KR102221514B1 - 연마액의 유동 저항 구조를 갖는 연마용 패드 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연마액의 유동 저항 구조를 갖는 연마용 패드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 균일한 연마 성능을 갖고, 연마액의 사용 효율을 향상시키기 위한 연마액의 유동 저항 구조를 갖는 연마용 패드에 관한 것이다. 본 발명의 구성은 상부에 위치한 웨이퍼를 연마하도록 마련된 폴리싱 패드; 상기 폴리싱 패드 상에 형성되며, 상기 폴리싱 패드의 상부를 향해 돌출 형성된 복수의 도형유닛; 및 복수의 상기 도형유닛으로 이루어지는 복수의 패턴유닛을 포함하며, 복수의 상기 패턴유닛은 상기 폴리싱 패드 상에 동심원 형태로 배열된 것을 특징으로 하는 연마액의 유동 저항 구조를 갖는 연마용 패드를 제공한다.

Description

연마액의 유동 저항 구조를 갖는 연마용 패드{POLISHING PAD HAVING FLOW RESISTANCE STRUCTURE OF POLISHING LIQUID}
본 발명은 연마액의 유동 저항 구조를 갖는 연마용 패드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 균일한 연마 성능을 갖고, 연마액의 사용 효율을 향상시키기 위한 연마액의 유동 저항 구조를 갖는 연마용 패드에 관한 것이다.
화학기계적연마(chemical mechanical polishing; CMP) 공정은 가공하려는 기판(웨이퍼 등)을 회전하고 있는 상대면인 패드 표면에 압력과 회전을 가하면서 가공하는 공정으로서, 연마액을 공급하여 기판의 표면을 연마하는 공정이다.
기존의 화학기계적 연마(chemical mechanical polishing)공정의 연마 패드는 판상의 폴리머 중합체를 사용하는 것이 일반적이다. 구체적으로, 기존의 연마패드는 패드 재료 내에 기공, 연마재, 섬유질 등을 사용하거나, 이들의 조합을 포함한 폴리머 중합체를 사용한다.
이러한 연마패드는 연마 중 연마성능을 유지하기 위하여 다이아몬드 입자가 부착되어 있는 거친 컨디셔닝판을 이용하여 패드의 표면을 긁어 줌으로써, 패드 표면에 토포그라피(topography)를 만들어 주어야 한다. 기존의 연마패드는 이렇게 해야만 지속적으로 토포그라피 또는 표면 거칠기를 유지하여 연마성능을 갖도록 할 수 있었다.
폴리머 중합체 패드 표면은 컨디셔닝 공정을 통해 다이아몬드 절삭입자가 움직인 궤적을 따라 생긴 홈이 형성되며, 다이아몬드 입자가 지나가지 않은 영역에서는 돌기들이 형성됨으로써 요철이 생기게 된다.
이러한 홈과 돌기 중 홈은 연마액의 공급경로 역할을 하며, 돌기들은 연마되는 기판, 또는 웨이퍼 또는 이로 한정되지 않는 다양한 연마 가능한 기판과 접촉하여 직접적인 연마를 수행하는 기능을 한다.
이처럼 홈과 돌기의 밀도와 크기에 따라서 연마 성능이 결정기 때문에, 연마 중 지속적으로 컨디셔닝을 수행해야만 연마 성능을 균일하게 유지할 수 있다.
그러나, 종래의 컨디셔닝 공정은 몇 가지의 문제점이 있었다.
먼저, 이러한 홈은 일반적으로 다이아몬드 입자의 형상인 원추형 구조에 의해 V자형 홈으로 형성되며, 반대로 돌기의 형상은 일반적으로 다이아몬드 입자의 영향으로 원추형 삼각형 모양으로 형성된다.
만약 컨디셔닝이 적용되지 않은 채 연마가 지속되면 돌기들의 점진적인 마모가 진행된다. 이에 따라 원추형 돌기가 마모되어 연마기판과의 실제 접촉면적이 증가되는 현상이 진행되고, 반면에 V자형 홈은 그 깊이가 점점 감소되어 새로운 연마액의 공급이 줄어들게 됨으로써, 전반적으로 연마 성능이 저하된다.
또한, 컨디셔닝 공정은 컨디셔너의 다이아몬드 크기, 밀도, 크기분포, 컨디셔너의 모양과 더불어 컨디셔닝 장치의 회전속도, 압력, 스윕프로파일, 기구의 안정성 등 여러 가지 변수를 포함하고 있어 연마패드의 돌기와 홈을 항상 일정한 조건으로 유지하기가 어려운 단점을 가지고 있다. 이러한 가운데 컨디셔너는 소모품으로서 계속해서 교체해 주어야 하므로 항상 일정한 성능을 기대하기 어렵다.
그리고, 종래의 패드는 돌기의 형상과 크기를 특정한 연마조건에 맞게 조절하기가 어려운 문제가 있다. 예를 들어 가공대상물인 기판 표면의 요철 크기, 밀도, 재료에 따라 최적의 연마 특성을 얻기 위해서 특정한 표면 토포그라피를 가지도록 요구될 수 있는데 다이아몬드가 부착된 컨디셔닝 판을 이용하는 것만으로는 적절하게 목표로 하는 성능을 얻기 어렵다. 왜냐하면, 연마패드의 토포그라피 혹은 표면 거칠기는 컨디셔닝 공정에서 컨디셔너의 다이아몬드 크기, 밀도, 크기분포, 컨디셔너의 모양과 더불어 컨디셔닝 장치의 회전속도, 압력, 스윕프로파일, 기구의 안정성 등에 의해 결정되는 복잡한 과정을 가지기 때문에 이를 제어하기 어렵다.
따라서 연마패드상에 단위면적당 돌기의 밀도가 높은 구조를 가지게 하거나 단위 면적당 밀도가 낮은 돌기 구조를 임의적으로 제어하여 만들어 내기가 용이하지 않으며, 또한 단위 면적안에 있는 돌기의 크기를 크게 제어하거나 작게 제어하는 것을 오로지 컨디셔닝 공정에 의해서만 의존하기 때문에 원하는 형상대로 표면 돌기 구조를 만들어 내기가 매우 어렵다.
또한, 반도체 공정에 사용되는 디바이스를 만들기 위해서는 웨이퍼의 표면에 다양한 크기와 깊이의 소자들과, 전선들을 형성하게 된다. 이에 따라, 웨이퍼 표면에는 다양한 폭과 길이, 높이 및 밀도를 가지는 표면 요철이 형성되며, CMP공정은 궁극적으로 이러한 표면 요철을 평탄화(planarization)하는데 있다. 그러나 상기와 같이 다양한 표면 요철 형상에 대응하여 최적의 패드 표면 거칠기 혹은 토포그라피를 만들어 내기에는 컨디셔닝 공정만으로는 부족함이 있다.
따라서, 반도체 공정 혹은 정밀 연마 공정에서 상기와 같이 다양한 표면 요철에 대응할 수 있는 제어된 표면 토포그라피를 가지는 연마패드의 필요성이 증가하고 있으며, 시간에 따라 패드 단면 토포그라피가 변하지 않는 안정적인 패드의 필요성도 증가하고 있다. 또한 이러한 패드를 자유롭게 설계 제조할 수 있는 기술적 요구도 증가하고 있다.
이에 종래에는 한국공개특허 제10-2016-0142346호와 같이, 패드 표면의 정형화된 돌기와 홈을 미리 만들어 사용하려는 시도들이 진행되었으나, 단순히 돌기와 홈의 크기, 높이들에 대한 영역만을 한정하고 있는 수준에 불과하다. 이러한 방식의 패드 설계는 연마특성을 제어하는 보다 명확한 방법을 제공하는 방법으로서는 한계가 있으며, 다양한 연마율과 평탄도 요구조건에 대응하는 산업적 요구에 보다 체계적으로 대응할 수 있는 방법이 필요하다.
한국공개특허 제10-2016-0142346호
상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 균일한 연마 성능을 갖고, 연마액의 사용 효율을 향상시키기 위한 연마액의 유동 저항 구조를 갖는 연마용 패드를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 상부에 위치한 웨이퍼를 연마하도록 마련된 폴리싱 패드; 상기 폴리싱 패드 상에 형성되며, 상기 폴리싱 패드의 상부를 향해 돌출 형성된 복수의 도형유닛; 및 복수의 상기 도형유닛으로 이루어지는 복수의 패턴유닛을 포함하며, 복수의 상기 패턴유닛은 상기 폴리싱 패드 상에 동심원 형태로 배열된 것을 특징으로 하는 연마액의 유동 저항 구조를 갖는 연마용 패드를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 패턴유닛은, 상기 폴리싱 패드 전체에서 상기 웨이퍼의 연마 특성이 기설정된 오차율 이내를 만족하는 균일한 연마가 이루어지도록 하기 위해, 상기 폴리싱 패드의 회전 방향에 따른 각각의 상기 패턴유닛 내 연마액의 유동방향이 동일해지도록 하는 개수로 상기 폴리싱 패드를 분할하여 마련된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 도형유닛은, 회전 방향에 따라 유동하는 연마액이 상기 도형유닛의 상부를 향해 이동하도록 배열된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 도형유닛은, 하나의 단일 폐곡선으로 둘러싸인 단일도형부; 단일 폐곡선 없이 연속된 선에 의해서 형성되며 반복의 최소 단위로 이루어진 연속도형부; 복수의 상기 단일도형부의 조합으로 이루어지며 반복의 최소 단위로 이루어진 집합도형부를 포함하며, 상기 도형유닛은 상기 단일도형부, 상기 연속도형부 및 상기 집합도형부 중 어느 하나의 종류를 포함하도록 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
삭제
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 도형유닛은 목표로 하는 연마 특성에 대응되는 겉보기 접촉 면적 및 단위 면적당 둘레 길이를 갖도록 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 겉보기 접촉 면적은, 검사 면적 안에 포함된 상기 도형유닛의 돌출면적(Au)을 검사면적(A0)으로 나눈 값인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 단위 면적당 둘레 길이는, 검사 면적 안에 포함된 상기 도형유닛의 총 둘레길이를(Lt)를 검사면적(A0)으로 나눈 값인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 겉보기 접촉 면적은 1.0% 내지 80.0%로 제어되고, 상기 단위면적당 둘레 길이는 1mm/mm2 내지 250mm/mm2인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 연마액의 유동 저항 구조를 갖는 연마용 패드를 갖는 연마 장치를 제공한다.
상기와 같은 구성에 따르는 본 발명의 효과는, 연마용 패드의 연마 성능을 균일하게 유지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 연마액의 도형유닛의 상부로 용이하게 전달되도록 함으로써, 연마액의 사용 효율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 그루브유닛에 의해 연마액이 패턴유닛 상 전면에 신속하게 퍼지도록 하고, 패턴유닛 및 도형유닛의 배치에 의해 연마액이 폴리싱 패드 바깥으로 쉽게 흘러나가지 않도록 함으로써, 연마액의 사용 효율을 더 높일 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연마용 패드의 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 도형유닛의 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 단일도형부의 단면예시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 겉보기 접촉면적의 연산 방법을 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 단위 면적 당 둘레 길이의 연산 방법을 나타낸 예시도이다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 도형유닛의 배치를 나타낸 예시도이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 단위 면적 당 둘레 길이에 따른 연마량을 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 단일도형부의 형상을 나타낸 예시도이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 연마용 패드의 패턴유닛을 나타낸 예시도이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 패턴유닛간의 경계를 나타낸 예시도이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 패턴유닛간의 경계를 확대하여 나타낸 예시도이다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 연마액의 유동을 나타낸 예시도이다.
도 17 내지 도 20은 본 발명의 일실시예에 따른 도형유닛의 형상 및 배열을 나타낸 예시도이다.
도 21은 본 발명의 일실시예에 따른 그루브유닛을 나타낸 예시도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연마용 패드의 예시도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 도형유닛의 예시도이다.
도1 및 도 2에 도시된 것처럼, 본 발명은 폴리싱 패드(110), 도형유닛(120)을 포함할 수 있다.
상기 폴리싱 패드(110)는 상부에 위치한 웨이퍼를 연마하도록 마련될 수 있으며, 원반 형태로 마련될 수 있다. 단 상기 폴리싱 패드(110)의 형태를 이에 한정하는 것은 아니다.
상기 폴리싱 패드(110)는 열경화성 중합체나 열가소성 중합체로 구성될 수 있다.
상기 열경화성 중합체에는 폴리우레탄, 폴리아미드, 에폭시, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 폴리에테르이미드, 아크릴레이트와 같은 고분자 중합체 재료가 포함될 수 있다.
상기 열가소성 중합체에는 열가소성 탄성중합체(thermoplastic elastomer, TPE)로서, 폴리우레탄, 폴리알킬렌, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌, 폴리부타디엔, 폴리아이소프렌, 폴리알킬렌 옥사이드, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리카르보네이트, 폴리스티렌이 포함될 수 있다. 또한, 상기 열가소성 중합체에는 상술한 소재 중 어느 하나로 마련되거나 둘 이상의 조합으로 이루어진 블록 공중합체 또는 중합체 블렌드로 이루어질 수도 있다.
또한, 상기 열가소성 중합체에는 에폭시, 페놀수지, 아민, 폴리에스테르들, 우레탄, 실리콘, 아크릴레이트 및 이들의 혼합물, 코폴리머가 포함될수 있으며, 폴리머 재료로서 플루오렌, 페닐린, 피렌, 아줄렌, 나프탈렌, 아세틸렌, p-페닐렌 비닐렌, 피롤, 카바졸, 인돌, 아제핀, 아닐린, 싸이오펜, 3,4-에틸렌디옥시씨펜, p-페닐렌 설파이드 및 이들 중 둘 이상의 조합들로 이루어진 그룹이 포함될 수 있다.
상기 도형유닛(120)은 상기 폴리싱 패드(110) 상에 형성되며, 상기 폴리싱 패드(110)의 상부를 향해 돌출 형성될 수 있다. 이러한 상기 도형유닛(120)은 상기 폴리싱 패드(110) 상에 일정하 모양으로 반복 형성될 수 있다.
상기 도형유닛(120)은 상기 폴리싱 패드(110)와 동일한 재료로 구성될 수도 있으며, 재료는 동일하더라도 물리적 특성, 즉, 경도나 탄성계수, 손실탄성계수(loss modulus), 저장탄성계수(storage modulus) 등이 상이한 재료로 구성될 수 있다. 또한 필요에 따라서 상기 도형유닛(120)은 상기 폴리싱 패드(110)와 다른 재료로 구성될 수도 있다.
상기 도형유닛(120)은 도 2에 도시된 것처럼, 단일도형부(121), 연속도형부(122) 및 집합도형부(123)를 포함할 수 있다.
상기 단일도형부(121)는 하나의 단일 폐곡선으로 둘러싸인 도형으로 정의될 수 있다.
상기 연속도형부(122)는 단일 폐곡선 없이 연속된 선에 의해서 형성되며 반복의 최소 단위로 이루어진 것으로 정의될 수 있다.
상기 집합도형부(123)는 복수의 상기 단일도형부(121)의 조합으로 이루어지며 구분할 수 있는 반복의 최소 단위로 이루어진 것으로 정의될 수 있다.
상기 도형유닛(120)은 상기 단일도형부, 상기 연속도형부 및 상기 집합도형부 중 어느 하나의 종류를 포함하도록 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 단일도형부의 단면예시도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 겉보기 접촉면적의 연산 방법을 나타낸 예시도이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 단위 면적 당 둘레 길이의 연산 방법을 나타낸 예시도이다.
도 3 내지 도 5를 더 참조하면, 상기 도형유닛(120)은 목표로 하는 연마 특성에 대응되는 겉보기 접촉 면적 및 단위 면적당 둘레 길이를 갖도록 형성될 수 있다.
상기 겉보기 접촉 면적은 반복된 패턴이 새겨진 면의 일정 영역을 검사면적(A0)으로 정하고, 검사면적(A0) 안에 포함된 상기 도형유닛(120)의 돌출면적(Au)을 검사면적(A0)으로 나눈 값인 것을 특징으로 할 수 있다. 즉, 이때, 상기 도형유닛(120)의 돌출면적(Au)은 상기 검사면적(A0) 안에 포함된 단일도형부(121), 연속도형부(122)의 돌출 면적의 총합을 의미한다.
예를 들어, 도 5에 도시된 것처럼, 검사면적 안에 n개의 단일도형부(121)가 있고 요소도형의 크기 axb일 때 돌출면적(Au)의 값은 n
Figure 112019055345725-pat00001
(a
Figure 112019055345725-pat00002
b)가 된다.
상기 겉보기 접촉 면적의 기본단위는 무차원량 또는 백분율(%)로 나타낼 수 있다.
또한, 상기 도형유닛(120)의 크기와 검사면적(A0)의 크기에 따라 겉보기 접촉 면적의 정의가 달라질 수 있으므로 상기 겉보기 접촉 면적(Aa)은 배열된 패턴의 임의의 위치에 검사면적(A0)의 크기를 증가 시키면서 검사면적(A0) 내에 포함된 돌출면적(Au)을 측정하고 도 4와 같은 그래프로 나타냈을 때 선형적 상관 관계가 나타났을 때의 기울기 값으로 정의될 수 있다.
상기 겉보기 접촉 면적은 1.0% 내지 80.0%로 제어될 수 있다
상기 단위 면적당 둘레 길이는, 검사면적(A0) 안에 포함된 상기 도형유닛(120)의 총 둘레길이를(Lt)를 검사면적(A0)으로 나눈 값인 것을 특징으로 할 수 있다. 도 5에 개시된 단일도형부(121)가 있을 때, 둘레의 길이는 2(a+b)로 정의되고 검사면적(A0) 내의 상기 도형유닛(120)의 총 둘레 길이는 2n(a+b)로 정의된다. 이와 같이 단위 면적당 둘레길이는 반복된 단일도형부(121), 연속도형부(122) 등이 새겨진 면의 일정 영역을 검사면적(A0)으로 정하고, 그 면적안에 있는 모든 도형유닛(120)의 총 둘레 길이를 검사면적(A0)으로 나눈 값으로서, 기본 단위는 mm/mm2일 수 있다. 단, 단위계는 길이를 면적으로 나눈 값으로 단위 변환된 어떤 방식으로도 표현 가능하다.
도형유닛(120)의 크기와 검사면적(A0)의 크기에 따라 단위 면적당 둘레 길이를 보다 정확하게 정의하고 일관성 있는 해석을 위하여 단위 면적당 둘레 길이는 배열된 패턴의 임의의 위치에 검사면적(A0)의 크기를 증가시키면서 검사면적(A0) 내에 포함된 패턴의 총 둘레길이(Lt)을 측정하고 도 5와 같은 그래프로 나타냈을 때 선형적 상관관계가 나타났을 때의 기울기 값으로 정의될 수 있다.
상기 단위면적당 둘레 길이는 1mm/mm2 내지 250mm/mm2로 제어될 수 있다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 도형유닛의 배치를 나타낸 예시도이다.
도 6 내지 도 9에 도시된 것처럼, 상기 도형유닛(120)은 상기 폴리싱 패드(110) 상에 동일한 형상의 상기 단일도형부(121), 연속도형부(122), 집합도형부(123)를 균일하게 반복 배치하여 마련될 수 있다.
또는, 상기 도형유닛(120)은, 상기 폴리싱 패드(110) 상에 서로 다른 형상의 상기 단일도형부(121), 연속도형부(122), 집합도형부(123)를 균일하게 반복 배치하여 마련될 수도 있다.
또는, 상기 도형유닛(120)은, 상기 폴리싱 패드(110) 상에 서로 다른 형상의 상기 단일도형부(121), 연속도형부(122), 집합도형부(123)를 불규칙하게 반복 배치하여 마련될 수도 있다.
또는 상기 도형유닛(120)은, 상기 폴리싱 패드(110) 상에 크기가 다른 동일한 형상의 상기 단일도형부(121), 연속도형부(122), 집합도형부(123)를 반복 배치하여 마련될 수도 있다.
한편, 웨이퍼와 폴리싱 패드(110)의 접촉단계에 대한 상관관계를 정의할 때 겉보기 접촉압력(Pa, Apparent Contact Pressure)을 정의할 수 있으며, 겉보기 접촉압력은 기판에 가해진 전체 하중을 기판의 전체 면적으로 나눈 값으로 정의할 수 있다. 이러한 겉보기 접촉압력은 연마 시 연마장비에서 일반적으로 기판에 가해지는 총 하중을 조절하여 연마량을 비롯한 다른 연마 특성들을 제어하는 인자로 마련될 수 있다.
또한 겉보기 패턴 접촉압력(Ppa, Apparent Contact Pressure on Pattern)을 정의할 수 있으며, 겉보기 패턴 접촉압력은 웨이퍼의 표면과 돌출된 요소도형의 상부가 모두 접촉한다고 가정했을 때의 압력으로 정의될 수 있다. 즉, 웨이퍼가 덮고 있는 상기 폴리싱 패드(110) 면적 아래에 있는 도형유닛(120)의 상부 면적의 총합을 웨이퍼에 가해진 전체하중으로 나눈 값으로 정의된다.
또한, 실접촉압력(Pr, Real Contace Pressure)을 정의할 수 있으며, 실접촉 압력은 웨이퍼에 가해진 하중을 웨이퍼의 표면과 실제로 접촉이 이루어진 도형유닛(120)의 총 면적으로 나눈 값으로서, 만약 폴리싱 패드 표면이 이상적으로 평면이고, 웨이퍼의 표면이 이상적으로 평면일 때 실접촉압력과 겉보기 패턴 접촉압력은 동일하게 되나, 웨이퍼와 폴리싱 패드(110)가 제조과정 상에서 발생할 수 있는 평탄도 오차에 의해서 두 값은 상이할 수 있다.
실제 연마의 특성은 실접촉압력에 의해 그 특성이 많은 영향을 받으며, 실접촉압력이 큰 경우 연마율은 증가할 수 있으나 금속을 포함한 연질의 기판 또는 웨이퍼를 연마하는 경우 연마액에 포함된 연마입자에 의해 기판의 표면에 스크래치 등의 결함을 남길 수 있다. 따라서, 실접촉압력을 적정수준에서 제어해 주어야 한다.
연질의 금속은 구리, 알루미늄, 텅스텐, 티타늄, 티타늄나이트라이드, 탄탈륨, 탄탈륨나이트라이드 등을 포함할 수 있으나 이러한 재질에 한정되지는 않는다. 그러나 경도가 높은 기판 재료나 웨이퍼를 연마할 때에는 높은 실접촉압력 특성이 요구될 수 있으므로 반드시 실접촉압력을 낮게 만들어야 하는 것은 아니다.
일반적인 폴리싱 패드에서 컨디셔닝만으로 겉보기 패턴 접촉압력을 제어하기가 용이하지 않으나, 본 발명은 겉보기 접촉 면적을 설계한대로 제어할 수 있다. 여기서 경도가 높은 기판 재료에는 SiO2, SixNx, SiC 등을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
제안되는 연마용 패드(100)의 특징은 연마 성능을 제어하기 위하여 요소패턴의 겉보기 접촉 면적과 단위 면적당 둘레길이를 제어하는 것이다. 즉, 웨이퍼가 동일한 폴리싱 패드(110) 면에 접촉하더라도 실제로 폴리싱 패드(110) 면상의 겉보기 접촉 면적과 단위 면적당 둘레길이에 따라 연마특성이 제어될 수 있다.
즉, 연마용 패드(100)를 설계할 때, 웨이퍼와 도형유닛(120)의 겉보기 접촉면적을 조절하여 겉보기 패턴 접촉압력을 1차로 조절할 수 있고, 동일한 겉보기 접촉면적에서 단위 면적당 둘레길이를 서로 다르게 설계하여 연마특성을 제어할 수 있다.
여기서, 겉보기 패턴 접촉압력을 조절하면, 웨이퍼의 표면에 발생할 수 있는 스크래치나 과도한 압력을 용이하게 조절할 수 있다.
그러나, 동일한 겉보기 패턴 접촉압력을 가지는 연마용 패드(100)에서도 연마율 등과 같은 다른 인자를 조절하여 연마특성을 더욱 용이하게 조절하는 것이 추가적으로 필요할 수 있다. 이를 위해, 1차로 결정된 겉보기접촉면적에 추가적으로 단위 면적당 둘레길이를 조절하여 연마의 특성을 더욱 조절할 수 있다. 이러한 설계과정은 단위 면적당 둘레길이를 먼저 결정하고 겉보기접촉면적을 조절하는 방법으로도 시행될 수도 있다.
또한 연마용 패드(100)의 제작상 폴리싱 패드(110)의 평탄도가 균일하지 않을 수 있기 때문에 폴리싱 패드(110)의 평탄도가 좋지 않은 경우 웨이퍼와 폴리싱 패드(110)위의 도형유닛(120)의 일부분만이 접촉하거나, 도형유닛(120) 전체가 웨이퍼와 접촉한다 하더라도 패드의 균일도가 좋지 않을 수 있다. 이 경우에 실접촉압력이 높은 부분과 낮은 부분이 존재할 수 있기 때문에 겉보기 패턴 접촉압력과 실접촉압력이 상이할 수 있다. 이러한 실제 제작공정상의 불완전성을 보완하기 위하여 상기 폴리싱 패드(110)와 상기 도형유닛(120)은 동일한 재료로 구성될 수도 있으나 바람직하게는 재료는 동일하더라도 물리적 특성, 즉, 경도나 탄성계수, 손실탄성계수(loss modulus), 저장탄성계수(storage modulus) 등이 상이한 재료로 구성될 수 있다.
더욱 바람직한 실시예로서는 상기 도형유닛(120)의 탄성계수 또는 경도보다 상기 폴리싱 패드(110)의 탄성계수 또는 경도를 더 낮게 설계하여 겉보기 패턴 접촉압력과 실접촉압력과의 차이를 줄여줄 수 있다. 또한 추가적으로 상기 폴리싱 패드(110)를 탄성계수 또는 경도가 더 낮은 평판에 부착하여 상기 겉보기 패턴 접촉압력과 실접촉압력사이의 차이를 줄여줄 수도 있다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 단위 면적 당 둘레 길이에 따른 연마량을 나타낸 그래프이다.
도 10은 동일한 겉보기 접촉면적을 가지는 균일한 도형유닛(120)이 형성된 연마용 패드(100)에서, 도형유닛(120)의 형상을 변경한 다음 단위 면적당 둘레길이를 서로 다르게 만들어서 시행한 실험의 결과이다.
보다 구체적으로, 도 10은 2.5%±0.5%, 5%, 10% 및 30%의 겉보기 접촉면적을 가지는 균일한 패턴의 도형유닛(120)이 형성된 연마용 패드(100)를 이용하여 겉보기 접촉압력을 변화시키면서 실험한 결과이다. 도 10에서 볼 수 있는 바와 같이 동일한 겉보기 패턴 접촉압력을 가지는 각각의 균일한 패턴이 형성된 연마용 패드(100) 내에서도 단위 면적당 둘레길이가 변화할 때 연마특성이 일관적으로 제어됨을 알 수 있다.
또한 겉보기 접촉면적과 단위 면적당 둘레길이를 조절하여 도 6에 도시된 다양한 패턴을 이용하여 실험한 결과를 도 11에 나타내었다. 도 11의 좌측 그래프는 원형 도형유닛(120)을 이용하여 겉보기 접촉면적과 단위 면적당 둘레길이를 다양하게 변화시켜 연마한 결과로서 단위 면적당 둘레길이에 따라 연마율이 비례적으로 제어됨을 알 수 있다.
또한 도 11의 우측 그래프는 원형뿐만아니라 도 6에 명기된 다양한 도형유닛(120)을 이용하여 단위 면적당 둘레길이와 겉보기 접촉면적을 조절하여 연마율을 제어한 결과를 도시한 것으로서 원형뿐만 아니라 다양한 도형에서도 그 결과가 일관되게 적용됨을 확인할 수 있다.
따라서, 스크래치 등의 결함을 방지해야 하는 연마 공정에서는 도형유닛(120)의 겉보기 접촉면적을 증가시키면서 동시에 연마율 등의 다른 연마특성을 제어하기 위하여 단위 면적당 둘레길이를 제어할 수 있는 다양한 형상 및 배치의 단일도형부(121), 연속도형부(122) 혹은 집합도형부(123)를 가지도록 할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 단일도형부의 형상을 나타낸 예시도이다.
또한, 상기 도형유닛(120)의 단일도형부(121)는 일실시예로서 동일한 겉보기 접촉 면적에 대해 단위 면적당 둘레 길이를 조절하기 위해 도 12에 도시된 형상으로 다양하게 설계될 수 있으나, 그 크기와 배치 밀도, 형상 등은 여기에 표기된 일실시예에 한정되지 아니한다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 연마용 패드의 패턴유닛을 나타낸 예시도이고, 도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 패턴유닛간의 경계를 나타낸 예시도이며, 도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 패턴유닛간의 경계를 확대하여 나타낸 예시도이다.
도 13 내지 도 15에 도시된 것처럼, 연마용 패드(100)는 패턴유닛(130)을 더 포함할 수 있다.
상기 패턴유닛(130)은 복수의 상기 도형유닛(120)으로 이루어며, 복수의 상기 패턴유닛(130)은 상기 폴리싱 패드(110) 상에 동심원 형태로 배열된 것을 특징으로 할 수 있다.
구체적으로, 폴리싱 패드(110) 상에 마련된 도형유닛(120)의 내측에 수용된 연마액은 연마 공정이 회전 공정이기 때문에 회전 방향에 따라 유동 방향이 달라진다. 따라서, 모든 각도에서 균일한 연마 특성을 얻기 위하여 폴리싱 패드(110)상에 최소 3조각 이상의 상기 패턴유닛(130)이 동심원형태로 배열됨이 바람직하다.
즉, 상기 패턴유닛(130)은 상기 폴리싱 패드(110) 전체에서 상기 웨이퍼의 연마 특성이 기설정된 오차율 이내를 만족하는 균일한 연마가 이루어지도록 하기 위해, 상기 폴리싱 패드(110)의 회전 방향에 따른 각각의 상기 패턴유닛(110) 내 연마액의 유동방향이 동일해지도록 상기 폴리싱 패드(110)를 분할하여 마련될 수 있다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 연마액의 유동을 나타낸 예시도이며, 도 17 내지 도 20은 본 발명의 일실시예에 따른 도형유닛의 형상 및 배열을 나타낸 예시도이다.
도 16 내지 도 20에 도시된 것처럼, 상기 패턴유닛(130)을 이루는 상기 도형유닛(120)은, 회전 방향에 따라 유동하는 연마액이 상기 도형유닛(120)의 상부를 향해 이동할 수 있는 유동 저항 구조를 갖도록 배열될 수 있다.
이를 위해, 상기 도형유닛(120)의 연속도형부(122) 및 집합도형부(123)를 이루는 단일도형부(121)는 v자형, +자형, 지그재그형 등의 유동 저항 구조를 갖도록 마련될 수 있다.
또한, 상기 패턴유닛(130) 및 상기 도형유닛(120)은 연마액이 상기 도형유닛(120)의 내측에 수용되도록 하는 구조로 마련됨으로써, 연마액의 폴리싱 패드(110)의 바깥으로 유출되는 것을 방지하도록 마련될 수 있다.
즉, 상기 도형유닛(120)의 배열은 연마액이 원심력에 의해 폴리싱 패드(110)의 바깥으로 유출되는 것을 가로막는 방향으로 마련될 수 있다.
이러한 구조로 마련된 상기 패턴유닛(130) 및 상기 도형유닛(120)은 연마액이 폴리싱 패드(110)상에 머무는 시간을 늘려서 연마액의 사용 효율을 높여줄 수 있다.
도 21은 본 발명의 일실시예에 따른 그루브유닛을 나타낸 예시도이다.
도 21에 도시된 것처럼, 본 발명에 따른 상기 연마용 패드(100)는 그루브유닛(140)을 더 포함할 수 있다.
상기 그루브유닛(140)은 상기 패턴유닛(130)에 형성되며, 상기 패턴유닛(130)에 공급된 연마액을 상기 패턴유닛(130)의 전면으로 이송하도록 홈 형태로 마련될 수 있다.
상기 그루브유닛(140)은 제1 그루브(141), 제2 그루브(142) 및 제3 그루브(143)를 포함할 수 있다.
상기 제1 그루브(141)는 상기 연마액을 상기 패턴유닛(130)의 길이 방향으로 안내하도록 상기 패턴유닛(130)의 테두리를 따라 방사형으로 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제1 그루브(141)는 상기 패턴유닛(130) 중 상기 폴리싱패드(110)의 반지름을 형성하는 선과 대응되는 위치에 홈 형태로 형성될 수 있다. 이처럼 형성된 상기 제1 그루브(141)는 상기 패턴유닛(130)의 길이 방향으로 상기 연마액이 신속하게 퍼지도록 할 수 있다.
상기 패턴유닛(130)은 상기 제1 그루브(141)가 3개 내지 12개가 되도록 형성될 수 있다.
상기 제2 그루브(142)는 상기 연마액을 상기 패턴유닛(130)의 폭 방향으로 안내하도록 상기 폴리싱 패드(110)와 동심원을 이루는 동심형으로 형성될 수 있다.
이처럼 마련된 상기 제2 그루브(142)는 상기 연마액이 상기 패턴유닛(130)의 폭 방향을 따라 신속하게 퍼지도록 안내할 수 있다.
상기 제2 그루브(142)는 복수로 형성될 수 있으며, 복수의 상기 제2 그루브(142)는 상호 0.5 내지 5mm의 간격을 갖도록 형성될 수 있다.
상기 제3 그루브(143)는 상기 폴리싱 패드(110)의 회전 방향에 대한 접선 방향으로 경사지게 형성될 수 있다.
상기 제3 그루브(143)는 상기 폴리싱 패드(110)의 회전 방향의 접선 방향에 대해 +45도 내지 -45도로 경사지게 형성될 수 있다.
상기 제1 그루브(141), 상기 제2 그루브(142) 및 상기 제3 그루브(143)는 0.1mm 내지 2.0mm의 폭을 갖도록 마련되며, 0.05mm 내지 2.00mm의 깊이를 갖도록 형성될 수 있다.
상기 그루브유닛(140)은, 제1 그루브(141), 제2 그루브(142) 및 제3 그루브(143) 중 어느 하나 이상을 갖도록 마련될 수 있다.
전술한 바와 같이 마련된 본 발명에 따른 연마용 패드(100)는 웨이퍼에 의해 상기 도형유닛(120)이 마모되어도 연마 성능이 균일하게 유지되도록 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 연마용 패드(100)의 연마율을 용이하게 제어할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 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.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 연마용 패드
110: 폴리싱 패드
120: 도형유닛
121: 단일도형부
122: 연속도형부
123: 집합도형부
130: 패턴유닛
140: 그루브유닛
141: 제1 그루브
142: 제2 그루브
143: 제3 그루브

Claims (10)

  1. 상부에 위치한 웨이퍼를 연마하도록 마련된 폴리싱 패드;
    상기 폴리싱 패드 상에 형성되며, 상기 폴리싱 패드의 상부를 향해 돌출 형성된 복수의 도형유닛; 및
    복수의 상기 도형유닛으로 이루어지는 복수의 패턴유닛을 포함하며,
    상기 도형유닛은, 상기 웨이퍼와 상기 도형유닛 사이에 목표로 하는 겉보기 패턴 접촉압력이 형성되도록 겉보기 접촉 면적이 1차로 조절되고,
    상기 도형유닛이 1차로 조절된 상기 겉보기 패턴 접촉 면적을 갖는 상태에서, 위치 별로 목표로 하는 연마특성을 갖도록 상기 도형유닛의 단위 면적당 둘레 길이가 조절되도록 마련되고,
    복수의 상기 패턴유닛은 상기 폴리싱 패드 상에 동심원 형태로 배열된 것을 특징으로 하는 연마액의 유동 저항 구조를 갖는 연마용 패드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 패턴유닛은,
    상기 폴리싱 패드 전체에서 상기 웨이퍼의 연마 특성이 기설정된 오차율 이내를 만족하는 균일한 연마가 이루어지도록 하기 위해, 상기 폴리싱 패드의 회전 방향에 따른 각각의 상기 패턴유닛 내 연마액의 유동방향이 동일해지도록 상기 폴리싱 패드를 분할하여 마련된 것을 특징으로 하는 연마액의 유동 저항 구조를 갖는 연마용 패드.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 도형유닛은,
    회전 방향에 따라 유동하는 연마액이 상기 도형유닛의 상부를 향해 이동하도록 배열된 것을 특징으로 하는 연마액의 유동 저항 구조를 갖는 연마용 패드.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 도형유닛은,
    하나의 단일 폐곡선으로 둘러싸인 단일도형부;
    단일 폐곡선 없이 연속된 선에 의해서 형성되며 반복의 최소 단위로 이루어진 연속도형부;
    복수의 상기 단일도형부의 조합으로 이루어지며 반복의 최소 단위로 이루어진 집합도형부를 포함하며,
    상기 도형유닛은 상기 단일도형부, 상기 연속도형부 및 상기 집합도형부 중 어느 하나의 종류를 포함하도록 형성된 것을 특징으로 하는 연마액의 유동 저항 구조를 갖는 연마용 패드.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 도형유닛은 목표로 하는 연마 특성에 대응되는 겉보기 접촉 면적 및 단위 면적당 둘레 길이를 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 연마액의 유동 저항 구조를 갖는 연마용 패드.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 겉보기 접촉 면적은,
    검사 면적 안에 포함된 상기 도형유닛의 돌출면적(Au)을 검사면적(A0)으로 나눈 값인 것을 특징으로 하는 연마액의 유동 저항 구조를 갖는 연마용 패드.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 단위 면적당 둘레 길이는,
    검사 면적 안에 포함된 상기 도형유닛의 총 둘레길이를(Lt)를 검사면적(A0)으로 나눈 값인 것을 특징으로 하는 연마액의 유동 저항 구조를 갖는 연마용 패드.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 겉보기 접촉 면적은 1.0% 내지 80.0%로 제어되고, 상기 단위면적당 둘레 길이는 1mm/mm2 내지 250mm/mm2인 것을 특징으로 하는 연마액의 유동 저항 구조를 갖는 연마용 패드.
  10. 제 1 항에 따른 연마액의 유동 저항 구조를 갖는 연마용 패드를 갖는 연마 장치.
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