KR200201101Y1 - 연마드레싱용 공구 - Google Patents

Abstract

예로, 반도체 웨이퍼 등과 같이 정밀 평탄하고, 미세 연마가 요구되는 피절삭재의 표면을 기계적 화학적으로 평탄화 연마하는데 사용되는 연마공구로서,

원하는 형상을 갖는 금속기판(12)과;

상기 금속기판(12)상에 균일 분산된 초지립 입자나 입방정 질화붕소(CBN) 입자 또는 다이아몬드 입자가 니켈계 브레이징 금속과의 소결 융착에 의해 상호 결합되어 금속소결층(15)을 형성하고;

상기 금속소결층(15)에 존재하는 미소결된 부분과 재결정된 부분을 충진시키거나 덮어씌우기 위해 금속소결층(15)의 표면에 전기 도금에 의해 금속소결층에서 노출된 초지립 입자나 입방정 질화붕소(CBN) 입자 또는 다이아몬드 입자 표면을 제외한 나머지 부분에만 전착코팅층(18)이 형성된 것을 특징으로 하여, 마이크로 스크레치를 획기적으로 줄이고, 피연마 제품의 불량률을 낮추며, 연마수명을 제고시킬 수 있다.

Description

연마드레싱용 공구{ABRASIVE DRESSING TOOL}

본 고안은 예로, 반도체 웨이퍼 등과 같이 정밀 평탄하고, 미세 연마가 요구되는 피절삭재의 표면을 기계적 화학적으로 평탄화 연마하는데 사용되는 연마드레싱용 공구에 관한 것으로, 특히 다이아몬드 입자를 니켈계 브레이징 금속을 이용하여 소결 융착한 후 미소결된 부분과 재결정된 부분을 전착처리에 의해 충진시키거나 덮어씌움으로써 마이크로 스크레치를 획기적으로 줄이고, 피연마 제품의 불량률을 낮추며, 연마수명을 제고시킬 수 있도록 한 연마드레싱용 공구에 관한 것이다.

반도체 산업은 갈수록 발전속도가 빨라지고 있으며, 특히 회로의 고집적화를 위해서 많은 연구가 집중되고 있다. 단위 면적당 많은 칩을 생산하기 위해서 배선의 다층화가 필요하며, 배선의 다층화를 위해선 웨이퍼의 광역 평탄화가 필수적인 공정으로 인식되고 있다. 이러한 공정을 CMP(Chemical Mechanical Planarization) 공정, 즉 화학적 기계적 평탄화공정이라 한다.

CMP공정은 연마패드에 슬러리액(연마액)을 게재시키고, 웨이퍼에 일정압력을 가한 상태에서 서로 회전시켜, 웨이퍼상의 배선을 연마하여 평탄화하는 공정이다. 이때 사용하는 연마패드는 폴리우레탄계열 수지로 표면에 수많은 발포 마이크로 기공(micro pores)을 가지고 있어서 슬러리액을 담아두는 역할을 하며, 일정한 연마효율(재료 제거율)과 균일한 연마가 이루어지도록 하는 역할을 한다.

그러나 계속적인 연마작업시에는 높은 압력과 회전으로 인하여 마이크로 기공이 연마 잔유물로 인하여 막히게 되고, 연마패드는 슬러리액을 담아두는 제역할을 잃게 됨으로써 균일한 연마효율을 얻을 수 없게 된다.

그래서 연마패드의 마이크로 기공의 막힘을 방지하고자 스테인레스 또는 니켈 플레이트에 다이아몬드를 고정시킨 컨디셔너(Conditioner)를 사용하여 표면을 미세 연마해줌으로서 새로운 마이크로 기공이 나오도록 해주는 컨디셔닝 작업을 해준다.

이러한 컨디셔너에는, 스테인레스 플레이트에 다이아몬드 입자를 단층으로 배열하고 혼합 금속 분말을 고온 소결하여 다이아몬드 입자의 일부를 감싸서 고정시킨 융착(Metal Brazed) 컨디셔너와, 플레이트에 다이아몬드를 전기 도금법을 이용하여 고정시킨 전착 컨디셔너가 있다.

그러나 이 두 종류의 제품은 상대적인 단점을 갖고 있다.

융착 컨디셔너의 경우 900℃ 이상부터 다이아몬드가 열적 손상을 받기 때문에 금속성분들이 완전 용융에 이를 정도의 고온 소결이 어려워, 표면이 거칠고 금속 입자들이 일부 입자 형태로 남아 있어서 연마시 표면의 금속성분이 깨지거나 떨어져 나와서 웨이퍼에 마이크로 스크레치를 발생시키거나 오염을 일으키는 단점이 있다.

이때, 슬러리액의 슬러리 입자 크기는 나노미터 크기인데 이에 비하여 떨어져 나온 금속 입자는 수십에서 수백배 크므로 웨이퍼상에 심각한 손상을 입히는데 반해 다이아몬드 입자와 금속성분이 카바이드를 형성시키는 화학적 반응으로 결합하고 있어서 다이아몬드 입자를 잡아주는 보지력이 강해서 입자 탈락의 위험이 거의 없어 연마수명이 길고, 다이아몬드 입자와 입자사이에 칩포??(Chip pocket)을 갖고 있어서 연마 잔류물의 배출이 용이하여 연마효율이 좋다.

한편, 전착 컨디셔너의 단점은 다이아몬드 입자를 잡아주는 니켈 전착층과 입자간에 반데르발스 결합에 의한 기계적 결합이라 다이아몬드를 잡아주는 보지력이 약해 다이아몬드 탈락의 위험이 높아 상대적으로 연마수명이 짧다. 그리고 칩포켓이 형성되지 않아 연마효율이 낮은 반면에 표면층이 깨끗하고 표면층 이탈에 따른 마이크로 스크레치 발생위험은 적은 장점이 있다.

향후 반도체 산업은 256메가 디램(MEGA DRAM) 이상의 고집적 웨이퍼의 직경이 300㎜ 이상으로 대구경화함으로써 CMP 공정에서의 마이크로 스크레치 발생억제와 연마수명의 향상은 매우 중요한 이슈가 되고 있다. 그러므로 다이아몬드 입자를 잡아주는 보지력을 향상시켜 연마수명을 향상시키고, 마이크로 스크레치 발생을 억제할 수 있는, 동시에 모두를 만족시킬 수 있는 연마드레싱용 공구의 필요성은 시급한 과제이다.

본 고안은 상기와 같은 사정을 감안하여 창안된 것으로, 다이아몬드 입자를 니켈계 브레이징 금속을 이용하여 소결 융착한 후 전착처리에 의해 미소결된 부분과 재결정된 부분이 연마작업중 떨어져나갈 위험을 제거시킴으로써 마이크로 스크레치를 획기적으로 줄이고, 피연마 제품의 불량률을 낮추며, 연마수명을 제고시킬 수 있도록 한 연마드레싱용 공구를 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 고안의 구체적인 수단은,

반도체 웨이퍼 등과 같이 청정도가 중요한 평탄한 연마면을 형성하는데 사용되는 연마공구로서,

원하는 형상을 갖는 금속기판(12)과;

상기 금속기판(12)상에 균일 분산된 초지립 입자나 입방정 질화붕소(CBN) 입자 또는 다이아몬드 입자가 니켈계 브레이징 금속과의 소결 융착에 의해 상호 결합되어 금속소결층(15)을 형성하고;

상기 금속소결층(15)에 존재하는 미소결된 부분과 재결정된 부분을 충진시키거나 덮어씌우기 위해 금속소결층(15)의 표면에 전기 도금에 의해 금속소결층에서 노출된 초지립 입자나 입방정 질화붕소(CBN) 입자 또는 다이아몬드 입자 표면을 제외한 나머지 부분에만 전착코팅층(18)이 형성된 것을 특징으로 한다.

도 1내지 도 4는 본 고안의 제조공정에 따른 연마드레싱용 공구의 제작단계에서의 확대단면도이다.

＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

12 : 금속기판 15 : 금속소결층

16 : 다이아몬드 입자 18 : 전착코팅층

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 실시예를 상세히 설명한다.

본 고안의 연마드레싱용 공구(10)의 부분 확대단면이 도 4에 도시되어 있다.

연마드레싱용 공구(10)는, 원하는 형상의 금속기판(12)이 구비되고, 상기 금속기판(12)상에는 균일 분산된 다이아몬드 입자(16)가 니켈계 브레이징 금속의 소결 융착에 의해 결합되어 금속소결층(15)을 형성하고 있고, 상기 금속소결층(15)의 표면에는 전기 도금에 의해 금속소결층에서 노출된 다이아몬드 입자 표면을 제외한 나머지 부분에 전착코팅층(18)이 형성되어 있다. 즉, 상기 금속소결층(15)상에는 다이아몬드 입자(16)의 일부가 노출되어 있다.

여기서 금속소결층(15)은 다이아몬드 입자(16)들과 니켈계 금속물로 된 도 1,2의 니켈계 브레이징 금속 슬러리액(14)이 소정의 소결온도에서 화학적 반응을 일으켜 탄화실리콘(SiC), 탄화크롬(Cr₃C₂) 등의 카바이드로 결합된 층이다.

전착코팅층(18)은 상기 금속소결층(15)상에 미충진된 부분과 상기 다이아몬드 입자와 브레이징 금속소결층(15)간의 틈새를 메워주기 위해 코팅되는 층이다.

따라서 본 고안에 의하면, 미소결된 부분(탈락되기 쉬운 부분)과 재결정된 부분(깨지기 쉬운 부분)을 전착처리에 의해 충진,감싸줌으로써 마이크로 스크레치를 획기적으로 줄이게 된다.

또한 전착코팅층(18)은 금속소결층(15)의 표면에만 코팅이 이루어지고, 금속소결층(15)에서 노출된 다이아몬드 입자(16)의 노출된 부분은 그대로 남아있게 되어 있어, 다이아몬드 연마패드(10)로 연마시 처음부터 다이아몬드 입자(16)로 연마가 이루어지도록 되어 있다.

한편, 본 고안은 다이아몬드 입자(16)에 대치하여 초지립 입자 예컨대, 탄화실리콘(SiC), 탄화티타늄(TiC) 등의 탄화물계 합금 또는 입방정 질화붕소(CBN) 입자를 사용하여도 좋다.

이와 같이 구성된 본 고안의 연마드레싱용 공구(10)의 제조방법을 설명한다.

먼저, 제작코자 하는 형상으로 금속기판(12)을 준비한다. 본 실시예에서는 내식성에 강한 스테인레스를 사용하였다.

상기 금속기판(12)은 도시안된 연마장치에 의해 회전되는 것으로 도 1은 일부분의 단면도를 나타내고 있다.

준비된 금속기판(12)상에는 소정의 두께로 브레이징 금속 슬러리액(14)을 코팅한다.

여기서 브레이징 금속 슬러리액(14)은, 적어도 50중량% 이상의 니켈과, 크롬과, 실리콘, 철, 코발트, 텅스텐, 탄화텅스텐으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 또는 그 이상의 합금을 각기 5중량%에서 전체적으로 10중량%까지 포함한다.

다음, 상기 금속기판(12)에 코팅된 슬러리액(14)상에 일정량의 다이아몬드 입자(16)들을 균일하게 분산시킨다.

이와 같이 하여 슬러리액(14)상에 다이아몬드 입자(16)의 균일 분산이 완료되면, 도시안된 건조 오븐에서 건조시킨다.

이때의 건조온도는 약 100℃로 유지하고, 이 온도에서 건조 시간은 10∼30분 정도로 한다.

건조가 완료되면 반제품 단계인 공구를 진공상태 즉, 산소가 제거된 분위기나 아르곤 불활성가스 분위기에서 소정의 소결온도 900∼1300℃로 가열하여 브레이징 금속 슬러리액(14)을 용융, 고착시켜 소결한다.

이때 진공이 필요한 이유는 산화방지를 위해서이며, 브레이징 금속 조성물의 조건에 따라서 소결온도를 설정한다.

소결단계가 진행,완료되면 다이아몬드 입자(16)의 탄소원소와 니켈계 브레이징 금속 중의 실리콘, 크롬 입자들이 화학적 반응을 일으켜서 카바이드 결합층 즉, 도 3에서와 같이 금속소결층(15)이 형성되어 높은 결합력이 생긴다.

이 결합력에 의해 다이아몬드 입자(16)가 금속소결층(15)을 매개로 금속기판 (12)상에 높은 보지력으로 고착되는 결과를 갖게 된다.

소결단계가 종료되면, 전착처리를 위해서 아직 반제품 단계인 공구를 산세척 또는 수세척하여 표면 불순물을 없앤다.

세척 단계가 끝나면, 소결중에 발생된 미소결된 부분(탈락되기 쉬운부분)과 재결정된 부분(깨지기 쉬운 부분)을 없애기 위해 전착코팅을 실시한다.

전착코팅은 아직 반제품의 공구를 도금조내의 도금액(전해액)속에서 세팅된 전압과 전류를 인가시켜 금속소결층(15)상에 소정의 도금두께를 코팅시켜 전착코팅층(18)을 형성시킨다.

이때 원하는 도금두께를 맞추기 위해서 전압과 전류값을 조절하여 원하는 도금시간 동안 해준다. 두께에 따라서 대개의 경우 30분∼3시간 정도로 달라진다.

상기 도금액은 니켈, 구리, 크롬, 텅스텐, 탄화텅스텐, 카드뮴, 티타늄, 실리콘, 프래티늄, 금, 주석, 루테늄, 로듐, 파라듐, 은, 아연, 몰리브덴, 지르코늄 등을 포함하는 그룹으로부터 선택된 하나의 금속원소 또는 이들의 합금을 포함한다.

도금이 진행되면, 소결중 미소결된 부분 또는 재결정 등으로 인한 금속 입자 성분의 표면층을 다시 한번 니켈 이온으로 전착 처리가 수행되어 결국, 표면의 미충진된 부분과 다이아몬드 입자(16)와 브레이징 금속의 접촉부위의 일부 틈새를 메워주거나 덮어 씌워줌으로써 깨끗한 표면과 브레이징 금속 입자의 탈락으로 인한 마이크로 스크레치 발생을 억제할 수 있는 것이다.

도금이 완료된 연마드레싱용 공구(10)는 세척과 검사가 끝난 후에 CMP 공정 등에 완제품으로 사용된다.

여기서 다이아몬드 입자(16)에 대체하여, 초지립 입자 예컨대, 탄화실리콘 (SiC), 탄화티타늄(TiC) 등의 탄화물계 합금과 입방정 질화붕소(CBN) 입자로 치환하여 사용하여도 좋다.

상술한 바와 같이 본 고안에 의하면, 다이아몬드 입자를 잡아주는 보지력을 향상시키기 위해 니켈계 브레이징 금속을 사용하여 소결 융착시킨 후에 연마시 니켈 브레이징 금속입자의 탈락으로 인한 마이크로 스크레치 발생을 억제할 수 있도록 표면을 전기이온 도금하여 코팅해줌으로써 연마가공시 마이크로 스크레치를 획기적으로 줄일 수 있어 제품불량율을 낮추고, 반도체 칩의 수율을 향상시킬 수 있다.

또 일반적인 전착제품보다 2배 이상의 높은 공구수명을 가짐으로써, 기존 다이아몬드 컨디셔너가 상대적으로 한가지 장점밖에 갖지 못했던 한계를 극복함으로써 반도체 칩 제조, 가공비용의 절감을 가져올 수 있는 경제적인 이점도 갖는다.

Claims (3)

1. 반도체 웨이퍼 등과 같이 청정도가 중요한 평탄한 연마면을 형성하는데 사용되는 연마공구로서,

   원하는 형상을 갖는 금속기판(12)과;

   상기 금속기판(12)상에 균일 분산된 초지립 입자나 입방정 질화붕소(CBN) 입자 또는 다이아몬드 입자가 니켈계 브레이징 금속과의 소결 융착에 의해 상호 결합되어 금속소결층(15)을 형성하고;

   상기 금속소결층(15)에 존재하는 미소결된 부분과 재결정된 부분을 충진시키거나 덮어씌우기 위해 금속소결층(15)의 표면에 전기 도금에 의해 금속소결층에서 노출된 초지립 입자나 입방정 질화붕소(CBN) 입자 또는 다이아몬드 입자 표면을 제외한 나머지 부분에만 전착코팅층(18)이 형성된 것을 특징으로 하는 연마드레싱용 공구.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 전기 도금에 사용되는 금속은 니켈, 코발트, 백금, 구리, 크롬, 텅스텐 및 탄화텅스텐을 포함하는 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 금속원소 또는 이들의 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 연마드레싱용 공구.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 금속소결층(15)상에는 초지립 입자나 입방정 질화붕소(CBN) 입자 또는 다이아몬드 입자의 일부가 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 연마드레싱용 공구.