KR102365066B1 - 다이아몬드 복합 cmp 패드 조절기 - Google Patents

다이아몬드 복합 cmp 패드 조절기 Download PDF

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Abstract

화학 기계적 연마/평탄화 패드 조절기 몸체는 다이아몬드-강화 반응 결합형 실리콘 탄화물로 제조되며, 다이아몬드 입자가 표면의 나머지 부분에 대해 돌출되거나 "곧추 서있고", 커팅 표면 상에 균일하게 분포된다. 일 실시형태에서, 다이아몬드 입자는 복합 재료에 걸쳐서 대략적으로 균일하게 분포되지만, 다른 실시형태에서는 이들이 조절 표면 및 그 근처에 우선적으로 위치된다. 다이아몬드 입자의 상부는 일정한 고도가 되도록 설계될 수 있다(즉, 조절기 몸체가 매우 평탄하도록 설계될 수 있다). 몸체의 예시적인 형상은 디스크 또는 환상형일 수 있다. 다이아몬드 입자는 Si/SiC 매트릭스를 우선적으로 침식시킴으로써 조절 표면으로부터 돌출되도록 제조될 수 있다. 침식은 방전 가공에 의해 또는 연마재로 래핑/연마함으로써 달성될 수 있다.

Description

다이아몬드 복합 CMP 패드 조절기
본 특허 문헌은 2016년 4월 6일자로 출원된 공동 소유의 미국 가특허출원 번호 제62/319,283호의 이익을 주장한다. 법률로 허용되는 경우, 이러한 모 특허출원의 전체 내용은 본원에 참조로 포함된다.
본 발명은 반도체 웨이퍼를 연마하기 위해 사용되는 화학 기계적 연마(CMP) 패드를 재조절(recondition)하는데 사용되는 매우 높은 평탄도로 기계 가공된 다이아몬드 함유 디스크에 관한 것이다.
현대의 전자장치는 단결정 실리콘(Si) 기판으로 제조된 미세 칩에 의존한다. 먼저, 단결정 Si의 부울(boule)이 성장된다. 그 다음, 이러한 부울은 다이아몬드 와이어 톱으로 얇은 Si 웨이퍼(현재는 300mm 직경, 가까운 장래에 450mm 직경)로 다이싱된다. 이 단계에서 이러한 Si 웨이퍼는 두껍고 고르지 않다. 다음 처리 단계는 작은 두께(<1mm) 뿐만 아니라 매우 높은 정도의 평탄도(nm 레벨 전역 평탄도)로 이들 웨이퍼를 연마하고 마무리하는 단계를 포함한다. 이와 같이 제조된 Si 웨이퍼는 리소그래피, 금속 증착, 에칭, 확산, 이온 주입 등과 같은 공정을 사용하여 마이크로 및 나노 크기의 회로를 증착함으로써 미세 칩을 생성하기 위해 사용된다. 화학 기계적 연마(CMP)의 예시적인 응용예는 미가공 Si 웨이퍼를 매우 높은 마무리 및 평탄도로 연마하는데 있다.
이제 CMP 패드를 조절하기 위한 기계를 포함하는 웨이퍼 평탄화 장치의 평면도 및 측면도인 도 1a 및 도 1b를 각각 참조한다. CMP 공정에서, 기계적 마찰 및 화학적 반응은 모두 재료 제거를 위해 사용된다. 이는 상이한 연마재/반응성 화합물(예, 알루미나, 산화 세륨 등)의 슬러리(103)를 갖는 연마 패드(101)(예를 들어, 다공성 폐쇄형 셀 폴리우레탄으로 제조됨)에서 수행된다. 한번에 하나 보다 많은 실리콘 웨이퍼(105)가 연마될 수 있으며; 따라서, 연마 패드는 직경이 1미터를 초과할 수 있다. 연마 패드는 기판에 수직인 축(109) 상에서 회전하는 강성 기판(107) 상에 장착된다. 연마재 매질은 슬러리 형태로 회전식 연마 패드에 제공될 수 있다. 실리콘 웨이퍼(105)는 축(109)에 평행한 축(113) 상에서 또한 회전하는 홀더 또는 "척"(111)에 장착된다.
연마가 계속됨에 따라, 연마 패드 내의 셀 또는 공극은 웨이퍼로부터의 잔해물 및 연마재로 가득 채워진다; 이들은 글레이즈를 개발하게 하고 효율성을 잃게 한다. 그러나, 연마 패드는 여전히 유용한 수명을 갖는다 - 이들은 가끔씩 폴리우레탄 패드 내의 폐쇄된 셀을 개방하여, 웨이퍼로의 슬러리 이송을 개선하고, 우수한 웨이퍼 연마 성능을 달성하도록 패드의 수명에 걸쳐서 일관된 연마 표면을 제공하기 위해, 재조절될 필요가 있을 뿐이다. CMP 패드를 재조절하기 위해, 돌출되는 다이아몬드를 유지하도록 함몰된 금속 또는 유기 매트릭스를 갖는 표면 상에 돌출되는 다이아몬드를 구비한 CMP 패드 조절기(conditioner)라고 불리는 디스크가 사용된다. 이러한 디스크에서, 전형적으로, 조악한 다이아몬드(예를 들어, 125 마이크로미터 직경)의 단일 층이 사용되고, 다이아몬드 간격(예를 들어, 0.5 내지 1mm) 및 돌출이 신중하게 제어된다. 이러한 다이아몬드 함유 조절 디스크는 매우 높은 평탄도로 기계 가공된다. 우수한 성능을 제공하는 핵심 요소는 다이아몬드의 충분한 돌출(우수한 커팅 능력), 매트릭스에 대한 강력한 결합(다이아몬드의 손실, 커팅 능력의 손실을 방지하고, 조절을 손상시키는 잔해물의 형성을 방지함)을 포함한다.
패드 재조절 디스크(115)는 전형적으로 디스크(115)의 축(121)이 CMP 패드의 회전축(109)에 평행하도록 기계 또는 기구의 아암(119)에 이들이 장착 또는 부착될 수 있게 하는 구조물(117)을 특징으로 한다. 그 다음, 기계는 회전하는 CMP 패드와 디스크를 접촉시키고 CMP 패드의 둘레로부터 중앙 또는 중앙 근처로 이를 전후로 이동시키지만, 반드시 반경방향으로 이동시키는 것은 아니다. 기계는 또한 재조절 디스크에 회전을 부여할 수 있다. 조절 중에 CMP 패드로 액체를 도입하면 디스크에 의해 축출되는 잔해물을 제거하는데 도움이 된다.
시간을 절약하고 이에 따른 효율을 증가시키기 위해, CMP 패드 재조절은 종종 웨이퍼 연마/평탄화와 동시에 수행된다. 그러나, 이러한 동시적인 처리의 한가지 위험은 다이아몬드 입자가 스폴링(spalling)되어 이의 매트릭스 밖으로 튀어나가는 위험이다. 성긴 다이아몬드 재료는 연마 중인 실리콘 웨이퍼를 가우징(gouging)하여 파손시킬 수 있다.
금속에 결합된 다이아몬드 미립자를 특징으로 하는 적어도 그러한 CMP 패드 조절 디스크는 과거에 문제를 겪었는데, 특히 다이아몬드 입자의 손실(예를 들어, 박리) 문제를 겪었다. 임의의 특정한 이론이나 설명에 구애됨이 없이, 다이아몬드 미립자의 손실은 금속의 화학적 부식으로 인한 것일 수 있고, 또는 어쩌면 처리 동안의 열 팽창 불일치 및 온도 제어불능에 기인하는 기계적 스트레스로 인한 것일 수도 있다. 따라서, 기존의 설계보다 다이아몬드 미립자 손실에 덜 민감한 패드 조절 디스크를 제공하는 것이 바람직하다.
본 개요는 이하의 상세한 설명에서 추가로 설명되는 개념을 단순화된 형태로 선택하여 소개하기 위해 제공된다. 본 개요는 청구 대상의 핵심적인 특징이나 필수적인 특징을 식별하도록 의도된 것이 아니며, 청구 대상의 범주를 제한하는데 사용되는 것으로 의도된 것도 아니다.
설명되는 실시형태는 다이아몬드 입자 강화를 특징으로 하는 반응 결합형 실리콘 탄화물(RBSC), 및 이를 제조하는 방법을 포함한다. RBSC는 다이아몬드 입자가 매립된 반응 결합형 실리콘 탄화물(Si/SiC)의 매트릭스 상을 포함한다. 이러한 복합 재료는 매우 높은 기계적 및 열적 안정성을 가지며, 450mm 이상의 하나 이상의 치수를 갖도록 제조될 수 있고, "스파크 방전 가공"이라고 종종 지칭되는 방전 가공(EDM)에 의해 가공 가능하다.
본 기술의 하나의 응용예는 다이아몬드-강화 반응 결합형 Si/SiC로 제조된 CMP 패드 조절기 디스크이며, 다이아몬드 입자가 표면의 나머지 부분에 대해 돌출되거나 "곧추 서있고(standing proud)", 커팅 표면 상에 균일하게 분포된다. 일 실시형태에서, 다이아몬드 입자는 복합 재료에 걸쳐서 대략적으로 균일하게 분포되지만, 다른 실시형태에서는 이들이 조절 표면 및 그 근처에 우선적으로 위치된다. 다이아몬드 입자의 상부는 일정한 고도가 되도록(즉, 조절기 디스크가 매우 평탄하도록) 설계될 수 있다. 대안적으로, 디스크는 환상형 형상을 가질 수 있다. 다이아몬드 입자는 Si/SiC 매트릭스를 우선적으로 침식시킴으로써 조절 표면으로부터 돌출되도록 제조될 수 있다. 침식은 EDM에 의해 또는 연마재로 래핑/연마함으로써 달성될 수 있다.
본 발명의 보다 상세한 이해는 예로서 주어진 이하의 설명으로부터 이루어질 수 있고, 첨부된 청구범위 및 도면과 함께 이해될 것이며, 도면에서 동일한 참조 번호는 유사하거나 동일한 요소를 식별한다. 도면은 일정한 축척이 아니다.
도 1a 및 도 1b는 각각 CMP 패드의 동시적인 조절을 갖는 실리콘 웨이퍼 평탄화 작업의 평면도 및 측면도이다.
도 2는 예시적인 RBSC-다이아몬드 미세 구조이다.
도 3a는 래핑된 다이아몬드-강화 RBSC 복합체의 예시적인 조면계 궤적이다.
도 3b는 연마/래핑 후에 함몰된 매트릭스 및 돌출되는 다이아몬드를 나타내는 RBSC-다이아몬드이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 디스크-형상 CMP 조절기 실시형태의 접촉 표면 및 후방 표면의 사시도이다.
도 4c는 본 발명의 환형 또는 링-형상 CMP 조절기 실시형태의 접촉 표면의 사시도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 패드 조절기를 제조하기 위한 EDM 방법을 개략적으로 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 패드 조절기를 제조하기 위한 주조 방법을 개략적으로 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 패드 조절기를 제조하기 위한 의도적인 편석(segregation)을 갖는 주조 방법을 개략적으로 도시한다.
본원에서 "일 실시형태" 또는 "실시형태"에 대한 인용은 실시형태와 관련하여 설명된 특정한 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시형태에 포함될 수 있음을 의미한다. 명세서의 다양한 곳에서 나타나는 "일 실시형태에서"라는 문구가 반드시 동일한 실시형태를 지칭하는 것은 아니며, 별개의 또는 대안적인 실시형태들이 반드시 다른 실시형태들과 상호 배타적인 것은 아니다. 동일한 내용이 "구현예"라는 용어에도 적용된다.
본원에서 설명되는 예시적인 방법의 단계는 설명된 순서로 수행될 필요는 없다는 것이 이해되어야 하며, 그러한 방법의 단계의 순서는 단지 예시적인 것일 뿐임이 이해되어야 한다. 마찬가지로, 본 발명의 다양한 실시형태와 일치하는 방법에서, 추가적인 단계가 그러한 방법에 포함될 수 있고, 특정한 단계가 생략되거나 결합될 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같은, "예시적인"이라는 단어는 예, 사례 또는 예시로서 제공되는 것을 의미하도록 본원에서 사용된다. 본원에서 "예시적인" 것으로 설명된 임의의 양태 또는 설계는 반드시 다른 양태 또는 설계에 비해 바람직하거나 유리한 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다. 오히려, 예시적인이라는 단어의 사용은 구체적인 방식으로 개념을 제시하도록 의도된다.
일 실시형태에서, 실리콘 탄화물계 몸체가 반응성 용침 기술에 의해 거의 정형(net shape)으로 제조될 수 있다. 일반적으로, 반응성 용침법은 용융 원소 실리콘(Si)을 진공 또는 불활성 대기 환경에서 실리콘 탄화물 및 탄소를 함유하는 다공성 덩어리와 접촉시키는 것을 수반한다. 습윤 조건이 생성되고, 그 결과 용융 실리콘이 모세관 작용에 의해 덩어리 내로 당겨져서 탄소와 반응하여 추가적인 실리콘 탄화물을 형성한다. 이러한 인-시츄(in-situ) 실리콘 탄화물은 전형적으로 상호 연결된다. 고밀도 몸체가 일반적으로 요구되므로, 공정은 전형적으로 과잉 실리콘의 존재에서 수행된다. 따라서, 결과적인 복합체는 주로 실리콘 탄화물을 함유할 뿐만 아니라 일부 미반응 실리콘(또한 상호 연결되어 있음)을 함유하며, 약칭 표기법으로 Si/SiC로서 지칭될 수 있다. 이러한 복합체를 제조하는데 사용되는 공정은 "반응 형성", "반응 결합", "반응성 용침" 또는 "자체-결합"으로서 상호 교환 가능하게 지칭된다. 추가적인 가요성을 위해, SiC 이외의 하나 이상의 재료가 다공성 덩어리 내의 SiC의 일부 또는 전부에 대해 대체될 수 있다. 예를 들어, 이러한 SiC의 일부를 다이아몬드 미립자로 대체하면 다이아몬드/SiC 복합 재료가 될 수 있다. 다이아몬드를 갖는 반응 결합형 SiC를 제조하는 예시적인 방법은 본원에서 그 전체가 참고로 포함되는 미국 특허 제8,474,362호에 개시되어 있다. 재료 조성은 상이한 양의 다이아몬드 함량으로 맞춤화 될 수 있다. 전형적으로, 이들 조성물은 성분의 부피에 걸쳐서 균일하게 분포된 다이아몬드를 갖는다. 도 2는 RBSC-다이아몬드 복합 재료 미세 구조의 일 예를 나타낸다. 이러한 주사형 전자 현미경(SEM) 이미지는 파면이며, 다이아몬드(21), 실리콘 탄화물(23) 및 원소 실리콘(25) 구성성분을 나타낸다. 다이아몬드는 매우 높은 경도, 열 전도성, 내마모성, 높은 강성도 및 낮은 마찰 계수를 갖는 재료이다. 이러한 높은 특성들은 다이아몬드 함유 Si/SiC에 부여된다. RBSC 다이아몬드 재료가 연마되어 다이아몬드가 곧추 서있고(돌출되고) 매트릭스가 연마 공정 동안 우선적인 재료 제거로 인해 함몰될 수 있다는 것을 또한 보여주었다(도 3b). 돌출되는 다이아몬드의 이러한 높은 평탄도, 및 다이아몬드 돌출부의 제어된 높이는 CMP 패드의 조절에서 중요한 장점을 제공한다.
당업자는 다이아몬드-강화 RBSC의 많은 변형이 타당하다는 것을 이해할 것이다. 변화될 수 있는 파라미터 중에는 다이아몬드 함량, 다이아몬드 미립자 크기 및 다이아몬드 미립자 형상이 있다.
보다 구체적으로, 다이아몬드 함량은 약 1 부피%(vol%) 내지 약 70 부피%의 범위로 설계될 수 있다. 다이아몬드 강화재는 미립자 형태일 수 있으며, 복합 재료들은 22, 35 및 100 미크론의 공칭 입자 크기 또는 평균 입경을 각각 갖는 다이아몬드 미립자를 사용하여 성공적으로 제조된다. 비교 또는 보정에 의해, 500 그릿 미립자(인치당 500 입자)는 약 13~17 미크론의 평균 직경을 가지며, 325 메쉬 스크린 또는 체(인치당 325 개구)가 약 45 미크론 이하의 크기를 갖는 입자들을 통과시킨다. 매트릭스 성분은 앞서 설명된 바와 같이, 인-시츄 및 전형적으로 일부 미반응 원소 실리콘으로 제조된 SiC를 특징으로 한다. 복합 재료에 존재하는 원소 Si의 양은 당업자에게 공지된 바와 같이 많게 설계 가능하다; 예를 들어, 대부분의 재료를 부피(50 부피% 초과)로 구성할 수 있거나, 또는 1 부피% 미만으로 감소시킬 수 있다. 그러나, EDM에 의한 가공을 가능하게 하기 위해, Si 성분은 적절한 전기 전도성을 위해 상호 연결될 필요가 있을 수 있으며, 적어도 약 5~10 부피%의 양을 제안할 수 있다. 그러나, 본 출원인은 약 60 부피%의 다이아몬드 미립자, 약 30~40 부피%의 Si, 및 약 10 부피% 이하의 인-시츄 형성된 SiC를 함유하는 반응 결합형 SiC 복합 재료를 제조하였다는 점을 유의해야 한다.
다이아몬드 함유 RBSC의 EDM-가능 버전의 개발
방전 가공의 기본 원리는 EDM 장치의 전극과 소재(가공될 몸체) 사이의 상당한 양의 전기 에너지의 흐름이다. 전기 에너지는 스파크 또는 아크 형태이다. 여기서, 아크는 상호 연결된 Si 매트릭스 성분을 우선적으로 용융하거나 증발시킨다. 이는 다이아몬드 미립자 강화재가 주변의 Si/SiC 매트릭스에 대해 "곧추 서있는" 또는 양각의 상태로 되게 하는 효과를 갖는다. 적어도 2가지 유형의 방전 가공이 있다. 보다 익숙한 다양한 EDM은 와이어에서 나오는 스파크 또는 아크를 가짐으로써, 타겟 재료를 슬라이싱한다. 본 작업과 가장 관련이 있는 다양한 EDM에서, 아크는 성형된 전극과 소재 사이에 있다.
래핑
본 출원인은 일 실시형태에서 다이아몬드 함유 Si/SiC 복합체의 표면을 래핑하는 것이 또한 이러한 다이아몬드 입자 돌출 효과를 산출한다는 것을 발견하였다. 구체적으로, 일부 Si/SiC 재료를 우선적으로 제거하여, 다이아몬드 강화재 입자가 래핑된 표면의 나머지 부분 위에 "곧추 서있는" 상태로 되게 하고; (ii) 다이아몬드 입자의 피크를 분쇄 또는 연마하여, "메사(mesa)" 또는 플래토(plateau), 예를 들어 평탄화된 입자가 되게 한다. 래핑 연마재는 다이아몬드이고, 다음과 같은 그릿 크기가 순서대로 사용된다: 100, 45, 22, 12 및 최종적으로 6 미크론 크기의 미립자. 후자는 연성 폴리우레탄 천 상에 도포되는 반면에, 다른 그릿은 세라믹 판을 사용하여 도포된다.
도 3a는 래핑된 다이아몬드-강화 RBSC 몸체의 조면계 궤적을 도시한다. 도 3b는 동일한 래핑된 몸체의 흑백으로 출력된 SEM 이미지이다. 두 도면은 Si/SiC 매트릭스 재료가 다이아몬드 강화재 입자들 사이에서 "깎여져" 나오고, 다이아몬드 입자들이 평탄한 상부를 가지며("윗부분이 잘삭된(topped)" 형태가 됨), 다이아몬드 입자들의 가장자리가 무딘 형상 또는 원형이라는 것을 보여준다.
다이아몬드를 갖는 RBSC를 형성하기 위한 예시적인 처리 단계는 다음과 같다. 실리콘 탄화물 분말, 다이아몬드 분말, 물 및 결합제를 함께 혼합하여 슬러리를 제조한다. 그 다음, 이러한 슬러리를 성형된 주형 내로 주조하고 진동 하에서 "다지거나" 또는 침전시켜서 높은 패킹을 생성하도록 세라믹 입자를 압축시킨다. 일반적인 처리에서, 세라믹 입자 크기는 이들이 잘 혼합되어 편석되지 않게 유지시키기 위해 선택된다. 주조 공정이 완료되면, 과잉 수성 결합제가 제거되고, 부품을 탈형, 건조 및 탄화시켜서 "예비성형품(preform)"이라고 하는 자체-지지 다공성 덩어리를 제조한다. 건조는 약 70℃ 내지 200℃의 온도 범위로 공기 중에서 수행될 수 있다. 탄화는 유기 결합제를 열 분해하거나 태워서, 이를 탄소로 분해한다. 탄화는 전형적으로 약 600℃의 온도로 비-산화성 분위기에서 수행되지만, 350℃ 내지 약 1000℃ 이하의 범위에서 수행될 수 있다. 비-산화성 분위기는 아르곤, 헬륨 또는 질소와 같은 불활성 분위기 또는 진공일 수 있다.
다음으로, 반응성 용침이 수행되어, 용융 실리콘이 다공성 예비성형품으로 윅(wick)되고, 조밀한 복합체를 형성하기 위해, 적어도 임의의 과도하지 않은 정도로, 비-다이아몬드 탄소(예를 들어, 열 분해된 결합제)와 화학적으로 반응하지만 다이아몬드와는 화학적으로 반응하지 않는다. 다시, 분위기는 아르곤 또는 헬륨과 같은 불활성 가스 또는 진공일 수 있는 비-산화성이다. 질소 가스는 반응성 용침을 위한 처리 온도에서 용융 실리콘과 반응할 수 있으며, 이는 형성된 복합체에서 일부 인-시츄 실리콘 질화물이 요구되는 경우 아마도 허용 가능할 수 있다. 실리콘은 특별히 순수할 필요는 없다. 예를 들어, 불순물로서 0.5 중량%의 철은 용침을 방해하지 않았다. 진공이 높거나 "강할" 필요는 없으며, 실제로 반응 결합 공정은 특히 온도가 1410℃보다 다소 더 높은 경우, 아르곤 또는 헬륨과 같은 불활성 분위기의 대기압에서 만족스럽게 진행될 것이다. 그러나, 구성성분이 분해되거나 휘발되거나 결정 형태를 변화시킬 수 있기 때문에, 처리 온도가 약 2100℃ 또는 2200℃를 초과해서는 안된다.
결과적인 복합체는 다이아몬드, SiC 및 잔류 Si를 함유한다. 상대적인 조성은 주조 슬립에서 스타팅 구성성분의 비율을 선택함으로써 맞춤화 될 수 있다. 주조 표면(전형적으로 바닥면)이 불충분하게 평탄한 경우, 다이아몬드 분쇄 휠을 사용하여 추가적으로 평탄화될 수 있다.
이러한 예시적인 처리 단계가 사용되며, 전형적으로 다이아몬드가 복합체에 걸쳐서 상당히 균일하게 분포되어 있는 다이아몬드 함유 복합체를 산출한다. 그러나, 기본적인 공정은 기능적 구배와 같은 다이아몬드 미립자의 불균일한 분포를 산출하도록 변형될 수 있다. 예를 들어, 침전 주조 공정에서, 스토크스 법칙(Stokes Law)은 아래에서 추가로 상세하게 설명되는, 주조 상부 상에서의 농도에 비해 주조의 바닥 상에서 보다 높은 농도의 조밀한 또는 큰 미립자 몸체를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 다이아몬드 미립자를 함유하거나 또는 함유하지 않는 주조 슬러리는 용침 후에, 대부분 주조의 바닥 표면에 대응되는 복합체의 표면에서의 사전-배치된 다이아몬드 몸체를 특징으로 하는 복합체를 산출하기 위해, 사전-배치된 다이아몬드 미립자, 입자 또는 응집물의 층 둘레에서 주조될 수 있다. 이러한 실시형태에서, 다이아몬드 몸체의 크기는 100 미크론보다 더 클 수 있으며, 예를 들어 직경이 200, 500 또는 심지어 1000 미크론일 수 있다. 또한, 이러한 실시형태에서, 다이아몬드 몸체는 주조 주형의 기저부에서의 위치와 관련하여 구조화될 수 있다. 예를 들어, 다이아몬드 몸체들은 무리들로서 불균일하게 위치될 수 있거나, 랜덤하게 위치될 수 있거나, 열 또는 어레이와 같이 균일하게 그리고 비-랜덤하게 위치될 수 있다.
그 다음, 도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 다이아몬드 함유 복합체는 섀시에 부착될 수 있거나, 또는 아마도 CMP 패드를 재조절하는데 사용되는 기계의 아암에 직접 부착될 수 있다. 복합체 또는 섀시는 이러한 목적을 위해 부착물 또는 장착 구조물(41, 43)을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 CMP 패드 조절기는 유효 직경이 약 5 내지 20 센티미터로서 공지된 패드 조절기와 같은 일반적인 또는 대략적인 크기를 가질 수 있다. 평면도 또는 상부 평면도에서, 이들은 원형, 타원형, 또는 육각형이나 팔각형과 같은 다각형으로 성형될 수 있다. 어떤 경우에도, CMP 패드와 접촉되도록 구성된 표면(45, 47)은 실질적으로 평탄하도록 설계된다. 또한 접촉 표면이 접촉 표면의 평형상태와 상이한 고도의 처리 구역 또는 영역을 특징으로 하는 경우, 이는 CMP 패드 상에서 대부분의 재조절 작업을 제공하는 처리 구역 또는 영역이다. 어떤 경우에도, 대부분 또는 대다수의 CMP 패드 재조절을 제공하는 표면은 고도의 정밀도로 평탄하도록 설계되며, 가장 멀리 떨어진 연마재 다이아몬드 입자들(보다 낮은 고도의 매트릭스로부터 가장 원위의 위치)이 평면의 100 미크론 이내에 놓이고, 가능하게는 평면의 50 미크론 이내, 가능하게는 평면의 20 미크론 이내, 가능하게는 평면의 5 미크론 이내에 놓인다. 즉, 돌출되는 다이아몬드 입자 상의 가장 원위의 지점 또는 표면은 서로 100, 50, 20 또는 아마도 5 미크론 이내의 고도를 갖는다.
실시예
이제 이하의 실시예들을 참조로 본 발명의 실시형태가 추가적으로 설명될 것이다.
실시예 1: EDM 방법
도 5a 및 도 5b를 참조하는 본 실시예에서, 다이아몬드-강화 반응-결합형 실리콘 탄화물 복합 재료는 초기에 종래의 방법에 의해 제조되지만, 그 다음에는 표면으로부터 돌출되는 다이아몬드를 산출하기 위해 방전 가공에 의해 추가 처리된다.
여기서, 낮은 다이아몬드 함량(10~20%)은 Si/SiC 매트릭스 내에서 다이아몬드(51)의 필요한 간격을 생성하기 위해 선택된다. 그 다음, EDM 전극(55)은 가공될 표면(57)에 인접하게 배치된다. EDM을 수행하는 것은 디스크의 하나의 표면(EDM 전극에 인접한 표면)으로부터 Si/SiC 매트릭스 상을 우선적으로 제거하여, 돌출되는 다이아몬드(52)가 이제는-함몰된 표면(54) 상에 있게 한다.
실시예 2: 의도적인 편석 없는 주조 방법
도 6a 및 도 6b를 참조로 설명되는 본 방법에서, 다이아몬드 입자 또는 몸체는 주조 주형의 바닥 상에 배치되고, 다이아몬드 몸체의 상부에 예비성형품이 주조되어 다이아몬드 몸체를 매립한다.
먼저, 주조 슬립(65)이 준비된다. 슬립은 RBSC 예비성형품을 제조하기 위한 일반적인 구성요소를 함유하지만 다이아몬드를 함유하지는 않는다. 다음으로, 주조 주형(61)이 준비된다. 여기서, 주형은 디스크-형상의 예비성형품을 산출하도록 성형된다. 그 다음, 큰 다이아몬드 입자(63)(예를 들어, 200 미크론 직경)가 정의된 패턴(정사각형, 육각형 등)으로 주조 주형의 바닥에 배치되거나 위치된다. 그 다음, 비-다이아몬드 함유 슬립(65)이 주형 내로 주조된다. 그 다음, 표면 상에 다이아몬드를 함유하는 RBSC 몸체를 제조하기 위한 나머지 공정 단계(침전, 과잉 결합제 제거, 탈형, 건조, 탄화 및 반응 결합)가 수행된다.
마지막으로, RBSC 디스크-형상 몸체의 다이아몬드 함유 표면 상에서 연마가 수행되어 매트릭스 상을 우선적으로 제거함으로써, 돌출되는 다이아몬드를 산출한다.
실시예 3: 의도적인 편석을 갖는 주조 방법
도 7a 및 도 7b를 참조로 설명되는 본 방법에서, SiC 입자보다 직경이 더 크고 더 조밀한 다이아몬드 입자가 침전 공정 동안에 편석될 수 있게 하여 기능적 구배 예비성형품을 산출한다: 주조의 바닥 상의 다이아몬드의 농도가 주조의 상부보다 더 높다.
먼저, 소량(5~10%)의 조악한 다이아몬드(75)(예를 들어, 200 미크론)를 함유하는 주조 슬립(73)이 준비된다. 이러한 슬립은 의도적으로 SiC 입자에 비해 다이아몬드 입자의 보다 빠른 침전을 촉진시키도록 보다 희석되어 제조된다. 그 다음, 슬립이 주형(71) 내로 주조되어 디스크-형상 예비성형품을 준비한다. 다음에, 진동을 주조 주형에 인가하여, 의도적으로 주형의 바닥에 다이아몬드(75)를 우선적으로 침전시킨다. 주조 슬립에서의 입자의 침전은 스토크스의 법칙에 의해 통제된다:
Figure 112018105144873-pct00001
여기서, Vs는 침전 속도이고,
Figure 112018105144873-pct00002
는 밀도이며, 아래첨자 p 및 f는 입자 및 유체를 나타내고, g는 중력 상수이며, R은 입자 반경이고, μ는 유체 점도이다. 따라서, 말단 침전 속도는 액체 및 입자의 밀도들의 차이에 정비례한다. 따라서, 보다 무거운 입자가 보다 빠르게 침전된다. 다이아몬드(3.54 g/cc)가 SiC(3.21 g/cc)보다 더 높은 밀도를 가지므로, 보다 빠르게 침전된다. 침전 속도는 또한 입자 반경의 제곱에 비례하여, 일반적으로 보다 큰 입자가 보다 작은 입자보다 훨씬 더 빠르게 떨어진다. 따라서, 다이아몬드 입경(200 미크론)은 SiC의 입경(10~25 미크론)보다 상당히 더 크게 선택된다. 침전 속도는 유체(결합제)의 점도에 반비례한다. 따라서, 슬립은 또한 의도적으로 보다 빠른 침전을 촉진시키도록 보다 희석(보다 낮은 점도)되어 제조된다.
이와 따라 제조된 예비성형품은 예비성형품의 바닥면으로 편석된 대부분의 다이아몬드를 가져야 한다. 그 다음, 이러한 예비성형품은 기능적 구배의 다이아몬드 함유 RBSC 복합체를 형성하기 위해 앞서 설명된 나머지 공정 단계를 거친다. 즉, 복합체의 일 측면은 다이아몬드가 풍부하고, 타 측면은 다이아몬드가 부족하다.
마지막으로, 다이아몬드가 풍부한 표면 상에서 연마를 수행하여 매트릭스 상을 우선적으로 제거함으로써, 돌출된 다이아몬드를 산출한다.
"처리 구역" 및 환형/환상형 형상의 개념
이 시점까지, 접촉 표면은 일반적으로 디스크 형상이고, 이러한 일반적으로 디스크 형상의 표면이 CMP 패드 연마 표면과 평면 접촉을 이루는 것으로 거의 가정되었다. 본 발명의 실시형태가 이것을 배제하지는 않지만, 이들은 이에 의해 한정되는 것도 아니다. 구체적으로, 접촉 표면은 표면 상의 다른 영역에 대해 상승되는 하나 이상의 구역 또는 영역을 가질 수 있다. 따라서, 이러한 상승된 영역은 다른 영역이 여전히 CMP 패드와 공칭 접촉을 하고 있을지라도, 재조절 동안에 다른 영역보다 CMP 패드에 더 큰 압력을 인가할 것이다. 예를 들어, 본 출원인은 최근에 링-형상 또는 환형 표면이 본 발명의 응용예와는 상이한 응용예에서 래핑 도구를 위한 매우 바람직한 형상이라는 것을 발견했다. 최소한으로 제한된 래핑 도구(예를 들어, 볼 및 소켓 조인트에 의해 지원됨)가 평탄하지 않은 표면 위로 이동될 수 있다. 래핑 도구는 평탄하지 않은 표면을 따르지만 본질적으로 돌출부 또는 다른 높은 스폿을 연마하여, 평탄도를 복원시킨다. 본 발명의 CMP 패드 조절기의 일 실시형태를 도시하는 도 4c를 참조하면, 환형 몸체의 내부 및 외부 가장자리는 접촉 표면이 CMP 패드를 파거나 손상시키거나 가우징(gouging)하는 것을 방지하는데 도움을 주는 이들에게 부여된 반경을 가질 수 있거나 원형일 수 있다. 따라서, 환형 조절 몸체는 환상형 형상을 취할 수 있다.
더욱이, 환형 또는 환상형 처리 구역은 일반적으로 평탄한 접촉 표면을 제공하기 위해 달리 디스크-형상 몸체와 통합될 수 있지만, 디스크의 주변부 근처의 약간 상승된 환형 처리 구역과 통합될 수 있다. 이러한 실시형태에서, 환형 상승 처리 구역과의 접촉 표면은 선택적 래핑, 방전 가공에 의해 제조될 수 있거나, 또는 복합 재료의 예비성형품 전구체의 그러한 원하는 접촉 표면을 주조하기 위한 주형을 제공함으로써 제조될 수 있다.
산업상 이용가능성
본 발명의 실시형태를 통해 예를 들어, 화학적/기계적 평탄화(CMP) 패드를 재조절하기 위한 반도체 제조 산업에서의 즉각적인 유용성을 알게 되어야 한다. CMP 패드 표면과 접촉되는 복합 재료는 CMP에 사용되는 화학물질에 대해 매우 내성이다. 또한, 다이아몬드 미립자 연마재가 열 팽창 계수와 관련하여 잘 매칭되는 매트릭스 내에 매립되어, 종래기술의 재조절 도구에서 다이아몬드 연마재가 기판으로부터 분리되는 것을 적어도 부분적으로 초래할 수 있는 내부 변형을 감소시킨다. 또한, 본 처리 표면은 돌출되는 다이아몬드 입자가 주변 또는 매립 매트릭스의 밖으로 대략 절반을 초과하여 돌출되지 않도록 설계된다.
처리 구역 또는 영역은 CMP 패드의 재조절을 대부분 담당하는 접촉 표면의 해당 구역 또는 영역이다. 이러한 처리 구역 또는 영역은 디스크-형상일 수 있거나, 또는 환형(보다 링-형상)일 수 있다. 환형 형상은 자연적으로 패드 표면을 다시 평탄한 상태로 재조절하는 경향이 있다는 점에서 특정한 장점을 갖는다; 즉, 이러한 형상은 자연적으로 CMP 패드 상의 높은 스폿을 제거하는 경향이 있다. 환형의 내측 및 외측 가장자리, 또는 환형 처리 구역은 이들에게 적용되거나 부여된 반경을 가질 수 있다; 즉, 링에 약간의 환상형 형상이 주어질 수 있다. 가장자리에 반경을 적용하면 조절 동안에 CMP 패드의 가우징 가능성을 감소시킬 수 있다.
상술한 많은 논의가 화학적/기계적 평탄화(CMP) 패드의 연마 표면을 조절하는 구체적인 이슈에 초점을 맞추었지만, 당업자는 특히 그러한 표면에 잔해물이 축적된 경우에, 그리고 그러한 재조절을 위해 사용된 연마재가 그 기판으로부터 분리되지 않는 것이 중요한 경우에, 종래의 평탄한 표면의 재조절을 필요로 하는 다른 응용예를 인식할 것이다. 당업자는 재조절 도구가 내부식성이 되어야 하는 다른 응용예를 인식할 것이다.
당업자는 첨부된 청구범위에 정의된 바와 같은 본 발명의 범주 또는 사상을 벗어남이 없이 본원에서 설명된 본 발명에 대한 다양한 변형이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (36)

  1. 화학 기계적 평탄화(CMP) 패드 조절기로서,
    상기 CMP 패드와 접촉되어 상기 CMP 패드를 조절하도록 구성된 접촉 표면과, 실리콘 탄화물을 포함하는 매트릭스의 체적에 걸쳐서 분포된 복수의 다이아몬드 입자를 포함하는 복합체를 포함하고, 상기 접촉 표면에서의 상기 매트릭스는 일부 다이아몬드 입자가 상기 매트릭스의 밖으로 부분적으로 돌출되도록 상기 다이아몬드 입자에 대해 함몰되는,
    화학 기계적 평탄화 패드 조절기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복합체는 상기 접촉 표면에 대향하는 상기 복합체의 표면보다 상기 접촉 표면에서 상기 다이아몬드 입자의 더 큰 농도를 포함하는, CMP 패드 조절기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다이아몬드 입자는 상기 매트릭스의 체적에 걸쳐서 균일히 분포된, CMP 패드 조절기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다이아몬드 입자는 적어도 5 부피%의 양으로 상기 복합체에 존재하는, CMP 패드 조절기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 다이아몬드 입자는 10 부피% 이하의 양으로 상기 복합체에 존재하는, CMP 패드 조절기.
  6. CMP 패드 조절기를 제조하는 방법으로서,
    (a) CMP 패드를 조절하도록 구성되는 몸체를 제공하는 단계로서, 상기 몸체는 패드 연마 표면을 조절하는 동안 CMP 패드의 연마 표면에 접촉하도록 구성되는 접촉 표면을 갖는, 단계;
    (i) 여기서, 상기 몸체의 상기 접촉 표면은 실리콘 탄화물을 포함하는 매트릭스의 체적에 걸쳐서 매립된 다이아몬드 미립자를 갖는 복합 재료를 포함하며; 그리고
    (b) 상기 매트릭스를 우선적으로 침식시켜 상기 다이아몬드 미립자에 대하여 상기 매트릭스를 양각함으로써, 상기 복합 재료의 표면을 가공하는 단계로서, 이로써 상기 표면의 다이아몬드 입자가 상기 매트릭스로부터 돌출되게 하는, 단계;를 포함하는,
    CMP 패드 조절기를 제조하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 가공은 기계적 연마에 의한 것인, CMP 패드 조절기를 제조하는 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 기계적 연마는 다이아몬드를 포함하는 그릿 연마재에 의해 가해지는 것인, CMP 패드 조절기를 제조하는 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 다이아몬드 미립자는 상기 복합 재료의 일 측면을 향하여 우선적으로 편석되는, CMP 패드 조절기를 제조하는 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 복합 재료는 상호 연결된 형태의 실리콘을 추가로 포함하고, 상기 가공은 하기의 단계를 포함하는, CMP 패드 조절기를 제조하는 방법:
    (c) 상기 몸체의 상기 접촉 표면에 인접하여 방전 가공 전극을 위치시키는 단계; 및
    (d) 방전 가공을 수행하는 단계.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전극은 성형된 전극을 포함하는, CMP 패드 조절기를 제조하는 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 복합 재료에 존재하는 상기 상호 연결된 실리콘은 상기 복합 재료의 적어도 5 부피%인, CMP 패드 조절기를 제조하는 방법.
  13. 제6항에 있어서,
    상기 복합 재료는 하기의 단계에 의해 제조되는, CMP 패드 조절기를 제조하는 방법:
    (c) 기능적 구배 예비성형품을 형성하는 단계; 및
    (d) 상기 기능적 구배 예비성형품을 용융 실리콘으로 용침시키는 단계로서, 여기서 상기 기능적 구배 예비성형품은 (i) 액체, 결합제, 및 실리콘 탄화물 및 다이아몬드의 미립자를 포함하는 슬러리를 제공하는 단계; (ii) 상기 슬러리를 주형 내로 주조하는 단계로서, 상기 주형의 바닥 표면이 상기 접촉 표면을 정의하는, 단계; (iii) 상기 다이아몬드 미립자가 침전되도록 하는 단계로서, 이로써 성형된 부품을 형성하고, 추가로 여기서 상기 다이아몬드 입자가 스토크스의 법칙에 의해 상기 실리콘 탄화물 미립자보다 빠르게 침전되는, 단계; 및 (iv) 상기 성형된 부품을 건조, 탈형, 및 탄화하는 단계;에 의해 제조됨.
  14. 제6항에 있어서,
    상기 복합 재료는 하기의 단계에 의해 제조되는, CMP 패드 조절기를 제조하는 방법:
    (c) 예비성형품을 형성하는 단계; 및
    (d) 상기 예비성형품을 용융 실리콘으로 용침시키는 단계로서, 여기서 상기 예비성형품은 (i) 액체, 결합제, 및 실리콘 탄화물 미립자를 포함하는 슬러리를 제공하는 단계; (ii) 바닥 내부 표면이 상기 복합 재료의 상기 접촉 표면을 정의하는 주형을 제공하는 단계; (iii) 다이아몬드 몸체를 상기 주형의 상기 바닥 내부 표면 상에 사전-배치하는 단계; (iv) 상기 슬러리를 상기 주형 내로 상기 사전-배치된 다이아몬드 몸체의 상부에 붓는 단계로서, 이로써 성형된 부품을 형성하는 단계; 및 (v) 상기 성형된 부품을 건조, 탈형, 및 탄화하는 단계;에 의해 제조됨.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 매트릭스로부터 가장 원위의 실질적으로 모든 상기 돌출되는 다이아몬드 입자 상의 지점이 평면의 50 미크론 이내에 놓이는, CMP 패드 조절기.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 함몰된 매트릭스의 밖으로 부분적으로 돌출되는 다이아몬드 입자는 상기 매트릭스로부터 입자 크기의 50% 이하로 돌출되는, CMP 패드 조절기.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 돌출되는 다이아몬드 입자는 20 미크론 내지 1000 미크론의 크기를 나타내는, CMP 패드 조절기.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 접촉 표면에서 상기 돌출되는 다이아몬드 입자의 적어도 일부는 10 미크론 이상의 거리만큼 상기 매트릭스로부터 돌출되는, CMP 패드 조절기.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 다이아몬드 입자는 상기 복합체 내에서 1 부피% 내지 70 부피%의 부피% 농도를 갖는, CMP 패드 조절기.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 매트릭스는 5 부피% 내지 40 부피%의 원소 실리콘을 포함하는, CMP 패드 조절기.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 부피% 농도 구배는 스토크스 법칙에 따라 변화하는, CMP 패드 조절기.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 다이아몬드 입자는 상기 복합체의 실질적으로 전체 체적에 걸쳐서 분포된, CMP 패드 조절기.
  23. 제1항에 있어서,
    일부 다이아몬드 입자가 표면 아래에 완전히 함몰되는, CMP 패드 조절기.
  24. 제1항에 있어서,
    상기 매트릭스는 10 부피% 이하의 인-시츄(in-situ) 형성된 실리콘 탄화물을 포함하는, CMP 패드 조절기.
  25. 제1항에 있어서,
    상기 매트릭스는 상호 연결된 실리콘을 포함하는, CMP 패드 조절기.
  26. 제6항에 있어서,
    상기 매트릭스로부터 가장 원위의 실질적으로 모든 상기 돌출되는 다이아몬드 입자 상의 지점이 평면의 50 미크론 이내에 놓이는, CMP 패드 조절기를 제조하는 방법.
  27. 제6항에 있어서,
    상기 함몰된 매트릭스의 밖으로 부분적으로 돌출되는 다이아몬드 입자는 상기 매트릭스로부터 입자 크기의 50% 이하로 돌출되는, CMP 패드 조절기를 제조하는 방법.
  28. 제6항에 있어서,
    상기 돌출되는 다이아몬드 입자는 20 미크론 내지 1000 미크론의 크기를 나타내는, CMP 패드 조절기를 제조하는 방법.
  29. 제6항에 있어서,
    상기 접촉 표면에서 상기 돌출되는 다이아몬드 입자의 적어도 일부는 10 미크론 이상의 거리만큼 상기 매트릭스로부터 돌출되는, CMP 패드 조절기를 제조하는 방법.
  30. 제6항에 있어서,
    상기 다이아몬드 입자는 상기 복합 재료 내에서 1 부피% 내지 70 부피%의 부피% 농도를 갖는, CMP 패드 조절기를 제조하는 방법.
  31. 제6항에 있어서,
    상기 매트릭스는 5 부피% 내지 40 부피%의 원소 실리콘을 포함하는, CMP 패드 조절기를 제조하는 방법.
  32. 제30항에 있어서,
    상기 부피% 농도 구배는 스토크스 법칙에 따라 변화하는, CMP 패드 조절기를 제조하는 방법.
  33. 제6항에 있어서,
    상기 다이아몬드 입자는 상기 복합 재료의 실질적으로 전체 체적에 걸쳐서 분포된, CMP 패드 조절기를 제조하는 방법.
  34. 제6항에 있어서,
    일부 다이아몬드 입자가 표면 아래에 완전히 함몰되는, CMP 패드 조절기를 제조하는 방법.
  35. 제6항에 있어서,
    상기 매트릭스는 10 부피% 이하의 인-시츄(in-situ) 형성된 실리콘 탄화물을 포함하는, CMP 패드 조절기를 제조하는 방법.
  36. 제6항에 있어서,
    상기 매트릭스는 상호 연결된 실리콘을 포함하는, CMP 패드 조절기를 제조하는 방법.
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