KR20200037314A

KR20200037314A - 폴리우레탄 연마층, 연마층을 포함하는 연마 패드, 연마층의 제조 방법 및 재료 평탄화 방법

Info

Publication number: KR20200037314A
Application number: KR1020207005721A
Authority: KR
Inventors: 슌취엔 주; ?취엔 주; 이지에 루오; 민 리우; 지핑 장; 리위엔 츠어
Original assignee: 후베이 딩후이 마이크로일렉트로닉스 머티리얼즈 코., 엘티디
Priority date: 2017-08-31
Filing date: 2018-08-31
Publication date: 2020-04-08
Anticipated expiration: 2038-08-31
Also published as: KR102338854B1; US20200215661A1; US11179822B2; WO2019042428A1

Abstract

본 발명은 화학적 기계적 평탄화 처리의 연마 기술분야에 속하는 연마 패드, 폴리우레탄 연마층 및 이의 제조 방법을 제공한다. 열팽창 계수가 100 내지 200ppm/℃인 폴리우레탄 연마층은 다성분 반응에 의해 생성된 반응 생성물을 함유한다. 다성분은 이소시아네이트 말단화 프리폴리머, 중공 미소구 폴리머 및 경화제 조성물을 포함한다. 경화제 조성물은 5 내지 55wt%의 지방족 디아민 조성물, 0 내지 8wt%의 폴리아민 조성물 및 40 내지 90wt%의 방향족 이작용성 조성물을 포함한다. 폴리우레탄 연마층의 밀도는 0.6 내지 1.1g/cm³이고, 쇼어 경도는 45 내지 70D이고, 파단신율은 50 내지 450%이다. 상기 폴리우레탄 연마층의 제조 공정은 간단하고 비용이 낮으며 에너지 소모가 적다. 상기 공정에 의해 제조된 폴리우레탄 연마층은 가수분해 안정성이 높고 밀도가 균일하며 제거 속도가 안정적이다.

Description

폴리우레탄 연마층, 연마층을 포함하는 연마 패드, 연마층의 제조 방법 및 재료 평탄화 방법

본 발명은 화학적 기계적 평탄화 처리의 연마 기술분야에 관한 것으로, 상세하게는 폴리우레탄 연마층 및 이의 제조 방법, 상기 폴리우레탄 연마층을 포함하는 연마 패드 및 상기 연마 패드를 사용하여 재료를 평탄화하는 방법에 관한 것이다.

반도체 소자 제조 과정에서 공정 기술이 업그레이드됨에 따라 와이어와 게이트 사이의 크기가 계속 축소되고 있으며, 포토리소그래피(Photolithography)에서 웨이퍼 표면의 평탄도에 대한 기준이 갈수록 높아지고 있다. 1991년 IBM이 화학적 기계적 연마(CMP, chemical mechanical polishing) 기술을 64Mb DRAM 생산에 성공적으로 적용한 이후, CMP 기술은 빠르게 발전하여 현재 반도체 웨이퍼, 스토리지 디스크 및 고정밀 광학 재료의 평탄화에 널리 사용되고 있다. 화학적 기계적 연마로 불리는 CMP는 화학적 부식과 기계적 제거를 결합한 기술로, 현재 기계적 가공에서 유일하게 표면 전체 평탄화를 구현할 수 있는 기술이다. 종래의 CMP 공정은 다음과 같다. 즉, 가공할 물질을 지지체 상에 고정시키고, 연마할 표면이 아래를 향하는 방식으로 일정한 압력 하에서 기계 테이블 상에 고정된 연마 패드 상을 향해 가압하며, 가공할 물질과 연마 패드의 상대적 회전을 통해 연마액의 존재 하에 연마 입자의 기계적 절단 및 산화제의 화학적 부식을 이용하여 공작물 표면의 물질을 제거함으로써 매끄러운 표면을 획득한다.

집적 회로의 피처 크기가 딥 나노(deep nano) 공정으로 발전함에 따라 제조 공정에서 유전물질에 대한 기준이 높아졌으며, 금속 배선 사이의 크로스토크(crosstalk) 증가로 인한 상호 연결 지연을 억제하기 위하여 점점 더 낮은 κ, 심지어 초저κ 유전물질이 응용되고 있다. 그러나 저κ 및 초저κ 유전물질은 통상적으로 물질의 공극률을 향상시키는 방식으로 획득한다. 따라서 종래의 유전체에 비해 저κ와 초저κ 유전체는 기계적 강도가 더 낮고 접착력이 더 떨어져 평탄화가 더욱 어려워지는 경향이 나타나고 있다.

또한 피처 크기가 감소함에 따라 CMP 공정으로 인한 스크래치 같은 결함이 더 큰 문제가 되고 있기 때문에, 피처 크기가 28nm 이하인 공정과 같은 선진 제조 공정에서는 더욱 낮은 결함률, 더욱 적은 스크래치 및 저κ와 초저κ 물질에 대하여 더욱 우수한 제거 속도를 갖춘 연마 패드가 요구되고 있다. 또한 피처 크기가 28nm 이하인 선진 공정에서는 연마 패드의 균일성에 대한 기준이 더욱 높으며, 주조 공정에서는 혼합 불균일 또는 방열로 인한 스트리에이션(Striation) 제어가 갈수록 엄격해지고 있기 때문에, 강광(strong light) 투광대(light table) 상에서 현저한 스트리에이션이 보이지 않아야 한다.

폴리우레탄 연마 패드는 고정밀 연마 분야에서 가장 널리 사용되는 연마 패드 유형이며, 내마모성이 우수하고 인열강도가 상당히 높으며 내산성 내염기성 및 내부식성이 적당해 폴리시드 실리콘 웨이퍼, 패턴화된 웨이퍼, 평면 디스플레이 및 자기디스크 메모리의 제조 공정에 응용될 수 있다. 공지된 바에 따르면, 경도가 낮은 폴리우레탄을 사용하면 연마 과정에서 발생하는 스크래치 등의 결함을 효과적으로 줄일 수 있으나 이에 상응하여 제거 속도가 떨어질 수 있으므로, 스크래치와 제거 속도 간의 이상적인 균형을 맞추는 것은 연마 패드의 연구 및 개발에서 중요한 주제이다.

한편, 연마층의 제조에서 폴리우레탄을 블록으로 주조한 후 일정 두께의 박편으로 절단하는 방법은 안정적인 재현 가능한 연마 성질을 가진 연마 패드를 효과적으로 제조할 수 있는 방법이라는 것이 이미 입증되었다. 그러나 불행하게도, 주조 절단 방법에 의해 제조된 폴리우레탄 연마층은 연마패드의 주조 위치가 달라 연마 시 약간의 또는 크고 작은 차이가 발생할 수 있다.

예를 들어, 블록형 폴리우레탄 바닥부 주조 위치로부터 절단된 연마 패드와 꼭대기부 주조 위치로부터 절단된 연마 패드는 밀도와 공극률이 다를 수 있으며, 통상적으로 바닥부로부터 절단된 연마 패드는 꼭대기부보다 밀도는 높지만 공극률은 반대의 결과가 나타난다. 또한 동일한 연마 패드에 있어서, 중심로부터 에지까지 연마 패드의 밀도 분포가 다르게 나타날 수 있으며 중심 위치에 가까울수록 밀도가 작아지고 에지에 가까울수록 밀도가 커진다. 이러한 차이는 기준이 아주 높은 용도에 대해서는, 예를 들어 저k 패턴의 웨이퍼에 대해서는 부정적인 영향을 줄 수 있다.

따라서 균일한 품질과 균형 잡힌 성능을 갖춘 안정적인 제품을 제공하여 선진 공정의 기술적 요구 기준을 충족시키기 위하여 다성분 경화제 시스템을 더 개선할 필요가 있다.

이를 고려하여, 본 발명의 주요 목적은 상기 문제점 중 하나 이상을 해결하는 데에 있다.

따라서 본 발명의 첫 번째 목적은 품질이 균일하고 경도, 파단신율, 가수분해 안정성 및 열팽창 계수가 비교적 우수한 폴리우레탄 연마층 및 이의 제조 방법, 및 본 발명의 폴리우레탄 연마층을 포함하는 연마 패드를 제공하는 데에 있다.

상기 첫 번째 목적을 구현하기 위하여, 본 발명의 제1 양태는 폴리우레탄 연마층을 제공한다. 본 발명의 연마층은 융점과 사용 온도가 비교적 낮은 다성분(예를 들어 이성분과 삼성분) 경화제 시스템을 채택한다. 상기 융점과 사용 온도가 비교적 낮은 다성분(예를 들어 이성분과 삼성분)의 경화제는 저융점의 지방족 디아민(aliphatic diamine) 화합물을 통해 경화제 시스템 전체의 점도와 융점을 조절하여 비교적 낮은 온도(예를 들어 초기 반응이 70℃ 미만)에서 경화 반응을 진행시키며, 이를 통해 폴리우레탄 주조 블록이 경화 반응 열이 빠르게 확산되지 않아 국소 과열 현상이 발생하는 것을 효과적으로 방지하고, 주조 블록을 절단하여 획득한 연마층은 절단 위치에 따라 품질이 변하지 않으므로 품질, 특히 밀도가 균일한 폴리우레탄 연마층이 획득된다. 따라서 본 발명의 폴리우레탄 연마층은 밀도가 상대적으로 비교적 균일하므로, 에지 효과(edge effect)가 개선되고 연마 작업 시 에지 부분과 중심 부분의 제거 속도가 더욱 근접해진다. 또한 적절한 경화제 및 그 용량을 선택하여 적절한 경화제 시스템을 획득함으로써 경도, 파단신율, 가수분해 안정성 및 열팽창 계수가 비교적 우수한 연마층을 획득한다.

이를 위하여 본 발명은 폴리우레탄 연마층을 제공하며, 상기 폴리우레탄 연마층은 원료 조합의 반응 생성물이고, 상기 원료 조합에는 이소시아네이트 말단화 프리폴리머, 중공 미소구 폴리머 및 경화제 조성물이 포함되고, 상기 폴리우레탄 연마층의 특징은,

상기 경화제 조성물의 총 중량을 기준으로, 상기 경화제 조성물은,

수평균 분자량이 1000 내지 5000인 5 내지 55wt%의 지방족 디아민 경화제;

분자 구조에 적어도 3개의 1차 아민기가 포함되거나 적어도 3개의 2차 아민기가 포함되고, 수평균 분자량이 250 내지 6000인 0 내지 8wt%의 폴리아민 경화제; 및

40 내지 90wt%의 방향족 이작용성 경화제를 포함하고,

여기에서, 상기 폴리우레탄 연마층의 밀도는 0.6 내지 1.1g/cm³이고, 쇼어 경도는 45 내지 70이고, 파단신율은 50 내지 450%이고,

여기에서, 상기 폴리우레탄 연마층의 열팽창 계수는 100 내지 200ppm/℃이다.

일 실시예에 있어서, 상기 이소시아네이트 말단화 프리폴리머는 8.5 내지 9.5wt%의 미반응 -NCO기를 함유한다.

일 실시예에 있어서, 이소시아네이트 말단화 프리폴리머 중의 미반응 -NCO기와 상기 경화제 조성물 중의 활성 수소기의 화학양론비는 1.05 내지 1.20이다.

일 실시예에 있어서, 상기 폴리아민 경화제는 지방족 폴리아민, 방향족 폴리아민 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되며, 여기에서 상기 지방족 폴리아민의 수평균 분자량은 2000 내지 6000이고, 상기 지방족 폴리아민의 수평균 분자량은 250 내지 2000이다.

일 실시예에 있어서, 상기 폴리우레탄 연마층은 pH 2 내지 5의 조건 하에서 80시간 가수분해를 진행한 경우의 가수분해 안정성이 1.5% 미만이고, pH 9 내지 12의 조건 하에서 80시간 가수분해를 진행한 경우의 가수분해 안정성이 1.5% 미만이다.

구체적인 일 실시예에 따른 본 발명의 폴리우레탄 연마층의 특징은, 상기 폴리우레탄 연마층은 원료 조합의 반응 생성물이고, 상기 원료 조합은 이소시아네이트 말단화 카바메이트 프리폴리머, 중공 미소구 폴리머 및 경화제 조성물을 포함하고, 여기에서

상기 경화제 조성물의 총 중량을 기준으로, 상기 경화제 조성물은

5 내지 55wt%의 폴리에테르 디아민(polyether diamine) 경화제;

0.1 내지 8wt%의 폴리아민 경화제; 및

40 내지 90wt%의 방향족 이작용성 경화제를 포함하고,

여기에서 상기 폴리우레탄 연마층의 파단신율은 50 내지 200%이고, 여기에서 폴리우레탄 연마층의 열팽창 계수는 100 내지 140ppm/℃이다.

상기 구체적인 실시예에 있어서, 작용성이 3 이상인 경화제를 도입하여 폴리우레탄을 체형 가교 망상 구조로 형성하고, 약상호작용의 수소 결합을 강상호작용의 화학 결합으로 변경하여 연마층의 열팽창 계수를 낮추고 가수분해 안정성과 제거 속도 안정성을 향상시킨다.

상기 구체적인 실시예에 있어서, 본 발명의 상기 폴리우레탄 연마층은 pH 2 내지 5의 조건 하에서 80시간 가수분해를 진행한 경우의 가수분해 안정성이 0.65% 미만이고, pH 9 내지 12의 조건 하에서 80시간 가수분해를 진행한 경우의 가수분해 안정성이 0.80% 미만이다.

일 실시예에 있어서, 본 발명의 연마층은 하나 이상의 종료점 검출 영역을 더 갖는다.

본 발명은 상기 폴리우레탄 연마층의 제조 방법을 더 제공한다. 상기 제조 방법은 다성분을 가지며 융점이 낮은 조성물을 경화제로 채택하여 70℃ 이하의 초기 반응 온도를 구현하였으며, 주조 블록 중간부가 경화 반응 방열이 용이하게 확산되지 않아 국소 과열 현상이 발생하는 것을 효과적으로 방지하였고, 주조 블록이 경화된 후 각 부위의 밀도, 경도 등 성능 균일성을 현저하게 향상시켰다. 따라서 본 발명 방법의 주조 블록을 절단함으로써 수득한 연마층 자체의 중심과 에지의 품질이 균일하고, 주조 블록에서 상이한 부위의 각 연마층 간의 품질도 일치하도록 보장한다. 따라서 본 발명의 제조 방법은 품질이 균일한 연마층을 안정적으로 제조할 수 있다.

구체적으로, 본 발명은 상기 폴리우레탄 연마층의 제조 방법을 제공하며, 상기 제조 방법은,

액체 상태의 이소시아네이트 말단화 프리폴리머와 중공 미소구 폴리머를 혼합하고 진공 탈가스 후 제1 생성물을 수득하는 단계;

상기 제1 생성물을 50℃에서 경화제 조성물과 고속 전단 하에서 혼합하여 제2 생성물을 수득하는 단계; 및

상기 제2 생성물의 온도를 제어하며, 초기 반응 온도가 ≤70℃이고 반응 피크 온도가 ≤80℃인 조건 하에서 경화 반응을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기 폴리우레탄 연마층 기반의 연마 패드를 더 제공하며, 이는 상기 폴리우레탄 연마층을 기능층으로 채택한다. 상기 연마 패드는 웨이퍼 표면에 대하여 높은 정밀도의 평탄화 처리를 수행하여 더욱 매끄러운 표면을 획득할 수 있다.

이를 위하여 본 발명은 화학적 기계적 연마 패드를 제공하며, 상기 화학적 기계적 연마 패드는 전술한 폴리우레탄 연마층을 구비한다.

본 발명은 기재를 평탄화하는 방법을 더 제공하며, 상기 방법은,

표면이 있는 기재를 제공하는 단계;

상기 화학적 기계적 연마 패드를 제공하는 단계; 및

상기 화학적 기계적 연마 패드를 이용하여 상기 기재 표면에 대해 동적 연마 처리를 수행하는 단계를 포함한다.

구체적으로, 상기 동적 연마 처리는 연마액이 제공될 때 일정한 압력 하에서 상기 기재에 대하여 상기 화학적 기계적 연마패드를 회전시켜 수행한다.

상기 기재는 반도체 기재, 광학 기재 및 자기 기재로 이루어진 군으로부터 하나 이상을 선택한다.

기재에 따라 물리화학적 성질이 다른 연마층이 필요하며, 그 제거 속도, 연마 중 인가하는 입력도 다르다. 본 발명이 속한 기술분야의 당업자는 실제 필요에 따라 구체적으로 선택할 수 있다.

또한 본 발명자는 다중 경화제 시스템에서 기본적으로 모두 방향족 폴리아민과 지방족 폴리올(aliphatic polyol)을 조합하는 방식을 채택하며, 각각 경화제의 경질 세그먼트와 연질 세그먼트를 제공하고 그 비율을 조정함으로써 최종 연마 패드의 연경도를 제어할 수 있다는 것을 발견하였다. 이러한 경화제 조성물에는 불가피한 선천적인 결함이 존재한다. 즉, 방향족 폴리아민, 지방족 폴리올과 유리 이소시아네이트의 반응 활성 차이인데, 전자의 반응 활성은 통상적으로 후자의 수십배에서 수백배에 달한다. 이 때문에 반응 과정에서 방향족 폴리아민이 우선적으로 반응하여 반응 시스템에 불균일한 겔이 생성되며, 지방족 폴리올이 반응에 참여하기가 어려워지면서 반응 정도가 불균일해지는 현상이 나타나고, 최종적으로 연마 성능에 영향을 미친다.

본 발명자는 추가적인 연구에서 놀랍게도 2차 아민 말단화 폴리에테르류 화합물이 1차 아민 말단화 폴리에테르류 화합물보다 반응 속도가 현저하게 완화되어 대체적으로 방향족 아민류 경화제 반응 활성에 근접하므로 반응 활성 차이로 인한 연마층 불균일 현상을 근본적으로 방지할 수 있기 때문에 연마 기재의 제거 속도 및 결함율이 동시에 개선된 폴리우레탄 연마층을 수득할 수 있다는 것을 발견하였다.

이를 고려하여, 본 발명의 두 번째 목적은 폴리우레탄 연마층이 있는 연마 패드를 제공하는 데에 있으며, 상기 연마층은 지방족 화합물과 방향족 화합물의 이성분 경화제 시스템을 채택하고, 여기에서 구조 상의 수식을 통해 지방족 경화제의 반응 활성을 조정하여 지방족 경화제와 방향족 경화제의 반응 활성을 근접하게 함으로써 반응 활성 차이로 인한 연마층 불균일 현상을 근본적으로 방지하여 연마 성능이 개선된 화학적 기계적 연마 패드를 수득한다.

따라서 본 발명의 제2 양태는 화학적 기계적 연마 패드를 제공하며, 상기 연마 패드는 폴리우레탄 연마층을 포함하고, 상기 화학적 기계적 연마 패드의 특징은 상기 폴리우레탄 연마층은 원료 조합의 반응 생성물이고, 상기 원료 조합은 이소시아네이트 말단화 프리폴리머, 중공 미소구 폴리머 및 경화제 조성물을 포함하고,

여기에서 상기 경화제 조성물은 2차 아민 말단화 폴리에테르 경화제와 방향족 이작용성 경화제를 포함하고, 상기 2차 아민 말단화 폴리에테르 경화제와 상기 방향족 이작용성 경화제의 질량비는 1:4 내지 4:1이고; 및

상기 이소시아네이트 말단화 프리폴리머는 5.5 내지 9.5wt% 미반응 NCO기를 함유한다.

일 실시예에 있어서, 상기 2차 아민 말단화 폴리에테르 경화제의 수평균 분자량은 250 내지 6000이다. 상이한 수요에 따라 상기 2차 아민 말단화 폴리에테르 경화제의 수평균 분자량은 상이한 범위 내에서 조절할 수 있으며, 예를 들어 400 내지 800, 또는 1000 내지 2000, 3000 내지 4000, 5000 내지 6000, 1500 내지 2200, 또는 3500 내지 5600 등일 수 있으며, 바람직하게는 400 내지 800 또는 1000 내지 2000이다.

구체적인 실시예에 있어서, 상기 2차 아민 말단화 폴리에테르 경화제는 하기 일반식 I 및 II로 표시되는 화합물로부터 선택된 하나 이상을 포함한다.

일반식 I

여기에서, R₁은 C1-C8 알킬기 또는 불소 함유 알킬기이고, R₂, R₃, R₄ 및 R₅는 각각 독립적으로 H 또는 C1-C8 알킬기 또는 불소 함유 알킬기이고, x 및 y는 각각 0 또는 양의 정수이고, x + y≤12를 전제로 한다.

일반식 II

여기에서, R₁은 C1-C8 알킬기 또는 불소 함유 알킬기이고, R₂, R₃, R₄ 및 R₅는 각각 독립적으로 H 또는 C1-C8 알킬기 또는 불소 함유 알킬기이고, a=b=c=1이고, x, y, m, n, o, p는 각각 0 또는 양의 정수이고, x+y+m+n+o+p≤12를 전제로 한다.

구체적인 일 실시예에 있어서, 상기 일반식 I 또는 II의 화합물은 과불소화 화합물일 수 있다. 하기 화합물은 하나의 실례이다.

일 실시예에 있어서, 상기 방향족 이작용성 경화제는 방향족 디아민이다. 바람직한 예는 MOCA(4,4'-메틸렌-비스-o-클로로아닐린(4,4'-methylene-bis-o-chloroaniline)), MCDEA(4,4'-메틸렌-비스(3-클로로-2,6-디에틸아닐린)(4,4-methylene-bis(3-chloro-2,6-diethylaniline)) 등이나 이에 한정되지 않는다. 가장 바람직한 것은 MOCA이다.

바람직한 일 실시예에 있어서, 본 발명에서 사용되는 경화제 조성물은 상기 2차 아민 말단화 폴리에테르 경화제와 상기 방향족 이작용성 경화제로 구성된 이성분 경화제 시스템이다.

바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 원료 조합은 중공 미소구 폴리머를 더 포함한다.

본 발명에 따른 폴리우레탄 연마층의 물리화학적 성능에는 특별한 제한이 없으며, 연마 물질의 구체적인 요건에 따라 조절할 수 있다. 통상적으로 상기 연마층의 밀도는 0.6 내지 1.1g/cm³이고, 쇼어 경도(Shore Hardness)는 45 내지 75D이다. 바람직하게는 연마층의 밀도는 0.7 내지 1.05g/cm³이고, 보다 바람직하게는 0.8 내지 1.0g/cm³이다. 바람직하게는 상기 연마층의 쇼어 경도는 55 내지 70이고, 보다 바람직하게는 55 내지 65이다.

일 실시예에 있어서, 본 발명의 연마 패드는 종료점 검출 윈도우를 더 구비하며, 상기 종료점 검출 윈도우의 쇼어 경도와 상기 폴리우레탄 연마층의 쇼어 경도 간 차이의 절대값은 ≤5이다.

상기 종료점 검출 윈도우는 가시광선 투과율이 ≥40%인, 바람직하게는 ≥60%인 물질을 채택하여 제작할 수 있다.

통상적으로, 상기 종료점 검출 윈도우의 면적은 연마 패드 총 면적의 0.1% 내지 0.5%를 차지하며, 연마 패드의 중심으로부터 에지까지 1/2 내지 1/3 지점에 위치하나 이에 한정되지 않는다.

일 실시예에 있어서, 본 발명의 연마 패드의 연마 표면은 그루브를 더 구비한다. 상기 그루브는 연마액을 수용하는 데 사용된다. 상기 그루브의 성상은 동심의 고리형 또는 나선형, 격자선, 다각형 또는 타이어면 형상 등일 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 상기 그루브의 횡단면은 예를 들어 곧은 측벽 직사각형, "V" 형상, "U" 형상 및 거치(sawtooth) 형상일 수 있다. 상기 그루브의 폭은 0.1 내지 0.6cm이고, 보다 바람직하게는 상기 그루브의 폭은 0.2 내지 0.4cm이다.

제2 양태에 따르면, 본 발명은 기재를 평탄화하는 방법을 더 제공하며, 상기 방법은,

표면이 있는 기재를 제공하는 단계;

상기 화학적 기계적 연마 패드를 제공하는 단계; 및

기재에 따라 물리 화학적 성질이 다른 연마층이 필요하며, 그 제거 속도, 연마 중 인가하는 입력도 다르다. 본 발명이 속한 기술분야의 당업자는 실제 필요에 따라 구체적으로 선택할 수 있다.

본 발명에서 제공하는 폴리우레탄 연마층은 지방족 2차 아민 말단화 폴리에테르 화합물과 방향족 화합물의 경화제 시스템을 채택한다. 분자 구조 상의 수식을 통해 종래의 지방족 경화제(예를 들어 폴리에테르 폴리올)의 반응 활성을 효과적으로 조정하였다.

또한 본 발명의 경화제 시스템에서 보다 바람직하게 사용되는 2차 아민 말단화 폴리에테르는 실온에서 저점도 액체이며 방향족 경화제와 혼합된 후 경화제 조성물의 응고점을 낮출 수 있기 때문에, 더욱 낮은 온도에서 경화 반응을 완료하고 반응의 방열을 억제하여 과도하게 빠른 방열 또는 불균일한 방열로 인한 스트리에이션을 효과적으로 감소시켜 연마 패드의 균일성을 향상시킬 수 있다.

본 발명 실시예 또는 종래 기술의 기술방안을 보다 명확하게 설명하기 위하여, 이하에서는 실시예 또는 종래 기술의 설명에 필요한 첨부도면을 간략하게 소개한다. 첨부도면에서 동일한 부호는 동일한 구성 요소를 지칭한다. 첨부도면에서 각 구성 요소의 형상과 크기는 설명을 위한 것이므로 실제 형상, 크기 및 절대적 위치로 간주될 수 없다.
도 1은 본 발명의 실시예에서 제공하는 연마층을 채택하여 연마 작업을 수행하는 과정의 예시도이다.
도 2는 실시예 1과 비교예 1에서 각각 제공하는 연마층의 밀도 분포 비교도이다.
도 3은 실시예 1과 비교예 1에서 각각 제공하는 단일 연마층의 방사 밀도 분포 비교도이다.
도 4는 비교예 2와 실시예 13, 16 및 19에서 제공하는 연마층의 사용수명 비교도이다.
도 5는 실시예 12의 폴리우레탄 연마층을 채택하여 제조한 연마 패드와 시판되는 연마 패드의 연마 작업 시 제거 속도 효과 비교도이다.
도 6은 실시예 21과 비교예 3에서 제조한, 경화된 주조 블록의 상이한 위치에서 취한 연마층의 밀도 분포 비교도이다.
도 7은 실시예 21과 비교예 3에서 제조한, 경화된 주조 블록의 중간부에서 취한 단일편 연마층의 방사 밀도 분포 비교도이다.
도 8은 실시예 21 내지 23과 비교예 3의 연마층을 이용하여 제조한 연마 패드의 반도체 웨이퍼에 대한 제거 속도 효과 비교도이다.
도 9는 실시예 21 내지 23과 비교예 3의 연마층을 이용하여 제조한 연마 패드의 반도체 웨이퍼 연마 후 웨이퍼 결함률에 대한 평가 비교도이다.

이하에서 실시예를 통해 본 발명의 실시방안을 상세하게 설명하나 본 발명이 속한 기술분야의 당업자는 이하의 실시예가 본 발명을 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위를 한정하지 않는다는 것을 이해할 수 있다. 실시예에서 구체적인 조건이 명시되지 않은 경우, 통상적인 조건 또는 제조업체가 권장하는 조건에 따라 진행한다. 사용하는 시약 또는 기기에 제조업체가 명시죄지 않은 경우, 모두 시중에서 구매하여 획득할 수 있는 통상적인 제품이다.

명세서 전체에서 특별한 설명이 없는 한 사용된 용어는 본 발명이 속한 기술분야에서 통상적으로 사용하는 함의로 이해되어야 한다. 따라서 달리 정의되지 않는 한, 명세서에 사용된 모든 기술 및 과학 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 일반적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 갖는다. 모순이 존재하는 경우 본 명세서가 우선한다.

폴리우레탄 연마 패드는 비교적 많이 응용되는 연마기계이다. 그러나 가공 제조의 기술 표준의 기준이 갈수록 높아지면서 종래의 폴리우레탄 연마기계로는 수요를 충족시키기 어렵다. 발명자는 폴리우레탄계 연마기계가 대부분 주조-절단 공정에 의해 제조된다는 것을 익히 알고 있다. 그 제조 공정은 다음과 같다. 즉, 이소시아네이트 말단화 프리폴리머가 적합한 점도를 가지도록 일정한 온도까지 가열하고, 진공 탈가스로 프리폴리머 중의 소분자 화합물을 제거하며, 이어서 중공 미소구 폴리머에 혼합한 다음 다시 진공 탈가스를 일정 시간 진행하고, 그 후 상기 혼합물과 경화제 조성물을 혼합하여 폴리우레탄 블록으로 주조하고, 절단을 통해 연마층 박편을 형성한다.

본 발명의 제1 양태에 있어서, 발명자는 이소시아네이트 말단화 카바메이트 프리폴리머가 상온에서 점성 액체이며, 일정 온도까지 승온시켜 점도를 낮춰야 진공 상태에서 그 중의 가스를 배출시키기 용이하다는 것을 연구를 통해 발견하였다. 한편 점도가 비교적 낮아야 경화제와의 혼합이 용이하며, 점도가 과도하게 높을 경우 양자의 혼합이 불균일해져 연마 패드의 연마 효과에 영향을 미칠 수 있다.

또한 온도가 너무 높으면 점도가 과도하게 낮아지며, 이때 중공 미소구 폴리머에서 상분리가 더욱 용이해지는 특성이 나타나 프리폴리머에서의 분포가 불균일해지고, 이로 인해 주조를 통해 획득한 폴리우레탄 블록의 꼭대기부와 바닥부 위치에서 절단한 연마층 밀도에 비교적 큰 차이가 발생하게 된다. 즉, 꼭대기부는 너무 낮고 바닥부는 너무 높아진다. 한편, 프리폴리머 온도가 너무 높으면 경화제와 혼합한 후 반응이 너무 빨라 짧은 시간에 대량의 열이 방출되어 폴리우레탄 주조 블록에 불가역적 팽창이 일어나며, 이로 인해 동일한 연마층에서 중심은 밀도가 너무 낮고 에지는 밀도가 너무 높아진다.

여기에서 알 수 있다시피, 이소시아네이트 말단화 프리폴리머 온도는 하나의 적합한 범위 내에서 제어되어야 하며, 너무 높거나 너무 낮아서는 안 된다. 온도가 너무 높으면 프리폴리머와 경화제의 반응이 너무 빨라지며, 온도가 너무 낮으면 경화제의 점도가 증가해 프리폴리머와 경화제의 혼합이 불균일해진다. 온도를 50±1℃로 제어하는 것은 선택 사항이다.

상기 설명을 기반으로, 발명자는 사용 온도와 융점이 낮은 다성분(2 또는 3 이상의 성분) 경화제 조성물을 제공한다. 다시 말해, 상기 경화제 조성물은 비교적 낮은 초기 반응 온도에서 프리폴리머를 반응 및 경화시켜 성능이 개선된 경화제품(예를 들어 폴리우레탄 주조 블록)을 수득할 수 있다. 또한 상기 경화제품을 채택하여 화학적 기계적 연마 성능이 우수한 연마층을 수득할 수도 있다.

지방족 디아민 경화제는 상온에서 액체 또는 점성 액체이다. 발명자는 이를 방향족 경화제, 예를 들어 4,4-디아미노-3,3-디클로로디페닐메탄(MOCA, 4,4'-diamino-3,3'-dichlorodiphenylmethane)과 혼합한 후 혼합물의 융점이 현저하게 낮아지는 것을 발견하였다. 또한 지방족 디아민 경화제의 용량이 많을수록 혼합물의 융점이 낮아진다. 그 외 혼합물은 온도가 강하하는 과정에서 과냉각 현상으로 인해 혼합물의 응고 온도가 종종 더 낮아진다.

일 실시예에 있어서, 발명자는 방향족 경화제(MOCA)에 20wt%의 폴리에테르 디아민 D2000을 첨가한 후 혼합물이 온도가 70℃까지 강하할 때 여전히 저점도의 액체로 남아 있는 것을 발견하였다. 상기 사용 온도가 70℃까지 강하될 수 있는 경화제 조성물을 채택하여 이소시아네이트 말단화 프리폴리머와 반응시킨 것과, 사용 온도가 116℃인 MOCA 경화제(단일 성분 경화제)를 채택하여 경화 반응을 진행한 것을 비교한 경우, 전자(이성분 경화제 조성물)의 혼합 후 온도는 후자(단일 성분 방향족 경화제)보다 현저하게 낮아져 반응 초기 온도가 낮았다. 예를 들어, 100부의 50℃인 프리폴리머와 50부의 사용 온도가 120℃인 MOCA를 혼합하며, 혼합 후 온도는 74℃이고, 만약 본 발명의 사용 온도가 70℃인 경화제 조성물과 혼합한 후의 온도가 56℃로 낮아지면 거의 20℃ 가까이 낮아진다. 따라서 반응 과정 중의 극심한 방열을 효과적으로 억제하여 열을 천천히 안정적으로 방출시킴으로써 밀도가 고도로 균일한 경화물을 수득한다.

또한 발명자는 경화제 시스템에 작용성이 3 이상인 다작용성 경화제를 적당량 첨가하면 연마 패드의 열팽창 계수를 효과적으로 낮추고 가수분해 안정성을 향상시킬 수 있음을 발견하였다. 경화제 조성물을 기반으로, 발명자는 폴리우레탄 연마층 및 상기 폴리우레탄 연마층을 포함하는 연마 패드를 더 제공한다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시방식에 있어서 본 발명의 폴리우레탄 연마층과 이의 제조 방법, 및 본 발명의 연마층을 구비한 연마 패드에 대하여 구체적으로 설명한다.

본 명세서에서 특별한 설명이 없는 한, 특정 성분은 하나의 물질로 한정되지 않으며 하나, 둘 이상일 수 있다.

예를 들어, 본 명세서에 언급된 경화제 조성물 중 지방족 디아민 경화제는 하나의 구체적인 지방족 디아민 경화제, 또는 둘 이상의 지방족 디아민 경화제일 수 있고, 방향족 디아민 경화제는 구체적인 방향족 디아민 경화제, 또는 둘 이상의 방향족 디아민 경화제의 혼합물일 수 있다.

다른 예에 있어서, 폴리아민 경화제는 지방족 폴리아민 경화제, 방향족 폴리아민 경화제 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되며, 이는 상기 폴리아민 경화제가 하나의 구체적인 지방족 폴리아민 경화제 또는 2개 이상의 지방족 폴리아민 경화제의 혼합물로 구성될 수 있고, 또는 하나의 구체적인 방향족 폴리아민 경화제, 또는 둘 이상의 방향족 폴리아민 경화제의 혼합물로 구성될수 있고, 또는 하나, 둘 이상의 구체적인 지방족 폴리아민 경화제과 하나, 둘 이상의 구체적인 방향족 폴리아민 경화제로 구성될 수 있다.

폴리우레탄 연마층

폴리우레탄 연마층은 폴리우레탄을 기반으로 제작된 연마층을 지칭한다. 여기에서, "폴리우레탄"은 이작용성 또는 다작용성 이소시아네이트로부터 유도된 생성물이며, 예를 들어 폴리에테르우레아(polyetherurea), 폴리이소시아누레이트(polyisocyanurate), 폴리우레탄, 폴리우레아(polyurea) 및 폴리우레탄우레아(polyurethaneurea) 중 둘 이상의 혼합물 또는 공중합체이다. 또한 화학 성분 조정을 통해 제작한 연마층의 연마 효과를 효과적으로 향상시킬 수 있다.

일부 바람직한 실시예에 있어서, 연마층은 폴리이소시아네이트(polyisocyanate)와 폴리에테르류 폴리올을 반응시켜 수득한 이소시아네이트 말단화 프리폴리머를 다시 경화제 혼합물과 반응시켜 제조한 생성물이다. 연마층에 적절한 개질 물질을 더 첨가해 보다 바람직한 종합 성능을 개선할 수 있다.

본 발명에 있어서, 폴리우레탄 연마층은 복수의 성분을 포함하는 원료 조합을 반응시켜 생성한 반응 생성물이다. 상기의 원료 조합은 이소시아네이트 말단화 프리폴리머, 중공 미소구 폴리머 및 경화제 조성물을 포함한다. 중공 미소구 폴리머는 이소시아네이트 말단화 프리폴리머에 혼합되고, 경화제 조성물과 혼합한 후의 초기 반응 온도는 70℃ 미만일 수 있고, 바람직하게는 초기 반응 온도는 60℃ 미만일 수 있고, 그 피크 반응 온도는 혼합 후 2 내지 5분에 나타나며 피크 반응 온도는 80℃ 미만이다.

본 발명에서 제공하는 원료로 제조한 폴리우레탄 연마층은 이하의 물리화학적 특성을 갖는다.

일부 예시에 있어서, 상기 수득한 폴리우레탄 연마층의 밀도는 대략 0.6 내지 1.1g/cm³이고, 바람직하게는 0.7 내지 1.05g/cm³이고, 가장 바람직하게는 0.8 내지 1.0g/cm³이다.

쇼어 D 경도는 35 내지 75D이고, 보다 바람직하게는 45 내지 70D이고, 가장 바람직하게는 55 내지 65D이다. 경도가 75D보다 큰 경우, 폴리우레탄 연마층은 아주 높은 제거 속도를 갖지만, 스크래치 등과 같은 결함이 너무 많아지는 문제가 수반된다. 경도가 35D보다 작은 경우, 스크래치는 효과적으로 감소될 수 있지만 제거 속도가 심각하게 떨어지므로, 스크래치와 제거 속도 사이의 균형을 유지하기 위해서는 적절한 경도를 갖는 연마층을 선택해야 한다.

파단신율은 50 내지 450% 또는 50 내지 200%이다. 보다 바람직하게는 파단신율은 60 내지 350%이다. 가장 바람직하게는 파단신율은 70 내지 300%이다. 통상적으로 쇼어 D 경도가 45보다 작은 연마층은 일반적으로 파단신율이 매우 높고(즉, >500%), 기계 가공을 진행할 때 이처럼 파단신율이 높은 물질은 가역적 변형이 일어나 허용할 수 없는 불량한 그루브가 형성되며 다이아몬드 드레싱에서 충분한 텍스처를 형성할 수 없다.

폴리우레탄 말단화 프리폴리머

본 발명의 상기 프리폴리머는 다작용성 이소시아네이트와 폴리에테르류 폴리올을 반응시켜 수득된다. 비교적 바람직하게는, 이소시아네이트 말단화 프리폴리머는 8.5 내지 9.5wt%의 미반응 이소시아네이트기(-NCO)를 함유하고, 특히 프리폴리머는 2개의 -NCO 말단을 갖는 프리폴리머이다.

일부 선택 가능한 예시에 있어서, 프리폴리머에서 미반응 -NCO기와 경화제 조성물 중의 활성 수소기(아미노기 또는 히드록실기)의 화학양론비는 1 내지 1.25이고, 보다 바람직하게는 1.05 내지 1.2이다. 구체적인 실시예에 있어서 활성 수소기의 총합(-NH2와 -OH 포함)과 미반응의 -NCO의 비율(화학양론비)은 사슬 연장 계수로 계산한다.

다른 일부 예시에 있어서, 다작용성 이소시아네이와 폴리에테르류 폴리올이 반응할 때, NCO기와 활성 수소를 함유한 OH(히드록실기)의 비율을 1.1 내지 5.0 사이, 바람직하게는 1.2 내지 2.5로 제어할 수 있다. NCO기와 활성 수소를 함유한 OH기의 비율이 1.1 미만인 조건 하에서, 합성 과정에서 프리폴리머는 고분자량화되어 경화 또는 겔화된다. 한편, -NCO기와 활성 수소를 함유한 -OH기의 비율이 5.0을 초과할 경우, 미반응 이소시아네이트가 대량으로 남기 때문에 경화제와의 반응 속도가 너무 빨라져 폴리우레탄 수지 주조체의 성형 가공성이 나빠지는 경향이 나타난다.

바람직하게는, 폴리시아네이트(polycyanate) 말단화 프리폴리머는 폴리에테르계 이소시아네이트 말단화 카바메이트이다. 전술한 카바메이트 프리폴리머에서 미반응 -NCO 함량은 8.5 내지 9.5wt%이고, 보다 바람직하게는 미반응 -NCO 함량은 8.6 내지 9.25wt% 사이로 제어된다.

본 발명에 사용되는 프리폴리머는 시판되는 폴리에테르와 TDI 및 MDI 반응을 기반으로 수득한 프리폴리머일 수 있으며, 예를 들어 켐투라(Chemtura)사에서 생산하는 Adiprene® 시리즈 프리폴리머 LF800A, LF900A, LF910A, LF930A, LF931A, LF939A, LF950A, LF952A, LF600D, LF601D, LF650D, LF667D, LF700D, LF750D, LF751D, LF752D, LF753D, L325, LFG963A, LFG964A, LFG740이 포함될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.

프리폴리머의 제조 원료에 있어서, 다작용성 이소시아네이트는 방향족 이소시아네이트, 지방족 이소시아네이트 중 하나 또는 둘을 포함하나, 이에 한정되지 않는다. 바람직하게는 90mol% 이상, 더욱 바람직하게는 95mol% 이상, 특히 바람직하게는 100mol% 이상의 방향족 이소시아네이트를 사용한다.

방향족 이소시아네이트는 방향족 디이소시아네이트(diisocyanate)류일 수 있다. 방향족 디이소시아네이트류에는 2,4-톨루엔 디이소시아네이트(2,4-tolylene diisocyanate), 2,6-톨루엔 디이소시아네이트, 2,2'-디페닐메탄 디이소시아네이트(2,2'-diphenylmethane diisocyanate), 2,4'-디페닐메탄 디이소시아네이트, 4,4'-디페닐메탄 디이소시아네이트, 1,5-나프탈렌 디이소시아네이트(1,5-naphalene diisocyanate), p-페닐렌 디이소시아네이트(p-phenylene diisocyanate), m-페닐렌 디이소시아네이트(m-phenylene diisocyanate), p-자일릴렌 디이소시아네이트(p-xylylene diisocyanate), m-자일릴렌 디이소시아네이트(m-xylylene diisocyanate) 중 하나 이상이 포함되나 이에 한정되지 않는다.

지방족 이소시아네이트는 지방족 디이소시아네이트류일 수 있다. 지방족 디이소시아네이트류는 에틸렌 디이소시아네이트(ethylene diisocyanate), 2,2,4-트리메틸헥사메틸렌 디이소시아네이트(2,2,4-trimethylhexamethylene diisocyanate) 및 1,6-헥사메틸렌 디이소시아네이트(1,6-hexamethylene diisocyanate) 중 하나 이상을 포함하나 이에 한정되지 않는다. 지방족 이소시아네이트는 지환식 디이소시아네이트류일 수도 있다. 지환식 디이소시아네이트류는 1,4-시클로헥산 디이소시아네이트(1,4-cyclohexane diisocyanate), 4,4'-디시클로헥실메탄 디이소시아네이트(4,4'-dicyclohexylmthane diisocyanate), 이소포론 디이소시아네이트(isophorone diisocyanate), 노르보르난 디이소시아네이트(norbornane diisocyanate) 중 하나 이상을 포함하나 이에 한정되지 않는다.

프리폴리머의 제조 원료에서 폴리에테르류 폴리올은 폴리에테르계 고분자량 폴리올일 수 있다. 예를 들어, 폴리에테르류 폴리올은 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜(PTMEG, polytetramethylene ether glycol), 폴리에틸렌 글리콜(PEG, polyethylene glycol), 폴리프로필렌 글리콜(PPG, polypropylene glycol) 및 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜-폴리에틸렌 글리콜, 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜-폴리프로필렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜-폴리프로필렌 글리콜 중 하나 이상의 공중합체, 또는 둘 이상의 혼합물을 포함하나 이에 한정되지 않는다. 선택 가능한 예시에 있어서, 폴리에테르류 폴리올의 수평균 분자량은 500 내지 5000, 또는 500 내지 2000, 또는 500 내지 1500일 수 있다. 수평균 분자량이 500 미만인 폴리에테르류 폴리올을 사용하는 경우, 수득된 폴리우레탄 수지는 충분한 탄성이 없어 쉽게 취성 폴리머가 된다는 점에 유의해야 한다. 전술한 폴리우레탄 수지(취성 폴리머)로 형성된 연마 패드는 너무 단단해서 연마 대상물 표면에 흠집이 생기기 쉬운 원인이 되며, 마모되기 쉬워 연마 지점의 사용수명이 단축되기도 한다. 수평균 분자량이 5000을 초과하는 폴리에테르류 폴리올을 사용하면, 수득한 폴리우레탄 수지로 형성된 연마 패드가 부드러워져 충분히 만족스러운 평면성을 얻기 어렵다.

경화제 조성물

본 발명의 경화제 조성물은 주로 지방족 경화제 및 방향족 경화제를 혼합함으로써 획득된다. 다시 말해, 경화제 조성물은 이성분 경화제일 수 있다.

구체적으로, 본 발명의 경화제 조성물은 지방족 디아민 경화제, 방향족 이작용성 경화제 및 선택 가능한 폴리아민 경화제를 포함할 수 있고, 여기에서 폴리아민 경화제는 지방족 폴리아민과 방향족 폴리아민으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.

본 명세서에 언급된 용어 "폴리아민" 경화제는 특병한 설명이 없는 한, 3가 이상의 폴리아민기를 함유하는 경화제를 지칭한다.

또한 경화제 조성물의 양은, 예를 들어, 상기 경화제 조성물의 총 중량을 기준으로 상기 경화제 조성물은 5 내지 55wt%의 지방족 디아민 조성물, 0 내지 8wt%의 폴리아민 조성물, 40 내지 90wt%의 방향족 이작용성 조성물을 포함한다.

그 외, 본 발명의 경화제 조성물은 상기 경화제 조성물의 총 중량을 기준으로 5 내지 55wt%의 지방족 디아민 조성물, 0.1 내지 8wt%의 폴리아민 조성물 및 40 내지 90wt%의 방향족 이작용성 조성물을 포함할 수 있다.

폴리아민 조성물 분자 구조는 3개의 1차 아민기 또는 3개의 2차 아민기를 함유하고, 폴리아민 조성물은 지방족 폴리아민, 방향족 폴리아민 및 이들의 혼합물이고, 지방족 폴리아민의 수평균 분자량은 2000 내지 6000이고, 지방족 폴리아민의 수평균 분자량은 250 내지 2000이다.

이하 경화제 조성물의 각 성분은 이하에서 개별적으로 설명한다.

지방족 디아민 경화제

지방족 디아민 경화제는 상온(통상적으로 실온, 예를 들어 25 내지 30℃)에서 액체인 경화제를 선택할 수 있다. 비교적 바람직하게는, 지방족 디아민 조성물의 수평균 분자량은 1000 내지 5000이다. 지방족 디아민의 수평균 분자량이 1000 미만인 경우, 전술한 프리폴리머의 경화 반응이 지나치게 빠르며 겔이 빠르게 형성된다. 폴리에테르 폴리아민의 분자량이 5000을 초과하면, 형성된 연마 패드가 부드러워져 충분히 만족스러운 평면성을 얻기 어려울 수 있다. 지방족 디아민의 수평균 분자량의 실례는 예를 들어 2000 내지 3000, 또는 4000 내지 5000, 또는 1050 내지 2500, 또는 3500 내지 4600일 수 있으나 이에 한정되지 않는다.

본 발명의 경화제 조성물에 있어서, 지방족 디아민 경화제의 양은 상기 조성물의 총 중량을 기준으로 5 내지 55wt%이다. 경화제 조성물 중 지방족 디아민의 비중이 5wt% 미만인 경우, 경화제 조성물의 융점이 현저하게 낮아지며, 지방족 이작용성 고분자 경화제의 비중이 55wt%를 초과하는 경우에는 경화시켜 수득한 폴리우레탄 연마층이 부드러워져 그 평탄화 능력이 저하될 수 있다.

본 발명에 사용될 수 있는 지방족 디아민 경화제는 상온에서 액체이고 상기 분자량 범위에 부합하는 임의의 기존 지방족 디아민 경화제일 수 있다.

비교적 바람직하게는, 상기 함유된 지방족 디아민 경화제는 폴리에테르 디아민이다. 본 발명에 사용될 수 있는 폴리에테르 디아민은 시판되는 제품일 수 있다. 예를 들어, 폴리에테르 아민에는 헌츠맨(Huntsman)사의 폴리에테르 아민 Jeffamine® 시리즈가 포함되며, 예를 들어 D230, D400, D2000, D4000, HK511, ED600, ED900, ED2003, SD231, SD401, SD404, SD2001 등이 있으나 이에 한정되지 않는다.

방향족 이작용성 경화제

본 발명에서 방향족 이작용성 경화제는 경화제 조성물에 경질 세그먼트 구조 조절물로서 포함된다.

본 발명은 방향족 이작용성 경화제를 특별히 제한하지 않으며, 본 발명이 속한 기술분야에서 임의의 적합한 방향족 이작용성 경화제일 수 있다. 본 발명이 속한 기술분야의 당업자는 구체적인 수요에 따라 적절히 선택할 수 있다. 나열 가능한 방향족 이작용성 경화제에는 디에틸톨루엔디아민(DETDA, diethyltoluenediamine), N,N'-디알킬디아 미노 디페닐 메탄(N,N′-dialkyldiamino diphenyl methane), 3,5-디에틸-2,4-톨루엔 디아민(3,5-diethyl-2,4-tolylene diamine) 및 이의 이성질체(예를 들어, 3,5-디에틸-2,6-톨루엔 디아민), 3,5-디메틸티오-2,4-톨루엔 디아민(3,5-dimethylthio,4-tolylene diamine) 및 이의 이성질체, 4,4'-메틸렌-비스-(2-클로로아닐린)(MOCA, 4,4'-methylene-bis-(2-chloroaniline)), 4,4'-비스-(sec-부틸아미노)-디페닐메탄(4,4'-bis-(sec-butylamino)-diphenylmethane), 1,4-비스-(sec-부틸아미노)-벤젠(1,4-bis-(sec-butylamino)-benzene), 4,4'-메틸렌-비스-(2-클로로아닐린), 4,4'-메틸렌-비스(3-클로로-2,6-디에틸아닐린)(MCDEA, 4,4-methylene-bis(3-chloro-2,6-diethylaniline), 폴리테트라메틸렌옥사이드-디-p-아미노벤조에이트(polytetramethylene oxide-di-p-aminobenzoate), p,p'-메틸렌디아닐린(MDA, p,p'-methylenedianiline), m-페닐렌디아민(MPDA, m-phenylenediamine), 4,4'-메틸렌-디-(2,6-디에틸아닐린)(MDEA, 4,4'-methylene-di-(2,6-diethylaniline)), 4,4'-메틸렌-디-(2,3-디클로로아닐린)(MDCA, 4,4'-methylene-di-(2,3-dichloroaniline)), 4,4'-디아미노-3,3'-디에틸-5,5'-디메틸 디페닐메탄(4,4'-diamino-3,3'-diethyl-5,5'-dimethyl diphenylmethane), 2,2',3,3'-테트라클로로 디아미노 디페닐메탄(2,2′,3,3′-tetrachloro diamino diphenylmethane), 트리메틸렌 글리콜-디-p-아미노벤조에이트(trimethylene glycol di-p-aminobenzoate) 및 이들의 혼합물이 포함되나 이에 한정되지 않는다. 보다 바람직하게는, 사용하는 이작용성 경화제 B3은 4,4'-메틸렌-비스-(2-클로로아닐린), 4,4'-메틸렌-비스(3-클로로-2,6-디에틸아닐린)(MCDEA) 및 이의 이성질체 중 하나 이상에서 선택된다.

바람직하게는, 사용하는 방향족 이작용성 경화제는 4,4'-메틸렌-비스-(2-클로로아닐린)(MOCA), 4,4'-메틸렌-비스(3-클로로-2,6-디에틸아닐린)(MCDEA) 및 이의 이성질체에서 선택된다.

보다 바람직하게는, 방향족 이작용성 경화제는 MOCA이다. MOCA의 독특한 화학 구조는 연마 패드 제조에서 적합한 조작 가능 시간을 가지며 수득한 연마 패드가 우수한 연마 성능을 갖도록 보장한다.

본 발명의 경화제 조성물에 있어서, 지방족 디아민 경화제의 양은 상기 조성물의 총 중량을 기준으로 40 내지 90wt%이다.

폴리아민 경화제

본 발명은 임의의 폴리아민 경화제를 포함하지 않을 수 있으며, 하나의 폴리아민 경화제 또는 둘 이상의 폴리아민 경화제의 혼합물을 포함할 수도 있다.

폴리우레탄 연마층의 경우, 우수한 치수 안정성 및 가수분해 안정성은 연마 과정에서 특히 중요하다. 한편으로, 연마 작업 과정은 통상적으로 연마액이 사용될 수 있다. 연마액은 통상적으로 일정한 산성과 알칼리성을 가지며, pH 값은 2 내지 12 사이이다. 연속 연마 작업 시, 연마액은 연마 패드를 계속 부식시켜 연마층을 팽윤시키며 이로 인해 연마층의 경도가 낮아질 수 있다. 연삭 시 동일한 연마층으로 나타나며 연마 초기에 제거 속도가 높지만 연마 시간이 연장됨에 따라 제거 속도가 점차 낮아진다. 한편, 연마 과정 중의 마찰로 인하여, 상기 폴리우레탄 연마층을 기반으로 제조한 연마 패드에서 연마층의 온도는 점차 상승하여 85℃에 근접하나 완충층 온도는 여전히 비교적 낮을 수 있으며, 연마층과 완충층 사이에 상당히 큰 온도차가 발생하면서 수평 방향 상에서 연마층이 열팽창으로 인해 완충층과의 사이에 응력이 발생하여 탈검 위험이 크게 증가한다.

발명자는 폴리우레탄의 가교도를 제어하는 것이 연마층의 탈검 및 경도 감소를 제어하는 효과적인 방법이라는 것을 발견하였다. 본 발명의 실시예에 있어서, 폴리우레탄 본체의 가교도를 향상시키는 방식은, 예를 들어, 작용성이 3 이상인 분자(경화제 조성물 중의 한 성분으로 제공)를 도입하여 선형 폴리우레탄을 체형 가교 망상 구조로 전환시키는 것일 수 있다. 체형 가교의 망상 구조 폴리우레탄 중 분자 결합 간의 상호 작용력은 미약한 물리적 작용 "-수소 결합-"에서 비교적 강한 화학 결합으로 전환한다. 화학 결합은 연마층의 열팽창 계수를 효과적으로 낮추고 탈검 위험을 감소시키며 가수분해 저항을 개선하고 평탄화 과정 중 제거 속도의 균일성을 향상시킬 수 있다. 또한 폴리아민 경화제의 첨가량을 조절함으로써, 최적의 연마 효과를 구현하도록 연마 패드의 가교 밀도를 효과적으로 조절할 수 있다.

선택 가능한 예시에 있어서, 각각의 폴리아민 경화제 분자는 적어도 3개의 1차 아미노기 또는 2차 아미노기를 함유한다. 예를 들어, 3개의 1차/2차 아미노기, 또는 4개의 1차/2 차 아미노기, 또는 5개의 1차/2차 아미노기, 또는 6개의 1차/2차 아미노기 또는 7개의 1차/2차 아미노기가 있다. 더욱 바람직하게는, 폴리아민 경화제는 각 분자에 3개의 1차 또는 2차 아미노기를 함유한다. 복수개의 활성 수소를 갖는 기(아미노기와 히드록실기)를 경화제 중의 한 성분으로 채택함으로써, 폴리우레탄 연마층 중의 가교도를 적절하게 개선할 수 있으며 나아가 연마층의 성능도 향상시킬 수 있다.

본 발명에 사용될 수 있는 폴리아민 경화제는 지방족 폴리아민 및/또는 방향족 폴리아민일 수 있다.

바람직하게는, 본 발명에 사용될 수 있는 폴리아민 경화제의 수평균 분자량은 250 내지 6000의 범위 내에 있을 수 있다. 예를 들어, 상기 폴리아민 경화제의 수평균 분자량은 1000 내지 2000, 또는 3000 내지 4000, 또는 5000 내지6000, 또는 1500 내지 2200 또는 3500 내지 5600일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 폴리아민 조성물이 지방족 폴리아민인 경우, 지방족 폴리아민의 분자량은 2000 내지 6000의 범위 내에 있을 수 있다. 분자량이 2000 미만인 경우, 반응 과정 중 지방족 폴리아민의 반응이 너무 빨라 폴리우레탄이 빠르게 겔화될 수 있어 조작 가능성이 매우 떨어지게 된다. 지방족 폴리아민의 분자량이 6000을 초과할 경우, 시스템에 대한 가교 능력이 크게 떨어져 효과적으로 시스템의 가교 밀도를 향상시키고 연마 패드의 열팽창 계수를 낮추며 가수분해 안정성을 개선하는 목적을 구현할 수 없다.

폴리아민 폴리에테르 경화제는 헌츠맨사의 폴리에테르 아민 Jeffamine® T3000, T5000, T403 및 ST404를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 폴리아민 경화제가 방향족 폴리아민인 경우, 방향족 폴리아민에서 그 분자량은 250 내지 2000이다. 방향족 폴리아민의 분자량이 250 미만인 경우, 반응 활성이 너무 높아 폴리우레탄이 빠르게 겔화되고 조작 가능성이 떨어지게 된다. 분자량이 2000보다 높으면, 방향족 폴리아민의 융점이 너무 높아 폴리우레탄 주조체를 제조하기에 부적합하다.

본 발명에 사용되는 방향족 폴리아민 경화제는 4,4',4''-트리아미노(트리페닐메탄)(4,4',4″-triamino(triphenylmethane)), 4,4',4''-트리아미노(트리페닐에탄)(4,4',4″-triamino(triphenylethane)), N,N'N''-트리이소프로필-4,4',4''-트리아미노(트리페닐메탄)(N,N'N''-triisopropoxy-4,4',4″-triamino(triphenylmethane)), N,N'N''-트리이소프로필-4,4',4''-트리아미노(트리페닐에탄)(N,N'N''-triisopropoxy-4,4',4″-triamino(triphenylethane)), sym-트리아미노벤젠(sym-triaminobenzene), unsym-트리아미노벤(unsym-triaminobenzene)에서 선택할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.

본 발명에서 제공하는 폴리우레탄 연마층에 있어서, 경화제 조성물 중의 폴리아민 경화제의 함량을 조절함으로써 폴리우레탄의 가교 밀도를 제어하여 수득한 폴리우레탄 연마층의 파단신율을 효과적으로 낮출 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 경화제 조성물의 총 중량을 기준으로 상기 폴리아민 경화제의 함량은 0 내지 8wt%이며 바람직하게는 0.1 내지 8wt%이다. 일부 바람직한 예시에 있어서, 폴리아민 경화제의 비중은 1 내지 5wt%이고, 가장 바람직하게는 2.5 내지 3.5wt%이다. 폴리아민 경화제의 함량을 적절하게 증가시킴으로써 폴리우레탄의 가교 밀도를 효과적으로 조절할 수 있으나, 폴리아민 경화제 첨가량이 8%보다 많을 경우 시스템의 가교 밀도가 너무 커져 연마 패드의 탄성이 불충분하고 깨지기 쉽다.

폴리아민 경화제의 가교 작용을 통하여 폴리우레탄 연마층의 열팽창 계수를 효과적으로 낮출 수 있으며, 열팽창 계수는 250ppm/℃ 이내로 제어한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 연마층의 열팽창 계수는 50 내지 250ppm/℃, 또는 100 내지 150ppm/℃, 또는 100 내지 200ppm/℃이다. 보다 바람직하게 열팽창 계수는 60 내지 200ppm/℃이고, 가장 바람직하게 열팽창 계수는 70 내지 160ppm/℃이다. 연마 작업 시 과도하게 높은 열팽창 계수는 연마 패드 중 연마층과 완충층 사이의 비교적 큰 온도차를 유발하여 응력이 나타나고 이로 인해 탈검 위험이 증가할 수 있다.

폴리우레탄 연마층은 연마액의 영향을 더 받을 수 있다. 연마액은 통상적으로 일정한 산성 및 알칼리성을 가지며 그 pH는 2 내지 12이고, 연속 작업 시 연마 패드에 연속적인 부식 작용이 일어나 연마층이 팽윤하여 그 경도가 점차 낮아질 수 있다. 연삭 시 동일한 연마층으로 나타나며 연마 초기에 제거 속도가 높지만 연마 시간이 연장됨에 따라 제거 속도가 점차 낮아진다. 연마 과정(연마 패드의 연마 시간은 통상적으로 50 내지 70시간임)에서 안정적인 제거 속도는 연속적인 산업 생산에 중요한 역할을 한다. 본 발명은 폴리아민 경화제를 첨가함으로써 연마층의 가교 밀도를 향상시키며, 연마액에 대한 내성을 향상시켜 작업 수명 기간 내에 안정적인 물리 화학적 성질을 갖도록 보장할 수 있다.

연마 액에 대한 내성은 가수분해 안정성의 관점에서 나타낼 수 있다. 본 명세서에 언급된 "80시간 가수분해 안정성"은 연마층을 pH 2 내지 5의 염산 용액 또는 pH 9 내지 12의 NaOH 용액에 침지시키고 80시간 후에 그 직경 변화를 측정한 것으로, 상기 변화값은 침지 전 직경에 대한 백분율로 표시한다. 연마층의 직경 변화율이 작을수록 그 내산 및 내알칼리 성질의 안정성이 우수하다. 본 발명의 연마층에 있어서, 바람직하게는 80시간 내산 및 내알칼리 성질, 가수분해 안정성이 모두 1.5% 미만이다. 또한 연마층은 pH가 2 내지 5인 염산 용액에서의 80시간 가수분해 안정성이 0.65% 미만이고, 연마층은 pH가 9 내지 12인 수산화나트륨 용액에서의 80시간 가수분해 안정성이 0.80% 미만이다.

중공 미소구 폴리머

중공 미소구 폴리머는 주로 팽창된 미소구체이다. 이는 악조노벨(Akzo Nobel Co.), 마쓰모토 유시 세이야쿠(Matsumoto Yushi Seiyaku Co., Ltd) 또는 세키스이 화학공업(Sekisui Chemical Co., Ltd) 중 어느 한 회사에서 구매한 미소구 또는 미소비드를 채택할 수 있으며, 악조노벨사 Expancel 시리즈 중공 미소구 또는 마쓰모토 비즈 F 시리즈가 바람직하다. 중공 미소구 폴리머의 선택 가능한 예시에 있어서, 중공 미소구 폴리머는 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile)과 및 폴리아크릴로니트릴 공중합체 외벽을 갖는 캡슐 구조를 포함한다.

발명자는 폴리우레탄 연마층에서 중공 미소구 폴리머의 분포 방식(예를 들어 밀도)을 조정함으로써 폴리우레탄 연마층의 연마 효과를 조정하였다. 예를 들어, 폴리우레탄 연마층을 제작하는 공정에 있어서, 바람직하게는 중공 미소구 폴리머를 연마층에 균일하게 분산시키며, 보다 바람직하게는 중공 미소구 폴리머를 상기 연마층에 균일하게 분포시켜 연마층이 10 내지 40%의 공극률을 갖도록 한다. 중공 미소구 폴리머를 연마층에 균일하게 분산시키고 중공 미소구 폴리머의 입자 크기를 조절함으로써 연마층의 연마 성능을 더 조절할 수 있다. 예를 들어, 중공 미소구 폴리머 직경을 120㎛ 미만으로 제어하며, 보다 바람직하게는 직경을 60㎛ 미만으로, 가장 바람직하게는 직경을 10 내지 50㎛ 사이로 제어한다.

상기 원료를 채택하여 제조한 폴리우레탄 연마층은 화학적 기계적 연마 작업에 적용 가능한 연마층이다.

본 발명에 있어서, 폴리우레탄 연마층에 적절한 개질 물질을 더 첨가해 보다 바람직한 종합 성능을 개선할 수 있다.

이러한 개질 물질에는 항산화제, 내마모성 충전제, 저장 안정제 등이 포함되나 이에 한정되지 않는다.

종료점 검출 영역

본 발명에 있어서, 실제 수요를 기반으로 폴리우레탄 연마층의 구조를 보다 실용적으로 개선할 수 있다.

선택 가능한 예시에 있어서, 폴리우레탄 연마층에 하나 이상의 종료점 검출 영역을 형성한다. 연마 작업 시, 폴리우레탄 연마층의 종료점 검출 영역은 고정밀 광학 종료점 검출을 수행할 수 있다. 검출 방법은 예를 들어 광학 검출일 수 있다. 종료점 검출 영역은 적절한 투광률을 가진 적절한 물질로 제작하여 연마할 물체(예를 들어 웨이퍼)를 용이하게 관측할 수 있다. 비교적 바람직하게는, 종료점 검출 영역을 형성하는 물질은 파장이 300 내지 800nm인 전체 범위 내에서 투광률이 ≥40%이고, 보다 바람직하게는 고투과율 물질의 투광률은 ≥60%이다.

비교적 바람직하게는, 종료점 검출 영역의 물질에는 폴리우레탄 수지, 폴리에스테르(polyester) 수지, 페놀(phenol) 수지, 우레아(urea) 수지, 멜라민(melamine) 수지, 에폭시(epoxy) 수지 및 아크릴(acrylic) 수지 등의 열경화성 수지, 폴리우레탄 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리아미드(polyamide) 수지, 셀룰로오스(cellulose)류 수지, 아크릴 수지, 폴리카보네이트(polycarbonate) 수지, 할로겐(halogen) 함유 수지(폴리염화비닐(polyvinyl chloride), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride) 등), 폴리스티렌(polystyrene) 및 올레핀(olefin)류 수지(폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등) 등의 열가소성 수지 중의 하나 또는 조성물을 포함하나 이에 한정되지 않는다.

비교적 바람직하게는, 종료점 검출 영역의 쇼어 경도는 40 내지 65D이고, 보다 바람직하게는 45 내지 55D이다. 종료점 검출 영역의 쇼어 경도가 40D 미만이면 상기 영역에 크리프 변형(creep deformation)이 일어나기 쉽고 광학 종료점 검출을 안정적으로 수행하기 어려우며, 쇼어 경도가 65D를 초과하면 연마할 물질 표면에 스크래치가 생기기 쉽다.

완충층

본 발명에서 폴리우레탄 연마층의 후면에는 완충 패드가 더 설치되고, 상기 완충 패드는 연마 과정 중 상기 연마 패드에 가해지는 충격을 경감시킬 수 있다.

상기 폴리우레탄 연마층을 기반으로 기재 상에 완충층을 형성하고 다시 폴리우레탄 연마층을 접착제로 접합하는 방식으로 완충층에 고정시키면 폴리우레탄계 화학적 기계적 연마 패드를 획득할 수 있다.

연마층의 제조 방법

본 발명은 상기 연마층 제조 방법을 더 제공한다. 상기 제조 방법은,

액체 상태의 상기 이소시아네이트 말단화 프리폴리머와 상기 중공 미소구 폴리머를 혼합하고 진공 탈가스 후 제1 생성물을 수득하는 단계;

상기 제1 생성물을 50℃에서 상기 경화제 조성물과 고속 전단 하에서 혼합하여 제2 생성물을 수득하는 단계; 및

상기 제1 생성물 및 상기 경화제 조성물의 초기 반응 온도가 ≤70℃이고 피크 반응 온도가 ≤80℃가 되도록 상기 제2 생성물의 온도를 제어하는 단계를 포함한다.

구체적인 조작은 이하 단계를 포함한다.

단계 (1): 선택적으로, 대응 경도의 종료점 검출 영역을 제조할 수 있는 주조 조성물을 몰드의 내부 캐비티에 붓고 경화, 이형, 표면 연마를 진행하여 원기둥 블록체를 획득한다.

단계 (2): 선택적인 단계 (1)에서 획득한 원기둥 블록체를 연마층 몰드의 원형 고리 측벽 내에 놓고, 상기 고리형 캐비티 내에 상기 제2 생성물을 붓고, 초기 반응 온도 ≤70℃, 반응 피크 온도 ≤80℃의 조건 하에서 경화를 진행한 후 이형(demoulding), 표면 연마를 진행하여 원기둥형 경화 블록체를 획득한다.

(3) 상기 경화 블록체를 슬라이싱(slicing)하여 일체로 성형하며, 종료점 검출 영역이 있는 연마층을 선택할 수 있다.

(4) 선택적으로, 연마층 상에 그루브가 형성된다.

연마 처리

상기 연마층을 구비한 화학적 기계적 연마 패드를 채택하여 연마 처리를 진행한 개략도는 도 1을 참조할 수 있다. 여기에서 연마 패드(2)는 연마대(3) 상에 고정된다. 연마할 물질(1)은 지지체(4) 상에 고정된다. 연마 작용 시, 먼저 연마 패드(2)는 연마대의 작용 하에서 회전한다. 그 후 지지체(4)를 통하여 연마할 물질(1)을 연마 패드(2)에 수직이 되는 방식으로 근접시키고(위에서 아래로), 지지체는 아래로 운동하면서 회전하고, 지지체(4)의 회전 방향은 연마대(3)의 회전 방향과 일치하여 연마 패드(2)와 연마할 물질(1)의 회전 방향을 일치시킨다. 연마와 동시에 연마 패드(2) 상에 연마액(5)을 분사한다.

본 발명의 제2 양태에 있어서, 본 발명자는 놀랍게도 입체 효과(steric effect)와 전자 효과(electronic effect)가 아미노기의 입체 장해를 증가시키고 아미노기의 전자구름 밀도를 낮춰 지방족 아미노기 경화제의 반응성을 효과적으로 낮출 수 있음을 발견하였다. 구체적으로, 2차 아민 말단화 폴리에테르는 1차 아민 말단화 폴리에테르에 비해 활성이 현저히 낮아 방향족 이작용성 경화제, 특히 방향족 디아민 경화제와 동등한 활성에 이를 수 있기 때문에, 경화제 반응 속도가 달라 경화 초기의 겔화 현상과 최종 생성물의 불균일성이 나타나는 문제를 해소할 수 있다.

또한 본 발명자는 2차 아민 말단화 폴리에테르의 질소 원자 상에서 비교적 큰 치환기가 아미노기의 입체 효과를 보다 효과적으로 증가시켜 그 반응 활성을 더 낮출 수 있음을 발견하였다.

따라서 선택한 방향족 경화제의 반응 활성에 의거하여 아미노 치환기의 구조를 조절하여 각 경화제 반응 활성과 동등한 경화제 시스템을 획득할 수 있기 때문에 근본적으로 다중 경화제 시스템의 균일성 문제를 해결할 수 있다.

따라서 본 발명자는 구조 상의 수식을 통해 지방족 경화제의 반응 활성을 조정함으로써 지방족 경화제가 방향족 경화제의 반응 활성에 근접한 경화제 조성물을 제안하여 품질이 균일한 연마층을 획득하였다.

연마층

통상적으로, 폴리 레탄 연마층 반응 제작 공정은 다음과 같다. 즉, 이소시아네이트 말단화 프리폴리머를 일정 온도까지 가열하여 적합한 점도를 갖도록 만들고, 바람직하게는 중공 미소구 폴리머에 혼합하여 최종 생성물의 밀도를 조절한 후, 해당 혼합물을 경화제와 혼합하고 주조하여 폴리우레탄 주조 블록을 형성하고, 일정 조건 하에서 경화하여 폴리우레탄 물질 블록을 형성하고, 그 후 일정 두께의 박편으로 절단하여 연마 패드의 연마층으로 사용한다.

본 발명에 있어서, 폴리우레탄 연마층은 복수의 원료를 반응시켜 생성한 반응 생성물을 포함한다. 상기 복수의 원료는 이하에서 상세하게 설명하는 이소시아네이트 말단화 프리폴리머, 경화제 조성물 및 선택 가능한 중공 미소구 폴리머를 포함한다. 비교적 바람직하게는, 중공 미소구 폴리머는 이소시아네이트 말단화 프리폴리머에 혼합되고, 해당 혼합물은 경화제 조성물과 혼합된 후 경화 반응이 진행된다.

여기에서, 상기 수득한 폴리우레탄 연마층의 밀도는 0.6 내지 1.1g/cm³이고, 비교적 바람직한 밀도는 0.7 내지 1.05g/cm³이고, 보다 바람직한 밀도는 0.8 내지 1.0g/cm³이다.

여기에서 획득한 폴리우레탄 연마층의 쇼어 D 경도는 45 내지 75D이고, 비교적 바람직한 경도는 55 내지 70D, 가장 바람직한 경도는 55 내지 65D이다. 경도가 75D보다 큰 경우, 폴리우레탄 연마층은 아주 높은 제거 속도를 갖지만, 스크래치 등과 같은 결함이 너무 많아지는 문제가 수반된다. 경도가 45D보다 작은 경우, 결함률을 효과적으로 낮출 수는 있으만 제거율이 심각하게 떨어지게 된다. 본 발명의 연마층은 결함률 및 제거율의 균형을 잘 맞추며, 결함률을 증가시키지 않으면서(심지어 낮아지는 상황) 제거율을 현저하게 향상시킨다.

경화제 조성물

본 발명의 경화제 조성물은 지방족 경화제와 방향족 경화제 혼합물을 포함하는 다성분 경화제 시스템이다. 전술한 바와 같이, 다성분 경화제 시스템은 폴리우레탄 연마층의 반응 및 제조에 있어서 수요에 따라 적당한 구조의 경화제를 선택해 최종 제품 경도의 연질 세그먼트 구조와 경질 세그먼트 구조를 조절할 수 있고, 경화제의 연질 세그먼트와 경질 세그먼트 구조의 비율을 조절함으로써 더 큰 범위 내에서 연마 패드의 물리화학적 지표 매개변수를 개선할 수 있으므로 상이한 연마 물질의 요구에 적합한 연마층을 제조할 수 있는 현저한 장점이 있다.

2차 아민 말단화 폴리에테르 경화제

본 발명에서 지방족 경화제는 2차 아민 말단화 폴리에테르 경화제를 포함한다. 지방족 아미노기는 전자구름 밀도가 비교적 높아 활성이 아주 높은데, 그 활성은 심지어 방향족 아미노기보다 높다. 다성분 경화제 각 성분의 반응 활성을 조정하여 상이한 경화제가 동등한 반응 활성을 갖도록 하는 목적을 달성하기 위하여, 발명자는 지방족 아미노기 경화제의 반응성을 연구하였다. 2차 아민 말단화 폴리에테르류 화합물은 다작용성 방향족 경화제와 동등한 경화 반응 속도를 가지고 있기 때문에, 2차 아민 말단화 폴리에테르 경화제와 이작용성 방향족 경화제를 포함하는 경화제 조성물을 채택하여 품질이 균일한 연마층을 획득할 수 있음을 발견하였다.

또한, 본 발명의 2차 아민 말단화 폴리에테르는 실온에서 저점도 액체이고, 방향족 경화제와 혼합하면 경화제 조성물의 응고점을 낮출 수 있어 더 낮은 온도에서 경화 반응을 완료할 수 있기 때문에 반응열의 소산에 유익하며, 너무 빠른 방열 또는 불균일한 방열로 인해 연마층의 균일성이 나빠지는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.

특히 이하에서 상세하게 설명할 중공 미소구 폴리머가 첨가된 연마층의 경우, 중공 미소구 폴리머의 팽창율은 온도와 관계가 있기 때문에 불균일한 반응 방열 또는 너무 느린 열 소산은 중공 미소구의 팽창을 불균일하게 만들 수 있으므로 연마 패드의 밀도가 불균일해진다. 본 발명의 연마층은 저점도의 2차 아민 말단화 폴리에테르를 채택하여 국부적으로 반응열이 너무 높은 상황을 방지할 수 있으므로 밀도 및 공극률이 모두 더욱 균일한 폴리에테르 폴리머가 가된 연마층을 획득할 수 있다.

비교적 바람직하게는, 아민 말단화 폴리에테르는 헌트맨(Huntsman)사의 폴리에테르 아민 Jeffamine® 시리즈, 예를 들어 SD231, SD401, SD2001, ST404, HK511 및 그 혼합물을 포함하나 이에 한정되지 않는다.

본 발명의 일부 바람직한 예시에 있어서, 상기 아민 말단화 폴리에테르 조합은 하기 일반식 I과 일반식 II로 표시되는 화합물로부터 선택된 하나 이상을 포함하나 이에 한정되지 않는다.

일반식 I

일반식 II

일반식 I에서, R₁은 C1-C8 알킬기 또는 불소 함유 알킬기이고, R₂, R₃, R₄ 및 R₅는 각각 독립적으로 H 또는 C1-C8 알킬기 또는 불소 함유 알킬기이고, x 및 y는 각각 0 또는 양의 정수이고, x + y≤12를 전제로 한다.

일반식 II 중 R₁은 C1-C8 알킬기 또는 불소 함유 알킬기이고, R₂, R₃, R₄ 및 R₅는 각각 독립적으로 H 또는 C1-C8 알킬기 또는 불소 함유 알킬기이고, a=b=c=1이고, x, y, m, n, o, p는 각각 0 또는 양의 정수이고, x+y+m+n+o+p≤12를 전제로 한다.

비교적 바람직하게는, 상기 일반식에서, R₁은 C1-C4의 알킬기 또는 불소 함유 알킬기이고, R₂, R₃, R₄ 및 R₅는 각각 독립적으로 H 또는 C1-C4 알킬기 또는 불소 함유 알킬기이다.

상기 일반식 I 또는 II의 화합물은 과불소 치환된 화합물일 수도 있다.

보다 바람직하게는, 상기 아민 말단화 폴리에테르 조합은 하기 분자 구조와 같은 화합물 A를 포함한다.

(A)

발명자는 놀랍게도 상기 삼작용성 과불화 2차 아민을 채택할 때 연마 패드는 완벽에 가까운 외관을 구비하며 스트리에이션이 존재하지 않는 것을 발견하였다. 스트리에이션은 연마 패드 상에 존재하는 백색에 가까운 비교적 불규칙한 형상의 연속 줄무늬를 말하며(스트리에이션은 대개 평균 폭이 0.1 내지 1.5cm이고 길이가 10 내지 50cm인 불규칙 형상의 줄무늬로 설명할 수 있음), 현재 형성 원인이 명확하지 않지만 제품 내부의 방열 불균일로 인해 미소구가 고르지 않게 되고 이러한 현상 때문에 연마 과정에서 예측 불가한 결과가 초래되어 연마가 불균일해지는 것이 원인인 것으로 추론되나 이 차이는 거시적으로 측정하기 쉽다.

본 발명의 2차 아민 말단화 폴리에테르 경화제는 연질 세그먼트 구조 조절물로 사용되며, 바람직하게는 수평균 분자량이 250 내지 6000이다.

분자량이 250 미만인 경우, 반응 과정 중 지방족 아민 말단화 폴리우레탄의 반응이 너무 빨라 폴리우레탄이 빠르게 겔화될 수 있어 조작 가능성이 매우 떨어지게 된다. 지방족 아민 말단화 폴리에테르의 분자량이 6000보다 큰 경우, 반응에 참여하는 아미노기 활성이 크게 떨어져 이소시아네이트 말단화 프리폴리머 중 미반응 NCO기와 잘 반응할 수 없으므로 연마 패드의 역학 성능에 유익하지 않다.

구체적인 수요에 따라, 본 발명의 2차 아민 말단화 폴리에테르 경화제의 수평균 분자량은 예를 들어 400 내지 800, 또는 1000 내지 2000, 또는 3000 내지 4000, 또는 5000 내지 6000, 또는 1500 내지 2200, 또는 3500 내지 5600 등일 수 있으며, 바람직하게는 400 내지 800 또는 1000 내지 2000이다.

방향족 이작용성 경화제

본 발명에서 경질 세그먼트 구조 조절물인 방향족 경화제는 방향족 이작용성 경화제이다. 본 발명은 방향족 이작용성 경화제를 특별히 제한하지 않으며, 본 발명이 속한 기술분야에서 임의의 적합한 방향족 이작용성 경화제일 수 있다. 본 발명이 속한 기술분야의 당업자는 구체적인 수요에 따라 적절히 선택할 수 있다.

본 발명에서 사용 가능한 방향족 이작용성 경화제에의 실례에는 디에틸톨루엔디아민(DETDA, diethyltoluenediamine), N,N'-디알킬디아 미노 디페닐 메탄(N,N′-dialkyldiamino diphenyl methane), 3,5-디에틸-2,4-톨루엔 디아민(3,5-diethyl-2,4-tolylene diamine) 및 이의 이성질체(예를 들어, 3,5-디에틸-2,6-톨루엔 디아민), 3,5-디메틸티오-2,4-톨루엔 디아민(3,5-dimethylthio,4-tolylene diamine) 및 이의 이성질체, 4,4'-메틸렌-비스-(2-클로로아닐린)(MOCA, 4,4'-methylene-bis-(2-chloroaniline)), 4,4'-비스-(sec-부틸아미노)-디페닐메탄(4,4'-bis-(sec-butylamino)-diphenylmethane), 1,4-비스-(sec-부틸아미노)-벤젠(1,4-bis-(sec-butylamino)-benzene), 4,4'-메틸렌-비스-(2-클로로아닐린), 4,4'-메틸렌-비스(3-클로로-2,6-디에틸아닐린)(MCDEA, 4,4-methylene-bis(3-chloro-2,6-diethylaniline), 폴리테트라메틸렌옥사이드-디-p-아미노벤조에이트(polytetramethylene oxide-di-p-aminobenzoate), p,p'-메틸렌디아닐린(MDA, p,p'-methylenedianiline), m-페닐렌디아민(MPDA, m-phenylenediamine), 4,4'-메틸렌-디-(2,6-디에틸아닐린)(MDEA, 4,4'-methylene-di-(2,6-diethylaniline)), 4,4'-메틸렌-디-(2,3-디클로로아닐린)(MDCA, 4,4'-methylene-di-(2,3-dichloroaniline)), 4,4'-디아미노-3,3'-디에틸-5,5'-디메틸 디페닐메탄(4,4'-diamino-3,3'-diethyl-5,5'-dimethyl diphenylmethane), 2,2',3,3'-테트라클로로 디아미노 디페닐메탄(2,2′,3,3′-tetrachloro diamino diphenylmethane), 트리메틸렌 글리콜-디-p-아미노벤조에이트(trimethylene glycol di-p-aminobenzoate) 및 이들의 혼합물이 있으나 이에 한정되지 않는다.

보다 바람직하게는, 사용하는 방향족 이작용성 경화제는 4,4'-메틸렌-비스-(2-클로로아닐린)(MOCA), 4,4'-메틸렌-비스(3-클로로-2,6-디에틸아닐린)(MCDEA) 및 이의 이성질체에서 선택된다.

보다 바람직하게는, 방향족 이작용성 조성물은 MOCA이다. MOCA의 독특한 화학 구조는 연마 패드 제조에서 적합한 조작 가능 시간을 가지며 수득한 연마 패드가 우수한 연마 성능을 갖도록 보장한다.

본 발명의 다성분 경화제 시스템에 있어서, 지방족 폴리아민 경화제 및 방향족 폴리아민 경화제를 서로 조합하는 방식을 채택하여, 지방족 경화제와 방향족 경화제가 상당히 근접한 반응 활성을 갖도록 만들어 균일성이 개선된 폴리우레탄 연마층을 획득할 수 있으므로, 선진 반도체 공정, 바람직하게는 28nm 이하인 공정에 더욱 잘 응용할 수 있다.

본 발명 중 다성분 경화제 시스템에 있어서, 지방족 2차 아민 말단화 폴리에테르 경화제와 방향족 이작용성 조성물의 혼합 질량비는 1:4 내지 4:1이다. 2차 아민 말단화 지방족 폴리에테르는 경화제 조성물 중에서의 비중이 20wt% 미만일 때 경화제 조성물의 융점이 현저하게 감소되지 않으며, 2차 아민 말단화 폴리에테르는 조성물 중에서의 비중이 80wt%를 초과할 때 경화하여 획득한 폴리우레탄 연마층을 유연하게 만들며 그 평탄화 능력이 저하될 수 있다.

2차 아민 말단화 폴리에테르 경화제와 이작용성 방향족 경화제의 반응 속도가 유사하기 때문에, 최종적으로 이상적인 제거 속도와 결함율의 균형을 얻을 수 있으므로, 본 발명의 제1 양태의 방안과 비교하여 비교적 많은 연질 세그먼트의 2차 아민 말단화 폴리에테르 화합물을 첨가할 수 있어 경도 범위가 더욱 넓은 연마층을 획득할 수 있다.

이소시아네이트 말단화 프리폴리머

본 발명에서 이소시아네이트 말단화 프리폴리머는 다작용성 이소시아네이트와 폴리에테르류 폴리올을 반응시켜 수득하며, 비교적 바람직하게는 프리폴리머는 2개 -NCO기 말단을 가지며, 더욱 바람직하게는 프리폴리머는 폴리에테르계의 이소시아네이트 말단화 카바메이트 프리폴리머이다.

여기에서, 이소시아네이트 말단화 프리폴리머의 제조 원료에 있어서, 다작용성 이소시아네이트는 방향족 이소시아네이트, 지방족 이소시아네이트 중 하나 또는 둘을 포함하나, 이에 한정되지 않는다. 바람직하게는 90mol% 이상, 더욱 바람직하게는 95mol% 이상, 특히 바람직하게는 100mol% 이상의 방향족 이소시아네이트를 사용한다.

비교적 바람직하게는, 방향족 이소시아네이트는 방향족 디이소시아네이트류를 포함하나 이에 한정되지 않는다.방향족 디이소시아네이트류에는 2,4-톨루엔 디이소시아네이트(2,4-tolylene diisocyanate), 2,6-톨루엔 디이소시아네이트, 2,2'-디페닐메탄 디이소시아네이트(2,2'-diphenylmethane diisocyanate), 2,4'-디페닐메탄 디이소시아네이트, 4,4'-디페닐메탄 디이소시아네이트, 1,5-나프탈렌 디이소시아네이트(1,5-naphalene diisocyanate), p-페닐렌 디이소시아네이트(p-phenylene diisocyanate), m-페닐렌 디이소시아네이트(m-phenylene diisocyanate), p-자일릴렌 디이소시아네이트(p-xylylene diisocyanate), m-자일릴렌 디이소시아네이트(m-xylylene diisocyanate) 중 하나 이상이 포함되나 이에 한정되지 않는다.

비교적 바람직하게는, 지방족 이소시아네이트는 지방족 디이소시아네이트류를 포함하나 이에 한정되지 않는다.지방족 디이소시아네이트류는 에틸렌 디이소시아네이트(ethylene diisocyanate), 2,2,4-트리메틸헥사메틸렌 디이소시아네이트(2,2,4-trimethylhexamethylene diisocyanate) 및 1,6-헥사메틸렌 디이소시아네이트(1,6-hexamethylene diisocyanate) 중 하나 이상을 포함하나 이에 한정되지 않는다. 지방족 이소시아네이트는 지환식 디이소시아네이트류일 수도 있다. 지환식 디이소시아네이트류는 1,4-시클로헥산 디이소시아네이트(1,4-cyclohexane diisocyanate), 4,4'-디시클로헥실메탄 디이소시아네이트(4,4'-dicyclohexylmthane diisocyanate), 이소포론 디이소시아네이트(isophorone diisocyanate), 노르보르난 디이소시아네이트(norbornane diisocyanate) 중 하나 이상을 포함하나 이에 한정되지 않는다.

여기에서, 이소시아네이트 말단화 프리폴리머의 제조 원료에서 폴리에테르류 폴리올은 폴리에테르계 고분자량 폴리올일 수 있다.

비교적 바람직하게는, 폴리에테르류 폴리올은 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜(PTMEG, polytetramethylene ether glycol), 폴리에틸렌 글리콜(PEG, polyethylene glycol), 폴리프로필렌 글리콜(PPG, polypropylene glycol) 및 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜-폴리에틸렌 글리콜, 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜-폴리프로필렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜-폴리프로필렌 글리콜 중 하나 이상의 공중합체, 또는 둘 이상의 혼합물을 포함하나 이에 한정되지 않는다.

선택 가능한 예시에 있어서, 폴리에테르류 폴리올의 수평균 분자량은 500 내지 5000이다. 예를 들어 수요에 따라 500 내지 2000, 또는 500 내지 1500일 수 있다. 수평균 분자량이 500 미만인 폴리에테르류 폴리올을 사용하는 경우, 수득된 폴리우레탄 수지는 충분한 탄성이 없어 쉽게 취성 폴리머가 된다는 점에 유의해야 한다. 전술한 폴리우레탄 수지(취성 폴리머)로 형성된 연마 패드는 너무 단단해서 연마 대상물 표면에 흠집이 생기기 쉬운 원인이 되며, 마모되기 쉬워 연마 지점의 사용수명이 단축되기도 한다. 수평균 분자량이 5000을 초과하는 폴리에테르류 폴리올을 사용하면, 수득한 폴리우레탄 수지로 형성된 연마 패드가 부드러워져 만족스러운 평면성을 얻기 어렵다.

본 발명에 있어서, 바람직하게는, 이소시아네이트 말단화 프리폴리머는 시판되는 폴리에테르계와 TDI 및 MDI를 반응시켜 수득한 프리폴리머일 수 있다. 이소시아네이트 말단화 프리폴리머에는 켐투라(Chemtura)사에서 생산하는 Adiprene® 시리즈 프리폴리머 LF800A, LF900A, LF910A, LF930A, LF931A, LF939A, LF950A, LF952A, LF600D, LF601D, LF650D, LF667D, LF700D, LF750D, LF751D, LF752D, LF753D, L325, LFG963A, LFG964A, LFG740D가 포함되나 이에 한정되지 않는다.

본 발명에 있어서, 이소시아네이트 말단화 프리폴리머는 5.5 내지 9.5wt%의 미반응 이소시아네이트기(-NCO)를 함유하고, 비교적 바람직하게는 프리폴리머 중 미반응 -NCO 함량은 5.5 내지 9.5wr% 사이로 제어되고, 보다 바람직하게는 미반응 -NCO 함량은 6.5 내지 9.2wt% 사이이다.

중공 미소구 폴리머

중공 미소구 폴리머를 채택하여 제조한 폴리우레탄 연마층은 화학적 기계적 연마 작업에 적용 가능한 연마층이다. 상기 제조한 폴리우레탄 연마층은 다공성 구조 또는 비기공성 구조일 수 있으나, 본 발명에서는 이를 구체적으로 한정하지 않는다.

선택 가능한 예시에 있어서, 폴리우레탄 연마층의 제조 공정에서 중공 미소구 폴리머를 연마층에 균일하게 분산시켜 폴리우레탄 연마층의 연마 효과를 조정할 수 있다.

본 발명에서 용어 "중공 미소구 폴리머"는 팽창 가능한 중공 폴리머 미소구체를 말하며, 경화 과정에서 반응 방열로 인한 승온의 의해 적당히 팽창될 수 있다. 폴리우레탄 연마층에서 중공 미소구 폴리머의 분포 방식(예를 들어 밀도)을 조정하고 중공 미소구 폴리머의 입자 크기를 조절함으로써, 연마층의 연마 성능이 더 조절할 수 있다. 비교적 바람직하게는, 중공 미소구 폴리머는 연마층에 분산되어 연마층의 최종 공극율을 10 내지 40%로, 기공 크기를 <120μm로 만들 수 있고, 보다 바람직하게는 공극율을 15 내지 35%로, 기공 크기를 <50μm로 만들 수 있다.

비교적 바람직하게는, 중공 미소구 폴리머는 폴리아크릴로니트릴과 폴리아크릴로니트릴 공중합체 외벽을 구비하는 캡슐 구조를 포함하나 이에 한정되지 않으며, 악조노벨(Akzo Nobel Co.), 마쓰모토 유시 세이야쿠(Matsumoto Yushi Seiyaku Co., Ltd) 또는 세키스이 화학공업(Sekisui Chemical Co., Ltd) 중 어느 한 회사에서 구매한 미소구 또는 미소비드를 채택할 수 있으며, 악조노벨사 Expancel 시리즈 중공 미소구 또는 마쓰모토 비즈 F 시리즈가 바람직하다.

기타 첨가제

종료점 검출 윈도우

비교적 바람직하게는, 연마 작업 시 종료점 검출 영역의 쇼어 경도는 40 내지 75D이고, 보다 바람직하게는 55 내지 70D이다. 종료점 검출 영역의 쇼어 경도가 40D 미만이면 상기 영역에 크리프 변형(creep deformation)이 일어나기 쉽고 광학 종료점 검출을 안정적으로 수행하기 어려우며, 쇼어 경도가 75D를 초과하면 연마할 물질 표면에 스크래치가 생기기 쉽다.

바람직하게는, 본 발명에서 종료점 검출 영역의 경도는 연마층 경도와 매칭되고, 양자의 경도차의 절대값은 연마 동안 유사한 마모율을 갖도록 5 이내로 제어된다. 종료점 검출 영역 경도가 연마 패드 본체보다 높고 차이값이 5보다 큰 경우, 경질 종료점 검출 영역이 연마할 대상에 대하여 생성하는 스크래치 등 결함이 연마 패드 본체보다 높아 연마 패드가 비교적 높은 결함율을 갖게 된다. 종료점 검출 영역의 경도가 연마 패드 본체보다 낮고 차이값이 5보다 큰 경우, 경도가 낮은 종료점 검출 영역이 더 빠른 연마 속도를 가져 요함이 생기기 쉬우며, 즉 종료점 검출 영역의 수명이 연마 패드 본체보다 짧아져 연마 패드의 전체 사용 수명이 단축되어 사용 비용이 증가한다. 바람직하게는, 종료점 검출 영역의 경도는 연마층의 경도에 매칭되며, 양자의 경도차의 절대값은 3 이내로 제어된다.

그루브

본 발명에 있어서, 폴리우레탄 연마층 상에 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 방법에 따라 그루브를 설치할 수 있고, 그루브는 연마 과정 중 연마액을 수용하도록 구성된다. 그루브는 상기 연마 패드 성형 후 가공을 거쳐 획득할 수 있다. 그루브의 설치는 연마 과정에 사용되는 연마액의 원활한 배출 및 유동을 보장할 수 있다. 비교적 바람직하게는, 그루브는 동심 그루브이고(예를 들어 고리형 또는 나선형의 그루브일 수 있음), 곡선 그루브, 격자선 그루브, 정다각형 그루브(예를 들어 육각형, 삼각형) 및 타이어면형 패턴 중 하나 이상이다. 보다 바람직하게는, 그루브는 고리형 그루브, 나선형 그루브, X~Y 격자 그루브, 육각형 그루브, 삼각형 그루브 및 프랙탈(fractal) 그루브 중의 하나 이상이다. 더욱 바람직하게는, 그루브의 횡단면은 직선측벽 직사각형, "V" 형상, "U" 형상 및 거치(sawtooth) 중 하나 이상이다. 더욱 바람직하게는, 그루브는 고리형 그루브 및/또는 격자선 그루브이다.

비교적 바람직하게는, 상기 그루브의 폭은 0.1 내지 0.6cm이고, 보다 바람직하게는 상기 그루브의 폭은 0.2 내지 0.4cm이다.

완충층

연마층의 제조 방법

본 발명은 상기 연마층 제조 방법을 더 제공한다. 본 발명에서 연마층의 제조 방법은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상적으로 사용하는 주조 경화 공정일 수 있으며, 제조 방법은 이하 단계를 포함한다.

단계 (2): 선택적인 단계 (1)에서 획득한 원기둥 블록체를 연마층 몰드의 원형 고리 측벽 내에 놓고, 상기 고리형 캐비티 내에 대응 경도의 연마 영역을 제조할 수 있는 상기 연마층의 원료 조합을 붓고, 경화, 이형(demoulding), 표면 연마를 진행하여 원기둥형 경화 블록체를 획득한다.

단계 (3): 상기 경화 블록체를 슬라이싱(slicing)하여 일체로 성형하여 일체로 성형된 종료점 검출 윈도우가 있는 연마층을 획득한다.

단계 (4): 선택적으로, 연마층 상에 그루브가 형성된다.

본 발명에 있어서, 단계 (1)에서 상기 경화는 비교적 바람직하게는 겔화, 승온, 경화 및 강온의 과정을 포함한다. 여기에서 상기 겔의 온도는 비교적 바람직하게는 65 내지 75℃, 예를 들어 70℃일 수 있고, 상기 겔의 시간은 비교적 바람직하게는 10 내지 20분, 예를 들어 15분일 수 있고, 상기 승온은 온도를 비교적 바람직하게 90 내지 110℃, 예를 들어 100℃까지 상승시킬 수 있고, 상기 승온의 시간은 비교적 바람직하게는 20 내지 40분, 예를 들어 30분일 수 있고, 상기 경화 시간은 비교적 바람직하게는 15 내지 17시간, 예를 들어 16시간일 수 있고, 상기 강온은 비교적 바람직하게는 15 내지 30℃, 예를 들어 25℃일 수 있다.

본 발명에 있어서, 단계 (2)에서 상기 경화는 비교적 바람직하게는 겔화, 승온, 경화 및 강온의 과정을 포함한다. 여기에서 상기 겔의 온도는 비교적 바람직하게는 65 내지 75℃, 예를 들어 70℃일 수 있고, 상기 겔의 시간은 비교적 바람직하게는 10 내지 20분, 예를 들어 15분일 수 있고, 상기 승온은 온도를 비교적 바람직하게 90 내지 110℃, 예를 들어 100℃까지 상승시킬 수 있고, 상기 승온의 시간은 비교적 바람직하게는 20 내지 40분, 예를 들어 30분일 수 있고, 상기 경화 시간은 비교적 바람직하게는 15 내지 17시간, 예를 들어 16시간일 수 있고, 상기 강온은 비교적 바람직하게는 15 내지 30℃, 예를 들어 25℃일 수 있다.

단계 (1) 내지 (2)에서, 상기 경화는 비교적 바람직하게는 겔화, 승온, 경화 및 강온의 과정을 포함하며, 여기에서 상기 겔의 온도는 70℃이고, 상기 겔의 시간은 15분이고, 상기 승온은 온도를 100℃까지 상승시키고, 상기 승온의 시간은 30분이고, 상기 경화의 시간은 16시간이고, 상기 강온은 온도를 25℃까지 낮춘다.

연마 처리

상기 연마층을 구비하는 화학적 기계적 연마 패드를 채택하여 연마 처리를 진행하는 개략도는 도 1을 참조하며 여기에서는 반복하여 설명하지 않는다.

이하에서는 실시예를 통해 본 발명의 경화제 조성물, 폴리우레탄 연마층 및 연마 패드를 보다 상세하게 설명한다.

실시예

이하에 언급되는 물리화학적 매개변수 측정 방법은 이하와 같다.

쇼어 경도: ASTM D 2240 방법에 따라 측정한다.

밀도: S. G=m/v=m/(π(d/2)^2*h) 공식에 따라 계산하며, 여기에서 m은 연마 패드의 무게, d는 연마 패드의 직경, h는 연마 패드의 두께이다.

압축률: 압축비=((T1-T2)/T1)×100% 공식에 따라 계산하며, 여기에서 T1은 연마 패드가 무부하 상태에서 60초간 30kpa 압력을 받을 때의 박판 두께이고, T2는 T1 상태에서 60초간 180kpa의 압력을 받을 때의 박판 두께이다.

파단신율: GB T 6344-2008를 참조한다.

열팽창 계수: ASTM D1903-1996를 참조한다.

실시예 1

본 실시예는 연마층을 제공하며 그 제조 방법은 이하와 같다.

단계 1: 이소시아네이트 말단화 폴리우레탄 프리폴리머(또는 프리폴리머로 칭함)의 처리.

100중량부의 톨루엔 디이소시아네이트와 폴리테트라히드로푸란(polytetrahydrofuran)의 반응에 의해 수득된 이소시아네이트 말단화 프리폴리머(미반응의 -NCO기 질량백분율 8.75 내지 9.05% 함유)를 80℃까지 승온시키고, 진공(~0.095MPa)에서 2시간 동안 탈가스시켜 프리폴리머 중 기체 및 소분자 화합물을 제거한다. 그 후 0.77중량부의 평균 직경이 40㎛인 중공 미소구 폴리머를 첨가하고 교반 하에서 중공 미소구 폴리머를 프리폴리머 내에 균일하게 분산시키고, 진공(~0.095MPa)에서 다시 2시간 동안 탈가스시킨 후 온도를 50℃까지 낮추어 준비한다.

단계 2: 경화제 조성물의 배합 제조.

23.27중량부의 MOCA를 116℃까지 승온하여 이를 맑고 투명한 액체로 완전히 용융시키고, 여기에 5.92중량부의 아민 말단화 폴리프로필렌 옥사이드 에테르(polypropylene oxide ether)를 첨가하고 교반하여 양자를 균일하게 혼합하여 균일하고 투명한 액체를 형성한 후 온도를 70℃까지 낮추어 준비한다.

단계 3: 경화제 조성물을 채택하여 중공 미소구 폴리머를 함유하는 프리폴리머를 경화.

프리폴리머와 경화제 조성물을 고속 전단 하에 혼합한 다음, 원기둥형 몰드로 주조하여 두께 12cm의 주조 블록을 형성하고, 이를 70℃에서 15분 동안 겔화시킨 후 30분 이내레 주조체를 100℃까지 승온시키고 16시간 동안 경화시킨다. 경화가 완료된 후 오븐에서 자동으로 상온까지 강온시킨 후, 경화된 주조 블록을 위에서 아래로 순차적으로 2mm 두께의 박편으로 총 60개로 절단하며, 위에서 아래로 순차적으로 1에서 60까지 일련번호를 매긴다.

일련번호가 15인 연마층 박편을 취하여 상기 방법에 따라 밀도, 경도, 파단신율 및 팽창 계수를 각각 측정한다.

각 원료 및 용량과 물리 화학적 성능은 표 1 및 표 2에 요약하였다. 여기에서 모든 원료의 양은 중량부이다.

비교예 1

본 비교예는 연마층을 제공하며 그 제조 방법은 이하와 같다.

단계 1: 이소시아네이트 말단화 폴리우레탄 프리폴리머(이하 프리폴리머로 칭함)의 처리.

100중량부의 톨루엔 디이소시아네이트와 폴리테트라히드로푸란(polytetrahydrofuran)의 반응에 의해 수득된 이소시아네이트 말단화 프리폴리머(미반응의 NCO기 질량백분율 8.75 내지 9.05% 함유)를 80℃까지 승온시키고, 진공(-0.095MPa)에서 2시간 동안 탈가스시켜 프리폴리머 중 기체 및 소분자 화합물을 제거한다. 그 후 0.77중량부의 평균 직경이 40㎛인 중공 미소구 폴리머를 첨가하고 교반 하에서 중공 미소구 폴리머를 프리폴리머 내에 균일하게 분산시키고, 진공(-0.095MPa)에서 다시 2시간 동안 탈가스시킨 후 온도를 50℃까지 낮추어 준비한다.

단계 2: 경화제의 배합 제조.

28.32중량부의 MOCA를 116℃까지 승온시켜 맑고 투명한 액체로 완전히 용융시켜 준비한다.

단계 3: 경화제을 채택하여 중공 미소구 폴리머를 함유하는 프리폴리머를 경화.

프리폴리머와 경화제를 고속 전단 하에 혼합한 다음, 원기둥형 몰드로 주조하여 두께 12cm의 주조 블록을 형성하고, 이를 70℃에서 15분 동안 겔화시킨 후 30분 이내레 주조체를 100℃까지 승온시키고 16시간 동안 경화시킨다. 경화가 완료된 후 오븐에서 자동으로 상온까지 강온시킨 후, 경화된 주조 블록을 위에서 아래로 순차적으로 2mm 두께의 박편으로 총 60개로 절단하며, 위에서 아래로 순차적으로 일련번호를 매긴다.

시험예 1

연마층의 밀도 균일성의 평가.

실험 방법 1: 실시예 1과 비교예 1에서 절단하여 수득한 연마층 박편을 각각 제1그룹과 제2그룹으로 기록하고, 제1그룹과 제2그룹의 박편을 위에서 아래로 순차적으로 각각 1 내지 60의 일련번호를 매기고, 각 편의 쇼어 밀도를 시험하며 그 결과는 도 2에 요약하였다.

실험 방법 2: 실시예 1 및 비교예 1의 가장 중간, 즉 일련번호가 29인 박편을 취하여 반경 방향을 따라 안(원심)에서 밖(에지)까지 직경이 4cm인 작은 원편을 각각 취하여 순차적으로 1 내지 10의 일련번호를 매겨 그 쇼어 밀도를 시험하며 그 결과는 도 3에 요약하였다.

도 2와 도 3을 분석하면 이하의 결과를 얻을 수 있다.

도 2에 있어서, 비교예 1의 밀도 분포는 중간이 낮고 양단이 높은 "스마일 커브(smile curve)"를 나타낸다. 이는 주조 후의 반응 과정에서 중간의 열이 양단보다 방출하기가 어렵기 때문에 양단보다 온도가 높아져 폴리우레탄 본체 및 중공 미소구 폴리머가 일정하게 팽창되어 밀도가 낮아지기 때문이다. 그러나 실시예 1에서는, 경화제 조성물의 초기 온도가 낮아져 폴리우레탄 반응 과정 중의 열이 균일하고 안정적으로 방출되어, 중간의 밀도가 여전히 양단보다 약간 낮기는 하나 폴리우레탄 본체 및 중공 미소구의 팽창이 효과적으로 억제되므로 더욱 곧은 곡선이 나타낸다.

도 3에서 도시하는 방사상 밀도 분포에 있어서, 비교예 1과 실시예 1의 박편 밀도는 모두 원심에 가까울수록 밀도가 낮고 에지에 가까울수록 밀도가 높아지는 현상이 나타난다. 그러나 실시예 1의 밀도 균일성은 비교예 1의 결과보다 훨씬 우수하며, 그 원인 또한 초기 반응 온도가 비교적 낮기 때문이다. 요컨대, 더 낮은 온도의 경화제 조성물을 채택하면 반응으로 인한 극심한 방열의 과정을 효과적으로 억제하여 밀도 균일성이 더욱 우수한 연마층을 획득할 수 있다.

실시예 2 내지 11

실시예 1과 동일한 공정을 채택하고 상이한 유형의 지방족 디아민 및 상이한 NCO 함량의 프리폴리머, 평균 직경이 상이한중공 미소구 폴리머 및 상이한 사슬 연장 계수를 선택하여 상이한 효과의 연마층을 획득할 수 있다. 각 원료 및 용량과 물리 화학적 성능은 표 1 및 표 2에 요약하였다. 여기에서 모든 원료의 양은 중량부이다.

실시예 1 내지 11 및 비교예 1의 폴리우레탄 연마층 원료 조성

실시예	배합
	프리폴리머	경화제					미소구
		성분				사슬 연장 계수	20μm	40μm
		MOCA	D2000	ED2003	ED900	사슬 연장 계수	20μm	40μm
1	100	23.27	5.92			1.05		0.77
2	100	22.40	4.0			1.08	1.39
3	100	21.12	8.8			1.06	1.43
4	100	19.94	13.2			1.06	1.46
5	100	22.40	4.0			1.09		0.77
6	100	22.40	4.0			1.08		1.26
7	100	22.40		4.0		1.05		1.89
8	100	22.40		4.0		1.07		2.53
9	100	22.40			4.0	1.08		3.79
10	100	23.46	20.0			1.04	3.81
11	100	23.46	2.0			1.10	0.50	2.53
비교예 1	100	28.32				0.85		0.77

실시예 1 내지 11 및 비교예 1의 폴리우레탄 연마층 물리화학적 특성

실시예	시험 결과
실시예	밀도 (g/cm³)	경도 (D)	파단신율 (g/cm³)	열팽창 계수 (ppm/℃)
1	0.6	46	446	144
2	1.023	60	183	108
3	1.015	58	292	140
4	1.011	55	415	108
5	1.002	61	127	112
6	0.913	59	200	173
7	0.824	58	295	186
8	0.746	57	305	199
9	0.6	55	403	197
10	0.789	45	450	200
11	1.1	70	50	100
비교예 1	0.4	43	506	208

대조예 2

이소시아네이트 말단화 폴리우레탄 프리폴리머(이하 프리폴리머로 칭함)의 처리: 100중량부의 톨루엔 디이소시아네이트와 폴리테트라히드로푸란의 반응에 의해 수득된 이소시아네이트 말단화 프리폴리머(미반응의 NCO기 질량백분율 8.75 내지 9.05% 함유)를 80℃까지 승온시키고, 진공(-0.095MPa)에서 2시간 동안 탈가스시켜 프리폴리머 중 기체 및 소분자 화합물을 제거한다. 그 후 0.77중량부의 평균 직경이 40㎛인 중공 미소구 폴리머를 첨가하고 교반 하에서 중공 미소구 폴리머를 프리폴리머 내에 균일하게 분산시키고, 진공(-0.095MPa)에서 다시 2시간 동안 탈가스시킨 후 온도를 50℃까지 낮추어 준비한다.

경화제 조성물의 배합 제조: 23.46중량부의 MOCA를 116℃까지 승온하여 이를 맑고 투명한 액체로 완전히 용융시키고, 여기에 5중량부의 아민 말단화 폴리프로필렌 옥사이드 에테르(polypropylene oxide ether)를 첨가하고 교반하여 양자를 균일하게 혼합하여 균일하고 투명한 액체를 형성한 후 온도를 70℃까지 낮추어 준비한다.

프리폴리머와 경화제 조성물을 고속 전단 하에 혼합한 다음, 원기둥형 몰드로 주조하여 두께 12cm의 주조 블록을 형성하고, 이를 70℃에서 15분 동안 겔화시킨 후 30분 이내레 주조체를 100℃까지 승온시키고 16시간 동안 경화시킨다. 경화가 완료된 후 오븐에서 자동으로 상온까지 강온시킨 후, 경화된 주조 블록을 위에서 아래로 순차적으로 2mm 두께의 박편으로 총 60개로 절단하며, 위에서 아래로 순차적으로 일련번호를 매긴다.

각 원료 및 용량과 물리 화학적 성능은 표 3 및 표 4에 요약하였다. 여기에서 모든 원료의 양은 중량부이다.

실시예 12

이소시아네이트 말단화 폴리우레탄 프리폴리머(이하 프리폴리머로 칭함)의 처리:

경화제 조성물의 배합 제조: 23.46중량부의 MOCA를 116℃까지 승온하여 이를 맑고 투명한 액체로 완전히 용융시키고, 여기에 4중량부의 아민 말단화 폴리프로필렌 옥사이드 에테르 D2000 및 1중량부의 삼작용성 폴리에테르 아민 T5000을 첨가하고 교반하여 양자를 균일하게 혼합하여 균일하고 투명한 액체를 형성한 후 온도를 70℃까지 낮추어 준비한다.

프리폴리머와 경화제 조성물을 고속 전단 하에 혼합한 다음, 원기둥형 몰드로 주조하여 두께 12cm의 주조 블록을 형성하고, 이를 70℃에서 15분 동안 겔화시킨 후 30분 이내에 주조체를 100℃까지 승온시키고 16시간 동안 경화시킨다. 경화가 완료된 후 오븐에서 자동으로 상온까지 강온시킨 후, 경화된 주조 블록을 위에서 아래로 순차적으로 2mm 두께의 박편으로 총 60개로 절단하며, 위에서 아래로 순차적으로 일련번호를 매긴다.

실시예 13 내지 20

실시예 12와 동일한 공정을 채택하여 지방족 디아민과 폴리아민의 총량이 변하지 않도록 제어하고 양자의 비율을 조절하여 일련의 가교 밀도가 상이한 연마 패드를 획득할 수 있으며, 그 원료 및 용량과 물리화학적 성능은 표 3 및 표 4에 요약하였다.

실시예 12 내지 20 및 대조예 2의 폴리우레탄 연마층 물리화학적 특성

그룹별	시험 결과
실시예	밀도 （g/cm³）	경도 （D）	파단신율 （%）	열팽창 계수 （ppm/℃）
12	1.019	59	216	137
13	1.023	60	171	132
14	1.015	59	203	129
15	1.011	62	73	125
16	1.002	58	271	120
17	1.032	56	334	115
18	1.028	56	336	111
19	1.021	57	318	99
20	1.037	61	102	140
대조예2	1.008	49	400	100

시험예 2 내가수분해성 평가

실험 방법: 실시예 13 내지 20 및 비교예 2에서 일련번호가 15인 연마층을 취하고, 직경이 127mm인 원편을 각각 절단한 후 pH=2의 염산 용액과 pH=12의 수산화나트륨 용액에 침지시키며, 80시간 침지 후 그 치수를 측정하고 그 치수 변화 상황을 계산하며 결과를 표 5에 요약하였다.

실시예 13 내지 20 및 대조예 2에서 연마층의 내가수분해성

그룹별		초기 직경 （mm）	80시간 후 직경（mm）		직경 변화율（%）
그룹별		초기 직경 （mm）	HCl용액	NaOH용액	HCl용액	NaOH용액
실시예	13	127.1	127.9	128.1	0.63	0.79
	14	126.9	127.6	127.8	0.55	0.71
	15	127.1	127.8	127.8	0.55	0.55
	16	127.0	127.6	127.7	0.47	0.55
	17	127.1	127.6	127.6	0.39	0.39
	18	127.0	127.5	127.6	0.39	0.47
	19	126.9	127.3	127.4	0.32	0.39
	20	127.0	127.2	127.3	0.16	0.24
대조예2		127.1	128.1	128.6	0.79	1.18

표 4에서 알 수 있듯이, 연마층의 가교 밀도가 높아질수록 그 열팽창 계수가 현저하게 낮아지는 경향이 나타났으며, 폴리아민 조성물의 함량이 높을수록 열팽창 계수가 작아진다.

표 5 분석에서 알 수 있듯이, 실시예 13 내지 20에 있어서, 배합 중 폴리아민 조성물 함량이 증가함에 따라 내산, 내알칼리, 내가수분해 성능이 모두 대폭 향상되고 직경 변화율이 모두 비교예 2보다 낮은데, 이는 비교적 낮은 가교(실시예 13)라 하더라도 어느 정도 연마 패드의 내가수분해성을 향상시킬 수 있다는 것을 설명해준다.

시험예 3 연마층의 제거 속도 평가

실험 방법: 실시 예 13, 16, 19 및 대조예 2에서 수득한 동일 부위의 연마층을 연마 패드로 제조한다. 상기 시험을 통하여 그 연마 성능을 평가하였으며, 시험 조건은 하기와 같다.

시험대는 AMAT Refelxion (Modify 5 Zone)이다.

연마액은 ANJI 3060(1:9 희석, H₂O₂%=1%)이고, 유속은 250mL/min이다.

컨디셔너 디스크는 Saesol Disk 6045C4，P/C downforce 5lbf，Head & Platen RPM: 93/87이다.

사용된 웨이퍼(wafer)는 Patten wafer: Semitech 754, Cu Blanket wafer Pre Thickness 10KA이다.

연마 중에 그 수명주기 내의 제거 속도 변화를 기록하였으며, 결과는 도 4에 요약하였다.

도 4의 분석에서 알 수 있듯이, 연마 시간이 길어질수록 연마 패드의 제거 속도가 모두 점차 감소하는 경향을 보이나, 가교 밀도가 높은 시스템일수록 제거 속도 감소가 완만해진다.

시험예 4 연마 패드의 사용수명 평가

실험 방법: 실시예 13 내지 20 및 대조예 2에서 수득된 연마층을 연마 패드로 제조하고, 커디셔터 디스크의 장시간 절삭을 통하여 그 극한 사용수명, 즉 매개변수가 동일한 그루브의 절삭을 마치는 데 소요되는 시간을 테스트하였으며, 결과는 표 6에 요약하였다.

연마층 사용수명

일련번호	실시예								대조예2
일련번호	13	14	15	16	17	18	19	20	대조예2
수명(h, 시간)	39.0	39.5	38.8	38.5	35.1	32.2	29.3	25.8	40.0

표 6에서 하기의 결과를 얻을 수 있다.

비교적 낮은 가교 밀도일 때 사용수명은 현저한 차이가 없으나, 가교 밀도가 일정 수준으로 높아지면 연마 패드의 탄성이 점차 노출되어 연마 패드가 깨지기 쉽고 사용수명이 점차 단축되며, 제거 속도 및 사용수명 측면의 요인을 포괄할 경우, 폴리아민 경화제의 양을 1.5 내지 3.5% 사이로 제어하는 것이 바람직하다.

시험예 5

실리콘 웨이퍼의 가공에 있어서, 웨이퍼가 절단될 수 있는 웨이퍼 수량은 웨이퍼 표면 평탄도와 크게 관련되며, 표면 평탄도가 좋을수록 동일한 웨이퍼에서 절단될 수 있는 웨이퍼 수량이 많아진다. 그러나 실제 연마 과정에서는 에지 효과가 존재하기 때문에 연마 패드의 웨이퍼 연마 속도가 각 영역에서 완전히 동일하지는 않다. 웨이퍼 에지에 근접할 때 제거 속도가 현저하게 감소하는 경향이 나타난다.

도 5에서 도시하는 바와 같이, 횡좌표는 웨이퍼 원심으로부터의 거리를 나타내고, 종좌표는 연마 과정 중의 제거 속도를 나타낸다. 여기에서 곡선 1은 Dow사 브랜드 IC1010를 채택한 연마 패드이고, 곡선 2는 본 발명 실시예 12의 연마층을 채택하여 제조한 연마 패드이며, 각각 웨이퍼 연마에서 획득한 제거 속도와 웨이퍼 위치의 관계 곡선이다.

도 5에서 알 수 있듯이, 300mm 웨이퍼의 연마 과정에 있어서, 곡선 1에서 도시하는 최외측이 50mm보다 큰 원주에서 연마 속도는 현저하게 감소한다. 그러나 본 발명 실시예 12(도 5에서 곡선 2)에서 제조된 연마 패드는 놀랍게도 연마 특성이 우수하고 에지 효과 현상이 상당히 개선된 것으로 나타났다.

실시예 21

본 실시예는 폴리우레탄 연마층을 제공하며 그 제조 방법은 이하와 같다.

100중량부의 톨루엔 디이소시아네이트와 폴리테트라히드로푸란(polytetrahydrofuran)의 반응에 의해 수득된 이소시아네이트 말단화 프리폴리머(미반응의 -NCO기 질량백분율 8.75 내지 9.05% 함유)를 80℃까지 승온시키고, 진공(~0.095MPa)에서 2시간 동안 탈가스시켜 프리폴리머 중 기체 및 소분자 화합물을 제거한다. 그 후 0.86중량부의 평균 직경이 40㎛인 중공 미소구 폴리머를 첨가하고 교반 하에서 중공 미소구 폴리머를 프리폴리머 내에 균일하게 분산시키고, 진공(~0.095MPa)에서 다시 2시간 동안 탈가스시킨 후 온도를 50℃까지 낮추어 준비한다.

단계 2: 경화제 조성물의 배합 제조.

23.5중량부의 MOCA를 115℃까지 승온하여 이를 맑고 투명한 액체로 완전히 용융시키고, 여기에 10중량부의 지방족 2차 아민 말단화 폴리에테르 SD2001을 첨가하고 교반하여 양자를 균일하게 혼합하여 균일하고 투명한 액체를 형성하여 준비한다.

각 원료 및 용량은 표 7과 표 7을 참조하며, 여기에서 모든 물질의 양은 중량부이다.

프리폴리머와 경화제 조성물을 고속 전단 하에 혼합한 다음, 원기둥형 몰드로 주조하여 두께 12cm의 주조 블록을 형성하고, 이를 70℃에서 15분 동안 겔화시킨 후 30분 이내레 주조체를 100℃까지 승온시키고 16시간 동안 경화시킨다. 경화가 완료된 후 오븐에서 자동으로 상온까지 강온시킨 후, 경화된 주조 블록을 아래에서 위로 순차적으로 2mm 두께의 박편으로 총 60개로 절단한다.

각각 전술한 방법에 따라 획득한 폴리우레탄 연마층의 쇼어 경도, 밀도 및 압축률의 결과는 표 9를 참조한다.

실시예 22 내지 35

실시예 21과 동일한 공정을 채택하고 상이한 상표의 지방족 2차 아민 말단화 폴리에테르 및 상이한 미반응 -NCO 함량의 프리폴리머, 평균 직경이 상이한중공 미소구 폴리머 및 상이한 사슬 연장 계수를 선택하여 상이한 효과의 폴리에테르 연마층을 획득할 수 있다. 각 원료 및 용량은 표 1과 표 2에 요악하였으며, 여기에서 모든 물질의 양은 중량부이다. 실시예 1 중의 방법에 따라 각 실시예에서 제조한 폴리우레탄 연마층의 경도, 밀도 및 압축률의 결과는 표 3을 참조한다.

비교예 3

현재 선진 공정 중 구리 공정에 널리 사용되며 시판되는 연마 패드를 구입하였으며 각 원료는 표 7에 요약하였다. 실시예 21 중의 방법에 따라 본 비교예의 폴리우레탄 연마층의 경도, 밀도 및 압축률을 측정한 결과는 표 9를 참조한다.

비교예 4

본 비교예의 폴리우레탄 연마층 제조 방법은 이하와 같다.

100중량부의 톨루엔 디이소시아네이트와 폴리테트라히드로푸란(polytetrahydrofuran)의 반응에 의해 수득된 이소시아네이트 말단화 프리폴리머(미반응의 NCO기 질량백분율 8.75 내지 9.05% 함유)를 80℃까지 승온시키고, 진공(~0.095MPa)에서 2시간 동안 탈가스시켜 프리폴리머 중 기체 및 소분자 화합물을 제거한다. 그 후 0.86중량부의 평균 직경이 40㎛인 중공 미소구 폴리머를 첨가하고 교반 하에서 중공 미소구 폴리머를 프리폴리머 내에 균일하게 분산시키고, 진공(~0.095MPa)에서 다시 2시간 동안 탈가스시킨 후 온도를 50℃까지 낮추어 준비한다.

단계 2: 경화제의 배합 제조.

23.5중량부의 MOCA를 115℃까지 승온시켜 맑고 투명한 액체로 완전히 용융시켜 준비한다.

프리폴리머와 경화제를 고속 전단 하에 혼합한 다음, 원기둥형 몰드로 주조하여 두께 12cm의 주조 블록을 형성하고, 이를 70℃에서 15분 동안 겔화시킨 후 30분 이내레 주조체를 100℃까지 승온시키고 16시간 동안 경화시킨다. 경화가 완료된 후 오븐에서 자동으로 상온까지 강온시킨 후, 경화된 주조 블록을 아래에서 위로 순차적으로 2mm 두께의 박편으로 총 60개로 절단한다.

각 원료 및 용량은 표 7과 표 8에 요악하였으며, 여기에서 모든 물질의 양은 중량부이다. 본 비교예에서 제조한 폴리우레탄 연마층의 경도, 밀도 및 압축률을 측정한 결과는 표 9를 참조한다.

실시예 21 내지 35 및 비교예 3 내지 4의 폴리우레탄 연마층 성분

실시예	이소시아네이트 말단화 프리폴리머		경화제 시스템
	Adiprene®	미반응 -NCO （wt%）	2차 아민 말단화 폴리에테르 Jeffamine®	방향족 이작용성
21	L325	9.1	SD2001	MOCA
22	L325	9.1	SD2001	MOCA
23	L325	9.1	SD2001	MOCA
24	L325	9.1	SD401와 SD2001	MOCA
25	L325	9.1	SD401	MOCA
26	LF750D	8.9	SD401	MOCA
27	LF750D	8.9	HK511	MOCA
28	LF750D	8.9	SD2001	MOCA
29	LF750D	8.9	SD2001와 SD401	MOCA
30	LF750D	8.9	SD2001	MCDEA
31	LF750D L325	9.0	SD401	MCDEA
32	LF750D L325	9.0	SD2001	MCDEA
33	LF750DL325	9.0	SD231	MOCA
34	L325	9.1	ST404	MOCA
35	L325	9.1	화합물A*	MOCA
비교예3	L325	9.1	-	MOCA
비교예4	L325	9.1	-	MOCA

*: 화합물 A의 분자구조:

실시예 21 내지 35 및 비교예 3 내지 4의 폴리우레탄 연마층 각 성분 용량(단위: 중량부)

실시예	프리폴리머	경화제		미소구Expancel
실시예	프리폴리머	2차 아민 말단화 폴리에테르	방향족 이작용성	20μm	40μm
21	100	10	23.5		0.86
22	100	25	21.5		1.03
23	100	40	19.5		1.20
24	100	10*	23.5		1.74
25	100	20	21.5		2.73
26	100	30	19.5		6.02
27	100	7	26.0		0.80
28	100	24	23.8		0.89
29	100	70**	17.5		1.13
30	100	7	26.0	1.48
31	100	23	23.8	1.65
32	100	70	17.5	2.10
33	100	40	23.5	1.12
34	100	10	23.5		0.86
35	100	10	23.5		0.86
비교예3	-	-	-	-	-
비교예4	100	-	23.5		0.86

*: 여기에서 SD401과 SD2001의 용량비는 1:1이다.

**: 여기에서 SD401과 SD2001의 용량비는 2:1이다.

실시예 21 내지 35 및 비교예 3 내지 4의 연마 패드 폴리우레탄 연마층의 물리화학적 특징은 표 9와 같다.

실시예 21 내지 35 및 비교예 3 내지 4의 폴리우레탄 연마층 물리화학적 특성

실시예	폴리에테르 연마층
실시예	밀도(g/cm³)	경도(D)	압축률(%)
21	1.004	68.4	0.42
22	0.989	61.2	0.66
23	0.994	54.7	0.72
24	0.902	68.1	0.82
25	0.779	55.2	1.51
26	0.600	46.6	4.73
27	1.023	70.3	0.41
28	1.015	58.4	0.73
29	0.992	45.8	4.52
30	1.002	57.5	2.79
31	0.983	68.4	1.46
32	1.011	46.3	3.83
33	1.100	69.8	0.55
34	1.005	68.9	0.41
35	1.002	67.6	0.40
비교예3	1.003	66.7	1.61
비교예4	1.042	67.5	0.63

표 7 내지 9를 분석하면 이하와 같은 결과를 얻을 수 있다.

2차 아민 말단화 폴리에테르 반응 활성이 방향족 1차 아민 경화제에 근접하기 때문에 방향족 1차 아민과의 비율을 편리하게 조절할 수 있으므로 비교적 큰 범위 내에서 연마 패드의 경도를 조절하여 상이한 연마 효과의 연마 패드를 획득할 수 있다. 표 8 중 실시예 21 내지 23과 34 내지 35에서 알 수 있듯이, 경화제 시스템 중 2차 아민 말단화 폴리에테르 질량비가 클수록 폴리에테르 연마층 경도는 작아지고 압축률은 커진다. 실시예 21과 비교예 3 내지 4의 비교에서 알 수 있듯이, MOCA를 첨가하면 연마층의 경도는 커지고 압축률은 작아지며 연마 패드의 물리화학적 성능이 강화되고 안정성과 지속성이 좋아진다. 그러나 2차 아민 말단화 폴리에테르와 MOCA 경화제 시스템을 첨가하면 가교성이 더욱 강해지고 물리화학적 성능이 더 향상되며 연마 성능도 함께 향상된다.

시험예 6: 연마층의 밀도 균일성 평가

실험 방법: 폴리우레탄 주조 블록 절편의 밀도 균일성을 시험하고, 실시예 21과 비교예 4 중 절단하여 수득한 연마층 박편을 수득하고, 각 60개를 아래에서 위로 5개마다 1개씩 1 내지 10의 일련번호를 매기고, 각각 쇼어 밀도를 시험하였으며 그 결과는 도 6에 요약하였다.

도 6에서 알 수 있듯이, 비교예 4의 각 연마층 박편으로 대표되는 폴리우레탄 주조 블록의 밀도 분포는 중간이 낮고 양단이 높은 "스마일 커브"를 나타낸다.

실시예 21에 있어서, 반응 활성이 유사한 2차 아민 말단화 폴리에테르와 방향족 이작용성의 이성분 경화 시스템을 사용하고 2차 아민 말단화 폴리에테르를 통한 경화제 사용 온도의 효과 저하로 인하여, 주조 과정 중의 열 생성이 감소하고 주조 블록 경화 후의 균일성이 비교적 잘 제어되며 주조 블록의 상이한 부위에서 취한 연마편이 현저하게 개선된 균일성을 나타낸다. 도 2 중 실시예 1의 실험 결과를 비교하면, 실시예 21에서 경화된 주조 블록 각 부위에서 획득한 연마층의 밀도가 보다 일치하다는 것을 알 수 있으며, 2차 아민 말단화 폴리에테르를 채택하면 전체 경화가 더욱 균일한 주조 블록을 획득한다는 것을 알 수 있다.

실험 방법 2: 폴리우레탄 주조 블록 중간부의 폴리우레탄 절편에서 중심으로부터 에지까지의 밀도 균일성을 시험한다. 실시예 1 및 비교예 2의 각각 60개의 연마층 발편 가장 중간 부위, 즉 29번째 박편을 취하여 각각 반경 방향을 따라 안(원심)에서 밖(에지)으로 순차적으로 직경이 4cm인 10개의 작은 원편을 취하여 1 내지 19의 일련번호를 매기고 그 쇼어 밀도를 시험하며 그 결과는 도 8에 요약하였다.

도 7에서 도시하는 폴리우레탄 주조 블록 중간부에서 취한 연마편의 방사상 밀도 분포에 있어서, 비교예 4 중의 연마편 밀도는 원심에 가까울수록 밀도가 낮아지고 에지에 가까울수록 밀도가 높아지는 현상이 나타나며, 실시예 21 중의 밀도 균일성이 비교예 4보다 현저하게 우수하였다. 마찬가지로, 이러한 밀도 균일성이 개선된 것 역시 본 발명의 비교적 바람직한 이성분 경화제 시스템 때문이다.

여기에서 알 수 있듯이, 본 발명의 2차 아민 말단화 폴리에테르와 방향족 이작용성 화합물의 경화 시스템을 채택하면 연마층 제조 중의 품질 제어성을 효과적으로 향상시킬 수 있으며, 품질이 더욱 균일한 연마층을 획득할 수 있음은 물론, 각 연마층이 중심에서 에지까지의 밀도가 균일성하도록 만들 수 있으므로, 연마 패드의 품질 균일성을 효과적으로 향상시키기 때문에, 반도체 제품의 결함율을 낮추어 바노체의 평탄화 품질을 전체적으로 개선할 수 있다.

시험예 7: 연마 패드의 연마 성능 평가

상기 실시예 21 내지 23의 동일한 부위의 연마층과 비교예 3의 종래의 연마층을 취하여 연마 패드를 제조한다.

상기에서 제조한 실시예 21 내지 23 및 비교예 3의 연마 패드에 대하여, 상기 시험을 통하여 그 연마 성능을 평가하며 시험 조건은 이하와 같다.

시험대는 AMAT Refelxion (Modify 5 Zone)이다.

연마액은 ANJI 3060(1:9 희석, H2O2%=1%)이고, 유속은 250mL/min이다.

연마 패드 제거 속도 평가

AMAT Refelxion 시험기 상에서 실시예 21 내지 23 및 비교예 3의 연마층으로 제조한 연마 패드를 이용하여 웨이퍼를 연마하고, 연마 중 그 수명 주기 내의 제거 속도와 결함률을 기록한 결과는 표 10과 도 7 내지 8에 요약하였다.

×-없음, ○ -2개 미만, ○○○ -6개 초과

도 7은 2.5psi의 압력 하에서 시험한 실시예 21 내지 23의 연마 패그 및 비교예 3의 종래의 연마 패드의 웨이퍼의 상이한 위치 지점의 제거 속도의 곡선도이다.

도 8은 실시예 21 내지 23의 연마 패드 및 비교예 3의 종래 연마 패드의 상기 기재를 연마한 후 물질 상의 결함(defect)의 주사전자현미경 사진이다.

표 10 및 도 7 내지 8을 참조하면, 실시예 21 및 실시예 22는 비교예 3의 연마 패드보다 연마 속도가 더 높고, 연마 패드 실시예 23은 제거 속도가 비교적 낮은 것으로 나타났는데, 이는 경도가 비교적 낮기 때문일 수 있다. 여기에서 알 수 있듯이, 경도가 비교적 높은 연마층이 필요한 경우 경화제 시스템 중 2차 아민 말단화 폴리에테르의 중량부가 너무 높으면 안 된다.

또한, 실시예 21 내지 23 및 34 내지 35의 연마 패드는 모두 비교예 3의 종래의 연마 패드와 유사한 속도 균일성을 나타냈다. 웨이퍼의 원심에서 에지까지 모두 비교적 큰 속도 파동이 나타나지 않았고 NU값이 모두 5% 미만이었는데, 이는 본 발명의 연마층 제조에 채택하는 경화제 시스템이 연마 패드의 제거 속도와 결함률의 균형을 효과적으로 구현하는 동시에 만족스러운 제거 속도와 결함률을 획득할 수 있음을 설명한다. 예를 들어, 실시예 21 내지 22 및 34 내지 35의 제거 속도는 현저하게 증가하나 결함 속도는 현저하게 증가하지 않았으며 제거 속도와 결함률 사이의 양호한 균형을 획득하였다. 실시예 23의 제거 속도가 비록 감소하였으나(비교예 1에 비해 약 2.9% 감소), 결함의 수량은 현저하게 개선되었다(비교예 1에 비해 359에서 305로 약 15% 감소).

또한, 실시예 35 경화제로 삼작용성 과불화 2차 아민을 채택할 때 연마 패드는 완벽에 가까운 외관을 구비하며 스트리에이션이 존재하지 않지만, 비교예 3은 스트리에이션 문제가 심각한데 이는 기재 연마 후 물질 표면의 결함(defect)률을 높게 만드는 중요한 원인인 동시에 NU 값을 높게 만들 수 있다. 실시예 21 내지 23 및 34에서 2차 아민 성분 경화제를 사용하면 연마 패드의 스트리에이션 문제가 어느 정도 개선되었다.

비교예 5 내지 10 종료점 검출 윈도우의 경도이 결함 수량이 미치는 영향

실시예 22의 연마층의 배합 방식을 채택하고, 상이한 폴리우레탄 물질을 채택하며, 종료점 검출 윈도우의 경도를 제어하여 종료점 검출 윈도우를 가진 실시예 22 및 비교예 5 내지 10의 연마층을 제조하였으며, 나아가 상기 시험예 7에 따라 연마 패드를 제조하였고 그 결함 수량을 검출하였다. 실시예 22와 비교예 5 내지 10의 연마층 경도, 종료점 검출 윈도우 경도, 연마층과 종료점 검출 윈도우의 경도차 및 결함 수량은 표 11을 참조한다.

상기 표에서 알 수 있듯이, 종료점 검출 윈도우 경도가 연마층 경도보다 낮고 차이값이 5보다 큰 경우(비교예 5 내지 7), 윈도우 형태에 요함이 나타나며 이는 연마의 지속성에 유익하지 않다. 종료점 검출 윈도우의 경도가 연마층의 경도보다 높고 차이값이 5보다 큰 경우(비교예 8 내지 10), 결함 수량은 큰 경도차에 따라 현저하게 증가하는 경향을 나타낸다. 따라서 종료점 검출 윈도우 경도와 연마층의 경도의 차이값은 ±5 내에서 제어되어야 한다.

구체적인 실시예를 이용하여 본 발명을 설명하였으나 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 많은 기타 변경 및 수정이 이루어질 수 있음을 이해해야 한다. 이는 본 발명의 범위 내에 있는 모든 상기 변경 및 수정은 첨부된 특허청구범위에 포함된다는 것을 의미한다.

1: 연마할 물질
2: 연마 패드
3: 연마대
4: 지지체
5: 연마액

Claims

화학적 기계적 연마 패드 제조를 위한 폴리우레탄 연마층에 있어서,
상기 폴리우레탄 연마층은 다성분 원료 조합에 의해 반응 생성된 반응 생성물을 함유하고, 상기 원료 조합은 이소시아네이트 말단화 프리폴리머, 중공 미소구 폴리머 및 경화제 조성물을 포함하고,
상기 경화제 조성물의 총 중량을 기준으로, 상기 경화제 조성물은,
수평균 분자량이 1000 내지 5000인 5 내지 55wt%의 지방족 디아민 경화제;
분자 구조에 적어도 3개의 1차 아민기가 포함되거나 적어도 3개의 2차 아민기가 포함되고, 수평균 분자량이 250 내지 6000인 0 내지 8wt%의 폴리아민 경화제; 및
40 내지 90wt%의 방향족 이작용성 경화제를 포함하고,
여기에서, 상기 폴리우레탄 연마층의 밀도는 0.6 내지 1.1g/cm³이고, 쇼어 경도는 45 내지 70이고, 파단신율은 50 내지 450%이고,
여기에서, 상기 폴리우레탄 연마층의 열팽창 계수는 100 내지 200ppm/℃인 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 연마층.
제1항에 있어서,
상기 이소시아네이트 말단화 프리폴리머는 8.5 내지 9.5wt%의 미반응 -NCO기를 함유하는 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 연마층.
제1항에 있어서,
상기 이소시아네이트 말단화 프리폴리머 중의 미반응 -NCO기와 상기 경화제 조성물 중의 활성 수소기의 화학양론비는 1.05 내지 1.20인 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 연마층.
제1항에 있어서,
상기 폴리아민 경화제는 지방족 폴리아민, 방향족 폴리아민 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되며, 여기에서 상기 지방족 폴리아민의 수평균 분자량은 2000 내지 6000이고, 상기 지방족 폴리아민의 수평균 분자량은 250 내지 2000인 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 연마층.
제1항에 있어서,
상기 폴리우레탄 연마층은 pH 2 내지 5의 조건 하에서 80시간 가수분해를 진행한 경우의 가수분해 안정성이 1.5% 미만이고, pH 9 내지 12의 조건 하에서 80시간 가수분해를 진행한 경우의 가수분해 안정성이 1.5% 미만인 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 연마층.
제1항에 있어서,
상기 원료 조합은 이소시아네이트 말단화 카바메이트 프리폴리머, 중공 미소구 폴리머 및 경화제 조성물을 포함하고, 여기에서
상기 경화제 조성물의 총 중량을 기준으로, 상기 경화제 조성물은
5 내지 55wt%의 폴리에테르 디아민 경화제;
0.1 내지 8wt%의 폴리아민 경화제; 및
40 내지 90wt%의 방향족 이작용성 경화제를 포함하고,
여기에서 상기 폴리우레탄 연마층의 파단신율은 50 내지 200%이고,
여기에서 폴리우레탄 연마층의 열팽창 계수는 100 내지 140ppm/℃인 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 연마층.
제6항에 있어서,
상기 폴리우레탄 연마층은 pH 2 내지 5의 조건 하에서 80시간 가수분해를 진행한 경우의 가수분해 안정성이 0.65% 미만이고, pH 9 내지 12의 조건 하에서 80시간 가수분해를 진행한 경우의 가수분해 안정성이 0.80% 미만인 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 연마층.
제1항에 있어서,
상기 폴리우레탄 연마층은 하나 이상의 종료점 검출 영역 및 연마액을 수용하기 위한 그루브 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 연마층.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 폴리우레탄 연마층의 제조 방법에 있어서,
액체 상태의 이소시아네이트 말단화 프리폴리머와 중공 미소구 폴리머를 혼합하고 진공 탈가스 후 제1 생성물을 수득하는 단계;
상기 제1 생성물을 50℃에서 경화제 조성물과 고속 전단 하에서 혼합하여 제2 생성물을 수득하는 단계; 및
상기 제1 생성물 및 상기 경화제 조성물의 초기 반응 온도가 ≤70℃이고 피크 반응 온도가 ≤80℃ 되도록 상기 제2 생성물의 온도를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 연마층의 제조 방법.
화학적 기계적 연마 패드에 있어서,
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 폴리우레탄 연마층을 갖는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 패드.
폴리우레탄 연마층을 포함하는 화학적 기계적 연마 패드에 있어서,
상기 폴리우레탄 연마층은 원료 조합의 반응 생성물이고, 상기 원료 조합은 이소시아네이트 말단화 프리폴리머, 중공 미소구 폴리머 및 경화제 조성물을 포함하고, 여기에서
상기 경화제 조성물은 2차 아민 말단화 폴리에테르 경화제와 방향족 이작용성 경화제를 포함하고, 상기 2차 아민 말단화 폴리에테르 경화제와 상기 방향족 이작용성 경화제의 질량비는 1:4 내지 4:1이고; 및
상기 이소시아네이트 말단화 프리폴리머는 5.5 내지 9.5wt% 미반응 NCO기를 함유하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 패드.
제11항에 있어서,
상기 2차 아민 말단화 폴리에테르 경화제의 수평균 분자량이 250 내지 6000인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 패드.
제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 2차 아민 말단화 폴리에테르 경화제는 하기 일반식 I과 일반식 II로 표시되는 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하고,

일반식 I

일반식 II
여기에서, 일반식 I 중 R₁은 C1-C8 알킬기 또는 불소 함유 알킬기이고, R₂, R₃, R₄ 및 R₅는 각각 독립적으로 H 또는 C1-C8 알킬기 또는 불소 함유 알킬기이고, x 및 y는 각각 0 또는 양의 정수이고, x + y≤12를 전제로 하고,
일반식 II 중 R₁은 C1-C8 알킬기 또는 불소 함유 알킬기이고, R₂, R₃, R₄ 및 R₅는 각각 독립적으로 H 또는 C1-C8 알킬기 또는 불소 함유 알킬기이고, a=b=c=1이고, x, y, m, n, o, p는 각각 0 또는 양의 정수이고, x+y+m+n+o+p≤12를 전제로 하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 패드.
제11항에 있어서,
상기 폴리우레탄 연마층의 밀도는 0.6 내지 1.1g/cm³이고, 쇼어 경도는 45 내지 75인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 패드.
제11항에 있어서,
상기 연마 패드는 종료점 검출 윈도우를 더 구비하고, 상기 종료점 검출 윈도우의 쇼어 경도와 상기 폴리우레탄 연마층의 쇼어 경도 차이의 절대값이 ≤5인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 패드.
반도체 기재, 광학 기재 및 자기 기재 중 하나 이상의 기재를 평탄화하는 방법에 있어서,
표면이 있는 반도체 기재, 광학 기재 및 자기 기재 중 하나 이상의 기재를 제공하는 단계;
제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 화학적 기계적 연마 패드를 제공하는 단계; 및
상기 화학적 기계적 연마 패드를 이용하여 상기 기재 표면에 대해 동적 연마 처리를 수행하는 단계를 포함하는 평탄화 방법.