KR20090078647A

KR20090078647A - Ｃｍｐ 패드용 컨디셔너

Info

Publication number: KR20090078647A
Application number: KR1020080004573A
Authority: KR
Inventors: 안정수
Original assignee: 이화다이아몬드공업 주식회사
Priority date: 2008-01-15
Filing date: 2008-01-15
Publication date: 2009-07-20
Also published as: WO2009091140A3; WO2009091140A2

Abstract

본 발명은 반도체 소자의 고집적화를 위해 웨이퍼의 광역평탄화 작업에 필요한 CMP 패드용 컨디셔너에 관한 것으로서, 스크래치 발생 가능성을 획기적으로 제거함과 동시에 우수한 드레싱 효율 및 우수한 성능 재현성을 달성할 수 있는 CMP 패드용 컨디셔너를 제공하고자 하는데, 그 목적이 있는 것이다.

본 발명은 상부면과 하부면을 갖고, 이 상부면과 하부면을 관통하는 다수의 관통공이 형성된 고정틀, 적어도 그 일부가 상기 관통공내에 위치하는 연마입자들 및 상기 고정틀과 연마입자를 고정시켜 주는 몰딩재를 포함하고, 상기 하나의 관통공에는 하나의 연마입자만이 위치하고, 그리고 상기 연마입자들의 각각은 그 일부가 고정틀의 하부면으로부터 노출되어 있는 CMP 패드용 컨디셔너를 그 요지로 한다.

본 발명에 의하면, 연마재 탈락을 방지할 수 있는 안정성, 균일한 드레싱, 우수한 드레싱 효율 및 우수한 성능 재현성을 달성할 수 있을 뿐만 아니라 공구 수명도 획기적으로 향상시킬 수 있다.

CMP, 컨디셔너, 연마입자, 고정틀, 연마입자, 관통공

Description

ＣＭＰ 패드용 컨디셔너{Conditioner for Chemical Mechanical Planarization Pad. }

본 발명은 반도체 소자의 고집적화를 위해 웨이퍼의 광역평탄화 작업에 필요한 CMP 패드(Chemical Mechanical Planarization Pad)용 컨디셔너에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 연마입자를 고정시켜 주는 고정틀을 이용하여 매우 안정적으로 연마입자를 잡아주게 되기 때문에, 연마입자의 탈락으로 인해 발생할 수 있는 웨이퍼 상의 스크래치 발생의 위험성을 근원적으로 해결할 수 있는 컨디셔너에 관한 것이다.

현재 반도체 산업은 회로의 고속·고집적화가 이루어지고 있으며, 집적 용량이 점점 커짐에 따라서 칩의 크기는 점점 더 커지게 되고, 한계를 극복하기 위하여 배선 폭의 최소화와 웨이퍼의 대직경화를 거쳐 배선의 다층화와 같은 구조적인 변화를 하고 있다.

하지만 소자의 집적도가 높아지고 회로 선폭이 줄어들면서 종래의 부분적인 평탄화 기술들로는 극복하지 못할 한계에 도달하였으며 가공능률이나 고품질화를 위해 웨이퍼 전면에 걸친 평탄화, 즉 광역평탄화(Global Planarization) 연마가공기 술(CMP: Chemical Mechanical Planarization)이 유일한 해결책으로 사용되고 있다. CMP에 의한 광역평탄화의 요구는 현재의 웨이퍼 프로세스에서는 필연적이다.

CMP는 화학·기계적 연마가공으로 연마 제거 가공과 화학액의 용해 작용을 동시에 이용하여 반도체 웨이퍼의 평탄도를 얻게 되는 연마 가공이다.

가공 원리는 연마 패드와 웨이퍼를 가압, 상대 운동시키면서 패드 위에 연마입자와 화학액이 혼입된 연마액(slurry)을 공급하게 되며, 이때 폴리우레탄 연마 패드 표면에 있는 수많은 발포 기공들이 새로운 연마액을 담아두는 역할을 하여 일정한 연마 효율과 웨이퍼 전면에 연마 균일성을 얻을 수 있게 된다.

그러나, 연마중에 압력과 상대 속도가 부가되므로, 가공시간이 지남에 따라 패드의 표면은 불균일하게 변형되고, 연마패드 상의 미세 기공은 연마 잔류물들로 막히게 되어 연마패드가 재역할을 잃게 된다. 그러면 웨이퍼 전면에서의 광역평탄화 및 웨이퍼간의 연마 균일성 등을 달성할 수 없게 된다.

이러한 패드의 불균일 변형과 미세 기공의 막힘을 해결하기 위하여 컨디셔너를 사용하여 표면을 미세하게 연마 드레싱 해줌으로써 막힌 미세 기공들을 다시 새로운 미세 기공이 되도록 해주는 컨디셔닝 작업을 해준다.

이때 컨디셔너가 가져야 할 가장 중요한 특성은 컨디셔닝 작업중에 연마입자의 탈락이나 깨짐이 발생하지 않아야 한다.

만약, 이러한 현상이 발생한다면 단단한 연마입자가 웨이퍼의 회로를 긁어서 손상시키는 스크래치를 발생시켜 막대한 경제적 손실을 입히게 된다.

실제로 반도체 회사에서는 스크래치에 대한 매우 엄격한 스펙 관리를 하고 있는 실정이나, 지금까지의 기술로는 근본적으로 스크래치 발생을 방지할 수가 없어서, 스크래치를 근원적으로 방지할 수 있는 CMP용 패드 컨디셔너의 출현을 염원하고 있다.

종래의 컨디셔너를 제조하는 방법들에는 도 1에 나타난 바와 같은 전착법, 도 2에 나타난 바와 같은 융착법 및 도 3에 나타난 바와 같은 소결법에 의한 방법이 있으나, 이러한 방법들로도 연마입자의 탈락을 완전히 방지할 수 없다.

도 1∼도 3에서 부호 10은 연마입자, 11은 니켈도금 금속결합재층, 12는 금속바디, 13은 융착 금속결합재층, 14는 소결 금속결합재층을 나타낸다.

전착법에 의해 제조된 전착 컨디셔너는 전기도금 방식을 이용하여 니켈 금속 이온으로 연마입자 둘레를 감싸서 고정시키는 방식으로 단순히 연마입자를 기계적으로만 잡아주고 있기 때문에, 다른 방법에 비하여 상대적으로 약한 결합력을 가져서 연마입자의 탈락을 완전히 방지할 수 없다. 또한, 연마입자를 감싼 니켈 도금층의 높이 편차에 따라서도 결합력이 달라지는 약점을 가지고 있다.

융착법으로 제조된 융착 컨디셔너 경우에는 연마입자를 니켈계 브레이징 메탈본드를 이용하여 브레이징하여 결합하는 방식으로 연마입자와 니켈계 브레이징 본드 경계에서 화학적 반응이 일어나서 결합력이 매우 강한 결합을 하고 있다.

하지만, 약 1000℃에서 브레이징이 일어나기 때문에 열에 약한 연마입자가 열적 충격을 받아 연마입자들의 강도가 약해져서 사용중 깨지거나, 일부 연마입자는 내부에 크랙을 가지고 있다가 사용중 깨져서 스크래치를 발생시키는 문제가 있다.

소결법에 의해 제조된 소결 컨디셔너의 경우에도 융착법에 의해 제조된 컨디셔 너와 같이 높은 온도에서 제조가 이루어지기 때문에 같은 문제점을 갖는다.

더욱이, 종래의 컨디셔너는 연마입자가 노출된 표면의 평탄도가 좋지 않은 단점을 가지고 있다.

전착 컨디셔너의 경우 전기 도금 부착시 도금부위의 위치에 따라서 전류밀도 차이가 생기고 이에 따라 니켈 이온의 부착 속도가 달라져 부착면 즉, 연마입자가 돌출되어 있는 면의 평탄도를 30 마이크로미터 이하로 제작하기 어렵다.

융착 컨디셔너나 소결 컨디셔너의 경우에는 약 800 ~ 1000℃에서 제작되기 때문에 바디의 열변형과 거친 메탈 표면으로 인하여 평탄도를 100마이크로미터 이하로 제작이 어렵다.

하지만, CMP 공정에서는 CMP 패드를 균일하고 평탄하게 컨디셔닝 해주어야만 웨이퍼도 평탄하게 폴리싱 해 줄 수가 있기 때문에 컨디셔너의 평탄도가 우수해야만 균일하게 CMP 패드를 컨디셔닝 해 줄 수 있으며, 공정 재현성 측면에서도 매우 중요한 요구 특성이라고 하겠다.

또한, 종래의 컨디셔너에 사용되는 연마입자가 연마면으로 노출된 노출 높이도 균일하지 않고 편차가 매우 크다. 그 이유는 연마입자를 고정시킬 때 편평한 바닥면에 놓인 그대로 연마입자가 고정되기 때문에, 사용된 연마입자 간의 크기와 형상이 다르면 노출 높이도 달라지게 되기 때문이다.

이러한 종래 기술의 문제점을 개선하기 위해서 금속결합층위에 연마재를 놓은 후에 평탄한 판재를 이용하여 프레스로 눌러서 노출된 선단 부위를 맞춘 후에 융착 또는 소결과정을 진행하는 기술이 제안되어 있다.

그러나, 이러한 종래기술도 연마입자의 엣지 칼날이 연마면 방향으로 수직으로 돌출되도록 연마입자의 개별 형상 위치까지를 조정하기는 어렵다는 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 상기한 종래기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 연구 및 실험을 행하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것이다.

본 발명은 연마입자를 고정하는 고정틀을 이용함으로써 종래기술에서는 해결하지 못한 연마입자의 탈락 위험성을 완전히 제거하여 스크래치 발생 가능성을 획기적으로 제거함과 동시에 우수한 드레싱 효율 및 우수한 성능 재현성을 달성할 수 있는 CMP 패드용 컨디셔너를 제공하고자 하는데, 그 목적이 있는 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은 상부면과 하부면을 갖고, 이 상부면과 하부면을 관통하는 다수의 관통공이 형성된 고정틀, 적어도 그 일부가 상기 관통공내에 위치하는 연마입자들 및 상기 고정틀과 연마입자를 고정시켜 주는 몰딩재를 포함하고,

상기 연마입자의 크기를 D, 상기 고정틀의 하부면에서의 관통공의 크기를 L1, 상기 고정틀의 상부면에서의 관통공의 크기를 L2라고 할 때, 상기 고정틀의 하부면에서의 관통공의 크기(L1)와 상부면에서의 관통공의 크기(L2)가 하기 관계식 (1)을 만족하고.

[관계식 1]

L1≤L2

상기 고정틀의 상부면에서의 관통공의 크기(L2)와 상기 연마입자의 크기(D)가

하기 관계식 (2)를 만족하고,

[관계식 2]

D＜L2

상기 하나의 관통공에는 하나의 연마입자만이 위치하고, 그리고

상기 연마입자들의 각각은 그 일부가 고정틀의 하부면으로부터 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 CMP 패드용 컨디셔너에 관한 것이다.

바람직하게는, 본 발명은 상부면과 하부면을 갖고, 이 상부면과 하부면을 관통하는 다수의 관통공이 형성된 고정틀, 적어도 그 일부가 상기 관통공내에 위치하는 연마입자들 및 상기 고정틀과 연마입자를 고정시켜 주는 몰딩재를 포함하고,

상기 연마입자들의 각각은 그 일부가 고정틀의 하부면으로부터 노출되어 있고,

상기 연마입자의 크기를 D, 상기 고정틀의 하부면에서의 관통공의 크기를 L1, 상기 고정틀의 상부면에서의 관통공의 크기를 L2, 상기 고정틀의 하부면으로부터 돌출된 연마입자부분의 크기를 S라고 할 때,

상기 고정틀의 하부면에서의 관통공의 크기(L1)와 상부면에서의 관통공의 크기(L2)가 하기 관계식 (1)을 만족하고.

[관계식 1]

L1≤L2

상기 고정틀의 상부면에서의 관통공의 크기(L2)와 상기 연마입자의 크기(D)가 하기 관계식 (2)를 만족하고,

[관계식 2]

D＜L2

상기 연마입자의 크기(D), 상기 고정틀의 하부면에서의 관통공의 크기(L1)와 상기 하부면으로부터 돌출된 연마입자부분의 크기(S)가 하기 관계식 (3)

[관계식 3]

S＜L1＜D

을 만족하는 것을 특징으로 하는 CMP 패드용 컨디셔너에 관한 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 연마입자의 탈락을 완전히 방지할 수 있기 때문에, 이로 인한 반도체 웨이퍼에 발생하는 스크래치를 방지할 수 있고, 웨이퍼의 불량률을 감소시켜 웨이퍼 생산 단가를 감소시킬 수 있다.

또한, 우수한 평탄도를 가지면서 일정한 연마입자 노출 높이를 가지는 컨디셔너의 제작이 가능하기 때문에 제품의 성능 재현성도 우수한 효과가 있다.

더욱이, 연마입자의 날카로운 엣지 칼날을 이용할 수 있기 때문에 CMP 패드를 드레싱해 주는 효율도 증가시킴과 동시에 연마입자의 탈락이 없이 안정적으로 사용할 수 있는 컨디셔너를 제공함으로써 공구의 수명도 증가시킬 수 있다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 CMP 패드용 컨디셔너는 연마입자의 탈락을 방지해 주도록 고정해주는 연마입자 고정틀, 이 고정틀 외부로 일정한 높이로 노출된 연마입자 그리고 고정틀과 연마입자를 동시에 고정시켜 주는 몰딩재를 포함한다.

상기 고정틀은 상부면과 하부면을 갖고, 상기 관통공에는 상부면과 하부면을 관통하는 다수의 관통공이 형성되어 있다.

상기 하나의 관통공에는 하나의 연마입자만이 위치하고, 그리고 상기 연마입자들의 각각은 그 일부가 고정틀의 하부면으로부터 노출되어 있다.

상기 관통공내에는 상기 연마입자들의 각각의 일부가 위치되어 있다.

또한, 상기 연마입자의 크기(D), 상기 고정틀의 하부면에서의 관통공의 크기(L1)와 상기 하부면으로부터 돌출된 연마입자부분의 크기(S)가 하기 관계식(3)을 만족하는 것이 바람직하다.

[관계식 3]

S＜L1＜D

상기 고정틀은 단단하고 평평한 판재로 이루어지며, 그 재질은 특별히 한정되는 것은 아니다.

상기 고정틀의 재질로는 스테인레스, 철, 니켈, 유기물 계열의 수지 및 세라믹계 재질로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종이 바람직하며, 이들 중에서 내부식성과 내화학성이 우수하고, 강도도 우수한 스테인레스 판재가 보다 바람직하다.

상기 관통공은 규칙적으로 배열되거나, 일정한 패턴으로 배열되거나 또는 불규칙적으로 배열될 수도 있다.

상기 관통공의 각각의 형상은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 원형 또는 다각형 또는 이들의 조합 중의 1종인 것이 바람직하다.

상기 고정틀에 관통공을 형성하는 방법은 특별히 한정되는 것은 아니며, 드릴링과 같은 기계 가공 방법이나 포토 에칭 가공방법 등을 사용할 수 있으며, 기계 가공 방법의 경우에는 가공비가 많이 들고 치수 정밀도가 떨어지기 때문에 포토 에칭 가공방법을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 포토 에칭 가공법은 스테인레스 판재에 감광액을 도포한 후에 원하는 형상으로 디자인된 필름을 통하여 감광시켜서 구멍을 뚫고자 하는 부분만 감광액을 벗겨낸 다음, 산과 같은 화학 약품속에서 녹이면 감광액이 도포된 곳은 녹지 않고, 감광액이 벗겨진 부분만 녹아서 관통공을 형성하는 방법이다.

이 방법의 장점은 치수 정밀도 오차가 1~2 마이크로미터로 매우 우수하고 여러 가지 원하는 형상으로 관통공을 형성할 수 있다는 점이다.

상기 고정틀에 형성되는 관통공의 형상은 특별히 한정되는 것은 아니며, 도 4(a)-(e)에서와 같이 원형 또는 다각형 등을 갖는데, 이 때 도 5(a)-(c)의 연마입자들의 형상을 고려하여 연마입자가 안정적으로 위치할 수 있는 형상으로 관통공을 형성해 주는 것이 중요하다.

도 4에서, 부호 20은 고정틀을, 부호 21은 관통공을 나타내고, 도 5에서 부호 15는 엣지 칼날을 나타낸다.

본 발명에서 엣지 칼날은 연마입자의 3개 이상의 면이 만나는 꼭지점을 의미하는 것이다.

예를 들면, 연마입자가 4면체나 6면체의 형상을 가질 때는 삼각형으로, 8면체 형상을 가질 경우에는 사각형의 형상으로 관통공을 형성하면 연마입자의 날카로운 엣지 칼날이 편평한 고정틀의 수직 방향으로 놓이기 때문에, 연마 드레싱 가공시 날카로운 엣지 칼날을 사용할 수 있어 연마 효율을 높일 수 있고 공구 수명도 향상시킬 수 있다.

이와 같이, 본 발명에서는 고정틀상의 관통공간의 간격을 임의로 조정할 수 있기 때문에 연마입자 간의 간격도 조절이 가능하고, 원하는 배열 형상, 예를 들면 연마입자의 규칙 또는 불규칙 배열도 가능하기 때문에 드레싱 성능도 쉽게 조절이 가능하다.

상기 관통공은 고정틀의 하부면에서의 크기(L1)와 상부면에서의 크기(L2)가 하기 관계식 (1)을 만족하도록 해야 한다.

[관계식 1]

L1≤L2

또한, 상기 고정틀의 상부면에서의 관통공의 크기(L2)와 상기 연마입자의 크기(D)가 하기 관계식 (2)를 만족하여야 한다.

[관계식 2]

D＜L2

상기 관계식 (1) 및 (2)를 만족시키는 관통공의 예가 도 6에 나타나 있다.

도 6의 (a)는 관통공(21)의 단면형상이 역 사다리꼴인 예를, 도 6의(b)는 단면형상이 사각형인 예를, 그리고 도 6의 (c)는 단면형상이 깔대기 형인 예를 나타낸다.

이렇게 하는 경우에는 연마입자가 더 안정적으로 위치하게 된다.

상기 고정틀의 하부면에서의 관통공의 크기(L1)와 상부면에서의 관통공의 크기(L2)비율은 사용할 연마입자의 형상을 고려하여 결정하게 된다.

예를 들면, 연마입자가 8면체의 형상을 가질 경우에는 도 6의 (a)에서와 같이 역 사다리꼴 단면형상을 갖는 관통공을 형성하거나 또는 도 6의 (c)에서와 같이 깔대기 단면형상을 갖는 관통공을 형성하는 것이 바람직하다.

상기와 같이, 역 사다리꼴 단면형상을 갖는 관통공을 형성하는 경우에는 도 7 및 도 8에서와 같이, 그리고 깔대기 단면형상을 갖는 관통공을 형성하는 경우에는 도 9에서 같이 연마입자와 고정틀 사이에 틈새가 생기기 않고, 연마입자의 날카로운 칼날 엣지가 수직 방향으로 노출됨과 동시에 안정적으로 자리를 잡게 된다.

도 7 및 도 8에서 부호 30은 몰딩재를 나타낸다.

이와 같이 위치된 연마입자는 고정틀의 하부면에서의 관통공 크기보다 항상 크기 때문에 절대로 구멍을 통과하여 빠져나갈 수 없게 된다.

본 발명의 가장 중요한 장점 중의 하나인 연마입자의 탈락을 근원적으로 방지할 수 있는 것이다.

관통공이 형성된 고정틀에는 필요에 따라서 우수한 내 화학성을 가지도록 내 화학성 물질을 코팅하는 것이 바람직하다.

상기 고정틀에는 내 화학성을 지닌 수지가 코팅되거나, 다이아몬드, DLC, Ti, Si, W, Ta, Mo, Cr, Zr 및 이들의 혼합물 및 이들의 합금 중의 1종이 기상 합성법에 의해 코팅되거나 또는 Rh, Pd, Cr, Au, Ag, Ti, W, Ta 및 이들의 혼합물 또는 이들 의 합금 중의 1종이 도금법에 의해 코팅되는 것이 바람직하다.

CMP 공정에서 사용되는 슬러리 용액 중에는 웨이퍼의 금속 회로선을 쉽게 연마하기 위해서 강한 산성 화학약품이나 산화 촉매제가 포함되어 있는 경우가 있다.

이러한 슬러리를 사용하는 CMP 공정에서 사용되는 컨디셔너는 슬리러내의 화학약품에 의해서 컨디셔너의 표면이 녹아서 연마입자의 탈락이 쉽게 발생한다.

이로 인한 컨디셔너의 수명 단축과 연마입자 탈락으로 인한 스크래치 위험성을 방지하기 위하여 고정틀 표면에 내 화학성 물질을 코팅을 해주면 이러한 문제를 해결할 수 있다.

고정틀에 코팅해 주는 내 화학성 물질로는 아크릴계열, 에폭시계열, 테프론계열 등과 같은 내 화학성 수지; CVD 또는 PVD 방법 등과 같은 기상 합성법에 의하여 코팅되는 다이아몬드, DLC , Ti, Si, W, Ta, Mo, Cr, Zr 및 이들의 혼합물 및 이들의 합금; 및 전착 도금법과 같은 도금법에 의하여 코팅되는 Rh, Pd, Cr, Au, Ag, Ti, W, Ta 및 이들의 혼합물 또는 이들의 합금과 같은 내화학성이 우수한 금속 등을 들 수 있다.

상기 내 화학성 코팅은 연마입자를 관통공에 삽입하기 전에 행하기 때문에, 연마입자 위에는 내 화학성 물질이 코팅되지 않는다. 그렇기 때문에 CMP 패드를 드레싱 할 때 내 화학성 코팅 물질이 탈락하거나 벗겨지지 않아서 웨이퍼로의 오염 문제를 일으키지 않는다.

그러나, 종래에는 연마입자가 부착된 후에 내 화학성 코팅을 해 주기 때문에, 연마입자 위에도 코팅 물질이 잔류하게 되고 연마입자와 패드가 직접 접촉하여 드레싱 이 일어날 때 내 화학성 물질의 탈락이 발생하여 웨이퍼를 오염시킬 수 있었다.

본 발명에서의 연마입자로는 다이아몬드 입자, 입방정질화붕소(CBN) 입자, 초지립 입자, 다결정 다이아몬드(PCD) 입자, 다결정 입방정질화붕소(PCBN) 입자 및 세라믹 입자, 수지 입자로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종이 바람직하다.

본 발명에서는 고정틀이 모든 연마입자의 엣지 칼날이 연마면의 수직방향으로 돌출되도록 위치시켜 주기 때문에 연마입자의 100%가 패드를 드레싱하는데 참여하게 된다.

이로 인하여 드레싱 효율이 매우 우수하며, 상대적으로 적은 수의 연마입자를 사용하여도 동일한 연마 효율을 얻을 수 있고, 항상 일정한 개수의 연마입자가 패드 드레싱에 참여함으로 균일한 성능을 얻을 수 있다.

또한, 고정틀의 관통공의 단면 형상을 관통공의 크기가 연마입자 직경의 100% 보다는 크고 200%보다는 작게 제작하면, 즉 연마입자 1개는 들어갈 수 있으나 2개는 들어가지 못하도록 단면형상이 역 사다리꼴 형상으로 제작하면, 8면체의 연마입자가 구멍에 들어가기만 하면 저절로 엣지 칼날이 연마면 방향으로 위치시킬 수 있다.

위와 같은 효과들로 인하여 연마입자의 사용을 줄여서 공구 제작 비용도 절감할 수 있고, 제품의 재현성도 획기적으로 개선할 수 있다.

본 발명에서는 상기 고정틀의 하부면으로부터 노출된 연마입자 부분의 크기를 일정하게 할 수도 있고, 서로 차이가 나도록 할 수도 있다.

본 발명에서는 상기 연마입자의 크기(D), 상기 고정틀의 하부면에서의 관통공의 크기(L1)와 상기 하부면으로부터 돌출된 연마입자부분의 크기(S)가 하기 관계식(3) 을 만족하는 것이 바람직하다.

[관계식 3]

S＜L1＜D

도 10 (a)에 나타난 바와 같이, 본 발명에서는 고정틀이 여러 가지 다른 크기의 연마입자를 사용하여도 연마입자의 형상만 일정하다면 도 10의 (b)와 같이 연마면 방향, 즉 고정틀 외부로 돌출된 연마입자의 노출 높이를 일정하게 할 수 있다.

이와 같이, 연마입자의 노출 높이가 균일한 경우에는 항상 균일한 드레싱 효율을 얻을 수 있다

종래에는 크기가 모두 같은 연마입자를 사용해야만 노출 높이가 일정한 컨디셔너 제작이 가능하다. 많은 수의 연마입자들의 크기를 분류하는 방법에는 현재까지는 원하는 크기의 메쉬 체를 여러 개 사용하여 체질하여 분류하는 방법이 유일하다. 그렇기 때문에 매우 좁은 입도 범위를 갖는 연마입자를 얻기 위해서는, 매우 많은 양의 연마입자를 사용하여 많은 시간동안 체질이 필요하기 때문에 매우 어려운 실정이고, 동일한 크기의 연마입자만을 골라낸다는 것은 거의 불가능한 실정이다. 만약 제작한다고 하여도 매우 많은 처리 비용이 들게 마련이다.

하지만, 본 발명에서는 고정틀에 원하는 크기의 관통공을 형성하면 모든 연마입자의 노출 높이가 일정하게 돌출된 컨디셔너를 저렴한 비용으로 제작이 가능하다.

필요에 따라서는 본 발명에서는 도 11에서와 같이 선별된 2가지 종류 이상의 크기를 가지는 연마입자를 사용하거나, 도 12에서와 같이 고정틀의 관통공 크기를 2가지 이상으로 하여 연마입자의 노출 높이를 다르게 할 수도 있다.

고정틀에 연마입자를 고정시킨 후에는 몰딩재를 부어서 고정틀과 연마입자가 완전히 고정되도록 해준다.

몰딩재로는 특별히 한정되는 것은 아니며, 액체상 또는 고체상의 유기물 계열의 수지, 분말 형상의 무기물 또는 이들의 혼합물이 바람직하다.

보다 바람직한 몰딩재는 액체상 또는 고체상의 유기물 계열의 수지인데, 그 이유는 적절한 점도의 액상 수지를 사용하면 고정틀과 연마입자 사이의 틈새도 완벽히 채워 줄 수 있어서 보다 안정적으로 고정시 킬 수 있기 때문이다.

상기 몰딩재는 경화제를 믹싱하여 사용하거나, 약 200℃이하의 온도에서 경화시킬 수 있고, 경화된 몰딩재는 매우 단단하게 경화되기 때문에 CMP 패드용 컨디셔너를 CMP용 패드를 연마 드레싱해주는 동안에도 연마입자를 완전하게 고정시켜 준다.

상기 몰딩재는 CMP 패드용 컨디셔너의 몸체 역할도 동시에 하게 되기 때문에 CMP 기계에 장착할 수 있도록 기계가공을 통하여 마무리한다.

본 발명에 부합되는 CMP 패드용 컨디셔너는 다음과 같이 제조될 수 있다.

도 7의 (a)에 나타난 바와 같이, 고정틀을 준비한 다음, 고정틀에 소망하는 크기 및 간격과 소망하는 형상의 관통공을 다수 개 형성한다.

관통공이 형성된 고정틀에는 필요에 따라서 보다 우수한 내 화학성을 가지도록 내 화학성 물질을 코팅할 수 있다.

다음에, 도 7의 (b) 및 (c)에 나타난 바와 같이, 상기 고정틀의 관통공에 연마입자를 위치시킨다.

다음에, 도 7의 (d)에 나타난 바와 같이, 고정틀과 연마입자가 완전히 고정되도록 몰딩재를 이용하여 고정시킴으로써 도 7의(e)와 같은 최종 CMP 패드용 컨디셔너가 제조된다.

도 7의 (d)에서 부호 24는 몰딩틀을, 그리고 부호 31은 경화되기 전의 몰딩재를 나타낸다.

최근에는 계속적인 반도체 집적도의 증가로 인하여, 웨이퍼상의 회로 선폭이 45 나노미터 이하까지 구현되고 있는 실정이며, 점점 그 선폭은 좁아지는 추세이다.

더불어, 반도체 공정 중의 핵심 공정인 CMP 공정에서 사용되는 CMP용 패드 컨디셔너도 이에 맞는 정밀도 관리와 재현성이 매우 중요한데 본 발명은 수 마이크로미터 이하의 정밀한 관리 구현이 가능하다.

상기한 본 발명의 기술적 사상은 CMP 패드용 컨디셔너에만 적용되는 것이 아니라 다른 연마공구 등에도 적용됨은 당연하다 할 것이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

(실시예 1)

본 발명의 컨디셔너와 종래 컨디셔너와의 연마입자에 대한 결합력, 설계시와 제작후의 연마면상으로 돌출된 각 연마입자의 노출 높이의 편차와 수직 방향으로 돌출된 엣지 칼날의 개수를 조사하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

연마입자에 대한 결합력은 워터젯(Water Jet) 기계를 이용하여 측정된 것이다.

워터젯 기계는 물을 강한 압력으로 분사하여 철,석재 등을 절단하는데 사용되는 기계이다.

이를 이용하여 적절한 압력으로 연마입자 면에 쏘아주면 상대적으로 약한 결합을 하고 있는 연마입자는 탈락하게 되고, 탈락된 연마입자 개수가 많을수록, 실제 사용시 연마입자 탈락으로 인한 스크래치 발생 위험성이 높다고 하겠다.

워터젯의 테스트 조건은 압력 45,000psi로 70mm 높이에서 분당 700mm 이동시키면서 가로 20mm, 세로 20mm 의 면적을 쏘아 주었다.

하기 표 1에서 본 발명에 부합되는 컨디셔너인 발명재는 0.2 mm 두께의 스테인레스 304 판재를 고정틀로 사용하고, 고정틀의 하부면의 관통공 크기(L1)는 0.12mm, 그리고 상부면의 관통공 크기(L2)는 0.38mm가 되도록 관통공을 형성하였다.

연마입자로는 8면체 형상의 80 메쉬 크기의 산업용 다이아몬드를 사용하였다. 이때 연마입자로 사용된 다이아몬드의 크기(D)는 0.18mm이고, 그 개수는 300개였다.

몰딩재로는 에폭시 계열의 액상 수지로 경화재를 사용하여 경화시켰고, 빠른 시간내에 경화를 마치기 위해서 약 50℃의 오븐에서 1시간 경화시켰다.

하기 표 1의 종래재 1은 전착법으로 제작된 컨디셔너이고, 종래재 2는 융착법으로 제작된 컨디셔너이고, 종래재 3은 소결법으로 제작된 컨디셔너이다.

종래재(1-3)에서 사용된 다이아몬드의 개수 및 크기는 발명재의 것과 동일한 것이었다.

하기 표 1의 발명재 및 종래재(1-3)의 설계시의 노출된 연마입자의 높이는 모두 70 마이크로미터 이었다.

즉, 발명재의 고정틀 하부면으로부터 돌출된 연마입자의 크기(S)는 70 마이크로미터 이었다.

구분	발명재 2	종래재 1	종래재 2	종래재3
탈락 또는 깨진 연마입자 개수	0 개	202 개	116 개	127 개
측정 연마입자 개수	300 개	300 개	300 개	300 개
엣지 칼날이 연마면의 수직 방향으로 향한 연마입자 개수	300개	121 개	183 개	168 개
평균 노출 높이	67 ㎛	35 ㎛	72 ㎛	107 ㎛
노출 높이 편차	4.2 ㎛	19.4 ㎛	12.2 ㎛	21 ㎛

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 종래재(1-3)의 경우에는 모두 연마입자의 탈락이 발생하며, 따라서, 스크래치의 발생 가능성이 높은 반면에, 발명재의 경우에는 전혀 연마입자의 탈락이 발생하지 않으며, 따라서, 스크래치의 발생 가능성이 없음을 알 수 있다.

또한, 발명재는 제작 후의 평균 연마입자의 노출 높이가 설계된 높이와 유사한 67 마이크로미터 였고, 노출 높이 편차도 평균 노출 높이의 약 6%정도 이었다.

반면에, 종래재(1~3)의 경우에는 노출 높이 편차가 평균 노출 높이의 약 17 ~ 55%로 매우 큰 편차를 갖는다. 이 비교 결과를 보아도 본 발명은 균일한 연마입자 노출로 인하여 균일한 드레싱 효율을 구현할 수 있음을 알 수 있다.

또한, 발명재는 연마입자의 엣지 칼날의 방향이 모두 연마면의 수직방향으로 향하였으나 종래재(1~3)의 경우에는 약 61%이하만 연마면쪽으로 향하고 있음을 알 수 있다.

(실시예 2)

본 발명에서는 단위면적당 연마입자의 개수를 조정함으로써 CMP 패드 연마 효율을 조정할 수 있는데, 이 연마 효율에 따라서 웨이퍼를 폴리싱 할 때 재료제거율 (Removal rate)도 조정이 가능한데, 이를 확인하기 위하여 단위면적당 연마입자의 개수에 따른 패드 마모량을 조사하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

하기 표 2의 발명재(1-5)는 본 발명에 부합되는 컨디셔너이다.

하기 표 2의 발명재 1, 2, 3은 8면체 형상의 다이아몬드를 사용하였고, 발명재 4, 5는 14면체의 다이아몬드를 사용하였으며, 발명재 1은 단위 평방 Cm 면적당 연마입자의 개수가 300개, 발명재 2는 400개, 발명재 3은 500개, 발명재 4 및 5는 각각 300개 및 500개를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1의 발명재와 동일한 조건으로 제작하였다.

구분	패드 마모량 (㎛/hr)
발명재 1	211
발명재 2	185
발명재 3	167
발명재 4	172
발명재 5	109

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명에 의하면, 고정틀에서 관통공간의 간격을 조정하여 단위면적당 연마입자의 개수를 조정할 수 있고, 이에 따른 연마 효율도 조정할 수 있음을 알 수 있다.

또한, 상대적으로 날카로운 엣지 칼날을 갖는 8면체의 연마입자를 사용한 발명재(1-3)가 상대적으로 무딘 엣지 칼날을 가진 14면체 연마입자를 사용한 발명재(4-5) 보다 드레싱 효율이 우수함을 알 수 있다.

(실시예 3)

실시예 2의 발명재 2와 실시예 1의 종래재(1-3)에 대하여 실제 반도체용 CMP 장비를 사용하여 웨이퍼의 재료제거율(Removal rate) 및 스크래치 발생 개수를 조사하고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

발명재 2의 고정틀 하부면의 관통공 크기(L1)는 0.16mm이고, 상부면의 관통공 크기(L2)는 0.45mm이었으며, 연마입자로 사용된 다이아몬드 입자의 크기(D)는 0.25mm이고, 돌출된 연마입자의 크기(S)는 0.1mm이었다.

사용된 CMP 장비는 연구용 CMP 장비로서 일본의 M사에서 제작된 장비이며, 웨이퍼의 재료제거율(Removal rate)과 스크래치를 측정하기 위하여 실리콘 옥사이드가 10000옹스트롬 코팅된 웨이퍼를 사용하였다.

구분	웨이퍼 재료제거율 (Removal rate) (Å/min)	스크래치 개수 (0.8 ㎛ 이상)	웨이퍼 잔류 Particle 개수
발명재 2	5642	0	12
종래재 1	5132	15	67
종래재 2	5285	8	58
종래재 3	5461	12	82

상기 표 3에 나타난 바와 같이, 발명재 2를 사용하는 경우에는 웨이퍼에 스크래치가 발생되지 않는 반면에, 종래재(1-3)를 사용하는 경우에는 많은 웨이퍼에 스크래치가 발생됨을 알 수 있다.

도 1은 종래 기술에 의해 제작된 전착타입CMP 패드용 컨디셔너의 일례도

도 2는 종래 기술에 의해 제작된 융착타입CMP 패드용 컨디셔너의 일례도

도 3은 종래 기술에 의해 제작된 소결타입CMP 패드용 컨디셔너의 일례도

도 4는 본 발명에 부합되는 고정틀의 여러 가지 관통공 형상을 나타내는 개략도

도 5는 연마입자의 여러 가지 형상을 나타내는 개략도

도 6은 본 발명에 부합되는 고정틀의 여러 가지 단면 형상을 나타내는 개략도

도 7은 본 발명에 부합되는 CMP 패드용 컨디셔너의 제조 방법을 나타내는 개략도

도 8은 본 발명에 부합되는 CMP 패드용 컨디셔너의 일례도.

도 9는 본 발명에 따라 연마입자가 고정틀 속에 위치하는 것을 나타내는 개략도.

도 10은 본 발명에 부합되는 연마입자의 크기와 관계없이 고정틀 외부로 연마입자가 일정한 높이로 노출된 CMP 패드용 컨디셔너의 일례도.

도 11은 본 발명에 부합되는 CMP 패드용 컨디셔너의 다른 일례도.

도 12는 본 발명에 부합되는 CMP 패드용 컨디셔너의 또 다른 일례도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 . . . 연마입자, 11 . . . 니켈도금 금속결합재층, 12　. . . 금속 바디,

13 . . . 융착 금속결합재층, 14 . . . 소결 금속결합재층,

15 . . . 엣지 칼날 20 . . . 고정틀, 21 . . . 관통공 24 . . . 몰딩 틀 30 . . . 몰딩재, 31 . . . 경화되기 전의 몰딩재,

L1 . . . 고정틀의 하부면에서의 관통공의 크기 L2 . . . 고정틀의 상부면에서의 관통공의 크기, S . . . 하부면으로부터 돌출된 연마입자부분의 크기

Claims

상부면과 하부면을 갖고, 이 상부면과 하부면을 관통하는 다수의 관통공이 형성된 고정틀, 적어도 그 일부가 상기 관통공내에 위치하는 연마입자들 및 상기 고정틀과 연마입자를 고정시켜 주는 몰딩재를 포함하고,

상기 연마입자의 크기를 D, 상기 고정틀의 하부면에서의 관통공의 크기를 L1, 상기 고정틀의 상부면에서의 관통공의 크기를 L2라고 할 때, 상기 고정틀의 하부면에서의 관통공의 크기(L1)와 상부면에서의 관통공의 크기(L2)가 하기 관계식 (1)을 만족하고.

[관계식 1]

L1≤L2

상기 고정틀의 상부면에서의 관통공의 크기(L2)와 상기 연마입자의 크기(D)가 하기 관계식 (2)를 만족하고,

[관계식 2]

D＜L2

상기 하나의 관통공에는 하나의 연마입자만이 위치하고, 그리고

상기 연마입자들의 각각은 그 일부가 고정틀의 하부면으로부터 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 CMP 패드용 컨디셔너
제1항에 있어서, 상기 고정틀의 하부면으로부터 돌출된 연마입자부분의 크기를 S라고 할 때,

상기 연마입자의 크기(D), 상기 고정틀의 하부면에서의 관통공의 크기(L1)와 상기 하부면으로부터 돌출된 연마입자부분의 크기(S)가 하기 관계식 (3)

[관계식 3]

S＜L1＜D

을 만족하는 것을 특징으로 하는 CMP 패드용 컨디셔너
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 고정틀의 재질이 스테인레스, 철, 니켈, 유기물 계열의 수지 및 세라믹계 재질로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 CMP 패드용 컨디셔너
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연마입자가 다이아몬드 입자, 입방정질화붕소(CBN) 입자, 초지립 입자, 다결정 다이아몬드(PCD) 입자, 다결정 입방정질화붕소(PCBN) 입자 및 세라믹 입자, 수지 입자로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 CMP 패드용 컨디셔너
제3항에 있어서, 상기 연마입자가 다이아몬드 입자, 입방정질화붕소(CBN) 입자, 초지립 입자, 다결정 다이아몬드(PCD) 입자, 다결정 입방정질화붕소(PCBN) 입자 및 세라믹 입자, 수지 입자로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 CMP 패드용 컨디셔너
제1항 또는 제2항에 있어서, 몰딩재가 액체상 또는 고체상의 유기물 계열의 수지, 분말 형상의 무기물 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 CMP 패드용 컨디셔너
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 고정틀에는 내 화학성을 지닌 수지가 코팅되거나, 다이아몬드, DLC, Ti, Si, W, Ta, Mo, Cr, Zr 및 이들의 혼합물 및 이들의 합금 중의 1종이 기상 합성법에 의해 코팅되거나 또는 Rh, Pd, Cr, Au, Ag, Ti, W, Ta 및 이들의 혼합물 또는 이들의 합금 중의 1종이 도금법에 의해 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 CMP 패드용 컨디셔너
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 관통공의 배열이 규칙 배열 또는 불규칙 배열인 것을 특징으로 하는 CMP 패드용 컨디셔너
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 관통공의 형상은 원형 또는 다각형 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 CMP 패드용 컨디셔너
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연마입자들은 고정틀의 하부면으로부터 돌출된 연마입자부분의 크기가 동일하게 되도록 위치되는 것을 특징으로 하는 CMP 패드용 컨디셔너
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연마입자들중 적어도 일부 연마입자들은 고정틀의 하부면으로부터 돌출된 연마입자부분의 크기가 다르게 되도록 위치되는 것을 특징으로 하는 CMP 패드용 컨디셔너