KR20140028917A - 연마 입자 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20140028917A
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Abstract

본 발명은 연마 입자 및 그 제조방에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연마 입자는 표면에 복수 개의 갭이 형성된 금속 합금 매트릭스; 및 상기 갭에 부착된 경질 입자;를 포함할 수 있다.

Description

연마 입자 및 그 제조방법{Polishing particles and method of manufacturing the same}
본 발명은 연마 입자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 경질 입자가 균일하게 분산된 연마 입자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 웨이퍼는 단결정 잉곳(ingot)으로부터 복수 개의 반도체 웨이퍼를 슬라이스하는 슬라이스 공정, 반도체 웨이퍼의 표면을 평탄화하는 래핑 공정, 반도체 웨이퍼의 외주부를 모따기하는 모따기 공정, 반도체 웨이퍼의 가공 왜곡을 제거하는 에칭 공정, 반도체 웨이퍼의 표면을 경면화하는 연마 공정으로 행해진다.
반도체 소자가 미세화, 고밀도화 됨에 따라 더욱 미세한 패턴 형성 기술이 사용되고 있으며, 그에 따라 반도체 소자의 표면 구조가 더욱 복잡해지고 표면 막들의 단차도 더욱 커지고 있다. 반도체 소자를 제조하는데 있어서 기판 상에 형성된 특정한 막에서의 단차를 제거하기 위한 평탄화 기술로서 화학 기계적 연마(chemicalmechanical polishing, CMP) 공정이 이용된다.
또한, 반도체 디바이스의 고집적화가 진행됨에 따라, 반도체 웨이퍼(이하, ‘웨이퍼’라고도 함)에 요구되는 평탄도가 엄격해지고 있다. 그러나, 웨이퍼의 대구경화가 진행됨에 따라, 그 평탄도의 향상이 더욱 곤란해지고 있다. 이에 따라, 웨이퍼의 가공 프로세스에 있어서 에칭 후에 연삭 공정을 도입한 프로세스가 제안되고, 다양한 연마 방법을 통하여 우수한 평탄도를 가지는 웨이퍼를 제조하기 위한 연구가 계속되고 있다.
본 발명에 따른 일 실시형태의 목적은 경질 입자가 균일하게 분산된 연마 입자 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시형태는 표면에 복수 개의 갭이 형성된 금속 합금 매트릭스; 및 상기 갭에 부착된 경질 입자;를 포함하는 연마 입자를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 금속 합금 매트릭스는 고구형, 구형 또는 타원형일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 금속 합금 매트릭스의 직경은 100 내지 1000㎛이고, 상기 갭의 크기는 1 내지 10㎛일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 금속 합금 매트릭스는 Sn 95 내지 99%, Ag 0.5 내지 3%, Cu 0.5 내지 2%를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 경질입자는 다이아몬드, 텅스텐 탄화물, 티타늄탄화물, 지르코늄탄화물, 탄탈탄화물, 실리콘 탄화물 및 실리콘 질화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 경질입자의 직경은 1 내지 10㎛일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 경질입자의 함량은 상기 금속 합금 매트릭스 100 중량부에 대하여 3 내지 10 중량부일 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태는 표면에 다수 개의 갭이 형성된 금속 합금 매트릭스를 형성하는 단계; 및 상기 금속 합금 매트릭스와 경질 입자를 혼합하여 상기 갭에 상기 경질 입자를 부착하는 단계;를 포함하는 연마 입자의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 표면에 다수 개의 갭이 형성된 금속 합금 매트릭스는 DBM (Droplet Based Manufacturing) 공정에 의하여 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 금속 합금 매트릭스와 경질 입자를 혼합하는 단계는 기계적 혼합 공정에 의하여 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 금속 합금 매트릭스와 경질 입자를 혼합하는 단계는 볼 밀 공정에 의하여 수행될 수 있고, 볼 밀의 회전 속도는 300 내지 500rpm이고, 공정 시간은 12 내지 50시간일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 경질 입자는 금속 합금 매트릭스의 갭에 부착되어 경질입자가 금속 합금 매트릭스에 고르게 분산될 수 있다. 또한, 경질입자는 금속 합금 매트릭스 내에 조밀하게 배치될 수 있고, 그립력(grip force)이 향상될 수 있으며, 고인성 및 고경도를 가질 수 있다. 이러한 연마입자는 고품질의 기판 및 웨이퍼의 제조로 이어질 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연마입자는 미립의 경질입자가 금속 합금 매트릭스 내에 조밀하고 균일하게 분산될 수 있고, 이러한 연마입자를 이용하면 그라인딩과 랩핑 공정을 동시에 수행할 수 있다. 이에 따라, 단일 장비 내에서 연삭 및 연마 공정의 연속화가 가능하여 연마 및 연삭 공정 시간을 줄일 수 있고, 웨이퍼의 평탄도와 조도를 동시에 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연마 입자를 개략적으로 나타내는 그림이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연마 입자를 포함하는 연마 부재가 사용된 연마 휠과 상기 연마 부재의 일부를 확대하여 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연마 입자를 제조하는 과정을 개략적으로 나타내는 공정 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 금속 합금 매트릭스를 제조하는 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 5의 (a)는 본 발명의 일 실시형태에 따라 형성된 금속 합금 매트릭스를 촬영한 사진이고, 도 5의 (b)는 상기 금속 합금 매트릭스에 경질입자가 부착된 상태를 촬영한 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따라 형성된 연마 입자를 촬영한 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 다만, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연마 입자(100)를 개략적으로 나타내는 그림이다. 도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연마 입자(100)를 포함하는 연마 부재가 사용된 연마 휠과 상기 연마 부재의 일부를 확대하여 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연마 입자(100)는 표면에 복수 개의 갭이 형성된 금속 합금 매트릭스(110) 및 상기 갭에 부착된 경질입자(120)를 포함할 수 있다.
상기 금속 합금 매트릭스(110)는 표면에 복수 개의 갭을 가질 수 있다. 상기 금속 합금 매트릭스(110)의 직경은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면 100 내지 1000㎛일 수 있다. 또한 상기 금속 합금 매트릭스는 고구형, 구형, 타원형 일 수 있다.
상기 금속 합금 매트릭스는 Sn, Ni, Co, Cr, Mo, W, Ag, Cu, Fe, Mn 등의 금속을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, Sn 95 내지 99%, Ag 0.5 내지 3%, Cu 0.5 내지 2%를 포함할 수 있다.
상기 갭의 크기는 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면 1 내지 10㎛, 또는 1 내지 5㎛일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 금속 합금 매트릭스는 DBM (Droplet Based Manufacturing) 공정으로 형성될 수 있으며, 이에 대한 구체적인 사항을 후술하도록 한다.
상기 금속 합금 매트릭스(110) 표면에 형성된 갭에는 경질 입자(120)가 부착될 수 있다. 상기 경질입자는 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들면, 다이아몬드, 텅스텐 탄화물, 티타늄탄화물, 지르코늄탄화물, 탄탈탄화물, 실리콘 탄화물, 실리콘 질화물 등을 사용할 수 있다.
상기 경질 입자의 직경은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면 1 내지 10㎛ 또는 2 내지 6㎛의 초미립 입자일 수 있다. 또한, 상기 경질입자의 함량은 상기 금속 합금 매트릭스 100 중량부에 대하여 3 내지 10 중량부일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르며, 상기 경질 입자가 부착된 금속 합금 매트릭스는 도 2에 도시된 바와 같이 바인더 등과 혼합되어 연마 부재의 성분으로 사용될 수 있다.
일반적으로, 글래스 또는 사파이어 소재 등, 연삭이 어려운 기판 및 웨이퍼를 연마하기 위해서는 고강도 경질입자를 사용하여야 한다.
경질 입자는 금속, 레진, 세라믹 등의 바인더와 혼합되어 연마 부재로 사용될 수 있다. 그러나 경질 입자가 미립화될수록 바인더에 고르게 분산되기 어렵고, 일정 시간이 지나면 경질 입자가 바인더에서 탈착될 수 있다.
그러나 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 경질 입자는 금속 합금 매트릭스의 갭에 부착되어 경질입자가 금속 합금 매트릭스에 고르게 분산될 수 있다. 또한, 경질입자는 금속 합금 매트릭스 내에 조밀하게 배치될 수 있고, 그립력(grip force)이 향상될 수 있으며, 고인성 및 고경도를 가질 수 있다. 이러한 연마입자는 고품질의 기판 및 웨이퍼의 제조로 이어질 수 있다.
일반적으로 고품질의 웨이퍼를 제조하기 위하여, 랩핑(lapping), 그라인딩(grinding), 폴리싱(polishing) 등의 많은 단계가 수행되고, 각 단계별로 다른 형태의 공정장비가 필요하다. 특히, 대구경 웨이퍼의 높은 평탄도와 조도를 확보하기 위해서는 복잡한 공정을 거쳐야 하고, 오랜 연마 및 연삭 공정시간은 웨이퍼의 품질에 악영향을 미칠 수 있다. 또한, 웨이퍼의 조도를 높이기 위하여 평탄도가 저하되거나 평탄도를 높이는 경우 조도가 저하되는 결과를 가져올 수 있다.
그러나 본 발명의 일 실시형태에 따른 연마입자는 미립의 경질입자가 금속 합금 매트릭스 내에 조밀하고 균일하게 분산될 수 있고, 이러한 연마입자를 이용하면 그라인딩과 랩핑 공정을 동시에 수행할 수 있다. 이에 따라, 단일 장비 내에서 연삭 및 연마 공정의 연속화가 가능하여 연마 및 연삭 공정 시간을 줄일 수 있고, 웨이퍼의 평탄도와 조도를 동시에 제어할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연마입자의 제조방법을 설명한다. 상술한 연마입자는 하기 제조방법에 의하여 보다 명확하게 이해될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연마입자의 제조방법은 표면에 복수 개의 갭이 형성된 금속 합금 매트릭스를 제조하는 단계; 및 상기 금속 합금 매트릭스와 경질 입자를 혼합하여 상기 갭에 상기 경질 입자를 부착하는 단계;를 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연마 입자를 제조하는 과정을 개략적으로 나타내는 공정 모식도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 금속 합금 매트릭스를 제조하는 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
우선, 도 3에 도시된 바와 같이 표면에 복수 개의 갭이 형성된 금속 합금 매트릭스(110)를 제조할 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 금속 합금 매트릭스(110)의 직경은 100 내지 1000㎛일 수 있고, 그 형태는 고구형, 구형, 타원형 일 수 있다. 또한, Sn, Ni, Co, Cr, Mo, W, Ag, Cu, Fe, Mn 등의 금속을 포함할 수 있고, 상기 갭의 크기는 1 내지 10㎛, 또는 1 내지 5㎛로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 금속 합금 매트릭스는 DBM (Droplet Based Manufacturing) 공정에 의하여 형성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 금속 합금 매트릭스를 제조하는 장치는 금속 합금 용액(M)이 수용되며, 상기 금속 합금 용액이 토출되는 유출구(orifice, 50)이 형성된 도가니(crucible, 10), 상기 도가니의 내부에 배치되는 샤프트디스크(shaft and disk, 20), 상기 샤프트디스크에 진동을 가하는 압전체(piezoelectrics, 30), 상기 도가니에 열을 가하는 히터(40), 상기 도가니 내부의 온도를 측정하는 열전대(thermocouple, 60) 및 상기 노즐의 하부에 배치되는 차징 플레이트(charging plate, 70)를 포함할 수 있다.
상기 도가니(crucible, 10) 내에 금속 합금 용액(M)을 수용하고, 전기를 가하면 압전체(30)가 진동하여 샤프트디스크(20)를 통하여 금속 합금 용액(M)에 진동이 전달될 수 있다. 이에 따라, 상기 유출구(50)을 통하여 금속 합금 용액이 토출되고, 차징 플레이트(70)를 통과하면 상기 금속 합금은 용액은 드롭(drop) 형태로 토출될 수 있고, 이에 따라 표면에 복수 개의 갭이 형성된 금속 합금 매트릭스(110)가 형성될 수 있다. 이때, 상기 금속 합금 용액의 드롭(drop) 형성압력은 0.5 내지 2kgf/㎠ 일 수 있다. 상기 드롭(drop) 형성압력을 조절하여 금속 합금 매트릭스의 형상의 조절할 수 있다.
다음으로, 금속 합금 매트릭스(110)와 경질입자(120)를 혼합하여 금속 합금의 표면에 존재하는 갭에 상기 경질입자(120)를 부착시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 경질입자는 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들면, 다이아몬드, 텅스텐 탄화물, 티타늄탄화물, 지르코늄탄화물, 탄탈탄화물, 실리콘 탄화물 또는 실리콘 질화물 입자일 수 있고, 상기 경질 입자의 직경은 1 내지 10㎛ 또는 2 내지 6㎛일 수 있다. 또한, 상기 경질입자는 상기 금속 합금 매트릭스 100 중량부에 대하여 3 내지 10 중량부의 양으로 혼합될 수 있다.
상기 경질입자의 부착방법은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면 도 3에 도시된 바와 같이 기계적 혼합에 의하여 수행될 수 있다. 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들면 볼 밀(ball mill) 공정에 의하여 수행될 수 있다.
보다 구체적으로, 텅스텐 카바이드(Tungsten Carbide), 지르코니아(Zirconia) 볼 등을 사용할 수 있다. 이에 제한되는 것은 아니나, 볼 밀의 회전속도는 300rpm 이상 또는 300 내지 500rpm일 수 있다. 또한, 공정 시간은 12시간 이상 또는 12 내지 50시간일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 기계적 혼합 공정 이후에 가압 또는 가열 공정을 수행하여 금속합금 매트릭스와 상기 경질입자의 결합력을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하나, 이들이 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
[실시예]
우선, 하기 표 1과 같은 조건으로 DBM(Droplet Based Manufacturing)공정을 이용하여 Sn 98.5%, Ag 1% 및 Cu 0.5%를 가지며, 각각 직경이 300㎛ 및 1000㎛인 금속 합금 매트릭스를 마련하였다.
orificeΦ(×10-6m) △P(kgf/㎠) 최소jet생성속도(m/s) 실제jet생성속도(m/s)
1 129 1.188 2.49 5.66
2 129 1.23 2.49 5.76
3 129 1.117 2.49 5.48
4 129 0.964 2.49 5.10
5 129 0.955 2.49 5.07
6 149.8 0.928 2.31 5.00
7 149.8 1.289 2.31 5.89
8 149.8 1.073 2.31 5.38
9 149.8 1.138 2.31 5.54
10 202.1 0.080 1.99 4.66
11 202.1 0.983 1.99 5.15
12 202.1 1.068 1.99 5.36
13 202.1 1.072 1.99 5.37
14 288 0.609 1.67 4.05
상기 금속 합금 매트리스 100 중량에 대하여 직경이 3㎛인 다이아몬드 3 중량부를 하기 표 2와 같은 조건으로 볼밀(텅스텐 카바이드, Pot:SUS 3L, Mc nylon(1L)) 공정을 수행하였다. 하기 표 2와 같이 금속 합금 매트릭스에 다이아몬드입자가 부착된 상태를 관찰하여 ×, ○로 평가하였다.
min
rpm		 100 240 300 360 400 480 600 720 2880
250 × × × × × × × × ×
300 × × × × × × × × ○
350 × × × × × × × ○ ○
도 5의 (a)는 본 발명의 일 실시형태에 따라 형성된 금속 합금 매트릭스를 촬영한 사진이고, 도 5의 (b)는 상기 금속 합금 매트릭스에 경질입자가 부착된 상태를 촬영한 사진이다. 도 5의 (a)를 참조하면, 상기 금속 합금 매트릭스의 표면에는 복수개의 갭이 형성된 것을 관찰할 수 있고, 도 5의 (b)를 참조하면 상기 갭에 다이아몬드 입자가 균일하게 부착된 것을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따라 형성된 연마 입자를 촬영한 사진이다. 보다 구체적으로, 상기 표 2에 기재된 실시예 중 회전속도는 350rpm 및 공정시간 2,880분 동안 볼밀 공정을 수행한 경우의 연마 입자를 나타낸 것으로, 이를 참조하면, 금속 합금 매트릭스 내에 다이아몬드 입자가 조밀하고 균일하게 부착된 것을 확인할 수 있다.
상기 연마 입자로 연마부재를 만드는 경우 웨이퍼의 그라인딩과 랩핑 공정을 동시에 수행할 수 있고, 웨이퍼는 우수한 평탄도와 조도 특성을 가질 수 있다.
본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
100: 연마입자 110: 금속 합금 매트릭스
120: 경질입자

Claims (11)

  1. 표면에 복수 개의 갭이 형성된 금속 합금 매트릭스; 및
    상기 갭에 부착된 경질 입자;를 포함하는 연마 입자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 합금 매트릭스는 고구형, 구형 또는 타원형인 연마 입자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속 합금 매트릭스의 직경은 100 내지 1000㎛이고, 상기 갭의 크기는 1 내지 10㎛인 연마 입자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속 합금 매트릭스는 Sn 95 내지 99%, Ag 0.5 내지 3%, Cu 0.5 내지 2%를 포함하는 연마 입자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 경질입자는 다이아몬드, 텅스텐 탄화물, 티타늄탄화물, 지르코늄탄화물, 탄탈탄화물, 실리콘 탄화물 및 실리콘 질화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 연마 입자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 경질입자의 직경은 1 내지 10㎛인 연마 입자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 경질입자의 함량은 상기 금속 합금 매트릭스 100 중량부에 대하여 3 내지 10 중량부인 연마 입자.
  8. 표면에 다수 개의 갭이 형성된 금속 합금 매트릭스를 형성하는 단계; 및
    상기 금속 합금 매트릭스와 경질 입자를 혼합하여 상기 갭에 상기 경질 입자를 부착하는 단계;
    를 포함하는 연마 입자의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 표면에 다수 개의 갭이 형성된 금속 합금 매트릭스는 DBM (Droplet Based Manufacturing) 공정에 의하여 형성되는 연마 입자의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 금속 합금 매트릭스와 경질 입자를 혼합하는 단계는 기계적 혼합 공정에 의하여 수행되는 연마 입자의 제조방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 금속 합금 매트릭스와 경질 입자를 혼합하는 단계는 볼 밀 공정에 의하여 수행되고, 상기 볼 밀의 회전 속도는 300 내지 500rpm이고, 공정 시간은 12 내지 50시간인 연마 입자의 제조방법.
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