KR20120037373A - 틸팅된 표면 피쳐를 형성하기 위한 화학적 기계적 제조방법 - Google Patents

틸팅된 표면 피쳐를 형성하기 위한 화학적 기계적 제조방법 Download PDF

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KR20120037373A
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라지브 케이. 싱하
푸루쇼탐 쿠마르
디피카 싱하
아룰 차카라바티 아르주난
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신메트, 잉크
유니버시티 오브 플로리다 리서치 파운데이션, 인크.
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Abstract

틸팅된 표면 피쳐를 구비하는 제품을 형성하기 위한 화학적 기계적 제작(CMF) 방법이 제공된다. 2개의 상이한 층 조성물을 포함하는 패터닝된 표면 또는 하나 이상의 돌출 또는 함몰 피쳐, 또는 양쪽 모두를 구비하는 평편하지 않은 표면을 구비하는 기판이 제공된다. 패터닝된 표면은 슬러리 조성물을 가지는 연마패드와 접촉되며, 하나 이상의 틸팅된 표면 피쳐를 형성하기 위하여 연마되는 표면의 부위는 다른 부위에 비하여 보다 빠른 연마속도로 연마된다. 틸팅된 표면 피쳐는 3도에서 85도까지의 표면 틸팅 각도, 3 nm rms 보다 작은 표면 조도를 가지는 적어도 하나의 표면 부위를 포함한다. 틸팅된 표면 피쳐는 최대 높이(h)를 형성하는 CMF 후 고위영역(post-CMF high elevation portion)과 CMF 후 저위영역(post-CMF low elevation portion)을 가지며, 틸팅된 표면 피쳐는 최소 횡방향 치수(r)을 형성하며, h/r 은 0.05 이상이다.

Description

틸팅된 표면 피쳐를 형성하기 위한 화학적 기계적 제조방법{Chemical mechanical fabrication(CMF) for forming tilted surface features}
개시된 실시예들은 다양한 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing, CMP) 공정과, 그로부터 틸트된 표면 피쳐(tilted surface features)를 가지는 제품에 관한 것이다.
지난 수십년 동안, CMP는 유리 연마 기술로부터 표준 집적회로(IC) 제작 기술로까지 성장해왔다. 금속 인터커넥트(interconnect)를 형성하기 위해 적절한 구리 제거 기술을 제공하고, 차세대 리소그래피 공구(lithographic tool)에 필요한 플래터 웨이퍼 표면(flatter wafer surface)을 제공함으로써, CMP는 ICs의 소형화를 이루도록 한다. CMP는 트렌치 아이소레이션(trench isolation), 인터레벨 유전체(inter-level dielectric, ILD) 평탄화, 로컬 텅스텐 인터커넥트(local tungsten interconnect), 그리고 구리 다마신(copper damascene)에서와 같이 처음 및 마지막 공정 모두에 사용된다.
또한, CMP는 실질적으로 손상이 없는 기판을 제공하기 위하여, SiC 및 GaN을 포함하는 광대역 갭(wide band gap) 반도체와 같이, 비실리콘 반도체 물질의 웨이퍼 평탄화에 적용되고 있다. CMP 분야에서의 연구 및 개발은 반도체 산업에 기본적으로 필요한 더 나은 국부적 및 전체적 웨이퍼 평탄화, 보다 낮은 결함과 실질적으로 손상이 없는 표면을 달성하는데 중점을 두어 왔다. 따라서, CMP는 화학적 기계적 평탄화와 동의어가 되어왔다. 디싱(dishing) 및 모서리 라운딩(rounding)(부식으로 알려져 있음)과 같은 비평탄화 현상은 CMP에서는 바람직하지 못한 결함으로 분류되고, 그러한 결함을 줄이거나 제거하기 위하여 상당한 노력이 행해져 왔고 계속되고 있다.
예컨대, 디싱은 대부분 기계적 힘의 결과물로서 알려져 있는데, 디싱을 줄이기 위하여 감소된 기계적 힘(예컨대, 패드 압력)이 가해진다. 또한 마모성 입자는 디싱을 줄이기 위해 어떤 슬러리에서는 제거되어 왔다(통상, 마모성 없는 연마(abrasive-free polishing, AFP)라고 지칭됨). 일반적으로 CMP 공정 동안 심각한 디싱 조건하에 생성된 피쳐의 최악 경우의 종횡비(aspect ratio)는 겨우 0.005 이다.
본 발명은 틸팅된 표면 피쳐를 형성하기 위한 화학적 기계적 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
적어도 하나, 일반적으로는 복수의 틸팅된 표면 피쳐를 가지는 제품을 형성하기 위한 화학적 기계적 제조(CMF) 방법과, 그로부터 제작된 틸팅된 표면 피쳐를 가지는 제품에 대해, 본 발명의 실시예가 기재되어 있다. CMF는 화학적 기계적 연마 공정으로서, CMP의 변형이다. CMP에서, 형성된 표면은 통상적으로 전체에 걸쳐 실질적으로 평편하고, 따라서 본질적으로 피쳐가 없는 표면이다. 이에 반하여, CMF는 틸팅된 표면 피쳐를 형성한다.
본 발명의 실시예는 일반적으로 패터닝된 표면을 가지는 기판을 제공하는 단계를 포함한다. CMF 공정 동안 “패터닝된” 표면은 평편한 표면일 수 있으며, “패턴(pattern)”은, 여기서 조성물적으로 패터닝된 것으로 지칭되는, 표면의 상이한 면적상의 상이한 조성물(상이한 연마 속도를 가지는)만을 지칭한다. 상이한 조성물로 이루어진 2개 이상의 층은 1.5 보다 큰 연마 선택비(selectivity)를 제공하고, 20에서 100까지와 같이, 20보다 큰 연마 선택비를 제공할 수 있다.
또한, 패터닝된 표면은 적어도 하나의 CMF 전(pre-CMF) 돌출 또는 함몰 피쳐를 포함하는 평편하지 않은 표면일 수 있다. 돌출 또는 함몰 피쳐 실시예에서, 돌출 또는 함몰 피쳐는 제1 조성물을 포함하고, CMF 전 고위영역과 CMF 전 저위영역을 구비한다. CMF 전 고위영역과 CMF 전 저위영역 사이의 수직거리(높이)는 10 nm 이상이다. CMF 전 고위영역은 중앙부위와 모서리부위를 포함한다. 본 실시예에서 CMF 전 고위영역은, CMF 전 고위영역과 연마패드 사이에 슬러리 조성물을 구비하는 연마패드와 접촉된다. 슬러리 조성물은 중앙부위 및 모서리부위로 이동되며, 적어도 하나의 틸팅된 표면 피쳐를 형성하기 위하여 모서리부위는 중앙부위의 연마속도와 비교하여 더 빠른 연마속도로 연마된다. 틸팅된 표면 피쳐는 3도에서 85도까지의 표면 틸팅 각도와 10 nm rms 보다 작은 표면조도를 가지는 하나 이상의 표면부위를 포함한다.
조성물적으로 패터닝된 실시예에서, 패터닝된 표면은 2개 이상의 상이한 조성물로 구성된다. 선택적 연마 공정을 제공하면서, 하나의 조성물의 연마 속도는 다른 조성물의 연마 속도와 상이하다. 보다 낮은 연마 속도를 가진 조성물은 연마 저지층을 포함한다. 표면은 마스크로 패터닝 될 수 있다. 마스크된 영역에서의 연마속도는 마스크 되지 않은 영역과 비교될 때 상이한 연마속도를 가져, 틸팅 표면이나 CMF 표면을 생성하게 된다. 이 경우, 평편한 표면은 평편하지 않고 틸팅된 표면으로 변경될 수 있다.
표면 조도는 평편하거나 평편하지 않은 표면 상의 평균 높이와 무작위로 선택된 높이 차이를 측정한다. 여기에 사용된, 조도의 평균 높이는 3 이상 100 이하의 조도 파장에 대해 무작위로 선택된 표면 조도 형상의 평균에 기초한 평균평방근(root mean square) 값으로 계산되는데, 1-50 nm 의 범위에 속한다. 조도의 파장과 조도의 평균 높이는 Veeco Dimension 5000(Veeco Instruments Inc. Plainview, NY)와 같은 임의의 표준 원자력 마이크로스코프로 측정될 수 있다. 개시된 실시예에 의해 생성된 피쳐의 평균 표면 조도는 통상 10 nm rms 조도보다 작다. 예컨대, 2 nm rms 조도보다 작거나, 1 nm rms 조도보다 작다.
본 발명에 따른 화학적 기계적 제조방법에 따르면, 틸팅된 표면 피쳐를 효과적으로 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따라, 연마 시간의 함수로서 피쳐의 높은 높이에서 낮은 높이(또는 봉우리로부터 골짜기까지)(Rpv)까지의 그래프를 나타내는데, 이 그래프는 CMP에 대한 CMF 연마 시간 구역을 정의한다.


도 2는 연마시간의 함수로서 Rpv의 그래프를 나타내는데, 이 그래프는 본 실시예에서 CMP에 대한 CMF 구역을 정의하며, 최소 Rpv값은 10nm 아래로 도달하지 못한다,


도 3 내지 도 18은 대칭 표면(도 3 내지 도 7), 비대칭 표면(도 8 내지 도 12), 음의 곡률반경 표면(도 13)를 포함하여, 본 발명의 실시예에 따른 CMF 방법에 의해 제작될 수 있는 틸팅된 표면 피쳐의 예들을 나타낸다. 도 13은 복수의 함몰 또는 틸팅된 표면 피쳐, 양의 곡률반경 표면(L)을 포함하는 제품으로서 식별될 수 있으며, 도 14는 복수의 돌출 또는 틸팅된 표면 피쳐, 혼합된 곡률반경 표면(도 15), 혼합된 구조(도 16 내지 도 18)를 포함하는 제품으로 식별될 수 있다.


도 19 내지 도 21은 본 발명의 실시예에 따라, CMF의 과소 연마 영역을 사용하여 얻어질 수 있는 몇 개의 예시적인 피쳐 형상들을 나타낸다. 실선은 제공된 구조를 나타내고, 점선은 CMF 에 대한 시간이 증가함에 따라 도출되는 구조를 나타낸다.


도 22는 본 실시예에서 초기 피쳐 형상(실선)과 CMF 후 피쳐 형상(점선)을 나타낸다. 여기서 연마 저지층은 피쳐의 고위 상부 부위의 중앙 부위에 근접되게 위치한다.


도 23은 공정 시간의 함수로서 봉우리 대 골짜기 높이(Rpv)의 그래프이다. 이 그래프는 본 발명의 한 실시예에 따라, 연마 저지층에 대하여 CMP에 대한 CMF 구역을 정의하는 그래프이다.


도 24 및 도 25는 본 실시예에서 초기 피쳐 형상(실선)과, 다양한 시간에 대한 CMF 후의 피쳐 형상(점선)을 보여준다. 여기서, 본 발명의 실시예에 따라 연마 저지층은 피쳐의 상부의 모서리 부위에 근접하게 위치한다, 도시된 바와 같이 본 실시예는 비대칭 피쳐를 생성한다.


도 26 및 도 27은 본 발명의 한 실시예에 따라 표면을 연마함으로써 얻어진, 상이한 폭과 상이한 연마 속도(다른 물질에 대한 한 물질의 연마 선택비), 그리고 CMF 전(실선) 후(점선)의 피쳐 형상을 포함하는 표면을 가지는 각각의 물질의 그림을 보여준다. ‘H’로 도시된 깊이는 CMF 구조의 높이를 가리킨다.


도 28 및 도 29는 본 실시예에서 CMF 전(실선) 후(점선)의 피쳐 형상을 나타낸다. 여기서, 시작 구조는 연마 동안에 상이한 제거 속도를 가지는(따라서 선택비를 제공하는) 2개의 물질을 포함하는 실질적으로 평편한 표면(Rmax < 1nm)이다. 도 30은 본 발명의 한 실시예에 따라 CMF 구역 동안의 시간을 보여주는 Rpv 대 시간의 그래프를 나타낸다.


도 31 및 도 32는 본 발명의 한 실시예에 따라, CMF 전, 후의 구조의 그림을 나타낸다.


도 33은 CMF 처리 후 구조의 그림인데, 양 및 음의 곡률반경 구조의 형성을 입증하고 있다. 도 34는 본 발명의 실시예에 따라 횡방향 치수를 따라 양 및 음의 곡률반경 표면의 높이를 수량화 한 그래프이다.


도 35는 본 발명의 한 실시예에 따른, 습식 에칭에 의해 형성된 표면 피쳐를 가지는 기판의 그림과, 표면을 따라 높이를 수량화 한 그래프이고, 도 36은 표면을 따라 높이를 수량화 한 그래프와 함께 CMF 이후 도출된 구조를 나타낸다.


도 37은 본 발명의 한 실시예에 따른, 음의 곡률반경 마이크로렌즈 구조의 그림이고, 도 38은 도 37에 도시된 음의 곡률반경 마이크로렌즈 구조의 표면을 따라 높이를 수량화 한 그래프이다.
본 발명의 실시예들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되며, 유사하거나 동등한 구성요소를 지시하는데 도면 전체를 통하여 동일한 번호가 사용된다. 도면은 축척이 맞게 도시되지는 않았으며, 단순히 특정의 특징들을 설명하기 위하여 제공된다. 본 개시물의 여러 측면들이 설명의 목적으로 예시적인 적용예를 참조하여 아래에 기술되어 있다. 본 개시물에 있어 발명의 충분한 이해를 제공하기 위해 다양한 상세사항, 관련사항, 방법들이 설명되고 있음이 이해되어야 한다. 그러나 본 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 하나 이상의 상세사항 또는 다른 방법 없이도 본 발명의 실시예를 실시할 수 있음은 즉각 이해될 것이다. 다른 경우에 있어, 공지의 구조나 작용은 본 발명의 요지를 흐리는 것을 방지하기 위하여 상세하게 설명되지 않을 것이다. 본 발명의 실시예들은 설명된 행위 또는 사건의 순서에 의해 제한되지 않으며, 어떠한 행위가 다른 순서로 및/또는 다른 행위 또는 사건과 함께 발생할 수도 있다. 또한, 설명된 모든 행위 또는 사건이 본 개시에 따른 방법을 실시하기 위하여 요구되는 것은 아니다.
상술된 바와 같이, CMF는 CMP의 변종이다. 통상의 CMP에서, 형성된 표면은 통상 전체면에 걸쳐 실질적으로 평편하므로 본질적으로 피쳐가 없는(featureless) 표면이다. 여기에 정의된 대로, 실질적으로 평편한 표면(통상의 CMP 공정에 의해 제공되는 것과 같은)은 표면 피쳐(feature)가 없거나, 최대 2도의 틸트 각도, 0.005보다 작은 피쳐 h/r 비를 가지는 표면 피쳐로 특징된다. 여기서, “h”는 피쳐 높이/수직거리를 지칭하고, “r”은 배치된 피쳐들을 위한 최소 횡방향 거리를 지칭하며, h는 변한다(즉, 평편하지 않음). 반대로, 본 발명의 실시예에 따른 CMF 방법에 의해 제공되는 패터닝된 표면은 적어도 하나의 틸팅된 표면 피쳐를 포함하는데, 상기 틸팅된 표면 피쳐는 3-85도 범위의 틸팅 각도(보통은 10-82도 범위)와 0.05보다 큰 피쳐 h/r 비를 제공하는 적어도 하나의 표면 부분을 가진다.
패터닝된 표면에 영향을 끼치는 CMF 에 의해 제공된 피쳐 형상은 대칭이거나 대칭이 아닌(비대칭/복합(asymmetric/complex)) 형상일 수 있다. 개시된 피쳐가 대칭일 때는, 피쳐는 단일의 최소 횡방향 치수“r”를 가진다. 개시된 피쳐가 비대칭이고 복수의“r” 치수를 가질 때는, 여기에 사용된 바와 같이, 최소 횡방향 치수 “r”은 r1, r2,… 값 중 가장 작은 값이다.
만일 피쳐가 2차원 상에서 삼각형인 피라미드와 같이 대칭이라면, h는 전체 횡방향 거리 “2r”에 걸쳐 변화한다. 만일 대칭인 피쳐가 평편한 상부(planar top)를 포함한다면, 평편한 상부를 가로지르는 횡방향 거리는 h가 피쳐의 상부에서 일정하므로 r 값에 기여하지 않는다. 만일 피쳐 형상이 비대칭/복합 형상인 경우, 피쳐의 전체 치수는 r1+r2, r1+r2+r3 와 같이 2개 이상의 상이한 r 값의 합이다. 또한 “h”도 다른 값일 수 있다(비록 하나의 값을 가지는 h1만이 보여지고 있지만).
구조에서 상이한“h”값들에 대해서는, 여기에 사용된 바와 같이, 가장 큰“h”값이 사용된다.
상술된 바와 같이, 개시된 실시예에서 피쳐의 h/r 비는 일반적으로 5 이상이다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 CMF 공정에 의해 제공되는 틸팅된 표면 피쳐는 표면 형성 공정 및 장치와, 그로부터 형성된 제품을 포함하는 새로운 적용예들을 개척한 것이다.
패터닝된 기판과 표면은 다양한 물질을 포함할 수 있다. 패터닝된 표면을 위한 예시적 물질은 유리, SiC, GaN, 카바이드, 질화물, 사파이어, 산화물, 광학적으로 투명하고 전기적으로 전도성인 산화물, 또는 형광체(phosphor)를 포함할 수 있다.
CMP와 함께 여기에 기술된 바와 같은 CMF에 의해 형성된 피쳐는 피쳐의 외부 표면(outer surface)에 형성된 표면 조성물을 변하게 만들지 않는다. 따라서, 외부 표면의 조성물과, 피쳐의 외부 표면 아래로 1nm 부터 시작하는 것으로 여기에 정의된 하면(sub-surface)의 조성물은 모두 동일한 조성을 가진다. 반대로, 반응성 이온 에칭(reactive ion etching, RIE)에 의해 형성된 피쳐는, RIE 공정 동안에 화학 반응 때문에 기판 조성물과 상이한 외부 표면을 가지는 피쳐를 형성하는 것으로 알려져 있다.
또한, CMF에 의해 형성된 피쳐는 스크레치, 전위(dislocation), 표면의 비정질화(amorphization), 표면 피트(pit), 화학 에칭 결함 생성과 같은 미세구조적 손상을 발생시키지 않는다. 따라서, 표면의 미세구조적 품질은 하면 영역과 동일하거나 더 낫다. RIE와 같은 기술은 표면에 피트와 결함 예컨대, 표면의 비정질화를 야기할 수 있으므로, 벌크로부터 표면 및 하면 미세구조를 변경한다. CMF가 형성한 표면은 GaN, 사파이어, AIN(이에 국한되지 않음)과 같은 단결정 물질에 원자적으로 테라스 표면(terraced surface)을 나타낼 수 있다. 이러한 피쳐는 RIE 방법에 의해서는 발견되지 않는다.
틸팅된 표면 영역은 틸팅을 가지는 평편한 표면 또는 평편하지 않은(곡선의) 표면일 수 있다. 평편한 표면에 대해서, 기판 표면에 대한 틸팅 각도는 일정하며(도 5 참조), 구부러진 표면에 대해서는(도 7 참조) 틸팅 각도는 변수이며, 기판으로의 투영 각도에 의해 정의된 바와 같이(반구의 경우 평편한 기판 표면이 됨), 0도에서 90도까지 변할 수 있다. 구부러진 표면의 경우, 구부러진 표면 피쳐의 곡률반경은 일반적으로 10nm 에서 5,000 마이크론이다. 다른 실시예에서, 형성된 구조는 3도에서 85도까지 고정된 틸팅 각도 영역과, 0도에서 90도까지 변하는 틸팅 각도 영역의 조합일 수 있다.
통상의 CMP 동안, 물질 제거속도는 적용 압력, 선속, 연마 매개물(패드와 슬러리)의 특성, 및 웨이퍼 물질을 포함하는 공정 변수에 의존한다. 이 중, 적용 압력과 패드의 속성은 CMP 동안 접촉 압력에 통상 상당한 영향을 미치는 유일한 매개변수이다. 웨이퍼 상의 임의의 위치에서 물질 제거는 통상 접촉 압력에 비례한다.
본 발명자는 피쳐가 없는 평편한 웨이퍼와, 높고 낮은 높이의 피쳐를 가진 웨이퍼에 대해 접촉 압력이 균일한 동안 접촉 압력은 웨이퍼 면적에 따라 상당히 변할 수 있다는 것을 인지하였다. 본 발명자는 적절한 접촉 시간 동안 적용 압력 하에 적절한 강성 특성을 가진 연마 패드를 웨이퍼와 결합시키면 웨이퍼 상의 피쳐를 따라 패드의 변형을 가져온다는 것을 인지하였다. 접촉 압력과 제거 속도에서의 이러한 변화는 CMF 가 다양한 피쳐 형상을 가지는 제품을 형성하도록 본 발명의 제1 실시예에 의해 사용된다. 아래에 기술되는 바와 같이, 연마 접촉 시간은 공정 시간의 경계를 벗어난다. 공정 시간 내에서 연마된 표면은 평편한 표면으로 고려될 수 있다.
틸팅된 표면 피쳐를 가지는 제품을 형성하는 CMF 방법은 적어도 하나의 돌출 또는 함몰 피쳐를 포함하는 패터닝된 표면을 가지는 기판을 제공하는 단계를 포함한다. 돌출 또는 함몰 피쳐는 CMF 전 고위영역(pre-CMF high portion)과 CMF 전 저위영역(pre-CMF low portion)을 가지는 제1 조성물을 포함한다. 여기서 CMF 전 고위영역과 CMF 전 저위영역 사이의 수직 거리(높이)는 10nm 이상이고, CMF 전 고위영역(예컨대, 피쳐의 꼭대기)은 중앙 영역과 모서리 영역을 포함한다.
돌출/함몰 피쳐의 CMF 전 고위영역의 중앙 영역과 모서리 영역이 슬러리 조성물을 가지는 연마 패드와 그들 사이에서 접촉된다. 중앙 영역에서의 접촉 압력은 에지 영역에서보다 낮다. 슬러리 조성물은 돌출/함몰 피쳐에 대하여 이동된다. 여기서 모서리 영역은 적어도 하나의 틸팅된 표면 피쳐를 형성하기 위하여 중앙 영역의 연마 속도에 비하여 보다 빠른 연마 속도로 연마한다. 틸팅된 표면 피쳐는 3도에서 85도의 표면 틸팅 각도와, 5nm rms 보다 작은 표면 조도를 가지는 적어도 하나의 표면 영역을 포함한다. 표면 조도는 2nm rms 보다 작을 수 있는데 예를 들면, 1nm rms 보다 작다. 어떤 실시예에서는, 기판이 단결정 기판을 포함할 때, 표면 조도는 0.5nm rms 보다 작은데, 예컨대 0.3 nm rms 보다 작다. 틸팅 표면 피쳐 형상의 한 예시는 마이크로렌즈이다(도 14 참조).
본 발명의 한 실시예에 따라 틸팅된 표면 피쳐를 생성하는 시간은 평탄화에 도달하기 위한 시간으로부터 측정될 수 있다. 도 1은 본 발명의 한 실시예에 따라, 공정 시간의 함수로서 피쳐의 높고 낮은(또는 봉우리로부터 골짜기까지) 높이(Rpv)의 그래프를 보여준다. 이 그래프는 시간이 진행됨에 따라 결과적으로 나타내는 구조물 진행의 절단 단면을 묘사하고 CMP에 대한 2개의 CMP 영역을 정의한다(점선). CMF를 사용하여 연마된 피쳐는 단층 구조이거나 다층 구조(예컨대, 다마신 처리된(damascened) 유전체층 상의 구리)일 수 있다.
도 1은 CMF 에서 연마시간(t)이 t<t0 또는 t>t1 일 수 있음을 설명한다. t<t0 은 평탄화 이전이고, CMP 공정 동안에 “과소 연마(under-polish)”라고 지칭되고, 그리고 t>t1 은 평탄화 이후이며, CMP 공정 동안에 “과다 연마(over-polish)”라고 지칭된다. 상술된 바와 같이, 평탄화된 표면은 h/r < 0.01 로서 정의된다. Rpv 는 이들 두 CMF 시간 영역에서 10nm 보다 크고, 통상의 CMP 공정 동안은 10nm 보다 작은 것을 볼 수 있다. 과소 연마된 영역에서는, 만일 Rpv 는 CMF 공정이 진행됨에 따라 형성된 피쳐의 높이에 기초한다면, 초기값으로부터 감소한다. 과다 연마된 영역에서는 디싱(dishing)이 발생하여 CMP 시간 영역으로부터 얻어진 실질적으로 평탄화된 구조가, 2개 이상의 표면 조성물이 동시에 연마될 때(피쳐 물질은 기판 물질과 상이) 발생하는 증가된 디싱 때문에 연마시간이 진행함에 따라 증가하는 Rmax 를 가지도록 한다. 그러나 만일 표면이 단일 표면 조성물(피쳐 물질이 기판 물질과 동일)을 포함하면, 표면은 일반적으로 과다 연마 동안에 평편하게 존재하고, 따라서 틸팅된 표면 피쳐를 형성하는데 일반적으로 유용하지 않다.
본 실시예의 다른 변형예에서, 연마 후 피쳐의 높은 영역과 낮은 영역 사이의 높이 차이는 평탄화 구역 값(피쳐의 높은 영역과 낮은 영역 사이의 높이차로 정의되는데 10nm 보다 작은)에 도달하지 못할 수 있다. 도 2는 연마시간의 함수로서 피쳐의 높은 영역과 낮은 영역의 그래프를 나타내는데, 이 그래프는 본 실시예에서 CMP에 대한 CMF 구역을 정의하며, 최소 Rpv 값은 10nm 아래로 도달하지 못한다. 이러한 경우에, CMP 구역은 연마시간에 의해 정의되는데, 이때 표면은 Rmin + 2nm 의 높이를 가지며, 여기서 Rmin 은 연마 공정 동안 도달된 높은 영역과 낮은 영역 사이의 최소 높이 차이로 정의된다. 평탄화 구역(CMP에 의해 표시)에 들어가는 시간은 t0 로 다시 정의된다. 만일 표면이 2개의 비유사한 연마 표면 조성물을 포함하지 않는다면(기판과 피쳐를 위한 단일의 조성물 표면), 제품은 연마 공정이 지속되는 동안 CMP 구역에 존재할 것으로 기대될 수 있다. 만일 연마 표면이 상이한 연마 속도를 가지는 2개 이상의 상이한 조성의 비유사 물질로 이루어져 있으면, 이러한 효과 때문에 새로운 지형도(topographies)가 생성될 것으로 예상된다. 이 경우, 피쳐의 높은 영역과 낮은 영역 사이의 높이 차이는 다시 10nm를 초과하고 물질은 비평탄화(deplanarized) 될 것으로 예상된다.
물질이 CMP 구역을 빠져나가는 시간이 도 2에 t1으로 표시되어 있다. 이러한 영역에서 본 실시예에 의한 입자의 제작은 t>t1 동안 발생한다. 통상, 제품의 제작은 t0-1 초보다 작거나, t1+1 초보다 큰 연마 시간을 이용한다. 연마 시간은 t0-3 초보다 작거나, t1+3 초보다 클 수 있다. 또 다른 실시예에서, 연마 시간은 t0-6 초보다 작거나, t1+6 초보다 클 수 있다. 다른 실시예에서 연마시간은 0과 t0-1.5초 사이이거나, t1+6초와 t1+250분 사이이다.
어떠한 적용예에서는, 낮은 표면 조도와 줄어든 하면 손상을 가지는 것이 바람직하다. 구부러지거나 틸팅된 표면을 생성하는 알려진 방법은 에칭 마스크를 관통하는 반응성 이온 에칭(RIE), 적절한 화학물질을 사용하여 에칭 마스크를 관통하는 화학적 에칭, 또는 와이어 소오(wire saw)와 같은 기계 소오를 사용하는 레이저 또는 부분 커팅을 가진 에칭을 포함한다. 다른 알려진 방법은 이온 빔 패터닝에 중점을 둔, 마스크를 관통하는 이온 빔 에칭을 포함한다. 이러한 기술은 틸팅된 표면을 생성하는데 한정된 능력을 가지고 수직처럼 보이는 표면 피쳐를 제공하기에 적합하다. 이러한 기술은 단결정, 다결정, 비정질 물질에 대하여 3nm rms 보다 높은 표면 조도를 통상 생성한다. RIE, 기계적 절단, 또는 레이저 절단 또한 표면 아래로 적어도 10nm 이상 연장될 수 있는 심각한 하면 손상을 일으킬 수 있다. 하면 손상은 기판을 패터닝하기 위한 외부 공정의 결과로서 원자가 원래의 위치로부터 변위되는 것으로 정의된다. 표면 손상과 표면 조도의 크기는 통상 공정 시간이 길어짐에 따라 증가한다. 반대로, 본 발명의 실시예는 어떠한 측정 가능한 저면 손상(최대 5nm 미만)을 만들지도 않으며 통상적으로 다른 공정에 의해 생성된 손상을 제거한다. 저면 손상은 지표각 엑스레이 회절(grazing angle X-ray diffraction)과 음극선발광(CL) 기술로 측정될 수 있다.
한 실시예에서, 패터닝된 CMF 전 표면을 형성하기 위해 리소그래프 프린트 패턴과 함께 RIE가 사용된다. 수 마이크론보다 큰 깊이를 위해 거의 수직으로 벽이 세워진 트렌치(trench)를 에칭함으로써, RIE는 수직으로 벽이 세워진(기판 표면에 대하여 거의 90도) 돌출 피쳐를 형성할 수 있는 것으로 알려져 있다. 여기서, 높은 부분은 에칭되지 않은 영역에 상응하고 낮은 부분은 에칭된 트렌치 또는 경유 영역이다. 이러한 수직 또는 거의 수직인 벽은 상술된 RIE 외에도 몇 개의 기술로 생성될 수 있다. 피쳐의 높이는 일반적으로 50nm 에서 1,000nm 까지 변동될 수 있으며, 피쳐의 횡방향 치수는 일반적으로 50nm 에서 2,000nm 까지 변동될 수 있다.
패터닝된 표면은 금속, 세라믹, 절연체, 반도체, 폴리머를 포함할 수 있으며, 또는 생물학적 물질을 포함할 수 있다. 특정 예들은, 금속 물질(예컨대 Mo), 강과 같은 금속 합금, 산화인듐 주석(Indium tin oxide)과 같은 투명한 전도성 산화물(transparent conducting oxide), 다른 산화물, 황화물, 텔루라이드(telluride), 다른 절연체 또는 III-V 물질(예: GaAs, GaN, AlN)과 같은 반도체, IV 그룹 반도체(예: Si, SiC, Ge, SiGe), II-VI 물질(예: ZnS, ZnSe, ZnTe), Ta, GaN, SiNx, SiOx, SiOxNy, 사파이어, 알루미나, TiO2, ZnS, Ta2O5, 유리, 강, Mo, ZnO, 산화주석, CdTe, CdS, 실리콘, CIGS(copper indium gallium selenide), 산화물과 스피넬(spinels)과 갈레트(gallates)와 황화물(sulfides)로 구성된 발광체(phosphors), PMMA와 같은 폴리머, 폴리스티렌, 폴리카프라락톤(polycapralactone), 폴리락틱애씨드(polylactic acid)/폴리갈락틱애씨드(polygalactic acid)를 포함한다. 물질 시스템은 합성물 또는 혼합물일 수 있고, 또한 실리콘 기저 장치에서 구리 인터커넥터의 형성과 유사한, 함몰 또는 다마신(recessed or damascene) 구조를 가질 수 있다. 물질 시스템은 표면 층 아래에 다른 조성물의 층을 가질 수 있다. 상술된 물질은 단지 작은 수의 고체를 나타내고 있으며 본 발명의 실시예의 범위는 상술된 재료에 국한되지 않는다.
CMF 공정에 사용되는 압력은 일반적으로 0.1 psi 에서 50 psi 까지 변할 수 있다. 보다 통상적으로, CMF 동안의 압력은 1 psi 에서 20 psi 까지, 예를 들면 2 psi 에서 15 psi 까지 변할 수 있다. CMF 동안 선속도는 0.001 m/sec 에서 50 m/sec까지, 예를 들면 0.01 m/sec 에서 5 m/sec까지 변할 수 있으며, 통상 0.1 m/sec 부터 2 m/sec 까지 변할 수 있다. 패드의 예는 소프트 패드로부터 하드 패드까지 변할 수 있다. 패드의 예로는 Rohm and Haas Company, Delaware 가 만든 Politex and Suba IV, IC 1000 패드와 Cabot Microelectronics, Illinois 가 만든 D_100 패드를 포함한다. 다른 예는 울, 직물과 같은 자연소재와 인공소재로 제작된 패드를 포함한다. 보통, 보다 높은 곡률반경은 보다 소프트한 패드에 의해 달성될 수 있고, 보다 작은 곡률반경은 보다 하드한 패드에 의해 달성될 수 있다. CMF를 위한 온도는 0 ℃ 부터 150 ℃ 까지, 예컨대 실온(25℃) 부근에서 변동될 수 있다. 실온과 비교하여 보다 높은 온도에서 연마속도가 더 높을 수 있는데, 이는 제작 공정 동안에 바람직할 수 있다. 또한, 보다 높은 온도에서, 기계적 연마패드는 더 소프트 해 질 수 있는데, 이는 더 높은 곡률반경 구조를 가져올 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 CMF 에 사용된 연마속도는 0.1 nm/min 에서 20 마이크론/min 까지, 예컨대 1 nm/min 에서 1 마이크론/min 까지 변동될 수 있다. 연마속도는 슬러리 화학물과 연마 공구의 연마 매개변수(속도, 패드 압력)에 의해 조절될 수 있다.
CMF 공정용 슬러리 화학물은 몇 개의 화학물질 및/또는 마모제를 포함할 수 있다. 화학물질은 산화제, 계면활성제(surfactants), 염(salts), 살충제(biocides), pH 완충제(pH buffering agent), 킬레이트제(chelating agents)를 포함할 수 있다. 입자는 실리카, 세리아, 티타니아, 다이아몬드, 알루미나, 실리콘 니트라이드, 다이아몬드, 지르코나, 산화이트륨(yttria), 및 불용성 산화물 및 전이금속 화합물을 포함할 수 있다. 코팅되거나 코팅되지 않은 입자가 일반적으로 사용될 수 있다. 입자의 농도의 일반적으로 0.001에서 50 중량 퍼센트까지 변동될 수 있다. 입자의 크기는 일반적으로 0.5nm에서 1mm까지 변동될 수 있다. 상술된 입자는 단지 예시적으로 입자들을 제시하는 것으로, 본 발명의 실시예의 범위는 여기에 개시된 입자에 국한되지 않는다.
연마 조성물은 일반적으로 산화제를 포함하는데, 연마 조성물은 연마될 기판의 하나 이상의 물질에 적합할 수 있다. 산화제는 질산암모늄화세륨(cerium ammonium nitrate), 과황화칼륨(potassium persulfate), 포타슘 퍼옥시 모노 설페이트(potassium peroxy monusulfate), 할로겐(halogens), H2O2, 산화물(oxides), 요오드산염(iodates), 염소산염(chlorates), 브롬산염(bromates), 과요오드산염(periodates), 과염소산염(perchlorates), 과황산염(persulfates), 인산염(phosphates), 이들이 혼합물(예를 들면, 황산염(sulfates), 인산염(phosphates), 과황산염(persulfates), 과요오드산염(periodates), 과염소산염(perchlorates), 크롬산염(chromates), 망간산염(manganates), 시나나이드(cynanides), 탄산염(carbonates), 아세테이트(acetates), 질산염(nitrates), 아질산염(nitrites), 구연산나트륨(citrates of sodium), 칼륨(potassium), 칼슘(calcium), 마그네슘(magnesium))에서 선택될 수 있다. 연마 조성물에 존재하는 산화제는 일반적으로 0.001 wt% 이상일 수 있다.
연마 조성물의 pH 는 일반적으로 0.5부터 13.5까지 변동될 수 있다. 연마 조성물의 실제의 pH는 일반적으로 혼합물의 타입과 연마될 피쳐 물질의 타입에 일부 의존한다. 조성물의 pH 는 pH 조정제(adjuster), 버퍼 또는 이들의 조합에 의해 달성될 수 있다. pH 는 임의의 유기 또는 무기산 그리고 유기 또는 무기 베이스를 사용하여 조절될 수 있다.
연마 조성물은 알데히드(aldehydes), 케톤(ketones), 카복실산(carboxylic acid), 에스테르(ester), 아미드(amide), 에논(enone), 아실 할라이드(acyl halide), 산무수물(acid anhydride), 요소(urea), 카르바미산염(carbamates), 아실 클로라이드 파생물(derivatives of acyl chlorides), 클로로포르메이트(chloroformates), 포스겐(phosgene), 카보네이트 에스테르(carbonate esters), 티오에스테르(thioesters), 락톤(lactones), 락탐(lactams), 하이드록사메이트(hydroxamates), 이소시안산 에스테르(isocyanates), 알코올(alcohols), 글리콜산염(glycolates), 락테이트(lactates)와 같은 킬레이트제(chelating agent) 또는 착화제(complexing agent)를 포함할 수 있다. 착화제는 금속 오염물을 제거하고 연마속도를 향상시킬 수 있는 임의의 적절한 화학 첨가제이다. 킬레이트제는 아크릴 폴리머 아스코르브산(Acrylic polymers Ascorbic acid), BAYPURE？ CX 100 테르라소듐 이미노디석시네이트(tetrasodium iminodisuccinate), 시트르산(Citric acid), 디카복시메틸글루타믹 액시드(Dicarboxymethylglutamic acid), 에틸렌디아민디석시닉 액시드(Ethylenediaminedisuccinic acid)(EDDS), 에틸렌디아민테트라아세틱 액시드(Ethylenediaminetetraacetic acid)(EDTA), 디에틸렌 트리아민 펜타(diethylene triamine penta)의 헵타 소듐 솔트(Hepta sodium salt)(메틸렌 포스포닉 액시드(methylene phosphonic acid))(DTPMP Na7), 말릭 액시드(Malic acid), 니트릴로트리아세틱 액시드(Nitrilotriacetic acid)(NTA), 무극성 아미노산(Nonpolar amino acid)(예컨대, 메티오닌(methionine), 옥살산(Oxalic acid), 인산(Phosphoric acid)), 극성 아미노산(Polar amino acid)(아르기닌(arginine), 아스파라긴(asparagines), 아스파트산(aspartic acid), 글루탐산(glutamic acid), 글루타민(glutamine), 라이신(lysine), 오르니틴(ornithine)를 포함), 사이드로포어(Siderophores)(예컨대, 디스페리옥사민 B(Desferrioxamine B), 석신산(Succinic acid), 벤조트리아졸(benzotriazole)(BTA), 타르타르산염(tartrates), 숙신산(succinates), 시트로산염(citrates), 프탈레이트(phthalates), 카복실레이트(carboxylates), 아민(amines), 알코올(alcohols), 말산염(malates), 에데테이트(edentates)) 일 수 있다.
슬러리 조성물은 유기 또는 무기 산 및 베이스로부터 형성될 수 있는 염을 포함할 수 있다. 염은, 암모늄(ammonium) NH4 +, 칼슘(calcium) Ca2+, 철(iron) Fe2+, Fe3+, 마그네슘(magnesium) Mg2+, 포타슘(potassium) K+, 피리디늄(Pyridinium) C5H5NH+, 4차 암모늄(Quaternary ammonium) NR4 +, 소듐(sodium) Na+, 구리(copper)와 같은 양이온과, 아세톤(Acetone) CH3COO-, 카보네이트(carbonate) CO3 2-, 클로라이드(chloride) Cl-, 클로레이트(chlorate), 페르클로레이트(perchlorate), 브로마이드(bromide), 요오드화물(iodide), 플루오르화물(fluoride), 과옥소산염(periodates), 시트로산염(citrate) HOC(COO-)(CH2COO-)2, 시안화물(cyanide) C≡N-, 하이드록사이드(Hydroxide) OH-, 질산염(Nitrate) NP3 -, 아질산염(Nitrite) NO2 -, 산화물(Oxide) O2 -(물), 인산염(Phosphate) PO4 3-, 황산염(Sulfate) SO4 2-, 프탈레이트(pthalate)와 같은 음이온(anion)을 포함할 수 있다.
입자 또는 불용성 물질의 다른 실시예에서, 슬러리 조성물의 함량은 0.01 wt% 보다 작다. 상술된 산화제, 계면활성제(surfactants), 염(salts), 살충제(biocides), pH 완충제(pH buffering agent), 킬레이트제(chelating agents) 이외에도 슬러리 조성물은 본 기술분양에서 알려진 마모성 기저 슬러리에 사용되는 다른 화학작용제(chemical agent)를 포함할 수 있다. CMF 표면은 입자, 화학약품 등으로부터 표면을 깨끗하게 하기 위하여 추가적으로 조치될 수 있다. 또한 화학약품은 표면을 화학적으로 더 에칭하기 위하여 사용될 수 있다.
평편하지 않거나 틸팅된 표면 피쳐는 일반적으로 0.05 보다 큰, 예컨대 0.1 보다 크거나, 0.20 보다 큰 h/r 비를 가진다. 평편하지 않거나 틸팅된 표면 피쳐의 최소 횡방향 크기 r 는 50 nm 보다 크거나, 500nm 보다 크다. 예컨대 5 마이크론 보다 크다. 또한, 양의 곡률반경과 음의 곡률반경과 혼합된 곡률반경을 가진 표면들이 제작될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 공정에 의해 형성된 구조의 형상은 마이크로렌즈, 반구, 절단되거나(truncated) 전체 피라미드, 및 콘을 포함한 많은 형태를 가질 수 있다. 평편하지 않거나 또는 틸팅된 표면 피쳐들 사이의 피쳐 간 거리는 일반적으로 100 nm 에서 1,500 마이크론(1.5mm)까지 변동될 수 있다.
평편하지 않거나 또는 틸팅된 표면 피쳐는 도 3 내지 도 18에 도시된 바와 같이, 그들의 h/r 비에 의해 정의될 수 있다. 도 3 내지 도 18은 각각 대칭 표면(도 3 내지 도 7), 비대칭 표면(도 8 내지 도 12), 양의 곡률반경 표면(도 13), 음의 곡률반경 표면(도 14), 혼합된 곡률반경 표면(도 15), 혼합된 구조(도 16 내지 도 18)를 포함하며, 본 발명의 실시예에 따른 CMF 방법에 의해 제작될 수 있는 틸팅된 표면 피쳐의 예들을 나타낸다. 각각의 경우에서, 표면들 중 적어도 하나는, 높이(h) > 10 nm, 0.05에서 1.0까지 변하는 h/r 비(여기서, r은 횡방향 치수), 또는 3도와 85도 사이의 곡률반경 틸팅 각도를 가진다. 도 3 내지 도 18에 도시된 형상은 작은 개수의 가능한 형상을 나타내는 것이며, 본 발명의 실시예의 범위는 도시된 형상에 제한되지 않는다.
도 13은 복수의 함몰된 표면 피쳐(215)로서 도시된 틸팅된 표면 피쳐를 가지는 제품(210)으로 정의된다. 상기 제품은 기판(205)과 복수의 함몰된 표면 피쳐(215)를 포함하는 패터닝된 표면을 포함한다. 함몰된 표면 피쳐는 h2와 같은 수직거리를 형성하는 고위 영역(high elevation portion)(217)과 저위 영역(low elevation portion)(218)을 가지고, 횡방향 치수(r2 로 표시)(h2/r2 비는 0.01 이상)와 (i) h 가 100nm 이상, (ii) 3도와 85도 사이의 곡률반경 틸팅각도, 중 적어도 어느 하나의 조건을 가진다. 함몰된 표면 피쳐(215)는 표면조도가 10nm rms 이하이다.
도 14는 마이크로렌즈(235)를 포함하는 돌출된 표면 피쳐로서 도시된 틸팅된 표면 피쳐를 가지는 제품(230)으로 정의된다. 제품(230)은 기판(205)과 복수의 마이크로렌즈(235)를 포함하는 패터닝된 표면을 포함한다. 마이크로렌즈(235)는 h2와 같은 수직거리를 형성하는 고위 영역(238)과 저위 영역(237)을 가지고, 횡방향 치수(r2 로 표시)(h2/r2 비는 0.01 이상)와 (i) h2 가 100nm 이상, (ii) 3도와 85도 사이의 곡률반경 틸팅각도, 중 적어도 어느 하나의 조건을 가진다. 마이크로렌즈(235)는 표면조도가 10nm rms 이하이다.
도 19 내지 도 21은 본 발명의 실시예에 따라, CMF의 과소 연마 절차를 사용하여 얻어질 수 있는 몇 개의 예시적인 피쳐 형상들을 나타낸다. 과소 연마는 도 1 및 도 2에서 도시된 바와 같이, t<t0 에 대응한다. 실선은 제공된 구조를 나타내고, 점선은 CMF 가 진행되는 동안 시간에 따라 도출되는 구조를 나타낸다.
본 발명의 다른 실시예에서, 패터닝 구조 사이의 거리를 변경시킴으로써 상이한 틸팅 각도를 가지는 복수의 표면을 형성할 수 있다. 예컨대, 만일 피쳐들 간의 거리가 한 방향으로 10 마이크론이고 다른 방향으로 20 마이크론이면, 상이한 h/r 비 피쳐가 형성될 수 있다. 이러한 방법에 의해 얻어진 피쳐는 h/r 비와 Rpv 가 표면상에서 상이한 방향에 따라 변하기 때문에 여기서 비대칭 구조로 지칭된다. 상술된 바와 같이, 비대칭 피쳐 형상의 예들이 도 8 내지 도 12에 도시되어 있다.
본 발명의 한 실시예에서, 연마 동안 압력 변화는, 연마 전에 돌출 피쳐의 고위 영역의 일부에 제2 조성물을 포함하는 연마 저지층(stop layer)를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 제2 조성물은 CMF 동안에 제1 조성물에 대한 CMF 제거 속도 0.8 이하인 제거 속도를 가진다. 제1 조성물과 제2 조성물(저지층)의 제거(연마) 속도의 비는 연마 공정에 대한 선택비(selectivity)로 정의된다. 선택비는 1.25부터 3,000을 초과하는 값까지 변할 수 있다(예컨대 2부터 1,000까지, 또는 10부터 500까지). 저지층에 대한 연마속도는 일반적으로 0.001 nm/min 부터 1,000 nm/min 까지 변할 수 있다. 기판 조성물의 연마속도는 일반적으로 0.001 nm 부터 20 마이크론/min 까지 변할 수 있다. 연마 공정의 선택도는 연마 슬러리의 화학적 기계적 조성물을 조절함으로써 달성될 수 있다. 높은 선택비를 얻기 위해서는, 화학적 조성물과 입자 조성물은 저지층의 제거 속도가 기판층의 제거 속도보다 휠씬 낮도록 조절될 수 있다.
도 22는 본 실시예에서 초기 피쳐 형상(실선)과 CMF 후 피쳐 형상(점선)을 나타낸다. 여기서 연마 저지층(410)은 피쳐(405)의 고위 상부 부위의 중앙 부위에 근접되게 위치한다. 이러한 연마 저지층(410)은 통상의 IC 제작에 사용되고 있는 공지의 침적 및 리소그래프 기술을 사용하여 피쳐에 형성될 수 있다. 연마 저지층(410)의 제거 속도는 통상 피쳐(405)를 포함하는 물질에 대한 제거 속도보다 작다. 통상, 저지층의 연마 제거속도는 피쳐(405)를 포함하는 물질에 대한 연마 제거속도인 0.5 이하이다. 이 경우, 연마 저지층(410)의 사용으로 인해 마이크로렌즈의 형상에 존재하지 않는 틸팅된 표면을 생성한다. 저지층(410)의 사용에 의해 얻어질 수 있는 피쳐 형상 중 어떤 것은, 예컨대 절단 마이크로렌즈(truncated microlens), 콘형상 구조, 절단 원추(truncated cone)이다.
연마 선택비가 1.0보다 높은 값(예컨대, 2에서 5,000까지의 범위에서)으로 증가하고, 저지층(410)이 돌출 피쳐(405)보다 작은 치수를 가지도록 패터닝될 때, CMF 방법은 결과적으로 도출되는 구조의 h/r 비를 증가시키는데 사용될 수 있다. 구조의 h/r 비는 저지층(410)의 치수, 저지층의 두께, 그리고 피쳐(405)의 물질에 대한 저지층의 선택비를 변경하고 조절함으로써 0.01 에서 1.0까지 증가시킬 수 있다. 또한, 이 실시예는 구조의 틸팅 각도를 증가시키는데 사용될 수 있다. 틸팅 각도는 피쳐(405)의 물질에 대한 저지층의 치수, 두께, 연마비에 따라 5도에서 85도까지 증가될 수 있다.
더욱이, 이 실시예는 피쳐의 형상을 마이크로렌즈 구조로부터 절단 콘형상 구조로까지 변경시킬 수 있다. 이는 저지층의 치수가 돌출 피쳐(405)의 상부 면적의 95%에서 0.001%까지 변할 수 있을 때 통상적으로 발생한다. 틸팅 각도 증가와 더 높은 h/r 비를 달성하기 위해 선택비의 증가가 일반적으로 바람직하다. 만일 CMF 공정 동안, 연마 저지층(410)의 모서리가 연마되면, 양 및 음의 곡률반경 구조 모두 동시에 형성될 수 있다(예컨대, 혼합된 곡률반경 표면을 보여주는 도 13 참조).
본 발명의 다른 실시예에 따른 선택적 연마를 달성하기 위하여, 관련된 또 다른 방법은 기판의 표면에 입자 기저 비연속 코팅(particle based non-continuous coating)을 침적시키는 것이다. CMF 공정 동안에 입자는 선택적 마스크 층으로 작용한다. 이 경우, 리소그래프 패턴은 일반적으로 필요하지 않다. 입자의 크기는 일반적으로 1 nm 에서 100 마이크론까지 변할 수 있으며, 입자가 표면을 커버하는 영역은 0.01% 부터 60% 까지 변할 수 있다. 입자는 반응 접합(reaction bonding)이 일어날 수 있도록 열로 표면에 부착된다. 입자는 금속, 세라믹, 폴리머, 또는 복합 물질 및 그 합금 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
도 23은 연마시간의 함수로서 봉우리 대 골짜기 높이(Rpv)의 그래프이다. 이 그래프는 본 발명의 한 실시예에 따라, 연마 저지층을 포함하는 실시예에서 CMP 에 대한 CMF 구역을 정의하는 그래프이다. CMP 동안의 Rpv 의 급격한 감소는 연마 저지층이 천천히 연마되어나갈(polished away) 때이고, 이는 전체 피쳐의 연마에 이르러 Rmax 값의 급격한 감소를 가져온다.
본 발명의 다른 실시예에서 연마 저지층은 피쳐의 상부의 모서리 부위에 근접하게 위치한다. 도 24 및 도 25는 본 실시예에서 초기 피쳐 형상(실선)과 다양한 시간 동안 CMF 후 피쳐 형상(점선)을 나타낸다. 여기서, 본 발명의 실시예에 따라 연마 저지층은 피쳐의 상부의 모서리 부위에 근접되게 위치한다. 도시된 바와 같이, 본 실시예는 비대칭 피쳐를 생성한다.
본 발명의 다른 실시예는 연마 선택비에 기초한 구부러지고 틸팅된 피쳐를 가지는 제품을 형성하기 위한 CMF 방법을 포함한다. 만일 표면이 표면의 한 부위에서는 제1 물질, 표면의 다른 부위에서는 제2 물질을 가지는 것과 같이, 그 표면에 상이한 연마 속도를 가지는 2개 이상의 상이한 물질을 포함한다면, 연마 슬러리는 다른 물질(예컨대, 제2 물질)에 비하여 물질 중 하나(제1 물질)에 대해 높은 상대 연마 선택비를 가짐으로써 제작(예컨대, 적절한 화학물을 사용하여)될 수 있다. 따라서, 제1 물질은 제2 물질보다 더 빠르게 연마될 것이다. 한 실시예에서, 에칭 마스크가 평편하지 않는 연마를 달성하기 위하여 보다 낮은 연마 속도를 제공하도록 형성될 수 있다.
도 26 및 도 27은 본 발명의 한 실시예에 따라 표면을 연마함으로써 얻어진, 상이한 폭과 상이한 연마 속도, 그리고 CMF 전(실선) 후(점선)의 피쳐 형상을 포함하는 표면을 가지는 각각의 물질의 그림을 보여준다.
도 28 및 도 29는 조성물적으로 패터팅된 실시예에서 CMF 전(실선) 후(점선)의 피쳐 형상을 나타내며, 이 실시예에서 시작 구조는 본 발명의 실시예에 따라 연마(선택비) 동안에 상이한 제거 속도를 가지는 2개의 물질을 포함하는 실질적으로 평편한 표면(Rmax < 1nm)이다. 도 28 및 도 29는 조성물적으로 패터닝된(compositionally patterned) 실시예를 설명하고 있다. 도 30은 본 발명의 실시예에 따라, Rpv 대 시간(CMF 구역에 대한 시간을 나타냄) 그래프를 나타낸다. Rpv 는 시간의 함수로서 CMF 의 시작을 정의하는 Rmin + 2 nm 보다 큰 Rmax 에 도달하기 위해 증가하는 것으로 나타난다. Rmin 는 최소 Rpv 값에 상응하는데, 이번 경우에서 Rpv 값은 표면이 실질적으로 평편한 만큼 작다. 2개의 물질이 함께 연마될 때, 보다 높은 제거 속도를 가진 물질이 더 높은 속도로 연마된다. 이것은 더 빠르게 연마되는 물질에 골짜기(valley(를 형성한다. 연마와 함께 Rmax 값이 증가하는 것은 보다 깊은 디쉬(dish)의 형성을 나타낸다. 일단 깊은 디쉬가 형성되면, 표면에 보다 작은 저지층을 배치하면서, 디쉬 벽의 틸팅은 소망하는 만큼 더 경사질 수 있다.
또한, 연마 동안 연마압력의 변화와, 연마 선택비 실시는 결합될 수 있다. 본 실시예에서, 적어도 하나의 돌출 피쳐를 포함하는 패터닝된(평편하지 않은) 표면이 제공되고, 돌출/함몰 피쳐가 피쳐의 표면 상에 연마 저지층 또는 패턴을 포함하도록 하여 돌출 피쳐의 선택적 연마가 사용된다.
본 발명의 또 다른 실시예는 평편하지 않은 기판 상에 CMF 구조를 생성하기 위한 것이다. 평편하지 않는 구조의 예로는, 구, 실린더, 평편하지 않는 3차원 형상이 있다. CMF 구조는 기판의 거친 형상(rough shape)을 가지기 위해 뒤틀리는 패드를 사용하거나, 속이 빈 실린더와 같은 3차원 형상의 패드를 사용하여 형성될 수 있다. 본 적용예에서 사용된 패드의 다른 예는, 동적 방식으로 기판에 대해 패드의 위치를 변경시킬 수 있거나 기판 위치에 무관하게 기판에 동일 압력을 가하는 장비와, 연마되는 물체보다 휠씬 더 작은 패드 사이즈를 가질 수 있다. 평편하지 않는 기판의 경우, 방법론이 상술한 바와 실질적으로 동일하다.
본 발명의 실시예들은 다양한 상이한 장치를 형성하기 위하여 다양한 상이한 공정에 사용될 수 있다. 예컨대, 태양전지, 전자발광식(electroluminescent, EL) 장치, 발광다이오드(LEDs), 유기 LED, 고체 레이저(solid state laser), 특정 의학 장치와 같이 광학 기저 장치를 제조하는데 사용될 수 있다. 다른 실시예는 패터닝된 표면상에서의 필름의 성장을 포함한다.
<구현예>
본 발명의 실시예는 다음의 특정 구현예에 의해 더 설명된다. 이는 어떤 경우에도 본 발명의 실시예의 범위 또는 내용을 제한하는 것으로 해석되어서는 아니된다.
구현예 1:
본 구현예는 실리카 또는 유리상(glass-like) 표면에 CMF 방법을 사용하여 마리크로렌즈상(microlens-like) 구조를 형성하는 것을 기술하고 있다. 평편한 실리카 기판은 도 31에 도시된 AFM 이미지에 기초한 도시에 나타나 있는 바와 같이, 대략 700 nm 높이로 실질적으로 평편한 상부 필러(pillar)를 얻기 위하여, RIE에 의해 패터팅 된다. 그 다음, CMP 방법이 도시된 마이크로렌즈 구조를 생성하기 위해 과소 연마 CMF 구역에서 사용된다. 5 중량% 80 nm 실리카 슬러리를 사용하면서, 필러는 pH 4.0 및 2.5 pi 조건하에서 스트루에르 로토폴(Struers Rotopol) 장비를 사용하여 연마된다. 본 제작 공정을 위해 폴리텍스(politex) 패드가 사용되었다. 이러한 구조를 위한 평탄화(planarization) 시간은 250초로 판명되었다(도 1 및 도 2에 도시된 t0에 상응). 도 32에 도시된 AFM 이미지에 기초한 도시는 마이크로렌즈 구조의 형성을 입증하고 있다. 측정된 구조의 표면 조도는 2A보다 작은 것으로 판명되었다. 구조의 h/r 비는 연마 공정의 시작 시 0.07에서 15초 후에 0.04로, 120초 후에 0.02로 감소하였다. 구부러진 표면의 틸팅 각도는 90도(초기 수직)에서 10도로, 120초 후에는 대략 2.5도 변경되었다.
구현예 2:
본 구현예는 실리카 또는 유리상(glass-like) 표면에 CMF 방법을 사용하여 양또는 음의 곡률반경 구조를 형성하는 것을 기술하고 있다. 평편한 실리카 기판은 상술된 바와 같이, 대략 700 nm 높이로 실질적으로 평편한 상부 필러(pillar)를 얻기 위하여, RIE에 의해 패터팅 된다. CMP 방법이 마이크로렌즈 구조를 생성하기 위해 과소연마 CMF 절차에서 사용된다. 5 중량% 80 nm 실리카 슬러리를 사용하면서, RIE 구조는 pH 4.0 및 2.5 pi 조건하에서 스트루에르 로토폴(Struers Rotopol) 장비를 사용하여 연마된다. 본 제작 공정을 위해 폴리텍스(politex) 패드가 사용되었다. 이러한 구조를 위한 평탄화(planarization) 시간은 250초로 판명되었다(도 1 및 도 2에 도시된 t0에 상응). AFM 이미지에 근거한 그림이 도 34와 함께 도 33에 나타나 있는데, 도 34는 도 33에 나타난 참조선을 따라 표면의 높이를 도시한 것이고, 양 및 음의 곡률반경 표면의 형성을 입증하고 있다. 양의 곡률반경 표면이 돌출 표면에 형성되고, 음의 곡률반경이 함몰된 표면에 형성된다. 구조의 높이는 도 34에서 대략 100nm 로 보여지고 있다.
구현예 3:
본 구현예는 화학적 에칭 방법을 사용하여 실리카 또는 유리상(glass-like) 표면에 CMF 방법을 사용하여 콘상(cone-like) 구조의 형성을 기술하고 있다. 평편한 실리카 기판은 도 35에 나타난 AFM 이미지에 기초한 도면에 나타난 대략 2,500 nm 높이의 필러(pillar)를 얻기 위하여 선택적 에칭 마스크를 사용하는 화학적 에칭에 의해 패터닝 된다. 또한, 횡방향 거리의 함수로써 표면의 높이의 그림이 제공된다. 사용된 에칭 조건은 4분 동안 5 용량% HF 이다. 그 다음, 마이크로렌즈 구조를 생성하기 위하여 CMP 방법이 과소 연마 CMF 절차에서 사용되었다. CMF 는 pH를 4까지 조절하기 위하여 HNO3 와 함께 5% 80 nm 실리카 슬러리를 사용하는 것을 포함하고, 구조는 pH 4.0 및 2.5 pi 조건하에서 스트루에르 로토폴(Struers Rotopol) 장비를 사용하여 연마된다. 본 제작 공정을 위해 폴리텍스(politex) 패드가 사용되었다. 이러한 구조를 위한 평탄화 시간은 대략 700초로 판명되었다(t0에 상응). 또한, 횡방향 거리의 함수로서 표면의 높이의 도표가 제공된다. 도출된 구조의 평균 조도는 2A rms 보다 작은 것으로 측정되었다. 마이크로렌즈 구조의 높이(h)는 대략 500nm 로 보여진다.
구현예 4:
본 구현예는 상술된 선택비 방법을 사용하여 유리/실리카 상에 음의 곡률반경 표면을 형성하는 것을 기술한다. 샘플은 패터닝이 없는 평편한 실리카 기판이다. TiB2 마스크가 실리카 기판에 침적되고 패터닝 된다. 5% 80nm 실리카 슬러리를 사용하여, 패터닝된 구조는 pH 4.0 및 2.5 pi 조건하에서 스트루에르 로토폴(Struers Rotopol) 장비를 사용하여 연마된다. 본 제작 공정을 위해 폴리텍스(politex) 패드가 사용되었다. 물질이 평탄화 절차를 빠져나가는 시간(t1)는 10초보다 작은 것으로 평가되었다. 유리와 TiB2 층 사이의 연마 선택비는 2.6으로 평가되었다. 선택적 연마 공정은 CMF 구조의 형성을 야기한다. AFM 이미지에 기초한 그림이 도 37에 보여진다. 도 37은 도 38과 함께 연마 120초 후 음의 곡률반경 마이크로렌즈 구조가 형성됨을 입증하고 있다. 도 38은 횡방향 거리의 함수가 도 37에 도시된 바와 같이 표면의 높이의 도표이다. 저지층 표면을 포함하여, 본 방법은 평편한 표면과 음의 마이크로렌즈 구조를 가지는 복합 구조의 형성을 가져온다. 구조의 평균 조도는 2A rms 보다 작은 것으로 측정되었다. 도 38에 도시된 바와 같이 구조의 높이(h)는 대략 180-220 nm 이다. 또한, 본 구현예는 본 연마 공정을 사용하여, 절연 물질의 h/r 비가 0부터 양의 값으로 증가하는 예를 보여준다. 더욱이, 이렇게 형성된 구조로 시작하여, 만일 저지층의 치수가 평편한 돌출 표면에 비하여 줄어들면, 음의 마이크로렌즈 구조 형상이 수정될 것이다. 일반적으로 발생하는 주요 변화는 (i) 구조의 형상이 보다 더 콘 투영체(삼각형 투영체)이 되고, 틸팅 각도는 감소한다. 만일 초기 틸팅 각도가 높다면(90도 근접), 패턴의 치수, 연마 선택비, 그리고 저지층의 두께에 따라 틸팅 각도는 90도와 5도 사이에서 임의의 값으로 줄어들 수 있다. 따라서, 이 방법은 구조의 소망하는 틸팅 각도를 얻는데 사용될 수 있다.
구현예 5: 실리콘 카바이드 상의 CMF 구조
RIE 방법을 사용하는 패터닝된 실리콘 카바이드 기판이 CMF로 가능하게 된 구조를 생성하기 위하여 연마된다. 패터닝된 표면과 연마 선택비 방법 모두 사용될 수 있다. 약 500 nm/hr 보다 큰 속도로 SiC를 연마하는 CMP 슬러리 조성물이 CMF 구조를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 과망간산염 용액(예: KMnO4)과 함께 실리카(또는 코팅된 실리카) 입자를 함유하는 통상의 슬러리가 그러한 속도를 얻기 위해 사용될 수 있다. 다이아몬드, 알루미나, 또는 실리카층과 같은 대체 마스크 물질이 패텅닝 되거나 패터닝 되지 않은 구조의 표면에 침적될 수 있다. 연마 공정의 선택비는 적어도 1.25 일 수 있다. 0.1 마이크론과 100 마이크론 사이의 h 값을 가지는 마이크로렌즈는 본 방법에 의해 생성될 수 있다. 저지층 표면을 포함하여, 본 방법은 평편한 표면과 음의 마이크로렌즈 구조를 가지는 복합 구조의 생성을 가져올 수 있다.
구현예 6: CMF 구조 사파이어 기판
RIE 또는 화학적 에칭 방법을 사용하여 형성된 패터닝된 사파이어 기판이 CMF 구조를 생성하기 위하여 연마될 수 있다. 패터닝된 표면과 연마 선택비 방법 모두 사용될 수 있다. 1000 nm/hr 보다 큰 속도로 사파이어를 연마하는 CMP 슬러리 조성물이 CMF 구조를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 목적을 위한 통상의 슬러리는 약 4의 pH 에 도달하기에 충분한 HNO3와 염(NaCl)을 가진 실리카(또는 코팅된 실리카) 입자를 포함할 수 있다. 연마는 실온에서부터 약 100℃ 까지의 온도에서 행해질 수 있다. 83℃ 에서 제거속도는 실온에서보다 약 2.5 배 높은 것으로 판명되었다. 실리카, 탄탈륨(tantalum), 또는 카본층과 같은 대체 마스크 물질이 패텅닝되거나 패터닝되지 않은 사파이어 구조의 표면에 침적될 수 있다. 연마 공정의 선택비는 적어도 1.25 일 수 있다. 1 마이크론보다 큰 h 값을 가지는 마이크로렌즈 구조가 본 방법에 의해 생성될 수 있다. 저지층 표면을 포함하여, 본 방법은 평편한 표면과 음의 마이크로렌즈 구조를 가지는 복합 구조의 생성을 가져올 수 있다.
구현예 7: 금속 기판상의 CMF 구조
실리카와 탄탈륨의 하부층(underlying layer)을 가지는 패터닝된 다마신 구리 기판이 금속 기판 상에 CMF 구조의 형성을 설명하는데 사용될 수 있다. 1,000 A/min 보다 큰 속도로 구리를 연마하는 CMP 슬러리 조성물이 CMF 구조를 생성하는데 사용될 수 있다. 통상의 슬러리는 10 mM 요오드(iodine), BTA, 시트르산(citric acid)을 포함한다. 탄탈륨에 대한 구리 연마 공정의 선택비는 1,000보다 크다. 이 공정은 양 및 음의 곡률반경 표면을 모두 생성한다.
본 발명의 다양한 실시예가 상술되었는데, 이들은 단지 예시적인 것으로 제시된 것이며, 본 발명을 제한하는 것은 아니다. 본 발명이 사상이나 범위를 벗어남이 없이도 본 발명에 따라 개시된 실시예에 많은 변화가 가해질 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위와 폭은 상술된 실시예들에 의해 제한되지 않아야 한다. 오히려, 본 발명의 범위는 다음의 청구항들과 이에 상응하는 것들에 따라 정의되어야 한다.
비록 본 발명의 실시예가 하나 이상의 구현예에 대하여 설명되고 기술되었지만, 본 명세서와 첨부된 도면을 읽고 이해할 시 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 동등한 변경 및 수정이 발생할 수 있다. 그리고 특정한 특징이 여러 개의 구현예 중 오직 하나와 관련하여 개시되었지만, 그러한 특징은, 임의의 주어진 적용례 또는 특정의 적용례에 유리하거나 소망될 수 있는 바와 같이, 다른 구현예의 하나 이상의 특징과 병합될 수 있다.
여기에 사용된 용어는 단지 특정의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 사용되었으며, 발명을 제한하려는 의도는 없다. 여기에 사용된 바와 같이, 문맥상 명확하게 다르게 지시되어 있지 않다면, 단수 표현은 복수의 형태도 마찬가지로 포함하는 의도이다. 더욱이, “구비하는”, “구비한다”, “가지는”, “가진다”, “와 함께” 또는 이들의 변형예는 상세한 설명 및/또는 청구범위에 사용된 정도까지, 그러한 용어는 “포함한다” 라는 용어와 유사한 방식으로 포괄적인 의미로 사용되었다.
다르게 정의되지 않은 경우, 여기에 사용된 모든 용어(기술 과학 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 보통 이해되는 동일한 의미를 가진다. 또한 보통 사용되는 사전에서 정의된 용어와 같이, 용어는 관련 분야의 문맥에서의 그 의미와 일관된 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 여기에 명백하게 정의되어 있지 않다면 이상화되거나 너무 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 개시물의 요약서는, 독자가 개시물의 기술적 특징을 즉각 확인할 수 있도록 하는 요약서를 요구하는 37 C.F.R. ∮1.72(b)에 적합하게 제공된다. 그것이 다음의 청구범위의 의미와 범위를 제한하거나 해석하는데 사용되지 않는 것으로 이해하면서 제출되고 있다.

Claims (20)

  1. 틸팅된 표면 피쳐를 구비하는 제품을 형성하기 위한 화학적 기계적 제조(CMF) 방법에 있어서,
    상기 방법은,
    패터닝된 표면을 가지는 기판을, 상기 기판과 연마패드 사이에 슬러리 조성물을 가지는 상기 연마패드와 접촉시키는 단계,
    적어도 하나의 틸팅된 표면 피쳐를 형성하기 위하여 상기 패터닝된 표면에 대해 상기 슬러리 조성물을 이동시키는 단계
    를 포함하며,
    상기 틸팅된 표면 피쳐는 (i) 3도에서 85도까지의 표면 틸팅 각도, (ii) 5 nm rms 보다 작은 표면 조도를 가지는 적어도 하나의 표면 부위를 포함하며,
    상기 틸팅된 표면 피쳐는 최대 높이(h)를 형성하는 CMF 후 고위영역(post-CMF high elevation portion)과 CMF 후 저위영역(post-CMF low elevation portion)을 가지며,
    상기 틸팅된 표면 피쳐는 최소 횡방향 치수(r)을 형성하며,
    h/r 은 0.05 이상인 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 패터닝된 표면은 적어도 하나의 돌출 또는 함몰 피쳐를 포함하며,
    상기 돌출 또는 함몰 피쳐는 제1 조성물을 포함하고, CMF 전 고위영역과 CMF 후 저위영역을 구비하며,
    상기 CMF 전 고위영역과 상기 CMF 전 저위영역 사이의 수직 거리는 10nm 이상이고,
    상기 CMF 전 고위영역은 중앙 부위와 모서리 부위를 포함하는 방법.
  3. 제1항에서,
    상기 패터닝된 표면은 상이한 조성물로 이루어진 2개 이상의 층을 포함하는 방법.
  4. 제1항에서,
    상기 h/r 비는 0.1 이상인 방법.
  5. 제2항에서,
    상기 돌출 또는 함몰 피쳐는 돌출된 직사각형의 피쳐를 포함하는 방법.
  6. 제3항에서,
    상이한 조성물로 이루어진 상기 2개 이상의 층은 1.5 보다 큰 연마 선택비를 제공하는 방법.
  7. 제1항에서,
    상이한 조성물로 이루어진 상기 2개 이상의 층은 20.0 보다 큰 연마 선택비를 제공하는 방법.
  8. 제1항에서,
    상기 패터닝된 표면은 복수의 돌출 피쳐를 포함하고, 상기 복수의 돌출 피쳐의 상부 표면은 상기 상부 표면의 일 부분에 연마 저지층을 구비하는 방법.
  9. 제8항에서,
    상기 연마 저지층은 상기 상부 표면의 상기 중앙 부위에 근접되게 위치하는 방법.
  10. 제8항에서,
    상기 연마 저지층은 상기 상부 표면의 모서리 부위에 근접하게 위치하는 방법.
  11. 패터닝된 표면을 구비하는 기판을 포함하며,
    상기 패터닝된 표면은 복수의 돌출 또는 함몰되고 틸팅된 표면 피쳐를 포함하며, 상기 복수의 표면 피쳐는 (i) 3도에서 85도까지의 표면 틸팅 각도, (ii) 5 nm rms 보다 작은 표면 조도를 구비하며,
    상기 틸팅된 표면 피쳐는 100 nm 이상인 높이(h)를 형성하는 고위영역과 저위영역을 포함하며, 상기 틸팅된 표면 피쳐는 최소 횡방향 치수(r)를 형성하며,
    h/r 은 0.05 이상인 제품.
  12. 제11항에서,
    상기 h/r 비는 0.1 보다 큰 제품.
  13. 제11항에서,
    상기 표면 조도는 0.5 nm rms 보다 작은 제품.
  14. 제11항에서,
    상기 기판은 단결정 기판을 포함하며, 상기 표면 조도는 0.3 nm rms 보다 작은 제품.
  15. 제11항에서,
    상기 패터닝된 표면과 상기 기판은 동일한 물질을 포함하는 제품.
  16. 제11항에서,
    상기 틸팅된 표면 피쳐는 마이크로렌즈 형상인 제품.
  17. 제11항에서,
    상기 패터닝된 표면은 금속, 반도체, 세라믹, 또는 유전체를 포함하는 제품.
  18. 제11항에서,
    상기 패터닝된 표면은 유리, SiC, GaN, 카바이드, 질화물, 사파이어, 산화물, 광학적으로 투명하고 전기적으로 전도성 산화물, 또는 형광체를 포함하는 제품.
  19. 제11항에서,
    상기 틸팅된 표면 피쳐는 양의 곡률반경을 제공하는 제품.
  20. 제11항에서,
    상기 틸팅된 표면 피쳐는 음의 곡률반경을 제공하는 제품.
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