KR20130006916A - 연마장치와 이를 통해 제조된 마스크 블랭크용 기판 및 마스크 블랭크 - Google Patents

연마장치와 이를 통해 제조된 마스크 블랭크용 기판 및 마스크 블랭크 Download PDF

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KR20130006916A
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양철규
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Abstract

본 발명은 캐리어와 정반이 직접적으로 접촉됨에 따라, 캐리어 파티클 및 이로 인한 결함이 발생되는 것이 방지되도록 구조가 개선된 연마장치 및 이를 통해 제조된 마스크 블랭크용 기판 및 마스크 블랭크에 관한 것이다. 본 발명에 따른 연마장치는 회전 가능하게 설치되는 상정반과, 상정반과 마주보며 회전가능하게 설치되는 하정반과, 상정반의 중심부에 설치되는 선기어와, 하정반의 둘레에 설치되는 인터널기어와, 원판 형상으로 형성되며, 선기어와 인터널기어에 맞물리게 설치되며, 기판을 장착하기 위한 장착홀이 관통 형성되어 있는 캐리어와, 캐리어의 하면이 하정반과 이격되도록 캐리어를 지지하는 간격유지부재를 포함한다.

Description

연마장치와 이를 통해 제조된 마스크 블랭크용 기판 및 마스크 블랭크{Polishing device and substrate for mask blank and mask blank}
본 발명은 마스크 블랭크용 기판을 연마하는 연마장치와, 이를 통해 제조된 마스크 블랭크용 기판 및 마스크 블랭크에 관한 것이다.
반도체 소자 제작의 핵심 기술인 리소그래피 공정에 사용되는 핵심 부품소재인 포토마스크는 마스크 블랭크를 e-Beam 등을 통한 방법으로 패턴을 형성하여 제조된다.
포토마스크의 성능은 마스크 블랭크의 성능에 의해 결정되고, 마스크 블랭크의 성능은 마스크 블랭크 기판의 성능에 따라 좌우되기 있기 때문에 마스크 기판의 가공 기술 및 방법이 중요한 핵심 기술로 여겨지고 있다.
최근 반도체 회로의 고밀도, 고정밀도에 따라 마스크 블랭크용 기판과 같은 전자 디바이스용 6 인치 투명 기판은 더욱 더 우수한 결함 특성이 요구되고 있다.
투명 기판의 표면 결함은 종래 365nm 이상의 긴 파장의 빛을 이용한 리소그래피에서는 웨이퍼 전사 시 패턴에 미치는 영향이 크게 문제되지 않았다. 하지만 근래에 반도체 제조를 위한 리소그래피에서는 해상도(Resolution) 향상을 위해 248nm의 KrF, 193nm의 ArF 및 13.5nm의 EUV 등으로 노광 파장의 단파장화가 이루어지고 있는 추세이다. 이와 같은 노광 파장의 단파장화는 마스크 기판 상의 작은 파티클 (Particle) 또는 결함이 전사 패턴에 영향을 미쳐 Critical Dimension (CD) Error 등을 비롯한 마스크 결함으로 발전할 수 있다. 그리고 위상반전 (Phase Shift) 포토마스크의 경우 기존에 설계된 위상반전, 투과율 (Transmittance) 등에 영향을 주어 마스크 결함을 유발시킨다. 즉, 이는 마스크의 품질을 저하시키는 요인으로 작용하기 때문에 기판의 결함 및 파티클 제어가 기판의 가공 기술에서 중요한 기술로 자리잡고 있다.
한편, 그 동안 결함 제어 연구는 포토마스크 패턴이 형성되는 마스크 블랭크용 기판의 주 표면에 대해 집중적으로 이루어져왔으며, 파티클 및 결함은 연마 공정에서 연마 슬러리와 연마 패드에서 발생되는 것으로 확인되었다. 연마 공정 이후 실시되는 기판 세정 공정은 이런 종류의 파티클 및 결함 제거에 최적화된 세정 공정이기 때문에 다른 원인에 의해 발생되는 파티클 및 결함을 제거를 위해서는 새로운 세정 공정을 확보해야 하기 때문에 공정 특성상 시간과 노력이 부가되어야 하는 단점을 가진다.
한편, 그 동안 연마 공정에 있어서 마스크 블랭크용 기판을 지지하는 캐리어(Carrier)는 정반이나 정반에 결합된 연마패드에 직접 접촉하는 방법을 사용하였다. 이때, 일반적으로 경도가 강한 재질의 캐리어를 사용하지만, 지속적인 연마에 의해 파편들이 캐리어 표면에서 떨어져 나와 슬러리 또는 연마 패드에 잔존하게 된다. 이렇게 형성된 캐리어 파티클은 마스크 블랭크용 기판 표면 상에 파티클 및 결함의 형태로 나타나는 것을 확인하였다.
따라서 상기의 문제점을 해결하기 위하여 특수 물질로 코팅된 캐리어를 사용하는 연마 방법이 시행되고 있지만 지속적인 연마 공정에 의한 마찰로 인해 여전히 상술한 바와 같은 파티클 및 결함이 발생되고 있으며 생산 비용을 증가시키는 요인으로 작용하고 있는 실정이다.
본 발명의 목적은 캐리어와 정반이 직접적으로 접촉됨에 따라, 캐리어 파티클 및 이로 인한 결함이 발생되는 것이 방지되도록 구조가 개선된 연마장치 및 이를 통해 제조된 마스크 블랭크용 기판 및 마스크 블랭크를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 연마장치는 회전 가능하게 설치되는 상정반과, 상기 상정반과 마주보며 회전가능하게 설치되는 하정반과, 상기 상정반의 중심부에 설치되는 선기어와, 상기 하정반의 둘레에 설치되는 인터널기어와, 원판 형상으로 형성되며, 상기 선기어와 상기 인터널기어에 맞물리게 설치되며, 기판을 장착하기 위한 장착홀이 관통 형성되어 있는 캐리어와, 상기 캐리어의 하면이 상기 하정반과 이격되도록 상기 캐리어를 지지하는 간격유지부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 간격유지부재는, 상기 선기어 및 상기 인터널기어에 결합되며, 상기 캐리어의 하면이 상기 간격유지부재에 접촉되어 지지되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따르면 상기 캐리어의 하면과 상기 하정반 사이의 간격은 변경가능한 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따르면 상기 캐리어의 하면과 상기 하정반 사이의 간격은 0.1 ~ 3mm인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따르면 상기 기판으로 연마액을 공급하는 연마액 공급부를 더 포함하며, 상기 연마액은 탄화규소(SiC), 알루미나(Al2O3), 산화세륨 (CeO2), 콜로이달 실리카(SiO2) 중 적어도 하나의 물질을 포함하여 이루어진 연마입자를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따르면 상기 연마액의 PH는 8 내지 12인 것이 바람직하다.
상기한 구성의 본 발명에 따르면, 기판의 연마시 캐리어로부터 파티클이 떨어져 나오는 것이 방지되며, 그 결과 파티클에 의해 기판에 결함이 발생되는 것이 방지된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연마장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 마스크 블랭크의 개략적인 구성도이다.
도 3은 위상반전막이 형성되어 있는 마스크 블랭크의 개략적인 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연마장치 및 이를 통해 제조된 마스크 블랭크용 기판 및 마스크 블랭크에 관하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연마장치의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 연마장치(100)는 상정반(110)과, 하정반(120)과, 선기어(130)와, 인터널기어(140)와, 노즐(도면 미도시)과, 캐리어(150)와, 간격유지부재(160)을 포함한다.
상정반(110)은 회전 가능하게 설치되며, 그 하면에 연마패드(111)가 마련된다. 하정반(120)은 상정반과 마주보며 회전 가능하게 설치되며, 그 상면에 연마패드(121)가 마련된다. 선기어(130)는 상정반의 중심부에 회전가능하게 설치된다. 인터널기어(140)는 하정반의 둘레(외주)에 회전 가능하게 설치된다. 노즐(도면 미도시)은 연마액(slurry)을 공급하기 위한 것으로, 상정반의 상측에 설치된다. 그리고, 상정반(110)에는 노즐을 통하여 공급된 연마액(slurry)이 하정반(120) 측으로 유입되도록 관통된 유입구(도면 미도시)가 형성되어 있으며, 기판(W)의 연마시 유입구를 통해 연마액이 공급된다.
캐리어(150)는 기판(W)을 지지하기 위한 것이다. 캐리어(150)는 상정반(1110)과 하정반(120) 사이에 설치된다. 캐리어(150)는 대략 원판 형상으로 형성되며, 그 외주면은 선기어(130) 및 인터널기어(140)와 맞물리게 배치된다. 그리고, 캐리어(100)에는 기판을 장착하기 위한 장착홀과, 슬러리의 원활한 이동을 위한 관통공(도면 미도시)이 형성된다. 이때, 장착홀의 위치는 캐리어의 중앙에서 한쪽 방향으로 치우친 위치에 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 장착홀의 위치와, 관통공의 개수 및 위치는 연마공정에 따라 변경될 수 있다.
간격유지부재(160)는 하정반과 캐리어(150)가 직접적으로 접촉되는 것을 방지하기 위한 것이다. 즉, 종래의 경우 캐리어는 하정반, 보다 구체적으로는 하정반에 마련된 연마패드에 접촉되면서 이동되기 때문에, 마모에 의해 캐리어에서 파티클이 발생하는 문제점이 있었다. 간격유지부재는 이러한 문제를 해결하기 위한 구성이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 경우 간격유지부재(160)는 인터널기어(140) 및 선기어(130)에 결합된다. 캐리어(150)의 하면은 간격유지부재(160)에 접촉되어 지지되며, 이에 따라 캐리어(150)가 하정반에 마련된 연마패드(121)와 이격된 상태로 지지된다. 이때, 캐리어(150)의 하면과 하정반에 마련된 연마패드(121) 사이의 간격은 0.1 ~ 3mm인 것이 바람직하다.
한편, 본 실시예의 경우에는 간격유지부재가 인터널기어 및 선기어에 위치고정되게 결합되지만, 간격유지부재가 인터널기어 및 선기어에 상하 방향으로 슬라이딩 가능하게 결합되도록 함으로써, 연마공정에 따라서 캐리어의 하면과 하정반에 마련된 연마패드 사이의 간격을 변경 가능하도록 발명을 구성할 수도 있다.
이와 같이 구성된 연마장치를 작동시키면, 하정반(120)과 상정반(110)은 서로 반대 방향으로 회전되고, 인터널기어(140)와 선기어(130)도 이에 연동하여 서로 반대방향으로 회전된다(한편, 인터널기어와 선기어가 동일한 방향으로 회전하도록 구성할 수도 있다). 그리고, 인터널기어(140)와 선기어(130)의 회전에 의하여 캐리어(150)는 자전과 공전을 하면서 연마액 및 고압의 가공 압력에 의하여 기판이 연마된다. 이때, 캐리어(150)와 연마패드(121)가 접촉되지 않으므로, 캐리어의 파티클이 발생하는 것이 방지되며, 그 결과 파티클에 의한 결함이 발생하는 것이 방지되어 우수한 품질의 기판을 제조할 수 있다.
한편, 상술한 연마장치를 이용하여 랩핑 공정을 진행할 경우, 연마액으로는 알루미나(Al2O3), 탄화규소(SiC) 등의 연마입자가 함유된 연마액을 사용하며, 연마입자의 함량은 10 내지 30 wt%, 크기는 7 ~ 14 ㎛인 것이 바람직하다. 이는, 14 ㎛ 이상의 큰 연마 입자로 랩핑 공정이 진행되면 마스크 블랭크용 기판 표면에서 깊이 방향으로 생성되는 Crack을 포함하는 Damage가 발생하여 양호한 표면 상태를 얻기 어렵고, 이에 따라 후속공정인 산화세륨 연마입자를 사용하는 폴리싱 공정의 공정 시간이 증가하여 생산성을 저하시키기 때문이다. 또한, 7 ㎛ 이하의 연마입자를 사용하면 목표 두께를 달성하는 자체 공정 시간이 증가하게 되기 때문이다.
한편, 폴리싱 공정에서는 사용되는 연마액은 산화세륨(CeO2), 콜로이달 실리카(SiO2) 연마입자가 함유된 연마액을 사용하며 함량은 10 내지 30 wt%, 크기는 50 nm 내지 3 ㎛인 것이 바람직하다. 즉, 폴리싱 공정은 표면 거칠기를 향상시키는 공정이므로 랩핑 공정에 사용되는 연마 입자의 평균 입경보다 작아야 한다. 산화세륨 및 콜로이달 실리카 연마 입자는 모두 구형의 형상을 가지므로 표면 거칠기를 향상시키는데 적합하다.
그리고, 연마액의 전체적인 pH는 질산 (HNO3) 또는 수산화칼륨(KOH)을 사용하여　pH 8 내지 12로 조절한다. 특히 수산화칼륨 (KOH)과 같은 무기 알칼리의 첨가는 마스크 블랭크용 기판을 에칭하는 효과를 보이는 장점을 가지고 있다. 또한 상기 pH 구간은 염기성 구간이므로 연마 공정 종료 후에 실시되는 세정에서 세정력을 향상시킬 수 있다.
이하, 상술한 연마장치를 이용하여 캐리어와 연마패드를 서로 이격시킨 상태에서 연마공정을 진행한 실시예와, 캐리어와 연마패드가 접촉된 상태에서 연마공정을 진행한 비교예에 관하여 설명한다.
먼저, 실시예에서는 6.85 mm의 두께를 가지는 합성석영유리를 준비하여, 캐리어와 연마패드 간의 접촉이 없는 상태로 기판의 연마 공정을 3 단계로 진행하였다. 누적 20회 공정을 실시하여 각 회에서 2 매씩 샘플링하여 총 40 매를 세정하여 마스크 블랭크용 기판으로 제조하였다. 반면, 비교예는 종래와 같이 캐리어와 연마패드가 접촉한 상태로 실시예와 동일한 공정 조건 및 방법으로 연마하여 40 매의 마스크 블랭크용 기판을 제조하였다.
연마 공정은 아래 표 1의 연마 공정 조건으로 진행하였으며 최종 단계의 주 표면의 연마 공정을 진행한 후 산, 알칼리 및 Physical 세정 방법을 적용하여 세정하였다. 그리고, 최종적으로 세정이 완료된 80 매의 기판에 대한 파티클 및 결함 개수를 측정하여 아래 표 2에 나타내었다. 그리고 파티클 및 결함의 개수는 GM3000 Laser 검사 장비를 이용하여 측정하였다.

랩핑
폴리싱

1단계
2단계
1단계
2단계





슬러리
연마
입자
탄화규소
(SiC)
알루미나
(Al2O3)
산화세륨
(CeO2)
콜로이달 실리카
(SiO2)

평균
입경
14 ㎛
7 ㎛
1.4 ㎛
0.075 ㎛

농도
20 wt%
20 wt%
20 wt%
25 wt%

압력
70 g/cm2
70 g/cm2
120 g/cm2
60 g/cm2

공정 시간
35 min
35 min
65 min
25 min
<표1 : 연마공정조건>
0.1 ㎛ 이상 파티클 및 결함 (EA)
실시예 비교예
1 0 1
2 0 0
3 0 5
4 0 0
5 0 2
6 0 3
7 0 6
8 0 3
9 0 1
10 0 0
11 0 5
12 0 3
13 0 5
14 0 1
15 0 5
16 0 0
17 0 2
18 0 1
19 0 0
20 0 4
21 0 0
22 0 6
23 0 1
24 0 2
25 0 2
26 0 2
27 0 0
28 0 2
29 0 0
30 0 6
31 0 0
32 0 5
33 0 0
34 0 2
35 0 3
36 0 2
37 0 1
38 0 1
39 0 1
40 0 3
평균 0 2.2
〈표 2. 파티클 평가 결과〉
표 2에 나타난 결과에 의하면, 캐리어와 연마패드 간의 접촉이 없는 연마 공정을 시행한 실시예에서는 0.1㎛ 이상의 파티클이 없는 우수한 마스크 블랭크용 기판을 제조할 수 있었다. 반면에, 비교예에서는 0.1 ㎛ 이상 파티클의 개수가 평균 2.2개로 실시예 보다 우수하지 못함을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면 투명 기판의 표면 특성을 개선할 수 있었고 우수한 품질을 가지는 마스크 블랭크용 기판을 제조할 수 있다.
한편, 본 발명에서의 마스크 블랭크용 기판은 상술한 연마장치를 이용하여 제조된 마스크 블랭크용 기판을 의미한다. 또한, 본 발명에서의 마스크 블랭크는 마스크 블랭크용 기판 상에 하나 이상의 금속을 포함하는 한 층 이상의 금속막이 형성된 것을 의미한다.
즉, 마스크 블랭크는 도 2에서처럼 마스크 블랭크용 기판(1) 상에 금속막(3,4)이 형성되고, 그 위에 레지스트막(5)이 형성되된다. 또한, 도 3에서처럼 마스크 블랭크용 기판(1) 상에 위상반전막(2) 및 금속막(3,4)이 형성되고, 그 위에 레지스트막(5)이 형성된다. 여기서, 마스크 블랭크용 기판 자체의 특성을 제외하고는, 마스크 블랭크의 전체적인 구조나 제조방법은 기존과 큰 차이가 없으므로, 이에 관한 설명은 생략한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
100...연마장치 110...상정반
120...하정반 111,121...연마패드
130...선기어 140...인터널기어
150...캐리어 160...간격유지부재

Claims (8)

  1. 회전 가능하게 설치되는 상정반;
    상기 상정반과 마주보며 회전가능하게 설치되는 하정반;
    상기 상정반의 중심부에 설치되는 선기어;
    상기 하정반의 둘레에 설치되는 인터널기어;
    원판 형상으로 형성되며, 상기 선기어와 상기 인터널기어에 맞물리게 설치되며, 기판을 장착하기 위한 장착홀이 관통 형성되어 있는 캐리어; 및
    상기 캐리어의 하면이 상기 하정반과 이격되도록 상기 캐리어를 지지하는 간격유지부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연마장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 간격유지부재는,
    상기 선기어 및 상기 인터널기어에 결합되며, 상기 캐리어의 하면이 상기 간격유지부재에 접촉되어 지지되는 것을 특징으로 하는 연마장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 캐리어의 하면과 상기 하정반 사이의 간격은 변경가능한 것을 특징으로 하는 연마장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 캐리어의 하면과 상기 하정반 사이의 간격은 0.1 ~ 3mm인 것을 특징으로 하는 연마장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기판으로 연마액을 공급하는 노즐을 더 포함하며,
    상기 연마액은 탄화규소(SiC), 알루미나(Al2O3), 산화세륨(CeO2), 콜로이달 실리카(SiO2) 중 적어도 하나의 물질을 포함하여 이루어진 연마입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 연마장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 연마액의 PH는 8 내지 12인 것을 특징으로 하는 연마장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 연마장치로 연마되는 것을 특징으로 하는 마스크 블랭크용 기판.
  8. 제7항에 기재된 마스크 블랭크용 기판 상에 하나 이상의 금속을 포함하는 한 층 이상의 금속막이 형성된 것을 특징으로 하는 마스크 블랭크.
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