KR20010049979A - 연마제 고정형 폴리싱 도구 - Google Patents

연마제 고정형 폴리싱 도구 Download PDF

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KR20010049979A
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히야마히로쿠니
와다유타카
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마에다 시게루
가부시키 가이샤 에바라 세이사꾸쇼
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Abstract

폴리싱을 위한 연마판은 연마 입자, 화학약제, 및 연마 입자와 화학약제를 함께 결합시키는 바인더로 구성된다. 바람직하게는, 연마 입자는 연마 입자 집합체이다. 화학약제는 캡슐 내에 밀봉되어 있고, 연마판에 고정되어 있다. 폴리싱을 위한 연마판은 폴리싱 속도의 안정성, 공정 특성, 및 폴리싱될 다양한 대상물을 위한 자가 정지기능들을 만족스럽게 보여준다.

Description

연마제 고정형 폴리싱 도구{FIXED ABRASIVE POLISHING TOOL}
본 발명은 폴리싱을 위한 연마제 고정형 폴리싱도구(이하 "연마판")에 관한 것으로서, 특히 반도체 웨이퍼와 같은 폴리싱될 대상을 평탄하고 경면상태로 폴리싱하기 위한 연마판에 관한 것이다.
최근에, 반도체소자의 집적도가 증가함에 따라, 회로접속을 위한 도선폭이 좁아지고, 직접될 소자의 크기가 더욱 미세화된다. 이것은 반도체 웨이퍼의 표면위에 형성된 막을 폴리싱에 의해 제거하여 그것의 표면을 평평하게하는 단계를 요구할 수 있다. 이러한 표면 평탄화 또는 평면화의 수단으로서, 화학적 및 기계적 폴리싱(CMP)장치에 의해 폴리싱이 수행된다. 이러한 유형의 CMP장치는 그위에 연마포(패드)가 주어진 턴테이블과 톱링을 가진다. 폴리싱될 대상은 턴테이블과 톱링 사이에 둔다. 턴테이블은 톱링으로 부터 일정한 압력으로 유지되고 폴리싱액(슬러리)이 공급되면서 연마포에 턴테이블과 톱링이 회전하여 폴리싱될 대상물의 표면을 평탄한 경면 형태로 폴리싱한다.
상기 CMP처리는 상대적으로 부드러운 연마포에 다량의 연마입자를 포함하는 폴리싱액(슬러리)을 제공하면서 폴리싱을 수행한다. 따라서, 이러한 처리는 패턴에 종속된다는 점에서 문제가 있다. 패턴에 종속된다는 의미는, 폴리싱전에 존재하는 반도체 웨이퍼상의 불규칙한 패턴이 폴리싱후에 다소 온화한 불규칙부(irregularities)를 형성하므로 완전한 평탄도를 얻기 어렵다는 것을 뜻한다. 즉, 작은 피치를 갖는 불규칙부는 높은 폴리싱속도를 초래하는 반면, 큰 피치를 갖는 불규칙부는 낮은 폴리싱속도를 초래하며, 그결과 빠른 폴리싱부와 느린 폴리싱부 모두 온화한 불규칙부를 형성한다. 그밖에도, 연마포(패드)를 사용한 폴리싱처리는 불규칙부의 돌출부와 함몰부 모두를 폴리싱하여, 소위 자가정지 기능 즉, 단지 돌출부만이 완전한 평탄도를 가져오도록 폴리싱되며 이때 폴리싱이 종료되도록 하는 기능을 얻는것이 어렵다.
한편 산화세슘(CeO2)과 같은 연마입자를 페놀수지등의 바인더를 사용하여 고정시킨, 소위 고정된 연마입자(연마판)을 이용하는 반도체 웨이퍼 폴리싱에 대한 연구가 진행중이다. 이러하 연마판을 사용한 폴리싱은 다음의 내용에서 이점이 있다. 연마표면은 종래의 CMP에서와 달리 견고하다. 그러므로, 불규칙부의 돌출부가 우선적으로 폴리싱되는 반면, 불규칙부의 함몰부는 폴리싱되기 곤란하여 절대적인 연마 평탄도가 쉽게 얻어진다. 연마판의 조성에따라, 자가 정지기능은 다음의 방식으로 일어난다. 돌출부의 폴리싱이 완료되어 평탄표면을 제공한다. 이때, 폴리싱속도는 뚜렷하게 낮아지고, 폴리싱은 실제로 더이상 진행되지 않는다. 게다가, 연마판을 사용하는 폴리싱은 다량의 연마입자를 포함하는 폴리싱액(슬러리)을 사용하지 않으며, 따라서 환경문제의 부담이 적어지는 이점이 주어진다.
그러나, 연마판의 사용에 의한 폴리싱은 다음의 문제점들을 가진다. 만일 연마판의 조성이 연마입자를 결합하는 바인더의 결합력을 높게 하는 것이라면, 연마입자는 폴리싱동안 자생(self-producing)효과를 최소로 보일것이다. 드레싱직후에는, 비교적 높은 폴리싱 속도가 얻어진다. 그러나, 폴리싱이 진행됨에 따라, 폴리싱 속도가 감소하고 충분한 폴리싱 속도를 얻는데 실패한다. 연마입자를 결합하기 위한 바인더의 결합력이 낮은 연마판의 경우, 연마판은 대체로 부서지기 쉽다. 연마입자는 쉽게 자생되므로, 비교적 높은 폴리싱 속도가 얻어진다. 그러나, 작업대상물 표면의 불규칙부의 돌출부 뿐만아니라 함몰부도 역시 폴리싱된다. 폴리싱후, 완전한 평탄표면을 얻는 것이 어렵게되어, 소위 단계특성 문제를 야기한다. 게다가 이러한 연마판은 돌출부만의 폴리싱이 완료된후 폴리싱의 진행이 자동으로 정지하는 자가 정지기능이 떨어진다.
따라서, 자가 정지기능을 보여주는 연마판은 바인더, 연마입자 및 작은구멍의 비율이 잘 균형을 이루는 비교적 좁은 범위이다. 그러한 연마판은 바람직한 폴리싱속도의 안정성과 폴리싱될 대상물에 대한 단계특성을 제공할 필요가 없다. 폴리싱될 재료, 실리콘 기판, 폴리실리콘막, 산화물막, 니트라이드막 및 알루미늄 또는 구리재료를 포함하는 상호접속층을 포함하여 광범위하게 걸쳐있다. 폴리싱될 이러한 다양한 대상물에 응답하여 폴리싱속도의 안정성, 만족스러운 단계특성 및 자가 정지기능을 가지는 연마판의 제작은 사실상 어렵다.
본 발명은 상술의 관점에서 수행되었다. 본 발명의 목적은 폴리싱될 다양한 대상물에 대한 폴리싱 속도의 안정성, 단계특성 및 자가 정지기능을 만족스럽게 나타낼 수 있는 폴리싱을 위한 연마판을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연마판의 구조예를 개략적으로 나타내는 도면;
도 2는 스프레이건조기를 나타내는 도면;
도 3A내지 도 3G는 본 발명의 연마판을 제작하는 방법을 나타내는 도면;
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연마판의 구조예를 개략적으로 나타내는 도면;
도 5는 본 발명의 역시 다른 실시예에 따른 연마판의 구조예를 개략적으로 나타내는 도면;
도 6A와 6B는 각각 본 발명의 또다른 실시예에 따른 연마판의 구조예를 개략적으로 나타내는 도면,
도 7A와 7B는 각각 본 발명의 또다른 실시예에 따른 연마판의 구조예를 개략적으로 각각 나타내는 도면이다.
본 발명의 제 1형태는 연마입자, 화학약제 및 상기 연마입자와 화학약제를 서로 결합하기 위한 바인더를 포함하는 연마제 고정형 폴리싱도구(연마판)이다. 연마판이 연마입자, 화학약제 및 바인더로 이루어지기 때문에 화학약제는 폴리싱하는 동안 연마판 자체로부터 폴리싱될 대상물의 표면으로 공급될 수 있다. 예를들어, 화학약제으로서 표면활성제를 공급하는 것은 일단 불규칙부의 돌출부가 폴리싱되고, 표면이 평탄해지면, 폴리싱의 진행이 자동으로 정지하는 자가 정지기능을 나타내는 것을 가능하게 한다. 대안적으로, 산화제 또는 환원제는 연마판 속에 화학약제로서 포함되어 화학약제의 용액은 폴리싱액을 사용하는 화학적 및 기계적 폴리싱에서와 같이 폴리싱될 표면에 공급되어, 화학적 폴리싱이 수행될 수 있다. 냉각제와 윤활제로서 필요한 순수한 물의 단순한 공급과 연결하여, 이러한 연마판의 사용은 폴리싱될 다양한 대상물에 대하여 화학적 및 기계적 폴리싱이 수행되는 것을 가능하게 한다.
연마입자는 연마입자의 집합체(aggregate)를 형성할 수 있다. 반도체 장치의 마이크로 제조에 적합한 많은 미세한 연마입자들을 모으고 이들을 약한 바인더를 사용하여 바인딩함에 의해 형성된 미세한 연마입자들의 덩어리 집합체가 연마판에 배치되기 때문에, 미세한 연마입자는 폴리싱동안 자생효과를 쉽게 나타낼 수 있다. 그러므로, 반도체 웨이퍼상의 미세한 패턴에 대해서 폴리싱 속도의 안정성이 증가되고, 스크래치(흠)의 발생이 방지될 수 있다.
연마입자 또는 연마입자의 집합체는 캡슐로 밀봉(enclose)될 수 있다. 예를 들어, 큰 입자크기를 갖는 연마입자와 작은 입자크기를 갖는 연마입자는 두가지 형태의 캡슐로 상이하게 밀봉되어 연마판에 배치되며, 두가지 형태의 캡슐은 서로 다른 용도로 사용할 수 있다. 만일 높은 폴리싱속도가 필요하면, 연마입자는 큰 연마입자를 포함하는 캡슐로부터만 방출되어, 그결과 큰 입자크기를 갖는 연마입자가 자생을 위해 연마될 표면에 적용될 수 있다. 만일 미세한 패턴이 폴리싱될 필요가 있다면, 연마입자는 작은 연마입자를 포함하는 캡슐로 부터 방출되어 작은입자 크기를 갖는 연마입자가 연마될 표면에 공급될 수 있다.
화학약제는 캡슐에 밀봉될 수 있다. 그렇게 함으로써, 액체 화학약제가 연마판에 위치 될 수 있다. 따라서, 예를들어, 액체 표면활성제가 연마판내에 밀봉될 수 있으며, 액체산화제 또는 환원제 역시 연마판에 밀봉될 수 있다. 표면활성제의 밀봉은 상술된 바와같이 자가 정지기능을 제공한다. 대안적으로, 과산화수소(H2O2)의 수용액을 캡슐내에 밀봉하면 폴리싱동안 과산화수소의 수용액을 방출시켜, 연마입자를 사용한 폴리싱과 함께 화학적 및 기계적 폴리싱과 유사한 폴리싱을 수행하는 동안 폴리싱될 금속막을 산화하는 것을 가능하게 한다.
연마판은 복수형태의 캡슐을 포함할 수 있고 캡슐은 복수형태의 서로 다른조성물을 포함할 수 있다. 캡슐은 다른구성의 봉입물을 가지기 때문에, 이들을 조합하여 다양한 효과를 보여주는 것이 가능하다. 예를들어, 표면활성제를 포함하는 캡슐과 분산제를 포함하는 캡슐을 연마판에 배치하면 두가지 유형의 캡슐로 부터 방출된 표면활성제와 분산제를 폴리싱동안 효과적으로 조화롭게 작용하는 것을 허용하여, 표면활성제가 기능을 발휘할 수 있게 한다.
캡슐은 복수형태의 물질이 단일 캡슐에 밀봉되도록 할 수있다.
본 발명의 제 2형태는 앞에서 언급한 폴리싱용 연마판을 사용하여 기판을 폴리싱하는 방법이며, 여기서 연마입자와 화학약제는 폴리싱 처리동안 주로 드레싱에 의해 연마판으로 부터 방출된다. 연마판을 사용하여 폴리싱될 대상물의 폴리싱함과 동시에 또는 그 이전에 연마판의 드레싱이 수행되어, 연마입자와 화학약제는 폴리싱될 표면에 풍부하게 공급될 수 있다. 따라서, 연마판을 사용하여 폴리싱하는 동안 폴리싱속도의 안정성과 단계특성은 높아질 수 있다. 더욱이, 상기 화학약제의 자가 정지기능, 산화기능 등이 효과적으로 나타날 수 있다.
본 발명의 상기와 다른 목적, 특징 및 이점은 예시적인 방법으로 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내는 첨부도면과 관련하여 후술하는 설명으로 부터 명백할 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예는 첨부한 도면을 참고로 상세하게 기술될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연마판의 구성을 개략적으로 나타낸다. 연마판(10)은 연마입자의 집합체(11), 표면활성제를 포함하는 캡슐(12) 및 집합체(11)와 캡슐(12)을 함께 결합시키는 페놀수지와 같은 바인더(13)로 구성된다. 비록 도시되지는 않았지만 연마입자 집합체(11)와 캡슐(12) 및 바인더(13) 또는 바인더(13)내에 구멍(작은 공간)이 존재한다. 미세한 연마입자 집합체(11)는 예를들어, 5내지 100㎛의 직경으로 제립(granulate)되는, 약 0.35㎛의 직경을 가지는 많은 미세한 연마입자의 모아진 덩어리이다. 실제로, 직경이 약 20내지 50㎛의 구형의 집합체는 만들기 쉽다.
미세한 연마입자에 대한 재료는 산화세슘(CeO2), 알루미나(Al2O3), 탄화규소(SiC), 이산화규소(SiO2), 지르코니아(ZrO), 산화철(FeO, Fe3O4), 산화망간(MnO2, Mn2O3), 산화마그네슘(MgO), 산화칼슘(CaO), 산화바륨(BaO), 산화아연(ZnO), 탄산바륨(BaCO3), 다이아몬드(C) 등이다. 이들 미세한 연마입자들은 에틸셀룰로오스와 같은 약한 바인더를 통해 덩어리 또는 집합체로 형성된다. 연마판내의 이러한 덩어리진 미세한 연마입자를 배치하는 것은 폴리싱하는 동안 다량의 미세한 연마입자들을 연마될 표면에 공급하는 것을 가능하게하여, 스크래치를 감소시킨다. 다량의 연마입자가 연마될 표면에 공급될 수 있기 때문에, 폴리싱속도의 안정성이 높아질 수 있고, 단계특성도 증가될 수 있으며, 패턴종속성이 제거될 수 있다.
폴리싱동안 발생하는 많은 흠(스크래치)의 양은 연마입자의 크기와 밀접하게 관련이 있다. 이것의 양을 줄이기 위해서는 미세한 연마입자의 사용이 필요하다. 바인더로 가지는 연마입자들을 결합시킴으로써 통상의 연마판을 만드는 종래의 방법은 연마입자를 고정하고 안정화한 폴리싱성능을 얻기 위해서 미세한 연마입자들 간의 결합력이 균일한 것을 요구해왔다. 이러한 목적을 위해서는 미세한 연마입자들이 바인더에 의해 서로 균일하게 분산되고 결합될 필요가 있다.
그러나, 입자의 크기가 작기때문에, 입자의 표면적은 그것의 체적에 비해서 크고, 따라서, 그것의 큰 표면적의 영향에 의해 서로 모이는 경향이 있다. 또, 일단 미세한 연마입자가 모이면 서로 강하게 고정되므로 서로 재분산되기 어렵다. 이것에 의해, 미세한 크기의 연마입자는 분말상태로 연마입자를 저장하기 어려워, 연마입자를 용액에 녹인상태로 저장하는 것이 바람직하다. "슬러리"라고 부르는 용액에 용해된 상태에서, 미세한 연마입자는 소량의 표면활성제를 첨가하면 서로 쉽게 흩어진다. 그러므로, 미세한 연마입자는 집합없이 용액에 쉽게 저장된다.
연마판에 미세한 연마입자를 고정하기 위해서, 연마판에 직접 슬러리 내의 연마입자를 고정하기는 어려우며, 슬러리를 건조시켜 분말화하는 것이 필요하다. 그러나, 슬러리가 그대로 건조되면, 전술한 바와 같은 연마입자의 결합이 일어나므로 이렇게 집합된 연마입자를 다시 흩어지게하기는 어렵다. 연마입자의 표면상태의 상황에 따라, 분말(powder)이 쉽게 연마입자를 흩어지게 할 수도 있다. 그러나, 그러한 상태에서는 연마입자로 부터 연마판을 제작하는 것이 어렵고, 그 이유는 연마입자 주위에 공기가 존재하여 단위중량당 분말의 체적을 증가시키고, 가스 방출특성이 떨어지며, 분말마찰을 야기하기 때문이다. 또, 미세한 연마입자는 큰 표면적을 가지고 강한 힘을 갖는 바인더에 쉽게 결합되기 때문에, 미세한 연마입자가 연마판에 고정될때 사용된 연마입자는 연마판의 연마표면에 남아있다. 따라서, 이것은 연마판의 연마표면위에 폴리싱에 효과적인 미사용(새로운) 연마입자를 공급하는 것이 충분하지 않다. 즉, 그위에 자생 연마입자를 효과적으로 공급하는 것이 어렵다. 따라서, 미세한 패턴을 폴리싱하는데에는 미세한 연마입자가 효과적이다. 그러나, 연마입자의 자생은 어렵고, 폴리싱속도는 감소한다.
낮은 결합력을 갖는 바인더의 사용은 연마판이 소정의 폴리싱 속도를 가지는 미세한 연마입자로 구성되는 것을 허용한다. 이 경우, 결과로서 생기는 연마판은 부서지기 쉬워서 단계특성과 폴리싱속도의 안정성이 의문시 된다. 그러므로, 도 1에 도시된 바와같이 약 수 마이크로미터 내지 수십 마이크로 미터로 측정되는 클러스터(미세한 연마입자 집합체)로 미세한 연마입자들을 제립하고, 약한 결합의 사용으로 그후 일반적인 바인더를 사용하여 연마판 내에 클러스터를 성형하는 것이 바람직하다. 이것은 클러스터(미세한 연마입자 집합체)를 큰 크기의 연마입자 처럼 구르게한다. 그러므로, 이것은 미세한 연마입자에 대한 손쉬운 처리수단을 제공하고 가스방출특성의 문제 및 연마판이 형성될때의 분말 마찰문제를 줄여서, 미세 연마입자를 가지는 연마판을 용이하게 형성할 수 있게 한다. 또한, 이것은 소정의 강도를 가지는 연마판을 만들고 자유로운 연마입자를 용이하게 공급할 수 있도록 하며, 폴리싱될 표면에 다량의 미세한 연마입자를 공급한다. 연마입자가 0.2㎛또는 그 이하의 평균입자 크기로 미세해지면서, 이들은 덩어리가 된고, 이것은 연마입자를 서로 강하게 고정하여, 흩어지는 것을 어렵게 만든다. 이것으로 부터 알 수 있는 바와 같이, 소위 미세한 연마입자를 저장하는 것은 어렵다. 그러나, 반도체소자의 패턴폭이 미세해짐에 따라 더욱 미세 연마입자를 갖는 폴리싱이 요구된다. 이러한 미세한 연마입자를 연마판에 고정함에 있어서, 상술한 미세한 연마입자 집합체의 사용은 매우 효과적일 수 있다. 그러한 미세한 입자 집합체의 사용을 통하여, 폴리싱 동안 연마입자의 자생작용이 일어난다. 이러한 작용중 연마입자는 연마판 표면을 깎으며, 폴리싱되는 표면위에 새로운 연마입자를 드러낸다. 이들 새로운 연마입자들은 차례로 자생효과를 생성한다. 이러한 일련의 동작들은 연마판의 로딩없는 폴리싱을 가능하게 하며 또한 폴리싱 운전동안 흠(스크래치)을 적게 할 수 있도록 한다. 또, 예리한 절단특성이 유지되며, 높은 폴리싱 성능이 얻어진다.
그러한 미세한 연마입자 집합체를 구성하기 위해서, 미세한 연마입자는 바람직하게는, 약한 결합력을 가지는 바인더를 사용하여 함께 결합되어야 한다. 수용성의 바인더로서는 고구마전분, 감자전분, 옥수수전분, 텍스트린 및 알긴나트륨(sodium alginate)이 유용하다. 이들 물질들은 모두 폴리싱동안 물 또는 온수를 공급했을때 결합력이 약해지며, 미세한 연마입자들을 방출한다. 아카시아, 젤라틴, CMC(solidium carboxymethyl cellulose), MetHocel(methyl cellulose) 및 일부 비누화된 PVA(polyvinyl alcohol)과 같은 다른 바인더들은 물 또는 온수에 의해서 결합력이 약해진다. PVP(polyvinyl pyrrolidone), HPMC(hydroxy propyl methyl cellulose), HPC(hydroxy propyl cellulose) 및 PEG(macrogol)과 같은 바인더는 물 뿐만아니라 알콜이 있는 곳에서 결합력이 약화되는 효과를 가진다. 연마입자 집합체는 다음에 언급하는 스프레이 건조방법으로 형성되고, 물이 바인더로 사용될 수 있다. 그러한 경우, 연마입자 집합체는 바인더로서 단지 물만을 사용하여도 잘 형성될 수있다. 또, 에탄올 또는 IPA와 같은 유기용제 역시 효과적이다.
미세한 연마입자 집합체는 물, 유기용제 및 텍스트린과 같은 약한 결합력을 가지는 바인더를 사용함으로써 구성되고 연마판에 고정되기 때문에, 연마판이 폴리싱에 사용될때 미세한 연마입자들이 쉽게 자생한다. 따라서 반도체 소자의 미세한 패턴을 폴리싱하기 위한 폴리싱속도의 안정도가 증가될 수 있고, 흠 또는 스크래치가 방지될 수 있다. 또, 미세한 연마입자 집합체가 연마판에 고정되었던 장소는 집합체가 사라진 때 일반적인 연마입자의 큰 포켓처럼 텅비게 된다. 폴리싱 과정동안 거의 만들어지지 않는, 찌꺼기와 큰 크기 입자와 같은 밀러 폴리싱을 더디게 하는 이물질이 이 빈공간에 붙잡히므로 효과적으로 웨이퍼상의 스크래치를 방지한다.
미세한 연마입자의 집합체는 래핑본체(wrapping body)내에 캡슐화될 수 있어, 연마입자의 방출과 용해성의 제어를 가능하게 한다. 초미세 연마입자가 사용될때에는, 일단 연마입자가 건조되면 다시 흩어지게 하는 것은 어렵다. 따라서, 용액에서 완전히 흩어진 상태 그대로 캡슐속에 초미세 연마입자의 용해 용액을 캡슐화 하는 것이 더 바람직하다. 따라서, 완전히 흩어진 초미세 연마입자가 폴리싱 운전동안 공급된다. 공급된 연마입자가 모여지지 않기 때문에, 미세한 패턴을 폴리싱하기 위해 초미세 연마입자의 효과가 충분히 발휘된다. 이러한 캡슐화의 경우에, 연마판의 쉬운 형성과 이물질을 잡기위한 공간 또는 포켓의 효과가 전술한 바와 동일하게 발휘된다. 또, 화학약제 용액 역시 연마입자의 슬러리에 추가하여 캡슐내로 캡슐화될 수 있다.
다음으로는, 화학약제의 캡슐화가 설명될 것이다. 예를들어, 도 1에 도시된 캡슐(12)은 상술된 바와같이 그안에 밀봉된 표면활성제를 가진다. 화학약제의 캡슐화에 의해, 화학약제는 폴리싱에 효과적으로 기여하는 역할을 할 때까지 열화되거나 반응하지 않게 된다. 종래의 기술에서, 화학약제 또는 폴리싱용액은 연마판에 형성된 구멍 또는 홈을 통해서 외부로부터 공급된다. 화학약제를 봉하는 캡슐에 따라서는, 홀 또는 홈을 갖추는 것이 필요하지 않을 뿐아니라 균일하게 폴리싱될 웨이퍼 전체에 걸쳐 화학약제를 내놓을 수 있다. 또, 미세 또는 초미세 연마입자와 화학약제가 동일한 캡슐 또는 각각의 캡슐로 밀봉될 때에는, 연마입자가 잘 흩어지므로 안정한 폴리싱 반응을 제공한다.
표면활성제의 한 예는 분자내에서 친수성 원자군 및 소수성 원자군을 모두 가지는 물질이다. 예를들어, 표면활성제로서, 특수 카르복시기산형 고분자 표면활성제와 암모늄염에 의해 치환되는 나트륨염을 가지는 무금속형 표면활성제가 사용가능하다. 예를들어, 화학약제를 그속에 밀봉한 마이크로캡슐(12)의 크기는 약 수십 마이크로미터이고, 과산화수소 수용액이 화학약제로 사용될 수 있다. 과산화수소 수용액이 산화작용을 가지기 때문에, 예를들어, 구리의 폴리싱을 위하여는 알루미나 연마입자와 결합될 것이다. 이 경우에, 연마입자를 이용한 기계적 폴리싱이 구리의 표면을 산화시키는 동안 진행될 수 있다. 또한, 표면활성제의 캡슐이 과산화수소의 수용액의 캡슐과 함께 첨가될 것이다. 이러한 방식으로, 표면활성제가 분산제로서 사용될 수 있다.
또, 글리신(아미노산) 또는 퀴날딘산이 폴리싱을 위한 화학약제로 효과적으로 사용될 수 있다. 글리신(유기산)은 구리의 수산화물(hydrate)과 반응하고 네개의 배위의 수용성 킬레이트 합성물을 형성하는 것으로 알려져 있다.
Cu(H2O)4 2+2NH2CHOOH→Cu(NH2CH2COOH)2+4H2O+2H+
따라서 구리를 폴리싱하는 동안, 구리의 이온 농도가 포화되지 않고 일정하게 유지되어 안정한 폴리싱을 진행한다.
캡슐은 그 속에 밀봉되어 있는 KOH 등의 알칼리 용액을 포함한다. 일반적으로, 폴리싱 슬러리를 사용하는 화학적 및 기계적 폴리싱(CMP)은 슬러리 형성을 위한 용액으로서 알칼리 용액을 종종 사용하고, 알칼리 용액을 캡슐화하면 연마판내로부터 폴리싱될 표면으로 알칼리 용액을 공급할 수 있다. 따라서, 비록 연마판과 순수한 물만을 사용하지만, 이 캡슐화 폴리싱 방법은 폴리싱 슬러리를 이용한 원리와 동일한 원리로 CMP 수행이 가능하다.
대안적으로, 분산제, 속도 안정제, 결합 가용화제, 피절삭성(machinability) 촉진제, 및 미러 표면 개량제 등의 폴리싱 보조제들이 캡슐안에 밀봉될 수도 있다. 결합 가용화제는 고정 연마판의 화학 원소의 하나이고, 수지 물질을 연하게 하거나 용해시킬 수 있다. 그것의 추가적인 양은 연마판의 자생 연마 입자의 양을 제어한다. 또한, 드레싱에 의해 연마판의 연마 표면을 리프레싱할 필요가 없게 된다.
상기 설명에서 언급한 것은 액체인 화학약제를 캡슐화한 예였다. 만일 화학약제가 고체라면 캡슐내로의 밀봉이 반드시 요구되는 것은 아니며, 연마판 내에 직접 고정될 수도 있다. 예를 들면, 고체 표면활성제가 사용된다면, 캡슐의 사용없이 연마판내에 직접 배치가 가능하다. 이것은 폴리싱 보조제뿐만 아니라 산화제 및 환원제도 마찬가지다. 이러한 산화제 또는 환원제가 폴리싱될 표면에 적용되는 경우에는 물과의 반응시 산화작용 및 환원작용을 발생시킨다.
캡슐안에 화학약제를 밀봉하기 위한 방법으로서는, 여러가지 공지의 마이크로캡슐화 기술이 사용될 수 있다. 화학적 방법은 계면 중합 및 제자리(in situ) 중합을 포함한다. 물리적 방법은 위상 분리 및 계면 침전을 포함한다. 물리기계적 방법은 스프레이 건조 및 에어 서스펜션 코팅을 포함한다. 예를 들면, 동심으로 배치된 삼중 노즐이 마련되어, 캡슐내 밀봉될 물질을 내부 노즐로부터 배출하고 보호층 물질을 중간 노즐로부터 배출하고 코팅 용액을 외부 노즐로부터 제트(jet)로서 배출한다. 노즐로부터 배출된 제트는 표면 장력 작용에 의해 캡슐화될 대상물로서의 물질을 내부로 싸고, 코팅 용액의 작은 구형 방울을 외부로 형성한다. 이 작은 방울은 떨어지는 동안 점점 차가워지고, 그것의 외부면은 응고된다. 그 결과로써, 바깥면에 고체 코팅층이 형성되고, 액체가 그 안에 밀봉되면서 캡슐이 생성된다.
스프레이 건조 방법은 다음과 같이 구성된다. 미세 연마 입자는 용액에 확산되고, 예를 들어, 초음파 적용에 의해 완전히 분산되어 미세 입자의 서스펜션을 형성한다. 미세 입자의 서스펜션은 뜨거운 공기가 나선형으로 소용돌이 치는 공간으로 공급된다. 그 결과로써, 서스펜션의 액체 부분은 순식간에 마르게 되고, 이로 인해 단위 체적당 표면 면적이 증가하면서 미세 입자가 집합체를 형성한다. 상술된 직경 0.3㎛ 정도의 연마 입자가 미세 입자로서 사용될 때, 이들은 미세 연마 입자의 구형 집합체로써 형성되는데, 이 집합체는 직경이 5~100㎛이다. 이 스프레이 건조 방법에 따르면, 농축, 여과, 분쇄, 분류 및 건조등의 일련의 단계들은 한 스트로크에 즉각적으로 수행 가능하고, 이것에 의해 덩어리 집합체가 미세 입자들로부터 쉽게 형성된다. 스프레이 건조 방법은 미세 연마 입자의 제립화(granulation)뿐만 아니라, 캡슐내 미세 연마 입자의 밀봉에도 적용 가능하고, 화학약제의 캡슐화는 스프레이 건조와 동일한 원리에 의해 수행될 수 있다.
도 2는 상술된 스프레이 건조 방법에 의한 제립화에 바람직한 스프레이 건조기에 대한 예시를 나타낸다. 뜨거운 공기가 배관(37)을 거쳐 스프레이 건조기 본체(31)로 들어가고, 이것에 의해 본체(31)내에 나선형 흐름(43)이 형성된다. 공기는 공기 필터(33)를 통과하여 송풍기(34)에 의해 제공되고, 뜨거운 공기를 얻기 위해 히터(35)로 가열되며, 이 뜨거운 공기는 필터(36)를 통해 본체(31)내로 공급된다. 미세 제립기(32)는 나선형으로 소용돌이 치는 뜨거운 공기속으로 미세 연마 입자들의 서스펜션을 공급하고, 이것에 의해 상술한 연마 입자 집합체를 형성한다. 그 결과로써 생성된 연마 입자 집합체는 본체(31) 밑쪽에 배치된 컨테이너(42a)로 들어가거나 배관(38)을 통해 사이클론(39)에 의해 스크리닝된 후, 아래쪽에 위치한 챔버(42b)속으로 들어간다. 대안적으로, 상기 집합체는 백 필터(bag filter)(40)에 의해 스크리닝된 후, 아래쪽에 위치한 챔버(42c)로 들어간다. 백 필터(40)를 통과한 뜨거운 공기는 배출기(41)에 의해 방출된다.
표면활성제의 캡슐화에 더하여, 완충제나 아민 등의 다른 폴리싱 보조제를 캡슐화하고 그러한 캡슐들이 공존하게 하는 것이 효과적이다. 만일 미리 혼합된다면 반응이 일어나면서 최소의 효과를 나타내지만, 폴리싱하기 바로 전에 혼합된다면 매우 우수한 효과를 얻는 것이 가능한 물질이 있다. 이러한 물질의 캡슐화는 폴리싱되는 동안에 화학약제의 방출 및 혼합이 가능해질 것이다. 따라서, 화학약제의 효과는 효과적으로 나타난다. 예를 들면, 과산화 수소의 수용액 및 알루미나 입자들은 구리의 폴리싱 바로 전에 혼합되는데, 이로 인해 폴리싱의 속도가 빨라진다.
드레싱에 의한 연마 입자의 자생 및 화학약제의 방출이 아래에 기술된다. 견고한 연마판을 사용한 폴리싱은 일반적으로 공정 특성을 개선시키며, 드레싱 후에는 빠른 폴리싱 속도를 가지지만 그 후에는 폴리싱 속도가 느려지는 경향이 있다. 이러한 사실로부터 알수 있는 바와 같이, 폴리싱 속도의 안정성이 문제된다. 만일 견고한 연마판의 사용으로 폴리싱될 표면에 자생 연마 입자들이 충분하게 공급된다면, 폴리싱 속도의 안정성은 개선될 수 있고, 패턴 의존성도 배제될 수 있다. 폴리싱될 표면에 자생 연마 입자들의 이러한 충분한 공급에 있어서는, 연마판 표면의 드레싱이 중요하다. 특히, 폴리싱과 함께 수행되는 소위 제자리 드레싱(in situ dressing)이 효과적이다. 드레싱의 방법은 연마포 또는 폴리싱 패드의 드레싱을 위해 지금까지 사용된 다이아몬드 드레서에 의해 가능하다. 대안적으로, 연마판 표면에 대한 열(뜨거운 공기 송풍 또는 적외선의 방사는 수지의 표면 상태가 열화되거나 변화되도록 변형시킴), 빛(자외선 등의 단파장 빛은 수지의 표면 상태가 열화되거나 변화되도록 변형시킴), 초음파, 또는 전류를 연마판의 표면 위에 적용하는 것은 바인더에 의해 제공된 결합을 약화시키거나 떨어지게 하고, 이것에 의해 연마판에 고정된 연마 입자 또는 화학약제가 방출된다.
보통의 연마판에 있어서, 자생 연마 입자들이 폴리싱될 표면 위에 많은 양으로 존재한다면, 폴리싱 속도는 증가한다. 이로 인해, 돌출부가 깎이면서 평평한 면이 얻어질 때 폴리싱의 진행이 정지되는 자가 정지기능이 구현될 수 없다. 한편, 본 발명의 연마판에 있어서는, 표면활성제의 공급으로 자가 정지기능을 실현하며, 폴리싱 속도의 안정성을 달성한다. 드레싱은 연마 입자들의 자생을 가능하게할 뿐만 아니라, 캡슐내에 밀봉된 표면활성제 또는 연마판내 고체 상태(캡슐없는)로 배치된 표면 활성제를 폴리싱될 표면에 공급한다. 표면활성제 뿐만 아니라 폴리싱에 필요한 다른 화학약제들도 그들 각각의 장점을 나타내기 위해 드레싱에 의해 유사하게 공급될 수 있다.
다음으로는, 연마판 생성 방법이 기술된다. 도 3A에 도시된 바와 같이, 연마 입자, 화학약제, 및 바인더로 구성된, 연마판을 위한 재료들은 회전하는 드럼 컨테이너(21)속에 충전되어 완전히 섞이게 된다. 이 경우, 연마 입자들은 보통의 연마 입자들이거나 스프레이 건조기에 의해 제립된, 미세 연마 입자들의 덩어리 연마 입자 집합체이다. 화학약제는 고체 입자 또는 캡슐화된 화학약제이다. 연마판 재료의 혼합은 회전식 드럼에 의한 수행될 필요는 없으며, 교반기 등의 적합한 혼합 방법에 의해 수행될 수 있다. 도 3B에는 연마 입자들, 화학약제 및 바인더의 파우더 혼합이 도시되어 있는데, 혼합 파우더(24)는 다이(22) 및 펀치(23)로 형성된 컨테이너 속에 넣어진다. 이 단계에서, 진공 벤팅(vacuum venting)이 수행된다. 진공 벤팅은 혼합된 파우더상의 공기 함유량을 줄이는 것이 가능하고, 적합한 공극률(보이드 비(void ratio))을 제공한다. 즉, 진공 벤팅은 강한 압력없이 적합한 공극률을 얻도록 하여, 캡슐의 파괴를 방지한다.
도 3C에 도시된 바와 같이 상부 펀치(25)가 설정되어 있고, 약 3 kgf/cm2의 압력으로 가압 후, 압력은 즉시 해제된다. 도 3D에서는 다이 받이(die receiver)(26)가 분리되고, 혼합 파우더(24)는 압축 성형을 위해 미리 정해진 압력으로 가압된다. 도 3E에서는 시스템이 거꾸로 돌려지고, 예비부하가 스프링에 의해 성형물(24a)에 부과되면서 스페이서(27)에 의해 다이(22)가 압축된다. 나아가, 도 3F에 도시된 바와 같이, 다이(22)가 밀려날 때, 펀치 위의 스프링이 효과적으로 작동되도록 스페이서(27)가 배치되면서, 성형물(24a)이 후퇴된다. 이와 같이 스프링 동작으로 인하여 성형물을 후퇴시키는 것은 결과로써 생기는 최종 연마판의 균열을 방지하기 위함이다.
마지막으로, 도 3G에서는 후퇴된 성형물(24a)이 진공 오븐에 위치한다. 예를 들어, 바인더로서 페놀수지가 사용될 때는, 페놀수지의 경화 온도인 180℃ 정도에서 성형물(24a)이 연소된다. 노(furnace)의 내부는 서서히 식고, 결과로써 생기는 최종 연마판(24b)이 꺼내진다. 상술된 이러한 공정에 따르면, 혼합된 파우더 내부로부터 공기를 제거하기 위해 진공 벤팅이 행해지고, 그 후 혼합된 파우더는 압축 성형된다. 따라서, 상대적으로 저압에서의 압축 성형이 가능해진다. 결론적으로, 캡슐의 파괴를 막을 수 있고, 화학약제를 포함한 연마판을 얻을 수 있다. 상기 진공 벤팅은 몰딩 컨테이너에 진공 배기구를 제공하고 진공 하에서 진공 배기구를 거쳐 공기를 배기시킴으로써 수행된다. 대안적으로, 상기 진공 벤팅은, 진공 컨테이너내에 몰딩 컨테이너 자체를 하우징하고, 진공 하에서 혼합된 파우더 몰딩을 위해 압력이 주어지는 동안 전체 진공 콘테이너로부터 공기가 배기됨으로써 수행될 수 도 있다.
도 4 및 도 5는 연마 입자와 고정된 화학약제를 구비한 본 발명의 연마판에 대한 또다른 구조적 예시를 나타낸다. 도 4는 바인더에 의해 함께 결합된 보통의 연마 입자로 구성되고, 연마판에 고정된 화학약제를 구비한 연마판을 나타낸다. 화학약제(12)는 표면활성제, 산화제, 환원제, 또는 폴리싱 보조제이다. 화학약제(12)로서, 고체 화학약제는 연마판내에 변하지않게 고정되고, 또는 액체 화학약제는 캡슐내에 밀봉되며 연마판내에 고정된다. 화학약제(12)는, 예를 들어 산화 세슘을 포함하는 연마입자(14) 및 페놀수지 등의 바인더(13)로 구성된 연마판에 위치하며 순수한 물이 폴리싱 중 윤활제 또는 냉각제로서 사용되어 화학적, 기계적 폴리싱이 다른 화학약제 없이도 수행될 수 있다. 게다가, 화학약제로서 표면-활성제를 사용함으로써 자가 정지기능이 가능해진다.
도 5는 2가지 형태의 연마 캡슐(15A 및 15B) 및 2가지 형태의 화학약제 캡슐(16A 및 16B)을 사용한 예시를 나타낸다. 연마 입자 캡슐(15A)에는, 예를 들어, 산화막의 폴리싱에 적합한 연마 입자(A)가 밀봉되어 있다. 화학약제 캡슐(16A)에는, 연마 입자(A)과 결합하여 사용되는 화학약제(A)가 밀봉되어 있다. 연마 입자 캡슐(15B)에는, 예를 들어, 금속막의 폴리싱에 적합한 연마 입자(B)이 밀봉되어 있다. 화학약제 캡슐(16B)에는, 연마 입자(B)와 결합하여 사용되는 화학약제(B)가 밀봉되어 있다. 연마 입자 캡슐(15A) 및 화학약제 캡슐(16A)은, 예를 들어 높은 pH를 갖는 액체내에서 파열되어 그들의 내용물을 방출한다. 또한, 연마 입자 캡슐(15B) 및 화학약제 캡슐(16B)은, 예를 들어 낮은 pH를 갖는 액체내에서 파열되어 그들의 내용물을 방출한다. 그러한 연마판에 의하면, 폴리싱하는 동안에 윤활제와 냉각제로서 제공된 액체의 pH에 적합한 캡슐로부터 연마 입자들과 화학약제 용액이 공급된다. 따라서, 단일의 연마판이, 예를 들어 산화막으로의 사용 및 금속막으로의 사용 등의 복수의 사용을 위해, 적합한 연마 입자들 및 화학약제 용액을 선택적으로 공급할 수 있다.
도 6A 및 6B는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸다. 연마판(10)은 각각 연마 입자와 화학약제 및 폴리싱 보조제의 혼합물을 포함하는 고정된 캡슐(17)을 가진다. 이러한 재료들의 캡슐화에 있어서, 도시된 바와 같이, 캡슐은 구형상이거나 타원형의 회전체(즉 회전 타원체)로 되어 있다. 회전 타원체(17)는 도 6A와 같이 회전 타원체의 긴 쪽이 폴리싱될 표면에 수직으로 위치하거나, 도 6B와 같이 회전 타원체의 짧은 쪽이 폴리싱될 표면에 수직으로 위치될 수 있다. 도 6A에 도시된 바와 같이, 폴리싱될 표면에 회전 타원체의 긴 쪽이 수직으로 위치함으로써, 연마 입자, 화학약제 및 폴리싱 보조제로 구성되는 캡슐(17)의 내용물은 폴리싱될 표면에 서서히 공급될 수 있다. 도 6B에 도시된 바와 같이, 폴리싱될 표면에 회전 타원체의 짧은 쪽이 수직으로 위치함으로써, 연마 입자, 화학약제 및 폴리싱 보조제로 구성되는 캡슐의 내용물은 폴리싱될 표면에 급속히 공급될 수 있다.
도 7A 및 도 7B는 본 발명의 연마판에 대한 또다른 실시예를 나타낸다. 이 연마판은 시트-모양 구성으로 교대로 배열된 층(18A) 및 층(18B)으로 구성되는데, 층(18A)은 그 안에 고정된 연마 입자를 가지며, 층(18B)은 그 안에 고정된 화학약제와 폴리싱 보조제를 갖는다. 연마 입자를 구비한 층(18A)은, 페놀 수지 등의 바인더로 고정된 산화 세슘 또는 알루미나 등의 보통의 연마 입자들로 구성되거나, 상술된 미세 연마 입자로부터 덩어리 형태로 제립된 미세 연마 입자 집합체로 구성될 수 있다. 화학약제 및 폴리싱 보조제를 구비한 층(18B)은 페놀 수지 등의 바인더로 유사하게 고정된 고체 화학약제 및 고체 폴리싱 보조제로 구성되거나, 캡슐 내에 액체 화학약제 및 액체 폴리싱 보조제를 밀봉하고, 바인더로 이러한 캡슐들을 고정함으로써 형성된 층이다. 도 7A에 도시된 바와 같이, 시트-모양 층(18A 및 18B)이 폴리싱될 표면에 수직으로 위치할 때, 연마 입자, 화학약제 및 폴리싱 보조제는 폴리싱이 진행됨에 따라 각각의 층들로부터 폴리싱될 표면으로 균일하게 공급될 수 있고, 이러한 물질들은 폴리싱을 수행하기 위해 혼합된다. 도 7B에 도시된 바와 같이, 연마 입자 층(18A)과 화학약제/폴리싱 보조제 층(18B)이 폴리싱될 표면에 평행할 때, 연마 입자들과 화학약제/폴리싱 보조제는 폴리싱이 진행됨에 따라 폴리싱될 표면에 연속적으로 공급된다.
비록 본 발명에서는 임의의 바람직한 실시예를 도시하고 자세하게 기술하였지만, 첨부된 청구범위의 범위에서 벗어나지 않는 다양한 변형예 및 실시예가 가능하다는 것은 명백하다.
본 발명에 따른 연마판에 의하면 폴리싱될 다양한 대상물에 대해서 만족스러운 속도의 안정성, 단계특성 및 자가 정지기능을 얻을 수 있다.

Claims (13)

  1. 연마제 고정형 폴리싱 도구로서,
    연마 입자;
    화학약제; 및
    연마 입자와 화학약제를 함께 결합하기 위한 바인더를 포함하는 것을 특징으로 하는 도구.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연마 입자들이 연마 입자 집합체를 형성하는 것을 특징으로 하는 도구.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 연마 입자들이 캡슐 내에 밀봉되는 것을 특징으로 하는 도구.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 연마 입자 집합체는 캡슐 내에 밀봉되는 것을 특징으로 하는 도구.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 화학약제가 캡슐 내에 밀봉되는 것을 특징으로 하는 도구.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 연마제 고정형 폴리싱 도구는,
    화학약제와 연마 입자 중 적어도 하나가 밀봉되는 적어도 한 종류의 캡슐을 포함하는 것을 특징으로 하는 도구.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 연마제 고정형 폴리싱 도구가,
    복수개 형태의 물질이 밀봉되는 한 종류의 캡슐을 포함하는 것을 특징으로 하는 도구.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 연마제 고정형 폴리싱 도구는,
    복수개 형태의 물질이 밀봉되어 있는 복수개 형태의 캡슐을 포함하는 것을 특징으로 하는 도구.
  9. 연마제 고정형 폴리싱 도구를 사용하여 기판을 폴리싱하는 방법으로서,
    상기 연마제 고정형 폴리싱 도구는,
    연마 입자;
    화학약제; 및
    연마 입자와 화학약제를 함께 결합하기 위한 바인더를 포함하여 이루어지고,
    폴리싱 처리 전 또는 처리시, 상기 연마제 고정형 폴리싱 도구의 연마 표면 위에 상기 연마 입자와 화학약제가 함께 공급되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 연마 입자와 화학약제가 주로 폴리싱 처리 전 또는 처리되는 동안의 드레싱에 의해 상기 연마제 고정형 폴리싱 도구로부터 방출되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 연마 입자가 상기 연마제 고정형 폴리싱 도구 내에 고정된 연마 입자 집합체로부터 방출되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 화학약제가 상기 연마제 고정형 폴리싱 도구 내에 고정된 캡슐로부터 공급되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 화학약제가 표면 활성제인 것을 특징으로 하는 방법.
KR1020000044887A 1999-08-02 2000-08-02 연마제 고정형 폴리싱 도구 KR20010049979A (ko)

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