KR20080037719A

KR20080037719A - 표면-텍스쳐화 미공질 연마 패드

Info

Publication number: KR20080037719A
Application number: KR1020087006531A
Authority: KR
Inventors: 아바네쉬와르 프라사드
Original assignee: 캐보트 마이크로일렉트로닉스 코포레이션
Priority date: 2005-08-19
Filing date: 2006-08-08
Publication date: 2008-04-30
Also published as: TW200722225A; TWI308097B; JP2009504426A; JP5009914B2; US20050276967A1; WO2007024464A1; CN101282818A; KR101281874B1

Abstract

화학적-기계적 연마에 적합한 표면-텍스쳐화 연마 패드는 60 ㎛ 이하 범위의 평균 공극 셀 크기를 갖는 다공질 중합체성 발포체를 포함한다. 상기 발포체에 있는 공극의 75％ 이상은 평균 공극 셀 크기로부터 30 ㎛ 이내의 공극 셀 크기를 갖는다. 상기 패드는, 25 ㎛ 내지 1150 ㎛ 범위의 깊이, 0.25 ㎛ 내지 380 ㎛ 범위의 폭, 및 1 내지 1000의 깊이-폭 종횡비를 갖는 디보트를 포함하는 하나 이상의 텍스쳐화 표면을 갖는다. 또한, 상기 패드의 하나 이상의 텍스쳐화 표면은 표면적 1 cm² 당 10개 이상의 디보트를 포함하고, 5 ㎛ 이상의 평균 표면 조도를 갖는다. 하나 이상의 텍스쳐화 표면은 간격을 두고 평행한 그루브들이 각인된 하나 이상의 패턴을 갖는 것이 바람직하다.

표면-텍스쳐화 연마 패드, 화학적-기계적 연마, 다공질 중합체성 발포체

Description

표면-텍스쳐화 미공질 연마 패드 {SURFACE TEXTURED MICROPOROUS POLISHING PADS}

본 발명은 균일한 공극 크기 분포 및 텍스쳐화 (textured) 표면을 갖는 다공질 (porous) 발포체를 포함하는, 화학적-기계적 연마를 위한 연마 패드 (polishing pad)에 관한 것이다.

화학적-기계적 연마 ("CMP") 공정은 마이크로 전자 장치의 제조에서 반도체 웨이퍼, 전계 방출 표시장치 및 그밖의 수많은 마이크로 전자 기재 상에 편평한 표면을 형성하기 위해 이용된다. 예를 들어, 반도체 장치의 제조 공정에는 일반적으로, 각종 가공 층의 형성, 이들 층 중 일부의 선택적 제거 또는 패턴화, 및 반도체 기재의 표면 상에서 추가 가공 층의 침착에 의한 반도체 웨이퍼 형성이 포함된다. 예를 들어, 가공 층에는 절연 층, 게이트 산화물 층, 전도층, 및 금속 또는 유리 층 등이 포함될 수 있다. 일반적으로, 웨이퍼 공정의 특정 단계에서 가공 층의 최상면이 후속 층의 침착을 위해 평탄한 (planar) 상태, 즉 편평한 (flat) 상태인 것이 바람직하다. CMP는, 웨이퍼에서 전도성 또는 절연성 물질과 같은 침착된 물질의 일부를 연마 및 제거하여 후속 공정 단계를 위한 웨이퍼를 제조하는 데 이용된다.

전형적인 CMP 공정에서, 웨이퍼는 CMP 도구에 포함된 캐리어 상에 아래로 향하도록 장착된다. 아래로 연마 패드를 향해 캐리어 및 웨이퍼에 힘이 가해진다. 캐리어 및 웨이퍼는 CMP 도구의 연마 테이블 상에 있는 회전 연마 패드 위에서 회전한다. 일반적으로, 연마 공정 동안 회전 웨이퍼와 회전 연마 패드의 사이에 연마 조성물 (연마 슬러리로도 지칭됨)이 혼입된다. 전형적으로, 연마 조성물은 최상부 웨이퍼 층(들)의 일부와 상호작용하거나 그를 용해시키는 화학물질, 및 층(들)의 일부를 물리적으로 제거하는 연마재를 함유한다. 웨이퍼와 연마 패드는 동일한 방향 또는 반대 방향으로 회전할 수 있고, 어느 방향이든지 특정 연마 공정의 수행에 바람직하다. 또한, 캐리어는 연마 테이블 상의 연마 패드에서 왕복할 수 있다.

화학적-기계적 연마 공정에서 사용되는 연마 패드는 연질 및 경질 패드 재료 (중합체-함침 직물, 미공질 (microporous) 필름, 기포성 (cellular) 중합체 발포체, 비-다공질 (non-porous) 중합체 시트 및 소결된 열가소성 입자 포함)를 사용하여 제조한다. 폴리에스테르 부직물에 함침된 폴리우레탄 수지를 함유하는 패드는 중합체-함침 직물 연마 패드의 예이다. 미공질 연마 패드는 기재 물질 (종종, 함침된 직물 패드임) 상에 코팅된 미공질 우레탄 필름을 포함한다. 이들 연마 패드는 폐쇄 셀 (closed cell) 다공질 필름이다. 기포성 중합체 발포체 연마 패드는, 무작위적으로 및 균일하게 3차원적으로 분포된 폐쇄 셀 구조를 함유한다.

비-다공질 중합체 시트 연마 패드는, 슬러리 입자를 수송할 수 있는 고유의 능력이 없는 고체 중합체 시트로부터 생성된 연마 표면을 포함한다 (예를 들어, 미 국 특허 제5,489,233호 참조). 이러한 고체 연마 패드의 연마 표면은, 화학적-기계적 연마 동안 슬러리의 통과를 위한 통로를 제공하기 위해 패드 표면에 새겨진 크고/거나 작은 그루브 (groove)를 갖도록 외형적으로 변형된다. 이러한 비-다공질 중합체 연마 패드는 미국 특허 제6,203,407호에 개시되어 있으며, 여기서 연마 패드의 연마 표면은 화학적-기계적 연마에서의 선택성을 개선하도록 배향된 그루브를 포함한다.

또한, 미국 특허 제6,022,268호, 제6,217,434호 및 제6,287,185호에는 슬러리 입자를 흡수하거나 수송하는 고유의 능력이 없는 친수성 연마 패드가 개시되어 있다. 연마 표면은, 10 ㎛ 이하의 치수를 가지며 연마 표면의 고체화에 의해 형성되는 마이크로 요철 (microasperity), 및 25 ㎛ 이상의 치수를 가지며 표면에 새겨진 큰 흠집 (또는 매크로텍스쳐 (macrotexture))을 포함하는 불규칙한 표면 형태 (surface topography)를 갖는다. 다공질 개방 셀 (open-celled) 구조를 포함하는 소결된 연마 패드는 열가소성 중합체 수지로부터 제조될 수 있다. 예를 들어, 미국 특허 제6,062,968호 및 제6,126,532호에는 열가소성 수지를 소결시킴으로써 제조된, 미공질 개방 셀 기재를 갖는 연마 패드가 개시되어 있다. 생성된 연마 패드는 25 내지 50％의 공극 부피 및 0.7 내지 0.9 g/cm³의 밀도를 갖는 것이 바람직하다. 이와 유사하게, 미국 특허 제6,017,265호, 제6,106,754호 및 제6,231,434호에는 원하는 최종 패드 치수를 갖는 주형에서 689.5 kPa (100 psi)을 넘는 고압에서 열가소성 중합체를 소결시킴으로써 제조된, 균일하며 연속적으로 상호연결된 공극 구조를 갖는 연마 패드가 개시되어 있다.

연마 패드는 그루브 패턴 외에도, 연마 패드의 표면에 텍스쳐를 제공하는 다른 표면 특징을 가질 수 있다. 예를 들어, 미국 특허 제5,609,517호에는 경도가 서로 다른 지지 층, 마디 (node) 및 상부 층을 포함하는 복합 연마 패드가 개시되어 있다. 미국 특허 제5,944,583호에는 압축률이 교호된 원주 (circumferential) 고리들을 갖는 복합 연마 패드가 개시되어 있다. 미국 특허 제6,168,508호에는 제1 물성 값 (예를 들어, 경도, 비중, 압축율, 마찰, 높이 등)을 갖는 제1 연마 구역 및 제2 물성 값을 갖는 제2 연마 구역을 갖는 연마 패드가 개시되어 있다. 미국 특허 제6,287,185호에는 열성형 공정에 의해 생성된 표면 형태를 갖는 연마 패드가 개시되어 있다. 연마 패드의 표면이 압력 또는 응력 하에 가열되고, 그 결과 표면 특징이 형성된다.

미공질 발포체 구조를 갖는 연마 패드는 당업계에 통상적으로 알려져 있다. 예를 들어, 미국 특허 제4,138,228호에는 미공질 및 친수성인 연마 용품이 개시되어 있다. 미국 특허 제4,239,567호에는 규소 웨이퍼를 연마하기 위한 편평한 미세기포성 (microcellular) 폴리우레탄 연마 패드가 개시되어 있다. 미국 특허 제6,120,353호에는 9％ 미만의 압축률 및 150 공극/cm² 이상의 높은 공극 밀도를 갖는 스웨이드 (suede)-유사 발포체 폴리우레탄 연마 패드를 사용하는 연마 방법이 개시되어 있다. EP 제1 108 500 A1호에는 평균 직경 1000 ㎛ 미만 및 밀도 0.4 내지 1.1 g/mL의 폐쇄 셀을 가지며 마이크로-A형 고무 경도가 80 이상인 연마 패드가 개 시되어 있다.

상기 기재된 연마 패드들 중 몇몇은 그의 의도된 목적에 일반적으로 적합하지만, 특히 화학적-기계적 연마에 의한 기재 연마에 있어서 효과적인 평탄화를 제공하는 개선된 연마 패드가 여전히 요구되고 있다. 또한, 개선된 연마 효율, 연마 패드를 통과하는 개선된 슬러리 유동 및 연마 패드 내에서의 개선된 슬러리 유동, 부식성 에칭제에 대한 개선된 내성 및/또는 개선된 연마 균일성을 갖는 연마 패드가 요구되고 있다. 최종적으로, 비교적 저비용의 방법을 이용하여 제조될 수 있으며 사용 전에 컨디셔닝이 거의 또는 전혀 필요하지 않은 연마 패드가 요구되고 있다.

본 발명은 이와 같은 개선된 연마 패드를 제공한다. 본 발명의 상기 및 여타 이점, 및 본 발명의 부가적인 특징부는 본원에 제공된 본 발명의 설명으로부터 명백해질 것이다.

<발명의 요약>

본 발명은 화학적-기계적 연마 장치에서 사용하기에 적합한 표면-텍스쳐화 연마 패드를 제공한다. 본 발명의 표면-텍스쳐화 연마 패드는, 평균 공극 셀 크기가 60 마이크로미터 (㎛) 이하의 범위이되 상기 발포체에 있는 공극의 75％ 이상이 평균 공극 셀 크기로부터 30 ㎛ 이내의 공극 셀 크기를 갖는 것인 다공질 발포체를 포함한다. 상기 패드는 25 ㎛ (1 mil) 내지 1150 ㎛ (45 mil) 범위의 깊이, 0.25 ㎛ (0.01 mil) 내지 380 ㎛ (15 mil) 범위의 폭, 및 1 내지 1000의 종횡비 (즉, 폭에 대한 길이의 비율)를 갖는 디보트 (divot)를 포함하는 하나 이상의 텍스쳐화 표 면을 갖는다. 패드의 텍스쳐화 표면은 표면적 1 cm² 당 10개 이상의 디보트를 포함하고, 5 ㎛ 이상의 평균 표면 조도를 갖는다. 상기 발포체는 10⁴ 셀/cm³ 이상의 공극 셀 밀도를 갖는 것이 바람직하다. 다공질 발포체는 화학적-기계적 연마 공정에서 사용하기에 적합한 임의의 물질을 포함할 수 있다. 다공질 발포체는 열가소성 폴리우레탄을 포함하는 것이 바람직하다. 바람직한 열가소성 폴리우레탄 발포체는 60 ㎛ 이하, 보다 바람직하게는 50 ㎛ 이하 범위의 평균 공극 크기를 갖는다. 바람직한 열가소성 폴리우레탄은 20 이하의 용융 유동 지수 (MFI), 20,000 g/mol 내지 600,000 g/mol 범위의 분자량 및 1.1 내지 6 범위의 다분산 지수 (polydispersity index)를 갖는다.

한 실시양태에서, 패드의 하나 이상의 텍스쳐화 표면은 25 ㎛ 초과 (즉, 1 mil 초과), 바람직하게는 60 ㎛ (2.4 mil) 이하의 평균 표면 조도 (Ra)를 갖는다. 또다른 실시양태에서, 패드의 하나 이상의 텍스쳐화 표면은 5 내지 25 ㎛ (0.2 mil 내지 1 mil), 보다 바람직하게는 8 내지 15 ㎛ (0.3 mil 내지 0.6 mil) 범위의 평균 표면 조도를 갖는다.

또다른 바람직한 실시양태에서, 연마 패드의 하나 이상의 텍스쳐화 표면은 그루브가 각인된 텍스쳐화 패턴을 갖는다. 바람직하게는, 텍스쳐화 그루브 패턴은 간격을 두고 (spaced) 평행한 그루브들로 이루어진 제1 패턴, 및 간격을 두고 평행한 그루브들로 이루어진 상기 제1 패턴과 교차하는, 간격을 두고 평행한 그루브들로 이루어진 제2 패턴을 포함하는 메시 (mesh) 패턴이다. 이러한 그루브 패턴은 패드의 제조에 이용되는 압출 공정 동안 표면에 각인될 수 있다. 상기 그루브는 3 mil (75 ㎛) 내지 7 mil (175 ㎛) 범위의 폭을 갖는 것이 바람직하다. 그루브는 1 mil (25 ㎛) 내지 5 mil (125 ㎛) 범위의 깊이를 갖는 것이 바람직하다. 제1 그루브 패턴 및 제2 그루브 패턴의 평행한 그루브들은 10 mil (250 ㎛) 내지 40 mil (1000 ㎛) 범위의 거리로 서로 이격되는 것이 바람직하다. 바람직한 경우, 그루브가 각인된 패턴을 여전히 보존하면서 표면 조도를 감소시키기 위해 패드의 텍스쳐화 표면을 버핑 (buffing)할 수 있다.

패드의 하나 이상의 텍스쳐화 표면은 바람직하게는 75의 쇼어 (Shore) A 경도 내지 75의 쇼어 D 경도, 보다 바람직하게는 85의 쇼어 A 경도 내지 55의 쇼어 D 경도 범위의 경도를 갖는다.

본 발명은 또한, 중합체 수지를 초임계 기체 (초임계 기체는 기체에 승온 및 승압을 가함으로써 생성됨)와 배합하여 단일상 용액을 생성하는 단계, 즉 (a) 중합체 수지를 기체와 배합하여 단일상 용액을 생성하는 단계; (b) 단일상 용액으로부터 중합체성 발포체 시트를 압출하는 단계; (c) 압출된 시트를 압축하는 단계; 및 (d) 압출 및 압축된 중합체성 발포체 시트로부터 하나 이상의 텍스쳐화 표면을 갖는 연마 패드를 형성하는 단계를 포함하는, 표면-텍스쳐화 연마 패드의 제조 방법을 제공한다. 바람직한 실시양태에서, 상기 방법은 연마 패드를 형성하기 전에, 압출된 중합체성 발포체 시트의 하나 이상의 텍스쳐화 표면 상에 하나 이상의 텍스쳐화 그루브 패턴을 각인하고, 임의로 패드의 텍스쳐화 표면을 버핑하여 상기 표면의 조도를 감소시키는 추가의 단계를 포함한다.

유리하게는, 본 발명의 연마 패드는 CMP와 같은 웨이퍼 연마 공정에서 사용시, 낮은 수준의 웨이퍼내 불균일성 (WIWNU), 높은 제거 속도 및 낮은 하자성을 제공한다.

도 1은 1.26％의 CO₂ 농도 및 212 ℃ (414 ℉)의 융점에서 생성된 압출된 다공질 발포체 막대 (rod)의 횡단면의 주사 전자 현미경 (SEM) 영상 (100X 배율)이다.

도 2는 중합체 수지의 단일상 용액 중 CO₂의 농도와, (그로부터 제조된) 생성된 다공질 발포체의 밀도 사이의 관계를 나타내는 이산화탄소 농도 대 밀도의 플롯 (plot)이다.

도 3은 8 ㎛의 평균 공극 크기, 0.989 g/cm³의 밀도 및 10⁶ 셀/cm³ 초과의 셀 밀도를 갖는 압출된 다공질 발포체 시트의 횡단면의 주사 전자 현미경 (SEM) 영상 (80X 배율)이다.

도 4는 15 ㎛의 평균 공극 크기, 0.989 g/cm³의 밀도 및 10⁶ 셀/cm³ 초과의 셀 밀도를 가지며 표면 상에 매크로텍스쳐가 없는, 압출된 다공질 발포체 시트의 상면 (top surface)의 주사 전자 현미경 (SEM) 영상 (50X 배율)이다.

도 5는 본 발명의 미공질 발포체 연마 패드에 의해 연마된 이산화규소 웨이퍼 개수에 대한 이산화규소 제거 속도의 플롯이다.

도 6은 미공질 발포체 연마 패드와 고체 비-다공질 연마 패드를 비교하는, 연마된 이산화규소 웨이퍼 개수에 대한 이산화규소 제거 속도의 플롯이다 (연마 패드는 그루빙 및 버핑됨).

도 7a는 20개의 이산화규소 웨이퍼의 연마 후에 매끈해지고 (glazed) 연마 파편 (debris)이 들러붙은 (clogged) 상태의 그루빙된 매크로텍스쳐를 갖는 고체 비-다공질 중합체 시트의 상면의 주사 전자 현미경 (SEM) 영상 (20X 배율)이다 (연마 패드는 버핑 및 컨디셔닝됨).

도 7b는 15 ㎛의 평균 공극 크기, 0.989 g/cm³의 밀도 및 10⁶ 셀/cm³ 초과의 셀 밀도를 가지며, 20개의 이산화규소 웨이퍼의 연마 후에 연마 파편이 없는 그루빙된 매크로텍스쳐를 갖는, 압출된 다공질 발포체 시트의 상면의 주사 전자 현미경 (SEM) 영상 (20X 배율)이다 (연마 패드는 버핑 및 컨디셔닝됨).

도 7c는 15 ㎛의 평균 공극 크기, 0.989 g/cm³의 밀도 및 10⁶ 셀/cm³ 초과의 셀 밀도를 가지며, 20개의 이산화규소 웨이퍼의 연마 후에 연마 파편이 없는 그루빙된 매크로텍스쳐를 갖는, 압출된 다공질 발포체 시트의 상면의 주사 전자 현미경 (SEM) 영상 (20X 배율)이다 (연마 패드는 버핑되었으나 컨디셔닝되지는 않음).

도 8a, 8b 및 8c는 20개의 이산화규소 블랭킷 (blanket) 웨이퍼의 연마 후에 연마 패드의 두께를 통과한 실리카 연마제의 침투 정도를 나타내는, 고체 연마 패드 (도 8a), 미공질 발포체 연마 패드 (도 8b) 및 통상적인 폐쇄 셀 연마 패드 (도 8c)의 에너지 분산 X선 (Energy Dispersive X-ray, EDX) 실리카 매핑 영상이다.

도 9는 고체 비-다공질 연마 패드, 미공질 발포체 연마 패드 및 통상적인 미공질 폐쇄 셀 연마 패드의 사용 결과를 비교하는, 패턴화 이산화규소 웨이퍼의 40％ 조밀 특징 (dense feature)의 경우에서 나머지 단 높이 (Å)에 대한 시간 (초)의 플롯이다.

도 10은 고체 비-다공질 연마 패드, 미공질 발포체 연마 패드 및 통상적인 미공질 폐쇄 셀 연마 패드의 사용 결과를 비교하는, 패턴화 이산화규소 웨이퍼의 70％ 조밀 특징의 경우에서 나머지 단 높이 (Å)에 대한 시간 (초)의 플롯이다.

도 11은 고체 열가소성 폴리우레탄 시트의 SEM 영상 (350X 배율)이다.

도 12는 가압 기체 주입에 의해 처리되어 평균 셀 크기 0.1 ㎛의 발포체를 생성한 고체 열가소성 폴리우레탄 시트의 SEM 영상 (7500X 배율)이다.

도 13은 가압 기체 주입에 의해 처리되어 평균 셀 크기 0.1 ㎛의 발포체를 생성한 고체 열가소성 폴리우레탄 시트의 SEM 영상 (20000X 배율)이다.

도 14는 가압 기체 주입에 의해 처리되어 평균 셀 크기 4 ㎛의 발포체를 생성한 고체 열가소성 폴리우레탄 시트의 SEM 영상 (350X 배율)이다.

도 15는 가압 기체 주입에 의해 처리되어 평균 셀 크기 4 ㎛의 발포체를 생성한 고체 열가소성 폴리우레탄 시트의 SEM 영상 (1000X 배율)이다.

도 16은 본 발명의 표면-텍스쳐화 연마 패드의 SEM 영상을 나타낸다.

도 17은 표면-텍스쳐화 연마 패드 (10F)의 표면-텍스쳐화 이전 (상면) 및 이후 (하면)의 광학 영상을 나타낸다.

화학적-기계적 연마 장치에서 사용하기에 적합한 표면-텍스쳐화 연마 패드는, 평균 공극 셀 크기가 60 ㎛ 이하의 범위이되 상기 발포체에 있는 공극의 75％ 이상이 평균 공극 셀 크기로부터 30 ㎛ 이내의 공극 셀 크기를 갖는 것인 다공질 발포체를 포함한다. 상기 발포체는 10⁴ 셀/cm³ 초과의 공극 셀 밀도를 갖는 것이 바람직하다. 상기 패드는 표면적 1 cm² 당 10개 이상의 디보트를 포함하는 하나 이상의 텍스쳐화 표면을 갖고, 상기 디보트는 25 ㎛ (1 mil) 내지 1150 ㎛ (45 mil) 범위의 깊이, 0.25 ㎛ (0.01 mil) 내지 380 ㎛ (15 mil) 범위의 폭, 및 1 내지 1000의 종횡비 (즉, 폭에 대한 길이의 비율)를 갖는다. 패드의 하나 이상의 텍스쳐화 표면은 5 ㎛ 이상의 평균 표면 조도를 갖는다.

한 실시양태에서, 패드의 하나 이상의 텍스쳐화 표면은 25 ㎛ 초과 (즉, 1 mil 초과), 바람직하게는 60 ㎛ (2.4 mil) 이하의 평균 표면 조도 (Ra)를 갖는다. 또다른 실시양태에서, 패드의 하나 이상의 텍스쳐화 표면은 5 내지 25 ㎛ (0.2 내지 1 mil), 보다 바람직하게는 8 내지 15 ㎛ (0.3 내지 0.6 mil) 범위의 평균 표면 조도를 갖는다.

또다른 바람직한 실시양태에서, 연마 패드의 하나 이상의 텍스쳐화 표면은 그루브가 각인된 텍스쳐화 패턴을 갖는다. 바람직하게는, 텍스쳐화 그루브 패턴은 간격을 두고 평행한 그루브들로 이루어진 제1 패턴, 및 간격을 두고 평행한 그루브들로 이루어진 상기 제1 패턴과 교차하는, 간격을 두고 평행한 그루브들로 이루어진 제2 패턴을 포함하는 메시 패턴이다. 이러한 그루브 패턴은 패드의 제조에 이용되는 압출 공정 동안 표면에 각인될 수 있다. 상기 그루브는 1 mil (25 ㎛) 내지 20 mil (500 ㎛), 예를 들어 3 mil 내지 7 mil 범위의 폭을 갖는 것이 바람직하다. 그루브는 1 mil (25 ㎛) 내지 20 mil (500 ㎛), 예를 들어 1 mil 내지 20 mil 범위의 깊이를 갖는 것이 바람직하다. 제1 그루브 패턴 및 제2 그루브 패턴의 평행한 그루브들은 10 mil (250 ㎛) 내지 40 mil (1000 ㎛) 범위의 거리로 서로 이격되는 것이 바람직하다. 바람직한 경우, 그루브가 각인된 패턴을 여전히 보존하면서 표면 조도를 감소시키기 위해 패드의 텍스쳐화 표면을 버핑할 수 있다.

패드의 하나 이상의 텍스쳐화 표면은 바람직하게는 75의 쇼어 A 경도 내지 75의 쇼어 D 경도, 보다 바람직하게는 85의 쇼어 A 경도 내지 55의 쇼어 D 경도 범위의 경도를 갖는다. 한 실시양태에서, 연마 패드의 하나 이상의 텍스쳐화 표면은 75의 쇼어 A 경도 내지 90의 쇼어 D 경도 범위의 경도를 갖는다.

본 발명의 표면-텍스쳐화 연마 패드는 60 ㎛ 이하의 평균 공극 셀 크기 (즉, 공극 크기)를 갖는 다공질 발포체를 포함한다. 상기 다공질 발포체는 바람직하게는 50 ㎛ 이하, 보다 바람직하게는 40 ㎛ 이하 (예를 들어, 20 ㎛ 이하)의 평균 공극 크기를 갖는다. 전형적으로, 다공질 발포체는 1 ㎛ 이상 (예를 들어, 3 ㎛ 이상 또는 5 ㎛ 이상)의 평균 공극 크기를 갖는다. 다공질 발포체는 바람직하게는 1 ㎛ 내지 20 ㎛, 보다 바람직하게는 1 ㎛ 내지 15 ㎛ (예를 들어, 1 ㎛ 내지 10 ㎛)의 평균 공극 셀 크기를 갖는다.

본원에 기재된 연마 패드의 다공질 발포체는 고도로 균일한 분포의 공극 크기 (즉, 셀 크기)를 갖는다. 전형적으로, 다공질 발포체에 있는 공극 (즉, 셀)의 75％ 이상 (예를 들어, 80％ 이상 또는 85％ 이상)은 평균 공극 크기의 ±20 ㎛ (예를 들어, ±10 ㎛, 보다 바람직하게는 ±5 ㎛ 이하, 가장 바람직하게는 ±2 ㎛) 내에서 공극 크기 분포를 갖는다. 다시 말하면, 다공질 발포체에 있는 공극의 75％ 이상 (예를 들어, 80％ 이상 또는 85％ 이상)이 평균 공극 크기로부터 20 ㎛ 이내의 공극 크기를 갖는 것이 바람직하다. 다공질 발포체에 있는 공극 (예를 들어, 셀)의 90％ 이상 (예를 들어, 93％ 이상, 95％ 이상 또는 97％ 이상)이 평균 공극 크기의 ±20 ㎛ (예를 들어, ±10 ㎛ , ±5 ㎛ 또는 ±2 ㎛) 내에서 공극 크기 분포를 갖는 것이 바람직하다.

전형적으로, 다공질 발포체는 폐쇄 셀을 우선적으로 포함하나, 다공질 발포체는 개방 셀도 포함할 수 있다. 다공질 발포체는 5％ 이상 (예를 들어, 10％ 이상)의 폐쇄 셀을 포함하는 것이 바람직하다. 다공질 발포체는 20％ 이상 (예를 들어, 40％ 이상 또는 60％ 이상)의 폐쇄 셀을 포함하는 것이 보다 바람직하다.

전형적으로, 다공질 발포체는 0.5 g/cm³ 이상 (예를 들어, 0.7 g/cm³ 이상 또는 심지어 0.9 g/cm³ 이상)의 밀도, 25％ 이하 (예를 들어, 15％ 이하 또는 심지어 5％ 이하)의 공극 부피를 갖는다. 전형적으로, 다공질 발포체는 10⁵ 셀/cm³ 이상 (예를 들어, 10⁶ 셀/cm³ 이상)의 셀 밀도를 갖는다. 셀 밀도는 옵티마스 (OPTIMAS, 등록상표) 영상화 소프트웨어 및 이미지프로 (IMAGEPRO, 등록상표) 영상화 소프트웨어 (미디어 사이버네틱스 (Media Cybernetics)), 또는 클레멕스 비전 (CLEMEX VISION, 등록상표) 영상화 소프트웨어 (클레멕스 테크놀로지스 (Clemex Technologies))와 같은 영상 분석 소프트웨어 프로그램에 의해 다공질 발포체 물질의 횡단면 영상 (예를 들어, SEM 영상)을 분석함으로써 측정될 수 있다.

다공질 발포체는 임의의 적합한 물질, 전형적으로는 중합체 수지를 포함할 수 있다. 다공질 발포체는 열가소성 엘라스토머, 열가소성 폴리우레탄, 폴리올레핀, 폴리카르보네이트, 폴리비닐알콜, 나일론, 엘라스토머성 고무, 스티렌계 중합체, 폴리방향족, 플루오로중합체, 폴리이미드, 가교 폴리우레탄, 가교 폴리올레핀, 폴리에테르, 폴리에스테르, 폴리아크릴레이트, 엘라스토머성 폴리에틸렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌테라프탈레이트, 폴리이미드, 폴리아라미드, 폴리아릴렌, 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 이들의 공중합체 및 블록 공중합체, 및 이들의 혼합물 및 블렌드로 구성된 군으로부터 선택된 중합체 수지를 포함하는 것이 바람직하다. 중합체 수지로는 열가소성 폴리우레탄이 바람직하다.

전형적으로, 중합체 수지는 사전 형성된 중합체 수지이지만, 또한 임의의 적합한 방법에 따라 중합체 수지가 동일계에서 형성될 수 있고, 수많은 방법이 당업계에 공지되어 있다 (예를 들어, 문헌 [Szycher's Handbook of Polyurethanes CRC Press: New York, 1999, Chapter 3] 참조). 예를 들어, 열가소성 폴리우레탄은 우레탄 예비중합체 (예를 들어, 이소시아네이트, 디-이소시아네이트 및 트리-이소시아네이트 예비중합체)와 이소시아네이트 반응성 잔기-함유 예비중합체의 반응에 의해 동일계에서 형성될 수 있다. 적합한 이소시아네이트 반응성 잔기로는 아민 및 폴리올이 포함된다.

부분적으로, 중합체 수지의 선택은 중합체 수지의 유변성에 따라 달라질 것이다. 유변성은 중합체 용융물의 유동 거동이다. 뉴턴 유체의 경우, 점도는 전단 응력 (즉, 접선 응력, σ)과 전단률 (즉, 속도 구배, dγ/dt)간의 비율로 정의되는 상수이다. 그러나, 비-뉴턴 유체의 경우, 전단률 후화 (팽창성 (dilatant)) 또는 전단률 박화 (슈도-플라스틱)가 일어날 수 있다. 전단률 박화의 경우에는 전단률이 증가함에 따라 점도가 감소한다. 이와 같은 특성으로 인해, 용융물 제조 (예를 들어, 압출, 사출 성형) 공정에서 중합체 수지가 사용될 수 있다. 전단률 박화의 임계 영역을 확인하기 위해서는 중합체 수지의 유변성이 측정되어야 한다. 유변성은, 용융된 중합체 수지가 고정된 압력 하에 특정 길이의 모세관을 통해 강제 통과되는 모세관 기술에 의해 측정될 수 있다. 다양한 온도에서 점도에 대해 겉보기 전단률을 플롯팅함으로써 점도와 온도 사이의 관계를 측정할 수 있다. 유변성 가공 지수 (RPI)는 중합체 수지의 임계 범위를 확인하는 파라미터이다. RPI는, 고정된 전단률 하에 20 ℃에 해당하는 온도 변화 후의 점도에 대한, 기준 온도에서의 점도의 비율이다. 중합체 수지가 열가소성 폴리우레탄인 경우, RPI는 150 s^-1의 전단률 및 205 ℃의 온도에서 측정시, 바람직하게는 2 내지 10 (예를 들어, 3 내지 8)이다.

또다른 중합체 점도의 척도는, 고정 시간 분량에 걸쳐 주어진 온도 및 압력에서 모세관으로부터 압출된 용융 중합체의 양 (g)을 기록하는 용융 유동 지수 (MFI)이다. 예를 들어, 중합체 수지가 열가소성 폴리우레탄 또는 폴리우레탄 공중합체 (예를 들어, 폴리카르보네이트 실리콘-기재 공중합체, 폴리우레탄 플루오르-기재 공중합체 또는 폴리우레탄 실록산-부분화 공중합체)인 경우, MFI는 바람직하게는 210 ℃의 온도 및 2160 g의 하중에서 10분에 걸쳐 20 이하 (예를 들어, 15 이하)이다. 중합체 수지가 엘라스토머성 폴리올레핀 또는 폴리올레핀 공중합체 (예를 들어, 에틸렌 α-올레핀, 예를 들어 엘라스토머성 또는 통상적인 에틸렌-프로필렌, 에틸렌-헥센, 에틸렌-옥텐 등을 포함하는 공중합체, 메탈로센-기재 촉매로부터 제조된 엘라스토머성 에틸렌 공중합체, 또는 폴리프로필렌-스티렌 공중합체)인 경우, MFI는 바람직하게는 210 ℃의 온도 및 2160 g의 하중에서 10분에 걸쳐 5 이하 (예를 들어, 4 이하)이다. 중합체 수지가 나일론 또는 폴리카르보네이트인 경우, MFI는 바람직하게는 210 ℃의 온도 및 2160 g의 하중에서 10분에 걸쳐 8 이하 (예를 들어, 5 이하)이다.

중합체 수지의 유변성은 중합체 수지의 분자량, 다분산 지수 (PDI), 장쇄 분지화 또는 가교의 정도, 유리 전이 온도 (T_g) 및 융점 (T_m)에 따라 달라질 수 있다. 중합체 수지가 열가소성 폴리우레탄 또는 폴리우레탄 공중합체 (예를 들어, 상기 기재된 공중합체)인 경우, 중량 평균 분자량 (M_w)은 전형적으로 20,000 g/mol 내지 600,000 g/mol, 바람직하게는 50,000 g/mol 내지 300,000 g/mol, 보다 바람직하게는 70,000 g/mol 내지 150,000 g/mol이다 (PDI는 1.1 내지 6, 바람직하게는 2 내지 4임). 전형적으로, 열가소성 폴리우레탄은 20 ℃ 내지 110 ℃의 유리 전이 온도 및 120 ℃ 내지 250 ℃의 용융 전이 온도를 갖는다. 중합체 수지가 엘라스토머성 폴리올레핀 또는 폴리올레핀 공중합체 (예를 들어, 상기 기재된 공중합체)인 경우, 중량 평균 분자량 (M_w)은 전형적으로 50,000 g/mol 내지 400,000 g/mol, 바람직하게는 70,000 g/mol 내지 300,000 g/mol이다 (PDI는 1.1 내지 12, 바람직하게는 2 내지 10임). 중합체 수지가 나일론 또는 폴리카르보네이트인 경우, 중량 평균 분자량 (M_w)은 전형적으로 50,000 g/mol 내지 150,000 g/mol, 바람직하게는 70,000 g/mol 내지 100,000 g/mol이다 (PDI는 1.1 내지 5, 바람직하게는 2 내지 4임).

다공질 발포체를 위해 선택된 중합체 수지는 특정 기계적 특성을 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어, 중합체 수지가 열가소성 폴리우레탄인 경우, 굴곡 탄성률 (ASTM D790)은 바람직하게는 350 MPa (약 50,000 psi) 내지 1000 MPa (약 150,000 psi)이고, 평균 압축률 (％)은 8 이하이고, 평균 반발률 (％)은 35 이상이고, 쇼어 D 경도 (ASTM D2240-95)는 40 내지 90 (예를 들어, 50 내지 80)이다.

바람직한 실시양태에서, 연마 패드는 다공질 열가소성 폴리우레탄 발포체를 포함하고, 상기 다공질 발포체는 60 ㎛ 이하 (예를 들어, 40 ㎛ 이하 또는 25 ㎛ 이하)의 평균 공극 크기를 갖고, 열가소성 폴리우레탄은 20 이하의 MFI, 2 내지 10 (예를 들어, 3 내지 8)의 RPI, 20,000 g/mol 내지 600,000 g/mol의 분자량 (MW)을 갖는다 (PDI는 1.1 내지 6 (예를 들어, 2 내지 4)임). 열가소성 폴리우레탄은 350 MPa (약 50,000 psi) 내지 1000 MPa (약 150,000 psi)의 굴곡 탄성률, 8 이상 (예를 들어, 7 이하)의 평균 압축률 (％), 35％ 이상, 보다 바람직하게는 30％ 이상, 가장 바람직하게는 20％ 이상의 평균 반발률 (％), 및 75의 쇼어 A 경도 내지 90의 쇼어 D 경도, 바람직하게는 75의 쇼어 A 경도 내지 55의 쇼어 D 경도 범위의 경도를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 연마 패드는 본 발명의 다른 실시양태에 대해 본원에 기재된 하나 이상의 물리적 특징 (예를 들어, 공극 크기 및 중합체 성질)을 가질 수 있다. 다공질 발포체는 열가소성 폴리우레탄을 포함하는 것이 바람직하다. 바람직한 열가소성 폴리우레탄 발포체는 60 ㎛ 이하, 보다 바람직하게는 50 ㎛ 미만 범위의 평균 공극 크기를 갖는다.

다공질 발포체가 열가소성 폴리우레탄을 포함하는 경우, 연마 패드의 하나 이상의 텍스쳐화 표면은 표면 텍스쳐가 외부적으로 생성되지 않고 연마성 입자가 매립되지 않은 상태에서 0.028 MPa (4 psi)의 캐리어 하향 (downforce) 압력, 100 mL/분의 슬러리 유속, 60 rpm의 압반 회전 속도, 및 55 rpm 내지 60 rpm의 캐리어 회전 속도 하에 600 Å/분 이상의 연마 속도로 이산화규소 웨이퍼를 연마할 수 있다. 상기 실시양태의 연마 패드는 금속 산화물 입자를 함유하는 연마 조성물 (즉, 슬러리), 특히 세미-스퍼스 (SEMI-SPERSE, 등록상표) D7300 연마 조성물 (캐보트 마이크로일렉트로닉스 코포레이션 (Cabot Microelectronics Corporation) 판매)과 함께 사용되는 것이 바람직하다. 전형적으로, 연마 패드는 상기 언급된 연마 파라미터들을 이용하여 800 Å/분 이상 또는 심지어 1000 Å/분 이상의 연마 속도로 이산화규소 웨이퍼를 연마할 수 있다. 연마 패드는 25％ 이하의 공극 부피를 갖고, 50 ㎛ 이하 (예를 들어, 40 ㎛ 이하)의 평균 공극 크기를 갖는 공극을 포함한다. 또한, 연마 패드는 이산화규소 블랭킷 웨이퍼가 오직 2％ 내지 4％의 낮은 웨이퍼내 불균일 (WIWNU) 수준을 나타내도록 이산화규소 블랭킷 웨이퍼를 연마할 수 있다. 이러한 연마 패드는 본 발명의 다른 실시양태에 대해 본원에 기재된 하나 이상의 물리적 특징 (예를 들어, 공극 크기 및 중합체 성질)을 가질 수 있다.

또한, 연마 패드는 다봉형 (multi-modal) 공극 크기 분포를 갖는 다공질 발포체를 포함할 수 있다. "다봉형"이란 용어는, 다공질 발포체가 2개 이상 (예를 들어, 3개 이상, 5개 이상 또는 심지어 10개 이상)의 공극 크기 최대값을 포함하는 공극 크기 분포를 갖는 경우를 의미한다. 전형적으로, 공극 크기 최대값의 개수는 20개 이하 (예를 들어, 15개 이하)이다. 공극 크기 최대값은 그 면적이 총 공극 수의 5％ 이상을 포함하는 공극 크기 분포에서의 피크로서 정의된다. 공극 크기 분포는 쌍봉형 (bimodal)인 것이 바람직하다 (즉, 2개의 공극 크기 최대값을 가짐).

다봉형 공극 크기 분포는 임의의 적합한 공극 크기 값에서 공극 크기 최대값을 가질 수 있다. 예를 들어, 다봉형 공극 크기 분포는 50 ㎛ 이하 (예를 들어, 40 ㎛ 이하, 30 ㎛ 이하 또는 20 ㎛ 이하)의 제1 공극 크기 최대값, 및 50 ㎛ 초과 (예를 들어, 70 ㎛ 이상, 90 ㎛ 이상 또는 심지어 120 ㎛ 이상)의 제2 공극 크기 최대값을 가질 수 있다. 또한, 다봉형 공극 크기 분포는 20 ㎛ 이하 (예를 들어, 10 ㎛ 이하 또는 5 ㎛ 이하)의 제1 공극 크기 최대값, 및 20 ㎛ 초과 (예를 들어, 35 ㎛ 이상, 50 ㎛ 이상 또는 심지어 75 ㎛ 이상)의 제2 공극 크기 최대값을 가질 수 있다.

임의로, 본원에 기재된 연마 패드의 표면-텍스쳐화 다공질 발포체는 수분-흡수성 중합체를 추가로 포함한다. 상기 수분-흡수성 중합체는 비정질, 결정질 또는 가교 폴리아크릴아미드, 폴리아크릴산, 폴리비닐알콜, 이들의 염 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다. 수분-흡수성 중합체는 가교 폴리아크릴아미드, 가교 폴리아크릴산, 가교 폴리비닐알콜 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 이러한 가교 중합체는 수분-흡수성이나, 통상적인 유기 용매에 용융되거나 용해되지 않을 것이다. 오히려, 수분-흡수성 중합체는 물 (예를 들어, 연마 조성물의 액상 담체)과 접촉시에 팽윤한다.

임의로, 본원에 기재된 연마 패드의 다공질 발포체는 패드 본체로 혼입되는 입자를 함유할 수 있다. 상기 입자는 다공질 발포체 전체에 걸쳐 분산되는 것이 바람직하다. 상기 입자는 연마성 입자, 중합체 입자, 복합 입자 (예를 들어, 캡슐화된 입자), 유기 입자, 무기 입자, 정화 (clarifying) 입자 및 이들의 혼합물일 수 있다.

상기 연마성 입자는 임의의 적합한 물질로 이루어질 수 있고, 예를 들어 연마성 입자는 금속 산화물, 예를 들어 실리카, 알루미나, 세리아, 지르코니아, 크로미아, 산화철 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택된 금속 산화물, 또는 탄화규소, 질화붕소, 다이아몬드, 석류석 (garnet) 또는 세라믹 연마재를 포함할 수 있다. 연마성 입자는 금속 산화물과 세라믹의 하이브리드, 또는 무기물과 유기물의 하이브리드일 수 있다. 또한, 입자는 중합체 입자 (수많은 중합체 입자가 미국 특허 제5,314,512호에 기재되어 있음), 예를 들어 폴리스티렌 입자, 폴리메틸메타크릴레이트 입자, 액정 중합체 (LCP, 예를 들어 시바 가이기 (Ciba Geigy)의 벡트라 (VECTRA, 등록상표) 중합체), 폴리에테르에테르케톤 (피크 (PEEK)), 입상 열가소성 중합체 (예를 들어, 입상 열가소성 폴리우레탄), 입상 가교 중합체 (예를 들어, 입상 가교 폴리우레탄 또는 폴리에폭시드) 또는 이들의 조합일 수 있다. 다공질 발포체가 중합체 수지를 포함하는 경우, 중합체 입자는 다공질 발포체의 중합체 수지의 융점보다 높은 융점을 갖는 것이 바람직하다. 복합 입자는 코어 및 외부 코팅을 함유하는 임의의 적합한 입자일 수 있다. 예를 들어, 복합 입자는 고체 코어 (예를 들어, 금속 산화물, 금속, 세라믹 또는 중합체) 및 중합체성 쉘 (shell) (예를 들어, 폴리우레탄, 나일론 또는 폴리에틸렌)을 함유할 수 있다. 정화 입자는 필로실리케이트 (예를 들어, 운모 (예를 들어, 플루오르화 운모) 및 점토 (예를 들어, 탈크, 카올리나이트 (kaolinite), 몬모릴로나이트, 헥토라이트)), 유리 섬유, 유리 비드, 다이아몬드 입자, 탄소 섬유 등일 수 있다.

임의로, 본원에 기재된 연마 패드의 다공질 발포체는 패드 본체로 혼입되는 가용성 입자를 함유한다. 상기 가용성 입자는 다공질 발포체 전체에 걸쳐 분산되는 것이 바람직하다. 이러한 가용성 입자는 화학적-기계적 연마 동안 연마 조성물의 액상 담체 중에 부분적으로 또는 완전히 용해된다. 전형적으로, 가용성 입자는 수용성 입자이다. 예를 들어, 가용성 입자는 임의의 적합한 수용성 입자, 예를 들어 덱스트린, 시클로덱스트린, 만니톨, 락토스, 히드록시프로필셀룰로스, 메틸셀룰로스, 전분, 단백질, 비정질 비-가교 폴리비닐 알콜, 비정질 비-가교 폴리비닐 피롤리돈, 폴리아크릴산, 폴리에틸렌 산화물, 수용성 광감성 수지, 술폰화 폴리이소프렌 및 술폰화 폴리이소프렌 공중합체로 구성된 군으로부터 선택된 물질의 입자일 수 있다. 또한, 가용성 입자는 칼륨 아세테이트, 칼륨 니트레이트, 칼륨 카르보네이트, 칼륨 비카르보네이트, 칼륨 클로라이드, 칼륨 브로마이드, 칼륨 포스페이트, 마그네슘 니트레이트, 칼슘 카르보네이트 및 나트륨 벤조에이트로 구성된 군으로부터 선택된 물질의 무기성 수용성 입자일 수 있다. 가용성 입자가 용해된 경우, 연마 패드는 가용성 입자의 크기에 상응하는 개방 공극을 갖게 될 수 있다.

상기 입자는 발포된 연마 기재로 형성되기 전에 중합체 수지와 블렌딩되는 것이 바람직하다. 연마 패드로 혼입되는 입자는 임의의 적합한 치수 (예를 들어, 직경, 길이 또는 폭) 또는 형태 (예를 들어, 구형, 타원형)를 가질 수 있고, 임의의 연마 패드로 적합한 양이 혼입될 수 있다. 예를 들어, 상기 입자는 1 nm 이상 및/또는 2 mm 이하의 입자 치수 (예를 들어, 직경, 길이 또는 폭) (예를 들어, 0.5 ㎛ 내지 2 mm의 직경)를 가질 수 있다. 입자는 10 nm 이상 및/또는 500 ㎛ 이하의 치수 (예를 들어, 100 nm 내지 10 ㎛의 직경)를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 입자는 다공질 발포체의 중합체 수지에 공유 결합될 수 있다.

임의로, 본원에 기재된 연마 패드의 다공질 발포체는 패드 본체로 혼입되는 고체 촉매를 함유한다. 고체 촉매는 다공질 발포체 전체에 걸쳐 분산되는 것이 바람직하다. 상기 촉매는 금속성, 비-금속성 또는 이들의 조합일 수 있다. 촉매는 다중 산화 상태를 갖는 금속 화합물, 예를 들어 Ag, Co, Ce, Cr, Cu, Fe, Mo, Mn, Nb, Ni, Os, Pd, Ru, Sn, Ti 및 V를 포함하는 금속 화합물 (이에 제한되지는 않음)로부터 선택되는 것이 바람직하다.

임의로, 본원에 기재된 연마 패드의 다공질 발포체는 킬레이트제 및/또는 산화제를 함유한다. 킬레이트제 및 산화제는 다공질 발포체 전체에 걸쳐 분산되는 것이 바람직하다. 킬레이트제는 임의의 적합한 킬레이트제일 수 있다. 예를 들어, 킬레이트제는 카르복실산, 디카르복실산, 포스폰산, 중합체성 킬레이트제, 이들의 염 등일 수 있다. 산화제는 철 염, 알루미늄 염, 과산화물, 클로레이트, 퍼클로레이트, 퍼망가네이트, 퍼술페이트 등을 비롯한 산화 염 또는 산화 금속 착물일 수 있다.

본원에 기재된 연마 패드는 연마 패드의 표면을 통해 연마 조성물의 횡수송을 용이하게 하는 그루브, 통로 및/또는 천공 (perforation)을 임의로 추가로 포함하는 연마 표면을 갖는다. 이러한 그루브, 통로 또는 천공은 임의의 적합한 패턴일 수 있고, 임의의 적합한 깊이 및 폭을 가질 수 있다. 연마 패드는 둘 이상의 상이한 그루브 패턴, 예를 들어 미국 특허 제5,489,233호에 기재된 바와 같은 큰 그루브들과 작은 그루브들의 조합을 가질 수 있다. 그루브는 경사형 (slanted) 그루브, 동심형 (concentric) 그루브, 나선형 또는 원형 그루브, XY 직교 (crosshatch) 패턴의 형태일 수 있고, 연속적 또는 비-연속적인 연결 형태일 수 있다. 연마 패드는 표준 패드 컨디셔닝 방법에 의해 생성된 적어도 작은 그루브들을 포함하는 것이 바람직하다.

본원에 기재된 연마 패드는 다양한 밀도, 다공성, 경도, 탄성률 및/또는 압축률의 영역을 추가로 포함하는 연마 표면을 갖는다. 상기 다양한 영역은 임의의 적합한 형태 또는 치수를 가질 수 있다. 전형적으로, 대비되는 밀도, 다공성, 경도 및/또는 압축률의 영역은 동일계외 공정에 의해 (즉, 연마 패드가 형성된 후에) 연마 패드 상에 형성된다.

임의로, 본원에 기재된 연마 패드는 하나 이상의 개구 (aperture), 투명 영역 또는 반투명 영역 (예를 들어, 미국 특허 5,893,796호에 기재된 윈도우 (window))을 추가로 포함한다. 연마 패드가 동일계내 CMP 공정 모니터링 기술과 함께 사용되는 경우, 상기 개구 또는 반투명 영역이 포함되는 것이 바람직하다. 상기 개구는 임의의 적합한 형태를 가질 수 있고, 연마 표면 상에 있는 잉여의 연마 조성물을 최소화하거나 제거하기 위한 배출 통로와 함께 이용될 수 있다. 반투명 영역 또는 윈도우는 임의의 적합한 윈도우일 수 있고, 수많은 윈도우가 당업계에 공지되어 있다. 예를 들어, 상기 반투명 영역은 연마 패드의 개구에 삽입된 유리 또는 중합체-기재 플러그를 포함할 수 있거나, 또는 연마 패드의 나머지 부분에 사용된 것과 동일한 중합체성 물질을 포함할 수 있다.

본 발명의 연마 패드는 임의의 적합한 기술을 이용하여 제조할 수 있고, 수많은 기술이 당업계에 공지되어 있다. 예를 들어, 연마 패드는 "뮤셀 (mucell)" 공정, 상 반전 공정, 스피노달 (spinodal) 또는 바이노달 (binodal) 분해 공정 또는 가압 기체 주입 공정에 의해 제조될 수 있다. 연마 패드는 뮤셀 공정 또는 가압 기체 주입 공정을 이용하여 제조하는 것이 바람직하다.

뮤셀 공정은 (a) 중합체 수지를 초임계 기체와 배합하여 단일상 용액을 생성하는 단계, 및 (b) 단일상 용액으로부터 본 발명의 연마 패드 기재를 형성하는 단계를 포함한다. 상기 중합체 수지는 앞서 기재된 중합체 수지 중 임의의 것일 수 있다. 상기 초임계 기체는, 기체가 유체 (즉, 초임계 유체, SCF)처럼 거동하는 초임계 상태를 생성하기에 충분한 승온 및 승압을 기체에 가함으로써 생성된다. 상기 기체는 탄화수소, 클로로플루오로탄소, 히드로클로로플루오로탄소 (예를 들어, 프레온), 질소, 이산화탄소, 일산화탄소 또는 이들의 조합일 수 있다. 기체로는 불연성 기체, 예를 들어 C-H 결합을 함유하지 않는 기체가 바람직하다. 기체가 질소, 이산화탄소 또는 이들의 조합인 것이 보다 바람직하다. 기체가 이산화탄소이거나, 이산화탄소를 포함하는 것이 가장 바람직하다. 기체는 중합체 수지와의 배합 전후에 초임계 기체로 전환될 수 있다. 기체는 중합체 수지와 배합되기 전에 초임계 기체로 전환되는 것이 바람직하다. 전형적으로, 기체에는 100 ℃ 내지 300 ℃의 온도 및 5 MPa (약 800 psi) 내지 40 MPa (약 6000 psi)의 압력이 적용된다. 기체가 이산화탄소인 경우, 온도는 150 ℃ 내지 250 ℃이고, 압력은 7 MPa (약 1000 psi) 내지 35 MPa (약 5000 psi) (예를 들어, 19 MPa (약 2800 psi) 내지 26 MPa (약 3800 psi))이다.

중합체 수지와 초임계 기체의 단일상 용액은 임의의 적합한 방식으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 초임계 기체는 기계 배럴에서, 용융된 중합체 수지와 블렌딩되어 단일상 용액을 형성할 수 있다. 이후, 단일상 용액을 주형으로 사출할 수 있고, 이때 기체가 팽창하여 용융된 중합체 수지 내에 높은 균일성의 공극 크기를 갖는 공극 구조가 형성된다. 전형적으로, 단일상 용액 중 초임계 기체의 농도는 단일상 용액의 총 부피의 0.01％ 내지 5％ (예를 들어, 0.1％ 내지 3％)이다. 초임계 유체의 농도는 다공질 발포체의 밀도 및 공극 크기를 결정할 것이다. 초임계 기체의 농도가 증가함에 따라, 생성된 다공질 발포체의 밀도가 증가하고 평균 공극 크기가 감소한다. 또한, 초임계 기체의 농도는 생성된 다공질 발포체에서의 개방 셀 대 폐쇄 셀의 비율에 영향을 미칠 수 있다. 상기 및 추가의 공정 특징은 미국 특허 제6,284,810호에 보다 상세하게 기재되어 있다.

상기 연마 패드는 용액 1 cm³당 10⁵개 초과의 핵 형성 (nucleation) 부위를 생성하기에 충분한, 단일상 용액의 열역학적 불안정성을 생성함으로써 형성된다. 예를 들어, 열역학적 불안정성은 빠른 온도 변화, 빠른 압력 강하 또는 이들의 조합으로부터 발생할 수 있다. 전형적으로, 열역학적 불안정성은 단일상 용액을 함유하는 주형 또는 다이의 출구에서 유도된다. 핵 형성 부위는 초임계 기체의 용해된 분자가 클러스터 (다공질 발포체 중의 셀이 클러스터로부터 성장함)를 형성하는 부위이다. 핵 형성 부위의 개수는, 핵 형성 부위의 개수가 중합체 발포체 중에 형성된 셀의 개수와 거의 동일하다고 가정함으로써 측정된다. 연마 패드는 임의의 적합한 기술에 의해 단일상 용액으로부터 형성될 수 있다. 예를 들어, 연마 패드는 중합체 시트로의 압출, 다층 시트의 공압출, 사출 성형, 압축 성형, 중공 (blow) 성형, 중공 필름, 다층 중공 필름, 캐스트 필름, 열성형 및 라미네이션으로 구성된 군으로부터 선택된 기술에 의해 형성될 수 있다. 연마 패드는 중합체 시트로의 압출 또는 사출 성형에 의해 형성되는 것이 바람직하다.

상 반전 공정은, 고도로 교반된 비-용매 중에서 중합체의 융점 (T_m) 또는 유리 전이 온도 (T_g)보다 높은 온도로 가열된 중합체 수지의 극미세 입자를 분산시키는 것을 포함한다. 상기 중합체 수지는 앞서 기재된 중합체 수지 중 임의의 것일 수 있다. 비-용매에 첨가되는 미세 중합체 수지 입자의 개수가 증가함에 따라, 미세 중합체 수지 입자들이 최초에는 덩굴손 (tendril)을 형성하고 최종적으로는 3차원 중합체 그물구조 (network)를 형성하도록 연결된다. 이후, 비-용매 혼합물을 냉각시키고, 이로써 비-용매가 3차원 중합체 그물구조 내에서 개별적인 (discrete) 액적으로 형성된다. 생성된 물질은 1 ㎛ 미만의 공극 크기를 갖는 중합체 발포체이다.

스피노달 또는 바이노달 분해 공정은, 혼합물을 단일상 영역으로부터 2상 영역으로 이동시키기 위해 중합체-중합체 혼합물 또는 중합체-용매 혼합물의 온도 및/또는 부피 분율을 제어하는 것을 포함한다. 2상 영역 내에서 중합체 혼합물의 스피노달 분해 또는 바이노달 분해가 일어날 수 있다. "분해"는 중합체 혼합물을 비-평형 상으로부터 평형 상으로 변화시키는 공정을 나타낸다. 스피노달 영역에서는, 중합체의 상 분리 (즉, 2상 물질의 형성) 또는 중합체와 용매의 상 분리가 부피 분율의 소폭 변동 (fluctuation)에 반응하여 자발적으로 수행되도록 혼합 곡선의 자유 에너지가 (-)이다. 바이노달 영역에서는 중합체 혼합물이 부피 분율의 소폭 변동에 대해 안정하므로, 상-분리된 물질을 달성하기 위해서는 핵 형성 및 성장이 필요하다. 2상 영역 (즉, 바이노달 또는 스피노달 영역) 내에서는 중합체 혼합물이 소정의 온도 및 부피 분율에서 침전되어 2개의 상을 갖는 중합체 물질이 형성된다. 중합체 혼합물에 용매 또는 기체가 가득 존재하는 경우, 2상 중합체 물질은 상-분리 계면에서 1 ㎛ 미만의 공극을 함유할 것이다. 상기 중합체는 앞서 기재된 중합체 수지를 포함하는 것이 바람직하다.

가압 기체 주입 공정은 고온 및 고압을 이용하여 초임계 유체 기체를, 비정질 중합체 수지를 포함하는 고체 중합체 시트 내로 강제 혼입시키는 것을 포함한다. 상기 중합체 수지는 앞서 기재된 중합체 수지 중 임의의 것일 수 있다. 고체 압출 시트를 실온에서 압력 용기에 넣는다. 초임계 기체 (예를 들어, N₂ 또는 CO₂)를 상기 용기에 첨가하고, 적절한 양의 기체를 중합체 시트의 자유 부피로 강제하기에 충분한 수준으로 용기를 가압한다. 중합체에 용해된 기체의 양은 헨리의 법칙에 따라 적용 압력에 정비례한다. 중합체 시트의 온도를 증가시키면 중합체 내로의 기체의 확산 속도는 증가되지만, 중합체 시트에 용해될 수 있는 기체의 양은 감소된다. 기체가 중합체를 완전히 포화시키면, 시트를 가압 용기로부터 제거한다. 원하는 경우, (필요한 경우에) 셀 핵 형성 및 성장을 촉진하기 위해 중합체 시트를 연화 또는 용융 상태로 고속 가열할 수 있다. 미국 특허 제5,182,307호 및 제5,684,055호에는 가압 기체 주입 공정의 상기 및 추가의 특징이 기재되어 있다.

본 발명의 표면-텍스쳐화 연마 패드는 바람직하게는 뮤셀 공정 또는 기체 주입 공정, 가장 바람직하게는 뮤셀 공정에 의해 제조된다.

하나의 방법적 측면에서, 본 발명은 표면-텍스쳐화 연마 패드의 제조 방법을 제공한다. 상기 방법은 (a) 중합체 수지를 기체, 바람직하게는 기체에 승온 및 승압을 가함으로써 생성된 초임계 기체와 배합하여 단일상 용액을 생성하는 단계, (b) 단일상 용액으로부터 발포 시트를 압출하는 단계, 및 (c) 압출된 시트를 발포체가 고체화되기 전에 압축하여 시트의 하나 이상의 표면 상에 패턴을 각인하는 단계를 포함한다. 압출된 발포체 시트는 2개 이상의 닙 롤러 (이들 중 하나 이상은 텍스쳐화 표면을 가짐) 사이에서 압축되는 것이 바람직하다. 상기 텍스쳐화 닙 롤러는 바 (bar) 패턴, 예를 들어 메시 패턴으로 바들이 교차된 패턴 (롤러의 표면 상에 엠보싱됨)을 갖는 것이 바람직하다. 롤러 상의 엠보싱된 텍스쳐는 텍스쳐화 롤러와 접촉한 발포 시트의 표면에 패턴 각인을 남기기 위한 크기의 바를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 연마 패드는 화학적-기계적 연마 (CMP) 장치와 함께 사용하기에 특히 적합하다. 전형적으로, 압반 (사용시 운동하며, 궤도, 선형 또는 원형 운동에 따른 속도를 가짐), 압반과 접촉하며 운동시 압반과 함께 이동하는 본 발명의 연마 패드, 및 연마할 기재와 접촉하는 연마 패드의 표면에 대해 접촉 및 이동함으로써 연마되는 기재를 고정하는 캐리어를 포함한다. 기재의 연마는, 기재를 연마 패드와 접촉하도록 위치시킨 후에 전형적으로는 연마 패드와 기재 사이의 연마 조성물과 함께 기재에 대해 이동시켜, 기재의 적어도 일부를 연마하여 기재를 연마함으로써 수행된다. 상기 CMP 장치는 임의의 적합한 CMP 장치일 수 있고, 수많은 CMP 장치가 당업계에 공지되어 있다. 또한, 본 발명의 연마 패드는 선형 연마 도구와 함께 사용될 수 있다.

본원에 기재된 연마 패드는 단독으로 사용될 수 있거나, 또는 임의로, 다층 적층된 연마 패드 중 하나의 층으로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 연마 패드는 서브패드 (subpad)와 함께 사용될 수 있다. 서브패드는 임의의 적합한 서브패드일 수 있다. 적합한 서브패드로는 폴리우레탄 발포체 서브패드, 함침된 펠트 (felt) 서브패드, 미공질 폴리우레탄 서브패드 또는 소결된 우레탄 서브패드가 포함된다. 전형적으로, 서브패드는 본 발명의 연마 패드보다 연질이며, 따라서 본 발명의 연마 패드보다 압축성은 높고 쇼어 경도 값은 낮다. 예를 들어, 서브패드는 35 내지 50의 쇼어 A 경도를 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 서브패드는 연마 패드보다 단단하고, 압축성이 낮고, 쇼어 경도가 높다. 임의로, 서브패드는 그루브, 통로, 중공 부분, 윈도우, 개구 등을 포함한다. 본 발명의 연마 패드가 서브패드와 함께 사용되는 경우, 전형적으로 연마 패드와 서브패드 사이에서 이들과 함께 동시-연장되는 중간 지지층 (backing layer) (예를 들어, 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름)이 존재한다. 별법으로, 본 발명의 다공질 발포체는 또한, 통상적인 연마 패드와 함께 서브패드로서 사용될 수 있다.

본원에 기재된 연마 패드는 수많은 유형의 기재 및 기재 물질을 연마하기에 적합하다. 예를 들어, 상기 연마 패드는 메모리 저장 장치, 반도체 기재 및 유리 기재를 비롯한 다양한 기재를 연마하는 데 사용될 수 있다. 연마 패드로 연마하기에 적합한 기재로는 메모리 디스크, 하드 디스크, 자기 헤드, MEMS 장치, 반도체 웨이퍼, 전계 방출 표시장치 및 여타 마이크로전자 기재, 특히 절연층 (예를 들어, 이산화규소, 질화규소 또는 저유전성 물질) 및/또는 금속-함유 층 (예를 들어, 구리, 탄탈륨, 텅스텐, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 백금, 루테늄, 로듐, 이리듐 또는 여타 귀금속)을 포함하는 기재가 포함된다.

하기 실시예는 본 발명의 다양한 측면을 추가로 예시하나, 물론 본 발명의 범주를 어떤 식으로든 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.

실시예 1

이 실시예는 균일한 공극 크기를 갖는 미공질 발포체 막대 (rod)의 제조 방법을 예시한다.

열가소성 폴리우레탄 (TPU) 발포체 막대 (1A 및 1B)를 압출 방법에 의해 제조하였다. 각 TPU 발포체 막대는 90,000 g/mol 내지 110,000 g/mol의 중량 평균 분자량 및 2.2 내지 3.3의 PDI를 갖는 TPU를 사용하여 제조하였다. 각 경우에서, TPU를 승온 및 승압 하에 압출기 (라벡스 II 프라이머리 (Labex II primary), 6.35 cm (2.5 인치) 직경 32/1 L/D 단일 스크류 압출기)에 넣어 중합체 용융물을 형성하였다. 이산화탄소 기체를 승온 및 승압 하에 (이로써 초임계 유체 CO₂가 형성되고, 이는 중합체 용융물과 블렌딩되어 단일상 용액을 형성함) 중합체 용융물에 주입하였다 (P7 트림 (trim) 및 4개의 표준 주입기가 장착된 트렉셀 (Trexel) TR30-5000G 전달 시스템을 이용함). CO₂/중합체 용액을 수렴형 (converging) 다이 (0.15 cm (0.060 인치) 직경, 12.1° 각도)를 통해 압출시켜 다공질 발포체 막대를 형성하였다. CO₂ 농도는 막대 1A 및 1B에 대해 각각, 1.51％ 및 1.26％였다.

하기 표 1에는 압출기의 각 구역, 게이트, 다이의 온도 및 융점, 다이 압력, 스크류 속도 및 CO₂ 농도가 요약되어 있다. 막대 샘플 1B에 대한 주사 전자 현미경 (SEM) 영상은 도 1에 제시되어 있다.

이 실시예는, 초임계 유체 마이크로셀 기술을 이용하여 균일한 셀 크기를 갖는 미공질 발포체 물질을 제조할 수 있다는 점을 예시한다.

실시예 2

이 실시예는 본 발명의 연마 패드의 제조 방법을 예시한다.

일련의 열가소성 폴리우레탄 (TPU) 발포체 시트 (2A, 2B, 2C 및 2D)를 압출 방법에 의해 제조하였다. 각 TPU 시트는 90,000 g/mol 내지 110,000 g/mol의 중량 평균 분자량 및 2.2 내지 3.3의 PDI를 갖는 TPU를 사용하여 제조하였다. 각 경우에서, TPU를 승온 및 승압 하에 압출기 (라벡스 II 프라이머리, 6.35 cm (2.5 인치) 직경 32/1 L/D 단일 스크류)에 넣어 중합체 용융물을 형성하였다. 이산화탄소 기체를 승온 및 승압 하에 (이로써 초임계 유체 CO₂가 형성되고, 이는 중합체 용융물과 블렌딩되어 단일상 용액을 형성함) 중합체 용융물에 주입하였다. CO₂/중합체 용액을 평다이 (30.5 cm (12 인치) 폭, 0.005 내지 0.0036 cm (0.002 내지 0.0014 인치) 굽힘 간격 (flex gap), 6° 수렴각)를 통해 압출시켜 다공질 발포체 시트를 형성하였다. CO₂ 농도는 시트 2A, 2B, 2C 및 2D에서 각각, 0.50％, 0.80％, 1.70％ 및 1.95％였다.

하기 표 2에는 압출기의 각 구역, 게이트, 다이의 온도 및 융점, 다이 압력, 스크류 속도, CO₂ 농도 및 시트 치수가 요약되어 있다.

표 2에 제시된 일련의 압출 파라미터를 각각 이용하여 우수한 균일성의 셀 크기 (±25 ㎛)를 갖는 다공질 TPU 발포체 시트를 제조하였다. 샘플 2A 및 2B는 큰 평균 셀 크기를 가졌다 (>100 ㎛). 시트 2C 및 2D는 작은 평균 셀 크기 (<100 ㎛)를 가졌다.

이 실시예는, 초임계 유체 방법에 의해 작은 셀 크기를 갖는 다공질 발포체 시트를 제조할 수 있다는 점을 입증한다.

실시예 3

이 실시예는 본 발명의 연마 패드의 제조 방법을 예시한다.

일련의 열가소성 폴리우레탄 (TPU) 발포체 시트 (3A, 3B, 3C 및 3D)를 압출 방법에 의해 제조하였다. 각 TPU 시트는 90,000 g/mol 내지 110,000 g/mol의 중량 평균 분자량 및 2.2 내지 3.3의 PDI를 갖는 TPU를 사용하여 제조하였다. 각 경우에서, TPU를 승온 및 승압 하에 압출기 (라벡스 II 프라이머리, 6.35 cm (2.5 인치) 직경 32/1 L/D 단일 스크류)에 넣어 중합체 용융물을 형성하였다. 이산화탄소 기체를 승온 및 승압 하에 (이로써 초임계 유체 CO₂가 형성되고, 이는 중합체 용융물과 블렌딩되어 단일상 용액을 형성함) 중합체 용융물에 주입하였다. CO₂/중합체 용액을 평다이 (30.5 cm (12 인치) 폭, 0.005 내지 0.0036 cm (0.002 내지 0.0014 인치) 굽힘 간격, 6° 수렴각)를 통해 압출시켜 다공질 발포체 시트를 형성하였다. CO₂ 농도는 시트 3A, 3B, 3C 및 3D에서 각각, 1.38％, 1.50％, 1.66％ 및 2.05％였다.

하기 표 3에는 압출기의 각 구역, 게이트, 다이의 온도 및 융점, 다이 압력, 스크류 속도 및 CO₂ 농도가 요약되어 있다. 다공질 TPU 발포체 시트에 생성된 평균 셀 크기는 CO₂ 기체의 농도에 따라 달라진다. 도 2에는 생성된 시트의 밀도에 대한 단일상 용액 중의 CO₂ 농도의 플롯이 도시되어 있다.

표 3에 제시된 일련의 압출 파라미터를 각각 이용하여 우수한 균일성의 셀 크기를 갖는 다공질 TPU 발포체 시트를 제조하였다. 샘플 3D의 주사 전자 현미경 (SEM) 영상이 도 3 (횡단면) 및 도 4 (상면)에 제시되어 있다. 샘플 3D의 물리적 성질을 측정하였고, 데이타는 하기 표 4에 요약되어 있다.

연마 패드 밀도는 ASTM D795 시험 방법에 따라 측정하였다. 연마 패드의 쇼어 A 경도는 ASTM 2240 시험 방법에 따라 측정하였다. 연마 패드의 최대 응력은 ASTM D638 시험 방법에 따라 측정하였다. 압축률 (％)은 0.031 MPa (4.5 psi)의 압력에서 아메스 (Ames) 계량기를 이용하여 측정하였다. 아메스 시험기의 프로브를 우선 (샘플 없이) 0으로 만든 후에 샘플 두께를 측정하였다 (D1). 5 파운드의 분동 (0.031 MPa)을 프로브 상에 놓고, 1분 후에 샘플 두께를 측정하였다 (D2). 압축률은 최초 샘플 두께 (D1)에 대한 두께 차이 (D1-D2)의 비율이다. 또한, 압축률 (％)은 0.5 MPa (72 psi)의 압력에서 인스트론 (Instron) 기술을 이용하여 측정하였다. 반발률 (％)은 쇼어 레실리오미터 (Shore Resiliometer) (쇼어 인스트루먼트 ＆ MFG)를 이용하여 측정하였다. 반발률 (％)은 0.031 MPa (4.5 psi)에서 금속 슬러그가 사전 형성된 시험편에 대해 반발할 때의 이동 높이로 측정하였다. 반발률 (％)은 5회 측정값의 평균으로서 보고된다. 굴곡 탄성률은 ASTM D790 시험 방법에 따라 측정하였다. 통기성 (air permeability)은 제뉴인 걸리 (Genuine Gurley) 4340 자동 밀도계를 이용하여 측정하였다.

T_g는 동적 기계적 분석기 (DMA) 또는 열역학적 분석 (TMA)에 의해 측정하였다. DMA의 경우, TA 2980 모델 기기를 -25 ℃ 내지 130 ℃의 작동 온도, 3 ㎐의 주파수 및 2.5 ℃/분의 가열 속도 하에 이용하였다. T_g는 온도에 대한 저장 탄성률의 중간점으로부터 계산하였다. TMA의 경우, ASTM E831 시험 방법에 따라 시험을 수행하였다. T_m은 시차 주사 열량법 (DSC)에 의해 측정하였다. TA 2920 모델 기기를 -50 ℃ 내지 230 ℃의 작동 온도 및 10 ℃/분의 가열 속도 하에 사용하였다. T_m값은 발열 파동의 최대 융점으로부터 계산하였다. 저장 탄성률은 25 ℃에서 DMA에 의해 측정하였다. 테이버 마모도 (Taber Wear)는 1000 싸이클의 연마시에 제거되는 다공질 발포체 시트의 양이다. 다공질 발포에 시트의 평균 공극 크기 및 공극 밀도는 SEM 현미경 (50X 및 100X 배율)을 이용하여 측정하였다.

평균 공극 크기 및 공극 크기 분포는 주어진 단위 면적에서의 폐쇄 셀 공극을 계수한 후, 클레멕스 비전 (등록상표) 소프트웨어 (클레멕스 테크놀로지스로부터 입수가능한 영상화 소프트웨어)를 이용하여 공극 직경의 평균값을 구함으로써 측정하였다. 공극의 크기 및 백분율은 샘플에 있는 공극의 비-구형적 (non-spherical) 성질을 반영하는 폭 및 길이를 기준으로 보고된다. 공극 밀도는 하기 수학식에 따라 측정하였다:

식 중, ρ_고체는 1.2 g/cm³에 해당하는 고체 열가소성 폴리우레탄 패드 (SCF 기체 없음)의 밀도이고, ρ_{패드 물질}은 미공질 열가소성 폴리우레탄 패드 (SCF 기체 있음)의 밀도이고, d는 셀의 직경 (cm 단위, 구형으로 가정함)이다.

또한, 샘플 3D를 산화규소 블록으로 5시간 동안 컨디셔닝한 후, 샘플 3D의 다공질 발포체의 평균 공극 크기 및 공극 크기 분포를 측정하였다. 평균 공극 크기 값, 및 평균값의 ±20 mm 내에서 치수를 갖는 공극의 백분율 값 (각각, 7.7±9.3×13.2±15.5 (w×l) 및 98％/91％ (w/l))은 컨디셔닝 및 연마 이전에 얻어진 값들과 실질적으로 동일하다. 상기 결과는 공극 크기 및 공극 크기 분포가 다공질 발포체 시트의 횡단면적 전반에 걸쳐 일정하다는 점을 나타낸다.

이 실시예는 본 발명의 방법을 이용하여 균일한 공극 크기를 갖는 미공질 연마 패드를 제조할 수 있다는 점을 입증한다.

실시예 4

이 실시예는 본 발명의 미공질 발포체 연마 패드가 우수한 연마 특성을 갖는다는 점을 예시한다.

0.989 g/mL의 밀도 및 0.107 cm (0.0423 인치)의 두께를 갖는, 샘플 3D에 대해 실시예 3에서 언급된 방법에 따라 제조된 미공질 발포체 폴리우레탄 연마 패드를 사용하여 블랭킷 이산화규소 웨이퍼를 화학적-기계적으로 연마하였다. 연마 패드는 임의의 컨디셔닝 (즉, 마이크로그루브 또는 마이크로구조의 형성), 버핑 또는 외부 매크로그루브 (즉, 매크로텍스쳐) 없이 사용하였다. 연마 패드에서의 제거 속도 및 웨이퍼내 불균일성은 연마된 이산화규소 웨이퍼 개수의 함수로서 측정하였다. 상기 제거 속도는 연속적인 4개의 웨이퍼에 대해 측정한 후에 4개의 "더미 (dummy)" 이산화규소 웨이퍼를 연마하되, 이들의 제거 속도는 기록하지 않았다. 도 5에는 연마된 이산화규소 웨이퍼 개수에 대한 제거 속도의 플롯이 도시되어 있다. 연마 파라미터는 0.028 MPa (4 psi)의 캐리어 하향 압력, 100 mL/분의 슬러리 유속, 60 rpm의 압반 속도, 55 내지 60 rpm의 캐리어 속도였다.

도 5에 도시된 데이타는, 균일한 셀 크기 분포를 갖는 미공질 발포체를 포함하는 연마 패드가 심지어 임의의 컨디셔닝, 버핑 또는 그루브 매크로텍스쳐의 부재 하에서도 이산화규소 블랭킷 웨이퍼의 상당한 연마 제거 속도를 생성한다는 점을 나타낸다. 또한, 상기 연마 패드는 매우 낮은 웨이퍼내 불균일성을 생성한다.

실시예 5

다양한 연마 패드를 사용하여 동일한 연마 조성물 (즉, 캐보트 마이크로일렉트로닉스가 판매하는 세미-스퍼스 (등록상표) D7300 연마 조성물)의 존재 하에 이산화규소 블랭킷 웨이퍼를 연마하였다. 연마 패드 5A (대조군)는 마이크로그루브 및 매크로그루브를 갖는 고체 비-다공질 폴리우레탄 연마 패드였다. 연마 패드 5B (본 발명)는 샘플 3D에 대해 실시예 3에서 언급된 방법에 따라 생성된 20±10 ㎛ 이하의 균일한 공극 크기, 0.989 g/mL의 밀도 및 0.107 cm (0.0423 인치)의 두께를 갖는, 버핑 및 컨디셔닝되고 (마이크로그루브를 형성함) 그루빙된 (매크로그루브) 미공질 발포체 폴리우레탄 연마 패드였다. 각 연마 패드에서의 연마된 이산화규소 웨이퍼 개수에 대한 제거 속도 및 불균일성의 함수로서 측정하였다. 도 6에는 연마 패드 5A 및 5B 각각에서의 연마된 이산화규소 웨이퍼 개수에 대한 제거 속도의 플롯이 도시되어 있다. 연마 파라미터는 0.028 MPa (4 psi)의 캐리어 하향 압력, 100 mL/분의 슬러리 유속, 60 rpm의 압반 속도, 55 내지 60 rpm의 캐리어 속도였다. 본 발명의 고체 연마 패드 및 미공질 발포체 연마 패드의 그루빙된 상면의 주사 전자 현미경 (SEM) 영상은 각각, 도 7a와 도 7b 및 7c에 제시되어 있다.

도 6의 플롯은 균일한 셀 크기 분포를 갖는 미공질 발포체 연마 패드가 고체 비-다공질 연마 패드에 비해, 이산화규소 블랭킷 웨이퍼에 대한 우수한 제거 속도를 갖는다는 점을 나타낸다. 또한, 본 발명의 미공질 연마 패드는 20개 이상의 웨이퍼를 연마하는 내내 매우 일정한 제거 속도 및 낮은 불균일성을 가지며, 이는 연마 패드가 시간이 경과함에 따라 매끈해지지 않았다는 점을 나타낸다. 도 7a 내지 7c의 SEM 영상은, 본 발명의 미공질 발포체 연마 패드 (도 7b 및 도 7c)가 통상적인 연마 패드 (도 7a)에서 관찰되는 바와 같이 연마 동안 매끈해지는 경향이 덜하다는 점을 나타낸다.

실시예 6

이 실시예는 본 발명의 미공질 발포체 연마 패드가 연마 동안 연마 조성물에 대해 침투성이며 연마 조성물을 수송할 수 있다는 점을 예시한다.

pH 11에서 수성 발연 실리카 연마제를 이용한 화학적-기계적 연마 실험에서, 고체 폴리우레탄 연마 패드 (패드 6A, 비교예), 미공질 발포체 폴리우레탄 연마 패드 (패드 6B, 본 발명) 및 통상적인 폐쇄 셀 폴리우레탄 연마 패드 (패드 6C, 비교예)를 사용하였다. 20개의 이산화규소 웨이퍼를 연마한 후, 각 연마 패드를 SEM X선 매핑 기술인 에너지 분산 X선 (EDX) 분광법에 의해 실험하여 실리카-기재 연마 조성물의 침투 정도를 측정하였다. 패드 6A, 6B 및 6C에 대한 EDX 영상은 각각, 도 8a, 도 8b 및 도 8c에 제시되어 있다.

고체 연마 패드 (패드 6A)에 대한 실리카 연마제의 침투 정도는 도 8a에 제시된 같이 오직 패드 두께의 10 내지 15％였다. 미공질 발포체 연마 패드 (패드 6B)의 경우, 실리카 연마제는 패드 두께의 40％ 이상 침투하였다. 통상적인 폐쇄 셀 연마 패드 (패드 6C)의 경우, 실리카 연마제는 오직 패드 두께의 20％ 내지 25％로 침투하였다.

이 실시예는, 본 발명의 미공질 발포체 연마 패드가 연마 조성물 연마성 입자를 연마 패드 본체로 잘 수송할 수 있는 반면에 통상적인 고체 및 폐쇄 셀 연마 패드는 연마 조성물을 연마 패드 본체로 수송하지 않는다는 점을 입증한다.

실시예 7

이 실시예는 본 발명의 미공질 발포체 연마 패드가 통상적인 폐쇄 셀 미공질 연마 패드에 비해 우수한 연마 속도를 갖는다는 점을 나타낸다.

유사한 패턴화 이산화규소 웨이퍼를 다양한 연마 패드 (연마 패드 7A, 7B 및 7C)를 사용하여 pH 11에서 퓸드 실리카 연마제에 의해 연마하였다. 연마 패드 7A (비교예)는 고체 비-다공질 폴리우레탄 연마 패드였다. 연마 패드 7B (본 발명)는 본 발명의 미공질 발포체 폴리우레탄 연마 패드였다. 연마 패드 7C (비교예)는 통상적인 미공질 폐쇄 셀 폴리우레탄 연마 패드였다. 각 연마 패드를 버핑하고, 컨디셔닝하고, 그루빙하였다. 8000 Å의 단 높이를 갖는 40％ 밀도 영역 및 8000 Å의 단 높이를 갖는 70％ 밀도 영역을 위한 평탄화 속도로 각 연마 패드를 연마하고, 특징부의 나머지 단 높이를 30, 60, 90, 120 및 150초 후에 측정하였다. 40％ 조밀 특징 및 70％ 조밀 특징에 대한 결과는 각각, 도 9 및 도 10에 도시되어 있다.

도 9 및 10에 도시된 결과는, 40％ 밀도 영역의 경우에 모든 연마 패드 (연마 패드 7A 내지 7C)가 60초 후에 1000 Å 미만의 나머지 단 높이를 갖는다는 점을 나타낸다. 그러나, 70％ 밀도 영역의 경우, 연마 패드 7A 및 7B만이 90초 후에 1000 Å 미만의 나머지 단 높이를 갖는다. 따라서, 본 발명의 미공질 발포체 연마 패드는 통상적인 미공질 발포체 폐쇄 셀 연마 패드에 비해 우수한 연마 속도를 갖는다.

실시예 8

이 실시예는 가압 기체 주입 공정을 사용하여 본 발명의 연마 패드를 제조하는 방법을 예시한다.

고체 압출 TPU 시트의 두 샘플을 5 MPa CO₂ 기체가 담긴 가압 용기 중에서 30시간 동안 실온에 두었다. 고체 TPU 시트는 각각, 5 중량％의 CO₂를 흡수하였다. 이후, TPU 샘플들 (샘플 8A 및 8B)을 5 MPa의 포화 압력에서 50 ℃ 및 97.6 ℃로 각각 가열하여, 각각 평균 셀 크기 0.1 ㎛ 및 4 ㎛ (99개의 셀이 계수됨, 최소 2 ㎛, 최대 8 ㎛, 표준 편차 1.5)의 시트를 생성하였다. 평균 셀 크기는 영상 분석 소프트웨어를 이용하여 측정하였다. 처리되지 않은 고체 TPU 시트의 SEM 영상은 도 11에 제시되어 있다. 발포된 TPU 시트 (샘플 8A 및 8B, 본 발명)의 SEM 영상은 도 12 내지 15에 제시되어 있다. 도 12 및 13에서의 배율은 각각, 7500X 및 20000X이다. 도 14 및 15의 배율은 각각, 350X 및 1000X이다.

이 실시예는, 가압 기체 주입 공정을 이용하여 20 ㎛ 미만의 평균 공극 크기 및 고도로 균일한 공극 크기 분포를 갖는 다공질 발포체 연마 패드 물질을 제조할 수 있다는 점을 입증한다.

실시예 9

이 실시예는, 60 ㎛ 이하 범위의 평균 공극 셀 크기를 갖되 상기 발포체에 있는 공극 중 75％ 이상이 평균 공극 셀 크기로부터 20 ㎛ 이내의 공극 셀 크기를 갖고; 25 ㎛ 내지 1150 ㎛ 범위의 깊이, 0.25 ㎛ 내지 380 ㎛ 범위의 폭, 및 1 내지 1000의 깊이-폭 종횡비를 갖는 디보트를 포함하는 하나 이상의 텍스쳐화 표면을 갖고; 패드의 하나 이상의 텍스쳐화 표면이 표면적 1 cm² 당 10개 이상의 디보트를 포함하며 5 ㎛ 이상의 평균 표면 조도를 갖는 것인 본 발명의 연마 패드의 제법을 예시한다.

일련의 열가소성 폴리우레탄 (TPU) 발포체 시트 (9A, 9B 및 9C)를 압출 방법에 의해 제조하였다. 각 TPU 시트는 60,000 g/mol 내지 170,000 g/mol의 중량 평균 분자량 및 2.2 내지 3.3의 PDI를 갖는 TPU를 사용하여 제조하였다. 각 경우에서, TPU를 승온 및 승압 하에 압출기 (8.89 cm (3.5 인치) 스크류 직경 32/1 L/D 단일 스크류)에 넣어 중합체 용융물을 형성하였다. 이산화탄소 기체를 승온 및 승압 하에 (이로써 초임계 유체 CO₂가 형성되고, 이는 중합체 용융물과 블렌딩되어 단일상 용액을 형성함) 중합체 용융물에 주입하였다. CO₂/중합체 용액을 평다이 (94 cm (37 인치) 폭)를 통해 압출시켜 다공질 발포체 시트를 형성하였다. 시트를 고체화 전에 한 쌍의 닙 롤러에 통과시켜 시트를 압축하였다. CO₂ 농도는 시트 9A, 9B 및 9C에서 각각, 1.9％, 1.67％ 및 1.82％였다.

하기 표 5에는 압출기의 각 구역, 게이트, 다이의 온도 및 융점, 다이 압력, 스크류 속도 및 CO₂ 농도가 요약되어 있다. 패드의 물리적 성질은 하기 표 6에 요약되어 있다.

패드 9A, 9B 및 9C는 모두 1 cm² 당 10개 초과의 디보트를 가졌다. 이들 패드를 실시예 4, 5 및 7에 기재된 바와 같이 평가하여 이들의 연마 특성을 분석하였고, 이들은 낮은 WIWNU 값, 높은 제거 속도 및 낮은 편향성 (deflectivity)을 나타냈다.

실시예 10

이 실시예는, 60 ㎛ 이하 범위의 평균 공극 셀 크기를 갖되 상기 발포체에 있는 공극 중 75％ 이상이 평균 공극 셀 크기로부터 20 ㎛ 이내의 공극 셀 크기를 갖고; 25 ㎛ 내지 1150 ㎛ 범위의 깊이, 0.25 ㎛ 내지 380 ㎛ 범위의 폭, 및 1 내지 1000의 깊이-폭 종횡비를 갖는 디보트를 포함하는 하나 이상의 텍스쳐화 표면을 갖고; 패드의 하나 이상의 텍스쳐화 표면이 표면적 1 cm² 당 10개 이상의 디보트를 포함하고 5 ㎛ 이상의 평균 표면 조도를 가지며 그루브가 각인된 텍스쳐화 패턴을 갖는 것인 본 발명의 연마 패드의 제법을 예시한다.

일련의 열가소성 폴리우레탄 (TPU) 발포체 시트 (10A 내지 10F)를 압출 방법에 의해 제조하였다. 각 TPU 시트는 60,000 g/mol 내지 170,000 g/mol의 중량 평균 분자량, 2.2 내지 3.3의 PDI 및 2 내지 10의 RPI를 갖는 TPU를 사용하여 제조하였다. 각 경우에서, TPU를 승온 및 승압 하에 압출기 (8.89 cm (3.5 인치) 스크류 직경 32/1 L/D 단일 스크류)에 넣어 중합체 용융물을 형성하였다. 이산화탄소 기체를 승온 및 승압 하에 (이로써 초임계 유체 CO₂가 형성되고, 이는 중합체 용융물과 블렌딩되어 단일상 용액을 형성함) 중합체 용융물에 주입하였다. CO₂/중합체 용액을 평다이 (37 인치 폭)를 통해 압출시켜 다공질 발포체 시트를 형성하였다. 시트를 고체화 전에, 롤러들 중 하나의 표면 상에 와이어 (wire) 메시 패턴을 갖는 한 쌍의 닙 롤러에 통과시켜 시트를 압축하고 발포체의 표면에 패턴을 각인하였다. 하기 표 7에는 다양한 와이어 메시 크기가 제시되어 있다. 각 경우에서, 롤러간 간격은 50 내지 55 mil 정도였다. CO₂ 농도는 시트 10A, 10B, 10C, 10D, 10E 및 10F 각각에 대해 모든 샘플에서 1.8％로 동일하게 유지되었다. 패드 10A 내지 10F의 일부 샘플의 텍스쳐화 표면을 버핑하여 (임의의 부위가 2 내지 6회 통과됨) 이들의 표면 조도를 추가로 감소시켰다. 예상한 바와 같이, 버핑 통과 횟수가 증가함에 따라 R_a가 감소되었다. 각 패드는 30 ㎛ 이하의 평균 셀 크기를 가졌다.

하기 표 7 및 8에는 압출기의 각 구역, 게이트, 다이의 온도 및 융점, 다이 압력, 스크류 속도 및 CO₂ 농도가 요약되어 있다. 패드의 물리적 성질은 하기 표 9 및 10에 요약되어 있다.

패드 10A 내지 10F를 제조하기 위해 사용한 닙 롤러 상의 와이어 메시 스크린은 다음과 같다: 30×30 와이어 메시, 와이어 직경 6.5 mil (10A, 10B, 10C); 80×80 와이어 메시, 와이어 직경 3.7 mil (10D 및 10E), 및 44×44 와이어 메시, 와이어 직경 5.5 mil (10F). 도 16에는 샘플 10A (좌측 상단), 10B (우측 상단), 10E (좌측 하단) 및 10F (우측 하단)의 주사 전자 현미경 사진이 제시되어 있고, 이들은 텍스쳐화 닙 롤러에 의해 텍스쳐화 표면에 각인된 메시 패턴을 나타낸다. 놀랍게도, 패드의 텍스쳐화 표면 상에 메시 패턴을 각인한 결과, 도 17에 제시된 바와 같이 패드의 텍스쳐화 표면의 표면 조도가 유의하게 감소되었다.

Claims

60 ㎛ 이하 범위의 평균 공극 셀 크기를 갖는 다공질 (porous) 중합체성 발포체를 포함하되, 상기 발포체에 있는 공극 중 75％ 이상이 평균 공극 셀 크기로부터 30 ㎛ 이내의 공극 셀 크기를 갖고;

25 ㎛ 내지 1150 ㎛ 범위의 깊이, 0.25 ㎛ 내지 380 ㎛ 범위의 폭, 및 1 내지 1000의 깊이-폭 종횡비를 갖는 디보트 (divot)를 포함하는 하나 이상의 텍스쳐화 (textured) 표면을 갖고;

패드의 하나 이상의 텍스쳐화 표면이 표면적 1 cm² 당 10개 이상의 디보트를 포함하며 5 ㎛ 이상의 평균 표면 조도를 갖는 것인, 화학적-기계적 연마에 적합한 표면-텍스쳐화 연마 패드.
제1항에 있어서, 다공질 중합체성 발포체가 10⁴ 셀/cm³ 이상의 공극 셀 밀도를 갖는 것인 연마 패드.
제1항에 있어서, 다공질 중합체성 발포체가 0.5 g/cm³ 이상의 밀도를 갖는 것인 연마 패드.
제1항에 있어서, 다공질 중합체성 발포체에 있는 셀의 대부분이 폐쇄 셀 (closed cell)인 연마 패드.
제1항에 있어서, 다공질 중합체성 발포체가 열가소성 폴리우레탄을 포함하는 것인 연마 패드.
제5항에 있어서, 열가소성 폴리우레탄이 20,000 g/mol 내지 600,000 g/mol의 중량 평균 분자량 (M_w)을 갖는 것인 연마 패드.
제6항에 있어서, 열가소성 폴리우레탄이 20 이하의 용융 유동 지수 (MFI)를 갖는 것인 연마 패드.
제6항에 있어서, 열가소성 폴리우레탄이 1.1 내지 6의 다분산 지수 (PDI)를 갖는 것인 연마 패드.
제6항에 있어서, 열가소성 폴리우레탄이 2 내지 10의 유변성 가공 지수 (RPI)를 갖는 것인 연마 패드.
제5항에 있어서, 다공질 중합체성 발포체가 8％ 이하의 평균 압축률 (％)을 갖는 것인 연마 패드.
제5항에 있어서, 열가소성 폴리우레탄 발포체가 20％ 이상의 평균 반발률 (％)을 갖는 것인 연마 패드.
제1항에 있어서, 하나 이상의 텍스쳐화 표면이 75의 쇼어 (Shore) A 경도 내지 90의 쇼어 D 경도 범위의 경도를 갖는 것인 연마 패드.
제1항에 있어서, 하나 이상의 텍스쳐화 표면이 그루브가 각인된 텍스쳐화 패턴을 추가로 포함하는 것인 연마 패드.
제12항에 있어서, 각 그루브가 25 ㎛ 내지 500 ㎛ 범위의 폭을 갖는 것인 연마 패드.
제12항에 있어서, 그루브가 25 ㎛ 내지 500 ㎛ 범위의 깊이를 갖는 것인 연마 패드.
제1항에 있어서, 하나 이상의 텍스쳐화 표면이 그루브가 각인된 메시 (mesh) 패턴을 포함하되, 상기 메시 패턴이 간격을 두고 (spaced) 평행한 그루브들로 이루어진 제1 패턴, 및 간격을 두고 평행한 그루브들로 이루어진 상기 제1 패턴과 교차하는, 간격을 두고 평행한 그루브들로 이루어진 제2 패턴을 포함하는 것인 연마 패 드.
제15항에 있어서, 각 그루브가 25 ㎛ 내지 500 ㎛ 범위의 폭을 갖는 것인 연마 패드.
제15항에 있어서, 간격을 두고 평행한 그루브들로 이루어진 제1 패턴 및 제2 패턴의 평행한 그루브들이 250 ㎛ 내지 1000 ㎛ 범위의 거리로 서로 이격된 것인 연마 패드.
제15항에 있어서, 그루브가 25 ㎛ 내지 500 ㎛ 범위의 깊이를 갖는 것인 연마 패드.
제1항에 있어서, 다공질 중합체성 발포체가 1 ㎛ 내지 30 ㎛ 범위의 평균 공극 크기를 갖는 것인 연마 패드.
(a) 중합체 수지를 초임계 기체 (초임계 기체는 기체에 승온 및 승압을 가함으로써 생성됨)와 배합하여 단일상 용액을 생성하는 단계;

(b) 단일상 용액으로부터 중합체성 발포체 시트를 압출하는 단계;

(c) 시트를 압축하는 단계; 및

(d) 압출 및 압축된 중합체성 발포체 시트로부터 하나 이상의 텍스쳐화 표면 을 갖는 연마 패드를 형성하는 단계

를 포함하는, 제1항의 연마 패드의 제조 방법.
제20항에 있어서, 중합체 수지와 배합된 초임계 기체의 양이 단일상 용액의 총 부피의 0.01％ 내지 5％인 방법.
제20항에 있어서, 연마 패드를 형성하기 전에, 압출 및 압축된 중합체성 발포체 시트의 표면 상에 하나 이상의 텍스쳐화 그루브 패턴을 각인하는 추가의 단계를 더 포함하는 방법.
제20항에 있어서, 각 그루브가 25 ㎛ 내지 500 ㎛ 범위의 폭을 갖는 것인 방법.
제20항에 있어서, 그루브가 25 ㎛ 내지 500 ㎛ 범위의 깊이를 갖는 것인 방법.
제20항에 있어서, 패드의 하나 이상의 텍스쳐화 표면을 버핑 (buffing)하여 상기 표면의 조도를 감소시키는 추가의 단계를 더 포함하는 방법.
(a) 회전하는 압반;

(b) 제1항의 연마 패드; 및

(c) 회전하는 연마 패드와의 접촉에 의해 작업편이 연마되도록 작업편을 고정시키는 캐리어

를 포함하는 화학적-기계적 연마 장치.
제27항에 있어서, 동일계내 종점 검출 시스템 (endpoint detection system)을 추가로 포함하는 화학적-기계적 연마 장치.
(a) 제1항의 연마 패드를 제공하는 단계;

(b) 작업편을 연마 패드와 접촉시키는 단계; 및

(c) 연마 패드를 작업편에 대해 이동시켜 작업편을 마모시킴으로써 작업편을 연마하는 단계

를 포함하는, 작업편의 연마 방법.