KR20220130041A - 다이아몬드 디스크 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20220130041A
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곽경국
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이화다이아몬드공업 주식회사
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Abstract

내마모성이 우수하고 연삭 성능이 높은 다이아몬드 디스크 및 그 제조 방법이 소개된다.
이 중에서 다이아몬드 디스크는 샹크 베이스와, 샹크 베이스의 표면에 형성되는 본딩층과, 본딩층에 노출되게 배치되는 복수 개의 보론 도핑 다이아몬드를 포함하고, 복수 개의 보론 도핑 다이아몬드 중 적어도 일부는 장축과 만나면서 최상단에 배치된 면이, 장축의 상단으로부터 하방으로 기울어지는 자세로 본딩층에 배치될 수 있다.

Description

다이아몬드 디스크 및 그 제조 방법{DIAMOND DISC AND MANUFACTURING METHOD THREROF}
본 발명은 다이아몬드 디스크 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 CMP 공정은 화학-기계적 연마가공으로, 연마 제거 가공과 화학액의 용해 작용을 동시에 이용하여 반도체 웨이퍼의 평탄도를 얻게 되는 연마가공이다.
CMP 연마 가공 원리는 연마패드와 웨이퍼를 상호 가압한 상태에서 이들을 상대 운동시키면서 연마패드 위에 연마입자와 화학액이 혼입된 연마액(slurry)을 공급하는 과정으로 이루어지는데, 이때 폴리우레탄 소재로 이루어진 연마패드 표면에 있는 수많은 발포 기공들이 새로운 연마액을 담아두는 역할을 하여 일정한 연마 효율과 웨이퍼 전면에 연마 균일성을 얻을 수 있게 된다.
그러나, 연마 중에 압력과 상대 속도가 부가되므로, 가공시간이 지남에 따라 연마패드의 표면은 불균일하게 변형되고, 연마패드상의 기공들이 연마 잔류물들로 막히게 되어 연마패드가 제 역할을 하지 못하게 된다. 이에 의해, 전 가공시간 동안 웨이퍼 전면에서의 광역평탄화 및 웨이퍼간의 연마 균일성 등을 달성할 수 없게 된다.
이러한 CMP 연마패드의 불균일 변형과 기공의 막힘을 해결하기 위하여 CMP 패드 컨디셔너를 사용하여 연마패드의 표면을 미세하게 연마해줌으로써 새로운 마이크로 기공이 형성되도록 CMP 패드 컨디셔닝 작업을 해준다.
CMP 패드 컨디셔닝 작업은 생산성을 높이고자 본 작업인 CMP 작업과 동시에 행할 수 있다. 이를 소위 인 시튜컨디셔닝(In-situ Conditioning)이라 한다.
이때, CMP 작업에 사용되는 연마액은 실리카, 알루미나, 또는 세리아 등과 같은 연마입자를 포함하며, CMP 공정은 사용되는 연마액의 종류에 따라 크게 옥사이드 CMP와 메탈(Metal) CMP로 구분된다. 전자에 사용되는 옥사이드 CMP용 연마액은 pH값이 주로 10~12이고, 후자에 사용되는 메탈 CMP용 연마액의 pH는 4이하로 산성의 용액을 사용한다.
통상적인 종래 CMP 패드 컨디셔너는 전착방식으로 제조된 전착형 CMP 패드 컨디셔너와 금속 분말을 고온에서 용융시키는 방식인 융착형 CMP 패드 컨디셔너가 사용되고 있다. 이들 CMP 패드 컨디셔너에는 연마재로 알갱이 형상의 다이아몬드 입자가 주로 사용되고 있다. 다이아몬드 입자는 전착 또는 융착으로 형성되는 금속 매트릭스에 의해 고정된다.
다이아몬드는 지구상에 존재하는 물질 중 가장 경도가 높은 물질로 알려져 있으며, 이러한 특성에 의하여 인조 다이아몬드를 소재로 하여 제조된 다이아몬드 공구가 제작되어 사용되고 있다.
그런데, 종래 CMP 공정에서는 CMP 패드 컨디셔너에 다이아몬드가 슬러리와 함께 웨이퍼 연마에 사용된다. 부식성이 강한 슬러리가 사용되면, 슬러리 내의 첨가물이 다이아몬드의 탄소와 반응하여 다이아몬드 마모를 가속화시켜 다이아몬드 디스크의 수명을 단축시킨다는 문제가 있었다.
특허문헌: 국내 공개특허 10-2012-0058303호
본 발명의 실시예들은 내마모성을 개선하고 연삭 성능이 높은 다이아몬드 디스크 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 샹크 베이스; 상기 샹크 베이스의 표면에 형성되는 본딩층; 및 상기 본딩층에 노출되게 배치되는 복수 개의 보론 도핑 다이아몬드(BDD: Boron Doped Diamond)를 포함하고, 상기 복수 개의 보론 도핑 다이아몬드 중 적어도 일부는, 장축과 만나면서 최상단에 배치된 면이, 상기 장축의 상단으로부터 하방으로 기울어지는 자세로 상기 본딩층에 배치되는 다이아몬드 디스크가 제공될 수 있다.
이때, 상기 보론 도핑 다이아몬드는 장축이 상기 샹크 베이스에 대하여 50°초과 90°이하인 자세로 상기 본딩층에 배치될 수 있다.
또한, 상기 본딩층의 표면과 상기 보론 도핑 다이아몬드의 표면이 만나는 젖음각(Wetting angle)은, 0°이상 60°이하로 유지될 수 있다.
또한, 상기 보론 도핑 다이아몬드의 평균 직경에 대한 상기 본딩층의 두께 비율은, 30% 내지 65% 범위일 수 있다.
또한, 상기 보론 도핑 다이아몬드에 도핑되는 보론의 도핑량은 1ppm 내지 2000ppm 범위일 수 있다.
또한, 상기 보론 도핑 다이아몬드의 단위 부피당 자화율(Magnetic susceptibility per unit volume)은 단위 부피당 20~800 범위일 수 있다.
또한, 상기 본딩층의 밀도에 대한 상기 보론 도핑 다이아몬드의 밀도의 비율이 0.4 내지 0.6 범위로 유지될 수 있다.
또한, 상기 보론 도핑 다이아몬드는 팔면체로 구성된 다이아몬드(octahedron Diamond)이고, 상기 보론 도핑 다이아몬드의 하단부는, 상기 보론 도핑 다이아몬드가 상기 본딩층의 상부에서 기립될 때, 상기 샹크 베이스의 표면에 점 또는 선 접촉되거나 소정 거리 이격될 수 있다.
또한, 상기 보론 도핑 다이아몬드에 의한 패드 연마특성(PCR: Pad cut rate)은, PCR 테스트 장비에서, 상기 보론 도핑 다이아몬드로 만들어진 CMP Pad 컨디셔너가 100 rpm 120rpm으로 회전되고 연마패드가 80 rpm 내지 95 rpm으로 회전될 때, 상기 보론 도핑 다이아몬드로 만들어진 CMP Pad 컨디셔너가 상기 연마패드를 4.5 내지 9 lbf의 가압 상태에서 PCR이 패드 컨디셔닝을 위해 2 내지 10um/hr 범위로 낮아질 때까지 13시간 이상이 소요될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 샹크 베이스의 표면에 본딩물질을 도포하는 본딩물질 도포단계; 상기 샹크 베이스의 표면에 도포된 상기 본딩물질을 제1 온도범위로 가열하여 가소결체 형태의 본딩층을 형성하는 가소결단계; 복수 개의 보론 도핑 다이아몬드(BDD: Boron Doped Diamond)를 상기 가소결체의 표면에 제공하는 다이아몬드 제공단계; 및 상기 복수 개의 보론 도핑 다이아몬드 중 적어도 일부는 장축과 만나면서 최상단에 배치된 면이, 상기 장축의 상단으로부터 하방으로 기울어지는 자세로 상기 본딩층에 배치되도록 제2 온도범위로 열처리는 열처리단계를 포함하는 다이아몬드 디스크의 제조 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 열처리단계에서, 상기 보론 도핑 다이아몬드의 장축은 상기 샹크 베이스에 대하여 50°초과 90° 이하인 자세로 상기 본딩층에 노출되게 놓일 수 있다.
또한, 상기 가소결단계에서, 상기 제1 온도범위는 600℃ 내지 900℃이고, 상기 열처리단계에서 상기 제2 온도범위는 1000℃ 내지 1300℃일 수 있다.
또한, 상기 열처리단계에서, 상기 본딩층의 표면과 상기 보론 도핑 다이아몬드의 표면이 만나는 젖음각(Wetting angle)은, 0° 이상 60° 이하로 유지될 수 있다.
또한, 상기 열처리단계에서, 상기 보론 도핑 다이아몬드의 평균 직경에 대한 열처리 후 상기 본딩층의 두께 비율이, 30% 내지 65% 범위일 수 있다.
본 발명의 실시예들은 팔면체 구조의 보론 도핑 다이아몬드(BDD: Boron Doped Diamond)를 통해 우수한 내마모성과 높은 연삭 성능을 구현할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 팔면체의(Octahedral) 보론 도핑 다이아몬드(BDD: Boron Doped Diamond)이며, 보론 도핑 다이아몬드가 셀프 스탠딩(Self-standing)되는 비율이 일정 비율 이상됨으로써, 내마모성을 개선하고 연삭 성능이 향상될 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 디스크에서, 가소결체의 형태의 본딩층 상에 보론 도핑 다이아몬드(BDD)가 임시 부착된 상태를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 디스크에서, 열처리 후의 본딩층에 보론 도핑 다이아몬드(BDD)가 기립된 상태를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 디스크에서, 열처리 후의 본딩층에 보론 도핑 다이아몬드(BDD)가 웨팅(Wetting)된 상태를 도시한 도면이다.
도 4 내지 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 디스크와 일반 다이아몬드의 마모 상태를 비교한 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 보론 도핑 다이아몬드(BDD)가 적용된 다이아몬드 디스크와, 보론이 도핑되지 않은 일반 팔면체 다이아몬드가 적용된 다이아몬드 디스크를 확대하여 비교한 도시한 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 보론 도핑 다이아몬드(BDD) 및 일반 팔면체 다이아몬드 적용된 다이아몬드 디스크 간의 PCR 테스트를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 보론 도핑 다이아몬드(BDD) 및 일반 다이아몬드(Regular diamond)에서, 열처리에 따른 무게 감소율을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 디스크의 제조방법을 도시한 블록도이다.
이하에서는 본 발명의 사상을 구현하기 위한 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
아울러 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결', '지지', '접속', '공급', '전달', '접촉'된다고 언급된 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 지지, 접속, 공급, 전달, 접촉될 수도 있지만 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도로 사용된 것은 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.
또한, 본 명세서에서 상측, 하측, 측면 등의 표현은 도면에 도시를 기준으로 설명한 것이며 해당 대상의 방향이 변경되면 다르게 표현될 수 있음을 미리 밝혀둔다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
먼저, 다이아몬드의 화학성분에 대해서, 일반적인 다이아몬드(Regular diamond)와 본 발명에 따른 보론 도핑 다이아몬드(BDD:Boron Doped Diamond)를 비교하면, 부식성이 강한 환경(W CMP, Oxide CMP 공정)에서는, 보론 도핑 다이아몬드(BDD)의 내마모성이 일반 다이아몬드의 내마모성보다 우수하고, 부식성이 약한 일반환경에서는 일반 다이아몬드의 내마모성과 보론 도핑 다이아몬드(BDD)의 내마모성이 큰 차이가 없다.
그리고 전착 CMP 다이아몬드 디스크 제조 방식은, 니켈 전기도금을 본딩층으로 부도체인 다이아몬드를 지지한다. 그러나 전기가 통하는 보론 도핑 다이아몬드(BDD: Boron Doped Diamond)는 전기도금 시 보론 도핑 다이아몬드의 표면까지 니켈 전착층이 덮히게 되므로, 일반적인 방법으로는 보론 도핑 다이아몬드는 전착 공정에 사용할 수 없다. 그러므로 보론 도핑 다이아몬드(BDD: Boron Doped Diamond)는 융착 방식과 소결 방식으로 다이아몬드 디스크(diamond disc)를 제조할 때 적용이 가능하다.
또한, 일반 철(Fe)계 금속의 가공에서, 다아이몬드는 철계 금속과 친화 반응으로 금속 가공이 어렵다. CMP 패드 컨디셔닝 작업에서, 연마패드에 슬러리의 공급시, 슬러리에 포함된 철(Fe) 성분이 다이아몬드 디스크의 다이아몬드의 탄소와 반응하여 다아이몬드의 마모를 가속화할 수 있다. 결국, 다이아몬드의 마모가 빨라 수명이 짧다. 그러나 본 발명에 따른 보론(Boron)이 도핑된(Doped) 보론 도핑 다이아몬드(BDD: Boron Doped Diamond)는, 탄소(Carbon)의 산화 반응(C + O2 → CO2)을 억제(Blocking layer로 작용)하므로, 다이아몬드 디스크의 안정성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 보론 도핑 다이아몬드(BDD), 일반 다이아몬드, 종래 질화붕소(CBN:cubic boron nitride)의 제조상 차이점은 아래의 표 1과 같다.
[표 1]
Figure pat00001
본 발명에 따른 보론 도핑 다이아몬드의 경우, Fe, Ni 합금과 보론(Boron: Pure boron 또는 Boron carbide)이 촉매제로서, 다이아몬드 합성에서 보론(Boron)이 탄소와 치환되거나, 보론(Boron)이 다이아몬드 구조에 침입될 수 있다. 이 보론 도핑 다이아몬드는 외부의 철(Fe)과 다이아몬드의 탄소가 반응하는 것을 억제하여 마모에 강한 다이아몬드의 특징을 모두 제공할 수 있다.
반면에, 일반 다이아몬드는 Fe, Ni 합금이 탄소에 촉매제로서 사용되지만, 보론(Boron)이 포함되지 아니하며, 질화붕소(CBN: cubic boron nitride)는 탄소와 보론(Boron)의 함량비가 1:1 구조를 가질 만큼 보론(Boron)이 상대적으로 많이 추가되므로, 철(Fe)과 반응하지는 않지만, 보론 도핑 다이아몬드에 비하여 강도가 매우 낮으며, 형상 조절이 어려울 수 있다.
본 실시예에서, 다이아몬드 디스크에 적용되는 다이아몬드 중에서, 보론 도핑 다이아몬드(BDD: Boron Doped Diamond)는 사용 용도에 따라 전체 다이아몬드의 5vol% 이상 사용될 수 있다. 그리고 보론 도핑 다이아몬드(BDD)에서 팔면체의(Octahedral) 구조 비율은 50% 이상일 수 있다. 전체 보론 도핑 다이아몬드(BDD) 중에서 본딩층에서 셀프 스탠딩(Self-standing)되는 보론 도핑 다이아몬드(BDD)의 비율은 60% 이상일 수 있다.
비율은 일정 영역에서 전체 다이아몬드를 관찰하여 그 중에 위 기준을 만족하는 다이아몬드 비율로 결정
이하, 도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 디스크의 구체적인 구성에 대하여 설명한다.
도 1 내지 도 6을 참고하면, 본 발명에 따른 다이아몬드 디스크는 CMP 패드 컨디셔너에 적용되어, 연마패드의 표면을 미세하게 연마할 수 있다. 이러한 다이아몬드 디스크는 샹크 베이스(100)와, 본딩층(200) 및 복수 개의 보론 도핑 다이아몬드(300, BDD: Boron Doped Diamond)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 샹크 베이스(100)는 디스크의 백킹 플레이트(BACKING PLATE)로, 샹크 베이스(100)의 표면에는 본딩층(200)이 형성될 수 있다. 샹크 베이스(100)는 디스크의 백킹 플레이트로 사용되는 통상의 샹크 베이스(100)와 대응되므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본딩층(200)은 60wt% 이상의 Ni을 포함하며, Cr, Si 등의 기타 원소를 포함하는 본딩물질로 이루어질 수 있다. 본딩물질은 샹크 베이스(100)의 표면에 도포된 후, 건조 및 가소결 과정을 거쳐 고상(solid phase)의 가소결체로 형성될 수 있다. 가소결체의 상면에는 보론 도핑 다이아몬드(300)를 임시 부착시키기 위한 접착제가 도포될 수 있다. 접착제가 도포된 가소결체의 상면에는 천공지그를 사용하여 보론 도핑 다이아몬드(300)가 임시 부착될 수 있다.
가소결체는 보론 도핑 다이아몬드(300)와 함께 열처리 과정을 거쳐 본딩층(200)으로 형성될 수 있다. 본딩층(200)은 고온의 열처리 과정에서 액상(liquid state)으로 상변화될 수 있고, 본딩층(200)의 상부에는 보론 도핑 다이아몬드(300)가 기립 상태로 배치될 수 있다. 보론 도핑 다이아몬드(300)가 기립 상태로 배치된 본딩층(200)은 냉각 및 건조될 수 있다.
본딩층(200)의 밀도는 6g/cm3 내지 8.3g/cm3 범위일 수 있다. 보론 도핑 다이아몬드(300)의 밀도는 3.5g/cm3 내지 3.6g/cm3 범위일 수 있다. 본 실시예에서, 본딩층(200)의 밀도는 7.6g/cm3 이고, 보론 도핑 다이아몬드(300)의 밀도는 3,54g/cm3이다.
그리고 본딩층(200)의 밀도에 대한 보론 도핑 다이아몬드(300)의 밀도의 비율은 0.4 내지 0.6 범위일 수 있다. 본딩층(200)의 밀도에 대한 보론 도핑 다이아몬드(300)의 밀도의 비율은 0.6보다 높으면, 본딩층(200) 및 보론 도핑 다이아몬드(300) 간 밀도 차이에 의한 보론 도핑 다이아몬드(300)의 부력이 너무 낮게 되므로, 보론 도핑 다이아몬드(300)는 본딩층(200)의 내부로 잠기게 될 수 있다. 본딩층(200)의 밀도에 대한 보론 도핑 다이아몬드(300)의 밀도의 비율은 0.4보다 낮으면, 본딩층(200) 및 보론 도핑 다이아몬드(300) 간 밀도 차이에 의한 보론 도핑 다이아몬드(300)의 부력이 너무 크게 되므로, 보론 도핑 다이아몬드(300)는 본딩층(200) 상면에 뜨게 되어 수평방향으로 기울어질 수 있다.
보론 도핑 다이아몬드(300)는 Fe, Ni 합금과 보론(Boron: Pure boron 또는 Boron carbide)을 촉매제로서 탄소에 포함하여 구성될 수 있다. 일 예로, 보론 도핑 다이아몬드(300)에는 Fe, Ni 합금과 1ppm 내지 2000ppm의 보론(Boron: Pure boron 또는 Boron carbide)이 탄소에 포함될 수 있다. 다이아몬드 구조에서는 보론(Boron)이 탄소와 치환되거나, 보론(Boron)이 다이아몬드 구조에 침입될 수 있다. 이 보론 도핑 다이아몬드(300)는 외부의 철(Fe)과 반응하지 않으면서, 마모에 강한 내구성을 제공할 수 있다.
보론 도핑 다이아몬드(300)의 TI(Toughness Index)는 20 ~ 50이고, TTI(Temperature Toughness Index)는 14 ~ 45일 수 있다. 보론 도핑 다이아몬드(300)의 단위 부피당 자화율 MS(Magnetic Susceptibility)이 20 ~ 800일 수 있고, 보다 바람직하게 30 ~ 500일 수 있다.
보론 도핑 다이아몬드(300)의 합성과정에서 촉매제로 사용하는 Fe, Ni 등이 다이아몬드 내부에 이물질로 포함된다. 일반적으로 보론 도핑량이 클수록 이물질 량도 비례적으로 증가하게 된다. MS 값이 20 미만이면 보론 도핑량도 매우 작아 보론에 의한 내부식성 향상 효과가 떨어질 수 있고, MS 값이 800 초과이면 보론 도핑량이 커지지만 Fe, Ni 등의 강자성 금속 이물질의 과다한 혼입으로 인하여 다이아몬드 물성이 저하될 수 있고, CMP 패드 컨디셔닝 중 다이아몬드 입자가 깨지는 문제가 야기될 수 있다. 보론 도핑 다이아몬드(300)의 내부의 금속 이물질량이 많을수록 TI, TTI값도 낮아지는데, 이것을 MS 측정을 통해서도 알 수 있다. 다이아몬드 인성(TI, TTI 또는 MS)은 CMP 조건에서 압력을 받아 장시간 사용하는 동안 깨지지 않을 정도로 높아야 한다.
보론 도핑 다이아몬드(300)는 팔면체로 구성된 다이아몬드(octahedron Diamond)일 수 있다. 다이아몬드는 합성 조건에 따라 팔면체 형태로 제조될 수 있는데, 팔면체로 구성된 다이아몬드는 날카로운 에지를 가지며, 팔면체로 구성된 다이아몬드에서, 꼭지점과 중심을 잇는 선과 면이 이루는 각도는 35° ~ 45°이다.
이러한 보론 도핑 다이아몬드(300, BDD: Boron Doped Diamond)는 본딩층(200)에 노출되게 배치되는 복수 개로 제공될 수 있다. 복수 개의 보론 도핑 다이아몬드(300) 중 적어도 일부는, 장축(L)이 샹크 베이스(100)에 대하여 50° 초과 90° 이하인 각도(C)로 자세가 본딩층(200)에 배치될 수 있다.
본 실시예에서는, 다이아몬드(300)의 복수 개의 꼭지점 중, 서로 마주보면서 서로 가장 멀리 이격된 2개의 꼭지점을 서로 연결한 가상의 선이 '축'으로 정의될 수 있고, 이러한 복수 개의 '축' 중에서 가장 긴 길이의 축이 '장축(L)'으로 정의될 수 있다. 또한, '꼭지점'은 서로 인접하는 모서리들이 만나는 점으로 정의될 수 있으며, 서로 인접하는 모서리들이 '점'으로 만나지 않을 경우(예를 들어, 꼭지점에 해당하는 부분이 뭉툭한 형상일 경우, 인접하는 모서리들을 연장하였을 때 연장된 모서리들이 만나는 가상의 점을 꼭지점으로 정의할 수 있다. 장축이 50° 이상이 되는 보론 도핑 다이아몬드는 셀프 스탠딩으로 정의될 수 있다.
그리고 보론 도핑 다이아몬드(300)의 장축(L)이 샹크 베이스(100)에 대하여 50° 초과 90° 이하인 각도(C)의 자세로, 보론 도핑 다이아몬드(300)가 본딩층(200)의 상부에서 자립하여 배치되는 것을 셀프 스탠딩(Self standing)되는 것으로 이해될 수 있다. 보론 도핑 다이아몬드(300)가 본딩층(200)의 상부에서 셀프 스탠딩될 때, 보론 도핑 다이아몬드(300)의 장축방향 하단 꼭지점부는, 샹크 베이스(100)의 표면에 점 또는 선 접촉되거나 소정 거리 이격될 수 있다.
보론 도핑 다이아몬드(300)의 장축(L)이 샹크 베이스(100)에 대하여 35°가 되면 보론 도핑 다이아몬드(300)는 피삭재(연마패드)와 면 접촉을 하게 되므로, 피삭재에 대한 보론 도핑 다이아몬드(300)의 연마 성능이 현저하게 저하될 수 있다. 보론 도핑 다이아몬드(300)의 장축(L)이 샹크 베이스(100)에 대하여 90°에 가까워질수록 보론 도핑 다이아몬드(300)는 피삭재(연마패드)와 점 접촉을 하게 되므로, 피삭재에 대한 보론 도핑 다이아몬드(300)의 연마 성능이 현저하게 증가될 수 있다.
보론 도핑 다이아몬드(300)의 장축(L)이 샹크 베이스(100)에 대하여 50° 초과 90° 이하인 각도(C)의 자세로 본딩층(200)에 배치되기 위해서는, 보론 도핑 다이아몬드(300)의 표면과 본딩층(200)의 표면이 만나는 젖음각(θ, Wetting angle)은, 90° 보다 작아야 하며, 바람직하게는 60° 보다 작도록 본딩층의 성분이 구성되어야 한다.
도 3 및 아래의 수식 1을 참조하면, 젖음각(θ)은 상방향으로 향하는 힘(FV)과, 하방향으로 향하는 힘(FD)과 측방향으로 향하는 힘(FL)의 상하방향 분력에 의해 결정될 수 있다.
[수식 1]
FV = FD + FLcosθ
젖음각(θ)이 90° 초과할 때, FL의 상하방향 분력이 상방향이기 때문에 보론 도핑 다이아몬드(300)는 더 뜨게 될 수 있고, 젖음각(θ)이 90° 미만일 때, 측방향으로 향하는 힘(FL)의 상하방향 분력의 방향이 측하방향으로 바뀔 수 있으므로, 보론 도핑 다이아몬드(300)는 아래 방향으로 힘을 받을 수 있다.
예컨대, 젖음각(θ)이 90°보다 크면, 보론 도핑 다이아몬드(300)는 부력에 의해 본드층(200)이 보론 도핑 다이아몬드(300)를 제대로 지지하지 못하여 보론 도핑 다이아몬드(300)의 탈락 위험이 높아 지고, 연마 가공시 발생하는 잔해(debris)의 배출을 위한 칩포켓이 본딩층에 형성되지 않아 잔해의 배출이 제대로 이루어지 않게 되어, 연마 성능이 현저하게 저하될 수 있다. 바람직하게는 팔면체의 보론 도핑 다이아몬드(300)는 젖음각(θ)이 60°보다 작을수록 보론 도핑 다이아몬드(300)는 피삭재(연마패드)와 점 또는 선접촉을 하게 되고 칩포켓이 잘 형성되어, 피삭재에 대한 보론 도핑 다이아몬드(300)의 연마 성능이 현저하게 증가될 수 있다.
다만, 보론 도핑 다이아몬드(300)와 본딩층(200) 간에 젖음각이 60° 보다 작더라도 본딩층의 두께가 너무 두꺼울 경우, 본딩층(200)에서의 보론 도핑 다이아몬드(300)의 노출높이가 낮아지며, 부력에 의해 부유(floating)하여 보론 도핑 다이아몬드(300)와 피삭재가 면접촉하게 될 수 있다. 또한, 보론 도핑 다이아몬드(300)에 의한 연마 가공시 발생되는 잔해(Debris)의 배출을 위한 칩포켓이 본딩층(200)에 얕게 형성되어 연마 가공시 발생하는 잔해의 배출이 원활하지 아니할 수 있다.
그리고 보론 도핑 다이아몬드(300, BDD)의 젖음각이 60°보다 작은 경우, 표면장력에 의해 보론 도핑 다이아몬드(300)가 본딩층(200)에 더 깊이 박히므로, 보론 도핑 다이아몬드(300)가 본딩층(200)에서 돌출되는 높이는 낮아질 수 있다. 따라서, 다이아몬드 디스크의 연마 가공시 발생되는 잔해(Debris)의 배출통로가 확보될 수 있도록 본딩층(200)의 두께는 엄격하게 제어되어야 한다.
또한, 본딩층(200)의 적정 두께보다 얇아지면 부력(보론 도핑 다이아몬드와 본딩층의 밀도 차이)과 웨팅(wetting)으로 인하여 셀프 스탠딩이 발생될 수 있다. 이 경우, 칩포켓이 본딩층(200)에 잘 형성되지만, 본딩층(200)의 두께가 너무 얇아지면, 보론 도핑 다이아몬드(300)가 샹크 베이스(100)와 접촉하고 표면장력에 의해 아래방향으로 보론 도핑 다이아몬드(300)가 더욱 힘을 받게 될 수 있고, 이때, 보론 도핑 다이아몬드(300)는 기울어져 눕게 되므로 본딩층(200)에서의 보론 도핑 다이아몬드(300)의 노출높이가 낮아지며 보론 도핑 다이아몬드(300)와 피삭재와 면접촉하게 될 수 있다. 예컨대, 다이아몬드가 눕게 되어, 보론 도핑 다이아몬드(300)의 장축과 샹크 베이스(100)가 이루는 각도가 35° ~ 45° 정도의 각도(C)의 자세로 본딩층(200)에 배치되면, 보론 도핑 다이아몬드(300)의 셀프 스탠딩(self-standing) 비율은 낮아질 수 있다.
본 발명에 따른 본딩층(200)의 두께는 평균 다이아몬드 입자 크기(직경) 대비 일정 비율을 갖는다. 예컨대, 본 발명에 따른 보론 도핑 다이아몬드(300)의 평균 직경에 대한 본딩층(200)의 두께 비율은, 30% 내지 65% 범위일 수 있다. [표 2]는 본딩층(200)의 높이별 각도 양호 다이아몬드 비율(셀프 스탠딩 비율) 및 PCR(Pad cut rate)을 나타낸 표이다. 다이아몬드는 입자크기는 Mesh size로 일정 범위를 갖는데 다이아몬드 평균 크기는 ANSI 규격을 따랐다. 예컨데 [표2]에 사용된 다이아몬드는 #80~#100로 평균크기는 150um이며 크기 범위는 127~181um이다. 약 4” 직경의 디스크 위에 400개/cm2의 밀도로 다이아몬드가 부착되어 있다. 다이아몬드 평균크기에 따라 단위면적 당 부착되는 다이아몬드 개수는 달라질 수 있다.
[표 2]
Figure pat00002
표 2를 참고하면, 본딩층 두께가 68um, 79um 및 94um일 경우, 다이아몬드 노출 높이가 본딩층 두께와 대비하여 상대적으로 높고, 각도 양호 다이아몬드 비율, 예컨대, 셀프 스탠딩(self-standing) 비율을 가장 높으며, PCR도 가장 높다. 본딩층 두께가 106um인 경우, 다이아몬드 노출 높이도 본딩층 두께와 대비하여 상대적으로 낮고, 각도 양호 다이아몬드 비율(셀프 스탠딩 비율)도 낮으며, PCR도 낮다. 본딩층 두께가 52um인 경우, 다이아몬드 노출 높이가 본딩층 두께와 대비하여 상대적으로 높으나, 각도 양호 다이아몬드 비율(셀프 스탠딩 비율)이 다소 낮아지며, PCR도 다소 감소한다.
즉, 보론 도핑 다이아몬드(300)의 평균 직경에 대한 본딩층(200)의 두께 비율이 70% 이상에서 PCR이 매우 낮아지므로, 보론 도핑 다이아몬드(300)의 평균 직경에 대한 본딩층(200)의 두께 비율은 70% 미만으로 관리되어야 한다. 그리고 본딩층(200)의 두께가 너무 얇을 경우, PCR값이 어느 정도 유지되어도, 다이아몬드 탈락의 위험이 있으므로 적어도 본딩층(200)의 두께는 다이아몬드 평균크기 대비 30% 이상이 되어야 한다. 따라서, 보론 도핑 다이아몬드(300)의 평균 직경에 대한 본딩층(200)의 두께 비율은, 30% 내지 65% 범위가 바람직하다.
도 6은 보론 도핑 팔면체 다이아몬드(300)와 일반 팔면체 다이아몬드의 열처리후 단면사진을 보여준다. 보론이 도핑되지 않은 일반 다이아몬드가 팔면체(Octahedron) 형상이라고 하더라도, PCR 테스트 장비에서 PCR 테스트를 15분 진행한 경우, 일반 다이아몬드의 PCR값은, 같은 조건의 보론 도핑 다이아몬드(300, BDD)의 PCR값과 비교하여 낮아진다. 블록키 타입(Blocky type) 즉, cube-octahedral 형상의 다이아몬드는 보론 도핑 여부에 관계없이, 보론 도핑 다이아몬드 디스크와 같은 조건의 PCR 테스트에서 매우 낮은 PCR값을 보여준다.
도 7을 참고하면, 보론 도핑 다이아몬드(300)와 일반 팔면체 다이아몬드로 제조된 디스크의 긴 시간에 따른 PCR(Pad cut rate)을 측정하기 위해서, PCR 테스트 장비, 연마패드, CMP 패드 컨디셔너(CMP Pad Conditioner), 슬러리를 준비한다. 일 예로, PCR 테스트 장비는 씨티에스사의 CMP 폴리셔가 사용될 수 있고, 연마패드는 직경 20"인 IC1010((Dupont) 제품이 사용될 수 있고, 슬러리 W7000(Cabot microelectronics)가 사용될 수 있다. 그리고 CMP 패드 컨디셔너에는 직경 4" 보론 도핑 팔면체 다이아몬드(300)와 일반 팔면체 다이아몬드가 구비될 수 있다.
PCR 테스트 장비, 연마패드, CMP 패드 컨디셔너 및 슬러리가 준비되면, 연마패드는 80~95rpm으로 회전되고 CMP 패드 컨디셔너가 100~120rpm으로 회전될 때, CMP 패드 컨디셔너의 보론 도핑 다이아몬드(300) 또는 일반 팔면체 다이아몬드가 연마패드를 4 내지 9 lbf의 가압 상태에서, PCR이 패드 컨디셔닝을 위한 최소한의 PCR값 이하로 낮아질 때까지 사용한 시간을 측정한다. PCR값이 설정 값보다 낮아지면 CMP 패드 컨디셔너로서 역할이 불충분하다고 간주한다. 이때, CMP 패드 컨디셔너는 연마패드의 가운데에서 가장자리까지 분당 18~20회 왕복 운동하면서 연마패드를 연마할 수 있고, 분당 300ml의 슬러리를 연마패드에 제공할 수 있다.
장시간의 PCR 테스트 결과, 일반 팔면체 다이아몬드가 장착된 CMP 패드 컨디셔너는 예를 들어 PCR이 10um/hr에 도달하는데 8 시간이 소요된 반면에, 보론 도핑 다이아몬드(300)가 장착된 CMP 패드 컨디셔너는 PCR이 10에 도달하는데 13시간이 소요됨을 확인할 수 있었다. 본 명세서에 기재된 PCR 테스트에서는 CMP 패드 컨디셔너가 PCR이 예를 들어 10um/hr에 도달하는데 13시간이 소요되었으나, 13시간 이상의 시간이 소요되는 것도 본 발명의 사상에 포함될 수 있다. CMP 패드 컨디셔너가 PCR이 10um/hr에 도달하는데 소요되는 시간은 길면 길수록 유리한 것이므로, 본 명세서에서 PCR이 10um/hr에 도달하는데 소요되는 시간의 상한은 명시할 필요가 없으나, CMP 패드 컨디셔너가 PCR이 10um/hr에 도달하는데 소요되는 시간은 100시간일 수도 있다. 또한 설정값을 예를 들어 5um/hr, 또는 2um/hr으로 한 경우에도 보론 도핑 다이아몬드(300)가 일반 팔면체 다이아몬드보다 패드 연마특성을 30% 이상 더 오랫동안 유지함을 확인할 수 있었다.
도 4 및 5는 상기 실험조건에서 디스크 상의 개별 다이아몬드를 시간에 따라 같은 다이아몬드를 관찰한 SEM 사진이다. 비교예는 일반 팔면체 다이아몬드로 사용전에는 뾰족한 에지가 관찰되나, 10시간, 15시간 후에는 에지가 거의 마모된 것이 관찰된다. 반면 실시예인 보론 도핑 팔면체 다이아몬드는 10시간, 26시간 사용 후에도 에지가 덜 마모된 것을 확인할 수 있다.
도 8을 참고하면, 다이아몬드만 Air 분위기에서 750℃ 3hr 열처리하여 무게 변화를 확인할 수 있다. 일반 다이아몬드는 24.8% 무게의 감소가 되는데 반하여, 본 발명에 따른 보론 도핑 다이아몬드(300, BDD)의 경우, 2.5% 무게의 감소가 이루어진다. 예컨대, 보론 도핑 다이아몬드는 일반 다이아몬드보다 현저히 낮은 무게 변화율을 나타내었다. 즉, 보론 도핑에 의하여 다이아몬드가 공기중의 산소와 반응하는 것을 억제하여 화학적으로 매우 안정적인 것을 확인할 수 있다.
따라서, 다이아몬드 디스크의 수명을 개선하기 위해서, 본 발명에 따른 다이아몬드 디스크는, 철(Fe)과 반응하지 않는 질화붕소(CBN)와 같은 특징을 가지면서, 마모에 강한 다이아몬드의 특징을 모두 제공할 수 있다.
이하, 도 9를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 디스크의 제조방법에 대하여 설명한다.
도 9를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 디스크의 제조방법은, 본딩물질 도포단계(S100), 가소결단계(S200), 다이아몬드 제공단계(S300) 및 열처리단계(S400)를 포함할 수 있다.
상기 본딩물질 도포단계(S100)에서는 샹크 베이스의 표면에 본딩물질이 도포될 수 있다. 본딩물질은 60wt% 이상의 Ni과, Cr, Si 등의 기타 원소를 포함할 수 있다.
상기 가소결단계(S200)에서는 샹크 베이스의 표면에 도포된 본딩물질이 제1 온도범위로 가열 및 건조되는 가소결 과정을 거쳐 고상(solid phase)의 가소결체를 형성할 수 있다. 이때, 제1 온도범위는 600℃ 내지 900℃의 온도범위일 수 있다. 본딩물질이상기 연마단계(S300)에서는 가소결체를 기 설정된 두께로 연마될 수 있다. 예컨대, 상기 연마단계(S300)에서는 보론 도핑 다이아몬드의 평균 직경에 대한 최종 열처리 후 본딩층의 두께 비율이, 30% 내지 65 % 범위를 만족하도록 가소결체를 연마할 수 있다. 본 실시예에서, 가소결체는 150um 내지 260um 두께로 연마될 수 있다.
상기 다이아몬드 제공단계(S300)에서는 복수 개의 보론 도핑 다이아몬드(BDD: Boron Doped Diamond)가 가소결체의 표면에 제공될 수 있다. 이때, 복수 개의 보론 도핑 다이아몬드는 천공지그를 사용하여 가소결체 위에 접착제로 임시 부착될 수 있다.
상기 열처리단계(S400)에서는 복수 개의 보론 도핑 다이아몬드가 기립 상태로 가소결체에 노출되게 배치되도록 제2 온도범위로 열처리될 수 있다. 복수 개의 보론 도핑 다이아몬드 중에서 적어도 일부는 장축(L)이 샹크 베이스에 대하여 60° 초과 90° 이하인 각도(C)의 자세로 셀프 스탠딩될 수 있다. 이때, 제2 온도범위는 1000℃ 내지 1300℃의 온도범위일 수 있다.
상기 열처리단계(S400)에서 고상의 가소결체는 액상의 본딩층으로 상변화 된다. 이에 따라, 개별 보론 도핑 다이아몬드의 일부(약 50vol% 정도)는 밀도차이에 의한 부력으로 본딩층(200)의 상면에 노출될 수 있고, 개별 보론 도핑 다이아몬드의 나머지 일부(약 50vol% 정도)가 본딩층 표면 아래로 내려갈 수 있다.
이때, 8면체의 형상을 가진 보론 도핑 다이아몬드의 하단 꼭지점부는 아래쪽으로 향하는 것이 가장 안정적이다. 고온 열처리 온도에서 본딩층의 점도와 열처리 시간에 따라 달라질 수 있으나, 이 조건에서 오랫동안 유지하게 되면, 보론 도핑 다이아몬드의 회전이 일어나서 셀프 스탠딩(self standing) 현상이 일어날 수 있다.
상기 열처리단계(S400)에서는, 가소결체의 표면과 보론 도핑 다이아몬드의 표면이 만나는 젖음각(Wetting angle)은, 0° 이상 60° 이하로 유지될 수 있다. 팔면체의 보론 도핑 다이아몬드는 젖음각이 60°보다 작을수록 칩포켓 형성이 잘되며, 보론 도핑 다이아몬드는 피삭재(연마패드)와 점 또는 선 접촉을 하게 되므로, 피삭재에 대한 보론 도핑 다이아몬드의 연마 성능이 현저하게 증가될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 팔면체 구조의 보론 도핑 다이아몬드를 통해 우수한 내마모성과 높은 연삭 성능을 구현할 수 있고, 보론 도핑 다이아몬드가 셀프 스탠딩되는 비율이 일정 비율 이상이 되므로, 내마모성을 개선하고 연삭 성능이 향상될 수 있다는 등의 우수한 장점을 갖는다.
이상 본 발명의 실시예들을 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시형태들을 조합/치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.
100 :샹크 베이스
200 :본딩층
300 :보론 도핑 다이아몬드

Claims (14)

  1. 샹크 베이스;
    상기 샹크 베이스의 표면에 형성되는 본딩층; 및
    상기 본딩층에 노출되게 배치되는 복수 개의 보론 도핑 다이아몬드(BDD: Boron Doped Diamond)를 포함하고,
    상기 복수 개의 보론 도핑 다이아몬드 중 적어도 일부는
    장축과 만나면서 최상단에 배치된 면이, 상기 장축의 상단으로부터 하방으로 기울어지는 자세로 상기 본딩층에 배치되는,
    다이아몬드 디스크.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 보론 도핑 다이아몬드는
    장축이 상기 샹크 베이스에 대하여 50°초과 90°이하인 자세로 상기 본딩층에 배치되는,
    다이아몬드 디스크.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 본딩층의 표면과 상기 보론 도핑 다이아몬드의 표면이 만나는 젖음각(Wetting angle)은, 0° 이상 60° 이하로 유지되는,
    다이아몬드 디스크.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 보론 도핑 다이아몬드의 평균 직경에 대한 상기 본딩층의 두께 비율은, 30% 내지 65% 범위인,
    다이아몬드 디스크.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 보론 도핑 다이아몬드에 도핑되는 보론의 도핑량은, 1 ppm 내지 2000 ppm 범위인,
    다이아몬드 디스크.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 보론 도핑 다이아몬드의 단위 부피당 자화율(Magnetic susceptibility per unit volume)은 단위 부피당 20~800 범위인,
    다이아몬드 디스크.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 본딩층의 밀도에 대한 상기 보론 도핑 다이아몬드의 밀도의 비율이 0.4 내지 0.6 범위로 유지되는,
    다이아몬드 디스크.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 보론 도핑 다이아몬드는 팔면체로 구성된 다이아몬드(octahedron Diamond)이고,
    상기 보론 도핑 다이아몬드의 하단부는, 상기 보론 도핑 다이아몬드가 상기 본딩층의 상부에서 기립될 때, 상기 샹크 베이스의 표면에 점 또는 선 접촉되거나 소정 거리 이격되는,
    다이아몬드 디스크.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 보론 도핑 다이아몬드에 의한 패드 연마특성(PCR: Pad cut rate)은, PCR 테스트 장비에서, 상기 보론 도핑 다이아몬드로 만들어진 CMP Pad 컨디셔너가 100 rpm 120rpm으로 회전되고 연마패드가 80 rpm 내지 95 rpm으로 회전될 때, 상기 보론 도핑 다이아몬드로 만들어진 CMP Pad 컨디셔너가 상기 연마패드를 4 내지 9 lbf의 가압 상태에서 PCR이 패드 컨디셔닝을 위한 2 내지 10um/hr 범위로 낮아질 때까지 13시간 이상이 소요되는,
    다이아몬드 디스크.
  10. 샹크 베이스의 표면에 본딩물질을 도포하는 본딩물질 도포단계;
    상기 샹크 베이스의 표면에 도포된 상기 본딩물질을 제1 온도범위로 가열하여 가소결체 형태의 본딩층을 형성하는 가소결단계;
    복수 개의 보론 도핑 다이아몬드(BDD: Boron Doped Diamond)를 상기 가소결체의 표면에 제공하는 다이아몬드 제공단계; 및
    상기 복수 개의 보론 도핑 다이아몬드 중 적어도 일부는 장축과 만나면서 최상단에 배치된 면이, 상기 장축의 상단으로부터 하방으로 기울어지는 자세로 상기 본딩층에 배치되도록 제2 온도범위로 열처리는 열처리단계를 포함하는,
    다이아몬드 디스크의 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 열처리단계에서, 상기 보론 도핑 다이아몬드의 장축은 상기 샹크 베이스에 대하여 50°초과 90° 이하인 자세로 상기 본딩층에 노출되게 놓이는,
    다이아몬드 디스크의 제조 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 가소결단계에서 상기 제1 온도범위는 600℃ 내지 900℃ 이고, 상기 열처리단계에서 상기 제2 온도범위는 1000℃ 내지 1300℃ 인,
    다이아몬드 디스크의 제조 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 열처리단계에서, 상기 본딩층의 표면과 상기 보론 도핑 다이아몬드의 표면이 만나는 젖음각(Wetting angle)은, 0° 이상과 60° 이하로 유지되는,
    다이아몬드 디스크의 제조 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 열처리단계에서, 상기 보론 도핑 다이아몬드의 평균 직경에 대한 열처리 후 상기 본딩층의 두께 비율이, 30% 내지 65% 범위인,
    다이아몬드 디스크.
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