KR101399520B1 - 연마 패드 및 그 제조 방법, 및 반도체 디바이스의 제조 방법 - Google Patents

연마 패드 및 그 제조 방법, 및 반도체 디바이스의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 연마 대상물의 표면에 발생하는 미소(微小) 파형(undulation)을 저감시킬 수 있는 연마 패드 및 그 제조 방법, 및 반도체 디바이스의 제조 방법을 제공한다. 열경화성 폴리우레탄 발포체로 이루어지는 연마층을 가지는 연마 패드에 있어서, 말단 수산기 중 적어도 1개가 2급 수산기이며, 또한 수산기가(水酸基價)가 150∼1000 mgKOH/g인 3관능 폴리올을, 상기 활성 수소 함유 화합물 100 중량부 중, 10∼50 중량부 함유하는 활성 수소 함유 화합물과 이소시아네이트 성분을 원료 성분으로서 함유하는 열경화성 폴리우레탄 발포체를 사용함으로써, 연마면 측으로부터 측정한 연마층의 마이크로 고무 A 경도의 면내 불균일도를 12 이하로 한다.

Description

연마 패드 및 그 제조 방법, 및 반도체 디바이스의 제조 방법{POLISHING PAD AND PRODUCTION METHOD THEREFOR, AND PRODUCTION METHOD FOR SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 렌즈, 반사 미러 등의 광학 재료나 실리콘 웨이퍼, 하드디스크용 유리 기판, 알루미늄 기판, 및 일반적인 금속 연마 가공 등의 고도의 표면 평탄성이 요구되는 재료의 평탄화 가공을, 안정적이면서도, 높은 연마 효율로 행할 수 있는 연마 패드 및 그 제조 방법, 및 반도체 디바이스의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 연마 패드는, 특히 실리콘 웨이퍼나 유리의 마무리 연마에 유용하다.
일반적으로, 실리콘 웨이퍼 등의 반도체 웨이퍼, 렌즈, 및 유리 기판 등의 경면(鏡面) 연마에는, 평탄도 및 면내 균일도의 조정을 주목적으로 하는 조연마(粗硏磨)와 표면 거칠기의 개선 및 스크래치의 제거를 주목적으로 하는 마무리 연마가 있다.
마무리 연마는, 통상, 회전 가능한 정반(surface plate) 상에 연질인 발포 폴리우레탄으로 이루어지는 스웨이드조(suede like)의 인공 피혁을 부착하고, 그 위에 알칼리 베이스 수용액에 콜로이달 실리카를 함유한 연마제를 공급하면서, 웨이퍼를 문지름으로써 행해진다(하기 특허 문헌 1).
그러나, 마무리 연마용으로서 사용하는 발포 폴리우레탄으로 이루어지는 연마층의 평탄성이 낮으면 연마 대상물의 표면에 미소(微小) 파형(undulation)이 발생하는 문제가 생긴다. 이 미소 파형은, 최근의 마무리 연마 분야에 있어서 특히 문제시되고 있으며, 미소 파형을 더욱 저감시킬 수 있는 연마 패드가 시장에서 강하게 요구되고 있다.
본 발명자들은, 관능기수가 3∼8이면서 수산기가(水酸基價)가 400∼1830 mgKOH/g인 저분자량 폴리올 및/또는 관능기수가 3∼8이면서 아민가가 400∼1870 mgKOH/g인 저분자량 폴리아민을 1∼20 중량% 함유하는 활성 수소 함유 화합물과 이소시아네이트 성분을 원료 성분으로서 함유하는 열경화성 폴리우레탄으로 이루어지는 연마층을 가지는 연마 패드를 제안하고 있다(특허 문헌 2). 이러한 연마 패드는, 내구성과 셀프드레싱성이 우수한 점이 특징이지만, 한편으로는 연마 대상물의 미소 파형에 대해서는, 더욱 개량의 여지가 있는 것으로 판명되었다.
하기 특허 문헌 3에서는, 연마 패드의 마이크로 고무 A 경도값이 아스카 C 경도값보다 12 이상 작고, 또한 아스카 C 경도값이 60 이상인 경우, 연마 패드의 연마 가공 능률과 평탄성을 높은 레벨로 양립할 수 있는 점에 대하여 기재하고 있다. 그러나, 전술한 문헌에서는 연마 패드를 구성하는 폴리우레탄 발포체의 구체적인 배합·조성을 개시하고 있지 않으며, 그리고 본 발명자들이 검토한 결과, 단지 연마 패드의 마이크로 고무 A 경도값과 아스카 C 경도값의 관계를 최적화하는 것만으로는, 전술한 미소 파형의 저감 효과를 얻을 수 없는 것으로 판명되었다
일본 특허출원 공개번호 2003-37089호 공보 일본 특허 제4237800호 공보 일본 특허출원 공개번호 2008-207319호 공보
본 발명은 전술한 실정을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은, 연마 대상물의 표면에 발생하는 미소 파형을 저감시킬 수 있는 연마 패드 및 그 제조 방법, 및 반도체 디바이스의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명자들은, 상기 과제를 해결하고자, 연마면 측으로부터 측정한 연마층의 마이크로 고무 A 경도의 면내 불균일도에 착안하여 검토를 거듭한 결과, 마이크로 고무 A 경도의 면내 불균일도를 12 이하로 조정함으로써, 연마 패드의 표면을 균일하게 하여, 연마 대상물의 표면에 발생하는 미소 파형을 저감시킬 수 있는 것을 발견하였다. 또한, 연마층의 마이크로 고무 A 경도의 면내 불균일도를 12 이하로 하기 위한 배합·조성에 대하여 검토한 결과, 하기와 같은 배합·조성에 의해 달성 가능한 것을 발견하였다.
즉, 본 발명에 따른 연마 패드는, 열경화성 폴리우레탄 발포체로 이루어지는 연마층을 가지는 연마 패드에 있어서, 연마면 측으로부터 측정한 상기 연마층의 마이크로 고무 A 경도의 면내 불균일도가 12 이하이며, 상기 열경화성 폴리우레탄 발포체가, 이소시아네이트 성분과 활성 수소 함유 화합물을 원료 성분으로서 함유하고, 상기 활성 수소 함유 화합물은, 말단 수산기 중 적어도 1개가 2급 수산기이며, 또한 수산기가가 150∼1000 mgKOH/g인 3관능 폴리올을, 상기 활성 수소 함유 화합물 100 중량부 중, 10∼50 중량부 함유하는 것을 특징으로 한다.
상기 연마 패드의 연마층을 구성하는 열경화성 폴리우레탄 발포체는, 말단 수산기 중 적어도 1개가 2급 수산기이며, 또한 수산기가가 150∼1000 mgKOH/g인 3관능 폴리올을 10∼50 중량부 함유하는 활성 수소 함유 화합물과 이소시아네이트 성분을 원료 성분으로서 함유한다. 이러한 원료 성분으로부터 얻어진 열경화성 폴리우레탄 발포체로 연마층을 구성함으로써, 연마면 측으로부터 측정한 연마층의 마이크로 고무 A 경도의 면내 불균일도를 12 이하로 조정할 수 있다. 그 결과, 상기 연마 패드에서는, 연마 대상물의 표면에 발생하는 미소 파형을 저감시킬 수 있다. 이와 같은 효과가 얻어지는 이유는 분명하지 않지만, 이러한 3관능 폴리올을 통하여 열경화성 폴리우레탄 중에 3차원 가교 성분을 도입하는 것이, 연마층의 마이크로 고무 A 경도의 면내 불균일도를 12 이하로 하는 것과 관계가 있는 것으로 추측된다.
상기 연마 패드에 있어서, 상기 활성 수소 함유 화합물은, 말단 수산기 중 적어도 1개가 2급 수산기이며, 또한 수산기가가 1000∼1500 mgKOH/g인 2관능 폴리올을, 상기 활성 수소 함유 화합물 100 중량부 중, 0∼20 중량부 함유하는 것이 바람직하다. 사슬 연장제로서, 전술한 2관능 폴리올을 사용함으로써, 연마면 측으로부터 측정한 연마층의 마이크로 고무 A 경도의 면내 불균일도를 보다 저감시킬 수 있다. 그 결과, 상기 연마 패드에서는, 연마 대상물의 표면에 발생하는 미소 파형을 보다 저감시킬 수 있다.
상기 연마 패드에 있어서, 상기 열경화성 폴리우레탄 발포체가, 평균 기포 직경 20∼300 ㎛의 실질적으로 구형의 기포를 가지는 것이 바람직하다. 평균 기포 직경 20∼300 ㎛의 실질적으로 구형의 기포를 가지는 열경화성 폴리우레탄 발포체로 연마층을 구성함으로써, 연마층의 내구성을 향상시킬 수 있다. 그러므로, 본 발명의 연마 패드를 사용한 경우에는, 장기간 평탄화 특성을 높게 유지할 수 있고, 연마 속도의 안정성도 향상된다. 여기서, 실질적으로 구형이란, 구형 및 타원 구형을 말한다. 타원 구형의 기포는, 장경(長徑) L과 단경(短徑) S의 비(L/S)가 5 이하이며, 바람직하게는 3 이하, 더욱 바람직하게는 1.5 이하이다.
또한, 본 발명은, 말단 수산기 중 적어도 1개가 2급 수산기이며, 또한 수산기가가 150∼1000 mgKOH/g인 3관능 폴리올을 10∼50 중량부 함유하는 활성 수소 함유 화합물과 이소시아네이트 성분을 원료 성분으로서 함유하는 기포 분산 우레탄 조성물을 기계 발포법에 의해 조제하는 공정, 면재(面材) 상에 상기 기포 분산 우레탄 조성물을 도포하는 공정, 상기 기포 분산 우레탄 조성물을 경화시킴으로써, 평균 기포 직경 20∼300 ㎛의 실질적으로 구형의 기포를 가지는 열경화성 폴리우레탄 발포체로 이루어지는 연마층을 형성하는 공정, 및 상기 연마층의 두께를 균일하게 조정하는 공정을 포함하는 연마 패드의 제조 방법에 관한 것이다. 전술한 제조 방법에 의하면, 연마 대상물의 표면에 발생하는 미소 파형이 저감된 연마 패드를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은, 전술한 것 중 어느 하나에 기재된 연마 패드를 사용하여 반도체 웨이퍼의 표면을 연마하는 공정을 포함하는 반도체 디바이스의 제조 방법에 관한 것이다.
도 1은 반도체 디바이스의 제조 방법에서 사용하는 연마 장치의 일례를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
본 발명의 연마 패드는, 열경화성 폴리우레탄 발포체(이하, 「폴리우레탄 발포체」라고도 함)으로 이루어지는 연마층을 가진다.
폴리우레탄 수지는 내마모성이 우수하며, 원료 조성을 다양하게 변경함으로써 원하는 물성을 가지는 폴리머를 용이하게 얻을 수 있고, 또한 기계 발포법(mechanical frothing method를 포함함)에 의해 실질적으로 구형의 미세 기포를 용이하게 형성할 수 있으므로 연마층의 구성 재료로서 특히 바람직한 재료이다.
폴리우레탄 수지는, 주로 이소시아네이트 성분 및 활성 수소 함유 화합물(고분자량 폴리올, 저분자량 폴리올, 저분자량 폴리아민, 사슬 연장제 등)을 함유한다.
이소시아네이트 성분으로서는, 폴리우레탄의 분야에 있어서 공지의 화합물을 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있다. 예를 들면, 2,4-톨루엔디이소시아네이트, 2,6-톨루엔디이소시아네이트, 2,2'-디페닐메탄디이소시아네이트, 2,4'-디페닐메탄디이소시아네이트, 4,4'-디페닐메탄디이소시아네이트, 폴리머릭 MDI, 카르보디이미드 변성 MDI(예를 들면, 상품명 밀리오네이트 MTL, 일본폴리우레탄공업 제조), 1,5-나프탈렌디이소시아네이트, p-페닐렌디이소시아네이트, m-페닐렌디이소시아네이트, p-크실렌디이소시아네이트, m-크실렌디이소시아네이트 등의 방향족 디이소시아네이트, 에틸렌디이소시아네이트, 2,2,4-트리메틸헥사메틸렌디이소시아네이트, 1,6-헥사메틸렌디이소시아네이트 등의 지방족 디이소시아네이트, 1,4-시클로헥산디이소시아네이트, 4,4'-디시클로헥실메탄디이소시아네이트, 이소포론디이소시아네이트, 노르보르난디이소시아네이트 등의 지환식 디이소시아네이트가 있다. 이들은 1종으로 사용해도 되고, 2종 이상을 병용해도 된다.
상기 이소시아네이트 성분 중, 방향족 디이소시아네이트를 사용하는 것이 바람직하고, 특히 톨루엔디이소시아네이트, 디페닐메탄디이소시아네이트 및 카르보디이미드 변성 디페닐메탄디이소시아네이트 중 적어도 1종을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서는, 활성 수소 함유 화합물로서 말단 수산기 중 적어도 1개가 2급 수산기이며, 또한 수산기가가 150∼1000 mgKOH/g인 3관능 폴리올을 함유하는 것이 매우 중요하다. 전술한 3관능 폴리올은, 글리세린이나 트리메틸올프로판 등의 3관능 개시제에, 당업자에게 공지된 방법에 의해 프로필렌 옥사이드(PO)를 부가시킴으로써 합성할 수 있다. 수산기가는, PO의 부가량의 변경에 따라 조정이 가능하며, 특히 150∼500 mgKOH/g로 하는 것이 바람직하다. 말단 수산기 중 적어도 1개가 2급 수산기이며, 또한 수산기가가 150∼1500 mgKOH/g인 3관능 폴리올의 함유량은, 활성 수소 함유 화합물 100 중량부 중, 15∼40 중량부로 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서는, 말단 수산기 중 적어도 1개가 2급 수산기이며, 또한 수산기가가 1000∼1500 mgKOH/g인 2관능 폴리올을, 활성 수소 함유 화합물 100 중량부 중, 0∼20 중량부 함유하는 것이 바람직하고, 5∼20 중량부로 하는 것이 더욱 바람직하며, 10∼20 중량부로 하는 것이 특히 바람직하다. 사슬 연장제로서, 전술한 2관능 폴리올을 사용함으로써, 연마면 측으로부터 측정한 연마층의 마이크로 고무 A 경도의 면내 불균일도를 더욱 저감시킬 수 있다. 말단 수산기 중 적어도 1개가 2급 수산기이며, 또한 수산기가가 1000∼1500 mgKOH/g인 2관능 폴리올로서는, 예를 들면, 1,2-프로필렌글리콜, 1,3-부탄디올, 2,3-부탄디올 등이 있다.
본 발명에 있어서는, 활성 수소 함유 화합물로서 전술한 3관능 폴리올 및 2관능 폴리올에 더하여, 고분자량 폴리올, 저분자량 폴리올, 저분자량 폴리아민, 사슬 연장제 등, 폴리우레탄의 기술 분야에 있어서, 통상적으로 사용되는 것을 사용할 수 있다.
고분자량 폴리올로서는, 예를 들면, 폴리테트라메틸렌에테르글리콜, 폴리에틸렌글리콜 등으로 대표되는 폴리에테르폴리올, 폴리부틸렌아디페이트로 대표되는 폴리에스테르폴리올, 폴리카프로락톤폴리올, 폴리카프로락톤과 같은 폴리에스테르글리콜과 알킬렌카보네이트와의 반응물 등으로 예시되는 폴리에스테르폴리카보네이트폴리올, 에틸렌카보네이트를 다가 알코올과 반응시키고, 이어서 얻어진 반응 혼합물을 유기 디카르복시산과 반응시킨 폴리에스테르폴리카보네이트폴리올, 폴리하이드록실 화합물과 아릴카보네이트와의 에스테르 교환 반응에 의해 얻어지는 폴리카보네이트폴리올, 폴리머 입자를 분산시킨 폴리에테르폴리올인 폴리머 폴리올 등이 있다. 이들은 단독으로 사용해도 되고, 2종 이상을 병용해도 된다.
저분자량 폴리올로서는, 예를 들면, 트리메틸올프로판, 글리세린, 디글리세린, 1,2,6-헥산트리올, 트리에탄올아민, 펜타에리트리톨, 테트라메틸올시클로헥산, 메틸글루코시드, 및 이들의 알킬렌 옥사이드 부가물이 있다. 이들은 단독으로 사용해도 되고, 2종 이상을 병용해도 된다.
저분자량 폴리아민으로서는, 예를 들면, 에틸렌디아민, 톨릴렌디아민, 디페닐메탄디아민, 및 이들의 알킬렌 옥사이드(EO, PO 등) 부가물이 있다. 이들은 단독으로 사용해도 되고, 2종 이상을 병용해도 된다.
또한, 에틸렌글리콜, 1,2-부탄디올, 1,4-부탄디올, 1,6-헥산디올, 네오펜틸 글리콜, 1,4-시클로헥산디메탄올, 3-메틸-1,5-펜탄디올, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜 등의 저분자량 폴리올을 병용해도 된다. 또한, 모노 에탄올 아민, 디에탄올 아민, 2-(2-아미노에틸아미노)에탄올, 및 모노 프로판올 아민 등의 알코올 아민을 병용해도 된다.
사슬 연장제는, 적어도 2개 이상의 활성 수소기를 가지는 유기 화합물이며, 활성 수소기로서는, 수산기, 제1급 또는 제2급 아미노기, 티올기(SH) 등을 예시할 수 있다. 구체적으로는, 4,4'-메틸렌비스(o-클로로아닐린)(MOCA), 2,6-디클로로-p-페닐렌디아민, 4,4'-메틸렌비스(2,3-디클로로아닐린), 3,5-비스(메틸티오)-2,4-톨루엔디아민, 3,5-비스(메틸티오)-2,6-톨루엔디아민, 3,5-디에틸톨루엔-2,4-디아민, 3,5-디에틸톨루엔-2,6-디아민, 트리메틸렌글리콜-디-p-아미노벤조에이트, 1,2-비스(2-아미노페닐티오)에탄, 4,4'-디아미노-3,3'-디에틸-5,5'-디메틸디페닐메탄, N,N'-디-sec-부틸-4,4'-디아미노디페닐메탄, 3,3'-디에틸-4,4'-디아미노디페닐메탄, m-크실렌디아민, N,N'-디-sec-부틸-p-페닐렌디아민, m-페닐렌디아민, 및 p-크실렌디아민 등으로 예시되는 폴리아민류, 또는 전술한 저분자량 폴리올이나 저분자량 폴리아민 등을 예로 들 수 있다. 이들은 1종으로 사용해도 되고, 2종 이상을 혼합하여 사용해도 된다.
이소시아네이트 성분, 활성 수소 함유 화합물의 비는, 각각의 분자량이나 폴리우레탄 발포체의 원하는 물성 등에 따라 다양하게 변경할 수 있다. 원하는 특성을 가지는 발포체를 얻기 위해서는, 활성 수소 함유 화합물의 합계 활성 수소기(수산기＋아미노기)수에 대한 이소시아네이트 성분의 이소시아네이트기수(NCO INDEX)는, 0.80∼1.20인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.90∼1.15이다. 이소시아네이트기수가 전술한 범위 외인 경우에는, 경화 불량이 일어나서, 요구되는 비중, 경도, 및 압축율 등을 얻을 수 없는 경향이 있다.
폴리우레탄 수지는, 용융법, 용액법 등 공지의 우레탄화 기술을 응용하여 제조할 수 있지만, 비용, 작업 환경 등을 고려할 경우, 용융법으로 제조하는 것이 바람직하다. 또한, 폴리우레탄 수지는, 프리폴리머법, 원샷(one-shot)법 중 어느 쪽 방법을 사용해도 제조 가능하다.
연마층의 형성 재료인 열경화성 폴리우레탄 발포체는, 기계 발포법(메커니컬프로스법을 포함함)에 의해 제조한다.
특히, 폴리알킬실록산과 폴리에테르의 공중합체인 실리콘계 계면활성제를 사용한 기계 발포법이 바람직하다. 전술한 실리콘계 계면활성제로서는, SH-192 및 L-5340(도레이다우코닝실리콘사 제조), B8443(골드슈미트사 제조) 등이 바람직한 화합물로서 예시된다.
그리고, 필요에 따라 산화 방지제 등의 안정제, 윤활제, 안료, 충전제, 대전 방지제, 그 외의 첨가제를 더할 수도 있다.
연마층을 구성하는 열경화성 폴리우레탄 발포체를 제조하는 방법의 예에 대하여 이하에서 설명한다. 전술한 폴리우레탄 발포체의 제조 방법은, 이하의 공정을 포함한다.
(1) 이소시아네이트 성분을 포함하는 제1 성분, 및 활성 수소 함유 화합물을 포함하는 제2 성분 중 적어도 한쪽에 실리콘계 계면활성제를 첨가하고, 실리콘계 계면활성제를 첨가한 성분을 비반응성 기체의 존재 하에서 기계적으로 교반하여, 비반응성 기체를 미세 기포로 만들어 분산시켜 기포 분산액을 만든다. 그리고, 상기 기포 분산액에 나머지 성분을 첨가하고, 혼합하여 기포 분산 우레탄 조성물을 조제한다.
(2) 이소시아네이트 성분을 포함하는 제1 성분, 및 활성 수소 함유 화합물을 포함하는 제2 성분 중 적어도 한쪽에 실리콘계 계면활성제를 첨가하고, 상기 제1 성분 및 제2 성분을 비반응성 기체의 존재 하에서 기계적으로 교반하여, 비반응성 기체를 미세 기포로 만들어 분산시켜 기포 분산 우레탄 조성물을 조제한다.
또한, 기포 분산 우레탄 조성물은, 메커니컬프로스법으로 조제할 수도 있다. 메커니컬프로스법이란, 원료 성분을 믹싱 헤드의 혼합실 내에 넣고, 또한 비반응성 기체를 혼입시켜, 오크스 믹서(Oakes mixer) 등의 믹서로 혼합 교반함으로써, 비반응성 기체를 미세 기포 상태로 만들어 원료 혼합물 중에 분산시키는 방법이다. 메커니컬프로스법은, 비반응성 기체의 혼입량을 조절함으로써, 폴리우레탄 발포체의 밀도를 용이하게 조정할 수 있으므로 바람직한 방법이다. 또한, 평균 기포 직경 20∼300 ㎛의 실질적으로 구형의 미세 기포를 가지는 폴리우레탄 발포체를 연속적으로 성형할 수 있으므로 제조 효율이 양호하다.
그 후, 전술한 방법으로 조제한 기포 분산 우레탄 조성물을 면재 상에 도포하고, 상기 기포 분산 우레탄 조성물을 경화시켜, 면재 상에 직접적으로 열경화성 폴리우레탄 발포체(연마층)를 형성한다.
상기 미세 기포를 형성하기 위해 사용되는 비반응성 기체로서는, 가연성이 아닌 것이 바람직하고, 구체적으로는 질소, 산소, 탄산 가스, 헬륨이나 아르곤 등의 희가스나 이들의 혼합 기체를 예시할 수 있고, 건조시켜 수분을 제거한 공기의 사용이 비용면에서 가장 바람직하다.
비반응성 기체를 미세 기포상으로 만들어 분산시키는 교반 장치로서는, 공지의 교반 장치를 특별히 한정하지 않고 사용 가능하며, 구체적으로는 호모지나이저, 분산기(dissolver), 2축 유성형 믹서(planetary mixer), 메커니컬프로스 발포기 등이 예시된다. 교반 장치의 교반 날개의 형상도 특별히 한정되지 않지만, 휘퍼형의 교반 날개의 사용에 의해 미세 기포를 얻을 수 있으므로 바람직하다.
그리고, 발포 공정에 있어서 기포 분산액을 조제하는 교반과, 제1 성분과 제2 성분을 혼합하는 교반을 위한 장치로서, 상이한 교반 장치를 사용하는 것도 바람직한 태양이다. 혼합 공정에 있어서의 교반은 기포를 형성하는 교반이 아니라도 되며, 큰 기포를 끌어들이지 않는 교반 장치를 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같은 교반 장치로서는, 유성형 믹서가 매우 적합하다. 기포 분산액을 조제하는 발포 공정과 각 성분을 혼합하는 혼합 공정의 교반 장치를 동일한 교반 장치를 사용해도 상관없으며, 필요에 따라 교반 날개의 회전 속도를 조정하는 등의 교반 조건을 조정하여 사용하는 것도 매우 적합하다.
본 발명에 따른 연마 패드는, 연마층에 기재층(基材層)을 적층시켜도 된다. 연마층에 기재층을 적층시키는 경우의 기재층은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 나일론, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 및 폴리염화비닐 등의 플라스틱 필름, 폴리우레탄 폼, 폴리에틸렌 폼 등의 고분자 수지 발포체, 부타디엔 고무, 이소프렌 고무 등의 고무성 수지, 감광성 수지 등이 있다. 이들 중, 나일론, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 및 폴리염화비닐 등의 플라스틱 필름, 폴리우레탄 폼, 폴리에틸렌 폼 등의 고분자 수지 발포체를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 기재층으로서 양면 테이프, 편면(片面) 점착 테이프(편면 점착층은 플래튼(platen)에 접합시키는 위한 것임)를 사용해도 된다.
기재층은, 연마 패드에 인성(靭性)을 부여하기 위해 폴리우레탄 발포체와 동일한 경도, 또는 보다 높은 경도를 가지는 것이 바람직하다. 또한, 기재층(양면 테이프 및 편면 점착 테이프의 경우에는 기재)의 두께는 특별히 제한되지 않지만, 강도, 가요성 등의 관점에서 20∼1000 ㎛인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 50∼800 ㎛이다.
기포 분산 우레탄 조성물을 면재 상에 도포하는 방법으로서는, 예를 들면, 그라비아, 키스, 콤마 등의 롤 코터, 슬롯, 파운틴 등의 다이 코타, 스퀴즈 코터, 커텐 코터 등의 도포 방법을 채용할 수 있지만, 기재층 상에 균일한 도막을 형성할 수 있다면 어떠한 방법이라도 된다.
기포 분산 우레탄 조성물을 면재 상에 도포하여 유동하지 않게 될 때까지 반응한 폴리우레탄 발포체를 가열하고, 후경화(post-curing)하는 것은, 폴리우레탄 발포체의 물리적 특성을 향상시키는 효과가 있으므로, 매우 적합하다. 후경화는, 40∼70 ℃에서 10분∼24시간 행하는 것이 바람직하고, 또한 상압(常壓)에서 행하면 기포 형상이 안정되므로 바람직하다.
폴리우레탄 발포체의 제조에 있어서, 제3급 아민계 등의 공지의 폴리우레탄 반응을 촉진하는 촉매를 사용해도 된다. 촉매의 종류나 첨가량은, 각 성분의 혼합 공정 후, 면재 상에 도포하기 위한 유동 시간을 고려하여 선택한다.
폴리우레탄 발포체의 제조는, 각 성분을 계량하여 용기에 투입하고, 기계적으로 교반하는 배치(batch) 방식이라도 되고, 또한 교반 장치에 각 성분과 비반응성 기체를 연속적으로 공급하여 기계적으로 교반하고, 기포 분산 우레탄 조성물을 송출하여 성형품을 제조하는 연속 생산 방식이라도 된다.
본 발명의 연마 패드의 제조 방법에 있어서는, 면재 상에 폴리우레탄 발포체를 형성한 후 또는 폴리우레탄 발포체를 형성하는 것과 동시에, 폴리우레탄 발포체의 두께를 균일하게 조정할 필요가 있다. 폴리우레탄 발포체의 두께를 균일하게 조정하는 방법은 특별히 제한되지 않지만, 예를 들면, 연마재로 버핑하는 방법, 프레스판으로 프레스하는 방법 등이 있다. 버핑하는 경우에는, 폴리우레탄 발포체의 표면에 스킨층을 가지지 않는 연마층을 얻을 수 있으며, 프레스한 경우에는, 폴리우레탄 발포체의 표면에 스킨층을 가지는 연마층을 얻을 수 있다. 프레스할 때의 조건은 특별히 제한되지 않지만, 유리 전이점 이상으로 온도를 조절하는 것이 바람직하다.
한편, 전술한 방법으로 조제한 기포 분산 우레탄 조성물을 이형(異型) 시트 상에 도포하고, 상기 기포 분산 우레탄 조성물 상에 기재층을 적층한다. 그 후, 가압 수단에 의해 두께를 균일하게 하면서 기포 분산 우레탄 조성물을 경화시켜 폴리우레탄 발포체를 형성할 수도 있다. 전술한 방법은, 연마층의 두께를 극히 균일하게 제어할 수 있으므로 특히 바람직한 방법이다.
이형 시트의 형성 재료는 특별히 제한되지 않고, 상기 기재층과 동일한 수지나 종이 등을 예로 들 수 있다. 이형 시트는, 열에 의한 치수 변화가 작은 것이 바람직하다. 그리고, 이형 시트의 표면은 이형 처리가 행해져 있어도 된다.
이형 시트, 기포 분산 우레탄 조성물(기포 분산 우레탄층), 및 기재층으로 이루어지는 샌드위치 시트의 두께를 균일하게 하는 가압 수단은 특별히 제한되지 않지만, 예를 들면, 코터 롤, 닙(nip) 롤 등에 의해 일정 두께로 압축하는 방법이 있다. 압축 후에 발포층 중의 기포가 1.2∼2 배 정도 커지는 것을 고려하여, 압축 시에는, (코터 또는 닙의 클리어런스)-(기재층 및 이형 시트의 두께) = (경화 후의 폴리우레탄 발포체의 두께의 50∼85 %)로 하는 것이 바람직하다. 또한, 비중이 0.2∼0.5인 폴리우레탄 발포체를 얻기 위해서는, 롤을 통과시키기 전의 기포 분산 우레탄 조성물의 비중은 0.24∼1인 것이 바람직하다.
그리고, 샌드위치 시트의 두께를 균일하게 한 후에, 유동하지 않게 될 때까지 반응한 폴리우레탄 발포체를 가열하여 후경화한다. 후경화의 조건은 전술한 바와 같다.
그 후, 폴리우레탄 발포체하의 이형 시트를 박리시킨다. 이 경우에, 폴리우레탄 발포체 상에는 스킨층이 형성되어 있다. 전술한 바와 같이 기계 발포법에 의해 폴리우레탄 발포체를 형성한 경우, 기포의 불균일은, 폴리우레탄 발포체의 상면 측보다 하면 측이 작다. 이와 같이, 형성된 폴리우레탄 발포체의 하면 측을 연마 표면으로 함으로써, 기포의 불균일이 작은 연마 표면이 되므로, 연마 속도의 안정성이 더욱 향상된다. 그리고, 이형 시트를 박리시킨 후에 폴리우레탄 발포체를 버핑 등을 행함으로써 스킨층을 제거할 수도 있다.
폴리우레탄 발포체의 두께는 특별히 제한되지 않지만, 0.2∼3 mm인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.5∼2 mm이다.
전술한 제조 방법에 의해 제조된 폴리우레탄 발포체는, 실질적으로 구형의 기포를 가지고 있다. 그리고, 본 발명에 따른 폴리우레탄 발포체는, 연속 기포를 가지고 있는 것이라도 되고, 독립 기포를 가지고 있는 것이라도 된다.
폴리우레탄 발포체 중의 기포의 평균 기포 직경은, 20∼300 ㎛이며, 바람직하게는 50∼100㎛이다. 또한, 연속 기포의 경우, 기포 표면의 원형 구멍의 평균 직경은 100㎛ 이하인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 50㎛ 이하이다.
폴리우레탄 발포체의 비중은, 0.3∼0.6인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.3∼0.5이다. 비중이 0.3 미만인 경우에는, 기포율이 지나치게 높아져서 내구성이 악화되는 경향이 있다. 한편, 비중이 0.6을 초과하는 경우에는, 어느 일정한 탄성률로 하기 위하여 재료의 가교 밀도를 낮출 필요가 있다. 이 경우에, 영구 변형이 증대하여, 내구성이 악화되는 경향이 있다.
연마면 측으로부터 측정한 폴리우레탄 발포체의 마이크로 고무 A 경도는, 40∼90 도인 것이 바람직하고, 50∼90 도인 것이 더욱 바람직하다. 폴리우레탄 발포체의 마이크로 고무 A 경도가, 전술한 범위 외이면, 연마 대상물 표면에 스크래치가 발생하기 쉬워진다.
폴리우레탄 발포체의 경도는, 아스카 C 경도로 10∼90 도인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 20∼80 도이다. 아스카 C 경도가 10도 미만인 경우에는, 내구성이 저하되거나, 연마 후의 연마 대상물의 평탄성이 악화되는 경향이 있다. 한편, 90도를 초과하는 경우에는, 연마 대상물의 표면에 스크래치가 발생하기 쉬워진다.
본 발명의 연마 패드의 형상은 특별히 제한되지 않고, 길이 5∼10 m정도의 장척형일 수도 있고, 직경 50∼150 cm 정도의 라운드형일 수도 있다.
연마층의 표면은, 슬러리를 유지·갱신하기 위한 요철 구조를 가지고 있어도 된다. 발포체로 이루어지는 연마층은, 연마 표면에 많은 개구를 가지고, 슬러리를 유지·갱신하는 기능을 가지고 있지만, 연마 표면에 요철 구조를 형성함으로써, 슬러리의 유지와 갱신을 더욱 효율적으로 행할 수 있고, 또한 연마 대상물에 흡착되어 연마 대상물의 파괴를 방지할 수 있다. 요철 구조는, 슬러리를 유지·갱신하는 형상이면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면, X(스트라이프) 홈, XY 격자 홈, 동심원형 홈, 관통 구멍, 관통하고 있지 않은 구멍, 다각 기둥, 원기둥, 나선형 홈, 편심원형 홈, 방사상 홈, 및 이들 홈을 조합한 것이 있다. 또한, 이들 요철 구조는 일반적으로 규칙성이 있지만, 슬러리의 유지·갱신성을 바람직하게 하기 위하여, 일정 범위마다 홈 피치, 홈 폭, 홈 깊이 등을 변화시킬 수도 있다.
요철 구조의 제작 방법은 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들면, 소정 사이즈의 바이트와 같은 지그를 사용하여 기계적으로 절삭하는 방법, 소정의 표면 형상을 가진 금형에 수지를 주입하고, 경화시켜 제작하는 방법, 소정의 표면 형상을 가진 프레스판으로 수지를 프레스하여 제작하는 방법, 포토리소그래피를 사용하여 제작하는 방법, 인쇄 방법을 이용하여 제작하는 방법, 탄산 가스 레이저 등을 사용한 레이저광에 의한 제작 방법 등이 있다.
본 발명의 연마 패드는, 연마층의 비연마면 측에 쿠션 시트를 접합시킨 것일 수도 있다. 연마층에 기재층을 적층할 경우에는, 연마층, 기재층, 쿠션 시트의 차례로 적층하는 것이 바람직하다.
쿠션 시트(쿠션층)는, 연마층의 특성을 보충하는 것이다. 쿠션 시트는, 화학기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing)에 있어서, 트레이드 오프의 관계에 있는 평탄성(planarity)과 균일성(uniformaty)을 양립시키기 위해 필요한 것이다. 평탄성이란, 패턴 형성 시에 발생하는 미소 요철이 있는 연마 대상물을 연마할 때의 패턴부의 평탄성을 말하여, 균일성란, 연마 대상물 전체의 균일성을 말한다. 연마층의 특성에 의해 평탄성을 개선하고, 쿠션 시트의 특성에 의해 균일성을 개선한다. 본 발명의 연마 패드에 있어서는, 쿠션 시트는 연마층보다 연질의 것을 사용하는 것이 바람직하다.
쿠션 시트로서는, 예를 들면, 폴리에스테르 부직포, 나일론 부직포, 아크릴 부직포 등의 섬유 부직포나 폴리우레탄을 함침(含浸)시킨 폴리에스테르 부직포와 같은 수지 함침 부직포, 폴리우레탄 폼, 폴리에틸렌 폼 등의 고분자 수지 발포체, 부타디엔 고무, 이소프렌 고무 등의 고무성 수지, 감광성 수지 등이 있다.
쿠션 시트를 접합시키는 수단으로서는, 예를 들면, 연마층과 쿠션 시트를 양면 테이프의 사이에 두고 프레스하는 방법이 있다.
또한, 본 발명의 연마 패드는, 플래튼과 접착하는 면에 양면 테이프가 설치되어 있어도 된다.
반도체 디바이스는, 전술한 연마 패드를 사용하여 반도체 웨이퍼의 표면을 연마하는 공정을 거쳐 제조된다. 반도체 웨이퍼는, 일반적으로 실리콘 웨이퍼 상에 배선 금속 및 산화막을 적층한 것이다. 반도체 웨이퍼의 연마 방법, 연마 장치는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 도 1에 나타낸 바와 같이 연마 패드(1)를 지지하는 연마 정반(2), 반도체 웨이퍼(4)를 지지하는 지지대(폴리싱헤드)(5)와 웨이퍼에 대하여 균일한 가압을 행하기 위한 백킹재(backing material), 그리고 연마제(3) 공급 기구를 구비한 연마 장치 등을 사용하여 행해진다. 연마 패드(1)는, 예를 들면, 양면 테이프로 접합함으로써, 연마 정반(2)에 장착된다. 연마 정반(2)과 지지대(5)는, 각각에 지지된 연마 패드(1)와 반도체 웨이퍼(4)가 대향하도록 배치되고, 각각에 회전축(6, 7)을 구비하고 있다. 또한, 지지대(5) 측에는, 반도체 웨이퍼(4)를 연마 패드(1)에 가압하기 위한 가압 기구가 설치되어 있다. 연마 시에는, 연마 정반(2)과 지지대(5)를 회전시키면서 반도체 웨이퍼(4)를 연마 패드(1)에 가압하고, 슬러리를 공급하면서 연마를 행한다. 슬러리의 유량, 연마 하중, 연마 정반 회전수, 및 웨이퍼 회전수는 특별히 제한되지 않고, 적절하게 조정하여 행한다.
이로써, 반도체 웨이퍼(4)의 표면의 표면 거칠기가 개선되어 스크래치가 제거된다. 그 후, 다이싱, 본딩, 패키징 등을 행함으로써 반도체 디바이스가 제조된다. 반도체 디바이스는, 연산 처리 장치나 메모리 등에 사용된다. 또한, 렌즈나 하드디스크용 유리 기판도 전술한 것과 동일한 방법으로 마무리 연마할 수 있다.
[실시예]
이하, 본 발명을 실시예에 따라 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.
(마이크로 고무 A 경도의 측정)
마이크로 고무 A 경도계 MD-1(고분자계기사 제조)을 사용하여 측정하였다. 구체적으로는, 열경화성 폴리우레탄 발포체로 이루어지는 연마층을 30 mm×30 mm로 잘라낸 시료를 제작하고, 이 시료의 임의의 상이한 5점에서, 연마면 측으로부터 경도값을 측정하고, 그 평균값을 마이크로 고무 A 경도로 하였다. 또한, 5점에서 측정한 경도값의 최대값과 최소값의 차이를, 마이크로 고무 A 경도의 면내 불균일도로 하였다.
(미소 파형)
비접촉 표면 형상 측정기(ZYGO사 제조, NewView6300)를 사용하여, 렌즈 배율 2.5배, 줌 배율 0.5배, 밴드 패스 필터(band-pass filter)를 200∼1250 ㎛로 설정하고, 연마 대상물의 표면 5점의 Ra를 측정하여, 그 평균값(nm)을 미소 파형으로 하였다. 그리고, 미소 파형을 측정할 때, 이하의 연마 방법으로 연마한 연마 대상물을 사용하였다.
(연마 방법)
양면 연마기의 설정 조건
양면 연마기: 스피드팜사 제조 9B형 양면 연마기
가공 압력：100 g/cm2
정반 회전수：50 rpm
연마제 공급량：4 L/min
투입한 기판：오하라사 제조 TS-10SX
투입한 기판의 장수：25장
기판 두께가 초기 두께의 85%가 될 때까지 연속 연마를 행하였다. 그리고, 사용한 연마제는 하기 방법에 의해 조정하였다.
(연마제의 조정 방법)
물에 SHOROX A-10(쇼와전공사 제조)을 첨가하고, 혼합하여, 비중 1.06∼1.09로 되도록 연마제를 조정하였다.
(원료)
사용한 각 원료는 하기에 나타낸 바와 같다.
(i) 활성 수소 함유 화합물
폴리카프로락톤폴리올 「프락셀 210N(PCL210N)」, 관능기수：2, 수산기가：110 mgKOH/g, 다이셀화학사 제조
폴리카프로락톤폴리올 「프락셀 220(PCL220)」, 관능기수：2, 수산기가：56 mgKOH/g, 다이셀화학사 제조
폴리카프로락톤폴리올 「프락셀 305(PCL305)」, 관능기수：3, 수산기가：305 mgKOH/g, 다이셀화학사 제조
폴리테트라메틸렌에테르글리콜 「PTMG1000」, 관능기수：2, 수산기가：110 mgKOH/g, 미쓰비시화학사 제조
폴리테트라메틸렌에테르글리콜 「PTMG3000」, 관능기수：2, 수산기가：37 mgKOH/g, 미쓰비시화학사 제조
1,4-부탄디올(1,4-BD), 관능기수：2, 수산기가：1247 mgKOH/g, 나카라이테스크사 제조
말단 수산기 중 적어도 1개가 2급 수산기인 3관능 폴리올
(a) 트리메틸올프로판의 프로필렌 옥사이드 부가체 「엑세놀 400MP」, 관능기수 3, 수산기가 415 mgKOH/g, 아사히 유리사 제조
(b) 글리세린의 프로필렌 옥사이드 부가체 「MN400」, 관능기수 3, 수산기가 415 mgKOH/g, 미쓰이화학사 제조
(c) 글리세린의 프로필렌 옥사이드 부가체 「MN1000」, 관능기수 3, 수산기가 160 mgKOH/g, 미쓰이화학사 제조
(d) 글리세린의 프로필렌 옥사이드 부가체 「MN2000」, 관능기수 3, 수산기가 112 mgKOH/g, 미쓰이화학사 제조
(e) 트리메틸올프로판의 프로필렌 옥사이드 부가체 「엑세놀 890MP」, 관능기수 3, 수산기가 865 mgKOH/g, 아사히 유리사 제조
말단 수산기 중 적어도 1개가 2급 수산기인 2관능 폴리올
(a) 1,2-프로필렌글리콜(1,2-PG), 관능기수 2, 수산기가 1472 mgKOH/g, 나카라이테스크사 제조
(b) 1,3-부탄디올(1,3-BD), 관능기수：2, 수산기가：1247 mgKOH/g, 나카라이테스크사 제조
(iii) 정포제
「B8443」, 골드슈미트사 제조
(iv) 이소시아네이트 성분
카르보디이미드 변성 디페닐메탄디이소시아네이트(MDI), 「밀리오네이트 MTL」, 일본 폴리우레탄 공업사 제조
실시예 1∼5 및 비교예 1∼3
표 1의 상단에 기재된 배합 비율(수치는, 활성 수소 함유 화합물 전체량을 100 중량부로 했을 때의 중량부)이 되도록, 활성 수소 함유 화합물과 정포제를 용기에 넣고, 교반 날개를 사용하여, 회전수 900 rpm으로 반응계 내에 기포가 들어가도록 약 4분간 격렬하게 교반하였다. 그 후, 카르보디이미드 변성 MDI를, NCO INDEX가 표 1에 기재된 값이 되도록 첨가하고, 약 1분간 교반하여 기포 분산 우레탄 조성물을 조제했다.
조제한 기포 분산 우레탄 조성물을, 이형 처리한 PET 시트(도요보사 제조, 두께 75㎛)로 이루어지는 이형 시트 상에 도포하여 기포 분산 우레탄층을 형성하였다. 그리고, 상기 기포 분산 우레탄층 상에 PET 시트(도요보사 제조, 두께 188㎛)로 이루어지는 기재층을 씌웠다. 닙 롤에 의해 기포 분산 우레탄층을 1.5 mm의 두께로 만들고, 40℃에서 30분간 1차 경화한 후, 70℃에서 3시간 2차 경화하여 폴리우레탄 발포체(발포층)를 형성하였다. 그리고, 이러한 제조 방법은, 활성 수소 함유 화합물과 이소시아네이트 성분을 직접 반응시켜 폴리우레탄 발포체를 제조하므로, 원샷법에 해당한다.
그 후, 이형 시트를 박리시켰다. 다음으로, 슬라이서(펙켄사 제조)를 사용하여 폴리우레탄 발포체의 두께를 1.3 mm로 하여, 두께 정밀도를 조정하였다. 그 후, 기재층 표면에 라미네이팅기를 사용하여 양면 테이프(더블택 테이프, 세키스이 화학공업사 제조)를 접합하여 연마 패드를 제작하였다.
[표 1]
Figure 112012070523093-pct00001
표 1의 결과로부터, 실시예 1∼5의 연마 패드는, 연마층의 마이크로 고무 A 경도의 면내 불균일도가 12 이하이므로, 연마 대상물의 표면에 발생하는 미소 파형이 저감되어 있는 것을 알 수 있다.
1：연마 패드
2：연마 정반
3：연마제(슬러리)
4：연마 대상물(반도체 웨이퍼, 렌즈, 유리판)
5：지지대(폴리싱 헤드)
6, 7：회전축

Claims (5)

  1. 열경화성 폴리우레탄 발포체로 이루어지는 연마층을 가지는 연마 패드에 있어서,
    연마면 측으로부터 측정한 상기 연마층의 마이크로 고무 A 경도의 면내 불균일도가 12 이하이며,
    상기 열경화성 폴리우레탄 발포체가, 이소시아네이트 성분과 활성 수소 함유 화합물을 원료 성분으로서 함유하고,
    상기 활성 수소 함유 화합물은, 말단 수산기 중 적어도 1개가 2급 수산기이며, 또한 수산기가(水酸基價)가 150∼1000 mgKOH/g인 3관능 폴리올을, 상기 활성 수소 함유 화합물 100 중량부 중, 10∼50 중량부 함유하는, 연마 패드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 활성 수소 함유 화합물은, 말단 수산기 중 적어도 1개가 2급 수산기이며, 또한 수산기가가 1000∼1500 mgKOH/g인 2관능 폴리올을, 상기 활성 수소 함유 화합물 100 중량부 중, 0∼20 중량부 함유하는, 연마 패드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열경화성 폴리우레탄 발포체가, 평균 기포 직경 20∼300 ㎛의 구형 또는 타원 구형의 기포를 가지는, 연마 패드.
  4. 말단 수산기 중 적어도 1개가 2급 수산기이며, 또한 수산기가가 150∼1000 mgKOH/g인 3관능 폴리올을, 활성 수소 함유 화합물 100 중량부 중, 10∼50 중량부 함유하는 활성 수소 함유 화합물, 및
    이소시아네이트 성분
    을 원료 성분으로서 함유하는 기포 분산 우레탄 조성물을 기계 발포법에 의해 조제하는 공정;
    면재(面材) 상에 상기 기포 분산 우레탄 조성물을 도포하는 공정;
    상기 기포 분산 우레탄 조성물을 경화시킴으로써, 평균 기포 직경 20∼300 ㎛의 구형 또는 타원 구형의 기포를 가지는 열경화성 폴리우레탄 발포체로 이루어지는 연마층을 형성하는 공정; 및
    상기 연마층의 두께를 균일하게 조정하는 공정
    을 포함하는 연마 패드의 제조 방법.
  5. 제1항에 기재된 연마 패드를 사용하여 반도체 웨이퍼의 표면을 연마하는 공정을 포함하는 반도체 디바이스의 제조 방법.
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