KR20110034561A - 이중-공극 구조 연마 패드 - Google Patents

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롬 앤드 하스 일렉트로닉 머티리얼스 씨엠피 홀딩스, 인코포레이티드
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Abstract

연마 패드는 자성, 광학적 및 반도체 기판 중 하나 이상을 연마하는데 유용하다. 다공성 연마층은 폴리우레탄 메트릭스 안에 이중 공극 구조를 가진다. 이중 공극 구조는 25 ℃에서 측정한 때 10 내지 60 MPa의 저장 모듈러스 및 15 내지 55 ㎛의 두께를 갖는 공극 벽을 갖는 공극의 1차 세트를 가진다. 추가로, 공극 벽은 5 내지 30 ㎛의 평균 공극 크기를 갖는 공극의 2차 세트를 함유한다. 다공성 연마층은 중합성 필름 또는 시트 기판에 고정되거나 직물 또는 부직물 구조 내에 형성되어서 연마 패드를 형성한다.

Description

이중-공극 구조 연마 패드{DUAL-PORE STRUCTURE POLISHING PAD}
본 발명은 자성, 광학적 및 반도체 기판 중의 하나 이상을 연마하는데 유용한 다공성 폴리우레탄 연마 패드에 관한다. 예를 들어, 연마 패드는 특히 반도체 웨이퍼 물질의 화학 기계적 연마(CMP) 및, 더욱 특히, 반도체 기판의 저-결함 연마 방법에 유용하다.
반도체 제조는 전형적으로 수 개의 화학 기계적 연마(CMP) 공정을 포함한다. 각 CMP 공정에서, 마모제 함유 연마 슬러리 또는 마모제-무함유 반응성 액체 같은 연마 용액과 함께 연마 패드는 그 다음 층을 받아들이기 위해 평탄화시키거나 또는 편평도를 유지시키는 방식으로 과량의 물질을 제거한다. 이들 층의 적층은 집적 회로를 형성하는 방식으로 결합한다. 이들 반도체 장치의 제조는 더 높은 작동 속도, 더 낮은 누설 전류 및 감소된 전력 소비를 갖는 장치의 필요 때문에 계속해서 더 복잡해진다. 장치 구조의 점에서 볼 때, 이것은 더 정밀한 선폭 기하 및 증가된 금속화 수준의 수로 해석된다. 이러한 더욱더 엄중한 장치 디자인 요건은 상응하는 패턴 밀도 증가와 함께 점점 더 작은 선 간격을 채택하게 한다. 장치의 점점 작아지는 규모 및 증가된 복잡성 때문에 CMP 소모품, 예를 들어 연마 패드 및 연마 용액에 대한 수요가 더 많아졌다. 게다가, 집적 회로의 선폭 크기가 감소함에 따라, CMP에 의해 유발되는 결함, 예를 들어 긁힘이 더 큰 문제가 된다. 게다가, 집적 회로의 필름 두께 감소는 결함 개선을 필요로 하고, 동시에 웨이퍼 기판에 허용되는 토포그래피를 제공하고; 이러한 토포그래피 요건은 더욱더 엄중한 평탄도, 선 디싱(line dishing) 및 작은 선폭 배열 침식 연마 규격을 요구한다. 게다가, 더 높은 연마 제거 속도가 웨이퍼의 처리율(throughput)을 개선하기 위해서 요구되며, 금속 및 유전체 물질이 동시에 연마되기 때문에, 금속 대 유전체 물질의 상대 제거 속도가 중요하다. 미래의 웨이퍼 집적의 필요를 만족시키기 위해서, 더 높은 유전체(예컨대, TEOS) 대 금속(예컨대, 구리) 제거 속도 선택비가 요구된다.
역사적으로, 주조 폴리우레탄 연마 패드는 집적 회로 제조에 사용되는 대부분의 연마 작업에 기계적 일체성 및 내화학약품성을 제공하였다. 예를 들어, 폴리우레탄 연마 패드는 인열에 저항하기에 충분한 인장 강도 및 신장률; 연마 동안의 마멸 문제를 피하기 위한 내마모성; 및 강한 산성 및 강한 부식성 연마 용액에 의한 공격에 저항하기 위한 안정성을 갖는다. 다우 일렉트로닉 머테리얼즈(Dow Electronic Materials)에 의해 공급되는 IC1000TM 연마 패드는 다중 기판, 예컨대, 알루미늄, 배리어 물질, 유전체, 구리, 하드 마스크, 낮은-k 유전체, 텅스텐 및 극저-k 유전체를 연마하는데 적합한 산업 표준 폴리우레탄 연마 패드를 대표한다(IC1000은 다우 일렉트로닉 머테리얼즈 또는 이의 관계사의 상표이다).
지난 수년간, 반도체 제조업자들은 낮은 결함이 더욱 중요한 요구사항인 마감 또는 최종 연마 공정을 위해 다공질 연마 패드, 예컨대, 폴리텍스TM(PolitexTM) 폴리우레탄 패드로 점점 많이 옮겨갔다(폴리텍스는 다우 일렉트로닉 머테리얼즈 또는 이의 관계사의 상표이다). 본 명세서의 목적 상, 용어 다공질은 수성 또는 비수성 용액에서 생산된 다공성 폴리우레탄 연마 패드를 지칭한다. 이들 연마 패드들의 장점은 그들이 낮은 결함을 가지고 효과적인 제거를 제공한다는 것이다. 이러한 결함의 감소는 현저한 웨이퍼 수득률 증가를 가져올 수 있다.
각별히 중요한 연마 적용분야는 TEOS 제거 속도가 구리 제거 속도보다 빨라서 향상된 웨이퍼 집적 설계를 만족시키도록 하는 구리 및 TEOS 유전체를 모두 동시에 제거하는 능력과 함께 낮은 결함이 요구되는 구리-배리어 연마이다. 상업적인 패드, 예컨대, 폴리텍스 연마 패드는 미래의 설계를 위한 충분히 낮은 결함을 갖지 못하며, TEOS:Cu 선택비도 충분히 높지 않다. 기타 상업적인 패드는 연마 동안 침출되어서 연마를 방해하는 과량의 폼을 생산하는 계면활성제를 함유한다. 더욱이, 계면활성제는 유전체를 오염시키고 반도체의 기능적 성능을 감소시킬 수 있는 알칼리 금속을 함유할 수 있다.
다공질 연마 패드에 관련된 낮은 TEOS 제거 속도에도 불구, 일부 개선된 연마 적용분야가 다공질 패드가 기타 패드 타입, 예컨대, IC1000 연마 패드에 비해 더 낮은 결함을 달성할 수 있는 잠재성 때문에 모든-다공질(all-poromeric) 패드(CMP) 연마 공정을 향해 이동하고 있다. 비록 이들 공정들이 낮은 결함을 제공하지만, 추가적으로 패드-유도된 결함을 감소시키고 연마 속도를 증가시키기 위한 도전이 남아있다.
본 발명의 일 측면은 다공성 연마층이 폴리우레탄 메트릭스 내에 이중 공극 구조를 가지고, 이중 공극 구조가 공극의 1차(primary) 세트를 가지고, 공극의 1차 세트가 공극 벽을 가지고, 공극 벽이 15 내지 55 ㎛의 두께, 25 ℃에서 측정한 때 10 내지 60 MPa의 저장 모듈러스를 가지고, 공극 벽 내에 공극의 2차 세트를 함유하고, 공극의 2차 세트가 5 내지 30 ㎛의 평균 공극 크기를 가지며, 여기에서 다공성 연마층이 중합성 필름 또는 시트 기판에 고정되거나 직물 또는 부직물 구조 내에 형성되어서 연마 패드를 형성하는, 다공성 연마층을 포함하는 자성, 광학적 및 반도체 기판 중 하나 이상을 연마하는데 유용한 연마 패드를 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면은 다공성 연마층이 폴리우레탄 메트릭스 내에 이중 공극 구조를 가지고, 이중 공극 구조가 공극의 1차 세트를 가지고, 공극의 1차 세트가 공극 벽 및 40 ㎛ 이상의 평균 직경을 가지고, 공극 벽이 20 내지 50 ㎛의 두께, 25 ℃에서 측정한 때 10 내지 50 MPa의 저장 모듈러스를 가지고, 공극 벽 내에 공극의 2차 세트를 함유하고, 공극의 2차 세트가 5 내지 25 ㎛의 평균 공극 크기를 가지며, 여기에서 다공성 연마층이 중합성 필름 또는 시트 기판에 고정되거나 직물 또는 부직물 구조 내에 형성되어서 연마 패드를 형성하는, 다공성 연마층을 포함하는 자성, 광학적 및 반도체 기판 중 하나 이상을 연마하는데 유용한 연마 패드를 제공한다.
본 발명의 연마 패드는 종래의 다공질 연마 패드에 의해 달성되지 않은 다양한 이점들을 제공한다. 예컨대, 연마 패드의 이중 공극도는 높은 TEOS 제거 속도 및 높은 TEOS:Cu 제거 속도 선택비를 낮은 결함과 함께 용이하게 한다. 이에 더하여, 이중 공극도 연마 패드는 감소된 해제(break-in)를 요구하고, 안정한 제거 속도를 제공하고; 이들 안정한 속도와 함께 감소된 상태조절을 달성한다. 본 패드는 제한된 마멸을 갖는 1,000 웨이퍼의 우수한 수명시간을 제공한다. 더구나, 직물 및 부직물 기판은 뛰어난 층간 접착성을 제공하고 공기 연행을 제거한다. 마지막으로, 연마 패드는 계면활성제-무함유이고 연마 동안 발포되거나, 유전체 및 낮은-k 유전체 내로 분산될 수 있어서 연마를 방해하는 알칼리 금속을 제공하지 않는다.
본 발명의 연마 패드는 자성, 광학적 및 반도체 기판 중의 하나 이상의 연마를 위해 유용하다. 특히, 폴리우레탄 패드는 반도체 웨이퍼를 연마하는데 유용하고; 특히, 패드는 개선된 적용 분야, 예컨대, 매우 낮은 결함이 평면화하는 능력보다 더 중요하고, 다중 물질, 예컨대, 구리, 배리어 물질 및 TEOS, 낮은 k 및 극저 k 유전체를 포함하나 이에 제한되지 않는 유전체 물질을 동시에 제거할 필요가 있는 구리-배리어 적용분야를 연마하는데 유용하다. 본 명세서의 목적상, "폴리우레탄"은 이관능성 또는 다관능성 이소시아네이트, 예컨대, 폴리에테르우레아, 폴리이소시아누레이트, 폴리우레탄, 폴리우레아, 폴리우레탄우레아, 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로부터 유래된 생성물이다. 발포 문제 및 유전체의 오염의 가능성을 회피하기 위해, 이들 제제들은 유리하게 계면활성제-무함유 제제이다. 연마 패드는 지지 기재 기판 위에 코팅된 폴리우레탄 메트릭스 내의 이중 공극 구조를 가지는 다공성 연마층을 포함한다. 이중 공극 구조는 더 큰 공극의 1차 세트 및 더 큰 공극의 셀 벽 내부 및 사이의 더 작은 공극의 2차 세트를 가진다. 이러한 이중 공극 구조는 일부 연마 시스템에서 제거 속도를 증가시키면서 결함을 감소시키는 기능을 한다.
다공성 연마층은 중합성 필름 기판에 고정되거나 직물 또는 부직물 구조 내에 형성되어서 연마 패드를 형성한다. 다공성 연마층을 중합성 기판, 예컨대, 비다공성 폴리(에틸렌테레프탈레이트) 필름 또는 시트 위에 증착시킬 때, 결합제, 예컨대, 상표등록된 우레탄 또는 아크릴계 접착제를 사용하여 필름 또는 시트에의 접착성을 증가시키는 것이 종종 유리하다. 비록 이들 필름 또는 시트는 공극을 함유할 수도 있으나, 이롭게는 이들 필름 또는 시트는 비다공성이다. 비다공성 필름 또는 시트의 장점은 이들이 균일한 두께 또는 편평도를 촉진시키고, 연마 패드의 전체 경직성을 증가시키고 전체 압축성을 감소시키고, 연마 동안의 슬러리 흡상(slurry wicking) 효과를 제거한다는 것이다.
대체 실시태양에서, 직물 또는 부직물 구조는 다공성 연마층을 위한 기재로서 기능한다. 비록 비다공성 필름의 기재 기판으로서의 사용은 상기 제시된 바와 같은 이점을 갖지만, 필름은 또한 단점도 가진다. 가장 뚜렷하게는, 비다공성 필름이 기재 기판으로 사용되는 경우, 공기 방울들이 연마 패드와 연마 도구의 압반 사이에 포획될 수 있다. 이는 연마 불균일성, 더 높은 결함, 높은 패드 마멸 및 감소된 패드 수명의 주요 문제점을 야기한다. 이들 문제점은 공기가 펠트(felt)를 통해 통과할 수 있고 공기 방울들이 포획되지 않기 때문에 펠트가 기재 기판으로 사용되는 경우 제거된다. 두번째로, 연마층이 필름에 도포되는 경우, 필름에의 연마층의 접착은 접착 본드의 세기에 의존한다. 일부 공격적인 연마 조건 하에서, 이 본드는 실패할 수 있고 연마에서 대재앙적인 실패를 야기한다. 펠트가 사용되는 경우, 연마층은 펠트 내로 특정 깊이로 실제로 관통하여 강하고, 기계적으로 상호체결된 계면을 형성한다. 비록 직물 구조도 수용가능하지만, 부직물 구조는 다공성 중합체 기판에의 강한 결합을 위한 추가적인 표면적을 제공할 수 있다. 적절한 부직물 구조물의 우수한 예는 폴리우레탄으로 함침되어 섬유들을 함께 고정하는 폴리에스테르 펠트이다. 전형적인 폴리에스테르 펠트는 500 내지 1500 ㎛의 두께를 가질 것이다.
공극의 1차 세트(본원에서 또한 대공극으로도 칭해짐)는 연마 표면에 대해 개방되어 있고, 전형적으로 35 ㎛ 이상의 평균 직경을 가진다. 본 명세서의 목적상, 1차 공극의 평균 직경은 연마 패드의 연마 표면에 평행한 방향에서의 횡단면에서 측정된 공극의 평균 최대 폭을 나타낸다. 이롭게는, 1차 또는 대공극은 40 ㎛ 이상의 평균 직경을 가진다. 이들 거대한 공극들은 슬러리 수송 및 연마 잔해 제거를 용이하게 한다. 대공극은 연마 표면에 직교하는 연신된 구조를 가지고 연마 패드의 수명에 걸쳐 일관된 연마 표면적을 제공한다. 1차 공극은 테이퍼된(tapered) 측벽 또는 바람직하게는 수직 측벽을 갖는 기둥 구조를 가질 수 있다.
추가로, 공극의 1차 세트는 공극 벽을 함유한다. 이들 공극 벽은 15 내지 55 ㎛의 두께를 가진다. 이 벽 두께는 패드의 경직성 및 연마 능력에 기여한다. 셀 벽이 너무 얇으면, 일관된 연마를 위해 요구되는 강성이 결핍될 것이고, 패드 마멸이 높아질 것이고 패드 수명이 단축된다. 유사하게, 셀 벽이 너무 두꺼우면, 효과적인 연마를 위한 적합한 구조가 결핍될 것이다. 이롭게는, 셀 벽은 20 내지 50 ㎛의 두께를 가진다. 두께에 더하여, 세포 벽이 필요한 경직성 또는 모듈러스를 가져서 적절한 연마력을 표적 기판, 예컨대, 웨이퍼에 전달하는 것과 동시에 낮은 결함 연마를 달성하기에 충분히 낮은 모듈러스를 갖는 것이 중요하다. 본 명세서의 목적 상, 모듈러스는 디메틸포름아미드 내에 중합체를 용해시키고, 용액을 유리 플레이트 위에 코팅하고, 용매를 승온에서 제거한 후, 건조된 코팅을 유리 플레이트로부터 제거하여 자립형 비다공성 필름을 남기고, 50 % 습도에서 25 ℃에서 5 일간 필름을 상태조절한 후, 얇은 필름 고정구를 사용하여 ASTM D5026-06 "플라스틱:동적 기계 특성을 위한 표준 시험 방법: 장력"에 따라 25 ℃의 온도에서 10/rad/초의 주파수에서 시험한 후에 측정된 물질의 인장 저장 모듈러스(E')를 나타낸다. 본 시험 방법을 통해서 10 내지 60 MPa의 저장 모듈러스는 낮은 흠결을 가진 우수한 연마 결과를 제공한다. 이롭게는, 벽은 10 내지 50 MPa의 저장 모듈러스를 가진다. 가장 이롭게는, 벽은 10 내지 40 MPa의 저장 모듈러스를 가진다. 10 MPa 미만의 저장 모듈러스에서, 공극 벽은 응집물 제조 방법의 기계적 응력에서 살아남기에 불충분한 강성을 가진다. 60 MPa를 초과하는 저장 모듈러스에서, 결함값이 요구되는 연마 가공에서 수용될 수 없는 수준으로 증가한다. 이로부터, 공극 벽 내의 중합체의 모듈러스와 연마 동안 발생되는 결함 수준 간의 관계가 존재한다.
공극의 1차 세트(대공극)에 더하여, 대공극 벽 내의 공극의 2차 세트(본원에서 미세공극으로도 칭해짐)는 추가적인 연마 이점들을 연마 패드에 제공한다. 공극의 2차 세트는 5 내지 30 ㎛의 평균 공극 크기를 가지고, 1차 공극보다 더 구형 형상을 가지는 경향이 있다. 본 명세서의 목적상, 2차 공극 크기는 2차 공극을 이분하는 연마 표면을 가로질러 자르는 대공극 셀 벽 내의 미세공극의 평균 직경을 나타낸다. 이롭게는, 2차 공극은 5 내지 25 ㎛의 평균 공극 크기를 가진다.
미세공극 크기에 더하여, 셀 벽은 이롭게는 10 부피% 이상이나 55 부피% 이하인 공극도를 가진다. 본 명세서의 목적상, 공극도는 2차 공극을 이분하는 연마 표면을 가로질러 자르는 세포벽을 500X로 확대한 주사 전자 현미경으로 셀 벽 내에서 가시적인 공극 분율을 나타낸다. 바람직하게는, 셀 벽은 이롭게는 20 부피% 이상이나 50 부피% 이하의 공극도를 가진다. 셀 벽은 가장 이롭게는 20 내지 40 부피% 정도의 공극도를 가진다. 더욱이, 공극 벽은 임의로 미세공극의 평균 크기의 2 내지 10 배 또는 바람직하게는 미세공극의 평균 공극 크기의 4 내지 10 배와 동일한 두께를 가진다.
용매/비용매 응집 기술에 의한 다공성 중합체 구조의 생성은 인조 가죽(예를 들어, 문헌[Encyclopedia of Polymer Science "LeatherLike Materials"]참고) 또는 합성 막(예를 들어, 문헌[Encyclopedia of Polymer Science "Membrane Technology"]참고)을 만드는데 다년간 사용되었다. 응집 가공에서, 용매 내의 중합체의 용액은 그 중합체에 대해 비용매인 용액에 첨가된다. 용액으로부터의 중합체 상은 분리되어 중합체 풍부(polymer-rich) 상 및 중합체 부족(polymer-poor) 상을 형성한다. 중합체 풍부 상은 공극 벽을 구성하고 중합체 부족 상은 공극 그들 자체이다. 중합체 화학 및 응집 조건을 조절함으로써, 상이한 적용분야를 위한 광범위한 각종 공극 구조를 생성하는 것이 가능하다. 용매 기반 중합체 용액을 사용한 다공성 구조를 생성하는 것에 더하여, 용매/비용매 교환이 아닌 가공들에 의해 수성 분산성 중합체 코팅물을 응집하는 것도 가능하다. 수성 중합체 분산체를 불안정화시키는 가능한 접근법은 pH 변화, 이온 세기 변화 및 온도 변화를 포함한다.
이멀젼 침전(immersion precipitation)으로 때때로 칭해지는 용매/비용매 응집에 더하여, 유사한 다공성 구조를 기타 기술에 의해 생성하는 것이 가능하다. 이들은 가공, 예컨대, 소결, 연신, 트랙 에칭, 형판 침출 및 상 반전을 포함한다. 후자는 용매 증발에 의한 침전, 증기 상으로부터의 침전, 제어된 증발에 의한 침전 및 열 침전을 포함한다. 상호연결된 공극의 다른 제조 방법은 초임계 유체의 사용 또는 저밀도 폼 기술을 사용하는 것에 의한 것이다.
실시예 :
표 1은 하기의 실시예에 설명된 패드의 성질들을 요약한다. 전체 패드 성질, 대공극에 대한 계측 자료, 연마 자료 및 다공질 연마 패드를 규정하는 각종 특징들에 대한 값을 포함한다. 실시예 1 내지 3은 상업적인-폴리우레탄 다공질 연마 패드의 비교예를 나타낸다. 실시예 4 내지 7은 상업적인 연마 패드보다 개선된 연마 성능을 증명하는 연마 패드를 나타낸다.
Figure pat00001
표 1에 대한 설명은 하기와 같다:
DMA 측정: 다공질 코팅물의 공극 벽을 형성하는 중합체의 인장 저장 모듈러스를 주조 필름의 동적 기계적 분석법에 의해 결정하였다. 이들을 디메틸포름아미드에 용해된 중합체를 유리 플레이트 위에 코팅하고, 승온에서 용매를 제거한 후 건조된 코팅물을 유리 플레이트로부터 제거하여 공기 방울 및 기타 미비점이 없는, 대략 300 미크론 두께의 자립형 필름을 남겨서 제조하였다. 필름을 50 % 상대 습도 및 25 ℃에서 5 일간 상태조절한 후, 인장 저장 모듈러스를 레오메트릭 사이언티픽TM(Rheometric ScientificTM) 고체 분석기 RSA III을 사용하여 측정하였다. 측정은 ASTM D5026-06 "플라스틱:동적 기계 특성을 위한 표준 시험 방법: 장력"에 따라 25 ℃의 온도에서 10/rad/초의 주파수에서 얇은 필름 고정구를 사용하여 장력에 대해 이루어졌다. 샘플은 20 mm 길이 × 6.5 mm 너비의 수치를 가졌다.
공극 계측 측정: 다공질 연마층의 표면에 존재하는 1차(대공극)을 니콘(Nikon) SMZ800TM현미경과 미디어 사이버네틱스®(Media Cybernetics®)에 의해 개발된 이미지-프로®(Image-Pro®) 소프트웨어를 사용하여 광학 현미경에 의해 특성화하였다. 수개의 공극 변수들을 소프트웨어에 의해 결정하였다. 이들은 측정 면적(A) 내에 존재하는 공극의 수(P); 각각의 공극의 평균 면적(MPA); 공극 직경; 및 공극의 분율을 포함한다. 이들 변수로부터, 각각의 공극 벽의 평균 두께(w)를 다음 공식을 사용하여 계산하였다:
w = (A/πP) 1/2 - ( MPA /π) 1/2
연마 조건: 모든 연마 자료들을 어플라이드 미라®(Applied Mirra®) 200 mm 연마기 위에서 연마된 20 인치(51 cm) 직경 패드를 사용하여 발생시켰다. 패드는 100 mil (2.5 mm) 피치(pitch), 30 mil (0.8 mm) 너비 및 15 mil (0.4 mm) 깊이의 수치를 갖는 크로스 해치(cross-hatch) 디자인으로 엠보싱되거나, 180 mil (4.6 mm) 피치, 30 mil (0.8 mm) 너비 및 15 mil (0.4 mm) 깊이의 수치를 갖는 크로스 해치 그루브 패턴(groove pattern)으로 기계가공되었다. 사용된 슬러리는 200 ml/분의 유속으로 다우 일렉트로닉 머테리얼즈에 의해 제조된 LK393c4이었다. 압반 및 캐리어 헤드 속도는 각각 93 rpm 및 87 rpm이었고, 하향력은 1.5 psi였다.
구리 및 유전체 제거 속도는 각각 블랭킷(blanket) Cu 및 TEOS 웨이퍼를 사용하여 측정하였다. 결함 계측 자료는 0.8 미크론 검출 한계에서 KLA SP1 블랭킷 웨이퍼 인스펙션 툴(Blanket Wafer Inspection Tool)을 사용한 블랭킷 Cu 웨이퍼로부터 결정된 후에, 비스텍 INS3300 레이카 결함 리뷰 현미경(Leica Defect Review Microscope)을 사용하여 검출 분류되었다.
실시예 1: 비교 패드 A ( 폴리텍스 TM CMP 연마 패드)
비교 패드 A는 반도체 웨이퍼를 연마하는데 수년간 널리 사용된 폴리우레탄 다공질 패드이다.
패드를 디메틸포름아미드(DMF) 내의 폴리우레탄 용액을 우레탄 함침된 부직물 폴리에스테르 펠트 기판 위에 코팅한 후, 이것을 비용매/용매 응집 배쓰에 침지시켜서 다공성 코팅물을 그 기판 위에 형성하여 만들었다. 헹구고 건조시킨 후에, 코팅된 기판을 연마지로 광을 내어서 스킨층을 제거하고 공극 구조를 노출시켰다. 그 후 패드를 엠보싱처리하여 연마층 내에 크로스-해치된 그루브 패턴을 생성하였다. 엠보싱된 그루브 패턴은 연마 동안 패드 표면을 가로지르는 슬러리 분산을 용이하게 했다.
비교 패드 A의 공극 구조는 거대한 수직 공극을 표 1에 제시된 치수로 포함했다. 공극들은 전형적으로 직경이 70 미크론이었고, 길이가 수 백 미크론(연마 표면에 평행한 횡단면에서 측정한 경우)이었다. 대부분의 공극들은 연마 표면을 향할수록 공극들이 더 좁아지게 테이퍼되었다. 이 테이퍼된 구조는 패드 마멸에 따라 변화하는 공극 밀도를 야기했고; 다양한 공극 밀도는 패드의 수명 동안 패드 표면이 풍화됨에 따라 일관되지 않은 연마 성능을 제공했다.
셀 벽들은 낮은 공극도를 가졌고, 5 내지 40 미크론의 요망되는 범위 내의 미세공극을 갖지 않았다. 존재하는 임의의 공극은 직경이 현저하게 5 미크론 미만이었고, 통상적으로 1 미크론 미만이었다. 대공극 계측 자료로부터, 앞서 설명한 방정식을 사용하여 공극 벽의 두께를 계산하는 것이 가능했다. 비교 패드 A에 대해, 계산된 공극 벽 두께는 20 미크론이었다. 이 값이 낮았기 때문에, 이는 더 높은 결함을 야기하는 웨이퍼 표면에 대한 과다한 접촉력에 기여했다. 공극 벽을 형성하는 중합체의 모듈러스는, 상술한 DMA 방법에 의해 측정되는 바와 같이, 71 MPa의 값을 가졌다. 이 값은 요망되는 것보다 높았고, 또한 연마 동안 더 높은 결함을 초래했다.
연마 자료 및 표 1의 조건에 따르면, 이 패드의 연마 성능은 낮은 결함 연마 적용분야를 위해 부적절했다. 예컨대, 결합 값은 과다했고, TEOS 제거 속도는 상업적인 웨이퍼 집적 구조를 위한 처리량 요건을 만족시키기에 너무 낮았다. 특히, TEOS:Cu 제거 속도 선택비는 개선된 낮은 결함 또는 미래 연마 요구를 위해서는 너무 낮았다.
실시예 2: 비교 패드 B ( H7000HN - PET , 후지보 ( Fujibo ))
비교 패드 B는 후지보 코포레이션에 의해 상표명 H7000HN-PET 하에 판매되는 반도체 웨이퍼를 연마하는데 사용되는 폴리우레탄 다공질 패드였다. 패드는 연마층이 폴리에스테르 필름 기판 위에 코팅되고, 제제에 첨가된 계면활성제, 예컨대, 디옥틸 소듐 술포숙시네이트를 포함하여 공극 구조를 제어한 것을 제외하고는 실시예 1에서 사용된 것과 유사한 공정에 의해 만들어진 것으로 나타난다. 비교 패드 B의 공극 구조는 비교 패드 A의 그것과 상이했다. 비교 패드 B는 거대한 대공극 및 대공극의 공극 벽 내의 더 작은 미세공극 모두로 구성된 공극 구조를 가졌다.
본 공극 구조의 일부 측면들이 낮은 결함 연마 적용의 요구에 적절하였지만, 비교 패드 B는 계면활성제를 폴리우레탄 제제에 첨가함으로써 이중 공극 구조를 달성하였다. 이들 계면활성제의 일부는 연마되는 장치의 전기적 성능을 위협할 수 있는 금속 이온, 예컨대, 소듐을 함유했고, 다른 계면활성제는 연마 동안 수용불가능한 폼 생성을 야기할 수 있다.
두번째로, 대공극 벽 내의 미세공극의 농도는 매우 높아서 셀 벽을 약화시켰고, 이는 높은 패드 마멸 및 감소된 패드 수명을 야기할 수 있다. 최종적으로, 표 1에서, 계산된 공극 벽 두께는 63 미크론임을 볼 수 있다. 따라서 공극 구조는 공극 그 자체의 직경에 견줄만한 치수를 갖는 벽에 의해 분리된 공극으로 구성된다. 이러한 공극 구조는 슬러리 전송 및 패드와 웨이퍼 간의 접촉력 모두에 악영향을 미치고, 더욱 요구되는 낮은 결함 연마 적용분야에 불충분했다.
실시예 3: 비교 패드 C ( SPM3100 TM )
비교 패드 C는 규소 웨이퍼를 연마시키는데 사용되는 다공질 패드였다. 패드는 다우 일렉트로닉 머테리얼즈에 의해 상표명 SPM3100 하에 제조되었다. 패드는 연마층이 폴리에스테르 필름 기판 위에 코팅된 것을 제외하고는 실시예 1에서 사용된 것과 유사한 공정에 의해 만들어졌다. 비교 패드 C가 거대한 및 작은 공극을 모두 가지는 적절한 공극 형태와 적절한 벽 두께를 가졌지만, 공극 벽 내의 중합체의 모듈러스는 낮은 결함도 연마를 위해서는 너무 높았다. 이 실시예는 공극 벽 내의 중합체의 모듈러스를 임계값 미만으로 제어하여 낮은 결함이 요구되는 연마 적용분야에 요구되는 매우 낮은 결함 수준을 달성할 필요성을 증명한다. 또한, TEOS:Cu 제거 속도 선택비는 개선된 저 결함 또는 미래의 연마 필요를 위해 수용불가능할 정도로 낮았다.
실시예 4: (필름 기재 기판)
폴리에틸렌프로필렌글리콜 아디페이트 폴리올(0.0102 몰) 및 부탄디올(0.0354 몰)의 혼합물과 디페틸메탄 디이소시아네이트(MDI)(0.0454 몰)을 반응시켜 DMF 내에서 폴리우레탄을 합성하여, 50,000의 중량 평균 분자량 및 1.6의 다분산도를 갖는 폴리우레탄을 형성하였다. 생성된 폴리우레탄 용액은 25 중량% 고형물에서 대략 3000 cP의 실온 점도를 가졌다. 제제 내에 계면활성제는 존재하지 않았다.
17 ℃에서 상기 폴리우레탄 용액의 75 mil (1.9 mm) 습윤-두께층을 7.5 mil (0.2 mm) 두께 폴리에스테르 필름 기판 위에 코팅하였다. 코팅된 필름을 17 ℃로 유지된 14.5 % DMF 및 85.5 % 물을 함유하는 배스에 침지하여 중합성 코팅물을 응집시키고 거대한 및 작은 공극을 모두 함유하는 다공성 미세구조를 형성했다.
헹굼 및 건조 후에, 코팅된 필름을 연마지로 광을 내서 스킨층을 제거하고 공극 구조를 노출시켰다. 그루브를 연마층 내에서 기계처리하여 180 mil 피치(4.6 mm), 15 mil 깊이(0.4 mm) 및 30 mil (0.8 mm) 너비의 공칭 치수를 갖는 크로스-해치된 그루브 패턴을 생성시켰다. 이들 그루브들은 연마 동안 패드 표면을 가로지르는 슬러리 분산을 용이하게 했다.
폴리우레탄 제제 및 응집 조건의 조합은 대공극 벽 내의 미세공극을 갖는 30 미크론의 평균 벽 두께를 갖는 대공극으로 구성되는 적절한 공극 형태를 초래한다. 미세공극들은 대략적으로 구형이고, 직경이 약 10 미크론이고 그들의 농도는 미세공극 사이에 연속적인 대공극 벽이 존재하도록 하는 것이었다. 따라서, 비교 패드 B에 존재하는 고농도의 겹치는 미세 공극과는 다르게, 본 실시예에서의 미세공극은 대공극 벽의 강도 또는 경직성을 위협하지 않았다.
폴리우레탄 다공질 이중 공극 구조는 각종 이점을 가진다. 먼저, 개선된 노드(node)를 연마하는데 요구되는 더 높은 값으로 TEOS 제거 속도를 증가시키는 역할을 하고, 더욱 중요하게는 바람직한 값으로 TEOS:Cu 제거 속도 선택비를 현저하게 증가시켰다. 표 1로부터, 실시예 4의 TEOS 제거 속도 및 TEOS:Cu 선택비는 실시예 1의 비교 패드 A에서 해당하는 값들보다 현저히 높았음을 볼 수 있다. 비교 패드 A에는 1차 공극 벽 내부에 2차 미세공극들이 결핍되었고 패드-웨이퍼 간극에서 슬러리를 고정하고 수송하는데 있어서 동일한 능력을 갖지 않았다. 실시예 2의 비교 패드 B가 미세- 및 대-공극도를 모두 가졌지만, 미세공극 농도 및 대공극 벽의 두께는 모두 웨이퍼와 패드 표면 사이의 최적화된 접촉 및 슬러리 수송을 유지하기에는 너무 높았다. 따라서, 비교 패드 B에 의해 달성된 TEOS 제거 속도는 요구되는 낮은 결함 연마 적용분야에 부적합했다.
실시예 4의 이로운 이중 공극 구조의 두번째 이점은 이것이 패드 마멸에 따른 연마 성능에서의 변화를 감소시킨다는 것이다. 대공극만을 가진 구조를 가진 패드, 예컨대, 실시예 1의 비교 패드 A에 대해서, 제거 속도에서의 변화는 연마 동안 패드가 마멸됨에 따라 발생했다. 이는 패드가 마멸됨에 따라, 공극 횡단면이 변화하도록 테이퍼된 횡단면을 갖는 대공극의 결과이다. 본 발명의 이로운 이중 공극 구조를 갖는 패드의 연마 자료는 패드 수명시간에 걸쳐서 패드 마멸에 따라, 거의 일정하게 유지되는 제거 속도, 또는 일관된 처리량을 확립했고 결함도 역시 변하지 않았다-상업적인 패드 A, B 및 C보다 현저한 장점.
실시예 4의 이중 공극 구조의 세번째 이점은 미세공극의 존재가 다이아몬드 상태조절에 의해 패드 표면 내의 텍스쳐를 생성시킬 필요를 감소시켰다는 것이다. 종래의 연마 패드에 대해, 연마 전에 또는 도중에 마모 다이아몬드 상태조절 디스크로 패드 표면을 상태조절하는 것이 관습적이다. 이 단계는 시간 소모적이고 값비싼 다이아몬드 상태조절 디스크를 구매할 필요가 있게 만든다. 연마 작업은 실시예 4의 구조를 갖는 패드는 연마 전에 또는 연마 동안, 만약 필요한다면, 최소한의 다이아몬드 상태조절을 필요로 하고, 단순하고, 비싸지 않은 나일론 브러쉬로의 패드 표면의 상태조절이 패드 수명에 걸쳐 낮은 결함도 및 안정한 제거 속도를 유지하는데 충분하다는 것을 보였다. 다이아몬드 상태조절의 제거 또는 적어도 최소화는 패드 마멸의 감소 및 증가된 패드 수명을 초래한다.
실시예 4의 이중 공극 구조의 네번째 이점은 연마 성능이 패드 표면 내로 기계가공되거나 엠보싱된 매크로그루브 디자인에 덜 의존적이 된다는 것이다. 매크로그루브는 연마 동안의 패드와 웨이퍼 사이의 정지마찰을 예방하고 패드-웨이퍼 간극에서의 슬러리 수송을 가능케 하기 위해 요구된다. 그러나, 종래의 연마 패드와 달리, 실시예 4의 패드의 매크로그루브 디자인 내의 변화는 연마 성능 상에 적은 효과만을 가졌다.
공극 벽 내의 중합체의 저장 모듈러스는 39 MPa였다. 이 값은 낮은 결함도 연마와 함께 효과적인 TEOS 제거 속도 및 3.5의 높은 TEOS:Cu 제거 속도 선택비 값을 제공했다. 실시예 4의 패드는 비교 패드 실시예 A, B 및 C의 결함 수준에 비하여 현저하게 낮은, 6의 매우 낮은 결함 계수 값(defect count value)을 가졌다.
실시예 5: ( 펠트 기재 기판)
폴리우레탄 용액의 75 mil 습윤-두께층을 17 ℃에서 실시예 4로 제조하였으나, 이를 폴리우레탄-함침된 부직물 폴리에스테르 펠트 기판 위에 코팅하였다. 다우 일렉트로닉 머테리얼즈에 의해 제조된 기판은 0.340 g/cm3의 밀도를 가졌고, 14 %의 압축성, 49 mil(1.2 mm)의 두께 및 49 쇼어 두(Shore DO)의 경도를 가졌다.
코팅된 펠트를 17 ℃에서 유지된 14.5 부피% DMF 및 85.5 부피% 물을 함유하는 배쓰에 침지하여 중합성 코팅물을 응집하고 거대한 및 작은 공극을 모두 함유하는 다공성 미세구조를 형성하였다. 헹굼 및 건조 후에, 코팅된 기판을 연마지로 광을 내서 스킨층을 제거하고 공극 구조를 노출하였다. 그 후 연마층을 엠보싱처리하여 100 mil 피치(2.5 mm), 15 mil 깊이(0.4 mm) 및 30 mil (0.8 mm) 너비의 공칭 치수를 갖는 크로스-해치된 그루브 패턴을 생성시켰다. 이들 엠보싱된 그루브 패턴은 연마 동안 패드 표면을 가로지르는 슬러리 분산을 용이하게 한다.
펠트 기판은 방울들이 통기성 펠트층을 통해 사라질 수 있기 때문에 공기 방울들이 연마 패드와 연마 장치의 압반 사이에 포획되지 않아서 불량한 연마 성능을 야기한다는 점에서 필름보다 이점을 가진다. 둘째로, 연마층이 필름에 도포되는 경우, 필름에의 연마층의 접착은 접착 본드의 세기에 의존한다. 일부 공격적인 연마 조건 하에서, 이 본드는 실패하여, 연마의 대재앙적인 실패를 야기할 수 있다. 펠트가 사용되는 경우, 연마층은 펠트 내로 일정 깊이로 실제로 침투하고 강하고, 기계적으로 상호체결된 계면을 형성한다. 실시예 4에 대조적으로, 실시예 5에서는 동일한 연마층이 필름 기판 대신에 폴리에스테르 펠트 위에 코팅된다. 폴리에스테르 펠트는 폴리에스테르 필름보다 훨씬 더 압축성이고 덜 강성이다. 연마층이 동일한 중합체 제제로부터 만들어지고 응집 조건이 실시예 4와 동일하기 때문에, 유사한 이중 공극 구조, 벽 두께 및 공극 벽 중합체 모듈러스 값이 실시예 5에서 달성되었다. 유일한 차이점은 기재 기판이었다. 표 1로부터, 실시예 5의 부직물 패드가 낮은 결함 값, 높은 TEOS 제거 속도 및 높은 TEOS:Cu 제거 속도 선택비를 달성했다는 것을 볼 수 있다.
본 실시예는 양호한 연마 성능은 또한 부직물 펠트 기재 기판으로도 얻어질 수 있다는 것과 필름에 비교하여, 공기 연행 및 접착제 본드 실패의 문제가 제거되었다는 것을 입증한다.
실시예 6: ( 펠트 기재 기판)
폴리우레탄 용액의 75 mil 습윤-두께층을 17 ℃에서 실시예 4로 제조하였고, 이를 폴리우레탄-함침된 부직물 폴리에스테르 펠트 기판 위에 코팅하였다. 다우 일렉트로닉 머테리얼즈에 의해 제조된 기판은 0.318 g/cm3의 밀도를 가졌고, 17 %의 압축성, 44 mil(1.1 mm)의 두께 및 39 쇼어 두의 경도를 가졌다.
코팅된 펠트를 실시예 5에 설명된 조건 및 동일한 가공 단계를 사용하여 연마 패드로 전환하였다.
실시예 6은 부직물 펠트 기판이 우수한 연마 성능을 발생시킨다는 것을 추가적으로 입증한다.
실시예 7:(필름 기재 기판)
DMF 내에서 폴리에틸렌프로필렌글리콜 아디페이트 (0.0117 몰) 및 부탄디올(0.0259 몰)의 혼합물과 디페틸메탄 디이소시아네이트(MDI)(0.0373 몰)을 반응시켜 40,000의 중량 평균 분자량 및 1.6의 다분산도를 갖는 폴리우레탄을 형성하여 폴리우레탄을 합성하였다. 폴리우레탄 용액을 필름 위에 코팅하였고, 실시예 4에 설명된 바와 같은 조건 및 동일한 가공 단계를 사용하여 연마 패드로 전환하였다.
실시예 7은 폴리우레탄 제제가 공극 벽 내의 중합체의 모듈러스를 감소시키도록 변형되었다는 점에서 실시예 4와 상이했다. 이중 공극 구조 및 공극 벽 두께를 포함하는, 연마 패드의 다른 측면들은 실시예 4의 연마 패드와 유사하게 유지되었다.
공극 벽 내의 중합체의 모듈러스와 연마 동안 생성된 결함의 수준 사이의 명백한 관계가 존재하였다. 따라서, 실시예 7 및 4를 비교하면, 공극 벽 내의 중합체의 모듈러스에 대한 값은 각각 17 및 39 MPa이고 결함 수준은 각각 2 및 6으로, 공극 벽 모듈러스의 감소가 결함을 줄인다는 것을 명백히 입증한다.
본 발명의 연마 패드는 종래의 다공질 연마 패드에 의해 달성되지 않은 다양한 이점들을 제공한다. 예컨대, 연마 패드의 이중 공극도는 높은 TEOS 제거 속도 및 높은 TEOS:Cu 제거 속도 선택비를 낮은 결함과 함께 용이하게 한다. 이에 더하여, 이중 공극도 연마 패드는 감소된 해제를 요구하고, 안정한 제거 속도를 제공하고; 이들 안정한 속도와 함께 감소된 상태조절을 달성한다. 본 패드는 제한된 마멸을 갖는 1,000 웨이퍼의 우수한 수명시간을 제공한다. 더구나, 직물 및 부직물 기판은 뛰어난 층간 접착성을 제공하고 공기 연행을 제거한다. 마지막으로, 연마 패드는 계면활성제-무함유이고 연마 동안 발포되거나, 유전체 및 낮은-k 유전체 내로 분산될 수 있어서 연마를 방해하는 알칼리 금속을 제공하지 않는다.

Claims (10)

  1. 다공성 연마층이 폴리우레탄 메트릭스 내에 이중 공극 구조를 가지고, 이중 공극 구조가 공극의 1차(primary) 세트를 가지고, 공극의 1차 세트가 공극 벽을 가지고, 공극 벽이 15 내지 55 ㎛의 두께, 25 ℃에서 측정한 때 10 내지 60 MPa의 저장 모듈러스를 가지고, 공극 벽 내에 공극의 2차 세트를 함유하고, 공극의 2차 세트가 5 내지 30 ㎛의 평균 공극 크기를 가지며, 여기에서 다공성 연마층이 중합성 필름 또는 시트 기판에 고정되거나 직물 또는 부직물 구조 내에 형성되어서 연마 패드를 형성하는, 다공성 연마층을 포함하는 자성, 광학적 및 반도체 기판 중 하나 이상을 연마하는데 유용한 연마 패드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 1차 공극이 35 ㎛ 이상의 평균 직경을 갖는 연마 패드.
  3. 제1항에 있어서, 공극 벽의 횡단면이 10 내지 55 %의 공극도를 갖는 연마 패드.
  4. 제1항에 있어서, 상기 공극 벽이 미세공극의 평균 공극 크기의 2 내지 10 배와 동일한 두께를 갖는 연마 패드.
  5. 제1항에 있어서, 상기 폴리우레탄 메트릭스가 계면활성제-무함유 응집 구조인 연마 패드.
  6. 다공성 연마층이 폴리우레탄 메트릭스 내에 이중 공극 구조를 가지고, 이중 공극 구조가 공극의 1차 세트를 가지고, 공극의 1차 세트가 공극 벽 및 40 ㎛ 이상의 평균 직경을 가지고, 공극 벽이 20 내지 50 ㎛의 두께, 25 ℃에서 측정한 때 10 내지 50 MPa의 저장 모듈러스를 가지고, 공극 벽 내에 공극의 2차 세트를 함유하고, 공극의 2차 세트가 5 내지 25 ㎛의 평균 공극 크기를 가지며, 여기에서 다공성 연마층이 중합성 필름 또는 시트 기판에 고정되거나 직물 또는 부직물 구조 내에 형성되어서 연마 패드를 형성하는, 다공성 연마층을 포함하는 자성, 광학적 및 반도체 기판 중 하나 이상을 연마하는데 유용한 연마 패드.
  7. 제6항에 있어서, 상기 공극 벽의 저장 모듈러스가 25 ℃에서 측정한 때 10 내지 40 MPa인 연마 패드.
  8. 제6항에 있어서, 상기 공극 벽의 횡단면이 20 내지 50 %의 공극도를 갖는 연마 패드.
  9. 제6항에 있어서, 상기 공극 벽이 미세공극의 평균 공극 크기의 4 내지 10 배와 동일한 두께를 갖는 연마 패드.
  10. 제6항에 있어서, 상기 폴리우레탄 메트릭스가 계면활성제-무함유 응집 구조인 연마 패드.
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