KR20030058609A - 입자 함침층 조성물 및 이를 이용한 연마 패드 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 입자 함침층 조성물 및 이를 이용한 연마 패드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 기판에 형성된 층간절연막을 CMP 방법으로 연마할 때에 사용하는 것으로서 캡슐화된 연마 입자를 함침시킨 입자 함침층 조성물을 도포하여 만든 연마 패드에 관한 것이다.
이러한 본 발명에서는 연마 패드의 입자 함침층으로부터 공급되는 연마 입자가 연마에 참여하도록 하고, 식각용액이 공급되도록 하여 CMP 공정을 진행함으로써, 종래에 소요되던 연마 입자 및 식각용액이 혼합된 슬러리의 사용량을 60∼70% 이하로 감소시키고, 폐액의 처리 비용을 감소시킬 뿐만 아니라, 복잡한 슬러리 공급장치를 사용할 필요가 없으며 디싱과 부식 특성을 20∼30% 감소시킬 수 있어 전체 공정 마진을 확보할 수 있다.

Description

입자 함침층 조성물 및 이를 이용한 연마 패드{Composition of impregnated abrasive layer and polishing pad using the same}
본 발명은 입자 함침층 조성물 및 이를 이용한 연마 패드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 기판에 형성된 층간절연막을 CMP 방법으로 연마할 때에 사용하는 것으로서 캡슐화된 연마 입자를 함침시킨 입자 함침층 조성물을 도포하여 만든 연마 패드에 관한 것이다.
일반적으로 CMP는 화학적 반응과 기계적 반응이 결합되어 일어나는 것으로,화학적 반응은 슬러리 내에 함유되어 있는 식각용액과 막간의 화학반응을 의미하고, 기계적 반응은 연마 패드에 의해 가해진 힘이 슬러리 내의 연마 입자에 전달되고, 이미 화학적 반응을 받은 막이 연마 입자에 의해 기계적으로 뜯겨져 나가는 것을 의미한다.
종래의 CMP 공정은 회전하는 연마 패드와 기판이 직접적으로 가압 접촉되고, 이들의 계면(界面)에 연마 입자 및 식각용액을 포함하는 슬러리가 공급됨으로써 이루어졌다. 따라서 기판 표면은 슬러리가 도포된 연마 패드에 의해 기계적 및 화학적으로 연마되어 평탄화되기 때문에 슬러리 조성물인 연마 입자 및 식각용액에 의해 연마 속도, 연마 표면의 결함 및 부식 등의 특성이 달라지게 된다.
이러한 종래의 연마 입자를 포함하는 슬러리 공급 방식에 의한 CMP 공정은 웨이퍼 1장에 대해 200∼300㎖/min 정도의 슬러리가 소모되는데, 이중 20∼30% 정도만이 CMP 공정에 참여한다. 하지만 연마공정의 안정성 측면에서 공급되는 슬러리의 사용량을 자유롭게 감소시킬 수 없기 때문에 이에 따른 경제적 손실을 감수할 수 밖에 없었고, 또한 슬러리에 첨가되는 연마 입자의 양을 감소시킬 경우에는 연마 속도가 저하되는 결과를 초래하였다.
현재 통상적으로 사용되는 CMP용 슬러리의 경우 공정 진행 후 연마 입자와 식각용액이 혼합되어 있는 상태의 폐액이 발생하는데, 1장의 웨이퍼에 대하여 3∼4회 정도의 CMP 공정이 적용된다고 가정할 경우 2∼4ℓ정도의 슬러리가 소모되고 결국, 하루 1000장의 웨이퍼 가공시 발생되는 폐액의 양은 2000∼4000ℓ정도가 되므로 이를 처리하기 위해서는 별도의 비용이 소비된다는 문제점이 있었다.
또한 종래의 슬러리 공급방식을 사용한 CMP 공정시 과연마(overpolishing) 공정을 적용하는 한 디바이스를 구성하고 있는 이종 물질간의 압력 불균일 분포, 연마 입자의 함유량, 금속 CMP시의 산화제의 영향 등으로 발생되는 디싱(dishing)과 부식(erosion) 특성 등을 피할 수 없는 문제점이 있었다.
이에 본 발명자들은 오버 폴리싱이라는 공정이 없어지지 않는 한 피할 수 없는 결함인 디싱과 부식의 발생을 최대한 저감시키고자 슬러리 공급 방식에 의한 유리(free) 입자 형태의 연마 입자를 사용하는 대신 연마 입자를 패드 표면에 부착하는 방법을 통해 자유도가 억제된 연마 입자를 사용함으로써, 디싱 및 부식을 저감시킬 수 있고 연마 입자의 사용 빈도를 높일 수 있으며 아울러 폐액의 처리 비용을 감소시킬 수 있음을 알아내어 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 상기 종래의 문제점을 해결하기 위하여 연마 입자의 자유도를 억제시키고자 캡슐화된 연마 입자를 함침시킨 입자 함침층 조성물, 이러한 조성물을 패드에 도포하여 만든 연마 패드 및 이러한 연마 패드를 이용한 CMP 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 연마 패드의 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 연마 패드에 있어서, 입자 함침층의 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 연마 패드의 제조공정도.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
10 : 입자 함침층 11 : 연마 입자
12 : 1차 바인더 13 : 2차 바인더
20 : 패드
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 캡슐화된 연마 입자를 함침시킨 입자 함침층 조성물, 이러한 조성물을 패드에 도포하여 만든 연마 패드 및 이러한 연마 패드를 이용한 CMP 방법을 제공한다.
이하, 첨부도면에 의거하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명에서는 캡슐화된 연마 입자를 함침시킨 입자 함침층 조성물을 패드에 도포하여 만든 연마 패드를 제공하는데, 이는 도 1에 도시된 바와 같이 패드(20) 및 그 표면에 형성된 입자 함침층(10)을 포함한다. 패드(20)는 연질 또는 경질로 이루어질 수 있으나, 바람직하게는 균일성(uniformity)을 확보하는 역할을 하는 연질층과 광역 평탄성(planarity)을 확보하는 역할을 하는 경질층의 적층구조로 형성된다.
상기의 입자 함침층(10)은 도 2에 도시된 바와 같이, 1차 바인더(12)에 의해 캡슐화된 연마 입자(11)와; 상기 캡슐화된 연마 입자(11)를 지지하고 있는 접착 물질인 2차 바인더(13)로 이루어진다.
이때 1차 바인더(12)는 식각용액에 용해되는 것으로서 예를 들어, 물에 용해되는 수지로서 용해도 및 용해속도가 큰 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐알코올 또는 셀룰로오스계 수지가 사용될 수 있으며, 알칼리성 용액에 용해되는 수지로서 아크릴계 수지 또는 스티렌-아크릴계 수지가 사용될 수 있다.
연마 입자(11)로는 퓸드 실리카(fumed silica), 콜로이드성 실리카(colloidal silica), 산화세륨(CeO2), 산화망간(MnO2) 또는 산화알루미늄 (Al2O3)등 일반적인 연마 입자가 사용될 수 있다.
또한 2차 바인더(13)는 웨이퍼와 패드의 접촉압력에 의해 스웰링(swelling) 되거나 혹은 이러한 연마압력 및 식각용액과의 상호작용에 의해 스웰링 가능한 물질이 사용되는데, 본 발명에서는 중합도가 300 또는 600인 폴리에틸렌(polyethylene),폴리에틸렌글리콜매크로아크릴레이트(polyethyleneglycolmacroacrylate) 및 트리메틸올프로판트리아크릴레이트(trimethylolpropanetriacrylate)가 혼합된 수지가 사용된다.
다음, 본 발명에서는 상기 연마 패드의 제조방법을 제공한다.
도 3은 본 발명에 따른 연마 패드의 제조공정도로서, 상기 입자 함침층(10)을 포함하는 연마 패드의 제조방법은 하기의 단계를 포함한다.
(a) 용매와 1차 바인더를 혼합하는 단계;
(b) 상기 결과물에 연마 입자를 혼합하는 단계;
(c) 상기 결과물을 분무건조(spray drying)하여 용매를 제거함으로써, 1차 바인더로 연마 입자를 캡슐화하는 단계;
(d) 상기 캡슐화된 연마 입자와 2차 바인더를 혼합하여 입자 함침층 조성물을 제조하는 단계;
(e) 상기 입자 함침층 조성물을 연마패드 상부에 코팅하는 단계; 및
(f) 상기 결과물을 경화하여 연마 패드를 완성하는 단계를 포함한다.
먼저, 상기 (a) 단계에서는 용매와 1차 바인더를 혼합하는데, 이때 사용되는 1차 바인더는 연마 입자를 캡슐화하는 역할을 하는 것으로, 전술한 바와 같이 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스계 수지, 아크릴계 수지 또는 스티렌-아크릴계 수지 등이 사용된다.
이때 1차 바인더로 식각용액에 용해되는 수지를 사용하는 이유는 추후 CMP 공정시 연마 패드에 식각용액이 공급되었을 때 연마 입자를 캡슐화하고 있는 1차바인더가 용해되어야 연마 입자가 도출됨으로써 연마공정에 참여할 수 있기 때문이다.
또한 상기 용매로는 알코올계 용매로서, 바람직하게는 에탄올 또는 이소프로판올 등이 사용되는데, 이는 (c) 단계의 분무건조에 의해 제거되는 것이기 때문에 그 사용량은 (b) 단계에서 연마 입자를 혼합한 후, 용매부피 : 1차 바인더와 연마 입자의 총 부피가 6 : 4 정도가 되도록 조절한다.
다음 상기 (b) 단계에서는 상기 용매와 1차 바인더의 혼합 용액에 연마 입자를 혼합하는데, 이때 연마 입자로는 전술한 바와 같이 퓸드 실리카, 콜로이드성 실리카, 산화세륨, 산화망간 또는 산화알루미늄 등을 사용하고, 그 사용량은 상기 1차 바인더의 사용량을 기준으로 5-25중량%가 되도록 조절한다.
또한, 상기 (b) 단계에서는 연마 입자 간의 결합력을 증진시키기 위하여 식각용액인 물 또는 알칼리성 용액에 용해되는 폴리비닐 피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone)을 상기 연마 입자에 대하여 1-10중량%의 양으로 혼합하여 사용할 수 있다.
다음, 상기 (c) 단계에서는 분무건조를 하여 상기 용매는 휘발시키고, 1차 바인더가 연마 입자를 캡슐화하도록 한다.
이때 분무건조란 재료를 미립화하기 위해 소정의 액체 상태의 재료를 열풍 속에 분무시켜 1㎜ 이하의 미세한 물방울 상태로 기류에 동반시키면서 건조시키는 방법을 말한다.
다음, 상기 (d) 단계에서는 (c) 단계로부터 얻은 캡슐화된 연마 입자와 2차바인더를 혼합하여 입자 함침층 조성물을 제조하는데, 이때 2차 바인더는 캡슐화된 연마 입자를 지지하는 역할을 하는 것으로, 전술한 바와 같이 본 발명에서는 중합도가 300 또는 600인 폴리에틸렌, 폴리에틸렌글리콜매크로아크릴레이트 및 트리메틸올프로판트리아크릴레이트가 혼합된 수지를 사용한다.
상기 트리메틸올프로판트리아크릴레이트는 2차 바인더의 기계적 특성을 조절하는 역할을 하는 것이다.
이들의 사용량은 폴리에틸렌 : 폴리에틸렌글리콜매크로아크릴레이트 : 트리메틸올프로판트리아크릴레이트의 혼합비가 46∼60중량% : 40∼46중량% : 0∼6중량%가 되도록 조절하는데, 폴리에틸렌과 폴리에틸렌글리콜매크로아크릴레이트의 혼합비가 증가할수록 스웰링 특성이 좋아지고, 트리메틸올프로판트리아크릴레이트의 혼합비가 증가할수록 스웰링 특성은 떨어지나 기계적 강도는 증가된다.
다음, 상기 (e) 단계에서는 입자 함침층 조성물을 스크린 프린팅(screen printing) 방식을 사용하여 코팅하고, 상기 (f) 단계에서는 사용하는 수지의 종류와 혼합비에 따라 열 경화, 자외선 경화 또는 전자선 경화 등으로 경화한다.
또한 본 발명에서는 상기 제조방법에 의해 제조된 연마 패드를 사용한 CMP 방법을 제공한다.
상기의 제조방법에 의해 제조된 연마 패드를 사용한 CMP 공정은 회전하는 연마 패드와 기판이 직접적으로 가압 접촉되도록 하고 이들의 계면에 초순수 또는 알칼리성 용액 또는 산성 용액 등의 식각용액이 공급됨으로써 이루어진다.
그 원리는 식각용액이 공급되면서 기판과 패드와의 마찰력으로 인해 스웰링된 2차 바인더가 식각용액에 의해 완전히 용해되지 않고 일부만 제거된 상태로 연마 입자가 떨어져 나가지 않도록 지지하고, 식각용액에 대해 용해도가 큰 1차 바인더는 용해되기 때문에 연마 입자가 도출되어 가공에 참여하게 되는 것이다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 입자 함침층을 포함하는 연마 패드를 사용한 CMP 공정은 종래의 일반적인 슬러리를 사용하여 층간절연막을 연마하는 모든 공정에 적용이 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에서는 연마 패드의 입자 함침층으로부터공급되는 연마 입자가 연마에 참여하도록 하고, 식각용액이 공급되도록 하여 CMP 공정을 진행함으로써, 종래에 소요되던 연마 입자 및 식각용액이 혼합된 슬러리의 사용량을 60∼70% 이하로 감소시키고, 폐액의 처리 비용을 감소시킬 뿐만 아니라, 복잡한 슬러리 공급장치를 사용할 필요가 없으며 디싱과 부식 특성을 20∼30% 감소시킬 수 있어 전체 공정 마진을 확보할 수 있다.

Claims (15)

  1. (a) 용매와 1차 바인더를 혼합하는 단계;
    (b) 상기 결과물에 연마 입자를 혼합하는 단계;
    (c) 상기 결과물을 분무건조(spray drying)하여 용매를 제거함으로써, 1차 바인더로 연마 입자를 캡슐화하는 단계;
    (d) 상기 캡슐화된 연마 입자와 2차 바인더를 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 함침층 조성물의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연마 입자는 1차 바인더에 대해 5∼25중량%의 비율로 사용되는 것을 특징으로 하는 입자 함침층 조성물의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차 바인더는 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스계 수지, 아크릴계 수지, 스티렌-아크릴계 수지 및 이들의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 입자 함침층 조성물의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 연마 입자는 퓸드 실리카(fumed silica), 콜로이드성 실리카(colloidalsilica), 산화세륨(CeO2), 산화망간(MnO2), 산화알루미늄(Al2O3) 및 이들의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 입자 함침층 조성물의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차 바인더는 중합도가 300 또는 600인 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리에틸렌글리콜매크로아크릴레이트(polyethyleneglycolmacroacrylate) 및 선택적으로 트리메틸올프로판트리아크릴레이트(trimethylolpropanetriacrylate)가 혼합된 수지가 사용되는 것을 특징으로 하는 입자 함침층 조성물의 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 폴리에틸렌 : 폴리에틸렌글리콜매크로아크릴레이트 : 트리메틸올프로판트리아크릴레이트의 혼합비가 46∼60중량% : 40∼46중량% : 0∼6중량%인 것을 특징으로 하는 입자 함침층 조성물의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 폴리비닐 피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone)을 더 첨가하는 것을 특징으로 하는 입자 함침층 조성물의 제조방법.
  8. 제 1 항 기재의 방법에 의해 제조된 입자 함침층 조성물.
  9. 패드와 그 상부 표면에 형성된 입자 함침층을 포함하며, 상기 입자 함침층은 1차 바인더로 캡슐화된 연마 입자와 이를 지지하는 2차 바인더를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연마 패드.
  10. (a) 제 1 항 기재의 방법에 의해 제조된 입자 함침층 조성물을 패드 상부에 코팅하는 단계; 및
    (b) 상기 결과물을 경화하여 연마 패드를 완성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 패드 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 (a) 단계는 스크린 프린팅(screen printing) 방식에 의해 코팅되는 것을 특징으로 하는 연마 패드 제조방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 (b) 단계는 열 경화, 자외선 경화 또는 전자선 경화에 의해 경화되는 것을 특징으로 하는 연마 패드 제조방법.
  13. 제 9 항 기재의 연마 패드를 사용하는 것을 특징으로 하는 층간절연막의 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing) 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 화학적 기계적 연마는 식각용액이 공급됨으로써 진행되는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 식각용액은 초순수, 알칼리성 용액 및 산성 용액으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 방법.
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