WO2012043964A1 - 비정질 금속을 이용하는 ｃｍｐ 패드 컨디셔너 제조방법 - Google Patents

비정질 금속을 이용하는 ｃｍｐ 패드 컨디셔너 제조방법 Download PDF

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WO2012043964A1
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WO
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amorphous metal
diamond particles
cmp pad
metal powder
pad conditioner
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PCT/KR2011/004383
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English (en)
French (fr)
Inventor
강승구
김택수
이현우
김병기
김정
박문석
정기정
김신경
Original Assignee
신한다이아몬드공업(주)
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24D—TOOLS FOR GRINDING, BUFFING OR SHARPENING
    • B24D18/00—Manufacture of grinding tools or other grinding devices, e.g. wheels, not otherwise provided for
    • B24D18/0009—Manufacture of grinding tools or other grinding devices, e.g. wheels, not otherwise provided for using moulds or presses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B53/00—Devices or means for dressing or conditioning abrasive surfaces
    • B24B53/017—Devices or means for dressing, cleaning or otherwise conditioning lapping tools

Definitions

  • the present invention relates to CMP pad conditioner technology, and more particularly, to a method of manufacturing a CMP pad conditioner using an amorphous metal.
  • CMP Chemical Mechanical Polishing
  • the CMP process involves the use of a CMP pad that rotates to face a workpiece such as a wafer.
  • a liquid slurry containing a chemical substance and abrasive particles are added to the CMP pad.
  • the top of the CMP pad typically supports abrasive particles by mechanisms such as fibers or small pores, where such fibers or small pores determine the performance of the CMP pad. Therefore, in order to maintain the performance of the CMP pad, it is necessary to keep the upper fibrous structure of the CMP pad as flexible as possible and have sufficient extra voids to accommodate new abrasive particles. For this purpose, a conditioning or dressing process of the CMP pad by the CMP pad conditioner is required.
  • the conventional CMP pad conditioner is made by placing diamond abrasive grains 102 on the surface of the metal base material 100 and fixing the diamond abrasive grains with the plating layer 104, as shown in FIG.
  • the protective layer 105 may be formed to cover the metal base material 100 on which the diamond abrasive grains 102 are formed.
  • the plating layer 104 may be damaged or the diamond abrasive grains 102 may be separated from the plating layer 104, and the pad may be scratched or damaged.
  • a diamond powder and a metal powder are mixed to obtain a mixed powder, and the mixed powder is filled into a mold, and then heated to a temperature above the melting point of the metal powder, followed by sintering and molding the mixed powder in the mold to form a CMP pad.
  • a method for producing abrasives for conditioners or polycrystalline diamond (PCD) requires high temperature sintering at 1200 to 1700 ° C., which causes carbonization of diamond, making it difficult to carry out.
  • high pressure conditions are required to prevent carbonization of the diamond.
  • the technical problem of the present invention is to provide a method for producing an amorphous metal-diamond polishing body for a CMP pad conditioner at a lower temperature and lower pressure than in the prior art by using an amorphous metal material having a superplasticity temperature range.
  • CMP pad conditioner manufacturing method to prepare an amorphous metal powder to prepare a polishing body of the CMP pad conditioner comprising projections on the surface;
  • the amorphous metal powder is sintered at a temperature higher than the glass transition temperature (Tg) with diamond particles interposed therebetween, wherein the protrusions of the abrasive body are formed during or before the sintering.
  • Tg glass transition temperature
  • the diamond particles are prepared to have an average size of 100um or less, and the amorphous metal powder is prepared to have an average size of 50um or less.
  • the amorphous metal powder is prepared from an amorphous metal material prepared by the atomizing method or the metal coagulation method.
  • the amorphous metal material prepared by the atomizing or the metal coagulation method is ground by a ball mill. The process of reducing the amorphous metal material with hydrogen may be further performed before or after the grinding.
  • the sintering is carried out in a superplastic temperature section.
  • the protrusions are formed by pressing the mixture of the amorphous metal powder and the diamond particles with a punch having an intaglio or emboss at the same time as the sintering. Paraffin is added to the mixture.
  • the sintering is preferably using SPS (Spark Plasma Sintering).
  • the punch is produced by forming the embossed or engraved in-situ method by a discharge or indentation process.
  • the amorphous metal powder and the binder may be mixed to form a plate or sheet shaped molding, and the molding may be adopted to press the embossed or intaglio of the mold.
  • the diamond particles may be mixed together when the amorphous metal powder and the binder are mixed.
  • the diamond particles may be provided in the embossed or intaglio such that the diamond particles may be interposed on the surface of the molding upon the pressing. Tape casting may be used to make the plate or sheet shaped molding.
  • a CMP pad conditioner which includes an abrasive body disposed on the base material and formed by sintering an amorphous metal powder, the abrasive body including a plurality of protrusions on the surface and interposing diamond particles having an average size of less than 100 um.
  • the abrasive body may be formed by sintering an amorphous metal powder having an average size of 50 ⁇ m or less, and the abrasive body may be composed of an upper part in which the diamond particles are present and a lower part in which the diamond particles are not present.
  • the abrasive may have the diamond particles present only on the surface of the abrasive.
  • the amorphous metal-diamond polishing body for the CMP pad conditioner in which the diamond particles are less likely to escape and the diamond particles are uniformly distributed, can be easily manufactured under low temperature (superplastic temperature range) and low pressure conditions.
  • various patterns advantageous for CMP pad conditioning operations such as protrusions having a tip portion can be freely formed to produce an amorphous metal-diamond polishing body.
  • FIG. 1 is a flow chart illustrating a CMP pad conditioner manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows an example of an abrasive sintering process of the method shown in FIG. 1.
  • Figure 3 is a flow chart for explaining a CMP pad conditioner manufacturing method according to another embodiment of the present invention.
  • FIGS. 4A and 4D are cross-sectional views showing various structures of the abrasive body of the CMP pad conditioner which can be manufactured according to the present invention.
  • FIG. 5 shows the results and procedures of a pad roughness measurement experiment of a CMP pad conditioner including an amorphous metal-diamond abrasive prepared according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining the prior art.
  • FIG. 1 is a view for explaining a CMP pad conditioner manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
  • the method for manufacturing a CMP pad conditioner includes an amorphous material manufacturing process (S1) for producing an amorphous metal material, and fine powdering to make the amorphous metal material finer.
  • a step (S3), a step (S3) of reducing ultrafine amorphous metal powders obtained through the ultrafine powdering step with hydrogen, and an abrasive metal having projections using the amorphous metal powder and diamond particles, and Sintering process (S4) is included.
  • the supercooled liquid region exhibits superplastic properties.
  • an amorphous metal material having a crystallization temperature and a glass transition temperature is used, and it is preferred to exhibit superplastic properties at about 600 ° C. so that diamond does not cause carbonization.
  • the amorphous metal may be Cu-based (e.g., Cu-Zr-Ti-Ni), Ni-based (e.g., Ni-Zr-Ti-Sn, Ni-Zr-Ti-Nb), or Zr-based (e.g., Zr-Ti-Cu- Ni-Be, Zr-Al-Ni-Cu), Fe-based (Fe-Co-Ni-Zr-B), Co-based (Co-Fe-Ta-B) and the like can be used as a main component.
  • Table 1 below shows examples of various amorphous alloys.
  • a master alloy prepared by an acro melting method is prepared.
  • the base alloy is amorphous
  • an alloy having a composition having a superplasticity property within 600 ° C. is selected, and in this embodiment, a Ni 60 Nb 20 Ti 10 Zr 13 alloy is used.
  • the master alloy may be made of Mg powder or Mg ribbon.
  • the amorphous powder may be prepared by treating the master alloy by an atomizing method (or gas spraying method), and the amorphous powder may be prepared by treating the master alloy by rapid solidification method.
  • the amorphous powder and / or the amorphous ribbon obtained in the amorphous material step (S1) are pulverized more finely so that even a very fine powder in nano units can be produced by applying a ball mill.
  • the size of the diamond particles has a size of about 100 ⁇ m or less in order to be retained in the protruding portion of the abrasive body to function. It is good. Further, given the volume fraction for retaining the diamond particles in the abrasive body sintered by the amorphous metal powder, provided that the diamond particles have a size of approximately 100 ⁇ m, the particles of the amorphous metal material powder are approximately 50 ⁇ m or less. It is good to have the size of.
  • the amorphous powder or amorphous ribbon obtained in the above-mentioned step (S1) in the fine powdering step (S2) was pulverized to a fine size of 5 ⁇ m or less, smaller to ultra-fine in nano units as follows.
  • a fine powdering process (S2) including the production of ultra-fine powder in nano units was performed.
  • Ball mill processing is carried out in a ball mill vessel (Jar) filled with Ar or He gas (gas) and is preferably carried out in a low speed rotary vessel of 100rpm, ball milling was performed for about 100 hours.
  • fine powdering step (S2) followed by filtering or sieving process, amorphous metal powder having a size of 5 ⁇ m or less was obtained.
  • amorphous metal powder, diamond particles (or powder), and liquid paraffin as a binder are mixed with, for example, a mixer to obtain a mixture that can be molded and sintered, and the mixture Is sintered at the same time as forming to form an amorphous metal-diamond polishing body.
  • the amorphous metal powder may have a volume ratio of 10 to 90% with respect to the mixture, and most preferably, have a volume ratio of approximately 40% to 70%. If the amount of the amorphous metal powder is too large, the amount of diamond particles is relatively reduced, and the polishing performance is lowered. On the contrary, if the amount of the amorphous metal powder is too small, the support material for supporting the diamond particles during molding and sintering of the abrasive body It does not function properly. Paraffin is added at approximately 2 wt% based on the total weight.
  • the particle size of the diamond particles is preferably 1 to 100 m, and in this embodiment, diamond particles having an average particle size of about 20 m are used.
  • Molding and sintering process is sintered while molding the mixture, that is, a mixture of amorphous metal powder, diamond particles, liquid paraffin to have a predetermined pattern including projections on the surface.
  • Sintering is carried out in a superplasticity temperature section of the glass transition temperature (Tg) or more, preferably within about 600 °C.
  • Sintering may be performed using a spark plasma sintering (SPS) molding or microforming process.
  • SPS spark plasma sintering
  • the molding and sintering process (S4) after raising the composite or mixture 20 'as described above on the upper surface of the base material 10 of the CMP pad conditioner, the glass transition temperature In the above superplastic temperature range, the composite or mixture 20 'is pressed with a punch 2 having a fine intaglio or embossed projection pattern 2a at the end, as shown in FIG. It can be made by sintering the abrasive for the CMP pad conditioner of the pattern.
  • the punch 2 is produced by forming a pattern including an intaglio fine protrusion or a fine pin at an end portion by electric discharge machining and / or indentation machining.
  • the punch is preferably cemented carbide or SKD61 alloy.
  • the amorphous metal-diamond polishing body produced according to the present invention may be made in one piece or in the form of a plate or sheet and attached to a pre-made metal base.
  • FIG. 3 describes a CMP pad conditioner manufacturing method according to another embodiment of the present invention.
  • the method according to the present embodiment includes an amorphous material manufacturing process (S10) for producing a bulk metallic glass material, and a fine powdering process (S20) for making the amorphous metal material finer. And a step (S30) of reducing the amorphous metal powder obtained through the fine powdering step (S30), the step (S41) of molding the amorphous metal powder into a predetermined form, and the molding step (S41) to sinter the molded product. It includes a step (S42).
  • the amorphous material process (S10), the fine powdering process (S20) and the reduction treatment process (S30) may be made in the same or similar manner as the processes (S1, S2, S3) of the previous embodiment, and therefore, these processes
  • the description of (S1, S2, S3) is omitted to avoid duplication.
  • the forming step (S41) of the amorphous metal powder and the sintering step (S42) of the amorphous metal powder are performed separately.
  • the forming step (S41) first, amorphous metal powder, diamond particles and a binder are mixed.
  • the binder for tape casting is mixed with the amorphous metal powder.
  • the diamond particles may not be mixed with the amorphous metal powder, in which case, in a subsequent molding and / or sintering process, the abrasive particles are formed through the surface of the mold forming the protrusions. It may be transferred to the protuberance surface.
  • a mixture comprising at least a binder and an amorphous metal is first molded in the form of a plate or sheet. Secondary molding is performed to form protrusions in the molding on the plate or sheet obtained therefrom.
  • This secondary molding may belong to the molding process (S41), alternatively, may be molding simultaneously with sintering in the sintering process (S42).
  • the diamond particles may be included in the mixture prior to molding, and may be transferred to the surface of the abrasive or the molding of the abrasive through the mold during molding.
  • a sheet-shaped molded body having a thickness of 1 mm or less is formed through tape casting, and the sintering process (S42) is a sheet-shaped molded body. Is placed on the protrusion of the mold, and the remaining part is filled with amorphous powder and sintered.
  • MPC Magnetic Pulsed Compaction
  • Sintering step (S42) is carried out in a superplasticity temperature section of the glass transition temperature (Tg) or more, preferably within about 600 °C.
  • the abrasive body 20 is coupled to the base material 10, but diamond particles 22 are uniformly distributed throughout the abrasive body 20.
  • Such a CMP pad conditioner is fabricated by mixing amorphous metal powder and diamond particles 22, followed by molding and sintering.
  • the CMP pad conditioner in which the diamond particles 22 exist only in the upper portion 20b of the abrasive body 20.
  • the upper part of the abrasive body 20b is formed by mixing the amorphous metal powder and the diamond particles 22, and the lower part 20a of the abrasive body simply fills the amorphous metal powder without diamond particles. Put sintered.
  • the CMP pad conditioner in which the diamond particles 21 are disposed only on the surface of the abrasive body 20, in particular, the protrusions is illustrated.
  • the CMP pad conditioner is manufactured by placing the diamond particles 21 in a mold for forming the projections of the amorphous metal abrasive, and transferring the diamond particles 21 to the projections of the abrasive in the process of forming the projections. .
  • the CMP pad conditioner shown in (d) of FIG. 4 arranges the diamond particles 22 on the abrasive body in the same manner as shown in (b) of FIG. 4, and is shown in (c) of FIG.
  • a relatively large sized diamond particle 21 is placed on top of the abrasive body in the same manner as described above. Tape casting is preferred when it is desired to distribute the diamond particles 21 or 22 only on top of the abrasive body 20.
  • FIG. 5 shows pad roughness measurement results of a CMP pad conditioner including an amorphous metal-diamond abrasive prepared according to the present embodiment.
  • a 2 "CMP pad conditioner with a metal-diamond polishing body comprising a fine protrusion pattern as shown in Fig. 5 (a) is used for the test. Conditioning of the CMP pad is as shown in Fig. 5 (b). 5 (c) shows a working section in contact with the abrasive body according to the present embodiment, that is, a conditioning work zone in contact with a 2 "CMP conditioner and conditioning by an existing 4" CMP pad conditioner. The conditioning work zone is shown, and also the pad surface state and surface roughness of the work zones are shown on the left side of Fig. 5. (c) Referring to Fig.
  • the conditioning work in contact with the abrasive body of this embodiment has a surface roughness Ra of 6.927 ⁇ m, whereas the section which is not in contact with the abrasive body, that is, a section in which work is performed by the existing CMP pad conditioner, has a surface roughness Ra of 11.406 ⁇ m.
  • the conditions of the pad roughness measurement test are as follows.
  • a hydrophobic, corrosion resistant or other characteristic coating may be formed on the surface of the amorphous metal-diamond abrasive body according to the present invention. According to the present embodiment, it is possible to solve the problems of the existing CMP pad conditioner, such as the defect of the diamond abrasive grains, which is a problem of the conventional CMP pad conditioner, known corrosion, detachment or breakage of the diamond abrasive grains.

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Abstract

CMP 패드 컨디셔너 제조방법이 개시된다. 이 CMP 패드 컨디셔너 제조방법은, 표면에 돌기들을 포함하는 CMP 패드 컨디셔너의 연마체를 제조하기 위해, 비정질 금속 분말을 준비하고; 상기 비정질 금속 분말을 다이아몬드 입자들이 개재된 상태로 유리 천이온도(Tg) 이상의 온도로 소결하되, 상기 소결 중에 또는 상기 소결 전에 상기 연마체의 돌기들을 성형하는 것을 특징으로 한다.

Description

비정질 금속을 이용하는 ＣＭＰ 패드 컨디셔너 제조방법
본 발명은 CMP 패드 컨디셔너 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 비정질 금속을 이용하여 CMP 패드 컨디셔너를 제조하는 방법에 관한 것이다.
CMP(화학기계적 연마; Chemical Mechanical Polishing) 공정이 많은 산업 분야에서 특정 피가공물의 표면을 연마하는데 이용되고 있다. 특히, 반도체 소자, 마이크로 전자소자 또는 컴퓨터 제품 등의 제조 분야에서, 세라믹, 실리콘, 유리, 석영, 금속 및/또는 이들의 웨이퍼를 연마하는 용도로 CMP 공정이 많이 이용되고 있다. CMP 공정은 웨이퍼 등의 피가공물에 대면하여 회전하는 CMP 패드의 이용을 수반한다. 또한, CMP 공정 중, CMP 패드에는 화학물질을 함유하는 액체 슬러리와 연마 입자가 첨가된다.
반도체 소자의 제조 분야에서, CMP 공정 중 웨이퍼에 생기는 스크래치나 결함이 반도체 소자의 수율 및 생산성을 떨어뜨린다. 특히, 상대적으로 큰 직경의 웨이퍼를 그에 상응하게 큰 CMP 패드를 이용해 평탄화하는 CMP 공정에서는, 웨이퍼와 CMP 패드에 가해지는 충격과 스트레스가 더욱 커지며, 이에 따라, 웨이퍼에 발생하는 스크래치 등의 결함 발생 빈도도 더 높다.
CMP 공정에 의한 연마 품질에 있어서, 특히 중요한 것은 CMP 패드 전체에 넓게 퍼져 유지되는 연마 입자들의 분포이다. CMP 패드의 상부는 통상적으로 섬유 또는 소형 공극과 같은 메커니즘에 의해 연마 입자들을 지지하며, 그와 같은 섬유 또는 소형 공극이 CMP 패드의 성능을 결정한다. 따라서, CMP 패드의 성능 유지를 위해서는, CMP 패드의 상부 섬유 조직을 가능한 한 플렉시블한 직립 상태로 유지하고, 새로운 연마 입자들을 수용할 수 있는 여분의 공극들이 충분히 확보되어야 한다. 이를 위해, CMP 패드 컨디셔너에 의한 CMP 패드의 컨디셔닝 또는 드레싱 공정이 필요하다.
종래의 CMP 패드 컨디셔너는, 도 6에 도시된 바와 같이, 금속 모재(100)의 표면에 다이아몬드 지립(102)들을 배치하고, 그 다이아몬드 지립들을 도금층(104)으로 고정하여 이루어진다. 또한, 보호층(105)이 상기 다이아몬드 지립(102)들이 형성된 금속 모재(100)를 덮도록 형성될 수 있다. 그러나, 종래의 CMP 패드 컨디셔너는, 도금층(104)이 손상되거나 다이아몬드 지립(102)들이 도금층(104)으로부터 이탈될 가능성이 크며, 패드에 스크래치 등의 손상을 입힐 우려가 컸다.
이에 대하여, 종래에는 다이아몬드 분말과 금속 분말을 혼합하여 혼합 분말을 얻고, 그 혼합 분말을 형틀에 충진한 후, 금속 분말의 융점 이상 온도로 가열하여, 그 형틀 내에서 혼합 분말을 소결 성형해 CMP 패드 컨디셔너용 연마체 또는 다결정 다이아몬드(PCD; Polycrystalline Diamond)를 제조하는 방법이 제안된 바 있다. 하지만, 종래의 기술은 1200~1700℃ 의 고온 소결이 요구되므로, 다이아몬드의 탄화를 초래하여 실시가 어려웠다. 또한, 다이아몬드의 탄화를 방지하기 위해 고압의 조건이 요구된다.
따라서, 본 발명의 기술적 과제는, 초소성 온도 구간을 갖는 비정질 금속 재료를 이용하여 종래기술에 비해 낮은 온도, 낮은 압력으로 CMP 패드 컨디셔너용 비정질 금속-다이아몬드 연마체를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일측면에 따른 CMP 패드 컨디셔너 제조방법은, 표면에 돌기들을 포함하는 CMP 패드 컨디셔너의 연마체를 제조하기 위해, 비정질 금속 분말을 준비하고; 상기 비정질 금속 분말을 다이아몬드 입자들이 개재된 상태로 유리 천이온도(Tg) 이상의 온도로 소결하되, 상기 소결 중에 또는 상기 소결 전에 상기 연마체의 돌기들을 성형하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 따라, 상기 다이아몬드 입자들은 100um 이하의 평균 크기를 갖도록 준비되고, 상기 비정질 금속 분말은 50um 이하의 평균 크기를 갖도록 준비된다. 상기 비정질 금속 분말은 아토마이징법 또는 금속응고법에 의해 제조된 비정질 금속 재료로부터 준비된다. 상기 비정질 금속 분말의 준비를 위해, 상기 아토마이징 또는 상기 금속응고법에 의해 제조된 비정질 금속 재료를 볼밀로 분쇄한다. 상기 분쇄 전 또는 상기 분쇄 후에 상기 비정질 금속 재료를 수소로 환원처리하는 공정을 더 수행할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 소결은 초소성 온도 구간에서 수행된다. 상기 소결과 동시에 음각 또는 양각들을 갖는 펀치로 상기 비정질 금속 분말과 상기 다이아몬드 입자들의 혼합물을 가압하여, 상기 돌기들을 성형한다. 상기 혼합물에는 파라핀이 첨가된다. 상기 소결은 SPS(Spark Plasma Sintering)를 이용하는 것이 바람직하다. 상기 펀치는 방전 또는 압입 가공에 의해 상기 양각 또는 음각을 인-시츄(in-situ) 방식으로 형성하여 제작된다.
일 실시예에 따라, 상기 돌기들의 형성을 위해, 상기 비정질 금속 분말과 결합제를 혼합하여 판형 또는 시트형의 성형물을 만들고, 상기 성형물을 금형의 양각 또는 음각에 대해 가압하는 방식을 채택할 수 있다. 상기 비정질 금속 분말과 상기 결합제를 혼합할 때 상기 다이아몬드 입자들도 같이 혼합될 수 있다. 대안적으로, 상기 다이아몬드 입자들이 상기 양각 또는 음각에 제공되어, 상기 가압시에 상기 다이아몬드 입자들이 상기 성형물의 표면에 개재될 수도 있다. 상기 판형 또는 시트형의 성형물을 만들기 위해 테이프 캐스팅이 이용될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따라, 모재와; 상기 모재에 배치되며 비정질 금속 분말의 소결에 의해 형성된 연마체를 포함하며 상기 연마체는 표면에 다수의 돌기를 포함하는 한편 100um 이하의 평균 크기를 갖는 다이아몬드 입자들이 개재되어 있는 CMP 패드 컨디셔너가 제공된다. 상기 연마체는 50 um 이하의 평균 크기를 갖는 비정질 금속 분말의 소결에 의해 형성될 수 있으며, 상기 연마체는 상기 다이아몬드 입자들이 존재하는 상부와 상기 다이아몬드 입자들이 없는 하부로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 연마체는 상기 다이아몬드 입자들이 상기 연마체의 표면에만 존재할 수 있다.
본 발명에 따르면, 다이아몬드 입자들이 이탈될 우려가 적고, 다이아몬드 입자들이 균일하게 분포된 CMP 패드 컨디셔너용 비정질 금속-다이아몬드 연마체를 낮은 온도(초소성 온도 범위) 및 낮은 압력 조건 하에서 용이하게 제조할 수 있다. 또한, 펀치의 형상에 따라, 첨단부를 갖는 돌기 등 CMP 패드 컨디셔닝 작업에 유리한 다양한 패턴을 자유롭게 형성하여 비정질 금속-다이아몬드 연마체를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 CMP 패드 컨디셔너 제조방법을 설명하기 위한 순서도.
도 2는 도 1에 도시된 방법의 연마체 소결 공정의 한 예를 보인 도면.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 CMP 패드 컨디셔너 제조방법을 설명하기 위한 순서도.
도 4의 (a) 및 (d)는 본 발명에 따라 제작될 수 있는 CMP 패드 컨디셔너의 연마체의 여러 구조들을 도시한 단면도들.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 비정질 금속-다이아몬드 연마체를 포함하는 CMP 패드 컨디셔너의 패드 조도 측정 실험의 결과 및 과정을 보여주는 도면.
도 6 종래기술을 설명하기 위한 단면도.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 CMP 패드 컨디셔너 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 CMP 패드 컨디셔너 제조방법은, 비정질 금속(Bulk Metallic Glass) 재료를 만드는 비정질 재료 제조 공정(S1)과, 비정질 금속 재료를 더 미세하게 만드는 미세 분말화 공정(S2)과, 상기 초미세 분말화 공정을 거쳐 얻은 초미세 비정질 금속 분말을 수소로 환원처리하는 공정(S3)과, 비정질 금속 분말과 다이아몬드 입자들을 이용하여 돌기를 갖는 연마체를 만드는 성형 및 소결 공정(S4)을 포함한다.
비정질 금속(또는, 비정질 합금)은 합금이 결정화되는 온도인 결정화 온도(Tx)와 유리화되는 온도인 유리 천이온도(Tg)의 차이에 의해 결정되는 과냉각액상영역(ΔT = Tx - Tg)을 갖는데 상기 과냉각 액상 영역에서는 초소성 특성을 나타낸다. 본 발명에는 결정화 온도와 유리 천이온도를 갖는 비정질 금속 재료가 이용되며, 다이아몬드가 탄화를 일으키지 않도록, 약 600℃ 내외에서 초소성 특성을 나타내는 것이 선호된다. 비정질 금속은 Cu계(예컨대, Cu-Zr-Ti-Ni), Ni계(예컨대, Ni-Zr-Ti-Sn, Ni-Zr-Ti-Nb), Zr계(예컨대, Zr-Ti-Cu-Ni-Be, Zr-Al-Ni-Cu), Fe계(Fe-Co-Ni-Zr-B), Co계(Co-Fe-Ta-B) 등을 주성분으로 하는 것이 이용될 수 있다. 아래의 [표 1]은 다양한 비정질 합금의 예를 보여준다.
표 1
Figure PCTKR2011004383-appb-T000001
이하에서는, 비정질 금속을 이용하여 CMP 패드 컨디셔너를 제조하는 방법을 각 공정 별로 보다 구체적으로 설명한다.
비정질 재료 제조 공정(S1)에서는 예컨대, 아크로 멜팅 방법에 의해 제조된 모합금이 준비된다. 모합금은 비정질일 때 600℃ 이내에서 초소성 특성을 갖는 조성의 합금이 선택되며, 본 실시예에서는, Ni60Nb20Ti10Zr13 합금이 이용된다. 모합금은 비정질 분말(Mg powder) 또는 비정질 리본(Mg ribbon)으로 제조될 수 있다. 비정질 분말은 모합금을 아토마이징 방법(또는, 가스분무법)으로 처리하여 제조될 수 있으며, 비정질 분말은 모합금을 급속응고법으로 처리하여 제조될 수 있다.
미세 분말화 공정(S2)에서는, 비정질 재료 공정(S1)에서 얻어진 비정질 분말 및/또는 비정질 리본을 볼밀(Ball mill)을 적용하여 나노 단위의 초미세 분말까지도 생성 가능하도록 더 미세하게 분쇄한다.
본 공정 및 이후 수행되는 공정들에 의해 최종으로 제조된 CMP 패드 컨디셔너의 연마체의 경우, 연마체의 돌기 형상 부분에 유지되어 제 기능을 하기 위해서는 다이아몬드 입자들의 크기가 대략 100㎛ 이하의 크기를 갖는 것이 좋다. 또한, 다이아몬드 입자가 대략 100㎛의 크기를 갖는다는 전제 하에, 그 다이아몬드 입자들을 비정질 금속 분말에 의해 소결된 연마체에 유지시키기 위한 체적분율을 고려하면, 비정질 금속 재료 분말의 입자는 대략 50㎛이하의 크기를 갖는 것이 좋다.
본 실시예에서는, 상기 미세 분말화 공정(S2)에서 앞선 공정(S1)에서 얻은 비정질 분말 또는 비정질 리본을 5㎛ 이하의 미세, 더 작게는 나노 단위의 초미세 크기로 분쇄하였으며 다음과 같은 볼밀 가공에 의해 나노 단위의 초미세 분말이 생성까지 포함하는 미세 분말화 공정(S2)이 수행되었다.
볼밀 가공은 Ar 또는 He 가스(gas)가 충진된 볼밀 용기(Jar)에서 실시하며 100rpm의 저속 회전용기 내에서 수행되는 것이 바람직하며, 대략 100시간 정도로 볼밀 가공이 수행되었다. 미세 분말화 공정(S2)과, 그에 뒤 이은 필터링, 또는 시빙(sieving) 공정에 의해, 5㎛ 이하 크기 이하의 비정질 금속 분말을 얻었다.
다음, 상기 비정질 금속 분말을 수소로 환원처리하는 공정(S3)이 수행되었다.
다음, 성형 및 소결 공정(S4)에서는 비정질 금속 분말과, 다이아몬드 입자들(또는, 분말)과, 결합제로서의 액상 파라핀을 예컨대, 터블러 믹싱기로 혼합하여, 성형 및 소결이 가능한 혼합물을 얻고, 그 혼합물을 성형과 동시에 소결하여 비정질 금속-다이아몬드 연마체를 만든다.
파라핀을 고려하지 않는다면, 비정질 금속 분말은 혼합물에 대하여 10~90%의 체적비를 가질 수 있으며, 가장 바람직하게는, 대략 40% ~ 70%의 체적비를 갖는다. 비정질 금속 분말의 양이 너무 많으면, 상대적으로 다이아몬드 입자들의 양이 감소하여 연마 성능이 저하되며, 반대로, 비정질 금속 분말의 양이 너무 적으면, 연마체의 성형 및 소결시 다이아몬드 입자들을 지지하는 지지재로서의 기능을 제대로 하지 못한다. 파라핀은 전체 중량에 대해 대략 2wt%로 첨가된다. 다이아몬드 입자들의 입도는 1~100㎛인 것이 바람직하며, 본 실시예에서는, 평균 입도가 대략 20㎛ 인 다이아몬드 입자들이 이용되었다.
성형 및 소결 공정(S4)은 상기 혼합물, 즉 비정질 금속 분말, 다이아몬드 입자들, 액상 파라핀의 혼합물을 표면에 돌기들을 포함하는 일정 패턴을 갖도록 성형하면서 소결한다. 소결은 유리천이온도(Tg) 이상의 초소성 온도구간에서 실시하며, 약 600℃ 이내에서 이루어지는 것이 바람직하다. 소결은 SPS(Spark Plasma Sintering) 성형 또는 마이크로 포밍 공정이 이용될 수 있다. 특히, SPS 장비를 이용한 SPS 소결의 경우, 비정질 물질의 형태 유지가 용이하고, 초소성 구간 내에서 소결 완료에 의한 정형 가공(near net shaping)이 용이하다.
상기 성형 및 소결 공정(S4)은, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, CMP 패드 컨디셔너의 모재(10) 상면에 전술한 것과 같은 복합물 또는 혼합물(20')을 올린 후, 유리천이온도 이상의 초소성 온도구간에서, 미세 음각 또는 양각의 돌기 패턴(2a)을 단부에 갖는 펀치(2)로 상기 복합물 또는 혼합물(20')을 도 2의 (b)에 도시된 것과 같이 가압하여, 원하는 패턴의 CMP 패드 컨디셔너용 연마체를 소결하여 이루어질 수 있다. 상기 펀치(2)는 방전가공 및/또는 압입가공에 의해 음각의 미세 돌기 또는 미세 핀을 포함하는 패턴을 단부에 형성하여 제작된다. 펀치는 초경합금 또는 SKD61 합금이 선호된다.
본 발명에 따라 제조되는 비정질 금속-다이아몬드 연마체는, 일체형으로 제작되거나, 또는 판 또는 시트의 형태로 제작되어, 미리 만들어진 금속 베이스에 부착될 수 있다.
도 3을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 CMP 패드 컨디셔너 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 방법은, 비정질 금속(Bulk Metallic Glass) 재료를 만드는 비정질 재료 제조 공정(S10)과, 비정질 금속 재료를 더 미세하게 만드는 미세 분말화 공정(S20)과, 상기 미세 분말화 공정을 거쳐 얻은 비정질 금속 분말을 환원처리하는 공정(S30)과, 상기 비정질 금속 분말을 일정 형태로 성형하는 공정(S41)과, 상기 성형 공정(S41)을 성형물을 소결하는 공정(S42)을 포함한다.
상기 비정질 재료 공정(S10), 미세 분말화 공정(S20) 및 환원처리 공정(S30)은 앞선 실시예의 공정들(S1, S2, S3)과 같거나 유사한 방식으로 이루어질 수 있으며, 따라서, 이들 공정들(S1, S2, S3)에 대해서는 중복을 피하기 위해 그 설명이 생략된다.
본 실시예의 제조방법은, 앞선 실시예와 달리, 비정질 금속 분말의 성형 공정(S41)과 비정질 금속 분말의 소결 공정(S42)이 별도로 수행된다. 상기 성형 공정(S41)에서는 먼저 비정질 금속 분말과 다이아몬드 입자들과 바인더가 혼합된다. 일예로 상기 성형 공정(S41)으로 테이프 캐스팅 공정이 이용될 경우, 테이프 캐스팅용 바인더가 비정질 금속 분말과 혼합된다. 다이아몬드 입자들을 비정질 금속으로 지지시키는 방식에 따라, 다이아몬드 입자들은 비정질 금속 분말과 혼합되지 않을 수 있는데, 이 경우, 추후 이루어지는 성형 및/또는 소결 공정에서, 돌기를 성형하는 금형의 표면을 통해 연마체의 돌기 표면에 전이될 수도 있다.
테이프 캐스팅에 의한 성형 공정을 예로 들면, 적어도 바인더와 비정질 금속을 포함하는 혼합물이 판 또는 시트 형태로 1차 성형된다. 그로부터 얻은 판 또는 시트 상의 성형물에 돌기를 형성하는 2차 성형이 수행된다. 이 2차 성형은 상기 성형 공정(S41) 내에 속해 있을 수 있으며, 대안적으로, 상기 소결 공정(S42)에서 소결과 동시에 이루어지는 성형일 수도 있다. 앞서 언급된 바와 같이, 다이아몬드 입자들은 성형 전에 혼합물 내에 포함될 수도 있고, 성형 중에 금형을 통해 연마체 또는 연마체의 성형물의 표면에 전이될 수도 있다.
소결을 통해 연마체에 돌기들이 형성되는 경우를 설명하면, 성형 공정(S41)에서는 테이프 캐스팅을 통해 두께 1mm이하의 시트(sheet)형 성형체가 형성되고, 다음, 소결 공정(S42)은 시트형의 성형체를 금형의 돌기부에 위치시키고, 나머지 부분은 비정질 분말로 채워 소결한다. 테이프 캐스팅에 의한 성형 공정 대신에 MPC(Magnetic Pulsed Compaction) 성형법이 이용될 수도 있다. 소결 공정(S42)은, 앞선 실시예와 마찬가지로, 유리천이온도(Tg) 이상의 초소성 온도구간에서 실시하며, 약 600℃ 이내에서 이루어지는 것이 바람직하다.
도 4의 (a), (b), (c) 및 (d)는 위에서 설명된 실시예들에 의한 방법에 의해 제조될 수 있는 CMP 패드 컨디셔너들의 예들을 도시한 단면도들이다.
도 4의 (a)를 참조하면, 모재(10) 상에 연마체(20)가 결합되어 있되, 상기 연마체(20) 내에는 다이아몬드 입자(22)들이 전체적으로 균일하게 분포되어 있다. 이와 같은 CMP 패드 컨디셔너는 비정질 금속 분말과 다이아몬드 입자(22)들을 혼합한 후, 그 다음에 성형 및 소결하는 방식으로 제작된다.
도 4의 (b)를 참조하면, 연마체(20)의 상부(20b)에만 다이아몬드 입자(22)들이 존재하는 CMP 패드 컨디셔너를 볼 수 있다. 이러한 CMP 패드 컨디셔너는, 연마체(20b)의 상부가 비정질 금속 분말과 다이아몬드 입자(22)들이 혼합되어 성형 및 소결되는 것인데 반해, 연마체의 하부(20a)는 다이아몬드 입자 없이 비정질 금속 분말을 단순히 채워 넣어 소결한 것이다.
도 4의 (c)를 참조하면, 연마체(20)의 표면, 특히, 돌기들에만 다이아몬드 입자(21)가 배치된 CMP 패드 컨디셔너를 보여준다. 이러한 CMP 패드 컨디셔너는 비정질 금속 연마체의 돌기를 성형하는 금형에 다이아몬드 입자(21)를 위치시켜, 그 돌기를 성형하는 과정에서, 다이아몬드 입자(21)를 연마체의 돌기에 전이시키는 방식으로 제작된다.
도 4의 (d)에 도시된 CMP 패드 컨디셔너는, 도 4의 (b)에 도시된 것과 같은 방식을 이용하여 연마체 상부에 다이아몬드 입자(22)들을 배치시키고, 도 4의 (c)에 도시된 것과 같은 방식을 이용하여 연마체 상부에 상대적으로 큰 크기의 다이아몬드 입자(21)를 위치시킨다. 연마체(20)의 윗부분에만 다이아몬드 입자(21 또는 22)들을 분포시키고자 하는 경우, 테이프 캐스팅이 선호된다.
도 5는 본 실시예에 따라 제작된 비정질 금속-다이아몬드 연마체를 포함하는 CMP 패드 컨디셔너의 패드 조도 측정 결과를 보여준다.
도 5의 (a)에 보여지는 것과 같은 미세 돌기 패턴을 포함하는 금속-다이아몬드 연마체로 된 2" CMP 패드 컨디셔너가 시험에 이용된다. CMP 패드의 컨디셔닝은 도 5의 (b)에 보여지는 것과 같이 수행되며, 도 5의 (c)에는 본 실시예에 따른 연마체와 접촉하는 작업구간, 즉, 2" CMP 컨디셔너와 접촉하는 의한 컨디셔닝 작업구간과, 기존 4" CMP 패드 컨디셔너에 의해 컨디셔닝이 이미 이루어진 컨디셔닝 작업구간이 보여지며, 또한, 그 작업구간들의 패드 표면 상태와 표면 조도가 도 5의 (c) 좌측에 보여진다. 도 5의 (c)를 참조하면, 본 실시예의 연마체가 접촉한 컨디셔닝 작업구간은 6.927㎛ 의 표면조도(Ra)를 갖는데 반해, 상기 연마체가 접촉하지 아니한, 즉, 기존 CMP 패드 컨디셔너에 의해 작업이 이루어진 구간은 11.406 ㎛의 표면 조도(Ra)를 갖는다.
위의 패드 조도 측정 시험의 조건은 다음과 같다.
* 정반 회전 rpm: 50(cw; 시계방향)
* 컨디셔너 회전 rpm: 45(cw; 시계방향)
* 작업간 DI water 공급: 습식
* 패드: 폴리우레탄 재질
* 작업시간: 5분
* 가압하중: 10lbf
위에서는 설명되지 않았지만, 본 발명에 따른 비정질 금속-다이아몬드 연마체의 표면에는 소수성, 내식성 또는 기타 다른 특성의 코팅이 형성될 수 있다. 본 실시예에 따르면, 기존 CMP 패드 컨디셔너의 문제점인 다이아몬드 지립의 불균일성, 기지 부식, 다이아몬드 지립의 이탈 또는 깨짐에 의한 결함 발생과 같은 기존 CMP 패드 컨디셔너의 문제점을 해결할 수 있다.

Claims (19)

  1. 표면에 돌기들을 포함하는 CMP 패드 컨디셔너의 연마체를 제조하기 위해,
    비정질 금속 분말을 준비하고;
    상기 비정질 금속 분말을 다이아몬드 입자들이 개재된 상태로 유리 천이온도(Tg) 이상의 온도로 소결하되,
    상기 소결 중에 또는 상기 소결 전에 상기 연마체의 돌기들을 성형하는 것을 특징으로 하는 CMP 패드 컨디셔너 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 다이아몬드 입자들은 100um 이하의 평균 크기를 갖도록 준비되고, 상기 비정질 금속 분말은 50um 이하의 평균 크기를 갖도록 준비되는 것을 특징으로 하는 CMP 패드 컨디셔너 제조방법.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 비정질 금속 분말은 아토마이징법 또는 금속응고법에 의해 제조된 비정질 금속 재료로부터 준비되는 것을 특징으로 하는 CMP 패드 컨디셔너 제조방법.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 비정질 금속 분말의 준비를 위해, 상기 아토마이징 또는 상기 금속응고법에 의해 제조된 비정질 금속 재료를 볼밀로 분쇄하여 나노 크기의 초미세 분말의 생성까지 가능하도록 하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 CMP 패드 컨디셔너의 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 분쇄 전 또는 상기 분쇄 후에 상기 비정질 금속 재료를 수소로 환원처리하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 CMP 패드 컨디셔너 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 소결은 초소성 온도 구간에서 수행되는 것을 특징으로 하는 CMP 패드 컨디셔너 제조방법.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 소결과 동시에 음각 또는 양각들을 갖는 펀치로 상기 비정질 금속 분말과 상기 다이아몬드 입자들의 혼합물을 가압하여, 상기 돌기들을 성형하는 것을 특징으로 하는 CMP 패드 컨디셔너 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 혼합물에는 파라핀이 첨가되는 것을 특징으로 하는 CMP 패드 컨디셔너 제조방법.
  9. 청구항 7에 있어서 상기 소결은 SPS(Spark Plasma Sintering)를 이용하는 것을 특징으로 하는 CMP 패드 컨디셔너 제조방법.
  10. 청구항 7에 있어서, 상기 펀치는 방전 또는 압입 가공에 의해 상기 양각 또는 음각을 인-시츄 방식으로 형성하여 제작된 것을 특징으로 하는 CMP 패드 컨디셔너 제조방법.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 돌기들의 형성을 위해,
    상기 비정질 금속 분말과 결합제를 혼합하여 판형 또는 시트형의 성형물을 만들고,
    상기 성형물을 금형의 양각 또는 음각에 대해 가압하는 것을 특징으로 하는 CMP 패드 컨디셔너 제조방법.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 비정질 금속 분말과 상기 결합제를 혼합할 때 상기 다이아몬드 입자들도 같이 혼합되는 것을 특징으로 하는 CMP 패드 컨디셔너 제조방법.
  13. 청구항 11에 있어서, 상기 다이아몬드 입자들이 상기 양각 또는 음각에 제공되어, 상기 가압시에 상기 다이아몬드 입자들이 상기 성형물의 표면에 개재되는 것을 특징으로 하는 CMP 패드 컨디셔너 제조방법.
  14. 청구항 11에 있어서, 상기 판형 또는 시트형의 성형물을 만들기 위해 테이프 캐스팅이 이용되는 것을 특징으로 하는 CMP 패드 컨디셔너 제조방법.
  15. 모재; 및
    상기 모재에 배치되며 비정질 금속 분말의 소결에 의해 형성된 연마체를 포함하며,
    상기 연마체는 표면에 다수의 돌기를 포함하는 한편 100um 이하의 평균 크기를 갖는 다이아몬드 입자들이 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 CMP 패드 컨디셔너.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 연마체는 50 um 이하의 평균 크기를 갖는 비정질 금속 분말의 소결에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 CMP 패드 컨디셔너.
  17. 청구항 15에 있어서, 상기 연마체는 상기 다이아몬드 입자들이 존재하는 상부와 상기 다이아몬드 입자들이 없는 하부로 이루어진 것을 특징으로 하는 CMP 패드 컨디셔너.
  18. 청구항 15에 있어서, 상기 연마체는 상기 다이아몬드 입자들이 상기 연마체의 표면에만 존재하는 것을 특징으로 하는 CMP 패드 컨디셔너.
  19. 청구항 15에 있어서, 상기 연마체는 상기 다이아몬드 입자들이 상기 연마체 표면의 돌기 첨단에 존재하는 것을 특징으로 하는 CMP 패드 컨디셔너.
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