KR20050106340A - 다이아몬드 공구 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 대상물의 연마시 다이아몬드 공구의 모든 면이 대상물과 동일한 압력으로 접촉하게 하여 대상물의 편마모가 방지되고, 대상물이 일정한 힘으로 연마되어 표면 품질이 향상되는 균일한 마모도를 갖는 연마장치의 다이아몬드 공구에 관한 것으로서, 다이아몬드 공구가 대상물과 모든 접촉면에서 균일한 압력으로 접촉되도록 탄성가압하는 탄성부재가 마련되어 대상물이 균일한 연마가 가능하고, 대상물의 편마모가 방지되므로 대상물 표면이 균일하고 신속한 연마가 가능한 다이아몬드 공구를 제공하는 것을 목적으로 한다. 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다이아몬드 공구는 대상물과 접촉하여 대상물의 표면을 연마하는 연마장치의 다이아몬드 공구에 있어서, 상기 연마장치와 결합되는 결합홈이 형성된 결합홈재와, 상기 결합홈재의 상측에 배치되고 복수의 절편으로 이루어진 샹크와, 상기 샹크상에 결합된 지석부와, 상기 결합홈재와 샹크 사이에 설치되어 상기 지석부가 대상물에 접촉되도록 상기 샹크를 탄성 가압하는 탄성부재를 포함한다.

Description

다이아몬드 공구{DIAMOND TOOLS}
본 발명은 다이아몬드 공구에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 대상물의 연마시 다이아몬드 공구의 모든 면이 대상물과 동일한 압력으로 접촉하게 하여 대상물의 편마모가 방지되고, 대상물이 일정한 힘으로 연마되어 표면 품질이 향상되는 다이아몬드 공구에 관한 것이다.
최근에는 산업의 발전에 따라 반도체 분야에서도 비약적인 발전이 이루어지고 있다. 이러한 비약적인 발전의 일예로 반도체의 고집적화를 위해 단위 면적당 많은 칩의 생산을 위한 배선의 다층화를 통한 웨이퍼 상태로 칩을 제조하는 방법이 사용되고 있으며, 균일한 칩의 생산을 위해 웨이퍼의 광역 평탄화하는 연마작업의 중요성이 대두되고 있다.
일반적으로 연마는 가공물의 표면을 절삭 또는 연마처리하는 공정으로, 대상물에 세라믹 연마제와 에칭능력을 갖는 슬러리 용액을 첨가하여 대상물의 표면을 다이아몬드 공구로서 기계적 제거가공과 화학적인 제거가공을 하나의 가공방법으로 혼합한 화학적/기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing:이하 'CMP'라 칭함) 공정이 개발되었다.
전술된 CMP 공정은 연마패드와 웨이퍼 사이에 연마 액을 개재시킨 채 압력을 가한 상태에서 서로 상대운동시켜 연마하는 구성이다.
도 1은 종래의 CMP 공정에 사용되는 장비가 도시된 도이고, 도 2a와 도 2b는 종래의 CMP 공정에 사용되는 장비와 그 장비의 컨디셔너가 도시된 구성도로서, 상기 CMP 공정에서 웨이퍼는 기계적인 연마작용을 하는 연마장치(20)와 화학적인 연마작용을 하는 화학용매인 슬러리(slurry)(15)에 의해 연마되어진다.
이를 위해 연마패드(30) 상에 상기 웨이퍼(10)를 케리어 헤드(22)에 장착된 상태로 설치한다.
이 상태에서 상기 연마패드(30) 상에는 슬러리(15)를 공급하고, 상기 연마패드(30)는 회전시킨다. 또한, 상기 케리어 헤드(22)는 회전운동과 요동운동을 동시에 행하며 상기 웨이퍼(10)를 연마패드(30)에 일정한 압력으로 가압하여 연마한다.
전술된 웨이퍼(10)는 표면장력 또는 진공에 의해 상기 케리어 헤드(22)에 견고하게 장착되고, 상기 케리어 헤드(22)의 자체 하중과 인가되는 가압력에 의해 웨이퍼(10)의 표면은 연마패드(30)의 표면과 접촉하게 된다.
이와 같이, 상기 웨이퍼(12)와 연마패드(30)가 접촉하면서, 그 접촉면 사이의 미세한 틈으로 슬러리(15)가 유동을 하여 상기 슬러리(15) 내부에 있는 연마입자와 연마패드(30)의 표면에 형성된 (도시되지 않은) 돌기들에 의해 기계적, 화학적 연마가 동시에 수행된다.
여기서, 상기 연마부재(30)는 웨이퍼(10)의 손상을 방지하기 위해 폴리우레탄 패드로 이루어지며 표면에 다수의 미세돌기가 형성된다.
전술된 바와 같이 구성된 연마패드(30)는 상기 웨이퍼(10)의 연마시 가해지는 압력이 접촉되는 표면으로 집중되어 상대적으로 높은 표면제거 속도를 갖기 때문에 상기 연마패드(30) 상의 표면돌기가 마모되거나 그 표면돌기 사이의 미공으로 연마잔류물들이 잔류되어 표면 눈 막힘 현상 등으로 인해 연마효율이 저하되는 문제가 있다.
이와 같이, 연마효율이 저하된 연마패드(30)는 연마능력을 재활성화하기 위하여 연마패드(30)의 표면을 재가공하고 있다.
이를 위해 사용되는 다이아몬드 공구는 컨디셔너, 디스크 또는 드레서라고 하며, 통상 다이아몬드를 포함하는 공구로 이루어진다.
보다 상세한 설명을 위해 도 1을 참조하면, 전술된 다이아몬드 공구 중 예컨대, 상기 컨디셔너(50)는 연마용 지석부(55)가 샹크(52)상에 결합되어 구성되어, 상기 고정척(51)에 장착된 것으로서, 상기 지석부(55)와 샹크(52)의 형태가 각각 원반형으로 형성된다. 전술된 원반형 컨디셔너(50)는 상기 고정척(51)의 (도시되지 않은) 연마장치에 결합되어 회전운동하고, 직선 또는 요동운동하며 상기 연마패드(30)의 표면을 가압 연마한다. 전술된 컨디셔너(50)는 상기 웨이퍼(10)의 연마와 동시에 연마패드(30)의 표면을 연마할 수 있으며, 보다 균일한 연마를 위해 상기 웨이퍼(10)의 연마작업과 별도로 진행되는 것이 바람직하다.
이와 같이 원반형으로 형성된 컨디셔너를 원반형 컨디셔너(50)라 부르며, 그 형태가 막대형인 막대형 컨디셔너(60)와 구분된다.
막대형 컨디셔너(60)를, 종래의 CMP 공정에 사용되는 장비가 도시된 사시도와 그 장비에 사용되는 컨디셔너가 도시된 사시도인 도 2a와 도 2b를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
전술된 막대형 컨디셔너(60)는 연마 지석부(65)와 샹크(62)의 형태가 각각 막대형인 것으로서, (도시되지 않은) 연마장치에 장착된 고정척에 결합되어, 도 2b와 같이, 좌우선회 또는 궤도운동하며 연마패드(30)의 표면을 컨디셔닝한다.
전술된 막대형 컨디셔너(60)는 상기 연마패드(30)의 전면을 덮는 길이로 형성되어 상기 연마패드(30)의 표면을 한번에 가공할 수 있고, 연마패드(30)의 크기 또는 상태에 따라 적절한 길이를 갖는 막대형 컨디셔너(60)가 사용된다.
전술된 원반형 또는 막대형 컨디셔너(50, 60)는 연마패드(30)의 평탄성을 유지하면서 상기 연마패드(30) 표면의 미공을 일정하게 재생 유지하여야 하고, 필요이상으로 연마패드(30)를 마모 또는 연마시키지 않아야 하며, 다이아몬드 공구의 지립의 탈락으로 인한 표면 스크래치가 방지되고, 웨이퍼(10)의 오염을 방지하는 기능이 보장되어야 한다.
일반적인 연마장치의 다이아몬드 공구의 일예인 컨디셔너가 도시된 평면도인 도 3a와 도 3b를 참조하면, 전술된 컨디셔너(50, 60)는 스테인레스 스틸 재질의 몸체인 샹크(52, 62)부위에 다이아몬드 입자(56, 66)가 결합제(57, 67)와 혼합되어 소결된 지석부(55, 65)를 접착하거나, 다이아몬드 입자(56, 66)를 니켈 전기 도금 또는 다른 금속이나 합금을 브레이징 또는 전착법에 의해 고착시킨다.
도 4는 소결법(a), 전착법(b) 및 융착법(c)에 의해 지립을 샹크 상에 부착시킨 단면도로서, 도 4의 (a)에 도시된, 소결법은 다이아몬드 입자(56, 66)와 결합재(57, 67)를 미리 혼합한 후, 프레스성형, 소결공정을 거쳐 지석(55, 65)부를 제작한 후 이를 상기 샹크(57)의 외측에 배치한 후 융착 또는 레이저 용접 등을 이용하여 샹크(52, 62)에 접합한다. 또한, 도 4의 (b)에 도시된, 전착법은 습식 전기도금에 의해 니켈 등의 결합재(57, 67)를 이용해 지립(56, 66)을 샹크(52, 62)에 부착시키고, 도 4의 (c)에 도시된, 융착법은 결합재인 금속과 바인더가 혼합된 액상 페이스트(paste)를 샹크(52, 62)에 도포한 후 지립을 분산시켜 고온에서 샹크(52, 62)와 접합시킨다.
전술된 바와 같이 구성된 컨디셔너(50, 60)는 모든 면이 연마패드(30)와 같은 대상물에 접촉하여 균일하게 연마 작용을 해야 하지만, 도 2b에 도시된 바와 같이, 굽힘방향으로 탄성변형을 하지 않는 금속 등의 강성재질로된 막대형 컨디셔너(60)를 사용한 드레스공정에서 연마패드(30)의 하부 중심부에 압력이 가해짐에 따라 연마패드(30)의 중심부는 접촉압력이 높은 반면에 외주방향으로 갈수록 접촉압력이 점점 낮아지게 되는 불균일한 압력분포를 가지게 된다. 이와 같이, 막대형 컨디셔너(60)는 원반형 컨디셔너(50)와 달리 상기 연마패드(30)의 중심부에는 외주에 비해 압력이 높게 가해짐에 따라 연마패드(30) 중심부의 마모도가 증가되는 편마모 현상이 발생된다.
이로 인해, 상기 연마패드(30)는 전술된 바와 같이 중심부의 편마모 현상 등과 같은 연마면의 불균일 마모현상이 발생되고, 상기 연마패드(30)의 중심부에 편마모가 발생되는 문제점이 있다. 또한, 상기 연마패드(30)의 편마모로 인해 CMP 공정에서 웨이퍼의 연마 효율이 저하됨은 물론 연마시 소요되는 시간이 증가되어 전체적인 작업의 생산수율이 저하되는 문제가 있다.
전술된 문제를 해결하기 위해 막대형 샹크의 제조시 소정의 곡률을 갖도록 제작하고 있으나, 컨디셔너(60)의 사용 정도에 따라 상기 지석부(65)의 마모량이 가변되는 바, 근본적으로 컨디셔너(60)의 지석부(65)가 불균일하게 마모되는 현상을 해결하는 방안이 제시되지 못하고 있다.
본 발명의 목적은 전술된 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 다이아몬드 공구가 대상물과 모든 접촉면에서 균일한 압력으로 접촉되도록 탄성가압하는 탄성부재가 마련되어 대상물이 균일한 연마가 가능하고, 대상물의 편마모가 방지되므로 대상물 표면이 균일하고 신속하게 연마되며, 대상물의 연마품질이 향상됨은 물론이고, 생산 수율이 증가되는 균일한 마모도를 갖는 연마장치의 연마패널을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 균일한 연마도를 갖는 다이아몬드 공구는 대상물과 접촉하여 대상물의 표면을 연마하는 연마장치의 다이아몬드 공구에 있어서, 상기 연마장치와 결합되는 결합부재와, 상기 결합부재의 상측에 배치되고 복수의 절편으로 이루어진 샹크와, 상기 샹크상에 결합된 지석부와, 상기 결합부재와 샹크 사이에 설치되어 상기 샹크를 탄성 가압하는 탄성부재를 포함한다.
여기서, 상기 복수의 절편으로 이루어진 샹크는 다른 샹크와 인접한 경계부가 경사지게 형성될 수 있다. 또한, 상기 샹크는 연결부재에 의해 일체로 결합될 수 있다. 바람직하게는 상기 연결부재는 굽힘변형이 가능한 탄성체일 수 있다. 더불어, 상기 지석부는 다이아몬드 지립 또는 입방정질화붕소 지립을 포함할 수 있다.
또한, 상기 탄성부재는 스프링을 포함할 수 있고, 상기 스프링은 그 형상에 따라 판형, 코일형, 링형, 접시형 스프링 중 어느 하나가 선택적으로 적용될 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연마장치의 다이아몬드 공구의 일예로 컨디셔너에 대해 설명하고자 한다.
도 5 내도 도 7은 본 발명에 따른 연마장치의 컨디셔너의 사시도, 평면도 및 정면도이다. 본 발명에 따른 연마장치의 컨디셔너는 연마효율이 저하된 연마부재의 연마 능력을 재활성화하기 위하여 연마부재의 표면을 연마하여 돌기를 세우거나 돌기 사이에 잔류된 이물질을 제거하고, 돌기를 형성하는 용도로 사용된다.
이를 위해 연마장치의 컨디셔너(110)는, 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 연마부재 또는 대상물과 접촉되는 지석부(115)와, 상기 지석부(115)가 결합된 샹크(112)를 포함한다. 상기 지석부(115)는 복수개의 연마입자(116)와 결합재(117)가 소결, 전착, 용착 등의 방법에 의해 결합된다. 또한 사용되는 샹크(112)는 통상 스테인레스강 또는 탄소강과 같은 금속 재료이다.
여기서, 상기 연마입자(116)는 다이아몬드 또는 c-BN의 연마입자(116)가 사용된 것을 모두 통칭하는 것을 의미하며, A(Alundum) 및 WA(White Alundum), C(Carborundum), GC(Green Carborundum)라고 불리는 알루미나(Al2O3) 또는 탄화규소(SiC, Silicon Carbide)를 포괄적으로 포함하는 명칭인 것을 미리 밝혀둔다.
전술된 샹크(112)는 몇 개로 나누어진 복수의 절편으로 이루어지고, 각각의 절편에는 그 형상에 대응되는 지석부(115)가 결합된다. 이때, 인접된 샹크(112)의 절편 및 그 절편에 결합된 지석부(115)의 경계부(119)는 평행하게 형성될 수 있고, 바람직하게는 대상물 표면에 경계부위가 생기지 않고 연속적으로 연마할 수 있도록 서로 나란하게 경사지게 형성될 수 있다.
이와 같이 복수의 절편으로 이루어진 샹크(112)는 연결부재(118)에 의해 일체로 결합된다. 여기서, 상기 연결부재(118)는 굽힘변형이 가능한 탄성을 가지는 재질로서, 판 스프링을 포함하는 재질로 이루어진다.
즉, 상기 연결부재(118)는 전술된 복수의 샹크를 지지하되, 압력이 가해지게 되면 압력이 가해진 방향으로 굽힘이 발생된다.
또한, 상기 연결부재(118)의 하측에는 상기 지석부(115)가 대상물과 탄성적으로 접촉되도록 상기 샹크(112)를 탄성 가압하는 탄성부재가 결합된다. 상기 탄성부재는 스프링을 포함하며, 본 발명의 일실시예에서 상기 스프링은 판형 스프링(114)으로 이루어진다.
전술된 판형 스프링(114)은 상기 연결부재(118)의 양단부와 볼트(B)로서 체결된다. 한편, 상기 판형 스프링(114)의 중심부 하측에는 연마장치와 같은 공구에 결합되기 위한 결합홈(111a)이 형성된 결합부재(111)가 배치된 후, 상기 결합부재(111)를 관통 삽입된 볼트에 너트(N)로서 체결된다.
전술된 바와 같이 구성된 균일한 마모도를 갖는 연마장치의 컨디셔너(110)에 있어서, 상기 스프링은 판형 스프링(114) 뿐만 아니라 그 형상에 따라, 도 8에 도시된 바와 같이, 코일형 스프링(124)으로 형성되거나, 링형, 접시형 스프링을 포함하는 다양한 형상의 스프링으로 대체 사용되는 것도 가능하다.
더불어, 전술된 연결부재(118)와 탄성부재인 스프링은 강철, 알루미늄을 포함하는 철계금속으로 형성될 수 있고, 플라스틱, 고무와 같이 탄성을 같은 비철계금속으로 형성되는 것도 가능하며, 재질을 비롯하여 다양한 형상으로 변형되는 것도 물론 가능하다. 일예로, 본 발명의 실시예에서 상기 연결부재(118)와 상기 판 스프링(114)은 단일형상의 판형태로 이루어져 있으나, 굽힘력 또는 복원력을 증가시키기 위해 굽힘방향 끝단부가 내측으로 절곡된 형상으로 이루어지는 것도 가능하다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연마장치의 컨디셔너가 도시된 정면도로서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연마장치의 컨디셔너(150)는 복수의 절편으로 이루어진 샹크(152)에 지석부(155)가 결합된 형태이고, 각각의 샹크(152)에는 각각의 코일 스프링(154)과 같은 탄성부재가 결합된 형상으로 구성되는 것도 가능하다.
실시예 1
반도체 웨이퍼를 화학 연마하면서 종래의 제품과 본 발명의 제품으로 반도체 웨이퍼 연마용 패드의 컨디셔닝을 실시하였다. 이때 연마한 웨이퍼는 총 100매였다.
연마후 엘립소미터를 사용하여 수학식에 따라 웨이퍼 면내 연마균일성(WIWNU: Within Wafer Non Uniformity)을 측정하였다.
WIWNU(%)=(최대두께-최소두께)/(2 × 편차)× 100
여기서, WIWNU의 값이 작을수록 웨이퍼 전체 면이 균일하게 연마되었다는 것과 웨이퍼를 연마하는 패드 역시 균일하게 컨디셔닝 되어 있다는 것을 의미하며, 측정된 값은 표 1과 같다.
구분 WIWNU(%) 비 고
1 11 종래의 제품
2 9 종래의 제품
3 10 종래의 제품
4 13 종래의 제품
5 4 판형 스프링 사용
6 2 판형 스프링 사용
7 3 코일형 스프링 사용
8 3 코일형 스프링 사용
이상과 같이 본 발명에 따른 균일한 마모도를 갖는 연마장치의 다이아몬드 공구를 예시된 도면을 참조로 설명하였으나, 본 발명은 이상에서 설명된 실시예와 도면에 의해 한정되지 않으며, 특허청구범위 내에서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 다양한 수정 및 변형될 수 있음은 물론이다.
본 발명에 따른 다이아몬드 공구는 대상물과 접촉되는 지석부가 대상물에 탄성적으로 접촉하도록 가압하는 탄성부재가 설치되어 다이아몬드 공구의 지석부가 대상물과 접촉하는 모든 면에서 균일한 압력으로 접촉되므로 대상물을 균일하게 연마할 수 있고, 이로 인해 대상물의 편마모가 방지되어 대상물의 표면을 항상 균일하고 신속하게 연마할 수 있으며, 대상물의 연마품질이 향상시킬 수 있고, 생산 수율이 증가되는 효과가 있다.
도 1은 종래의 CMP 공정에 사용되는 장비가 도시된 도.
도 2a는 종래의 CMP 공정에 사용되는 장비가 도시된 사시도.
도 2b는 종래의 CMP 장비의 사용되는 장비에 사용되는 컨디셔너가 도시된 사시도.
도 3a와 도 3b는 일반적인 연마장치의 컨디셔너가 도시된 평면도.
도 4는 소결법(a), 전착법(b) 및 융착법(c)에 의해 지립을 샹크 상에 부착시킨 단면도.
도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 연마장치의 다이아몬드 공구의 사시도, 평면도 및 정면도.
도 8은 본 발명에 따른 연마장치의 다이아몬드 공구에 코일형 스프링이 사용된 변형예의 정면도.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연마장치의 다이아몬드 공구가 도시된 정면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110 : 다이아몬드 공구 111 : 결합부재
111a : 결합홈 112 : 샹크
114 : 판형 스프링 115 : 지석부
116 :연마입자 117 : 결합재
118 : 연결부재 119 : 이음면

Claims (7)

  1. 대상물과 접촉하여 대상물의 표면을 연마하는 연마장치의 다이아몬드 공구에 있어서,
    상기 연마장치와 결합되는 결합부재와,
    상기 결합부재의 상측에 배치되고 복수의 절편으로 이루어진 샹크와,
    상기 샹크상에 결합된 지석부와,
    상기 결합부재와 샹크 사이에 설치되어 상기 샹크를 탄성 가압하는 탄성부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 균일한 연마도를 갖는 다이아몬드 공구.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 복수의 절편으로 이루어진 샹크는 다른 샹크와 인접한 경계부가 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 균일한 연마도를 갖는 다이아몬드 공구.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 샹크는 연결부재에 의해 일체로 결합된 것을 특징으로 하는 균일한 연마도를 갖는 다이아몬드 공구.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 연결부재는 굽힘변형이 가능한 탄성체인 것을 특징으로 하는 균일한 연마도를 갖는 다이아몬드 공구.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지석부는 다이아몬드 지립 또는 입방정질화붕소 지립을 포함하는 것을 특징으로 하는 균일한 연마도를 갖는 다이아몬드 공구.
  6. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄성부재는 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 균일한 연마도를 갖는 다이아몬드 공구.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 스프링은 판형, 코일형, 링형, 접시형 스프링 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 균일한 연마도를 갖는 다이아몬드 공구.
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