KR101144168B1

KR101144168B1 - Ｃｍｐ 패드 컨디셔너 제조방법

Info

Publication number: KR101144168B1
Application number: KR1020110053354A
Authority: KR
Inventors: 이세광; 김연철; 이주한; 이종재; 부재필; 최재광
Original assignee: 이화다이아몬드공업 주식회사
Priority date: 2011-06-02
Filing date: 2011-06-02
Publication date: 2012-05-10
Anticipated expiration: 2031-06-02

Abstract

본 발명은 CMP 패드 컨디셔너 제조방법에 관한 것으로서, 기판에 패턴을 형성하는 단계; 상기 기판을 황산 20중량% 내지 30중량%이하 함유된 전처리용액으로 60초 내지 70초 동안 전처리하는 단계; 상기 전처리된 기판의 패턴 상에 다이아몬드 박막층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 의해, 다이아몬드 박막층의 박리현상과 패턴의 무너짐 현상을 방지함과 동시에, 대면적화를 실현할 수 있는 전처리 공정을 갖는 CMP 패드 컨디셔너 제조방법이 제공된다.

Description

ＣＭＰ 패드 컨디셔너 제조방법{Method for manufacturing of CMP Pad conditioner}

본 발명은 CMP 패드 컨디셔너 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 다이아몬드 박막층의 박리현상과 패턴의 무너짐 현상을 방지함과 동시에, 대면적화를 실현할 수 있는 CMP 패드 컨디셔너 제조방법에 관한 것이다.

CMP 패드 컨디셔너(CMP pad Conditioner)는 반도체 웨이퍼의 CMP(화학기계연마; Chemical mechanical polishing)공정에 사용되는 연마패드를 드레싱(dressing)해 주는 공구이다.

CMP 공정은 반도체 웨이퍼를 평탄화하는 공정으로서, 연마패드와 반도체 웨이퍼의 밀착 상태에서 연마패드와 웨이퍼 사이에 연마제가 포함된 연마액인 슬러리(slurry)를 공급하면서 연마패드와 웨이퍼를 상대측으로 가압함과 동시에 상대 회전시키는 방법으로 진행된다.

연마패드에는 미세 기공들이 다수 존재하며 이들 기공에 연마액이 침투되면서 평탄화 공정의 효율을 높이게 된다. 그러나, 연마패드는 CMP 공정이 진행될수록 미세기공이 막히거나 마모되는 등의 손상이 발생할 수 밖에 없으며, 이러한 연마패드의 손상은 반도체 웨이퍼의 평탄화 과정에서 심각한 불량을 초래한다.

따라서, 주기적으로 이렇게 손상된 연마패드 표면을 드레싱(dresssing; 구체적으로는 연마패드를 연마하여 평탄화)하여 그 성능이 회복시키는 것이 매우 중요하며, 이때, 사용되는 연마패드 평탄화 공구가 CMP 패드 컨디셔너이다.

일반적인 종래 CMP 패드 컨디셔너는 금속소재나 합금소재 또는 초경합금소재로 이루어진 기판 상에 다이아몬드 박막층을 형성되어 있다.

종래 CMP 패드 컨디셔너의 제조방법으로는 전착 또는 융착(브레이징) 방법으로 기판 상에 다이아몬드 입자들을 코팅하여 다이아몬드 박막층을 형성하는 방법과, 소결 방법으로 기판 상에 다이아몬드 박막층을 형성하는 방법을 꼽을 수 있다.

이 중 전착 방법은 전기도금 방식을 이용하여 니켈 금속 이온으로 다이아몬드 입자의 둘레를 감싸서 기판상에 고정시키는 방식인데, 다이아몬드 입자를 단순히 물리적으로 잡아주고만 있기 때문에, 결합력이 약해 다이아몬드 입자의 탈락현상이 발생하여 다이아몬드 박막층이 박리되는 문제점을 가지고 있다.

그리고, 융착 방법은 다이아몬드 입자를 니켈계 브레이징 메탈본드를 이용하여 기판에 결합하는 방식인데, 다이아몬드 입자와 니켈계 브레이징 메탈본드 경계 영역에서 화학적 반응이 일어나 결합력이 강하게 형성되기는 하지만, 브레이징이 약 1000℃의 고열에서 이루어지기 때문에, 열에 약한 다이아몬드 입자가 열적 충격에 의해 강도가 약해져 사용 중 다이아몬드 입자의 크랙 발생 및 깨짐 현상이 발생하는 문제점이 있다.

또한, 소결 방법 역시, 높은 온도에서 기판 상에 다이아몬드 박막층을 형성하기 때문에, 융착 방법과 만찬가지의 문제점을 가지고 있다.

상기와 같은, 종래 CMP 패드 컨디셔너의 제조방법에서 발생하는 문제점을 해결하기 위해서 기상화학증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition)에 의해 기판 상에 다이아몬드 박막층을 형성하는 CMP 패드 컨디셔너 제조방법이 대한민국 등록특허 제387954호에 개시된 바 있다.

이 CVD 방식의 CMP 패드 컨디셔너 제조방법은 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(110) 상에 요철 등과 같은 패턴(111)을 형성하고, CVD 증착으로 기판(110)의 패턴(111) 상에 다이아몬드 입자들을 증착시켜서 다이아몬드 박막층(120)을 형성한다.

그러나,, 이러한 종래 CVD 방식의 CMP 패드 컨디셔너(101)의 제조 방법에 있어서는 요철 등과 같은 형태로 이루어진 패턴(111)의 굴곡 및 모서리 영역에서 결합력의 저하가 발생하여 다이아몬드 박막층(120)의 박리 현상이 발생하는 문제점이 있다.

특히, 기판(110)이 초경합금 소재인 경우에는 CVD 방식으로 CMP 패드 컨디셔너(101)를 제조하는 과정에서 기판과 다이아몬드 박막층(120) 간의 열팽창계수 차이에 의해 기판(110)으로부터 다이아몬드 박막층(120)이 박리되는 문제점이 발생한다.

이에 따라, 최근에는 초경합금소재를 기판(110)으로 하여 CVD 방식으로 CMP 패드 컨디셔너(101)를 제조하는 방법에서 다이아몬드 박막층(120)의 박리현상을 방지하기 위해서, 기판(110) 상에 다이아몬드 박막층(120)을 증착하기 전에 기판(110)을 황산과 과산화수소가 혼합된 전처리 용액에 소정의 시간동안 접촉시키는 전처리 공정을 실행하고 있다.

하지만, 패턴(111)의 가로세로 사이즈가 약 30μm 이하, 특히 약 10μm의 미세 패턴으로 형성될 경우에는 초경합금 기판(110)의 표면에서 Co 함량이 줄어들어 전처리 후에도 다이아몬드 박막층(120)의 박리현상이 발생하고, 다이아몬드 박막층(120) 대응 영역의 패턴 형상이 무너지는 문제점이 발생한다.

도 2는 종래 CVD 방식의 CMP 패드 컨디셔너의 다이아몬드 박막층 박리현상을 실험한 결과 사진이다.

이때, 실험조건은 초경합금 기판(110)을 황산 10중량%와 나머지 과산화수소가 혼합된 전처리액에 5초간 전처리한 후 CVD 방법으로 다이아몬드 박막층(120)을 10μm 두께로 증착한 후, 로크웰 경도계 60Kg 하중으로 다이아몬드 박막층(120)에 타격을 가하는 조건으로 이루어졌다.

그 결과, 도 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, CMP 패드 컨디셔너(101)의 일부 영역에서 비교적 큰 면적으로 다이아몬드 박막층(120)이 박리되는 문제점이 발생하는 것을 확인할 수 있었다.

이러한 다이아몬드 박막층 박리현상의 문제점은 CMP 패드 컨디셔너의 대면적화에도 매우 불리한 문제점으로 대두된다.

따라서, 본 발명의 목적은 다이아몬드 박막층의 박리현상과 패턴의 무너짐 현상을 방지함과 동시에, 대면적화를 실현할 수 있는 전처리 공정을 갖는 CMP 패드 컨디셔너 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적은 본 발명에 따라, CMP 패드 컨디셔너 제조방법에 있어서, 기판에 패턴을 형성하는 단계; 상기 기판을 황산 20중량% 내지 30중량%이하 함유된 전처리용액으로 60초 내지 70초 동안 전처리하는 단계; 상기 전처리된 기판의 패턴 상에 다이아몬드 박막층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 CMP 패드 컨디셔너 제조방법에 의해 달성된다.

여기서, 기판은 초경합금소재로 마련되는 것이 바람직하다.

그리고, 패턴의 가로세로 사이즈는 30μm x 30μm 이하인 것이 효과적이다.

또한, 다이아몬드 박막층은 기상화학증착법(CVD)으로 기판 상에 증착되는 것이 효과적이다.

본 발명에 따르면, 다이아몬드 박막층의 박리현상과 패턴의 무너짐 현상을 방지함과 동시에, 대면적화를 실현할 수 있는 전처리 공정을 갖는 CMP 패드 컨디셔너 제조방법이 제공된다.

도 1은 종래 CMP 패드 컨디셔너의 단면도,
도 2는 종래 CMP 패드 컨디셔너의 다이아몬드 박막층 박리현상을 실험한 결과 사진,
도 3은 본 발명에 따른 CMP 패드 컨디셔너의 단면도,
도 4는 본 발명에 따른 CMP 패드 컨디셔너의 제조공정 흐름도,
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 CMP 패드 컨디셔너의 실험결과 사진.

이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대해 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 CMP 패드 컨디셔너의 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 CMP 패드 컨디셔너의 제조공정 흐름도이다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 CMP 패드 컨디셔너(1)의 제조방법은 기판(10)을 마련하는 단계(S01)와, 기판(10)을 전처리하는 단계(S02)와, 전처리된 기판(10) 상에 다이아몬드 박막층(20)을 형성하는 단계(S03)를 포함한다.

기판(10)을 마련하는 단계(S01)는 금속 기판(10) 상에 요철 등의 패턴(11)을 형성하는 단계로서, 기판(10)은 초경합금소재를 이용하여 제작되는 것이 바람직하다.

기판(10)의 소재인 초경합금의 종류에는 제한이 없으며, 일 예로 텅스텐카보나이드-코발트(WC-Co)계, 텅스텐카보나이드-탄화티타늄-코발트(WC-TiC-Co)계, 텅스텐카보나이드-탄화티타늄-탄화탄탈륨-코발트(WC-TiC-TaC-Co)계와 같은 텅스텐카보나이드(WC)계열의 초경합금을 비롯하여 써멧(TiCN), 탄화붕소(B4C)계, 티타늄보라이트(TiB2)계 초경합금 등을 들 수 있다.

기판(10)의 소재는 경우에 따라서, 초경합금 외에도 세라믹계 재질인 질화규소(Si3N4)나 실리콘(Si)으로 된 기판(10)이 바람직하며, 그밖에 가용한 세라믹계 재질로는 산화알루미늄(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 산화티타늄(TiO2), 산화지르코늄(ZrOx), 산화규소(SiO2), 탄화규소(SiC), 실리콘옥시나이트라이드(SiOxNy), 질화텅스텐(WNx), 산화텅스텐(WOx), DLC(Diamond Like Coating), 질화붕소(BN), 또는 산화크롬(Cr2O3) 등을 이용할 수도 있다.

그리고, 기판(10) 상에 패턴(11)을 형성하는 것은 절삭 등의 기계 가공을 이용하여 기판(10) 상에 다수의 요철 등으로 이루어진 패턴(11)을 형성하는 것으로서, 이 패턴(11)의 형상은 다각형뿔이나 원형뿔 등의 다양한 형상을 가질 수 있다. 이 패턴(11)은 절삭팁일 수 있으며, 다이아몬드 입자들과의 결합력을 증대시키기 위한 구조일 수 있다. 이 패턴(11)은 다이아몬드 박막층(20)의 증착 후에도 그 형상이 그대로 유지되면서 절삭성과 표면조도가 매우 균일하게 이루어지도록 형성될 필요가 있다.

이러한 기판(10)의 형상은 평면에서 볼 때, 원형의 디스크 형상을 갖는 것이 바람직하지만, 경우에 따라서 다각형의 평면 형상을 가질 수 있다. 그리고, 기판(10) 상에 형성되는 패턴(11)의 크기는 제한이 없지만 CMP 연마패드의 평탄화를 수행하기 위한 최적의 패턴(11) 사이즈는 가로세로 30μm x 30μm 이하의 미세 패턴(11)으로 형성되는 것이 바람직하다.

그리고, 기판(10)을 전처리하는 단계(S02)는 황산과 과산화수소가 혼합된 전처리액에 기판(10)을 소정의 시간동안 접촉시킴으로서, 기판(10) 표면에 바인더 역할을 하는 Co를 에칭하기 위해 이루어지는 공정이다.

이때, 전처리액의 성분은 황산이 20중량% 내지 30중량% 이하가 함유되고 나머지는 과산화수소가 함유되고, 전처리 시간은 60초 내지 70초 동안 이루어지는 것이 효과적인 것으로 후술할 실험결과에서 확인된다.

한편, 전처리된 기판(10) 상에 다이아몬드 박막층(20)을 형성하는 단계(S03)는 기상화학증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 다이아몬드 입자들을 패턴(11)이 형성되어 있는 기판(10) 상에 증착하는 단계이다. 이때, CVD 공정장비는 널리 알려진 바와 같이, 탄탈륨 또는 텅스텐 필라멘트와 전원공급장치 외에 제어기판과 필라멘트간에 직류 전류를 인가하도록 구성된 별도의 전원으로 이루어져 있는 CVD 공정장비를 이용할 수 있다.

이하에서는 전술한 전처리 조건으로 제조된 기판(10)과 다른 전처리 조건으로 제조된 기판(10)에서 다이아몬드 박막층(20)의 박리유무를 관찰한 비교 실험 과정 및 결과에 대해 설명한다.

[실험1]

먼저, 황산 비율이 각각 10중량%, 20중량%, 30중량% 함유되고 나머지 과산화수소가 혼합된 전처리액 3종류를 마련하고, 각 전처리액에 동일한 기판(10) 시료 9개를 전처리 시간 30초, 60초, 90초로 분류하여 전처리한다.

그런 다음, 각 초경합금소재의 기판(10) 시료에 10μm의 다이아몬드 박막층(20)을 CVD 증착하여 박리 현상이 발생한 시편을 제거하기로 하였다. 그 결과가 아래의 표-1과 같이 확인되었다.

	전처리시간 30초	전처리시간 60초	전처리시간 90초
황산 10%	박리현상 발생	박리현상 없음	박리현상 없음
황산 20%	박리현상 발생	박리현상 없음	박리현상 없음
황산 30%	박리현상 발생	박리현상 없음	박리현상 없음

[실험2]

실험1에서 박리현상이 발생하지 않은 시편 6개, 즉 황산 10중량%, 20중량%, 30중량%를 함유하는 전처리액에서 60초와 90초로 전처리된 기판(10) 시료에 다이아몬드 박막층(20)을 형성한 6개의 시편에 대해 로크웰 경도계의 다이아몬드 콘을 이용하여 60Kg의 하중으로 타격 실험을 진행하였다.

이는 CMP 패드 컨디셔너(1)의 실제 사용에서 발생할 수 있는 다이아몬드 입자의 크랙 및 탈락과 다이아몬드 박막층(20)의 박리현상 발생 유무에 대한 관찰과 최적의 전처리 조건을 도출하기 위한 실험이다. 그 결과가 도 5 및 아래 표-2와 같이 확인되었다.

	전처리시간 60초	전처리시간 90초
황산 10%	박리현상 발생	박리현상 발생
황산 20%	박리현상 없음	박리현상 없음
황산 30%	박리현상 없음	박리현상 없음

[실험3]

실험2에서 확인할 수 있는 바와 같이, 황산 비율 20중량%, 30중량%의 전처리액에 60초 내지 90초 동안 전처리된 기판(10) 시료에서 박리현상이 발생하지 않은 결과에 근거하여 본 실험 3에서는 CMP 패드 컨디셔너(1)의 대면적화를 고려하여 기판(10) 시료의 크기를 4인치 기판(10) 시료로 하고, 박리현상 유무와 패턴(11) 무너짐을 관찰하기 위해 기판(10) 상에 형성되는 패턴(11)의 크기를 가로세로 10μm x 10μm으로 한 기판(10) 시료에 대해 다이아몬드 박막층(20)의 박리현상 및 패턴(11) 무너짐 현상을 관찰하는 실험을 진행하였다.

이때, 전처리액은 각각 황산비율 20중량%, 30중량%의 전처리액 2종류를 이용하고, 전처리 시간을 좀 더 세분화하여 60초, 70초, 80초, 90초로 진행한다. 따라서, 기판(10) 시료는 8개의 기판(10) 시료가 이용된다. 이에 대한 결과가 도 6 및 아래의 표-3과 같이 확인되었다.

여기서, 도 6의 (a)는 패턴(11) 대응 영역에서의 다이아몬드 박막층(20)의 무너짐 현상이 발생한 사진이며, 6의 (b)는 패턴(11) 대응 영역에서의 다이아몬드 박막층(20)의 무너짐 현상이 없는 사진이다.

	전처리시간60초	전처리시간70초	전처리시간80초	전처리시간90초
황산 20%	박리현상 없음 패턴무너짐없음	박리현상 없음 패턴무너짐없음	박리현상 없음 패턴무너짐발생	박리현상 없음 패턴무너짐발생
황산 30%	박리현상 없음 패턴무너짐발생	박리현상 없음 패턴무너짐발생	박리현상 없음 패턴무너짐발생	박리현상 없음 패턴무너짐발생

상기 실험1 내지 실험3의 결과에서 확인할 수 있는 바와 같이, 기판(10)을 황산 20중량% 내지 30중량%이하 함유된 전처리용액으로 60초 내지 70초 동안 전처리한 본 발명에 따른 CMP 패드 컨디셔너(1)의 제조방법에 의해 제조된 CMP 패드 컨디셔너(1)는 다이아몬드 박막층(20)의 박리현상과 패턴(11)의 무너짐 현상이 발생하지 않음으로써, 제품불량의 감소시키면서 현격한 생산성 향상이 이루어지며, CMP 패드 컨디셔너(1)의 대면적화를 실현할 수 있다.

10 : 기판 11 : 패턴
20 : 다이아몬드 박막층

Claims

CMP 패드 컨디셔너 제조방법에 있어서,
기판에 패턴을 형성하는 단계;
상기 기판을 황산 20중량% 내지 30중량%이하 함유된 전처리용액으로 60초 내지 70초 동안 전처리하는 단계;
상기 전처리된 기판의 패턴 상에 다이아몬드 박막층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 CMP 패드 컨디셔너 제조방법.
제1항에 있어서,
기판은 초경합금소재로 마련되는 것을 특징으로 하는 CMP 패드 컨디셔너 제조방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
패턴의 가로세로 사이즈는 30μm x 30μm 이하인 것을 특징으로 하는 CMP 패드 컨디셔너 제조방법.
제1항에 있어서,
다이아몬드 박막층은 기상화학증착법(CVD)으로 기판 상에 증착되는 것을 특징으로 하는 CMP 패드 컨디셔너 제조방법.