KR20010071803A - 반도체 기판용 연마 패드 - Google Patents

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KR20010071803A
KR20010071803A KR1020017000333A KR20017000333A KR20010071803A KR 20010071803 A KR20010071803 A KR 20010071803A KR 1020017000333 A KR1020017000333 A KR 1020017000333A KR 20017000333 A KR20017000333 A KR 20017000333A KR 20010071803 A KR20010071803 A KR 20010071803A
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polishing
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스리람 피. 안저
롤란드 케이. 세빌라
프랭크 비. 코프만
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에이취. 캐롤 번스타인
캐보트 마이크로일렉트로닉스 코포레이션
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Abstract

본 발명은 합성 수지의 소결 입자를 갖는 개방 기포 다공질 기판을 포함하는 반도체 웨이퍼를 연마하기 위한 연마 패드에 관한 것이다. 다공질 기판은 모관로의 균일하고, 연속적인 구불구불한 연속 네트워크이다. 다공질 기판의 기공은 패드 연마 성능을 향상시키는 약 5 내지 약 100 미크론의 평균 기공 직경을 갖는다.

Description

반도체 기판용 연마 패드 {Polishing Pads for a Semiconductor Substrate}
규소 또는 갈륨 비소화물 웨이퍼와 같은 반도체 웨이퍼는 전형적으로 다수의 집적 회로가 형성되는 기판을 포함한다. 집적 회로는 기판 내의 영역 및 기판 위의 층을 패턴화함으로써 기판에 화학적 및 물리적으로 집적된다. 그 층은 일반적으로 전도성, 절연성 또는 반전도성을 갖는 재료로 형성된다. 소자가 고수율을 갖도록 하기 위해서는 편평한 반도체 웨이퍼로 시작하는 것이 중요하며, 따라서 종종 반도체 웨이퍼를 연마할 필요가 있다. 소자 제작의 공정 단계가 평면상이 아닌 웨이퍼 표면 상에서 수행된다면, 각종 문제가 발생하여 많은 소자가 실행불가능하게 될 수 있다. 예를 들면, 현대의 반도체 집적 회로를 제작할 때에, 미리 형성된 구조체 위에 반도체 라인 또는 유사한 구조체를 형성할 필요가 있다. 그러나, 이전의 표면 형성이 종종 웨이퍼의 상부 표면 형태를 고르지 못한 높이의 융기가 있는 아주 불규칙한 면, 트러프 (trough), 트렌치 (trench) 및 다른 유사한 유형의 표면불규칙성을 남게 두게 된다. 그러한 표면의 전체적인 평탄화는 제작 공정의 일련의 단계 중에 임의의 불규칙성 및 표면 결함을 제거하는 것 뿐만 아니라 사진평판 중에 초점 깊이를 적절하게 하는 것을 필요로 한다.
웨이퍼 표면을 평탄하게 하는 몇가지 기술이 있긴 하지만, 화학 물리적 평탄화 또는 연마 기술을 이용하는 방법이 수율, 성능 및 신뢰성을 개선시키기 위해 소자 제작의 각종 단계 중에 웨이퍼의 표면을 평탄화하는데 폭넓게 사용되어 왔다. 일반적으로, 화학 기계적 연마 ("CMP")는 통상의 전형적으로 화학적으로 활성이 있는 연마 슬러리로 포화된 연마 패드에 의한 제어된 하향 압력 하의 웨이퍼의 원 운동을 포함한다.
CMP와 같은 연마 용도에 이용가능한 전형적인 연마 패드는 연질 및 경질의 패드 재료를 이용하여 제조되며 중합체-함침포; 미공질 필름 및 기포 중합체 포옴의 3가지 군으로 분류될 수 있다. 예를 들면, 폴리에스테르 부직포에 함침된 폴리우레탄 수지를 함유하는 패드는 제1군의 예이다. 도 1 및 2에 예시된 그러한 패드는 통상적으로 직물의 연속 롤 또는 웹을 준비하고; 직물을 중합체, 일반적으로 폴리우레탄으로 함침시키고; 중합체를 경화시키고; 패드를 소정의 두께 및 측면 치수로 절단하고, 분할하고 버핑시킴으로써 제조된다.
제2군의 연마 패드는 도 3 및 4에 나타내어져 있으며 그것은 종종 제1군의 함침포이기도 한 기재 상에 코팅된 미공질 우레탄 필름으로 이루어져 있다. 이러한 다공질 필름은 일련의 수직 배향된 유저 (有底) 원통형 기공으로 구성되어 있다.
제3군의 연마 패드는 3차원 모두로 무작위적으로 균일하게 분포된 벌크 다공성을 갖는 독립 기포 중합체 포옴이다. 그러한 패드의 예는 도 5 및 6에 나타내어져 있다. 독립 기포 중합체 포옴의 기공율은 전형적으로 불연속적이므로 벌크 슬러리 수송을 방해한다. 슬러리 수송이 필요한 경우, 패드는 인공적으로 채널, 홈 또는 천공을 갖도록 텍스쳐되어 연마 중에 측면 슬러리 수송이 개선된다. 이 3가지 주요 군의 연마 패드, 그의 이점 및 단점에 대한 좀더 상세한 논의는 본원에 참고로 인용된 국제 공보 WO 96/15887호를 참조하면 된다. 연마 패드의 다른 대표적인 예는 역시 본원에 참고로 인용된 미국 특허 제4,728,552호, 4,841,680호, 4,927,432호, 4,954,141호, 5,020,283호, 5,197,999호, 5,212,910호, 5,297,364호, 5,394,655호 및 5,489,233호에 기재되어 있다.
효과적인 평탄화를 위한 CMP 및 다른 연마 기술을 위하여, 연마 표면으로의 슬러리 전달 및 분포는 중요하다. 많은 연마 방법, 특히 고회전 속도 또는 압력에서 작동하는 것의 경우, 연마 패드에 대한 부적절한 슬러리 유동은 불균일한 연마 속도, 기판 또는 제품에 대한 불량한 표면 품질 또는 연마 패드의 열화를 일으킬 수 있다. 그 결과, 슬러리 전달을 개선시키기 위한 각종 노력이 기울여져 왔다. 예를 들면, 미국 특허 제5,489,233호 (Cook 등)는 크고 작은 유동 채널의 사용이 고상 연마 패드의 표면에 대한 슬러리의 수송을 가능하게 한다고 설명한다. 미국 특허 제5,533,923호 (Shamouillian 등)는 연마 패드의 적어도 일부를 통해 통과하는 도관을 포함하도록 제작된 연마 패드가 연마 슬러리의 유동을 가능하게 한다고 설명한다. 마찬가지로, 미국 특허 제5,554,064호 (Breivogel 등)는 패드 표면에대해 슬러리를 분포시키기 위해 이격된 호올을 함유하는 연마 패드를 기재하고 있다. 또한, 미국 특허 제5,562,530호 (Runnel 등)는 패드 상에 웨이퍼를 유지하는 강하력이 최소값 (즉, 웨이퍼와 패드 사이의 공간으로 슬러리가 흐름)과 최대값 (웨이퍼 표면을 부식시키기 위해 패드의 마모성을 고려하여 스퀴즈 아웃되는 슬러리) 사이를 주기적으로 순환하도록 하는 펄스 강요 시스템을 개시하였다. 미국 특허 제5,489,233호, 5,533,923호, 5,554,064호 및 5,562,530호는 각각 본원에 참고로 인용되어 있다.
공지된 연마 패드가 의도된 목적에 적합하긴 하지만, 특히, CMP 방법에 사용하기 위한 IC 기판에 대한 효과적인 평탄화를 제공하는 개선된 연마 패드를 여전히 필요로 하고 있다. 또한, 개선된 연마 효능 (즉, 증가된 제거 속도), 개선된 슬러리 전달 (즉, 패드의 모든 방향을 통한 슬러리의 고도의 균일한 투과성), 부식성 에칭제에 대한 개선된 내성 및 기판에 대한 국한된 균일성을 갖는 연마 패드가 필요하다. 또한, 다중 패드 상태조절 방법에 의해 상태조절될 수 있고 교체되어야 하기 전에 여러번 재상태 조절될 수 있는 연마 패드를 필요로 한다.
발명의 요약
본 발명은 합성 수지의 소결 입자를 갖는 개방 기포 다공질 기판을 포함하는 연마 패드에 관한 것이다. 다공질 기판은 모관로의 균일하고, 연속적인 구불구불한 연속 네트워크에 의해 특징지워진다.
본 발명은 또한 상부 표면 및 하부 표면을 가지며 개방 기포이고 하부 표면 상에는 표피층을 갖지만 상부 표면 상에는 갖지 않으며, 상기 기포가 하부 표면 표피층에 도달할 때까지 상부 표면에서부터 패드 전체에 연접되어 있는 연마 패드에 관한 것이다.
본 발명은 또한 물, 산 또는 알칼리의 존재하에 팽윤하지 않으며, 패드 상부 표면이 쉽게 습윤성이 될 수 있는 연마 패드에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 연마 슬러리에 대해 거의 불침투성인 하부 표면을 갖는 연마 패드이다.
또한, 본 발명은 낮은 비균일성을 갖고 고속으로 IC 웨이퍼를 연마할 수 있는 평균 기공 직경을 갖는 연마 패드이다.
또한, 본 발명은 개선된 패드/접착제 계면을 갖는 연마 패드이다.
본 발명의 연마 패드는 각종 연마 용도, 특히 화학 기계적 연마 용도에 유용하며 최소의 스크래칭 및 결함을 갖는 효과적인 연마를 제공한다. 통상의 연마 패드와는 다르게, 본 발명의 연마 패드는 각종 연마 단상 위에서 사용될 수 있으며, 제어가능한 슬러리 이동성을 보장하며 특정 용도에 대한 반도체 제조 방법의 제어 및 연마 성능에 직접 영향을 미치는 양을 한정할 수 있는 속성을 제공한다.
특히, 본 발명의 연마 패드는 통상의 연마 슬러리 및 장치와 관련하여 IC 제작의 각종 단계 중에 사용될 수 있다. 패드는 그 표면에 대해 균일한 슬러리 유동을 유지하기 위한 수단을 제공한다.
한 실시태양에서, 본 발명은 연마 패드 기판이다. 연마 패드 기판은 열가소성 수지의 소결 입자를 포함한다. 연마 패드 기판은 상부 표면 및 하부 표면 표피층을 포함하며, 그 패드 상부 표면은 패드 표피층의 평균 비버핑 표면 조도 보다큰 평균 비버핑 표면 조도를 갖는다.
다른 실시태양에서, 본 발명은 상부 표면, 표피층을 갖는 하부 표면, 30 내지 125 mil의 두께, 0.60 내지 0.95 gm/㏄의 밀도, 15 내지 70%의 기공율, 1 내지 50 미크론의 평균 상부 표면 조도 및 상부 표면의 평균 표면 조도 보다 작으며 20 미크론 미만인 평균 하부 표면 표피층 조도를 갖는 소결 우레탄 수지 연마 패드 기판이다.
또다른 실시태양에서, 본 발명은 연마 패드이다. 그 연마 패드는 열가소성 수지의 소결 입자를 포함하는 연마 패드 기판을 포함한다. 연마 패드 기판은 상부 표면 및 하부 표면 표피층을 가지며, 그 패드 상부 표면은 패드 하부 표면의 평균 비버핑 표면 조도 보다 큰 평균 비버핑 표면 조도를 갖는다. 연마 패드는 또한 이면 시트, 및 이면 시트와 하부 표면 표피층 사이에 위치한 접착제를 포함한다.
본 발명은 반도체 기판, 웨이퍼, 야금술 샘플, 메모리 디스크 표면, 광학 부품, 렌즈, 웨이퍼 마스크 등의 분쇄, 랩핑, 성형 및 연마에 사용되는 연마 패드에 관한 것이다. 더욱 특별하게는, 본 발명은 반도체 기판의 화학 기계적 연마에 사용되는 연마 패드 및 그의 사용 방법에 관한 것이다.
도 1은 선행 기술의 시판되는 중합체 함침된 연마 패드의 정면도의 100x 배율의 주사 전자 현미경사진 (SEM)이다.
도 2는 선행 기술의 시판되는 중합체 함침된 연마 패드의 단면도의 100x 배율의 SEM이다.
도 3은 선행 기술의 시판되는 미공질 필름 타입 연마 패드의 정면도의 100x 배율의 SEM이다.
도 4는 선행 기술의 시판되는 미공질 필름 타입 연마 패드의 단면도의 100x 배율의 SEM이다.
도 5는 선행 기술의 시판되는 기포 중합체 포옴 타입 연마 패드의 정면도의 100x 배율의 SEM이다.
도 6은 선행 기술의 시판되는 기포 중합체 포옴 타입 연마 패드의 단면도의 100x 배율의 SEM이다.
도 7은 금형 소결법으로 12-14 mil 우레탄 수지 구체로 제조된 소결 열가소성 수지 연마 패드의 정면도의 35x 배율의 SEM이다.
도 8은 도 7의 연마 패드의 단면도의 35x 배율의 SEM이다.
도 9는 본 발명의 연마 패드의 다른 실시태양의 정면도의 100x 배율의 SEM이다.
도 10은 약 200 메쉬 내지 약 100 메쉬의 입도를 갖는 우레탄 수지를 이용하여 금형 소결법으로 제조된 본 발명의 소결 연마 패드의 단면도의 SEM이다. 패드의 상부는 현미경사진의 상부에 나타나 있고 패드의 하부 표면 표피 부분은 SEM 현미경사진의 하부에 있다. SEM 현미경사진은 60x 배율로 찍은 것이다.
도 11은 200 메쉬 보다 작고 50 메쉬 보다 큰 입도를 갖는 우레탄 입자를 이용하여 벨트 소결법으로 제조된 본 발명의 소결 우레탄 수지 연마 패드의 단면도의 SEM이며, 그 SEM은 50x 배율로 찍은 것이다.
도 12A 및 12B는 버핑된 상부 표면을 갖는 본 발명의 소결 우레탄 열가소성 수지 연마 패드의 상부의 측단면도의 SEM이며, 그 SEM은 150x 배율이다. 도 12A 및 12B에 나타낸 패드는 둘다 200 메쉬 보다 작고 50 메쉬 보다 큰 크기를 갖는 우레탄 열가소성 입자를 이용하여 벨트 소결법으로 제조되었다. 연마 패드의 표면은100 미크론 미만 조도의 폴리에스테르 지지된 마모성 벨트를 이용하는 넓은 벨트 샌더를 이용하여 버핑되었다.
도 13A 및 13B는 약 200 메쉬 내지 약 100 메쉬의 입도를 가진 우레탄 입자를 사용하여 금형 소결법으로 제조된 본 발명의 소결 우레탄 수지 연마 패드의 상부 표면 및 하부 표면의 오버헤드 SEM이다.
도 14는 연마 이후의 텅스텐 웨이퍼 균일성에 대한 소결 우레탄 패드 평균 기공 직경의 효과를 나타내는 플롯이며, X축은 미크론 단위의 평균 패드 기공 직경을 나타내고 Y축은 % 단위의 텅스텐 웨이퍼의 웨이퍼내 비균일성 (WIWNU)을 나타낸다.
도 15는 변동 평균 기공 직경을 갖는 몇가지 소결 우레탄 연마 패드에 대한 텅스텐 웨이퍼 텅스텐 제거 속도의 플롯이며, X축은 미크론 단위의 평균 패드 기공 직경을 나타내고 Y축은 Å/분 단위의 텅스텐 제거 속도를 나타낸다.
본 발명은 합성 수지의 소결 입자를 포함하는 개방 기포 다공질 기판을 포함하는 연마 패드에 관한 것이다. 기판의 기공은 모관로의 균일하고, 연속적인 구불구불한 연속 네트워크에 의해 특징지워진다. "연속적"이란 저압 소결법 중에 거의 불침투성인 하부 표면 표피층이 형성된 하부 표면을 제외하고는 패드 전체에 걸쳐 기공이 연결된 것을 의미한다. 다공질 연마 패드 기판은 기공이 현미경으로만 볼수 있을 정도로 작은 미공질이다. 또한, 기공은 도 7 내지 13에 예시된 바와 같이 모든 방향으로 패드 전체에 분포된다. 또한, 패드 상부 표면은 쉽게 습윤성이 되며, 바람직한 우레탄 열가소성 수지로부터 제조될 때, 연마 패드는 물, 산 또는 알칼리의 존재하에 팽윤되지 않는다. 또한, 패드는 조성물에서 균질성이 되도록 단일 재료로 제조되는 것이 바람직하며 미반응 열가소성 전구체 화합물을 함유하지 않아야 한다.
본 발명의 연마 패드 기판은 기판의 소정의 기공 크기, 다공도, 밀도 및 두께를 얻기 위하여 대기압을 넘는 최소의 또는 넘지 않는 압력을 가하는 열가소성 수지 소결법을 이용하여 제조된다. "최소의 또는 넘지 않는 압력"이란 용어는 90 psi 미만이거나 동일한, 바람직하게는 10 psi 미만이거나 동일한 것을 의미한다. 열가소성 수지는 거의 주위 압력 조건에서 소결되는 것이 가장 바람직하다. 사용된 합성 수지의 유형 및 크기에 따라서 다르긴 하지만, 연마 패드 기판은 1 ㎛ 내지 1000 ㎛의 평균 기공 직경을 가질 수 있다. 전형적으로, 연마 패드 기판의 평균 기공 직경은 약 5 내지 약 150 ㎛일것이다. 또한, 약 15% 내지 약 70%, 바람직하게는 25% 내지 50%의 다공도, 즉 기공율은 사용시에 필요한 범용성 및 내구성을 갖는 허용되는 연마 패드를 생산하는 것으로 밝혀졌다.
본 발명자는 이제 약 5 미크론 내지 약 100 미크론, 가장 바람직하게는 약 10 미크론 내지 약 70 미크론의 평균 기공 직경을 갖는 소결 우레탄 패드가 IC 웨이퍼를 연마하는데 우수하며 표면 불량율이 아주 적은 연마된 웨이퍼를 제공한다는 것을 확인하였다. 중요한 연마된 웨이퍼 표면 비균일성 품질 파라메터는 웨이퍼 내 비균일성 ("WIWNU")이다. 텅스텐 웨이퍼의 WIWNU는 %로서 보고된다. 그것은 웨이퍼에 대한 제거 속도의 표준 편차를 평균 제거 속도로 나누어 계산되고 그 계수는 100으로 곱해진다. 제거 속도는 3 ㎜ 연부를 제외하고는 웨이퍼의 직경을 따라 49 포인트에서 측정되었다. 그 측정은 KLA-텐코르 (Tencor)에 의해 제조된 텐코르 RS75 상에서 이루어졌다. 약 5 미크론 내지 약 100 미크론의 평균 기공 직경을 가진 본 발명의 소결 패드는 텅스텐 웨이퍼를 연마하여 약 10% 미만, 바람직하게는 약 5% 미만, 가장 바람직하게는 약 3% 미만의 텅스텐 WIWNU를 갖는 연마된 웨이퍼를 제공할 수 있다.
용어 "텅스텐 WIWNU"는 캐보트 코포레이션 (Cabot Corp.; Aurora, Illinois 소재)에 의해 제조된 세미-스퍼스 (Semi-Sperse) (등록상표) W2000 슬러리로 1분 동안 IPEC/가아드 (Gaard) 676/1 오라클 (oracle) 기계를 이용하여 본 발명의 연마 패드로 연마된 텅스텐 시트 또는 블랭킷 웨이퍼의 WIWNU를 의미한다. 그 기계는 4 psi의 강하력, 280 rpm의 오르비탈 속도, 130 mL/분의 슬러리 유량, -0.1 psi의 델타 P 및 0.93 inch의 연부 간극에서 작동되었다.
본 발명의 소결 연마 패드의 다른 중요한 파라메터는 웨이비니스 (waviness)로서 알려져 있다. 웨이비니스 (Wt)는 표면 웨이비니스의 최대 피이크에서 트러프 높이까지의 측도이다. 웨이비니스 피이크와 트러프 사이의 거리는 표면 조도를 결정하기 위해 측정된 개개의 피이크와 트러프 사이의 거리 보다 크다. 따라서, 웨이비니스는 본 발명의 패드의 표면 윤곽의 균일성의 측도이다. 본 발명의 바람직한 연마 패드는 약 100 미크론 미만, 가장 바람직하게는 약 35 미크론 미만의 표면 웨이비니스를 가질 것이다.
광범위한 통상의 열가소성 수지는 수지가 소결법을 이용하여 개방 기포 기판으로 형성될 수 있다면 본 발명에 사용될 수 있다. 유용한 열가소성 수지의 예로는 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 나일론, 플루오로카본, 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 폴리아크릴레이트, 폴리에테르, 폴리에틸렌, 폴리아미드, 폴리우레탄, 폴리스티렌, 폴리프로필렌 등 및 그의 혼합물을 들 수가 있다. 전형적으로, 수지는 본질적으로 친수성이거나 또는 계면활성제, 분산보조제 또는 다른 적합한 수단의 첨가에 의해 친수성이 될 수 있다. 사용된 열가소성 수지는 열가소성 수지 폴리우레탄을 필수적으로 함유하는 것이 바람직하다. 바람직한 우레탄 열가소성 수지는 바이엘 코포레이션 (Bayer Corporation)에 의해 제조되는 텍신 (Texin) 우레탄 열가소성 수지이다. 바람직하게 사용되는 텍신 우레탄 열가소성 수지는 텍신 970u 및 텍신 950u이다.
소결 전에 열가소성 수지 입자의 입도 (예를 들면, 초미세, 미세, 중간, 조대 등) 및 형태 (즉, 불규칙, 구형, 원형, 박편 또는 그의 혼합 및 복합 형태)를 이용하는 것은 중합체 매트릭스의 특징을 변화시키기 위한 유용한 수단이다. 열가소성 수지 입자가 클 때, 그 입자는 적합한 크기 감소 기술, 예를 들면 기계적 분쇄, 젯-밀링, 볼-밀링, 스크리닝, 분급 등을 이용하여 소정 입도의 분말로 분쇄될 수 있다. 열가소성 수지의 블렌드를 사용할 때, 당 업계의 숙련인은 블렌드의 성분의 비가 최종 제품에서 원하는 기공 구조를 얻도록 조정될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들면, 제1 성분의 비율을 증가시켜 더 작은 기공 크기를 갖는 제품을 생산할 수 있다. 수지 성분의 블렌딩은 시판되는 혼합기, 블렌더 및 유사한장치를 이용하여 이루어질 수 있다.
원하는 연마 패드 물리적 성질을 얻기 위하여, 소결법에 사용되는 열가소성 수지의 입도는 약 50 메쉬 미만이고 200 메쉬를 초과해야 하며, 더욱 바람직하게는 80 메쉬 미만이고 200 메쉬를 초과해야 한다. 거의 모든 열가소성 수지 입자가 100 메쉬 미만이고 200 메쉬를 초과하는 크기 범위를 갖는 것이 가장 바람직하다. "거의 모든"이란 열가소성 수지 입자의 95 중량%가 크기 범위내에 들고, 가장 바람직하게는 열가소성 수지 입자의 99% 이상이 가장 바람직한 크기 범위내에 드는 것을 의미한다.
한 실시태양에서, 저밀도의 약 강성의 기판이 필요할 때, 선택되는 합성 수지 입자는 형태가 아주 불규칙하다. 불규칙한 형태의 입자의 사용은 입자가 밀집 충전되게 함으로써 다공질 기판 내에 예를 들면 30% 이상의 고기공율을 제공하는 것으로 생각된다. 다른 실시태양에서, 더 높은 밀도의 더 강성인 연마 패드 기판이 필요할 때, 열가소성 수지 입자는 가능한 한 구형으로 밀집되어야 한다. 더욱 바람직한 실시태양에서, 합성 수지 입자는 40 내지 90의 벌크 쇼어 D 경도를 갖는다.
소결법에서 열가소성 수지 입자를 사용하여 생산된 본 발명의 연마 패드/기판은 CMP법에서 효과적인 슬러리 제어 및 분포, 연마 속도 및 품질 (예를 들면, 적은 결함, 스크래칭 등)을 제공하는 것으로 밝혀졌다. 더욱 바람직한 실시태양에서, 합성 수지 입자는 불규칙한 또는 구의 형태 및 45 내지 75의 벌크 쇼어 D 경도를 갖는 폴리우레탄 열가소성 수지 입자이다. 그러한 입자로부터 생산된 연마 패드 기판은 전형적으로 55 내지 약 98, 바람직하게는 85 내지 95의 쇼어 A 경도를 갖는다. 연마 패드 기판은 허용되는 CMP 연마 속도 및 집적 회로 웨이퍼 표면 품질을 나타내는 것으로 밝혀졌다.
또한, 연마 패드의 구조와 패드 유도된 결함 및 스크래치를 최소화하면서 일정한 허용 제거 속도를 제공하는 능력 사이에 상관 관계가 있는 것으로 밝혀졌다. 그러한 상관 관계에 중요한 것은, 실시예 1에 절차가 기재되어 있는 동적 슬러리 용량 시험에 의해 결정되는 바와 같이, 수직 유통 투과성 및 연마 패드 상에 잔류하는 연마 슬러리의 양이다. 유통 투과성은 실시예 1에 기재된 절차에 의해 결정되는 바와 같이 패드를 통해 흐르는 연마 슬러리의 양에 의해 정의된다.
본 발명의 연마 패드는 연속 벨트 또는 밀폐 금형 방법을 이용하는 당 업계에 공지된 통상의 소결 기술을 이용하여 제조될 수 있다. 그러한 밀폐 금형 기술 중의 하나는 본원에 참고로 인용된 미국 특허 제4,708,839호에 기재되어 있다. 밀폐 금형 소결법을 이용할 때, 소정의 입도 (예를 들면, 스크리닝된 메쉬 크기), 바람직하게는 80 메쉬 미만이고 200 메쉬를 초과하는 입도를 갖는 폴리우레탄 열가소성 수지와 같은 열가소성 수지는 원하는 정도로 미리 성형된 2개 구성 금형 공동의 하부에 놓여진다. 열가소성 수지는 금형으로 혼입되기 전에 분말화된 계면활성제와 임의로 혼합 또는 블렌딩되어 수지의 자유 유동 특성을 개선시킬 수 있다. 금형은 밀폐되고 그후에 수지가 금형 공동 전체에 고루 퍼지도록 진동된다. 금형 공동은 가열되어 입자가 함께 소결된다. 입자를 소결하기 위한 열 사이클은 일정한 시간 간격으로 정해진 온도까지 고루 금형을 가열시키고, 금형을 추가의 일정한 시간 동안 정해진 온도에서 유지하고 다음에 금형을 다른 정해진 시간 동안 실온으로 냉각시키는 것을 포함한다. 당 업계의 숙련인은 열 사이클이 재료 및 금형의 변화를 조절하도록 변화될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 금형은 마이크로파, 전기 또는 증기 가열된 열기 오븐, 가열 또는 냉각 판 등을 이용하는 것을 비롯한 각종 방법을 이용하여 가열될 수 있다. 소결 후에, 금형은 냉각되고 소결된 연마 패드 기판은 금형으로부터 제거된다. 열 사이클의 제어된 변형은 기공 구조 (크기 및 다공도), 소결율 및 최종 연마 패드 기판 재료의 다른 물리적 성질을 변화시키는데 이용될 수 있다.
본 발명의 소결 연마 패드 기판을 제조하는 바람직한 방법은 원하는 연마 패드 기판의 크기 및 물리적 성질에 따라 변화될 것이다. 바람직한 소결 조건을 설명하기 위하여, 연마 패드 기판은 2가지 크기, "대 패드" 및 "소 패드"로 구분될 것이다. 용어 "대 패드"는 12 inch 보다 크고 24 inch 이하 또는 그 이상의 외경을 갖는 연마 패드 기판을 의미한다. 용어 "소 패드"는 약 12 inch 이하의 외경을 갖는 연마 패드 기판을 의미한다.
본 발명의 모든 패드는 열가소성 수지 조성물을 이용하여 제조된다. 본 발명의 연마 패드 기판을 제조하는데 이용되는 소결법은 아래에 그 소결법에서 바람직한 우레탄 열가소성 수지를 이용하는 단락에서 설명될 것이다.
우레탄과 같은 열가소성 수지는 전형적으로 펠릿으로서 공급된다. 공급되는 바람직한 우레탄 열가소성 수지는 전형적으로 약 1/8" 내지 약 3/16"의 펠릿 크기를 갖는다. 우레탄 엘라스토머는 패드 제조 전에 분쇄되며, 바람직하게는 50 메쉬미만이고 200 메쉬를 초과하는 평균 입도로, 바람직하게는 약 80 메쉬 미만이고 200 메쉬를 초과하는 입도로 저온 분쇄된다. 일단 우레탄 열중합체의 원하는 입도가 얻어지면, 입자는 건조에 의해, 연마에 의해 또는 당 업계의 숙련인에게 공지된 임의의 다른 방법에 의해 더 가공될 수 있다.
분급된 우레탄 수지 입자는 대 및 소 연마 패드 기판을 제조하기 위한 소결 전에 그것이 1.0 중량% 미만의 습기를 함유할 때까지, 바람직하게는 약 0.05 중량% 미만의 습기를 함유할 때까지 건조되는 것이 바람직하다. 대 패드 제조를 위하여, 분쇄 입자는 또한 소결된 연마 패드 기판의 기공율을 감소시키고 밀도를 증가시키기 위하여 예리한 연부가 제거되도록 연마되는 것이 바람직하다.
위에 논의된 바와 같이, 표준 열가소성 소결 장치를 이용하여 본 발명의 연마 패드를 제조하였다. 형성된 연마 패드의 크기는 금형 크기에 좌우될 것이다. 전형적인 금형은 약 6 내지 약 36 inch 길이 및 폭, 바람직하게는 약 12 inch 또는 약 24 inch 길이 및 폭의 크기 범위의 정사각형 또는 직사격형 공동을 갖는 스테인레스강 또는 알루미늄으로 제조된 2개 구성 금형이다. 금형 소결법은 측정량의 분급된 미립상 우레탄 엘라스토머를 금형에 놓음으로써 개시된다. 다음에, 금형은 밀폐되고, 함께 볼트로 조여지고, 약 15초 내지 약 2분 또는 그 이상 동안 진동되어 우레탄 엘라스토머 입자 사이의 임의의 간극을 제거한다. 금형 진동 시간은 금형 크기가 증가함에 따라 증가할 것이다. 그러므로, 12 inch 금형은 약 15초 내지 약 45초의 시간 동안 진동될 것이며, 큰 24 inch 길이의 금형은 약 60초 내지 약 2분 또는 그 이상 동안 진동될 것으로 예상된다. 주형은 바람직하게는 금형 공동내부의 미립상 중합체 물질의 적당한 충전이 이루어지도록 그의 연부 상에서 진동된다.
다음에, 장진된 진동 금형은 적당히 소결된 연마 패드 기판을 형성하기에 충분한 시간 동안 소정의 온도에서 가열된다. 금형은 열가소성 수지 유리 전이 온도 이상의 온도 내지는 열가소성 수지 융점에 근접하고 될 수 있는 한 융점을 약간 넘는 온도로 가열되어야 한다. 금형은 사용된 열가소성 수지의 융점의 20 ℉ 미만 내지 20 ℉ 이상의 온도로 가열되는 것이 바람직하다. 가장 바람직하게는, 금형은 소결법에 사용되는 열가소성 수지의 융점 온도의 20 ℉ 미만 내지 융점과 거의 동등한 온도의 온도로 가열되어야 한다.
선택된 실제의 온도는 물론 사용되는 열가소성 수지에 따라 변화될 것이다. 예를 들면, 텍신 970u의 경우, 금형은 약 372 ℉ 내지 약 412 ℉, 바람직하게는 약 385 ℉ 내지 약 392 ℉의 온도로 가열되고 그 온도에서 유지되어야 한다. 또한, 본 발명에 따라 제조되는 연마 패드는 주위 압력에서 소결된다. 즉, 금형 공동 내의 압력을 증가시켜서 소결된 열가소성 생성물의 밀도를 증가시키는데 가스상 또는 기계적 방법이 필요치 않다.
금형은 표피층이 소결 중에 연마 패드 기판 하부 표면 위에 형성되도록 수평 위치에서 가열되어야 한다. 금형은 소정의 온도로 즉시 가열되지 않고, 약 3 내지 10분 또는 그 이상의 짧은 기간 동안, 바람직하게는 가열 공정 시작으로부터 약 4 내지 8분 내에 소정의 온도에 도달되도록 하여야 한다. 금형은 약 5분 내지 약 30분 또는 그 이상 동안, 바람직하게는 약 10분 내지 약 20분 동안 표적 온도에서 유지되어야 한다.
가열 단계의 완결 시에, 금형의 온도는 약 2분 내지 약 10분 또는 그 이상의 시간에 걸쳐 약 70 내지 120 ℉의 온도로 쉽게 감소된다. 다음에, 금형은 형성된 소결 연마 패드 기판이 금형으로부터 제거될 때 실온으로 냉각되어진다.
본 발명의 소결된 패드는 별법으로 벨트 라인 소결법을 이용하여 제조될 수 있다. 그러한 방법은 본원에 참고로 인용된 미국 특허 제3,835,212호에 기재되어 있다. 전형적으로, 연마 패드 기판의 크기가 커질수록, 눈에띄는 균일한 가시적인 외관을 나타내는 연마 패드 기판을 생산하기 위해 금형을 진동시키기가 더욱 더 어려워진다. 그러므로, 벨트 라인 소결법은 본 발명의 더 큰 연마 패드 기판의 제조에 바람직하다.
벨트 라인 소결법에서, 적당히 분급되고 건조된 열가소성 수지는 그 열가소성 수지의 융점 온도의 약 40 내지 80 ℉ 이상의 온도로 가열된 매끄러운 강철 벨트 상에 고루 장전된다. 분말은 판에 제한되지 않으며 그 판을 지지하는 벨트는 중합체가 약 5분 내지 약 25분 또는 그 이상, 바람직하게는 약 5 내지 15분의 시간 동안 표적 온도에 노출되도록 하는 일정한 속도로 열대류 오븐을 통해 연신된다. 형성된 소결 중합체 시트는 실온으로 급속히 냉각되며, 바람직하게는 오븐에서 나온 후에 약 2분 내지 7분 내에 실온에 도달한다.
별법으로, 본 발명의 소결 연마 패드는 연속 밀폐식 성형법으로 제조될 수 있다. 그러한 연속 밀폐식 금형 열가소성 소결법은 형성된 패드의 상부 표면 및 하부 표면을 제한하지만 형성된 패드 연부를 제한하지는 않는 금형을 이용한다.
하기 표 1은 상기 소결법에 의해 제조된 본 발명의 소결 연마 패드 기판의 물리적 성질을 요약한다.
성질 적당히 소결됨 최적
두께 - mil 30-125 35-70
밀도 - gm/㏄ 0.5-0.95 0.70-0.90
기공율 % - (Hg 포로시메터) 15-70 25-50
평균 기공 직경 (μ) (Hg 포로시메터) 1-1000 5-150
경도, 쇼어 A 55-98 85-95
파단점 신도 - % (12" 기판) 40-300 45-70
파단점 신도 - % (24" 기판) 50-300 60-150
테이버 마모 (㎎의 손실/1000 사이클) 500 미만 200 미만
압축 탄성율 - psi 250-11,000 7000-11,000
피이크 응력 -psi 500-2,500 750-2000
통기성 - ft3/시간 100-800 100-300
압축율 - % 0-10 0-10
탄성반발율 - % 25-100 50-85
평균 상부 표면 조도*(㎛) (비버핑됨) 4-50 4-20
평균 상부 표면 조도*(㎛) (버핑 후) 1-50 1-20
평균 하부 표면 표피 조도*(㎛) (비버핑됨) 10 미만 3-7
웨이비니스 (미크론) 100 35
* 휴대용 프로필로메터를 사용하여 측정됨
본 발명의 소결된 연마 패드 기판은 비버핑된 개방 기공 상부 표면 및 하부 표면 표피층을 갖는다. 하부 표면 표피층은 비버핑된 상부 표면 보다 덜 다공질이며, 따라서 더 매끄럽다 (덜 거칠다). 연마 패드 하부 표면 표피층은 비버핑된 패드 상부 표면 다공도 보다 25% 이상 작은 표면 다공도 (즉, 비버핑된 패드 상부 표면 상의 소결된 패드의 내부로 연장되는 개구의 면적)를 갖는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 연마 패드 하부 표면 표피는 연마 패드 상부 표면 다공도 보다 50% 이상 작은 표면 다공도를 갖는다. 연마 패드 하부 표면 표피층은 표면 다공도를 거의 갖지 않는 것이, 즉 연마 패드 하부 표피 면적의 10% 미만이 연마 패드 기판의 내부로 연장되는 개구 또는 기공으로 이루어진 것이 가장 바람직하다.
패드 하부 표면 표피층은 소결법 중에 형성되고 우레탄 엘라스토머가 하부 금형 표면과 접촉하는 곳에서 형성된다. 표피층 형성은 아마도 하부 금형 표면에서 더 높은 국한된 소결 온도로 인해 및(또는) 소결 입자에 대한 중력의 작용으로 인한 것이거나 또는 둘다로 인한 것일 수 있다. 도 10 내지 12는 각각 거의 폐쇄된 기공의 하부 표면 표피층을 포함하는 본 발명의 소결 패드의 단면 SEM이다.
본 발명은 하부 표면 표피층을 포함하는 연마 패드 기판을 포함하며, 또한 하부 표면 표피층이 제거된 연마 패드 기판을 포함한다. 하부 표면 표피층을 포함하는 연마 패드 기판은 반도체 제조에 유용하며, 그 결과 하부 표면이 연마 액체에 대해 거의 불침투성인 연마 패드를 형성하게 된다.
본 발명의 연마 패드 기판은 패드 기판의 하부 표면 표피층에 접착층을 접합시킴으로써 유용한 연마 패드로 제조된다. 접합체는 바람직하게는 접착제 및 제거가능한 이면을 포함한다. 패드가 접착 접합체와 결합될 때, 패드 상부 표면은 노출되고, 접착층은 패드 하부 표면 표피층과 결합되고 접착제는 패드 하부 표면 표피층과 이면 재료를 분리시킨다. 중합체 시트, 종이, 중합체 코팅지 및 복합체를 비롯한 이면 재료는 접착 접합체와 함께 유용한 임의 유형의 차단재일 수 있다. 접합체는 접착층으로, 이어서 마일러 (Mylar) 필름 층으로, 다음에는 제2 접착층으로 커버되는 이면 재료로 구성되는 것이 가장 바람직하다. 제2 접착층은 패드 하부 표면 표피층에 접한다. 가장 바람직한 접합체는 3M 코포레이션에 의해 제조된 444PC 또는 443PC이다.
연마 패드는 보호지 층을 제거함으로써 접착제가 노출되도록 사용된다. 그후에, 노출된 접착제를 연마기 테이블 또는 판의 표면 상에 결합시킴으로써 연마 패드는 연마기에 부착된다. 버핑되거나 또는 비버핑된 연마 패드 하부 표면의 낮은 표면 다공도는 연마 슬러리 및 다른 액체가 패드를 통해 투과하고 접착제 층과 접촉하는 것을 방지함으로써 연마 패드와 연마기 표면 사이의 접착층의 파괴를 최소화한다.
본 발명의 연마 패드는 부-패드를 사용하여 또는 사용하지 않고 연마기와 결합될 수 있다. 부-패드는 전형적으로 연마 패드와 함께 사용되어 연마 패드와 CMP를 실시하고 있는 집적 회로 웨이퍼 사이의 접촉의 균일성을 촉진시킨다. 부-패드가 사용된다면, 그것은 연마 패드 테이블 또는 판과 연마 패드 사이에 위치한다.
사용 전에, 소결된 연마 패드는 예를 들면 기판의 한 표면 또는 두 표면의 평탄화, 오염물을 제거하기 위한 세정, 박피, 텍스쳐링 및 연마 패드를 완성하고 상태 조절하기 위한 당 업계에 공지된 다른 기술을 비롯한 추가의 변환 및(또는) 상태 조절 단계를 겪을 수 있다. 예를 들면, 연마 패드는 하나 이상의 거시적 특징, 예를 들면 채널, 천공, 홈, 텍스쳐 및 연부 형태를 포함하도록 변형될 수 있다. 또한, 연마 패드는 향상된 기계적 작용 및 제거를 위하여 마모성 재료, 예를 들면 알루미나, 세리아, 게르마니아, 실리카, 티타니아, 지르코니아 및 그의 혼합물을 더 포함할 수 있다.
소 연마 패드 기판은 약 1/8" 내지 3/4", 바람직하게는 1/4"의 이격 거리를 갖는 패드 상부 면에 걸쳐 체커판 무늬 또는 다른 패턴으로 배향된 채널을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 채널은 연마 패드 기판의 깊이와 동등 내지는 거의 동일 내지는 그 깊이의 절반 정도의 깊이 및 약 20 내지 35 mil, 바람직하게는 약 25 mil의 폭을 가져야 한다. 본 발명의 큰 연마 패드 기판으로부터 제조된 연마 패드는 임의로 홈, 천공 등으로 변형된 표면일 수 있다.
사용 전에, 상부 패드 표면은 전형적으로 패드를 연마 슬러리에 대해 더욱 흡수성으로 만들기 위해 버핑된다. 패드는 당 업계의 숙련인에 의해 사용된 임의의 방법에 의해 버핑될 수 있다. 바람직한 버핑 방법에서, 본 발명의 연마 패드는 25 내지 약 100 미크론, 바람직하게는 약 60 미크론의 조도의 벨트를 가진 벨트 샌더를 사용하여 기계적으로 버핑되어 약 20 ㎛ 미만, 바람직하게는 약 2 내지 약 12 ㎛의 표면 조도 (Ra)를 갖는 연마 패드를 제공한다. 표면 조도, Ra는 조도 프로필의 절대 편차의 산술 평균으로서 정의된다.
패드 상부 표면 버핑은 일반적으로 접착 접합 전에 연마 패드 기판 상에서 수행된다. 버핑에 이어서, 연마 패드는 파편 세정되고 하부 (연마되지 않은 표면)는 패드 하부가 감압 접착제 접합체에 접합되기 전에 열, 코로나 등의 방법으로 처리된다. 다음에, 접착제 접합된 패드는 연마기 내에서 바로 사용될 수 있거나 또는 그것이 미리 변형되지 않았다면 상기한 바와 같이 홈이 내어지거나 또는 패턴화될 수 있다. 만일 착수된다면 홈을 내고 (또는) 패턴화하는 방법이 완결되자 마자, 패드는 다시 파편 세정되고 플라스틱 백과 같은 세정 포장 재료로 포장되며 이후 사용을 위해 저장된다.
접착제를 패드 하부 표면에 도포하기 전에 하부 표면 표피층을 기계적으로 버핑하는 것이 바람직하다. 하부 표면 표피층의 버핑은 패드에 대한 접착제의 접착력을 개선시키므로 비버핑된 하부 표피 표면을 가진 패드에 비해 패드/접착제 박리 강도가 개선된다. 하부 표면 버핑은 패드 하부 표면의 집결도를 혼란시킬 수 있는 임의의 방법에 의해 달성될 수 있다. 유용한 버핑 장치의 예는 강모 브러쉬, 샌더 및 벨트 샌더를 포함하며, 벨트 샌더가 바람직하다. 패드 하부 표면을 버핑시키는데 벨트 샌더가 사용된다면, 샌더에 사용되는 종이는 약 100 미크론 미만의 조도를 가져야 한다. 또한, 패드 하부 표면은 1회 또는 그 이상 버핑될 수 있다. 바람직한 실시태양에서, 버핑된 하부 표면을 포함한 본 발명의 소결된 연마 패드는 패드 상부 표면의 표면 다공도 보다 작은 하부 버퍼 표면 다공도를 가질 것이다.
버핑에 이어서, 버핑된 패드 상부 표면 및 하부 표면은 각각 브러쉬/진공 장치로 세정된다. 감압 후에, 감압된 표면은 버핑된 표면으로부터 잔류 입자의 대부분을 제거하기 위해 가압 공기로 취입된다.
사용하기 직전에, CMP 연마 패드는 전형적으로 CMP 슬러리를 패드에 도포하고 그후에 패드를 연마 조건에 노출시킴으로써 브레이크-인 (break-in)된다. 유용한 연마 패드 브레이크-인 방법의 예는 본원에 참고로 인용된 미국 특허 제5,611,943호 및 5,216,843호에 기재되어 있다.
본 발명은 또한 하나 이상의 본 발명의 연마 패드를 연마 슬러리의 존재하에 제품의 표면과 접촉시키는 단계 및 상기 표면과 관련된 상기 패드를 이동시키거나 또는 패드와 관련된 제품 단상을 이동시켜 상기 표면의 일정 부분을 제거하는 단계를 포함하는 제품 표면의 연마 방법을 포함한다. 본 발명의 연마 패드는 통상의 연마 슬러리 및 장치와 함께 IC 제작의 각종 단계 중에 사용될 수 있다. 연마는표준 기술, 특히 CMP에 대해 기재된 것에 따라 수행되는 것이 바람직하다. 또한, 연마 패드는 금속 층, 산화물 층, 강성 또는 경질 디스크, 세라믹 층 등을 비롯한 각종 표면을 연마하는데 맞추어질 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 연마 패드는 최소의 스크래칭 및 결함을 갖는 효과적인 연마를 제공하기 위한 각종 연마 용도, 특히 화학 기계적 연마 용도에 유용할 수 있다. 종래의 연마 패드에 대한 대안으로서 본 발명의 연마 패드는 각종 연마 단상 위에서 사용될 수 있으며, 제어가능한 슬러리 이동성을 보장하며 특정 용도에 대한 제조 방법의 제어 및 연마 성능에 직접 영향을 미치는 양을 한정할 수 있는 속성을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시태양의 상기 설명은 예시 및 설명을 위해 제시되었다. 본 발명을 설명된 정확한 형태로 총망라하거나 또는 제한하는 것으로 의도되어서는 않되며 변형 및 변화가 상기 기술 면에서 가능하거나 또는 본 발명의 실시로부터 이루어질 수 있다. 당 업계의 숙련인이 본 발명을 각종 실시태양으로 또한 각종 변형에 의해 예상되는 특정 용도에 적합한 것으로서 이용할 수 있도록 하는 본 발명의 원리 및 그의 실제적인 용도를 설명하기 위하여 실시태양이 선택되고 설명되었다. 본 발명의 영역은 첨부되는 청구범위 및 그에 상당하는 것에 의해 한정될 것이다.
다음 절차를 이용하여 실시예에서 연마 패드 성질을 결정하였다.
수직 유통 투과성: 연마 패드를 통한 슬러리 유량은 피셔 코포레이션(Fischer Corporation)으로부터 판매되는 진공 여과 장치를 이용하여 측정하였다. 그 장치는 상부 액체 저장기, 진공 관로를 부착시키기 위한 넥 (neck) 및 액체, 즉 슬러리를 모으기 위한 하부의 액체 저장기로 이루어져 있으며 임의의 진공 상태 없이 사용하였다. 상부 및 하부 저장기의 직경은 약 3.55"였다. 상부 저장기의 하부 표면 중심에 3/8" 구멍을 내었다. 슬러리 유량을 측정하기 위하여 직경이 3.5"인 연마 패드 기판을 상부 저장기의 하부에 놓고 O-링을 패드와 상부 저장기 벽 사이에 놓았다. 패드 표면 주위에 임의의 액체가 스며나오는 것을 방지하기 위하여 양 말단이 개방되어 있는 원통형 플라스틱 용기를 패드의 상단에 단단하게 위치시켰다. 액체 약 100 g을 25 gm/초의 속도로 4초 동안 원통형 용기에 부었다. 하부 저장기에 의해 모여진 액체의 양을 칭량하였다. 모여진 액체의 중량을 시간 (300 초)으로 나누어 슬러리 유량을 계산하였다.
동적 슬러리 용량 시험: 직경이 3.4"인 액체 저장기 컵 상에 3.5" 직경의 패드를 놓아서 수행하는 동적 슬러리 용량 시험에 의해 연마 패드 기판 연마 슬러리 용량을 결정하였다. 패드 및 저장기 컵을 더 큰 개방 용기 중심에 놓고, 다음에는 하이프레즈 II 연마기 (Engis Corporation 제조)의 가압판 상단에 놓았다. 연마 패드 상에 잔류하는 슬러리를 측정하기 위하여, 연동 펌프를 이용하여 변동 유량으로 그의 중심에서 일정 속도로 회전하는 연마 패드의 상부 표면 상에 액체를 분포시켰다. 연마 패드를 통해 실제로 투과하는 액체의 양을 측정하여 "유통 (Flow through)"를 결정하였다. "패드 상의 유량"은 패드를 내습하는 액체의 양이며 그것을 더 큰 개방 용기에 모았다. "패드 상에 잔류하는 슬러리의 양"은 슬러리 첨가 후의 패드의 중량에서 슬러리 첨가 전의 패드의 중량을 뺌으로써 계산된다.
기공 크기 측정: 기공 크기 측정은 자를 사용하여 또는 수은 포로시메터를 사용하여 이루어졌다.
쇼어 D 및 쇼어 A 측정: 쇼어 D 및 쇼어 A 경도 측정은 ASTM D2240호에 기재된 절차에 따라서 이루어졌다.
슬러리 용량 방법: 슬러리 용량 방법은 1 x 4 inch의 패드 기판 샘플을 실온 (25 ℃)에서 12시간 동안 CMP 슬러리의 조에 침지시키는 것을 포함한다. 패드 샘플을 슬러리에 놓기 전에 건조 상태로 전-칭량하였다. 12시간 후에 패드 샘플을 슬러리 조로부터 꺼내고 패드 표면 상의 과량의 슬러리를 블롯팅에 의해 제거하였다. 그후에, 패드 샘플을 다시 칭량하여 패드의 습윤 중량을 결정하였다. 습윤 중량과 건조 중량의 차이를 건조 중량으로 나누어 각 패드 샘플에 대한 슬러리 용량을 계산하였다. 슬러리 용량 값에 100을 곱하여 백분율 슬러리 용량을 얻었다.
실시예 1
변동 벌크 쇼어 D 경도 값 및 변동 메쉬 크기를 가진 시판되는 텍신 (Texin) 폴리우레탄 재료의 샘플을 부서지기 쉽도록 냉동시키고 극저온으로 입자로 분쇄하고 후에 미세 메쉬 (F) 및 중간 메쉬 (M)으로 스크리닝하여 분급하였다. 후에 스크리닝에 의해 조대 메쉬 (C)로서 분급된 텍신 폴리우레탄은 분쇄되지 않았다. 분쇄 단계는 불규칙하고, 구형이거나 실질적으로 편평한 형태의 분말을 형성하였다. 미세 메쉬 (F)는 100 메쉬 보다 더 미세한 메쉬 크기를 갖는 것으로 특징지워지며, 중간 메쉬 (M)은 50 메쉬 보다 더 미세하고 100 메쉬 보다 더 조대한 메쉬 크기를갖는 것으로 정의되는 반면, 조대 메쉬 재료는 50 메쉬 보다 더 조대한 메쉬 크기를 갖는 것으로 특징지워진다. 70의 쇼어 D 경도를 갖는 폴리우레탄은 텍신 970u였으며, 50의 쇼어 D 경도를 갖는 폴리우레탄 재료는 텍신 950u였다.
스크리닝된 분말을 2개 구성 금형의 하부에 놓았다. 금형 하부 상의 분말의 양은 제한되지 않았지만 금형 공동의 하부를 완전히 커버하기에 충분하였다. 그후에, 분말이 하부 표면 상에 고루 퍼져 공동이 완전히 피복되도록 공동을 진동시켰다. 통상의 소결법을 이용하여 전형적으로는 텍신 유리 전이 온도 (약 32 ℉) 이상이지만 폴리우레탄의 융점 (약 392 ℉) 미만의 온도로 금형을 가열하여 입자를 소결하였다. Tg 및 융점이 로트에 따라 변화되기 때문에 실제 소결 조건은 열가소성 수지의 각 로트에 대해 개별적으로 결정하였다. 소결 후에, 금형을 냉각시키고 다공질 기판을 더 가공하여 연마 패드로 전환시키기 위하여 금형으로부터 제거하였다. 기판은 금형의 하부로부터 형성된 하부 표면 표피층, 임의의 변동적인 평균 기공 크기 및 쇼어 A 경도 값을 가졌다.
다공질 기판을 직경이 12"인 원형 연마 패드로 절단하였다. 평균 패드 두께는 약 0.061"였다. 패드 상부 표면을 150 미크론 조립자 벨트를 가진 시판되는 핸드 샌더를 사용하여 버핑시켜 패드 상부 표면이 하부 표면과 평행이 되도록 하였다. 패드의 하부 표면을 박피하여 150 조도 Al2O3종이를 가진 통상의 오르비탈 핸드 샌더를 이용하여 습윤성을 개선시켰다. 3M 브랜드 444PC 접착제의 1/8" 조각으로 패드를 통과하는 슬러리를 포획하는 액체 저장기 입구에 패드의 하부 표면을 부착시켰다. 수직 유통 투과성 및 패드 상에 잔류하는 연마 슬러리의 양을 실시예 도입에 나타낸 절차를 이용하여 각종 슬러리 유량에서 측정하였다. 시험 결과 및 다른 연마 패드 특성을 하기 표 2에 나타내었다.
샘플 합성 수지 입자의 쇼어 D 경도 크기* 기공 평균 크기 (㎛) 슬러리 유량 (ft/분) 수직투과성 패드 상의잔류 액체
1 70 F 50 1.8 5.6 18.6
1 70 F 50 3.8 11.7 16.8
1 70 F 50 7.3 9.9 15.4
1 70 F 50 14.6 0.2 4.0
2 50 F 100 1.8 0 15.4
2 50 F 100 3.8 0 9.0
2 50 F 100 7.3 0 7.3
2 50 F 100 14.6 0 1.0
3 50 M 250 1.8 112.8 1.7
3 50 M 250 3.8 114.8 0.6
3 50 M 250 7.3 112.4 1.7
3 50 M 250 14.6 37.4 2.2
4 70 C 300-350 1.8 103.2 1.6
4 70 C 300-350 3.8 67.3 4.3
4 70 C 300-350 7.3 16.7 5.4
4 70 C 300-350 14.6 6.1 1.8
표 2에 나타낸 바와 같이, 변동 벌크 쇼어 D 경도 및 메쉬 크기의 합성 수지를 이용하여 유용한 연마 패드 기판을 생산하였다. 연마 패드 성질이 특정 연마 단상, 연마될 웨이퍼/기판 및 사용될 연마 슬러리의 유형에 따라서 맞추어질 수 있다는 것은 본 발명의 영역 내에서 예상된다. 또한, 소정의 유통 투과성을 갖는 연마 패드를 얻는데 추가의 거시적 특징, 예를 들면 천공, 채널 또는 홈이 필요할 수 있다는 것을 알 수 있다.
실제 공업 연마 조건을 모의하기 위하여 스트루어스 로토-포스 3 테이블-톱 폴리셔 (Struers Roto-Force 3 Table-Top Polisher; Ohio, Westlake에 소재하는 Struers Division, Radiometer America Inc.로부터 시판됨) 상에서 연마 패드 샘플2 및 3을 사용한 예비 연마 연구를 수행하였다. 연마 패드를 양면 접착제로 폴리셔 상에 부착하였다. 패드의 표면을 탈이온수로 습윤시켜 습윤 상태 조절 과정을 시작하고, 그후에 패드가 브레이크-인될 때까지 패드의 표면을 포화시켰다. 캐보트 코포레이션 (Cabot Corporation; Aurora, Illinois)에 의해 제조된 알루미나 기재 연마 슬러리인 세미-스퍼스 (Semi-Sperse)(등록상표) W-A355를 사용하여 약 8000 Å의 텅스텐 두께를 갖는 웨이퍼 상의 텅스텐 차단층을 화학-기계적으로 연마하는데 본 발명의 연마 패드를 이용하였다. 100 ㎖/분의 유량의 실제 슬러리 전달을 모의하기 위하여 연동 펌프 (Masterflex, Model 7518-60으로부터 판매됨)를 이용하여 패드 상에 슬러리를 전달하였다. 텅스텐 제거 속도 및 다른 관련 성질을 표 3에 나타내었다. 비교의 목적으로, 시판되는 연마 패드를 이용하여 상기한 바와 동일한 연마 조건 하에서 열 산화물 상의 텅스텐 층을 연마하였다. 텅스텐 제거 속도 및 다른 관련 성질을 표 3에 나타내었다.
연마 패드 텅스텐 제거 속도 (Å/분)
샘플 2 5694
샘플 3 4862
비교 패드 - 토마스 웨스트 (Thomas Wesst) P777 6805
비교 패드 - 프루덴베르그 팬 (Freudenberg Pan) W 3292
비교 패드 - 로델 수바 (Rodel Suba)(등록상표) 500 (엠보싱됨) 1224
비교 패드 - 로델 폴리텍스 (Rodel Politex)(등록상표)(엠보싱됨) 4559
표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 연마 패드는 패드 유도된 결함 및 스크래치를 최소화하면서 일정한 허용 텅스텐 제거 속도를 제공하였다. 또한, 본 발명의 연마 패드는 연마 패드 기판 다공도, 슬러리 유동성, 표면 조도, 기계적 구조를 비롯한 패드 연마 성능에 관련된 몇가지 패드 물리적 성질의 조절을 가능하게 한다. 그 결과, 본 발명의 연마 패드는 허용 CMP 제거 속도 및 마무리 처리된 표면을 제공함으로써 시판되는 패드에 대한 효과적인 대안을 제공하였다.
실시예 2
본 발명의 연마 패드의 다른 실시태양의 대표적인 실시예를 명세서 및 실시예 2에 기재된 절차를 이용하여 제조하였다. 실시예 2에서와 같이, 출발 합성 수지 입자는 변동 쇼어 D 경도 값 및 메쉬 크기를 가졌다. 관련 패드 특징 및 성질을 버핑 전, 버핑 후 및 브레이크-인 후의 3회 간격으로 측정하였다. 패드 특징은 표 4, 5, 6 및 7에 나타내었다.
패드 성질* 버핑 전 조건 버핑 후 조건 브레이크-인 후
두께 (inch) 0.050±0.002 0.049±0.002 0.0553±0.0026
쇼어 경도 A 90±1.04 89±1.09 90±3.01
밀도 (g/㏄) 0.78±0.042 0.76±0.04 0.69±0.033
압축율 (%) 4.7±1.7 2.7±0.89 4.1±0.71
탄성반발율 (%) 54±15.7 54.8±16.64 39±7.97
COFk 0.40±0.02 0.44±0.009 0.58±0.015
평균 상부 표면 조도(㎛) 15.6±1.3 16.1±1.8 6.8±0.82
기공 크기 (미크론) 32.65±1.71
기공율 (%) 34.4±3.12
통기성 (ft3/시간) 216.67±49.67
파단점 신도 (%) 93.5
피이크 응력 (psi) 991.5
* 50의 쇼어 D 경도 및 미세 메쉬 크기를 가진 텍신 (Texin) 950u 우레탄 열가소성수지로부터 제조된 패드
패드 성질* 버핑 전 조건 버핑 후 조건 브레이크-인 후
두께 (inch) 0.073±0.002 0.070±0.007 0.072±0.0007
쇼어 경도 A 76±2.3 77±2.9 84.2±1.2
밀도 (g/㏄) 0.61±0.040 0.63±0.02 0.61±0.006
압축율 (%) 7.0±3.8 3.5±0.74 2.4±0.69
탄성반발율 (%) 73±29.4 67.4±7.74 59±14.54
COFk 0.47±0.02 0.63±0.01 0.53±0.003
평균 상부 표면 조도(㎛) 29.3±4.6 33.6±3.64 23.5±2.3
기공 크기 (미크론) 83.5±4.59
기공율 (%) 46.7±1.85
통기성 (ft3/시간) 748.3±27.1
파단점 신도 (%) 28.2
피이크 응력 (psi) 187.4
* 50의 쇼어 D 경도 및 중간 메쉬 크기를 가진 텍신 (Texin) 950u 우레탄 열가소성수지로부터 제조된 패드
패드 성질* 버핑 전 조건 버핑 후 조건 브레이크-인 후
두께 (inch) 0.042±0.003 0.041±0.003 0.040±0.0027
쇼어 경도 A 93±0.84 87±0.74 94.6±0.69
밀도 (g/㏄) 0.86±0.60 0.87±0.06 0.89±0.059
압축율 (%) 3.4±0.79 3.2±1.5 6.5±1.5
탄성반발율 (%) 77±8.3 46±20.3 35±8.67
COFk 0.26±0.01 0.46±0.009 0.71±0.091
평균 상부 표면 조도(㎛) 13.0±1.7 11±0.0 4.0±0.69
기공 크기 (미크론) 22.05±2.47
기공율 (%) 40.7±2.14
통기성 (ft3/시간) 233.3±57.85
파단점 신도 (%) 77.8
피이크 응력 (psi) 503.4
* 70의 쇼어 D 경도 및 미세 메쉬 크기를 가진 텍신 (Texin) 970u 우레탄 열가소성수지로부터 제조된 패드
패드 성질* 버핑 전 조건 버핑 후 조건 브레이크-인 후
두께 (inch) 0.063±0.002 0.058±0.004 0.058±0.0017
쇼어 경도 A 81±1.5 88±0.54 92±0.77
밀도 (g/㏄) 0.74±0.02 0.79±0.02 0.78±0.023
압축율 (%) 6.5±2.3 2.9±0.05 3.5±2.2
탄성반발율 (%) 77±12.7 65±14.0 65±26.52
COFk 0.61±0.03 0.46±0.02 0.61±0.55
평균 상부 표면 조도(㎛) 38.7±7.4 31±4.4 15.7±2.8
기공 크기 (미크론) 61.73±5.13
기공율 (%) 33.56±1.85
통기성 (ft3/시간) 518.3±174.2
파단점 신도 (%) 50.5
피이크 응력 (psi) 572.1
* 70의 쇼어 D 경도 및 중간 메쉬 크기를 가진 텍신 (Texin) 970u 우레탄 열가소성수지로부터 제조된 패드
성질 (평균값) 버핑 전 조건패드 A* 버핑 후 조건패드 A* 버핑 전 조건패드 B* 버핑 후 조건패드 B*
두께 (inch) 0.0531±0.0003 0.0525±0.004 0.0535±0.004 0.0523±0.0003
밀도 (g/㏄) 0.7753±0.0037 0.7887±0.0060 0.7857±0.0061 0.7909±0.0045
표면 조도 (Ra)(미크론) 11.3±1.3614 7.8±0.9381 11.05±1.473 7.05±0.8062
쇼어 A 경도 92±0.000 92±0.0000 93±0.5774 92±0.0000
피이크 응력 (psi) 942.59 855.390 937.35 945.851
파단점 신도 (%) 71.2 63.2 68.1 68.1
압축 탄성율 (psi) 9198±55.30 9219.4±73.234 9243±63.54 9057±157.7
굴곡 강성 (psi) 291.901 235.078 241.698 224.221
테이버 마모지수(그람 단위의 손실 중량) 0.1681 0.1807 0.1917 0.1534
* 70의 쇼어 D 경도 및 미세 메쉬 크기를 가진 텍신 (Texin) 970u 우레탄 열가소성수지로부터 제조된 패드 A 및 B
상기 결과는 연마 패드 상부 표면 조도가 버핑에 의해, 그후에는 브레이크-인에 의해 개선되었음을 나타낸다.
실시예 3
미세한 텍신 970u 우레탄 열중합체로부터 제조된 소결된 연마 패드 기판을 실시예 1의 샘플 1을 제조하기 위해 기재된 방법에 따라서 제조하였다. 연마 패드 기판을 슬러리 용량 및 슬러리 유통량에 대해 원래의 하부 표면 표피층으로 평가하였다. 슬러리 유통량을 실시예 도입에 기재된 방법에 따라서 측정하였다. 슬러리용량 방법은 또한 실시예 도입에 기재되어 있다.
상태 조절되지 않은 패드는 초 당 0 g의 슬러리 유통량 및 4.7%의 슬러리 용량을 가졌다. 연마 패드 기판 상부 표면이 버핑 전에 소수성이고 물 함유 슬러리를 반발하기 때문에 슬러리 유통량이 0인 것으로 생각된다. 패드의 상부 표면은 그후에 실시예 1에 기재된 버핑 방법에 따라서 상태 조절되었다. 버핑 단계는 패드 상부 표면을 기계적으로 상태 조절하며 패드 상부 표면을 소수성에서 친수성으로 변환시킨다. 버핑된 패드는 그후에 초 당 0.234 g의 슬러리 유량 및 5.3%의 슬러리 용량을 나타내었다. 다음에, 동일한 패드의 하부 표면은 실시예 1에 기재된 방법에 따라서 버핑되고 브레이크-인되었다. 그후에, 패드는 초 당 0.253 g의 슬러리 유량 및 5.7%의 슬러리 용량을 나타내었다.
이 결과는 연마 패드의 상부 표면 버핑이 패드 표면 특징을 소수성에서 친수성으로 변환시킴으로써 슬러리 용량 및 패드 유통을 개선시킴을 나타낸다.
실시예 4
이 실시예는 패드 평균 기공 직경과 연마된 텅스텐 웨이퍼 표면 불량율 사이의 관계를 설명한다. 우레탄 수지 연마 패드는 실시예 1에 기재된 방법에 따라서 제조되었다. 동일자로 생산된 패드의 한 로트로부터 4-9개 패드의 서브-로트를 무작위로 선택하여 평균 패드 기공 직경을 결정하였다. 4-9 패드 서브-로트 내의 각 패드 (1개의 패드 만이 21 미크론 기공 직경 포인트에 대해 사용된 것을 제외함)에 대해 평균 기공 직경을 계산하고 평균 서브-로트 기공율을 계산하여 도 14-15에서의 플롯팅에 사용하였다. 각 서브-로트로부터의 단일 패드를 연마를 위해 무작위로 선택하였다. 전체 중에서, 약 18 내지 약 30 미크론의 평균 기공 직경을 가진 8개의 패드를 텅스텐 웨이퍼 연마에 사용되었다.
캐보트 코포레이션에 의해 제조된 세미-스퍼스 (등록상표) W-2000 슬러리로 1분 동안 IPEC/가아드 676/1 오라클 기계를 이용하여 텅스텐 블랭킷 웨이퍼를 연마하는 대표적인 패드의 능력을 평가하였다. 그 기계는 4 psi의 강하력, 280 rpm의 오르비탈 속도, 130 mL/분의 슬러리 유량, -0.1 psi의 델타 P 및 0.93 inch의 연부 간극에서 작동되었다.
텅스텐 웨이퍼 WIWNU 및 텅스텐 연마 속도를 각 패드에 대해 결정하고 패드 평균 기공 직경에 대해 플롯팅하였다. 두 플롯은 도 14 및 15에 나타내었다.
텅스텐 웨이퍼 연마 결과는 텅스텐 WIWNU이 패드 평균 기공 직경이 증가함에 따라 개선된 반면 텅스텐 웨이퍼 연마 속도는 거의 영향받지 않았음을 나타낸다.
실시예 5
패드/접착제 박리 강도에 대한 패드 하부 표면 버핑의 효과를 이 실시예에서 평가하였다.
패드는 실시예 1에 따라서 제조되었다. 패드를 0, 2 또는 6 통과 버핑, 50 조도 종이, -5 mil의 공구 간극 및 10 ft/분의 컨베이어 속도를 이용하여 벌링톤 샌더 (Burlington Sanders)에 의해 제조된 스탠딩 벨트 샌더 상에 2회 통과 (첫번째 통과 후에 180。 회전)시켜 패드 표면을 버핑시켰다. 버핑되지 않은 패드 및 버핑된 패드의 박리 강도는 하기 표 9에 보고하였다.
접착제 이용 전 패드의 처리 박리 강도
버핑되지 않음 0.54 lbf/in
2회 통과 버핑 1.76 lbf/in
6회 통과 버핑 1.47 lbf/in
패드 하부 표면의 버핑은 2회 통과 버핑으로 패드 박리 강도를 개선시켰으며, 그것은 최고 박리 강도를 나타내었다.

Claims (18)

  1. 열가소성 수지의 소결 입자를 포함하는, 약 5 미크론 내지 약 100 미크론의 평균 기공 크기를 갖는 연마 패드 기판.
  2. 제1항에 있어서, 약 10 % 미만의 텅스텐 WIWNU 및 약 2000 Å를 초과하는 텅스텐 연마 속도를 갖는 연마 패드 기판.
  3. 제1항에 있어서, 약 5 % 미만의 텅스텐 WIWNU 및 약 2500 Å를 초과하는 텅스텐 연마 속도를 갖는 연마 패드 기판.
  4. 제1항에 있어서, 약 3 % 미만의 텅스텐 WIWNU 및 약 2500 Å를 초과하는 텅스텐 연마 속도를 갖는 연마 패드 기판.
  5. 제1항에 있어서, 상기 열가소성 수지가 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 나일론, 플루오로카본, 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 폴리아크릴레이트, 폴리에테르, 폴리에틸렌, 폴리아미드, 폴리우레탄, 폴리스티렌, 폴리프로필렌 또는 그의 공중합체 또는 혼합물인 연마 패드 기판.
  6. 제1항에 있어서, 열가소성 수지가 우레탄 수지인 연마 패드 기판.
  7. 제1항에 있어서, 패드가 약 100 미크론 미만의 웨이비니스 (waviness)를 갖는 연마 패드 기판.
  8. 제1항에 있어서, 패드가 약 35 미크론 미만의 웨이비니스를 갖는 연마 패드 기판.
  9. 기판이 30 내지 125 mil의 두께, 0.60 내지 0.95 gm/㏄의 밀도, 15 내지 70%의 기공율 및 약 5 미크론 내지 약 100 미크론의 평균 기공 크기 및 약 100 미크론 미만의 웨이비니스를 가지며, 패드가 약 8 % 미만의 텅스텐 WIWNU 및 약 2000 Å를 초과하는 텅스텐 연마 속도를 갖는, 상부 표면 및 표피층을 갖는 하부 표면을 포함하는 소결 우레탄 수지 연마 패드 기판.
  10. a. 연마 패드 상부 표면이 패드 하부 표면의 평균 비버핑(unbuffed) 표면 조도 보다 큰 평균 비버핑 표면 조도를 가지며, 패드가 약 10 미크론 내지 약 70 미크론의 평균 기공 크기 및 약 100 미크론 미만의 웨이비니스를 갖는, 상부 표면 및 표피층을 갖는 하부 표면을 포함하고 열가소성 수지의 소결 입자를 더 포함하는 연마 패드 기판;
    b. 이면 시트; 및
    c. 이면 시트와 하부 표면 표피층 사이에 위치한 접착제
    를 포함하는 연마 패드.
  11. 제10항에 있어서, 채널, 천공, 홈, 텍스쳐 및 연부 형태로부터 선택된 하나 이상의 거시적 특징을 갖는 연마 패드.
  12. 제10항에 있어서, 연마 패드가 0.50 내지 0.95 gm/㏄의 밀도를 갖는 연마 패드 기판.
  13. 제10항에 있어서, 연마 패드가 15 내지 70%의 기공율을 갖는 연마 패드 기판.
  14. 제10항에 있어서, 상기 열가소성 수지가 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 나일론, 플루오로카본, 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 폴리아크릴레이트, 폴리에테르, 폴리에틸렌, 폴리아미드, 폴리우레탄, 폴리스티렌, 폴리프로필렌 또는 그의 공중합체 또는 혼합물인 연마 패드.
  15. 제10항에 있어서, 열가소성 수지가 우레탄 수지인 연마 패드 기판.
  16. 제10항에 있어서, 약 10 % 미만의 텅스텐 WIWNU 및 약 2000 Å를 초과하는 텅스텐 연마 속도를 갖는 연마 패드 기판.
  17. 제10항에 있어서, 약 3 % 미만의 텅스텐 WIWNU 및 약 2500 Å를 초과하는 텅스텐 연마 속도를 갖는 연마 패드 기판.
  18. a. 기판이 30 내지 125 mil의 두께, 0.60 내지 0.95 gm/㏄의 밀도, 15 내지 70%의 기공율, 1 내지 50 미크론의 평균 상부 표면 조도, 약 10 내지 약 70 미크론의 평균 기공 직경, 약 35 미크론 미만의 웨이비니스, 상부 표면의 평균 표면 조도 보다 작으며 20 미크론 미만인 평균 하부 표면 표피층 조도, 약 5 % 미만의 텅스텐 WIWNU 및 약 2000 Å를 초과하는 텅스텐 연마 속도를 갖는, 상부 표면 및 표피층을 갖는 하부 표면을 포함하는 소결 우레탄 수지 연마 패드 기판;
    b. 이면 시트; 및
    c. 이면 시트와 하부 표면 표피층 사이에 위치한 접착제
    를 포함하는 연마 패드.
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