WO2017175894A1 - 연마패드 제조 방법 - Google Patents

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WO2017175894A1
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polishing pad
urethane prepolymer
boiling point
mixing
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김승근
강학수
추정선
정대한
박기영
이하우
홍기식
안봉수
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케이피엑스케미칼 주식회사
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    • C08J2375/08—Polyurethanes from polyethers

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a polishing pad, and more particularly, to a method for manufacturing a polishing pad configured to enable the collection of slurry of a certain size.
  • CMP Chemical mechanical planarization / chemical polishing
  • Polishing speed and flatness are important in the CMP process, which are determined by the processing conditions of the polishing equipment and the polishing slurry and polishing pad, which are consumable members used.
  • the polishing pad uniformly distributes the polishing slurry supplied in contact with the surface of the wafer on the wafer and causes physical removal by the abrasive particles inside the polishing slurry and the surface protrusions of the polishing pad.
  • micropores are formed on the surface of the polishing pad by opening of the microporous material.
  • the porous pore technology for the formation of micropores is limited to the use of a specific pore forming method.
  • the conventional CMP process has not been made in the technical field requiring sophistication and detail because the size of the pores formed in the polishing pad is not formed to have a fine and constant range size.
  • the average size of the pores included in the polishing pad should be at least 31 ⁇ m or less, and the variation thereof should be minimized.
  • the average size of the pores produced by a technique using only one conventional inert gas does not satisfy these conditions.
  • the conventional method of generating a pore using a chemical blowing agent is a method far from the generation of a pore of a uniform size by generating a pore of a large size of thousands from a small pore size of the pore at the same time.
  • the present invention has been made to meet the above-mentioned conventional request, the object is to provide a polishing pad manufacturing method that can maximize the polishing performance and planarization performance by collecting the polishing slurry in a uniform and fine size during the CMP process .
  • a method of manufacturing a polishing pad according to the present invention comprises the steps of: mixing a plurality of polymers to produce a urethane prepolymer having a viscosity of 20,000 cps (25 ° C.) to 40,000 cps (25 ° C.); Mixing an inert gas and a low boiling point blowing agent having a boiling point of 60 ° C. to 150 ° C. in the urethane prepolymer; Gelling and curing the resulting mixture in a predetermined mold to produce an abrasive layer comprising a porous pore.
  • 5% to 40% of the inert gas and 0.1% to 10% of the low boiling point blowing agent may be mixed with the urethane prepolymer based on the total volume of the resulting mixture.
  • the method may further include mixing the polypropylene glycol having a tetravalent or higher functional group to generate the urethane prepolymer, and forming a polyurethane having a three-dimensional bonding structure by mixing the resulting urethane prepolymer with a curing agent. .
  • the polishing layer may be processed to distribute pores due to the opening of the porous pores on the surface.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a polishing pad according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a schematic view of a polishing apparatus equipped with the polishing pad of FIG. 1,
  • FIG. 3 is a view showing a polyurethane structure according to the conventional method and the method according to the present invention
  • FIG. 4 is a view showing a comparison of the CMP before and after the polishing pad surface produced by the conventional method and the method according to the present invention
  • Figure 5 shows the pore size according to the urethane prepolymer viscosity in the manner according to the invention
  • Figure 6 shows the pore size according to the blowing agent boiling point
  • Figure 7 shows the pore size according to the inert gas content.
  • 9 to 10 is a view showing a comparison between the polishing performance and the life performance of the polishing pad produced by the conventional method and the method according to the present invention.
  • FIG. 11 is a view showing the state of the pore generated by each embodiment according to the present invention.
  • FIG. 12 is a view showing a comparison of surface roughness and scratch related result values in a layer process of a polishing pad produced by a conventional method and a method according to the present invention.
  • each embodiment according to the present invention is only one example to help understanding of the present invention, and the present invention is not limited to these embodiments.
  • the present invention may be composed of a combination of at least one of individual functions or individual steps included in each embodiment.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a polishing pad 100 manufactured by a manufacturing method according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a rotary polishing device for polishing a silicon wafer (7) using the polishing pad 100 ( 1) is shown.
  • the polishing pad 100 includes a support layer 110 and a polishing layer 120.
  • the support layer 110 is a portion that allows the polishing pad 100 to adhere to the platen 3 of the polishing apparatus 1.
  • the support layer 110 is made of a material which is resilient to a force for pressing the silicon wafer 7 to be polished, which is loaded on the head 5 facing the platen 3, and thus the polishing layer formed thereon. It serves to support the 120 with a uniform elastic force corresponding to the silicon wafer (7).
  • the hardness is lower than the polishing layer 120 formed thereon.
  • the support layer 110 may be configured such that at least a portion of the support layer 110 is transparent or translucent to allow transmission of the light beam used to detect the flatness of the surface to be polished 160.
  • the wafer 7 on which a to-be-polished film is formed is illustrated as a target to be polished, but various substrates such as a substrate, a glass substrate, a ceramic substrate, a polymer plastic substrate, and the like on which a TFT-LCD is to be formed are polished. Of course, it can be used as a target. In some cases, the polishing pad 100 may be configured without the support layer 110.
  • FIG. 2 illustrates a case in which the shape of the polishing pad 100 is circular so as to be suitable for the rotary polishing apparatus 1, but the shape of the polishing pad 100 may be modified in various shapes such as a rectangle and a square according to the shape of the polishing apparatus 1. Of course.
  • the polishing layer 120 is a portion in direct contact with the wafer 7 to be polished.
  • the polishing layer 120 may be formed by mixing or chemically bonding a predetermined polishing layer 120 forming material. That is, the polymer matrix 130 forming the polishing layer 120 is made of various known components, and descriptions of known materials and forming materials may be omitted, and portions corresponding to the features of the present invention may be omitted. Explain mainly.
  • the polymer matrix 130 is preferably formed of a material insoluble in the polishing slurry 13, which is a chemical solution for planarization.
  • the polishing slurry 13 supplied through the nozzle 11 of the polishing equipment 1 may be formed of a material that cannot penetrate.
  • the polymer matrix 130 may be formed by chemical bonding or physical mixing between the materials for forming the polymer matrix.
  • the material for forming the polymer matrix here is polyurethane, polyether, polyester, polysulfone, polyacrylic, polycarbonate, polyethylene, polymethyl methacrylate, polyvinyl acetate, polyvinyl chloride, polyethylene imine, polyether sulfone, polyether It may correspond to any one selected from the group consisting of imide, polyketone, melamine, nylon and hydrocarbon fluoride or mixtures thereof.
  • the polyalkylene glycol compound may be any one selected from the group consisting of compounds in which alkylene oxide is added to a compound containing water or active hydrogen or a mixture thereof.
  • the present invention is characterized by mixing a polymer having a tetravalent or higher functional group, that is, a tetravalent or higher hydroxyl group (-OH) (eg, polypropylene glycol) to generate a polymer matrix 130.
  • a polymer having a tetravalent or higher functional group that is, a tetravalent or higher hydroxyl group (-OH) (eg, polypropylene glycol) to generate a polymer matrix 130.
  • a polymer having a tetravalent or higher functional group that is, a tetravalent or higher hydroxyl group (-OH) (eg, polypropylene glycol)
  • the polishing layer 120 is made of polyurethane
  • the polyurethane structure produced by the conventional method is relatively flexible due to the large number of repetitive two-dimensional bonds of the ⁇ CO molecules as shown in FIG. flexible).
  • the formed polyurethane structure is 3 having a high degree of crosslinking as shown in FIG. 3 (c).
  • the dimensional structure further has a network structure, which is much more rigid than in the prior art.
  • the polymer having a tetravalent or higher hydroxyl group is included in an amount of 1% to 30% based on the mass of the produced urethane prepolymer.
  • the weight ratio of the polymer having a tetravalent or higher hydroxyl group to the urethane prepolymer is determined. 1% to 30% is to mix.
  • the weight ratio of the polymer having a tetravalent or higher hydroxyl group is smaller than 1% of the total urethane prepolymer, the possibility of the three-dimensional bonds caused by the polymer having a tetravalent or higher hydroxyl group decreases rapidly, and thus does not significantly affect the degree of crosslinking.
  • the weight ratio of the polymer having a tetravalent or higher hydroxyl group is greater than 30% of the total urethane prepolymer, the physical properties of the tetravalent flexible abrasive body are considerably reduced, and rather, controlling the urethane prepolymer during the polishing layer production process The problem is that it is quite difficult physically.
  • the polymer having a tetravalent or higher hydroxyl group is preferably to be mixed in an amount of 1% to 30% based on the weight of the total urethane prepolymer produced.
  • the pore pore 141 ′ region on the surface 160 of the polishing pad 100 is blocked by urethane as the CMP process progresses, causing the glazing to gradually wear around the pores due to high pressure and friction. Crushing) occurs in the case of the polyurethane having a network structure as in the present invention has the effect of maintaining the form of the pore continuously during the life (life) time of the polishing pad 100 is CMP.
  • Figure 4 is a comparison of the effects of the conventional and the present invention.
  • FIG. 4 (a ′) is an enlarged photograph of the surface 160 before the CMP process of the polishing pad 100 produced by the conventional method
  • FIG. 4 (b ′) is a polishing pad 100 produced by the conventional method. It is an enlarged photograph of the surface 160 after the CMP process.
  • FIG. 4 (a) is an enlarged photograph of the surface 160 before the CMP process of the polishing pad 100 produced by the method according to the present invention
  • FIG. 4 (b) is the polishing pad produced by the method of the present invention. It is an enlarged photograph of the surface 160 after the CMP process of (100).
  • the polishing performance should be kept constant during the life time when the polishing pad 100 is used in the CMP process.
  • the polishing performance gradually decreases.
  • a problem arises that the use time of the polishing pad 100 is limited. If the shape of the pore is maintained continuously as in the present invention, the polishing performance of the polishing pad 100 is kept constant without deterioration. It brings a lifespan improvement effect, it is possible to reduce the cost of replacing the polishing pad 100.
  • a polymer prepolymer is produced in an intermediate process of generating the polymer matrix 130, and the viscosity of the polymer prepolymer is preferably 20,000 cps (25 ° C.) to 40,000 cps (25 ° C.).
  • the viscosity of the polymer prepolymer is to determine the pore size to be produced together with the inert gas and low boiling point foaming agent for producing the porous pores in the polishing layer 120, as described below, a detailed description thereof will be described later.
  • the polishing layer 120 may include a porous pore, which is generated by mixing an inert gas and a low boiling point blowing agent as described below, and when the other conditions are the same, by the mixing ratio of the inert gas and the low boiling point blowing agent. Control over the pore size can be made.
  • the porous layer may be included in the polishing layer 120.
  • the surface 160 of the polishing layer 120 in direct contact with the wafer 7 includes a plurality of micropores defined and opened by the porous pore 141.
  • each porous pore 141 the meaning that the pores 141 ′ are defined and opened by each porous pore 141 means that the porous pores by the inert gas and the low boiling point blowing agent included in the polishing layer 120 leak to the outside and the corresponding inert gas and This means that the pore region by the low boiling point foaming agent remains as the pores 141 ′ to capture certain substances from the outside.
  • the embedded porous pores 141 are continuously exposed to the surface 160 of the polishing layer 120 to form pores 141 ', which are applied to the polishing slurry 13. It is substituted by. Accordingly, since only the polymer matrix 130, which is the material of the polishing layer 120, exists on the polishing surface 160, the non-uniform wear of the polishing pad 100 does not occur, and thus the silicon wafer 7 to be polished can be uniformly polished.
  • the porous pores included in the polishing pad 100 are produced by the inert gas and the low boiling point blowing agent as described above.
  • the inert gas may mean a chemically stable gas having a valence of '0', such as helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe), radon (Rn), etc. It is contained in such an inert gas. Furthermore, the inert gas corresponds to any gas that does not react with the polymer matrix 130, such as N2, but does not participate in the urethane reaction, in addition to the Group 8 elements of the periodic table.
  • a chemically stable gas having a valence of '0' such as helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe), radon (Rn), etc. It is contained in such an inert gas.
  • the inert gas corresponds to any gas that does not react with the polymer matrix 130, such as N2, but does not participate in the urethane reaction, in addition to the Group 8 elements of
  • the blowing agent is mixed with a predetermined raw material to generate a large amount of bubbles by vaporization or reaction by heat, and may be largely classified into a chemical blowing agent and a physical blowing agent.
  • Water is used as a blowing agent because chemical blowing agent is foamed from carbon dioxide generated by reaction with water using isocyanate group activity. Physical blowing agent mixes gas or generates heat of reaction using decomposition or evaporation blowing agent. As it forms bubbles, it does not participate in the polymer reaction. Types and features of these blowing agents are only known in the art, and thus will not be described in more detail.
  • the pore size in the polishing pad 100 is preferably generated uniformly, and for the micro process in the semiconductor field and the like, it is preferable to generate the fine pore size (particularly 31 ⁇ m or less) in micro units.
  • a plurality of polymers are mixed to produce a urethane prepolymer having a viscosity of 20,000 cps (25 ° C.) to 40,000 cps (25 ° C.).
  • the production of the urethane prepolymer per se is a general technique, but the present embodiment is characterized in that the resulting urethane prepolymer has a viscosity of 20,000 cps (25 ° C.) to 40,000 cps (25 ° C.).
  • the polyurethane of the three-dimensional bonding structure is formed by mixing the resulting urethane prepolymer and the curing agent.
  • the effects of the three-dimensional coupling structure are as described above.
  • the urethane prepolymer is mixed with an inert gas and a low boiling point blowing agent having a boiling point of 60 ° C to 150 ° C.
  • the mixing ratio of the inert gas and the low boiling point blowing agent is such that the inert gas is 5% to 40% based on the total volume of the resulting mixture, and the low boiling point blowing agent is 0.1% to 10%.
  • the gelation and curing reaction proceeds (S110). That is, the mixture is injected into a mold of a predetermined shape and solidified through gelation and curing.
  • the gelation reaction may be performed at 80 to 90 degrees for 5 to 30 minutes, and the curing reaction may be performed at 80 to 120 degrees for 20 to 24 hours, but the specific process temperature and time may be variously changed to find an optimal condition.
  • the specific process temperature and time may be variously changed to find an optimal condition.
  • Processing includes demolding, cutting, surface 160 processing and cleaning.
  • the cured reactant is taken out of the mold and cut to have a predetermined thickness, shape and shape.
  • the polishing layer 120 may be formed into a sheet by any method known in the art of polymer sheet manufacturing such as casting and extrusion molding to improve productivity.
  • the polishing layer 120 is completed through a washing process.
  • the liquid microelements 141 of the surface 160 of the polishing layer 120 are eluted to distribute pores 141 ′ open to the surface 160 of the polishing layer 120.
  • the polishing pad 100 may be completed using only the polishing layer 120, if necessary, the support layer 110 may be manufactured by a method well known in the manufacturing process of the polishing pad 100, and the support layer 110 and the polishing layer ( 120 may be combined to complete the polishing pad 100.
  • pores having a fine and uniform size may be generated in the polishing layer 120, which cannot be compared with the conventional art.
  • Figure 5 shows the pore (pore generated in the polishing layer 120) size according to the urethane prepolymer viscosity when the inert gas 5%, blowing agent 10%, foaming agent boiling point 60 degrees
  • Figure 6 is the urethane prepolymer viscosity 20,000 cps (25 ° C.), the pore size according to the blowing agent boiling point when 5% of the inert gas and 10% of the blowing agent is shown
  • FIG. 7 shows the pore size according to the inert gas content.
  • the average pore size produced when the viscosity of the urethane prepolymer is 4,000 cps is 180 um, 80 um at 10,000 cps, 45 um at 15,000 cps, 31 um at 20,000 cps, 26 um at 30,000 cps, and 40,000 cps days. You can see that it is 25um when 26um and 52,000 cps.
  • the viscosity of the urethane prepolymer is more than 40,000cps (25 ° C)
  • the viscosity of a urethane prepolymer is 40,000 cps (25 degreeC) or less.
  • the average pore size produced when the blowing agent boiling point is 40 ° C is 60um, 31um when the blowing agent boiling point is 60 ° C, 28um when the blowing agent boiling point is 80 ° C, 26um when the blowing agent boiling point is 100 ° C, and the boiling point of the blowing agent is 60 ° C. It can be seen that at 120 ° C., 24 ⁇ m and the blowing agent boiling point at 150 ° C. are 21 ⁇ m.
  • blowing agent having a boiling point of 150 ° C. or less.
  • the pore size is changed as the ratio of the inert gas and the low boiling point blowing agent is changed, and when the inert gas is 5% or more and the low boiling point blowing agent is 10% or less, the pore of 31 ⁇ m or less is produced. Able to know. In the case where the volume ratio of the inert gas exceeds 30%, the specific gravity of the polishing pad is lowered, thereby lowering the polishing efficiency inherent in the polishing pad. Therefore, the volume fraction of the inert gas should not exceed 30%.
  • the low boiling point foaming agent should be mixed in a volume ratio of at least 0.1% or more. If the mixing volume ratio of the low boiling point foaming agent is less than 0.1%, there is a problem in that uniform and fine pores are not generated as if only inert gas is present.
  • the mixing volume ratio of the low boiling point blowing agent should be at least 0.1%.
  • the viscosity of the prepared isocyanate prepolymer was 35,000 cps (25 ° C.).
  • the casting machine is used to discharge 100 kg of isocyanate prepolymer of Experimental Example 1, 29 kg of MOCA, and an inert gas through a mixing head of 5000 rpm. At this time, N2 gas, an inert gas, is administered to the mixing head by volume ratio.
  • the mixture is then immediately poured into a square mold.
  • the injected reaction solution had a TFT of 1 minute and gelled for 30 minutes, and then cured for 20 hours in an oven at 100 ° C.
  • the prepared cured product was taken out of the mold, and the surface 160 was cut to prepare the polishing layer 120 of the polishing pad 100.
  • the average pore size of the surface 160 of the polishing layer 120 is approximately 40 ⁇ m or more, and the pore image is as shown in FIG. 8 (a). This is produced by the conventional method, and the polishing performance, life time, and the like of the polishing pad 100 thus produced are shown in FIGS. 9 to 10.
  • FIGS. 9 to 10 also show performance data of the polishing pad 100 including the solid capsule pore and the liquid pore by the conventional method in addition to the Experimental Example 3.
  • the casting machine is used to discharge 100 kg of isocyanate prepolymer of Experimental Example 2 and 29 kg of MOCA, an inert gas and a low boiling point blowing agent through a mixing head of 5000 rpm.
  • inert gas N2 gas is 10% by volume ratio and low boiling point blowing agent is administered to the mixing head by 8%.
  • the mixture is then immediately poured into a square mold.
  • the injected reaction solution had a TFT of 1 minute and gelled for 30 minutes, and then cured for 20 hours in an oven at 100 ° C.
  • the prepared cured product was taken out of the mold, and the surface 160 was cut to prepare the polishing layer 120 of the polishing pad 100.
  • the average pore size of the surface 160 of the polishing layer 120 is 29 um, and the pore images are shown in FIGS. 8B and 11. Comparing FIG. 8 (b) with FIG. 8 (a), it can be seen that the average size of the pores is smaller and the size change is quite uniform. That is, even in the conventional method, as shown in FIG. 8 (b), a pore having a size of 31 ⁇ m or less among individual pores may be generated. Can be.
  • the average pore size of the resulting pore is less than 31um and as uniform as possible is possible only if the specific conditions according to the present invention are satisfied.
  • the casting machine is used to discharge 100 kg of isocyanate prepolymer of Experimental Example 2 and 29 kg of MOCA, an inert gas and a low boiling point blowing agent through a mixing head of 5000 rpm. At this time, inert gas N2 gas is 15% by volume ratio and low boiling point blowing agent is 6% by mixing head.
  • the mixture is then immediately poured into a square mold.
  • the injected reaction solution had a TFT of 1 minute and gelled for 30 minutes, and then cured for 20 hours in an oven at 100 ° C.
  • the prepared cured product was taken out of the mold, and the surface 160 was cut to prepare the polishing layer 120 of the polishing pad 100.
  • the average pore size of the surface 160 of the polishing layer 120 is 27 um, and the pore image is shown in FIG. Polishing performance and life time performance are shown in FIGS. 9 to 10.
  • the casting machine is used to discharge 100 kg of isocyanate prepolymer of Experimental Example 2 and 29 kg of MOCA, an inert gas and a low boiling point blowing agent through a mixing head of 5000 rpm. At this time, inert gas N2 gas is 18% by volume ratio and low boiling point blowing agent is administered to the mixing head by 4%.
  • the mixture is then immediately poured into a square mold.
  • the injected reaction solution had a TFT of 1 minute and gelled for 30 minutes, and then cured in an oven at 100 ° C. for 20 hours.
  • the prepared cured product was taken out of the mold, and the surface 160 was cut to prepare the polishing layer 120 of the polishing pad 100.
  • the average pore size of the surface 160 of the polishing layer 120 is 24 um, and the pore image is shown in FIG.
  • the casting machine is used to discharge 100 kg of isocyanate prepolymer of Experimental Example 2 and 29 kg of MOCA, an inert gas and a low boiling point blowing agent through a mixing head of 5000 rpm.
  • inert gas N2 gas is 20% by volume ratio and low boiling point foaming agent is administered to the mixing head by 2.0%.
  • the mixture is then immediately poured into a square mold.
  • the injected reaction solution had a TFT of 1 minute and gelled for 30 minutes, and then cured in an oven at 100 ° C. for 20 hours.
  • the prepared cured product was taken out of the mold, and the surface 160 was cut to prepare the polishing layer 120 of the polishing pad 100.
  • the average pore size of the surface 160 of the polishing layer 120 is 21 um, and the pore image is shown in FIG. 11).
  • the pore size in the polishing pad can be made small and uniformly by the method according to the present invention, which shortens the distance between the pore and the pore.
  • the Rsm value was lowered on the surface roughness parameter, thereby improving the CMP performance of the polishing pad.
  • the temperature of the inert gas and the low boiling point blowing agent may be selected from a range of 60 ° C to 150 ° C.
  • the present invention is not limited to the above specific embodiments, but can be modified and modified in various ways without departing from the gist of the present invention.
  • the size of the pores generated in the polishing pad may be 31 ⁇ m or less, so that a CMP process that conforms to a semiconductor process refined to 10 nm may be achieved.
  • the size change of the pore size is minimized, that is, the pores have a fairly uniform size, thereby ensuring the reliability of the performance of the polishing pad.

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Abstract

본 발명에 따른 연마 패드의 제조방법은, 복수의 폴리머를 혼합하여 점도 20,000cps(25℃) ~ 40,000cps(25℃)의 우레탄 예비중합체를 생성하는 단계와; 상기 우레탄 예비중합체에 불활성 기체와 비점이 60℃ ~ 150℃인 저비점 발포제를 혼합하는 단계와; 상기 생성된 혼합물을 소정의 주형에서 겔화 및 경화시켜 다공성 포어를 포함하는 연마층을 제조하는 단계로 이루어진다.

Description

연마패드 제조 방법
본 발명은 연마패드 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 일정한 크기의 슬러리 포집이 가능하도록 구성된 연마패드 제조방법에 관한 것이다.
화학기계적 평탄화/연마(CHEMICAL MECHANICAL PLANARIZATION / CHEMICAL MECHANICAL POLISHING, 이하, CMP라 한다) 공정은 반도체 소자의 글로벌 평탄화를 위해 도입된 공정으로, 웨이퍼의 대구경화, 고집적화, 선폭의 미세화 및 배선구조의 다층화 추세에 따라 더욱 중요한 공정으로 부각되고 있다.
CMP 공정에서는 연마속도와 평탄화도가 중요하며 이는 연마 장비의 공정조건 및 사용되는 소모성 부재인 연마 슬러리와 연마 패드에 의해 결정된다. 특히 연마 패드는 웨이퍼의 표면과 접촉한 상태에서 공급된 연마슬러리를 웨이퍼상에 균일하게 분산시키며 연마슬러리 내부의 연마 입자와 연마 패드의 표면돌기들에 의해 물리적인 제거 작용이 일어나도록 한다.
이때 웨이퍼와 직접 접촉하는 연마 패드 표면은 연마 슬러리가 포화된 상태를 유지해서 연마 슬러리의 유동이 원활하도록 해야 한다. 이를 위해 연마 패드 표면에는 미세한 구멍(예를 들어 기공)이 형성되도록 하는 기술들이 미국 특허 제5,578,362호, 한국 특허 공개 제2001-2696호, 한국 특허 공개 제2001-55971호 등에 개시되어 있다.
이처럼 CMP 공정의 연마 패드의 역할 및 성능 증대를 위해서는 연마 패드 내에 연마 슬러리가 포화된 상태를 유지하는 것이 매우 중요한데, 따라서 연마패드상에 큰 슬러리 흐름을 형성하기 위한 여러 가지의 그루브(Groove)를 형성시키고 이에 더하여 상술한 바와 같이 연마패드 표면에 미세 구멍을 미세 다공성 물질의 개방에 의해 형성시키고 있는 것이다.
그런데 이 중 그루브 형성과 관련하여서는 다양한 패턴을 시도하는 형태로 그 기술이 발전되어 왔으나, 미세 구멍의 형성을 위한 다공성 포어 기술은 특정 포어 형성 방법을 제한적으로 이용하는 것에 국한되고 있는 실정이다.
즉, 종래의 포어 형성 방법에 따라 각 장점과 단점이 존재하는데 실제 CMP 공정에서는 이러한 장단점을 감안하여 공정을 조정하여 사용하고 있다.
하지만 반도체 공정에서의 보다 더 세밀함과 정교함이 요구됨에 따라 CMP 공정 역시 이를 뒷받침하기 위한 한 단계 더 진화된 다공성 포어의 생성기술에 대한 요구가 커지고 있다.
특히, 종래에는 연마 패드에 형성되는 포어의 사이즈를 미세하고 일정한 범위의 크기를 갖도록 형성하지 못함으로 인해 정교함과 세밀함이 요구되는 기술분야에서 제대로 된 CMP 공정이 이루어지지 못하고 있는 실정이다.
예를 들어 종래에는 불활성 기체만을 이용하여 포어를 형성하는 기술이 제시된 바 있는데, 최근 정교한 CMP 공정을 위해서는 연마 패드 내에 포함된 포어의 평균 사이즈가 적어도 31um 이하가 되어야 하고 그 변동폭이 최소화되어야 하지만, 상술한 종래의 불활성 기체만을 이용하는 기술에 의해 생성되는 포어의 평균 사이즈는 이러한 조건을 만족시키지 못하고 있는 실정이다.
또한 화학적 발포제를 이용하여 포어를 생성하는 종래의 방법은, 작게는 수십 um 크기의 포어로부터 크게는 수천 um 크기의 포어가 동시에 생성됨으로써, 균일한 크기의 포어 생성과는 거리가 먼 방식이다.
본 발명은 상기한 종래의 요청에 부응하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 CMP 공정시 균일하고 미세한 크기로 연마 슬러리를 포집하여 연마성능과 평탄화 성능을 극대화할 수 있는 연마 패드 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 연마패드의 제조방법은, 복수의 폴리머를 혼합하여 점도 20,000cps(25℃) ~ 40,000cps(25℃)의 우레탄 예비중합체를 생성하는 단계와; 상기 우레탄 예비중합체에 불활성 기체와 비점이 60℃ ~ 150℃인 저비점 발포제를 혼합하는 단계와; 상기 생성된 혼합물을 소정의 주형에서 겔화 및 경화시켜 다공성 포어를 포함하는 연마층을 제조하는 단계를 포함하여 이루어진다.
여기서, 생성되는 혼합물의 전체 부피를 기준으로 5% ~40%의 불활성 기체와, 0.1% ~ 10%의 저비점 발포제를 상기 우레탄 예비중합체에 혼합할 수 있다.
여기서, 4가 이상의 관능기를 가진 폴리프로필렌글리콜을 혼합하여 상기 우레탄 예비중합체를 생성하고, 생성된 우레탄 예비중합체와 경화제의 혼합에 의해 3차원 결합 구조의 폴리우레탄을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 연마층을 가공하여 표면에 상기 다공성 포어의 개방에 의한 기공들을 분포시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연마패드의 단면도이고,
도 2는 도 1의 연마 패드가 장착된 연마 장치의 개략도이고,
도 3은 종래의 방식과 본 발명에 따른 방식에 의한 폴리우레탄 구조를 비교하여 나타낸 도면이고,
도 4는 종래의 방식과 본 발명에 따른 방식에 의해 생성된 연마 패드 표면의 CMP 전후 상태를 비교하여 나타낸 도면이고,
도 5는 본 발명에 따른 방식에서 우레탄 예비 중합체 점도에 따른 포어 사이즈를 나타낸 것이고, 도 6은 발포제 비점에 따른 포어 사이즈를 나타낸 것이며, 도 7은 불활성 기체 함량에 따른 포어 사이즈를 나타낸 것이다.
도 8은 종래의 방식과 본 발명에 따른 방식에 의해 생성된 연마 패드 내의 포어의 크기 및 상태를 비교하여 나타낸 도면이고,
도 9 내지 도 10은 종래의 방식과 본 발명에 따른 방식에 의해 생성된 연마 패드의 연마 성능과 라이프 타임 성능을 비교하여 나타낸 도면이고,
도 11은 본 발명에 따른 각 실시예에 의해 생성된 포어의 상태를 나타낸 도면이고,
도 12는 종래의 방식과 본 발명에 따른 방식에 의해 생성된 연마 패드의 층 공정 과정에서의 표면 거칠기 및 스크래치 관련 결과 값을 비교하여 나타낸 도면이다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
이하 본 발명에 따른 각 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 하나의 예에 불과하고, 본 발명이 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 특히 본 발명은 각 실시예에 포함되는 개별 기능 또는 개별 단계 중 적어도 어느 하나 이상의 조합으로 구성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법에 의해 제조된 연마 패드(100)의 단면도이고, 도 2는 연마 패드(100)를 이용하여 실리콘 웨이퍼(7)를 연마하는 회전형 연마 장치(1)를 나타내고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 연마 패드(100)는 지지층(110) 및 연마층(120)으로 구성된다.
지지층(110)은 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 연마 패드(100)가 연마 장치(1)의 플레이튼(3)에 부착되도록 하는 부분이다. 지지층(110)은 플레이튼(3)과 대향하는 헤드(5)에 로딩되어 있는 피연마 대상인 실리콘 웨이퍼(7)를 가압하는 힘에 대하여 복원성을 갖는 물질로 구성됨으로써, 그 위에 형성되어 있는 연마층(120)을 실리콘 웨이퍼(7)에 대응하여 균일한 탄성력으로 지지하는 역할을 수행한다.
따라서 주로 비다공성의 고체 균일 탄성체 재질로 이루어지며, 그 위에 형성되는 연마층(120)보다 경도가 낮음이 바람직하다.
또한, 지지층(110)은 적어도 일부가 투명 또는 반투명하여 피연마대상 표면(160)의 평탄도를 검출하기 위해 사용되는 광빔의 투과가 가능하도록 구성될 수도 있다.
도 2에서는 금속, 절연층 등의 피연마막이 형성되어 있는 웨이퍼(7)를 피연마 대상으로 예시하였으나, TFT-LCD가 형성될 기판, 유리 기판, 세라믹 기판, 폴리머 플라스틱 기판 등 다양한 기판이 피연마 대상으로 사용 가능함은 물론이다. 그리고 경우에 따라서는 지지층(110) 없이도 연마 패드(100)가 구성될 수도 있다.
또한 도 2에서는 회전형 연마 장치(1)에 적합하도록 연마 패드(100)의 모양이 원형인 경우를 도시하였으나, 연마 장치(1)의 형태에 따라 직사각형, 정사각형 등의 다양한 형태로 변형이 가능함은 물론이다.
연마층(120)은 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 피연마 대상인 웨이퍼(7)와 직접 접촉하는 부분이다. 연마층(120)은 소정의 연마층(120) 형성 물질을 혼합 또는 화학적 결합에 의해 이루어질 수 있다. 즉, 연마층(120)을 형성하는 폴리머 매트릭스(130)는 기 공지된 다양한 구성물로 이루어져 있는데, 공지된 재질 및 형성 물질에 대한 설명은 일부 생략할 수 있고, 본원 발명의 특징에 해당하는 부분을 위주로 설명한다.
폴리머 매트릭스(130)는 평탄화를 위한 화학 용액인 연마 슬러리(13)에 불용성인 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 예컨대, 도 2와 같이, 연마 장비(1)의 노즐(11)을 통해 공급되는 연마 슬러리(13)가 침투할 수 없는 물질로 형성될 수 있다.
이러한 폴리머 매트릭스(130)는 폴리머 매트릭스 형성용 물질간의 화학적 결합 또는 물리적 혼합에 의해 형성될 수 있다.
여기서 폴리머 매트릭스 형성용 물질은 폴리우레탄, 폴리에테르, 폴리에스테르, 폴리술폰, 폴리아크릴, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 클로라이드, 폴리에틸렌 이민, 폴리에테르 술폰, 폴리에테르 이미드, 폴리케톤, 멜라민, 나일론 및 불화탄화수소로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 혼합물에 해당할 수 있다.
폴리알킬렌글리콜 화합물은 물 또는 활성수소를 포함하는 화합물에 알킬렌옥사이드가 부가된 형태의 화합물로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
본원발명에서는 특히, 4가 이상의 관능기 즉, 4가 이상의 수산기(-OH)를 가진 폴리머(일 예로, 폴리프로필렌글리콜)을 혼합하여 폴리머 매트릭스(130)를 생성하는 특징이 있다.
이 경우 2가 또는 3가 관능기를 가진 폴리프로필렌글리콜만을 혼합하는 종래의 경우와 비교하여 비용대비 탁월한 연마 패드(100) 성능의 향상을 가져올 수 있다.
예를 들어 연마층(120)이 폴리우레탄으로 이루어진 경우, 종래의 방식에 의해 생성되는 폴리우레탄 구조는 도 3(c')와 같이 ~C-O 분자의 반복적인 2차원 결합이 많아 상대적으로 플랙서블(flexible)한 특성을 나타내었다.
그러나 본원발명과 같이 4가 이상의 관능기를 가진 폴리프로필렌글리콜(도 3(a) 참조)을 혼합하여 폴리우레탄을 형성하는 경우, 그 형성된 폴리우레탄 구조는 도 3(c)와 같이 높은 가교도를 가진 3차원 구조 더 나아가 망상구조를 가지게 되어 종래와 비교할 때 훨씬 강직한 특성을 나타낸다.
이때, 4가 이상의 수산기를 가진 폴리머는 생성되는 우레탄 예비중합체의 질량을 기준으로 1% ~ 30% 함량으로 포함되도록 함이 바람직하다.
예를 들어 2가 수산기를 가진 폴리머, 3가 수산기를 가진 폴리머, 4가 이상의 수산기를 가진 폴리머를 혼합하여 우레탄 예비중합체를 형성하는 경우, 4가 이상의 수산기를 가진 폴리머의 중량 비율을 우레탄 예비중합체의 1% ~ 30%가 되도록 하여 혼합하는 것이다.
4가 이상의 수산기를 가진 폴리머의 중량 비율이 전체 우레탄 예비중합체의 1%보다 더 작은 경우에는 4가 이상의 수산기를 가진 폴리머에 의한 3차원 결합 발생 가능성이 급격히 떨어져 결국 가교도 향상에 큰 영향을 미치지 못하고, 또한 4가 이상의 수산기를 가진 폴리머의 중량 비율이 전체 우레탄 예비중합체의 30%보다 더 큰 경우에는 4가 플렉시블한 연마체의 물성이 상당히 줄어들어 오히려 연마층 생성 공정 중에서 해당 우레탄 예비 중합체를 제어하는 것이 물리적으로 상당히 힘들어진다는 문제점이 있다.
따라서 4가 이상의 수산기를 가진 폴리머는 생성되는 전체 우레탄 예비중합체의 중량을 기준으로 1% ~ 30%가 되는 양이 혼합되도록 함이 바람직하다.
연마 패드(100) 표면(160)에 있는 포어 기공(141') 영역은 CMP 공정이 진행되면서 글래이징(glazing) 현상(높은 압력과 마찰에 의해 점차 포어 기공 주변이 마모되면서 우레탄에 의해 막히고 포어가 뭉개지는 현상)이 일어나는데 본원 발명과 같이 망상 구조를 가지는 폴리우레탄의 경우 CMP가 진행되는 연마 패드(100)의 라이프타임(life time)동안 포어의 형태가 계속 일정하게 유지되도록 하는 효과가 있다.
도 4는 이러한 종래와 본원발명의 효과에 대한 비교 도면이다.
도 4(a')는 종래의 방식에 의해 생성된 연마 패드(100)의 CMP 공정 전의 표면(160) 확대 사진이고, 도 4(b')는 종래의 방식에 의해 생성된 연마 패드(100)의 CMP 공정 후의 표면(160) 확대 사진이다.
또한, 도 4(a)는 본 발명에 따른 방식에 의해 생성된 연마 패드(100)의 CMP 공정 전의 표면(160) 확대 사진이고, 도 4(b)는 본 발명의 방식에 의해 생성된 연마 패드(100)의 CMP 공정 후의 표면(160) 확대 사진이다.
도 4(b')와 도 4(b)를 비교해보면, 본 발명에 따라 4가 이상의 관능기를 가진 폴리프로필렌글리콜을 혼합하여 폴리우레탄을 형성한 경우, 종래와 비교할 때 CMP 공정 후에도 연마 패드(100) 표면(160)의 포어에 의한 기공(141') 형태가 유지되고 그 포어 기공(141')에 글래이징(glazing)이 발생되지 않는 특징이 확인할 수 있다.
즉, CMP 공정에서 연마 패드(100)가 사용되는 라이프타임(life time) 동안에는 연마성능이 일정하게 유지되어야 하는데 연마 패드(100) 상의 포어가 막히고 글래이징(glazing)이 되면 점차 연마 성능이 저하되어 결국 연마 패드(100)의 사용시간이 제한되는데 문제가 발생하는데, 본 발명과 같이 포어의 형태가 지속 유지되면 연마 패드(100)의 연마성능이 저하되지 않고 일정하게 유지되므로 결국 연마 패드(100)의 라이프타임 향상 효과를 가져오고, 이에 따라 연마 패드(100) 교체 비용을 절감할 수 있게 된다.
또한, 폴리머 매트릭스(130)를 생성하는 중간 과정에 폴리머 예비 중합체가 생성되는데, 이러한 폴리머 예비 중합체의 점도는 20,000cps(25℃) ~ 40,000cps(25℃)로 하는 것이 바람직하다.
이러한 폴리머 예비 중합체의 점도는 후술하는 바와 같이 연마층(120) 내의 다공성 포어를 생성하기 위한 불활성 기체 및 저비점 발포제와 더불어 생성되는 포어 사이즈를 결정하는 것으로서, 이에 대한 상세한 설명은 후술토록 한다.
이러한 연마층(120)은 다공성 포어를 포함할 수 있는데, 이러한 다공성 포어는 후술하는 바와 같이 불활성 기체와 저비점 발포제를 혼합함으로써 생성된 것이고, 다른 조건이 동일한 경우 불활성 기체와 저비점 발포제의 혼합 비율에 의해 그 포어 사이즈에 대한 컨트롤이 이루어질 수 있다.
이렇게 연마층(120) 내에는 다공성 포어가 포함될 수 있는데, 웨이퍼(7)와 직접적으로 접촉하는 연마층(120) 표면(160)에는 이러한 다공성 포어(141)에 의해 정의되고 개방된 다수의 미세 기공들(141')이 배열되게 된다.
여기서, 기공(141')이 각 다공성 포어(141)에 의해 정의되고 개방되었다는 의미는, 연마층(120) 내에 포함되었던 불활성 기체 및 저비점 발포제에 의한 다공성 포어가 외부로 누출됨에 따라 해당 불활성 기체와 저비점 발포제에 의한 포어 영역이 기공(141')으로 남아 외부로부터 소정 물질들을 포획가능하게 되었음을 의미하는 것이다.
연마공정 중에 연마 패드(100)가 마모됨에 따라 임베디드된 다공성 포어들(141)은 연속적으로 연마층(120) 표면(160)으로 노출되어 기공(141')을 형성하고 이는 연마 슬러리(13)에 의해 치환된다. 따라서 연마표면(160)에는 연마층(120) 재료인 폴리머 매트릭스(130)만이 존재하므로 연마 패드(100)의 불균일 마모가 일어나지 않고 피연마 대상인 실리콘 웨이퍼(7)를 균일하게 연마할 수 있다.
본 발명에서, 연마 패드(100)에 포함되는 다공성 포어는 상술한 바와 같이 불활성 기체와 저비점 발포제에 의해 생성된 것이다.
여기서 불활성 기체는 원자가가 '0'이어서 화학적으로 안정된 기체를 의미할 수 있는데, 헬륨(He), 네온(Ne), 알곤(Ar), 크립톤(Kr), 제논(Xe), 라돈(Rn) 등이 이러한 불활성 기체에 포함된다. 더 나아가 불활성 기체는 주기율표상 8족 원소 이외에도 N2 등과 같이 폴리머 매트릭스(130)와 반응하지 않는, 예를 들어 우레탄 반응에 참여하지 않는 기체면 모두 해당한다.
그리고 발포제는 소정의 원료에 혼합되어 열에 의한 기화 또는 반응에 의해 다량의 기포를 발생시키는 것으로서, 크게는 화학적 발포제와 물리적 발포제로 구분될 수 있다.
화학적 발포제는 아이소사이아네이트기(基)의 활성을 이용해 물 등과의 반응으로 생기는 이산화탄소에서 발포하기 때문에 물이 발포제로 쓰이고, 물리적 발포제는 기체를 혼입하거나 분해형 또는 증발형 발포제를 사용해 반응열을 일으킴으로써 기포를 형성하기 때문에 고분자반응에는 참여하지 않는 것이다. 이러한 발포제의 종류 및 특징은 기 공지된 것에 불과하므로 보다 상세한 설명은 생략한다.
본원발명에서는 이러한 발포제 중 비점이 60℃ ~ 150℃인 저비점 발포제를 이용하는 것이 또 다른 특징인데, 이에 대한 보충 설명은 후술토록 한다.
그런데 연마 패드(100) 내의 포어 사이즈는 균일하게 생성되는 것이 바람직하고, 또한 최근 반도체 분야에서의 미세 공정 등을 위해서는 마이크로 단위의 미세한 포어 사이즈(특히, 31um 이하)를 생성하는 것이 바람직하다.
즉, 종래의 알려진 기술 또는 일반적으로 생각할 수 있는 방식에 의해서는 이러한 요구사항을 모두 충족시키지 못하고 있는 실정인데, 본원발명에서는 상술한 구성에 의해 이러한 요구사항을 모두 충족시키고 있다.
본원발명에 따른 연마 패드(100) 제조 방법의 일 예와 그에 따른 효과를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 복수의 폴리머를 혼합하여 점도 20,000cps(25℃) ~ 40,000cps(25℃)의 우레탄 예비중합체를 생성한다.
우레탄 예비중합체를 생성하는 그 자체는 일반적인 기술에 해당하나, 본 실시예에서는 그 생성되는 우레탄 예비중합체의 점도가 20,000cps(25℃) ~ 40,000cps(25℃)가 되도록 하는데 특징이 있다.
특히, 4가 이상의 관능기를 가진 폴리프로필렌글리콜을 혼합하여 우레탄 예비중합체를 생성함으로써, 생성된 우레탄 예비중합체와 경화제의 혼합에 의해 3차원 결합 구조의 폴리우레탄을 형성한다. 3차원 결합 구조에 따른 효과는 앞서 설명한 바와 같다.
이어서, 그 우레탄 예비중합체에 불활성 기체와 비점이 60℃ ~ 150℃인 저비점 발포제를 혼합한다.
이때, 불활성 기체와 저비점 발포제의 혼합 비율은, 생성되는 혼합물의 전체 부피를 기준으로 불활성 기체가 5% ~40%가 되도록 하고, 저비점 발포제가 0.1% ~ 10%가 되도록 한다.
이어서, 겔화 및 경화 반응을 진행한다(S110). 즉, 혼합물을 소정 형상의 주형 내부에 주입하여 겔화 및 경화 과정을 통하여 고체화한다. 이때 겔화 반응은 80 내지 90도 에서 5 내지 30분간 진행하고, 경화 반응은 80 내지 120도에서 20 내지 24시간 진행되도록 할 수도 있지만, 구체적인 공정 온도 및 시간은 최적 조건을 찾기 위해 다양하게 변화될 수 있음은 물론이다.
마지막으로, 소정 형상으로 경화된 결과물을 가공한다(S120). 가공은 탈형, 재단, 표면(160)가공처리 및 세정 과정 등을 포함한다. 먼저, 경화된 반응물을 주형에서 꺼내어 소정 두께와 모양 및 형상을 갖도록 절단한다. 생산성의 향상을 위해 주물 및 압출 성형 등의 폴리머 시트(sheet) 제조 분야의 당업계에 공지된 임의의 방법에 의해서 연마층(120)을 시트상으로 형성할 수 있음은 물론이다. 그리고 연마층(120)의 표면(160)에는 연마 슬러리(13)가 연마층(120)의 작업 표면(160)에 골고루 공급되도록 할 수 있는 다양한 형태의 그루브를 형성하는 것이 바람직하다.
그 후, 세정 공정을 거쳐 연마층(120)을 완성한다. 세정 공정시 연마층(120) 표면(160)의 액상 미소요소(141)가 용출되어 연마층(120) 표면(160)에 개방된 기공(141')이 분포되게 된다. 이때, 용출된 액상 미소요소(141)가 연마층(120) 표면(160)에 잔류하지 않도록 하는 세정액을 사용하여 세정 공정을 진행하는 것이 바람직하다.
연마층(120)만으로도 연마 패드(100)를 완성할 수도 있으나, 필요에 따라서는 연마 패드(100) 제조 공정 분야에서 널리 알려진 방법에 의해 지지층(110)을 제조하고 지지층(110)과 연마층(120)을 결합시켜 연마 패드(100)를 완성할 수도 있다.
이에 따라 생성된 연마층(120) 내에는 종래와 비교할 수 없는 미세하고 균일한 사이즈의 포어가 생성될 수 있다.
도 5는 불활성 기체 5%, 발포제 10%, 발포제 비점 60도일때의 우레탄 예비 중합체 점도에 따른 포어(연마층(120) 내에 생성되는 포어) 사이즈를 나타낸 것이고, 도 6은 우레탄 예비중합체 점도 20,000 cps(25℃), 불활성 기체 5%, 발포제 10% 일때의 발포제 비점에 따른 포어 사이즈를 나타낸 것이며, 도 7은 불활성 기체 함량에 따른 포어 사이즈를 나타낸 것이다.
도 5를 살펴보면 우레탄 예비 중합체의 점도가 4,000 cps 일 때 생성되는 평균 포어 사이즈는 180um이고, 10,000 cps 일 때는 80um, 15,000 cps 일 때는 45um, 20,000 cps 일 때는 31um, 30,000 cps 일 때는 26um, 40,000 cps 일 때는 26um, 52,000 cps 일 때는 25um임을 알 수 있다.
즉, 우레탄 예비중합체의 점도가 20,000cps(25℃)보다 높을 때 30um 이하의 포어가 생성됨을 알 수 있다.
또한 우레탄 예비중합체의 점도가 40,000cps(25℃) 이상일 때는 과중한 점도로 인해 실질적으로 제어하기가 쉽지 않은 문제점이 있고, 이를 이러한 과도한 점성을 가지는 우레탄 예비중합체를 제어하기 위해서는 설비적 비용이 상당히 증가하므로, 우레탄 예비중합체의 점도는 40,000cps(25℃) 이하인 것이 바람직하다.
도 6을 살펴보면 발포제 비점이 40℃일 때 생성되는 포어 사이즈의 평균이 60um이고, 발포제 비점이 60℃일 때는 31um, 발포제 비점이 80℃일 때는 28um, 발포제 비점이 100℃일 때는 26um, 발포제 비점이 120℃일 때는 24um, 발포제 비점이 150℃일 때는 21um가 됨을 알 수 있다.
즉, 발포제 비점이 60℃ 이상인 경우 30um 이하의 포어가 생성됨을 알 수 있다. 발포제 비점이 150℃ 이상인 경우에는 발포 속도의 저하로 인해 반응시간이 상당히 길어지고 발포에 의해 생성되는 포어 개수가 줄어들어 연마패드의 슬러리 포집 효율을 떨어뜨리는 문제점이 있다.
따라서 150℃이하의 비점을 가지는 발포제를 이용함이 바람직하다.
그리고 도 7을 살펴보면 불활성 기체와 저비점 발포제의 비율이 달라짐에 따라 포어 사이즈가 변동되고 있음을 알 수 있는데, 불활성 기체가 5% 이상이고 저비점 발포제가 10% 이하인 경우가 되어야 31um 이하의 포어가 생성됨을 알 수 있다. 여기서 불활성 기체의 부피 비율이 30%를 넘어서는 경우 연마패드의 비중이 낮아져서 연마패드 고유의 기능 즉 연마 기능에 있어서의 연마 효율을 떨어뜨리는 문제점이 있다. 따라서 불활성 기체의 부피 비율은 30%를 넘지 않아야 한다.
또한 저비점 발포제는 최소 0.1% 이상의 부피 비율로 혼합되어야 하는데, 만일 저비점 발포제의 혼합 부피 비율이 0.1%보다 작은 경우에는 마치 불활성 기체만 존재하는 경우와 같이 균일하고 미세한 포어가 생성되지 않는 문제점이 있다.
즉, 이 경우에는 31um 초과의 포어들이 주로 생성되므로, 저비점 발포제의 혼합 부피 비율은 최소한 0.1% 이상이 되어야 한다.
이하에서는 본 발명에 따른 구체적인 실험예를 비교를 통하여 설명하며, 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 설명을 생략한다. 물론 이하의 실험예들에 의해 본 발명의 범주가 제한되는 것은 아니다.
<실험예 1>
200kg 반응기에 폴리테트라메칠렌글리콜(분자량 1000) 70kg, 폴리프로필렌글리콜 (분자량 1000) 30kg, 톨루엔디이소시아네이트 60kg을 투입하고 70 ~ 80℃의 온도에서 4 ~ 5시간 반응시키며 최종 제품의 NCO함량을 9.0%로 하는 이소시아네이트예비중합체를 제조하였다.
제조된 이소시아네이트 예비중합체의 점도는 35,000 cps (25℃)였다.
<실험예 2>
200kg 반응기에 폴리테트라메칠렌글리콜 (분자량 1000/800 =8/2) 80 kg, 폴리프로필렌글리콜 (분자량 1000/2000 = 5/5, f=4) 20kg, 톨루엔디이소시아네이트 67kg을 투입하고 70 ~ 80℃의 온도에서 4 ~ 5시간 반응시키며 최종 제품의 NCO함량을 9.0%로 하는 이소시아네이트 예비중합체를 제조하였다. 제조된 이소시아네이트 예비중합체의 점도는 30,000 cps (25℃)였다.
<실험예 3>
Casting Machine을 이용하여 실험예 1의 이소시아네이트 예비중합체 100kg과 MOCA 29 kg, 불활성 기체를 5000rpm의 Mixing head를 거쳐 토출하여준다. 이 때 불활성기체인 N2 gas를 부피비로 30% Mixing Head로 투여해 준다.
이 후 혼합물은 곧 바로 사각의 주형에 주입한다. 주입된 반응액은 1분의 TFT 를 가지며 30분 동안 겔화시킨 후 100℃ 오븐에서 20시간 동안 경화시킨다.
제조된 경화물을 주형에서 꺼내어 표면(160)을 재단하여 연마 패드(100)의 연마층(120)을 제조하였다.
연마층(120) 표면(160)의 평균 포어 사이즈는 대략 40 um 이상이며, 포어 이미지는 도 8(a)와 같다. 이는 종래 방식에 의해 생성된 것이고, 이렇게 제조된 연마 패드(100)의 연마 성능, 라이프 타임 등은 도 9 내지 도 10에 나타나 있다.
참고로 도 9 내지 도 10에는 본 실험예 3 이외에도 종래의 방식에 의해 고상 캡슐 포어, 액상 포어를 포함한 연마 패드(100)의 성능 데이터도 함께 제시하고 있다.
<실험예 4>
Casting Machine을 이용하여 실험예 2의 이소시아네이트 예비중합체 100kg과 MOCA 29kg, 불활성 기체와 저비점 발포제를 5000rpm의 Mixing head를 거쳐 토출하여준다. 이 때 불활성기체인 N2 gas를 부피비로 10%, 저비점 발포제는 8%로 Mixing Head로 투여해 준다.
이 후 혼합물은 곧 바로 사각의 주형에 주입한다. 주입된 반응액은 1분의 TFT 를 가지며 30분 동안 겔화시킨 후 100℃ 오븐에서 20시간 동안 경화시킨다. 제조된 경화물을 주형에서 꺼내어 표면(160)을 재단하여 연마 패드(100)의 연마층(120)을 제조하였다.
연마층(120) 표면(160)의 평균 포어 사이즈는 29um 이며, 포어 이미지는 도 8(b) 및 도 11에 나타나 있다. 도 8(b)를 도 8(a)와 비교해 보면 포어의 평균 사이즈가 더 작음은 물론이고, 그 크기 변화가 상당히 균일함을 알 수 있다. 즉, 도 8(b)과 같이 종래 방식에 의하더라도 개별 포어 중 사이즈가 31um 이하게 되는 포어가 생성될 수는 있지만 포어들의 크기가 균일하지 않고 상당히 큰 포어도 생성됨으로써 결국 평균 사이즈도 커짐을 알 수 있다.
즉, 생성되는 포어의 평균 사이즈가 31um 이하가 되고 최대한 균일하도록 하는 것은 본 발명에 따른 특정 조건이 만족되는 경우에만 가능한 것이다.
<실험예 5>
Casting Machine을 이용하여 실험예 2의 이소시아네이트 예비중합체 100kg과 MOCA 29kg, 불활성 기체와 저비점 발포제를 5000rpm의 Mixing head를 거쳐 토출하여준다. 이 때 불활성기체인 N2 gas를 부피비로 15%, 저비점 발포제는 6%로 Mixing Head로 투여해 준다.
이 후 혼합물은 곧 바로 사각의 주형에 주입한다. 주입된 반응액은 1분의 TFT 를 가지며 30분 동안 겔화시킨 후 100℃ 오븐에서 20시간 동안 경화시킨다. 제조된 경화물을 주형에서 꺼내어 표면(160)을 재단하여 연마 패드(100)의 연마층(120)을 제조하였다.
연마층(120) 표면(160)의 평균 포어 사이즈는 27 um 이며, 포어 이미지는 도 11에 나타난 바와 같다. 연마 성능과 라이프 타임 성능은 도 9 내지 도 10에 나타내었다.
<실험예 6>
Casting Machine을 이용하여 실험예 2의 이소시아네이트 예비중합체 100kg과 MOCA 29kg, 불활성 기체와 저비점 발포제를 5000rpm의 Mixing head를 거쳐 토출하여준다. 이 때 불활성기체인 N2 gas를 부피비로 18%, 저비점 발포제는 4%로 Mixing Head로 투여해 준다.
이 후 혼합물은 곧 바로 사각의 주형에 주입한다. 주입된 반응액은 1분의 TFT를 가지며 30분 동안 겔화시킨 후 100℃ 오븐에서 20시간 동안 경화시킨다. 제조된 경화물을 주형에서 꺼내어 표면(160)을 재단하여 연마 패드(100)의 연마층(120)을 제조하였다.
연마층(120) 표면(160)의 평균 포어 사이즈는 24 um 이며, 포어 이미지는 도 11에 나타난 바와 같다.
<실험예 7>
Casting Machine을 이용하여 실험예 2의 이소시아네이트 예비중합체 100kg과 MOCA 29kg, 불활성 기체와 저비점 발포제를 5000rpm의 Mixing head를 거쳐 토출하여준다. 이 때 불활성기체인 N2 gas를 부피비로 20%, 저비점 발포제는 2.0%로 Mixing Head로 투여해 준다.
이 후 혼합물은 곧 바로 사각의 주형에 주입한다. 주입된 반응액은 1분의 TFT를 가지며 30분 동안 겔화시킨 후 100℃ 오븐에서 20시간 동안 경화시킨다. 제조된 경화물을 주형에서 꺼내어 표면(160)을 재단하여 연마 패드(100)의 연마층(120)을 제조하였다.
연마층(120) 표면(160)의 평균 포어 사이즈는 21 um 이며, 포어 이미지는 도 11)에 나타난 바와 같다.
도 9 내지 도 10에 나타난 Ceria Slurry, W slurry 공정에 대한 연마 성능 및 라이프 타임 평가 결과를 보면, 본 발명에 따라 저비점 발포제와 불활성 기체의 혼용으로 구성된 연마 패드(100)가 기존의 방식으로 제조된 패드와 비교할 때 우수한 연마특성을 보이고 라이프 타임에서도 성능이 일정하게 유지되는 우수한 특성을 보이고 있음을 알 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 방식에 의해 연마패드 내의 포어 사이즈를 작고 균일하게 생성할 수 있어 포어와 포어 사이 거리를 단축할 있으며, 도 12(a)에 도시된 바와 같이 종래의 불활성 기체 하나만 사용하는 경우와 비교하여 본 발명에 따라 비활성 가스와 발포제를 동시에 사용한 경우 표면 거칠기 파라미터 상에서 Rsm값을 낮추어 연마 패드의 CMP 성능 향상을 기대할 수 있게 되었다.
이렇게 낮아진 Rsm 값은 도 12(b)에 도시된 바와 같이 CMP 공정 중 발생하는 Pad Wear Debris size를 줄이고 도 12(c)에 도시된 바와 같이 Defect 및 Scratch 감소로 반도체 생산 수율을 증가시키게 한다. 도 12(b)와 도 12(c)에서 '혼용 pore' 가 바로 본 발명에 따른 방식으로 불활성 기체와 발포제를 동시에 이용한 경우를 의미한다.
상술한 실험예들에서 불활성 기체와 저비점 발포제를 혼합하는 상태의 온도는 60℃ ~ 150℃ 범위 중에서 선택될 수도 있다.
한편, 본 발명은 상기한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 변형 및 수정하여 실시할 수 있는 것이다.
이러한 변형 및 수정이 첨부되는 특허청구범위에 속한다면 본 발명에 포함된다는 것은 자명할 것이다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 연마패드 내에 생성되는 포어의 사이즈가 31um 이하가 되도록 할 수 있어, 10nm 급으로 미세화된 반도체 공정에 부합하는 CMP 공정이 이루어질 수 있다.
또한 포어 사이즈의 크기 변화가 최소화 즉, 포어들이 상당히 균일한 사이즈를 갖게 됨으로써, 연마패드의 성능의 신뢰성을 담보하는 효과도 있다.

Claims (6)

  1. (a) 복수의 폴리머를 혼합하여 점도 20,000cps(25℃) ~ 40,000cps(25℃)의 우레탄 예비중합체를 생성하는 단계와;
    (b) 상기 (a) 단계의 우레탄 예비중합체에 불활성 기체와 비점이 60℃ ~ 150℃인 저비점 발포제를 혼합하는 단계와;
    (c) 상기 (b) 단계를 통해 생성된 혼합물을 소정의 주형에서 겔화 및 경화시켜 다공성 포어를 포함하는 연마층을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 패드의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서는 상기 (b) 단계에서 생성되는 혼합물의 전체 부피를 기준으로 5% ~ 30%의 불활성 기체와, 0.1% ~ 10%의 저비점 발포제를 상기 (a) 단계의 우레탄 예비중합체에 혼합하여 생성되는 포어들의 평균적인 사이즈가 31um 이하가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 연마 패드의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서는 4가 이상의 수산기를 가진 폴리머를 혼합하여 상기 우레탄 예비중합체를 생성하고,
    생성된 우레탄 예비중합체와 경화제의 혼합에 의해 3차원 결합 구조의 폴리우레탄을 형성하여 단계를 더 포함하여 글래이징 현상 발생을 억제한 연마층을 생성하는 것을 특징으로 하는 연마 패드의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 우레탄 예비중합체를 생성하기 위해 혼합하는 폴리머는 폴리프로필렌글리콜, 폴리우레탄, 폴리에테르, 폴리에스테르, 폴리술폰, 폴리아크릴, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 클로라이드, 폴리에틸렌 이민, 폴리에테르 술폰, 폴리에테르 이미드, 폴리케톤, 멜라민, 나일론 및 불화탄화수소로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 연마 패드의 제조방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 4가 이상의 수산기를 가진 폴리머는 생성되는 우레탄 예비중합체의 질량을 기준으로 1% ~ 30% 함량으로 포함되는 것을 특징으로 하는 연마 패드의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연마층을 가공하여 표면에 상기 다공성 포어의 개방에 의한 기공들을 분포시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 패드의 제조방법.
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