KR102671810B1 - 연마패드 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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KR102671810B1
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윤종욱
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문수영
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Abstract

구현예는 연마패드 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 상기 연마패드는 폴리우레탄 수지를 포함하는 연마층을 포함하고, 상기 폴리우레탄 수지는 폴리올 성분 및 폴리이소시아네이트 성분을 포함하고, 상기 폴리올 성분은 바이오 기반 폴리머 폴리올 및 바이오 기반 모노머 폴리올을 포함함으로써, 친환경성이 우수하면서 CMP 공정에 요구되는 물성을 가지므로, 반도체 기판의 제조에 이용되어 우수한 성능을 발휘할 수 있다.

Description

연마패드 및 이의 제조 방법{POLISHING PAD AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
구현예는 반도체 소자의 화학적 기계적 연마(CMP) 공정에 사용되는 연마패드에 관한 것으로서, 구체적으로 연마패드 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 제조공정 중 화학적 기계적 연마(CMP) 공정은, 웨이퍼와 같은 반도체 기판을 헤드에 부착하고 플래튼(platen) 상에 고정된 연마패드의 표면에 접촉하도록 한 상태에서 상기 플래튼과 상기 헤드를 상대운동시켜 반도체 기판 표면의 요철부분을 평탄화하는 공정이다.
이러한 CMP 공정에서 상기 연마패드는 반도체 기판의 표면 가공 품질에 큰 영향을 주기 때문에 안정적인 물성을 갖는 것이 요구된다. 특히, 상기 연마패드에 포함된 성분과 그 물성에 따라 CMP 공정의 연마율이 민감하게 달라질 수 있기 때문에 연마패드에 포함된 성분과 그 물성을 최적화하는 것이 필요하다.
한편, 최근 기후변화 등과 같은 환경문제가 발생하면서 탄소중립 등의 ESG 경영을 통해 기업이 지속발전 가능한 사회를 구축하기 위한 사회적 책임을 져야 한다는 여론이 형성되고 있다. 이에 각종 기업에서는 석유계 원료 대신에 식물 등에서 유래된 바이오매스(biomass) 원료를 적용하여 다양한 제품을 제조하고자 하는 시도가 이루어지고 있다.
이러한 흐름에 발맞춰 석유계 원료를 사용하여 제조되었던 연마패드에도 바이오매스 원료를 적용하여 친환경성을 높이고자 하는 시도가 필요하다. 나아가, 상기 바이오매스 원료가 적용되더라도 CMP 공정에서 요구되는 수준의 연마율을 달성하도록 할 수 있는 물성을 갖는 연마패드의 제공이 요구된다.
한국 공개특허공보 제 2018-0044771 호
따라서, 구현예는 친환경성이 우수하면서 CMP 공정에서 요구되는 수준의 연마율 등의 성능을 발휘할 수 있는 연마패드 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
일 구현예에 따른 연마패드는 폴리우레탄 수지를 포함하는 연마층을 포함하고, 상기 폴리우레탄 수지는 폴리올 성분 및 폴리이소시아네이트 성분을 포함하고, 상기 폴리올 성분은 바이오 기반 폴리머 폴리올 및 바이오 기반 모노머 폴리올을 포함한다.
또 다른 구현예에 따른 연마패드의 제조 방법은 폴리올 성분 및 폴리이소시아네이트 성분을 포함하는 폴리우레탄 수지를 이용하여 바이오 기반 우레탄 프리폴리머를 제조하는 단계; 및 상기 바이오 기반 우레탄 프리폴리머를 경화시켜 연마층을 제조하는 단계를 포함하고, 상기 폴리올 성분은 바이오 기반 폴리머 폴리올 및 바이오 기반 모노머 폴리올을 포함한다.
구현예에 따른 연마패드는 폴리우레탄 수지를 포함하는 연마층을 포함하고, 상기 폴리우레탄 수지는 폴리올 성분 및 폴리이소시아네이트 성분을 포함하고, 상기 폴리올 성분은 바이오 기반 폴리머 폴리올 및 바이오 기반 모노머 폴리올을 포함함으로써, 친환경성이 우수하면서 CMP 공정에 요구되는 물성을 가지므로, 반도체 기판의 제조에 이용되어 우수한 성능을 발휘할 수 있다.
구체적으로, 상기 연마패드는 바이오매스 원료를 포함하는 조성물을 이용하여 제조되면서도, 바이오매스 원료의 성분 및 함량을 조절하여 연마패드에 함유된 바이오매스 함량을 특정 범위 내로 제어한 것으로, 이로 인해 친환경성이 우수하면서 CMP 공정에 적합한 경도, 인장강도 및 신율과 같은 물성을 가지며, 연마율이나 절삭율 또한 우수하다.
따라서, 구현예에 따른 연마패드를 이용하여 CMP 공정을 진행할 경우, 우수한 연마율을 나타내면서 표면 가공 품질 또한 우수한 웨이퍼 등의 반도체 기판을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 연마패드의 단면도를 나타낸 것이다.
이하, 구현예를 통해 발명을 상세하게 설명한다. 구현예는 이하에서 개시된 내용에 한정되는 것이 아니라 발명의 요지가 변경되지 않는 한, 다양한 형태로 변형될 수 있다.
본 명세서에서 각 구성요소를 지칭하는 용어는 다른 구성요소들과 구별하기 위해 사용되는 것이며, 구현예를 한정하려는 의도로 사용되는 것은 아니다. 또한 본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.
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 하나의 구성요소가 다른 구성요소의 상/하에 형성되거나 서로 연결 또는 결합된다는 기재는, 이들 구성요소 간에 직접 또는 또 다른 구성요소를 개재하여 간접적으로 형성, 연결 또는 결합되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 구성요소의 상/하에 대한 기준은 대상을 관찰하는 방향에 따라 달라질 수 있는 것으로 이해하여야 한다.
본 명세서에 기재된 구성요소의 물성 값, 치수 등을 나타내는 모든 수치 범위는 특별한 기재가 없는 한 모든 경우에 "약"이라는 용어로 수식되는 것으로 이해하여야 한다.
본 명세서에 기재되는 구성 요소의 크기, 물성 등을 한정하는 수치 범위에서, 상한값만 한정된 수치 범위와 하한값만 한정된 수치 범위가 별개로 예시되어 있을 경우에, 이들 상한값과 하한값이 조합된 수치 범위도 예시적 범위에 포함되는 것으로 이해하여야 한다.
본 명세서에서 "바이오 기반(bio-based)" 성분이라 함은 해당 성분이 석유와 같은 화석연료 기반 물질이 아닌 식물 등에서 유래된 바이오매스를 원료의 전부 또는 일부로 하여 얻은 성분을 의미하며, 구체적으로 석유와 같은 화석연료 기반 물질에는 존재하지 않고 바이오 기반 물질에만 존재하는 방사성 탄소동위원소인 탄소-14(14C)를 함유하는 성분이다.
예를 들어 "바이오 기반 폴리올"은 식물 등에서 유래된 바이오매스를 원료의 전부 또는 일부로 하여 얻은 폴리올을 의미하며 방사성 탄소(14C)를 포함하므로, 이를 포함하지 않는 화석연료 기반 물질로부터 얻은 폴리올과는 구별될 수 있다.
상기 바이오매스(biomass)는 넓게는 나무, 꽃, 옥수수, 사탕수수, 풀, 고래기름, 조류 등과 같은 동식물자원; 또는 축산분뇨, 음식물쓰레기, 톱밥 등과 같은 유기성 폐자원과 같은 생물 유래 물질을 포괄하는 개념으로서 방사성 탄소(14C)를 포함할 수 있다.
연마패드
일 구현예에 따른 연마패드는 폴리우레탄 수지를 포함하는 연마층을 포함하고, 상기 폴리우레탄 수지는 폴리올 성분 및 폴리이소시아네이트 성분을 포함하고, 상기 폴리올 성분은 바이오 기반 폴리머 폴리올 및 바이오 기반 모노머 폴리올을 포함한다.
구체적으로, 상기 연마층은 폴리올 및 이소시아네이트를 포함하는 우레탄 프리폴리머로부터 제조된 것일 수 있고, 보다 구체적으로 상기 우레탄 프리폴리머, 경화제 및 발포제를 포함하는 조성물로부터 제조된 것일 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 폴리우레탄 수지는 폴리올 성분을 포함하고, 상기 폴리올 성분은 바이오 기반 폴리머 폴리올을 포함한다.
상기 바이오 기반 폴리머 폴리올은 바이오매스로부터 유래되어 방사성 탄소동위원소인 탄소-14(14C)를 포함하는 폴리머 폴리올로서, 2 이상의 수산기(OH)를 가지고, 2 이상, 5 이상, 또는 10 이상의 반복단위를 가질 수 있다.
구체적으로, 바이오 폴리머 폴리올은 바이오 기반 폴리에테르 폴리올, 바이오 기반 폴리에스테르 폴리올, 바이오 기반 폴리카보네이트 폴리올 및 바이오 기반 폴리카프로락탐 폴리올로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
시중에서 구매 가능한 상기 바이오 기반 폴리머 폴리올의 예로는 SK Chemical의 ECOTRION H2000 및 ECOTRION H1000; SK pucore의 BI-550 및 B-1184; BASF의 Sovermol 1102, Sovermol 1005, Sovermol 805 및 Sovermol 815; Croda의 Priplast 2033 및 Priplast 1838; ALLESSA의 Velvetol H500, Velvetol H1000, Velvetol H2000 및 Velvetol H2700; 또는 이들의 조합을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
연마패드의 유연성, 탄성복원력, 영구변형률, 내후성, 내가수분해성 등의 특성을 향상시키기 위해서 상기 바이오 기반 폴리머 폴리올의 중량평균분자량, 수산기가(OH-value), 관능기수 등과 같은 특성을 제어하는 것이 중요하다.
상기 바이오 기반 폴리머 폴리올의 중량평균분자량은 예를 들어, 300 g/mol 이상, 400 g/mol 이상, 450 g/mol 이상, 500 g/mol 이상, 600 g/mol 이상, 700 g/mol 이상 또는 800 g/mol 이상일 수 있고, 5000 g/mol 이하, 4000 g/mol 이하, 3000 g/mol 이하, 2700 g/mol 이하, 2300 g/mol 이하, 1800 g/mol 이하, 1500 g/mol 이하 또는 1200 g/mol 이하일 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 바이오 기반 폴리머 폴리올의 중량평균분자량은 400 g/mol 내지 3000 g/mol, 450 g/mol 내지 2700 g/mol, 500 g/mol 내지 2300 g/mol, 600 g/mol 내지 1800 g/mol, 700 g/mol 내지 1500 g/mol 또는 800 g/mol 내지 1200 g/mol일 수 있다.
또한, 상기 바이오 기반 폴리머 폴리올의 수산기가(OH-value)는 예를 들어, 35 mgKOH/g 이상, 45 mgKOH/g 이상, 60 mgKOH/g 이상, 70 mgKOH/g 이상, 80 mgKOH/g 이상 또는 90 mgKOH/g 이상일 수 있고, 250 mgKOH/g 이하, 230 mgKOH/g 이하, 200 mgKOH/g 이하, 180 mgKOH/g 이하, 150 mgKOH/g 이하 또는 130 mgKOH/g 이하일 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 바이오 기반 폴리머 폴리올의 수산기가(OH-value)는 35 mgKOH/g 내지 250 mgKOH/g, 45 mgKOH/g 내지 230 mgKOH/g, 60 mgKOH/g 내지 200 mgKOH/g, 70 mgKOH/g 내지 180 mgKOH/g, 80 mgKOH/g 내지 150 mgKOH/g, 90 mgKOH/g 내지 130 mgKOH/g 또는 100 mgKOH/g 내지 125 mgKOH/g 일 수 있다.
상기 바이오 기반 폴리머 폴리올의 관능기 수는 2 이상 또는 3 이상일 수 있고, 10 이하, 5 이하, 4 이하 또는 3 이하일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 바이오 기반 폴리머 폴리올의 관능기 수는 2 내지 4일 수 있다.
또한, 상기 바이오 기반 폴리머 폴리올 내의 바이오매스 함량은 예를 들어 10 중량% 이상, 20 중량% 이상, 30 중량% 이상, 50 중량% 이상, 60 중량% 이상, 70 중량% 이상 또는 80 중량% 이상일 수 있고, 100 중량% 이하, 90 중량% 이하 또는 85% 이하일 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 바이오 기반 폴리머 폴리올 총 중량을 기준으로 한 바이오매스 함량은 20 중량% 내지 100 중량%일 수 있고, 보다 구체적으로 25 중량% 내지 100 중량%, 40 중량% 내지 100 중량%, 50 중량% 내지 100 중량%, 60 중량% 내지 100 중량%, 70 중량% 내지 100 중량%, 또는 80 중량% 내지 100 중량%일 수 있다. 상기 바이오 기반 폴리머 폴리올의 바이오매스 함량이 상기 범위를 만족함으로써, CMP 공정에서 요구되는 물성을 가지면서 친환경성이 보다 우수한 연마패드를 제공할 수 있다.
상기 바이오매스 함량은 ASTM D 6866 규격에 의거하여 측정된 값일 수 있다. 상기 ASTM D 6866 규격은 방사성 탄소 연대측정(Radiometric dating) 방법, 또는 가속 질량 분석(Accelerator Mass Spectrometry, AMS) 방법을 이용하여 고체 샘플, 액체 샘플, 또는 기체 샘플의 바이오매스 함량을 측정하는 표준 분석 방법이다.
상기 방사성 탄소 연대측정 방법은 다음의 과정을 포함할 수 있다. 구체적으로 전처리(예: 이물질 제거)가 이루어진 샘플(시편)을 특수 진공 장치에 투입하고 태워서 이산화탄소를 만든다. 다음, 용융 리튬(molten lithium)을 섞어 리튬 탄화물(lithium carbide)을 만든 후, 냉각시키고, 리튬 탄화물을 물과 반응시켜 아세틸렌 가스를 만든다. 그 다음, 아세틸렌 가스를 정제하고 실리카 알루미나 중화제(silica-alumina catalyst)를 사용하여 벤젠으로 전환한다. 다음, 92% 탄소인 벤젠을 섬광 화학물질과 혼합 후 액체 섬광 계수기(liquid scintillation counter)로 약 2일 동안 방사성을 측정한다.
상기 가속 질량 분석 방법은 다음의 과정을 포함할 수 있다. 구체적으로 전처리(예: 이물질 제거)가 이루어진 샘플(시편)을 태워서 정제된 이산화탄소로 만든 다음, 특수 유리로 된 진공실에서 수소와 반응시켜 흑연을 만든다. 그 다음, 100% 탄소인 흑연을 가속 질량 분석기에 두고 약 30분 동안 방사성을 측정한다.
일 구현예에 따르면, 상기 폴리우레탄 수지는 폴리올 성분을 포함하고, 상기 폴리올 성분은 바이오 기반 모노머 폴리올을 포함한다.
구체적으로, 상기 폴리우레탄 수지는 상기 바이오 기반 폴리머 폴리올로부터 유래된 반복단위와 함께, 상기 바이오 기반 모노머 폴리올로부터 유래된 반복단위도 포함한다.
상기 바이오 기반 모노머 폴리올은 바이오매스로부터 유래되어 방사성 탄소동위원소인 탄소-14(14C)를 포함하는 단분자 폴리올로서, 2 이상의 수산기(OH)를 갖는다.
구체적으로, 상기 바이오 기반 모노머 폴리올은 바이오 기반 에틸렌글리콜, 바이오 기반 디에틸렌글리콜, 바이오 기반 1,2-프로필렌글리콜, 바이오 기반 1,3-프로판디올, 바이오 기반 2-메틸-1,3-프로판디올, 바이오 기반 1,3-부탄디올, 바이오 기반 1,4-부탄디올, 바이오 기반 2,3-부탄디올, 바이오 기반 1,5-펜탄디올, 바이오 기반 1,9-노난디올, 바이오 기반 1,10-데칸디올, 및 바이오 기반 이소소르바이드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 바이오 기반 모노머 폴리올은 바이오 기반 1,3-프로판디올, 바이오 기반 1,3-부탄디올, 바이오 기반 1,4-부탄디올, 바이오 기반 2,3-부탄디올, 바이오 기반 1,5-펜탄디올, 바이오 기반 1,9-노난디올, 바이오 기반 1,10-데칸디올 및 바이오 기반 이소소르바이드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 바이오 기반 모노머 폴리올은 중량평균분자량이 50 g/mol 내지 200 g/mol일 수 있다. 예를 들어, 상기 바이오 기반 모노머 폴리올의 중량평균분자량은 55 g/mol 내지 180 g/mol, 60 g/mol 내지 150 g/mol, 65 g/mol 내지 130 g/mol, 70 g/mol 내지 100 g/mol, 또는 75 g/mol 내지 90 g/mol일 수 있다. 상기 바이오 기반 모노머 폴리올의 분자량이 상기 범위 내일 경우 경도, 내구성 등이 보다 우수한 연마패드를 제공할 수 있다.
상기 바이오 기반 폴리머 폴리올과 함께 상기 바이오 기반 모노머 폴리올을 함께 포함함으로써, 우레탄 프리폴리머의 가교 밀도를 향상시켜 CMP 공정에 요구되는 경도, 내구성 등을 확보할 수 있다.
보다 구체적으로, 중량평균분자량 및 체인 길이를 고려할 때 상기 바이오 기반 모노머 폴리올로서 바이오 기반 1,3-프로판디올이 가장 바람직할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 바이오 기반 모노머 폴리올은 바이오 기반 모노머 폴리올 총 중량을 기준으로 한 바이오매스 함량이 50 중량% 이상, 80 중량% 이상, 90 중량% 이상일 수 있고, 80 중량% 내지 100 중량% 또는 85 중량% 내지 100 중량%일 수 있으며, 보다 구체적으로 100 중량%일 수 있다.
상기 바이오 모노머 폴리올의 바이오매스 함량이 상기 범위 내일 경우, CMP 공정에서 요구되는 물성을 가지면서 친환경성이 우수한 연마패드를 제공하는데 보다 유리할 수 있다.
또한, 상기 바이오 기반 폴리머 폴리올 및 상기 바이오 기반 모노머 폴리올의 중량비는 5 내지 20 : 0.01 내지 2일 수 있다. 예를 들어, 상기 바이오 기반 폴리머 폴리올 및 상기 바이오 기반 모노머 폴리올의 중량비는 5 내지 20 : 0.02 내지 2, 5 내지 18 : 0.05 내지 2, 5 내지 15 : 0.1 내지 2, 8 내지 20 : 0.2 내지 2 또는 8 내지 15 : 0.5 내지 1.5일 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 폴리우레탄 수지는 폴리이소시아네이트 성분을 포함한다.
구체적으로, 상기 연마층을 구성하는 폴리우레탄 수지에 포함되는 폴리이소시아네이트 성분은 통상적으로 공지된 폴리이소시아네이트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 폴리이소시아네이트 성분은 석유계 폴리이소시아네이트를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
구체적으로, 상기 폴리이소시아네이트 성분은 방향족 디이소시아네이트, 지방족 디이소시아네이트 및 지환족 디이소시아네이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 폴리이소시아네이트 성분은 방향족 디이소시아네이트 및 지환족 디이소시아네이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 폴리이소시아네이트 성분은 톨루엔디이소시아네이트(TDI), 나프탈렌-1,5-디이소시아네이트, p-페닐렌디이소시아네이트, 톨리딘디이소시아네이트, 4,4'-디페닐메탄디이소시아네이트, 헥사메틸렌디이소시아네이트, 4,4'-메틸렌디시클로헥실디이소시아네이트(H12MDI) 및 이소포론디이소시아네이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 이소시아네이트가 톨루엔디이소시아네이트(TDI) 및 4,4'-메틸렌디시클로헥실디이소시아네이트(H12MDI) 중에서 1종 이상을 포함할 수 있다. 상기 예시된 이소시아네이트를 포함하는 경우 경질부(hard segment)가 형성되어 요구되는 수준의 경도를 갖는 연마패드를 제공하는데 보다 유리할 수 있다.
상기 톨루엔디이소시아네이트(TDI)(x)와 상기 4,4'-메틸렌디시클로헥실디이소시아네이트(H12MDI)(y)를 혼합 사용할 경우, 이들의 혼합비율(x:y)은 특별히 한정되지 않으나, 구체적으로 3 내지 20 : 1의 중량비, 5 내지 18 : 1의 중량비, 7 내지 16 : 1의 중량비 또는 8 내지 13 : 1의 중량비일 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 연마층을 구성하는 폴리우레탄 수지는 경화제 및 발포제를 더 포함할 수 있다.
상기 경화제는 상기 폴리우레탄 수지의 제조를 위한 우레탄 프리폴리머와 경화 반응을 하는 화합물을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 경화제는 방향족 아민, 지방족 아민, 방향족 알코올 및 지방족 알코올로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 경화제는 4,4'-메틸렌비스(2-클로로아닐린)(4,4'-methylenebis(2-chloroaniline)), 디에틸톨루엔디아민(diethyltoluenediamine), 디아미노디페닐메탄(diaminodiphenylmethane), 디메틸티오톨루엔디아민(dimethyl thio-toluene diamine), 프로판디올비스(p-아미노벤조에이트)(propanediol bis(p-aminobenzoate)), 디아미노디페닐설폰(diaminodiphenyl sulfone), m-자일릴렌디아민(m-xylylenediamine), 이소포론디아민(isophoronediamine), 에틸렌디아민(ethylenediamine), 디에틸렌트리아민(diethylenetriamine), 트리에틸렌테트라아민(triethylenetetramine), 폴리프로필렌디아민(polypropylenediamine), 폴리프로필렌트리아민(polypropylenetriamine) 및 비스(4-아미노-3-클로로페닐)메탄(bis(4-amino-3-chlorophenyl)methane)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 발포제는 상기 연마층 내에 기공 구조를 형성하기 위한 것으로, 고상 발포제, 액상 발포제 및 기상 발포제(예: 질소, 아르곤, 헬륨, 이산화탄소 등의 가스)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 발포제는 팽창 가능한 입자를 함유하는 고상 발포제일 수 있다. 상기 팽창 가능한 입자는 열, 압력 등에 의해 팽창이 가능한 특성을 갖는 입자로서, 상기 연마층을 제조하는 과정에서 가해지는 열, 압력 등에 의해 최종 연마층 내에서의 크기가 결정될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 팽창 가능한 입자는 팽창된(expanded) 입자, 미팽창된(unexpanded) 입자 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 열팽창된 입자는 열에 의해 사전 팽창된 입자로서, 상기 연마층의 제조 과정에서 가해지는 열, 압력 등에 의해 팽창되어 최종 크기가 결정되는 입자를 의미할 수 있다.
이러한 팽창 가능한 입자는 수지 재질의 외피와, 상기 외피로 봉입된 내부에 존재하는 팽창 유발 성분을 포함할 수 있다.
상기 수지 재질의 외피는 열가소성 수지를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 열가소성 수지는 염화비닐리덴계 공중합체, 아크릴로니트릴계 공중합체, 메타크릴로니트릴계 공중합체 및 아크릴계 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 팽창 유발 성분은 탄화수소 화합물, 클로로플루오로 화합물 및 테트라알킬실란 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 탄화수소 화합물은 에탄(ethane), 에틸렌(ethylene), 프로판(propane), 프로펜(propene), n-부탄(n-butane), 이소부탄(isobutene), n-부텐(n-butene), 이소부텐(isobutene), n-펜탄(n-pentane), 이소펜탄(isopentane), 네오펜탄(neopentane), n-헥산(n-hexane), 헵탄(heptane) 및 석유 에테르(petroleum ether)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 클로로플루오로 화합물은 트리클로로플루오로메탄(trichlorofluoromethane, CCl3F), 디클로로디플루오로메탄(dichlorodifluoromethane, CCl2F2), 클로로트리플루오로메탄(chlorotrifluoromethane, CClF3) 및 디클로로테트라플루오로에틸렌(dichlorotetrafluoroethylene, CClF2-CClF2)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 테트라알킬실란 화합물은 테트라메틸실란, 트리메틸에틸실란, 트리메틸이소프로필실란 및 트리메틸-n-프로필실란으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 고상 발포제는 평균 입경이 5 ㎛ 내지 200 ㎛일 수 있고, 구체적으로 10 ㎛ 내지 100 ㎛, 15 ㎛ 내지 70 ㎛ 또는 20 ㎛ 내지 45 ㎛일 수 있다. 여기서 고상 발포제가 상기 팽창 가능한 입자로서, 상기 열팽창된(expanded) 입자를 함유할 경우, 상기 평균 입경은 상기 열팽창된 입자 자체의 평균 입경을 의미할 수 있다. 또한 상기 고상 발포제가 상기 팽창 가능한 입자로서, 상기 미팽창된(unexpanded) 입자를 함유할 경우, 상기 평균 입경은 열, 또는 압력에 의해 팽창된 이후 입자의 평균 입경을 의미할 수 있다.
상기 연마층의 두께는 0.5 mm 내지 5 mm일 수 있다. 예를 들어, 상기 연마층의 두께는 0.8 mm 내지 4 mm, 1 mm 내지 3 mm, 1.5 mm 내지 2.5 mm, 1.7 mm 내지 2.3 mm 또는 2.0 mm 내지 2.2 mm일 수 있다. 연마층의 두께가 상기 범위를 만족함으로써, 포어의 상하 부위별 입경 편차를 최소화하면서도 연마패드로서의 기본적 물성을 충분히 확보할 수 있다.
또한, 상기 연마층의 경도는 45 Shore D 이상일 수 있다. 예를 들어, 상기 연마층의 경도는 46 Shore D 이상, 50 Shore D 이상, 53 Shore D 이상 또는 56 Shore D 이상일 수 있고, 80 Shore D 이하, 70 Shore D 이하, 68 Shore D 이하, 65 Shore D 이하 또는 60 Shore D 이하일 수 있다. 구체적인 일례로서, 상기 연마층의 경도는 45 Shore D 내지 80 Shore D, 45 Shore D 내지 70 Shore D, 46 Shore D 내지 60 Shore D, 50 Shore D 내지 68 Shore D, 53 Shore D 내지 66 Shore D, 55 Shore D 내지 64 Shore D 또는 56 Shore D 내지 62 Shore D일 수 있다.
상기 연마층의 인장강도는 5 N/mm2 이상, 10 N/mm2 이상, 15 N/mm2 이상 또는 17 N/mm2 이상일 수 있고, 30 N/mm2 이하, 28 N/mm2 이하, 26 N/mm2 이하 또는 23 N/mm2 이하일 수 있다. 구체적인 일례로서, 상기 연마층의 인장강도는 5 N/mm2 내지 30 N/mm2, 10 N/mm2 내지 25 N/mm2, 12 N/mm2 내지 27 N/mm2, 15 N/mm2 내지 25 N/mm2, 15 N/mm2 내지 23 N/mm2, 20 N/mm2 내지 25 N/mm2, 16 N/mm2 내지 24 N/mm2 또는 18 N/mm2 내지 23 N/mm2일 수 있다.
또한, 상기 연마층의 신율은 50% 이상, 70% 이상, 90% 이상, 106% 이상 또는 120% 이상일 수 있고, 300% 이하, 250% 이하, 200% 이하 또는 150% 이하일 수 있다. 구체적인 일례로서, 상기 연마층의 신율은 50% 내지 300%, 60% 내지 150%, 62% 내지 120%, 80% 내지 200%, 90% 내지 130%, 85% 내지 120%, 85% 내지 115%, 95% 내지 110% 또는 98% 내지 105%일 수 있다. 상기 신율은 파단신율일 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 연마층은 경도가 55 Shore D 내지 64 Shore D이고, 인장강도가 20 N/mm2 내지 25 N/mm2이고, 신율이 85% 내지 115%일 수 있다. 연마층의 경도, 인장강도 및 신율이 상기 범위로 조절됨으로써, CMP 공정이 안정적으로 이루어지면서 연마패드의 경량화를 구현할 수 있다.
특히, 상기 연마층의 특성들이 상기 범위를 모두 만족함으로써, CMP 공정에서의 연마속도는 물론, 연마율 및 절삭률과 같은 성능을 더욱 향상시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 연마층의 경도 및 연마율을 상기 범위로 제어함으로써 연마패드의 CMP 공정에서의 적절한 연마속도를 확보할 수 있으면서, 상기 연마층의 신율을 상기 범위로 제어함으로써 브리틀(brittle)해져 쉽게 부서지거나 피연마물의 표면에 흡집이 남는 등의 결함을 효과적으로 방지할 수 있다.
상기 연마층에 형성된 평균 포어(pore) 크기는 특별히 한정되지 않으나, 구체적으로 10 ㎛ 내지 40 ㎛, 15 ㎛ 내지 35 ㎛, 18 ㎛ 내지 30 ㎛ 또는 20 ㎛ 내지 25 ㎛일 수 있다.
상기 연마층의 두께, 경도 및 평균 포어 크기가 각각 상기 범위를 만족함으로써, CMP 공정이 보다 안정적으로 이루어지면서 연마패드의 경량화를 구현할 수 있다.
상기 연마층의 바이오매스 함량은 2 중량% 내지 70 중량%일 수 있다. 예를 들어, 상기 연마층 총 중량을 기준으로 상기 연마층의 바이오매스 함량은 3 중량% 내지 65 중량%, 5 중량% 내지 60 중량%, 6 중량% 내지 58 중량%, 7 중량% 내지 56 중량%, 8 중량% 내지 54 중량%, 20 중량% 내지 52 중량% 또는 35 중량% 내지 50 중량%일 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 연마패드의 단면도를 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 일 구현예에 따른 연마패드(100)는 탑 패드층으로서 연마층(10)을 포함하고, 상기 연마층(10) 하의 서브 패드층으로서 지지층(30)을 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 연마패드(100)는 상기 연마층(10)과 상기 지지층(30) 사이에 접착층(20)을 더 포함할 수 있다.
상기 접착층은 상기 연마층과 상기 지지층 사이에 구비되어 연마층과 지지층을 결합시키는 역할을 한다. 나아가, 상기 접착층은 상기 연마층에 공급되는 연마 슬러리가 지지층으로 유출되는 것을 방지하는 역할도 할 수 있다. 이러한 접착층은 핫멜트 접착제 조성물을 이용하여 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 핫멜트 접착제 조성물은 통상적으로 공지된 핫멜트 접착제를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 핫멜트 접착제는 폴리우레탄계 수지, 폴리에스테르계 수지, 에틸렌-아세트산 비닐계 수지, 폴리아미드계 수지 및 폴리올레핀계 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 접착층의 두께는 특별히 한정되지 않으나, 예를 들어 5 ㎛ 내지 30 ㎛, 10 ㎛ 내지 30 ㎛, 20 ㎛ 내지 27 ㎛ 또는 23 ㎛ 내지 25 ㎛일 수 있다. 상기 접착층의 두께가 상기 범위를 만족함으로써, 연마층과 지지층 간의 결합력을 일정 수준으로 확보할 수 있다.
상기 지지층은 상기 연마층 하부에 구비되어 연마층을 안정적으로 지지하면서 연마층에 가해지는 충격을 흡수 및/또는 분산시키는 역할을 한다. 이러한 지지층은 부직포, 스웨이드, 또는 다공성 패드를 이용하여 제조(형성)될 수 있다.
상기 지지층의 두께는 특별히 한정되지 않으나, 예를 들어 0.5 mm 내지 4 mm, 0.6 mm 내지 3.5 mm, 0.8 mm 내지 3 mm 또는 1 mm 내지 2 mm일 수 있다. 또한, 상기 지지층의 경도는 특별히 한정되지 않으나, 예를 들어 55 Asker C 내지 90 Asker C, 60 Asker C 내지 85 Asker C, 65 Asker C 내지 80 Asker C 또는 70 Asker C 내지 75 Asker C일 수 있다. 상기 지지층의 두께 및 경도가 각각 상기 범위를 만족함으로써, 연마층을 안정적으로 지지하면서 연마패드의 경량화를 구현할 수 있다.
일 구현예에 따른 연마패드는 CMP 공정 연마율 등의 특성이 우수하다.
예를 들어, 실리콘 옥사이드 막에 대한 CMP 공정 연마율, 보다 구체적으로 상기 연마패드를 이용하여 세리아 슬러리에서 실리콘 웨이퍼의 실리콘 옥사이드 막을 연마 시에 연마율(removal rate)이 2500 Å/분 이상, 3000 Å/분 이상, 3500 Å/분 이상 또는 3600 Å/분 이상일 수 있고, 5000 Å/분 이하, 4700 Å/분 이하, 4500 Å/분 이하 또는 4200 Å/분 이하일 수 있다.
구체적인 예로서, 상기 연마율은 상기 연마패드를 이용하여 세리아 슬러리에서 실리콘 웨이퍼의 실리콘 옥사이드 막을 연마 시에 아래 식에 따른 연마율이 3500 Å/분 내지 4500 Å/분, 3500 Å/분 내지 4200 Å/분, 3900 Å/분 내지 4400 Å/분, 3900 Å/분 내지 4250 Å/분 또는 3950 Å/분 내지 4200 Å/분일 수 있다.
연마율(Å/분) = 연마 전후의 막 두께 변화(Å) / 연마 시간(분)
구체적으로, 상기 연마율은 실리콘 옥사이드가 증착된 직경 300 mm의 실리콘 웨이퍼에 대한 연마율일 수 있다. 또한 상기 연마율은 연마 하중 4.0 psi, 연마패드 회전속도 150 rpm 하소 세리아 슬러리를 250 mL/분으로 투입하면서 플래튼을 150 rpm으로 60초간 회전시키며 측정한 것일 수 있다. 상기 연마율 측정 시의 온도 조건은 특별히 한정되지 않으나 예를 들어 상온 조건일 수 있다.
또한, 상기 연마패드의 절삭률(pad cut rate)은 25 ㎛/hr 이상, 30 ㎛/hr 이상, 35 ㎛/hr 이상 또는 38 ㎛/hr 이상일 수 있고, 50 ㎛/hr 이하, 45 ㎛/hr 이하 또는 42 ㎛/hr 이하일 수 있다. 구체적인 예로서, 컨디셔닝 압력 6l bf 및 회전 속도 100 rpm 내지 110 rpm에서 상기 연마패드의 절삭률 즉, 연마층의 패드절삭률은 25 ㎛/hr 내지 50 ㎛/hr 또는 38 ㎛/hr 내지 48.5 ㎛/hr일 수 있다.
일 구체예에 있어서, 상기 연마패드는 CMP 공정 연마율(Å/분)이 3900 Å/분 내지 4400 Å/분이고, 연마패드 절삭률(㎛/hr)이 38 ㎛/hr 내지 45 ㎛/hr일 수 있다.
또한, 상기 연마패드는 압축률(%)이 0.3% 내지 1.8%, 0.4% 내지 1.6%, 0.5% 내지 1.5%, 0.6% 내지 1.4% 또는 0.8% 내지 1.3%일 수 있다.
이러한 구현예에 따른 연마패드는 상기 연마층이 바이오매스 함유 조성물로부터 제조됨에 따라 친환경성이 우수할 수 있다. 또한, 구현예에 따른 연마패드는 상기 연마층 제조에 사용되는 상기 바이오매스 함유 조성물에 포함되는 폴리머 성분, 더욱 구체적으로 폴리머 성분 내 바이오 기반 폴리머 폴리올과 바이오 기반 모노머 폴리올의 성분 및 함량이 조절됨으로써, CMP 공정에서 요구되는 물성을 갖게 되어 연마율, 절삭률 등이 우수할 수 있다.
예를 들어 상기 구현예에 따른 연마패드는 연마패드 총 중량을 기준으로 한 바이오매스 함량이 1 중량% 내지 50 중량%일 수 있다. 예를 들어, 연마패드 총 중량을 기준으로 상기 연마패드의 바이오매스 총 함량은 2 중량% 내지 50 중량%, 3 중량% 내지 50 중량%, 4 중량% 내지 50 중량%, 5 중량% 내지 50 중량%, 6 중량% 내지 50 중량%, 7 중량% 내지 50 중량%, 8 중량% 내지 50 중량%, 2 중량% 내지 45 중량%, 3 중량% 내지 42 중량%, 4 중량% 내지 38 중량%, 4.5 중량% 내지 36 중량%, 5 중량% 내지 34 중량%, 8 중량% 내지 32 중량%, 15 중량% 내지 33 중량%, 또는 25 중량% 내지 32 중량%일 수 있다.
연마패드의 제조 방법
또 다른 구현예에 따른 연마패드의 제조 방법은 폴리올 성분 및 폴리이소시아네이트 성분을 포함하는 폴리우레탄 수지를 이용하여 바이오 기반 우레탄 프리폴리머를 제조하는 단계; 및 상기 바이오 기반 우레탄 프리폴리머를 경화시켜 연마층을 제조하는 단계를 포함하고, 상기 폴리올 성분은 바이오 기반 폴리머 폴리올 및 바이오 기반 모노머 폴리올을 포함한다.
이에 따라, 상기 연마패드는 상기 바이오 기반 폴리머 폴리올 및 상기 바이오 기반 모노머 폴리올을 포함하는 우레탄 프리폴리머가 경화된 연마층을 구비할 수 있다.
상기 폴리올 성분 및 상기 폴리이소시아네이트 성분과 상기 바이오 기반 폴리머 폴리올 및 상기 바이오 기반 모노머 폴리올 각각에 대한 설명은 전술한 바와 같다.
먼저, 폴리올 성분 및 폴리이소시아네이트 성분을 포함하는 우레탄 프리폴리머를 제조한다. 구체적으로, 상기 바이오 기반 폴리머 폴리올 및 상기 바이오 기반 모노머 폴리올을 포함하는 폴리올 성분과 상기 폴리이소시아네이트를 포함하는 조성물을 반응기에 투입하고 예비중합(prepolymerization)을 진행하여 우레탄 프리폴리머를 제조할 수 있다. 상기 반응 조건은 특별히 한정되지 않으나, 반응 온도는 70℃ 내지 90℃ 또는 75℃ 내지 85℃일 수 있고, 반응 시간은 1시간 내지 4시간 또는 2시간 내지 3시간일 수 있다.
한편 상기 폴리올 성분(z) 및 상기 폴리이소시아네이트 성분(w)을 반응시킴에 있어서, 이들의 반응비율(z:w)은 특별히 한정되지 않으나, 연마층의 전반적인 물성을 고려할 때, 1 : 2 내지 14의 중량비, 1 : 3 내지 12의 중량비, 1 : 4 내지 10의 중량비 또는 1 : 5 내지 8의 중량비일 수 있다.
이러한 폴리올 성분 및 폴리이소시아네이트의 반응을 통해 얻어지는 상기 바이오매스 함유 우레탄 프리폴리머는 바이오매스 함량이 4 중량% 내지 80 중량%일 수 있다. 예를 들어, 상기 바이오매스 함유 우레탄 프리폴리머의 바이오매스 함량은 바이오매스 함유 우레탄 프리폴리머 총 중량을 기준으로 4 중량% 내지 78 중량%, 7 중량% 내지 76 중량%, 8 중량% 내지 74 중량%, 9 중량% 내지 72 중량%, 10 중량% 내지 69 중량%, 25 중량% 내지 67 중량% 또는 45 중량% 내지 65 중량%일 수 있다.
상기 바이오매스 함유 우레탄 프리폴리머는 중량평균분자량이 500 g/mol 내지 1500 g/mol일 수 있다. 예를 들어, 상기 바이오매스 함유 우레탄 프리폴리머의 중량평균분자량은 600 g/mol 내지 1400 g/mol, 700 g/mol 내지 1300 g/mol, 또는 800 g/mol 내지 1200 g/mol일 수 있다.
또한, 상기 바이오매스 함유 우레탄 프리폴리머는 말단 NCO 함량(NCO%)이 6 중량% 내지 14 중량%일 수 있다. 예를 들어, 상기 바이오매스 함유 우레탄 프리폴리머의 말단 NCO 함량(NCO%)은 6.5 중량% 내지 13 중량%, 7 중량% 내지 12 중량%, 7.5 중량% 내지 11 중량% 또는 8 중량% 내지 10 중량%일 수 있다. 상기 바이오매스 함유 우레탄 프리폴리머의 중량평균분자량 및 NCO%가 각각 상기 범위를 만족함으로써, CMP 공정에서 연마율이 보다 우수한 연마패드를 제공할 수 있다.
상기 바이오매스 함유 우레탄 프리폴리머는 중량평균분자량이 500 g/mol 내지 1500 g/mol, 600 g/mol 내지 1400 g/mol, 700 g/mol 내지 1300 g/mol 또는 800 g/mol 내지 1200 g/mol일 수 있다. 또한, 상기 바이오매스 함유 우레탄 프리폴리머는 말단 NCO 함량(NCO%)이 6 중량% 내지 14 중량%, 6.5 중량% 내지 13 중량%, 7 중량% 내지 12 중량%, 7.5 중량% 내지 11 중량% 또는 8 중량% 내지 10 중량%일 수 있다. 상기 바이오매스 함유 우레탄 프리폴리머의 분자량 및 NCO%가 각각 상기 범위를 만족함으로써, CMP 공정에서 연마율이 보다 우수한 연마패드를 제공할 수 있다.
이후, 상기 바이오 기반 우레탄 프리폴리머를 경화시켜 연마층을 제조한다. 구체적으로, 상기 바이오 기반 우레탄 프리폴리머를 경화시켜 폴리우레탄 수지를 포함하는 연마층을 제조한다.
보다 구체적으로, 상기 바이오매스 함유 우레탄 프리폴리머를 경화제, 발포제, 계면활성제, 반응속도조절제 등과 혼합한 후 캐스팅(casting)하여 성형체를 얻고 이를 절삭하여 연마층을 제조할 수 있다.
이를 위해 상기 우레탄 프리폴리머, 경화제, 발포제 등을 각각의 주입 라인에 충진하고 이들을 혼합하여 폴리우레탄 수지를 제조할 수 있다. 상기 혼합은 구체적으로 1,000 rpm 내지 10,000 rpm, 2,500 rpm 내지 8,500 rpm, 또는 4,000 rpm 내지 7,000 rpm의 속도로 수행될 수 있다. 여기서 상기 발포제는 상기 바이오매스 함유 우레탄 프리폴리머 주입 라인과 별개인 주입 라인을 통해 혼합되거나, 상기 바이오매스 함유 우레탄 프리폴리머가 그 주입 라인에 충진되기 전에, 바이오매스 함유 우레탄 프리폴리머와 미리 혼합될 수 있다.
상기 경화제에 대한 설명은 전술한 바와 같으며, 상기 경화제의 함량은 상기 우레탄 프리폴리머 100 중량부에 대하여 15 중량부 내지 55 중량부, 20 중량부 내지 50 중량부, 25 중량부 내지 45 중량부 또는 30 중량부 내지 40 중량부일 수 있다. 상기 경화제의 함량이 상기 범위를 만족함으로써, 물성이 우수한 연마패드를 구현하는 데에 더욱 유리할 수 있다.
상기 우레탄 프리폴리머와 상기 경화제의 반응비율(경화 반응비율)은 특별히 한정되지 않으나, 예를 들어 1 : 0.5 내지 1.3의 당량비, 1 : 0.6 내지 1.2의 당량비, 1 : 0.7 내지 1.1의 당량비 또는 1 : 0.8 내지 1의 당량비일 수 있다. 상기 반응비율로 경화 반응이 이루어짐에 따라 경화 반응이 최적화되어, CMP 공정에서 요구되는 물성(경도, 모듈러스 등)을 갖는 연마패드를 제공할 수 있다.
상기 발포제는 예를 들어 고상 발포제일 수 있다. 상기 고상 발포제의 함량은 상기 바이오매스 함유 우레탄 프리폴리머 100 중량부에 대하여 0.5 중량부 내지 10 중량부일 수 있고, 구체적으로 0.7 중량부 내지 8 중량부, 0.9 중량부 내지 6 중량부 또는 1 중량부 내지 5 중량부일 수 있다. 상기 고상 발포제의 함량이 상기 범위를 만족함으로써, 물성이 우수한 연마패드를 구현하는 데에 더욱 유리할 수 있다.
상기 계면활성제는 특별히 한정되지 않으나, 구체적으로는 실리콘계 계면활성제일 수 있다.
상기 반응속도조절제는 특별히 한정되지 않으나, 구체적으로는 트리에틸렌디아민, 디메틸에탄올아민, 테트라메틸부탄디아민, 2-메틸-트에틸렌디아민, 디메틸사이클로헥실아민, 트리에틸아민, 트리이소프로판올아민, 1,4-디아자바이사이클로(2,2,2)옥탄, 비스(2-메틸아미노에틸)에테르, 트리메틸아미노에틸에탄올아민, N,N,N',N'',N''-펜타메틸디에틸디메틸아미노에틸아민, 디메틸아미노프로필아민, 벤질디메틸아민, N-에틸모르폴린, N,N-디메틸아미노에틸모르폴린, N,N-디메틸사이클로헥실아민, 2-메틸-2-아자노보네인, 디부틸틴디라우레이트, 스태너스옥토에이트, 디틸틴디아세테이트, 디옥틸틴디아세테이트, 디부틸틴말리에이트, 디부틸틴디-2-에틸헥사노에이트 및 디부틴디머캅타이드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 연마층을 제조하는 단계는 상기 우레탄 프리폴리머, 경화제 및 발포제가 혼합된 조성물을 몰드에 투입하고 경화 반응시키는 과정을 포함할 수 있다. 상기 경화 반응 조건은 특별히 한정되지 않으나, 경화 반응 온도는 60℃ 내지 130℃ 또는 75℃ 내지 1100℃일 수 있고, 몰드 압력은 50 kg/m2 내지 260 kg/m2 또는 80 kg/m2 내지 180 kg/m2일 수 있다.
상기 구현예에 따른 연마패드의 제조방법은 상기 연마층을 제조한 이후, 접착층 및 지지층을 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 연마층의 표면을 절삭하는 공정, 연마층 표면에 그루브를 가공하는 공정, 연마패드 검사 공정, 또는 연마패드 포장 공정 등을 더 포함할 수 있으며, 이들 공정에는 연마패드를 제조하는 통상적인 방법이 적용될 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]
연마패드의 제조
실시예 1
(1) 바이오 기반 우레탄 프리폴리머의 제조
4구 플라스크에 톨루엔디이소시아네이트(TDI) 35 g, 4,4'-메틸렌디시클로헥실디이소시아네이트(H12MDI) 5 g, 바이오 폴리머 폴리올(폴리트리메틸렌 에테르 글리콜(polytrimethylene ether glycol), 상품명: ECOTRION H1000, 제조사: SK Chemical, 분자량: 1000 g/mol, OH-value: 102.0 mgKOH/g 내지 124.7 mgKOH/g, 바이오매스 함량: 100 중량%) 50 g, 및 바이오 기반 1,3-프로판디올(분자량: 76 g/mol, 바이오매스 함량: 100 중량%) 5 g을 투입한 후 80℃에서 3시간 동안 반응시켜 NCO%가 8 내지 12 %인 바이오 기반 우레탄 프리폴리머를 제조하였다.
(2) 연마층의 제조
불활성기체 주입 라인이 구비된 캐스팅 장치(Casting Machine)에 있어서, 프리폴리머 탱크에 상기 단계 (1)에서 제조된 바이오 기반 우레탄 프리폴리머를, 경화제 탱크에 비스(4-아미노-3-클로로페닐)메탄(제조사: Ishihara)을 각각 충진하였고, 불활성 기체로는 질소(N2)를 적용하였다. 또한, 상기 우레탄 프리폴리머 100 중량부에 대하여 고상발포제(제조사: Akzonobel) 1 중량부와 실리콘계 계면활성제(제조사: Evonik) 1 중량부를 별도의 라인으로 투입하여 상기 우레탄 프리폴리머와 혼합되도록 하였다. 각각의 투입 라인을 통해 각 원료를 믹싱 헤드에 일정한 속도로 투입하면서 교반하였다.
이때, 상기 우레탄 프리폴리머와 상기 경화제는 1:1의 당량비로 투입하였으며, 불활성 기체인 질소(N2)는 0.5 L/min 내지 1.5 L/min의 속도로 주입하였다. 교반된 원료를 10 kg/분의 토출 속도로, 80℃로 예열된 몰드(가로: 1,000 mm, 세로: 1,000 mm, 높이: 3 mm)에 주입하고, 120℃에서 캐스팅(casting)하여 성형체를 얻었다. 이후 상기 성형체의 상단 및 하단을 각각 0.5 mm 두께씩 절삭하여 두께 2 mm인 연마층(탑 패드층)(비중: 0.82 g/cc, 평균 포어 크기: 23.6 ㎛)를 얻었다.
(3) 연마패드의 제조
폴리에스테르 섬유 부직포에 폴리우레탄 수지가 함침된 두께 1.1 mm의 지지층(서브 패드)을 준비하였다. 그 다음, 핫멜트 접착제를 이용하여 상기 단계 (2)에서 제조된 연마층과 상기 지지층을 결합시킴으로써, 연마층/접착층/지지층의 구조를 갖는 연마패드(두께: 3.32 mm)를 제조하였다.
비교예 1
단계 (1)에서 바이오 기반 1,3-프로판디올 대신에 에틸렌글리콜을 사용하고, 4,4'-메틸렌디시클로헥실디이소시아네이트(H12MDI)를 10 g으로 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 연마패드를 제조하였다.
비교예 2
단계 (1)에서 바이오 기반 1,3-프로판디올 대신에 1,4-부탄디올을 사용하고, 바이오 폴리머 폴리올을 55 g으로 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 연마패드를 제조하였다.
비교예 3
단계 (1)에서 톨루엔디이소시아네이트(TDI) 30 g, 4,4'-메틸렌디시클로헥실디이소시아네이트(H12MDI) 5 g, 바이오 폴리머 폴리올 55 g, 1,6-헥산디올 5 g을 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 연마패드를 제조하였다.
실험예 1: 경도
상기 실시예 1, 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 연마패드의 연마층 및 지지층에 대하여 경도를 측정하였다. 구체적으로, 연마층(두께: 2 mm, 가로: 5 cm, 세로: 5 cm)와 지지층(두께: 1.1 mm, 가로: 5 cm, 세로: 5 cm) 각각을 25℃에서 12시간 동안 보관 후 경도계를 이용하여 Shore D 경도와 Asker C 경도를 측정하였다.
실험예 2: 인장강도
상기 실시예 1, 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 연마패드의 연마층의 인장강도를 측정하였다. 구체적으로, 연마층(두께: 2 mm, 가로: 4 cm, 세로: 1 cm)를 대상으로 만능시험계(UTM)를 사용하여 50 mm/분의 속도의 인장 시험에서 파단 직전의 최대 강도값을 측정하였다.
실험예 3: 신율
상기 실시예 1, 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 연마패드의 연마층의 신율을 측정하였다. 구체적으로, 연마층(두께: 2 mm, 가로: 4 cm, 세로: 1 cm)를 대상으로 만능시험계(UTM)를 사용하여 50 mm/분의 속도의 인장 시험에서 파단 직전의 최대 변형 길이를 측정한 후, 최초 길이 대비 최대 변형 길이의 백분율(%)을 산출하였다.
실험예 4: 압축률
상기 실시예 1, 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 연마패드의 압축률을 측정하였다. 구체적으로, 연마패드(두께: 3.32 mm, 가로: 25 mm, 세로: 25 mm)를 대상으로 다이얼 두께 측정기(Dial Thickness Gauge, 129-E, YASUDA) 기기를 사용하여 85 g 추를 30초 동안 올려놓은 후 측정한 두께(A)와, 추가 800 g 추(85 g 추 + 800 g 추)를 3분 동안 올려놓은 후 측정한 두께(B)의 변화량을 산출하여 압축률로 하였다. 압축률 = [(A - B) / A] x 100.
구분 실시예 1 비교예 1 비교예 2 비교예 3
연마층 두께(mm) 2 2 2 2
경도(shore D) 59.3 65.3 54.1 51.8
평균 포어사이즈(㎛) 21.1 20.3 21.4 21.3
비중(g/cc) 0.81 0.81 0.81 0.81
인장강도(N/mm2) 22.2 19.6 26.3 28.9
신율(%) 103.7 82.5 116.4 128.8
지지층 타입 부직포 부직포 부직포 부직포
두께(mm) 1.1 1.1 1.1 1.1
경도(Asker C) 70 70 70 70
연마패드 두께(mm) 3.32 3.32 3.32 3.32
압축률(%) 1.05 1.05 1.05 1.05
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 바이오 기반 폴리머 폴리올 및 바이오 기반 모노머 폴리올을 함께 사용한 실시예 1의 연마패드는 친환경성을 가지면서도 종래의 석유계 연마패드 대비 동등 이상의 물성을 나타내는 것을 확인하였다.
실험예 5: 연마율
상기 실시예 1, 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 연마패드에 대하여, CMP 장비의 플래튼 상에 연마패드를 고정시키고 실리콘 웨이퍼(직경: 300 mm)의 실리콘 옥사이드 막을 아래로 세팅하고 CMP 공정을 진행하여 연마율을 측정하였다.
구체적으로, 연마 하중이 4.0 psi가 되도록 조정하고 연마패드 상에 하소 세리아 슬러리를 250 mL/분의 속도로 투입하면서 플래튼을 150 rpm으로 60초 동안 회전시켜 실리콘 옥사이드 막을 연마하였다. 연마 후 실리콘 웨이퍼를 캐리어로부터 떼어내어, 회전식 탈수기(spin dryer)에 장착하고 정제수로 세정한 후 질소로 15초 동안 건조시켰다. 건조된 실리콘 웨이퍼를 광간섭식 두께 측정기(모델명: SI-F80R, 제조사: Kyence)를 사용하여 연마 전후의 실리콘 옥사이드 막의 두께 차이를 측정하고, 하기 식에 따라 연마율을 산출하였다.
연마율(Å/분) = 연마 전후의 막 두께 변화(Å) / 연마 시간(분)
실험예 6: 절삭률
상기 실시예 1, 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 연마패드의 절삭률을 측정하였다. 구체적으로, 연마패드를 초기 10분 동안 탈이온수로 프리 컨디셔닝한 후, 1시간 동안 탈이온수를 분사하면서 다시 컨디셔닝을 진행하여 연마패드의 두께 변화를 측정하였다. 이때, 컨디셔닝에는 CTS사의 AP-300HM 장비를 사용하였고, 디스크는 새솔 LPX-DS2를 사용하였다. 컨디셔닝 압력은 6 lbf로, 회전 속도는 100 rpm 내지 110 rpm으로 하였다.
구분 실시예 1 비교예 1 비교예 2 비교예 3
세리아
슬러리		 연마율(Å/min) 4003 4588 3817 3625
절삭률 (㎛/hr) 39.2 45.2 37.6 34.8
상기 표 2에서 보는 바와 같이, 바이오 기반 폴리머 폴리올 및 바이오 기반 모노머 폴리올을 함께 사용한 실시예 1의 연마패드는 친환경성을 가지면서도 종래의 석유계 연마패드 대비 동등 이상의 물성을 나타내는 것을 확인하였다. 보다 구체적으로, 실시예 1의 연마패드는 바이오메스 함량과 함께 경도, 인장강도 및 신율과 같은 물성이 적절하게 제어됨으로써, 친환경성을 가지면서도 연마율과 절삭률이 모두 우수하게 평가되었다.
10: 연마층
20: 접착층
30: 지지층
100: 연마패드

Claims (10)

  1. 폴리우레탄 수지를 포함하는 연마층을 포함하고,
    상기 폴리우레탄 수지는 폴리올 성분 및 폴리이소시아네이트 성분을 포함하고,
    상기 폴리올 성분은 바이오 기반 폴리머 폴리올 및 바이오 기반 모노머 폴리올을 포함하고,
    실리콘 옥사이드 막에 대한 CMP 공정 연마율이 3900 Å/분 내지 4400 Å/분이고,
    컨디셔닝 압력 6l bf 및 회전 속도 100 rpm 내지 110 rpm에서 연마패드의 절삭률이 25 ㎛/hr 내지 50 ㎛/hr인, 연마패드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 바이오 기반 모노머 폴리올은 바이오 기반 1,3-프로판디올, 바이오 기반 1,3-부탄디올, 바이오 기반 1,4-부탄디올, 바이오 기반 2,3-부탄디올, 바이오 기반 1,5-펜탄디올, 바이오 기반 1,9-노난디올, 바이오 기반 1,10-데칸디올 및 바이오 기반 이소소르바이드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는, 연마패드.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 바이오 기반 모노머 폴리올은
    바이오매스 함량이 50 중량% 이상이고,
    수산기가(OH-value)가 50 g/mol 내지 200 g/mol이고,
    중량평균분자량은 50 g/mol 내지 200 g/mol인, 연마패드.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 바이오 기반 폴리머 폴리올 및 상기 바이오 기반 모노머 폴리올의 중량비는 5 내지 20 : 0.01 내지 2인, 연마패드.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 바이오 기반 폴리머 폴리올은,
    바이오매스 함량이 20 중량% 내지 100 중량%이고,
    중량평균분자량이 400 g/mol 내지 3000 g/mol이고,
    수산기가(OH-value)가 35 mgKOH/g 내지 250 mgKOH/g이고,
    관능기 수가 2 내지 4인, 연마패드.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 바이오 기반 폴리머 폴리올은,
    바이오 기반 폴리에테르 폴리올, 바이오 기반 폴리에스테르 폴리올, 바이오 기반 폴리카보네이트 폴리올 및 바이오 기반 폴리카프로락탐 폴리올로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는, 연마패드.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 폴리이소시아네이트 성분은 톨루엔디이소시아네이트(TDI), 나프탈렌-1,5-디이소시아네이트, p-페닐렌디이소시아네이트, 톨리딘디이소시아네이트, 4,4'-디페닐메탄디이소시아네이트, 헥사메틸렌디이소시아네이트, 4,4'-메틸렌디시클로헥실디이소시아네이트(H12MDI) 및 이소포론디이소시아네이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는, 연마패드.
  8. 폴리우레탄 수지를 포함하는 연마층을 포함하고,
    상기 폴리우레탄 수지는 폴리올 성분 및 폴리이소시아네이트 성분을 포함하고,
    상기 폴리올 성분은 바이오 기반 폴리머 폴리올 및 바이오 기반 모노머 폴리올을 포함하고,
    상기 연마층은,
    경도가 55 Shore D 내지 64 Shore D이고,
    인장강도가 20 N/mm2 내지 25 N/mm2이고,
    신율이 85% 내지 115%인, 연마패드.
  9. 삭제
  10. 폴리올 성분 및 폴리이소시아네이트 성분을 포함하는 폴리우레탄 수지를 이용하여 바이오 기반 우레탄 프리폴리머를 제조하는 단계; 및
    상기 바이오 기반 우레탄 프리폴리머를 경화시켜 연마층을 제조하는 단계를 포함하고,
    상기 폴리올 성분은 바이오 기반 폴리머 폴리올 및 바이오 기반 모노머 폴리올을 포함하고,
    실리콘 옥사이드 막에 대한 CMP 공정 연마율이 3900 Å/분 내지 4400 Å/분이고,
    컨디셔닝 압력 6l bf 및 회전 속도 100 rpm 내지 110 rpm에서 연마패드의 절삭률이 25 ㎛/hr 내지 50 ㎛/hr인, 연마패드의 제조 방법.
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