KR20110030957A - 코어-쉘 타입의 입자를 함유한 연마패드 - Google Patents

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KR20110030957A
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박종대
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Abstract

본 발명은 코어-쉘 타입의 입자를 함유한 연마패드에 관한 것으로서, 특히 코어-쉘 타입의 입자를 함유하는 매트릭스를 포함하는 연마패드에 있어서, 상기 쉘은 ⅰ) 카르복시산 화합물; ⅱ) 올레핀계 불포화화합물; 및 ⅲ) 에톡시화 패티알콜의 메타아크릴릭에스테르, 이소트리데실 메타아크릴레이트, 스테릴 메타아크릴레이트, 이소데실 메타아크릴레이트, 에틸헥실 메타아크릴레이트, 에틸트리글리콜 메타아크릴레이트, 메톡시폴리에틸렌글리콜 메타아크릴레이트, 및 부틸 다이글리콜 메타아크릴레이트에서 선택되는 1종 이상의 화합물로 제조된 공중합체수지인 것을 특징으로 하는 연마패드에 관한 것이다.
본 발명의 연마패드는 코어-쉘 타입의 입자를 구성하는 쉘에 유연성을 더욱 부여하고, 중공을 형성하지 않아 고경도, 고밀도화가 가능하며, 이에 따라 연마효율 및 웨이퍼의 평탄도를 극대화 할 수 있고, 특히 시간에 따른 균일한 연마도를 발휘한다.
연마패드, CMP, 코어-쉘, 연마도

Description

코어-쉘 타입의 입자를 함유한 연마패드{POLISHING PAD COMPRISING PARTICLES OF CORE-SHELL TYPE}
본 발명은 코어-쉘 타입의 입자를 함유한 연마패드에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 CMP(화학기계적연마) 또는 연마기법들을 채용하는 각종 공정에 사용되는 연마패드로서 코어-쉘 타입의 입자를 구성하는 쉘에 유연성을 더욱 부여하고, 중공을 형성하지 않아 고경도, 고밀도화가 가능하며, 이에 따라 연마효율 및 웨이퍼의 평탄도를 극대화 할 수 있고, 특히 시간에 따른 균일한 연마도를 발휘할 수 있는 연마패드, 및 이를 포함하는 연마장치에 관한 것이다.
CMP(화학기계적연마) 또는 연마기법들을 채용하는 공정들은 제작공정의 수율, 성능 및 신뢰성을 개선하기 위하여 디바이스제작의 다양한 단계 등 웨이퍼들의 표면을 평탄화하는데 광범위하게 사용되어 왔다.
또한 CMP는 반도체웨이퍼에 집적회로를 제조하는 동안 개별적인 층을 평탄화하기 위하여 이용된다. CMP는 식각공정 이후의 금속침전물, STI(Shallow Trench Isolation)공정 등의 불필요한 산화물 등을 제거한다.
CMP는 일반적으로 슬러리라고 지칭하는 반응성 액체매체, 그리고 평탄도를 얻기 위한 화학적 및 기계적 제어를 제공하기 위하여 연마패드를 이용한다. 액체 또는 연마패드는 CMP 공정의 화학적인 반응성 및 기계적인 활동도를 향상시키기 위하여 나노크기의 무기물 입자를 포함할 수 있다. 일반적으로 패드는 슬러리의 운반, 웨이퍼에 가해진 압력의 분배 및 반응 생성물의 제거를 포함하는 몇몇 기능을 실행 할 수 있는 견고한 미세 다공성의 폴리우레탄 재료로 만들어 진다. CMP 공정이 진행되는 동안에 슬러리의 화학적 상호작용은 연마표면에 화학적으로 변형된 층을 형성한다. 동시에 슬러리의 연마제는 화학적으로 변형된 층과 기계적으로 상호 작용하여 재료를 제거한다. CMP 공정에서 재료의 제거 속도는 슬러리 연마제의 농도의 크기와, 평균마찰계수는 패드 마찰 공학에 의존한다. 최근의 연구들은 패드 재료 컴플라이언스, 패드 접촉 면적 및 시스템의 평활도가 CMP 공정에서 중요한 역할을 하고 있는 것을 나타나고 있다.
효과적인 CMP 공정은 높은 연마율을 제공할 뿐만 아니라 평탄한 기판 표면을 제공한다. 연마율과 평탄도, 선택비는 슬러리와 패드의 조합, 패드와 웨이퍼의 상대속도 및 패드에 대하여 기판을 누르도록 가해지는 방향의 힘에 의해 지배되는 것으로 판단된다.
종래의 CMP 패드 제조 기술은 크게 다음과 같이 구분되어 질 수 있다.
첫 번째는 양모와 같은 천연 펠트 섬유 또는 천연 제직 섬유, 우레탄 혼입된 펠트 폴리에스테르 또는 각종 형태의 필러로 충진된 우레탄 패드, 두 번째는 필러 를 함유하지 않지만 슬러리를 저장할 수 있는 기포 혹은 기공이 함유된 연마패드, 및 세 번째는 균일한 고분자를 매트릭스로 하여 슬러리를 저장할 수 있는 마이크로 홀이 형성된 연마패드 등이 있다. 두 번째 연마패드에 관한 기술로서, 미국특허 제5,578,362호에 폴리우레탄 내에 중공 구형 부자재를 혼합하여 반원 상의 함몰부로 표면 구조가 이루어진 연마패드가 기재되어 있다. 이러한 연마패드는 우수한 연마속도와 평탄도로 현재 널리 사용되고 있다. 그러나 이종의 중공 구형 발포제(Expancel 551DE, 염화비닐리덴과 아크릴로니트릴 공중합체) 혼합시 중공구형 부자재의 낮은 밀도로 인해 고른 분산이 어렵고, 이로 인해 밀도 편차가 일정한 패드를 균일하게 생산하기가 어려운 단점이 있다. 또한 연마가 진행될수록 평탄도의 오차가 커지는 단점이 있고, 패드 자체의 경도를 중공형의 부자재로 인해 높은 경도의 패드를 제조하기 어려워, 연마효율을 극대화할 수 없다.
또한, 한국특허등록공보 제0495404호 및 제0804275호에는 각각 임베디드 액상의 미소요소를 함유하는 연마패드 및 그 제조방법과 고분자 쉘로 둘러싸인 액상 유기물 코어를 포함하는 ＣＭＰ연마패드 및 그 제조방법에 대해 기재되어 있다. 상기 문헌에는 제조시 사용하는 성분들이 모두 액상이어서 패드의 제조공정이 용이한 것으로 기재하고 있으나, 이는 초기에 우레탄 폴리머 매트릭스에 혼합되는 임베디드 액상 미소요소가 일정크기를 갖지 않는 액상임을 알 수 있으며, 이로 인해 액상 미소요소에 의해 형성되는 슬러리 포집 자리의 크기를 우레탄 반응중에 조절하여야 한다. 이는 빠른 우레탄 반응시간 내에 균일한 크기의 슬러리 포집 자리를 만들어야 하기 때문에, 우레탄과 상용성이 없는 액상을 사용하여야 하는 단점이 있 고, 제조공정의 약간의 변화에도 균일한 크기의 슬러리 포집 자리의 크기를 조절하기 어려운 단점이 있다. 또한, 고분자 매트릭스와 상용성이 없는 액상물질을 사용함으로써 패드 표면으로 액상 물질의 이동현상에 따른 접착력 저하, 우레탄 매트릭스의 물성 저하로 인한 패드의 수명이 길지 못하고, 공간에 액상만이 존재하여 패드 자체의 경도가 떨어지는 단점이 있어, 반도체 공정의 웨이퍼 평탄화 요구를 만족시키기에는 부족한 감이 있다.
이와 같이 현재까지 알려진 많은 연마패드들은 경도와 밀도가 떨어져 연마효율 및 웨이퍼의 평탄도를 저하시키는 문제가 있고, 특히 시간에 따라 연마도가 균일하지 못한 상황이어서 이에 대한 개선이 시급하다.
따라서 본 발명은 코어-쉘 타입의 입자를 구성하는 쉘에 유연성을 더욱 부여하고, 고경도, 고밀도화가 가능하며, 이에 따라 연마효율 및 웨이퍼의 평탄도를 극대화 할 수 있고, 특히 시간에 따른 균일한 연마도를 발휘할 수 있는 연마패드 및 이를 포함하는 연마장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은,
코어-쉘 타입의 입자를 함유하는 매트릭스를 포함하는 연마패드에 있어서,
상기 쉘은 ⅰ) 카르복시산 화합물; ⅱ) 올레핀계 불포화화합물; 및 ⅲ) 에톡시화 패티알콜의 메타아크릴릭에스테르, 이소트리데실 메타아크릴레이트, 스테릴 메타아크릴레이트, 이소데실 메타아크릴레이트, 에틸헥실 메타아크릴레이트, 에틸트리글리콜 메타아크릴레이트, 메톡시폴리에틸렌글리콜 메타아크릴레이트, 및 부틸 다이글리콜 메타아크릴레이트에서 선택되는 1종 이상의 화합물로 제조된 공중합체수지인 것을 특징으로 하는 연마패드를 제공한다.
또한, 본 발명은
상기 연마패드를 이용하는 것을 특징으로 하는 반도체웨이퍼의 연마방법을 제공한다.
또한, 본 발명은
삼원공중합체 쉘을 갖는 코어입자를 내부에 함유하는 매트릭스를 포함하는 연마패드;
상기 연마패드가 부착된 정반;
웨이퍼가 부착되는 연마헤드; 및
슬러리 분사노즐
을 포함하는 연마장치를 제공한다.
본 발명의 연마패드는 특정단량체로 제조된 공중합체 쉘을 갖는 코어-쉘 타입의 입자가 매트릭스내에 존재하여 중공을 형성하지 않아 고경도, 고밀도화가 가능하며, 이에 따라 연마효율 및 웨이퍼의 평탄도를 극대화 할 수 있고, 특히 시간에 따른 균일한 연마도를 발휘할 수 있는 연마패드를 제공할 수 있다.
이하 본 발명의 내용을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 코어-쉘 타입의 입자를 함유하는 매트릭스를 포함하는 연마패드에 있어서, 상기 쉘은 ⅰ) 카르복시산 화합물; ⅱ) 올레핀계 불포화화합물; 및 ⅲ) 에톡시화 패티알콜의 메타아크릴릭에스테르, 이소트리데실 메타아크릴레이트, 스테릴 메타아크릴레이트, 이소데실 메타아크릴레이트, 에틸헥실 메타아크릴레이트, 에틸트리글리콜 메타아크릴레이트, 메톡시폴리에틸렌글리콜 메타아크릴레이트, 및 부틸 다이글리콜 메타아크릴레이트에서 선택되는 1종 이상의 화합물로 제조된 공중합체수지인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 연마패드를 구성하는 매트릭스의 형성을 위해 사용될 수 있는 매트릭스는 공지의 연마패드에 사용되는 매트릭스가 사용될 수 있으며, 대표적으로 수지가 사용될 수 있으며, 예를 들어 염화폴리비닐, 불화폴리비닐, 나일론, 불화탄소, 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 폴리아크릴레이트, 폴리에테르, 폴리에틸렌, 폴리아미드, 폴리우레탄, 폴리스티렌, 폴리프로필렌, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리술폰, 에틸렌공중합체, 폴리에테르술폰, 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌이민, 폴리케톤 및 이들의 공중합체 및 혼합물 등이 사용될 수 있다.
바람직하기로는 상기 본 발명에 따른 매트릭스 형성용 수지로는 우레탄 유도체가 좋으며, 구체적인 예로, 이소시아네이트 말단 우레탄 프리폴리머가 사용될 수 있다. 이소시아네이트 말단 우레탄 프리폴리머는 이소시아네이트와 폴리올 및 쇄연장제의 경화반응물이다.
본 발명에 사용될 수 있는 이소시아네이트의 예로는 MDI(Methylenediphenyl diisocyanate), TDI(Toluenediphenyl diisocyanate), TDI프리폴리머, 크루드MDI, 폴리메릭 MDI, 우레탄 변성 MDI, 카르보이미드변성 MDI 등이 사용될 수 있다.
본 발명에 사용될 수 있는 폴리올로는 폴리에테르계폴리올, 폴리에스테르계폴리올, 폴리카보네이트계폴리올, 폴리디엔계폴리올 등이 사용될 수 있고 이들 폴리올은 단독 또는 2종류 이상이 병용되어 사용될 수 있다.
또한 상기 쇄연장제로서는 저분자량 폴리올이 사용되며, 예를 들면 에틸렌글리콜, 1,2-프로필렌글리콜, 1,3-프로필렌글리콜, 1,4-부탄디올, 네오펜틴글리콜, 1,5-펜탄디올, 1,6-헥산디올, 디에틸렌글리콜 등이 사용될 수 있다.
경화제로는 활성수소화합물이 사용될 수 있으며, 예를 들어, 상온에서 고체상태인 폴리아민(MOCA)을 단독으로 사용하거나 혹은 고체상태인 폴리아민과 액체상태인 폴리올을 혼합한 혼합물이 사용가능하다. 특히, 3,3-디클로로 4,4-디아미노 디페닐메탄, 클로로아닐린 변성-클로로디아미노페닐메탄, 3,5-비스(메틸티오)2,4-톨루엔 디아민, 3,5-(메틸티오)2,6-톨루엔디아민, 아미노 에틸 피페라진, 메타 크실렌 디아민 등의 디아민류가 바람직하다. 이러한 디아민류는 단독으로도 사용이 가능하며, 필요에 따라서 폴리(옥시테트라메틸렌)글리콜, 폴리(옥시프로필렌)글리콜 등의 폴리에테르 폴리올, 폴리카보네이트 폴리올, 폴리에스테르 폴리올 등과 병용하는 것도 가능하다. 상기 아민과 병용되는 폴리올은 분자량이 낮은 것으로서 특히, 중량평균 분자량 500-3,000 범위에 있는 폴리(옥시테트라메틸렌)글리콜 혹은 폴리카보네이트글리콜 등이 바람직하다.
본 발명의 연마패드는 코어-쉘 타입의 입자를 포함하는 바, 상기 쉘은 ⅰ) 카르복시산 화합물; ⅱ) 올레핀계 불포화화합물; 및 ⅲ) 에톡시화 패티알콜의 메타아크릴릭에스테르, 이소트리데실 메타아크릴레이트, 스테릴 메타아크릴레이트, 이소데실 메타아크릴레이트, 에틸헥실 메타아크릴레이트, 에틸트리글리콜 메타아크릴레이트, 메톡시폴리에틸렌글리콜 메타아크릴레이트, 및 부틸 다이글리콜 메타아크릴레이트에서 선택되는 1종 이상의 화합물로 제조된 공중합체수지이다.
상기 본 발명의 고분자 쉘을 구성하는 제1단량체로서 카르복시산 화합물의 예로는 상기 불포화 카르복시산으로 예를 들어 아크릴산, 말레인산, 후마르산, 테트라하이드로프탈산, 이타콘산, 시트라콘산, 크로톤산, 이소크로톤산 및 나딕산(엔도시스-비시클로[2,2,1]헵트-5-엔-2,3-디카르복시산)등이 있다.
제2단량체로서 올레핀계 불포화화합물의 예로는 스티렌, 이소프렌, 에틸렌, 프로필렌, 1-부텐, 1-펜텐, 4-메틸-1-펜텐, 1-헥센, 비닐시클로헥산, 2-에틸헥센, 1-옥텐 등이 있다.
또한 제3단량체로서 에톡시화 패티알콜의 메타아크릴릭에스테르, 이소트리데실 메타아크릴레이트, 스테릴 메타아크릴레이트, 이소데실 메타아크릴레이트, 에틸헥실 메타아크릴레이트, 에틸트리글리콜 메타아크릴레이트, 메톡시폴리에틸렌글리콜 메타아크릴레이트, 및 부틸 다이글리콜 메타아크릴레이트에서 선택되는 1종 이상의 화합물을 들 수 있다.
상기 본 발명에 따른 공중합체 쉘을 이루는 제1단량체, 제2단량체 및 제3단량체의 조성비는 각각 5-90:5-90:1-30의 중량비로 포함되어질 수 있다. 또한 상기 공중합체는 필요에 따라 히드록시에틸(메타)아크릴레이트, 2-히드록시옥틸(메타)아 크릴레이트, 메틸(메타)아크릴레이트, 에틸(메타)아크)아크릴레이트, 또는 n-부틸아크릴레이트 등의 아크릴레이트 화합물(제4단량체)을 5-15 중량부로 더욱 포함하여 제조할 수 있다.
상기 공중합체는 상기 제1 내지 제3단량체, 선택적으로 제4단량체를 포함하여 겔화를 방지할 수 있는 적절한 극성을 갖는 용매에서 중합하여 제조할 수 있으며, 상기 용매의 일예로는 프로필렌글리콜 모노에틸에테르를 사용할 수 있다. 상기 공중합체는 중량평균분자량이 10,000-2,000,000인 것이 좋다.
본 발명의 연마패드에서 상기 코어가 될 수 있는 물질은 고체 또는 액체일 수 있다. 코어로서 사용될 수 있는 고체물질은 통상적으로 연마패드에 충전재로 사용되고 있는 유기 또는 무기물 등으로 구성되는 공지의 물질이 사용될 수 있다. 공지의 연마제가 코어물질로 사용될 수 있음은 물론이다.
또한 코어로서 적합한 액상 물질의 예로는 CnHm, C9~C16의 혼합물인 하이드로카본계 용매(CX-2100, CX-2500, CX-2700류 등, 호성케멕스) 또는 변성 하이드로카본계 용매; 디옥틸 프탈레이트, 디이소노닐 프탈레이트, 디옥틸 아디페이트, 트리옥틸 트리멜리테이트, 디부틸 프탈레이트, 디이소데실 프탈레이트 등과 같은 프탈레이트계 가소제류; 폴리프로필렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리메틸렌 글리콜, 에스테르 폴리올, 카보네이트 폴리올 및 폴리머폴리올, 폴리 한스토프 디스퍼션(poly Hanstoff dispersion), 폴리이소시아네이트 폴리어디 션(polyisocyanatepolyaddition) 등과 같은 변성 폴리올 등과 같은 분자량 10,000 이하이고, 점도 5 × 108 cps/20℃ 이하이며, 분해점이 130 ℃인 액상 올리고머류; DMF(N,N-dimethylformamide)와 같은 고비점 용매류; 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
또한 상기 코어는 연마패드에 사용될 수 있는 공지의 촉매를 더욱 함유할 수 있다.
또한, 상기 액상의 유기물의 끓는점 또는 분해점은 130 ℃ 이상, 더욱 바람직하게는 160 ℃ 이상으로서, 고분자 매트릭스의 중합반응열에 의해서도 쉽게 휘발하지 않는 것이 바람직하다. 액상 유기물의 끓는점이 상기보다 낮은 경우에는 우레탄 반응 중에 코어 모양의 변형으로 고밀도ㅇ고경도의 연마패드를 얻을 수 없게 되어 바람직하지 않다.
본 발명에서 코어-쉘 타입의 입자는 상기 기재한 본 발명의 특정 공중합체수지를 쉘의 성분으로 사용하는 것을 제외하고는 공지의 코어-쉘 제조방법을 사용할 수 있음은 물론이며, 구체적인 예로 한국특허등록공보 제0804275호에 기재된 방법을 사용할 수 있다.
상기와 같은 과정에 의해 제조될 수 있는 코어-쉘 타입의 입자의 크기는 10-250 ㎛인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 10-100 ㎛이다. 상기 입자의 크기가 10 ㎛ 미만이면 연마 슬러리 저장량이 적어 연마속도 및 연마 평탄성 등의 연마 특성 향상에 기여하지 못하며, 250 ㎛를 초과하면 지나치게 커져서 연마패드용 우레탄 성형물로서 바람직하지 않다.
상기 코어-쉘 타입의 입자는 고분자 매트릭스를 기준으로 1~300 phr까지 상기 고분자 매트릭스 내에 포함될 수 있으며, 바람직하게는 5~80 phr의 범위로 포함될 수 있다. 코어입자가 1 phr 미만이면 연마패드로서 사용시, 연마속도 및 평탄성 등의 연마특성이 나쁘고, 300 phr을 초과하는 경우에는 코어의 분산을 고르게 하기 어려워 안정적인 연마패드의 제조가 불가능하고, 이로 인한 안정적인 연마효율을 기대할 수 없기 때문에 상기 범위의 코어 함량을 갖는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 연마패드는 다음과 같은 제조과정을 따를 수 있다. 먼저 1액형으로 제조할 경우 매트릭스 수지, 경화제를 60 내지 70 ℃에서 혼합하여 매트릭스를 제조한 후 온도를 유지하면서 본 발명에 따른 코어-쉘 타입의 입자를 소정량 첨가하여 믹서를 이용하여 블렌딩하여 균일하게 분산시킨다. 최종 혼합물을 금형으로 옮겨 10 내지 20분간 겔화시키고, 금형을 경화 오븐에 두고 80 내지 120 ℃에서 1 내지 10 시간 열경화시킨 후 상온으로 4 내지 6 시간 동안 냉각시켜 연매패드를 성형하고 탈형한다. 이때 80 ℃ 미만인 저온의 경우 금형에 접촉하고 있는 부분의 수지가 외부로 열을 빼앗겨 발포얼룩이 발생하며, 금형온도가 120 ℃를 넘는 경우에는 금형에 접촉하고 있는 부분에서의 중공구체의 팽창으로 발포얼룩이 발생할 수 있다.
또, 본 발명에 따른 연마패드는 2액 성분 주형기를 이용하여 제조되어질 수 도 있다. 이 경우 2액 성분 주형기의 제1 탱크에 폴리우레탄 유도체 등의 매트릭스 수지와 본 발명에 따른 코어-쉘 타입의 입자 혼합물을 주성분으로 하는 제1액을 저장하고, 또, 제2 탱크에 경화제를 주성분으로 하는 제2액을 준비한 후, 이들을 적정비율로 금형 내에 주입하여 혼합, 교반 후 경화반응을 진행한다. 이때, 제1액 또는 제2액에는 필요에 따라 다양한 첨가제를 추가할 수 있다.
이소시아네이트 말단 우레탄 프리폴리머를 매트릭스 수지로 사용하고, 디아민을 경화제를 사용하는 경우, 매트릭스 수지와 경화제의 2액 배합비율은 이소시아네이트기와 아민기의 몰비를 기준으로 결정한다. 바람직하게는 상기 2액의 혼합비가 NH2/NCO=0.7-1.2 범위가 되도록 하며, 더욱 바람직하게는 NH2/NCO가 0.8-1.0의 범위에 있는 것이 좋다.
또한 경화제로 활성수소 화합물인 디아민과 폴리올의 혼합물을 사용하는 경우에는 이소시아네이트 말단 우레탄 프리폴리머의 이소시아네이트기와 경화제 중에 디아민류의 아민기 몰비 NH2/NCO를 조절하여 형성할 수 있다.
2액 성분 주형기에서 경화반응을 행할 때의 매트릭스 수지 및 경화제는 2액 성분 주형기를 순환하는데 지장을 주지 않는 온도로 유지되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제1탱크내의 매트릭스 수지는 60-100 ℃, 보다 바람직하게는 70-90 ℃의 온도로 유지하고, 제2탱크내의 경화제는 성분에 따라 적정온도가 달라지는데, 통상 60-130 ℃ 로 유지하는 것이 바람직하다.
이와 같이 소정온도에서 2액 성분계 주형기에 보관된 조성물은 주형기의 머 리(Head) 부분으로부터 토출되어 금형 내에 주입되어 성형된다.
또한, 본 발명에서 얻을 수 있는 슬라이스된 얇은 판상 연마패드 표면에는 슬러리의 효율적 보유와 균일분포를 위해 소정형상의 홈(groove pattern)을 형성하는 것이 바람직하며, 피연마막의 특성을 고려하여 연마패드 이면에 부직포 등의 유연성 다공질 시트를 접착할 수도 있다. 또한 금형을 판형으로 형성하여 성형 후 슬라이스 작업 없이 바로 최종 판상형태의 연마패드를 얻을 수도 있다.
본 발명에 따른 연마패드의 밀도는 0.4-1.2 g/㎤,보다 바람직하게는 0.5~1.0 g/㎤ 의 밀도를 갖는 것이 바람직하며, 경도는 매트릭스 수지, 경화제 및 첨가량에 따라 변하지만 일반적으로 shore D=60-70의 범위가 좋고 특히 shore D=60-68의 범위가 바람직하다. 상기 연마공정에서 웨이퍼의 연마효율, 표면특성 및 평탄성 등의 연마 특성은 연마패드의 경도에 따라 크게 영향을 받는데, 패드의 경도가 크면 연마효율은 증가하나 표면상태 및 평탄도는 저하되고, 경도가 낮으면 표면 상태와 평탄도는 증가하나 연마효율이 떨어진다. 따라서 이러한 연마패드의 경도에 따른 특징을 이용하여, 경도가 높은 연마패드 상층부를 본 발명에 따라 제조하고, 상기 상층부 패드의 하부에 상기 상부 패드를 지지하고, 완충역할을 하는 하부패드를 부착하여 사용할 수도 있으며, 상기 하부패드는 부직포 또는 폴리우레탄폼 등이 있으며, 바람직하게는 압축율 5-15%, 압축탄성율 55-75%, 경도 60-75 shore A인 부직포를 사용할 수 있다.
또한 연마효율 및 평탄도는 연마패드의 물질특성 뿐만 아니라 패드의 표면 형상에도 영향을 받는데, 본 발명에 따른 연마패드는 슬라이싱 후에 연마면에 그루브를 형성하여 슬러리 보유 및 분포상태를 향상시키고 연마효율을 높일 수 있다. 그루브의 형성 방법으로서는 레이저 라이팅 또는 커팅, 워터제트 커팅, 3-D프린팅, 열성형 및 진공성형, 마이크로접촉성형, 핫 스탬핑, 또는 기계적인 방법 등 슬러리의 이동통로를 형성할 수 있는 어떠한 제조방법도 사용될 수 있다. 그루브의 형상은 연마패드의 연마면에 중심에서부터 일정 간격으로 커지는 사각형상으로 형성된 매크로 그루브 또는 이들 매크로 그루브들의 사이에 X-Y 방향으로 형성된 마이크로 그루브를 형성할 수도 있고, 연마패드의 연마면에 중심에서부터 일정 간격으로 커지는 X-Y 방향으로 연장된 홈들이 직교하도록 형성된 매크로 그루브와, 이들 매크로 그루브들의 사이에 X-Y 방향으로 형성된 마이크로 그루브가 함께 구비된 형상, 원형, 나선형 및 방사형의 매크로 그루브와 이들 매크로 그루브들을 연결하는 마이크로 그루브가 함께 구비된 형상을 채택할 수도 있다.
이와 같이, 매크로 및 마이크로 그루브를 가지는 연마패드는 웨이퍼 연마 공정시 연마패드의 상부면에 공급되는 슬러리가 회전력에 의해 가장자리로 흐를 때 상기 매크로 그루브가 주 유동 통로가 되고, 마이크로 그루브가 부 통로가 되어 연마패드의 전표면에 골고루 슬러리를 유동 및 분포시켜줄 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연마패드는 슬러리의 이동을 효과적으로 하게 할 수 있고 슬러리의 공급방식을 하부에서 상부로 올려주는 장비에 적용할 수 있도록 홀(hole)을 형성 할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 연마패드를 이용한 반도체웨이퍼의 연마방법과 상기 연마패드를 포함하는 연마장치를 제공하는 바, 본 발명에 따른 상기 연마패드를 사용하는 것을 제외하고는 공지의 연마방법 및 기타 연마장치의 부품이 사용될 수 있음은 물론이다. 일예로 본 발명에 따른 연마패드를 이용하는 연마장치는 도 1에 도시된 구조일 수 있다. 본 발명에 따른 연마장치는 연마대상이 되는 기판인 웨이퍼(10)에 대하여 화학적 및 기계적인 연마를 행할 때, 웨이퍼(10)의 표면과 접촉하는 연마패드(20)과, 연마패드(20)을 회전시키는 제1구동기구(31)과, 제1구동기구(31)에 의해 회전하는 연마패드(20)에 대하여 웨이퍼(10)가 접촉하고 있는 상태로 웨이퍼(10)를 적어도 회전시키는 제2구동기구(32)와, 연마패드(20)과 웨이퍼(10) 사이에 슬러리를 공급하는 슬러리공급노즐(40)을 구비하고 있다.
본 발명에 따른 연마장치를 이용한 CMP에서는 정반(21)에 연마패드(20)를 취부하고, 그 표면에 웨이퍼 연마면을 밑(연마패드(20)측)으로 하여 재치한다. 그리고, 웨이퍼(10)를 위로부터 연마헤드(30)로 눌러 하중을 가하고, 이 상태로 정반(21)을 제1구동기구(31)로 회전시킴과 동시에 제2구동기구(32)로 연마헤드(30)를 회전시킨다.
정반(21)의 회전에 의해 연마패드(20)도 회전하고, 또 연마헤드(30)의 회전에 의해 웨이퍼(10)도 회전한다. 서로 회전축이 연결되어 있으므로, 연마패드(20)과 웨이퍼(10) 사이에 상대적인 마찰이 발생한다. 이 상태에서 슬러리 공급노즐(40)에 의해 슬러리를 연마패드(20)의 표면에 적하하면 슬러리에 의한 화학적인 반응과 함께 웨이퍼(10)와 연마패드(20)와의 기계적인 마찰의 상승효과에 의해 연 마대상이 되는 웨이퍼(10)의 막을 연마할 수 있다. 또 연마헤드(30) 및 웨이퍼(10)를 회전시키는 제2구동기구(32)는 회전운동과 동시에 연마패드(20)의 회전중심 방향으로 연이은 선상을 요동운동하도록 하여도 좋다.
상기한 과정에 의해 본 발명에 따른 연마패드를 이용하여 웨이퍼 표면을 연마할 경우 연마효율 및 웨이퍼의 평탄도를 극대화 할 수 있고, 특히 시간에 따른 균일한 연마도를 발휘할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1] 연마패드의 제조
폴리테트라메틸렌에테르글리콜 1.0몰, 톨루엔다이이소시아네이트 2.0몰, 4,4-메틸렌-비스-클로로아닐린 1.0몰을 65 ℃에서 혼합하여 매트릭스를 제조한 후 온도를 유지하면서 쉘 물질로 메타크릴산, 벤질메타크릴레이트 및 에틸트리글리콜 메타크릴레이트가 각각 35:50:15의 중량비로 용매에서 제조된 공중합체수지를 사용하고, 코어 물질로 탄화수소계 액상 유기물(CnHm, C9~C16의 혼합용매)이 사용된 코어-쉘 타입의 입자 2.3 중량%를 믹서를 이용하여 블렌딩하여 균일하게 분산시킨 후 최종 혼합물을 금형으로 옮겨 15분간 겔화시켰다. 금형을 경화 오븐에 두고 95 ℃에서 5시간 열경화시킨 후 상온으로 6 시간 동안 냉각시킨 후 연마패드를 성형하고 탈형하여 연마패드를 제조하였다.
[실시예 2] 연마패드의 제조
상기 실시예 1에서 쉘성분의 공중합체 제조시 단량체의 성분을 메타크릴산, 벤질메타크릴레이트, 에틸트리글리콜 메타크릴레이트 및 2-히드록시에틸메타크릴레이트가 각각 30:50:10:10 의 중량비로 공중합체를 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 과정에 의해 연마패드를 제조하였다.
[실시예 3] 연마패드의 제조
상기 4,4-메틸렌-비스-클로로아닐린의 양을 0.9 몰로 첨가하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 과정에 의해 연마패드를 제조하였다.
[비교예 1]
상기 실시예 1에서 코어-쉘 타입의 입자 대신에 Eapancel 551DE(50㎛) 2.3 중량%를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 5와 동일한 과정에 의해 연마패드를 제조하였다.
[비교예 2]
상기 4,4-메틸렌-비스-클로로아닐린의 양을 0.9 몰을 첨가하는 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 과정에 의해 연마패드를 제조하였다.
상기 실시예 및 비교예에 사용된 성분의 조성비는 하기 표 1에 나타내었다.
[표 1]
몰비 중량%
PTMEG TDI MOCA EXPANCEL
551DE(50 ㎛)		 Core-Shell
타입의 입자
비교예1 1.0 2.0 1.0 2.3
비교예2 1.0 2.0 0.9 2.3
실시예1 1.0 2.0 1.0 2.3
실시예2 1.0 2.0 1.0 2.3
실시예3 1.0 2.0 0.9 2.3
상기 표1에서 사용된 성분은 구체적으로 다음과 같다.
- 폴리테트라메틸렌에테르글리콜: PTMEG, 한국 PTG사 제품
- 톨루엔다이이소시아네이트: TDI, 80/20 2,4/2,6 TDI 아이소머 혼합물, 알드리치사 제품
- 4,4-메틸렌-비스-클로로아닐린: MOCA, 동성케미칼 제품
- EXPANCEL 551DE: Akzo novel
[실험예 1]
상기 실시예 및 비교예에 따라 제조된 연마패드의 특성을 하기와 같은 방법을 이용하여 측정하고 그 결과를 표 2에 나타내었다.
1. 인장강도(Mpa)
ASTM D638-99법을 이용하여 15mm*150mm*1mm의 시편을 제작하여 UTM(인스트론 사 5566)을 이용하여 50 mm/min의 속도로 측정하였다.
2. 인장신율(%)
ASTM D638-99법을 이용하여 15mm*150mm*1mm의 시편을 제작하여 UTM(인스트론사 5566)을 이용하여 50 mm/min의 속도로 측정하였다.
3. 경도(Shore D)
ASTM D2240-91법을 이용하여 Durometer(Shore D type_TECKLOCK)를 사용하여 측정을 하였다.
[표 2]
인장강도(Mpa) 인장신율(%) 경도(Shore D)
비교예 1 23 145 54
비교예 2 26 151 55
실시예 1 36 175 65
실시예 2 35 173 65
실시예 3 38 182 68
상기 표 2에 나타난 바와 같이 본 발명에 따른 실시예의 연마패드는 비교예의 연마패드에 비하여 인장강도, 인장신율, 및 경도 모든 면에서 우수한 성능을 나타냄을 알 수 있다.
[실험예 2]
상기 실시예 및 비교예에 따라 제조된 연마패드를 이용하여 ILD 연마공정을 실시하였고, 사용된 웨이퍼는 TEOS를 사용하여 현재 Fab에서 적용중인 롬앤하스사의 IC1400 패드(위 비교예 1,2)와 비교하였고, 평균값을 패드의 사용시간에 따라 기재하였다. 연마공정에 사용된 장비와 조건은 하기에 기재하였으며 패드만 교체하여 테스트를 진행하였다. Removal Rate(A), Non-uniformity는 웨이퍼 연마 데이터의 평균을 기재하였다(표 3).
사용장비: UNIPLA 211(두산)
슬러리: 옥사이드 슬러리(동진쎄미켐: DHPS-11)
슬러리 플로우(ml): 200
연마시간(초): 100
헤드 회전속도(rpm): 40
정반 회전속도(rpm): 50
Down Force(hPa): 4
Back Pressure(hPa): 4
Retainer Ring Pressure(hPa): 7
[표 3]
ILD 공정
패드장착초기 15시간 사용 후 30시간 사용 후
Removal
Rate(A)		 Non-
uniformity(%)		 Removal
Rate(A)		 Non-
uniformity(%)		 Removal
Rate(A)		 Non-
uniformity(%)
비교예1 4376 3.0 4106 3.7 3984 4.8
비교예2 4298 3.0 4200 3.8 3964 4.7
실시예1 4394 2.9 4268 3.0 4200 3.6
실시예2 4465 2.8 4310 3.1 4124 3.6
실시예3 4524 2.8 4365 3.1 4185 3.5
상기 실험결과에 의하면 본 발명에 따른 제품이 사용시간에 따라 Removal Rate(A), Non-uniformity 모두에서 비교예의 제품에 비하여 우수한 특성을 나타냄을 알 수 있다.
도 1은 본 발명에 코어-쉘타입의 입자를 나타낸 그림이며,
도2는 본 발명에 따른 코어-쉘 타입의 입자를 갖는 코어입자를 함유한 연마패드를 포함하는 연마장치의 구성도이다.

Claims (12)

  1. 코어-쉘 타입의 입자를 함유하는 매트릭스를 포함하는 연마패드에 있어서,
    상기 쉘은 ⅰ) 카르복시산 화합물; ⅱ) 올레핀계 불포화화합물; 및 ⅲ) 에톡시화 패티알콜의 메타아크릴릭에스테르, 이소트리데실 메타아크릴레이트, 스테릴 메타아크릴레이트, 이소데실 메타아크릴레이트, 에틸헥실 메타아크릴레이트, 에틸트리글리콜 메타아크릴레이트, 메톡시폴리에틸렌글리콜 메타아크릴레이트, 및 부틸 다이글리콜 메타아크릴레이트에서 선택되는 1종 이상의 화합물로 제조된 공중합체수지인 것을 특징으로 하는 연마패드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 쉘은
    ⅰ) 카르복시산 화합물 1 내지 98 몰%;
    ⅱ) 올레핀계 불포화화합물 1 내지 98 몰%; 및
    ⅲ) 에톡시화 패티알콜의 메타아크릴릭에스테르, 이소트리데실 메타아크릴레이트, 스테릴 메타아크릴레이트, 이소데실 메타아크릴레이트, 에틸헥실 메타아크릴레이트, 에틸트리글리콜 메타아크릴레이트, 메톡시폴리에틸렌글리콜 메타아크릴레이트, 및 부틸 다이글리콜 메타아크릴레이트에서 선택되는 1종 이상의 화합물 1 내지 98 몰%
    로 제조된 공중합체수지인 것을 특징으로 하는 연마패드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 카르복시산 화합물은 아크릴산, 말레인산, 후마르산, 테트라하이드로프탈산, 이타콘산, 시트라콘산, 크로톤산, 이소크로톤산 및 나딕산(엔도시스-비시클로[2,2,1]헵트-5-엔-2,3-디카르복시산)의 군에서 선택되는 1종 이상의 화합물인 것을 특징으로 하는 연마패드.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 올레핀계 불포화화합물은 스티렌, 이소프렌, 에틸렌, 프로필렌, 1-부텐, 1-펜텐, 4-메틸-1-펜텐, 1-헥센, 비닐시클로헥산, 2-에틸헥센, 및 1-옥텐의 군에서 선택되는 1종 이상의 화합물인 것을 특징으로 하는 연마패드.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 코어-쉘 타입의 입자는 고분자 매트릭스를 기준으로 1~300 phr로 포함되는 것을 특징으로 하는 연마패드.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 코어는 하이드로카본계 용매; 프탈레이트계 가소제류; 분자량 10,000 이하이고, 점도 5 × 108 cps/20℃ 이하이며, 분해점이 130 ℃인 액상 올리고머류; 고비점 용매류; 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 화합물인 것을 특징으로 하는 연마패드.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 코어는 연마입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 연마패드.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 코어는 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 연마패드.
  9. 제1항에 있어서,
    코어-쉘 타입의 입자는 크기가 10 내지 250 ㎛인 것을 특징으로 하는 연마패드.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항 기재의 연마패드를 이용한 반도체웨이퍼의 연마방법.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항 기재의 연마패드를 포함하는 연마장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 연마장치는
    제1항 내지 제9항 중 어느 한 항 기재의 연마패드;
    상기 연마패드가 부착된 정반;
    웨이퍼가 부착되는 연마헤드; 및
    슬러리 분사노즐
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 연마장치.
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