KR200401886Y1 - 웨이퍼용 연마패드 - Google Patents

Abstract

본 고안은 반도체 웨이퍼의 제조 공정중 최초 규소봉을 절단하여 만들어지는 초기 웨이퍼의 절단된 단면을 연마하기 위한 연마패드에 관한 것으로, 패드, 패드의 표면 전체에 실질적으로 균일한 두께로 적층된 폴리우레탄 수지층 및, 폴리우레탄 수지층의 표면 전체에 실질적으로 균일한 두께로 적층되고, 메틸 아크릴레이트 모노머 화합물 40~60 중량%, 스티렌 모노머 20~30 중량%, 아크릴 모노머 화합물 20~30중량%, 탄산가스를 함유하는 발포제 30~40 중량%이 혼합된 연마용 혼합물층을 구비한다.

Description

웨이퍼용 연마패드{Polishing pad for wafer}

본 고안은 반도체 웨이퍼의 제조 공정 중 최초 규소봉의 단면을 절단하여 만들어지는 초기 웨이퍼의 절단된 단면을 연마하기 위한 연마패드에 관한 것으로, 특히 소정 케미컬을 포함하는 연마용 혼합물이 패드의 표면 전체에 실질적으로 균일하게 적층된 웨이퍼용 연마패드에 관한 것이다.

반도체 웨이퍼의 제조 공정중 웨이퍼의 연마가 필요한 경우는 두 가지의 공정이 있는 바, 그 하나는 최초 성형된 규소봉으로부터 일정한 폭으로 절단한 웨이퍼(통상적으로 베어 웨이퍼라고 하는데, 이하에서는 반도체 웨이퍼 또는 단순히 웨이퍼라고 지칭한다)의 단면을 연마하는 과정이 있으며, 다른 하나는 이후 회로설계 및 마스크 제작 산화공정시에 CMP라는 연마방법을 적용하는 연마 과정이 있다. 본 고안은 위에서 언급한 두가지 공정 중 첫번째인 최초 성형된 규소봉으로부터 절단된 웨이퍼의 단면을 연마하는 공정에 적용되는 웨이퍼 연마용 패드에 관한 것이다.

최근의 반도체 산업 동향은 최소 선폭의 감소, 칩의 대용량화 및 고속화로 인해 2차원 평면구조로부터 3차원 다층구조로 변화되고 있다. 특히, DRAM의 경우 선폭은 1G DRAM은 0.15㎛, 4G DRAM은 0.13㎛로 작아지고 있으며, 웨이퍼의 크기는 칩 수율의 향상을 위해 8인치에서 12인치, 16인치로 커지고 있다.

이러한 다층배선화로 인해, 리소그래피 작업시 초점심도(DOF;Depth Of Focus)의 여유 한계가 감소하고, 칩 및 웨이퍼 직경의 증가에 따라 상대적으로 형성 및 위치 정밀도가 악화되고 있으며, 다층배선 및 3차원 구조화에 따라 소자의 표면단차(凹凸)가 악화되는 등 여러가지 문제점이 유발되고 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 실리콘 웨이퍼 제조로부터 ULSI 칩의 제조에 이르기 까지 웨이퍼 표면을 전면적으로 평탄화 가공할 수 있는 연마기술의 중요성이 증대되고 있다.

이하에서는 도 1을 참조하여 일반적인 웨이퍼 연마장치 및 그 작용 원리에 대하여 설명한다. 도 1은 일반적인 웨이퍼 연마장치를 설명하기 위한 개략도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 회전테이블(3)의 상면에는 연마를 위한 패드(1)가 평탄한 표면을 가지도록 부착되어 있다. 그리고 패드(1)의 상부에는 웨이퍼(5)를 부착하고 있는 웨이퍼 캐리어(4)가 패드(1)와 마찰할 수 있도록 설치된다. 이러한 웨이퍼 캐리어(4)는 일정한 압력으로 패드(1)와 밀착되면서, 회전(rotation) 및 요동운동(Oscillation)을 병행하게 되고, 이러한 웨이퍼 캐리어의 운동과 회전테이블(3)의 회전운동으로 인해 웨이퍼(5)의 표면은 연마되고 평탄화된다.

이러한 웨이퍼 연마 공정에 있어서, 웨이퍼(5)와 패드(1) 사이에는 연마제 공급기구(6)에 의하여 연마제(2)가 지속적으로 공급되고 있다. 이러한 연마제(Slurry)는 피가공물인 웨이퍼의 표면으로부터 또는 표면으로 연마입자와 화학물질을 전달하는 매개체라고 볼 수 있고, 연마 대상물에 따라 산성 또는 알카리성 케미컬에 연마입자가 현탁 되어진 것이다.

패드(1)는 반도체 웨이퍼의 표면에서 불순물을 제거하고 평탄화하기 위해 사용하는 소모품이다. 반도체 웨이퍼에 사용되는 연마패드는 웨이퍼의 무결함 표면가공을 위한 연마제 지지체로서 사용되고 있으며, 웨이퍼의 정밀도를 향상시키기 위해서는 패드의 물성과 평탄도가 매우 중요하다.

상기 설명한 바와 같이, 최근 웨이퍼의 직경이 증가하고 있으므로, 웨이퍼 전체 두께에 대한 TTV(Total Thickness Variation)가 6인치 웨이퍼의 경우 2㎛ 이내, 8인치 웨이퍼의 경우 1㎛ 이내로 상당히 엄격해지고 있으며, 실리콘 웨이퍼의 특성상 오염 문제도 심각하게 고려되어야 한다. 따라서, 웨이퍼 연마패드는 웨이퍼 표면의 형상을 제거하여 웨이퍼 전체를 평탄화할 수 있어야 하며, 형상 선택비(topography selectivity)와 WIWNU(Within Wafer Non Uniformity), WTWNU(Wafer to Wafer Non Uniformity) 구현을 위한 물성치를 확보해야 한다.

본 고안은 상기한 점을 감안하여 고안된 것으로, 웨이퍼 연마 효율이 우수한 연마용 혼합물층을 구비하는 웨이퍼용 연마패드를 제공함에 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 고안은, 반도체 웨이퍼의 제조 공정중 최초 규소봉을 절단하여 만들어지는 초기 웨이퍼의 절단된 단면을 연마하기 위한 연마패드에 있어서, 패드, 패드의 표면 전체에 실질적으로 균일한 두께로 적층된 폴리우레탄 수지층 및, 폴리우레탄 수지층의 표면 전체에 실질적으로 균일한 두께로 적층되고, 메틸 아크릴레이트 모노머 화합물 40~60 중량%, 스티렌 모노머 20~30 중량%, 아크릴 모노머 화합물 20~30중량%, 탄산가스를 함유하는 발포제 30~40 중량%이 혼합된 연마용 혼합물층을 구비하는 것을 특징으로 한다.

이때, 메틸 아크릴레이트 모노머 화합물은 메틸 아크릴레이트 모노머, 헥실 아크릴레이트 모노머 또는, 메틸 메타아크릴레이트 모노머인 것이 바람직하다.

아크릴 모노머 화합물은 에틸 아크릴, 부틸 아크릴, 펜틸 아크릴, 헥실 아크릴 모노머인 것이 바람직하다.

폴리우레탄수지는 히드록시기가 32(mgKOH/g) 이하의 값을 갖는 폴리올과 이소시아네이트가 29% 이하인 디이소시아네이트 화합물에 디아민으로 공중합한 수지인 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 고안이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 고안의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

(실시예)

이하, 예시도면을 참조하여 본 고안을 상세히 설명한다.

도 2a는 본 고안에 의한 연마패드의 평면도, 도 2a는 연마패드의 단면도이다. 도 2a를 참조하면, 패드(7)는 표면상에 다수개의 기공(pore)(8)을 갖는 것을 알 수 있다. 또한 패드(7)의 상, 하부에는 연마용 혼합물(9)이 패드에 스며들어 있어 연마의 효율성을 증가 시킨다.

도 3은 본 고안에 의한 웨이퍼용 연마패드의 제조방법을 설명하는 공정도이고, 도 4는 본 고안에 의한 웨이퍼용 연마패드의 제조방법을 설명하는 플로우차트이다.

도 4의 (a)~(d)를 참조하면, 연마제를 포괄할 수 있는 다수의 기공을 형성하고, 소정의 탄성을 갖는 패드를 제조하기 위해, 폴리우레탄 수지를 패드에 주입한 후 경화한다(S301). 이러한 패드로는 보통 부직포가 바람직하고, 폴리우레탄 수지에 부직포를 함침시키는 방법으로 주입하게 된다. 폴리우레탄 수지는 히드록시기가 32(mgKOH/g) 이하의 값을 갖는 폴리올과 이소시아네이트가 29% 이하인 디이소시아네이트 화합물에 디아민을 공중합한 것이 바람직하다.

이어서, 도 4의 (e)~(f)를 참조하면, 1차로 경화된 패드에 연마용 혼합물을 주입하고 2차로 다시 경화한다(S302). 구체적으로, 연마용 혼합물을 1차로 경화된 패드에 주입하는 공정은, 다음과 같이 이루어진다. 우선, 상기 폴리우레탄의 중량을 기준으로 하여 제1케미컬 2~3 중량%, 제2케미컬 1~2 중량%, 제3케미컬 1~2 중량%, 제4케미컬 2~3 중량%를 첨가하고, 이러한 성분들이 균질하게 혼합될 때 까지 1~2 시간동안 혼합한다. 이어서, 균질혼합이 완료되면, 이러한 연마용 혼합물을 별도의 용기에 주입하고, 1차 경화된 패드에 가하여 100~180 ℃의 온도를 유지하는 열고정기에 넣고 가열하여 2차로 열경화한다.

마지막으로, 도 4의 (g)~(h)를 참조하면, 열경화 완료된 패드의 표면을 가공 처리하고, 전자현미경(SEM) 등을 이용하여 품질검사한 후, 연마 장비에 알맞은 크기로 재단한다(S303). 따라서, 표면에서부터 중심부까지 균일하면서 개방된 기공이 산재하기 때문에, 연마제가 열린 기공에 의해 포집될 수 있고, 탁월한 연마 기능을 발휘하게 된다.

이러한 본 고안에 의한 반도체웨이퍼용 연마패드의 연마용 혼합물은 다음과 같이 중합조제한다. 도 5는 본 고안에 의한 반도체웨이퍼용 연마패드의 제조방법에서 사용되는 연마용 혼합물을 제조하는 방법을 설명하기 위한 플로우차트이고, 도 6은 본 고안에 의한 반도체웨이퍼용 연마패드의 제조방법에서 사용되는 연마용 혼합물을 제조하는 방법을 설명하기 위한 제조공정도이다.

우선, 도 6의 (a)~(b)를 참조하면, 제1케미컬은 메틸 아크릴레이트 모노머 화합물으로서 40~60 중량%, 제2케미컬은 스티렌 모노머로서 20~30 중량%, 제3케미컬은 아크릴 모노머 화합물으로서 20~30중량%으로 하여, 이들이 잘 섞이도록 혼합한다(S401). 다음으로, 이 혼합물에 물을 40~60중량% 첨가하여 용해한다(S402). 이 때, 제1케미컬인 메틸 아크릴레이트 모노머 화합물은 메틸 아크릴레이트 모노머, 헥실 아크릴레이트 모노머, 메틸 메타아크릴레이트 모노머 등이 가능하고, 제2케미컬은 스티렌 모노머, 부타디엔 모노머, 페놀 모노머 등이 바람직하다. 또한, 제3케미컬인 아크릴 모노머 화합물은 에틸 아크릴, 부틸 아크릴, 펜틸 아크릴, 헥실 아크릴 모노머가 바람직하다.

이어서, 도 6의 (c)를 참조하면, 촉매(CATALYST)를 가하여 중합하면(S403), 중합생성물은 폴리 아크릴레이트 수지로서 3차원 망상구조를 가지며, 그 물성은 탄성도 향상, 외부인장 후의 탄성회복력 향상 및, 2차 경화 처리후의 기공 형성에 기여하게 된다.

이어서, 도 6의 (d)~(e)를 참조하면, 중합된 폴리 아크릴레이트에 제4케미컬로서 탄산가스를 함유하는 발포제를 30~40중량% 첨가 및 혼합(S404)하여 연마용 혼합물을 완성한다.

이 때, 연마용 혼합물에서 제1케미컬, 제2케미컬, 제3케미컬의 첨가량를 조정하여 TG(유리 전이점) 값을 조정할 수 있는데, 이 값에 따라 연마패드의 경도, 탄성, 반도체 웨이퍼의 연마력이 달라지므로, 연마패드의 요구 성능에 따라 TG 값을 조정함으로써 원하는 연마패드를 제조할 수 있다.

이하에서는 본 고안에 의한 연마패드 제조시 연마용 혼합물의 성분비율을 결정하는 것에 대해 설명한다.

연마패드는 패드 내의 균일한 열린 기공을 형성함으로써 연마제에 의해 웨이퍼에서 탈취된 이물질을 흡수 및 배출해야 하고, 연마 공정에서 연마 회전되는 웨이퍼의 온도상승을 방지해야 하며, 웨이퍼 연마속도를 상승시켜야 한다. 이러한 연마패드의 역할이 원할하게 수행되게 하기 위해서 연마용 혼합물의 성분비율에 대해 여러가지 테스트를 진행하였다.

우선, 부직포에 폴리우레탄 수지만을 주입했을 경우에는 균일한 열린 기공은 형성할 수 있었으나, 연마 능력이 감소하고, 또한 수명도 감소하여 여러 가지 케미컬을 첨가하면서 테스트를 진행하였다.

제1케미컬은 우레탄 수지와 연마용 혼합물의 친화력을 향상시키기 위함이며, 제1케미컬이 우레탄 수지와의 결합력을 향상시켜 연마패드의 수명을 증대시킬 수 있게 된다. 이러한 제1케미컬의 첨가량이 적으면, 우레탄 수지와의 결합력이 감소하여 수명이 감소하고, 첨가량이 많으면 다른 원료의 첨부에 악영향을 주어 오히려 연마패드의 수명이 감소하는 경향을 보였다.

제2케미컬은 연마패드의 경도를 향상시키기 위함이며, 첨가량이 적으면 경도가 요구하는 수치까지 향상되지 않았고, 첨가량이 너무 많으면 경도가 대폭 증가하여 원하는 결과를 얻을 수 없다는 문제가 있었다.

제3케미컬의 역할은 웨이퍼의 연마 효율을 향상시키기 위함인데, 첨가량이 적을 시 연마 효율이 향상되지 않았으며, 많을 시 연마 효율은 증가하나 연마 속도가 너무 빨라 웨이퍼에서 탈락되는 이물질이 패드에 흡수 배출되기 전에 웨이퍼의 급격한 온도 상승, 표면 흠집 등 불량의 발생에 악영향을 끼쳐, 결국 웨이퍼 표면 불량의 원인이 되었다.

제4케미컬을 첨가하지 않으면 열린 기공의 형성이 불량하였고, 따라서 다량 첨가하면 기공 형성은 증가하하지만 다른 케미컬의 첨부가 어려워 웨이퍼의 연마력이 떨어지는 문제가 있었다.

이렇게, 테스트를 통해 케미컬의 선택 및 첨가량이 연마패드의 품질과 웨이퍼의 연마 공정에 지대한 영향을 끼친다는 결과를 얻었으며, 수회의 테스트 결과로 볼 때 제1케미컬은 40~60 중량%, 제2케미컬은 20~30 중량%, 제3케미컬은 20~30중량% 및, 제4케미컬은 30~40중량% 첨가 및 혼합하여 연마용 혼합물을 완성하는 것이 바람직하다는 결과를 얻었다.

이상, 본 고안의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 고안은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 고안의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

상기한 바와 같이 본 고안에 의하면, 1차로 경화된 패드에 최적 성분비율을 갖는 연마용 혼합물을 주입하여 경화한 연마패드를 제조하므로, 연마 효율이 향상되어 연마 공정의 시간을 단축할 수 있고, 연마제의 사용량을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 웨이퍼 연마장치의 개략도이다.

도 2a는 본 고안에 의한 연마패드의 평면도, 도 2a는 연마패드의 단면도이다.

도 3은 본 고안에 의한 웨이퍼용 연마패드의 제조방법을 설명하는 공정도이다.

도 4는 본 고안에 의한 웨이퍼용 연마패드의 제조방법을 설명하는 플로우차트이다.

도 5는 본 고안에 의한 반도체웨이퍼용 연마패드의 제조방법에서 사용되는 연마용 혼합물을 제조하는 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다.

도 6은 본 고안에 의한 반도체웨이퍼용 연마패드의 제조방법에서 사용되는 연마용 혼합물을 제조하는 방법을 설명하기 위한 제조공정도이다.

Claims (4)

1. 반도체 웨이퍼의 제조 공정중 최초 규소봉을 절단하여 만들어지는 초기 웨이퍼의 절단된 단면을 연마하기 위한 연마패드에 있어서,

   패드;

   상기 패드의 표면 전체에 실질적으로 균일한 두께로 적층된 폴리우레탄 수지층 및;

   상기 폴리우레탄 수지층의 표면 전체에 실질적으로 균일한 두께로 적층되고, 메틸 아크릴레이트 모노머 화합물 40~60 중량%, 스티렌 모노머 20~30 중량%, 아크릴 모노머 화합물 20~30중량%, 탄산가스를 함유하는 발포제 30~40 중량%이 혼합된 연마용 혼합물층을 구비하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼용 연마패드.
2. 제1항에 있어서, 상기 메틸 아크릴레이트 모노머 화합물은 메틸 아크릴레이트 모노머, 헥실 아크릴레이트 모노머 또는, 메틸 메타아크릴레이트 모노머인 것을 특징으로 하는 웨이퍼용 연마패드.
3. 제1항에 있어서, 상기 아크릴 모노머 화합물은 에틸 아크릴, 부틸 아크릴, 펜틸 아크릴, 헥실 아크릴 모노머인 것을 특징으로 하는 웨이퍼용 연마패드.
4. 제1항에 있어서, 상기 폴리우레탄수지는 히드록시기가 32(mgKOH/g) 이하의 값을 갖는 폴리올과 이소시아네이트가 29% 이하인 디이소시아네이트 화합물에 디아민으로 공중합한 수지인 것을 특징으로 하는 웨이퍼용 연마패드.