[논문]구리 Through Via 전해연마에 미치는 첨가제의 영향 연구

이석이; 이재호

구리 Through Via 전해연마에 미치는 첨가제의 영향 연구
The Effects of Additives on the Electropolishing of Copper Through Via 원문보기

Through via 3D SiP의 평탄화 공정에 적용하기 위해 전기도금법을 이용하여 직경 $50{\mu}m$와 $20{\mu}m$ via를 구리로 채운 후 전해연마를 실시하여 전해액 종류와 첨가제에 따른 특성을 분석하였다. 전해연마시 양극과 음극의 전위차 변화를 측정하여 평탄화 공정의 종료 시점을 판단하였다. 인산에 가속제인 acetic acid와 억제제인 glycerol을 첨가한 전해액으로 전해연마를 실시하여 via 형상 안팎의 단차를 제거하면서 평탄화를 이를 수 있었고, 양극과 음극의 전위차가 급격히 증가하는 시점에서 공정을 종료하여 via 위에 과도금된 구리만을 제거할 수 있었다.

The effects of electrolytes and additives on the electropolishing of 50 and $20{\mu}m$ diameter copper via were investigated to flatten 3D SiP through via. The termination time was determined with analysis of applied potential on anode and cathode to avoid excess electropolishing. Acetic acid played a role of accelerator and glycerol played a role of inhibitor in phosphoric acid electrolytes. The overplated copper on the through via was effectively electropolished in the phosphoric electrolytes with acetic acid and glycerol addition. The electropolishing was terminated at the point of abrupt change of applied potential to remove only overplated copper on the through via.

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문제 정의

1에 나타내었다. 본 연구에서는 전기도금법으로 Cu via filling 한시 편을 이용하여 전해액의 종류와 첨가제를 변화 시켜 전해연마를 실시하였고 그 특성을 분석하였다. 또한 첨가제가 전해연마에 미치는 영향을 알아보기 위해 전기화학적인 특성을 함께 분석하였으며 결과적으로 전해연마 방법을 사용하여 via 의전 기도 금시 생기는 단차에 관계없이 via 위에 overplated된 구리층을 제거할 수 있었다.

제안 방법

,anostatic 분석을 실시한 결과 동일한 전류를 인가했을때 acetic acid는 양극 표면의 전위를 낮추는 가속 제로 작용하고 반대로 이ycerole 양극 표면의 전위를높혀 억제제로 작용한다. Cu via filling된 시편의 전해연마 시 음극과 양극 사이에 전위차를 측정하여 공정의 종료점을 판단하였다. 전기도금된 구리층이 모두 제거되어 전위차의 급격한 상승이 일어나는 시점에서 공정을 종료한 결과 원하는 높이까지 전해연마가 이루어진다.
Via 안팎에 발생하는 단차를 줄이기 위해 첨가제를 첨가하고 구리 표면에서 발생하는 산소를 전해액으로 빨리 빠져나가도록 하기 위해 H3PO4의농도를 50%로 줄여 전해액의 점도를 낮추었다. Fig.
전류밀도는 lOOmA/cm? 로전해 액의 교반속도는 500 rpm으로 고정 하였고 공정 진행중 음극과 양극간 시간에 따른 전위차를 측정하였다. 공정 후 시편의 종단면과 횡단면을 경 면 가공하여 광학현미경과 FESEM으로 관찰하였다. 첨가제에 따른 전위 변화를 측정하기 위해 50% H₃PO₄에 첨 가제를 변화시 켜가며 potentiostat 장비를 사용하여 전위를 측정하였다.
Via의 중앙이 다른 부분에 비해 도금 두께가 낮은 이유는 via 이외의 부분은 via Hlling시 계속 도금이 되나 via 부분은 superfilling의 형태로 아래에서 부터 채워져 올라오기 때문이다. 이 시편을 이용하여 전해액의 종류와 첨가제를 변화시켜 전해연마를 실시하였다. 직경 50μm via 시편의 전해연마 후 단면 SEM 사진을 Fig.
공정 후 시편의 종단면과 횡단면을 경 면 가공하여 광학현미경과 FESEM으로 관찰하였다. 첨가제에 따른 전위 변화를 측정하기 위해 50% H₃PO₄에 첨 가제를 변화시 켜가며 potentiostat 장비를 사용하여 전위를 측정하였다.
표면의 구리가 제거됨에 따라 색상 변화를 일으키나 산소의 발생 등으로 인해 시각적 인종료시점의 판단은 과잉 연마되는 현상을 유발할 수 있으므로, 음극과 양극의 전위차를 측정 하여 종료점을 예측하였다. 표면의 구리가 모두 전해 연마됨 에 따라 표면에 전도도가 낮은 Ta(Ta205)만 남게 되어 저항이 증가하므로 양단간의 전위차가 급격히 증가하게 된다.
확산 방지 층으로 Ta층(200 nm)과 씨 앗 층으로 Cu(700 nm)를 IMP(Ionized metal plasma) 의 방법 을이 용하여 증착시킨 깊이 170~190^1m, 직경 50gm 의 약 35:1의 종횡비를 가지는 via와 깊이 100 |im, 직경 20μ이의 약 5:1의 종횡비를 가지는 via를 각각 전기도금법을 이용하여 결함없이 Cu via filling 한 시편을 이용하여 전해연마를 실시하였다. 전해액으로는 5% HN03, 85%와 50% H₃PO₄를 사용하였고 첨가제로는 가속제인 acetic acid와 억제제인 glycerol을 사용하였다.

대상 데이터

전해액으로는 5% HN03, 85%와 50% H₃PO₄를 사용하였고 첨가제로는 가속제인 acetic acid와 억제제인 glycerol을 사용하였다. 전류밀도는 lOOmA/cm? 로전해 액의 교반속도는 500 rpm으로 고정 하였고 공정 진행중 음극과 양극간 시간에 따른 전위차를 측정하였다.
3에 나타내었다. 통상적으로 구리 에칭에 쓰이는 질산 용액을 이용하여 전해연마를 실시하였다. Fig.

성능/효과

두 가지 첨가제들의 복합작용을 통해 via 패턴의 평탄화가 이루어진다. 따라서 가속제인 acetic acid와 억제제인 glycerol을 모두 첨가하고 전해연마를 실시함으로써 연마속도의 감소를 이루지 않고 표면의 단차는 효과적으로 줄이며 평탄화를 이룰 것으로 보인다. Fig.
50 μm via 시편의 경우 약 280초에서, 20μm via 시편의 경우 약 240초에서 음극과 양극간 전위차의 급격한 증가가 일어난다. 따라서 전위의 급격한 증가가 일어나는 시점을 전해도금된 구리층의 전해연마가 완료된 시점이라 판단하고 실험을 진행하였고 20|im via 시편의 단면 SEM사진을 통해 이에 부합하는 결과를 얻을 수 있었다. 전위의 급격한 증가가 일어나는 시점에서 전해연마를 종료하면 Fig.
가속제와 억제제의 복합작용으로 via 형상 안쪽과 바깥쪽의 연마 속도 조절을 통해 단차 없이 평탄한 표면을 얻을 수 있다. 또한 광학현미경으로 구리 표면을 관찰한 결과 산소 발생 에 의한 etch pit이 현저 히 줄어 들었음을 확인할 수 있었다. Fig.
본 연구에서는 전기도금법으로 Cu via filling 한시 편을 이용하여 전해액의 종류와 첨가제를 변화 시켜 전해연마를 실시하였고 그 특성을 분석하였다. 또한 첨가제가 전해연마에 미치는 영향을 알아보기 위해 전기화학적인 특성을 함께 분석하였으며 결과적으로 전해연마 방법을 사용하여 via 의전 기도 금시 생기는 단차에 관계없이 via 위에 overplated된 구리층을 제거할 수 있었다.
7의 그래프를 보면 via의 직경에 상관없이 전위차의 급격한 상승이 두번 관찰된다. 첫 번째 상승점은 산소 발생에 의한 결과이며 두 번째 상승 점은 구리층이 모두 산화되어 제거되고 그 밑에 있는 Ta층이 시편 표면에 노출되면서 전극의 저 항 증가로 전위가 상승된 결과이다. 50 μm via 시편의 경우 약 280초에서, 20μm via 시편의 경우 약 240초에서 음극과 양극간 전위차의 급격한 증가가 일어난다.

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