[논문]사파이어 웨이퍼 CMP 공정 신뢰성 향상을 위한 혼합 나노실리카 콜로이달 슬러리

정찬홍

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A colloidal silica slurry has been manufactured by mixing nano silica powders having different grain size to improve the reliability of Sapphire wafer CMP process. The main reliability problem of CMP process such as the breaking of wafer can be prevented by reducing the size of particles in a slurry...

A colloidal silica slurry has been manufactured by mixing nano silica powders having different grain size to improve the reliability of Sapphire wafer CMP process. The main reliability problem of CMP process such as the breaking of wafer can be prevented by reducing the size of particles in a slurry. While existing commercial colloidal silica slurries are usually made of single grain size silica powder of about 120nm, in the present study 40nm and 100nm silica powders are mixed to achieve a similar removal rate. The new colloidal silica slurry showed wafer removal rate of $3.04{\mu}m/120min$ while that of a commercial colloidal silica slurry was $3.03{\mu}m/120min$. The roughness was less than $4{\AA}$ and scratch was 0. It is also expected that the reduction of the size of nano silica particles can improve the dispersion stability and prolong the useful life of the slurry.

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문제 정의

본 연구의 목적은 단일입도(120nm)의 나노실리카입자를 사용하는 수입 슬러리와 달리 40nm와 100nm의 나노실리카입자를 혼합한 슬러리를 개발하는 것이다. 또한 슬러리의 연마력은 유지하면서 입도를 줄이고 고체함량을 낮추어 CMP 공정의 신뢰성을 향상시키고, 분산안정성이 높아져서 유효수명이 증대되며, 슬러리 농도를 줄여서 사용할 수 있어 운반 및 저장비를 절약할 수 있는 고품질의 콜로이달 실리카 슬러리를 개발하고자한다.
본 연구의 목적은 단일입도(120nm)의 나노실리카입자를 사용하는 수입 슬러리와 달리 40nm와 100nm의 나노실리카입자를 혼합한 슬러리를 개발하는 것이다. 또한 슬러리의 연마력은 유지하면서 입도를 줄이고 고체함량을 낮추어 CMP 공정의 신뢰성을 향상시키고, 분산안정성이 높아져서 유효수명이 증대되며, 슬러리 농도를 줄여서 사용할 수 있어 운반 및 저장비를 절약할 수 있는 고품질의 콜로이달 실리카 슬러리를 개발하고자한다.
그리고 겨울철에는 동결되기 쉬워 미리 재고를 많이 가지고 가야되는 불편함도 있다. 본 연구에서는 이러한 여러 문제점을 가지고 있는 기존의 사파이어웨이퍼 CMP용 슬러리의 입자 크기를 줄이고 화학적 연마 비중을 높임으로서 공정의 신뢰성을 향상시키고자 한다. 화학적 연마 효율을 증대시키고 슬러리의 분산안정성을 높이기 위해서는 첨가제가 필요하다.
화학적 연마 효율을 증대시키고 슬러리의 분산안정성을 높이기 위해서는 첨가제가 필요하다. 본 연구에서는 적절한 첨가제를 선택하고 함량을 최적화하여 연마공정의 신뢰성을 높이고 분산안정성을 향상시켜 유효수명이 연장된 새로운 슬러리를 개발하고자 한다.
본 연구에서는 CMP 공정의 신뢰성 확보에 중요한 인자인 웨이퍼 깨짐을 방지하기 위해서 기존 슬러리에 비하여 연마입자의 크기를 줄인 사파이어 웨이퍼 연마용 슬러리 제조기술을 개발하였다. 국내에서 유일하게 사파이어 웨이퍼 연마용 콜로이달 실리카의 핵심 소재인 나노실리카입자 제조기술을 보유하고 있으며 반도체 연마용 콜로이달 실리카 슬러리를 생산・판매하고 있는 A社와 공동연구를 수행하였다.

제안 방법

사파이어 웨이퍼용 연마슬러리 개발에서 각종 첨가제를 이용한 품질특성치 향상을 위하여 와 같이 21가지의 첨가제의 영향에 대하여 실험하였다.
<그림 9>는 A社에서 제조한 10nm ∼ 100nm 사이의 실리카 입자의 크기 변화에 따른 연마율 변화이다. 시험 시 첨가제는 첨가하지 않았으며, 모든 조건은 스탠다드 슬러리 테스트 조건과 동일하게 head speed 80rpm, table speed 50rpm, flow rate 110ml/min이며, 연마압력은 100g/cm²이다. 시험결과 40nm 실리카 입자의 연마력이 가장 우수하여 사각형으로 표시된 스탠다드 슬러리(120nm 실리카 입자 사용)와 비슷한 연마속도를 보였다.

대상 데이터

스탠다드 슬러리로는 현재 가장 널리 사용되고 있는 일본 후지미社의 COMPOL80슬러리를 선정하고 연마율, 조도, 안정성 등을 분석하여 개발될 슬러리의 비교대상으로 설정하였다. <표 1>은 기존 일본 후지미社의 사파이어 웨이퍼용 슬러리의 금속성분을 파악하기 위한 ICP 분석자료이다.
스탠다드 슬러리로는 현재 가장 널리 사용되고 있는 일본 후지미社의 COMPOL80슬러리를 선정하고 연마율, 조도, 안정성 등을 분석하여 개발될 슬러리의 비교대상으로 설정하였다. <표 1>은 기존 일본 후지미社의 사파이어 웨이퍼용 슬러리의 금속성분을 파악하기 위한 ICP 분석자료이다. <표 1>에서 볼 수 있듯이 기존 일본 후지미社의 사파이어 웨이퍼용 슬러리는 Na₂O를 베이스로 한 슬러리이며, 고체함량이 41%로 매우 높음을 알 수 있고, 사용된 콜로이달실리카의 입자크기는 120nm이다.
시제품 ACESOL SP1, SP2, SP3는 Na2O 베이스 수용액(수백 ∼ 수천 ppm)에 40nm와 100nm의 실리카 입자가 특정비율로 혼합된 수용액에 첨가제가 가미된 현탁액이다.
인자 실험의 결과로 도출된 최적의 조건에 따라 3가지의 최종 시제품 ACESOL SP1, SP2, SP3을 제작하였다. 시제품 ACESOL SP1, SP2, SP3는 Na₂O 베이스 수용액(수백 ∼ 수천 ppm)에 40nm와 100nm의 실리카 입자가 특정비율로 혼합된 수용액에 첨가제가 가미된 현탁액이다.
유량과 연마압력은 각각 15l/min과 300g/cm²으로 실제 상용 사파이어 웨이퍼 CMP 장비조건이 부하되었다. 비교를 위한 스탠다드 슬러리는 Rubicon社에서 현재 사용 중인 RST ULTRASOL-17 슬러리이다.

이론/모형

시제품 ACESOL SP1, SP2, SP3는 Na₂O 베이스 수용액(수백 ∼ 수천 ppm)에 40nm와 100nm의 실리카 입자가 특정비율로 혼합된 수용액에 첨가제가 가미된 현탁액이다. 제작된 시제품인 ACESOL SP1에 대한 경면(鏡面) 연마 테스트는 수요기업인 Rubicon社에 의하여 수행되었다.

성능/효과

시험 시 첨가제는 첨가하지 않았으며, 모든 조건은 스탠다드 슬러리 테스트 조건과 동일하게 head speed 80rpm, table speed 50rpm, flow rate 110ml/min이며, 연마압력은 100g/cm²이다. 시험결과 40nm 실리카 입자의 연마력이 가장 우수하여 사각형으로 표시된 스탠다드 슬러리(120nm 실리카 입자 사용)와 비슷한 연마속도를 보였다.
CMP 공정의 신뢰성 확보를 위한 웨이퍼 깨짐을 방지하기 위해서 슬러리 내 연마입자의 크기를 작게 해야 한다는 점이 수학적 해석과 실험을 통하여 확인되었다[4]. 연마력이 가장 우수한 40nm 실리카 입자를 기본 입자로 하여 다양한 크기의 실리카 입자를 혼합하여 연마속도 변화를 조사한 결과 대부분의 경우 연마속도가 스탠다드 슬러리 연마율에 미치지 못하였으나, 100nm 실리카 입자를 혼합 시 높은 연마속도 보였으며 스탠다드 슬러리의 연마속도와 비슷하였다. <그림 10>은 기본 입자인 40nm 실리카 입자와 100nm 실리카 입자 혼합 시 연마속도 변화이다.
<그림 10>에서 볼 수 있듯이 40nm 실리카 입자와 100nm 실리카 입자를 대략 1:1로 혼합하였을 때에 연마속도가 스탠다드 슬러리를 사용하였을 때의 연마속도와 비슷한 것을 알 수 있다. 따라서 40nm 실리카 입자와 100nm 실리카 입자 혼합하면 기존 제품에서 사용되는 120nm 입자를 사용하는 슬러리에 비하여 입자의 크기가 작아져서 CMP 공정의 신뢰성이 향상될 수 있다.
에서 볼 수 있듯이 고체입자 농도는 기존 슬러리의 36% ∼ 41%에서 30%로 6% ∼ 11% 감소하였으며, 후지미社 COMPOL80 슬러리의 입자 사이즈는 120nm인 반면 시제품에서는 40nm와 100nm의 혼합물이 사용되어, 120nm 입자를 사용하는 기존의 슬러리에 비하여 입자의 크기가 작아져서 CMP 공정의 신뢰성이 향상될 수 있다.
테스트 결과 연마속도는 RST ULTRASOL-17과 ACESOL SP1이 각각 3.03μm/120min과 3.04μm/120min으로 두 슬러리가 대등한 결과를 보였으며, 두 제품 모두 스크래치는 0이고 roughness는 4Å보다 작았다.
웨이퍼 깨짐을 방지할 수 있도록 40nm 실리카 입자와 100nm 실리카 입자를 혼합한 슬러리를 개발함으로써 기존 제품에서 사용되는 120nm 입자를 사용하는 슬러리에 비하여 입자의 크기가 작아져서 CMP 공정의 신뢰성이 향상될 수 있게 되었으며, 분산안정성 및 유효기간도 증대되었다.
개발된 사파이어웨이퍼 CMP용 슬러리 시제품은 수요기업인 Rubicon社와 일본 최대의 사파이어웨이퍼가공장비 제조업체인 BBS KINNMEI사의 테스트에서 기존 일본제품과 동등한 연마 성능을 갖고 있는 것으로 나타났으며, 연마율을 추가로 향상시킨 ACESOL SP3는 테스트 준비 중에 있다.

후속연구

<표 5>에서 볼 수 있듯이 고체입자 농도는 기존 슬러리의 36% ∼ 41%에서 30%로 6% ∼ 11% 감소하였으며, 후지미社 COMPOL80 슬러리의 입자 사이즈는 120nm인 반면 시제품에서는 40nm와 100nm의 혼합물이 사용되어, 120nm 입자를 사용하는 기존의 슬러리에 비하여 입자의 크기가 작아져서 CMP 공정의 신뢰성이 향상될 수 있다. 또한 기존대비 농도를 낮추고 입자 Size 줄여 분산안정성 및 유효기간이 증대될 것으로 예상된다.
연구의 결과로 연마효율이 우수한 고효율 슬러리를 저가에 생산할 수 있는 기술을 바탕으로 초고속 성장을 할 것으로 예상되는 세계 사파이어 웨이퍼 연마용 콜로이달 실리카 슬러리 시장에 진출 할 수 있을 것으로 예상된다.
개발된 사파이어 웨이퍼 연마용 슬러리 제조기술은 사용량이 빠른 속도로 늘어나고 있는 사파이어 웨이퍼 backside 연마용 슬러리 및 사파이어 윈도우 연마용 슬러리 등 다양한 사파이어 가공분야의 슬러리 국산화에도 바로 적용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	사파이어 웨이퍼의 CMP 연마공정에 사용되는 연마제는 무엇인가?	사파이어 웨이퍼의 CMP 연마공정에 사용되는 연마제는 콜로이달 실리카 슬러리(colloidal silica slurry)이다. 콜로이달 실리카 슬러리는 기계적 연마제인 나노실리카 입자(SiO2 입자, ∼200nm)가 화학연마제인 수성매질에 분산되어 있는 현탁액이다.
	CMP 공정의 신뢰성과 관련된 중요한 요소는?	CMP 공정의 신뢰성과 관련된 중요한 요소는 단차에 대한 평탄화 능력, 적정수준 이상의 연마율 확보, 이물질 발생 방지 및 제거, 물리적인 웨이퍼 파손의 최소화 등이 있다. 여기에서 웨이퍼의 파손 또는 깨짐 현상은 물리적인 접촉에 의하여 발생하며 빈도가 높은 항목으로, 그 파편이 긁힘(scratch) 및 기타 결점을 발생시킬 수 있으며 추가로 후속 진행 웨이퍼를 오염시킬 수 있다.
	웨이퍼 깨짐 현상이 CMP 공정의 신뢰성을 저해하는 요인이 된 이유는?	CMP 공정의 신뢰성과 관련된 중요한 요소는 단차에 대한 평탄화 능력, 적정수준 이상의 연마율 확보, 이물질 발생 방지 및 제거, 물리적인 웨이퍼 파손의 최소화 등이 있다. 여기에서 웨이퍼의 파손 또는 깨짐 현상은 물리적인 접촉에 의하여 발생하며 빈도가 높은 항목으로, 그 파편이 긁힘(scratch) 및 기타 결점을 발생시킬 수 있으며 추가로 후속 진행 웨이퍼를 오염시킬 수 있다. 이런 이유로 웨이퍼 깨짐 현상은 CMP 공정의 신뢰성을 저해하는 큰 요인이 되고 있다.

참고문헌 (5)

이상문 (2005), 적색, 녹색, 청색 LED를 이용한 Full-color 픽셀용 구동회로에 관한 연구, 석사학위논문, 충남대학교.
Itoh, N. and Ohmori, H. (1996), Finishing Characteristics of ELID-lap Grinding Using Ultra Fine Grain Lapping Wheel, Bulletin of the Japan Society of Precision Engineering, Vol. 30, No. 4, pp. 305-310.
신귀수, 황성원, 김근주, 서남섭 (2004), "사파이어 웨이퍼의 기계-화학적 연마 가공특성에 관한 연구", 대한기계학회논문집 A, 제28권 제 1호, pp. 85-91.

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이진규 (2009), 슬러리 내 연마입자의 최적화를 통한 산화막 CMP 공정의 신뢰성 향상, 석사학위논문, 충북대학교.
Gutsche, H. W. and Moody, J. W. (1978), "Polishing of Sapphire with Colloidal Silica," J. Electrochem. Soc., Vol. 125, No. 1, pp. 136-138.

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