KR20140144959A - 연마 패드 제조 장치 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents

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Abstract

연마 패드 제조 장치 및 연마 패드 제조 방법을 제공한다. 연마 패드 제조 장치는 바디, 연결부 및 토출부를 포함하는 하우징과, 하우징 내에 배치되며, 연마 패드 조성물 및 미공 발생 물질을 혼합하는 교반기를 포함한다. 토출부는 9mm 내지 16mm의 직경을 갖는다.

Description

연마 패드 제조 장치 및 이를 제조하는 방법{Apparatus for manufacturing a polishing pad and method of manufacturing the same}
본 발명은 연마 패드 제조 장치 및 이를 제조하는 방법에 관련된 것으로, 더욱 상세하게는 화학적 기계적 연마 장치에 적용되는 연마 패드의 제조 장치 및 이를 제조하는 방법에 관련된 것이다.
화학적 기계적 연마는 연마제에 의한 기계적인 폴리싱 효과와 산 또는 염기 용액에 의한 화학적 반응 효과를 결합하여 웨이퍼 표면을 평탄화하는 공정이다.
일반적으로 화학적 기계적 연마 장치는 연마 패드와 웨이퍼에 압력을 가하며 회전하는 연마 헤드 및 연마 용액인 슬러리를 공급하는 슬러리 공급부를 포함한다. 상기 슬러리는 연마제와 산 또는 염기성 용액을 포함한다. 상기 연마 패드로 슬러리가 공급되면 상기 연마 헤드가 웨이퍼를 상기 연마 패드에 접촉하여 회전시킨다. 따라서, 상기 산 또는 염기 용액이 웨이퍼 상의 반도체 소자막과 화학 반응을 하고 상기 연마제에 의해 기계적 연마가 수행된다.
상기 화학적 기계적 연마 공정의 연마 효율은 화학적 기계적 연마 장비, 슬러리 조성물의 조성, 연마 패드 등에 의해 결정된다. 특히, 균일한 분포된 미공들을 갖는 연마 패드를 사용하는 것이 화학적 기계적 연마 공정에 중요한 요인이 될 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 균일하게 분포된 미공들을 갖는 연마 패드를 제조하는 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 연마 패드의 제조 장치를 이용하여 연마 패드를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 개념에 따른 일 실시예는 연마 패드 제조 장치를 제공한다. 상기 연마 패드 제조 장치는, 바디, 연결부 및 토출부를 포함하는 하우징; 및 상기 하우징 내에 배치되며, 연마 패드 조성물 및 미공 발생 물질을 혼합하는 교반기를 포함하되, 상기 토출부는 9mm 내지 16mm의 직경이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 미공 발생 물질이 혼합된 연마 패드 조성물은 10kgf/min 내지 30kgf/min의 속도로 토출부를 통해 배출될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 토출부는 PVC(polyvinyl chloride)를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 연마 패드 제조 장치는, 상기 토출부와 마주하며 이격되어 배치되는 건조 용기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 연마 패드 제조 장치는, 상기 혼합 챔버 내 연마 패드 조성물 및 미공 발생 물질의 온도를 증가시키기 위한 가열부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 연마 패드 조성물은 폴리에틸렌수지(polyethylene resin), 폴리프로필렌수지(polypropylene resin), 폴리스티렌수지(polystylene resin), 폴리비닐클로라이드수지(polyvinylchloride resin), 폴리아마이드수지(polyamide resin), 아크릴수지(acryl resin), 폴리우레탄수지(polyurethane resin), 폴리카보네이트수지(polycarbonate resin), 페놀수지(phenol resin), 아미노수지(amino resin), 에폭시수지(epoxy resin), 폴리에스테르수지(polyester resin), 고무(rubber), ABS(acrylonitrile butadiene styrene) 및 SAN(styrene acrylonitrile copolymers)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 미공 발생 물질은 질소 가스와 같은 불활성 가스, 캡슐형 발포제 및/또는 화학적 발포제를 포함할 수 있다.
본 발명의 개념에 따른 일 실시예는 연마 패드 제조 방법을 제공한다. 상기 연마 패드 제조 방법은, 연마 패드 조성물 및 미공 발생 물질을 혼합 챔버로 제공하는 단계; 상기 연마 패드 조성물 및 미공 발생 물질을 교반기를 통해 혼합하여, 상기 연마 패드 조성물 내 미공들을 형성하는 단계; 상기 혼합 챔버로부터 상기 미공들이 형성된 연마 패드 조성물을 10kgf/min 내지 30kgf/min의 속도로 토출부를 통해 배출하는 단계; 상기 배출된 미공들이 형성된 연마 패드 조성물을 건조시켜 연마 패드 몰드를 형성하는 단계; 및 상기 연마 패드 몰드를 절단하여, 연마 패드들을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 토출부는 9mm 내지 16mm의 직경을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 혼합 챔버는 70 내지 85℃의 온도로 가열될 수 있다.
본 발명의 개념에 따른 실시예들에 따르면, 연마 패드를 제조하는 장치에서 토출부의 크기를 조절하여, 형성되는 연마 패드들 내의 미공들의 크기 및 밀도들을 일정하게 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연마 패드 제조 장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 체적 유량과 내부 압력 변화를 예측하기 위한 실린더의 단면을 도시한다.
도 3은 토출부의 직경에 따라 체적 유량 및 하우징 내부 압력의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학적 기계적 연마 장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5a 내지 도 5c는 도 1의 연마 패드 제조 장치를 이용하여 제조된 연마 패드들 간 미공들의 수, 미공들의 크기 및 미공들의 밀도를 나타내는 그래프들이다.
도 6a 및 도 6b는 도 1의 연마 패드 제조 장치를 이용하여 제조된 연마 패드들을 이용한 화학 기계적 연마 공정 시, 연마 패드들 간 화학 기계 연마 속도 및 연마 패드들의 마모율을 나타내는 그래프들이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다.
(연마 패드 제조 장치)
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연마 패드 제조 장치를 설명하기 위한 단면도이다.
상기 연마 패드 제조 장치는, 혼합 챔버(mixing chamber, 100) 및 건조 용기(130)를 포함할 수 있다.
상기 혼합 챔버(100)는 하우징(housing, 110) 및 교반기(120)를 포함할 수 있다.
상기 하우징(110)은, 바디(body, 102)와, 토출부(discharging portion, 106)와, 상기 바디(102) 및 토출부(106)를 연결하는 연결부(interconnection portion, 104)를 포함할 수 있다.
상기 바디(102)는, 연마 패드 조성물(COM) 및 미공 발생 물질(PO)을 혼합하기 위한 공간을 제공할 수 있다. 상기 연마 패드 조성물(COM)은 폴리에틸렌수지(polyethylene resin), 폴리프로필렌수지(polypropylene resin), 폴리스티렌수지(polystylene resin), 폴리비닐클로라이드수지(polyvinylchloride resin), 폴리아마이드수지(polyamide resin), 아크릴수지(acryl resin), 폴리우레탄수지(polyurethane resin), 폴리카보네이트수지(polycarbonate resin), 페놀수지(phenol resin), 아미노수지(amino resin), 에폭시수지(epoxy resin), 폴리에스테르수지(polyester resin), 고무(rubber), ABS(acrylonitrile butadiene styrene) 및 SAN(styrene acrylonitrile copolymers)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 미공 발생 물질(PO)은 질소 가스(N2)와 같은 불활성 가스, 캡슐형 발포제 및/또는 화학적 발포제를 포함할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 바디(102)는 일 방향으로 연장하는 실린더 형상을 가질 수 있다. 상기 바디(102)는 제1 직경(D1)을 가질 수 있다. 상기 바디(102)의 일 측은 외부로부터 상기 연마 패드 조성물(COM) 및 미공 발생 물질(PO)을 제공받을 수 있는 구조일 수 있다. 상기 바디(102)의 타 측은 상기 토출부(106)와 연결부(104)를 통해 연통되도록 열린 상태일 수 있다. 또한, 상기 바디(102)는 스테인레스 스틸(stainless steel)로 이루어질 수 있다.
상기 연결부(104)는 상기 바디(102)의 하단에 연통되도록 배치될 수 있다. 상기 연결부(104)는 양단이 열린 상태일 수 있다. 상기 연결부(104)는 아래로 갈수록 그 직경이 점진적으로 감소할 수 있다. 상기 바디(102) 연장 방향으로 절단한 단면을 보면, 상기 연결부(104)의 측면은 경사면을 가질 수 있다. 예컨대, 상기 연결부(104)의 상단부는 상기 바디(102)와 실질적으로 동일한 제1 직경(D1)을 가질 수 있다. 상기 연결부(104)의 하단부는 상기 제1 직경(D1)보다 작은 제2 직경(D2)을 가질 수 있다. 상기 연결부(104)의 상단부에서 하단부는 점진적으로 감소하는 직경을 가질 수 있다. 또한, 상기 연결부(104)는 스테인레스 스틸로 이루어질 수 있다.
상기 토출부(106)는 상기 연결부(104)의 하단에 연통되도록 배치될 수 있다. 상기 토출부(106)는 양단이 열린 상태일 수 있다. 상기 토출부(106)는 상기 연결부(104)의 하단의 제2 직경(D2)과 실질적으로 동일한 직경을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 토출부(106)의 직경(D2)은 약 9mm 내지 약 16mm의 직경을 가질 수 있다. 상기 토출부(106)의 직경(D2)이 약 9mm보다 작으면, 상기 미공 발생 물질(PO)과 혼합된 연마 패드 조성물(COM)이 역류(overflow)되거나, 상기 하우징(110) 내 압력을 증가시킬 수 있다. 한편, 상기 토출부(106)의 직경이 약 16mm보다 큰 경우, 완성되는 연마 패드 내 미공(pore)이 불균일하게 생성될 수 있다. 바람직하게는 상기 토출부(106)는 약 10mm 내지 약 11mm의 직경을 가질 수 있다. 한편, 상기 토출부(106)는 PVC(polyvinyl chloride)로 이루어질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 토출부(106)의 직경이 약 9mm 내지 약 16mm인 경우, 상기 토출부(106)를 통해 미공 발생 물질(PO)이 혼합된 연마 패드 조성물(COM)은 약 10kgf/min 내지 약 30kgf/min의 속도로 방출될 수 있다. 바람직하게는 상기 연마 패드 조성물은 약 10kgf/min의 속도로 방출될 수 있다.
상기 교반기(120)는 상기 하우징(110) 내에 배치될 수 있다. 예컨대, 상기 교반기(120)는 상기 하우징(110)의 바디(102) 내에 배치될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 교반기(120)는 원통 기둥(122)과, 상기 원통 기둥(122)의 외주를 따라 배치되는 다수의 회전 날개들(impellers, 124)을 포함할 수 있다. 상기 원통 기둥(122)은 상기 하우징(110)의 중앙을 통과하며 상기 바디(102)의 연장 방향과 실질적으로 동일한 방향으로 연장할 수 있다. 또한, 상기 원통 기둥(122)은 구동 장치(도시되지 않음)에 연결될 수 있으며, 상기 구동 장치에 의해 회전할 수 있다. 상기 회전 날개들(124)은 상기 원통 기둥(122)의 연장 방향으로 서로 등간격 이격될 수 있다. 예컨대, 상기 회전 날개들(124)은 8개 내지 20개일 수 있다.
상기 원통 기둥(122)의 회전 운동으로 상기 회전 날개들(124)은 상기 연마 패드 조성물(COM)과 미공 발생 물질(PO)을 균일하게 혼합시킬 수 있다. 상기 연마 패드 조성물(COM) 내 혼합된 미공 발생 물질(PO)들은 상기 연마 패드 조성물(COM) 내에서 미공들을 형성시킬 수 있다.
더불어 전술한 바와 같이, 9mm 내지 16mm 직경의 토출부(106)에 의해, 상기 연마 패드 조성물(COM)과 미공 발생 물질(PO)이 바디(102) 또는 연결부(104) 내에서 머무는 시간이 길어져, 상기 연마 패드 조성물(COM)과 미공 발생 물질(PO)이 더 잘 혼합될 수 있다. 따라서, 상기 연마 패드 조성물(COM) 내 미공들이 균일하게 형성될 수 있다.
상기 혼합 챔버(100)는, 상기 하우징(110) 내의 연마 패드 조성물(COM)의 온도를 일정하게 유지시키기 위하여 가열부(125)와 연결될 수 있다. 상기 가열부(125)는 상기 하우징(110) 내에 배치되거나, 상기 하우징(110)과 인접하게 배치될 수 있다. 상기 가열부(125)에 의해 상기 하우징(110) 내 연마 패드 조성물(COM)의 온도를 약 60℃ 내지 약 80℃로 유지시킬 수 있다.
상기 하우징(110) 내 연마 패드 조성물(COM)의 온도 구배 차이에 의해, 완성되는 연마 패드들 사이 물성 산포를 발생시킬 수 있다. 따라서, 상기 하우징(110) 내에서 상기 연마 패드 조성물(COM)이 충분하게 전체적으로 고르게 가열되기 위하여, 상기 연마 패드 조성물(COM)이 상기 하우징(110) 내에 머무는 시간이 중요할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 이를 위하여 상기 토출부(106)가 약 9mm 내지 약 16mm의 직경을 가짐으로써, 상기 연마 패드 조성물(COM)이 균일하게 가열된 후 상기 하우징(110)으로부터 배출될 수 있다.
건조 용기(130)는 상기 토출부(106)와 마주하며 이격되어 배치될 수 있다. 상기 건조 용기(130)는 상기 토출부(106)로부터 공급된 혼합물이 건조하도록 임시적으로 저장하는 기능을 수행할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 건조 용기(130)는 저면이 폐쇄된 실린더 형상을 가질 수 있다.
전술한 바와 같이, 토출부(106)의 직경이 약 9mm 내지 약 16mm인 경우, 상기 토출부(106)를 통해 미공들이 형성된 연마 패드 조성물(COM)이 약 10kgf/min 내지 약 30kgf/min로 방출될 수 있다. 상기와 같은 속도로 배출된 연마 패드 조성물(COM)은 그 내부에 미공 발생 물질(PO)이 균일하게 혼합되어, 상기 연마 패드 조성물(COM) 내 미공들이 균일하게 분포할 수 있다.
상기 미공들이 형성된 연마 패드 조성물(COM)은, 상기 건조 용기(130)에서 겔화하고 경화시켜 연마 패드 몰드(MD)로 형성할 수 있다.
상기 연마 패드 몰드(MD) 내에는 미공 발생 물질(PO)이 잔류할 수 있다. 상기 미공 발생 물질(PO)은 상기 연마 패드 몰드(MD) 내에서 미공들을 형성할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 연마 패드 몰드(MD) 표면의 미공들을 개방하여 상기 연마 패드 몰드(MD) 내 미공들을 균일하게 분포시킬 수 있다.
상기 미공들이 생성된 연마 패드 몰드(MD)를 목적하는 크기로 절단하여 연마 패드들(PAD)을 형성할 수 있다. 예컨대, 상기 건조 용기(130)의 직경은 목적하는 연마 패드(PAD)의 직경과 실질적으로 동일할 수 있으며, 이 경우 상기 연마 패드 몰드(MD)를 높이 방향으로 슬라이스(slice)할 수 있다.
일 예로, 하나의 건조 용기(130)의 연마 패드 몰드(MD)를 절단하면 세 개의 연마 패드들(PAD)이 마련될 수 있다. 상기 세 개의 연마 패드들(PAD)은 서로 그 물성이 유사할 수 있다. 더욱 상세하게 설명하면, 토출부(106)의 직경이 약 9mm 내지 약 16mm을 가짐으로써, 연마 패드 조성물(COM)과 미공 발생 물질(PO)이 상기 혼합 챔버(100) 내에서 충분히 균일하게 혼합되어, 연마 패드들(PAD) 내 미공들의 개수를 증가시키고, 미공들의 사이즈를 감소시키며, 균일한 밀도로 상기 미공들이 상기 연마 패드 내 분포될 수 있다. 또한, 미공들이 형성된 연마 패드 조성물(COM)이 상기 혼합 챔버(100) 내에서 균일하게 가열되어, 상기 연마 패드들(PAD)의 물성 산포를 감소시킬 수 있다.
하기에서는 수치 해석을 통해 체적 유량과 내부의 압력 변화를 예측하여 최적화된 토출부의 직경을 획득한다.
도 2는 체적 유량과 내부 압력 변화를 예측하기 위한 실린더의 단면을 도시한다.
도 2를 참조하면, 실린더의 두 지점의 유체 유동을 모델링한다. 단면 1 지점에서의 유체의 속도를 V1, 단면 1의 압력을 P1, 단면 1의 위치 에너지를 Z1라 한다. 단면 2 지점에서의 유체의 속도를 V2, 단면 2의 압력을 P2, 단면 2의 위치 에너지를 Z2라 한다.
식 1은 베르누이 방정식을 나타낸다. 상사 법칙(similitute)을 적용하여 도 2의 실린더 내의 두 지점 사이를 검사 체적(control volume)으로 계(system)을 선정한다. 비중이 0.8인 폴리우레탄 용액을 유체로 사용한다. 도 2의 단면 1 지점에서의 압력이 10kgf/min이고, 토출부의 직경이 19mm일 경우 토출부의 단부에서 작용하는 힘과 바디 내부 저항 압력을 수치를 통해 나타낸다.
Figure pat00001
식 1에서 g는 중력 가속도이며, γ은 유체의 밀도를 나타낸다.
도 2의 단면 1 지점 및 단면 2 지점에서 유체의 위치 에너지의 변화가 없다. 따라서, 식 2에서는 식 1에 Z1=Z2=0을 대입한 결과다.
Figure pat00002
식 3 및 식 4는 식 2에서 V1을 구하는 식을 나타낸다.
Figure pat00003
Figure pat00004
식 5는 운동량 방정식을 나타내며, 식 4에서 획득한 V1와 V2, 체적 유량의 해를 식 5에 적용하여 토출부 직경 변화에 따라 바디 내부의 압력을 계산하여, 도 3에 도시한다.
Figure pat00005
Figure pat00006
Figure pat00007
Figure pat00008
Figure pat00009
일반적으로 유체의 유동은 난류 운동으로 그 형성이 너무 복잡하여 수직으로 현상에 대한 모델링이 어렵다. 따라서, 이상 유체(ideal fluid)에 대하여 유체가 가해지는 일이 없는 경우, 유체의 속도(V)와 압력(P), 위치 에너지(Z) 사이에 대한 관계를 흐르는 유체에 대하여 유선(streamline) 상에서 모든 형태의 에너지의 합은 언제나 일정하다는 관게로 성립하여 식을 세운다. 따라서, Z1 및 Z2 지점에서의 위치에너지는 동일 유선 상에 있으므로 0이 되고 압력과 속도의 항만이 남는다. 이때, 뉴턴의 운동 법칙을 특수 구간(control volume)으로 지정된 영역에 적용을 하여 풀어낸 식이다.
도 3은 토출부의 직경에 따라 체적 유량 및 하우징 내부 압력의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 토출부의 지름이 19mm에서 8mm로 점점 축소될수록 하우징 내부 저항 압력은 점진적으로 작아지며, 하우징을 통해 흐르는 체적 유량도 감소되는 것을 알 수 있다.
상기 토출부의 지름이 8mm에서, 내부 저항 압력이 0에 가까워져 폴리우레탄 용액이 역류하는 것으로 예상된다. 상기 토출부의 지름이 10mm인 경우, 체적 유량의 그래프와 내부 압력 변화의 그래프가 만나며, 19mm로 증가할수록 두 그래프들 사이의 간격은 점진적으로 벌어지는 것을 볼 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 토출부의 지름은 약 9mm 내지 16mm 사이 범위인 것이 바람직할 수 있다.
(연마 장치)
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연마 장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 연마 장치는, 연마 패드(PAD)가 부착된 회전 테이블(turning table, 210), 상기 회전 테이블(210)과 마주하는 연마 헤드(polishing head, 230), 상기 연마 패드(PAD)에 인접하게 배치된 슬러리 공급부(slurry supplier, 240) 및 연마 패드 컨디셔너(polishing pad conditioner, 도시되지 않음)를 포함할 수 있다.
회전 테이블(210)은 원반 형상을 가지며, 상기 회전 테이블(210)의 하부에는 회전력을 전달하기 위한 구동부(212)가 연결될 수 있다. 상기 회전 테이블(210)의 상부면에는 피연마면을 연마하기 위한 연마 패드(PAD)가 부착될 수 있다.
상기 연마 패드(PAD)는 다수의 미공들이 형성되어 있을 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연마 패드(PAD)를 도 1에서 설명된 연마 패드(PAD)의 제조 장치를 이용하여 제조함으로써, 상기 미공들의 크기 및 밀도가 상기 연마 패드(PAD) 전반에 걸쳐 균일할 수 있다. 상기 연마 패드(PAD)의 미공들은 상기 피연마면의 화학적 기계적 연마를 위한 슬러리를 수용할 수 있다.
도시되지는 않았으나, 회전 테이블(210)의 내부에는 피연마면의 연마량 및 연마 종점을 검출하기 위한 연마 종점 검출부가 구비되어 있다. 상기 연마 종점 검출부는 광을 발생시키는 광원과, 광을 피연마면으로 반사시키기 위한 스플리터(spilitter)와 피연마면으로부터 반사된 광을 측정하여 피 연마명의 연마량 및 연마 종점을 검출하는 광 검출부를 포함할 수 있다. 한편, 상기 회전 테이블(210)에는 광의 경로로 사용되는 슬롯(slot)이 형성될 수 있으며, 상기 연마 패드(PAD)에는 광을 투과시키는 투명 윈도우가 형성될 수 있다.
연마 헤드(230)는 피연마면이 상기 회전 테이블(210)을 마주하도록 상기 피연마면을 갖는 기판(W)을 파지할 수 있다. 또한, 상기 연마 헤드(230)는 상기 기판(W)의 화학적 기계적 연마 공정의 진행 동안 상기 피연마면을 상기 연마 패드(PAD)에 밀착시키고, 상기 기판(W)을 회전시킬 수 있는 구동부(220)와 연결될 수 있다. 상기 연마 헤드(230)의 회전 방향은 상기 회전 테이블(210)의 회전 방향과 서로 상이할 수 있다. 한편, 상기 연마 헤드(230)의 회전 방향은 상기 회전 테이블(210)의 회전 방향과 서로 동일할 수 있다.
상세하게 도시되지는 않았지만, 상기 연마 헤드(230)의 내부에는 상기 기판(W)의 파지와, 기판(W)의 피연마면을 연마 패드(PAD)에 밀착시키기 위한 공기 하우징이 형성될 수 있다. 상기 공기 하우징의 확장 및 수축에 의해 기판(W)을 파지하고, 기판(W)의 피연마면을 연마 패드(PAD)에 밀착시킬 수 있다. 이때, 상기 연마 헤드(230)의 하부 가장자리 부위에는 상기 기판(W)을 고정시키고, 상기 기판(W)과 함께 연마 패드(PAD)에 밀착되는 리테이너 링(retainer ring, 232)이 구비될 수 있다.
슬러리 공급부(240)는 상기 연마 패드(PAD) 상으로 슬러리(242)를 제공한다. 상기 슬러리(242)는 상기 기판(W)의 기계적 연마를 위한 연마 입자들을 포함할 수 있다.
연마 패드 컨디셔너는 상기 연마 패드(PAD)의 상부에 배치되어 상기 연마 패드(PAD)의 표면에 가압된 증기를 분사하여, 상기 연마 패드(PAD)의 표면 상태를 개선시킬 수 있다.
이하, 상기와 같은 구성을 갖는 화학적 기계적 연마 장치를 사용하여 반도체 기판(W)의 표면을 평탄화하는 화학적 기계적 연마 공정을 살펴보면 다음과 같다.
기판(W)의 피연마면이 연마 패드(PAD)와 마주보도록 기판(W)을 연마 헤드(230)에 파지시킬 수 있다. 회전 테이블(210)을 회전시켜 연마 패드(PAD)를 회전시킬 수 있다. 회전하는 연마 패드(PAD)의 상부면에 상기 기판(W)을 밀착시킬 수 있다. 이때, 슬러리 공급부(240)로부터 슬러리(242)를 상기 연마 헤드(230) 상으로 공급할 수 있다.
상기 연마 패드(PAD) 상에 미공들에 수용된 슬러리(242)와 상기 연마 패드(PAD)의 회전에 의한 기판(W)의 피연마면이 화학적 기계적으로 연마될 수 있다. 상기 기판(W)의 연마에 의해 발생되는 연마 부산물과 슬러리(242)의 혼합물이 상기 연마 패드(PAD)의 표면에 형성된 미공들을 막게 된다.
상기와 같이 연마 패드(PAD)의 미공들을 막는 연마 부산물과 슬러리(242)의 혼합물은 연마 패드(PAD) 컨디셔너로부터 공급된 컨디셔너에 의해, 상기 미공들로부터 빠져나오게 되며, 상기 연마 패드(PAD)의 회전에 의해 상기 연마 패드(PAD)로부터 제거될 수 있다.
( 실험예 )
비교예
도 1에 설명된 교반 장치 내에, 폴리우레탄 수지와 질소 가스를 제공하여 80℃의 온도에서 혼합시켰다. 상기 교반 장치의 교반기의 회전 날개는 10개로 구성되며, 상기 교반기의 원통 기둥은 6,000rpm(revolution per minute)으로 회전했다. 상기 교반기는 19mm의 직경을 갖는 토출부를 갖는다. 상기 교반기를 통해 배출된 폴리우레탄 수지는 질소 가스에 의해 미공들이 생성되었다.
건조 용기 내 미공들이 형성된 폴리우레탄 수지를 건조시켜 연마 패드 몰드를 형성한 후, 연마 패드 몰드를 높이 방향으로 슬라이스하여 세 개의 연마 패드들을 형성했다.
실시예
교반기의 토출부의 크기가 10mm인 것을 제외하고는 비교예에서 설명된 것과 동일한 세 개의 연마 패드들을 형성했다.
미공들의 수량, 미공들의 크기 및 미공들의 밀도 비교
도 5a 내지 도 5c는 도 1의 연마 패드 제조 장치를 이용하여 제조된 연마 패드들 간 미공들의 수, 미공들의 크기 및 미공들의 밀도를 나타내는 그래프들이다.
도 5a의 x축은 비교예 및 실시에서, 하나의 연마 패드 몰드로부터 슬라이스된 세 개의 연마 패드들을 나타내며, y축은 개수를 나타낸다. 도 5a를 참조하면, 실시예의 연마 패드들의 미공들 개수가 비교예의 연마 패드들의 미공들 개수보다 약 10개 정도 많은 것을 알 수 있다.
도 5b를 참조하면, x축은 비교예 및 실시에서, 하나의 연마 패드 몰드로부터 슬라이스된 세 개의 연마 패드들을 나타내며, y축은 연마 패드들의 미공들의 크기를 나타내며 그 단위는 [㎛]이다. 실시예의 연마 패드들의 미공들의 크기가 비교예의 연마 패드들의 미공들의 크기보다 1㎛ 내지 2㎛ 정도 작은 것을 알 수 있다.
도 5c를 참조하면, x축은 비교예 및 실시에서, 하나의 연마 패드 몰드로부터 슬라이스된 세 개의 연마 패드들을 나타내며, y축은 연마 패드들의 미공들의 밀도 항량의 크기를 나타내며 그 단위는 [g/mm3]이다. 도 5c를 참조하면, 실시예의 연마 패드들의 미공들의 밀도가 비교예의 연마 패드들의 미공들의 밀도보다 더 큰 것을 알 수 있다.
도 5a 내지 도 5c의 결과를 보면, 10mm 직경의 토출부를 갖는 연마 패드 제조 장치로 제조된 연마 패드들(실시예)이 19mm 토출부를 갖는 연마 패드 제조 장치로 제조된 연마 패드들(비교예)보다 더 우수한 것을 알았다.
화학적 기계적 연마율
실시예의 연마 패드들과 비교예의 연마 패드들은 각각 화학적 기계적 연마 장치에 장착하여, 기판에 대한 화학적 기계적 연마를 수행하였다.
도 6a는 도 1의 연마 패드 제조 장치를 이용하여 제조된 연마 패드들을 이용한 화학 기계적 연마 공정 시, 연마 패드들 간 화학 기계 연마 속도 그래프이다. 도 6a의 x축은 하나의 연마 패드 몰드로부터 슬라이스된 세 개의 연마 패드들을 나타내며, y축은 화학적 기계적 연마 속도를 나타내며 단위는 [Å/min]이다.
비교예의 연마 패드를 이용하여 기판을 화학적 기계적 연마한 결과를 보면, 하나의 연마 패드 몰드로부터 슬라이스된 세 개의 연마 패드들 사이의 연마 속도 편차가 큰 것을 알 수 있다.
한편, 실시예의 연마 패드를 이용하여 기판을 화학적 기계적 연마한 결과를 보면, 세 개의 연마 패드들이 약 1,500 Å/min의 연마 속도를 보이고 있다.
연마 패드 마모율
실시예의 연마 패드들과 비교예의 연마 패드들을 각각 화학적 기계적 연마 장치에 장착하여, 기판에 대한 화학적 기계적 연마를 수행하였을 때, 연마 패드들의 마모율을 관찰하였다.
도 6b는 도 1의 연마 패드 제조 장치를 이용하여 제조된 연마 패드들을 이용한 화학 기계적 연마 공정 시, 연마 패드들의 마모율을 나타내는 그래프이다. 도 6b의 x축은 하나의 연마 패드 몰드로부터 슬라이스된 세 개의 연마 패드들을 나타내며, y축은 연마 패드들의 마모율을 나타내며 단위는 [㎛/hr]이다.
비교예의 연마 패드를 이용하여 기판을 화학적 기계적 연마한 후, 상기 연마 패드들의 마모된 두께를 보면, 하나의 연마 패드 몰드로부터 슬라이스된 세 개의 연마 패드들 사이의 마모율 결과 값은 유사하고 그 중심치 차이는 보이나 범위가 수 ㎛이내로 작아 무시 가능하다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징으로 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
110: 하우징 102: 바디
104: 연결부 106: 토출부
120: 교반기 122: 원통 기둥
124: 회전 날개 125: 가열부
130: 건조 용기

Claims (10)

  1. 바디, 연결부 및 토출부를 포함하는 하우징; 및
    상기 하우징 내에 배치되며, 연마 패드 조성물 및 미공 발생 물질을 혼합하는 교반기를 포함하되,
    상기 토출부는 9mm 내지 16mm의 직경을 갖는 연마 패드 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미공 발생 물질이 혼합된 연마 패드 조성물은 10kgf/min 내지 30kgf/min의 속도로 토출부를 통해 배출되는 연마 패드 제조 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 토출부는 PVC(polyvinyl chloride)를 포함하는 연마 패드 제조 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 토출부와 마주하며 이격되어 배치되는 건조 용기를 더 포함하는 연마 패드 제조 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 혼합 챔버 내 연마 패드 조성물 및 미공 발생 물질의 온도를 증가시키기 위한 가열부를 더 포함하는 연마 패드 제조 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연마 패드 조성물은 폴리에틸렌수지(polyethylene resin), 폴리프로필렌수지(polypropylene resin), 폴리스티렌수지(polystylene resin), 폴리비닐클로라이드수지(polyvinylchloride resin), 폴리아마이드수지(polyamide resin), 아크릴수지(acryl resin), 폴리우레탄수지(polyurethane resin), 폴리카보네이트수지(polycarbonate resin), 페놀수지(phenol resin), 아미노수지(amino resin), 에폭시수지(epoxy resin), 폴리에스테르수지(polyester resin), 고무(rubber), ABS(acrylonitrile butadiene styrene) 및 SAN(styrene acrylonitrile copolymers)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 연마 패드 제조 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 미공 발생 물질은 질소 가스와 같은 불활성 가스, 캡슐형 발포제 및/또는 화학적 발포제를 포함하는 연마 패드 제조 장치.
  8. 연마 패드 조성물 및 미공 발생 물질을 혼합 챔버로 제공하는 단계;
    상기 연마 패드 조성물 및 미공 발생 물질을 교반기를 통해 혼합하여, 상기 연마 패드 조성물 내 미공들을 형성하는 단계;
    상기 혼합 챔버로부터 상기 미공들이 형성된 연마 패드 조성물을 10kgf/min 내지 30kgf/min의 속도로 토출부를 통해 배출하는 단계;
    상기 배출된 미공들이 형성된 연마 패드 조성물을 건조시켜 연마 패드 몰드를 형성하는 단계; 및
    상기 연마 패드 몰드를 절단하여, 연마 패드들을 형성하는 단계를 포함하는 연마 패드 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 토출부는 9mm 내지 16mm의 직경을 갖는 연마 패드 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 혼합 챔버는 70 내지 85℃의 온도로 가열된 연마 패드 제조 방법.
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