KR102523016B1 - 제어되는 다공도를 갖는 프린팅된 화학적 기계적 연마 패드 - Google Patents

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Abstract

연마 패드를 제작하는 방법은, 연마 패드의 연마 층의 폴리머 매트릭스 내에 도입될 공극들의 원하는 분포를 결정하는 단계를 포함한다. 폴리머 매트릭스 전구체가 증착될 위치들을 특정하고, 재료가 증착되지 않을, 공극들의 원하는 분포의 위치들을 특정하는, 3D 프린터에 의해 판독되도록 구성된 전자 제어 신호들이 생성된다. 복수의 제 1 위치들에 대응하는, 폴리머 매트릭스의 복수의 층들이, 3D 프린터로, 성공적으로 증착된다. 폴리머 매트릭스의 복수의 층들의 각각의 층은, 노즐로부터 폴리머 매트릭스 전구체를 토출함으로써 증착된다. 폴리머 매트릭스 전구체는, 공극들의 원하는 분포를 갖는 응고된 폴리머 매트릭스를 형성하도록 응고된다.

Description

제어되는 다공도를 갖는 프린팅된 화학적 기계적 연마 패드{PRINTED CHEMICAL MECHANICAL POLISHING PAD HAVING CONTROLLED POROSITY}
본 발명은, 화학적 기계적 연마(polishing)에서 사용되는 연마 패드들에 관한 것이다.
집적 회로는 전형적으로, 실리콘 웨이퍼 상의 전도성, 반전도성, 또는 절연성 층들의 순차적인 증착에 의해, 기판 상에 형성된다. 다양한 제작 프로세스들은 기판 상의 층의 평탄화(planarization)를 요구한다. 예컨대, 특정한 애플리케이션들, 예컨대, 패터닝된 층의 트렌치들에 비아들, 플러그들, 및 라인들을 형성하기 위한 금속 층의 연마의 경우에, 패터닝된 층의 상단 표면이 노출될 때까지, 위에 놓인 층이 평탄화된다. 다른 애플리케이션들, 예컨대, 포토리소그래피를 위한 유전체 층의 평탄화에서, 위에 놓인 층은, 아래 놓인 층 위에 원하는 두께가 남을 때까지 연마된다.
화학적 기계적 연마(CMP)는 평탄화의 하나의 용인된 방법이다. 이러한 평탄화 방법은 전형적으로, 기판이 캐리어 헤드 상에 탑재되는 것을 요구한다. 기판의 노출된 표면은 전형적으로, 회전하는 연마 패드에 대하여 배치된다. 캐리어 헤드는, 연마 패드에 대하여 기판을 푸시(push)하기 위해, 기판 상에 제어가능한 로드(load)를 제공한다. 연마재(abrasive) 입자들을 갖는 슬러리(slurry)와 같은 연마 액체가 전형적으로, 연마 층의 표면으로 공급된다.
화학적 기계적 연마 프로세스의 하나의 목적은 연마 균일성이다. 기판 상의 상이한 영역들이 상이한 레이트들로 연마되는 경우에, 기판의 몇몇 영역들에서, 너무 많은 재료가 제거되거나("오버폴리싱(overpolishing)"), 또는 너무 적은 재료가 제거되는("언더폴리싱(underpolishing)") 것이 가능하다.
통상적인 연마 패드들은 "표준(standard)" 패드들 및 고정된-연마(fixed-abrasive) 패드들을 포함한다. 표준 패드는 내구성 있는 거칠게 된 표면을 갖는 폴리우레탄 연마 층을 갖고, 또한, 압축성(compressible) 백킹 층을 포함할 수 있다. 반대로, 고정된-연마 패드는 컨테인먼트 매체들(containment media)에 보유된 연마재 입자들을 갖고, 대체로 비압축성(incompressible)인 백킹 층 상에 지지될 수 있다.
연마 패드들은 전형적으로, 폴리우레탄 재료들을 몰딩(molding)하거나, 캐스팅(casting)하거나, 또는 신터링(sintering)함으로써 제조된다. 몰딩의 경우에, 연마 패드들은, 예컨대 사출 성형(injection molding)에 의해, 한번에 하나씩 제조될 수 있다. 캐스팅의 경우에, 액체 전구체가 케이크(cake)로 캐스팅되고 경화되며, 그러한 케이크는 후속하여, 개별적인 패드 피스들로 슬라이싱된다. 그 후에, 이러한 패드 피스들은 최종 두께로 머시닝될(machined) 수 있다. 그루브(groove)들이 연마 표면 내로 머시닝될 수 있거나, 또는 사출 성형 프로세스의 부분으로서 형성될 수 있다.
평탄화에 부가하여, 연마 패드들은 버핑(buffing)과 같은 피니싱(finishing) 동작들을 위해 사용될 수 있다.
연마 패드의 재료 특성들은 연마에 영향을 미친다. 연마 층의 벌크에서의 다공도(porosity)는 연마 층의 압축성에 영향을 미치고, 연마 층의 표면에서의 다공도는 슬러리 분배에 기여할 수 있다. 다공도는 재료에서의 공극들의 퍼센티지 볼륨으로서 측정될 수 있다.
전형적으로, 연마 층에서의 다공도는, 패드 재료와 상이한 재료를 연마 패드 내에 포함시킴으로써 도입된다. 그러나, 패드 재료와 상이한 재료 사이의 인터페이스(interface)에서, 2개의 재료들의 경도에서의 차이들은, 연마되고 있는 기판 상에 이차 스크래치들을 야기할 수 있다.
몇몇 연마 층들에서, 공극들을 생성하기 위해, 액체 전구체 내에 가스 버블(bubble)들이 주입된다. 가스 버블들의 균일한 국부적인 분포를 달성하는 것은 어렵고, 이는, 연마 층의 상이한 구역들에 걸쳐 경도에서의 차이들을 초래할 수 있다. 패드 경도에서의 차이들은, 연마된 기판들의 웨이퍼-내 균일성에 영향을 미칠 수 있다. 통상적으로, 패드의 연마 표면을 따르는 슬러리의 수송(transport)을 보조하기 위해, 연마 층 내에 그루브들이 머시닝된다. 그러나, 연마 층들에서의 그루브들의 프로파일들은, 밀링, 라싱, 또는 머시닝 프로세스들에 의해 제한된다. 부가하여, 밀링 후에, 그루브의 측 상에, 연마 층 재료의 섬유(fiber)들이 남아 있을 수 있다. 이러한 머시닝 섬유들은 슬러리 유동에 대한 국부적인 저항을 야기할 수 있다.
3D 프린팅은 연마 층에서의 세공들의 분포의 더 우수한 제어를 허용한다. 대안적으로 또는 부가하여, 3D 프린팅은, 연마 층의 통상적인 머시닝으로부터 기인하는, 그루브들 내의 섬유들을 감소시키고(예컨대, 제거하고), 그리고/또는 특정한 그루브 프로파일들을 생성하기 위해, 사용될 수 있다.
일 양상에서, 연마 패드를 제작하는 방법은, 연마 패드의 연마 층의 폴리머 매트릭스(polymer matrix) 내에 도입될 공극들의 원하는 분포를 결정하는 단계, 및 3D 프린터에 의해 판독되도록 구성된 전자 제어 신호들을 생성하는 단계를 포함한다. 제어 신호들은, 폴리머 매트릭스 전구체가 증착될 복수의 제 1 위치들을 특정(specify)하고, 재료가 증착되지 않을, 공극들의 원하는 분포에 대응하는 복수의 제 2 위치들을 특정한다. 복수의 제 1 위치들에 대응하는, 폴리머 매트릭스의 복수의 층들은 3D 프린터로 연속적으로 증착되고, 폴리머 매트릭스의 복수의 층들의 각각의 층은, 노즐로부터 폴리머 매트릭스 전구체를 토출(ejecting)함으로써 증착된다. 폴리머 매트릭스 전구체는, 공극들의 원하는 분포를 갖는 응고된 폴리머 매트릭스를 형성하도록 응고된다.
구현들은 다음의 특징들 중 하나 또는 그 초과를 포함할 수 있다.
공극들의 원하는 분포를 결정하는 것은, 공극들의 사이즈 및 폴리머 매트릭스 내의 공극들의 공간적인 위치로 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나 또는 그 초과의 파라미터들을 결정하는 것을 포함할 수 있다.
하나 또는 그 초과의 파라미터들은, 회전하는 연마 플래튼 상의 연마 패드의 상이한 선 속도들을 보상하도록 선택될 수 있다.
연마 층의 선택된 영역들 상의 프린팅은, 연마 층의 상단 표면에 그루브들을 형성하기 위해 수행될 수 있고, 여기에서, 그루브들은, 폴리머 매트릭스 전구체가 증착되지 않는 구역들을 포함한다.
그루브들은, 연마 층의 상단 표면에 걸쳐 상이한 깊이들을 가질 수 있다.
그루브들은, 슬러리를 수송하도록 구성된 채널들의 네트워크를 형성하기 위해, 제 1 패턴으로, 공극들의 분포를 연결시킬 수 있다.
폴리머 매트릭스 전구체를 응고시키는 것은, 폴리머 매트릭스 전구체가 3D 프린터로부터 디스펜싱된(dispensed) 후에, 그리고 폴리머 매트릭스 전구체가 층에서의 인접한 포지션에 증착되기 전에, 인 시튜(in situ)로, 폴리머 매트릭스 전구체를 경화시키는 것을 포함할 수 있다.
폴리머 매트릭스 전구체를 경화시키는 것은, 자외선(UV) 또는 적외선(IR) 경화를 포함할 수 있다.
폴리머 매트릭스 전구체는 우레탄 모노머(monomer)를 포함할 수 있다.
응고된 폴리머 매트릭스는 폴리우레탄을 포함할 수 있다.
연마 패드의 백킹 층의 폴리머 매트릭스 내에 도입될 공극들의 제 2 원하는 분포가 결정될 수 있다.
백킹 층의 폴리머 매트릭스에서의 공극들의 제 2 원하는 분포는, 연마 패드의 연마 층에서의 공극들의 원하는 분포와 상이할 수 있다.
백킹 층의 폴리머 매트릭스에서의 공극들의 제 2 원하는 분포는, 백킹 층이 연마 층보다 더 압축성이도록, 공극들의 더 높은 밀도를 가질 수 있다.
연마 층의 폴리머 매트릭스의 재료는, 백킹 층의 폴리머 매트릭스의 재료와 상이할 수 있다.
백킹 층을 형성하기 위해, 3D 프린터로, 제 2 복수의 층들이 연속적으로 증착될 수 있다.
연마 층은, 연마 층이 백킹 층에 직접적으로 본딩되도록, 중간 접착성 층을 사용하지 않으면서, 3D 프린터에 의해, 백킹 층 바로 위에 프린팅될 수 있다.
공극들은 30 내지 50 미크론의 치수를 가질 수 있다.
다른 양상에서, 연마 패드를 제작하는 방법은, 3D 프린터로 복수의 층들을 연속적으로 증착하는 단계를 포함하며, 복수의 연마 층들의 각각의 층은, 연마 재료 부분 및 윈도우(window) 부분을 포함하고, 연마 재료 부분은, 제 1 노즐로부터 연마 재료 전구체를 토출하고, 연마 재료 전구체를 응고시켜서, 응고된 연마 재료를 형성함으로써 증착되고, 윈도우 부분은, 제 2 노즐로부터 윈도우 전구체를 토출하고, 윈도우 전구체를 응고시켜서, 응고된 윈도우를 형성함으로써 증착된다.
구현들은 다음의 특징들 중 하나 또는 그 초과를 포함할 수 있다.
연마 재료 전구체 및 윈도우 전구체의 경화는, 동일한 조성을 갖는 폴리머 매트릭스들을 형성할 수 있다.
연마 재료 전구체는 불투명-유도 첨가제들을 포함할 수 있고, 윈도우 전구체는 그러한 첨가제들이 없을 수 있다.
본 발명의 하나 또는 그 초과의 실시예들의 세부사항들은 첨부 도면들 및 아래의 설명에서 제시된다. 본 발명의 다른 피처들, 목적들, 및 이점들은, 설명 및 도면들로부터, 그리고 청구항들로부터 명백하게 될 것이다.
도 1a는, 예시적인 연마 패드의 개략적인 측단면도이다.
도 1b는, 다른 예시적인 연마 패드의 개략적인 측단면도이다.
도 1c는, 또 다른 예시적인 연마 패드의 개략적인 측단면도이다.
도 2는, 화학적 기계적 연마 스테이션의, 일부는 단면도인 개략적인 측면도이다.
도 3a는, 연마 패드를 제작하기 위해 사용되는 예시적인 3D 프린터를 예시하는 개략적인 측단면도이다.
도 3b는, 3D 프린팅에 의해 형성된 세공을 갖는 연마 층을 예시하는 개략적인 측단면도이다.
도 3c는, 인 시튜 경화 광 소스를 갖는 예시적인 3D 프린터의 개략적인 측단면도이다.
도 3d는, 예시적인 연마 층에서의 그루브의 개략적인 측단면도이다.
도 3e는, 예시적인 연마 패드에서의 머시닝 섬유들을 갖는 그루브의 개략적인 측단면도이다.
다양한 도면들에서의 동일한 참조 부호들은 동일한 엘리먼트들을 표시한다.
도 1a 내지 도 1c를 참조하면, 연마 패드(18)는 연마 층(22)을 포함한다. 도 1a에서 도시된 바와 같이, 연마 패드는 연마 층(22)으로 구성된 단일-층 패드일 수 있거나, 또는 도 1c에서 도시된 바와 같이, 연마 패드는 연마 층(22) 및 적어도 하나의 백킹(backing) 층(20)을 포함하는 다-층 패드일 수 있다.
연마 층(22)은 연마 프로세스에서 불활성인 재료일 수 있다. 연마 층(22)의 재료는, 플라스틱, 예컨대 폴리우레탄일 수 있다. 몇몇 구현들에서, 연마 층(22)은 상대적으로 내구성이 있고 단단한 재료이다. 예컨대, 연마 층(22)은, 쇼어 D 스케일(Shore D scale) 상에서, 약 40 내지 80, 예컨대 50 내지 65의 경도를 가질 수 있다.
도 1a에서 도시된 바와 같이, 연마 층(22)은 균질한 조성의 층일 수 있거나, 또는 도 1b에서 도시된 바와 같이, 연마 층(22)은, 예컨대 폴리우레탄과 같은 플라스틱 재료의 매트릭스(29)에 보유된 연마재 입자들(28)을 포함할 수 있다. 연마재 입자들(28)은 매트릭스(29)의 재료보다 더 단단하다. 연마재 입자들(28)은 연마 층의 0.05 wt% 내지 75 wt%일 수 있다. 예컨대, 연마재 입자들(28)은 연마 층(22)의 1 wt% 미만, 예컨대 0.1 wt% 미만일 수 있다. 대안적으로, 연마재 입자들(28)은 연마 층(22)의 10 wt% 초과, 예컨대 50 wt% 초과일 수 있다. 연마재 입자들의 재료는, 금속 산화물, 예컨대 세리아(ceria), 알루미나, 실리카 또는 이들의 조합일 수 있다.
몇몇 구현들에서, 연마 층은 세공들, 예컨대 작은 공극(void)들을 포함한다. 세공들은 넓이가 50 내지 100 미크론일 수 있다.
연마 층(18)은, 80 mil 또는 그 미만, 예컨대 50 mil 또는 그 미만, 예컨대 25 mil 또는 그 미만의 두께(D1)를 가질 수 있다. 컨디셔닝(conditioning) 프로세스가 커버 층을 마모시키는 경향이 있기 때문에, 예컨대 3000 연마 및 컨디셔닝 사이클들과 같은 유용한 수명을 갖는 연마 패드(18)를 제공하도록, 연마 층(22)의 두께가 선택될 수 있다.
마이크로스코픽 스케일(microscopic scale) 상에서, 연마 층(22)의 연마 표면(24)은 거친 표면 텍스처(texture), 예컨대 2 내지 4 미크론 rms를 가질 수 있다. 예컨대, 연마 층(22)은, 거친 표면 텍스처를 생성하기 위해, 그라인딩(grinding) 또는 컨디셔닝 프로세스를 받을 수 있다. 부가하여, 3D 프린팅은, 예컨대 30 미크론에 이르기까지, 작고 균일한 피처들을 제공할 수 있다.
연마 표면(24)이 마이크로스코픽 스케일 상에서 거칠 수 있지만, 연마 층(22)은, 연마 패드 그 자체의 매크로스코픽(macroscopic) 스케일 상에서 우수한 두께 균일성을 가질 수 있다(이러한 균일성은, 연마 층의 바닥 표면에 관한, 연마 표면(24)의 높이에서의 전역적인 변화를 나타내고, 연마 층에 의도적으로 형성된 임의의 매크로스코픽 그루브들 또는 구멍들을 카운트하지 않는다). 예컨대, 두께 불-균일성은 1 mil 미만일 수 있다.
선택적으로, 연마 표면(24)의 적어도 일부는, 슬러리를 운반하기 위해 그러한 연마 표면(24)의 적어도 일부에 형성된 복수의 그루브들(26)을 포함할 수 있다. 그루브들(26)은, 동심원들, 직선들, 크로스-해치형(cross-hatched), 나선형들 등과 같이, 거의 어떠한 패턴으로도 이루어질 수 있다. 그루브들이 존재한다고 가정하면, 그루브들(26) 사이의 연마 표면(24), 즉 플래토(plateau)들은, 대략 연마 패드(22)의 총 수평 표면 면적, 즉, 연마 패드(22)의 총 수평 표면 면적의 25 내지 90 %일 수 있다. 따라서, 그루브들(26)은, 연마 패드(18)의 총 수평 표면 면적의 10 % 내지 75 %를 차지할 수 있다. 그루브들(26) 사이의 플래토들은 약 0.1 내지 2.5 mm의 측방향 폭을 가질 수 있다.
몇몇 구현들에서, 예컨대, 백킹 층(20)이 존재하는 경우에, 그루브들(26)은 연마 층(22)을 완전히 관통하여 연장될 수 있다. 몇몇 구현들에서, 그루브들(26)은, 연마 층(22)의 두께의 약 20 내지 80 %, 예컨대 40 %를 통하여 연장될 수 있다. 그루브들(26)의 깊이는 0.25 내지 1 mm일 수 있다. 예컨대, 두께가 50 mil인 연마 층(22)을 갖는 연마 패드(18)에서, 그루브들(26)은 약 20 mil의 깊이(D2)를 가질 수 있다.
백킹 층(20)은 연마 층(22)보다 더 연성일 수 있고, 더 압축성일 수 있다. 백킹 층(20)은, 쇼어 A 스케일 상에서 80 또는 그 미만의 경도, 예컨대 약 60 쇼어 A의 경도를 가질 수 있다. 백킹 층(20)은 연마 층(22)보다 더 두꺼울 수 있거나, 또는 더 얇을 수 있거나, 또는 연마 층(22)과 동일한 두께일 수 있다.
예컨대, 백킹 층은, 개방-셀(open-cell) 또는 폐쇄-셀(closed-cell) 폼(foam), 예컨대, 공극들을 갖는 폴리실리콘(polysilicone) 또는 폴리우레탄일 수 있고, 그에 따라, 압력 하에서, 셀들이 붕괴되고, 백킹 층이 압축된다. 백킹 층을 위한 적합한 재료는, 코네티컷, 로저스의 로저스 코포레이션(Rogers Corporation)으로부터의 PORON 4701-30, 또는 롬 앤 하스(Rohm & Haas)로부터의 SUBA-IV이다. 백킹 층의 경도는 층 재료 및 다공도의 선택에 의해 조정될 수 있다. 대안적으로, 백킹 층(20)은, 연마 층과 동일한 전구체로부터 형성되고, 동일한 다공도를 갖지만, 상이한 경도를 갖도록 상이한 경화 정도를 갖는다.
이제 도 2로 넘어가면, 하나 또는 그 초과의 기판들(14)이 CMP 장치의 연마 스테이션(10)에서 연마될 수 있다. 적합한 연마 장치의 설명은 미국 특허 번호 제 5,738,574 호에서 발견될 수 있고, 그 미국 특허의 전체 개시는 인용에 의해 본원에 포함된다.
연마 스테이션(10)은 회전가능한 플래튼(16)을 포함할 수 있고, 그러한 플래튼(16) 상에 연마 패드(18)가 배치된다. 연마 단계 동안에, 연마 액체(30), 예컨대 연마재 슬러리가, 슬러리 공급 포트 또는 조합된 슬러리/린스 암(32)에 의해, 연마 패드(18)의 표면으로 공급될 수 있다. 연마 액체(30)는 연마재 입자들, pH 조정제, 또는 화학적으로 활성인 컴포넌트들을 함유할 수 있다.
기판(14)은 캐리어 헤드(34)에 의해 연마 패드(18)에 대하여 보유된다. 캐리어 헤드(34)는 캐러셀(carousel)과 같은 지지 구조로부터 서스펜딩되고(suspended), 캐리어 헤드가 축(38)을 중심으로 회전될 수 있도록, 캐리어 구동 샤프트(36)에 의해, 캐리어 헤드 회전 모터에 연결된다. 연마 액체(30)의 존재 시의 기판(14)과 연마 패드(18)의 상대적인 모션은, 기판(14)의 연마를 발생시킨다.
패드 경도 및 연마 층의 다른 재료 특성들은 연마 동작에 영향을 미친다. 패드 경도는, 연마 층을 제작하기 위해 사용되는 재료, 연마 층에서의 다공도의 분포 및 범위(extent), 및 폴리머 매트릭스 전구체를 경화시키기 위해 사용되는 경화의 정도에 의해 결정된다.
다공도의 분포 및 범위의 제어는 패드 경도의 국부화된 제어를 제공한다. 예컨대, 연마 표면에 걸쳐, 공간적으로, 연마 층을 제작하기 위해 사용되는 (상이한 경도를 갖는) 재료들을 효과적으로 변화시키는 것은 어려울 수 있다. 유사하게, 연마 층에 걸쳐, 우수한 레졸루션(resolution)으로, 패드 전구체의 경화의 정도를 제어하는 것은 어려울 수 있다. 그러나, 아래에서 설명되는 바와 같이, 세공들의 위치 및 밀도는 3D 프린팅 프로세스에서 제어될 수 있다.
전형적으로, 연마 층(22)에서의 다공도는, 폴리머 매트릭스 전구체와 상이한 재료를 연마 층 내에 포함시킴으로써 도입된다. 몇몇 연마 패드들에서, 다공도는, 연마 층에 세공-함유(예컨대, 홀로우(hollow)) 입자들을 포함시킴으로써 도입된다. 예컨대, 알려진 사이즈의 홀로우 마이크로스피어(microsphere)들이 액체 전구체와 혼합될 수 있고, 이는 그 후에, 연마 층을 위한 재료를 형성하기 위해 경화된다. 그러나, 패드 재료와 입자들 사이의 인터페이스에서, 2개의 재료들의 경도에서의 차이들은, 연마되고 있는 기판 상에 이차 스크리치들을 야기할 수 있다.
몇몇 연마 층들에서, 공극들을 생성하기 위해, 입자들 대신에, 가스 버블들이 사용된다. 이러한 방식으로, 다공도를 생성하기 위해 연마 층의 재료와 상이한 재료로 제조된 입자들을 사용할 필요성이 제거된다. 가스 버블들이 사용되는 경우에, 전체 다공도를 제어하는 것이 가능하지만, 세공들의 분포 및 세공 사이즈를 제어하는 것이 어렵다. 가스 버블들의 다소 무작위인 사이즈 및 위치로 인해, 국부적인 다공도 및 세공들의 분포를 제어하는 것이 어렵고, 이는, 연마 층의 상이한 구역들에 걸쳐 경도에서의 차이들을 초래할 수 있다. 예컨대, 버블들의 직경은, 직경이 국부적인 표면 장력의 함수이기 때문에, 효과적으로 제어될 수 없다. 부가하여, 가스 버블들의 국부적인 분포를 제어하는 것은 어렵고, 이는, 연마 층의 상이한 구역들에 걸쳐 경도에서의 차이들을 초래할 수 있고, 그에 의해, 웨이퍼들의 최종적인 연마에 영향을 미칠 수 있는, 패드 경도에서의 차이들이 야기될 수 있다.
몇몇 구현들에서, 연마 패드는 세공들의 균일한 분포를 갖도록 제조된다.
몇몇 구현들에서, 연마 패드는, 연마 층 경도에서의 결과적인 차이들로 인해, 연마 패드의 중심 부분과 비교하여, 연마 패드의 (둘레 근처의) 에지에서 더 높은, 연마 패드의 선 속도에서의 차이들을 보상하기 위해 사용되는, 세공들의 분포를 갖도록 제조된다. 연마 패드의 반경에 걸친 연마 속력들에서의 이러한 차이는, 보정되지 않는 경우에, 기판이 연마 층의 상이한 방사상 포지션들에서 연마될 때, 기판의 상이한 연마를 초래할 수 있다.
몇몇 구현들에서, 연마 패드는, 연마 층 경도에서의 결과적인 차이들로 인해, 연마 레이트에서의 불-균일성의 다른 소스들을 보상하는 세공들의 분포를 갖도록 제조된다.
연마 층의 경도를 효과적으로 제어하기 위해, 컴퓨터 시뮬레이션들이 먼저, 연마 층 상의 상이한 위치들에서의 연마 층의 원하는 경도를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 그러한 시뮬레이션은, 연마 패드가 회전되고 있는 경우에, 예컨대, 연마 패드의 선 속도에서의 차이들을 보상하기 위해 사용될 수 있는, 연마 층의 경도 프로파일을 생성한다. 선택된 경도 프로파일에 기초하여, 선택된 프로파일을 달성하기 위해, 다공도들이 그에 따라 분포된다. 세공들의 사이즈, 세공들의 밀도 및 공간적인 분포가, 선택된 경도 프로파일에 매칭될 수 있다.
3D 프린팅은, 컴퓨터 시뮬레이션들에 의해 결정된 다공도들을 획득하기 위한 편리하고 고도로 제어가능한 프로세스를 제공한다. 도 3a를 참조하면, 도 1a 내지 도 1c에서 도시된 연마 패드(18)의 적어도 연마 층(22)이, 3D 프린팅 프로세스를 사용하여 제조된다. 제조 프로세스에서, 재료의 얇은 층들이 점진적으로 증착되고 융합된다. 예컨대, 패드 전구체 재료의 액적(droplet)들(52)이, 층(50)을 형성하기 위해, 액적 토출 프린터(55)의 노즐(54)로부터 토출될 수 있다. 액적 토출 프린터는 잉크젯 프린터와 유사하지만, 잉크 대신에 패드 전구체 재료를 사용한다. 노즐(54)은 지지부(51)에 걸쳐 (화살표 A에 의해 도시된 바와 같이) 병진이동(translate)한다.
증착된 제 1 층(50a)의 경우에, 노즐(54)은 지지부(51) 상에 토출할 수 있다. 후속하여 증착된 층들(50b)의 경우에, 노즐(54)은 이미 응고된 재료(56) 상에 토출할 수 있다. 각각의 층(50)이 응고된 후에, 완전한 3-차원 연마 층(22)이 제작될 때까지, 새로운 층이, 이전에 증착된 층 위에 증착된다. 각각의 층은, 컴퓨터(60) 상에서 실행되는 3D 드로잉(drawing) 컴퓨터 프로그램에 저장된 패턴으로, 노즐(54)에 의해 적용된다.
지지부(51)는 강성 베이스, 또는 가요성 막, 예컨대 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)의 층일 수 있다. 지지부(51)가 막인 경우에, 지지부(51)는 연마 패드(18)의 일부를 형성할 수 있다. 예컨대, 지지부(51)는 백킹 층(20), 또는 연마 층(22)과 백킹 층(20) 사이의 층일 수 있다. 대안적으로, 연마 층(22)이 지지부(51)로부터 제거될 수 있다.
세공들의 원하는 분포는, 원하는 분포에 의해 특정된 특정한 위치들에서 패드 전구체 재료를 증착하지 않음으로써, 연마 층(22) 내에 간단히 포함될 수 있다. 즉, 세공은, 간단히, 특정한 위치에 패드 전구체 재료를 디스펜싱하지 않음으로써, 그러한 특정한 위치에 형성될 수 있다.
3D 프린팅에서, 원하는 증착 패턴은 CAD-호환성 파일에서 특정될 수 있고, 그러한 CAD-호환성 파일은 그 후에, 프린터를 제어하는 전자 제어기(예컨대, 컴퓨터)에 의해 판독된다. 그 후에, 전자 제어 신호들은, 노즐(54)이 CAD-호환성 파일에 의해 특정된 포지션으로 병진이동되는 경우에만, 패드 전구체 재료를 디스펜싱하도록, 프린터에 전송된다. 이러한 방식으로, 연마 층(22)에서의 실제 세공들의 사이즈는 측정될 필요가 없고, 그보다는, 재료를 3D 프린팅하기 위해 사용되는, CAD-파일에 포함된 명령들이, 연마 층(22) 내에 포함될 다공도의 정확한 위치 및 사이즈를 레코딩한다.
도 3b는, 3D 프린팅에 의해 형성된 세공(325)의 상세도를 도시한다. 노즐(54)은, 노즐(54)을 포함하는 프린터의 레졸루션으로 증착된 일련의 패드 전구체 부분들(311)로 구성된 제 1 층(310)을 증착한다. 부분들(311)은 직사각형 형태로만 개략적으로 도시된다. 예컨대 600 dpi(dots per inch)의 레졸루션을 갖는 전형적인 고 속력 프린터의 경우에, 각각의 부분(311)(예컨대, 각각의 픽셀)의 폭은 30 내지 50 미크론일 수 있다.
연속적인 제 1 층(310)을 증착한 후에, 노즐(54)은 제 2 층(320)을 증착하기 위해 사용된다. 제 2 층(320)은, 노즐(54)이 어떠한 폴리머 매트릭스 전구체도 증착하지 않는 공극(325)을 포함한다. 30 내지 50 미크론의 세공들이, 간단히, 그러한 위치들에서 재료들을 증착하지 않음으로써, 제 2 층(320)에 형성될 수 있다.
공극을 갖는 부분 바로 위의 층은, 제 2 층(320)에서의 공극(325) 바로 위에 있는 돌출부(overhang)(332)를 나타낼(develop) 수 있다. 돌출부(332)는, 증착된 폴리머 매트릭스 전구체 부분(331)의 표면 장력에 의해, 측방향으로 보유되고, 따라서, 돌출부(332)가 공극(325) 내로 붕괴되는 것이 방지된다. 그 후에, 노즐(54)은, 공극(325) 위에서 연장되는 돌출부(334)를 포함하는 폴리머 매트릭스 전구체 부분(333)을 계속 증착한다. 돌출부(332)와 유사하게, 증착된 폴리머 매트릭스 전구체 부분(333)의 표면 장력은, 돌출부(332)가 공극(325) 내로 붕괴되는 것을 방지한다.
프린팅된 층들(310 내지 330) 각각은 두께가 30 내지 50 미크론일 수 있다. 도 3b는, 직사각형 형상으로 공극을 예시하지만, 일반적으로, 연마 층에서의 세공들은, 구형으로 형성될 수 있거나, 또는 입방형 또는 피라미드형과 같은 다른 기하형상들을 가질 수 있다. 공극들의 최소 사이즈는 프린터의 레졸루션에 의해 결정된다.
대안적으로, 연마 프로세스 동안에 마멸될(abraded) 세공 표면을 갖는, 패드의 연마 표면에 근접한 세공들에 대해, 연마 프로세스와 양립가능한 유체(예컨대, 물)가, 예컨대 제 2 노즐에 의해, 공극 내로 증착될 수 있다. 공극 위에 증착된 패드 전구체 재료는 유체와 혼화가능(miscible)하지 않고, 유체의 존재에 의해, 공극 내로 붕괴되는 것이 방지된다. 연마 프로세스 동안에, 세공 표면의 일부가 마멸되는 경우에, 연마 프로세스 동안에 사용되는 유체가 세공으로부터 해방되고, 세공은 충전되지 않은 세공의 압축성을 가질 것이다.
자외선(UV) 또는 적외선(IR) 경화가능한 폴리머가, 연마 층을 제작하기 위해, 패드 전구체 재료로서 사용될 수 있고, 이는, 사출 성형을 사용하여 연마 패드들이 제조되는 경우에 요구되는 오븐에 대한 필요성을 제거한다. 연마 패드의 제작 프로세스는, 벤더 사이트(site)로부터 이동될 수 있고, 커스토머 사이트에서 사용되도록, 커스토머에게 직접적으로 인가될 수 있고, 그러한 커스토머 사이트에서, 커스토머는, 요구되는 정확한 수의 패드들을 제조할 수 있다.
증착된 패드 전구체 재료의 응고는 중합에 의해 달성될 수 있다. 예컨대, 패드 전구체 재료의 층(50)은 모노머일 수 있고, 모노머는 UV 경화에 의해 인-시튜로 중합될 수 있다. 예컨대, 도 3c에서 예시된 바와 같이, UV 또는 IR 광 소스들(360)은 노즐(54)에 매우 가까이 포지셔닝될 수 있다. 이러한 경우에, 증착된 재료가 연마 층에서의 원하는 위치에서의 증착 시에 단단하게 되도록, 노즐(54)로부터 패드 전구체 재료가 디스펜싱된 직후에, 인 시튜 경화가 수행될 수 있다. 부가하여, UV 또는 IR 광 소스들의 세기는, 증착된 패드 전구체 재료에 구조적인 강성을 제공하기에 충분한 정도로만 인 시튜 경화가 발생하도록, 조정될 수 있다. 대안적으로, 패드 전구체 재료의 전체 층(50)이 증착될 수 있고, 그 후에, 전체 층(50)이 동시에 경화될 수 있다.
경화가능한 패드 전구체 재료들을 사용하는 것에 부가하여, 액적들(52)은, 냉각 시에 응고되는 폴리머 용해물(melt)일 수 있다. 대안적으로, 프린터는, 분말의 층을 확산시키고, 분말의 층 상에 결합제 재료의 액적들을 토출함으로써, 연마 층(22)을 생성한다. 이러한 경우에, 분말은, 예컨대 연마재 입자들(22)과 같은 첨가제들을 포함할 수 있다.
그루브들
통상적으로, 연마 표면(24) 내에서 슬러리를 운반하기 위해 연마 표면(24)에 형성되는 그루브들(26)은 전형적으로, 머시닝된다. 그러나, 그러한 그루브들의 프로파일들은, 밀링(milling), 라싱(lathing), 또는 머시닝 프로세스들에 의해 제한된다.
3D 프린팅 프로세스를 사용함으로써, 매우 다양한 단면 형상들을 갖는 그루브들을 생성하는 것이 가능하다. 예컨대, 그루브의 바닥보다 상단에서 더 좁은 그루브들을 생성하는 것이 가능할 수 있다. 예컨대, 그루브들에 대해, 도 3d에서 도시된 바와 같은 더브테일(dovetail) 프로파일(370)을 달성하는 것은 어려울 것이다.
도 3c에서 도시된 바와 같이, 밀링 후에, 그루브(24)의 측 상에 패드 재료의 섬유들(380)이 남아 있을 수 있다. 이러한 머시닝 섬유들은 슬러리 유동에 대한 국부적인 저항을 야기할 수 있다. 3D 프린팅은 이러한 섬유들을 감소시킬(예컨대, 제거할) 수 있다.
부가하여, 세공들은, 슬러리 수송을 강화하기 위해, 원하는 패턴들로 그루브들과 상호연결될 수 있다. 상이한 깊이들의 그루브들이 또한, 연마 층에 제작될 수 있다.
통상적인 패드들은, PSA(pressure sensitive adhesive)에 의해, 연성 서브패드(예컨대, 백킹 층(20))에 고정된 하드 커버링 층(예컨대, 연마 층(22))을 포함한다. 3D 프린팅을 사용하여, 예컨대 PSA와 같은 접착성 층을 사용하지 않으면서, 단일 프린팅 동작으로, 다-층 연마 패드들이 형성될 수 있다. 백킹 층(20)은, 상이한 전구체 폴리머를 프린팅함으로써, 그리고/또는 동일한 패드 전구체 폴리머를 사용하지만, 백킹 층(20)이 연마 층(22)보다 더 연성이게 허용하도록, 프린팅된 구조의 다공도를 증가시킴으로써, 제조될 수 있다. 부가적으로, 백킹 층(20)은, 경화의 상이한 양, 예컨대, UV 복사의 상이한 세기를 사용함으로써, 연마 층(22)과 상이한 경도로 제공될 수 있다.
투명한 윈도우가 연마 층 내에 임베딩될(embedded) 수 있다. 광학 모니터링 시스템은, 기판의 연마에서의 엔드포인트를 더 정확하게 결정하기 위해, 투명한 윈도우를 통해, 연마 층에 의해 연마되고 있는 기판 상의 층으로 그리고 그러한 층으로부터, 광 빔들을 전송 및 수신할 수 있다.
투명한 윈도우를 별도로 제조하고, 그 후에, 접착제들 또는 다른 기법들을 사용하여, 연마 층에 형성된 대응하는 구멍 내에 윈도우를 고정시키는 대신에, 3D 프린팅은, 투명한 윈도우가 연마 층 내에 직접적으로 증착되게 허용한다. 예컨대, 제 2 노즐은, 투명한 윈도우를 제작하기 위해 사용되는 광학적으로 투명한 재료(예를 들어, 예컨대 홀로우 마이크로스피어들과 같은, 불투명-유도 첨가제들을 갖지 않는 투명한 폴리머 전구체들)를 디스펜싱하기 위해 사용되는 한편, 제 1 노즐은, 원하는 다공도를 달성하기 위해 특정한 포지션들에서 공극들을 갖는 패드 전구체 재료를 디스펜싱하기 위해 사용된다. 투명한 윈도우 재료와 패드 전구체 사이의 인터페이스는, 프린팅 프로세스 동안에, 직접적으로 본딩되고, 접착제가 요구되지 않는다. 윈도우는 균일한 중실(solid)이도록, 예컨대, 다공도를 갖지 않도록 프린팅될 수 있다.
3D 프린팅 접근법은, 층 단위의 프린팅 접근법이기 때문에, 엄격한 허용오차들이 달성되게 허용한다. 또한, 간단히, 3D 드로잉 컴퓨터 프로그램에 저장된 패턴을 변경함으로써, 연마 층에서의 다공도의 상이한 원하는 분포들을 갖는 다양한 상이한 연마 패드들을 제조하기 위해, (프린터(55) 및 컴퓨터(60)를 갖는) 하나의 프린팅 시스템이 사용될 수 있다.
CMP를 위해 사용되는 연마 패드에서의 다공도 분포를 조정하는 것 이외에, 본원에서 설명되는 방법들 및 장치는 또한, 충격 흡수, 소리 약화, 및 파트들의 제어기 열 관리를 위하여, 다공도의 분포 및 다공도의 사이즈를 제어하기 위해 사용될 수 있다.
다수의 구현들이 설명되었다. 그렇지만, 다양한 변형들이 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예컨대, 연마 패드, 또는 캐리어 헤드, 또는 양자 모두는, 기판과 연마 표면 사이의 상대적인 모션을 제공하기 위해 이동할 수 있다. 연마 패드는 원형 또는 어떤 다른 형상일 수 있다. 플래튼에 패드를 고정시키기 위해, 접착 층이 연마 패드의 바닥 표면에 적용될 수 있고, 접착 층은, 연마 패드가 플래튼 상에 배치되기 전에, 제거가능한 라이너에 의해 커버될 수 있다. 부가하여, 수직 포지셔닝의 용어들이 사용되지만, 연마 표면 및 기판이, 거꾸로, 수직 배향으로, 또는 어떤 다른 배향으로 보유될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

Claims (15)

  1. 연마(polishing) 패드의 연마 층을 제작하는 방법으로서,
    적층 제조(additive manufacturing)를 이용하여 상기 연마 층을 형성하기 위해 복수의 층들을 연속적으로 증착하는 단계를 포함하고,
    상기 복수의 층들을 증착하는 단계는,
    상기 복수의 층들 중 제 1 층에 대해, 폴리머 매트릭스(polymer matrix) 전구체의 액적(droplet)들을 토출(ejecting)하고 상기 제 1 층의 응고된 폴리머 매트릭스를 형성하기 위해 상기 폴리머 매트릭스 전구체를 응고하는 것;
    상기 복수의 층들 중 제 2 층에 대해,
    폴리머 매트릭스 전구체의 액적들을 상기 제 1 층 상의 제 1 복수의 위치들 상으로 토출하는 것,
    상기 폴리머 매트릭스 전구체를 상기 제 1 층 상의 하나 또는 그 초과의 제 2 위치들 상으로 토출하지 않는 것 ― 상기 하나 또는 그 초과의 제 2 위치들은 하나 또는 그 초과의 공극들에 대응함 ―;
    상기 제 2 층의 응고된 폴리머 매트릭스를 형성하기 위해 상기 폴리머 매트릭스 전구체를 응고하는 것; 및
    상기 제 2 층 상으로 증착된 상기 복수의 층들 중 제 3 층에 대해, 상기 하나 또는 그 초과의 공극들 위로 연장하는 상기 제 3 층의 응고된 폴리머 매트릭스를 형성하기 위해, 폴리머 매트릭스 전구체의 액적들을 토출하고 상기 폴리머 매트릭스 전구체를 응고하는 것을 포함하는,
    연마 패드의 연마 층을 제작하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 폴리머 매트릭스 전구체를 응고하는 것은 광(light)으로 상기 폴리머 매트릭스 전구체를 경화하는 것을 포함하는,
    연마 패드의 연마 층을 제작하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 폴리머 매트릭스 전구체를 경화하는 것은, 자외선(UV) 또는 적외선(IR) 경화를 포함하는,
    연마 패드의 연마 층을 제작하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 폴리머 매트릭스 전구체는 우레탄 모노머(monomer)를 포함하는,
    연마 패드의 연마 층을 제작하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 응고된 폴리머 매트릭스는 폴리우레탄을 포함하는,
    연마 패드의 연마 층을 제작하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 공극들은 30 내지 50 미크론의 치수를 갖는,
    연마 패드의 연마 층을 제작하는 방법.
  7. 연마 패드의 연마 층을 제작하기 위한 시스템으로서,
    지지부;
    상기 지지부를 향해 연마 재료 전구체를 토출하는 노즐 및 상기 연마 재료 전구체를 응고시키는 에너지 소스를 갖는 3D 프린터; 및
    컴퓨터를 포함하고,
    상기 컴퓨터는,
    복수의 층들 중 제 1 층에 대해, 폴리머 매트릭스 전구체의 액적들을 토출하고 상기 제 1 층의 응고된 폴리머 매트릭스를 형성하기 위해 상기 폴리머 매트릭스 전구체를 응고하는 것,
    상기 복수의 층들 중 제 2 층에 대해,
    폴리머 매트릭스 전구체의 액적들을 상기 제 1 층 상의 제 1 복수의 위치들 상으로 토출하는 것,
    상기 폴리머 매트릭스 전구체를 상기 제 1 층 상의 하나 또는 그 초과의 제 2 위치들 상으로 토출하지 않는 것 ― 상기 하나 또는 그 초과의 제 2 위치들은 하나 또는 그 초과의 공극들에 대응함 ―;
    상기 제 2 층의 응고된 폴리머 매트릭스를 형성하기 위해 상기 폴리머 매트릭스 전구체를 응고하는 것; 및
    상기 제 2 층 상으로 증착된 상기 복수의 층들 중 제 3 층에 대해, 상기 하나 또는 그 초과의 공극들 위로 연장하는 상기 제 3 층의 응고된 폴리머 매트릭스를 형성하기 위해, 폴리머 매트릭스 전구체의 액적들을 토출하고 상기 폴리머 매트릭스 전구체를 응고하는 것에 의해 상기 3D 프린터가 복수의 층들을 연속적으로 증착하게 하도록 구성되는,
    연마 패드의 연마 층을 제작하기 위한 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 에너지 소스는 광 소스를 포함하는,
    연마 패드의 연마 층을 제작하기 위한 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 광 소스는 자외선(UV) 또는 적외선(IR) 소스를 포함하는,
    연마 패드의 연마 층을 제작하기 위한 시스템.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 노즐은 상기 지지부에 평행하게 병진이동(translate)하도록 구성되는,
    연마 패드의 연마 층을 제작하기 위한 시스템.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 폴리머 매트릭스 전구체가 디스펜싱된(dispensed) 후에, 그리고 상기 폴리머 매트릭스 전구체가 층에서의 후속하는 포지션에 증착되기 전에, 상기 3D 프린터는 상기 층에서 상기 폴리머 매트릭스 전구체를 경화하도록 구성되는,
    연마 패드의 연마 층을 제작하기 위한 시스템.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 3D 프린터는 상기 폴리머 매트릭스 전구체의 전체 층을 동시에 경화하도록 구성되는,
    연마 패드의 연마 층을 제작하기 위한 시스템.
  13. 제 7 항에 있어서,
    상기 지지부는, 상기 지지부 위에 상기 복수의 층들이 배치되는 강성 베이스인,
    연마 패드의 연마 층을 제작하기 위한 시스템.
  14. 제 7 항에 있어서,
    상기 지지부는, 상기 지지부 위에 상기 복수의 층들이 배치되는 가요성 막인,
    연마 패드의 연마 층을 제작하기 위한 시스템.
  15. 삭제
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