[논문]삼차원 집적화를 위한 초박막 실리콘 웨이퍼 연삭 공정이 웨이퍼 표면에 미치는 영향

최미경; 김은경

삼차원 집적화를 위한 초박막 실리콘 웨이퍼 연삭 공정이 웨이퍼 표면에 미치는 영향
Effect of Si Wafer Ultra-thinning on the Silicon Surface for 3D Integration 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.15 no.2, 2008년, pp.63 - 67

최미경 (서울테크노파크) , 김은경 (서울산업대학교 NID융합기술대학원)

초록
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전자산업의 소형화와 경량화 추세에 맞추어 최근 집적 칩(IC)이나 패키지를 적층시키는 삼차원 집적화(3D integration) 기술 개발은 차세대 핵심기술로 중요시되고 있다. 본 연구에서는 삼차원 집적화 공정 기술 중 하나인 초박막 실리콘 웨이퍼 연삭(grinding)공정이 웨이퍼 표면에 미치는 영향에 대해서 조사하였다. 실리콘 웨이퍼를 약 $30{\mu}m$과 $50{\mu}m$ 두께까지 연삭한 후, 미세연삭(fine grinding) 단계까지 처리된 시편을 건식 연마(dry polishing) 또는 습식 애칭(wet etching)으로 표면 처리된 시편들과 비교 분석하였다. 박막 웨이퍼 두께는 전계방시형 주사전자현미경과 적외선 분광기로 측정하였고, 표면 특성 분석을 위해선 표면주도(roughness), 표면손상(damage), 경도를 원자현미경, 투과정자현미경 그리고 나노인덴터(nano-indentor)를 이용하여 측정하였다. 표면 처리된 시편의 특성이 표면 처리되지 않은 시편보다 표면주도와 표면손상 등에서 현저히 우수함을 확인 할 수 있었으나, 경도의 경우 표면 처리의 유무에 관계없이 기존의 벌크(bulk)실리콘 웨이퍼와 오차범위 내에서 동일한 것으로 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

3D integration technology has been a major focus of the next generation of IC industries. In this study Si wafer ultra-thinning has been investigated especially for the effect of ultra-thinning on the silicon surface. Wafers were grinded down to $30{\mu}m\;or\;50{\mu}m$ thickness and then grinded only samples were compared with surface treated samples in terms of surface roughness, surface damages, and hardness. Dry polishing or wet etching treatment has been applied as a surface treatment. Surface treated samples definitely showed much less surface damages and better roughness. However, ultra-thinned Si samples have the almost same hardness as a bulk Si wafer.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 서 울 Technopark의 차세 대 패 키 징 공정 장비 실용화사업으로 일환으로 산업자원부 지원을 받아 수행 되 었으며 이에 감사드립니 다.
본 연구에서는 삼차원 집적화 기술 중 하나인 초박막 실리콘 웨이퍼 연삭 공정이 웨이퍼 표면에 미치는 영향에 대해서 조사하였다. 실리콘 웨이퍼를 약 30pm까지 연삭한 후, 표면 처리된 시편들과 표면주도, 표면손상 그리고 경도 측정을 통하여 비교 분석하였다.

제안 방법

각각의 표면 처리에 따라 각 시편들의 표면상에 나타나는 연삭에 의한 공정 손상은 TEM으로 관찰하였다. 연삭 후 초박막 상태가 된 실리콘 웨이퍼의 TEM 시편 준비는 그림 5와 같이 하였다.
실리 콘 웨 이 퍼 를 Disco 8760 연삭 장비 (DGP8760 DISCO Fully Automatic Grinder/Polisher)# 이 용하여 거친 연삭 단계와 미세 연삭 단계를 거쳐 각각 30 μ111과 50 μm의 두 가지 두께로 연삭하였다. 표 1은 본 실험에서 준비된 시편들의 조건을 설명하고 있고, 공정 방법은 표 2에 설명하였다.
실리콘 웨이퍼를 약 30pm 두께까지 연삭하였고, 기존의 연삭 공정만 된 시편을 연삭 후 표면 처리된 시편과 비교 분석하였다. 표면처리로는 건식 연마 공정과 습식 애칭 공정이 사용되었고, 표면 특성분석을 위해서 표면주도, 표면 손상 그리고 경도를 측정하였다.
영향에 대해서 조사하였다. 실리콘 웨이퍼를 약 30pm까지 연삭한 후, 표면 처리된 시편들과 표면주도, 표면손상 그리고 경도 측정을 통하여 비교 분석하였다.
연삭 후 박막 상태의 실리콘 두께 측정은 전계 방사형 주사전자현미경(field emission scanning electron microscopy, 이하 FESEM)과 적외선 분광기 (fourier transform infrared spectroscopy, 이 층} FTIR) 를 사용하여 측정하였으며, 시편들의 표면 상태를 살펴보기 위해서는 표면주도, 표면손상, 그리고 경도를 원자현미경 (atomic force microscope, 이하 AFM), 투과정 자현미 경 (transmission electron microscopy, 이하 TEM)과 나노인덴터 (nanoiDdentor)를이용하여 측정 분석하였다. 표면주도의 경우 각 시편마다 열 포인트씩 측정하였다.
정확한 초박막 실리콘 웨이퍼 두께 측정을 위해서 연삭된 실리콘 웨이퍼를 레이저 다이싱(laser dicing)으로 자른 후 실리콘 웨이퍼 조각에 붙여 고정 시킨 다음FESEM측정을진행하였다. 실리콘웨이 퍼는 30 pm과 50 呻 두께 로 연삭되 었고, FESEM 측정 결과 각각의 두께는 약 32 世11과 50|im이었다.
표면처리로는 건식 연마 공정과 습식 애칭 공정이 사용되었고, 표면 특성분석을 위해서 표면주도, 표면 손상 그리고 경도를 측정하였다. 시편들 중 건식 연마로 표면 처리된 시편이 표면주도와 표면 손상에서 가장 우수함을 확인할 수 있었으며, 경도의 경우 표면 처리의 유무에 관계없이 기존의 벌크(bulk) 실리콘 웨이퍼와 오차범위 내에서 동일한 것으로 보였다.

성능/효과

한편 건식 연마를 거친 시편은 표면에 미세 틈이나 결정 전위가 관찰 되지 않았으며 표면 손상 영향을 찾아 볼 수 없었고 표면 거칠기도 일정한 것으로 보였다.5) 습식 애칭한 시편은 결정 전위는 애칭되지 않고 표면만 약간 식각된 것으로 보이고, 이는 위에서 언급한 바와 같이 습식 애칭 시간을 늘리면 향상되리라 사료된다. 마지막으로 연삭 공정 손상에 의한 기계적 성질을 관찰하고자 나노인덴터를 이용하여 경도와 탄성계수를 측정하였고, 표면처리의 유무에 관계없이 시편들의 경도와 탄성 계수는 기존의 벌크(bulk) 실리콘 웨이퍼와 오차범위 내에서 동일한 것으로 보였다.
5) 습식 애칭한 시편은 결정 전위는 애칭되지 않고 표면만 약간 식각된 것으로 보이고, 이는 위에서 언급한 바와 같이 습식 애칭 시간을 늘리면 향상되리라 사료된다. 마지막으로 연삭 공정 손상에 의한 기계적 성질을 관찰하고자 나노인덴터를 이용하여 경도와 탄성계수를 측정하였고, 표면처리의 유무에 관계없이 시편들의 경도와 탄성 계수는 기존의 벌크(bulk) 실리콘 웨이퍼와 오차범위 내에서 동일한 것으로 보였다.
연삭 공정만 된 시편을 보면 표면주도 값이 측정 포인트에 따라서 3 nm 에서 13nni까지 변화를 보였고, 습식 애칭된 시편도 비슷한 범위내의 값을 보였다. 반면 건식 연마된 시편은 표면주도 값이 Inm 이하로 현저히 적고, 열 개 데이터 포인트의 표준편차도 0.07 nm로균일하게 나타났다. 또한, 그림 4의 지형도 이미지 (topographic image)에서도 건식 연마된 시편의 표면 주도 값이 적고 표면이 보다 균일함을 볼 수가 있다.
그림 1은 FESEM 측정 결과를 보여주고, 그림 2는 30呻 두께의 실리콘 웨이퍼를 보여주고 있다. 비파괴 측정을 위해서 30pm 시편을 FTIR 측정을 시도하였고, FESEM 측정 결과 값과 일치하였다. 최근 IMEC에서는 근적외선(near-infixed) 광원(light source)을 이용한 특수 결맞음성 간섭측겅 (spectral coherence interferometry, 이하 SCI)으로캐리어에 붙은 초박막 실리콘 웨이퍼의 두께 측정을 연구 발표하였다.
표면처리로는 건식 연마 공정과 습식 애칭 공정이 사용되었고, 표면 특성분석을 위해서 표면주도, 표면 손상 그리고 경도를 측정하였다. 시편들 중 건식 연마로 표면 처리된 시편이 표면주도와 표면 손상에서 가장 우수함을 확인할 수 있었으며, 경도의 경우 표면 처리의 유무에 관계없이 기존의 벌크(bulk) 실리콘 웨이퍼와 오차범위 내에서 동일한 것으로 보였다. 전자소자들의 소형화와 경 량화 추세 에 따라서 삼차원 집적화 기술은 계속 발전할 것이고, 30|im 이하의 초박막 실리콘 웨이퍼 연삭 공정이 요구될 것이다.

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