조방법이 제공된다.
상기 구현예에 따른 조성물은 우레탄계 예비중합체 내의 사슬을 구성하는 올리고머들의 조성이 조절되어 겔화 시간 등의 물성이 제어될 수 있다. 따라서 상기 구현예에 따른 조성물을 경화시켜 얻은 연마패드는 미세 포어 특성, 연마율 및 패드 절삭률이 제어될 수 있으므로, 상기 연마패드를 이용하여 높은 품질의 반도체 소자를 효율적으로 제조할 수 있다.
도 1, 도 2 및 도 3은 각각 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1에서 제조된 우레탄계 예비중합체를 MALDI(matrix-assisted laser desorption/ionization) 분석을 수행한 결과를 나타낸 것이다.
도 4a, 4b 및 4c는 각각 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1의 조성물을 경화시켜 얻은 연마패드의 포어의 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 5는 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1의 연마패드의 연마율(removal rate)를 나타낸 것이다.
도 6은 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1의 연마패드의 패드 절삭률(pad cut rate)를 나타낸 것이다.
이하의 구현예의 설명에 있어서, 각 층, 패드 또는 시트 등이 각 층, 패드 또는 시트 등의 "상(on)" 또는 "하(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(on)"과 "하(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 구성요소를 개재하여(indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다.
또한 각 구성요소의 상/하에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
또한, 본 명세서에 기재된 구성성분의 물성 값, 치수 등을 나타내는 모든 수치 범위는 특별한 기재가 없는 한 모든 경우에 "약"이라는 용어로 수식되는 것으로 이해하여야 한다.
[연마패드용 조성물]
일 구현예에 따른 조성물은, 우레탄계 예비중합체, 경화제 및 발포제를 포함한다. 이하 각 구성성분별로 구체적으로 설명한다.
우레탄계 예비중합체
예비중합체(prepolymer)란 일반적으로 최종 성형품을 제조함에 있어서 성형하기 쉽도록 중합도를 중간 단계에서 중지시킨 비교적 낮은 분자량을 갖는 고분자를 의미한다. 예를 들어, 상기 우레탄계 예비중합체의 중량평균분자량(Mw)은 500 g/mol 내지 3,000 g/mol, 600 g/mol 내지 2,000 g/mol, 또는 700 g/mol 내지 1,500 g/mol일 수 있다. 예비중합체는 그 자체로 또는 다른 중합성 화합물이나 경화제와 더 반응시킨 후 최종 제품으로 형성될 수 있다.
상기 우레탄계 예비중합체는 1종 이상의 디이소시아네이트 모노머와 1종 이상의 폴리올의 예비중합 반응생성물일 수 있다.
상기 1종 이상의 디이소시아네이트 모노머는 1종 이상의 방향족 디이소시아네이트 모노머 및/또는 1종 이상의 지방족 디이소시아네이트 모노머일 수 있으며, 예를 들어, 톨루엔 디이소시아네이트(toluene diisocyanate, TDI), 나프탈렌-1,5-디이소시아네이트(naphthalene-1,5-diisocyanate), 파라-페닐렌 디이소시아네이트(p-phenylene diisocyanate), 톨리딘 디이소시아네이트(tolidine diisocyanate), 디페닐메탄 디이소시아네이트(diphenylmethane diisocyanate, MDI), 헥사메틸렌 디이소시아네이트(hexamethylene diisocyanate, HDI), 디사이클로헥실메탄 디이소시아네이트(dicyclohexylmethane diisocyanate, H12MDI), 이소포론 디이소시아네이트(isophorone diisocyanate) 등으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 이소시아네이트일 수 있다.
구체적인 예로서, 상기 1종 이상의 디이소시아네이트 모노머는 1종 이상의 방향족 디이소시아네이트 모노머를 포함하며, 상기 1종 이상의 방향족 디이소시아네이트 모노머는 톨루엔 2,4-디이소시아네이트 및 톨루엔 2,6-디이소시아네이트를 포함할 수 있다.
구체적인 다른 예로서, 상기 1종 이상의 디이소시아네이트 모노머는 1종 이상의 지방족 디이소시아네이트 모노머를 더 포함하며, 상기 1종 이상의 지방족 디이소시아네이트 모노머는 디페닐메탄 디이소시아네이트(MDI), 헥사메틸렌 디이소시아네이트(HDI), 디사이클로헥실메탄 디이소시아네이트(H12MDI) 등일 수 있다.
상기 폴리올은 2개 이상의 하이드록실기를 갖는 화합물을 의미하며, 단분자형 폴리올과 고분자형 폴리올을 포함할 수 있다.
상기 단분자형 폴리올의 예로는 에틸렌글리콜(EG), 디에틸렌글리콜(DEG), 프로필렌글리콜(PG), 프로판디올(PDO), 메틸프로판디올(MP-diol) 등을 들 수 있으며, 상기 고분자형 폴리올의 예로는 폴리에테르 폴리올(polyether polyol), 폴리에스테르 폴리올(polyester polyol), 폴리카보네이트 폴리올(polycarbonate polyol), 폴리카프로락톤 폴리올(polycarprolactone polyol) 등을 들 수 있다. 상기 고분자형 폴리올은 300 g/mol 내지 3,000 g/mol의 중량평균분자량을 가질 수 있다.
구체적인 일례로서 상기 폴리올은 디에틸렌글리콜(DEG) 및 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜(PTMEG)을 포함할 수 있다.
예비중합체 내의 사슬 구성
상기 우레탄계 예비중합체는 디이소시아네이트 모노머와 폴리올 간의 다양한 분자량의 중합 반응물을 포함한다.
구체적으로, 상기 우레탄계 예비중합체는 방향족 디이소시아네이트 모노머와 폴리올 간의 다양한 분자량의 올리고머들을 포함한다.
보다 구체적으로, 상기 우레탄계 예비중합체는 톨루엔 디이소시아네이트(TDI)와 디에틸렌글리콜(DEG) 간의 다양한 분자량의 올리고머들을 포함한다.
상기 구현예에 따른 조성물에 포함되는 우레탄계 예비중합체는 하기 화학식 1에서 n이 0 또는 1인 제 1 올리고머; 및 하기 화학식 1에서 n이 2 또는 3인 제 2 올리고머를 포함한다.
[화학식 1]
Figure 112018130480728-pat00002
예를 들어, 상기 우레탄계 예비중합체는 상기 제 1 올리고머와 상기 제 2 올리고머를 1:0.1 내지 1:10의 중량비, 1:0.2 내지 1:5의 중량비, 1:0.5 내지 1:2의 중량비, 또는 1:0.6 내지 1:1.5의 중량비로 포함할 수 있다.
구체적인 일례로서, 상기 우레탄계 예비중합체는 상기 제 1 올리고머와 상기 제 2 올리고머를 1:0.2 내지 1:5의 중량비로 포함할 수 있다.
또한, 상기 우레탄계 예비중합체는 상기 화학식 1에서 n이 4 내지 6의 정수인 제 3 올리고머를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 우레탄계 예비중합체는 상기 제 1 올리고머, 상기 제 2 올리고머 및 상기 제 3 올리고머를 1:0.1:0.1 내지 1:10:10의 중량비, 1:0.2:0.2 내지 1:5:5의 중량비, 1:0.5:0.5 내지 1:2:2의 중량비, 또는 1:0.6:0.6 내지 1:1.5:1.5의 중량비로 포함할 수 있다.
구체적인 일례로서, 상기 우레탄계 예비중합체는 상기 제 1 올리고머, 상기 제 2 올리고머 및 상기 제 3 올리고머를 1:0.2:0.1 내지 1:5:10의 중량비로 포함할 수 있다.
상기 제 1 올리고머는 상기 화학식 1에서 n이 0인 올리고머이거나 n이 1인 올리고머이거나 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
상기 제 2 올리고머는 상기 화학식 1에서 n이 2인 올리고머이거나 n이 3인 올리고머이거나 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
상기 제 3 올리고머는 상기 화학식 1에서 n이 4인 올리고머이거나 n이 5인 올리고머이거나 n이 6인 올리고머이거나 또는 이들 중 적어도 둘의 혼합물일 수 있다.
따라서 상기 제 1 올리고머, 상기 제 2 올리고머, 상기 제 3 올리고머를 포함하는 조성물은 다양한 조성을 가질 수 있다.
일례로서, 상기 조성물은 상기 화학식 1에서 n이 0인 올리고머 및 n이 1인 올리고머 중 적어도 어느 하나, 및 상기 화학식 1에서 n이 2인 올리고머 및 n이 3인 올리고머 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다른 예로서, 상기 조성물은 상기 화학식 1에서 n이 0인 올리고머 및 n이 1인 올리고머 중 적어도 어느 하나, 상기 화학식 1에서 n이 2인 올리고머 및 n이 3인 올리고머 중 적어도 하나, 및 상기 화학식 1에서 n이 4인 올리고머, n이 5인 올리고머 및 n이 6인 올리고머 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또 다른 예로서, 상기 조성물은 상기 화학식 1에서 n이 0인 올리고머, n이 1인 올리고머 및 n이 2인 올리고머를 포함할 수 있다.
또 다른 예로서, 상기 조성물은 상기 화학식 1에서 n이 0인 올리고머, n이 1인 올리고머, n이 2인 올리고머 및 n이 3인 올리고머를 포함할 수 있다.
또 다른 예로서, 상기 조성물은 상기 화학식 1에서 n이 0인 올리고머, n이 1인 올리고머, n이 2인 올리고머, n이 3인 올리고머 및 n이 4인 올리고머를 포함할 수 있다.
또 다른 예로서, 상기 조성물은 상기 화학식 1에서 n이 0인 올리고머, n이 1인 올리고머, n이 2인 올리고머, n이 3인 올리고머, n이 4인 올리고머 및 n이 5인 올리고머를 포함할 수 있다.
또 다른 예로서, 상기 조성물은 상기 화학식 1에서 n이 0인 올리고머, n이 1인 올리고머, n이 2인 올리고머, n이 3인 올리고머, n이 4인 올리고머, n이 5인 올리고머 및 n이 6인 올리고머를 포함할 수 있다.
상기 구현예에 따른 조성물에 포함되는 우레탄계 예비중합체는 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 더 포함할 수 있다.
[화학식 2]
Figure 112018130480728-pat00003
상기 식에서 p는 5 내지 30의 정수이다.
또는 상기 p는 1 내지 100, 3 내지 50, 또는 10 내지 20의 정수일 수 있다.
반응된 디이소시아네이트 모노머
상기 우레탄계 예비중합체 내에서 상기 디이소시아네이트 모노머는 적어도 1개의 NCO기가 우레탄 반응되어(즉 2개의 NCO기가 우레탄 반응되거나 또는 1개의 NCO기가 우레탄 반응되어) 예비중합체 내의 사슬을 구성할 수 있다.
본 명세서에서, 우레탄 반응이라 함은 디이소시아네이트 모노머의 NCO기가 폴리올의 OH기와 반응하여 우레탄 그룹을 형성하여 연결되는 것을 의미한다.
특히 상기 우레탄계 예비중합체의 제조에 사용되는 1종 이상의 디이소시아네이트 모노머는 1종 이상의 방향족 디이소시아네이트 모노머를 포함하며, 이와 같은 1종 이상의 방향족 디이소시아네이트 모노머는 높은 비율로 예비중합 반응에 관여할 수 있다.
예를 들어, 상기 우레탄계 예비중합체는, 상기 1종 이상의 방향족 디이소시아네이트 모노머의 총 중량을 기준으로, 적어도 1개의 NCO기가 우레탄 반응된 방향족 디이소시아네이트 모노머를 50 중량% 내지 99 중량%, 60 중량% 내지 99 중량%, 70 중량% 내지 99 중량%, 80 중량% 내지 99 중량%, 또는 90 중량% 내지 99 중량%로 포함할 수 있다.
특히, 상기 우레탄계 예비중합체는, 상기 1종 이상의 방향족 디이소시아네이트 모노머의 총 중량을 기준으로, 2개의 NCO기가 우레탄 반응된 방향족 디이소시아네이트 모노머를 10 중량% 내지 40 중량%, 10 중량% 내지 35 중량%, 15 중량% 내지 35 중량%, 20 중량% 내지 35 중량%, 10 중량% 내지 30 중량%, 20 중량% 내지 30 중량%, 15 중량% 내지 25 중량%, 또는 10 중량% 내지 25 중량%로 포함할 수 있다.
또한, 상기 우레탄계 예비중합체는, 상기 1종 이상의 방향족 디이소시아네이트 모노머의 총 중량을 기준으로, 1개의 NCO기가 우레탄 반응된 방향족 디이소시아네이트 모노머를 50 중량% 내지 90 중량%, 60 중량% 내지 90 중량%, 70 중량% 내지 90 중량%, 80 중량% 내지 90 중량%, 50 중량% 내지 80 중량%, 또는 60 중량% 내지 80 중량%로 포함할 수 있다.
이때 상기 우레탄계 예비중합체는 상기 2개의 NCO기가 우레탄 반응된 방향족 디이소시아네이트 모노머, 및 상기 2개의 NCO기가 우레탄 반응된 방향족 디이소시아네이트 모노머를 0.1:1 내지 1:1의 중량비, 0.2:1 내지 1:1의 중량비, 0.2:1 내지 0.5:1의 중량비, 0.3:1 내지 1:1의 중량비, 또는 0.3:1 내지 0.5:1의 중량비로 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 1종 이상의 방향족 디이소시아네이트 모노머는 톨루엔 2,4-디이소시아네이트 및 톨루엔 2,6-디이소시아네이트를 포함할 수 있고, 이때 상기 우레탄계 예비중합체는 상기 1종 이상의 방향족 디이소시아네이트 모노머의 총 중량을 기준으로, 적어도 1개의 NCO기가 우레탄 반응된 톨루엔 2,4-디이소시아네이트 및 적어도 1개의 NCO기가 우레탄 반응된 톨루엔 2,6-디이소시아네이트를 총 90 중량% 내지 98 중량%, 93 중량% 내지 98 중량%, 또는 95 중량% 내지 98 중량%로 포함할 수 있다.
또한, 상기 우레탄계 예비중합체는, 상기 1종 이상의 방향족 디이소시아네이트 모노머의 총 중량을 기준으로, 2개의 NCO기가 우레탄 반응된 톨루엔 2,4-디이소시아네이트를 10 중량% 내지 40 중량%, 10 중량% 내지 35 중량%, 15 중량% 내지 35 중량%, 20 중량% 내지 35 중량%, 10 중량% 내지 30 중량%, 20 중량% 내지 30 중량%, 또는 10 중량% 내지 25 중량%로 포함할 수 있다.
또한, 상기 우레탄계 예비중합체는, 상기 1종 이상의 방향족 디이소시아네이트 모노머의 총 중량을 기준으로, 1개의 NCO기가 우레탄 반응된 톨루엔 2,4-디이소시아네이트를 40 중량% 내지 80 중량%, 45 중량% 내지 75 중량%, 45 중량% 내지 70 중량%, 50 중량% 내지 65 중량%, 45 중량% 내지 65 중량%, 45 중량% 내지 60 중량%, 60 중량% 내지 75 중량%, 또는 60 중량% 내지 70 중량%로 포함할 수 있다.
또한, 상기 우레탄계 예비중합체는, 상기 1종 이상의 방향족 디이소시아네이트 모노머의 총 중량을 기준으로, 1개의 NCO기가 우레탄 반응된 톨루엔 2,6-디이소시아네이트를 1 중량% 내지 30 중량%, 5 중량% 내지 25 중량%, 10 중량% 내지 25 중량%, 10 중량% 내지 20 중량%, 5 중량% 내지 20 중량%, 5 중량% 내지 15 중량%, 또는 10 중량% 내지 15 중량%로 포함할 수 있다.
미반응된 디이소시아네이트 모노머
또한 상기 우레탄계 예비중합체의 제조를 위한 반응에 사용된 화합물 중 일부는 반응에 관여하지 않을 수 있다.
따라서 상기 우레탄계 예비중합체 내에는 반응에 관여하지 않은 채로 남아 있는 화합물도 존재할 수 있다.
구체적으로 상기 우레탄계 예비중합체는 미반응된 디이소시아네이트 모노머를 포함할 수 있다. 본 명세서에서, '미반응된 디이소시아네이트 모노머'란, 2개의 NCO기가 모두 반응하지 않은 상태로 남아 있는 디이소시아네이트 모노머를 의미한다.
상기 우레탄계 예비중합체는, 상기 우레탄계 예비중합체의 중량을 기준으로, 미반응된 디이소시아네이트 모노머를 7 중량% 내지 10 중량%, 7 중량% 내지 9 중량%, 7 중량% 내지 8 중량%, 8 중량% 내지 10 중량%, 9 중량% 내지 10 중량%, 8 중량% 내지 9 중량%로 포함할 수 있다.
상기 우레탄계 예비중합체 내에 존재하는 미반응된 디이소시아네이트 모노머는, 미반응된 방향족 디이소시아네이트 모노머를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 우레탄계 예비중합체는, 상기 우레탄계 예비중합체의 중량을 기준으로, 미반응된 방향족 디이소시아네이트 모노머를 0.1 중량% 내지 5 중량%, 0.1 중량% 내지 3 중량%, 0.1 중량% 내지 2.3 중량%, 0.1 중량% 내지 1.5 중량%, 0.1 중량% 내지 1 중량%, 0.5 중량% 내지 2 중량%, 1 중량% 내지 2 중량%로 포함할 수 있다.
구체적인 일례로서, 상기 우레탄계 예비중합체는, 상기 우레탄계 예비중합체의 중량을 기준으로, 미반응된 방향족 디이소시아네이트 모노머를 0.1 중량% 내지 3 중량%로 포함할 수 있다.
상기 우레탄계 예비중합체의 반응에 사용되는 1종 이상의 방향족 디이소시아네이트 모노머가 톨루엔 2,4-디이소시아네이트 및 톨루엔 2,6-디이소시아네이트를 포함할 때, 이 중 톨루엔 2,6-디이소시아네이트는 상대적으로 반응성이 낮으므로 폴리올과 반응되지 않은 채로 우레탄계 예비중합체 내에 존재할 수 있다.
예를 들어 상기 우레탄계 예비중합체는, 상기 우레탄계 예비중합체의 중량을 기준으로, 미반응된 톨루엔 2,6-디이소시아네이트를 0.1 중량% 내지 10 중량%, 0.1 중량% 내지 8 중량%, 0.1 중량% 내지 6 중량%, 0.1 중량% 내지 4 중량%, 0.1 중량% 내지 3 중량%, 0.5 중량% 내지 4 중량%, 또는 1 중량% 내지 4 중량%로 포함할 수 있다.
또한 상기 우레탄계 예비중합체 내에 존재하는 미반응된 디이소시아네이트 모노머는, 미반응된 지방족 디이소시아네이트 모노머를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 우레탄계 예비중합체는, 상기 우레탄계 예비중합체의 중량을 기준으로, 미반응된 지방족 디이소시아네이트 모노머를 1 중량% 내지 20 중량%, 1 중량% 내지 15 중량%, 1 중량% 내지 10 중량%, 5 중량% 내지 20 중량%, 10 중량% 내지 20 중량%, 또는 5 중량% 내지 15 중량%로 포함할 수 있다.
또한, 상기 우레탄계 예비중합체는 미반응된 방향족 디이소시아네이트 모노머 및 미반응된 지방족 디이소시아네이트 모노머를 0.01:1 내지 1:1의 중량비, 0.05:1 내지 0.8:1의 중량비, 0.05:1 내지 0.7:1의 중량비, 0.05:1 내지 0.5:1의 중량비, 또는 0.05:1 내지 0.3:1의 중량비로 포함할 수 있다.
미반응된 NCO기 함량
상기 우레탄계 예비중합체는 이에 포함된 폴리머, 올리고머 또는 모노머의 말단에 미반응된 NCO기를 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 우레탄계 예비중합체는, 상기 우레탄계 예비중합체의 중량을 기준으로, 미반응된 NCO기를 5 중량% 내지 15 중량%, 5 중량% 내지 13 중량%, 8 중량% 내지 10 중량%, 9 중량% 내지 10 중량%, 7 중량% 내지 9 중량%, 또는 7 중량% 내지 8 중량%로 포함할 수 있다.
구체적인 일례로서, 상기 우레탄계 예비중합체가, 상기 우레탄계 예비중합체의 중량을 기준으로, 미반응된 NCO기를 7 중량% 내지 10 중량%로 포함할 수 있다. 이때 상기 우레탄계 예비중합체가, 상기 우레탄계 예비중합체의 중량을 기준으로, 상기 미반응된 방향족 디이소시아네이트 모노머를 1 중량% 내지 3 중량%로 포함할 수 있다. 또한 이때 상기 조성물이 100 초 내지 115 초의 겔화 시간을 가질 수 있다.
경화제
상기 경화제는 아민 화합물 및 알콜 화합물 중 1종 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 경화제는 방향족 아민, 지방족 아민, 방향족 알콜, 및 지방족 알콜로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 경화제는 4,4'-메틸렌비스(2-클로로아닐린)(MOCA), 디에틸톨루엔디아민(diethyltoluenediamine, DETDA), 디아미노디페닐 메탄(diaminodiphenyl methane), 디아미노디페닐 설폰(diaminodiphenyl sulphone), m-자일릴렌 디아민(m-xylylene diamine), 이소포론디아민(isophoronediamine), 에틸렌디아민(ethylenediamine), 디에틸렌트리아민(diethylenetriamine), 트리에틸렌테트라아민(triethylenetetramine), 폴리프로필렌디아민(polypropylenediamine), 폴리프로필렌트리아민(polypropylenetriamine), 에틸렌글리콜(ethyleneglycol), 디에틸렌글리콜(diethyleneglycol), 디프로필렌글리콜(dipropyleneglycol), 부탄디올(butanediol), 헥산디올(hexanediol), 글리세린(glycerine), 트리메틸올프로판(trimethylolpropane) 및 비스(4-아미노-3-클로로페닐)메탄(bis(4-amino-3-chlorophenyl)methane)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 우레탄계 프리폴리머 및 경화제는, 각각의 분자 내의 반응성 기(reactive group)의 몰 수 기준으로, 1:0.8 내지 1:1.2의 몰 당량비, 또는 1:0.9 내지 1:1.1의 몰 당량비로 혼합될 수 있다. 여기서 "각각의 반응성 기의 몰 수 기준"이라 함은, 예를 들어 우레탄계 프리폴리머의 이소시아네이트기의 몰 수와 경화제의 반응성 기(아민기, 알콜기 등)의 몰 수를 기준으로 하는 것을 의미한다. 따라서, 상기 우레탄계 프리폴리머 및 경화제는 앞서 예시된 몰 당량비를 만족하는 양으로 단위 시간당 투입되도록 투입 속도가 조절되어, 혼합 과정에 일정한 속도로 투입될 수 있다.
발포제
상기 발포제는 연마패드의 공극 형성에 통상적으로 사용되는 것이라면 특별히 제한하지 않는다.
예를 들어, 상기 발포제는 중공 구조를 가지는 고상 발포제, 휘발성 액체를 이용한 액상 발포제, 및 불활성 가스 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 고상 발포제는 열팽창되어 사이즈가 조절된 마이크로 캡슐(이하, '열팽창된 마이크로 캡슐'로 기재)일 수 있다. 상기 열팽창된 마이크로 캡슐은 열팽창성 마이크로 캡슐을 가열 팽창시켜 얻어진 것일 수 있다. 상기 열팽창된 마이크로 캡슐은 이미 팽창된 마이크로 벌룬의 구조체로서 균일한 크기의 입경을 가짐으로써 기공의 입경 크기를 균일하게 조절 가능한 장점을 갖는다. 구체적으로, 상기 고상 발포제는 5 ㎛ 내지 200 ㎛의 평균 입경을 갖는 마이크로 벌룬 구조체일 수 있다.
상기 열팽창성 마이크로 캡슐은 열가소성 수지를 포함하는 외피; 및 상기 외피 내부에 봉입된 발포제를 포함할 수 있다. 상기 열가소성 수지는 염화비닐리덴계 공중합체, 아크릴로니트릴계 공중합체, 메타크릴로니트릴계 공중합체 및 아크릴계 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 나아가, 상기 발포제는 탄소수 1 내지 7개의 탄화수소로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 고상 발포제는 우레탄계 예비중합체 100 중량부를 기준으로 0.1 중량부 내지 2.0 중량부의 양으로 사용될 수 있다. 구체적으로, 상기 고상 발포제는 우레탄계 프리폴리머 100 중량부를 기준으로 0.3 중량부 내지 1.5 중량부, 또는 0.5 중량부 내지 1.0 중량부의 양으로 사용될 수 있다.
상기 불활성 가스는 우레탄계 프리폴리머와 경화제 간의 반응에 참여하지 않는 가스라면 종류가 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 불활성 가스는 질소 가스(N2), 이산화탄소 가스(CO2), 아르곤 가스(Ar), 및 헬륨(He)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 불활성 가스는 질소 가스(N2) 또는 이산화탄소 가스(CO2)일 수 있다.
상기 불활성 가스는 폴리우레탄 조성물 총 부피의 10 % 내지 30 %에 해당하는 부피로 투입될 수 있다. 구체적으로, 상기 불활성 가스는 폴리우레탄 조성물 총 부피의 15 % 내지 30 %에 해당하는 부피로 투입될 수 있다.
겔화 시간
상기 조성물은 경화에 의해 겔화될 때까지 일정한 시간이 소요되는데, 이를 겔화 시간(gel time)이라고 한다.
상기 조성물의 겔화 시간은 50 초 이상, 70 초 이상, 80 초 이상, 또는 100 초 이상일 수 있다. 예를 들어 상기 조성물의 겔화 시간은 50 초 내지 200 초, 50 초 내지 150 초, 50 초 내지 100 초, 100 초 내지 200 초, 또는 150 초 내지 200 초일 수 있다. 구체적인 일례로서, 상기 조성물은 80 초 내지 130 초의 겔화 시간을 가질 수 있다.
상기 겔화 시간은 예를 들어 70℃에서 측정된 값일 수 있다.
경화 후의 특성
상기 조성물은 경화 후의 인장강도, 신율, 경도 등과 같은 기계적 물성이 특정 범위로 조절될 수 있다.
예를 들어 상기 조성물의 경화 후의 인장강도는 5 N/mm2 내지 30 N/mm2, 10 N/mm2 내지 25 N/mm2, 10 N/mm2 내지 20 N/mm2, 또는 15 N/mm2 내지 30 N/mm2 일 수 있다.
또한 상기 조성물의 경화 후의 신율은 50 % 내지 300 %, 100 % 내지 300 %, 150 % 내지 250 %, 또는 100 % 내지 200 %일 수 있다.
또한, 상기 조성물의 경화 후의 경도는 30 Shore D 내지 80 Shore D, 40 Shore D 내지 70 Shore D, 50 Shore D 내지 70 Shore D, 40 Shore D 내지 60 Shore D, 또는 50 Shore D 내지 60 Shore D일 수 있다.
구체적인 일례로서, 상기 조성물은 경화 후에 10 N/mm2 내지 23 N/mm2의 인장강도, 80 % 내지 250 %의 신율, 및 40 Shore D 내지 65 Shore D의 경도를 가질 수 있다.
상기 조성물은 경화 후에 다수의 미세 포어들을 가질 수 있다.
상기 미세 포어들의 평균 사이즈는 10 ㎛ 내지 50 ㎛, 20 ㎛ 내지 50 ㎛, 20 ㎛ 내지 40 ㎛, 20 ㎛ 내지 30 ㎛, 또는 30 ㎛ 내지 50 ㎛일 수 있다.
또한 상기 조성물은 경화 후의 연마율(removal rate)이 3000 Å/50초 내지 5000 Å/50초, 3000 Å/50초 내지 4000 Å/50초, 4000 Å/50초 내지 5000 Å/50초, 또는 3500 Å/50초 내지 4500 Å/50초일 수 있다.
또한 상기 조성물은 경화 후의 패드절삭률(pad cut rate)이 30 ㎛/hr 내지 60 ㎛/hr, 30 ㎛/hr 내지 50 ㎛/hr, 40 ㎛/hr 내지 60 ㎛/hr, 40 ㎛/hr 내지 50 ㎛/hr일 수 있다.
[조성물의 제조방법]
일 구현예에 따른 조성물의 제조방법은, 상기 화학식 1에서 n이 0 또는 1인 제 1 올리고머를 제조하는 단계; 상기 화학식 1에서 n이 2 또는 3인 제 2 올리고머를 제조하는 단계; 상기 제 1 올리고머 및 상기 제 2 올리고머를 포함하는 우레탄계 예비중합체를 제조하는 단계; 및 상기 우레탄계 예비중합체, 경화제 및 발포제를 혼합하는 단계를 포함한다.
상기 제 1 올리고머 및 상기 제 2 올리고머를 제조하는 단계는, 1종 이상의 디이소시아네이트 모노머와 1종 이상의 폴리올을 반응시켜 수행되며, 반응 당량비, 반응 시간 등의 반응 조건을 조절하여 상기 제 1 올리고머 및 상기 제 2 올리고머를 얻을 수 있다. 또는, 다양한 분자량의 올리고머들을 갖는 예비중합체를 제조한 뒤, 이를 정제하여 상기 제 1 올리고머 및 상기 제 2 올리고머를 얻을 수도 있다.
상기 제 1 올리고머 및 상기 제 2 올리고머를 포함하는 우레탄계 예비중합체를 제조하는 단계는, 상기 제 1 올리고머 및 상기 제 2 올리고머를 제조하는 단계와 동시에 또는 서로 연결되어 수행될 수 있다. 또는 상기 제 1 올리고머 및 상기 제 2 올리고머를 각각 먼저 제조한 뒤 이들을 혼합하여 상기 우레탄계 예비중합체를 얻을 수 있다.
이후 상기 우레탄계 예비중합체를 경화제 및 발포제와 혼합하여 조성물을 얻을 수 있다.
예를 들어 상기 우레탄계 예비중합체, 경화제, 발포제 및 첨가제를 우선 교반기에서 혼합하고, 이후 광개시제를 추가로 투입하여 제조될 수 있다. 이때 교반은 1,000 rpm 내지 10,000 rpm, 또는 4,000 rpm 내지 7,000 rpm으로 수행될 수 있다.
[연마패드의 제조방법]
일 구현예에 따른 연마패드의 제조방법은, 상기 일 구현예에 따른 조성물을 경화시키면서 성형하는 단계를 포함한다.
즉, 일 구현예에 따른 연마패드의 제조방법은, 우레탄계 예비중합체를 포함하는 제 1 원료 조성물을 준비하는 단계; 경화제를 포함하는 제 2 원료 조성물을 준비하는 단계; 발포제를 포함하는 제 3 원료 조성물을 준비하는 단계; 상기 제 1 원료 조성물을 상기 제 2 원료 조성물 및 상기 제 3 원료 조성물과 순차 또는 동시 혼합하여 원료 혼합물을 제조하는 단계; 및 상기 원료 혼합물을 금형 내에 주입하여 경화하는 단계;를 포함하고, 상기 우레탄계 예비중합체는 하기 화학식 1에서 n이 0 또는 1인 제 1 올리고머; 및 하기 화학식 1에서 n이 2 또는 3인 제 2 올리고머를 포함한다.
[화학식 1]
Figure 112018130480728-pat00004
구체적으로, 상기 원료 혼합물을 제조하는 단계는, 상기 제 1 원료 조성물을 상기 제 2 원료 조성물과 혼합한 후 상기 제 3 원료 조성물과 더 혼합하거나, 또는 상기 제 1 원료 조성물을 상기 제 3 원료 조성물과 혼합한 후 상기 제 2 원료 조성물과 더 혼합하여 수행될 수 있다.
또한, 상기 원료 혼합물을 제조하는 단계는, 50℃ 내지 150℃ 조건에서 수행될 수 있고, 필요에 따라, 진공 탈포 조건 하에서 수행될 수 있다.
상기 원료 혼합물을 금형 내에 주입하여 경화하는 단계는, 60℃ 내지 120℃ 온도 조건 및 50 kg/m2 내지 200 kg/m2 압력 조건 하에서 수행될 수 있다.
또한, 상기 제조방법은, 수득된 연마패드의 표면을 절삭하는 공정, 표면에 그루브를 가공하는 공정, 하층부와의 접착 공정, 검사 공정, 포장 공정 등을 더 포함할 수 있다. 이들 공정들은 통상적인 연마패드 제조방법의 방식대로 수행할 수 있다.
[연마패드]
일 구현예에 따른 연마패드는, 상기 일 구현예에 따른 조성물의 경화물 및 상기 경화물 내에 분산된 다수의 미세 포어들을 포함한다.
즉, 일 구현예에 따른 연마패드는, 폴리우레탄 수지 및 상기 폴리우레탄 수지 내에 분산된 다수의 미세 포어들을 포함하고, 상기 폴리우레탄 수지는 우레탄계 예비중합체로부터 유래된 것이고, 상기 우레탄계 예비중합체는 하기 화학식 1에서 n이 0 또는 1인 제 1 올리고머; 및 하기 화학식 1에서 n이 2 또는 3인 제 2 올리고머를 포함한다.
[화학식 1]
Figure 112018130480728-pat00005
상기 연마패드는 폴리우레탄 수지로 이루어지며, 상기 폴리우레탄 수지는 이소시아네이트 말단기를 갖는 우레탄계 예비중합체의 경화물(중합물)을 포함할 수 있다. 상기 폴리우레탄 수지의 중량평균분자량(Mw)은 500 g/mol 내지 1,000,000 g/mol, 5,000 g/mol 내지 1,000,000 g/mol, 50,000 g/mol 내지 1,000,000 g/mol, 100,000 g/mol 내지 700,000 g/mol, 또는 500 g/mol 내지 3,000 g/mol일 수 있다.
상기 연마패드의 두께는 0.8 mm 내지 5.0 mm, 1.0 mm 내지 4.0 mm, 1.0 mm 내지 3.0 mm, 1.5 mm 내지 2.5 mm, 1.7 mm 내지 2.3 mm, 또는 2.0 mm 내지 2.1 mm일 수 있다. 상기 범위 내일 때, 포어의 상하 부위별 입경 편차를 최소화하면서도 연마패드로서의 기본적 물성을 충분히 발휘할 수 있다.
상기 연마패드의 비중은 0.6 g/㎤ 내지 0.9 g/㎤, 또는 0.7 g/㎤ 내지 0.85 g/㎤일 수 있다.
또한 상기 연마패드는, 상기 예시된 물성 외에도, 앞서 일 구현예에 따른 조성물이 경화 후에 갖는 물성 및 포어 특성을 동일하게 가질 수 있다.
상기 연마패드의 경도는 30 Shore D 내지 80 Shore D, 40 Shore D 내지 70 Shore D, 50 Shore D 내지 70 Shore D, 40 Shore D 내지 60 Shore D, 또는 50 Shore D 내지 60 Shore D일 수 있다.
상기 연마패드의 인장강도는 5 N/mm2 내지 30 N/mm2, 10 N/mm2 내지 25 N/mm2, 10 N/mm2 내지 20 N/mm2, 또는 15 N/mm2 내지 30 N/mm2일 수 있다.
상기 연마패드의 신율은 50 % 내지 300 %, 100 % 내지 300 %, 150 % 내지 250 %, 또는 100 % 내지 200 %일 수 있다.
상기 미세 포어들은 상기 폴리우레탄 수지 내에 분산되어 존재한다.
상기 미세 포어들의 평균 사이즈는 10 ㎛ 내지 50 ㎛, 20 ㎛ 내지 50 ㎛, 20 ㎛ 내지 40 ㎛, 20 ㎛ 내지 30 ㎛, 또는 30 ㎛ 내지 50 ㎛일 수 있다. 구체적인 일례로서, 상기 미세 포어들은 21 ㎛ 내지 25 ㎛의 평균 사이즈를 가질 수 있다.
또한 상기 미세 포어들은 상기 연마패드의 0.3 cm2 면적당 100 개 내지 300 개, 150 개 내지 300 개, 또는 100 개 내지 250 개로 포함될 수 있다.
또한 상기 미세 포어들의 총 면적은 상기 연마패드의 총 면적을 기준으로 30 % 내지 60 %, 35 % 내지 50%, 또는 35 % 내지 43 %일 수 있다.
또한 상기 미세 포어들은 상기 연마패드의 총 부피를 기준으로 30 부피% 내지 70 부피%, 또는 40 부피% 내지 60 부피%로 포함될 수 있다.
상기 연마패드의 연마율(removal rate)은 3000 Å/50초 내지 5000 Å/50초, 3000 Å/50초 내지 4000 Å/50초, 4000 Å/50초 내지 5000 Å/50초, 또는 3500 Å/50초 내지 4500 Å/50초일 수 있다. 구체적인 일례로서, 상기 연마패드는 3500 Å/50초 내지 3900 Å/50초의 연마율(removal rate)을 가질 수 있다. 상기 연마율은 연마패드의 경화 직후(즉 제조 직후)의 초기 연마율일 수 있다. 초기 연마율이 상기 바람직한 범위 내일 때, 패드 글레이징(pad glazing) 현상을 억제하여, 이후의 반복되는 연마 공정에서 적정 수준의 우수한 연마율을 유지하는데 유리하다.
또한 상기 연마패드의 패드절삭률(pad cut rate)은 30 ㎛/hr 내지 60 ㎛/hr, 30 ㎛/hr 내지 50 ㎛/hr, 40 ㎛/hr 내지 60 ㎛/hr, 40 ㎛/hr 내지 50 ㎛/hr일 수 있다.
상기 연마패드는 표면에 기계적 연마를 위한 그루브(groove)를 가질 수 있다. 상기 그루브는 기계적 연마를 위한 적절한 깊이, 너비 및 간격을 가질 수 있고, 특별히 한정되지 않는다.
다른 구현예에 따른 연마패드는, 상부 패드 및 하부 패드를 포함하고, 이때 상기 상부 패드가 상기 일 구현예에 따른 연마패드와 동일한 조성 및 물성을 가질 수 있다.
상기 하부 패드는 상기 상부 패드를 지지하면서, 상기 상부 패드에 가해지는 충격을 흡수하고 분산시키는 역할을 한다. 상기 하부 패드는 부직포 또는 스웨이드를 포함할 수 있다.
또한, 상기 상부 패드 및 하부 패드 사이에는 접착층이 삽입될 수 있다.
상기 접착층은 핫멜트 접착제를 포함할 수 있다. 상기 핫멜트 접착제는 폴리우레탄계 수지, 폴리에스테르계 수지, 에틸렌-아세트산 비닐계 수지, 폴리아미드계 수지 및 폴리올레핀계 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 핫멜트 접착제는 폴리우레탄계 수지 및 폴리에스테르계 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
[반도체 소자의 제조방법]
일 구현예에 따른 반도체 소자의 제조방법은, 상기 일 구현예에 따른 연마패드를 이용하여 웨이퍼의 표면을 연마하는 단계를 포함한다.
즉, 일 구현예에 따른 반도체 소자의 제조방법은, 연마패드를 이용하여 웨이퍼의 표면을 연마하는 단계를 포함하고, 상기 연마패드는 폴리우레탄 수지 및 상기 폴리우레탄 수지 내에 분산된 다수의 미세 포어들을 포함하고, 상기 폴리우레탄 수지는 우레탄계 예비중합체로부터 유래된 것이고, 상기 우레탄계 예비중합체는 하기 화학식 1에서 n이 0 또는 1인 제 1 올리고머; 및 하기 화학식 1에서 n이 2 또는 3인 제 2 올리고머를 포함한다.
[화학식 1]
Figure 112018130480728-pat00006
구체적으로, 상기 일 구현예에 따른 연마패드를 정반 상에 접착한 후, 웨이퍼를 상기 연마패드 상에 배치한다. 이때, 상기 웨이퍼의 표면은 상기 연마패드의 연마면에 직접 접촉된다. 연마를 위해 상기 연마패드 상에 연마 슬러리가 분사될 수 있다. 이후, 상기 웨이퍼와 상기 연마패드는 서로 상대 회전하여, 상기 웨이퍼의 표면이 연마될 수 있다.
상기 일 구현예에 따른 연마패드는, 조성이 조절된 우레탄계 예비중합체를 경화시켜 얻어서 신율, 경도, 미세 포어 특성, 연마율 등이 우수하므로, 상기 연마패드를 이용하여 우수한 품질의 반도체 소자를 효율적으로 제조할 수 있다.
[실시예]
이하 실시예를 통해 보다 구체적으로 설명하나, 이들 실시예의 범위로 한정되는 것은 아니다.
실시예 및 비교예
톨루엔 2,4-디이소시아네이트(2,4-TDI), 톨루엔 2,6-디이소시아네이트(2,6-TDI), 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜(PTMEG) 및 디사이클로헥실메탄 디이소시아네이트(H12MDI)를 4구 플라스크에 투입하여 80℃에서 반응시키고, 디에틸렌글리콜(DEG)을 더 투입하여 80℃에서 추가 반응시킨 뒤 정제하여 다양한 분자량의 반응물 및 이를 포함하는 우레탄계 예비중합체를 제조하였다.
예비중합체, 경화제, 불활성 가스, 발포제 등의 원료를 각각 공급하기 위한 탱크 및 투입 라인이 구비된 캐스팅 장치를 준비하였다. 앞서 제조된 우레탄계 예비중합체, 경화제(비스(4-아미노-3-클로로페닐)메탄, Ishihara사), 불활성 가스(N2), 액상 발포제(FC3283, 3M사), 고상 발포제(Akzonobel사) 및 실리콘계 계면활성제(Evonik사)를 각각의 탱크에 충진하였다. 각각의 투입 라인을 통해 원료를 믹싱헤드에 일정한 속도로 투입하면서 교반하였다. 이때 예비중합체와 경화제는 1 : 1의 당량비 및 10kg/분의 합계량으로 투입되었다.
교반된 원료를 몰드(1,000mm x 1,000mm x 3 mm)에 토출하고 반응을 완결하여 고상 케이크 형태의 성형체를 얻었다. 이후 상기 성형체의 상단 및 하단을 각각 0.5mm 두께만큼씩 절삭하여 두께 2mm의 상부 패드를 얻었다.
이후 상부 패드에 대해 표면 밀링 및 그루브 형성 공정을 거치고, 핫멜트 접착제에 의해 하부 패드와 적층하였다.
상부 패드의 구체적인 공정 조건을 하기 표에 정리하였다.
구 분 실시예 1 실시예 2 비교예 1
상
부
패
드		 예비중합체의 미반응된 NCO기 함량 9.2 중량% 8.0 중량% 15 중량%
캐스팅 몰드 낱매 낱매 낱매
시트 가공 (캐스팅, 절삭, 그루브) 순차적 순차적 순차적
예비중합체 중량부 100 100 100
계면활성제 중량부 0.2~1.5 0.2~1.5 0.2~1.5
고상발포제 중량부 0.5~1.0 0.5~1.0 0.5~1.0
불활성 가스 투입량 (L/min) 0.5~1.5 0.5~1.5 0.5~1.5
시험예
상기 실시예 및 비교예에서 얻은 우레탄계 예비중합체 또는 연마패드를 아래의 항목에 대해 시험하여, 그 결과를 표 2에 나타내었다.
(1) 예비중합체의 MALDI 분석
예비중합체 샘플을 테트라하이드로퓨란(THF)에 용해시키고 매트릭스(matrix) 및 염(salt)과 혼합한 뒤, MALDI(matrix-assisted laser desorption/ionization) 측정 기기(UltrafleXtreme™, Bruker사)를 사용하여 분석하였다.
도 1 및 2에 실시예 1 및 2의 결과를 나타내었고, 도 3에 비교예 1의 결과를 나타내었다. 도 1에 나타난 피크들의 분자량 수치값은 MALDI 분석에서 염으로 사용된 Na+ 이온이 결합된 분자량이다.
도 1에서 보듯이, 상기 실시예 1의 MALDI 데이터에서는 상기 화학식 1에서 n이 0 내지 3인 올리고머들이 관찰되었다(하기 표 참조).
n 값 0 1 2 3
실시예 1 477.141 756.987 1037.236 1317.427
또한 도 2에서 보듯이, 상기 실시예 2의 MALDI 데이터에서는 상기 화학식 1에서 n이 0 내지 6인 올리고머들이 관찰되었다(하기 표 참조).
n 값 0 1 2 3 4 5 6
실시예 2 477.158 757.362 1037.539 1317.776 1598.983 1879.282 2159.376
또한 도 3에서 보듯이, 상기 비교예 1의 MALDI 데이터에서는 상기 화학식 1에서 n이 0 내지 1인 올리고머들이 관찰되었다(하기 표 참조).
n 값 0 1
비교예 1 477.141 756.993
도 1 내지 3에서 그 외 피크들은 TDI와 PTMEG의 반응물 또는 MALDI 분석을 위해 첨가된 성분 등인 것으로 확인되었다.
(2) 예비중합체의 NMR 분석
5mg의 예비중합체 샘플을 CDCl3에 녹이고 실온에서 핵자기공명(NMR) 장치(JEOL 500MHz, 90°pulse)를 사용하여 1H-NMR 및 13C-NMR 분석을 수행하였다. 수득한 NMR 데이터에서 TDI의 반응된 메틸기와 반응되지 않은 메틸기의 피크를 적분함으로써, 예비중합체 내의 반응 또는 미반응된 방향족 디이소시아네이트 모노머의 함량을 산출하였다.
구체적으로, 2개의 NCO기 중에서 4-위치에 치환된 NCO기만 폴리올과 우레탄 반응된 2,4-TDI(이하 "4-반응된 2,4-TDI"라 함)의 중량을 100 중량부로 하였을 때, 2개의 NCO기가 모두 폴리올과 우레탄 반응되어 사슬을 형성한 2,4-TDI(이하 "2,4-반응된 2,4-TDI"라 함), 2개의 NCO기가 모두 폴리올과 반응하지 않은 2,6-TDI(이하 "미반응된 2,6-TDI"라 함) 및 2개의 NCO기 중에서 2-위치 또는 6-위치에 치환된 NCO기만 폴리올과 우레탄 반응된 2,6-TDI(이하 "2-반응된 2,6-TDI"라 함)의 중량부를 산출하였다(그 외 2-위치의 NCO기만 반응된 2,4-TDI 및 2개의 NCO기가 모두 반응된 2,6-TDI는 거의 검출되지 않았다).
그 결과를 하기 표에 정리하였다.
구 분 실시예 1 실시예 2 비교예 1
함량
(중량부)		 4-반응된 2,4-TDI 100.00 100.00 100.00
2,4-반응된 2,4-TDI 36.63 49.65 13.90
미반응된 2,6-TDI 7.83 3.65 21.22
2-반응된 2,6-TDI 21.67 26.17 9.59
TDI 총 합계량 166.13 179.47 144.71
구 분 실시예 1 실시예 2 비교예 1
함량
(중량%)
(전체 TDI
중량 기준)		 미반응된 TDI 4.71 2.03 14.66
2개 NCO가 반응된 TDI (c1) 22.05 27.66 9.61
1개 NCO가 반응된 TDI (c2) 73.24 70.30 75.73
적어도 1개 NCO가 반응된 TDI 95.29 97.97 85.34
c1 / c2 중량비 0.30 0.39 0.13
구 분 실시예1 실시예 2 비교예 1
함량 (중량%)
(우레탄계 예비중합체
중량 기준)		 미반응된 TDI (c3) 1.46 0.68 6.28
미반응된 H12MDI (c4) 7.60 7.60 7.60
c3 + c4 9.06 8.28 13.88
c3 / c4 중량비 0.19 0.09 0.83
(3) 경도
샘플을 5 cm × 5 cm (두께: 2 mm)로 재단하고, 온도 25 ℃에서 12 시간 보관 후 경도계를 이용하여 Shore D 경도 및 Asker C 경도를 측정하였다.
(4) 비중
샘플을 2 cm × 5cm (두께: 2 mm)로 재단하고, 온도 25 ℃에서 12 시간 보관 후 비중계를 사용하여 다층 비중을 측정하였다.
(5) 인장강도
샘플을 4 cm × 1 cm (두께: 2 mm)로 재단하고, 만능시험계(UTM)를 사용하여 50 mm/분의 속도에서 연마패드의 파단 직전의 최고 강도 값을 측정하였다.
(6) 신율
샘플을 4 cm × 1 cm (두께: 2 mm)로 재단하고, 만능시험계(UTM)를 사용하여 50 mm/분의 속도에서 연마패드의 파단 직전의 최대 변형량을 측정한 뒤, 최초 길이 대비 최대 변형량의 비율을 백분율(%)로 나타내었다.
(7) 겔화 시간(gel time)
예비중합체와 경화제를 1 : 1 당량으로 배합하여 5,000 rpm으로 교반되어 나오는 혼합액이 70 ℃에서 겔화될 때까지 걸리는 시간을 측정하였다.
그 결과를 하기 표에 정리하였다.
구 분 평가 항목 실시예 1 실시예 2 비교예 1
상부
패드		 두께 (mm) 2 2 2
경도 (Shore D) 60 52 68
비중 (g/cc) 0.8 0.8 0.8
인장강도 (N/mm2) 21 18 25
신율 (%) 125 200 63
겔화 시간(s) 108 121 50
하부
패드		 타입 부직포 부직포 부직포
두께 (mm) 1.1 1.1 1.1
경도 (Asker C) 70 70 70
적층된
패드		 두께 (mm) 3.32 3.32 3.32
압축률 (%) 1.05 1.05 1.05
(8) 포어 특성
연마패드의 포어를 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하여 도 4a 내지 4c에 나타내었다. 도 4a 내지 4c에서 보듯이, 실시예 1 및 2의 연마패드의 포어는 넓은 면적에 걸쳐 미세하고 균일하게 분포하였다.
또한 SEM 이미지를 바탕으로 포어의 특성을 산출하여 하기 표에 정리하였다.
- 수평균 직경 : SEM 이미지 상의 포어 직경의 합을 포어 갯수로 나눈 평균
- 포어 갯수 : SEM 이미지 상의 0.3 cm2 당 존재하는 포어의 갯수
- 포어 면적율 : SEM 이미지의 전체 면적 대비 포어만의 면적의 백분율
구 분 실시예 1 실시예 2 비교예 1
수평균 직경 (㎛) 22.454 23.313 20.523
포어 갯수 (0.3 cm2 당) 176 167 162
포어 면적률 (%) 38.165 38.896 38.245
(9) 연마율(removal rate)
연마패드 제조 직후의 초기 연마율을 아래와 같이 측정하였다.
직경 300 mm의 실리콘 웨이퍼에 산화규소를 화학기상증착(CVD) 공정에 의해서 증착하였다. CMP 장비에 연마패드를 부착하고, 실리콘 웨이퍼의 산화규소 층이 연마패드의 연마면을 향하도록 설치하였다. 연마패드 상에 하소 세리아 슬러리를 250 mL/분의 속도로 공급하면서, 4.0 psi의 하중 및 150 rpm의 속도로 60초간 산화규소막을 연마하였다. 연마 후 실리콘 웨이퍼를 캐리어로부터 떼어내어, 회전식 탈수기(spin dryer)에 장착하고 증류수로 세정한 후 질소로 15초 동안 건조하였다. 건조된 실리콘 웨이퍼에 대해 광간섭식 두께 측정 장치(SI-F80R, Keyence사)를 사용하여 연마 전후의 막 두께 변화를 측정하였다. 이후 하기 식을 사용하여 연마율을 계산하였다. 그 결과를 도 5에 나타내었다.
연마율(Å/50초) = 연마 전후의 막 두께 변화(Å) / 연마 시간(50초)
도 5에서 보듯이, 실시예 1 및 2의 연마패드는 초기 연마율이 적정 수준에서 우수한 반면, 비교예 1의 연마패드는 하드 세그먼트의 응집이 증가하여 초기 연마율이 과도하게 높았다. 이에 따라 비교예 1의 연마패드는 패드 글레이징(pad glazing) 현상으로 인한 연마율의 급격한 저하가 예상된다.
(10) 패드 절삭률(pad cut-rate)
연마패드를 10 분 동안 탈이온수로 프리 컨디셔닝한 후, 1 시간 동안 탈이온수를 분사하면서 컨디셔닝하였다. 컨디셔닝 과정에서 변화된 두께를 측정하여 연마패드의 절삭률을 산출하였다. 컨디셔닝에 사용한 장비는 CTS사의 AP-300HM이고, 컨디셔닝 압력은 6 lbf, 회전 속도는 100~110 rpm이고, 컨디셔닝에 사용된 디스크는 새솔 LPX-DS2이었다. 그 결과를 도 6에 나타내었다.
도 6에서 보듯이, 실시예 1 및 2의 연마패드는 다이아몬드 디스크를 이용한 컨디셔닝 시에 패드 절삭률이 우수한 반면, 비교예 1의 연마패드는 하드 세그먼트의 응집이 증가하여 패드 절삭률이 저조하였다.

Claims (13)

  1. 우레탄계 예비중합체, 경화제 및 발포제를 포함하고,
    상기 우레탄계 예비중합체는
    하기 화학식 1에서 n이 0 또는 1인 제 1 올리고머; 및
    하기 화학식 1에서 n이 2 또는 3인 제 2 올리고머를 포함하고,
    상기 우레탄계 예비중합체가, 상기 우레탄계 예비중합체의 중량을 기준으로, 미반응된 NCO기를 7 중량% 내지 10 중량%로 포함하는, 조성물.
    [화학식 1]
    Figure 112020071981158-pat00007

  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 우레탄계 예비중합체가 상기 제 1 올리고머와 상기 제 2 올리고머를 1:0.2 내지 1:5의 중량비로 포함하는, 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 우레탄계 예비중합체가, 상기 화학식 1에서 n이 4 내지 6의 정수인 제 3 올리고머를 더 포함하는, 조성물.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 우레탄계 예비중합체가 상기 제 1 올리고머, 상기 제 2 올리고머 및 상기 제 3 올리고머를 1:0.2:0.1 내지 1:5:10의 중량비로 포함하는, 조성물.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 우레탄계 예비중합체가
    하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 더 포함하는, 조성물:
    [화학식 2]
    Figure 112018130480728-pat00008

    상기 식에서 p는 5 내지 30의 정수이다.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 우레탄계 예비중합체가, 상기 우레탄계 예비중합체의 중량을 기준으로, 미반응된 방향족 디이소시아네이트 모노머를 0.1 중량% 내지 3 중량%로 포함하는, 조성물.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 조성물이 80 초 내지 130 초의 겔화 시간을 갖고,
    경화 후에 10 N/mm2 내지 23 N/mm2의 인장강도, 80 % 내지 250 %의 신율, 및 40 Shore D 내지 65 Shore D의 경도를 갖는, 조성물.
  9. 하기 화학식 1에서 n이 0 또는 1인 제 1 올리고머를 제조하는 단계;
    하기 화학식 1에서 n이 2 또는 3인 제 2 올리고머를 제조하는 단계;
    상기 제 1 올리고머 및 상기 제 2 올리고머를 포함하는 우레탄계 예비중합체를 제조하는 단계; 및
    상기 우레탄계 예비중합체, 경화제 및 발포제를 혼합하는 단계를 포함하고,
    상기 우레탄계 예비중합체가, 상기 우레탄계 예비중합체의 중량을 기준으로, 미반응된 NCO기를 7 중량% 내지 10 중량%로 포함하는, 조성물의 제조방법.
    [화학식 1]
    Figure 112020071981158-pat00009

  10. 우레탄계 예비중합체를 포함하는 제 1 원료 조성물을 준비하는 단계;
    경화제를 포함하는 제 2 원료 조성물을 준비하는 단계;
    발포제를 포함하는 제 3 원료 조성물을 준비하는 단계;
    상기 제 1 원료 조성물을 상기 제 2 원료 조성물 및 상기 제 3 원료 조성물과 순차 또는 동시 혼합하여 원료 혼합물을 제조하는 단계; 및
    상기 원료 혼합물을 금형 내에 주입하여 경화하는 단계;를 포함하고,
    상기 우레탄계 예비중합체는
    하기 화학식 1에서 n이 0 또는 1인 제 1 올리고머; 및
    하기 화학식 1에서 n이 2 또는 3인 제 2 올리고머를 포함하고,
    상기 우레탄계 예비중합체가, 상기 우레탄계 예비중합체의 중량을 기준으로, 미반응된 NCO기를 7 중량% 내지 10 중량%로 포함하는, 연마패드의 제조방법.
    [화학식 1]
    Figure 112020071981158-pat00010

  11. 폴리우레탄 수지 및 상기 폴리우레탄 수지 내에 분산된 다수의 미세 포어들을 포함하고, 상기 폴리우레탄 수지는 우레탄계 예비중합체로부터 유래된 것이고,
    상기 우레탄계 예비중합체는
    하기 화학식 1에서 n이 0 또는 1인 제 1 올리고머; 및
    하기 화학식 1에서 n이 2 또는 3인 제 2 올리고머를 포함하고,
    상기 우레탄계 예비중합체가, 상기 우레탄계 예비중합체의 중량을 기준으로, 미반응된 NCO기를 7 중량% 내지 10 중량%로 포함하는, 연마패드.
    [화학식 1]
    Figure 112020071981158-pat00011

  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 미세 포어들이 21 ㎛ 내지 25 ㎛의 평균 사이즈를 갖고,
    상기 연마패드가 3500 Å/50초 내지 3900 Å/50초의 연마율(removal rate)을 갖는, 연마패드.
  13. 연마패드를 이용하여 웨이퍼의 표면을 연마하는 단계를 포함하고,
    상기 연마패드는 폴리우레탄 수지 및 상기 폴리우레탄 수지 내에 분산된 다수의 미세 포어들을 포함하고, 상기 폴리우레탄 수지는 우레탄계 예비중합체로부터 유래된 것이고,
    상기 우레탄계 예비중합체는
    하기 화학식 1에서 n이 0 또는 1인 제 1 올리고머; 및
    하기 화학식 1에서 n이 2 또는 3인 제 2 올리고머를 포함하고,
    상기 우레탄계 예비중합체가, 상기 우레탄계 예비중합체의 중량을 기준으로, 미반응된 NCO기를 7 중량% 내지 10 중량%로 포함하는, 반도체 소자의 제조방법.
    [화학식 1]
    Figure 112020071981158-pat00012
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