KR20120003197A - 강 내식성 ｃｍｐ용 다이아몬드공구 - Google Patents

강 내식성 ｃｍｐ용 다이아몬드공구 Download PDF

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윤소영
오정훈
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이화다이아몬드공업 주식회사
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Abstract

본 발명은 화학적 기계적 연마(CMP: chemical mechanical polishing) 공정에 사용되는 CMP 용 다이아몬드공구에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 부식성이 강한 슬러리를 사용하는 CMP 공정에서 사용되는 다이아몬드공구의 내식성을 향상시켜 다이아몬드입자의 탈락을 방지할 수 있는 강 내식성 CMP용 다이아몬드공구에 관한 것이다.

Description

강 내식성 ＣＭＰ용 다이아몬드공구{Diamond tool having strong corrosion- resistance for CMP}
본 발명은 화학적 기계적 연마(CMP: chemical mechanical polishing) 공정에 사용되는 CMP 용 다이아몬드공구에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 부식성이 강한 슬러리를 사용하는 CMP 공정에서 사용되는 다이아몬드공구의 내식성을 향상시켜 다이아몬드입자의 탈락을 방지할 수 있는 강 내식성 CMP용 다이아몬드공구에 관한 것이다.
반도체 공정이 미세화되고 칩의 크기가 작아짐에 따라 적층 구조를 이루게 됨으로써 CMP 기술을 이용한 평탄화 공정은 뒤이은 photolithography 와 film deposition의 공정의 정확도를 위해 그 중요성이 더욱 커지고 있다. 이러한 CMP공정은 산 또는 염기성 용액에 의한 화학적 식각과 함께 입자에 의한 기계적 연마의 작용을 동시에 가지게 된다.
CMP 기술을 이용한 평탄화공정을 살펴보면, 회전되는 정반(Platen)위에 연마 패드를 부착하고 캐리어(Carrier)가 연마대상 물체인 웨이퍼를 잡고 그 패드 위에 슬러리(Slurry;연마액)를 공급하면서 웨이퍼를 잡고 있는 캐리어에 압력을 가한 상태에서 정반과 캐리어를 서로 상대 운동시켜 연마하는 가공방법이다.
따라서, 평탄화를 위한 CMP 공정 구성은 웨이퍼가 장착되는 "head"와 같은 방향으로 회전하는 "pad" 그리고 그 사이에 나노 크기의 연마입자 등이 포함된 "slurry"가 있다.
특히 패드는 웨이퍼의 배선이나 코팅 층을 평탄화 시켜주는 폴리우레탄계를 사용하게 된다. 이 패드는 시간이 지남에 따라 패드에 존재하는 구멍들을 슬러리가 막는 즉, 눈 막힘 현상에 의하여 연마능력이 현저하게 떨어진다. 이때 연마능력을 복원시키기 위해 다이아몬드공구를 사용하게 되는데 이러한 다이아몬드공구를 컨디셔너 또는 드레서라고도 한다.
일반적으로 다이아몬드의 공구는 보통 스테인레스강 또는 탄소강 재질의 금속몸체 위에 다이아몬드를 니켈 전기도금에 의해 부착시키거나, 또는 금속몸체와 다이아몬드 사이에 금속이나 합금을 용융시켜 이들을 서로 부착시킴으로써 제작된다. 통상 전자를 전착법 또는 전기도금법이라 하고, 후자를 융착법 또는 브레이징법이라 한다. 이 때 금속몸체 위에 다이아몬드를 부착시키는 물질을 금속 본드(bond) 또는 결합재라 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 다이아몬드란 용어는 인조 및 천연 다이아몬드입자, 입방정질화붕소(cBN, cubic boron nitride)입자, 탄화실리콘(silicone carbide)입자 및 알루미나(alumina)입자를 포함하는 초연마재, 또는 이들 중 둘 이상의 혼합물을 의미한다.
최근에는 반도체 기술이 발전함에 따라 산화물을 평탄화하는 공정뿐만 아니라 그 회로가 텅스텐이나 구리와 같은 금속배선을 위한 평탄화 공정도 등장 하였다. 이에 따라 슬러리의 종류도 다양하게 변하였으며, 강한 부식성을 갖는 슬러리도 사용하게 되었다.
이와 같이 강한 부식성을 띄는 슬러리의 등장으로 기존 컨디셔너의 도금 층이 부식 및 침식되어 다이아몬드가 탈락되는 문제가 발생하여 CMP 공정에서 스크래치를 유발시키는 문제점이 발생하였다.
이의 발생을 막기 위하여 니켈도금 층상에 팔라듐, 로듐등과 같은 귀금속 도금을 이용하여 니켈도금 층과 슬러리의 직접적인 접촉을 막아 부식을 억제 시키는 방법을 사용한다.
특히 국내특허 출원번호 10-2004-0010266호는 샹크층(4)의 상단에 다이아몬드(1)가 본드층(3)에 의해 부착된 반도체 CMP 패드용 콘디셔너의 내식성을 향상시키기 위하여 팔라디움-니켈 또는 팔라디움-코발트 합금을 코팅하거나 그 합금층 코팅층 상단에 크롬을 복층으로 코팅하는 다이아몬드 콘디셔너를 개시하고 있으나, 상기 특허 또한 도금 두께의 한계가 있어 완벽한 방법이 되지 못하고 있으며, 더욱 스크래치에 강하며 내식성이 강한 코팅방법을 요구하고 있다.
본 발명자는 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위해 연구 노력한 결과 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 백금족 원소와 비금속원소의 합금을 사용하여 코팅층을 형성함으로써 공지된 제한된 두께보다 더 두껍게 코팅이 가능하므로 강한 부식성 슬러리로 인해 생기는 본딩층의 부식을 효과적으로 방지할 수 있는 강 내식성 다이아몬드공구를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 3중 코팅층을 형성하여 다이아몬드를 부착하고 있는 본딩층을 보호함으로써 강한 부식성 슬러리가 사용되는 CMP공정에서 다이아몬드공구의 다이아몬드가 탈락되는 현상이 방지되므로 웨이퍼 등과 같은 피연마물의 스크래치를 방지할 수 있는 강 내식성 다이아몬드공구를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 우수한 내식성을 갖는 코팅층을 통해 다이아몬드공구의 수명을 연장시킬 수 있는 강 내식성 다이아몬드공구를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 금속기판 상에 도금되어 형성된 니켈 본딩층에 의해 다수의 다이아몬드가 부착된 다이아몬드 공구에 있어서, 상기 니켈본딩층 상에 니켈합금으로 도금되어 형성된 제1코팅층; 상기 제1코팅층 상에 팔라듐합금으로 도금되어 형성된 제2코팅층; 및 상기 제2코팅층 상에 크롬으로 도금되어 형성된 제3코팅층을 포함하는 강 내식성 다이아몬드공구를 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1코팅층의 니켈합금 및 상기 제2코팅층의 팔라듐합금 중 어느 하나 이상이 인(P)과의 합금이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 니켈합금 또는 팔라듐합금에 포함되는 인의 함유량은 1 내지 15중량%이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1코팅층의 두께는 3 내지 7um이고, 상기 제2코팅층의 두께는 0.5 내지 5um이며, 상기 제3코팅층의 두께는 0.01 내지 1.5um이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1코팅층의 두께는 4 내지 6um이고, 상기 제2코팅층의 두께는 1 내지 2um이며, 상기 제3코팅층의 두께는 0.5 내지 1um이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 금속기판 상에 형성된 전체 도금층의 두께는 120 내지 160um이고, 상기 제1코팅층 내지 제3코팅층의 합산두께가 전체 두께의 4 내지 10%이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 금속기판 상에 형성된 전체 도금층의 두께는 125 내지 135um이고, 상기 제1코팅층 내지 제3코팅층의 합산두께가 전체 두께의 4 내지 6%이다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 갖는다.
먼저, 본 발명의 강 내식성 다이아몬드공구는 백금족 원소와 비금속원소의 합금을 사용하여 코팅층을 형성함으로써 공지된 제한된 두께보다 더 두껍게 코팅이 가능하므로 강한 부식성 슬러리로 인해 생기는 본딩층의 부식을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 강 내식성 다이아몬드공구는 3중 코팅층을 형성하여 다이아몬드를 부착하고 있는 본딩층을 보호함으로써 강한 부식성 슬러리가 사용되는 CMP공정에서 다이아몬드공구의 다이아몬드가 탈락되는 현상이 방지되므로 웨이퍼 등과 같은 피연마물의 스크래치를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 강 내식성 다이아몬드공구는 우수한 내식성을 갖는 코팅층을 통해 다이아몬드공구의 수명을 연장시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 강 내식성 다이아몬드 공구 일부에 대한 개략 단면도.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 본 발명을 설명하기 위해 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
본 발명의 기술적 특징은 다이아몬드 공구의 몸체를 이루는 금속기판 상에 다수의 다이아몬드가 도금되어 형성된 니켈 본딩층에 의해 부착되는데, 상기 본딩층을 강 부식성 슬러리가 사용되는 환경에서 보호하기 위한 코팅층을 백금족 원소와 비금속원소의 합금으로 형성함으로써 3중으로 구성하였을 뿐만 아니라 코팅층의 두께를 공지된 제한두께보다 더 두껍게 하여 강 내식성을 갖도록 한 것이다.
따라서, 본 발명은 금속기판 상에 도금되어 형성된 니켈 본딩층에 의해 다수의 다이아몬드가 부착된 다이아몬드 공구에 있어서, 상기 니켈본딩층 상에 니켈합금으로 도금되어 형성된 제1코팅층; 상기 제1코팅층 상에 팔라듐합금으로 도금되어 형성된 제2코팅층; 및 상기 제2코팅층 상에 크롬으로 도금되어 형성된 제3코팅층을 포함하는 강 내식성 다이아몬드공구를 제공한다. 경우에 따라서는 제2코팅층은 팔라듐으로 형성할 수도 있다.
이와 같이 최상층에 경도가 높은 크롬으로 도금된 제3코팅층을 형성함으로써 슬러리로부터 생기는 스크래치와 부식발생을 1차적으로 막아주고, 2차적으로 발생하는 부식을 팔라듐합금으로 된 제2코팅층 및 니켈합금으로 된 제1코팅층을 통해 막을 수 있다. 각 코팅층은 공지된 전기도금법 또는 무전해도금법을 통해 형성된다.
여기서 제1코팅층의 니켈합금 및 상기 제2코팅층의 팔라듐합금 중 어느 하나 이상이 인(P)과의 합금인데, 니켈합금 또는 팔라듐합금에 포함되는 인의 함유량은 1 내지 15중량%인 것이 바람직하다.
또한, 코팅층이 백금족 원소인 니켈 또는 팔라듐과 비금속원소인 인의 합금으로 형성되므로, 제1코팅층의 두께는 3 내지 7um, 바람직하게는 4 내지 6um이고, 제2코팅층의 두께는 0.5 내지 5um, 바람직하게는 1 내지 2um이며, 제3코팅층의 두께는 0.01 내지 1.5um, 바람직하게는 0.5 내지 1um일 수 있다.
그 결과, 금속기판 상에 형성된 전체 도금층(니켈본딩층+제1코팅층+제2코팅층+제3코팅층)의 두께는 120 내지 160um이고, 도 1에 도시된 바와 같이 제1코팅층 내지 제3코팅층의 합산두께가 전체 두께의 4 내지 10%이거나, 바람직하게는 금속기판 상에 형성된 전체 도금층의 두께는 125 내지 135um이고, 도 1에 도시된 바와 같이 제1코팅층 내지 제3코팅층의 합산두께가 전체 두께의 4 내지 6%이다.
이　때, 각 코팅층의 두께는 다수의 실험을 통해 실험적으로 결정된 것으로 두께가 하한 값 미만이 되면 내식성이 떨어지고, 상한 값을 초과하게 되면 표면 층의 균열 발생 및 도금층 박리현상이 발생될 위험성이 커진다.
실시예 1
공지된 다이아몬드 전착방법으로 니켈도금을 통해 직경이 4인치인 디스크형 금속기판 표면에 다수의 다이아몬드를 부착시키는 본딩층(약 139um두께)을 형성하였다. 그 후 전기도금법을 통해 본딩층 상에 니켈-인 합금(인 함량 15중량%)도금을 4um 두께로 수행하여 제1코팅층을 형성한 다음, 제1코팅층 상에 팔라듐-인 합금(인 함량 1중량%)도금을 1um 두께로 수행하여 제2코팅층을 형성하였다. 형성된 제2코팅층 상에 크롬도금을 0.8um로 수행하여 제3코팅층을 형성함으로써 강 내식성 다이아몬드공구1(제1코팅층 내지 제3코팅층의 두께가 전체 합산두께의 약 4%)을 제조하였다.
실시예 2
제1코팅층의 두께를 6um로 형성하고, 제3코팅층을 0.5um로 형성한 것을 제외하면 실시예1과 동일한 방법으로 강 내식성 다이아몬드공구2를 제조하였다.
실시예 3
제2코팅층의 두께를 1.5um로 형성한 것을 제외하면 실시예1과 동일한 방법으로 강 내식성 다이아몬드공구3을 제조하였다.
실시예 4
제2코팅층의 두께를 1.5um로 형성한 것을 제외하면 실시예2와 동일한 방법으로 강 내식성 다이아몬드공구4를 제조하였다.
실시예 5
제2코팅층의 두께를 2um로 형성한 것을 제외하면 실시예1과 동일한 방법으로 강 내식성 다이아몬드공구5을 제조하였다.
실시예 6
제2코팅층의 두께를 2um로 형성한 것을 제외하면 실시예2와 동일한 방법으로 강 내식성 다이아몬드공구6을 제조하였다.
비교예 1
제1코팅층의 두께를 2um로 형성한 것을 제외하면 실시예1과 동일한 방법을 수행하여 비교예 다이아몬드공구1을 제조하였다.
비교예 2
제1코팅층의 두께를 8um로 형성한 것을 제외하면 실시예1과 동일한 방법을 수행하여 비교예 다이아몬드공구2를 제조하였다.
비교예 3
제2코팅층의 두께를 1.5um로 형성한 것을 제외하면 비교예1과 동일한 방법을 수행하여 비교예 다이아몬드공구3을 제조하였다.
비교예 4
제2코팅층의 두께를 1.5um로 형성한 것을 제외하면 비교예2와 동일한 방법을 수행하여 비교예 다이아몬드공구4를 제조하였다.
비교예 5
제2코팅층의 두께를 2um로 형성한 것을 제외하면 비교예1과 동일한 방법으로 비교예 다이아몬드공구5를 제조하였다.
비교예 6
제2코팅층의 두께를 2um로 형성한 것을 제외하면 비교예2와 동일한 방법으로 비교예 다이아몬드공구6을 제조하였다.
비교예 7
공지된 다이아몬드 전착방법으로 니켈도금을 통해 직경이 4인치인 디스크형 금속기판 표면에 다수의 다이아몬드를 부착시키는 본딩층(약 150um두께)을 형성하였다. 그 후 전기도금법을 통해 본딩층 상에 팔라듐-니켈 합금(니켈 함량 10중량%)도금을 2.5um 두께로 수행하여 제1코팅층을 형성하였다. 형성된 제2코팅층 상에 크롬도금을 0.8um로 수행하여 크롬코팅층을 형성함으로써 비교예 다이아몬드공구7을 제조하였다.
실험예 1
실시예3에서 제조된 강 내식성 다이아몬드 공구3과 비교예 7에서 얻어진 비교예 다이아몬드공구7을 대상으로, CMP 공정에서 사용 중인 부식성이 강한 텅스텐 슬러리를 이용하여 약 300시간 동안 침적 시킨 후에 20시간마다 부식 유무를 관찰 하였고 그 결과를 표 1에 나타내었다. 부식 정도는 다음과 같은 기준으로 평가 하였다.
50시간 이내 부식 발생: 불량
50 내지 100시간 이내 부식 발생: 내식성 부족
100 내지 200시간 이내 부식: 우수
200 내지 300시간 이내 부식: 매우 우수
구분 본딩층 제1코팅층 제2코팅층 제3코팅층 결과
강내식성 다이아몬드공구3 ○ ○ ○ ○ 매우 우수
비교예
다이아몬드공구7		 ○ ○ ○ 내식성부족
표1로부터 이중 코팅된 비교예 다이아몬드공구7과 비교할 때 삼중 코팅된 본 발명의 강내식성 다이아몬드공구1의 내식성이 매우 우수한 것을 알 수 있다.
실험예 2
실시예1 내지 실시예6에서 얻어진 강내식성 다이아몬드공구1 내지 6 및 비교예1 내지 비교예6에서 얻어진 비교예 다이아몬드공구1 내지 6을 대상으로 실험예1과 동일한 방법으로 부식실험을 수행하였고 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
표 2 로부터 제1코팅층의 두께가 3um 미만이면 내식성이 부족하고, 7um를 초과하게 되면 코팅층의 균열이 발생하여 내식성이 불량함을 알 수 있다.
Figure pat00001
따라서, 제1코팅층의 코팅두께는 3 내지 7um일 수 있는데, 바람직하게는 4 내지 6um이고 보다 바람직하게는 5 내지 6um이다.
구체적으로 도시하지는 않았지만 제2코팅층 및 제3코팅층의 두께 또한 상술된 실험과 동일한 방법을 반복적으로 수행하여 결정하였다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (7)

  1. 금속기판 상에 도금되어 형성된 니켈 본딩층에 의해 다수의 다이아몬드가 부착된 다이아몬드 공구에 있어서,
    상기 니켈본딩층 상에 니켈합금으로 도금되어 형성된 제1코팅층;
    상기 제1코팅층 상에 팔라듐합금으로 도금되어 형성된 제2코팅층; 및
    상기 제2코팅층 상에 크롬으로 도금되어 형성된 제3코팅층을 포함하는 강 내식성 다이아몬드공구.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1코팅층의 니켈합금 및 상기 제2코팅층의 팔라듐합금 중 어느 하나 이상이 인(P)과의 합금인 것을 특징으로 하는 강 내식성 CMP용 다이아몬드공구.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 니켈합금 또는 팔라듐합금에 포함되는 인의 함유량은 1 내지 15중량%인 것을 특징으로 하는 강 내식성 CMP용 다이아몬드공구.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1코팅층의 두께는 3 내지 7um이고, 상기 제2코팅층의 두께는 0.5 내지 5um이며, 상기 제3코팅층의 두께는 0.01 내지 1.5um인 것을 특징으로 하는 강 내식성 CMP용 다이아몬드공구.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1코팅층의 두께는 4 내지 6um이고, 상기 제2코팅층의 두께는 1 내지 2um이며, 상기 제3코팅층의 두께는 0.5 내지 1um인 것을 특징으로 하는 강 내식성 CMP용 다이아몬드공구.
  6. 제 1 항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속기판 상에 형성된 전체 도금층의 두께는 120 내지 150um이고, 상기 제1코팅층 내지 제3코팅층의 합산두께가 전체 두께의 4 내지 10%인 것을 특징으로 하는 강 내식성 CMP용 다이아몬드공구.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 금속기판 상에 형성된 전체 도금층의 두께는 125 내지 135um이고, 상기 제1코팅층 내지 제3코팅층의 합산두께가 전체 두께의 4 내지 6%인 것을 특징으로 하는 강 내식성 CMP용 다이아몬드공구.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20210008713A (ko) * 2019-07-15 2021-01-25 신한다이아몬드공업 주식회사 Ｃｍｐ 패드 컨디셔너 제조방법 및 이를 이용한 ｃｍｐ 패드 컨디셔너

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KR20210008713A (ko) * 2019-07-15 2021-01-25 신한다이아몬드공업 주식회사 Ｃｍｐ 패드 컨디셔너 제조방법 및 이를 이용한 ｃｍｐ 패드 컨디셔너

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