KR101391029B1

KR101391029B1 - 연마 패드

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Publication number: KR101391029B1
Application number: KR1020127020590A
Authority: KR
Inventors: 재홍 박; 신이치 마츠무라; 고우이치 요시다; 요시타네 시게타; 마사하루 기노시타
Original assignee: 니타 하스 인코포레이티드
Priority date: 2006-09-06
Filing date: 2007-08-31
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2027-08-31
Also published as: KR20090061002A; KR101209420B1; JP4326587B2; KR20120103739A; JP5795995B2; JP5210952B2; DE112007002066B4; JPWO2008029725A1; TWI337111B; TW200817132A; JP2012210709A; US20100009612A1; US8337282B2; MY150905A; JP2009154291A; DE112007002066T5; WO2008029725A1

Abstract

피연마물의 평탄도를 높여 그 품질의 향상을 도모할 수 있는 연마 패드를 제공한다. 연마 패드(1)의 연마면(1a)에 버프 가공 등의 기계적 가공을 실시하여 평탄성을 개선하고, 상기 연마면의 기복을 주기 5㎜∼200㎜이며 최대 진폭 40㎛ 이하로 하여, 이에 의해 그 연마 패드(1)를 사용하여 연마되는 실리콘 웨이퍼 등의 피연마물의 평탄도를 향상시키도록 하고 있다.

Description

연마 패드{POLISHING PAD}

본 발명은 반도체 디바이스 등의 제조 공정에서 실리콘 웨이퍼 등의 피연마물의 연마에 사용되는 연마 패드에 관한 것이다.

실리콘 웨이퍼 등의 반도체 웨이퍼의 평탄화 처리에는, 일반적으로 화학 기계 연마(Chemical Mechanical Polishing : CMP)법이 사용되고 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).

이러한 CMP법에서는, 연마 패드를 정반에 유지하고, 실리콘 웨이퍼 등의 피연마물을 연마 헤드에 유지하고, 슬러리를 공급하면서, 연마 패드와 피연마물을 가압 접촉시킨 상태로 상대적으로 미끄럼 이동시킴으로써 연마가 이루어진다.

특허문헌 1 : 일본 특허 공개 2000-334655호 공보

반도체 디바이스의 고집적화에 따라 피연마물의 평탄화에 대한 요구가 점점 강해지고 있으며, 이 때문에 연마 패드와 피연마물 사이에 슬러리가 균일하게 퍼지도록, 연마 패드의 표면에 홈을 형성하거나, 연마 패드 표면의 평균 표면 거칠기(Ra)를 개선하는 등이 행해지고 있지만 충분하지 않고, 특히 대형 웨이퍼의 연마에서는 그 전체에 걸쳐 높은 평탄도를 얻는 것이 용이하지 않다.

또한, 일반적으로 연마 패드에서는 그 연마 패드를 연마 장치에 장착하여 연마 장치를 기동시키는 사용 초기 단계에서는, 다이아몬드 지립 디스크 등을 사용한 드레싱 처리에 의해 그 연마 패드의 표면을 거칠게 하여 날세우기 처리를 행함으로써 연마 성능의 향상을 도모하는, 소위 브레이크인(기동)을 필요로 한다. 반도체 웨이퍼의 생산성을 높이기 위해서는, 이러한 브레이크인에 요하는 시간을 단축할 것이 요망된다.

따라서, 본 발명은 피연마물의 평탄도를 높여 그 품질의 향상을 도모하는 것을 주된 목적으로 하고, 또한 브레이크인 시간을 단축하는 것을 목적으로 한다.

본원의 발명자는 상기 목적을 달성하기 위해 예의 연구한 결과, 연마 패드 표면의 기복을 개선시키는 것이, 피연마물의 평탄도 향상에 유효하다는 것을 발견하여 본 발명을 완성하였다.

여기서, 기복이란 주기가 20㎜∼200㎜이고, 진폭이 10㎛∼200㎛인 요철을 말한다.

본 발명의 연마 패드는 피연마물의 연마에 사용되는 연마 패드로서, 상기 피연마물에 가압 접촉되는 연마면을 가지며, 상기 연마면의 기복이 주기 5㎜∼200㎜, 최대 진폭 40㎛ 이하이다.

본 발명에 의하면, 피연마물에 가압 접촉되는 연마면의 기복을 저감시키고 있기 때문에, 연마면의 기복이 피연마물에 미치는 영향을 저감시켜 피연마물의 평탄도를 향상시킬 수 있다.

또, 본 발명의 연마 패드는 피연마물의 연마에 사용되는 연마 패드로서, 상기 피연마물에 가압 접촉되는 연마면을 가지며, 중성의 용액을 이용하여 측정한 상기 연마면의 제타 전위(zeta potential)가 -50mV 이상 0mV 미만이다.

본 발명에 의하면, 연마 패드의 연마면의 마이너스 제타 전위를 -50 mV 이상0 mV 미만으로 하고, 종래예의 연마 패드의 연마면의 제타 전위에 비해 0에 가까운 값으로 하고 있기 때문에, 슬러리의 마이너스의 연마 입자와의 반발이 억제되어 연마 패드의 연마면과 슬러리의 적합성이 양호해지므로, 브레이크인 시간의 단축을 도모하여 생산성을 높일 수 있다.

한 실시형태에서는 상기 연마면의 평균 표면 거칠기(Ra)를 1㎛ 이상 5㎛ 이하로 해도 좋다.

바람직한 실시형태에서는, 상기 연마면을 갖는 연마층의 하층에 기초층을 갖는 구성으로 하여, 이 기초층에 의해 적절한 쿠션성을 부여해도 좋다.

본 발명에 의하면, 피연마물에 가압 접촉되는 연마면의 기복을 저감시키고 있기 때문에, 피연마물의 평탄도를 향상시킬 수 있다.

또, 연마면의 마이너스의 제타 전위를, 종래예의 연마 패드의 연마면의 제타 전위에 비해 0에 가까운 값으로 하고 있기 때문에, 슬러리의 마이너스 연마 입자와의 반발이 억제되어 연마 패드의 연마면과 슬러리의 적합성이 양호해져, 브레이크인 시간의 단축을 도모하여 생산성을 높일 수 있다.

도 1은 연마 패드의 개략 단면도이다.
도 2는 종래예 1의 연마 패드와 실시예 1의 연마 패드의 연마면의 기복의 측정 결과를 나타낸 도면이다.
도 3은 실시예 1의 연마 패드를 사용하여 연마한 실리콘 웨이퍼의 형상을 나타낸 도면이다.
도 4는 종래예 1의 연마 패드를 사용하여 연마한 실리콘 웨이퍼의 형상을 나타낸 도면이다.
도 5는 실시예 1과 종래예 1의 연마 횟수에 따른 연마 레이트의 변화를 나타낸 도면이다.
도 6은 실시예 1의 연마 패드를 사용한 연마에서의 연마 시간과 마찰력의 관계를 나타낸 도면이다.
도 7은 종래예 1의 연마 패드를 사용한 연마에서의 연마 시간과 마찰력의 관계를 나타낸 도면이다.
도 8은 실시예 2-1, 종래예 2 및 브레이크인 후의 종래예 2의 연마 패드를 사용한 연마 레이트의 변화를 나타낸 도면이다.
도 9는 다른 실시형태의 연마 패드의 개략 단면도이다.

이하, 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시형태에 관해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시형태의 연마 패드의 단면도이다.

이 실시형태의 연마 패드(1)는 폴리우레탄 등의 발포성 수지를 발포 경화시켜 얻어지는 것이다. 연마 패드는 발포 구조로 한정되지 않고, 무발포 구조이어도 좋고, 또 부직포 패드 등이어도 좋다.

이 실시형태에서는, 실리콘 웨이퍼 등의 피연마물의 평탄도를 향상시키기 위해, 피연마물에 가압 접촉되는 연마면(1a)의 전면을 버프 가공하여 연마면(1a)의 기복을 저감시키고 있다.

이 버프 가공에 의해, 연마면(1a)에서의 주기 5㎜∼200㎜의 기복의 최대 진폭을 40㎛ 이하로 저감시켰다. 이 최대 진폭은 가급적 작은 것이 바람직하다.

연마면의 기복을 저감시키기 위한 가공은 버프 가공으로 한정되지 않고, 밀링 가공이나 프레스 가공이어도 좋다.

이하, 구체적인 실시예에 관해 설명한다.

(실시예 1)

이 실시예 및 종래예에서는, Nitta Haas Incorporated 제조의, 실리콘 연마에 적합한 비교적 큰 발포 직경의 발포 우레탄 패드인 MH 타입의 연마 패드를 사용했다.

도 2는 연마면에 #240의 샌드페이퍼를 사용한 버프 가공을 실시한 실시예 1의 연마 패드와, 버프 가공을 실시하지 않은 종래예 1의 연마 패드의 연마면의 기복의 측정 결과를 나타낸 도면이다.

도 2에서 횡축은 연마 패드의 연마면상의 위치에 대응하며, 라인 L1은 실시예 1을, 라인 L2는 종래예 1을 각각 나타내고 있다. 이 연마면의 기복의 측정은 Hitachi Zosen Corporation 제조의 측정기 HSS-1700을 사용하여 행했다.

연마면을 버프 가공하지 않은 종래예 1의 연마 패드에서는, 라인 L2로 나타낸 바와 같이 급격한 상승이 있고, 연마면의 기복이 많으며, 그 최대 진폭도 40㎛을 초과하는 데 비해, 실시예 1의 연마 패드에서는, 라인 L1로 나타낸 바와 같이 상승이 완만하고, 연마면의 기복도 적으며, 그 최대 진폭도 40㎛ 이하로 저감되어 있는 것을 알 수 있다.

실시예 1의 연마 패드와 종래예 1의 연마 패드를 사용하여, 300㎜의 실리콘 웨이퍼의 양면 연마를 다음 조건으로 행하여 실리콘 웨이퍼의 평탄성 및 연마 레이트를 평가했다.

상부 정반 회전수 20 rpm, 하부 정반 회전수 15 rpm, 가압력 100 g/㎠로 하고, 25℃의 실리카 슬러리를 사용하고, 슬러리 유량 2.5 L/min로 했다.

연마후의 실리콘 웨이퍼의 GBIR(Global Back Ideal Range), SFQR(Site Front Least Squares Range), 롤오프(Roll off) 및 연마 레이트를 표 1에 나타낸다. 표 1에는 5장의 실리콘 웨이퍼에 대해 행한 연마 시험의 평균치를 나타내고 있다.

	실시예 1	종래예 1
GBIR	0.207	0.349
SFQR	0.100	0.152
롤 오프(Roll-off)	0.100	0.23
연마 레이트(Removal rate)	0.46	0.39

표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 1의 연마 패드를 사용하여 연마한 실리콘 웨이퍼는, 종래예 1의 연마 패드를 사용하여 연마한 실리콘 웨이퍼에 비해 GBIR, SFQR로 표시되는 평탄성이 모두 개선되어 있고, 또한 롤오프 및 연마 레이트도 개선되어 있다.

또, 실시예 1의 연마 패드를 사용하여 연마한 실리콘 웨이퍼의 형상 및 종래예 1의 연마 패드를 사용하여 연마한 실리콘 웨이퍼의 형상을 각각 도 3 및 도 4에 나타낸다.

실리콘 웨이퍼의 측정에는, KURODA Precision Industries 제조의 레이저식 측정 장치인 NANOMETRO 200TT를 사용했다.

도 4에 도시한 바와 같이, 종래예 1의 연마 패드를 사용하여 연마한 실리콘 웨이퍼에서는 중앙 부분이 주변 부분에 비해 연마되어 있는 데 비해, 실시예 1의 연마 패드를 사용하여 연마한 실리콘 웨이퍼에서는, 도 3에 도시한 바와 같이 전면이 균일하게 연마되어 있는 것을 알 수 있다.

이상과 같이, 연마면의 기복을 저감시킨 실시예 1의 연마 패드에 의하면, 실리콘 웨이퍼의 평탄도를 향상시킬 수 있고, 또한 롤오프 및 연마 레이트를 향상시킬 수 있다.

도 5는, 실시예 1의 연마 패드와 종래예 1의 연마 패드의 연마 횟수에 따른 연마 레이트의 변화를 나타낸 도면이다.

실시예 1의 연마 패드에서는 초회부터 안정적으로 높은 연마 레이트를 나타내는 데 비해, 종래예 1의 연마 패드에서는 2회 이후부터 안정된 연마 레이트를 나타내었다.

도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1의 연마 패드에서는, 종래예 1의 연마 패드에 비해 연마 레이트를 높여 안정화하기까지의 기동 시간, 소위 브레이크인 시간을 단축할 수 있고, 또한 연마 레이트를 향상시킬 수 있다.

또한, 도 6 및 도 7은, 실시예 1의 연마 패드와 종래예 1의 연마 패드의 연마 시간에 대한 마찰력의 변화를 나타낸 도면이다.

일정한 연마 레이트를 얻기 위해서는 마찰력이 일정해야 하는데, 실시예 1의 연마 패드에서는 일정한 마찰력이 얻어지기까지의 시간이 60초인 데 비해, 종래예 1의 연마 패드에서는 150초이므로, 실시예 1의 연마 패드에서는, 종래예 1의 연마 패드에 비해 연마 기동 시간이 짧다는 것을 알 수 있다.

표 2는, 실시예 1 및 종래예 1의 연마 패드의 연마면의 평균 표면 거칠기(Ra)를, Lazertec Co., Ltd. 제조의 리얼타임 주사형 레이저 현미경 1LM21D를 사용하여 측정한 결과를 나타내는 것이다. 이 표 2에서는, 45㎛×45㎛의 영역에서 측정된 5점의 측정 결과 및 그 평균치를 나타내고 있다.

평균 표면 거칠기(Ra)(㎛)	실시예 1	종래예 1
샘플 1	2.87	1.79
샘플 2	2.94	1.68
샘플 3	1.86	1.49
샘플 4	2.42	1.50
샘플 5	2.44	1.92
평균	2.51	1.68

표 2에 나타낸 바와 같이, 연마면에 버프 가공을 실시한 실시예 1은 종래예 1에 비해 연마면의 평균 표면 거칠기(Ra)가 커서, 전술한 바와 같이 연마 레이트를 높여 안정화시키기까지의 브레이크인 시간을 종래예 1에 비해 단축할 수 있다는 것을 알 수 있다.

(실시예 2)

전술한 실시예 1 및 종래예 1에서는 MH 타입의 연마 패드를 사용했지만, 이 실시예 및 종래예에서는, Nitta Haas Incorporated 제조의 비교적 작은 발포 직경의 발포 우레탄 패드인 IC 타입의 연마 패드를 사용했다.

이 실시예 2에서는, IC 타입의 연마 패드의 연마면에 #100의 샌드페이퍼를 사용한 버프 가공을 실시한 실시예 2-1과, 연마면에 #100보다 가는 #240의 샌드페이퍼를 사용한 버프 가공을 실시한 실시예 2-2를 제작하여, 버프 가공을 실시하지 않은 종래예 2와 비교했다.

전술한 실시예와 마찬가지로, Hitachi Zosen Corporation 제조의 측정기 HSS-1700를 사용하여 행한 연마면의 기복 측정 결과에서는, 실시예 2-1, 실시예 2-2의 연마 패드에서는 종래예 2의 연마 패드에 비해 연마면의 기복이 적고 그 최대 진폭도 40㎛ 이하로 저감되어 있는 것이 확인되었다.

다음으로, 실시예 2-1, 2-2 및 종래예 2의 연마 패드의 연마면의 평균 표면 거칠기(Ra)를, Lazertec Co., Ltd. 제조의 리얼타임 주사형 레이저 현미경 1LM21D를 사용하여 측정했다.

그 결과를 표 3에 나타낸다. 표 3에서는, 18㎛×18㎛의 영역에서 측정된 5점의 측정 결과 및 그 평균치를 나타내고 있다.

평균 표면 거칠기(Ra)(㎛)	실시예 2-1	실시예 2-2	종래예 2
샘플 1	1.75	1.25	0.45
샘플 2	2.62	1.64	0.53
샘플 3	2.70	0.99	0.63
샘플 4	1.77	1.81	0.67
샘플 5	1.75	1.10	0.63
평균	2.12	1.36	0.58

표 3에 나타낸 바와 같이, 연마면에 버프 가공을 실시한 실시예 2-1, 2-2는, 종래예 2에 비해 연마면의 평균 표면 거칠기(Ra)가 커서, 연마 레이트를 높여 안정화시키기까지의 브레이크인 시간을 종래예 2에 비해 단축하는 기대할 수 있다.

연마면의 평균 표면 거칠기(Ra)는, 브레이크인 시간의 단축을 도모하기 위해서는 1 ㎛ 이상인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1 ㎛∼5 ㎛ 이다. 평균 표면 거칠기가 5 ㎛을 초과하면 스크래치 등이 생겨 바람직하지 않다.

다음으로, 실시예 2-1, 실시예 2-2 및 종래예 2의 연마 패드 및 브레이크인을 행한 후의 종래예 2의 연마 패드의 연마면의 제타 전위를, OTSUKA ELECTRONICS CO., LTD. 제조의 제타 전위ㆍ입경 측정 시스템 ELS-Z2를 사용하고, 레이저 도플러법(동적ㆍ전기 영동 광산란법)에 의해, 중성의 10 mM의 Nacl 용매를 사용하여 각각 측정했다.

그 결과를 표 4에 나타낸다.

제타 전위(mV)	실시예 2-1	실시예 2-2	종래예 2	브레이크인 후의 종래예 2
샘플 1	-9.16	-10.57	-130.75	-32.59
샘플 2	-10.32	-13.26	-127.37	-32.25
샘플 3	-8.05	-13.30	-141.36	-33.83
평균	-9.18	-12.38	-133.16	-32.89

표 4에 나타낸 바와 같이, 실시예 2-1, 실시예 2-2의 연마 패드의 연마면의 제타 전위의 평균치는 -9.18 mV, -12.38 mV인 데 비해, 종래예 2의 연마 패드의 연마면의 제타 전위의 평균치는 -133.16 mV이므로, 종래예 2에 비해 0 mV에 가까운 값이 되었다.

이와 같이, 실시예 2-1, 실시예 2-2에서는, 연마면의 마이너스의 제타 전위가 종래예 2의 연마면의 제타 전위에 비해 0에 가까운 값으로 되었기 때문에, 슬러리의 마이너스의 연마 입자와의 반발이 억제되어 연마 패드의 연마면과 슬러리와의 적합성이 양호해지므로, 브레이크인 시간의 단축을 도모하는 것을 기대할 수 있다.

실시예 2-1, 실시예 2-2에서는, 종래예 2의 연마 패드를 브레이크인했을 때의 연마면의 제타 전위의 평균치인 -32.89 mV보다 0에 가까운 값이 되어, 실시예 2-1, 실시예 2-2에서는 종래예와 같은 브레이크인을 행할 필요가 없는 것을 나타내고 있다.

브레이크인 시간의 단축을 도모하기 위해서는, 연마 패드의 연마면의 제타 전위는 -50mV 이상 0mV 미만인 것이 바람직하다.

다음으로, 실시예 2-1, 종래예 2 및 브레이크인 후의 종래예 2의 연마 패드를 사용하여, 8 inch의 TEOS 막이 부착된 실리콘 웨이퍼의 연마를 다음 조건으로 행하여, 연마 레이트를 평가했다.

상부 정반 회전수 60 rpm, 하부 정반 회전수 41 rpm, 가압력 48 kPa로 하고, Nitta Haas Incorporated 제조의 슬러리 ILD3225를 사용하고, 슬러리 유량 100 ㎖/min으로 하여 60초간 연마했다. 이 60초간의 연마를 30초간의 드레싱 처리를 사이에 끼워 반복하여 행했다.

도 8은 그 결과를 나타낸 도면이다.

▲로 표시되는 실시예 2-1의 연마 패드는, ●로 표시되는 종래예 2의 연마 패드에 비해 연마 레이트가 높고, 빠르게 안정되어 있다. 또, 실시예 2-1의 연마 패드는, □로 표시되는 브레이크인 후의 종래예 2와 동일한 연마 레이트 및 안정성을 나타내고 있다.

즉, 실시예 2-1은 브레이크인을 행하지 않아도 브레이크인 후의 종래예 2와 동일한 특성을 나타내고 있어, 실시예 2-1의 연마 패드에서는 종래예 2와 같은 브레이크인이 불필요하다는 것을 알 수 있다.

또, 실시예 2-1, 실시예 2-2 및 종래예 2의 연마 패드를 사용하여 연마한 실리콘 웨이퍼의 평탄성을 실시예 1과 동일하게 평가했다. 그 결과, 브레이크인을 하지 않은 실시예 2-1, 실시예 2-2의 연마 패드를 사용하여 연마한 실리콘 웨이퍼는, 브레이크인 후의 종래예 2의 연마 패드를 사용하여 연마한 실리콘 웨이퍼와 동등 이상의 평탄성을 나타내는 GBIR, SFQR의 값이 얻어졌다.

전술한 실시형태에서는 연마 패드는 1층 구조였지만, 도 9에 나타낸 바와 같이, 하층에 예를 들어 우레탄을 함침한 부직포나 연질 폼으로 이루어진 기초층(2)을 형성한 다층 구조로 해도 좋다.

본 발명은 실리콘 웨이퍼 등의 반도체 웨이퍼의 연마에 유용하다.

1 : 연마 패드
1a : 연마면

Claims

피연마물의 연마에 사용되는 연마 패드로서,
상기 피연마물에 가압 접촉되는 연마면을 가지며, 상기 연마면의 기복이, 주기가 5 ㎜∼200 ㎜이고, 최대 진폭이 40 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 연마 패드.
제1항에 있어서, 상기 연마면의 평균 표면 거칠기(Ra)가 1 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 연마 패드.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연마면을 갖는 연마층의 하층에 기초층을 갖는 것을 특징으로 하는 연마 패드.