KR102237321B1

KR102237321B1 - 연마패드, 이의 제조방법 및 이를 이용한 반도체 소자의 제조방법

Info

Publication number: KR102237321B1
Application number: KR1020200075102A
Authority: KR
Inventors: 안재인; 서장원; 김경환; 윤성훈
Original assignee: 에스케이씨솔믹스 주식회사
Priority date: 2020-06-19
Filing date: 2020-06-19
Publication date: 2021-04-07

Abstract

구현예는 반도체의 화학적 기계적 평탄화(chemical mechanical planarization, CMP) 공정에 사용되는 연마패드, 이의 제조방법 및 이를 이용한 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로서, 구현예에 따른 연마패드는 연마 후 연마패드의 표면 조도 특성을 조절함으로써, 연마율을 향상시키고, 웨이퍼의 표면 잔여물, 표면 스크래치 및 채터마크를 현저히 감소시킬 수 있다.

Description

연마패드, 이의 제조방법 및 이를 이용한 반도체 소자의 제조방법{POLISHING PAD, PREPARATION METHOD THEREOF AND PREPARATION METHOD OF SEMICONDUCTOR DEVICE USING SAME}

구현예들은 연마 후의 표면 조도 특성이 조절된 연마패드, 이의 제조방법 및 이를 이용한 반도체 소자의 제조방법에 관한 것이다.

반도체 제조공정 중 화학적 기계적 평탄화(chemical mechanical planarization, CMP) 공정은, 웨이퍼(wafer)와 같은 반도체 기판을 헤드에 부착하고 플래튼(platen) 상에 형성된 연마패드의 표면에 접촉하도록 한 상태에서, 슬러리를 공급하여 반도체 기판 표면을 화학적으로 반응시키면서 플래튼과 헤드를 상대운동시켜 기계적으로 반도체 기판 표면의 요철부분을 평탄화하는 공정이다.

연마패드는 이와 같은 CMP 공정에서 중요한 역할을 담당하는 필수적인 원부자재로서, 일반적으로 폴리우레탄 계열의 수지로 이루어지고, 표면에 슬러리의 큰 유동을 담당하는 그루브(groove)와 미세한 유동을 지원하는 기공(pore)을 구비한다. 이 중 연마패드 내의 기공은, 공극을 갖는 고상 발포제, 기상 발포제, 액상 발포제를 이용하여 형성하거나, 또는 화학적 반응에 의해 가스를 발생시켜 형성될 수 있다.

그러나, 상기 기상 또는 액상 발포제를 사용하여 미세한 기공을 형성하는 방식은 CMP 공정 중에 영향을 줄 수 있는 배출 물질이 없다는 장점은 있지만, 기공의 크기 및 크기 분포, 기공의 함량을 정밀하게 조절하기 힘들다는 문제점이 있을 수 있다. 또한 미세 기공의 외벽이 따로 존재하지 않기 때문에 CMP 공정 중에 미세 기공의 형태를 유지하는데 불리하다는 단점 또한 존재한다.

이에 반해, 외벽 및 공극을 갖는 고상 발포제를 사용하여 연마패드를 제조하는 방식은 기상 또는 휘발성 액상 발포제를 사용하는 방식과 반대로 기공의 형태 및 크기 분포, 기공 함량을 정밀하게 조절 가능한 장점이 있으며, 고상 발포제의 외벽의 존재로 인하여 CMP 공정 중에 미세 기공의 형태를 유지하는데 유리한 부분이 있다.

그러나, 고상 발포제를 사용하는 방식은 고상 발포제의 형태를 자유롭게 조절하기 힘들다는 문제점과 고상 발포제를 폴리머에 혼입하여 제조하는 과정에서 연마패드 내 부분적으로 고상 발포제 뭉침 현상이 발생할 수 있다는 문제점이 있다.

이러한 미세 기공의 형태 및 연마패드 내 부분적으로 발생하는 기공 뭉침 현상은 CMP 공정의 중요한 성능 중, 연마율, 평탄화, 웨이퍼(wafer) 표면에 발생하는 잔여물(residue), 스크래치(scratch) 및 채터마크(chatter mark)에도 영향을 줄 수가 있으므로, 그 제어가 특히 중요하다.

한국 공개특허공보 제2008-0037719호

본 발명은 상기 종래 기술의 문제를 해결하기 위해 고안된 것이다.

본 발명의 해결하고자 하는 기술적 과제는 미세 기공의 형태 및 뭉침 현상을 제어하여 연마 후 연마패드의 표면 조도 특성을 일정 수준으로 조절함으로써, 웨이퍼(wafer) 표면에 발생하는 잔여물(residue), 스크래치(scratch), 및 채터마크(chatter mark) 특성을 개선시킬 수 있고, 연마율을 더욱 향상시킬 수 있는 연마패드 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.

또한, 상기 연마패드를 이용하여 옥사이드층을 비롯한 연마 대상층에 유용한 반도체 소자를 제조하는 방법을 제공하고자 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 일 구현예는, 실리콘 산화막 웨이퍼(PETEOS wafer)를 이용하여 연마패드 상에 하소 세리아 슬러리를 200 cc/분의 속도로 분사하면서 60초 동안 25장의 더미(dummy) 웨이퍼를 연마하고, 60초 동안 2장의 모니터링(monitoring) 웨이퍼를 연마한 후, 상기 연마 후의 연마패드를 광학용 표면 조도 측정기로 측정시, ISO 25178-2 표준에 기초한 면적 재료비 곡선에서 하기 식 4를 만족하는 연마패드를 제공한다:

[식 4]

0.002≤Vmp(10)/Vv(0)≤0.100

상기 식 4에서,

상기 Vmp(10)은 상위 10%에 해당하는 피크의 재료 용적(material volume of peaks)이고,

상기 Vv(0)은 총 공극의 용적이다.

또 다른 구현예는, 우레탄계 프리폴리머, 경화제 및 발포제를 혼합하여 원료 혼합물을 제조하는 단계; 및 상기 원료 혼합물을 몰드 내에 주입하여 경화하여 연마패드를 얻는 단계를 포함하고, 실리콘 산화막 웨이퍼(PETEOS wafer)를 이용하여 연마패드 상에 하소 세리아 슬러리를 200 cc/분의 속도로 분사하면서 25 장의 더미(dummy) 웨이퍼를 각각 60초씩 연마하고, 2장의 모니터링(monitoring) 웨이퍼를 각각 60초씩 연마한 후, 상기 연마 후의 연마패드를 광학용 표면 조도 측정기로 측정시, ISO 25178-2 표준에 기초한 면적 재료비 곡선에서 상기 식 4을 만족하는, 연마패드의 제조방법을 제공한다.

또 다른 구현예는, 연마층을 포함하는 연마패드를 정반에 장착하는 단계; 및 상기 연마층의 연마면과 웨이퍼의 표면이 맞닿도록 서로 상대 회전시켜 상기 웨이퍼의 표면을 연마하는 단계;를 포함하고, 상기 연마패드는 실리콘 산화막 웨이퍼(PETEOS wafer)를 이용하여 연마패드 상에 하소 세리아 슬러리를 200 cc/분의 속도로 분사하면서 25 장의 더미(dummy) 웨이퍼를 각각 60초씩 연마하고, 2장의 모니터링(monitoring) 웨이퍼를 각각 60초씩 연마한 후, 상기 연마 후의 연마패드를 광학용 표면 조도 측정기로 측정시, ISO 25178-2 표준에 기초한 면적 재료비 곡선에서 상기 식 4를 만족하는 반도체 소자의 제조방법을 제공한다.

상기 구현예에 따른 연마패드는 미세 기공의 형태 및 뭉침 현상을 제어하여 연마 후 연마패드의 표면 조도 특성을 일정 수준으로 조절함으로써, 웨이퍼(wafer) 표면에 발생하는 잔여물(residue), 스크래치(scratch) 및 채터마크(chatter mark) 특성을 개선시킬 수 있고, 연마율을 더욱 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따라 전단 응력에 의해 연마패드의 표면 형상 및 기공의 형상 변형을 나타낼 수 있는 연마공정의 예를 도시한 것이다.
도 2는 연마패드의 광학용 표면 조도 측정기로 측정시, ISO 25178-2 표준에 기초한 면적 재료비 곡선에서 도출되는 용적 매개변수(a) 및 높이 매개변수(b)를 설명하는 모식도이다.
도 3은 일 구현예에 따른 고상 발포제 분급 정제 장치에서 분급부를 도시한 개략도이다.
도 4는 일 구현예에 따른 고상 발포제 분급 정제 장치에서 분급부의 작동 상태도를 도시한 것이다.
도 5는 일 구현예에 따른 상기 고상 발포제 분급 정제 장치에서 필터부(30a)의 분해 사시도를 도시한 것이다.
도 6은 일 구현예에 따른 웨이퍼 상의 잔여물 형상을 나타낸 사진이다.
도 7은 일 구현예에 따른 웨이퍼 상의 스크래치 형상을 나타낸 사진이다.
도 8는 일 구현예에 따른 웨이퍼 상의 채터마크 형상을 나타낸 사진이다.

이하의 구현예의 설명에 있어서, 각 층 또는 패드 등이 각 층 또는 패드 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.

[연마패드]

본 발명의 일 구현예에 따른 연마패드는 실리콘 산화막 웨이퍼(PETEOS wafer)를 이용하여 연마패드 상에 하소 세리아 슬러리를 200 cc/분의 속도로 분사하면서 25 장의 더미(dummy) 웨이퍼를 각각 60초씩 연마하고, 2장의 모니터링(monitoring) 웨이퍼를 각각 60초씩 연마한 후, 상기 연마 후의 연마패드를 광학용 표면 조도 측정기로 측정시, ISO 25178-2 표준에 기초한 면적 재료비 곡선에서 하기 식 1 및 2를 만족한다:

[식 1]

0.020≤Vmp(10)/Vvv(80)≤1.000

[식 2]

0.005≤Vmp(10)/Vmc(10, 80)≤2.000

상기 식 1 및 2에서,

상기 Vvv(80)은 상위 80% 내지 100%에 해당하는 밸리의 공극 용적(void volume of the valleys)이고,

상기 Vmc(10, 80)는 상위 10% 내지 80%에 해당하는 코어의 재료 용적(material volume of the core)이다.

본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 연마패드는 실리콘 산화막 웨이퍼(PETEOS wafer)를 이용하여 연마패드 상에 하소 세리아 슬러리를 200 cc/분의 속도로 분사하면서 60초 동안 25장의 더미(dummy) 웨이퍼를 연마하고, 60초 동안 2장의 모니터링(monitoring) 웨이퍼를 연마한 후, 상기 연마 후의 연마패드를 광학용 표면 조도 측정기로 측정시, ISO 25178-2 표준에 기초한 면적 재료비 곡선에서 하기 식 4를 만족한다:

[식 4]

0.002≤Vmp(10)/Vv(0)≤0.100

상기 식 4에서,

상기 Vmp(10)은 상기에서 정의한 바와 같고,

상기 Vv(0)은 총 공극의 용적이다.

본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 연마패드는 실리콘 산화막 웨이퍼(PETEOS wafer)를 이용하여 연마패드 상에 하소 세리아 슬러리를 200 cc/분의 속도로 분사하면서 25 장의 더미(dummy) 웨이퍼를 각각 60초씩 연마하고, 2장의 모니터링(monitoring) 웨이퍼를 각각 60초씩 연마한 후, 상기 연마 후의 연마패드를 광학용 표면 조도 측정기로 측정시, ISO 25178-2 표준에 기초한 면적 재료비 곡선에서 하기 식 5 및 6을 만족한다:

[식 5]

Spk/Svk<1.2

[식 6]

0.1≤Spk/Sk≤1.1

상기 식 5 및 6에서,

상기 Spk는 감소된 피크 높이(reduced peak height)이고,

상기 Svk는 감소된 밸리 깊이(reduced valley depth)이며,

상기 Sk는 코어 조도 깊이(core roughness depth)이다.

본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 연마패드는 실리콘 산화막 웨이퍼(PETEOS wafer)를 이용하여 연마패드 상에 하소 세리아 슬러리를 200 cc/분의 속도로 분사하면서 25 장의 더미(dummy) 웨이퍼를 각각 60초씩 연마하고, 2장의 모니터링(monitoring) 웨이퍼를 각각 60초씩 연마한 후, 상기 연마 후의 연마패드를 광학용 표면 조도 측정기로 측정시, ISO 25178-2 표준에 기초한 면적 재료비 곡선에서 하기 식 11을 만족한다:

[식 11]

0.5≤(Spk + Svk)/Sk≤3.5

상기 식 11에서,

상기 Spk, Svk 및 Sk는 상기에서 정의한 바와 같다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 연마 후 연마패드의 표면 조도 특성, 특히 면적 재료비 곡선에서 도출된 용적 매개변수 및 높이 매개변수의 비율을 특정 범위로 제어함으로써 웨이퍼(wafer) 표면에 발생하는 잔여물(residue), 스크래치(scratch) 및 채터마크(chatter mark) 특성을 개선시킬 수 있고, 연마율을 더욱 향상시킬 수 있다.

연마 후 연마패드의 표면 조도

본 명세서에서 표면 조도(surface roughness)는 연마패드의 표면이 가공 또는 연마에 의해 형성되는 연마패드의 표면 거칠기를 의미하며, 본 발명에서 사용한 광학용 표면 조도 측정기는 브루커(Bruker) 사의 Contour GT 모델이다. 연마패드의 표면 조도 측정의 세부 조건은 본 명세서의 실시예를 참조한다.

상기 연마공정 중 또는 연마 후 연마패드의 표면 조도가 일정하게 유지되었을 때, 웨이퍼의 연마 속도, 표면 잔여물, 표면 스크래치 및 채터마크 수치가 일정하게 유지될 수 있다. 또한, 상기 연마패드는 연마 공정이 진행됨에 따라 1) 컨디셔너에 의한 표면 절삭, 2) 캐리어부(웨이퍼 포함)로부터 가해지는 가압 및 전단응력, 3) 웨이퍼 및 연마패드의 계면에 존재하는 슬러리의 형태에 따라 연마패드 표면에 손상 및 변형이 가해지기 때문에 표면 조도가 변하게 된다.

일례로, 도 1을 참조하여, 상기 연마패드는 화학적 기계적 평탄화(CMP) 공정에 사용되어, 그 공정 중에 헤드(110)에 부착된 반도체 기판(웨이퍼)(120)을 통해 가해지는 수직방향의 압축력과 플래튼(130)의 회전에 의해 발생하는 수평방향의 전단응력에 의해 연마패드의 표면 형상이 변형된다.

상기 연마패드는 표면에 슬러리(140)의 큰 유동을 담당하는 그루브(groove)와 미세한 유동을 지원하는 기공(pore)을 구비한다. 상기 연마패드는 외부 응력에 의해 표면의 그루브 뿐만 아니라 기공(150)의 형상이 변형되며, 이는 연마패드의 표면 조도의 변화를 유발할 수 있다.

특히, 연마 후 연마패드의 표면 조도의 변화를 유발하는 기공의 형상 변화 또는 기공의 뭉침 정도는 CMP 공정의 중요한 성능 중 연마율, 웨이퍼 기판의 평탄화, 웨이퍼 표면에 발생하는 잔여물, 스크래치 및 채터마크 등에 영향을 줄 수 있으므로, 그 제어가 특히 중요하다.

이러한 특성에 따라 조절되는 연마 후 연마패드의 표면 조도는 우레탄계 프리폴리머의 종류에 따라 달라질 수 있다. 또한, 상기 표면 조도는 발포제(기상 발포제, 액상 발포제 또는 고상 발포제)의 종류에 따라 달라질 수 있다. 또한, 상기 표면 조도는 고상 발포제의 정제 시스템 사용 유무에 따라 달라질 수 있다. 또한, 상기 표면 조도는 각 성분 원료의 정제 유무에 따라 달라질 수 있다. 또한, 상기 표면 조도는 각 성분 혼합시 믹싱 헤드의 회전 속도, 그루브 가공 정도, 프리 컨디셔닝 조건등에 따라 달라질 수 있으며, 이외에도 다양한 변수에 의해 표면 조도를 제어할 수 있다.

본 발명의 구현예에 따른 연마패드의 표면 조도 특성은 연마 후, 즉 실리콘 산화막 웨이퍼(PETEOS wafer)를 이용하여 연마패드 상에 하소 세리아 슬러리를 200 cc/분의 속도로 분사하면서 25 장의 더미(dummy) 웨이퍼를 각각 60초씩 연마하고, 2장의 모니터링(monitoring) 웨이퍼를 각각 60초씩 연마한 후의 측정한 연마패드의 표면 조도일 수 있다.

이때, 상기 더미 웨이퍼는 주로 실험과 테스트에 사용되는 웨이퍼로서, 연마패드 사용 초기, 즉 연마를 실질적으로 진행하기 전에, 연마패드 표면을 압축하여 불균일한 연마패드의 표면 특성을 균일한 형상으로 제어하기 위해 사용되는 웨이퍼이고, 상기 모니터링 웨이퍼는 실질적으로 연마 후 연마패드의 물성을 모니터링하기 위한 목적으로 사용되는 웨이퍼이다.

상기 연마패드는 CTS사의 AP-300 모델을 사용하여 CMP 공정을 진행할 수 있으며, 패드의 표면상태를 최적화하기 위해 연마 전, 구체적으로 더미 웨이퍼 연마 전에 프리 브레이크-인(pre break in) 공정을 10분 내지 20분 동안 수행하여 연마패드의 연마층을 컨디셔닝(conditioning) 처리할 수 있다. 연마패드의 구체적인 연마 공정 조건은 후술하는 실시예를 참조할 수 있다.

이와 같이 연마 공정을 진행 한 후, 표면 조도 측정기를 이용하여 얻은 상기 면적 재료비 곡선은 베어링 면적 곡선(bearing area curve; BAC) 또는 애벗 파이어스톤 곡선(abbott-firestone curve)이라고 하며, 상기 표면 조도 측정기를 통하여 단위면적에 대하여 측정된 높이에 따른 누적 데이터를 플롯(plot)한 그래프이다.

상기 표면 조도의 면적 재료비 곡선에서 도출되는 매개변수로는 높이로 환산한 매개변수인 S 파라미터(이하, 높이 매개변수라 침함)와 용적으로 환산한 매개변수인 V 파라미터(이하, 용적 매개변수라 침함)가 있으며, 본 발명에서는 구현예에 따라 상기 S 파라미터로서 Spk, Svk 및 Sk, 상기 V 파라미터로서 Vmp(10), Vmc(10, 80), Vvv(80) 및 Vv(0)를 조절하여 연마성능을 개선할 수 있다.

이와 관련하여, 도 2는 연마패드의 광학용 표면 조도 측정기로 측정시, 상기 면적 재료비 곡선에서 도출되는 용적 매개변수(a) 및 높이 매개변수(b)를 설명하는 모식도이다.

이하, 도 2의 (a) 및 (b)를 참고하여 표면 조도의 용적 매개변수 및 높이 매개변수를 구체적으로 설명한다.

<표면 조도의 용적 매개변수>

상기 표면 조도의 용적 매개변수는 재료 용적 매개변수(Vmp(10), Vmc(10, 80) 와 공극 용적 매개변수(Vvv(80), Vv(0))를 포함한다.

상기 재료 용적 매개변수는 평가 영역에서 실제 재료가 차지하고 있는 용적과 관련된 매개변수로서, 연마 공정 중 연마 장치 중 캐리어(carrier)부에 가해진 압력에 의해 웨이퍼와 연마패드가 직접 마찰하게 되는 연마패드의 용적과 관련된 매개변수이다.

상기 재료 용적 매개변수에서, 도 2의 (a)를 참고하여, 상기 Vmp(10)은 상위 10%에 해당하는 피크의 재료 용적(material volume of peaks)으로서, 그래프의 퍼센트 데이터 컷의 0% 내지 100%(x축) 중 10%에 해당하는 높이(y축)에서 가장 높은 피크에 이르는 표면으로 구성된 재료의 용적이다. 상기 Vmp(10)은 피연마재에 의해 최초로 마모되는 재료 용적을 나타내는 매개변수이기 때문에, CMP 공정에서 기계적인 연마와 가장 관련 깊은 매개변수일 수 있다.

상기 Vmc(10, 80)는 상위 10% 내지 80%에 해당하는 코어의 재료 용적(material volume of the core)으로서, 그래프의 퍼센트 데이터 컷의 0% 내지 100%(x축) 중 10% 및 80%에 해당하는 높이(y축) 사이의 표면 질감을 구성하는 재료의 용적이다.

한편, 상기 공극 용적 매개변수는 평가 영역에서 빈 공간이 차지하고 있는 공극과 관련된 매개변수로서, 연마 공정 중 웨이퍼와 연마패드 계면 사이에서 슬러리 및 결함/스크래치를 유발할 수 있는 부산물들이 자유롭게 이동할 수 있는 마이크로 채널의 역할을 하는 공극과 관련된 매개변수이다. 이러한 공극을 통하여 이동하는 슬러리는 웨이퍼와의 접촉을 통해 웨이퍼의 피연마층과의 화학적 반응을 일으켜 화학적인 연마가 가능해진다.

또한, 연마 공정에서 발행하는 연마패드 분쇄물 및 피연마층의 연마 잔해물, 화학적 반응이 완료된 슬러리 입자 등이 단독으로 또는 상호 반응하여 거대 입자로 성장하는 경우, 피연마층과의 화학적 결합이나 기계적 마찰에 의해 피연마층에 잔여물로 남거나 피연마층 표면에 스크래치 또는 채터마크를 유발하는 역할을 할 수 있다.

따라서, 상기 연마패드의 공극은 이들 입자가 연마 공정 중에 연마패드와 웨이퍼간 계면에서 잔여물이나 표면 스크래치 또는 채터마크를 유발하지 않고 잘 빠져나올 수 있는 마이크로 채널의 역할을 할 수 있다.

상기 공극 용적 매개변수에서, 도 2의 (a)를 참고하여, 상기 Vv(0)은 총 공극의 용적(total void volume)으로서, 그래프의 퍼센트 데이터 컷의 0%(x축)에 해당하는 높이(y축)에서 가장 낮은 계곡(100%)까지 표면 질감에 의해 경계된 공극의 용적이다. 상기 Vv(0)은 슬러리가 담지될 수 있는 총 공극의 용적이기 때문에 CMP 공정에서 슬러리의 유동 채널 및 CMP 공정 중 발생하는 이물질의 유동성과 가장 관련 깊은 매개변수일 수 있다.

상기 Vvv(80)은 상위 80% 내지 100%에 해당하는 밸리의 공극 용적(void volume of the valleys)으로서, 그래프의 퍼센트 데이터 컷의 0% 내지 100%(x축) 중 80%에 해당하는 높이(y축)에서 가장 낮은 계곡까지 표면 질감에 의해 경계된 공극 용적이다.

이때, 상기 V 파라미터에서 각각의 기준이 되는 %는 조절이 가능하다.

따라서, 상기 용적 매개변수는 연마패드와 웨이퍼, 슬러리 간의 기계적 마찰 및 화학적 반응에 의해 결정되는 연마성능에 대한 중요한 정보를 제공해 줄 수 있다.

본 발명에서는 연마공정 후에 상기 식들의 용적 매개변수를 일정한 범위 내로 유지하고, 연마공정 중에도 일정하게 유지함으로써 연마율, 웨이퍼의 표면에 발생하는 잔여물, 스크래치 및 채터마크를 개선할 수 있다.

본 발명의 구현예에 따르면, 상기 연마 후의 연마패드는 상기 식 1의 Vmp(10)/Vvv(80)가 0.020 내지 1.000을 만족할 수 있다. 반도체 제조공정에서는 특정한 연마율에서의 낮은 표면 잔여물, 표면 스크래치 및 채터마크 특성을 나타내는 것이 중요하다. 상기 Vmp(10)/Vvv(80)가 0.020 미만인 경우, 세리아 입자를 사용하는 연마 공정에서 연마패드가 웨이퍼 표면에 접촉하는 비율이 낮은 대신, 상대적으로 공극의 비율이 높으므로 공극을 통하여 이동하는 슬러리가 웨이퍼와의 접촉을 통해 웨이퍼의 피연마층과의 화학적 반응을 일으키는 양이 증가하여, 연마율이 증가할 수 있다. 그러나, 연마패드 표면이 직접적으로 마찰하는 부위 대비 공극의 비율이 지나치게 높으면 연마 공정에서 발행하는 연마패드 분쇄물 및 피연마층의 연마 잔해물, 화학적 반응이 완료된 슬러리 입자 등이 단독으로 또는 상호 반응하여 거대 입자로 성장하였을 때 공극의 비율이 높으므로, 화학적 결합에 의해 웨이퍼 표면에 결합할 확률이 높아져 잔여물의 형태로 남을 가능성이 높아진다.

상기 Vmp(10)/Vvv(80)가 1.000을 초과하는 경우, 세리아 입자를 사용하는 연마 공정에서 연마패드가 웨이퍼 표면에 접촉하는 비율이 높은 대신, 상대적으로 공극의 비율이 낮으므로 공극을 통하여 이동하는 슬러리가 웨이퍼와의 접촉을 통해 웨이퍼의 피연마층과의 화학적 반응을 일으키는 양이 감소하여, 연마율이 감소할 수 있다. 반면에 연마패드 표면의 공극 대비 직접적으로 마찰하는 부위의 비율이 지나치게 높으면 연마 공정에서 발행하는 연마패드 분쇄물 및 피연마층의 연마 잔해물, 화학적 반응이 완료된 슬러리 입자 등이 단독으로 또는 상호 반응하여 거대 입자로 성장하였을 때, 연마패드 표면의 직접적인 마찰을 일으키는 부위와 웨이퍼 표면 사이에서 전단응력을 받아 웨이퍼 표면에 스크래치나 채터마크를 발생시킬 가능성이 높아진다.

따라서 Vmp(10)/Vvv(80)의 비율을 적절한 범위내로 유지시켰을 때, 웨이퍼 표면에 발생하는 잔여물, 스크래치 및 채터마크의 수를 최소화 할 수 있다.

상기 연마 후의 연마패드는 하기 식 1-1 또는 1-2를 만족할 수 있다:

[식　1-1] 　

0.030≤Vmp(10)/Vvv(80)≤0.990

[식 1-2]

0.040≤Vmp(10)/Vvv(80)≤0.800

상기 식 1-1 및 식 1-2에서,

상기 Vmp(10) 및 Vvv(80)는 상기에서 정의한 바와 같다.

이 외에도, 상기 Vmp(10)/Vvv(80)는 0.030 내지 0.900. 0.050 내지 0.700, 0.070 내지 0.500, 0.090 내지 0.400, 0.100 내지 0.400, 0.200 내지 0.400, 0.090 내지 0.300, 또는 0.300 초과 내지 0.500 이하일 수 있다.

또한, 본 발명의 구현예에 따르면, 상기 연마 후의 연마패드는 상기 식 2의 Vmp(10)/Vmc(10, 80)가 0.005 내지 2.000을 만족할 수 있다.

상기 Vmp(10)/Vmc(10, 80)가 0.005 미만인 경우 연마패드가 웨이퍼 표면에 접촉하는 비율이 낮은 대신, 상대적으로 공극의 비율이 높으므로, 공극을 통하여 이동하는 슬러리가 웨이퍼와의 접촉을 통해 웨이퍼의 피연마층과의 화학적 반응을 일으켜 화학적인 연마가 높아, 연마율이 증가할 수 있다. 반면에 연마패드 표면이 직접적으로 마찰하는 부위 대비 공극의 비율이 지나치게 높으면 연마 공정에서 발행하는 연마패드 분쇄물 및 피연마층의 반응하여 거대 입자로 성장하였을 때 공극의 비율이 높으므로, 웨이퍼 표면에 결합할 확률이 높아져 잔여물의 형태로 남을 가능성이 높아진다.

상기 Vmp(10)/Vmc(10, 80)가 2.000을 초과하는 경우 연마패드가 웨이퍼 표면에 접촉하는 비율이 높은 대신, 상대적으로 공극의 비율이 낮으므로 공극을 통하여 이동하는 슬러리가 웨이퍼와의 접촉을 통해 웨이퍼의 피연마층과의 화학적 반응을 일으키는 화학적인 연마가 낮아, 연마율이 감소할 수 있다. 반면에 연마패드 표면의 공극 대비 직접적으로 마찰하는 부위의 비율이 지나치게 높으면 연마 공정에서 발행하는 연마패드 분쇄물 및 피연마층의 연마 잔해물, 화학적 반응이 완료된 슬러리 입자 등이 단독으로 또는 상호 반응하여 거대 입자로 성장하였을 때, 연마패드 표면의 직접적인 마찰을 일으키는 부위와 웨이퍼 표면의 계면에서 압력을 받아 웨이퍼 표면에 스크래치나 채터마크를 발생시킬 가능성이 높아진다.

상기 연마 후의 연마패드는 하기 식 2-1 또는 식 2-2를 만족할 수 있다:

[식 2-1]

0.010≤Vmp(10)/Vmc(10, 80)≤1.600

[식 2-2]

0.015≤Vmp(10)/Vmc(10, 80)≤1.200

상기 식 2-2에서 Vmp(10) 및 Vmc(10, 80)는 상기에서 정의한 바와 같다.

이 외에도 상기 Vmp(10)/Vmc(10, 80)는 0.010 내지 1.000, 0.020 내지 0.800, 0.020 내지 0.600, 0.020 내지 0.200, 0.020 내지 0.100, 0.020 내지 0.090, 0.030 내지 0.080, 0.020 내지 0.060, 또는 0.060 초과 내지 0.200 이하일 수 있다.

또한, 상기 Vmp(10)/Vvv(80) 및 Vmp(10)/Vmc(10, 80)가 각각 상기 범위 내에 있는 한, 상기 Vmp(10)는 0.020 내지 0.900, 0.040 내지 0.800, 0.060 내지 0.700, 0.080 내지 0.600, 또는 0.100 내지 0.500 일 수 있다.

상기 Vvv(80)는 0.200 내지 10.000, 0.200 내지 9.600, 0.200 내지 2.400, 0.300 내지 2.300, 0.400 내지 2.200, 0.500 내지 2.100, 또는 0.600 내지 2.000 일 수 있다.

상기 Vmc(10, 80)이 0.200 내지 11.000, 0.250 내지 10.000, 0.250 내지 7.000, 1.000 내지 11.000, 1.500 내지 10.500, 2.000 내지 10.000, 2.500 내지 9.500, 또는 3.000 내지 9.000 일 수 있다.

한편, 본 발명의 구현예에 따르면, 상기 연마 후의 연마패드는 하기 식 3을 만족할 수 있다:

[식 3]

0.027≤Vmp(10)/{Vv(0)+Vvv(80)+Vmc(10,80)}≤3.100

상기 식 3에서,

상기 Vmp(10), Vv(0), Vvv(80) 및 Vmc(10, 80)는 상기에서 정의한 바와 같다.

상기 Vv(0)는 3.000 내지 57.000, 6.000 내지 54.000, 9.000 내지 51.000, 12.000 내지 48.000, 또는 15.000 내지 45.000 일 수 있다.

상기 식 3의 값이 3.100을 초과하는 경우, 세리아 CMP에서 연마율이 감소하고, 웨이퍼의 표면 잔여물, 스크래치 및 채터마크가 현저히 증가할 수 있다. 상기 식 3의 값이 0.027 미만인 경우, 슬러리의 유동성이 과도하여 초기 연마율이 지나치게 증가하여 연마성능에 악영향을 줄 수 있으며, 웨이퍼의 표면 잔여물, 표면 스크래치 및 채터마크가 증가할 수 있다.

또한 상기 연마 후의 연마패드는 하기 식 3-1 또는 3-2를 만족할 수 있다:

[식 3-1]

0.042≤Vmp(10)/{Vv(0)+Vvv(80)+Vmc(10,80)}≤2.55

[식 3-2]

0.057≤Vmp(10)/{Vv(0)+Vvv(80)+Vmc(10,80)}≤2.02

상기 식 3-1 및 3-2에서,

또한, 본 발명의 구현예에 따르면, 상기 Vv(0), Vvv(80) 및 Vmc(10,80)의 총 합은 4.200 내지 70.400, 7.800 내지 66.800, 11.400 내지 63.200, 12.000 내지 59.600, 또는 18.600 내지 56.000 일 수 있다. 상기 Vv(0), Vvv(80) 및 Vmc(10,80)의 총 합은 연마패드가 웨이퍼 표면에 접촉했을 때의 기계적 연마 특성, 마찰 특성, 및 슬러리 담지력 모두에 영향을 줄 수 있으므로, 연마 후의 연마패드가 상기 범위의 Vv(0), Vvv(80) 및 Vmc(10,80)의 총 합을 만족함으로써, 연마율, 웨이퍼의 표면 잔여물, 표면 스크래치 및 채터마크를 개선할 수 있다.

상기 Vv(0), Vvv(80) 및 Vmc(10,80)의 총 합이 상기 범위 미만인 경우, 초기 연마율이 지나치게 증가하여 연마성능에 악영향을 줄 수 있으며, 웨이퍼의 표면 잔여물, 표면 스크래치 및 채터마크가 증가할 수 있고, 상기 Vv(0), Vvv(80) 및 Vmc(10,80)의 총 합이 상기 범위를 초과하는 경우 연마율이 저하되고 잔여물이 현저히 증가할 수 있다.

또한, 상기 연마 후의 연마패드는 상기 식 1-1, 식 2-1 및 식 3-1을 동시에 만족할 수 있다. 또는 상기 연마 후의 연마패드는 상기 식 1-2, 식 2-2 및 식 3-2를 동시에 만족할 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 연마 후의 연마패드는 상기 식 4를 만족할 수 있다.

상기 Vmp(10)/Vv(0)가 0.100을 초과하는 경우 연마패드가 반도체 기판(웨이퍼)의 표면에 접촉했을 때 기계적 연마 특성 또는 마찰 특성이 과도하여, 스크래치 또는 채터마크가 현저히 증가할 수 있고, 상기 Vmp(10)/Vv(0)가 0.002 미만인 경우, 슬러리의 유동성이 과도하여 초기 연마율이 지나치게 증가하여 연마성능에 악영향을 줄 수 있으며, 웨이퍼의 표면 잔여물, 표면 스크래치 및 채터마크가 증가할 수 있다.

<표면 조도의 높이 매개변수>

한편, 도 2의 (b)를 참고하여, 상기 Spk는 감소된 피크 높이(reduced peak height)로서, CMP 공정 중 연마 패드가 반도체 기판(웨이퍼) 표면에 접촉했을 때의 초기 접촉 면적을 제공하고, 따라서 높은 접촉 응력 영역(힘/면적)을 제공하는 높은 피크로 구성된 표면을 의미한다. 상기 Spk는 가동 중에 제거될 수 있는 재료의 공칭 높이를 나타낼 수 있다.

상기 Sk는 코어 조도 깊이(core roughness depth)로서, 표면이 마모된 후 하중이 분산될 수 있는 표면의 중심 거칠기를 의미한다.

상기 Svk는 감소된 밸리 깊이(reduced valley depth)로서, 상기 표면의 중심 거칠기 아래의 계곡 깊이를 측정한 값이며, 슬러리 담지력 또는 연마패드 데브리즈(debris) 포획력과 관련이 있다.

한편, 도 2의 (b)에서, SMr1는 피크 재료부(peak material portion)로서, 상기 Spk와 관련된 피크 구조를 구성하는 재료의 비율을 나타낸다.

또한, SMr2는 계곡 재료부(valley material portion)로서, Svk와 관련된 더 깊은 계곡 구조를 구성하는 측정 영역의 백분율(100%-SMr2)을 나타낸다.

본 발명의 구현예에 따르면, 연마 후에도 하기 식 5 내지 7 중 어느 하나 이상을 일정한 범위 내로 유지함으로써, 연마율, 웨이퍼의 표면 잔여물, 표면 스크래치 및 채터마크를 개선할 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 구현예에 따라, 상기 연마 후의 연마패드는 하기 식 5를 만족할 수 있다:

[식 5]

Spk/Svk<1.2

상기 식 5에서,

상기 Spk 및 상기 Svk는 상기에서 정의한 바와 같다.

상기 식 5의 Spk/Svk는 연마패드가 웨이퍼 표면에 최초로 접촉했을 때에 대한 기계적 연마 특성 또는 마찰 특성, 및 슬러리 담지력 모두에 영향을 줄 수 있으므로, 연마 후의 연마패드가 상기 식 5를 만족함으로써, 연마율, 웨이퍼의 표면 잔여물, 표면 스크래치 및 채터마크를 개선할 수 있다.

또한, 상기 연마 후의 연마패드는 하기 식 5-1을 만족할 수 있다.

[식 5-1]

0.2≤Spk/Svk≤1.1

상기 식 5-1에서,

상기 Spk 및 Svk는 상기에서 정의한 바와 같다.

또한, 상기 연마 후의 연마패드는 상기 Spk/Svk이 0.2 이상 내지 1.0 이하. 0.2 이상 내지 0.7 이하, 0.5 이상 내지 1.2 미만, 0.7 이상 내지 1.1 이하, 또는 0.3 이상 내지 0.7 이하일 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따라, 상기 연마 후의 연마패드는 하기 식 6을 만족할 수 있다:

[식 6]

0.1≤Spk/Sk≤1.1

상기 식 6에서,

상기 Spk 및 상기 Sk는 상기에서 정의한 바와 같다.

상기 식 6의 Spk/Sk는 연마패드가 웨이퍼 표면에 최초 이후 접촉했을 때의 기계적 연마 특성 또는 마찰 특성에 영향을 주는 것이므로, 연마 후의 연마패드가 상기 식 6를 만족함으로써, 연마율, 웨이퍼의 표면 잔여물, 스크래치 및 채터마크를 개선할 수 있다.

또한, 상기 연마 후의 연마패드는 하기 식 6-1을 만족할 수 있다.

[식 6-1]

0.2≤Spk/Sk≤1.1

상기 식 6-1에서,

상기 Spk 및 Sk는 상기에서 정의한 바와 같다.

또한, 상기 연마 후의 연마패드는 상기 Spk/Sk가 0.2 이상 내지 1.0 이하, 0.3 이상 내지 1.1 이하, 0.4 이상 내지 1.0 이하, 또는 0.7 이상 내지 1.1 이하일 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따라, 상기 연마 후의 연마패드는 하기 식 7을 만족할 수 있다:

[식 7]

0.2<Svk/Sk≤2.5

상기 식 7에서,

상기 Svk 및 상기 Sk는 상기에서 정의한 바와 같다.

상기 식 7의 Svk/Sk는 연마패드가 웨이퍼 표면에 최초 이후 접촉했을 때의 슬러리 담지력에 영향을 주는 것이므로, 연마 후의 연마패드가 상기 식 7을 만족함으로써, 연마율, 웨이퍼의 표면 잔여물, 표면 스크래치 및 채터마크를 개선할 수 있다.

상기 연마 후의 연마패드는 하기 식 7-1을 만족할 수 있다.

[식 7-1]

0.4≤Svk/Sk≤2.5

상기 식 7-1에서,

상기 Svk 및 Sk는 상기에서 정의한 바와 같다.

또한, 상기 연마 후의 연마패드는 상기 Svk/Sk가 0.5 이상 내지 2.4 이하, 0.9 이상 내지 2.4 이하, 1.6 이상 내지 2.4 이하, 1.6 이상 내지 2.0 이하 또는 0.5 이상 내지 1.5 이하일 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 Spk는 2 이상 내지 10 이하, 2.5 이상 내지 9.5 이하, 2 이상 내지 7 이하, 3 이상 내지 8 이하, 또는 5.6 이상 내지 10 이하일 수 있다.

상기 Sk는 5 이상 내지 40 이하, 5 이상 내지 30 이하, 6 이상 내지 26 이하, 6 이상 내지 20 이하, 10 이상 내지 30 이하, 또는 6 이상 내지 10 이하일 수 있다.

상기 Svk가 11 초과 내지 22 이하, 11 초과 내지 20 이하, 11.3 이상 내지 19.9 이하, 11 초과 내지 15 이하, 13 이상 내지 20 이하, 또는 12 이상 내지 15 이하일 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 연마 후의 연마패드는 하기 식 8을 만족할 수 있다.

[식 8]

0.3<Spk/Svk + Svk/Sk≤3.6

상기 식 8에서,

상기 Spk, Svk 및 Sk는 상기에서 정의한 바와 같다.

상기 식 8의 Spk/Svk 및 Svk/Sk의 합은 연마패드가 웨이퍼 표면에 최초로 접촉했을 때의 기계적 연마 특성 또는 마찰 특성과 슬러리 담지력, 최초 이후의 슬러리 담지력에 영향을 줄 수 있으므로, 연마 후의 연마패드가 상기 식 8을 만족함으로써, 연마율, 웨이퍼의 표면 잔여물, 표면 스크래치 및 채터마크를 개선할 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 연마 후의 연마패드는 하기 식 9를 만족할 수 있다.

[식 9]

0.3<Spk/Sk + Svk/Sk≤3.6

상기 식 9에서,

상기 Spk, Svk 및 Sk는 상기에서 정의한 바와 같다.

상기 식 9의 Spk/Sk 및 Svk/Sk의 합은 연마패드가 웨이퍼 표면에 최초 이후로 접촉했을 때의 기계적 연마 특성 또는 마찰 특성, 및 슬러리 담지력 모두에 영향을 줄 수 있음을 의미하므로, 연마 후의 연마패드가 상기 식 9를 만족함으로써, 연마율, 웨이퍼의 표면 잔여물, 표면 스크래치 및 채터마크를 개선할 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 연마 후의 연마패드가 하기 식 10을 만족할 수 있다.

[식 10]

0.45≤Spk/Sk + Svk/Sk + Spk/Svk≤4.7

상기 식 10에서,

상기 Spk, Svk 및 Sk는 상기에서 정의한 바와 같다.

상기 식 10에서, Spk/Sk, Svk/Sk 및 Spk/Svk의 총 합은 연마패드가 웨이퍼 표면에 최초 및 최초 이후 모든 접촉했을 때의 기계적 연마 특성 또는 마찰 특성, 및 슬러리 담지력 모두에 영향을 줄 수 있으므로, 연마 후의 연마패드가 상기 식 10을 만족함으로써, 연마율, 웨이퍼의 표면 잔여물, 표면 스크래치 및 채터마크를 개선할 수 있다.

또한, 상기 연마 후의 연마패드가 하기 식 10-1을 만족할 수 있다.

[식 10-1]

0.8≤Spk/Sk + Svk/Sk + Spk/Svk≤4.6

상기 식 10-1에서,

상기 Spk, Svk 및 Sk는 상기에서 정의한 바와 같다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 연마 후의 연마패드가 하기 식 11을 만족할 수 있다.

[식 11]

0.5≤(Spk + Svk)/Sk≤3.5

상기 식 11에서,

상기 Spk, Svk 및 Sk는 상기에서 정의한 바와 같다.

상기 식 11의 (Spk + Svk)/Sk는 연마패드가 웨이퍼 표면에 최초 이후 접촉했을 때의 기계적 연마 특성 또는 마찰 특성, 및 슬러리 담지력 모두에 영향을 줄 수 있으므로, 연마 후의 연마패드가 상기 식 11을 만족함으로써, 연마율, 웨이퍼의 표면 잔여물, 표면 스크래치 및 채터마크를 개선할 수 있다.

또한, 상기 연마 후의 연마패드가 하기 식 11-1을 만족할 수 있다.

[식 11-1]

0.7≤(Spk + Svk)/Sk≤3.2

상기 식 11-1에서,

상기 Spk, Svk 및 Sk는 상기에서 정의한 바와 같다.

상기 식 11 및 11-1에서, 상기 Spk 및 상기 Svk의 총 합은 13 초과 내지 32 이하, 15 이상 내지 30 이하, 15.5 이상 내지 29 이하, 15 이상 내지 20 이하, 17 이상 내지 30 이하, 또는 17 이상 내지 20 이하일 수 있다.

연마 전 연마패드의 표면 조도

본 발명의 구현예에 따르면, 연마 전 연마패드의 표면 조도는 연마 후의 표면 조도의 각 매개변수의 범위와 동일 또는 유사한 범위 내 일 수 있거나, 연마 후의 표면 조도의 각 매개변수의 범위에서 벗어날 수 있다. 즉, 연마 전의 연마패드의 표면 상태가 어떠하든 간에 연마 후의 표면 조도를 상술한 범위 내로 유지할 수 있는 한 연마율을 향상시킬 수 있고, 웨이퍼의 표면 잔여물, 표면 스크래치 및 채터마크를 감소시킬 수 있다. 그러나, 연마 전 및 후의 연마패드의 표면 상태는 유사할수록 연마성능 면에서 좋을 수 있다.

구체적으로, 본 발명의 구현예에 따르면, 상기 연마패드의 연마 전 및 연마 후의 Vmp(10)/Vvv(80)의 차의 절대값은 0.005 내지 0.800, 0.005 내지 0.700, 0.010 내지 0.700, 0.010 내지 0.400, 0.010 내지 0.310, 0.005 내지 0.030, 또는 0.300 내지 0.700일 수 있다.

또한, 상기 연마패드의 연마 전 및 연마 후의 Vmp(10)/Vv(0)의 차의 절대값은 0.002 내지 0.087, 0.002 내지 0.070, 0.002 내지 0.020, 또는 0.01 내지 0.09 일 수 있다.

상기 연마패드의 연마 전 및 연마 후의 Vmp(10)/Vvv(80) 또는 Vmp(10)/Vv(0)의 차의 절대값이 상기 범위를 만족하는 경우, 연마 전 및 연마 후 모두 표면 조도가 일정하여 연마성능이 향상될 수 있다.

또한, 상기 연마패드의 연마 전 및 연마 후의 Svk/Sk 또는 Spk/Sk의 차의 절대값은 각각 1.5 이하일 수 있다.

구체적으로, 상기 연마패드의 연마 전 및 연마 후의 Svk/Sk의 차의 절대값이 0.1 내지 1.5, 0.2 내지 1.5, 0.1 내지 1.0, 0.1 내지 0.7, 또는 0.8 내지 1.5이고,

상기 연마패드의 연마 전 및 연마 후의 Spk/Sk의 차의 절대값이 0 내지 0.6, 0 내지 0.5, 0 내지 0.4 미만, 또는 0.4 내지 0.6일 수 있다.

상기 연마패드의 연마 전 및 연마 후의 Svk/Sk 또는 Spk/Sk의 차의 절대값이 상기 범위를 만족하는 경우, 연마 전 및 연마 후 모두 표면 조도가 일정하여 연마성능이 향상될 수 있다.

[연마패드의 제조방법]

본 발명의 일 구현예에 따른 연마패드의 제조방법은, 우레탄계 프리폴리머, 경화제 및 발포제를 혼합하여 원료 혼합물을 제조하는 단계; 및 상기 원료 혼합물을 몰드 내에 주입하여 경화하여 연마패드를 얻는 단계를 포함하고, 실리콘 산화막 웨이퍼(PETEOS wafer)를 이용하여 연마패드 상에 하소 세리아 슬러리를 200 cc/분의 속도로 분사하면서 60초 동안 25장의 더미(dummy) 웨이퍼를 연마하고, 60초 동안 2장의 모니터링(monitoring) 웨이퍼를 연마한 후, 상기 연마 후의 연마패드를 광학용 표면 조도 측정기로 측정시, ISO 25178-2 표준에 기초한 면적 재료비 곡선에서 상기 식 4를 만족할 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따른 연마패드의 제조방법은, 우레탄계 프리폴리머, 경화제 및 발포제를 혼합하여 원료 혼합물을 제조하는 단계; 및 상기 원료 혼합물을 몰드 내에 주입하여 경화하여 연마패드를 얻는 단계를 포함하고, 실리콘 산화막 웨이퍼(PETEOS wafer)를 이용하여 연마패드 상에 하소 세리아 슬러리를 200 cc/분의 속도로 분사하면서 25 장의 더미(dummy) 웨이퍼를 각각 60초씩 연마하고, 2장의 모니터링(monitoring) 웨이퍼를 각각 60초씩 연마한 후, 상기 연마 후의 연마패드를 광학용 표면 조도 측정기로 측정시, ISO 25178-2 표준에 기초한 면적 재료비 곡선에서 상기 식 1 및 2를 만족할 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 연마패드의 제조방법은, 우레탄계 프리폴리머, 경화제 및 발포제를 혼합하여 원료 혼합물을 제조하는 단계; 및 상기 원료 혼합물을 몰드 내에 주입하여 경화하여 연마패드를 얻는 단계를 포함하고, 실리콘 산화막 웨이퍼(PETEOS wafer)를 이용하여 연마패드 상에 하소 세리아 슬러리를 200 cc/분의 속도로 분사하면서 25 장의 더미(dummy) 웨이퍼를 각각 60초씩 연마하고, 2장의 모니터링(monitoring) 웨이퍼를 각각 60초씩 연마한 후, 상기 연마 후의 연마패드를 광학용 표면 조도 측정기로 측정시, ISO 25178-2 표준에 기초한 면적 재료비 곡선에서 상기 식 5 및 6을 만족할 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 연마패드의 제조방법은, 우레탄계 프리폴리머, 경화제 및 발포제를 혼합하여 원료 혼합물을 제조하는 단계; 및 상기 원료 혼합물을 몰드 내에 주입하여 경화하여 연마패드를 얻는 단계를 포함하고, 실리콘 산화막 웨이퍼(PETEOS wafer)를 이용하여 연마패드 상에 하소 세리아 슬러리를 200 cc/분의 속도로 분사하면서 25 장의 더미(dummy) 웨이퍼를 각각 60초씩 연마하고, 2장의 모니터링(monitoring) 웨이퍼를 각각 60초씩 연마한 후, 상기 연마 후의 연마패드를 광학용 표면 조도 측정기로 측정시, ISO 25178-2 표준에 기초한 면적 재료비 곡선에서 상기 식 11을 만족할 수 있다.

상기 연마패드는 우레탄계 프리폴리머, 경화제 및 발포제를 포함하는 조성물로부터 형성된 경화물을 포함하는 연마층을 포함하고, 상기 발포제는 고상 발포제, 액상 발포제, 및 기상 발포제로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 또는, 상기 발포제는 고상 발포제, 기상 발포제 또는 이들의 혼합 발포제를 포함할 수 있다.

이하, 상기 원료 혼합물에 포함되는 각 성분을 구체적으로 설명한다.

우레탄계 프리폴리머

본 발명에서 목적하는 연마 후 연마패드의 표면 조도는 우레탄계 프리폴리머의 종류를 달리하여 조절될 수 있다.

상기 우레탄계 프리폴리머는 이소시아네이트 화합물과 폴리올을 반응시켜 제조할 수 있다.

프리폴리머(prepolymer)란 일반적으로 일종의 최종 성형품을 제조함에 있어서, 성형하기 쉽도록 중합도를 중간 단계에서 중지시킨 비교적 낮은 분자량을 갖는 고분자를 의미한다. 프리폴리머는 그 자체로 또는 다른 중합성 화합물과 반응시킨 후 성형할 수 있고, 예를 들어 이소시아네이트 화합물과 폴리올을 반응시켜 프리폴리머를 제조할 수 있다.

상기 우레탄계 프리폴리머의 제조에 사용되는 이소시아네이트 화합물은, 예를 들어, 톨루엔 디이소시아네이트(toluene diisocyanate, TDI), 나프탈렌-1,5-디이소시아네이트(naphthalene-1,5-diisocyanate), 파라페닐렌 디이소시아네이트(p-phenylene diisocyanate), 토리딘 디이소시아네이트(tolidine diisocyanate), 4,4'-디페닐 메탄 디이소시아네이트(4,4'-diphenyl methane diisocyanate), 헥사메틸렌 디이소시아네이트(hexamethylene diisocyanate), 디시클로헥실메탄 디이소시아네이트(dicyclohexylmethane diisocyanate) 및 이소포론 디이소시아네이트(isophorone diisocyanate)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 이소시아네이트일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 우레탄계 프리폴리머의 제조에 사용될 수 있는 폴리올은, 예를 들어, 폴리에테르계 폴리올(polyether polyol), 폴리에스테르계 폴리올(polyester polyol), 폴리카보네이트계 폴리올(polycarbonate polyol) 및 아크릴계 폴리올(acryl polyol)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 폴리올일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 폴리올은 300 g/mol 내지 3,000 g/mol의 중량평균분자량(Mw)을 가질 수 있다.

상기 우레탄계 프리폴리머는 500 g/mol 내지 3,000 g/mol의 중량평균분자량을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 우레탄계 프리폴리머는 600 g/mol 내지 2,000 g/mol, 또는 800 g/mol 내지 1,000 g/mol의 중량평균분자량(Mw)을 가질 수 있다.

일례로서, 상기 우레탄계 프리폴리머는 이소시아네이트 화합물로서 톨루엔 디이소시아네이트가 사용되고, 폴리올로서 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜을 사용하여 중합된 500 g/mol 내지 3,000 g/mol의 중량평균분자량(Mw)을 갖는 고분자일 수 있다.

상기 우레탄계 프리폴리머는 8 중량% 내지 10 중량%, 8.5 중량% 내지 9.5 중량%, 또는 8.8 중량% 내지 9.4 중량%의 이소시아네이트 말단기 함량(NCO%)을 가질 수 있다.

상기 NCO%가 상기 범위를 만족하는 경우, 본 발명에서 목적하는 연마 후 연마패드의 표면 조도를 일정하게 유지할 수 있으므로, 연마율, 및 웨이퍼의 표면 잔여물, 표면 스크래치 및 채터마크 특성을 개선할 수 있다.

발포제

본 발명의 일 구현예에 따른 연마패드에 있어서, 상기 복수의 기공은 발포제로부터 유래된 것일 수 있다.

상기 발포제는 고상 발포제, 기상 발포제 및 액상 발포제로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 발포제를 포함할 수 있다.

또한, 기상 발포제, 액상 발포제 또는 고상 발포제의 종류, 고상 발포제의 평균 입경, 고상 발포제의 정제 시스템 사용 유무 등에 따라, 연마패드 내에서 발생하는 기공의 형상 변화 또는 기공의 뭉침 정도를 제어할 수 있으므로, 연마 후 연마패드의 표면 조도를 제어할 수 있다.

고상 발포제

상기 고상 발포제의 종류, 형태 또는 물성 등에 따라 미세 기공의 형태 및 기공 뭉침 현상의 제어가 가능하며, 이로 인해 연마 후 연마패드의 표면 조도를 조절할 수 있다.

상기 고상 발포제는 열팽창된(사이즈 조절된) 마이크로 캡슐이고, 5 ㎛ 내지 200 ㎛의 평균 입경을 갖는 마이크로 벌룬 구조체일 수 있다. 상기 열팽창된(사이즈 조절된) 마이크로 캡슐은 열팽창성 마이크로 캡슐을 가열 팽창시켜 얻어진 것일 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 내부에 봉입된 발포제는 탄소수 1 내지 7개의 탄화수소로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 내부에 봉입된 발포제는 에탄(ethane), 에틸렌(ethylene), 프로판(propane), 프로펜(propene), n-부탄(n-butane), 이소부탄(isobutene), 부텐(butene), 이소부텐(isobutene), n-펜탄(n-pentane), 이소펜탄(isopentane), 네오펜탄(neopentane), n-헥산(n-hexane), 헵탄(heptane), 석유 에테르(petroleum ether) 등의 저분자량 탄화수소; 트리클로로플로오르메탄(trichlorofluoromethane, CCl₃F), 디클로로디플로오로메탄(dichlorodifluoromethane, CCl₂F₂), 클로로트리플루오로메탄(chlorotrifluoromethane, CClF₃), 테트라플루오로에틸렌(tetrafluoroethylene, CClF₂-CClF₂) 등의 클로로플루오로 탄화수소; 및 테트라메틸실란(tetramethylsilane), 트리메틸에틸실란(trimethylethylsilane), 트리메틸이소프로필실란(trimethylisopropylsilane), 트리메틸-n-프로필실란(trimethyl-n-propylsilane) 등의 테트라알킬실란으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.

상기 고상 발포제는 기공의 형태 및 크기 분포, 기공의 함량을 정밀하게 조절가능 하며, 고상 발포제의 외벽의 존재로 인하여 CMP 공정 중에도 미세 기공의 형태를 잘 유지할 수 있다. 그러나, 상기 고상 발포제는 마이크로 벌룬 구조체이므로, 밀도가 낮고 크기가 작아 표면장력이 크기 때문에, 얇고 작은 구형 물질들이 뭉쳐지기 쉽다. 따라서, 고상 발포제의 크기를 제어한다고 하여도, 고상 발포제의 형태는 물론 미세 기공의 형태나 기공의 뭉침 현상을 조절하기 쉽지 않을 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 고상 발포제는 정제 시스템에 의해 정제된 것을 사용함으로써, 고상 발포제의 평균 입경을 제어할 수 있음은 물론, 이들을 서로 뭉치지 않게 분산시킬 수 있고, 형태가 불균일한 고상 발포제도 걸러질 수 있다. 이에 의해 미세 기공의 형태 및 뭉침 현상을 조절할 수 있고, 연마 후 연마패드의 표면 조도를 제어할 수 있다. 따라서, 상기 고상 발포제의 정제 시스템의 사용에 따라 고상 발포제의 평균 입경, 상기 평균 입경에 대한 표준편차 또는 밀도 등이 달라질 수 있다.

예를 들어 상기 정제된 고상 발포제의 평균 입경(D50)은 5 ㎛ 내지 200 ㎛일 수 있다. 여기서 상기 D50은 입자 직경 분포의 50번째 백분위수 (중간)의 부피 입경을 지칭할 수 있다. 더 구체적으로, 상기 고상 발포제는 7 ㎛ 내지 100 ㎛의 D50을 가질 수 있다. 보다 더 구체적으로, 상기 고상 발포제는 10 ㎛ 내지 50 ㎛; 15 ㎛ 내지 45 ㎛; 또는 20 ㎛ 내지 40 ㎛의 D50을 가질 수 있다.

상기 고상 발포제 정제 시스템은 고상 발포제의 평균 입경이 너무 작거나 너무 큰 입자를 걸러내어 상기 범위의 평균 입경을 만족하도록 제공할 수 있으며, 필요한 목적에 따라 선택적으로 상기 범위의 고상 발포제의 평균 입경을 제어할 수 있다.

상기 고상 발포제의 D50이 상기 범위를 만족하는 경우 연마율 및 평탄도를 더욱 향상시킬 수 있다. 상기 고상 발포제의 D50이 상기 범위 미만인 경우 기공의 수평균 직경이 작아져 연마율 및 평탄도에 영향을 줄 수 있으며, 상기 범위를 초과하는 경우 기공의 수평균 직경이 지나치게 커져 연마율 및 평탄도에 악영향을 줄 수 있다.

이와 같이 고상 발포제 정제 시스템에 의해 정제된 고상 발포제를 사용하는 경우, 연마 후 연마패드의 표면 조도를 균일하게 유지할 수 있다.

상기 고상 발포제는 상기 원료 혼합물 100 중량부를 기준으로 0.5 중량부 내지 5 중량부의 양으로 사용할 수 있다. 구체적으로, 상기 우레탄계 프리폴리머 100 중량부를 기준으로 상기 고상 발포제를 0.6 중량부 내지 2.5 중량부, 1 중량부 내지 2.5 중량부, 1.5 중량부 내지 2.5 중량부, 또는 1.8 중량부 내지 2.3 중량부의 양으로 사용할 수 있다.

본 발명의 연마패드의 제조에 있어서, 발포제로서 고상 발포제를 단독으로 사용하거나, 원하는 특성에 따라 기상 발포제 및 휘발성 액상 발포제와 혼합하여 사용할 수 있다.

고상 발포제 정제 시스템

상기 고상 발포제 정제 시스템은 고상 발포제의 평균 입경(D50)을 상기 범위로 구현할 수 있고, 본 발명에서 목적하는 연마패드의 표면 조도를 만족할 수 있는 한, 다양한 정제 시스템을 사용할 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 따라, 상기 고상 발포제 정제 시스템으로서 고상 발포제 분급 정제 장치를 사용하였다.

일 구현예에 따른 고상 발포제 분급 정제 장치는, 공급된 고상 발포제를 제1 미소구체와 제2 미소구체로 분류하는 분급부, 상기 분급부와 연결되어 분류된 상기 제1 미소구체가 유입되어 저장되고 배출될 수 있는 저장부, 및 상기 고상 발포제 또는 제1 미소구체의 이동 경로에 배치되어, 상기 고상 발포제 또는 상기 제1 미소구체를 포함하는 필터링 대상에서 금속성 물질을 분리하는 필터부를 포함한다.

도 3은 일 구현예에 따른 분급부를 도시한 개략도이고, 도 4는 도 3의 분급부의 작동 상태도를 도시한 것이다.

도 3 및 도 4을 참조할 때, 분급부(50)는 내부에 분급공간(511)이 형성된 분급 하우징(51), 분급공간(511)과 연결된 가스 공급홀(515) 및 분급공간(511)과 연결된 분급 배출홀을 포함한다. 상기 분급부(50)는 분급공간(511)에 위치하여 가스 공급홀(515)과 이웃하게 배치된 와류발생부재(53)를 더 포함할 수 있다. 상기 분급부(50)는 상기 분급 하우징(51)에 배치된 진동발생부(56)를 더 포함할 수 있다. 상기 분급부(50)는 분급 교반부를 더 포함할 수 있다.

분급 유입홀(512)들 중 어느 한 분급 유입홀(512)을 통하여 상기 분급공간(511)으로 유입된 고상 발포제의 분류는 다음과 같이 진행될 수 있다. 상기 분급공간(511)에서는 유동가스를 공급받아 고상 발포제를 분류한다. 상기 분급공간(511)으로 유입된 유동가스는 와류발생부재(53)를 통과하면서 가스 배출홀(516)의 방향으로 유동한다. 이때 유동가스는 회전 또는 와류를 발생시키면서 유동한다(도 10의 분급공간(511) 내의 점선 화살표: A로 표시). 유동가스는 가스 배출홀(516)이 형성된 상부로 유동한다. 상기 분급공간(511)으로 유입된 고상 발포제는 유동하는 유동가스를 따라 상승하다가 유동가스의 흐름이 약해지거나 외부에서 전달되는 회전력, 진동 등에 따라 발생하는 하강류에 의해 분급공간(511) 내에서 하강되는 것이 촉진될 수 있다(도 10에서 고상 발포제의 흐름은 이점쇄선 화살표: B로 표시, 진동 화살표: C로 표시). 이 때 상기 분급공간(511)의 공기의 흐름이 공기세포의 순환 흐름을 형성해, 그 고상 발포제의 크기에 비해서 입자가 무거운 것이나 너무 가벼운 경우, 또는 입자의 형상이 현저하게 다른 것들은 상승 또는 하강의 속도가 달라지며 분류된다. 즉, 유동가스의 흐름에 따라 고상 발포제가 분급공간(511)에서 부유하고, 중력, 진동 등의 영향에 따라 고상 발포제가 그 무게와 크기에 따라 다른 속도로 하강하면서, 크기에 따라 분류되어 회수될 수 있다.

이렇게 유동가스 등의 영향으로 상승 또는 하강하는 고상 발포제들은 분급 하우징(51)의 높이에 따라 형성된 제1 미소구체 배출홀(513), 제2 미소구체 배출홀(514)을 통해 분급 하우징(51)의 밖으로 각각 배출될 수 있다.

상기 분급 하우징(51)의 상면에는 분급공간(511)으로 유입된 유동가스가 배출되는 가스 배출홀(516)이 형성될 수 있고, 상기 가스 배출홀(516)에는 배출되는 유동가스에 포함된 이물질, 잔여 미소구체 등을 필터링하는 배출필터(54)가 배치될 수 있다.

일 구현예에서, 진동과정은 상기 진동발생부(56)를 통해 분급 하우징(51)에 중심축(511a)을 중심으로 상하로 움직이는 수직방향진동, 좌우로 움직이는 수평방향진동, 또는 상하좌우로 모두 진동을 가하는 수직수평방향진동을 순차로 또는 동시에 가할 수 있다. 또한, 진동과정은 상기 분급 하우징(51)을 중심축(511a)을 기준으로 시계방향으로 회전시키거나 반시계방향으로 회전시키거나 시계방향과 반시계방향의 회전을 반복하여 진행하는 회전 방식이 적용될 수 있다. 예를 들어, 진동과정에 적용되는 진동은 100 내지 10,000 Hz의 진동일 수 있고, 예를 들어, 500 내지 5,000 Hz의 진동일 수 있으며, 예를 들어, 700 내지 3,500 Hz의 진동일 수 있다. 이러한 범위로 상기 진동을 적용하는 경우, 보다 효율적으로 고상 발포제를 분류할 수 있다.

상대적으로 작고 가벼운 고상 발포제 특성상, 유동가스의 상승으로 고상 발포제가 상승하고 떨어지는 속도 차이에 의해 분류 가능하나, 유동가스에 의해 상승하여 쉽게 하강하지 않는 중공미세구체를 진동에 의해 더 빨리 하강시킬 수 있다. 즉, 이러한 진동과정은 고상 발포제가 분급공간(511)에서 하강 되는 것을 촉진하는 하강진동(down force vibrating)의 방식으로 진행될 수 있고, 진동과정이 더 진행되면 보다 효율적이고 효과적인 분급이 진행될 수 있으며, 이러한 과정을 거쳐 형성된 연마층은 웨이퍼의 표면 잔여물, 표면 스크래치 및 채터마크 등의 표면 결함이 적은 반도체 기판(웨이퍼)을 제조할 수 있다.

분급되는 고상 발포제의 입경은 주입되는 유동가스의 유속, 제1 미소구체 배출홀(513)의 위치, 진동의 정도 등으로 조절될 수 있다. 그 결과, 상기 고상 발포제는 평균 입경이 약 5 ㎛ 내지 약 200 ㎛인 제1 미소구체와, 평균 입경이 약 5 ㎛ 미만인 제2 미소구체로 분급될 수 있다. 고상 발포제 중 손상되거나 밀도가 지나치게 높은 것은 제3 미소구체일 수도 있다. 이에 분급공간(511)에서는 고상 발포제를 제1 내지 제3 미소구체로 분류할 수 있다. 분급되는 고상 발포제의 입경은 연마패드의 설계에 따라 달라질 수 있다.

도 5는 일 구현예에 따른 상기 필터부(30a, 30b)의 분해 사시도를 도시한 것이다. 도 3 및 도 5를 참조할 때, 상기 필터부(30a, 30b)는 상기 분급부의 전단, 후단 또는 전후단에 배치될 수 있다. 상기 분급부의 후단에 배치되는 필터부(30b)는 상기 분급공간(511)을 통하여 분리된 제1 미소구체 중의 금속 성분을 제거할 수 있다. 상기 분급부의 전단에 배치된 필터부(30a)는 상기 분급부(50)에 유입되기 전 고상 발포제 중의 금속 성분을 제거할 수 있다.

도 5를 참조할 때, 상기 필터부(30a, 30b)는, 고상 발포제가 경유하는 필터공간(311)이 내부에 형성되어 있는 필터 하우징(31), 필터 하우징(31)에 분리할 수 있게 배치되어 필터공간(311)을 여닫는 필터덮개(32) 및 필터공간(311)에 배치되어 있고 자기력이 발생하는 필터부재(33)를 포함한다.

상기 필터 하우징(31)은 배관(10a, 10c)과 연결되는 필터 유입구(312)가 형성될 수 있다. 고상 발포제는 상기 필터 유입구(312)를 통하여 상기 필터공간(311)으로 유입되며, 상기 필터공간(311)의 둘레를 따라 선회운동을 하면서 개방된 방향으로 이동할 수 있다. 상기 필터공간(311)에는 필터부재(33)가 위치하며 고상 발포제의 흐름에 와류 발생을 유도할 수 있다.

일 구현예에서, 상기 필터덮개(32)에는 상기 필터공간(311)과 연결된 필터 배출구(321)가 형성될 수 있다. 다른 구현예에서, 상기 필터 배출구(321)는 상기 필터 하우징(31)의 둘레에 형성될 수 있다. 상기 필터 배출구(321)의 위치는 필터링 대상의 종류나 밀도에 따라 달라질 수 있다. 필터 유입구(312)를 통해 필터공간(311)을 경유한 고상 발포제는 필터 배출구(321)를 통해 필터 하우징(31)의 외부로 배출될 수 있다.

상기 필터부재(33)는 상기 필터공간(311)에 위치하는 거치부(331), 그리고 거치부(331)에 배치되어 있는 자석(332)을 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 상기 자석(332)은 거치부(331)의 내부에 배치될 수 있다. 상기 자석(332)은 상자석 또는 전자석을 포함할 수 있다. 상기 자석은 네오디뮴(Neodymium) 자석일 수 있다. 상기 자석은 10,000 Gauss 내지 12,000 Gauss의 자력을 갖는 것일 수 있다. 상기 자석에 의해 거치부(331)의 주변에는 자기장이 형성되고, 금속성 물질이 자석에 붙는다. 자기력에 의해 필터공간(311)에서 선회운동을 하는 고상 발포제 중에 함유된 금속성 물질은 거치부(331)의 외부 둘레에 붙을 수 있다. 상기 자석(332)을 통하여 상기 필터공간(311)을 경유하는 필터링 대상에 섞인 금속성 물질을 분리할 수 있다. 상기 필터부를 통해, 정제된 고상 발포제 또는 제1 미소구체를 마련할 수 있다.

상기 분급부를 통해서 상기 고상 발포제가 가공됨에 따라, 이를 포함하여 제조된 연마패드의 표면 가공에 있어서 조도 제어 성능이 향상될 수 있다. 고상 발포제의 크기가 지나치게 작을 경우 연마패드를 제조하기 위한 조성물의 응집을 초래할 수 있고, 고상 발포제의 크기가 지나치게 클 경우에는 기공 크기의 제어가 어려워 연마패드 표면 특성이 저하될 수 있다. 따라서, 상기 분급부를 통해 적절한 크기의 고상 발포제가 도출됨에 따라 연마패드를 제조하기 위한 조성물 중의 응집을 방지할 수 있고, 나아가 연마패드의 표면에 균일하고 적합한 깊이/폭의 조도 특성을 구현시킬 수 있다.

또한, 고상 발포제 중의 밀도가 높은 금속 이물, 이를 시드(seed)로 하는 응집 덩어리 등은 연마패드의 표면 상태에 영향을 주어 목적하는 수준의 조도 특성을 가공하는 데 방해 요소로 작용한다. 따라서, 상기 필터부를 통하여 금속 성분이 제거된 고상 발포제를 사용함으로써 연마패드 중에 포함될 밀도가 높은 이물, 덩어리 등을 최소화할 수 있고, 그 결과, 우수한 표면 특성을 갖는 연마패드로 연마되는 반도체 기판 등의 제품의 결함(defect)을 현저하게 감소시키는 등 품질 향상의 효과를 확보할 수 있다.

기상 발포제

본 발명에서 목적하는 연마 후 연마패드의 표면 조도는 기상 발포제의 종류를 달리하여 조절될 수 있다.

상기 기상 발포제는 불활성 가스를 포함할 수 있으며, 상기 기상 발포제는 상기 우레탄계 프리폴리머, 경화제, 고상 발포제, 반응속도 조절제 및 실리콘계 계면활성제가 혼합되어 반응하는 과정에 투입되어 기공들을 형성할 수 있다. 상기 불활성 가스는 프리폴리머와 경화제 간의 반응에 참여하지 않는 가스라면 종류가 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 불활성 가스는 질소 가스(N₂), 아르곤 가스(Ar), 및 헬륨 가스(He)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 불활성 가스는 질소 가스(N₂) 또는 아르곤 가스(Ar)일 수 있다.

상기 기상 발포제는 상기 원료 혼합물의 총 부피, 구체적으로 우레탄계 프리폴리머, 발포제, 반응속도 조절제 및 경화제의 합계 부피의 5 부피% 내지 30 부피%에 해당하는 부피로 투입될 수 있다. 구체적으로, 상기 기상 발포제는 상기 원료 혼합물의 총 부피의 5 부피% 내지 30 부피%, 5 부피% 내지 25 부피%, 5 부피% 내지 20 부피%, 5 부피% 내지 18 부피%, 6 부피% 내지 15 부피%, 6 부피% 내지 13 부피% 또는 7.5 부피% 내지 10 부피%에 해당하는 부피로 투입될 수 있다.

액상 발포제

본 발명에서 목적하는 연마 후 연마패드의 표면 조도는 액상 발포제의 종류 및 혼합공정을 달리하여 조절될 수 있다.

상기 액상 발포제는 프리폴리머 및 경화제가 혼합되어 반응하는 과정에 투입되어 기공을 형성할 수 있으며, 프리폴리머와 경화제 간의 반응에 참여하지 않는다. 또한, 상기 액상 발포제는 프리폴리머 및 경화제가 혼합되어 반응하는 과정에서 생성되는 열에 의해 물리적으로 기화되어 기공을 형성한다.

상기 액상 발포제는 비점이 상이한 2종 이상의 휘발성 액상 발포제를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 휘발성 액상 발포제는 1종 이상의 저비점 액상 발포제 및 1종 이상의 고비점 액상 발포제를 포함할 수 있다.

상기 휘발성 액상 발포제는 이소시아네이트기, 아미드기 및 알콜기와 반응하지 않으며, 25 ℃에서 액상일 수 있다. 구체적으로, 상기 휘발성 액상 발포제는 트리클로로플루오로메탄(trichlorofluoromethane), 2,2-디클로로1,1,1-트리플루오로에탄(2,2-dichloro-1,1,1-trifluoroethane), 1,1-디클로로-1-플루오로에탄(1,1-dichloro-1-fluoroethane), 사이클로펜탄(cyclopentane), n-펜탄(n-pentane), 사이클로헥산(cyclohexane), n-부틸아세테이트(n-butyl acetate), 비스(노나플루오로부틸)(트리플루오로메틸)아민(bis(nonafluorobutyl)(trifluoromethyl)amine); 및 퍼플루오로트리부틸아민(perfluorotributylamine), 퍼플루오로-N-메틸모르폴린(perfluoro-N-methylmorpholine), 플루오로트리펜틸아민(perfluorotripentylamine) 및 퍼플루오로헥산(perfluorohexane) 등의 퍼플루오로 화합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.

상기 퍼플루오로 화합물의 시판품으로는 FC-40(3M사), FC-43(3M사), FC-70(3M사), FC-72(3M사), FC-770(3M사), FC-3283(3M사), FC-3284(3M사) 등을 들 수 있다.

상기 저비점 액상 발포제는 반응 초기에 기화되어 평균 입경 45 내지 90 ㎛의 메조기공을 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 저비점 액상 발포제는 1 기압에서 30 내지 100 ℃의 비점을 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 저비점 액상 발포제는 1 기압에서 40 내지 70 ℃의 비점을 가질 수 있다. 더 구체적으로, 상기 저비점 액상 발포제는 트리클로로플루오로메탄, 2,2-디클로로-1,1,1-트리플루오로에탄, 1,1-디클로로-1-플루오로에탄, 사이클로펜탄, 사이클로헥산, n-펜탄, 퍼플루오로-N-메틸모르폴린 및 퍼플루오로헥산으로 이루어진 군으로부터 선 택된 1종 이상일 수 있다. 상기 저비점 액상 발포제의 시판품으로는 FC-72(3M사), FC-770(3M사), FC-3284(3M사) 등을 들 수 있다.

상기 고비점 액상 발포제는 지연 기화되어 평균 입경 20 내지 50 ㎛의 미세기공을 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 고비점 액상 발포제는 1 기압에서 100 내지 250 ℃의 비점을 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 고비점 액상 발포제는 1 기압에서 100 내지 200 ℃의 비점을 가질 수 있다. 더 구체적으로, 상기 고비점 액상 발포제는 n-부틸 아세테이트, 비스(노나플루오로부틸)(트리플루오로메틸)아민, 퍼플루오로트리부틸아민 및 퍼플루오로트리펜틸아민으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 상기 고비점 액상 발포제의 시판품으로는 FC-40(3M사), FC-43(3M사), FC-70(3M사), FC-3283(3M사) 등을 들 수 있다.

상기 저비점 액상 발포제와 고비점 액상 발포제는 서로 간에 20 내지 80 ℃ 구체적으로, 50 내지 80 ℃의 비점 차이를 가질 수 있다. 구체적으로, 저비점 액상 발포제와 고비점 액상 발포제의 조합으로서 사이클로펜탄과 n부틸 아세테이트, 트리클로로플루오로메탄과 비스(노나플루오로부틸)(트리플루오로메틸)아민의 조합 등을 들 수 있다.

상기 휘발성 액상 발포제는 저비점 액상 발포제와 고비점 액상 발포제를 1: 0.5 내지 2의 몰비로 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 휘발성 액상 발포제는 저비점 액상 발포제와 고비점 액상 발포제를 1: 0.8 내지 1.2의 몰비로 포함할 수 있다. 상기 액상 발포제는 상기 원료 혼합물 100 중량부를 기준으로 1 내지 10 중량부의 양으로 투입될 수 있다. 또한, 상기 액상 발포제는 상기 원료 혼합물 100 중량부를 기준으로 2 내지 8 중량부의 양으로 투입될 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), 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 : 0.8~1.2의 몰 당량비, 또는 1 : 0.9~1.1의 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.

상기 경화제는 원료 혼합물 100 중량부를 기준으로 3.0 중량부 내지 40 중량부의 양으로 사용할 수 있다. 구체적으로, 상기 경화제는 상기 원료 혼합물 100 중량부를 기준으로 5.0 중량부 내지 35 중량부의 양으로 사용될 수 있다. 구체적으로, 상기 경화제는 상기 원료 혼합물 100 중량부를 7.0 중량부 내지 30 중량부의 양으로 사용될 수 있다.

계면활성제

상기 원료 혼합물은 계면활성제를 더 포함할 수 있다. 상기 계면활성제는 형성되는 기공들의 겹침 및 합침 현상을 방지하는 역할을 할 수 있다. 구체적으로, 상기 계면활성제는 실리콘계 비이온성 계면활성제가 적합하나, 이외에도 연마패드에 요구되는 물성에 따라 다양하게 선택할 수 있다.

상기 실리콘계 비이온성 계면활성제로는 수산기를 갖는 실리콘계 비이온성 계면활성제를 단독으로 사용하거나, 수산기를 갖지 않는 실리콘계 비이온성 계면활성제와 함께 사용할 수 있다.

상기 수산기를 갖는 실리콘계 비이온성 계면활성제는 이소시아네이트 함유 화합물 및 활성수소화합물과의 상용성이 우수하여 폴리우레탄 기술분야에 널리 사용되고 있는 것이라면 특별히 제한하지 않는다. 상기 수산기를 갖는 실리콘계 비이온성 계면활성제의 시판물질은, 예를 들어, 다우 코닝사의 DOW CORNING 193(실리콘 글리콜 공중합체, 액상; 25 ℃에서의 비중: 1.07; 20 ℃에서의 점성: 465 ㎟/s; 인화점: 92 ℃)(이하, DC-193이라 함) 등이 있다.

상기 수산기를 갖지 않는 실리콘계 비이온성 계면활성제의 시판물질은, 예를 들어, 다우 코닝사의 DOW CORNING 190(실리콘 글리콜 공중합체, 가드너 색수: 2; 25 ℃에서의 비중: 1.037; 25 ℃에서의 점성: 2000 ㎟/s; 인화점: 63 ℃ 이상; Inverse solubility Point(1.0 % water solution): 36 ℃)(이하, DC-190이라 함) 등이 있다.

상기 계면활성제는 상기 원료 혼합물 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 2 중량부의 양으로 포함될 수 있다. 구체적으로, 상기 계면활성제는 상기 원료 혼합물 100 중량부를 기준으로 0.2 내지 1.8 중량부, 0.2 내지 1.7 중량부, 0.2 내지 1.6 중량부, 또는 0.2 내지 1.5 중량부의 양으로 포함될 수 있다. 상기 범위 내의 함량으로 계면활성제를 포함할 경우, 기상발포제 유래 기공이 몰드 내에서 안정하게 형성 및 유지될 수 있다.

반응 및 기공 형성

상기 우레탄계 프리폴리머와 경화제는 혼합 후 반응하여 고상의 폴리우레탄을 형성하여 시트 등으로 제조된다. 구체적으로, 상기 우레탄계 프리폴리머의 이소시아네이트 말단기는, 상기 경화제의 아민기, 알콜기 등과 반응할 수 있다. 이때 고상 발포제와 같은 발포제는 우레탄계 프리폴리머와 경화제의 반응에 참여하지 않으면서 원료 내에 고르게 분산되어 복수의 기공을 형성한다.

성형

상기 성형은 몰드를 이용하여 수행될 수 있다. 구체적으로, 믹싱 헤드 등에서 충분히 교반된 원료 혼합물은 몰드로 토출되어 몰드 내부를 채울 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연마패드에 포함되는 복수의 기공의 구형률 제어는 믹싱 헤드의 회전 속도 및 고상 발포제 정제 시스템을 사용하여 이루어질 수 있다. 구체적으로, 상기 우레탄계 프리폴리머, 고상 발포제 및 경화제를 혼합 및 분산하는 과정에서 믹싱 헤드의 회전 속도, 예를 들어 믹싱 시스템에 의해 500 rpm 내지 10000 rpm, 700 rpm 내지 9000 rpm, 900 rpm 내지 8000 rpm, 900 rpm 내지 7000 rpm 미만, 또는 1000 rpm 내지 5000 rpm의 회전속도로 교반 할 수 있다. 또는 상기 우레탄계 프리폴리머, 고상 발포제 및 경화제를 혼합 및 분산하는 과정에서 상기 고상 발포제는 정제 시스템에 의해 정제된 것을 사용할 수 있다.

상기 우레탄계 프리폴리머와 경화제 간의 반응은 몰드 내에서 완료되어, 몰드의 형상대로 고상화된 케이크 형태의 성형체가 수득될 수 있다.

이후, 수득한 성형체를 적절히 슬라이싱 또는 절삭하여, 연마패드의 제조를 위한 시트로 가공할 수 있다. 일례로서, 최종 제조될 연마패드의 두께의 5 내지 50 배 높이의 몰드에 성형한 뒤, 성형체를 동일 두께 간격으로 슬라이싱하여 다수의 연마패드용 시트를 한꺼번에 제조할 수 있다. 이 경우, 충분한 고상화 시간을 확보하기 위해 반응 속도 조절제로서 반응 지연제를 사용할 수 있으며, 이에 따라 몰드의 높이를 최종 제조되는 연마패드의 두께의 5 배 내지 50 배로 구성한 뒤 성형하여도 시트의 제조가 가능할 수 있다. 다만, 슬라이싱된 시트들은 몰드 내 성형된 위치에 따라 다른 직경의 기공을 가질 수 있다. 즉 몰드의 하부에서 성형된 시트의 경우 미세한 직경의 기공들을 갖는 반면, 몰드의 상부에서 성형된 시트는, 하부에서 형성된 시트에 비해 직경이 큰 기공들을 가질 수 있다.

따라서, 바람직하게는, 각 시트별로도 균일한 직경의 기공을 갖도록 하기 위해서, 1회 성형으로 1매의 시트의 제조가 가능한 몰드를 사용할 수 있다. 이를 위해, 상기 몰드의 높이는 최종 제조될 연마패드의 두께와 크게 차이가 나지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 성형은 최종 제조되는 연마패드의 두께의 1 내지 3 배에 해당하는 높이를 가지는 몰드를 이용하여 수행될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 몰드는 최종 제조되는 연마패드의 두께의 1.1 배 내지 4.0 배, 또는 1.2 배 내지 3.0 배의 높이를 가질 수 있다. 이때, 보다 균일한 입경의 기공을 형성하기 위해 반응 속도 조절제로서 반응 촉진제를 사용할 수 있다. 구체적으로, 1매의 시트로 제조된 상기 연마패드는 1 mm 내지 10 mm의 두께를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 연마패드는 1 mm 내지 9 mm, 1 mm 내지 8.5 mm, 1.5 mm 내지 10 mm, 1.5 mm 내지 9 mm, 1.5 mm 내지 8.5 mm, 1.8 mm 내지 10 mm, 1.8 mm 내지 9 mm, 또는 1.8 mm 내지 8.5 mm의 두께를 가질 수 있다.

이후 상기 몰드로부터 얻은 성형체의 상단 및 하단 각각을 절삭할 수 있다. 예를 들어, 상기 성형체의 상단 및 하단 각각을 성형체 총 두께의 1/3 이하 만큼씩 절삭하거나, 1/22 내지 3/10 만큼씩 절삭하거나, 또는 1/12 내지 1/4 만큼씩 절삭할 수 있다.

구체적인 일례로서, 상기 성형이 최종 제조되는 연마패드의 두께의 1.2 내지 2 배에 해당하는 높이를 가지는 몰드를 이용하여 수행되고, 상기 성형 이후에 상기 몰드로부터 얻은 성형체의 상단 및 하단 각각을 성형체 총 두께의 1/12 내지 1/4 만큼씩 절삭하는 공정을 추가로 포함할 수 있다.

상기 제조방법은, 상기 표면 절삭 후에, 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.

또한, 상술한 바와 같은 제조방법으로 제조된 연마패드는 상술한 바와 같은 구현예에 따른 연마패드의 특성을 모두 나타낸다.

[연마패드의 물성]

앞서 기재한 바와 같이, 구현예에 따른 연마패드는 연마 후 연마패드의 표면 조도의 각 매개변수들을 제어함으로써, 연마율을 향상시킬 수 있고, 웨이퍼의 표면 잔여물, 표면 스크래치 및 채터마크를 감소시킬 수 있다.

구체적으로, 상기 연마패드는, 하소 세리아 슬러리를 이용하여 산화규소 막이 형성된 실리콘 웨이퍼를 연마하는 경우, 옥사이드 막에 대해 연마율이 2600 Å/분 내지 3300 Å/분, 2850 Å/분 내지 3200 Å/분, 2900 Å/분 내지 3100 Å/분 이상, 또는 2900 Å/분 내지 3000 Å/분일 수 있다.

또한, 실리콘 산화막 웨이퍼(PETEOS wafer)를 이용하여 연마패드 상에 하소 세리아 슬러리를 200 cc/분의 속도로 분사하면서 25 장의 더미(dummy) 웨이퍼를 각각 60초씩 연마하고, 2장의 모니터링(monitoring) 웨이퍼를 각각 60초씩 연마한 후, 상기 모니터링 웨이퍼의 채터마크(chatter mark) 개수가 5 이하, 1 내지 5, 1 내지 4, 또는 1 내지 3 일 수 있다.

또한, 연마 후 상기 모니터링 웨이퍼의 표면 스크래치 개수가 200 이하. 1 내지 200, 1 내지 180, 1 내지 160 또는 1 내지 150 일 수 있다.

또한, 연마 후 상기 모니터링 웨이퍼의 표면 잔여물 개수가 100 이하, 90 이하, 86 이하, 또는 80 이하일 수 있다.

한편, 상기 연마패드는, 복수의 기공을 포함한다.

본 발명의 구현예에 따른 연마패드는 복수의 기공의 평균 직경이 5 ㎛ 내지 200 ㎛일 수 있다. 또한, 상기 복수의 기공의 평균 직경은 7 ㎛ 내지 100 ㎛, 10 ㎛ 내지 50 ㎛, 10 ㎛ 내지 32 ㎛, 또는 20 ㎛ 내지 32 ㎛일 수 있다. 상기 복수의 기공의 평균 직경은, 기공 직경의 수평균 값으로 계산하였다. 예를 들면, 상기 연마패드를, 주사전자현미경(SEM)을 사용하여 200 배로 이미지 면적을 관찰했다. 화상 해석 소프트웨어를 사용하여 얻어진 화상으로부터 복수의 기공 각각의 직경을 측정하여, 평균 직경(D_a)을 계산하였다. 상기 평균 직경은 연마면 1 ㎟ 내 복수의 기공 직경의 합을 복수의 기공 갯수로 나눈 평균값으로 정의하였다.

상기 기공은 상기 연마패드 내부에 배치되는 폐쇄형 기공 및 상기 연마패드의 연마면에 배치되는 개방형 기공을 포함한다.

구체적으로, 상기 개방형 기공은 연마면 상에 기공 입구가 노출된다.

여기서, 상기 개방형 기공의 입구의 직경은 상기 개방형 기공의 입구의 평면적과 동일한 평면적을 갖는 원의 직경을 의미할 수 있다. 또한, 상기 개방형 기공의 입구의 평균 직경은 상기 연마면에 존재하는 복수의 개방형 기공 입구의 직경을 수평균하여 산출될 수 있다.

연마패드의 단위 면적(mm²) 당 기공의 총 개수가 700개 이상일 수 있다. 더 구체적으로, 연마패드의 단위 면적(mm²) 당 기공의 총 개수가 750개 이상일 수 있다. 보다 더 구체적으로, 연마패드의 단위 면적(mm²) 당 기공의 총 개수가 800개 이상일 수 있다. 보다 더 구체적으로, 연마패드의 단위 면적(mm²) 당 기공의 총 개수가 900개 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 연마패드의 단위 면적(mm²) 당 기공의 총 개수가 2500개 이하, 구체적으로 2200개 이하, 1500개 이하 또는 1200개 이하일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 상기 연마패드의 단위 면적(mm²) 당 기공의 총 개수는 700개 내지 2500개, 예를 들어, 750개 내지 2200개, 800개 내지 1500개 또는 800개 내지 1200개까지 포함될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

구체적으로, 상기 연마패드는, 그 탄성 모듈러스는 60 kgf/cm² 이상일 수 있다. 더 구체적으로, 상기 연마패드의 탄성 모듈러스는 100 kgf/cm² 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 연마패드의 탄성 모듈러스의 상한은 150 kgf/cm²일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 구현예에 따른 연마패드는 연마 성능이 우수한 동시에, 연마패드로서의 기본적 물성, 예컨대, 내전압, 비중, 표면 경도, 인장 강도 및 신율이 우수할 수 있다.

상기 연마패드의 비중 및 경도 등의 물리적 성질은 이소시아네이트와 폴리올의 반응에 의해 중합된 우레탄계 프리폴리머의 분자 구조를 통해 조절할 수 있다.

구체적으로, 상기 연마패드는 25℃에서의 표면 경도가 45 Shore D 내지 65 Shore D의 경도를 가질 수 있다. 더 구체적으로, 상기 연마패드는 50 Shore D 내지 65 Shore D의 경도를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

구체적으로, 상기 연마패드는 0.6 g/㎤ 내지 0.9 g/㎤의 비중을 가질 수 있다. 더 구체적으로, 상기 연마패드는 0.7 g/㎤ 내지 0.85 g/㎤의 비중을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

구체적으로, 상기 연마패드는 10 N/㎟ 내지 100 N/㎟의 인장강도를 가질 수 있다. 더 구체적으로, 상기 연마패드는 15 N/㎟ 내지 70 N/㎟의 인장강도를 가질 수 있다. 보다 더 구체적으로, 상기 연마패드는 20 N/㎟ 내지 70 N/㎟의 인장강도를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

구체적으로, 상기 연마패드는 30 % 내지 300 %의 신율을 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 연마패드는 50 % 내지 200 %의 신율을 가질 수 있다.

상기 연마패드는, 이의 내전압이 14 kV 내지 23kV이고, 두께가 1.5mm 내지 2.5mm이고, 비중이 0.7g/㎤ 내지 0.9g/㎤이고, 25 ℃에서 표면 경도가 50 shore D 내지 65 shore D이며, 인장 강도가 15 N/㎟ 내지 25 N/㎟이고, 신율이 80 % 내지 250 %일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 연마패드는 1 mm 내지 5 mm의 두께를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 연마패드는 1 mm 내지 3 mm, 1 mm 내지 2.5 mm, 1.5 mm 내지 5 mm, 1.5 mm 내지 3 mm, 1.5 mm 내지 2.5 mm, 1.8 mm 내지 5 mm, 1.8 mm 내지 3 mm, 또는 1.8 mm 내지 2.5 mm의 두께를 가질 수 있다. 연마패드의 두께가 상기 범위 내일 때, 연마패드로서의 기본적 물성을 충분히 발휘할 수 있다.

한편, 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.

구현예에 따른 연마패드는 상기 기술한 연마패드의 물성을 동시에 나타낼 수 있다.

[반도체 소자의 제조방법]

본 발명의 일 구현예에 따른 반도체 소자의 제조방법은, 연마층을 포함하는 연마패드를 제공하는 단계; 및 상기 연마층의 연마면에 연마 대상의 피연마면이 맞닿도록 상대 회전시키면서 상기 연마 대상을 연마시키는 단계;를 포함할 수 있다.

구체적으로, 본 발명의 구현예에 따른 반도체 소자의 제조방법은 연마층을 포함하는 연마패드를 정반에 장착하는 단계; 및 상기 연마층의 연마면과 웨이퍼의 표면이 맞닿도록 서로 상대 회전시켜 상기 웨이퍼의 표면을 연마하는 단계;를 포함하고, 상기 연마패드는 실리콘 산화막 웨이퍼(PETEOS wafer)를 이용하여 연마패드 상에 하소 세리아 슬러리를 200 cc/분의 속도로 분사하면서 25 장의 더미(dummy) 웨이퍼를 각각 60초씩 연마하고, 2장의 모니터링(monitoring) 웨이퍼를 각각 60초씩 연마한 후, 상기 연마 후의 연마패드를 광학용 표면 조도 측정기로 측정시, ISO 25178-2 표준에 기초한 면적 재료비 곡선에서 상기 식 4를 만족할 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따른 반도체 소자의 제조방법은, 연마층을 포함하는 연마패드를 정반에 장착하는 단계; 및 상기 연마층의 연마면과 웨이퍼의 표면이 맞닿도록 서로 상대 회전시켜 상기 웨이퍼의 표면을 연마하는 단계;를 포함하고, 상기 연마패드는 실리콘 산화막 웨이퍼(PETEOS wafer)를 이용하여 연마패드 상에 하소 세리아 슬러리를 200 cc/분의 속도로 분사하면서 25 장의 더미(dummy) 웨이퍼를 각각 60초씩 연마하고, 2장의 모니터링(monitoring) 웨이퍼를 각각 60초씩 연마한 후, 상기 연마 후의 연마패드를 광학용 표면 조도 측정기로 측정시, ISO 25178-2 표준에 기초한 면적 재료비 곡선에서 상기 식 1 및 2를 만족할 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 반도체 소자의 제조방법은, 연마층을 포함하는 연마패드를 정반에 장착하는 단계; 및 상기 연마층의 연마면과 웨이퍼의 표면이 맞닿도록 서로 상대 회전시켜 상기 웨이퍼의 표면을 연마하는 단계;를 포함하고, 상기 연마패드는 실리콘 산화막 웨이퍼(PETEOS wafer)를 이용하여 연마패드 상에 하소 세리아 슬러리를 200 cc/분의 속도로 분사하면서 25 장의 더미(dummy) 웨이퍼를 각각 60초씩 연마하고, 2장의 모니터링(monitoring) 웨이퍼를 각각 60초씩 연마한 후, 상기 연마 후의 연마패드를 광학용 표면 조도 측정기로 측정시, ISO 25178-2 표준에 기초한 면적 재료비 곡선에서 상기 식 5 및 6을 만족할 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따른 반도체 소자의 제조방법은 연마층을 포함하는 연마패드를 정반에 장착하는 단계; 및 상기 연마층의 연마면과 웨이퍼의 표면이 맞닿도록 서로 상대 회전시켜 상기 웨이퍼의 표면을 연마하는 단계;를 포함하고, 상기 연마패드는 실리콘 산화막 웨이퍼(PETEOS wafer)를 이용하여 연마패드 상에 하소 세리아 슬러리를 200 cc/분의 속도로 분사하면서 25 장의 더미(dummy) 웨이퍼를 각각 60초씩 연마하고, 2장의 모니터링(monitoring) 웨이퍼를 각각 60초씩 연마한 후, 상기 연마 후의 연마패드를 광학용 표면 조도 측정기로 측정시, ISO 25178-2 표준에 기초한 면적 재료비 곡선에서 상기 식 11을 만족할 수 있다.

구체적으로, 상기 일 구현예에 따른 연마패드를 정반 상에 장착한 후, 반도체 기판을 상기 연마패드상에 배치한다. 이때, 상기 반도체 기판은 웨이퍼일 수 있으며, 상기 웨이퍼의 표면은 상기 연마패드의 연마면에 직접 접촉된다. 연마를 위해 상기 연마패드 상에 노즐을 통하여 연마 슬러리가 분사될 수 있다. 상기 노즐을 통하여 공급되는 연마 슬러리의 유량은 약 10 ㎤/분 내지 약 1,000 ㎤/분 범위 내에서 목적에 따라 선택될 수 있으며, 예를 들어, 약 50 ㎤/분 내지 약 500 ㎤/분일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

이후, 상기 웨이퍼와 상기 연마패드는 서로 상대 회전하여, 상기 웨이퍼의 표면이 연마될 수 있다. 이때, 상기 웨이퍼의 회전 방향 및 상기 연마패드의 회전 방향은 동일한 방향일 수도 있고, 반대 방향일 수도 있다. 상기 웨이퍼와 상기 연마패드의 회전 속도는 약 10 rpm 내지 약 500 rpm 범위에서 목적에 따라 선택될 수 있으며, 예를 들어, 약 30 rpm 내지 약 200 rpm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 웨이퍼는 연마헤드에 장착된 상태로 상기 연마패드의 연마면에 소정의 하중으로 가압되어 맞닿게 한 뒤 그 표면이 연마될 수 있다. 상기 연마헤드에 의하여 상기 웨이퍼의 표면에 상기 연마패드의 연마면에 가해지는 하중은 약 1 gf/㎠ 내지 약 1,000 gf/㎠ 범위에서 목적에 따라 선택될 수 있으며, 예를 들어, 약 10 gf/㎠ 내지 약 800 gf/㎠일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

일 구현예에서, 상기 반도체 소자의 제조 방법은, 상기 연마패드의 연마면을 연마에 적합한 상태로 유지시키기 위하여, 상기 웨이퍼의 연마와 동시에 컨디셔너를 통해 상기 연마패드의 연마면을 가공하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 일 구현예에 따르면, 연마 후 연마패드를 광학용 표면 조도 측정기로 측정시, ISO 25178-2 표준에 기초한 면적 재료비 곡선에서 표면 조도 용적 매개 변수 및 표면 조도 높이 매개 변수를 특정 범위로 제어함으로써, 연마 속도를 향상시키고 웨이퍼의 표면 상에 나타나는 잔여물, 표면 스크래치 및 채터마크를 감소시킬 수 있는 연마패드를 제공할 수 있으며, 이를 이용하여 우수한 품질의 반도체 소자를 효율적으로 제조할 수 있다.

이하, 본 발명을 하기 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

실시예 1. 연마패드의 제조

(1) 우레탄계 프리폴리머의 제조

폴리올로서 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜(polytetramethylene ether glycol, Korea PTG사), 이소시아네이트 화합물로서 톨루엔 디이소시아네이트(toluene diisocyanate, BASF사)를 4구 플라스크에 투입하고, 반응기 내부를 불활성 기체인 질소(N₂)로 충진시켜 교반하면서 75 ℃에서 2시간 반응시켜 우레탄계 프리폴리머를 제조하였다. 이때, NCO%는 9.1%로 조절하였다.

(2) 연마패드의 제조

우레탄계 프리폴리머, 경화제, 및 발포제 등의 원료를 각각 공급하기 위한 탱크 및 투입 라인이 구비된 캐스팅 장치를 준비하였다. 앞서 제조된 우레탄계 프리폴리머, 경화제로서 MOCA(4,4'-Methylne bis(2-chloroaniline)(sigma-aldrich사))를 준비하였다. 고상 발포제는 고상 발포제의 평균 입경이 조절된 마이크로캡슐(Akzonobel사)을 고상 발포제 정제 시스템을 사용하여 정제하여 준비하였다. 상기 고상 발포제 정제 시스템으로 상술한 고상 발포제 분급 정제 장치를 사용하였다(도 3 내지 5 참조).

상기 제조된 우레탄계 플리폴리머, 경화제, 불활성 기체 주입라인, 고상 발포제 주입라인이 구비된 캐스팅기에서 우레탄계 플리폴리머 탱크에 상기 NCO% 9.1%로 합성된 우레탄계 플리폴리머를 충진하고 경화제 탱크에 상기 트리에틸렌 디아민을 충진 하고 이와 동시에 고상 발포제를 상기 원료 혼합물 100 중량부를 기준으로 2 중량부로 정량하여 주입하며 믹싱 헤드의 회전속도를 3000rpm으로 조절하여 교반하였다. 믹싱된 혼합물을 분당 10kg의 속도로 토출시켜, 가로 및 세로 1000mm, 높이 25cm 개구 형태의 몰드에 주입하고, 열경화 반응을 통하여 고상화시켜 성형체를 얻었다.

이 후 상기 성형체의 고형물을 슬라이싱(slicing)하여 시트 형태로 가공하였다. 이후 연마 전 연마패드의 표면 조도가 하기 표 3과 같이 될 수 있게 표면을 절삭 가공하였다. 절삭 가공한 시트를 그루브 가공공정을 거쳐 두께 2mm의 시트 1매(연마층)을 얻었다. 가공이 완성된 시트를 접착제를 사용하여 서브 패드와 적층하여 최종적으로 연마패드를 얻었다.

(3) 연마 공정

상기 연마패드를 CTS사의 AP-300 모델을 사용하여 CMP 공정을 진행하였다. CMP 공정의 세부 조건은 하기 표 1과 같다. CMP 공정이 완료된 연마패드를 건조시킨 후, 브루커(Bruker)사의 Contour GT 모델을 사용하여 연마패드의 표면 조도를 측정하였다. 표면 조도의 측정 세부 조건은 표 2와 같으며, 연마 패드의 반경을 기준으로 ½ 되는 지점의 그루브의 양각 부위를 측정하였다. 측정은 연마패드당 총 5회를 진행하였고, 평균값을 얻었다. 연마 후 연마패드의 표면 조도 용적 매개변수 및 표면 조도 높이 매개변수를 각각 하기 표 3 및 4와 같이 얻었다.

실시예 2 내지 5

제조되는 연마패드의 표면 가공 조건을 변경하여 하기 표 3 및 4와 같이 연마 전 및 후의 연마패드의 표면 조도 용적 매개변수 및 표면 조도 높이 매개변수를 조절한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 연마패드를 얻었다.

비교예 1

믹싱 헤드의 회전속도를 조절하고, 고상 발포제 분급 정제 장치에 의해 정제공정을 수행하지 않음으로써, 하기 표 3 및 4와 같이 연마 전 및 후의 연마패드의 표면 조도 용적 매개변수 및 표면 조도 높이 매개변수를 조절한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 연마패드를 얻었다.

비교예 2 및 3

고상 발포제 분급 정제 장치에 의해 정제공정을 수행하지 않고, 제조되는 연마패드의 표면 가공 조건을 변경하여, 하기 표 3 및 4와 같이 연마 전 및 후의 연마패드의 표면 조도 용적 매개변수 및 표면 조도 높이 매개변수를 조절한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 연마패드를 얻었다.

하기 표 1은 CMP 공정의 세부조건을 정리한 것이다.

하기 표 2는 연마패드의 표면 조도 측정 조건을 정리한 것이다.

하기 표 3 및 4는 실시예 및 비교예의 연마 전 및 연마 후 연마패드의 표면 조도 측정 결과 값을 정리한 것이다.

시험예 1: 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. 이후, 연마 하중이 4.0 psi가 되도록 조정하고 150 rpm으로 연마패드를 회전시키면서 연마패드 상에 하소 세리아 슬러리를 250 ㎖/분의 속도로 투입하면서 정반을 150 rpm으로 60 초간 회전시켜 산화규소막을 연마하였다. 연마 후 실리콘 웨이퍼를 캐리어로부터 떼어내어, 회전식 탈수기(spin dryer)에 장착하여 정제수(DIW)로 세정한 후, 질소(N)로 15 초 동안 건조하였다. 건조된 실리콘 웨이퍼를 광간섭식 두께 측정 장치(제조사: Kyence 사, 모델명: SI-F80R)를 사용하여 연마 전후 막 두께 변화를 측정하였다. 이후 하기 식 12를 사용하여 연마율을 계산하였다.

[식 12]

연마율(Å/분) = 실리콘 웨이퍼의 연마 두께(Å) / 연마 시간(분)

시험예 2: 잔여물, 스크래치수 및 채터마크 측정

연마패드를 이용하여 실시예 및 비교예에 기재된 연마 공정을 수행한 후, 결함 검사 장비(AIT XP+, KLA Tencor사)를 이용하여 연마 이후에 웨이퍼(모니터링 웨이퍼) 표면 상에 나타나는 잔여물(residue), 스크래치(scratch) 및 채터마크(chatter mark)를 측정하였다(조건: threshold 150, die filter threshold 280).

상기 잔여물은 실질적으로 비정형성의 이물질이 웨이퍼 표면 상에 붙어 있음을 의미하는 것으로서, 일례로 도 6에 도시된 바와 같은 형상의 결함(defect)을 의미한다.

상기 스크래치는 실질적으로 연속적 선형의 긁힌 자국을 의미하는 것으로서, 일례로 도 7에 도시된 바와 같은 형상의 결함(defect)을 의미한다.

한편, 상기 채터마크는 실질적으로 불연속적인 선형의 긁힌 자국을 의미하는 것으로서, 일례로 도 8에 도시된 바와 같은 형상의 결함(defect)을 의미한다.

그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.

상기 표 5에서 볼 수 있듯이, 연마 후 연마패드의 표면 조도 높이 매개변수 및 표면 조도 용적 매개변수를 특정 범위로 조절한 실시예 1 내지 5의 연마패드는 연마율이 우수하고, 웨이퍼 표면에 나타나는 잔여물, 표면 스크래치 및 채터마크 수가 비교예 1 내지 3의 연마패드를 사용한 경우에 비해 현저히 낮음을 알 수 있다.

구체적으로 살펴보면, 실시예 1 내지 3의 연마율은 2919 Å/분 내지 2998 Å/분으로 대체적으로 우수한 반면, 비교예 2의 연마패드의 연마율은 4153 Å/분으로 슬러리를 담지할 수 있는 공극 대비 마찰부위의 비율이 증가하여 초기 연마율이 과도하게 높았다. 이에 따라 비교예 2의 연마패드는 패드 글레이징(pad glazing) 현상으로 인한 연마율의 추가적인 증가가 예상된다. 반면, 비교예 1의 연마패드의 연마율은 2081 Å/분으로 연마율이 현저히 저하되었다.

한편, 실시예 4와 5의 연마패드의 경우, 실시예 1 내지 3의 연마패드에 비해 연마율이 다소 저하되거나 다소 증가함을 보였으나, 웨이퍼 표면에 나타난 잔여물, 표면 스크래치 및 채터마크 수가 실시예 1 내지 3의 연마패드를 이용한 경우와 유사하였고, 비교예 1 내지 3의 연마패드를 사용한 경우에 비해 현저히 감소하였다.

구체적으로, 웨이퍼 표면에 나타나는 잔여물을 살펴보면, 실시예 1 내지 5의 연마패드를 사용한 경우 잔여물이 62 내지 100 개인 반면, 비교예 1 내지 3의 연마패드를 사용한 경우 잔여물 수가 156 개 또는 200 개를 초과하여, 실시예 1 내지 5의 연마패드를 사용한 경우에 비해 2배 이상 현저히 증가함을 보였다.

또한, 스크래치를 살펴보면, 실시예 1 내지 5의 연마패드를 사용한 경우 스크래치가 125 내지 161개인 반면, 비교예 1 내지 3의 연마패드를 사용한 경우 스크래치수가 575 개를 초과하여, 실시예 1 내지 5의 연마패드를 사용한 경우에 비해 3배 이상 현저히 증가함을 보였다.

또한, 채터마크를 살펴보면, 실시예 1 내지 5의 연마패드를 사용한 경우 채터마크가 3.5 개 이하인 반면, 비교예 1 내지 3의 연마패드를 사용한 경우는 채터마크가 13 개를 초과하여 실시예 1 내지 5의 연마패드에 비해 4배 이상 현저히 증가함을 보였다.

따라서, 연마 전의 표면 조도보다는 연마공정 중 또는 연마 후의 표면 조도가 일정하게 유지되는 것이 연마성능을 일정하게 유지하는데 이점이 있음을 확인할 수 있다.

110 : 헤드 120 : 반도체 기판(웨이퍼)
130 : 플래튼 140: 슬러리
150 : 기공
10a, 10c : 배관 30a, 30b : 필터부
31 : 필터 하우징 32 : 필터덮개
33 : 필터부재 311 : 필터공간
312 : 필터 유입구 321 : 필터 배출구
331 : 거치부 332 : 자석
50 : 분급부 51 : 분급 하우징
53 : 와류발생부재 54 : 배출필터
56 : 진동발생부
511 : 분급공간 511a : 중심축
512 : 분급 유입홀 513 : 제1 미소구체 배출홀
514 : 제2 미소구체 배출홀
515 : 가스 공급홀 516 : 가스 배출홀
A : 유동가스의 유동 표시
B : 고상발포체의 흐름 표시
C : 진동 화살표.

Claims

실리콘 산화막 웨이퍼(PETEOS wafer)를 이용하여 연마패드 상에 하소 세리아 슬러리를 200 cc/분의 속도로 분사하면서 60초 동안 25장의 더미(dummy) 웨이퍼를 연마하고, 60초 동안 2장의 모니터링(monitoring) 웨이퍼를 연마한 후, 상기 연마 후의 연마패드를 광학용 표면 조도 측정기로 측정시, ISO 25178-2 표준에 기초한 면적 재료비 곡선에서 하기 식 4를 만족하는 연마패드:
[식 4]
0.002≤Vmp(10)/Vv(0)≤0.100
상기 식 4에서,
상기 Vmp(10)은 상위 10%에 해당하는 피크의 재료 용적(material volume of peaks)이고,
상기 Vv(0)은 총 공극의 용적이다.
제 1 항에 있어서,
상기 Vmp(10)가 0.020 내지 0.900이고,
상기 Vv(0)이 3.000 내지 57.000인, 연마패드.
제 1 항에 있어서,
상기 연마 후의 연마패드가 하기 식 3을 만족하는, 연마패드:
[식 3]
0.027≤Vmp(10)/{Vv(0)+Vvv(80)+Vmc(10,80)}≤3.100
상기 식 3에서,
상기 Vmp(10) 및 Vv(0)는 상기에서 정의한 바와 같고,
상기 Vvv(80)은 상위 80% 내지 100%에 해당하는 밸리의 공극 용적(void volume of the valleys)이고,
상기 Vmc(10, 80)는 상위 10% 내지 80%에 해당하는 코어의 재료 용적(material volume of the core)이다.
제 3 항에 있어서,
상기 Vvv(80)이 0.200 내지 10.000이고,
상기 Vmc(10,80)이 0.200 내지 11.000인, 연마패드.
제 3 항에 있어서,
상기 Vv(0), Vvv(80) 및 Vmc(10,80)의 총 합이 4.200 내지 70.400인, 연마패드.
제 1 항에 있어서,
상기 연마패드는 평균 직경이 5 ㎛ 내지 200 ㎛인 복수의 기공을 포함하는, 연마패드.
제 3 항에 있어서,
상기 연마패드의 연마 전 및 연마 후의 Vmp(10)/Vv(0)의 차의 절대값이 0.002 내지 0.087이거나
상기 연마패드의 연마 전 및 연마 후의 Vmp(10)/Vvv(80)의 차의 절대값이 0.005 내지 0.800인, 연마패드.
제 1 항에 있어서,
상기 연마패드의 25℃에서의 표면경도가 45 내지 65 shore D;
상기 연마패드가 옥사이드 막에 대해 2600 Å/분 내지 3300 Å/분의 연마율;
상기 모니터링 웨이퍼의 표면 잔여물 개수 100 이하;
상기 모니터링 웨이퍼의 표면 스크래치 개수 200 이하; 및
상기 모니터링 웨이퍼의 채터마크(chatter mark) 개수 5 이하의 특성 중에서 선택된 적어도 하나의 특성을 만족하는, 연마패드.
제 1 항에 있어서,
상기 연마패드가 우레탄계 프리폴리머, 경화제 및 발포제를 포함하는 조성물로부터 형성된 경화물을 포함하는 연마층을 포함하고,
상기 발포제가 고상 발포제 정제 시스템에 의해 정제된 고상 발포제, 기상 발포제 또는 이들의 혼합 발포제를 포함하는, 연마패드.
우레탄계 프리폴리머, 경화제 및 발포제를 혼합하여 원료 혼합물을 제조하는 단계; 및
상기 원료 혼합물을 몰드 내에 주입하여 경화하여 연마패드를 얻는 단계를 포함하고,
실리콘 산화막 웨이퍼(PETEOS wafer)를 이용하여 연마패드 상에 하소 세리아 슬러리를 200 cc/분의 속도로 분사하면서 25 장의 더미(dummy) 웨이퍼를 각각 60초씩 연마하고, 2장의 모니터링(monitoring) 웨이퍼를 각각 60초씩 연마한 후,
상기 연마 후의 연마패드를 광학용 표면 조도 측정기로 측정시, ISO 25178-2 표준에 기초한 면적 재료비 곡선에서 하기 식 4을 만족하는, 연마패드의 제조방법:
[식 4]
0.002≤Vmp(10)/Vv(0)≤0.100
상기 식 4에서,
상기 Vmp(10)은 상위 10%에 해당하는 피크의 재료 용적(material volume of peaks)이고,
상기 Vv(0)은 총 공극의 용적이다.
연마층을 포함하는 연마패드를 정반에 장착하는 단계; 및
상기 연마층의 연마면과 웨이퍼의 표면이 맞닿도록 서로 상대 회전시켜 상기 웨이퍼의 표면을 연마하는 단계;를 포함하고,
상기 연마패드는 실리콘 산화막 웨이퍼(PETEOS wafer)를 이용하여 연마패드 상에 하소 세리아 슬러리를 200 cc/분의 속도로 분사하면서 25 장의 더미(dummy) 웨이퍼를 각각 60초씩 연마하고, 2장의 모니터링(monitoring) 웨이퍼를 각각 60초씩 연마한 후, 상기 연마 후의 연마패드를 광학용 표면 조도 측정기로 측정시, ISO 25178-2 표준에 기초한 면적 재료비 곡선에서 하기 식 4을 만족하는, 반도체 소자의 제조방법:
[식 4]
0.002≤Vmp(10)/Vv(0)≤0.100
상기 식 4에서,
상기 Vmp(10)은 상위 10%에 해당하는 피크의 재료 용적(material volume of peaks)이고,
상기 Vv(0)은 총 공극의 용적이다.