KR20150038331A

KR20150038331A - 정밀하게 형상화된 특징부를 갖는 연마 물품 및 그의 제조 방법

Info

Publication number: KR20150038331A
Application number: KR20157004847A
Authority: KR
Inventors: 듀이 케이 리후우; 노아 오 샨티; 준칭 지에; 캐스린 알 브렛셔
Original assignee: 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
Priority date: 2012-08-02
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2015-04-08
Also published as: US11697185B2; JP6715006B2; WO2014022465A1; US20200298370A1; JP2015524358A; EP2879838B1; TWI695756B; EP2879838A1; US20150209932A1; US10710211B2; KR102089383B1; EP2879838A4; TW201410389A; SG11201500802TA; CN104736299A

Abstract

연마 물품은 제1 연마 요소, 제2 연마 요소, 제1 및 제2 주 표면을 갖는 탄성 요소, 및 캐리어를 포함한다. 제1 및 제2 연마 요소 각각은 제1 주 표면 및 제2 주 표면을 갖는다. 제1 및 제2 연마 요소의 적어도 제1 주 표면은 복수의 정밀하게 형상화된 특징부를 포함한다. 연마 요소는 실질적으로 무기 모놀리식 구조체를 포함한다.

Description

정밀하게 형상화된 특징부를 갖는 연마 물품 및 그의 제조 방법 {ABRASIVE ARTICLES WITH PRECISELY SHAPED FEATURES AND METHOD OF MAKING THEREOF}

본 발명은 일반적으로 연마 물품에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 99 중량% 이상의 탄화물 세라믹을 포함하며 약 5% 미만의 다공도(porosity)를 갖는 연마 요소를 포함한다.

반도체 및 마이크로칩 산업은 장치 제조 중의 다수의 화학적-기계적 평탄화(CMP) 공정에 의존한다. 이들 CMP 공정은 집적 회로의 제작에 있어서 웨이퍼의 표면을 평탄화하는 데 사용된다. 전형적으로, 이들은 연마 슬러리 및 폴리싱 패드를 이용한다. CMP 공정 동안, 웨이퍼 및 폴리싱 패드로부터 재료가 제거되고, 부산물이 형성된다. 이들은 모두 폴리싱 패드 표면 상에 축적되어, 그의 표면을 글레이징(glazing)하고 그의 성능을 저하하며, 그의 수명을 감소시키고, 웨이퍼 결함(defectivity)을 증가시킬 수 있다. 이러한 문제를 다루기 위해, 바람직하지 않은 폐 축적물을 제거하고 폴리싱 패드 표면의 요철(asperity)을 되살리는 연마 메커니즘을 통해 폴리싱 패드 성능을 재생하도록 패드 컨디셔너(pad conditioner)가 설계된다.

대부분의 구매가능한 패드 컨디셔너는 매트릭스 내에 결합된 산업용 다이아몬드 연마재를 갖는다. 전형적인 매트릭스 재료에는 니켈 크롬, 브레이징된 금속(brazed metal), 전기도금 재료, 및 CVD 다이아몬드 필름이 포함된다. 다이아몬드의 불규칙한 크기 및 형상 분포뿐만 아니라 그의 무작위적 배향으로 인해, 다이아몬드를 정밀하게 분류(sort)하거나, 배향하거나, 또는 패턴화하고 그의 높이를 제어하기 위한 다양한 재산권적 공정(proprietary process)이 고안되어 왔다. 그러나, 다이아몬드 그릿(grit)의 자연적인 편차를 고려하면, 다이아몬드 중 단지 2 내지 4% ("작용 다이아몬드")만이 실제로 CMP 패드를 연마하는 것이 드문 일은 아니다. 연마재의 절단 팁 및 에지의 분포를 제어하는 것은 제조상의 난제이며, 패드 컨디셔너 성능의 변화에 기여한다.

또한, 현재의 매트릭스 및 결합 방법은 매립될 수 있는 다이아몬드의 크기를 또한 제한할 수 있다. 예를 들어, 대략 45 마이크로미터 미만의 작은 다이아몬드는 매트릭스 내에 파묻히게 하지 않고서는 결합하기가 어려울 수 있다.

금속 CMP를 위한 산성 슬러리가 또한 전통적인 패드 컨디셔너에서 난제가 될 수 있다. 산성 슬러리는 금속 결합 매트릭스와 화학적으로 반응하여, 매트릭스와 연마재 입자 사이의 결합을 약화시킬 수 있다. 이는 다이아몬드 입자가 컨디셔너 표면으로부터 탈착되게 하여, 높은 웨이퍼 결함률 및 잠재적으로 웨이퍼 상의 스크래치를 야기할 수 있다. 금속 매트릭스의 부식이 또한 웨이퍼의 금속 이온 오염을 야기할 수 있다.

일 실시 형태에서, 본 발명은, 제1 연마 요소, 제2 연마 요소, 제1 및 제2 주 표면을 갖는 탄성 요소, 및 캐리어를 포함하는 연마 물품이다. 제1 및 제2 연마 요소 각각은 제1 주 표면 및 제2 주 표면을 갖는다. 제1 및 제2 연마 요소의 적어도 제1 주 표면은 복수의 정밀하게 형상화된 특징부를 포함한다. 연마 요소는 실질적으로 무기 모놀리식(monolithic) 구조체를 포함한다.

다른 실시 형태에서, 본 발명은 연마 물품의 제조 방법이다. 상기 방법은, 우선, 제1 연마 요소 및 제2 연마 요소 - 여기서, 각각의 제1 및 제2 연마 요소는 제1 주 표면 및 제2 주 표면을 가지며, 적어도 제1 주 표면은 복수의 정밀하게 형상화된 특징부를 포함함 - 를 제공하는 단계를 포함한다. 상기 방법은, 제1 및 제2 연마 요소의 제1 주 표면을 정렬판과 접촉하게 배치하는 단계, 제1 및 제2 주 표면을 갖는 탄성 요소를 제공하는 단계, 탄성 요소의 제1 주 표면을 연마 요소의 제2 주 표면에 부착하는 단계, 체결 요소를 제공하는 단계, 및 탄성 요소의 제2 주 표면을 체결 요소를 통해 캐리어에 부착하는 단계를 추가로 포함한다. D_o의 공통 최대 설계 특징부 높이를 갖는, 모든 연마 요소 상의 집합적 군의 특징부는 비-동일평면도(non-coplanarity)가 특징부 높이의 약 20% 미만이다.

또 다른 실시 형태에서, 본 발명은, 제1 연마 요소, 제2 연마 요소, 제1 및 제2 주 표면을 갖는 탄성 요소, 및 캐리어를 포함하는 연마 물품이다. 제1 및 제2 연마 요소 각각은 제1 주 표면 및 제2 주 표면을 갖는다. 제1 및 제2 연마 요소의 적어도 제1 주 표면은 다이아몬드 코팅을 갖는 복수의 정밀하게 형상화된 특징부를 포함한다. 연마 요소는 실질적으로 무기 모놀리식 구조체를 포함한다.

도 1a는 일부 실시예에서 사용된 격자 패턴으로 배열된 피라미드형의 정밀하게 형상화된 특징부를 갖는 포지티브 마스터(positive master)의 평면도.
도 1b는 격자 패턴으로 배열된 피라미드형의 정밀하게 형상화된 특징부를 갖는 도 1a의 포지티브 마스터의 단면도.
도 2는 별형 패턴(star pattern)으로 배열된 본 발명의 연마 요소를 포함하는 연마 물품의 평면도.
도 3a 및 도 3b는 실시예 12 및 비교예 13의 전반적 동일평면도(global coplanarity)를 나타내는 도면.
도 4a는 실시예 15에 사용된 격자 패턴으로 배열된 피라미드형의 정밀하게 형상화된 특징부를 갖는 포지티브 마스터의 평면도.
도 4b는 격자 패턴으로 배열된 피라미드형의 정밀하게 형상화된 특징부를 갖는 도 4a의 포지티브 마스터의 단면도.
도 5a는 실시예 16에 사용된 격자 패턴으로 배열된 피라미드형의 정밀하게 형상화된 특징부를 갖는 포지티브 마스터의 평면도.
도 5b는 격자 패턴으로 배열된 피라미드형의 정밀하게 형상화된 특징부를 갖는 도 5a의 포지티브 마스터의 단면도.
도 6은 이중 별형 패턴으로 배열된 본 발명의 연마 요소를 포함하는 연마 물품의 평면도.
이들 도면은 축척대로 도시되지 않았으며 단지 설명의 목적으로만 의도된다.

본 발명의 정밀하게 형상화된 연마 요소는 약 99%의 탄화물 세라믹으로 형성되며, 약 5% 미만의 다공도를 갖고, 복수의 정밀하게 형상화된 특징부를 포함한다. 복수의 정밀하게 형상화된 특징부는 연마 복합재가 아니라 오히려 모놀리식(monolithic)이다. 침식되어 매립 연마 입자를 방출하는 복합재와는 달리, 모놀리스(monolith)는 매립 연마 입자의 손실 없이 기능하므로, 스크래칭 가능성을 감소시킨다. 본 발명의 연마 요소를 포함하는 연마 물품은, 일관되고 재현가능한 성능, 공작물 표면에 대한 연마 작용 팁의 정밀한 정렬, 긴 수명, 우수한 특징부 완전성(integrity) (우수한 복제, 낮은 침식 및 내파괴성(fracture resistance)을 포함함), 낮은 금속 이온 오염, 신뢰성, 제조 설계를 통한 일관되고 비용 효과적인 제조, 및 다양한 폴리싱 패드 구성에 대해 맞춤화되는 능력을 갖는다. 일 실시 형태에서, 연마 물품은 패드 컨디셔너이다.

연마 요소

본 발명의 정밀하게 구조화된 연마 요소는 제1 주 표면, 제2 주 표면, 및 주 표면들 중 적어도 하나 상의, 복수의 정밀하게 형상화된 특징부를 포함한다. 연마 요소는 탄화물로 형성되며, 약 99 중량%의 탄화물 세라믹이다. 일 실시 형태에서, 탄화물 세라믹은 탄화규소, 탄화붕소, 탄화지르코늄, 탄화티타늄, 탄화텅스텐, 또는 그 조합이다. 일부 실시 형태에서, 99 중량%의 탄화물 세라믹은 실질적으로 탄화규소이다. 특히, 탄화물 세라믹은 약 90 중량% 이상의 탄화규소이다. 연마 요소는 탄화물 형성제를 사용하지 않고 제작되며 산화물 소결 보조제(oxide sintering aid)가 실질적으로 없다. 일 실시 형태에서, 연마 요소는 약 1% 미만의 산화물 소결 보조제를 포함한다. 연마 요소에는 또한 규소가 실질적으로 없으며 특히 약 1% 미만의 원소 규소를 포함한다.

놀랍게도, 실질적인 탄화물 세라믹은 탁월한 특징부 완전성을 가지고 성형될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 이들 조성물은 소결될 때, 약 5% 미만의 다공도를 갖는, 견고하고 내구성 있는 연마 요소를 산출한다. 특히, 상기 연마 요소는 다공도가 약 3% 미만, 더 특히는 약 1% 미만이다. 상기 연마 요소는 또한 평균 입도(mean grain size)가 약 20 마이크로미터 미만, 특히 약 10 마이크로미터 미만, 더 특히는 약 5 마이크로미터 미만, 더욱 더 특히는 약 3 마이크로미터 미만이다. 이러한 낮은 다공도 및 입도는 견고하고 내구성 있는 복제 특징부를 달성하는 데 중요하며, 이는 결국 연마 요소의 우수한 수명 및 낮은 마모율로 이어진다.

세라믹 소결에 있어서, 낮은 다공도는 종종 입도 성장을 대가로 성취된다. 이러한 실질적인 탄화물 조성물은, 높은 소결 온도에도 불구하고, 낮은 다공도 및 작은 입도 둘 모두를 제공할 수 있다는 것은 놀랍다. 이것이 구조화된 생소지(green body)를 형성하는 것으로부터 기인할 수 있는 비이상적인 압밀(compaction)의 추가적인 난제와 조합될 때, 이들 조성물은 높은 특징부 충실도(fidelity)를 갖는 성형에 도움이 될 수 있다는 것이 또한 놀랍다.

연마 요소는 정밀하게 형상화된 연마 특징부, 또는 공작물을 향해 돌출하는 연마 요소 내의 돌출부를 포함한다. 연마 특징부는 임의의 형상 또는 형상들 (다각형 또는 비다각형)을 가질 수 있으며 동일하거나 다양한 높이를 가질 수 있다. 또한, 연마 특징부는 동일한 밑면 크기 또는 다양한 밑면 크기를 가질 수 있다. 연마 특징부는 규칙적이거나 불규칙적인 어레이로 이격될 수 있으며 단위 셀로 구성된 패턴으로 만들어질 수 있다.

연마 요소는 길이가 약 1 내지 약 2000 마이크로미터, 특히 약 5 내지 약 700 마이크로미터, 더 특히는 약 10 내지 약 300 마이크로미터인 연마 특징부를 포함한다. 일 실시 형태에서, 연마 요소는 특징부 밀도가 약 1 내지 약 1000 특징부/㎟, 특히 약 10 내지 약 300 특징부/㎟이다.

일 실시 형태에서, 연마 요소는 주변 구역, 또는 연마 특징부가 없는 연마 요소 주변의 영역을 포함한다.

연마 요소는, 추가적인 내마모성 및 내구성을 달성하고, 마찰계수를 감소시키고, 부식으로부터 보호하고, 표면 특성을 변화시키기 위해 코팅될 수 있다. 유용한 코팅에는, 예를 들어, 화학 증착(CVD)되거나 물리 증착(PVD)된 다이아몬드, 도핑된 다이아몬드, 탄화규소, 입방형 질화붕소(CBN), 불소화합물계 코팅, 소수성 또는 친수성 코팅, 표면 개질 코팅, 부식방지 코팅, 다이아몬드 유사 탄소(DLC), 다이아몬드 유사 유리(DLG), 탄화텅스텐, 질화규소, 질화티타늄, 입자 코팅, 다결정질 다이아몬드, 미세결정질 다이아몬드, 나노결정질 다이아몬드 등이 포함된다. 일 실시 형태에서, 코팅은 또한, 예를 들어, 미세 다이아몬드 입자와 증착된 다이아몬드 매트릭스와의 복합재와 같은 복합 재료일 수 있다. 일 실시 형태에서, 이들 코팅은, 코팅 표면 아래의 정밀 표면 특징부가 보일 수 있게 하는, 컨포멀(conformal) 코팅이다. 코팅은, 화학 또는 물리 증착, 분무, 디핑(dipping), 및 롤 코팅을 포함하는, 본 기술 분야에 공지된 임의의 적합한 방법에 의해 침착될 수 있다.

일 실시 형태에서, 연마 요소는 비-산화물 코팅으로 코팅될 수 있다. CVD 다이아몬드 코팅이 사용되는 경우, 탄화규소 세라믹의 사용은, 탄화규소와 CVD 다이아몬드 필름 사이의 열팽창계수의 정합이 우수하다는 점에서 추가적인 이점을 갖는다. 그러므로, 이러한 다이아몬드 코팅된 연마재는 탁월한 다이아몬드 필름 접착성 및 내구성을 추가로 갖는다.

일 실시 형태에서, 연마 요소는 성형된 생소지로부터 제작된다. 그러한 경우에, 연마 요소는 성형된 연마 요소로 간주된다. 정밀하게 구조화된 연마재는 주형 내로 세라믹 가압성형(press)되고 소결된다. 주형 그 자체는 정밀하게 구조화된 연마 요소의 제작에 사용될 수 있다. 정밀하게 구조화된 연마 요소는 최대한의 특징부 높이 균일도(feature height uniformity)를 갖는다. 특징부 높이 균일도는, 특징부의 밑면에 대한, 선택된 특징부들의 높이의 균일도를 말한다. 비-균일도(non-uniformity)는 선택된 특징부들의 평균 높이에 대한 선택된 특징부들의 높이의 차이의 절대값의 평균이다. 선택된 특징부는 최대 공통 설계 높이(maximum common design height) D₀을 갖는 일 세트의 특징부이다. 본 발명의 정밀하게 형상화된 연마 요소는 비-균일도가 특징부 높이의 약 20% 미만이다. 일 실시 형태에서, 연마 요소는 비-균일도가 특징부 높이의 약 10% 미만, 특히 특징부 높이의 약 5% 미만, 더 특히는 특징부 높이의 약 2% 미만이다.

연마 요소가 성형될 때, 성형 공정에 의해 구조가 부여되는 곳은 정밀하게 구조화된 연마 요소의 일 세트의 일 부분이다. 예를 들어, 그 형상은 주형 공동의 역상(inverse)이어서, 연마 요소 생소지가 주형으로부터 제거된 후에 그 형상이 유지될 수 있다. 사출 성형, 슬립 캐스팅(slip casting), 다이 가압성형(die pressing), 고온 가압성형, 엠보싱, 트랜스퍼 성형, 젤 캐스팅 등을 포함하지만 이로 한정되지 않는 다양한 세라믹 형상화 공정이 사용될 수 있다. 일 실시 형태에서는, 실온에서 다이 가압성형 공정을 사용하고, 이어서 소결한다. 전형적으로, 실온 근처에서의 세라믹 다이 가압성형은 세라믹 건식 가압성형(ceramic dry pressing)으로 지칭된다. 전형적으로 세라믹 건식 가압성형은 더 낮은 온도에서 수행되고, 훨씬 더 적은 양의 결합제가 사용되고, 다이 가압성형이 사용되고, 결합제로서 사용하기에 적합한 재료가 반드시 열가소성 물질로 제한되지는 않는다는 점에서 세라믹 사출 성형과는 상이하다.

연마 물품

본 발명의 정밀하게 가공된(engineered) 연마 물품은 일반적으로 적어도 하나의 연마 요소, 체결 요소, 및 탄성 요소를 포함한다. 일 실시 형태에서, 정밀하게 가공된 연마 물품은 복수의 연마 요소를 포함한다. 체결 요소는 하나 이상의 재료를 함께 부착하는 데 사용되는 재료이다. 적합한 체결 요소의 예에는 2-파트 에폭시 감압 접착제, 구조 접착제, 고온 용융 접착제, B-스테이지 가능한 접착제(B-stageable adhesive), 기계적 체결구 및 기계적 록킹 장치(mechanical locking device)가 포함될 수 있지만 이로 한정되지 않는다.

탄성 요소는 개별 연마 요소의 독립적인 서스펜션(suspension) 또는 다수의 구조화된 연마 요소의 전반적 서스펜션을 제공하는 기능을 한다. 탄성 요소는 정밀하게 구조화된 연마 요소 및/또는 캐리어보다 덜 강성이고 더 압축가능한 재료이다. 탄성 요소는 압축 하에서 탄력적으로 변형되며, 체결 요소를 통해 압축된 위치에 록킹시킬 수 있거나, 또는 사용 중에 탄력적으로 변형되게 할 수 있다. 탄성 요소는 세그먼트형(segmented)이거나, 연속적이거나, 불연속적이거나, 또는 짐벌형(gimbaled)일 수 있다. 적합한 탄성 요소의 예에는 기계적 스프링-유사 장치, 가요성 와셔(flexible washer), 폼(foam), 중합체, 또는 젤이 포함되지만 이로 한정되지 않는다. 탄성 요소는, 접착제 배킹을 갖는 폼과 같은, 체결 특성을 또한 가질 수 있다. 일 실시 형태에서, 탄성 요소는 체결 요소로서 또한 기능할 수 있다.

다이아몬드 높이가 다양한 다이아몬드 그릿 패드 컨디셔너와 달리, 본 연마 요소의 연마 특징부들은 기준면에 정렬될 수 있다. 기준면은 연마 요소 또는 연마 물품의 선택된 특징부의 최고점을 통과하는 이론적 평면이다. 특징부의 최고점은 또한 특징부 팁 또는 팁으로 지칭된다. 선택된 특징부는 최대 공통 설계 높이, D₀을 갖는 일 세트의 작용 특징부이다. 윤곽 형성된 표면(contoured surface)의 경우, 기준면을 정의하는 특징부는 가장 높은 높이를 갖는 3개의 특징부이다.

정렬 공정은 정의된 지지 영역 또는 표시(bearing area or presentation)를 공작물 또는 폴리싱 패드에 재현가능하게 생성하는 데에 중요하다. (즉, 다이아몬드 팁이 아니라) 아래에 놓인 캐리어인 가장 평탄한 표면에 정렬되는 다이아몬드 그릿 컨디셔너와 달리, 정밀하게 구조화된 연마 요소는 특징부의 최고점과 접촉하는 평탄한 표면(즉, "정렬판")을 사용하여 가장 잘 정렬된다. 정렬판의 평탄한 표면은 바람직하게는 공차가 적어도 4 인치(10.2 cm) 길이당 약 +/- 2.5 마이크로미터이거나 그보다 훨씬 더 작으며, 즉 훨씬 더 평탄하다. 캐리어 기재 상에 요소들을 서로에 대해 정밀하게 정렬하기 위하여 탄성 요소 및 체결 요소가 이러한 조립 공정에 사용된다.

연마 물품은, 연속적이거나 불연속적일 수 있는 하나 이상의 세정 요소를 또한 포함할 수 있다. 세정 요소는 공작물 표면을 세정하는 기능을 한다. 세정 요소는 브러시, 또는 부스러기를 쓸어내도록 설계된 다른 재료를 포함할 수 있거나, 또는 표면으로부터의 슬러리 또는 스와프(swarf)를 제거하는 채널 또는 융기된 영역일 수 있다.

연마 요소는 정밀하게 평탄한 캐리어 상에 정렬 및 장착될 수 있다. 적합한 캐리어 재료의 예에는 금속 (예를 들어, 스테인리스 강), 세라믹, 중합체 (예를 들어, 폴리카르보네이트), 서멧, 규소 및 복합재가 포함되지만 이로 한정되지 않는다. 연마 요소(들) 및 캐리어는 또한 원형 또는 비원형 둘레를 가질 수 있거나, 윤곽 형성될 수 있거나, 또는 컵 또는 도넛 등의 형상을 가질 수 있다. 이 경우에, 연마 요소들은 특징부 팁 동일평면도가 최대한으로 되도록 정렬된다. 비-동일평면도는, 선택된 일 세트의 팁을 통과하는 이상적인 기준면으로부터의 그러한 일 세트의 팁의 거리의 절대값의 평균이다. 비-동일평면도는 선택된 특징부의 높이, D_o에 대한 백분율로서 표시된다.

본 발명의 연마 요소 및 물품은 정밀하게 가공된 표면을 가져서, 공작물과 연관되는 특징부의 낮은 결함률 및 결함 개수에 의해 측정되는 바와 같이, 재현가능하고 예측가능한 표면 토폴로지(topology)를 생성한다. 다수의 특징부 높이가 존재하는 경우, 제1 작용 특징부는 본질적으로 동일한 높이의 가장 높은 특징부이다. 제2 및 제3 작용 특징부는 제1 작용 특징부로부터 제1 및 제2 높이 오프셋(offset)을 갖는 것들인데, 이 오프셋은 제3 특징부보다 제2 특징부의 경우가 더 작다. 이러한 정의는 다른 특징부 높이에까지 미친다.

생성되는 연마 요소 및 물품은 정밀한 특징부 복제성(replication), 낮은 결함, 및 제1 특징부의 우수한 균일도 및 평면도를 갖는다. 결함은, 예를 들어, 정밀하게 형상화된 연마 특징부의 표면에 의도하지 않은 함몰, 공극(air-void), 또는 기포가 존재하는 경우에 발생하며, 이 결함은 전형적으로 정밀하게 형상화된 연마 특징부마다 위치 및/또는 크기가 다르다. 어레이 내의 개별 정밀하게 형상화된 특징부를 비교할 때, 결함은 연마 물품 내의 다수의 정밀하게 형상화된 특징부의 전체 형상 및 패턴을 검사함으로써 현미경 아래에서 용이하게 식별가능하다. 일부 실시 형태에서, 정밀하게 형상화된 연마 요소 결함은 정밀하게 형상화된 연마 특징부의 사라진 정점을 야기한다. 일 실시 형태에서, 연마 요소 또는 물품은 결함 특징부의 백분율이 약 30% 미만, 특히 약 15% 미만, 및 특히 약 2% 미만이다.

또한, 연마 물품은 코팅된 재료와의 열적 부조화 또는 처리로 인한 각각의 연마 요소의 뒤틀림(warping) 또는 휨(bowing)이 낮거나 제어되는데, 이는 우수한 요소 평면도로 이어진다. "요소 평면도"는 기준면에 대한 정밀하게 구조화된 연마 요소 내의 선택된 특징부 팁들의 평면도를 말한다. 요소 평면도는, 부분적으로는, 주형 설계, 성형 도구의 충실도, 및 성형 및 소결 공정의 균일도 (예를 들어, 차등적인 수축 및 뒤틀림) 등에 의해 결정된다. 단일 요소의 경우, 평면도는 기준면에 대한 일 세트의 특징부 팁의 거리의 변산도(variability)를 말한다. 평면도를 계산하는 데 사용되는 일 세트의 팁에는 공통 최대 설계 높이, D₀을 갖는 모든 특징부로부터의 팁이 포함한다. 기준면은 높이 D₀의 선택된 특징부 팁 모두의 최상의 선형 회귀 피팅(linear regression fit)을 갖는 평면으로서 정의된다. 비-평면도는 기준면으로부터의 선택된 팁들의 거리의 절대값의 평균이다. 평면도는, 이미지 분석 소프트웨어, 예를 들어, 마운틴스맵(MOUNTAINSMAP) V5.0 이미지 분석 소프트웨어 (프랑스 브장송 소재의 디지털 서프(Digital Surf))와 조합된, 레이저 프로필로메트리(laser profilometry), 공초점 이미징, 및 공초점 주사 현미경을 포함하는, 표준 토폴로지 도구 또는 카본지 임프린트 시험에 의해 측정될 수 있다. 요소 토폴로지는 또한 왜도(skew), 첨도(kurtosis) 등에 의해 특징지어질 수 있다. 본 발명의 정밀하게 형상화된 연마 요소는 비-평면도가 특징부 높이의 약 20% 미만이다. 일 실시 형태에서, 연마 요소는 비-평면도가 특징부 높이의 약 10% 미만, 특히 특징부 높이의 약 5% 미만, 더 특히는 특징부 높이의 약 2% 미만이다.

연마 물품은 또한, 상당한 동일평면도를 갖도록, 정밀하게 형상화된 연마 요소들의 정확한 정렬을 갖는다. 다수의 요소에서, 동일평면도는 기준면에 대한 복수의 요소로부터의 일 세트의 특징부 팁의 거리의 변산도를 말한다. 이러한 기준면은 최대 높이 D₀의 선택된 특징부 팁 모두의 최상의 선형 회귀 피팅을 갖는 평면으로서 정의된다. 비-동일평면도는 기준면으로부터의 선택된 팁들의 거리의 절대값의 평균이다. 비-동일평면도는 개별 연마 요소들이 정렬되지 않는 경우에 생긴다. 비-동일평면도는, 예를 들어 카본 임프린트 시험을 통해, 고르지 않은 압력 분포를 통해 나타날 수 있다. 카본 임프린트 시험에서 고른 분포를 갖는 다수의 연마 요소의 경우, 동일평면도의 정도는, 레이저 프로필로메트리, 공초점 이미징, 및 공초점 주사 현미경을 포함하는, 표준 토폴로지 도구를 통해 추가로 정량화될 수 있다. 이미지 소프트웨어 (예를 들어, 마운틴스맵)를 사용하여, 다수의 토포그래픽 맵(topographic map)을 분석을 위한 복합 토포그래픽 맵으로 조합할 수 있다. D₀의 공통 최대 설계 특징부 높이를 갖는, 모든 연마 요소 상의 집합적 군의 특징부는, 비-동일평면도가 특징부 높이의 약 20% 미만이다. 일 실시 형태에서, 연마 요소는 비-동일평면도가 특징부 높이의 약 10% 미만, 특히 특징부 높이의 약 5% 미만, 더 특히는 특징부 높이의 약 2% 미만이다.

본 발명의 연마 요소는, 설계를 복제하는 능력을 반영하여, 정밀하게 형상화된 구조체가 제작되고 부분 간에 그리고 부분 내에서 재현가능하도록, 기계가공, 미세기계가공, 미세복제, 성형, 압출, 사출 성형, 세라믹 가압성형 등에 의해 형성될 수 있다. 일 실시 형태에서, 세라믹 다이 가압성형 공정이 사용된다. 특히 세라믹 다이 가압성형 공정은 세라믹 건식 가압성형이다.

일 실시 형태에서, 하나 이상의 연마 요소를 포함하는 연마 물품은, 우수한 특징부 완전성을 갖도록 설계되고 비교적 비침식성이며 내파괴성인, 복수의 정밀하게 형상화된, 가공된 모놀리스로부터 제작된다. 모놀리스는 연속적인 구조 및 정밀하게 형상화된 토폴로지를 갖는데, 여기서, 연마 특징부들 및 연마 요소의 연마 특징부들 사이의 영역들은 연속적이며, 구조화된 연마 복합재에 존재하는 것과 같은 개재된 매트릭스 없이 제1 연마 재료로 이루어진다. 토폴로지는 미리 결정되며, 기계가공 또는 미세기계가공, 워터젯 컷팅(water jet cutting), 사출 성형, 압출, 미세복제, 또는 세라믹 다이 가압성형과 같은 방법에 의해 형성될 수 있는 재료로부터 복제된다.

생소지 및 방법

성형된 세라믹 생소지는 소결되어 높은 밀도, 강성(rigidity), 파괴 인성 및 우수한 특징부 충실도를 달성할 수 있다. 생소지는, 당업자에 의해 일반적으로 지칭되는 바와 같이, 소결되지 않은, 압밀된 세라믹 요소이다. 생소지는 제1 주 표면, 제2 주 표면 및 복수의 정밀하게 형상화된 특징부를 포함한다.

생소지는 복수의 무기 입자 및 결합제를 포함하는데, 복수의 무기 입자는 약 99 중량% 이상의 탄화물 세라믹이다. 일 실시 형태에서, 무기 입자는 세라믹 입자이며 탄화규소, 탄화붕소, 탄화지르코늄, 탄화텅스텐, 또는 그 조합일 수 있다.

생소지의 결합제는 열가소성 결합제일 수 있다. 적합한 결합제의 예에는 열가소성 중합체가 포함되지만 이로 한정되지 않는다. 일 실시 형태에서, 결합제는 T_g가 약 25℃ 미만, 특히 약 0℃ 미만인 열가소성 결합제이다. 일 실시 형태에서, 결합제는 폴리아크릴레이트 결합제이다.

생소지는 또한 탄소 공급원을 포함한다. 탄소 공급원의 적합한 예에는 페놀 수지, 셀룰로오스 화합물, 당, 흑연, 카본 블랙, 및 그 조합이 포함되지만 이로 한정되지 않는다. 일 실시 형태에서, 생소지는 약 0 내지 약 10 중량%의 탄소 공급원, 특히 약 2 내지 약 7 중량%의 탄소 공급원을 함유한다. 생소지 조성물 중의 탄소 화합물은 소결 후에 더 낮은 다공도를 야기한다. 생소지는 또한 추가적인 기능성 재료, 예를 들어, 이형제 또는 윤활제를 포함할 수 있다. 일 실시 형태에서, 생소지는 약 0 내지 10 중량%의 윤활제를 함유한다.

성형된 생소지는, 앞서 논의된 바와 같은 세라믹 형상화 공정에 의해 생성된다. 생소지는 소결되어, 실질적인 완전성을 가지고 제조된 연마 요소를 형성할 수 있다. 사전 소결된 생소지는, 최종의 소결된 물품에는 실질적으로 존재하지 않는, 탄소와 같은 일시적인 원소를 함유하는 것으로 이해된다. (따라서, 탄화물 상이 최종의 소결된 물품에서는 99%이지만, 생소지에서는 더 낮은 조성이다.)

생소지는 연마 요소 전구체이며, 우선 복수의 무기 입자, 결합제, 및 탄소 공급원을 혼합하여 혼합물을 형성함으로써 제조된다. 일 실시 형태에서, 분무 건조 공정에 의해 혼합물의 응집체가 형성된다.

일 실시 형태에서, 생소지는 다이 가압성형 작업, 예를 들어, 세라믹 건식 가압성형에 의해 형성된다. 분무 건조된, 혼합물의 응집체를 다이 공동 내에 충전한다. 선택적으로 응집체를 체질하여 특정 크기의 응집체를 제공할 수 있다. 예를 들어, 응집체를 체질하여, 약 45 마이크로미터 미만의 크기를 갖는 응집체를 제공할 수 있다.

복수의 정밀하게 형상화된 공동을 갖는 주형을 다이 공동 내에 배치하여 주형의 정밀하게 형상화된 공동의 대다수를 혼합물로 충전한다. 주형은 금속, 세라믹, 서멧, 복합재, 또는 중합체 재료로 형성될 수 있다. 일 실시 형태에서, 주형은 중합체 재료, 예를 들어, 폴리프로필렌이다. 다른 실시 형태에서, 주형은 니켈이다. 이어서, 혼합물에 압력을 가하여, 정밀하게 형상화된 공동 내에 혼합물을 압밀하여, 제1 및 제2 주 표면을 갖는 생소지 세라믹 요소를 형성한다. 압력은 주위 온도 또는 승온에서 가할 수 있다. 하나를 초과하는 가압성형 단계가 또한 사용될 수 있다.

주형, 또는 제작 도구(production tool)는 그의 표면 상에 적어도 하나의 특정 형상의 미리 결정된 어레이를 갖는데, 이는 연마 요소의 정밀하게 형상화된 특징부의 미리 결정된 어레이 및 특정 형상(들)의 역상이다. 상기에 언급된 바와 같이, 주형은 금속, 예를 들어, 니켈로부터 제조될 수 있지만, 플라스틱 도구가 또한 사용될 수 있다. 금속으로 제조된 주형은 인그레이빙(engraving), 미세기계가공, 또는 기타 기계적 수단, 예를 들어, 다이아몬드 선삭에 의해서, 또는 전기주조(electroforming)에 의해서 제작될 수 있다. 바람직한 방법은 전기주조이다.

상기 기술에 더하여, 주형은 연마 요소의 정밀하게 형상화된 특징부의 미리 결정된 어레이 및 특정 형상을 갖는 포지티브 마스터를 제조함으로써 형성될 수 있다. 이어서, 포지티브 마스터의 역상인 표면 토포그래피를 갖는 주형을 제조한다. 포지티브 마스터는, 미국 특허 제5,152,917호 (피퍼(Pieper) 등) 및 제6,076,248호 (후프맨(Hoopman) 등) - 이의 개시 내용은 본 명세서에 참고로 포함됨 - 에 개시된, 다이아몬드 선삭과 같은 직접 기계가공 기술에 의해 제조될 수 있다. 이러한 기술은 미국 특허 제6,021,559호 (스미스(Smith))에 추가로 기재되어 있으며, 이의 개시 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.

예를 들어, 열가소성 물질을 포함하는 주형은 금속 마스터 도구로부터 복제함으로써 제조될 수 있다. 열가소성 시트 재료를, 선택적으로 금속 마스터와 함께, 가열하여 두 표면을 함께 압착함으로써 금속 마스터에 의해 제공되는 표면 패턴으로 열가소성 재료를 엠보싱할 수 있다. 열가소성 물질을 또한 금속 마스터 상에 압출하거나 캐스팅한 다음 압착할 수 있다. 제작 도구 및 금속 마스터의 다른 적합한 방법이 미국 특허 제5,435,816호(스퍼전(Spurgeon) 등)에 논의되어 있으며, 이의 개시 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.

정밀하게 가공된 연마 요소를 형성하기 위해서, 생소지 세라믹 요소를 주형으로부터 제거하고 가열하여 무기 입자를 소결한다. 일 실시 형태에서, 생소지 세라믹 요소는 결합제 및 탄소 공급원의 열분해 단계 동안 산소 빈약 분위기에서 약 300 내지 약 900℃의 온도 범위에서 가열된다. 일 실시 형태에서, 생소지 세라믹 요소는 산소 빈약 분위기에서 약 1900 내지 약 2300℃에서 소결되어 연마 요소를 형성한다.

세정 후에, 선택적으로 연마 요소를 코팅한다.

조립체

우선 제1 및 제2 연마 요소의 제1 주 표면을 정렬판과 접촉하게 배치함으로써, 정밀하게 가공된 연마 물품을 조립한다. 이어서, 탄성 요소의 제1 주 표면을 연마 요소의 제2 주 표면과 접촉시킨다. 이어서, 탄성 요소의 제2 주 표면을 체결 요소를 통해 캐리어에 부착한다. 이어서, 조립체를 압력 하에서 함께 결합한다. 조립시, 작용 팁들에 의해 정의되는 평면은 캐리어의 배면판(backplane)에 대해 실질적으로 평탄하다. 일 실시 형태에서, 연마 물품은 정밀하게 형상화된 특징부가 한쪽 표면에 위치하는 단면 패드 컨디셔너이다. 그러나, 패드 컨디셔너는, 또한, 정밀하게 구조화된 특징부를 양쪽 면에서 제공하도록 양면형으로 조립될 수 있다.

용도

본 발명의 정밀하게 구조화된 연마 요소를 갖는 패드 컨디셔너는 종래의 화학적 기계적 평탄화(CMP) 공정에 사용될 수 있다. 구리, 구리 합금, 알루미늄, 탄탈륨, 질화탄탈륨, 텅스텐, 티타늄, 질화티타늄, 니켈, 니켈-철 합금, 규화니켈, 게르마늄, 규소, 질화규소, 탄화규소, 이산화규소, 규소의 산화물, 산화하프늄, 낮은 유전 상수를 갖는 재료, 및 그 조합을 포함하지만 이로 한정되지 않는 다양한 재료가 그러한 종래의 CMP 공정에서 폴리싱 또는 평탄화될 수 있다. 패드 컨디셔너는 그러한 CMP 공정에서 종래의 CMP 도구 상에 장착되어 종래의 작업 조건 하에서 작동하도록 구성될 수 있다. 일 실시 형태에서, CMP 공정은 약 20 RPM 내지 약 150 RPM의 회전 속도 범위 및 약 1 lb 및 약 90 lb의 작용 하중 범위에서, 그리고 사인곡선 스윕(sweep) 또는 선형 스윕과 같은 종래의 스윕 프로파일을 이용하여 분당 약 1 내지 약 25 스윕의 속도로 패드를 가로질러 왕복해 스위핑하여 수행된다.

실시예

본 발명은 본 발명의 범주 내에서 많은 변형 및 변경이 당업자에게 명확할 것이기 때문에 단지 예시로서 의도되는 후속하는 실시예에서 더욱 자세히 설명된다. 달리 언급되지 않으면, 후속하는 실시예에 보고된 모든 부, 백분율, 및 비는 중량 기준이다.

시험 방법

특징부 결함 시험 방법

정밀하게 형상화된 연마 특징부를 갖는 연마 물품을 63X 총 배율의 입체현미경 (미국 펜실베이니아주 센터 벨리 소재의 올림푸스 아메리카 인크.(Olympus America Inc.)로부터의 모델 SZ60) 하에서 조사하였다. 사라진 특징부, 의도치 않은 함몰부(들), 공극, 기포를 갖는 특징부, 또는 뚜렷하고 완전하게 형성되지 않고 분화구형 또는 절두형으로 보이는 팁을 갖는 특징부로서 결함을 정의하였다. 결함 특징부의 퍼센트는, 연마 요소 상의 주요 결함을 갖는 특징부의 수를 연마 요소 상의 특징부의 총 수로 나누고 100을 곱한 것으로서 정의하였다.

요소 평면도 시험 방법

마운틴스맵 V5.0 이미지 분석 소프트웨어 (프랑스 브장송 소재의 디지털 서프)와 조합된, 레이저 프로필로메트리 및 라이카(Leica) DCM 3D 공초점 현미경을 사용하여, 정밀하게 형상화된 특징부를 갖는 개별 연마 요소의 비-평면도를 측정하였다. 마이크로-엡실론(Micro-Epsilon) 옵토(Opto)NCDT1700 레이저 프로필로미터 (미국 노스캐롤라이나주 롤리 소재)를 비 앤드 에이치 머신 컴퍼니, 인크.(B&H Machine Company, Inc.; 미국 위스콘신주 로버츠 소재)에 의해 제공되는 X-Y 스테이지에 장착하였다. 프로필로미터 주사 속도 및 증분은 특징부 팁을 정확하게 위치시키기에 충분한 해상도를 제공하도록 조정하였고, 따라서 정밀하게 형상화된 특징부의 유형, 크기 및 패턴화에 따라 좌우되었다. 연마 요소의 경우, 모두가 D₀의 동일한 최대 설계 특징부 높이를 갖는 일 군의 특징부를 선택하고, 밑면에 대해 특징부의 높이를 측정하였다. 기준면은 높이 D₀의 선택된 특징부 팁 모두의 최상의 선형 회귀 피팅을 갖는 평면으로서 정의한다. 비-평면도는 기준면으로부터의 선택된 팁들의 거리의 절대값의 평균이다. 비-평면도는 선택된 특징부의 높이, D₀에 대한 백분율로서 표시한다.

연마 물품 동일평면도 시험 방법 I

카본지 임프린트 시험(CPI 시험)에 의해, 다수의 연마 요소를 갖는 연마 물품의 동일평면도를 측정하였다. 정밀하게 형상화된 특징부가 위로 향하여 화강암 표면으로부터 떨어져 있도록, 물품을 평탄한 화강암 표면에 놓았다. 이어서, 카본 면이 위로 향하도록 카본지를 특징부에 대고 배치하였다. 사진 품질 용지의 백색 시트를, 카본이 사진 용지와 직접 접촉하도록 카본지 위에 배치하여 사진 용지 상에 이미지를 생성하였다. 평탄한 판을 사진 용지/카본지/연마 물품 스택의 위에 배치하였다. 스택에 30초 동안 120 lb (54.4 ㎏)의 하중을 가하였다. 하중을 제거하고, 이미지 스캐너로 사진 용지를 스캔하여 임프린트된 이미지(imprinted image)를 기록하였다.

시각적으로 그리고 이미지 분석을 통해 정량화할 때, 동일평면성인 연마 물품은 개별 요소들이 동일한 크기 및 색 강도를 갖는 이미지를 생성한다. 연마 물품의 요소들이 현저하게 비-동일평면성인 경우에, 개별 요소의 이미지는 사라지거나, 비대칭이거나, 현저하게 더 밝은 강도의 영역을 나타낼 수 있다.

연마 물품 동일평면도 시험 방법 II

동일평면도는 이미지 분석 소프트웨어 (예를 들어, 마운틴스맵)와 조합된, 레이저 프로필로메트리, 공초점 이미징, 및 공초점 주사 현미경을 포함하는, 표준 토폴로지 도구에 의해 측정할 수 있다. 요소 토폴로지는 또한 왜도, 첨도 등에 의해 특징지을 수 있다.

다수의 요소에서, 동일평면도는 기준면에 대한 복수의 요소로부터의 일 세트의 특징부 팁의 위치의 변산도를 말한다. 기준면은 높이 D₀의 선택된 특징부 모두의 최상의 선형 회귀 피팅을 갖는 평면으로서 정의한다. 동일평면도를 계산하는 데 사용되는 일 세트의 특징부 팁에는 공통 최대 설계 높이 D₀을 갖는 모든 특징부로부터의 팁이 포함된다. 비-동일평면도는 기준면으로부터의 선택된 팁들의 거리의 절대값의 평균을 사용하여 계산한다. 비-동일평면도는 선택된 특징부의 높이, D₀에 대한 백분율로서 표시한다.

벌크 밀도 및 다공도 시험 방법

정밀하게 형상화된 특징부를 갖는 연마 요소의 벌크 밀도 및 겉보기 다공도를 ASTM 시험 방법 C373에 따라 측정하였다. 벌크 밀도 및 3.20 g/㎤의 연마 요소에 대한 이론적 밀도의 가정에 기초하여 총 다공도를 또한 계산하였다. 계산된 다공도는 다음과 같다: [(이론적 밀도 - 벌크 밀도)/ 이론적 밀도] *100.

평균 입도 시험 방법

광학 현미경 또는 주사 전자 현미경으로 요소의 표면을 조사하여, 정밀하게 형상화된 특징부를 갖는 연마 요소의 탄화물 그레인(grain)의 평균 표면 입도를 결정하였다. 광학 현미경의 경우, 니콘(Nikon) 모델 ME600 (일본 도쿄 소재의 니콘 코포레이션(Nikon Corporation))을 100X 배율에서 사용하였다. 주사 전자 현미경의 경우, 히타치 하이-테크(Hitachi High-Tech) 모델 TM3000 (일본 도쿄 소재의 히타치 코포레이션(Hitachi Corporation))을 5,000X 배율, 15 keV 가속 전압 및 4 내지 5 mm 작동 거리에서 사용하였다. 라인 절편법(line intercept method)을 사용하였다. 우선, 이미지를 가로질러 수평으로 (대략 균등하게 이격된) 5개의 직선을 그렸다. 다음으로, 이미지의 가장자리에 있는 첫 번째 및 마지막 그레인(grain)을 제외하고, 선에 의해 잘리는 그레인의 개수를 계수하였다. 이어서, (이미지를 척도에 따른) 선의 길이를, 잘려진 그레인의 평균 개수로 나누고 계수 1.56을 곱하여 평균 입도를 결정하였다 (평균 입도 = 1.56 * 선의 길이 / 잘려진 그레인의 평균 개수).

구리 웨이퍼 제거율 및 비-균일도 시험 방법

폴리싱되는 구리 층의 두께 변화를 결정하여 제거율을 계산하였다. 이러한 두께 변화를 웨이퍼 폴리싱 시간으로 나누어, 폴리싱되는 구리 층의 제거율을 얻었다. 미국 캘리포니아주 쿠퍼티노 소재의 크리덴스 디자인 엔지니어링, 인크.(Credence Design Engineering, Inc.)로부터 입수가능한, 레스맵(ResMap) 168, 4점 탐침 Rs 맵핑 툴(Mapping Tool)을 사용하여, 300 mm 직경 웨이퍼에 대한 두께 측정을 수행하였다. 5 mm 가장자리를 제외한 81점 직경 스캔(eighty-one point diameter scan)을 이용하였다. 웨이퍼 전체에 걸친 49개의 웨이퍼 두께 측정치의 표준 편차를 평균 웨이퍼 두께 값으로 나누어서 웨이퍼 비-균일도 (%NU)를 계산하였다.

산화물 웨이퍼 제거율 및 비-균일도 시험 방법

폴리싱되는 산화물 층의 두께 변화를 결정하여 제거율을 계산하였다. 이러한 두께 변화를 웨이퍼 폴리싱 시간으로 나누어, 폴리싱되는 산화물 층의 제거율을 얻었다. 미국 캘리포니아주 산타 클라라 소재의 어플라이드 머티어리얼스, 인크.(Applied Materials, Inc.)에 의해 공급되고 리플렉시온(Reflexion) 폴리셔와 통합되는 노바스캔(NovaScan) 3060 엘립소미터(ellipsometer)를 사용하여 300 mm 산화물 블랭킷 제거율 측정용 웨이퍼(blanket rate wafer)에 대해 두께를 측정하였다. 3 mm 가장자리를 제외한 25점 직경 스캔으로 산화물 웨이퍼를 측정하였다. 웨이퍼 전체에 걸친 49개의 웨이퍼 두께 측정치의 표준 편차를 평균 웨이퍼 두께 값으로 나누어서 웨이퍼 비-균일도 (%NU)를 계산하였다.

CMP 패드 마모율 및 패드 표면 조도 시험 방법

앞서 요소 평면도 시험 방법에 기재된 레이저 프로필로메트리 및 소프트웨어 분석 도구를 사용하여 측정을 수행하였다. 1 인치 (2.5 cm) × 16 인치 (40.6 cm) 치수의 패드 스트립의 방사상 스트립을, 300 mm 리플렉시온 도구 상에서 처리한 후에, 30.5 인치 폴리싱 패드로부터 절단하였다. 패드 중심으로부터 3 인치 (7.6 cm), 8 인치 (20.3 cm) 및 13 인치 (33.0 cm) 떨어진 위치의 1 ㎠ 영역에 걸쳐 2차원 X-Y 레이저 프로파일 스캔을 수행하였다. 마운틴스맵 소프트웨어를 사용하여, 이들 상이한 패드 위치에서, 폴리싱 시간의 함수로서 패드 홈 깊이의 변화를 분석함으로써, 그리고 또한 2D 및 3D 디지털 이미지를 사용하여 패드 표면 텍스처(texture)를 분석함으로써, 패드 마모율 및 표면 조도(Sa)를 얻었다. 패드 중심으로부터 3 인치, 8 인치, 및 13 인치에서의 평균 패드 마모를 총 마무리 시간으로 나눈 것으로서 패드 마모율을 계산하였다.

폴리싱 시험 방법 1

미국 캘리포니아주 산타 클라라 소재의 어플라이드 머티어리얼스, 인크.로부터 상표명 리플렉시온 폴리셔로 입수가능한 CMP 폴리셔를 사용하여 폴리싱을 수행하였다. IC1010 패드 및 CSL9044C 슬러리를 폴리싱에 사용하였다. 시험을 시작하기 전에, 30% (중량 기준)의 과산화수소 (H₂O₂) 샘플을 슬러리에 첨가하여, 3% (중량 기준)의, 슬러리 중 H₂O₂ 농도를 얻었다. 도구의 패드 컨디셔너 아암(arm) 상에 장착하기에 적합한 캐리어를 갖는 연마 물품을 그에 장착하였다. 시험 내내 연속적으로 패드 상에 흐르는 슬러리를 사용하여 패드를 시험 내내 연속적으로 컨디셔닝하였다. 적합한 시간 간격으로, 4개의 300 mm 구리 "더미"(dummy) 웨이퍼를 시험한 후에 2개의 300 mm 전기 도금 구리 웨이퍼(20 kÅ Cu 두께)를 시험하여 구리 제거율을 모니터링하였는데, 하나는 낮은 웨이퍼 다운포스(downforce) 헤드 조건에서 시험하고 나머지 하나는 높은 웨이퍼 다운포스 헤드 조건에서 시험하였다. 헤드 압력은 높은 다운포스 (3.0 psi로 지정됨) 또는 낮은 다운 포스 (1.4 psi로 지정됨) 중 어느 하나였다. 헤드에서의 각각의 구역의 구체적인 설정 압력이 하기에 기재되어 있다. 공정 조건은 다음과 같았다:

헤드 속도: 107 rpm

압반 속도: 113 rpm

헤드 압력:

A) 높은 다운포스 시험 (3.0 psi)의 경우: 리테이닝 링(Retaining Ring) = 8.7 psi, 구역1 = 7.3 psi, 구역2 = 3.1 psi, 구역3 = 3.1 psi, 구역4 = 2.9 psi, 구역5 = 3.0 psi

B) 낮은 다운포스 시험 (1.4 psi)의 경우: 리테이닝 링 = 3.8 psi, 구역1 = 3.3 psi, 구역2 = 1.6 psi, 구역3 = 1.4 psi, 구역4 = 1.3 psi, 구역5 = 1.3 psi

슬러리 유량: 300 ml/min

더미 웨이퍼에 대한 폴리싱 시간: 30초

제거율 측정용 웨이퍼(rate wafer)에 대한 폴리싱 시간: 60초

패드 컨디셔너 다운포스: 5 lb

패드 컨디셔너 속도: 87 rpm

패드 컨디셔너 스윕 속도: 10 스윕/분

패드 컨디셔너 스윕 유형: 사인곡선

폴리싱 시험 방법 2

어플라이드 머티어리얼스, 인크.로부터 상표명 리플렉시온 폴리셔로 입수가능한 CMP 폴리셔를 사용하여 폴리싱을 수행하였다. WSP 패드 및 7106 슬러리를 폴리싱에 사용하였다. 시험을 시작하기 전에, 30% (중량 기준)의 H₂O₂ 샘플을 슬러리에 첨가하여, 3% (중량 기준)의, 슬러리 중 H₂O₂ 농도를 얻었다. 도구의 패드 컨디셔너 아암 상에 장착하기에 적합한 캐리어를 갖는 연마 물품을 그에 장착하였다. 시험 내내 연속적으로 패드 상에 흐르는 슬러리를 사용하여 패드를 시험 내내 연속적으로 컨디셔닝하였다. 적절한 시간 간격으로, 4개의 300 mm Cu "더미" 웨이퍼를 시험한 후에 2개의 300 mm 전기 도금 Cu 웨이퍼(20 kÅ Cu 두께)를 시험하여 Cu 제거율을 모니터링하였는데, 하나는 낮은 웨이퍼 다운포스 헤드 조건에서 시험하고 나머지 하나는 높은 웨이퍼 다운포스 헤드 조건에서 시험하였다. 헤드 압력은 높은 다운포스 (3.0 psi로 지정됨) 또는 낮은 다운 포스 (1.4 psi로 지정됨) 중 어느 하나였다. 헤드에서의 각각의 구역의 구체적인 설정 압력이 하기에 기재되어 있다. 공정 조건은 다음과 같았다:

헤드 속도: 49 rpm

압반 속도: 53 rpm

헤드 압력:

A) 높은 다운포스 시험 (3.0 psi)의 경우: 리테이닝 링 = 8.7 psi, 구역1 = 7.3 psi, 구역2 = 3.1 psi, 구역3 = 3.1 psi, 구역4 = 2.9 psi, 구역5 = 3.0 psi

슬러리 유량 (사용 시): 300 ml/min

더미 웨이퍼에 대한 폴리싱 시간: 30초

제거율 측정용 웨이퍼에 대한 폴리싱 시간: 60초

패드 컨디셔너 다운포스: 5 lb

패드 컨디셔너 속도: 119 rpm

패드 컨디셔너 스윕 속도: 10 스윕/분

패드 컨디셔너 스윕 유형: 사인곡선

폴리싱 시험 방법 3

어플라이드 머티어리얼스, 인크.로부터 상표명 리플렉시온 폴리셔로 입수가능한 CMP 폴리셔를 사용하여 폴리싱을 수행하였다. VP5000 패드 및 D6720 슬러리를 폴리싱에 사용하였다. 탈이온수로 D6720을, 1부의 슬러리에 대해 3부의 물의 비율로, 희석하였다. 도구의 패드 컨디셔너 아암 상에 장착하기에 적합한 캐리어를 갖는 연마 물품을 그에 장착하였다. 시험 내내 연속적으로 패드 상에 흐르는 슬러리를 사용하여 패드를 시험 내내 연속적으로 컨디셔닝하였다. 적절한 시간 간격으로, 4개의 300 mm 열적 산화규소 "더미" 웨이퍼를 시험한 후에, 300 mm의 열적 산화규소 웨이퍼 (17 kÅ 산화규소 두께)를 시험하여, 산화물 제거율을 모니터링하였다. 공정 조건은 다음과 같았다:

헤드 속도: 87 rpm

압반 속도: 93 rpm

헤드 압력: 리테이닝 링 = 12 psi, 구역1 = 6 psi, 구역2 = 6 psi, 구역3 =6 psi, Z4 = 6 psi, 구역5 = 6 psi.

슬러리 유량: 300 ml/min

더미 웨이퍼에 대한 폴리싱 시간: 60초

제거율 측정용 웨이퍼에 대한 폴리싱 시간: 60초

패드 컨디셔너 다운포스: 6 lb

패드 컨디셔너 속도: 87 rpm

패드 컨디셔너 스윕 속도: 10 스윕/분

패드 컨디셔너 스윕 유형: 사인곡선

실시예 1

복수의 공동을 갖는 제작 도구의 제조

제1 금속의 다이아몬드 선삭 후에, 제2 금속의 전기주조를 2회 반복하여, 포지티브 마스터를 생성함으로써, 포지티브 마스터를 제조하였다. 포지티브 마스터의 정밀하게 형상화된 특징부의 치수는 다음과 같았다. 정밀하게 형상화된 특징부는, 예리한 팁을 갖는 4면 피라미드인, 390 마이크로미터의 밑면 길이를 갖는 정사각형 밑면 및 195 마이크로미터의 높이를 갖는 피라미드 73.5% (제1 특징부), 366 마이크로미터의 밑면 길이를 갖는 정사각형 밑면 및 183 마이크로미터의 높이를 갖는 피라미드 2% 및 390 마이크로미터의 길이와 366 마이크로미터의 폭을 갖는 직사각형 밑면 및 183 마이크로미터의 높이를 갖는 피라미드 25.5% (제2 특징부)로 이루어졌다. 피라미드를 도 1a 및 도 1b에 따른 격자 패턴으로 배열하였으며; 피라미드들 사이의 모든 간격은 밑면에서 5 마이크로미터였다.

미국 플로리다주 웨스트 팜비치 소재의 커머셜 플라스틱스 앤드 서플라이 코포레이션(Commercial Plastics and Supply Corp.)으로부터 입수가능한 20 밀 (0.51 mm) 두께 폴리프로필렌의 시트를 사용하여 포지티브 마스터로부터 압축 성형함으로써 폴리프로필렌 제작 도구를 제조하였다. 미국 인디애나주 와바시 소재의 와바시 엠피아이(Wabash MPI)로부터의 모델 V75H-24-CLX 와바시 수압 프레스(WABASH HYDRAULIC PRESS)를 사용하여, 3분 동안 5,000 lb (2,268 ㎏)의 하중에서 165℃로 예열된 압반에 의해 압축 성형을 수행하였다. 이어서 하중을 10분 동안 40,000 lb (18,140 ㎏)로 증가시켰다. 이어서, 가열기를 끄고, 압반이 약 70℃에 도달할 때까지 (약 15분) 압반을 통해 냉각수를 유동시켰다. 이어서, 하중을 해제하고, 성형된 폴리프로필렌 도구를 제거하였다.

세라믹 슬러리의 제조

하기 성분들을 1 L 고밀도 폴리에틸렌 병에 넣어서 세라믹 슬러리를 제조하였다: 458.7 g의 증류수, 300.0 g의 SCP1, 1.5 g의 BCP1, 및 21.9 g의 PhRes. 0.25 인치 직경 (6.35 mm)의 구형 탄화규소 밀링 매체를 첨가하고, 볼 밀에서 15시간 동안 100 rpm에서 슬러리를 밀링하였다. 밀링 후에, 60.9 g의 듀라 B를 병에 첨가하고 교반하여 혼합하였다. 미국 델라웨어주 뉴캐슬 소재의 부치(Buchi)로부터 상표명 "미니 스프레이 드라이어(Mini Spray Dryer) B-191"로 입수가능한 분무 건조기를 사용하여 슬러리를 분무 건조하여, 85.37 중량%의 탄화규소, 0.43 중량%의 탄화붕소, 9.53 중량%의 폴리아크릴레이트 결합제, 및 4.67 중량%의 페놀 수지로 구성된 세라믹-결합제 분말을 생성하였는데, 종래의 시험 체질에 의해 측정할 때 평균 입자 크기가 32 내지 45 마이크로미터였다. 세라믹-결합제 분말은, 정밀하게 형상화된 특징부를 갖는 생소지 세라믹 요소의 제조에 사용할 수 있다.

정밀하게 형상화된 특징부를 갖는 생소지 세라믹 요소의 제조

상부 및 하부 프레스 로드(rod)를 갖는, 16.65 mm 직경의 원형, 강 다이 공동을 사용하여, 정밀하게 형상화된 특징부를 갖는 생소지 세라믹 요소를 성형하였다. 생소지 세라믹 요소의 원하는 정밀하게 형상화된 특징부의 특징부 유형 (형상), 크기 및 패턴을 나타내는 정밀하게 설계된 공동을 갖는 폴리프로필렌 제작 도구를, 공동이 상부 프레스 로드로 향하도록, 하부 프레스 로드 상의 다이 공동 내에 배치하였다. 이어서, 공동을 포함하는 제작 도구 표면을 4 방울의 25/75 wt/wt PDMS/헥산 용액으로 윤활시켜, 복제 및 생소지 이형을 용이하게 하였다. 다른 예로, PDMS가 세라믹 슬러리 조성물에 포함된 경우에는 이러한 단계를 사용하지 않았다 (표 1 참조). 헥산이 증발되게 둔 후에, 다이를 1 g의 세라믹-결합제 분말로 충전하였다. 10,000 lb (4,536 ㎏)의 하중을 상부 푸시로드(push rod)에 30초 동안 가하여, 세라믹-결합제 분말을 도구 공동 내로 압착하였다. 하중을 제거하고 추가로 1 g의 세라믹-결합제 분말을 다이 공동에 부가하였다. 20,000 lb (9,072 ㎏)의 하중을 상부 푸시로드에 30초 동안 가하였다. 하중을 제거하고, 압착된 세라믹-결합제 분말을 갖는 도구를 다이 공동으로부터 제거하였다.

이어서, 정밀하게 형상화된 특징부를 갖는 생소지 세라믹 요소를 도구로부터 제거하였다. 특징부는 도구 공동의 역상이었다. 생소지의 전체 직경 및 두께는 각각 다이 공동의 직경 및 세라믹-결합제 분말의 양을 반영하였다. 다이 공동으로부터 제거한 후에, 세라믹 요소는 직경이 약 16.7 mm이었고 두께가 약 4.2 mm이었다. 5개의 생소지 세라믹 요소를 이러한 기술에 의해 제조하였다. 정밀하게 형상화된 특징부를 갖는 생소지 세라믹 요소를, 정밀하게 형상화된 특징부를 갖는 연마 요소의 제조에서, 연마 요소 전구체로서 사용할 수 있다.

정밀하게 형상화된 특징부를 갖는 연마 요소의 제조

앞서 제조된 연마 요소 전구체, 즉, 정밀하게 형상화된 특징부를 갖는 생소지 세라믹 요소를 실온에서, 미국 뉴욕주 로체스터 소재의 에스피엑스 코포레이션(SPX Corporation)의 지사인 에스피엑스 서멀 프로덕트 솔루션즈(SPX Thermal Product Solutions)로부터 입수가능한 린드버그(Lindbergh) 모델 51442-S 레토르트 오븐에 넣었다. 생소지 세라믹 요소의 결합제 성분을 분해 및 증발시키기 위해서, 생소지 세라믹 요소를 질소 분위기 하에서 다음과 같이 어닐링하였다: 오븐 온도를 4시간의 기간에 걸쳐 선형 비율로 600℃까지 증가시킨 후에 30분 동안 600℃에서 등온으로 유지하였다. 이어서, 오븐을 실온으로 냉각하였다. 220-그릿 탄화규소 사포로 외측 둘레를 연마하여, 어닐링된 생소지 세라믹 요소로부터 예리한 모서리, 즉, 플래싱(flashing)을 제거하였다.

어닐링된, 생소지 세라믹 요소를, 소결을 위해, 흑연 도가니 내에 로딩하였다. 요소를, 97 중량% 그라프1 및 3 중량% BCP2로 이루어진 분말 혼합물의 베드, 즉, 소결 분말 베드 내에 배치하였다. 이어서, 미국 캘리포니아주 산타로사 소재의 서멀 테크놀로지 엘엘씨(Thermal Technology LLC)로부터 입수가능한 아스트로 노(Astro furnace) HTG-7010을 사용하여, 헬륨 분위기 하에서, 실온으로부터 2,150℃까지 5시간에 걸쳐 가열한 후에 30분 동안 2,150℃에서 등온으로 유지함으로써, 생소지를 소결하였다.

소결된, 생소지 세라믹 요소는 정밀하게 형상화된 특징부를 갖는 연마 요소로서 사용할 수 있다. 소결 공정 후에, 연마 요소를 세정하였다.

특징부 결함 시험 방법을 사용하여, 연마 요소가 5% 미만의 결함 특징부를 가졌음을 결정하였다.

실시예 2 내지 실시예 10 및 비교예 11 (CE11)

사용된 세라믹 슬러리 조성물 및 소결 분말 베드를 표 1에 따라 변화시킨 점을 제외하고는 실시예 1에서와 유사하게, 실시예 2 내지 실시예 8 및 CE 11을 제조하였다. 탄화규소 도가니를 이용한 실시예 10을 제외하고는 모든 소결 절차에 대해 흑연 도가니를 사용하였다.

정밀하게 형상화된 특징부의 성형을, 폴리프로필렌 제작 도구 대신에 금속 제작 도구를 사용하여, 1단계 공정으로 수행한 점을 제외하고는, 실시예 1과 유사하게 실시예 9 및 실시예 10을 제조하였다. 전기주조 공정에 의해 포지티브 마스터로부터 금속 제작 도구를 제작하였다. 2 그램의 세라믹-결합제 분말을 강 다이 공동에 부가하고, 제작 도구를, 정밀하게 형상화된 특징부가 아래로 향하도록, 다이 공동에 부가하였다. 15,000 lb (6,804 ㎏)의 하중을 상부 푸시로드에 15초 동안 가하여, 세라믹-결합제 분말을 도구 공동 내로 압착하였다. 하중을 제거하고, 압착된 세라믹-결합제 분말을 갖는 도구를 다이 공동으로부터 제거하였다. 실시예 9를 위한 소결 분말 베드는 그라프1/BCP1의 97/3 (wt/wt) 혼합물이었다.

[표 1]

평균 입도, 다공도, 벌크 밀도 및 계산된 다공도를 포함하는 연마 요소의 물리적 특성이 표 2에 나타나 있다.

[표 2]

CVD 다이아몬드 코팅을 갖는 연마 요소의 제조

실시예 1 내지 실시예 10으로부터의, 정밀하게 형상화된 특징부를 갖는 연마 요소를 우선, 메틸 에틸 케톤 중에서 초음파 세정하여 탈지하고, 건조하고, 이어서 미국 캘리포니아주 산타 클라라 소재의 에스피쓰리 다이아몬드 테크놀로지스(sp3 Diamond Technologies)로부터 상표명 87501-01로 입수가능한, 나노-다이아몬드 용액이 담긴 초음파 조에 침지하여 다이아몬드 시딩하였다. 다이아몬드 용액으로부터 꺼내자마자, 저압, 순수 질소 가스 유동을 사용하여 요소를 건조하였다. 이어서 요소를 에스피쓰리 다이아몬드 테크놀로지스로부터 입수가능한 고온 필라멘트 CVD 반응기 모델 HF-CVD655 내에 로딩하였다. 수소 가스 중 2.7% 메탄의 혼합물을, CVD 다이아몬드 코팅 공정을 위한 전구체로서 사용하였다. 침착 동안, 반응기 압력을 6 토르 (800 Pa) 내지 50 토르 (6,670 Pa)에서 유지하였고, 광 고온계(optical pyrometer)에 의해 측정할 때, 필라멘트 온도는 1,900 내지 2300℃였다. CVD 다이아몬드 성장 속도는 0.6 μm/시간이었다.

코팅된 요소를 액체 질소에 침지한 후에 탈이온수로 헹구어서, 코팅 접착성을 평가하였다. 이러한 절차를 5회 반복하였다. 모든 예가 이러한 시험을 통과하였다.

실시예 12

정밀하게 형상화된 특징부를 갖는 실시예 1로부터의 5개의 연마 요소를 포함하는 연마 물품을 조립하였다. 조립 공정은, 각각의 요소 상의 가장 높은 정밀하게 형상화된 특징부들 - 이들 모두가 동일한 설계 특징부 높이를 가짐 - 이 평탄해지도록 개발하였다.

평탄한 화강암 표면을 정렬판으로서 사용하였다. 세그먼트를, 정밀하게 형상화된 특징부를 갖는 주 표면이 정렬판과 직접 접촉하고 (아래로 향하고) 세그먼트의 제2의 편평한 주 표면이 위로 향하도록 정렬판 상에 놓았다. 연마 요소들을 원형 패턴으로 배열하여, 그들의 중심점이 약 1.75 인치 (44.5 mm)의 반경을 갖는 원의 둘레를 따라 위치되고 둘레를 따라 약 72°로 균등하게 이격되도록 하였다 (도 2). 탄성 요소인, 가요성 와셔, 미국 조지아주 애틀란타 소재의 맥마스터-카(McMaster-Carr)로부터 입수가능한 품번 9714K22, 302 스테인리스 강 웨이브 스프링 와셔를 각각의 연마 요소의 편평한 표면 상에 배치하였다. 이어서, 체결 요소를 와셔와, 이 와셔의 중심-구멍 영역 내의 연마 요소의 노출된 표면에 적용하였다. 체결 요소는, 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터 상표명 쓰리엠 스카치-웰드 에폭시 접착제(3M SCOTCH-WELD EPOXY ADHESIVE) DP420으로 입수가능한 에폭시 접착제였다. 이어서, 4.25 인치 (108 mm)의 직경과 0.22 인치 (5.64 mm)의 두께를 갖는 원형 스테인리스 강 캐리어를 아래로 향하도록 체결 요소의 상부에 배치하였다 (캐리어의 후면은 리플렉시온 폴리셔의 캐리어 아암에 부착될 수 있도록 기계가공되었다). 캐리어의 노출된 표면에 걸쳐 10 lb (4.54 ㎏)의 하중을 균일하게 가하였고, 실온에서 약 4시간 동안 접착제가 경화되게 두었다.

비교예 13 (CE13)

제작 공정에서 탄성 요소를 사용하지 않은 점을 제외하고는 실시예 12와 유사하게 CE13을 제조하였다.

연마 물품 동일평면도 시험 방법 I을 사용하여, 실시예 12 및 CE13의 연마 요소의 전반적 동일평면도를 측정하였다. 도 3은 그 결과를 나타낸다. 연마 요소의 더욱 균일한 임프린트에 기초하면, 탄성 요소를 포함하는 실시예 12는, 탄성 요소를 이용하지 않은 CE13보다 개선된 평면도를 나타낸다.

실시예 14 내지 실시예 16

실시예 14 내지 실시예 16에 사용되는 연마 요소를, 실시예 1에 기재된 바와 같이 제조하였다. 표 3에 요약된 바와 같이, 각각의 연마 요소는 둘 이상의 상이한 높이, 제1 특징부 높이 - 2가지 특징부 중 더 높은 것 - 및 제2 특징부 높이를 갖는, 정밀하게 형상화된 특징부를 가졌다. 오프셋 높이는 제1 특징부와 제2 특징부 사이의 높이 차이이다. 실시예 14의 정밀하게 형상화된 특징부는 실시예 1에 대해 기재된 것과 동일하였다. 실시예 15의 정밀하게 형상화된 특징부는, 절두 4면 피라미드인, 146 마이크로미터의 밑면 길이를 갖는 정사각형 밑면 및 61 마이크로미터의 높이를 가지며 한 변이 24 마이크로미터인 정사각형 상단을 갖는 피라미드 (제1 특징부) 73.5% 및 146 마이크로미터의 밑면 길이를 갖는 정사각형 밑면 및 49 마이크로미터의 높이를 가지며 한 변이 48 마이크로미터인 정사각형 상단을 갖는 피라미드 (제2 특징부) 26.5%로 이루어졌다. 피라미드를 도 4a 및 도 4b에 따른 격자 패턴으로 배열하였으며; 피라미드들 사이의 모든 간격은 밑면에서 58.5 마이크로미터였다. 실시예 16의 정밀하게 형상화된 특징부는, 예리한 팁을 갖는 4면 피라미드인, 146 마이크로미터의 밑면 길이를 갖는 정사각형 밑면 및 73 마이크로미터의 높이를 갖는 피라미드 (제1 특징부) 73.5%, 122 마이크로미터의 밑면 길이를 갖는 정사각형 밑면 및 61 마이크로미터의 높이를 갖는 피라미드 2%, 및 146 마이크로미터의 길이와 122 마이크로미터의 폭을 갖는 직사각형 밑면 및 73 마이크로미터의 높이를 갖는 피라미드 (제2 특징부) 25.5%로 이루어졌다. 피라미드를 도 5a 및 도 5b에 따른 격자 패턴으로 배열하였으며; 피라미드들 사이의 모든 간격은 밑면에서 5 마이크로미터였다.

실시예 14 및 실시예 15 각각을 위해 5개의 연마 요소를 제조하였고, 실시예 16을 위해 10개의 연마 요소를 제조하였다. 연마 요소를, 앞서 기재된 공정에 의해 CVD 다이아몬드로 코팅하였다. 이어서, CVD 다이아몬드 코팅된 연마 요소를 사용하여 연마 물품을 형성하였는데, 이때 실시예 12에 기재된 제작 절차를 사용하였다. 실시예 14 및 실시예 15의 연마 요소들로부터 제작된 연마 물품들을 원형 패턴으로 배열하여, 그들의 중심점이 약 1.75 인치 (44.5 mm)의 반경을 갖는 원의 둘레를 따라 위치되고 둘레를 따라 약 72°로 균등하게 이격되도록 하였다 (도 2). 이들 연마 물품을 각각 실시예 14A 및 실시예 15A로 칭하였다. 실시예 16의 10개의 연마 요소를 사용하여, 도 6에 나타낸 바와 같은 이중 별형 패턴으로 배열된 연마 요소를 갖는 연마 물품을 제작하였고, 이를 실시예 16A로 칭하였다. 큰 별형 패턴은 실시예 14 및 실시예 15의 패턴과 동일하였다. 작은 별형 패턴의 요소들은 도 2에 나타낸 바와 같이 원형 패턴으로 배열하여, 그들의 중심점이 약 1.5 인치 (38.1 mm)의 반경을 갖는 원의 둘레를 따라 위치되고 둘레를 따라 약 72°로 균등하게 이격되도록 하였다. 이들 요소는 외측 요소에 대해 36°만큼 오프셋하였다.

[표 3]

비교예 17 (CE17)

CE17은, 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니로부터 상표명 "쓰리엠 다이아몬드 패드 컨디셔너(3M DIAMOND PAD CONDTIONER) A2812"로 입수가능한, 180 마이크로미터의 다이아몬드 크기를 갖는, 다이아몬드 그릿 패드 컨디셔너였다.

비교예 18 (CE18)

CE18은, 쓰리엠 컴퍼니로부터 상표명 "쓰리엠 다이아몬드 패드 컨디셔너 A165"로 입수가능한, 250 마이크로미터의 다이아몬드 크기를 갖는, 다이아몬드 그릿 패드 컨디셔너였다.

비교예 19 (CE19)

CE19는, 쓰리엠 컴퍼니로부터 상표명 "쓰리엠 다이아몬드 패드 컨디셔너 H2AG18"로 입수가능한, 74 마이크로미터의 다이아몬드 크기를 갖는, 다이아몬드 그릿 패드 컨디셔너였다.

비교예 20 (CE20)

CE20은, 쓰리엠 컴퍼니로부터 상표명 "쓰리엠 다이아몬드 패드 컨디셔너 H9AG27"로 입수가능한, 74 마이크로미터의 다이아몬드 크기를 갖는, 다이아몬드 그릿 패드 컨디셔너였다.

실시예 14A, CE17 및 CE18을 사용한 CMP 폴리싱 시험

비교적 경질의 CMP 패드인, IC1010을 사용하는 구리 CMP 공정에서, 폴리싱 시험 방법 1을 사용하여, 실시예 14A의 2개의 연마 물품을 패드 컨디셔너로서 시험하였다. 하나의 연마 물품은 3 psi의 웨이퍼 헤드 압력에서 시험하는 한편, 나머지 하나는 1.4 psi의 웨이퍼 헤드 압력에서 시험하였다. 상기한 구리 웨이퍼 제거율 및 비-균일도 시험 방법을 사용하여, 구리 제거율 및 웨이퍼 비-균일도를 컨디셔닝 시간의 함수로서 측정하였다. 결과가 표 4에 나타나 있다. 낮은 헤드 압력 공정 및 높은 헤드 압력 공정 둘 모두에 대해, 우수하고 안정한 제거율 및 우수하고 안정한 웨이퍼 비-균일도를 얻었다. 폴리싱 후에, 정밀하게 형상화된 특징부 팁을 광학 현미경으로 조사하였다. 20.8시간 시험의 CMP 폴리싱 시험 후에 특징부 팁의 마모는 매우 사소하였으며, 이는 컨디셔너가 긴 수명을 가질 것임을 나타낸다.

[표 4]

폴리싱 시간이 단지 0.6시간인 점을 제외하고는 실시예 14A (3 psi 웨이퍼 헤드 압력)에서와 유사한 시험에서, 비교예 CE17 및 CE18을 시험하였다. 구리 제거율 결과 및 웨이퍼 비-균일도가 표 5에 나타나 있다.

[표 5]

실시예 15A 및 CE19를 사용한 CMP 폴리싱 시험

비교적 연질의 CMP 패드인, WSP를 사용하는 구리 CMP 공정에서, 폴리싱 시험 방법 2를 사용하여, 실시예 15A의 2개의 연마 물품을 패드 컨디셔너로서 시험하였다. 하나의 연마 물품은 3 psi의 웨이퍼 헤드 압력에서 시험하는 한편, 나머지 하나는 1.4 psi의 웨이퍼 헤드 압력에서 시험하였다. 상기한 구리 웨이퍼 제거율 및 비-균일도 시험 방법을 사용하여, 구리 제거율 및 웨이퍼 비-균일도를 컨디셔닝 시간의 함수로서 측정하였다. 결과가 표 6에 나타나 있다. 낮은 헤드 압력 공정 및 높은 헤드 압력 공정 둘 모두에 대해, 우수하고 안정한 제거율 및 우수하고 안정한 웨이퍼 비-균일도를 얻었다.

[표 6]

폴리싱 시험 방법 2를 사용하여 다이아몬드 그릿 패드 컨디셔너, CE19를 또한 시험하였다. 구리 제거율 및 웨이퍼 비-균일도를 컨디셔닝 시간의 함수로서 측정하였다. 결과가 표 7에 나타나 있다. 6시간의 폴리싱 시간이 달성되었을 때쯤에, 패드는 심하게 마모되었고 패드 홈은 더 이상 존재하지 않았으며, 이는 폴리싱 패드가 다이아몬드 그릿 패드 컨디셔너에 의해 완전히 마모되었음을 나타낸다.

[표 7]

실시예 15A 및 CE19로 컨디셔닝한, 3.0 psi의 웨이퍼 헤드 압력에서 진행한 CMP 폴리싱 시험으로부터의 패드를, 앞서 기재된 시험 방법을 사용하여 패드 마모율 및 표면 조도에 대해 측정하였다. 결과가 표 8에 나타나 있다. 실시예 15A로 컨디셔닝된 패드의 평균 패드 마모율은 CE19로 컨디셔닝된 패드보다 약 4배 더 낮았으며, 이는 정밀하게 형상화된 연마 특징부를 갖는 컨디셔너로 컨디셔닝된 패드가 현저하게 더 긴 유효 수명을 가짐을 나타낸다.

[표 8]

실시예 16A 및 CE20을 사용한 CMP 폴리싱 시험

산화물 공정에서, 폴리싱 시험 방법 3을 사용하여, 실시예 16A의 연마 물품을 다이아몬드 그릿 패드 컨디셔너인, 비교예 CE20과 비교하였다. 상기한 산화물 웨이퍼 제거율 및 비-균일도 시험 방법을 사용하여, 산화물 제거율 및 웨이퍼 비-균일도를 컨디셔닝 시간의 함수로서 측정하였다. 결과가 표 9에 나타나 있다. 종래의 다이아몬드 그릿 패드 컨디셔너 CE20과 비교하여, 정밀하게 형상화된 특징부를 갖는 패드 컨디셔너 실시예 16A를 폴리싱 공정에 사용하였을 때, 더 높은 제거율 및 더 낮은 웨이퍼 비-균일도를 얻었다. 4.9시간의 컨디셔닝 후에 패드 중심으로부터 3 인치 (7.6 cm), 7 인치 (17.8 cm) 및 13 인치 (33.0 cm)에서 패드 표면 거칠기(surface finish)를 측정하였다. 실시예 16A에 대한 패드 표면 거칠기가 비교예 CE20보다 다소 더 높았다 (각각 8.47 마이크로미터 대 7.24 마이크로미터). 초기 패드 표면 조도는 12 마이크로미터였다. 실시예 16A를 패드 컨디셔너로서 사용한 폴리싱 시험을 30시간 계속하였다. 폴리싱 전 및 후에 종래의 광학 현미경으로 연마 요소의 특징부 높이를 측정하여 팁 마모를 결정하였다. 마모율은 약 0.1 마이크로미터/시간인 것으로 결정되었다. 특징부에는 얼룩 또는 슬러리 축적이 없었다.

[표 9]

본 발명이 바람직한 실시 형태를 참고로 설명되었으나, 본 기술 분야의 숙련된 작업자는 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고 형태의 그리고 세부적인 변형이 이루어질 수 있음을 인식할 것이다.

Claims

제1 연마 요소;
제2 연마 요소;
제1 및 제2 주 표면을 갖는 탄성 요소; 및
캐리어를 포함하며;
제1 및 제2 연마 요소 각각은 제1 주 표면 및 제2 주 표면을 가지며;
제1 및 제2 연마 요소의 적어도 제1 주 표면은 복수의 정밀하게 형상화된 특징부를 포함하고;
연마 요소는 실질적으로 무기 모놀리식(monolithic) 구조체를 포함하는, 연마 물품.
제1항에 있어서, 체결 요소(fastening element)를 추가로 포함하는, 연마 물품.
제1항에 있어서, 탄성 요소는 기계적 스프링-유사 장치, 폼(foam), 젤, 중합체, 스프링, 및 가요성 와셔(flexible washer)로 이루어진 군으로부터 선택되는, 연마 물품.
제1항에 있어서, 제1 및 제2 요소는, D_o의 공통 최대 설계 특징부 높이(common maximum design feature height)를 갖는, 모든 연마 요소 상의 집합적 군의 정밀하게 형상화된 특징부가 특징부 높이의 약 20% 미만의 비-동일평면도(non-coplanarity)를 갖도록 캐리어에 체결되는, 연마 물품.
제1항에 있어서, 무기 모놀리식 구조체는 99 중량%의 탄화물 세라믹인, 연마 물품.
제1항에 있어서, 무기 모놀리식 구조체에는 산화물 소결 보조제(oxide sintering aid)가 실질적으로 없는, 연마 물품.
제1항에 있어서, 정밀하게 형상화된 특징부를 갖는 제1 및 제2 요소 각각은 특징부 비-균일도(non-uniformity)가 특징부 높이의 약 20% 미만인, 연마 물품.
제1항에 있어서, 제1 및 제2 연마 요소는 별형 또는 이중 별형 패턴으로 배열되는, 연마 물품.
제1항에 있어서, 양면 패드 컨디셔너(double sided pad conditioner)인, 연마 물품.
제1 연마 요소 및 제2 연마 요소 - 여기서, 각각의 제1 및 제2 연마 요소는 제1 주 표면 및 제2 주 표면을 가지며, 적어도 제1 주 표면은 복수의 정밀하게 형상화된 특징부를 포함함 - 를 제공하는 단계;
제1 및 제2 연마 요소의 제1 주 표면을 정렬판과 접촉하게 배치하는 단계;
제1 및 제2 주 표면을 갖는 탄성 요소를 제공하는 단계;
탄성 요소의 제1 주 표면을 연마 요소의 제2 주 표면에 부착하는 단계;
체결 요소를 제공하는 단계; 및
탄성 요소의 제2 주 표면을 체결 요소를 통해 캐리어에 부착하는 단계를 포함하며,
D_o의 공통 최대 설계 특징부 높이를 갖는, 모든 연마 요소 상의 집합적 군의 특징부는 비-동일평면도가 특징부 높이의 약 20% 미만인, 연마 물품의 제조 방법.
제1 연마 요소;
제2 연마 요소;
제1 및 제2 주 표면을 갖는 탄성 요소; 및
캐리어를 포함하며;
제1 및 제2 연마 요소 각각은 제1 주 표면 및 제2 주 표면을 가지며;
제1 및 제2 연마 요소의 적어도 제1 주 표면은 다이아몬드 코팅을 갖는 복수의 정밀하게 형상화된 특징부를 포함하고;
연마 요소는 실질적으로 무기 모놀리식 구조체를 포함하는, 연마 물품.
제11항에 있어서, 다이아몬드 코팅은 다이아몬드, 도핑된 다이아몬드, 다이아몬드 유사 탄소, 다이아몬드 유사 유리, 다결정질 다이아몬드, 미세결정질 다이아몬드, 나노결정질 다이아몬드, 및 그 조합 중 하나로부터 선택되는, 연마 물품.
제11항에 있어서, 다이아몬드 코팅은 화학 증착 공정 또는 물리 증착 공정에 의해 적용되는, 연마 물품.