KR20030049768A - 연마 미립자를 함유하는 고분자 연마 패드 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 웨이퍼 등의 화학적-기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing: CMP) 공정에서, 슬러리를 사용할 필요가 없거나, 슬러리의 사용량을 현저히 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 연마 효율이 우수한 고분자 연마 패드에 관한 것으로서, (i) 열린 기공 형태의 고분자 미소 요소, (ii) 연마 미립자, 및 (iii) 상기 고분자 미소 요소와 연마 미립자를 결합시키는 수용성 고분자로 이루어진 고분자 응집체; 및 상기 고분자 응집체가 균일하게 분산되어 있는 폴리머릭 매트릭스 기재를 포함하는 연마 미립자를 함유하는 고분자 연마패드를 제공한다.
Description
본 발명은 연마 미립자를 함유하는 고분자 연마 패드에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체 웨이퍼 등의 화학적-기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing: CMP) 공정에서 슬러리를 사용할 필요가 없거나, 슬러리의 사용량을 현저히 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 연마 효율이 우수한 연마 미립자를 함유하는 고분자 연마 패드에 관한 것이다.
일반적으로 연마패드는 고도의 평탄면이 요구되는 물품의 표면을 연마하기 위한 것으로서, 연마 대상 물품에 대응하여 원뿔, 원기둥, 평판 등 다양한 형상과 모양으로 제작될 수 있다. 연마작업의 대상은 반도체소자, TFT-LCD, 실리콘소자, 유리, 세라믹, 고분자, 금속 등 연마부위가 가루 상태로 분리되는 물품이며, 이하에서는 반도체 웨이퍼를 대상 물품의 일 예로 설명한다. 상기 연마작업은 연마 패드에 웨이퍼 표면을 접촉 또는 근접 대항하도록 위치시키고, 그 사이에 연마 미립자(연마제)를 포함하는 연마 슬러리를 공급한 다음, 연마패드 및 웨이퍼를 유동시키는 과정에서 이루어진다. 상기 연마 슬러리는 물, 또는 오일과 같은 액상 냉각제, 실리카, 산화 알루미늄, 실리콘 카바이드, 산화세륨 등과 같은 연마제, 유화제 및 그 외 물품 성질에 대응하는 각종 성분을 포함한다.
이하, 상기 연마패드와 대상 물품인 웨이퍼 및 슬러리의 적용 관계를 도 1에 도시된 화학적 기계적 연마장치(chemical-mechanical polishing machine: CMP)의 구성을 참조하여 설명한다.
일반적인 CMP의 구성은, 도 1에 도시된 바와 같이, 하측구동모터(미도시)의 구동에 의해 수평한 상태로 고속 회전하는 패드척(2)이 있고, 이 패드척 (2)의 상면에는 소정의 두께를 갖는 판 형상의 연마패드(1)가 통상의 방법으로 부착 고정된다. 또한, 연마패드(1)의 중심부로부터 이격된 상측 중심에는 슬러리 공급노즐(3)이 설치되며, 이 슬러리 공급노즐(3)을 통하여 공급되는 슬러리는 연마패드(1)의 회전에 의한 원심력으로 연마패드(1) 상면에 균일하게 도포된다. 또한 연마패드(1)의 상면 일측 부위에는 웨이퍼(4)를 고정하여, 이 웨이퍼(4)의 일면이 연마패드(1) 상면에 대향되도록 위치시키는 연마부(5)가 설치된다. 이러한 연마부(5)는 고정된 웨이퍼(4)를 연마패드(1)에 대향하는 상태로 회전시킴과 동시에 유동시키도록 구성되며, 또 필요에 따라 웨이퍼(4)를 다른 위치로 이격시키는 동작을 수행한다. 연마패드(1) 상면의 다른 일측 부위에는, 사용되는 연마패드(1)의 표층을 소정의 두께로 연마하여 제거하는 드레싱부(6)가 설치된다.
이러한 CMP의 구성에 의하면, 슬러리 공급노즐(3)을 통해 공급되는 슬러리는 연마패드(1)의 고속 회전에 의해 그 상면에 균일하게 도포되고, 이러한 상태에서 상기 연마부(5)는 웨이퍼(4)의 일면을 연마패드(1) 상면에 접촉 또는 근접하도록 대향 위치시켜, 도 1에 도시된 좌 우 화살표 방향으로 유동시킴과 동시에, 회전시키게 된다. 이때 웨이퍼(4)는 슬러리가 균일하게 도포되는 연마패드(1)와 접촉 또는 근접하는 상태로 유동하게 되므로 그 대향 표면이 연마된다. 이러한 과정으로 웨이퍼(4)의 대향면이 충분히 연마되면, 연마부(5)는 연마된 웨이퍼(4)를 외측으로 이격 위치시키고 다음 웨이퍼(4)를 위치시켜 다시 연마작업을 수행하게 된다.
한편, 상기 연마패드(1)의 표층은 계속적인 연마작업에 의해 마모되므로, 그 표층을 소정 두께로 연삭하여 재사용하여야 한다. 이러한 경우 슬러리를 공급하면서, 또는 슬러리 공급을 중단하고, 연마패드(1)의 다른 일측으로부터 드레싱부(6)를 위치시키고, 초순수를 공급하면서, 연마패드(1)를 회전시켜 연마패드(1)의 표층 소정 두께를 연마함으로써, 다음 웨이퍼(4)의 연마 단계를 준비하게 된다.
일반적으로 사용되는 연마패드(1)는 패드 두께의 전반에 걸쳐 불균일한 물리적 성질을 갖는 다층 구조를 이루고 있다. 이러한 다층 구조는 도 2에 나타낸 바와 같이 통상 지지층(7), 연마층(8) 및 연마층(8)이 표면화되는 작업표면(9)으로 구분할 수 있다. 상기 지지층(7)은 상술한 패드척(2) 등에 접착되는 것으로서 우레탄 폼과 같은 다공성 구조를 갖거나 섬유재 등으로 이루어지며, 웨이퍼(4)에 의한 가압에 대응하여 복원성을 가지며, 그 상측에 구비되는 연마층(8)을 웨이퍼(4)에 대응하여 균일한 탄성력으로 지지하는 역할을 한다. 또한 상기 지지층(7)의 상측에 구비되는 연마층(8)은 미시적 탄성을 갖는 다공성 우레탄 등으로 이루어지고, 이 연마층(8)의 표층을 이루는 작업표면(9)은 연마층(8)보다 더 탄력적이고 유연한 성질의 것으로 웨이퍼(4)와 접촉 또는 근접하여 대향된다.
이러한 연마패드(1)에 있어서, 작업표면(9)은 계속적인 연마 작업시 국부적또는 광역적으로 마모되는 정도가 달라져서, 연마 대상이 되는 웨이퍼(4)의 표면을 불균일하게 연마하게 된다. 따라서, 상기 연마패드(1)의 작업표면(9)이 마모되는 정도에 대응하여 그 표층을 소정의 두께로 연삭할 필요가 있다.
한편, 연마패드(1)의 작업표면(9)은 웨이퍼(4)에 접촉 또는 근접 대응하므로, 연마슬러리(10)가 계속적으로 그 대향면에 분포된 상태를 유지하도록, 작업표면(9)이 연마슬러리(10)를 포집하는 상태에서 연마작업을 수행하여야 한다. 이러한 요구 조건을 실현하기 위하여, 미국특허 제5,577,362호는 상기 지지층(7)과 연마층(8) 및 작업표면(9)으로 이루어진 연마패드로서, 마모와 연마에 대응하여 각 층의 성질 및 효과가 균일하게 유지되는 구성을 가진 연마패드를 개시하고 있다.
이러한 연마패드(1)는 도 2에 나타낸 바와 같이, 액상 슬러리의 침투성이 없는 폴리머릭 베이스(polymeric matrix)(11)에 다량의 중공 폴리머(중합성 미소요소; polymeric microelement)(12)를 균일하게 함침시켜 형성한 것이다. 상기 폴리머릭 베이스(11)의 성분은 우레탄, 멜라민, 폴리에스테르, 폴리설폰, 폴리비닐아세테이트, 불소탄화수소 및 이들의 혼합물이나 공중합체 및 그라프트 공중합체로부터 형성된 것으로, 대표적으로는 액상 우레탄으로 제조되어 있다. 또한 상기 중공 폴리머(12)는 폴리비닐알콜, 펙틴, 폴리비닐피롤리돈, 하이드록시에틸셀룰로오즈, 메틸셀룰로오즈, 하이드록프로필메틸셀룰로오즈, 카복시메틸셀룰로오즈, 하이드록시프로필셀룰로오즈, 폴리아크릴산, 폴리아크릴아미드, 폴리에틸렌글리콜, 폴리하이드록시에틸아크릴레이트, 전분, 말레이산 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리우레탄 및 이들의 혼합물 등으로 이루어져 있다.
상기 중공 폴리머(12)는 코아-쉘 구조를 갖는 단일중공 폴리머(12)로 그 내부에는 저비점 탄화수소계 가스가 투입되어 팽창된 약 10∼150㎛ 정도의 크기의 것이다. 이러한 팽창된 중공 폴리머(12)는 폴리머릭 베이스(11)의 표층으로 중공 폴리머(12)가 용이하게 개방되도록 하고, 또 그에 따른 표층의 탄력성과 유연성 확보 및 표층 하부의 탄력성을 부여하기 위한 것이다. 따라서 이러한 단일중공 폴리머(12)를 포함하는 연마패드(1)는 단일중공 폴리머(12)의 일부분이 작업표면(9)에 존재하면서 연마슬러리(1)를 포함하는 작업 환경에 노출되고, 단일중공 폴리머(12)의 다른 부분은 작업 환경에 노출되지 않는 패드의 내층면에 함침된다. 작업표면(9)에서의 단일중공 폴리머(12)의 일부분이 작업 환경에 노출되는 결과, 패드의 가공면이 내층면보다 비교적 더 부드러우며, 연마 작업의 결과 내층면의 중공폴리머(12)가 작업 환경에 노출, 개방되어, 부드러운 작업표면(9)을 재생하므로, 기판 또는 웨이퍼(4)를 보다 신속하고 균일하게 연마시키거나 평면화할 수 있다. 도 3에 도시한 바와 같이, 이러한 연마패드(1)의 단일중공 폴리머(12)는 연마슬러리(10)를 포집하고, 연마슬러리(10)를 연마되는 작업표면(9)에 고르게 공급하면서 웨이퍼(4)를 연마한다.
그러나, 상기 연마패드(1)의 연마 정도는 작업표면(9) 부위의 연마슬러리(10)의 입자 크기, 투입속도, 투입량에 따라 다르게 된다. 즉, 연마패드(1)의 작업표면(9) 부위가 계속적인 연마작업에 의해 마모되고, 이렇게 마모된작업표면(9)은 공급되는 연마슬러리(10)를 불균일하게 분포시키므로, 대응하는 웨이퍼(4) 표면이 광역적으로 불균일한 연마 분위기 상에 놓이게 된다.
또한 연마작업에 따른 마찰압력에 대응하여, 지지력이 미약한 단일중공 폴리머(12) 주변 부위의 마모 정도가 심화되고, 작용하는 마찰압력에 의해 도 3에 나타낸 바와 같이 일측 방향으로 밀려진 형상으로 성장되므로, 단일중공 폴리머(12)의 개방 부위가 커버되는 형태로 된다. 이렇게 성장 돌출된 부위는 이후의 슬러리(10)의 유동을 저해하는 요소로 작용하여, 연마 작업시 슬러리를 불균일하게 공급 및 분포시키게 되고, 이에 따라 웨이퍼(4)에 대한 연마 특성이 변화하게 된다. 이 경우, 도 4에 나타낸 바와 같이, 슬러리의 공급을 중단한 상태에서 회전하는 연마패드(1)의 일측 상면에 드레싱부(6)를 대향 위치시켜, 그 작업표면(9)을 균일하게 연마하여 제거한다. 이때 표출되는 작업표면(9)의 개방된 단일중공 폴리머(12)의 주변 부위는 드레싱부(6)의 연마 압력에 대응하여 충분한 지지력을 제공하지 못함에 따라 그 주변의 작업표면(9)이 밀려진 형상으로 되고, 탄성에 의해 복원되더라도 다시 연마 작업 과정에서 연장 형성되어, 웨이퍼(4)의 연마 효율 저하를 초래한다.
또한 상기 문제점들은 반복적으로 발생하며, 연마패드(1)의 수명을 단축시키므로, 연마패드(1) 교체 작업에 따라 작업시간이 지연되고, 그 결과 생산성 저하의 문제가 발생한다. 또 다른 면으로는 상기 단일중공 폴리머(12)의 입자 크기는 10∼150㎛ 이고, 쉘(shell)의 두께는 1㎛ 정도이므로, 중공부가 작업표면(9)에 개방될 경우 전체 연마 면적이 작아지는 단점이 있다. 따라서 연마작업의 효율이 낮아지고, 연마층(8)의 마모 속도가 빨라지게 된다.
또한, 상기 단일중공 폴리머(12)는 반도체 웨이퍼(4)를 연마할 경우 보통 90㎛ 정도의 입자크기를 갖는 것을 사용하고 입자들 간의 간격을 약 100㎛ 정도로 이격시키는데, 이러한 코아의 크기는 연마작업에서 매크로(macro) 운동을 하는 것으로 정밀 가공을 위해서는 코아의 크기를 10㎛ 정도로 조정하고, 이격을 1㎛로 줄여서 지지성을 보완하여야 하나, 이 경우 연마슬러리(10)의 포집량이 크게 감소하므로 상대적으로 연마효율이 크게 저하된다. 또한 연마패드(1)의 표면으로 공급되는 연마슬러리(10)가 미세하지 않고 불균일하게 큰 입자를 포함하고 있을 경우, 이 연마슬러리(10)의 큰 입자를 포집하게 되어 높은 정밀도의 연마를 요구하는 웨이퍼(4) 등에 스크래치를 발생시키는 문제점이 있다.
이와 같은 단점을 보완하기 위한 것으로서, 상기 단일중공 폴리머(12) 대신에 세포조직 구조의 미세중공 폴리머다발(13)을 형성한 연마패드가 대한민국 특허출원 제99-22619호에 개시되어 있다.
도 5는 이와 같은 미세중공 폴리머다발(13)이 형성된 연마패드의 단면도로서, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 연마패드는 미세 중공 폴리머(14)로 이루어진 원형 폴리머다발(13)이 다수의 코어(core)를 형성하고 있으므로, 대상 물품에 접촉 또는 근접 대향하는 작업표면(9)이 웨이퍼(4)의 연마작업 또는 패드의 연삭 작업 시에 충분한 탄성력 및 지지력을 가지며, 다수의 코어(core)를 갖고 있는 미세 쉘(shell)을 연마에 참여시켜, 종래의 매크로 운동보다 아주 작은 마이크로 운동을하도록 함으로서, 연마 효율을 상승시키고, 연마패드의 수명을 연장할 수 있다.
즉, 종래의 연마패드의 단일중공 폴리머(12) 1개가 차지하는 공간을 다수의 미세중공 폴리머(14)가 다발(13)의 형태로 차지하므로, 작업표면(9)으로 노출되는 코어의 수가 많으며, 노출된 코어에 미세한 연마슬러리(10) 입자가 포집되므로, 연마 작업에 직접 참여할 수 있는 연마슬러리(1)를 제어할 수 있다. 또한, 작업표면(9)에 연마슬러리(10) 입자를 고정시킨 상태로 연마작업을 수행함으로서 연마작업의 효율을 향상시킬 수 있으면서도, 작업표면(9) 밑에 위치한 다발 코어(13)는 연마슬러리(10)를 포집하지 않으므로 전체 연마슬러리(10)의 사용량을 감소시키는 장점을 가지고 있다. 또한 이러한 미세중공 폴리머다발(13)의 전체 크기는 10∼300㎛ 이고, 1차 입자(14)의 크기는 0.1∼10㎛로서 매우 작아서, 연마슬러리(10)가 불균일하게 큰 입자를 포함하고 있더라도, 연마슬러리(10)의 큰 입자가 연마패드에 포집되지 않고 여과됨으로서 스크래치를 감소시킬 수 있는 장점도 있다.
그러나 이와 같이 미세 중공 폴리머다발(13)이 형성된 연마패드는, 연마슬러리(10) 입자를 포집하는 양이 적으므로, 연마속도가 느려지는 문제가 발생할 수 있으며, 따라서 원활한 웨이퍼(4)의 연마를 위해서는 연마 공정 중에 다량의 연마 슬러리를 지속적으로 공급하여야 하는 문제점이 있다. 또한, 상기 미세 중공 폴리머다발(13)이 형성된 연마패드는 연마슬러리 중 매우 작은 크기의 연마 미립자만이 상기 폴리머다발(13)에 포집되므로, 연마 효율이 낮아지는 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 자체적으로 연마 미립자를 함유함으로서, 연마슬러리를 사용하지 않거나, 연마슬러리의 사용량을 현저히 줄일 수 있는 고분자 연마 패드를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 적절한 크기의 연마 미립자를 함유하여, 연마 효율을 상승시킬 수 있는 연마 미립자를 함유하는 고분자 연마 패드를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 연마슬러리를 함유하는 개방부의 지지력이 강하여 장시간 사용할 수 있는 연마 미립자를 함유하는 고분자 연마 패드를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 스크래치의 발생을 줄이고, 높은 정밀도로 대상물의 연마가 가능한 연마 미립자를 함유하는 고분자 연마 패드를 제공하는 것이다.
도 1은 연마패드가 사용되는 일반적인 연마 장치 및 그에 따르는 연마패드의 사용 관계를 설명하기 위한 개략도.
도 2는 단일중공 폴리머만을 미소요소로 포함하는 종래의 연마패드의 구조를 설명하기 위한 단면도.
도 3은 도 2에서 도시된 연마패드의 사용 및 대상 물품에 대한 작용 관계를 설명하기 위한 단면도.
도 4는 도 2에 도시된 연마패드의 표면을 소정 두께로 연마하는 드레싱 과정을 설명하기 위한 단면도.
도 5는 미세중공 폴리머 다발만을 미소요소로 포함하는 종래의 연마패드의 구조를 설명하기 위한 단면도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연마 미립자를 함유하는 고분자 연마패드의 구조를 나타내는 단면도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연마패드에 의한 연마 작용을 설명하기 위한 단면도.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (i) 열린 기공 형태의 고분자 미소 요소, (ii) 연마 미립자, 및 (iii) 상기 고분자 미소 요소와 연마 미립자를 결합시키는 수용성 고분자로 이루어진 고분자 응집체; 및 상기 고분자 응집체가 균일하게 분산되어 있는 폴리머릭 매트릭스 기재를 포함하는, 연마 미립자를 함유하는 고분자 연마패드를 제공한다. 여기서, 상기 열린 기공 형태의 고분자 미소 요소의 크기는 0.05 내지 5㎛ 이고, 일면이 오목하게 함침된 타원형의 형상을 가지며, 상기 연마 미립자는 0.001 내지 10㎛ 크기의 실리카, 산화 알루미늄, 실리콘 카바이드,산화세륨, 세리아 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택되며, 상기 수용성 고분자는 폴리비닐알콜, 폴리비닐피롤리돈, 폴리(메타)아크릴산 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택되는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연마 미립자를 함유하는 고분자 연마패드의 구성을 설명하기 위한 단면도이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연마 미립자를 함유하는 고분자 연마패드는 도 6에 도시된 바와 같이, 폴리머릭 매트릭스(22)에 고분자 응집체(30)가 균일하게 분포된 연마부(32)를 포함하며, 필요에 따라 상기 연마부(32)를 지지하기 위한 지지층(34)을 연마부(32)의 하부에 형성할 수 있다.
상기 폴리머릭 매트릭스(22)는 통상적인 연마패드의 기재와 같이, 우레탄, 멜라민, 폴리에스테르, 폴리설폰, 폴리비닐아세테이트, 불소탄화수소, 이들의 혼합물, 이들의 공중합체 및 그라프트 공중합체 등으로 이루어질 수 있으며, 바람직하기로는 우레탄으로 이루어져 있다.
상기 고분자 응집체(30)는 열린 기공 형태의 고분자 미소 요소(24) 및 연마 미립자(26)가 수용성 고분자(28)에 의하여 결합된 형태로서, 직경이 20 내지 200㎛인 구형을 이루는 것이 바람직하며, 직경이 50 내지 150㎛인 구형을 이루면 더욱 바람직하며, 직경이 50 내지 80㎛인 구형을 이루면 가장 바람직하다
상기 열린 기공 형태의 고분자 미소 요소(24)는 폴리아크릴산, 폴리스타이렌,폴리비닐알콜, 펙틴, 폴리비닐피롤리돈, 하이드록시에틸셀룰로오즈, 메틸셀룰로오즈, 하이드록프로필메틸셀룰로오즈, 카복시메틸셀룰로오즈, 하이드록시프로필셀룰로오즈, 폴리아크릴아미드, 폴리에틸렌글리콜, 폴리하이드록시에틸아크릴레이트, 전분, 말레이산 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리우레탄 및 이들의 혼합물이 코어/쉘 구조를 이루고, 쉘의 일부가 함침 또는 개방됨으로서 형성될 수 있으며, 바람직하게는 폴리아크릴산 또는 폴리스타이렌으로 이루어진다.
상기 열린 기공 형태의 고분자 미소요소(24)는 일면이 오목하게 함침된 타원형, 소정 크기의 홈이 형성된 구형 등 구형이 아닌 구조로서, 연마 미립자를 함유하기에 적절한 형태이면 어느 것이나 좋으나, 바람직하게는 도 6에 도시된 바와 같이 일면이 오목하게 함침된 타원형인 것이 좋으며, 상기 미소요소의 크기는 0.05 내지 5㎛ 인 것이 바람직하고, 1 내지 2 ㎛이면 더욱 바람직하다. 만일 상기 미소요소의 크기가 0.05㎛ 미만이면, 연마 미립자의 수용율이 저하되어 본 발명의 효과를 달성하기 곤란하며, 상기 미소요소의 크기가 5 ㎛를 초과하면, 과도하게 큰 크기의 연마 미립자를 함유하거나, 과도한 양의 연마 미립자를 함유하여, 웨이퍼의 연마품질을 저하시킬 우려가 있다.
열린 기공 형태의 중공 고분자는 예를 들면, 아크릴산 또는 메타크릴산이 함유된 코아와 이를 둘러싸는 쉘 구조의 비닐기를 함유한 단량체로 구성되어 있으며 유화중합을 통해 제조된다. 이와 같은 기술은 USP4,427,836호에 이미 공지되어 있고, 상기 기술은 열린 기공과 닫힌 기공을 공히 사용할 수 있으나 열린 기공이 단위 부피당 기공의 부피가 증가하므로 웨이퍼의 가공 효율을 높일 수 있다. 이러한열린 기공을 만들기 위해서는 통상적인 코어/쉘 구조의 고분자 응집체를 제조하는 공정에 있어서. 코아/쉘 비율을 증가시켜서 더 얇은 기공을 형성하게 하여 알칼리 용액에 의해서 팽윤될 때 인위적으로 열린 기공을 만드는 방법과 쉘의 조성을 약하게 하여 건조 중 중공 형태가 유지되지 못하고 함몰 시킬 수 있도록 제조한다.
상기 연마 미립자(26)는 반도체 웨이퍼의 연마에 통상적으로 사용되는 슬러리에 포함되는 연마 미립자를 광범위하게 사용할 수 있으나, 바람직하게는 0.001 내지 10㎛ 크기의 실리카, 산화 알루미늄, 실리콘 카바이드, 산화세륨, 세리아 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있다.
상기 수용성 고분자(28)는 물 또는 알카리에 용해되는 고분자로서, 예를 들면 폴리비닐알콜, 폴리비닐피롤리돈, 폴리아크릴산(또는 폴리메타크릴산) 공중합체 등의 고분자를 사용할 수 있다.
상기 고분자 응집체(30)는 열린 기공 형태의 고분자 미소 요소(24) 50 내지 100중량부, 연마 미립자(26) 0 내지 50중량부, 바람직하게는 5 내지 50중량부, 수용성 고분자(28) 0 내지 50중량부, 바람직하게는 5 내지 50중량부를 혼합하고 냉동 건조하거나, 이들을 물을 혼합하여 고형분 함량이 10 내지 60중량%가 되도록 유무기 복합 슬러리를 제조한 다음, 스프레이 드라이어로 분무 건조하여 제조할 수 있다. 스프레이 드라이어의 운전 조건은 150 내지 250℃의 유입온도, 70 내지 110℃의 유출온도, 및 분무속도 5 내지 50 l/min인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 연마 미립자를 함유하는 고분자 연마패드를 제조하기 위해서는 상기 고분자 응집체(30)를 경화제가 첨가된 폴리머릭 매트릭스(22) 형성성 고분자에 균일하게 분포되도록 함침하고, 이것을 교반하여 혼합물로 형성한다. 상기 폴리머릭 매트릭스(22) 형성성 고분자로는 금형 내에서 겔화 및 경화될 수 있는 소재의 것이면 모두 사용할 수 있고, 바람직하게는 우레탄, 멜라민, 폴리에스테르, 폴리설폰, 폴리비닐아세테이트, 불소탄화수소, 이들의 혼합물, 이들의 공중합체 및 그라프트 공중합체 등을 사용할 수 있다. 상기 경화제로는 통상적으로 고분자 수지의 경화에 사용되는 경화제를 제한없이 사용할 수 있으며, 예를 들면 4,4‘-메틸렌-비스(2-클로로아닐린)을 사용할 수 있다. 이때 상기 고분자 응집체(30)와 폴리머릭 매트릭스(22) 형성 고분자의 혼합비는 특히 한정하지 않으나 2:8 내지 8:2인 것이 바람직하며, 상기 범위를 벗어나면, 연마 효과가 감소되거나, 스크래치의 발생률이 높아, 높은 정밀도의 연마 작업을 수행할 수 없다.
다음으로, 상기 혼합물을 소정 형상의 몰드 내부에 투입하여 겔화 과정과 경화 과정 및 냉각 과정을 통해 고체화시키고, 고체화된 혼합물을 몰드로부터 빼내어 소정 두께와 모양 및 형상을 갖도록 절단하는 과정을 통해 연마패드(32)를 제조한다. 상기 겔화 조건은 주형 몰드에 혼합물을 주입한 후 100 내지 110℃의 온도에서 5 내지 120분 정도 방치하여 겔화하는 것이 바람직하며, 경화조건은 겔화 후 60 내지 120℃의 온도에서 10 내지 24 시간 동안 가열하여 경화시키는 것이 바람직하다. 경화 후 절단된 연마패드(32)에는 연마 작업 중 생성되는 연마 찌꺼기의 배출이 용이하도록 표면에 나선형, 동심원 등의 모양을 형성할 수도 있으며, V홈, X-Y 그루브등을 형성하는 것도 가능하다.
상기 연마패드(32)는 그대로 CMP에 부착하여 사용할 수도 있으나, 연마패(32) 아래에 우레탄 폼과 같은 지지층(34)을 접착제 또는 양면 테이프로 부착하여 CMP 장치에 적용할 수도 있다. 이 지지층(34)은 연마부(5)의 패드척(2)에 위치하게 되며 통상 1 내지 2mm의 두께를 가진다(도 1 참조).
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연마패드에 의한 연마 작용을 설명하기 위한 단면도로서, 도 7에 도시된 바와 같이, 고분자 응집체(30)를 포함하는 연마패드(32)는 반도체 웨이퍼(4) 등의 연마작업 중 작업표면이 마모되어, 내부의 고분자 응집체(30)가 순차적으로 외부로 드러나게 된다. 외부로 드러난 고분자 응집체(30)의 수용성 고분자는 연마작업 중 공급되는 물 또는 알카리에 의하여 용해되어, 고분자 응집체(30) 내부의 연마 미립자(26)를 배출하므로, 본 발명의 연마패드를 사용할 경우에는 별도의 연마 슬러리를 사용할 필요없이, 물이나 알카리 용액 만을 사용하여 연마작업을 수행할 수 있다.
이와 같이, 연마패드(32) 내부에 함침된 연마미립자(26)를 사용함에 의하여, 연마 슬러리의 불필요한 낭비를 최소화할 수 있고, 슬러리리스(slurry less) 타입의 연마작업을 수행할 수 있을 뿐 만 아니라, 작업 표면 내에서 연마 미립자(26)가 수용액이나 알카리 용액에 의하여 각각의 입자로 분산, 용해되어 사용되므로, 웨이퍼(4)에 스크래치가 발생하는 현상을 현격히 줄일 수 있으며, 연마 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 고분자 응집체(30)에 포함되는 열린 기공 형태의 고분자 미소 요소(24)는 종래에 사용되던 구형 고분자 미립자에 비하여 기공 면적이 크고, 닫힌 기공형태의 응집체보다 슬러리를 이동시키기에 유리하므로, 연마 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 열린 기공 형태의 고분자 미소 요소(24)는 연마 압력에 대응하여 충분한 지지력을 제공하므로, 작업 표면의 형상 변형을 방지할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
1. 열린 기공 형태의 고분자 미소 요소의 제조
(A). 유화 중합체 제조
온도계, 질소투입관, 적하조 및 교반기가 부착되어 있는 2L 4구 플라스크에 이온교환수 440g과 소듐 도데실 벤젠 술포네이트(RHODACAL DS-10) 1.2g을 투입한 다음, 질소를 불어 넣으면서 80도까지 가열한 후 암모늄 퍼설페이트 2.51g을 이온교환수 18g에 녹여 반응 플라스크에 투입하다. 그 후 2L 비이커에 소듐도데실 벤젠 술포네이트 1.21g을 이온교환수 276.4g에 녹인 후, 스티렌150g 부틸아크릴레이트 60g, 아크릴산90g을 투입하여 유화상태로 만든 후, 암모늄 퍼설페이트 용액이 투입완료되면 2시간 동안 적하한다. 적하가 완료되면 온도를 82-84℃로 60분간 숙성시킨다. 제조된 유화 중합체는 고형분 32.1% 이었다.
(B) 중공체 형성 제조 공정
2L 플라스크에 이온교환수 485g을 투입하고 상기 제조된 유화 중합체 44.9을 투입하여 반응물의 온도를 85도로 승온한다. 반응온도가 85℃가 되면 소듐 퍼설페이트 1.2g을 이온교환수 40g에 녹여 10분간 투입하고 2분이 경과하면 부틸아크릴레이트 25.7g, 메틸메타크릴레이트 48.0g, 메타크릴릭산 2.9g을 혼합하여 초기 20분 동안 투입한다. 적하가 완료되면 반응온도를 85℃로 유지하면서 1시간 동안 숙성시킨다. 숙성이 끝나면 반응물의 온도를 80℃로 서냉하여 암모니아수 28% 용액 6.7g을 이온교환수 20g에 희석하여 15분간 서서히 중화시킨다. 중화제를 투입한 후 60분간 유지한다. 한편 준비된 2L 비이커에 이온교환수 100g을 투입하고 소듐 퍼설페이트 1.0g, 소듐도데실벤젠설포네이트 0.34g 투입하여 완전히 녹인 후 스티렌 단량체 102g을 천천히 가하여 유화 상태 혼합물을 제조한다. 중화제 투입후 60분간 유지 후 유화 상태 혼합물을 2시간 동안 일정한 속도로 반응온도 80-82℃을 유지하면서 적하한다. 적하가 완료되면 90분간 숙성 후 상온으로 냉각하여 100메시로 필터하여 최종 유화 중합체를 제조한다. 최종 유화 중합체의 고형분은 24.3%이고 광산란 측정기에 의해 측정된 입자의 직경은 1050nm이었고, 점도는 101cps이었다. 상기 유화중합체를 전자 투과 현미경으로 관찰 시 내부에 기공을 가지고 있으나 건조 중에 중공 입자가 외부 압력에 견디지 못하고 반달형태로 됨을 확인할 수 있었다.
2. 고분자 응집체의 제조
건조 후 열린 기공 형태의 고분자 미소 요소로 되는 유화중합체(고형분25%) 320그램, 연마 미립자 15그램, 수용성 고분자 내지 5그램을 혼합하여 고형분 함량이 30중량%인 유무기 복합 슬러리를 제조한 다음, 스프레이 드라이어로 분무 건조하여 고분자 응집체를 제조하였다. 스프레이 드라이어의 운전 조건은 180℃의 유입온도, 80℃의 유출온도로 하였으며, 분무속도는 15 l/min이었다. 제조된 고분자 응집체는 직경이 60㎛인 구형 형상을 이루고 있었다.
3. 연마 미립자를 함유하는 고분자 연마패드의 제조
제조된 고분자 응집체 160그램을 4,4‘-메틸렌-비스(2-클로로아닐린) 경화제 228그램이 첨가된 액체 우레탄(건설화학 제조 PT 70-10) 1000그램에 균일하게 분포되도록 함침하고, 이것을 전단혼합기(kneader)에서 100rpm의 속도로 2분간 혼련하여 혼합물을 형성하였다. 상기 혼합물을 소정 형상의 몰드 내부에 투입하여 60분 동안 겔화시킨 후, 110℃ 오븐에서 20시간 동안 경화시켰다. 경화된 혼합물을 금형에서 탈형하고, 재단 및 표면 가공하여 직경 20인치의 연마패드를 제조하였다. 제조된 연마패드에 두께 1.5mm의 경질 우레탄폼을 지지층으로 부착하고, 반도체 웨이퍼의 연마에 사용하였다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 연마 미립자를 함유하는 고분자 연마 패드는 연마슬러리를 사용하지 않거나, 연마슬러리의 사용량을 현저히 줄일 수 있으며, 구조적으로 작업표면의 지지력이 강하여 장시간 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 연마면의 스크래치의 발생을 줄이고, 높은 정밀도로 연마가 가능하다.
Claims (7)
- (i) 열린 기공 형태의 고분자 미소 요소, (ii) 연마 미립자, 및 (iii) 상기 고분자 미소 요소와 연마 미립자를 결합시키는 수용성 고분자로 이루어진 고분자 응집체; 및상기 고분자 응집체가 균일하게 분산되어 있는 폴리머릭 매트릭스 기재를 포함하는, 연마 미립자를 함유하는 고분자 연마패드.
- 제1항에 있어서, 상기 열린 기공 형태의 고분자 미소 요소의 크기는 0.05 내지 5㎛ 이고, 일면이 오목하게 함침된 타원형의 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 연마 미립자를 함유하는 고분자 연마패드.
- 제1항에 있어서, 상기 열린 기공 형태의 고분자 미소 요소는 폴리아크릴산, 폴리스타이렌, 폴리비닐알콜, 펙틴, 폴리비닐피롤리돈, 하이드록시에틸셀룰로오즈, 메틸셀룰로오즈, 하이드록프로필메틸셀룰로오즈, 카복시메틸셀룰로오즈, 하이드록시프로필셀룰로오즈, 폴리아크릴아미드, 폴리에틸렌글리콜, 폴리하이드록시에틸아크릴레이트, 전분, 말레이산 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리우레탄 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택되는 고분자로 이루어진 것을 특징으로 하는 연마 미립자를 함유하는 고분자 연마패드.
- 제1항에 있어서, 상기 열린 기공 형태의 고분자 미소 요소는 둘 이상의 고분자가 코아와 이를 둘러싸는 쉘 구조를 이루고 있으며, 유화중합에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 고분자 연마패드.
- 제1항에 있어서, 상기 연마 미립자는 0.001 내지 10㎛ 크기의 실리카, 산화 알루미늄, 실리콘 카바이드, 산화세륨, 세리아 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 연마 미립자를 함유하는 고분자 연마패드.
- 제1항에 있어서, 상기 수용성 고분자는 폴리비닐알콜, 폴리비닐피롤리돈, 폴리(메타)아크릴산 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 연마 미립자를 함유하는 고분자 연마패드.
- 제1항에 있어서, 상기 고분자 응집체는 직경이 20 내지 200㎛인 구형을 이루는 것을 특징으로 하는 연마 미립자를 함유하는 고분자 연마패드.
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