KR20160083922A - 연마재들을 내부에 갖는 프린팅된 화학적 기계적 연마 패드 - Google Patents

연마재들을 내부에 갖는 프린팅된 화학적 기계적 연마 패드 Download PDF

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KR20160083922A
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페리야 고파란
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Abstract

연마 패드의 연마 층을 제작하는 방법은, 연마 층의 폴리머 매트릭스 내에 임베딩될 입자들의 원하는 분포를 결정하는 단계를 포함한다. 3D 프린터를 이용하여, 폴리머 매트릭스의 복수의 층들이 연속적으로 증착되고, 폴리머 매트릭스의 복수의 층들의 각각의 층은, 노즐로부터 폴리머 매트릭스 전구체를 토출함으로써 증착된다. 3D 프린터를 이용하여, 입자들의 복수의 층들이, 원하는 분포에 따라, 연속적으로 증착된다. 폴리머 매트릭스 전구체는, 입자들이 원하는 분포로 임베딩된 폴리머 매트릭스로 응고된다.

Description

연마재들을 내부에 갖는 프린팅된 화학적 기계적 연마 패드{PRINTED CHEMICAL MECHANICAL POLISHING PAD HAVING ABRASIVES THEREIN}
본 발명은, 화학적 기계적 연마에서 사용되는 연마(polishing) 패드들에 관한 것이다.
집적 회로는 전형적으로, 실리콘 웨이퍼 상의 전도성, 반전도성, 또는 절연성 층들의 순차적인 증착에 의해, 기판 상에 형성된다. 다양한 제작 프로세스들은 기판 상의 층의 평탄화(planarization)를 요구한다. 예컨대, 특정한 애플리케이션들, 예컨대, 패터닝된 층의 트렌치들에 비아들, 플러그들, 및 라인들을 형성하기 위한 금속 층의 연마의 경우에, 패터닝된 층의 상단 표면이 노출될 때까지, 위에 놓인 층이 평탄화된다. 다른 애플리케이션들, 예컨대, 포토리소그래피를 위한 유전체 층의 평탄화에서, 위에 놓인 층은, 아래 놓인 층 위에 원하는 두께가 남을 때까지 연마된다.
화학적 기계적 연마(CMP)는 평탄화의 하나의 용인된 방법이다. 이러한 평탄화 방법은 전형적으로, 기판이 캐리어 헤드 상에 탑재되는 것을 요구한다. 기판의 노출된 표면은 전형적으로, 회전하는 연마 패드에 대하여 배치된다. 캐리어 헤드는, 연마 패드에 대하여 기판을 푸시(push)하기 위해, 기판 상에 제어가능한 로드(load)를 제공한다. 연마재(abrasive) 입자들을 갖는 슬러리(slurry)와 같은 연마 액체가 전형적으로, 연마 패드의 표면으로 공급된다.
화학적 기계적 연마 프로세스의 하나의 목적은 연마 균일성이다. 기판 상의 상이한 영역들이 상이한 레이트들로 연마되는 경우에, 기판의 몇몇 영역들에서, 너무 많은 재료가 제거되거나("오버폴리싱(overpolishing)"), 또는 너무 적은 제료가 제거되는("언더폴리싱(underpolishing)") 것이 가능하다.
통상적인 연마 패드들은 "표준(standard)" 패드들 및 고정된-연마(fixed-abrasive) 패드들을 포함한다. 표준 패드는 내구성 있는 거칠게 된 표면을 갖는 폴리우레탄 연마 층을 갖고, 또한, 압축성(compressible) 백킹 층을 포함할 수 있다. 반대로, 고정된-연마 패드는 컨테인먼트 매체들(containment media)에 보유된 연마재 입자들을 갖고, 대체로 비압축성(incompressible)인 백킹 층 상에 지지될 수 있다. 그러나, 상업적으로 이용가능한 고정된-연마 패드들은 일반적으로, 예컨대 세륨 산화물과 같은 특정한 재료들로 제한된다.
연마 패드들은 전형적으로, 폴리우레탄 재료들을 몰딩(molding)하거나, 캐스팅(casting)하거나, 또는 신터링(sintering)함으로써 제조된다. 몰딩의 경우에, 연마 패드들은, 예컨대 사출 성형(injection molding)에 의해, 한번에 하나씩 제조될 수 있다. 캐스팅의 경우에, 액체 전구체가 케이크(cake)로 캐스팅되고 경화되며, 그러한 케이크는 후속하여, 개별적인 패드 피스들로 슬라이싱된다. 그 후에, 이러한 패드 피스들은 최종 두께로 머시닝될(machined) 수 있다. 그루브(groove)들이 연마 표면 내로 머시닝될 수 있거나, 또는 사출 성형 프로세스의 부분으로서 형성될 수 있다.
평탄화에 부가하여, 연마 패드들은 버핑(buffing)과 같은 피니싱(finishing) 동작들을 위해 사용될 수 있다.
화학적 기계적 연마 장치의 최종 사용자는 전형적으로, 하나 또는 그 초과의 벤더들로부터, 연마 패드들 및 연마 슬러리와 같은 소모품들을 획득한다. 연마 슬러리는 전형적으로, 유체로 연마재 입자들의 서스펜션(suspension)을 함유한다. 유체는 전형적으로, 연마재 입자들이 유체에서 적절하게 서스펜딩되고, 스크래칭 또는 다른 결함들을 야기할 수 있고 연마 슬러리가 연마에 대해 부적합하게 되도록 할 수 있는, 연마재 입자들의 바람직하지 않은 응집(agglomeration)을 형성하지 않는 것을 보장하기 위해, 부가적인 케미스트리(chemistry)를 포함한다.
최종 사용자에 대한 소유 비용을 낮추기 위해, 그리고 폐기물 처리를 감소시키기 위해, 연마 패드 및 연마재 입자들은, 패드 그 자체 내에 연마재 입자들을 임베딩(embedding)함으로써, 단일 엔티티(entity)로 조합될 수 있다. 그러나, 패드들 내에 입자들을 임베딩하는 것은 다양한 문제들을 제기한다. 결과로서, 연마 패드들에 임베딩되는 연마재 재료들은, 세륨 산화물들과 같은 재료들로 제한되었다. 알루미나 연마재 입자들이 제안되었지만, 알루미나 입자들을 갖는 연마 패드는 상업화하는 것이 실현가능하지 않았다. 알루미나 연마재 입자들을 갖는 연마 패드의 제조에서의 적어도 하나의 문제는, 연마 패드들을 제작하기 위해 사용되는 폴리머들(예컨대, 열경화성(thermoset) 폴리머)에서 알루미나 연마재 입자들을 서스펜딩하는 것에서의 어려움이었다. 예컨대, 폴리머 용액들에서의 알루미나 연마재 입자들의 서스펜션들은 균일하게 분포되지 않는다. 불-균일한 분포(distribution)는 알루미나 연마재 입자들의 응집을 초래하고, 응집은, 연마 패드가 기판들을 연마하기 위해 사용되는 경우에 결함들을 초래한다.
상이한 연마재 입자들이 내부에 임베딩된 연마 패드들을 제조하기 위한 기법은, 3D 프린팅 프로세스를 사용하는 것이다. 3D 프린팅 프로세스에서, 예컨대 분말 또는 액체 전구체와 같은 패드 전구체의 얇은 층이 점진적으로 증착되고, 융합되거나(fused) 또는 경화되어, 완전한 3-차원 연마 패드가 형성된다. 그 후에, 연마재 입자들이 선택적으로, 패드 전구체의 프린팅된 층 내에 증착된다.
일 양상에서, 연마 패드의 연마 층을 제작하는 방법은, 연마 층의 폴리머 매트릭스(polymer matrix) 내에 임베딩될 입자들의 원하는 분포를 결정하는 단계를 포함한다. 방법은, 3D 프린터를 이용하여, 폴리머 매트릭스의 복수의 층들을 연속적으로 증착하는 단계를 포함하며, 폴리머 매트릭스의 복수의 층들의 각각의 층은, 노즐로부터 폴리머 매트릭스 전구체를 토출(ejecting)함으로써 증착되고, 복수의 층들을 연속적으로 증착하는 단계는, 3D 프린터를 이용하여, 원하는 분포에 따라, 복수의 층들에 입자들을 분포시키는 단계를 포함한다. 방법은, 입자들이 원하는 분포로 임베딩된 응고된 폴리머 매트릭스를 형성하기 위해, 폴리머 매트릭스 전구체를 응고시키는 단계를 포함한다.
구현들은 다음의 피처들 중 하나 또는 그 초과를 포함할 수 있다. 방법은, 노즐에 의해 토출되는 혼합물을 형성하기 위해, 원하는 분포에 따라, 입자들과 폴리머 매트릭스 전구체를 사전혼합(premixing)하는 단계를 더 포함할 수 있다. 폴리머 매트릭스 전구체는 액체 열경화성 폴리머일 수 있다. 폴리머 매트릭스 전구체는 용융된 열가소성(thermoplastic) 폴리머일 수 있다. 폴리머 매트릭스 전구체는 제 1 프린트헤드의 노즐로부터 토출될 수 있고, 입자들은 제 2 프린트헤드의 노즐로부터 토출될 수 있다. 입자들은, 실리카, 세라믹, 금속, 금속 산화물, 및 폴리머로 구성된 그룹으로부터 선택되는 재료로 제조될 수 있다. 실리카는 훈증식(fumed) 또는 콜로이드성(colloidal)일 수 있다. 입자들은 알루미나일 수 있다. 입자들은 연마재 입자들일 수 있다. 입자들은, 연마 층이 연마를 위해 사용되는 경우에, 화학 반응들을 겪는 반응성 입자들을 더 포함할 수 있다. 입자들은 홀로우 코어(hollow core)를 가질 수 있다. 입자들은 최대 1 밀리미터, 예컨대 10 μm 미만, 예컨대 1 μm 미만의 사이즈들을 가질 수 있다. 입자들은 둥글 수 있거나, 세장형(elongated)일 수 있거나, 또는 면을 가질(faceted) 수 있다. 연마 층은 입자들의 홀로우 코어에 의해 형성된 세공(pore)들을 포함할 수 있다. 폴리머 매트릭스 전구체를 응고시키는 것은, 폴리머 매트릭스 전구체를 경화시키는 것을 포함할 수 있다. 폴리머 매트릭스 전구체의 경화는 자외선(UV) 경화를 포함할 수 있다. 폴리머 매트릭스 전구체의 경화는 열 경화를 포함할 수 있다. 열 경화는 레이저 또는 IR 램프를 이용하여 행해질 수 있다. 폴리머 매트릭스 전구체는 우레탄 모노머를 포함할 수 있다. 응고된 폴리머 매트릭스는, 폴리우레탄, 아크릴레이트, 에폭시, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 폴리에테르이미드, 또는 폴리아미드를 포함할 수 있다. 폴리머 매트릭스 전구체를 응고시키는 것은, 폴리머 매트릭스 전구체를 냉각시키는 것을 포함한다. 원하는 분포는 폴리머 매트릭스 내의 입자들의 균일한 분포일 수 있다. 원하는 분포는 폴리머 매트릭스 내의 입자들의 패터닝된 분포일 수 있다. 폴리머 매트릭스 전구체 및 입자들은, 연마 패드의 표면 상에, 패터닝된 표면 피처(feature)들을 생성하기 위해 증착될 수 있다. 패터닝된 표면 피처들은 세장형 그루브들을 포함할 수 있다. 패터닝된 표면 피처들은, 버튼들과 유사한 상승된 피처들을 포함할 수 있다.
다른 양상에서, 연마 패드는, 폴리머 매트릭스, 및 폴리머 매트릭스 내에 임베딩된 원하는 분포의 입자들을 갖는 연마 층을 포함한다. 원하는 분포의 입자들은, 연마 층에 걸친 상이한 분포 밀도들의 입자들을 포함한다.
구현들은 다음의 피처들 중 하나 또는 그 초과를 포함할 수 있다. 연마 패드는, 연마 패드의 표면 상에 세장형 그루브들을 포함할 수 있다. 입자들은 최대 1 밀리미터, 예컨대 10 μm 미만, 예컨대 1 μm 미만의 사이즈들을 가질 수 있다. 입자들은 둥글 수 있거나, 세장형일 수 있거나, 또는 면을 가질 수 있다. 폴리머 매트릭스는, 폴리우레탄, 아크릴레이트, 에폭시, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 폴리에테르이미드, 또는 폴리아미드를 포함할 수 있다.
다른 양상에서, 연마 패드의 연마 층을 제작하는 방법은, 혼합물을 형성하기 위해, 입자들과 폴리머 매트릭스 전구체를 사전혼합하는 단계를 포함한다. 폴리머 매트릭스 전구체는 연마 층의 폴리머 매트릭스를 제작하기 위해 사용된다. 방법은, 3D 프린터의 노즐로부터 혼합물을 토출하기 전에 혼합물을 교반하는 단계, 및 3D 프린터를 이용하여, 폴리머 매트릭스의 복수의 층들을 연속적으로 증착하는 단계를 포함한다. 폴리머 매트릭스의 복수의 층들의 각각의 층은, 노즐로부터 폴리머 매트릭스 전구체를 토출함으로써 증착된다. 복수의 층들을 연속적으로 증착하는 단계는, 3D 프린터를 이용하여, 복수의 층들에 입자들을 증착하는 단계를 포함한다. 방법은, 입자들이 내부에 임베딩된 응고된 폴리머 매트릭스를 형성하기 위해, 폴리머 매트릭스 전구체를 응고시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 하나 또는 그 초과의 실시예들의 세부사항들은 첨부 도면들 및 아래의 설명에서 제시된다. 본 발명의 다른 피처들, 목적들, 및 이점들은, 설명 및 도면들로부터, 그리고 청구항들로부터 명백하게 될 것이다.
도 1a는, 예시적인 연마 패드의 개략적인 측단면도이다.
도 1b는, 다른 예시적인 연마 패드의 개략적인 측단면도이다.
도 1c는, 또 다른 예시적인 연마 패드의 개략적인 측단면도이다.
도 2는, 화학적 기계적 연마 스테이션의, 일부는 단면도인 개략적인 측면도이다.
도 3a는, 연마 패드를 제작하기 위해 사용되는 예시적인 3D 프린터를 예시하는 개략적인 측단면도이다.
도 3b는, 연마 패드를 제작하기 위해 사용되는 예시적인 3D 프린터를 예시하는 개략적인 측단면도이다.
다양한 도면들에서의 동일한 참조 부호들은 동일한 엘리먼트들을 표시한다.
도 1a 내지 도 1c를 참조하면, 연마 패드(18)는 연마 층(22)을 포함한다. 도 1a에서 도시된 바와 같이, 연마 패드는 연마 층(22)으로 구성된 단일-층 패드일 수 있거나, 또는 도 1c에서 도시된 바와 같이, 연마 패드는 연마 층(22) 및 적어도 하나의 백킹(backing) 층(20)을 포함하는 다-층 패드일 수 있다.
연마 층(22)은 연마 프로세스에서 불활성인 재료일 수 있다. 연마 층(22)의 재료는, 플라스틱, 예컨대 폴리우레탄, 아크릴레이트, 에폭시, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 폴리에테르이미드, 또는 폴리아미드들일 수 있다. 몇몇 구현들에서, 연마 층(22)은 상대적으로 내구성이 있고 단단한 재료이다. 예컨대, 연마 층(22)은, 쇼어 D 스케일(Shore D scale) 상에서, 약 40 내지 80, 예컨대 50 내지 65의 경도를 가질 수 있다.
도 1a에서 도시된 바와 같이, 연마 층(22)은 균질한 조성의 층일 수 있거나, 또는 도 1b에서 도시된 바와 같이, 연마 층(22)은, 예컨대 폴리우레탄, 아크릴레이트, 에폭시, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 폴리에테르이미드, 또는 폴리아미드들과 같은 플라스틱 재료의 매트릭스(29)에 보유된 연마재 입자들(28)을 포함할 수 있다. 연마재 입자들(28)은 매트릭스(29)의 재료보다 더 단단하다. 연마재 입자들(28)은 연마 층의 0.05 wt% 내지 75 wt%일 수 있다. 예컨대, 연마재 입자들(28)은 연마 층(22)의 1 wt% 미만, 예컨대 0.1 wt% 미만일 수 있다. 대안적으로, 연마재 입자들(28)은 연마 층(22)의 10 wt% 초과, 예컨대 50 wt% 초과일 수 있다. 연마재 입자들의 재료는, 금속 산화물, 예컨대 세리아(ceria), 알루미나, 실리카 또는 이들의 조합, 폴리머릭(polymeric), 인터-메탈릭(inter-metallic), 또는 세라믹들일 수 있다.
몇몇 구현들에서, 연마 층은 세공들, 예컨대 작은 공극(void)들을 포함한다. 세공들은 넓이가 50 내지 100 미크론일 수 있다.
연마 층(18)은, 80 mil 또는 그 미만, 예컨대 50 mil 또는 그 미만, 예컨대 25 mil 또는 그 미만의 두께(D1)를 가질 수 있다. 컨디셔닝(conditioning) 프로세스가 커버 층을 마모시키는 경향이 있기 때문에, 예컨대 3000 연마 및 컨디셔닝 사이클들과 같은 유용한 수명을 갖는 연마 패드(18)를 제공하도록, 연마 층(22)의 두께가 선택될 수 있다.
마이크로스코픽 스케일(microscopic scale) 상에서, 연마 층(22)의 연마 표면(24)은 거친 표면 텍스처(texture), 예컨대 2 내지 4 미크론 rms를 가질 수 있다. 예컨대, 연마 층(22)은, 거친 표면 텍스처를 생성하기 위해, 그라인딩(grinding) 또는 컨디셔닝 프로세스를 받을 수 있다. 부가하여, 3D 프린팅은, 예컨대 200 미크론에 이르기까지, 작고 균일한 피처들을 제공할 수 있다.
연마 표면(24)이 마이크로스코픽 스케일 상에서 거칠 수 있지만, 연마 층(22)은, 연마 패드 그 자체의 매크로스코픽(macroscopic) 스케일 상에서 우수한 두께 균일성을 가질 수 있다(이러한 균일성은, 연마 층의 바닥 표면에 관한, 연마 표면(24)의 높이에서의 전역적인 변화를 나타내고, 연마 층에 의도적으로 형성된 임의의 매크로스코픽 그루브들 또는 구멍들을 카운트하지 않는다). 예컨대, 두께 불-균일성은 1 mil 미만일 수 있다.
선택적으로, 연마 표면(24)의 적어도 일부는, 슬러리를 운반하기 위해 그러한 연마 표면(24)의 적어도 일부에 형성된 복수의 그루브들(26)을 포함할 수 있다. 그루브들(26)은, 동심원들, 직선들, 크로스-해치형(cross-hatched), 나선형들 등과 같이, 거의 모든 패턴으로 이루어질 수 있다. 그루브들이 존재한다고 가정하면, 그루브들(26) 사이의 연마 표면(24), 즉 플래토(plateau)들은, 대략 연마 패드(22)의 총 수평 표면 면적, 즉, 연마 패드(22)의 총 수평 표면 면적의 25 내지 90 %일 수 있다. 따라서, 그루브들(26)은, 연마 패드(18)의 총 수평 표면 면적의 10 % 내지 75 %를 차지할 수 있다. 그루브들(26) 사이의 플래토들은 약 0.1 내지 2.5 mm의 측방향 폭을 가질 수 있다.
몇몇 구현들에서, 예컨대, 백킹 층(20)이 존재하는 경우에, 그루브들(26)은 연마 층(22)을 완전히 관통하여 연장될 수 있다. 몇몇 구현들에서, 그루브들(26)은, 연마 층(22)의 두께의 약 20 내지 80 %, 예컨대 40 %를 통하여 연장될 수 있다. 그루브들(26)의 깊이는 0.25 내지 1 mm일 수 있다. 예컨대, 두께가 50 mil인 연마 층(22)을 갖는 연마 패드(18)에서, 그루브들(26)은 약 20 mil의 깊이(D2)를 가질 수 있다.
백킹 층(20)은 연마 층(22)보다 더 연성일 수 있고, 더 압축성일 수 있다. 백킹 층(20)은, 쇼어 A 스케일 상에서 80 또는 그 미만의 경도, 예컨대 약 60 쇼어 A의 경도를 가질 수 있다. 백킹 층(20)은 연마 층(22)보다 더 두꺼울 수 있거나, 또는 더 얇을 수 있거나, 또는 연마 층(22)과 동일한 두께일 수 있다.
예컨대, 백킹 층은, 개방-셀(open-cell) 또는 폐쇄-셀(closed-cell) 폼(foam), 예컨대, 공극들을 갖는 폴리실리콘(polysilicone) 또는 폴리우레탄일 수 있고, 그에 따라, 압력 하에서, 셀들이 붕괴되고, 백킹 층이 압축된다. 백킹 층을 위한 적합한 재료는, 코네티컷, 로저스의 로저스 코포레이션(Rogers Corporation)으로부터의 PORON 4701-30, 또는 롬 앤 하스(Rohm & Haas)로부터의 SUBA-IV이다. 백킹 층의 경도는 층 재료 및 다공도(porosity)의 선택에 의해 조정될 수 있다. 백킹 층은 또한, 천연 고무, 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머(EPDM) 고무, 니트릴, 또는 폴리클로로프렌(네오프렌)으로 형성될 수 있다. 대안적으로, 백킹 층(20)은, 연마 층과 동일한 전구체로부터 형성되고, 동일한 다공도를 갖지만, 상이한 경도를 갖도록 상이한 경화 정도를 갖는다.
이제 도 2로 넘어가면, 하나 또는 그 초과의 기판들(14)이 CMP 장치의 연마 스테이션(10)에서 연마될 수 있다. 적합한 연마 장치의 설명은 미국 특허 번호 제 5,738,574 호에서 발견될 수 있고, 그 미국 특허의 전체 개시는 인용에 의해 본원에 포함된다.
연마 스테이션(10)은 회전가능한 플래튼(16)을 포함할 수 있고, 그러한 플래튼(16) 상에 연마 패드(18)가 배치된다. 연마 단계 동안에, 연마 액체(30), 예컨대 연마재 슬러리가, 슬러리 공급 포트 또는 조합된 슬러리/린스 암(32)에 의해, 연마 패드(18)의 표면으로 공급될 수 있다. 연마 액체(30)는 연마재 입자들, pH 조정제, 또는 화학적으로 활성인 컴포넌트들을 함유할 수 있다.
기판(14)은 캐리어 헤드(34)에 의해 연마 패드(18)에 대하여 보유된다. 캐리어 헤드(34)는 캐러셀(carousel)과 같은 지지 구조로부터 서스펜딩되고(suspended), 캐리어 헤드가 축(38)을 중심으로 회전될 수 있도록, 캐리어 구동 샤프트(36)에 의해, 캐리어 헤드 회전 모터에 연결된다. 연마 액체(30)의 존재 시의 기판(14)과 연마 패드(18)의 상대적인 모션은, 기판(14)의 연마를 발생시킨다.
3D 프린팅은, 연마 층 내의 특정한 위치들에 연마재들이 임베딩된 연마 패드들을 생성하기 위한 편리하고 고도로 제어가능한 프로세스를 제공한다. 도 3a를 참조하면, 연마 패드(18)의 적어도 연마 층(22)이, 3D 프린팅 프로세스를 사용하여 제조된다. 제조 프로세스에서, 재료의 얇은 층들이 점진적으로 증착되고 융합된다. 예컨대, 패드 전구체 재료의 액적(droplet)들(52)이, 층(50)을 형성하기 위해, 액적 토출 프린터(55)의 노즐(54)로부터 토출될 수 있다. 액적 토출 프린터는 잉크젯 프린터와 유사하지만, 잉크 대신에 패드 전구체 재료를 사용한다. 노즐(54)은 지지부(51)에 걸쳐 (화살표 A에 의해 도시된 바와 같이) 병진이동(translate)한다.
증착된 제 1 층(50a)의 경우에, 노즐(54)은 지지부(51) 상에 토출할 수 있다. 후속하여 증착된 층들(50b)의 경우에, 노즐(54)은 이미 응고된 재료(56) 상에 토출할 수 있다. 각각의 층(50)이 응고된 후에, 완전한 3-차원 연마 층(22)이 제작될 때까지, 새로운 층이, 이전에 증착된 층 위에 증착된다. 각각의 층은, 컴퓨터(60) 상에서 실행되는 3D 드로잉(drawing) 컴퓨터 프로그램에 저장된 패턴으로, 노즐(54)에 의해 적용된다. 각각의 층(50)은, 연마 층(22)의 총 두께의 50 % 미만, 예컨대 10 % 미만, 예컨대 5 % 미만, 예컨대 1 % 미만이다.
지지부(51)는 강성 베이스, 또는 가요성 막, 예컨대 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)의 층일 수 있다. 지지부(51)가 막인 경우에, 지지부(51)는 연마 패드(18)의 일부를 형성할 수 있다. 예컨대, 지지부(51)는 백킹 층(20), 또는 연마 층(22)과 백킹 층(20) 사이의 층일 수 있다. 대안적으로, 연마 층(22)이 지지부(51)로부터 제거될 수 있다.
일반적으로, 연마 층(22)이 층 단위로 프린팅되는 동안에, 연마재 입자들(23)이 연마 층 내로 국부적으로 디스펜싱된다(dispensed). 연마재 입자들의 국부적인 디스펜싱은 응집을 피하는 것을 돕는다.
구체적으로, 연마재 입자들(23)은 액체 열경화성 폴리머 전구체와 사전혼합될 수 있다. 연마재 입자들과 열경화성 폴리머 전구체의 혼합물의 연속적인 교반은, 잉크젯 프린터들에서 사용되는 잉크 안료들을 균질화하기 위해 사용되는 장치와 유사하게, 입자들의 응집을 방지한다. 부가하여, 혼합물의 연속적인 교반은 전구체에서의 연마재 입자들의 상당히 균일한 분포를 보장한다. 이는, 연마 층에 걸친 입자들의 더 균일한 분포를 야기할 수 있고, 이는, 개선된 연마 균일성을 야기할 수 있고, 또한 응집을 피하는 것을 도울 수 있다.
사전혼합된 혼합물은, 특정한 패턴에 따라, 단일 노즐(예컨대, 노즐(54))로부터 디스펜싱된다. 예컨대, 사전혼합된 혼합물은, 연마 층(22) 전반에 걸쳐 임베딩된 연마재 입자들의 균일한 분포를 갖는 균질한 연마 층(22)을 생성하기 위해, 균일하게 디스펜싱될 수 있다.
대안적으로, 사전혼합된 혼합물이 선택된 위치들에만 디스펜싱되면서, (즉, 어떠한 연마재 입자들도 갖지 않는) 순수한 액체 열경화성 폴리머 전구체들을 디스펜싱하기 위해, 도 3b에서 도시된 바와 같은, 노즐(58)을 갖는 별개의 프린트헤드(57)가 사용될 수 있다. 이러한 선택된 위치들은 집합적으로, 연마재 입자들의 원하는 프린팅 패턴을 형성하고, CAD-호환성 파일로서 저장될 수 있고, 그러한 CAD-호환성 파일은 그 후에, 프린터를 제어하는 전자 제어기(예컨대, 컴퓨터(60))에 의해 판독된다. 그 후에, 노즐(54)이 CAD-호환성 파일에 의해 특정된 위치로 병진이동되는 경우에만, 사전혼합된 혼합물을 디스펜싱하기 위해, 전자 제어 신호들이 프린터(55)에 전송된다.
대안적으로, 액체 열경화성 폴리머 전구체를 사용하는 대신에, 연마재 입자들은 용융된 열가소성 물질과 사전혼합될 수 있다. 이러한 경우에, 연마재 입자들을 갖는 혼합물이 또한, 디스펜싱되기 전에, 연속적으로 교반된다. 혼합물이 원하는 프린팅 패턴에 따라 3D 프린터로부터 디스펜싱된 후에, 혼합물의 용융된 부분은 냉각되고 응고되며, 연마재 입자들이 적소에 동결된다. 혼합물의 연속적인 교반은 전구체에서의 연마재 입자들의 상당히 균일한 분포를 보장한다. 이는, 연마 층에 걸친 입자들의 더 균일한 분포를 야기할 수 있고, 이는, 개선된 연마 균일성을 야기할 수 있고, 또한, 응집을 피하는 것을 도울 수 있다.
액체 열경화성 폴리머 전구체가 사용되는 경우와 유사하게, 전체 연마 층(22)에 걸쳐 연마재 입자들의 균일한 분포를 생성하기 위해, 열가소성 혼합물이 균일하게 디스펜싱될 수 있다. 대안적으로, 연마재 입자들을 함유하는 열가소성 혼합물은, CAD-호환성 파일로서 저장되고, 프린터(55)를 구동시키기 위해 사용되는 전자 제어기에 의해 판독되는 연마재 입자들의 원하는 프린팅 패턴에 따라, 연마 층에서의 선택된 위치들에서만 디스펜싱될 수 있다.
노즐(54)로부터 서스펜션에서의 연마재 입자들을 디스펜싱하는 대신에, 상이한 프린트헤드(57)가 패드 폴리머 전구체를 디스펜싱하기 위해 사용되면서, 연마재 입자들이 노즐(54)로부터 분말 형태로 직접적으로 디스펜싱될 수 있다. 폴리머 전구체는, 증착된 폴리머 재료 내로 연마재 입자들이 디스펜싱되기 전에, 먼저 디스펜싱되고, 그 후에, 혼합물이 후속하여 경화된다.
3D 프린팅이 특히, 쉽게 응집하는 경향이 있는, 예컨대 알루미나와 같은 연마재 입자들을 사용하여 연마 패드들을 구성하는데 유용하지만, 이러한 접근법은 다른 연마 입자들에 대해 사용될 수 있다. 따라서, 연마재 입자들은 실리카, 세라믹 산화물들, 금속들, 및 단단한 폴리머들을 포함할 수 있다.
프린트헤드들은, 홀로우 코어를 갖는 입자들 또는 솔리드(solid)인 입자들을 프린팅할 수 있다. 프린트헤드는 또한, 상이한 타입들의 입자들을 디스펜싱할 수 있고, 그러한 상이한 타입들의 입자들 중 일부는, 연마되고 있는 기판의 층에 대해 원하는 변화들을 생성하기 위해, CMP 프로세싱 동안에 화학 반응들을 겪을 수 있다. 연마 패드에 대해 CMP 프로세싱에서 사용되는 화학 반응들의 예들은, 칼륨 수산화물, 암모늄 수산화물 중 하나 또는 그 초과를 수반하는, 10 내지 14의 염기성 pH 범위 내에서 발생하는 화학 프로세스들, 및 슬러리의 제조들에 의해 사용되는 다른 사유(proprietary) 화학 프로세스들을 포함한다. 아세트산, 구연산과 같은 유기 산들을 수반하는, 2 내지 5의 산성 pH 범위 내에서 발생하는 화학 프로세스들이 또한, CMP 프로세싱에서 사용될 수 있다. 과산화 수소를 수반하는 산화 반응들이 또한, CMP 프로세싱에서 사용되는 화학 반응들의 예들이다. 연마재 입자들은 또한, 기계적인 연마 기능들을 제공하기 위해서만 사용될 수 있다. 입자들은 최대 1 밀리미터, 예컨대 10 μm 미만, 예컨대 1 μm 미만의 사이즈들을 가질 수 있고, 입자들은 상이한 모폴로지(morphology)를 가질 수 있으며, 예컨대, 입자들은 둥글 수 있거나, 세장형일 수 있거나, 또는 면을 가질 수 있다.
연마 패드 내의 세공들은 통상적으로, 연마 패드 내에 슬러리를 국부적으로 보유하기 위해 사용되었다. 연마재 입자들이 매트릭스에 의해 보유되면서, 더 이상 연마 패드가 세공들을 포함할 필요가 없을 수 있다. 세공들은 여전히, 세공들이 요구되는 위치들에 홀로우 스피어(sphere)들을 증착함으로써, 프린팅된 연마 패드 내에 선택적으로 분포될 수 있다.
응고는 중합(polymerization)에 의해 달성될 수 있다. 예컨대, 패드 전구체 재료의 층(50)은 모노머일 수 있고, 모노머는 자외선(UV) 경화에 의해 인-시튜로 중합될 수 있다. 패드 전구체 재료는 증착 시에 즉시 효과적으로 경화될 수 있거나, 또는 패드 전구체 재료의 전체 층(50)이 증착될 수 있고, 그 후에, 전체 층(50)이 동시에 경화된다.
그러나, 3D 프린팅을 달성하기 위한 대안적인 기술들이 존재한다. 대안적으로, 프린터는, 첨가제들로서 연마재 입자들(23)을 포함하는 분말의 층을 확산시키고, 분말의 층 상으로 결합제 재료의 액적들을 토출함으로써, 연마 층(22)을 생성한다.
3D 프린팅 접근법은, 층 단위 프린팅 접근법으로 인해, 연마 층에 임베딩되는 연마재 입자들의 분포에서, 엄격한 허용오차(tolerance)들이 달성되게 허용한다. 또한, 단순히, 3D 드로잉 컴퓨터 프로그램에 저장된 패턴을 변화시킴으로써, 다양한 상이한 연마 패드들을 제조하기 위해, (프린터(55) 및 컴퓨터(60)를 갖는) 하나의 프린팅 시스템이 사용될 수 있다.
몇몇 구현들에서, 백킹 층(20)이 또한, 3D 프린팅 프로세스에 의해 제작될 수 있다. 예컨대, 백킹 층(20) 및 연마 층(22)은 프린터(55)에 의한 중단되지 않는(uninterrupted) 동작으로 제작될 수 있다. 상이한 양의 경화, 예컨대 상이한 세기의 UV 복사를 사용함으로써, 백킹 층(20)에 연마 층(22)과 상이한 경도가 제공될 수 있다.
다른 구현들에서, 백킹 층(20)은 통상적인 프로세스에 의해 제작되고, 그 후에, 연마 층(22)에 고정된다. 예컨대, 연마 층(22)은, 예컨대 압력-민감성 접착제로서 얇은 접착 층(28)에 의해 백킹 층(20)에 고정될 수 있다.
다수의 구현들이 설명되었다. 그렇지만, 다양한 변형들이 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예컨대, 연마 패드, 또는 캐리어 헤드, 또는 양자 모두는, 기판과 연마 표면 사이의 상대적인 모션을 제공하기 위해 이동할 수 있다. 연마 패드는 원형 또는 어떤 다른 형상일 수 있다. 플래튼에 패드를 고정시키기 위해, 접착 층이 연마 패드의 바닥 표면에 적용될 수 있고, 접착 층은, 연마 패드가 플래튼 상에 배치되기 전에, 제거가능한 라이너에 의해 커버될 수 있다. 부가하여, 수직 포지셔닝의 용어들이 사용되지만, 연마 표면 및 기판이, 거꾸로, 수직 배향으로, 또는 어떤 다른 배향으로 보유될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
따라서, 다른 구현들이 다음의 청구항들의 범위 내에 존재한다.

Claims (15)

  1. 연마(polishing) 패드의 연마 층을 제작하는 방법으로서,
    상기 연마 층의 폴리머 매트릭스(polymer matrix) 내에 임베딩될(embedded) 입자들의 원하는 분포를 결정하는 단계;
    3D 프린터를 이용하여, 상기 폴리머 매트릭스의 복수의 층들을 연속적으로 증착하는 단계 ― 상기 폴리머 매트릭스의 복수의 층들의 각각의 층은, 노즐로부터 폴리머 매트릭스 전구체를 토출(ejecting)함으로써 증착되고, 상기 복수의 층들을 연속적으로 증착하는 단계는, 상기 3D 프린터를 이용하여, 상기 원하는 분포에 따라, 상기 복수의 층들에 상기 입자들을 분포시키는 단계를 포함함 ―; 및
    상기 입자들이 상기 원하는 분포로 임베딩된 응고된 폴리머 매트릭스를 형성하기 위해, 상기 폴리머 매트릭스 전구체를 응고시키는 단계
    를 포함하는,
    연마 패드의 연마 층을 제작하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 폴리머 매트릭스 전구체는 액체 열경화성(thermoset) 폴리머 전구체이고, 상기 폴리머 매트릭스 전구체를 응고시키는 단계는, 상기 폴리머 매트릭스 전구체를 경화시키는 단계를 포함하는,
    연마 패드의 연마 층을 제작하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 폴리머 매트릭스 전구체의 경화는, 자외선(UV) 경화 또는 열 경화를 포함하는,
    연마 패드의 연마 층을 제작하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 폴리머 매트릭스 전구체는 용융된 열가소성(thermoplastic) 폴리머이고, 상기 폴리머 매트릭스 전구체를 응고시키는 단계는, 상기 폴리머 매트릭스 전구체를 냉각시키는 단계를 포함하는,
    연마 패드의 연마 층을 제작하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 노즐에 의해 토출되는 혼합물을 형성하기 위해, 상기 원하는 분포에 따라, 상기 입자들과 상기 폴리머 매트릭스 전구체를 사전혼합(premixing)하는 단계를 더 포함하는,
    연마 패드의 연마 층을 제작하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 폴리머 매트릭스 전구체는 제 1 프린트헤드의 노즐로부터 토출되고, 상기 입자들은 제 2 프린트헤드의 노즐로부터 토출되는,
    연마 패드의 연마 층을 제작하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 입자들은 연마재(abrasive) 입자들인,
    연마 패드의 연마 층을 제작하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 입자들은, 상기 연마 층이 연마를 위해 사용되는 경우에, 화학 반응들을 겪는 반응성 입자들을 더 포함하는,
    연마 패드의 연마 층을 제작하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 입자들은 홀로우 코어(hollow core)를 갖는,
    연마 패드의 연마 층을 제작하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 연마 층은 상기 입자들의 홀로우 코어에 의해 형성된 세공(pore)들을 포함하는,
    연마 패드의 연마 층을 제작하는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 원하는 분포는, 상기 폴리머 매트릭스 내의 입자들의 패터닝된 분포인,
    연마 패드의 연마 층을 제작하는 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 폴리머 매트릭스 전구체 및 상기 입자들은, 상기 연마 패드의 표면 상에, 패터닝된 표면 피처(feature)들을 생성하기 위해 증착되는,
    연마 패드의 연마 층을 제작하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 패터닝된 표면 피처들은 세장형 그루브(elongated groove)들을 포함하는,
    연마 패드의 연마 층을 제작하는 방법.
  14. 연마 패드로서,
    연마 층을 포함하며,
    상기 연마 층은,
    폴리머 매트릭스; 및
    상기 폴리머 매트릭스 내에 임베딩된 원하는 분포의 입자들
    을 포함하고,
    상기 원하는 분포의 입자들은, 상기 연마 층에 걸친 상이한 분포 밀도들의 입자들을 포함하는,
    연마 패드.
  15. 연마 패드의 연마 층을 제작하는 방법으로서,
    혼합물을 형성하기 위해, 입자들과 폴리머 매트릭스 전구체를 사전혼합하는 단계 ― 상기 폴리머 매트릭스 전구체는 상기 연마 층의 폴리머 매트릭스를 제작하기 위해 사용됨 ―;
    3D 프린터의 노즐로부터 상기 혼합물을 토출하기 전에, 상기 혼합물을 교반하는 단계;
    상기 3D 프린터를 이용하여, 상기 폴리머 매트릭스의 복수의 층들을 연속적으로 증착하는 단계 ― 상기 폴리머 매트릭스의 복수의 층들의 각각의 층은, 상기 노즐로부터 상기 폴리머 매트릭스 전구체를 토출함으로써 증착되고, 상기 복수의 층들을 연속적으로 증착하는 단계는, 상기 3D 프린터를 이용하여, 상기 복수의 층들에 상기 입자들을 증착하는 단계를 포함함 ―; 및
    상기 입자들이 내부에 임베딩된 응고된 폴리머 매트릭스를 형성하기 위해, 상기 폴리머 매트릭스 전구체를 응고시키는 단계
    를 포함하는,
    연마 패드의 연마 층을 제작하는 방법.
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