KR102625874B1 - 연마패드 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

구현예는 연마패드의 표면을 균일하게 제어하여 향상된 연마 성능을 갖는 연마매드 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 상기 연마패드는 서로 융착된 복수의 폴리머 비드 및 복수의 기공을 포함하는 연마층을 포함한다.

Description

연마패드 및 이의 제조방법{POLISHING PAD AND PREPARATION METHOD THEREOF}
연마패드의 표면을 균일하게 제어하여 향상된 연마 성능을 갖는 연마패드 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
반도체 제조공정 중 화학적 기계적 평탄화(CMP) 공정은, 웨이퍼(wafer) 등의 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 자재로서, 종래에는 미세 다공성 물질로 충전되어 성형된 형태의 폴리머, 전형적으로는 우레탄으로, 또는 폴리우레탄으로 코팅된 부직포 펠트로부터 제조되었다.
연마패드의 표면은 슬러리의 큰 유동을 담당하는 그루브(groove)와 미세한 유동을 지원하는 미세 포어(pore)를 구비한다. 이 중 미세 포어는 미세 중공 구조를 가지는 고상 발포제, 휘발성 액체를 이용한 액상 발포제, 불활성 가스와 같은 기상 발포제 등을 이용하여 형성되거나, 또는 화학적 반응에 의해 가스를 발생시켜 형성될 수 있다.
미세 다공성 물질로 충전되어 성형된 형태의 종래 연마패드는 미세 포어의 형태 및 사이즈 분포를 정밀하게 제어하기 어려운 문제점이 있다. 구체적으로, 연마패드는 표면의 미세 포어의 형태와 컨디셔너에 의해 그 조도가 결정되므로, 미세 포어의 조절을 정밀하게 할 수 없다면 표면의 조도 또한 정밀하게 제어되기 어렵다. 연마패드 내 부분적으로 발생하는 포어 뭉침 현상 또한, 연마패드의 표면 조도의 불균일성을 초래할 수 있고, CMP 공정의 중요한 성능인 연마율, 웨이퍼 평탄율, 디펙(defect), 채터 마크(chatter mark) 등에도 영향을 줄 수 있다.
최근 이러한 문제점을 해결하기 위하여 3D 프린팅 기법으로 반복된 적층 구조를 포함하는 연마패드 제조방법 기술을 도입하고자 하는 시도가 있으나, 장비의 가격이 비싸고, 나노 수준의 구조를 반복하여 적층, 경화하는 공정을 이용하므로 제조 시간이 오래 걸린다는 문제점이 있다.
따라서, 종래의 사출 성형 방식과 같이 제조 시간이 짧으면서도, 연마패드의 표면을 균일하게 제어하여 향상된 연마 성능을 갖는 연마패드에 대한 연구가 계속적으로 요구되고 있다.
연마패드의 표면을 균일하게 제어하여 향상된 연마 성능을 갖는 연마매드 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
일 구현예에 따른 연마패드는 서로 융착된 복수의 폴리머 비드 및 복수의 기공을 포함하는 연마층을 포함한다.
다른 구현예에 따른 연마패드 제조방법은 복수의 폴리머 비드를 몰드에 투입하는 단계; 상기 몰드 내에 투입된 폴리머 비드를 가열 및 압착하는 단계; 및 상기 압착된 층의 상부를 절삭 가공하여 연마층을 제조하는 단계;를 포함한다.
구현예에 따른 연마패드는 폴리머 비드의 압착, 가공 공정을 통하여 제조됨으로써 복수의 기공 크기 및 분포를 제어할 수 있으며, 표면의 조도가 균일하다.
또한, 구현예에 따른 연마패드는 CMP 공정 중에 웨이퍼 표면에 디펙이나 스크래치와 같은 결함 발생을 최소화 시키면서 우수한 연마율을 제공할 수 있다.
이에, CMP 공정을 포함하는 반도체 소재의 제조공정에 적용되어 우수한 품질의 웨이퍼 등의 반도체 소재를 제공할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 반도체 소자 제조 공정의 개략적인 공정도를 도시한 것이다.
도 2는 일 구현예에 따른 연마패드의 단면도를 나타낸 것이다.
도 3은 일 구현예에 따른 연마패드 제조방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 일 구현예에 따른 연마층의 단면도 및 A-A' 선을 따라 절개한 단면의 확대도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 구현예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 구현예는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 본 명세서에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
본 명세서에서 각 층 등이 각 층 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, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
본 명세서에 있어서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 단수 표현은 특별한 설명이 없으면 문맥상 해석되는 단수 또는 복수를 포함하는 의미로 해석된다.
또한, 본 명세서에 기재된 구성성분의 양, 반응 조건 등을 나타내는 모든 숫자 및 표현은 특별한 기재가 없는 한 모든 경우에 "약"이라는 용어로써 수식되는 것으로 이해하여야 한다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소를 설명하기 위해 사용되는 것이고, 상기 구성 요소들은 상기 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로 구별하는 목적으로 사용된다.
연마패드
구현예는 연마패드의 표면을 균일하게 제어하여 향상된 연마 성능을 갖는 연마패드를 제공한다.
일 구현예에 따른 연마패드는 서로 융착된 복수의 폴리머 비드(10) 및 복수의 기공(40)을 포함하는 연마층을 포함한다(도 4 참조).
즉, 상기 연마패드는 연마층을 포함하고, 부분 통기성 폼 형태인 상기 연마층은 복수의 폴리머 비드(10) 및 상기 폴리머 비드들이 융착됨으로써 형성된 복수의 기공(40)을 포함한다. 구체적으로, 연마층의 단면도 및 A-A' 선을 따라 절개한 단면의 확대도를 도 4에 나타내었다.
상기 기공(40)은 폴리머 비드(10) 사이에 형성된 융착부(30) 및 상기 폴리머 비드의 외부 표면에 의해 형성된다. 구체적으로, 상기 기공(40)은 폴리머 비드(10) 사이에 형성된 융착부(30) 및 상기 융착부를 형성하는 폴리머 비드의 외부 표면에 의해 둘러싸여 동봉된 구조이다.
이에, 상기 기공(40)의 크기 및 모양은 상기 폴리머 비드(10)들의 크기 및 모양에 의해 결정될 수 있다.
상기 폴리머 비드는 열가소성 고분자를 중합시켜 제조된다.
상기 열가소성 고분자는 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate) 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 나일론(nylon), 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene, POM), 폴리스티렌(polystyrene, PS), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride, PVC), 폴리염화비닐리덴(Polyvinylidene chloride),폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 아크릴로나이트릴-뷰타다이엔-스타이렌(Acrylonitrile-butadiene-styrene: ABS), 나일론(Nylon), 폴리락트산(Polylactic acid, Polylactide: PLA), 폴리에터 설폰[Poly(ether sulfone), PES], 폴리산화페닐렌(Polyphenyleneoxide, PPO) 및 열가소성 폴리우레탄(Thermoplastic Polyurethane)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
여기서, 열가소성 고분자란 일반적으로 일정 온도 이상으로 올라가면 변형이 쉬워지는 부드러운 상태가 되고 온도가 내려가면 딱딱한 상태가 되는 고분자를 의미한다. 열가소성 고분자는 그 자체로 또는 다른 중합성 화합물과 반응시킨 후 성형할 수 있다.
구체적으로, 상기 열가소성 고분자를 분산(dispersion) 중합, 현탁(suspension) 중합, 시드(seed) 중합 등을 통해 폴리머 비드를 제조하며, 비드 제조 방식에는 제한을 두지 않는다.
상기 폴리머 비드의 평균 입경은 10 ㎛ 내지 200 ㎛이다. 구체적으로, 상기 폴리머 비드의 평균 입경은 10 ㎛ 내지 150 ㎛, 10 ㎛ 내지 120 ㎛, 10 ㎛ 내지 100 ㎛, 10 ㎛ 내지 80 ㎛, 10 ㎛ 내지 60 ㎛, 10 ㎛ 내지 50 ㎛, 10 ㎛ 내지 40 ㎛, 10 ㎛ 내지 30 ㎛, 또는 15 ㎛ 내지 30 ㎛일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 폴리머 비드의 평균 입경이 상술한 범위를 만족함으로써, 연마패드의 적절한 표면조도 제어, 슬러리 담지 및 유동 채널로서의 효과가 있다. 상기 폴리머 비드의 평균 입경이 상술한 범위 미만인 경우, 연마패드의 표면조도가 낮아 원하는 수준의 기계적 마찰이 이루어지지 않을 수 있고, 슬러리 담지 및 유동 채널이 충분히 형성되지 않을 수 있다. 반면, 상기 폴리머 비드의 평균 입경이 상술한 범위를 초과하는 경우, 연마패드 표면조도의 편차가 커서 웨이퍼 표면에 작용하는 국부적 스트레스가 증가하여 웨이퍼 결함율이 높아질 수 있고, 비드를 압착하여 연마패드를 제조하였을 때 비드간 공극이 너무 커서 슬러리가 충분히 담지되지 못하고 공극 사이로 누수되는 문제가 있다.
상기 평균 입경은 레이저 회절·산란식 입자경 분포 측정법에 있어서의 체적 기준의 메디안 지름(D50)을 의미한다.
상기 폴리머 비드의 평균 입경은 표면 조도 및 폴리머 비드를 압착 가공시에 비드들 사이에서 발생하는 공극의 사이즈를 조절하는 요소이다. 따라서 폴리머 비드의 평균 입경은 공극의 직경을 고려하여 결정될 수 있으며, 10 ㎛ 내지 200 ㎛의 크기에서 조절할 수 있다.
상기 폴리머 비드는 사면체 이상의 다면체, 사면체 이상의 다면체에 가까우면서 곡면을 포함하는 입체구조, 구형에 가까운 입체구조, 구형 등일 수 있고, 그 형태에는 제한되지 않는다.
상기 복수의 폴리머 비드들의 모양 및 크기는 모두 동일할 수도 있고, 상이할 수도 있다.
다만, 폴리머 비드의 형태가 구형에 가까울수록, 또한, 폴리머 비드들의 모양 및 크기가 균일할수록, 제조하기 용이할뿐만 아니라, 웨이퍼와의 계면에서 발생할 수 있는 국부적인 스트레스(stress)가 낮아지고, CMP 공정 중에 비드 층들이 겹겹이 부서지는 과정에서 발생하는 디펙이나 스크래치가 저감될 수 있다.
기존에 발포제를 도입하여 제조한 연마패드의 경우, 포어의 크기 및 형태 제어가 어렵고, 포어끼리 뭉침 형태가 많이 발생함에 따라 패드 표면의 조도 관리가 어려웠고, 이로 인해 CMP 공정을 수행할 때 웨이퍼에 디펙이 생기거나 일부에 스트레스(stress)가 강하게 걸려 웨이퍼가 손상되는 경우가 있었다.
반면, 구현예에 따르면, 복수의 폴리머 비드의 모양 및 입경 분포 등을 조절할 수 있으므로, 연마층의 표면 조도를 균일하게 관리할 수 있게 됨으로써, 웨이퍼의 손상을 감소시켜 우수한 품질의 웨이퍼를 제조할 수 있다.
상기 폴리머 비드의 Shore D 경도는 10 내지 70이다. 구체적으로, 상기 폴리머 비드의 Shore D 경도가 10 내지 60, 20 내지 60, 30 내지 60, 40 내지 60, 40 내지 50, 또는 45 내지 50일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 폴리머 비드의 Shore D 경도가 상술한 범위를 만족함으로써, 연마율을 상승시키는 효과가 있다. 상기 폴리머 비드의 Shore D 경도가 상술한 범위 미만인 경우, 연마율이 낮아 충분한 연마효과를 발휘하지 못하는 문제가 있고, 초과인 경우, 연마율은 높아지나 웨이퍼 결함율이 높아지는 문제가 있다.
상기 폴리머 비드의 유리전이온도(Tg)는 90℃ 이상이다. 구체적으로, 상기 폴리머 비드의 유리전이온도는 90℃ 내지 200℃, 90℃ 내지 160℃, 또는 90℃ 내지 120℃일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 폴리머 비드의 유리전이온도(Tg)가 상술한 범위를 만족함으로써, 연마 공정 중에 열이 발생하더라도 폴리머 비드가 일정 수준 이상 기계적 강도를 유지할 수 있다는 효과가 있다. 특히, 상기 폴리머 비드의 유리전이온도가 상술한 범위 미만인 경우, 연마 공정 중에 발생하는 열에 의해 폴리머 비드가 녹으면서 연마 공정을 방해할 수 있다.
상기 연마층은 복수의 폴리머 비드만으로 제조될 수 있고, 개방형 폼(Open Cell Structure Foam), 반 개방형 폼(Open/Closed Cell Structure Foam) 및 비 개방형 폼(Closed Cell Structure Foam)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상의 폼을 더 포함할 수도 있다.
상기 폼의 재질은 폴리우레탄(PUR), 폴리스티렌(PS), 폴리올레핀(polyolefin), 페놀 수지(PF), 폴리염화비닐(PVC), 우레아수지(UF), 실리콘(SI), 폴리이미드(PI) 및 멜라민 수지(MF)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 폼은 화학반응 가스 활용법, 저비점 용제 활용법, 기계적 혼입법, 용제 제거법, 주형 발포 성형법, 용해 발포 성형법, 고상 발포 성형법 등의 방법을 통해 제조될 수 있다.
이때, 상기 폼의 경도는 상기 폴리머 비드의 경도보다 낮다.
상기 연마층에 상기 폼을 더 포함하는 경우, 폴리머 비드 사이에 공극이 채워질 수 있고, 폼을 폴리머 비드간 공극을 채우는 방식에는 제한이 없다.
상기 폼은 폴리머 비드가 압착 가공된 형태의 높이에 평행만 면으로 제조될 수 있고, 그 두께는 상기 폴리머 비드 압착 가공층과 동일하거나 그보다 더 작을 수 있다.
상기 연마층이 복수의 폴리머 비드를 압착 가공하여 제조되었을 때 기존 연마패드에 비해 슬러리 유출 저항성이 향상될 수 있다. 다만, 이렇게 제조된 연마패드에 있어서, 연마 공정 중 슬러리가 충분히 머무르지 못하여 연마 성능이 저하되는 경우, 개방형 폼, 반 개방형 폼 및 비 개방형 폼으로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상의 폼을 함께 혼용하여 사용함으로써 슬러리 유출 저항성을 더 향상시킬 수 있다.
상기 연마층의 두께는 0.8 mm 내지 5.0 mm, 1.0 mm 내지 4.0 mm, 1.0 mm 내지 3.0 mm, 1.5 mm 내지 2.5 mm일 수 있다. 상기 범위 내일 때, 연마패드로서의 기본적 물성을 충분히 발휘할 수 있다.
상기 연마층은 연마층 총 부피에 대해 15 부피% 내지 40 부피%의 기공을 포함할 수 있다. 즉, 상기 연마층의 공극률(porosity)은 15 부피% 내지 40 부피%일 수 있다.
상기 연마층은 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.
상기 연마패드(200)는 상술한 특징을 갖는 연마층(210)의 일면에 배치된 지지층(220)을 더 포함할 수 있다(도 2 참조).
상기 지지층은 상기 연마층을 지지하면서, 상기 연마층에 가해지는 충격을 흡수하고 분산시키는 역할을 한다. 따라서 상기 지지층의 경도는 상기 연마층의 경도보다 더 작을 수 있다.
상기 지지층은 미세 포어들을 포함하는 다공성 구조일 수 있으며, 예를 들어 부직포 또는 스웨이드 소재로 구성될 수 있다.
또한, 상기 연마패드(200)는 상기 연마층(210)과 상기 지지층(220) 사이에 개재된 접착층(230)을 더 포함할 수 있다(도 2 참조).
상기 접착층은 상기 연마층 및 상기 지지층을 서로 접착시키는 역할을 한다.
상기 접착층은 핫멜트 접착제를 포함할 수 있다. 상기 핫멜트 접착제는 폴리우레탄계 수지, 폴리에스테르계 수지, 에틸렌-아세트산 비닐계 수지, 폴리아미드계 수지 및 폴리올레핀계 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 핫멜트 접착제는 폴리우레탄계 수지 및 폴리에스테르계 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 연마패드(100)는 폴리머 비드의 압착, 가공 공정을 통하여 제조됨으로써 복수의 기공 크기 및 분포를 제어할 수 있으며, 표면의 조도가 균일하다.
또한, 상기 연마패드(100)는 CMP 공정 중에 웨이퍼 표면에 디펙이나 스크래치, 채터 마크(chatter mark)와 같은 결함 발생을 최소화 시키면서 우수한 연마율을 제공할 수 있고, CMP 공정을 포함하는 반도체 소재의 제조공정에 적용되어 우수한 품질의 웨이퍼 등의 반도체 소재를 제공할 수 있다.
연마패드의 제조방법
구현예는 연마패드의 제조방법을 제공한다.
일 구현예에 따른 연마패드의 제조방법은 복수의 폴리머 비드를 몰드에 투입하는 단계; 상기 몰드 내에 투입된 폴리머 비드를 가열 및 압착하는 단계; 및 상기 압착된 층의 상부를 절삭 가공하여 연마층을 제조하는 단계;를 포함한다(도 3 참조).
상기 연마패드 제조방법에 있어서, 먼저, 복수의 폴리머 비드를 몰드에 투입한다(도 3의 단계 (a)).
복수의 폴리머 비드에 관한 설명은 상술한 바와 같다.
도 3에는 입경이 상이한 복수의 폴리머 비드를 사용하는 경우로 예시되어 있으나, 구현예에 따른 복수의 폴리머 비드들의 입경은 상이할 수도 있고, 동일할 수도 있다.
구체적으로, 폴리머 비드의 종류는 특별히 종류에 제한되지 않으나, 열경화성 폴리머 비드를 사용하는 경우, 폴리머 비드의 표면에 용매를 분사하여 표면의 일부를 녹인 후, 후술할 단계 (b)의 가열 및 압착 가공을 수행할 수 있다.
상기 몰드는 금속 몰드일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 상기 몰드 내에 투입된 폴리머 비드를 가열 및 압착한다(도 3의 단계 (b)).
이때, 상기 가열 및 압착 온도는 투입된 폴리머 비드의 유리전이온도(Tg)±50℃이다. 구체적으로, 상기 가열 및 압착 온도는 투입된 폴리머 비드의 유리전이온도(Tg)±40℃, 투입된 폴리머 비드의 유리전이온도(Tg)±30℃, 투입된 폴리머 비드의 유리전이온도(Tg)±20℃일 수 있다.
상기 연마층이 복수의 폴리머 비드를 가열 및 압착 가공하여 형성되었을 때, 상기 연마층은 통기성 폼의 형태가 될 수 있다. 상기 통기성 폼의 형태는 연마 공정 상에서 슬러리를 연마패드 표면에 분사하였을 때, 통기성 구조로 인해 슬러리가 연마패드 표면에 충분히 머무르지 못하고 연마 패드 하부로 유출될 수 있다. 다만, 폴리머 비드의 크기가 매우 작기 때문에 표면 장력에 의해 쉽게 하부로 유출되지 않고 압착 가공 공정상 고분자 비드의 구조가 다층의 가교 형태를 이루고 있으며, 연마 공정상 연마 패드 표면에 분사된 슬러리가 웨이퍼와 연마패드의 계면으로 전달되는 시간은 극히 짧기 때문에 기존의 연마패드에 비해 슬러리 유출 저항성이 향상될 수 있다.
폴리머 비드의 압착 가공층은 1 회 압착 가공만을 수행할 수도 있고, 더 얇은 압착 가공층을 제조하여 2 회 이상 적층 및 압착하는 공정을 반복하여 수행할 수도 있다.
상기 적층 및 압착 공정의 폴리머 비드 압착 가공층은 단일 조성 및 단일 사이즈로 구성될 수도 있고, 필요에 따라 상이한 조성 및 상이한 사이즈로 구성될 수도 있다.
또한, 선택적으로, 상기 몰드에 개방형 폼, 반 개방형 폼 및 비 개방형 폼으로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상의 폼을 채우는 단계;를 더 포함할 수 있다.
특히, 상기 폼을 채우는 단계는 폴리머 비드의 압착 가공을 통해 제조된 연마패드가 연마 공정 상에서 슬러리를 충분히 머무르게 하지 못하는 경우 추가적으로 수행될 수 있다.
상기 개방형 폼, 반 개방형 폼 및 비 개방형 폼으로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상의 폼은 폴리머 비드를 지지 보완하며, 슬러리 유출 저항성을 높이는 역할을 할 수 있다.
상기 폼을 채우는 단계는 폴리머 비드를 가열 및 압착하는 단계 이전 또는 이후에 수행될 수 있다. 구체적으로, 상기 폼을 채우는 단계는 폴리머 비드를 가열 및 압착하는 단계 이후에 수행됨으로써, 폴리머 비드간 공극을 채우는 방식으로 수행될 수 있다. 상기 폴리머 비드간 공극을 채우는 방식에는 제한이 없다.
상기 폼을 채우는 단계가 폴리머 비드를 가열 및 압착하는 단계 이후에 수행되는 경우, 상기 가열 및 압착하는 단계를 한번 더 수행할 수 있다.
이어서, 상기 압착된 층의 상부를 절삭 가공하여 연마층을 제조한다(도 3의 단계 (c)).
상기 절삭 가공하는 단계 이후에, 표면에 그루브를 가공하는 공정, 하층부와의 접착 공정, 검사 공정, 포장 공정 등을 더 포함할 수 있다. 이들 공정들은 통상적인 연마패드 제조방법으로 수행할 수 있다.
특히, 상기 하층부와의 접착 공정은 상술한 방법으로 제조된 연마층을 준비된 지지층과 접착층을 이용하여 맞붙이는 공정일 수 있고, 상기 연마층, 지지층, 접착층에 관한 설명은 상술한 바와 같다.
상기 연마패드는 전술한 제조방법에 따라 제조됨으로써 표면을 균일하게 제어하여 향상된 연마 성능을 가질 수 있다.
특히, 상기 연마패드는 복수의 폴리머 비드를 융착시켜 만든 구조를 가짐으로써, CMP 공정 중에 비드층들이 작은 크기로 겹겹이 부서지게 되는데, 이는 종래의 사출 성형 방식으로 제조된 연마패드가 깎여 나가는 것에 비해, 웨이퍼에 발생하는 디펙이나 스크래치 저감 측면에서 훨씬 유리하다.
상술한 제조방법에 따라 제조된 연마패드에 대한 설명은 상술한 바와 같다.
도 1은 일 구현예에 따른 반도체 소자 제조 공정의 개략적인 공정도를 도시한 것이다. 도 1을 참조할 때, 상기 일 구현예에 따른 연마패드(110)를 정반(120) 상에 장착한 후, 반도체 기판(130)을 상기 연마패드(110) 상에 배치한다. 이때, 상기 반도체 기판(130)의 표면은 상기 연마패드(110)의 연마면에 직접 접촉된다. 연마를 위해 상기 연마패드 상에 노즐(140)을 통하여 연마 슬러리(150)가 분사될 수 있다. 상기 노즐(140)을 통하여 공급되는 연마 슬러리(150)의 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 반도체 기판(130)과 상기 연마패드(110)는 서로 상대 회전하여, 상기 반도체 기판(130)의 표면이 연마될 수 있다. 이때, 상기 반도체 기판(130)의 회전 방향 및 상기 연마패드(110)의 회전 방향은 동일한 방향일 수도 있고, 반대 방향일 수도 있다. 상기 반도체 기판(130)과 상기 연마패드(110)의 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 반도체 기판(130)은 연마헤드(160)에 장착된 상태로 상기 연마패드(110)의 연마면에 소정의 하중으로 가압되어 맞닿게 한 뒤 그 표면이 연마될 수 있다. 상기 연마헤드(160)에 의하여 상기 반도체 기판(130)의 표면에 상기 연마패드(110)의 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.
상기 반도체 소자의 제조 방법은, 상기 연마패드(110)의 연마면을 연마에 적합한 상태로 유지시키기 위하여, 상기 반도체 기판(130)의 연마와 동시에 컨디셔너(170)를 통해 상기 연마패드(110)의 연마면을 가공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
구현예에 따르면, 서로 융착된 복수의 폴리머 비드 및 복수의 기공을 포함함으로써 연마층의 표면을 균일하게 제어하여 향상된 연마 성능을 구현할 수 있으므로, 상기 연마패드를 이용하여 반도체 소재의 제조공정에 적용되었을 때. 우수한 품질의 반도체 소재를 효율적으로 제조할 수 있다.
상기 내용을 하기 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 실시예의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
<실시예>
실시예 1
Shore D 경도가 45, 평균 입경이 15 ㎛로 조절된 폴리우레탄 비드를 반경 15 inch의 원형상 및 두께 2.5 mm로 조절된 금속 몰드에 가득 채운 후, 상기 폴리우레탄 비드의 Tg 보다 20℃ 높은 온도로 가열 및 압착하였다. 폴리우레탄 비드 압착 가공층의 상부 연마층을 절삭 가공하여 용융 압착된 상부 층을 제거하여 2 mm 두께의 연마 시트 1 매를 얻었다. 가공이 완성된 시트를 접착제를 사용하여 서브 패드(지지층)와 맞붙여 최종적으로 연마패드를 제조하였다.
실시예 2 및 3
하기 표 2에 기재된 바와 같이, 폴리머 비드의 평균 입경 및 연마층의 경도(폴리머 비드의 경도) 등을 달리한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 연마패드를 제조하였다.
참고예 1
우레탄계 프리폴리머 반응물로서 폴리올은 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜(Polytetramethylene ether glycol(Korea PTG社)), 이소시아네이트는 톨루엔 디이소시아네이트(Toluene diisocyanate(BASF社))를 준비하였다. 우레탄계 프리폴리머의 합성은 NCO%가 9.1%가 되도록 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜 및 톨루엔 디이소시아네이트를 혼합하여 반응시켰다. 합성시에는 부반응이 최소화 되도록 반응 온도를 75 ℃ 이하로 조절하며, 반응기 내부를 불활성 기체인 질소(N2)로 충진시켜 교반하여 우레탄화 반응을 시켰다.
합성된 우레탄계 프리폴리머, 경화제로서 트리에틸렌 디아민(Triethylene Diamine (Dow社)), 고상발포제로서 평균 입경이 15 ㎛로 조절된 마이크로 캡슐(Akzonobel社)을 준비하였다.
프리폴리머 탱크, 경화제 탱크, 불활성기체 주입 라인, 고상 발포제 주입 라인이 구비된 캐스팅 머신(Casting Machine)에서 프리폴리머 탱크에 NCO% 9.1%로 합성된 프리폴리머를 충진하고 경화제 탱크에는 트리에틸렌 디아민을 충진하고 이와 동시에 고상 발포제를 프리폴리머 100 중량부 대비 2 중량부로 정량하여 주입하며 믹싱 헤드(Mixing head)의 회전 속도를 3,000 rpm으로 조절하여 교반하였다. 믹싱된 혼합물을 분당 10 kg의 속도로 토출시켜, 가로 및 세로 1,000 mm, 높이 25 cm 개구 형태의 몰드에 주입하고, 열경화 반응을 통하여 고상화 시켜 Cake을 얻었다.
상기 Cake 고형물을 slicing하여 시트 형태로 가공한다. 절삭 가공한 시트를 그루브(groove) 가공 공정을 거쳐 두께 2 mm의 시트 1매를 얻었다. 가공이 완성된 시트를 접착제를 사용하여 서브 패드(지지층)와 맞붙여 최종적으로 연마패드를 제조하였다.
참고예 2
고상 발포제로서 평균 입경이 30 ㎛로 조절된 마이크로 캡슐(Akzonobel社)을 사용한 것을 제외하고는, 참고예 1과 동일하게 연마패드를 제조하였다.
<평가예>
상기 실시예 1 내지 3, 참고예 1 및 2에서 제조된 연마패드에 대하여 하기와 같은 물성을 측정 및 평가하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
평가예 1: 폴리머 비드/미세 포어의 평균 입경
실시예 1 내지 3의 폴리머 비드의 평균 입경은 폴리머 비드를 레이저 회절·산란식 입자경 분포 측정법을 이용하여 체적 기준의 메디안 지름(D50)을 측정하였다. 참고예 1 및 2의 미세 포어 평균 입경은 고상 발포제를 레이저 회절·산란식 입자경 분포 측정법을 이용하여 체적 기준의 메디안 지름(D50)을 측정하였다.
평가예 2: 연마층의 경도
가로 30 mm, 세로 60 mm, 두께 2 mm의 시편을 제작하여 쇼어 경도계로 서로 다른 부위를 5회 측정하여 그 평균값을 Shore D 경도 값으로 결정하였다.
평가예 3: 옥사이드의 연마율
CMP 연마 장비를 사용하여, TEOS-플라즈마 CVD 공정에 의해 산화규소(SiOx) 막이 형성된 직경 300 mm의 실리콘 웨이퍼를 설치하였다. 이후 상기 연마패드를 붙인 정반 상에 실리콘 웨이퍼의 산화규소 막을 아래로 세팅하였다. 이후, 연마 하중이 1.4 psi가 되도록 조정하고 연마패드 상에 하소 실리카 슬러리를 190 ㎖/분의 속도로 투입하면서 정반을 115 rpm으로 60 초간 회전시켜 산화규소 막을 연마하였다. 연마 후 실리콘 웨이퍼를 캐리어로부터 떼어내어, 회전식 탈수기(spin dryer)에 장착하고 정제수(DIW)로 세정한 후 공기로 15 초 동안 건조하였다. 건조된 실리콘 웨이퍼를 광간섭식 두께 측정 장치(제조사: Kyence 사, 모델명: SI-F80R)를 사용하여 연마 전후 두께 차이를 측정하였다. 이후 하기 수학식 1를 사용하여 연마율을 계산하였다.
<수학식 1>
연마율(Å/min) = 연마 전후 두께 차이(Å) / 연마 시간(min)
평가예 4: 공극률
가로 30 mm, 세로 60 mm, 두께 2 mm의 시편을 제작하여 피펫으로 물을 주입하여 들어가는 물의 양을 5회 반복 측정하여 평균값을 구하였다.
평가예 5: 연마패드의 표면조도
상기 표면조도(surface roughness)는 연마패드의 표면이 가공에 의해 형성되는 연마패드의 표면 거칠기를 의미하며, 상기 표면조도를 측정하기 위해 사용한 광학용 표면 조도 측정기는 브루커(Bruker) 사의 Contour GT 모델이다. 연마패드의 표면조도 측정의 세부 조건은 하기 표 1을 참조한다.
상세 측정조건
측정 측정모드 VSI/VXI
접안렌즈 5배율
대물렌즈 1.5배율
측정면적 X-axis 1182.6um
Y-axis 893.8um
스캔 옵션 속도 x1
백 스캔(backscan) 10um
길이(length) 80um
임계(threshold)값 5%
평가예 6: 연마시 웨이퍼의 디펙 정도
실시예 및 참고예에 의해 제조된 연마패드를 이용하여 연마 공정을 수행한 후, 결함 검사 장비(AIT XP+, KLA Tencor사)를 이용하여 연마 이후에 웨이퍼(모니터링 웨이퍼) 표면 상에 나타나는 디펙(defect)을 측정하였다(조건: threshold 150, die filter threshold 280).
실시예 1 실시예 2 실시예 3 참고예 1 참고예 2
폴리머 비드의 평균 입경 (㎛) 15 30 30 - -
미세 포어의 평균 입경 (㎛) - - - 15 30
연마층의 경도(Shore D) 45 45 50 45 50
연마율(Å/min) 3617 2825 3271 3574 3137
공극률(부피%) 20 20 20 20 20
표면조도(㎛) 3.8 6.2 6.1 4.7 6.9
연마시 웨이퍼의 디펙 정도 83 62 77 143 179
상기 표 2에서 확인할 수 있듯이, 실시예 1 내지 3의 연마패드는 참고예 1 및 2의 연마패드와 유사한 수준의 옥사이드에 대한 연마율을 나타내면서, 우수한 표면조도를 나타내며, 연마시 웨이퍼의 디펙이 특히 저감됨을 확인하였다.
이는, 실시예 1 내지 3의 연마패드를 이용하면 디펙이나 스크래치 등에서 품질이 더욱 우수한 웨이퍼를 제조할 수 있다는 것을 의미한다.
A-A': 절개선
10 : 폴리머 비드
20 : 몰드
30: 융착부
40: 기공
110, 200 : 연마패드
120 : 정반
130 : 반도체 기판
140 : 노즐
150 : 연마 슬러리
160 : 연마헤드
170 : 컨디셔너
210 : 연마층
220 : 지지층
230 : 접착층

Claims (11)

  1. 서로 융착된 복수의 폴리머 비드 및 복수의 기공을 포함하는 연마층을 포함하고,
    상기 폴리머 비드의 평균 입경이 15 ㎛ 내지 30 ㎛이고, Shore D 경도가 45 내지 50인, 연마패드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기공이 폴리머 비드 사이에 형성된 융착부 및 상기 폴리머 비드의 외부 표면에 의해 형성된, 연마패드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 폴리머 비드는 열가소성 고분자를 중합시켜 제조된, 연마패드.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 폴리머 비드의 유리전이온도(Tg)가 90℃ 이상인, 연마패드.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 연마층이 개방형 폼, 반 개방형 폼 및 비 개방형 폼으로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상의 폼을 더 포함하는, 연마패드.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 연마층의 공극률(porosity)은 15 부피% 내지 40 부피%인, 연마패드.
  9. 복수의 폴리머 비드를 몰드에 투입하는 단계;
    상기 몰드 내에 투입된 폴리머 비드를 가열 및 압착하는 단계; 및
    상기 압착된 층의 상부를 절삭 가공하여 연마층을 제조하는 단계;를 포함하고,
    상기 폴리머 비드의 평균 입경이 15 ㎛ 내지 30 ㎛이고, Shore D 경도가 45 내지 50인, 연마패드 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 가열 및 압착 온도가 폴리머 비드의 유리전이온도(Tg)±50℃인, 연마패드 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 몰드에 개방형 폼, 반 개방형 폼 및 비 개방형 폼으로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상의 폼을 채우는 단계;를 더 포함하는, 연마패드 제조방법.
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