KR20120112476A - 화학 기계 연마 패드 및 이를 이용한 화학 기계 연마 방법 - Google Patents

화학 기계 연마 패드 및 이를 이용한 화학 기계 연마 방법 Download PDF

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게이치 사토우
나오키 니시구치
히로유키 다노
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Abstract

본 발명에 따른 화학 기계 연마 패드는 열가소성 폴리우레탄을 함유하는 조성물로 형성된 연마층을 갖고, 상기 연마층의 비중이 1.15 이상 1.30 이하이며, 상기 연마층의 듀로 D 경도가 50D 이상 80D 이하인 것을 특징으로 한다.

Description

화학 기계 연마 패드 및 이를 이용한 화학 기계 연마 방법{PAD FOR CHEMICAL MECHANICAL POLISHING AND METHOD OF CHEMICAL MECHANICAL POLISHING USING SAME}
본 발명은 화학 기계 연마 패드 및 이 화학 기계 연마 패드를 이용한 화학 기계 연마 방법에 관한 것이다.
종래, 유리나 반도체 소자를 연마하기 위한 연마 패드로서는, 부직포에 폴리우레탄 용액을 함침시켜 얻어지는 다공질 부직포나 폴리우레탄 성형물이 사용되어 왔다. 특히, 반도체 기판 표면을 평탄화하는 화학 기계 연마(Chemical Mechanical Polishing, 이하 「CMP」라고도 함)에 적합한 화학 기계 연마 패드로서는, 이하에 예시하는 바와 같은 폴리우레탄제 연마 패드가 검토되어 왔다.
예를 들면, 일본 특허 공표 (평)8-500622호 공보에는 폴리우레탄에 충전재상의 성분을 분산시킨 연마 패드, 일본 특허 공개 제2000-17252호 공보나 일본 특허 제3956364호 공보에는 발포 폴리우레탄을 사용한 연마 패드, 일본 특허 공개 제2007-284625호 공보에는 폴리올이나 이소시아네이트의 사용량을 조정하여 우레탄 수지의 가교도를 조절함으로써 물성치를 제어한 연마 패드, 일본 특허 공개 제2003-332277호 공보에는 연마층의 극표면의 특성을 제어한 연마 패드 등이 기재되어 있다.
그러나, 이들 종래의 재료를 이용한 화학 기계 연마 패드는 CMP에서의 피연마면의 평탄성을 향상시키는 것을 목적으로 하고 있기 때문에, 특히 연마층의 고탄성률화에 주목하는 경우가 많고, 연마층의 비중과 경도의 관계에 대해서는 충분한 논의가 이루어지지 않았다.
예를 들면, 일본 특허 제3956364호 공보에 기재되어 있는 연마 패드는 연마층을 다공질 구조로 함으로써 고탄성률화를 도모하고 있다. 상기 연마 패드는 연마층을 구성하는 재질 자체의 경도가 높기는 하지만, 그 다공질 구조 때문에 연마층의 비중이 낮아지며 그 다공질 구조에 의한 쿠션 효과 때문에 피연마면의 요철에 추종하여 용이하게 변형되므로, CMP에서의 피연마면의 평탄성이 불충분해지기 쉽다.
그 한편으로, 피연마면의 요철에 추종하지 않도록 단순히 연마층의 비중을 높이는 것 만으로는 연마층이 단단해져, 피연마면과 연마층 사이에 들어간 연마 부스러기나 패드 부스러기에 의해 연마 결함(스크래치)이 증대하기 쉽다.
따라서, 본 발명에 따른 몇 개의 양태는, 상기 과제를 해결함으로써 CMP에서의 피연마면의 평탄성의 향상과 연마 결함(스크래치)의 감소를 양립시킬 수 있는 화학 기계 연마 패드, 및 이 화학 기계 연마 패드를 이용한 화학 기계 연마 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상술한 과제의 적어도 일부를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 이하의 양태 또는 적용예로서 실현할 수 있다.
[적용예 1]
본 발명에 따른 화학 기계 연마 패드의 일 양태는,
열가소성 폴리우레탄을 함유하는 조성물로 형성된 연마층을 갖고,
상기 연마층의 비중이 1.15 이상 1.30 이하이며, 상기 연마층의 듀로 D 경도가 50D 이상 80D 이하인 것을 특징으로 한다.
[적용예 2]
적용예 1의 화학 기계 연마 패드에 있어서,
상기 연마층의 인장시에서의 잔류 왜곡이 2％ 이상 10％ 이하일 수 있다.
[적용예 3]
적용예 1 또는 적용예 2의 화학 기계 연마 패드에 있어서,
상기 연마층을 23℃의 물에 24시간 침지했을 때의 부피 변화율이 0.8％ 이상 5.0％ 이하일 수 있다.
[적용예 4]
적용예 1 내지 적용예 3 중 어느 한 예에 기재된 화학 기계 연마 패드에 있어서,
상기 연마층을 23℃의 물에 4시간 침지했을 때의 표면 경도가 2 N/mm2 이상 10 N/mm2 이하일 수 있다.
[적용예 5]
적용예 1 내지 적용예 4 중 어느 한 예에 기재된 화학 기계 연마 패드에 있어서,
상기 열가소성 폴리우레탄은 지환식 이소시아네이트 및 방향족 이소시아네이트로부터 선택되는 적어도 1종에서 유래하는 반복 단위를 포함할 수 있다.
[적용예 6]
적용예 1 내지 적용예 5 중 어느 한 예에 기재된 화학 기계 연마 패드에 있어서,
상기 조성물은 수용성 입자를 더 포함할 수 있다.
[적용예 7]
본 발명에 따른 화학 기계 연마 방법의 일 양태는,
적용예 1 내지 적용예 6 중 어느 한 예에 기재된 화학 기계 연마 패드를 이용하여 화학 기계 연마하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 화학 기계 연마 패드는 열가소성 폴리우레탄을 함유하는 조성물로 형성되며, 특정 범위에 있는 비중 및 경도를 갖는 연마층을 구비함으로써, CMP에서의 피연마면의 평탄성의 향상과 연마 결함(스크래치)의 감소를 양립시킬 수 있다.
도 1a는 연마층에서의 듀로 D 경도의 개념을 설명하기 위한 모식도이다.
도 1b는 연마층에서의 듀로 D 경도의 개념을 설명하기 위한 모식도이다.
도 2는 연마층의 인장시에서의 잔류 왜곡의 개념을 설명하기 위한 모식도이다.
도 3a는 연마층의 인장시에서의 잔류 왜곡의 개념을 설명하기 위한 도 2에서의 영역 I의 확대도이다.
도 3b는 연마층의 인장시에서의 잔류 왜곡의 개념을 설명하기 위한 도 2에서의 영역 I의 확대도이다.
도 3c는 연마층의 인장시에서의 잔류 왜곡의 개념을 설명하기 위한 도 2에서의 영역 I의 확대도이다.
도 3d는 연마층의 인장시에서의 잔류 왜곡의 개념을 설명하기 위한 도 2에서의 영역 I의 확대도이다.
도 3e는 연마층의 인장시에서의 잔류 왜곡의 개념을 설명하기 위한 도 2에서의 영역 I의 확대도이다.
도 4a는 연마층에서의 부피 변화율의 개념을 설명하기 위한 모식도이다.
도 4b는 연마층에서의 부피 변화율의 개념을 설명하기 위한 모식도이다.
도 5a는 연마층에서의 표면 경도의 개념을 설명하기 위한 모식도이다.
도 5b는 연마층에서의 표면 경도의 개념을 설명하기 위한 모식도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명에 있어서 「웨트 상태」란, 연마층을 23℃의 물에 4시간 이상 침지시켰을 때의 상태를 말한다. 또한, 본 명세서 중에 있어서, 단순히 「경도」라고 할 때는 듀로 D 경도를 가리키며, 「표면 경도」라고 할 때는 유니버설 경도(HU:N/mm2)를 가리킨다. 또한, 연마층의 웨트 상태에서의 표면 경도는 후술의 실시예에도 나타내는 바와 같이, 일정 압력을 가했을 때의 유니버설 경도(HU: N/mm2)로 표시된다.
1. 화학 기계 연마 패드
본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마 패드의 구성으로서는, 적어도 한쪽 면에 연마층을 구비하고 있으면 특별히 한정되지 않는다. 또한, 본 발명에 있어서 「연마층」이란, 화학 기계 연마를 행할 때에 피연마물과 접촉하는 면(이하, 「연마면」이라 함)을 갖는 단층을 말한다. 즉, 본 발명에서는 연마층과 지지층 사이에 연마면을 갖지 않는 다른 층을 포함할 수도 있지만, 상기 다른 층은 연마면을 갖지 않으므로 「연마층」은 아니다. 상기 연마층은 열가소성 폴리우레탄을 함유하는 조성물로부터 후술하는 제조 방법에 의해 형성된다. 또한, 상기 연마층의 비중은 1.15 이상 1.30 이하이며, 듀로 D 경도는 50D 이상 80D 이하이다. 이하, 본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마 패드에 대하여 상세히 설명한다.
1.1. 연마층
본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마 패드를 구성하는 연마층은 열가소성 폴리우레탄을 함유하는 조성물(이하, 단순히 「조성물」이라고도 함)로부터 후술하는 제조 방법에 의해 형성된다.
일반적으로, 폴리우레탄을 포함하는 연마층은 발포 타입과 비발포 타입으로 분류된다. 비발포 타입의 연마층의 경우, 그의 구조로 인해 비중이나 경도가 발포 타입과 비교하여 커지고, 이에 따라 피연마면(웨이퍼 등의 표면)의 요철에 대한 연마층의 탄성 변형이 작아진다. 그 결과, 피연마면의 평탄성이 양호해지는 경향이 있다. 그 반면, 연마층의 경도가 발포 타입과 비교하여 크기 때문에, 피연마면과 연마층 사이에 들어간 연마 부스러기나 패드 부스러기에 의해 연마 결함(스크래치 등)의 발생이 증대하는 경향이 있다.
한편, 발포 타입의 연마층의 경우, 그의 구조로 인해 비중이나 경도가 작아지는 경향이 있다. 이에 따라, 피연마면(웨이퍼 등의 표면)과 연마층 사이에 들어간 연마 부스러기나 패드 부스러기를 유연한 연마층의 표면에서 포착하고, 피연마면에 대하여 강한 압박압으로 연마 부스러기나 패드 부스러기가 접촉하는 것을 회피시킬 수 있기 때문에, 연마 결함의 발생을 감소시킬 수 있다. 그 반면, 피연마면의 요철에 추종하여 연마층의 탄성 변형이 커지기 때문에, 피연마면의 평탄성이 악화되는 경향이 있다. 이상의 점에서, 피연마면(웨이퍼 등의 표면)의 평탄성의 향상과 연마 결함(스크래치 등)의 감소는 상반된 특성이라고 생각되어 왔다.
그러나, 본 발명자들은 열가소성 폴리우레탄을 함유하는 조성물을 이용하여 연마층을 제작하고, 상기 연마층의 비중 및 경도를 조절함으로써, 종래의 기술에서는 곤란시되어 온 피연마면(웨이퍼 등의 표면)의 평탄성의 향상과 연마 결함(스크래치 등)의 감소를 양립시킬 수 있음을 발견한 것이다.
1.1.1. 조성물
1.1.1.1. 열가소성 폴리우레탄
열가소성 폴리우레탄을 함유하는 조성물에 따르면, 유연성이 우수한 연마층을 제작할 수 있다. 유연한 연마층의 표면에서 피연마면과 연마면 사이에 들어간 연마 부스러기나 패드 부스러기를 포착함으로써, 이들이 강한 압박압으로 피연마면에 접촉하는 것을 회피시킬 수 있기 때문에, 연마 결함의 발생을 억제할 수 있다고 생각된다. 이에 반해, 열 가교성 폴리우레탄(열경화성 폴리우레탄)을 이용하여 가교된 폴리우레탄을 함유하는 연마층을 제작한 경우, 연마층에 충분한 유연성을 부여하는 것은 곤란하여, 연마 결함의 발생을 억제하는 것은 곤란하다.
또한, 열 가교성 폴리우레탄이 가교되어 분자쇄가 견고하게 결합한 폴리우레탄을 함유하는 연마층은 열가소성 폴리우레탄을 이용하여 제작된 연마층과 비교하여 물과 접촉하더라도 팽윤하기 어려운 성질이 있어, 웨트 상태에서의 표면 경도를 저하시킬 수 없다. 이 때문에, 연마층이 가교된 폴리우레탄을 함유하는 경우에는, 피연마면과 연마면 사이에 들어간 연마 부스러기나 패드 부스러기를 표면 경도가 높은 연마층의 표면에서 포착하게 되고, 이들이 강한 압박압으로 피연마면과 접촉하게 되기 때문에, 연마 결함의 발생을 억제할 수 없다.
상기 조성물에 포함되는 열가소성 폴리우레탄은 지환식 이소시아네이트 및 방향족 이소시아네이트로부터 선택되는 적어도 1종에서 유래하는 반복 단위를 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 화학 구조를 갖는 열가소성 폴리우레탄을 함유하는 조성물로 제작된 연마층은 결정성의 조절이 용이해지기 때문에, 연마층의 비중이나 경도 등을 제어하는 것이 용이해진다.
상기 지환식 이소시아네이트로서는, 예를 들면 이소포론디이소시아네이트(IPDI), 노르보르넨디이소시아네이트, 수소 첨가 4,4'-디페닐메탄디이소시아네이트(수소 첨가 MDI) 등을 들 수 있다. 이들 지환식 이소시아네이트는 1종 단독으로 사용할 수도 있고, 2종 이상을 병용할 수도 있다.
상기 방향족 이소시아네이트로서는, 예를 들면 2,4-톨릴렌디이소시아네이트, 2,6-톨릴렌디이소시아네이트, 2,2'-디페닐메탄디이소시아네이트, 2,4'-디페닐메탄디이소시아네이트, 4,4'-디페닐메탄디이소시아네이트, 나프탈렌디이소시아네이트, 1,5-나프탈렌디이소시아네이트, p-페닐렌디이소시아네이트, m-페닐렌디이소시아네이트, p-크실렌디이소시아네이트 등의 방향족 디이소시아네이트류를 들 수 있다. 이들 중에서도, 수산기와의 반응 제어가 용이한 점에서, 2,4-톨릴렌디이소시아네이트, 2,6-톨릴렌디이소시아네이트, 4,4'-디페닐메탄디이소시아네이트가 바람직하다. 이들 방향족 이소시아네이트는 1종 단독으로 사용할 수도 있고, 2종 이상을 병용할 수도 있다.
상기 조성물에 포함되는 열가소성 폴리우레탄은 지환식 이소시아네이트 및 방향족 이소시아네이트를 병용할 수도 있고, 이들 이외의 다른 이소시아네이트를 병용할 수도 있다. 다른 이소시아네이트로서는, 예를 들면 에틸렌디이소시아네이트, 2,2,4-트리메틸헥사메틸렌디이소시아네이트, 1,6-헥사메틸렌디이소시아네이트 등의 지방족 디이소시아네이트류를 들 수 있다.
또한, 상기 조성물에 포함되는 열가소성 폴리우레탄은 지환식 이소시아네이트에서 유래하는 반복 단위를 포함하는 것이 보다 바람직하다. 지환식 이소시아네이트에서 유래하는 반복 단위를 포함함으로써, 상기 열가소성 폴리우레탄이 적절한 경도를 발현함과 동시에, 웨트 상태에서의 표면 경도를 보다 적절히 조절할 수 있으며, 유연성이 보다 커지기 때문에, 본 발명의 실시에 적합하게 된다.
또한, 상기 조성물에 포함되는 열가소성 폴리우레탄은 폴리에테르폴리올, 폴리에스테르폴리올, 폴리카보네이트폴리올 및 폴리올레핀폴리올로부터 선택되는 적어도 1종에서 유래하는 반복 단위를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 예시한 폴리올류에서 유래하는 반복 단위를 포함함으로써, 열가소성 폴리우레탄의 내수성이 더욱 향상되는 경향이 있다.
또한, 상기 조성물에 포함되는 열가소성 폴리우레탄은 쇄연장제에서 유래하는 반복 단위를 포함할 수도 있다. 상기 쇄연장제로서는, 예를 들면 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 1,3-프로판디올, 1,3-부틸렌글리콜, 1,4-부탄디올, 1,5-펜탄디올, 1,6-헥산디올, 네오펜틸글리콜, 1,4-시클로헥산디메탄올, 3-메틸-1,5-펜탄디올, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 1,4-비스(2-히드록시에톡시)벤젠 등의 저분자량 2가 알코올을 들 수 있다. 이들 중에서도, 이소시아네이트기와의 반응 제어가 용이한 점에서, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 1,3-프로판디올, 1,3-부틸렌글리콜, 1,4-부탄디올, 1,5-펜탄디올, 1,6-헥산디올이 바람직하고, 1,4-부탄디올이 보다 바람직하다.
상기 조성물에 포함되는 열가소성 폴리우레탄은 열가소성 폴리우레탄 100 질량부에 대하여 지환식 이소시아네이트 및 방향족 이소시아네이트로부터 선택되는 적어도 1종에서 유래하는 반복 단위를 2 내지 60 질량부 함유하는 것이 바람직하고, 3 내지 55 질량부 함유하는 것이 보다 바람직하다. 지환식 이소시아네이트 및 방향족 이소시아네이트로부터 선택되는 적어도 1종에서 유래하는 반복 단위를 상기 범위로 포함함으로써, 열가소성 폴리우레탄이 적절한 경도를 발현함과 동시에, 웨트 상태에서의 표면 경도를 적절히 조절할 수 있으며, 유연성이 커지기 때문에, 본 발명의 실시에 적합하게 된다.
상기 조성물에 포함되는 열가소성 폴리우레탄의 제조 방법은 특별히 한정되지 않으며, 일반적인 폴리우레탄의 제조 방법(예를 들면, 종래 공지된 일괄법 또는 예비 중합체법 등)에 준하여 제조할 수 있다.
1.1.1.2. 흡수성 고분자 화합물
상기 조성물은 열가소성 폴리우레탄 이외의 고분자 화합물을 더 포함할 수도 있다. 상기 조성물 중에 첨가할 수 있는 다른 고분자 화합물로서는, 흡수율이 3 내지 3,000％가 되는 고분자 화합물(이하, 단순히 「흡수성 고분자 화합물」이라고도 함)인 것이 바람직하다. 흡수성 고분자 화합물을 첨가함으로써, 연마층에 적절한 흡수성을 부여할 수 있고, 흡수에 의한 팽윤에 의해 생길 수 있는 연마층의 부피 변화를 조절하기 쉽게 할 수 있다.
흡수성 고분자 화합물 중에서도, 에테르 결합, 에스테르 결합 및 아미드 결합으로부터 선택되는 적어도 1종의 결합을 포함하는 흡수성 고분자 화합물인 것이 보다 바람직하다.
에테르 결합을 포함하는 흡수성 고분자 화합물로서는, 예를 들면 폴리옥시에틸렌, 폴리옥시에틸렌알킬에테르, 폴리옥시에틸렌알킬페놀에테르, 폴리에테르에스테르아미드, 폴리에테르아미드이미드, 폴리프로필렌글리콜, 폴리옥시프로필렌부틸에테르, 폴리옥시프로필렌글리세릴에테르, 폴리옥시프로필렌소르비트, 옥시에틸렌-에피클로로히드린 공중합체, 메톡시폴리에틸렌글리콜 (메트)아크릴레이트 공중합체, 폴리옥시에틸렌라우릴에테르, 폴리옥시에틸렌세틸에테르, 폴리옥시에틸렌올레일에테르, 폴리옥시에틸렌올레일세틸에테르, 폴리옥시에틸렌폴리옥시프로필렌글리콜, 폴리옥시에틸렌폴리옥시프로필렌부틸에테르, 폴리옥시에틸렌폴리옥시프로필렌헥실렌글리콜에테르, 폴리옥시에틸렌폴리옥시프로필렌트리메틸올프로판, 폴리옥시에틸렌폴리옥시프로필렌글리세릴에테르, 에테르 결합을 포함하는 단량체와 올레핀의 공중합체, 염소 함유 폴리에테르, 폴리아세탈 수지, 알킬글루코시드, 폴리옥시에틸렌 지방산 아민 등을 들 수 있다.
에스테르 결합을 포함하는 흡수성 고분자 화합물로서는, 예를 들면 폴리옥시에틸렌 지방산 에스테르, 자당 지방산 에스테르, 소르비탄 지방산 에스테르, 폴리옥시에틸렌 소르비탄 지방산 에스테르, 글리세린 지방산 에스테르, 아크릴산 에스테르 공중합체(아크릴 고무) 등을 들 수 있다. 상기 폴리옥시에틸렌 지방산 에스테르로서는, 예를 들면 모노스테아르산 폴리에틸렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜 라우레이트, 폴리에틸렌글리콜 모노올레에이트, 폴리에틸렌글리콜 디스테아레이트 등을 들 수 있다.
아미드 결합을 포함하는 흡수성 고분자 화합물로서는, 예를 들면 지방산 알칸올아미드, 변성 폴리아미드 수지 등을 들 수 있다.
흡수성 고분자 화합물의 분자량은 겔 투과 크로마토그래피로 측정한 폴리스티렌 환산의 중량 평균 분자량으로서, 바람직하게는 500 내지 1,000,000이고, 보다 바람직하게는 5,000 내지 500,000이다.
또한, 본 발명에서의 흡수성 고분자 화합물의 흡수율은 「JIS K6258」에 준거한 이하의 방법에 의해 구할 수 있다. 우선, 고분자 화합물을 두께 2 mm의 시트상으로 성형하고, 또한 2 cm×2 cm의 크기로 잘라낸 것을 23℃의 물에 24시간 침지시킨다. 침지 전의 공기 중의 질량(M1)과 침지 후의 공기 중의 질량(M3)을 측정하고, 하기 수학식 1에 의해 질량 변화율을 구하여 이것을 흡수율로 하였다.
Figure pct00001
상기 조성물이 흡수성 고분자 화합물을 함유하는 경우의 그의 함유량은 열가소성 폴리우레탄 및 흡수성 고분자 화합물의 합계량 100 질량부에 대하여, 바람직하게는 1 질량부 이상 20 질량부 이하이고, 보다 바람직하게는 3 질량부 이상 15 질량부 이하이고, 특히 바람직하게는 5 질량부 이상 10 질량부 이하이다. 흡수성 고분자 화합물의 함유량이 상기 범위에 있으면, 웨트 상태에서의 부피 변화율을 0.8％ 이상 5.0％ 이하의 범위로 조정하기 쉬워진다. 그리고, 연마층의 부피 변화율이 상기 범위에 있으면, 흡수에 의한 연마층 표면의 연화가 적절해지기 때문에 피연마면의 평탄성이 양호해짐과 함께, 연마 결함(스크래치)을 감소시킬 수 있다.
1.1.1.3. 수용성 입자
상기 조성물은 수용성 입자를 더 포함할 수도 있다. 이러한 수용성 입자는 조성물 중에 균일하게 분산된 상태로 존재하고 있는 것이 바람직하다. 이러한 조성물을 이용함으로써, 수용성 입자가 균일하게 분산된 상태의 연마층이 얻어진다.
상기 수용성 입자는 지립 및 약액을 포함하는 연마용 수분산체(이하, 「슬러리」라고도 함)와 접촉함으로써, 연마층 표면으로부터 수용성 입자가 유리되어, 상기 슬러리를 유지할 수 있는 공극(포어)을 형성할 목적으로 이용된다. 이 때문에, 기포 구조를 갖는 폴리우레탄 발포체를 이용하지 않고 수용성 입자를 이용함으로써 연마층의 표면에 공극이 형성되어, 슬러리의 유지가 보다 양호해진다. 또한, 연마층의 표면에 공극이 형성되기 때문에, 웨트 상태에서의 표면 경도를 조절할 수 있다. 또한, 비중이 큰 입자를 사용함으로써 연마층의 비중을 크게 하는 것이 가능하다.
열가소성 폴리우레탄을 함유하는 조성물이 수용성 입자를 함유하는 경우, (1) 수용성 입자가 충전재와 같은 보강제로서 작용함으로써, 상기 연마층의 탄성 변형을 작게 할 수 있기 때문에 피연마면의 평탄성을 향상시킬 수 있고, (2) 비발포 타입의 연마층이기 때문에 기계적 강도가 우수하고, 또한 (3) 발포 셀 구조를 균일하게 제어하는 정밀한 기술을 이용할 필요가 없기 때문에 생산성이 우수한 점에서 보다 바람직하다.
상기 수용성 입자로서는 특별히 한정되지 않지만, 유기 수용성 입자 및 무기 수용성 입자를 들 수 있다. 구체적으로는, 수용성 고분자와 같이 물에 용해되는 물질 외에, 흡수성 수지와 같이 물과의 접촉에 의해 팽윤 또는 겔화되어 연마층 표면으로부터 유리될 수 있는 물질을 들 수 있다.
상기 유기 수용성 입자를 구성하는 재료로서는, 예를 들면 당류(전분, 덱스트린 및 시클로덱스트린 등의 다당류, 유당, 만니톨 등), 셀룰로오스류(히드록시프로필셀룰로오스, 메틸셀룰로오스 등), 단백질, 폴리비닐알코올, 폴리비닐피롤리돈, 폴리아크릴산, 폴리에틸렌옥사이드, 술폰화 폴리이소프렌, 술폰화 이소프렌 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 무기 수용성 입자를 구성하는 재료로서는, 예를 들면 아세트산칼륨, 질산칼륨, 탄산칼륨, 탄산수소칼륨, 브롬화칼륨, 인산칼륨, 황산칼륨, 황산마그네슘, 질산칼슘 등을 들 수 있다.
상기 수용성 입자를 구성하는 재료는 유기 수용성 입자 또는 무기 수용성 입자를 구성하는 재료를 1종 단독으로 사용할 수도 있고, 2종 이상을 병용할 수도 있다. 또한, 연마층의 경도, 그 밖의 기계적 강도를 적정한 값으로 할 수 있다는 관점에서, 수용성 입자는 중실체인 것이 바람직하다.
상기 조성물에서의 수용성 입자의 함유량은 열가소성 폴리우레탄 100 질량부에 대하여 3 내지 150 질량부인 것이 바람직하다. 수용성 입자의 함유량이 상기 범위에 있으면, 화학 기계 연마에 있어서 높은 연마 속도를 나타내며, 적정한 경도, 그 밖의 기계적 강도를 갖는 연마층을 제조할 수 있다.
상기 수용성 입자의 평균 입경은, 바람직하게는 0.5 내지 200 μm이다. 수용성 입자가 화학 기계 연마 패드의 연마층 표면으로부터 유리됨으로써 형성되는 공극의 크기는, 바람직하게는 0.1 내지 500 μm, 보다 바람직하게는 0.5 내지 200 μm이다. 수용성 입자의 평균 입경이 상기 범위에 있으면, 높은 연마 속도를 나타내며, 기계적 강도가 우수한 연마층을 갖는 화학 기계 연마 패드를 제조할 수 있다.
1.1.2. 비중
본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마 패드가 구비하는 연마층의 비중은 1.15 이상 1.30 이하이고, 1.18 이상 1.27 이하인 것이 바람직하다. 연마층의 비중이 상기 범위에 있으면, 연마층의 경도가 적절해지기 때문에 피연마면의 평탄성이 양호해짐과 함께, 피연마면의 요철에 대한 연마층의 탄성 변형(추종성)이 적절해지기 때문에 연마 결함(스크래치)을 감소시킬 수 있다. 연마층의 비중이 상기 범위 미만인 경우, 연마층의 경도가 너무 낮아져, 피연마면의 평탄성이 악화되기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 연마층의 비중이 상기 범위를 초과하는 경우, 연마층의 경도가 너무 높아져, 연마 결함(스크래치)이 증대하기 때문에 바람직하지 않다.
또한, 현재 알려져 있는 폴리우레탄의 비중과 연마층의 적절한 경도의 균형을 고려하면, 연마층의 비중의 상한은 1.30 이하가 된다. 비중이 1.30을 초과하는 연마층을 제작하기 위해서는, 우레탄 외에 비중이 큰 재료를 연마층에 함유시킬 필요가 있다. 예를 들면, 실리카나 알루미나와 같은 비중이 큰 재료를 충전재로서 우레탄에 혼합함으로써, 비중이 1.30을 초과하는 연마층을 제작할 수는 있다. 그러나, 이러한 경우에는, 혼합한 충전재에 의해 연마층의 경도가 커져, 피연마면의 스크래치가 대폭 악화되기 때문에 본원 발명의 연마층과 같은 작용 효과를 발휘할 수는 없다.
본 발명에 있어서, 연마층의 비중은 「JIS Z8807」에 준거한 방법으로 측정할 수 있다. 구체적으로는, 물을 넣은 르샤틀리에 비중병에 질량 기지의 시료를 넣고, 시료에 의한 액면의 상승으로부터 시료의 부피를 인지하여, 시료의 질량과 부피로부터 비중을 구한다.
또한, 본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마 패드가 구비하는 연마층은 상기 범위의 비중으로 하는 관점에서, 비발포 타입인 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에 있어서, 비발포 타입이란, 실질적으로 기포를 포함하고 있지 않은 연마층인 것을 말한다. 참고로, 현재 시판되고 있는 발포 타입의 연마층을 구비하는 우레탄 패드, 예를 들면 롬 앤 하스(ROHM & HAAS)사 제조의 「IC1000」 등의 일반적인 시판 연마 패드의 비중은 0.40 내지 0.90 정도이다.
1.1.3. 듀로 D 경도
본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마 패드가 구비하는 연마층의 듀로 D 경도는 50D 이상 80D 이하이고, 55D 이상 80D 이하인 것이 바람직하고, 55D 이상 75D 이하인 것이 보다 바람직하고, 60D 이상 70D 이하인 것이 특히 바람직하다.
도 1a 및 도 1b는 연마층에서의 듀로 D 경도의 개념을 설명하기 위한 모식도이다. 도 1a에 나타낸 바와 같이 연마 공정을 모방하여 연마층 (10)에 대하여 상측으로부터 가중을 걸면, 도 1b에 나타낸 바와 같이 연마층 (10)이 휘게 된다. 듀로 D 경도란, 이와 같이 연마 공정에 있어서 가중을 걸었을 경우의 연마층 (10)의 거대한 휨의 정도를 나타내는 지표가 된다. 이것은 후술하는 측정 방법으로부터도 이해할 수 있다. 따라서, 연마층의 듀로 D 경도가 상기 범위에 있으면, 연마층의 듀로 D 경도가 적절하기 때문에 피연마면의 평탄성이 양호해짐과 함께, 피연마면의 요철에 대한 연마층의 탄성 변형(추종성)이 적절해지기 때문에 연마 결함(스크래치)을 감소시킬 수 있다. 연마층의 듀로 D 경도가 상기 범위 미만이면, 피연마면의 평탄성이 악화되기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 연마층의 듀로 D 경도가 상기 범위를 초과하면, 연마 결함(스크래치)이 증대하기 때문에 바람직하지 않다.
본 발명에 있어서, 연마층의 듀로 D 경도는 「JIS K6253」에 준거한 방법으로 측정할 수 있다. 구체적으로는, 평탄하고 견고한 면에 시험편을 두고, 타입 D 듀로미터의 가압판이 시험편의 표면에 평행하게 유지되며 압침이 시험편의 표면에 대하여 직각이 되도록 타입 D 듀로미터를 유지하고, 충격을 주지 않도록 가압판을 시험편에 접촉시킨다. 압침 선단은 시험편의 끝으로부터 12 mm 이상 떨어진 위치에서 측정한다. 가압판을 시험편에 접촉시킨 후, 15초 후에 판독을 행한다. 측정점 수는 6 mm 이상 떨어진 위치에서 5회 측정하고, 그의 중앙값을 듀로 D 경도로 한다.
1.1.4. 인장시에서의 잔류 왜곡
본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마 패드가 구비하는 연마층의 인장시에서의 잔류 왜곡은 2％ 이상 10％ 이하인 것이 바람직하고, 2％ 이상 9％ 이하인 것이 보다 바람직하다.
일반적으로, 연마층 표면에는 미세구멍 및/또는 오목부를 설치하고 있고, 거기에 연마 부스러기나 패드 부스러기가 서서히 축적됨으로써 눈막힘을 일으켜 연마 특성이 열화되게 된다. 따라서, 다이아몬드의 지석으로 드레싱함으로써(이하, 「다이아몬드 컨디셔닝」이라고도 함), 눈막힘 상태가 된 연마층 표면을 깎아내고, 표면으로부터 아래의 초기 상태와 동일한 면을 노출하여 사용한다. 이 다이아몬드 컨디셔닝시에 연마층 표면의 보풀 발생이나 패드 부스러기가 발생한다.
도 2는 연마층의 인장시에서의 잔류 왜곡의 개념을 설명하기 위한 모식도이다. 도 3a 내지 도 3e는 연마층의 인장시에서의 잔류 왜곡의 개념을 설명하기 위한 도 2에서의 영역 I의 확대도이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 다이아몬드 컨디셔닝 시에는 드레서(dresser) (20)이 도 2의 화살표 방향으로 회전함으로써 연마층 (10)의 표면을 깍아낸다. 도 3a 내지 도 3b에 나타낸 바와 같이, 연마층 (10)을 드레싱하면, 연마층 (10) 표면의 일부가 드레서 (20)으로 끌어 당겨져 신장한다. 그리고, 도 3c에 나타낸 바와 같이, 연마층 (10) 표면의 일부가 절단됨으로써 패드 부스러기 (10a)가 발생한다. 한편, 도 3d에 나타낸 바와 같이, 절단되지 않고 신장한 부분 (10b)는 연마층의 탄성에 의해 원래의 상태로 되돌아가고자 수축하지만, 도 3e에 나타낸 바와 같이, 연마층의 잔류 왜곡에 따른 보풀 발생부 (10b')가 발생한다. 이와 같이 연마층의 인장시에서의 잔류 왜곡은 다이아몬드 컨디셔닝시에 연마층 표면의 보풀 발생의 정도를 나타내는 지표가 된다.
연마층의 인장시에서의 잔류 왜곡이 상기 범위에 있으면, 다이아몬드 컨디셔닝에 의한 패드 부스러기의 발생이나 연마층 표면의 보풀 발생이 감소된다. 또한, 피연마면(웨이퍼 등의 표면)의 요철에 대한 연마층의 변형을 작게 할 수 있다. 이에 따라, 피연마면의 평탄성을 향상시킬 수 있음과 함께, 연마 결함의 발생을 감소시킬 수 있다. 연마층의 인장시에서의 잔류 왜곡이 2％ 미만이면, 연마층의 표면을 다이아몬드 컨디셔닝했을 경우에 발생하는 패드 부스러기가 증가하고, 이것이 연마 공정에 혼입됨으로써 연마 결함이 증대하는 경우가 있기 때문에 바람직하지 않다. 한편, 연마층의 인장시에서의 잔류 왜곡이 10％를 초과하면, 연마층의 표면을 다이아몬드 컨디셔닝했을 경우에 연마층 표면의 보풀 발생이 증가하고, 피연마면의 요철에 대한 연마층의 변형이 커짐으로써, 피연마면의 평탄성이 악화되는 경우가 있기 때문에 바람직하지 않다.
또한, 본 발명에 있어서, 연마층의 인장시에서의 잔류 왜곡은 「JIS K6270」에 준거한 방법으로 측정할 수 있다. 시험 장치는 시험편의 일단을 유지하는 고정측의 손잡이구, 시험편의 타단을 유지하여 왕복 운동하는 손잡이구, 손잡이구를 일정 주파수로 일정 진폭을 왕복시키는 구동 장치, 손잡이구의 왕복 운동 횟수를 표시하는 카운터 등에 의해 구성되어 있다. 구체적인 측정 방법은 2개의 덤벨상 시험편을 손잡이구에 부착하여 시험 장치를 움직이고, 반복 횟수 1×103회 후 정지시킨다. 1개의 시험편에 응력이 걸리지 않는 위치에 정지시키고, 1분 후에 시험편의 표선간 거리를 측정한다. 또한, 100회 반복한 후, 다른 1개의 시험편에 대해서도 마찬가지로 측정한다. 시험 주파수는 통상 1 내지 5 Hz의 범위에서 행한다. 시험전의 표선간 거리 I0, 반복 인장 후의 왜곡을 주지 않는 상태에서의 표선간 거리 In으로부터 하기 수학식 2에 의해 인장 시에서의 잔류 왜곡(％)을 산출한다.
Figure pct00002
또한, 측정시의 온도 및 습도는 「JIS K6250」의 「6.1 시험실의 표준 온도」 및 「6.2 시험실의 표준 습도」에 준한다. 즉, 시험실의 표준 온도는 23℃로 하고, 허용차는 ±2℃로 한다. 시험실의 표준 습도는 상대 습도로 50％로 하고, 허용차는 ±10％로 한다.
1.1.5. 부피 변화율
본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마 패드가 구비하는 연마층은 연마층을 23℃의 물에 24시간 침지했을 때의 부피 변화율이 0.8％ 이상 5％ 이하인 것이 바람직하고, 1％ 이상 3％ 이하인 것이 보다 바람직하다.
도 4a 및 도 4b는 연마층에서의 부피 변화율의 개념을 설명하기 위한 모식도이다. 화학 기계 연마 패드는 연마 작업 중 슬러리에 항상 노출되어 있다. 그러면, 도 4a에 나타낸 바와 같은 흡수하기 전에는 소정의 치수나 형상으로 제작되어 있던 연마층 (10)의 오목부 (30)이, 도 4b에 나타낸 바와 같이 흡수에 의한 팽윤에 의해, 특히 오목부 (30)의 치수나 형상, 보풀 발생의 정도 등이 변화할 수 있다. 물에 침지했을 때의 부피 변화율이 상기 범위에 있는 경우에는, 흡수에 의한 팽윤에 의해 연마층 표면이 적절히 연화되기 때문에 스크래치의 발생을 감소시킬 수 있다. 부피 변화율이 상기 범위 미만인 경우에는 흡수에 의한 팽윤이 작아 연마층 표면의 연화가 불충분하기 때문에, 스크래치의 발생을 감소시키는 효과를 충분히 발휘할 수 없다. 부피 변화율이 상기 범위를 초과하는 경우에는, 흡수에 의한 팽윤이 너무 커져, 스크래치의 발생을 감소시킬 수 있기는 하나 피연마물의 평탄성이 나빠지게 된다. 특히 연마면에 오목부 패턴이 형성되어 있는 경우, 흡수에 의한 팽윤이 너무 커지면 오목부 패턴의 형상이나 치수가 연마 시간에 따라 변화되어, 안정한 연마 특성이 얻어지지 않게 되는 경우가 있다. 이 때문에, 연마층 표면을 연화시키기 위해 팽윤하는 것은 바람직하지만, 과잉의 팽윤은 연마면의 변형을 야기하기 때문에 바람직하지 않다.
또한, 본 발명에서의 연마층의 부피 변화율은 「JIS K6258」에 준거한 이하의 방법에 의해 측정하였다. 우선, 두께 2.8 mm로 성형한 연마층을 2 cm×2 cm의 크기로 잘라내고, 이것을 23℃의 물에 24시간 침지시킨다. 침지 전의 공기 중의 질량(M1)과 침지 전의 수중의 질량(M2), 침지 후의 공기 중의 질량(M3)과 침지 후의 수중의 질량(M4)을 측정하고, 하기 수학식 3에 의해 부피 변화율을 산출하였다.
Figure pct00003
1.1.6. 웨트 상태에서의 표면 경도
본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마 패드가 구비하는 연마층의 웨트 상태에서의 표면 경도는 2 N/mm2 이상 10 N/mm2 이하인 것이 바람직하고, 3 N/mm2 이상 9 N/mm2 이하인 것이 보다 바람직하고, 4 N/mm2 이상 8 N/mm2 이하인 것이 특히 바람직하다. 연마층의 웨트 상태에서의 표면 경도는 CMP 실사용시에서의 연마층의 표면 경도를 나타내는 지표가 된다. 도 5a 및 도 5b는 연마층에서의 표면 경도의 개념을 설명하기 위한 모식도이다. 도 5a에 나타낸 바와 같이, 미소한 크기의 탐침(probe) (40)을 연마층 (10)의 표면에 압입한다. 그러면, 도 5b에 나타낸 바와 같이, 탐침 (40) 바로 아래의 연마층 (10)은 탐침 (40)의 주위로 밀려나오듯이 변형된다. 이와 같이, 표면 경도란, 연마층의 극표면의 변형이나 휨의 정도를 나타내는 지표가 된다. 즉, 도 1a 및 도 1b에 나타낸 바와 같은 밀리미터 단위의 경도 측정법인 상기 듀로 D 경도 측정에서는 연마층 전체의 거대한 경도를 나타내는 데이터가 얻어지는 데 반해, 도 5a 및 도 5b에 나타낸 바와 같은 연마층의 웨트 상태에서의 표면 경도 측정에서는 연마층의 극표면의 거대한 경도를 나타내는 데이터가 얻어진다. CMP 실사용시에서의 연마층의 압입 깊이는 5 마이크로미터 내지 50 마이크로미터이다. 따라서, 이러한 연마층의 극표면의 유연성을 판단하기 위해서는, 연마층의 웨트 상태에서의 표면 경도에 의해 판단하는 것이 바람직하다. 연마층의 웨트 상태에서의 표면 경도가 상기 범위에 있으면, 연마층의 극표면의 유연성이 적절해지기 때문에 연마 결함(스크래치)을 감소시킬 수 있다. 연마층의 웨트 상태에서의 표면 경도가 상기 범위 미만이면, 피연마면의 평탄성이 악화될 수 있기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 연마층의 웨트 상태에서의 표면 경도가 상기 범위를 초과하면, 연마 결함(스크래치)이 증대할 수 있기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 본 발명에 있어서, 연마층의 웨트 상태에서의 표면 경도는 23℃의 물에 4시간 침지시킨 연마층에 있어서 피셔(FISCHER)사 제조의 나노인덴터(제품명: HM2000)를 사용하여 300 mN 압입 시의 유니버설 경도(HU)로 나타내어진다.
1.1.7. 연마층의 형상 및 오목부
연마층의 평면 형상은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 원형상일 수 있다. 연마층의 평면 형상이 원형상인 경우, 그의 크기는 바람직하게는 직경 150 mm 내지 1200 mm, 보다 바람직하게는 직경 500 mm 내지 1000 mm이다. 연마층의 두께는 바람직하게는 0.5 mm 내지 5.0 mm, 보다 바람직하게는 1.0 mm 내지 4.0 mm, 특히 바람직하게는 1.5 mm 내지 3.5 mm이다.
연마면에는 복수의 오목부를 형성할 수도 있다. 상기 오목부는 CMP 시에 공급되는 슬러리를 유지하고, 이것을 연마면에 균일하게 분배함과 동시에, 연마 부스러기, 패드 부스러기 및 사용 완료 슬러리 등의 폐기물을 일시적으로 체류시켜, 외부로 배출하기 위한 경로가 되는 기능을 갖는다.
오목부의 깊이는 바람직하게는 0.1 mm 이상, 보다 바람직하게는 0.1 mm 내지 2.5 mm, 특히 바람직하게는 0.2 mm 내지 2.0 mm로 할 수 있다. 오목부의 폭은 바람직하게는 0.1 mm 이상, 보다 바람직하게는 0.1 mm 내지 5.0 mm, 특히 바람직하게는 0.2 mm 내지 3.0 mm로 할 수 있다. 연마면에 있어서, 인접하는 오목부의 간격은 바람직하게는 0.05 mm 이상, 보다 바람직하게는 0.05 mm 내지 100 mm, 특히 바람직하게는 0.1 mm 내지 10 mm로 할 수 있다. 또한, 오목부의 폭과 인접하는 오목부 사이의 거리의 합인 피치는 바람직하게는 0.15 mm 이상, 보다 바람직하게는 0.15 mm 내지 105 mm, 특히 바람직하게는 0.6 mm 내지 13 mm로 할 수 있다. 오목부는 상기 범위의 일정 간격을 설치하여 형성된 것인 것일 수 있다. 상기 범위의 형상을 갖는 오목부를 형성함으로써, 피연마면의 스크래치 감소 효과가 우수하고, 수명이 긴 화학 기계 연마 패드를 용이하게 제조할 수 있다.
상기 각 바람직한 범위는 각각의 조합으로 할 수 있다. 즉, 예를 들면 깊이가 0.1 mm 이상, 폭이 0.1 mm 이상, 간격이 0.05 mm 이상인 것이 바람직하고, 깊이가 0.1 mm 내지 2.5 mm, 폭이 0.1 mm 내지 5.0 mm, 간격이 0.05 mm 내지 100 mm인 것이 보다 바람직하고, 깊이가 0.2 mm 내지 2.0 mm, 폭이 0.2 mm 내지 3.0 mm, 간격이 0.1 mm 내지 10 mm인 것이 특히 바람직하다.
상기 오목부를 가공하기 위한 공구는 일본 특허 공개 제2006-167811호 공보, 일본 특허 공개 제2001-18164호 공보, 일본 특허 공개 제2008-183657호 공보 등에 기재되어 있는 형상의 다인 공구를 사용할 수 있다. 사용하는 공구의 절삭날은 다이아몬드 또는 Ti, Cr, Zr, V 등의 주기표 제4, 5, 6족 금속으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속 원소와, 질소, 탄소 및 산소로부터 선택되는 적어도 1종의 비금속 원소로 구성되는 코팅층을 가질 수도 있다. 또한, 코팅층은 1층 설치하는 경우로 한정되지 않고, 재료를 달리하여 복수층 설치할 수도 있다. 이러한 코팅층의 막 두께는 0.1 내지 5 μm가 바람직하고, 1.5 내지 4 μm가 보다 바람직하다. 코팅층의 성막에는 아크 이온 플레이팅 장치 등의 공지된 기술을 공구 재질, 코팅 재질 등에 따라 적시 선택하여 사용할 수 있다.
1.1.8. 제조 방법
본 실시 형태에서 이용되는 연마층은 상술한 열가소성 폴리우레탄을 함유하는 조성물을 성형함으로써 얻어진다. 조성물의 혼련은 공지된 혼련기 등에 의해 행할 수 있다. 혼련기로서는, 예를 들면 롤, 니더, 밴버리(banbury) 믹서, 압출기(단축, 다축) 등을 들 수 있다. 조성물로부터 연마층을 성형하는 방법으로서는, 120℃ 내지 230℃에서 가소화한 상기 조성물을 프레스 성형, 압출 성형 또는 사출 성형하고, 가소화?시트화하는 방법에 의해 성형하면 좋다. 이러한 성형 조건을 적절히 조정함으로써 비중이나 경도를 조절할 수도 있다.
이와 같이 하여 성형한 후, 절삭 가공에 의해 연마면에 오목부를 형성할 수도 있다. 또한, 오목부가 되는 패턴이 형성된 금형을 이용하여 상술한 조성물을 금형 성형함으로써, 연마층의 개형과 함께 오목부를 동시에 형성할 수도 있다.
1.2. 지지층
본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마 패드는 상술한 연마층만으로 구성되는 경우도 있지만, 상기 연마층의 연마면과는 반대측의 면에 지지층을 설치할 수도 있다.
지지층은 화학 기계 연마 패드에 있어서 연마 장치용 정반에 연마층을 지지하기 위해 이용된다. 지지층은 접착층일 수도 있고, 접착층을 양면에 갖는 쿠션층일 수도 있다.
접착층은 예를 들면 점착 시트를 포함할 수 있다. 점착 시트의 두께는 50 μm 내지 250 μm인 것이 바람직하다. 50 μm 이상의 두께를 가짐으로써, 연마층의 연마면측으로부터의 압력을 충분히 완화시킬 수 있고, 250 μm 이하의 두께를 가짐으로써, 요철의 영향을 연마 성능에 주지 않을 정도로 균일한 두께를 갖는 화학 기계 연마 패드가 얻어진다.
점착 시트의 재질로서는 연마층을 연마 장치용 정반에 고정할 수 있으면 특별히 한정되지 않지만, 연마층보다 탄성률이 낮은 아크릴계 또는 고무계의 재질인 것이 바람직하다.
점착 시트의 접착 강도는 화학 기계 연마 패드를 연마 장치용 정반에 고정할 수 있으면 특별히 한정되지 않지만, 「JIS Z0237」의 규격으로 점착 시트의 접착 강도를 측정한 경우, 그 접착 강도가 바람직하게는 3 N/25 mm 이상, 보다 바람직하게는 4 N/25 mm 이상, 특히 바람직하게는 10 N/25 mm 이상이다.
쿠션층은 연마층보다 경도가 낮은 재질로 되어 있으면 그 재질은 특별히 한정되지 않으며, 다공질체(발포체) 또는 비다공질체일 수도 있다. 쿠션층으로서는, 예를 들면 발포 폴리우레탄 등을 성형한 층을 들 수 있다. 쿠션층의 두께는 바람직하게는 0.1 mm 내지 5.0 mm, 보다 바람직하게는 0.5 mm 내지 2.0 mm이다.
2. 화학 기계 연마 방법
본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마 방법은 상술한 화학 기계 연마 패드를 이용하여 화학 기계 연마하는 것을 특징으로 한다. 상술한 화학 기계 연마 패드는 열가소성 폴리우레탄을 함유하는 조성물로 형성되고, 특정 범위의 비중 및 경도를 겸비한 연마층을 갖고 있다. 이 때문에, 본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마 방법에 따르면, 특히 CMP 공정에서의 피연마면의 평탄성의 향상과 연마 결함(스크래치)의 감소를 양립시킬 수 있다.
본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마 방법에 있어서는, 시판되는 화학 기계 연마 장치를 사용할 수 있다. 시판되는 화학 기계 연마 장치로서는, 예를 들면 형식 「EPO-112」, 형식 「EPO-222」(이상, 가부시끼가이샤 에바라 세이사꾸쇼 제조); 형식 「LGP-510」, 형식 「LGP-552」(이상, 랩마스터 SFT사 제조); 형식 「Mirra」, 형식 「Reflexion LK」(이상, 어플라이드 머티리얼사 제조) 등을 들 수 있다.
또한, 슬러리로서는 연마 대상(구리막, 절연막, 저유전율 절연막 등)에 따라 적절히 최적의 것을 선택할 수 있다.
3. 실시예
이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 의해 아무런 한정도 되지 않는다.
3.1. 화학 기계 연마 패드의 제조
3.1.1. 실시예 1
비지환식 열가소성 폴리우레탄(바스프(BASF)사 제조, 상품명 「엘라스토란 1174D」, 경도 70D)을 50 질량부, 지환식 열가소성 폴리우레탄(바스프사 제조, 상품명 「엘라스토란 NY1197A」, 경도 61D)을 50 질량부, 수용성 입자로서 β-사이클로덱스트린(엔스이 고세이토 가부시끼가이샤 제조, 상품명 「덱시펄 β-100」, 평균 입경 20 μm) 29 질량부를, 200℃로 온도 조절된 루더(ruder)에 의해 혼련하여 열가소성 폴리우레탄 조성물을 제작하였다. 제작한 열가소성 폴리우레탄 조성물을 프레스 금형 내에서 180℃에서 압축 성형하여, 직경 845 mm, 두께 3.2 mm의 원주상의 성형체를 제작하였다. 다음으로, 제작한 성형체의 표면을 샌드 페이퍼로 연마하여 두께를 조정하고, 또한 절삭 가공기(가토 기카이 가부시끼가이샤 제조)에 의해 폭 0.5 mm, 깊이 1.0 mm, 피치 1.5 mm의 동심원상의 오목부를 형성하여 외주부를 분리함으로써, 직경 600 mm, 두께 2.8 mm의 연마층을 얻었다. 이와 같이 하여 제작한 연마층 중 오목부를 형성하지 않은 면으로 양면 테이프 #422JA(3M사 제조)를 라미네이팅하여, 화학 기계 연마 패드를 제작하였다.
3.1.2. 실시예 2 내지 7, 비교예 1 내지 3
조성물의 각 성분의 종류 및 함유량을 표 1 또는 표 3에 기재된 것으로 변경한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 실시예 2 내지 7, 비교예 1 내지 3의 화학 기계 연마 패드를 제작하였다.
3.1.3. 실시예 8, 9
공기 분위기 하에서, 교반기를 구비한 2 L의 4구 분리 플라스크에, 폴리옥시에틸렌 비스페놀 A 에테르(니찌유 가부시끼가이샤 제조, 상품명 「유니올 DA400」)를 38 질량부 및 폴리테트라메틸렌글리콜(호도가야 가가꾸 고교 가부시끼가이샤 제조, 상품명 「PTG-1000SN」, Mn=1012)을 31 질량부 투입하고, 40℃로 온도 조절하여 교반하였다. 이어서, 상기 플라스크에, 80℃의 오일욕에서 용해시킨 4,4'-디페닐메탄디이소시아네이트(닛본 폴리우레탄 고교 가부시끼가이샤 제조, 상품명 「MILLIONATE MT」)를 31 질량부 가하고, 15분간 교반?혼합하였다. 이어서, 얻어진 혼합물을 표면 가공된 SUS제 배트에 펼쳐 110℃에서 1시간 정치하여 반응시키고, 추가로 80℃에서 16시간 어닐링하여 열가소성의 폴리우레탄 A를 얻었다. 열가소성 폴리우레탄으로서 폴리우레탄 A를 이용하고, 조성물의 다른 성분 및 함유량을 표 1에 기재한 것으로 변경한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 화학 기계 연마 패드를 제작하였다.
3.1.4. 실시예 10
열가소성 폴리우레탄(바스프사 제조, 상품명 「엘라스토란 1174D」)을 67 질량부, 열가소성 폴리우레탄(바스프사 제조, 상품명 「엘라스토란 NY1197A」)을 30 질량부, 폴리올레핀-폴리에테르 공중합체(산요 가세이 고교 가부시끼가이샤 제조, 상품명 「팰레스타트 300」, 흡수율 38％의 흡수성 고분자 화합물)를 3 질량부, 수용성 입자로서 β-사이클로덱스트린(엔스이 고세이토 가부시끼가이샤 제조, 상품명 「덱시펄 β-100」) 20 질량부를 180℃로 온도 조절된 루더에 의해 혼련하여 열가소성 폴리우레탄 조성물을 제작하였다. 이와 같이 하여 제작한 조성물을 사용한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 화학 기계 연마 패드를 제작하였다.
3.1.5. 실시예 11 내지 14
조성물의 각 성분의 종류 및 함유량을 표 2에 기재된 것으로 변경한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 실시예 11 내지 14의 화학 기계 연마 패드를 제작하였다.
3.1.6. 비교예 4
공기 분위기 하에서, 교반기를 구비한 2 L의 4구 분리 플라스크에, 말단이 수산기화된 폴리부타디엔(니혼 소다 가부시끼가이샤 제조, 상품명 「NISSO PB G-1000」)을 25 질량부 및 폴리테트라메틸렌글리콜(호도가야 가가꾸 고교 가부시끼가이샤 제조, 상품명 「PTMG-1000SN」)을 35.8 질량부 투입하고, 40℃로 온도 조절하여 교반하였다. 이어서, 상기 플라스크에, 80℃의 오일욕에서 용해시킨 4,4'-디페닐메탄디이소시아네이트(닛본 폴리우레탄 고교 가부시끼가이샤 제조, 상품명 「MILLIONATE MT」)를 30.5 질량부 가하고, 10분간 교반?혼합한 후, 3-메틸-1,5-펜탄디올(가부시끼가이샤 쿠라레 제조, 상품명 「MPD」)을 8.4 질량부 가하고, 교반?혼합하였다. 이어서, 얻어진 혼합물을 표면 가공된 SUS제 배트에 펼쳐 110℃에서 1시간 정치하여 반응시키고, 추가로 80℃에서 16시간 어닐링하여 열가소성의 폴리우레탄 B를 얻었다. 열가소성 폴리우레탄으로서 폴리우레탄 B를 이용하고, 다른 성분 및 함유량을 표 3에 기재한 것으로 변경한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 화학 기계 연마 패드를 제작하였다.
3.1.7. 비교예 5
시판되는 화학 기계 연마 패드(롬 앤 하스사 제조, 상품명 「IC1000」, 열 가교 폴리우레탄 수지에 의해 연마층이 제작되어 있음)를 사용하였다. 후술하는 방법에 의해 연마층의 물성을 평가한 바, 비중은 0.81이고, 듀로 D 경도는 63D, 표면 경도는 14.5 N/mm2였다.
3.1.8. 비교예 6
1,2-폴리부타디엔(JSR 가부시끼가이샤 제조, 상품명 「RB830」, 경도 47D) 100 질량부에, 수용성 입자로서 β-사이클로덱스트린(엔스이 고세이토 가부시끼가이샤 제조, 상품명 「덱시펄 β-100」, 평균 입경 20 μm) 38 질량부를 혼합한 조성물을 얻었다. 얻어진 조성물 100 질량부에 대하여 추가로 유기 과산화물(니찌유 가부시끼가이샤 제조, 상품명 「퍼쿠밀 D-40」)을 1 질량부 가하여 혼련한 조성물을 얻은 후, 실시예 1과 동일하게 하여, 수용성 입자 함유 열 가교 폴리부타디엔 수지를 포함하는 화학 기계 연마 패드를 제작하였다.
또한, 표 1 내지 표 3에서의 각 성분의 약칭은 이하와 같다.
?「PU1-1」: 비지환식 열가소성 폴리우레탄(바스프사 제조, 상품명 「엘라스토란 1174D」, 경도 70D)
?「PU1-2」: 비지환식 열가소성 폴리우레탄(바스프사 제조, 상품명 「엘라스토란 1164D」, 경도 64D)
?「PU1-3」: 비지환식 열가소성 폴리우레탄(바스프사 제조, 상품명 「엘라스토란 1180A」, 경도 41D)
?「PU2-1」: 지환식 열가소성 폴리우레탄(바스프사 제조, 상품명 「엘라스토란 NY1197A」, 경도 61D)
?「PU2-2」: 지환식 열가소성 폴리우레탄(바스프사 제조, 상품명 「엘라스토란 NY1164D」, 경도 64D)
?「β-CD」: β-사이클로덱스트린(평균 입경 20 μm, 엔스이 고세이토 가부시끼가이샤 제조, 상품명 「덱시펄 β-100」)
?「열 가교 폴리부타디엔 수지」: 1,2-폴리부타디엔(경도 47D, JSR 가부시끼가이샤 제조, 상품명 「RB830」)
?「유기 과산화물」: 디쿠밀퍼옥사이드(니찌유 가부시끼가이샤 제조, 상품명 「퍼쿠밀 D-40」, 가교제)
?「PM1」: 폴리올레핀-폴리에테르 공중합체(산요 가세이 고교 가부시끼가이샤 제조, 상품명 「팰레스타트 300」, 흡수율 38％)
?「PM2」: 폴리알킬렌옥사이드(스미토모 세이카 가부시끼가이샤 제조, 상품명 「아쿠아코크 TWB」, 흡수율 2050％)
3.2. 연마층의 물성 측정
3.2.1. 비중
상기 「3.1. 화학 기계 연마 패드의 제조」에서 제작한 연마층 및 IC1000의 연마층에 대하여 비중을 측정하였다. 연마층의 비중은 「JIS Z8807」에 준거하여 측정하였다. 그 결과를 표 1 내지 표 3에 아울러 나타내었다.
3.2.2. 듀로 D 경도
상기 「3.1. 화학 기계 연마 패드의 제조」에서 제작한 연마층 및 IC1000의 연마층에 대하여 듀로 D 경도를 측정하였다. 연마층의 듀로 D 경도는 「JIS K6253」에 준거하여 측정하였다. 그 결과를 표 1 내지 표 3에 아울러 나타내었다.
3.2.3. 인장 시에서의 잔류 왜곡
상기 「3.1. 화학 기계 연마 패드의 제조」에서 제작한 연마층 및 IC1000의 각 연마층의 오목부가 형성되어 있지 않은 부분으로부터 시험편을 제작하고, 인장시에서의 잔류 왜곡을 측정하였다. 인장시에서의 잔류 왜곡은 「JIS K6270」에 준거하여 측정하였다. 또한, 측정 시의 온도는 23℃이고, 습도는 상대 습도로 50％였다. 그 결과를 표 1 내지 표 3에 아울러 나타내었다.
3.2.4. 부피 변화율
상기 「3.1. 화학 기계 연마 패드의 제조」에서 제작한 연마층 및 IC1000의 연마층에 대하여 부피 변화율을 측정하였다. 연마층의 부피 변화율은 「JIS K6258」에 준거한 이하의 방법에 의해 측정하였다. 우선, 두께 2.8 mm로 성형한 연마층을 2 cm×2 cm의 각형으로 잘라내어, 이것을 측정용 시료로 하였다. 이 측정용 시료를 23℃의 물에 24시간 침지시켰다. 침지 전의 공기 중의 질량(M1)과 침지 전의 수중의 질량(M2), 침지 후의 공기 중의 질량(M3)과 침지 후의 수중의 질량(M4)을 전자 천칭(쵸바란스 가부시끼가이샤 제조, 형식 「JP-300」)을 이용하여 측정하고, 하기 수학식 3에 의해 부피 변화율을 산출하였다. 그 결과를 표 1 내지 표 3에 아울러 나타내었다.
<수학식 3>
Figure pct00004
3.2.5. 웨트 상태에서의 표면 경도
상기 「3.1. 화학 기계 연마 패드의 제조」에서 제작한 연마층 및 IC1000의 연마층에 대하여 연마층의 웨트 상태의 표면 경도를 측정하였다. 연마층의 웨트 상태에서의 표면 경도는 23℃의 물에 4시간 침지시킨 연마층에 대하여 나노인덴터(피셔사 제조, 형식 「HM2000」)을 사용하여 300 mN 압입 시의 유니버설 경도(HU)를 표면 경도로서 측정하였다. 그 결과를 표 1 내지 표 3에 아울러 나타내었다.
3.3. 화학 기계 연마의 평가
상기 「3.1. 화학 기계 연마용 패드의 제조」에서 제조한 화학 기계 연마 패드를 화학 기계 연마 장치(에바라 세이사꾸쇼사 제조, 형식 「EPO-112」)에 장착하고, 드레서(얼라이드사 제조, 상품명 「#325-63R」)를 이용하여 테이블 회전수 20 rpm, 드레싱 회전수 19 rpm, 드레싱 하중 5.1 kgf의 조건으로 드레싱을 30분간 행하였다. 그 후, 드레싱한 화학 기계 연마 패드를 이용하여 이하의 조건으로 화학 기계 연마를 행하고, 연마 특성을 평가하였다.
?헤드 회전수: 61 rpm
?헤드 하중: 3 psi(20.6 kPa)
?테이블 회전수: 60 rpm
?슬러리 공급 속도: 300 cm3/분
?슬러리: CMS8401/CMS8452(JSR 가부시끼가이샤 제조)
3.3.1. 평탄성의 평가
피연마물로서, 실리콘 기판 상에 PETEOS막을 5,000 옹스트롬 순차적으로 적층시킨 후, 「SEMATECH 854」 마스크 패턴 가공하고, 그 위에 250 옹스트롬의 탄탈니트라이드막, 1,000 옹스트롬의 구리 시드막 및 10,000 옹스트롬의 구리막을 순차적으로 적층시킨 테스트용의 기판을 이용하였다.
상기 「3.3. 화학 기계 연마의 평가」에 기재된 조건으로 상기 피연마물을 1분간 화학 기계 연마 처리하고, 처리 전후의 막 두께를 전기 전도식 막 두께 측정기(케이엘에이 텐코르사 제조, 형식 「옴니맵 RS75」)를 이용하여 측정하고, 처리 전후의 막 두께 및 연마 처리 시간으로부터 연마 속도를 산출하였다. 그리고 나서, Cu 클리어가 되는 종점 시간을, 연마 개시로부터 테이블 토크 전류의 변화에 의해 검출한 종점에 이르기까지의 시간으로 산출하고, 상기 패턴 구비 웨이퍼에 대하여 종점 검출 시간의 1.2배의 시간을 연마한 후에, 폭 100 μm의 구리 배선부와 폭 100 μm의 절연부가 교대로 연속한 패턴이 길이 방향에 대하여 수직 방향으로 3.0 mm 연속한 부분에 대하여, 정밀 단차계(케이엘에이 텐코르사 제조, 형식 「HRP-240」)를 사용하여, 배선 폭 100 μm 부분의 구리 배선의 오목량(이하, 「디싱(dishing)량」이라고도 함)을 측정함으로써 디싱을 평가하고, 평탄성의 지표로 하였다. 그 결과를 표 1 내지 표 3에 아울러 나타내었다. 또한, 디싱량은 바람직하게는 300Å 미만, 보다 바람직하게는 250Å 미만, 특히 바람직하게는 200Å 미만이다.
3.3.2. 스크래치의 평가
연마 처리 후의 상기 패턴 구비 웨이퍼의 피연마면에 있어서, 웨이퍼 결함 검사 장치(케이엘에이 텐코르사 제조, 형식 「KLA2351」)를 사용하여 웨이퍼 전체면에서의 스크래치의 개수를 측정하였다. 그 결과를 표 1 내지 표 3에 아울러 나타내었다. 또한, 스크래치는 바람직하게는 40개 미만, 보다 바람직하게는 20개 미만, 특히 바람직하게는 15개 미만이다.
Figure pct00005
Figure pct00006
Figure pct00007
3.4. 화학 기계 연마 패드의 평가 결과
표 1 및 표 2에 따르면, 실시예 1 내지 14의 화학 기계 연마 패드는 평탄성, 스크래치의 2 항목의 연마 특성에 있어서 모두 바람직한 결과가 얻어졌다.
이에 반해, 표 3에 따르면, 비교예 1 내지 6의 화학 기계 연마 패드는 상술한 2 항목의 각 연마 특성 중 1 항목 이상이 불량이 되는 결과가 얻어졌다. 비교예 1에서는 지환식 열가소성 폴리우레탄을 함유하는 화학 기계 연마 패드이기는 하지만, 비중의 요건을 만족시키지 않음으로써 평탄성이 불량이 되었다. 또한, 비교예 2에서는 비지환식 열가소성 폴리우레탄을 함유하는 화학 기계 연마 패드이기는하지만, 듀로 D 경도의 요건을 만족시키지 않음으로써 스크래치 성능이 불량이 되었다. 비교예 3에서는 비지환식 열가소성 폴리우레탄을 함유하는 화학 기계 연마 패드이기는 하지만, 비중 및 듀로 D 경도의 요건을 만족시키지 않음으로써 평탄성이 현저히 떨어지는 결과가 되었다. 비교예 4에서는 열가소성의 폴리우레탄 B를 함유하는 화학 기계 연마 패드이기는 하지만, 듀로 D 경도의 요건을 만족시키지 않음으로써 평탄성이 현저히 떨어지는 결과가 되었다. 비교예 6에서는 폴리부타디엔 및 수용성 입자를 함유하는 화학 기계 연마 패드이고, 비중의 요건을 만족시키지 않고, 평탄성 및 스크래치의 2 항목의 연마 특성에 있어서 모두 떨어지는 결과가 되었다.
또한, 비교예 5와 같이 발포 구조를 갖는 열 가교 폴리우레탄으로 구성되는 경우, 평탄성 및 스크래치의 2 항목의 연마 특성에 있어서 모두 떨어지는 결과가 되었다.
이상의 실시예 및 비교예의 결과로부터 분명한 바와 같이, 본 발명에 따른 화학 기계 연마 패드는 열가소성 폴리우레탄을 함유하는 연마층의 비중과 경도의 균형을 규정함으로써, 평탄성 및 스크래치 성능이 우수한 화학 기계 연마 패드를 제조할 수 있었다.
본 발명은 상술한 실시 형태로 한정되는 것은 아니고, 다양한 변형이 가능하다. 예를 들면, 본 발명은 실시 형태에서 설명한 구성과 실질적으로 동일한 구성(예를 들면, 기능, 방법 및 결과가 동일한 구성, 또는 목적 및 효과가 동일한 구성)을 포함한다. 또한, 본 발명은 실시 형태에서 설명한 구성이 본질적이지 않은 부분을 치환한 구성을 포함한다. 또한, 본 발명은 실시 형태에서 설명한 구성과 동일한 작용 효과를 발휘하는 구성 또는 동일한 목적을 달성할 수 있는 구성을 포함한다. 또한, 본 발명은 실시 형태에서 설명한 구성에 공지 기술을 부가한 구성을 포함한다.
10: 연마층
10a: 패드 부스러기
10b: 신장한 부분
10b': 보풀 발생부
20: 드레서
30: 오목부
40: 탐침

Claims (7)

  1. 열가소성 폴리우레탄을 함유하는 조성물로 형성된 연마층을 갖고,
    상기 연마층의 비중이 1.15 이상 1.30 이하이며, 상기 연마층의 듀로 D 경도가 50D 이상 80D 이하인 것을 특징으로 하는, 화학 기계 연마 패드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연마층의 인장시에서의 잔류 왜곡이 2％ 이상 10％ 이하인 화학 기계 연마 패드.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연마층을 23℃의 물에 24시간 침지했을 때의 부피 변화율이 0.8％ 이상 5.0％ 이하인 화학 기계 연마 패드.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연마층을 23℃의 물에 4시간 침지했을 때의 표면 경도가 2 N/mm2 이상 10 N/mm2 이하인 화학 기계 연마 패드.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열가소성 폴리우레탄은 지환식 이소시아네이트 및 방향족 이소시아네이트로부터 선택되는 적어도 1종에서 유래하는 반복 단위를 포함하는 화학 기계 연마 패드.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조성물은 수용성 입자를 더 포함하는 화학 기계 연마 패드.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 화학 기계 연마 패드를 이용하여 화학 기계 연마하는 화학 기계 연마 방법.
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