KR101744694B1 - 혼합 기공 구조를 갖는 ｃｍｐ패드 - Google Patents

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Abstract

CMP 패드로서, 상기 패드의 내부 및 표면에 형성된 제 1 기공; 및 상기 패드의 표면에 개구되어 형성된 제 2 기공을 포함하며, 여기에서 상기 제 1 기공의 크기는 20 내지 200㎛ 직경, 공극률은 10 내지 30%이며, 상기 제 2 기공은 250 내지 500㎛의 직경을 가지며, 상기 제 2 기공의 면적은 상기 CMP 패드 전체 면적의 10 내지 40%인 것을 특징으로 하는 CMP 패드가 제공된다.

Description

혼합 기공 구조를 갖는 ＣＭＰ패드{CMP Pad with mixed pore structure}
본 발명은 혼합 기공 구조를 갖는 CMP 패드 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 2 종류로 형성된 기공으로 인하여 우수한 연마 속도, 슬러리에 의한 웨이퍼 디펙(DEFECT), 디싱(DISHING) 감소 효과를 갖는, 혼합 기공 구조를 갖는 CMP 패드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
반도체는 실리콘과 같은 반도체 기판 위에 트랜지스터나 캐패시터와 같은 전자소자를 고밀도로 집적한 소자로 증착기술, 포토리소그라피기술 및 에칭기술 등을 이용하여 제조된다. 이와 같이 증착, 포토리소그라피, 에칭 공정이 반복되면 기판에는 특정한 모양의 패턴이 형성되는데, 이러한 패턴의 형성이 층을 이루며 반복되면 상부에는 단차가 점차 심해지게 된다. 상부에 단차가 심해지면 이후의 포토리소그라피 공정에서 포토마스크 패턴의 초점이 흐려져 결과적으로 고정세의 패턴 형성이 어려워진다.
기판 위의 단차를 줄여 포토리소그라피의 해상도를 증가시킬 수 있는 기술 중 하나가 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정이다. CMP 공정은 단차가 형성된 기판을 화학적 기계적으로 연마하여 기판의 상부를 평탄화하는 기술이다.
도 1은 CMP 공정을 도식적으로 나타낸 것이다. 도 1을 참조하면, CMP 공정은 회전하는 CMP 연마패드(102)에 웨이퍼(103)가 접촉한 상태로 회전하며 웨이퍼(103)의 상부에 형성된 층이 폴리싱됨으로써 진행된다. CMP 연마패드(102)는 회전하는 평판테이블(101) 위에 결합되고, 웨이퍼(103)는 캐리어(104)에 의하여 CMP 연마패드(102)에 접촉한 상태로 회전한다. 이때, CMP 연마패드(102)의 상부에는 슬러리 공급노즐(105)로부터 슬러리(106)가 공급된다.
CMP 연마패드는 웨이퍼의 표면을 연마하는데 사용되는 소모품으로 없어서는 안 될 중요한 부품이다. 슬러리는 CMP 공정이 진행되는 동안 CMP 연마패드와 웨이퍼 표면 사이에 존재하며 웨이퍼의 표면을 화학적 기계적으로 연마하게 되고, 사용된 슬러리는 외부로 배출된다. 슬러리가 일정시간 동안 CMP 연마패드 위에 남기 위하여, CMP 연마패드는 슬러리를 저장할 수 있어야 한다. 이러한 CMP 연마패드의 슬러리 저장 기능은 연마패드에 형성된 기공이나 구멍에 의하여 수행될 수 있다. 즉, CMP 연마패드에 형성된 기공이나 구멍에 슬러리가 침투하여 장시간 효율적으로 반도체 표면을 연마하게 되는 것이다. CMP 연마패드가 슬러리의 유출을 최대한 억제하고 좋은 연마효율을 내기 위해서는 기공이나 구멍의 형상이 잘 제어되어야 하고, 연마패드의 경도와 같은 물성이 최적의 조건을 유지할 수 있어야 한다.
종래의 CMP 연마패드는 물리적인 방법이나 화학적인 방법에 의하여 연마패드 내부에 불규칙한 크기와 배열의 기공을 형성함으로써 제조되었다. 도 2는 종래의 방법에 의하여 제조된 CMP 연마패드의 단면구조를 도시한것이다. 도 2를 참조하면, 고분자 재질의 연마패드(102)의 표면과 내부에 다양한 형태와 크기의 기공(102a)이 불규칙하게 흩어진 형태로 배열되어 있다.
CMP 연마패드에 기공이나 구멍을 형성하는 종래의 방법 중 물리적인 방법은 연마패드의 형성물질에 마이크로 크기의 물질을 섞는 것이다. 이 경우 동공이 있는 마이크로 크기의 물질들이 연마패드 제조 초기에 연마패드 재질과 잘 섞이도록 넣어야 한다. 그러나 물리적인 방법에서 마이크로 크기의 물질이 연마패드 재질과 초기에 균일하게 잘 섞이게 하는 것이 어렵고, 마이크로 크기 물질의 크기도 일정하지 않다. 일반적으로 물리적인 방법으로형성된 평균 기공의 직경은 100 마이크로미터 정도인데 각 기공의 직경은 수십 마이크로미터에서 수백 마이크로미터에 이른다. 이것은 기공을 만드는 기술의 한계 때문에 일어나는 현상이다. 또한 연마패드의 제조 시에 중력에 의해 위치마다 분포도 달라져 균일한 성능의 연마패드를 제조하는 것을 어렵게 한다. CMP 연마패드에 형성되는 기공의 크기나 분포가 일정하지 않으면 웨이퍼를 초정밀도로 연마할 때 연마의 효율이 부위나 시간에 따라달라지는 문제점을 보인다.
화학적 방법으로 CMP 연마패드에 기공을 형성하는 방법은 물이나, 기체 상태로 쉽게 변할 수 있는 액체를 폴리우레탄 용액에 함께 넣어 낮은 온도로 가열하면 액체가 기체로 변하면서 기공이 생기는 현상을 이용한다. 그러나 이렇게 기체를 이용하여 내부에 기공을 형성시키는 방법도 기공의 크기를 일정하게 유지하는 것이 어려운 문제점을 가지고 있다.
이를 개선하기 위하여 대한민국 특허출원 2009-0059841 호 등은 레이저를 이용하여 패드 내부에 기공을 형성시키는 방법을 개시하고 있다. 하지만, 300mm 이상의 웨이퍼 대면적에 따라 패드 면적이 넓어지고 있는 기술 동향에 경제적으로 부합하지 못한다는 문제가 있다.
또한, 웨이퍼와 패드의 접촉을 최소화하고, 화학적 연마재인 슬러리를 패드 내에 고르게 분포시켜야 슬러리 파티클로 인한 웨이퍼의 디펙(defect)과 웨이퍼의 면적이 패이는 현상인 디싱(disihing)을 방지할 수 있다. 더 나아가, 이러한 디펙과 디싱 문제를 해결하면서, 충분한 연마 속도를 유지하는 것은 현재 CMP 패드가 가지는 상당한 난제로 여겨진다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 분산된 기공 구조로 인하여, 우수한 연마 속도, 슬러리에 의한 웨이퍼 디펙(DEFECT) 감소 효과를 갖는 CMP 패드 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 CMP 패드로서, 상기 패드의 내부 및 표면에 형성된 제 1 기공; 및 상기 패드의 표면에 웰(well) 형태로 개구되어 형성되고 다수 개가 이격되어 분포되는 제 2 기공을 포함하며, 여기에서 상기 제 1 기공의 크기는 20 내지 200㎛ 직경, 공극률은 10 내지 30%이며, 상기 제 2 기공은 250 내지 500㎛의 직경을 가지며, 상기 제 2 기공의 면적은 상기 CMP 패드 전체 면적의 10 내지 40%인 것을 특징으로 하는 CMP 패드를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 CMP 패드는 폴리우레탄 재질이며, 상기 제 1 기공은 상기 CMP 패드의 폴리우레탄 제조 공정 시 주입되는 공기에 의하여 형성된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 2 기공은 상기 CMP 패드 형성 후 외부에서 인가되는 열적 또는 물리적 힘에 의하여 형성된다.
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본 발명은 화학적 기계적 연마 패드에 대한 발명으로 고분자 매트릭스 내에 반응기 교반에 의한 제 1 기공과 경화 후 외부에서 인가되는 힘에 의하여 형성되는 제 2 기공을 통하여, 고경도 패드에서 균일한 연마를 유도하며, 아울러 연마중 슬러리를 일시적으로 트랩하여, 연마효?? 및 웨이퍼의 평탄도를 극대화 한다. 아울러, 기공형성으로 고집적화되고 세분화된 현재 공정에서의 문제로 대두되는 디펙(defect)과 디싱(dishing), 그리고 낮은 연마 속도 문제 등을 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 CMP 패드의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 CMP 패드 제조방법의 단계도이다.
도 3 내지 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 우레탄 프리폴리머와 경화제의 혼합 방식을 설명하는 도면이다.
도 6a 및 6b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 CMP 패드의 평면 및 단면 사진이다.
도 7은 연마속도의 비교 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따라 자연기공이 형성된 CMP 패드와, 질소를 인위적으로 인가하여 형성된, 평균 직경 200㎛ 이상의 기공 형성 CMP 패드(비교예 2)의 2분 연마 후 웨이퍼 두께 분포를 비교한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 각 실시예에 따른 자기력 기반 사용자 단말 제어방법 및 장치에 대하여 설명하기로 한다.
이하의 실시 예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아님은 당연할 것이다. 따라서, 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 균등한 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.
또한 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 CMP 패드는, 상기 패드의 내부 및 표면에 형성된 제 1 기공; 및 상기 패드의 표면에 개구되어 형성된 제 2 기공을 포함하며, 여기에서 상기 제 1 기공의 크기는 20 내지 200㎛ 직경, 공극률은 10 내지 30%이며, 상기 제 2 기공은 250 내지 500㎛의 직경을 가지며, 상기 제 2 기공의 면적은 상기 CMP 패드 전체 면적의 10 내지 40%이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 CMP 패드의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 CMP 패드는 2 종류의 기공으로 이루어지며, 그 중 하나는 표면 또는 내부에 분산되어 형성되며, 혼합시 자연 주입된 공기에 의하여 형성된 제 1 기공이다. 또 하나는 패드 제조 후 외부로부터의 힘(예를 들어 레이저, 펀치)에 의하여 개구되어 형성된 제 2 기공이다. 본 발명은 이와 같은 2 종류의 기공을 통하여 디펙과 디싱을 감소시키면서, 아울러 슬러리의 균일한 분산으로 인하여 우수한 연마 균일도를 달성한다. 특히 제 2 기공은 디펙을 일으키는 슬러리 입자를 일시 포집하는 기능을 수행하며, 아울러 제 1 기공은 연마 초기에도 슬러리를 충분히 머금고 있으므로, 연마속도 특히 초기 연마공정시 충분한 연마속도를 달성할 수 있게 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 CMP 패드 제조방법의 단계도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 CMP 패드 제조방법은, 우레탄 프리폴리머 및 경화제를 반응기에 혼입하는 단계; 상기 반응기 내에서 우레탄 프리폴리머 및 경화제를 대기압 조건에서 소정 시간 동안 교반하여 혼합시키는 단계; 및 상기 혼합된 혼합물을 경화시키는 단계를 포함하며, 상기 교반에 따라 상기 혼합물에는 20 내지 200㎛ 직경을 가지며, 공극률이 10 내지 30%인 기공이 형성된다.
본 발명은 상술한 조건의 공기 기공을 제조하기 위하여, 상기 혼합시키는 단계에서, 상기 우레탄 프리폴리머 및 경화제의 혼합물 일부를 상기 반응기의 수직으로 상승된 후 공기와 접촉하여 낙하되는 방식으로 혼합시킨다. 이로써 상기 우레탄 프리폴리머 및 경화제의 반응에 따라 발생하는 비교적 높은 온도의 반응가스는 외부로 배출되고, 반대로 상대적으로 차가운 공기가 혼합물로 스며들게 된다.
이후 충분히 교반된 혼합물을 경화되고, 이로써 분산된 기공(제 1 기공)이 형성된 CMP 패드가 제조된다. 하지만, 이 경우, 슬러리 입자를 임시로 포집할 수 있는 개구 형태의 제 2 기공은 CMP 패드에 형성되지 않은 상태이다.
따라서, 상기 경화된 CMP 패드에 외부적인 힘, 예를 들어 레이저 빔이나, 마이크로 니들을 이용하여 제 2 기공을 형성한다. 이로써 2 종류의 기공이 혼재된 형태의 CMP 패드가 완성된다.
도 3 내지 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 우레탄 프리폴리머와 경화제의 혼합 방식을 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 먼저 반응기(100) 내에 회전하는 스크류 블레이드 (110)가 개시되며, 상기 스크류 블레이드 (110)의 일부는 상기 반응기(100) 내의 혼합물(우레탄 프리폴리머 및 경화제, 120)의 높이보다 높게 노출되어 있다.
도 4를 참조하면, 상기 스크류 블레이드(110)가 회전함에 따라 상기 혼합물 또한 상기 스크류 블레이드(110)의 경사진 블레이드에 의하여 회전하는데, 이때 상기 스크류 블레이드(110)의 노출된 부분(111)에 의하여 상기 혼합물의 일부(121)는 혼합물(120) 위쪽으로 상승하게 되며, 이로써 공기는 상기 혼합물 일부(121)는 접촉하게 된다. 이때 상기 혼합물 내에서 발생한 반응 기체 또한 상기 회전하는 스크류 블레이드(110)에 의하여 외부로 배출되게 된다.
도 5를 참조하면, 상기 스크류 블레이드(110)가 회전함에 따라 상기 위로 상승한 혼합물 일부(121)는 다시 아래로 낙하되며, 이로써 높은 온도의 반응기체는 외부로 배출되면서, 동시에 낮은 온도의 공기는 상기 혼합물 일부(121)와 함께 반응기 내로 들어가게 된다.
이에 따라 상기 공기에 의하여 기공이 패드 내에 균일하게 형성되며, 본 발명에서는 이러한 기공은 외부로부터의 인위적인 기체 투입 없이, 혼합시 발생하는 반응기체 배출과 함께 주입되는 대기 중 공기에 의한 것이므로, 이하 자연 기공으로 지칭한다.
본 발명에 따른 상술한 방법에 따라 제조된 CMP 패드의 자연 기공인 제 1 기공의 직경은 20㎛내지 200㎛ 마이크로미터이고, 밀도는 공극률은 10 내지 30%이다.
도 6a 및 6b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 CMP 패드의 평면 및 단면 사진이다.
도 6a 및 6b를 참조하면, 균일하게 분포된 제 1 기공과, 그리드 형태로 이격되어 소정 깊이로 형성된 제 2 기공이 명확히 나타나는 것을 알 수 있다.
이하 본 발명에 따른 CMP 패드에 의한 효과를 보다 상세히 설명한다.
실험예 1
연마속도
본 실험예에서는 상술한 방식에 따라 자연기공이 평균직경 80 내지 150㎛로 형성된 CMP 패드와, 기공이 형성되지 않은 롬앤하스 사의 CMP 패드(비교예 1)의 연마 속도를, 어플라이드 머티어리얼즈(Applied Materials)의 미라 장비와 세리아 슬러리를 이용, 실리콘산화물이 증착된 웨이퍼를 동일 시간(2분)동안 연마하고, 그 연마속도를 비교하였다.
도 7은 연마속도의 비교 그래프이다.
도 7을 참조하면, 주황색으로 표시되는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 제 1 기공과 제 2 기공을 포함하는 혼합 기공형 CMP 패드가 남색으로 표시되는 비교예 1의 CMP 패드보다 우수한 연마속도를 갖는 것을 알 수 있다. 특히 초기 CMP 패드의 램프-업 단계에서, 본 발명에 따라 자연 기공이 형성된 CMP 패드가, 기공이 형성되지 않은 CMP 패드에 비하여 월등히 우수하다는 것을 알 수 있다. 이는 본 발명에 따른 패드 내의 제 1 기공이 연마 시 슬러리의 초기 담지체로 작용하기 때문으로 추정된다.
실험예 2
디싱 및 균일도
도 8은 본 발명에 따라 제조된 CMP 패드와, 제 1 기공만이 형성된 CMP 패드(비교예 2)의 2분 연마 후 웨이퍼 두께 분포를 비교한 그래프이다.
도 8을 참조하면, 주황색으로 표시한 본 발명의 CMP 패드는 평균 두께의 편차가 약 50㎛ 이내이나, 자연 기공이 아닌 인위적인 질소 가스를 주입하여 형성된, 평균 직경 200㎛ 이상의 기공 형성 CMP 패드는 평균 편차가 50㎛를 벗어나는 것을 알 수 있다. 특히 300mm 웨이퍼의 외측(12point)에서의 두께는 상당히 높게 남아 있는 편인 것을 알 수 있다.
따라서, 상기 실험 결과는 본 발명에 따라 제조된 CMP 패드는 특히 패드의 디싱 문제 및 균일도(uniformity) 를 크게 개선시키는 것임을 나타낸다.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

  1. CMP 패드로서,
    상기 패드의 내부 및 표면에 형성된 제 1 기공; 및
    상기 패드의 표면에 웰(well) 형태로 개구되어 형성되고 다수 개가 이격되어 분포되는 제 2 기공을 포함하며, 여기에서 상기 제 1 기공의 크기는 20 내지 200㎛ 직경, 공극률은 10 내지 30%이며,
    상기 제 2 기공은 250 내지 500㎛의 직경을 가지며, 상기 제 2 기공의 면적은 상기 CMP 패드 전체 면적의 10 내지 40%이며,
    상기 제 1 기공은 우레탄 프리폴리머 및 경화제의 혼합물이 반응기 내에서 수평으로 연장되는 회전축에 의해 회전하고 일부가 상기 혼합물 위로 노출되는 스크루 블레이드의 회전에 의해 혼합되는 과정에서 형성되는 것을 특징으로 하는 CMP 패드.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 기공은 상기 CMP 패드 형성 후 외부에서 인가되는 열적 또는 물리적 힘에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 CMP 패드.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
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