[논문]카드뮴 텔룰라이드 CMP 공정에서 산화제가 연마에 미치는 영향

신병철; 이창석; 정해도

doi:10.7736/kspe.2015.32.1.69

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Cadmium telluride (CdTe) is being developed for thin film of the X-Ray detector recently. But a rough surface of the CdTe should be improved for resolution and signal speed. This paper shows the study on the improvement of surface roughness and removal rate by applying Chemical Mechanical Polishing....

Cadmium telluride (CdTe) is being developed for thin film of the X-Ray detector recently. But a rough surface of the CdTe should be improved for resolution and signal speed. This paper shows the study on the improvement of surface roughness and removal rate by applying Chemical Mechanical Polishing. The conventional potassium hydroxide (KOH) based colloidal silica slurry could not realize a mirror surface without physical defects, resulting in low material removal rate and many scratches on surface. In order to enhance chemical reaction such as form oxidized layer on the surface of cadmium telluride, we used hydrogen peroxide ($H_2O_2$) as an oxidizer. Consequently, in case of 3 wt% concentration of hydrogen peroxide, the highest MRR (938 nm/min) and the lowest surface roughness ($R_{p-v}=10.69nm$, $R_a=0.8nm$) could be obtained. EDS was also used to confirm the generated oxide of cadmium telluride surface.

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문제 정의

본 연구에서는 평탄화 기술 중 하나인 카드뮴 텔룰라이드CMP 에서 효과적인 제거에 중요한 역할을 하는 산화제 첨가량에 대한 연마 특성을 파악하고자 한다. 또한, 가장 향상된 재료제거율 및 표면 거칠기에 의해 최적화된 산화제 첨가량을 선정하고자 한다.
본 연구에서는 평탄화 기술 중 하나인 카드뮴 텔룰라이드CMP 에서 효과적인 제거에 중요한 역할을 하는 산화제 첨가량에 대한 연마 특성을 파악하고자 한다. 또한, 가장 향상된 재료제거율 및 표면 거칠기에 의해 최적화된 산화제 첨가량을 선정하고자 한다.
본 연구에서는 산화제의 첨가량 변화에 따른 연마특성에 대하여 실험을 진행하였다. 산화제로는 과산화수소를 사용하여 콜로이달 실리카 슬러리에 1~5 wt% 의 농도로 변화시켜 진행하였다.
본 논문은 직접 방식X-ray 검출기 제작에서 사용되는 카드뮴 텔룰라이드 박막의 표면을 개선하고자 화학적 기계적 연마 공정 통하여 연마율과 표면 거칠기를 향상을 위한 연구를 하였다.
본 연구를 통하여 카드뮴 텔룰라이드 CMP 공정 시 향상된 표면 거칠기 및 연마율을 획득하기 위해 산화제의 필요성 및 첨가량에 대하여 알 수있을 것으로 판단 된다. 또한 CMP 공정 후 표면에 Te rich 상태를 만들기 위한 화학처리(Etching)에 관한 연구가 추가로 진행 된다면 더욱 향상된 성능의 X-Ray 검출기로 발전시킬 수 있을 것이라 생각된다.

제안 방법

이러한 많은 변환 과정은 신호의 산란 및 소멸을 피할 수 없게 되어 검출양자효율(DQE) 및 해상도 저하의 문제를 나타나게 된다. 이를 개선하기 위하여 X-Ray를 전기 신호로 직접 변환하는 X-Ray 검출기(X-Ray detector)를 반도체 물질로 이용하는 직접 방식이 제안 되었다. 이는 간접 방식보다 X-Ray의 변환과정을 단축시킬 수 있고 인가된 전기장에 의해 형성된 전자가 퍼지는 현상 없이 CMOS IC측에 수집되므로 X-Ray 변환효율이 우수하며, 영상신호의 선명도가 뛰어나다.
9 따라서, 본 실험에 앞서 과산화수소의 카드뮴 텔룰라이드 박막에 대한 산화 효과를 알아보기 위해 슬러리와 카드뮴 텔룰라이드 박막과의 반응 후 EDS(Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy) 를 이용하여 산화된 산소의 원자 수를 측정하였다.
본 연구에서는 산화제의 첨가량 변화에 따른 연마특성에 대하여 실험을 진행하였다. 산화제로는 과산화수소를 사용하여 콜로이달 실리카 슬러리에 1~5 wt% 의 농도로 변화시켜 진행하였다. 모든 실험은 32 × 25 mm Coupon silicon wafer 위에 50µm로 카드뮴 텔룰라이드를 증착한 시편을 사용 하였다.
CMP 공정 시 마찰에 의하여 연마 온도 상승은 연마율의 변화에 영향을 주므로 정확한 실험 결과를 얻을 수 없다. 따라서, 연마 온도의 누적을 제거하기 위하여 본 실험에서는 실험 종료 후 증류수로 패드를 냉각 시켰다. 또한, 슬러리의 유입 위치에 따른 변화 요인을 줄이기 위하여 모든 실험에서 패드의 중심으로부터 55 mm 떨어진 지점에 일정하게 공급하였고, 연마 중 패드의 표면상태 변화에 의한 영향을 줄이기 위하여 모든 실험 시행 전 컨디셔닝을 60초간 진행하였다.
따라서, 연마 온도의 누적을 제거하기 위하여 본 실험에서는 실험 종료 후 증류수로 패드를 냉각 시켰다. 또한, 슬러리의 유입 위치에 따른 변화 요인을 줄이기 위하여 모든 실험에서 패드의 중심으로부터 55 mm 떨어진 지점에 일정하게 공급하였고, 연마 중 패드의 표면상태 변화에 의한 영향을 줄이기 위하여 모든 실험 시행 전 컨디셔닝을 60초간 진행하였다. 다른 실험 조건은 Table 2과 같이 진행하였다.
= 1115 nm 로 매우 거친 표면 거칠기를 나타내었다. 이에 따라 표면 조도 향상을 위하여CMP 공정을 진행하였고, 콜로이달 실리카 슬러리를 사용하였을 때 과산화수소의 첨가량에 따른 표면 거칠기 R_P-V 와 R_a 의 변화를 Fig. 2와 Fig. 3에서 나타내었다.
이는 과산화수소의 산화 반응으로 인하여 카드뮴 텔룰라이드 박막에 산화막이 형성되었고, 산화된 표면은 카드뮴 텔룰라이드 자체보다 깨지기 쉬운(brittle) 상태이기 때문에 연마 입자와 패드의 기계적 작용에 의해 쉽게 제거되므로 연마율을 높여주고 표면 거칠기를 향상시켜주게 된다. 이러한 과산화수소에 의해 산화된 표면은 EDS를 통하여 확인하였다. 그러나 적정량 이상의 산화제 첨가 시 과다한 화학반응으로 인하여 박막의 박리 및 크레이터, 표면 부식 현상이 발생하여 표면 개선에 악영향을 끼치게 되므로 화학적인 균형을 맞추어 주는 것이 중요하다는 것을 알 수 있다.

대상 데이터

본 연구에서는 X-Ray 검출기의 재료로 2-6족 화합물 반도체인 카드뮴 텔룰라이드(CdTe)를 사용하였다. 카드뮴 텔룰라이드는 X-Ray의 흡수율과 변환효율이 높고 전기적인 특성이 우수하기 때문에 X-Ray 검출기의 재료로 연구가 되고 있다.
모든 실험은 32 × 25 mm Coupon silicon wafer 위에 50µm로 카드뮴 텔룰라이드를 증착한 시편을 사용 하였다.
모든 실험은 32 × 25 mm Coupon silicon wafer 위에 50µm로 카드뮴 텔룰라이드를 증착한 시편을 사용 하였다. 모든 공정은 G＆P Technology사의 POLI400 으로 진행하였고 연마 전후의 카드뮴 텔룰라이드 박막 두께를 측정하기 위하여 CAS 사의 CAY-220 초정밀 저울을 사용하였다. 또한, 표면 형상 측정을 위하여 AFM(Atomic Force Microscopy, Park Systems)과 표면 분석을 위하여 Hitachi High Technologies 사의 S-4800 EDS를 사용 하였다.
모든 공정은 G＆P Technology사의 POLI400 으로 진행하였고 연마 전후의 카드뮴 텔룰라이드 박막 두께를 측정하기 위하여 CAS 사의 CAY-220 초정밀 저울을 사용하였다. 또한, 표면 형상 측정을 위하여 AFM(Atomic Force Microscopy, Park Systems)과 표면 분석을 위하여 Hitachi High Technologies 사의 S-4800 EDS를 사용 하였다. ^9,10
본 연구에서 사용된 시편은CMP 공정을 하기전의 표면 거칠기가 R_P-V = 3202 nm, R_a = 1115 nm 로 매우 거친 표면 거칠기를 나타내었다. 이에 따라 표면 조도 향상을 위하여CMP 공정을 진행하였고, 콜로이달 실리카 슬러리를 사용하였을 때 과산화수소의 첨가량에 따른 표면 거칠기 R_P-V 와 R_a 의 변화를 Fig.

성능/효과

그러나 카드뮴 텔룰라이드 박막의 표면 거칠기 악화는 전기적 동작속도 지연과 표면의 요철부분에 전류가 몰리는 현상으로 인하여 전기적인 불균일도를 증가시키는 문제점 때문에 표면조도 향상이 필요하다. 따라서, 카드뮴 텔룰라이드 X-Ray 검출기의 표면 거칠기를 향상 함으로써 전기적인 균일도를 개선하고, 이에 의해 신호 지연 개선 및 선명한 영상을 얻을 수 있다.
따라서, 본 연구에서는 카드뮴 텔룰라이드 표면의 산화를 촉진시키기 위하여 일반적으로 사용 하는 산화제인 과산화수소(H₂O₂) 사용하였고, 첨가량에 따른 연마 특성을 보기 위하여 산화제 첨가량을 제외한 모든 실험 조건은 동일하게 일치시켰다.^7,8
Table 1는 과산화수소 첨가량에 따른 산화된 카드뮴 텔룰라이드 시편의 표면에 산소 원자의 비율을 나타낸 것이다. EDS 측정 결과 과산화수소를 첨가하지 않았을 때 산소 원자는 미량의 산소 원자가 검출 되었다. 검출된 산소의 원자는 자연 산화에 의한 것으로 판단된다.
검출된 산소의 원자는 자연 산화에 의한 것으로 판단된다. 과산화수소 첨가에 의한 결과로는 36.35 Atomic% 로 산화제를 첨가하지 않은 것과 비교하여 큰 차이를 나타낸 것으로 보아 산화막이 형성된 것으로 생각된다.
재료 제거율(MRR)의 변화는 Fig. 5에서 보는 바와 같이 산화제에 첨가에 의하여 재료 제거율이 증가하는 그래프를 확인할 수 있다. 카드뮴 텔룰라이드 박막의 최고 연마율은 과산화수소 3 wt%에서 938 nm/min 으로 과산화수소를 첨가하지 않은 492 nm/min에 비교하여 크게 향상된 것을 볼 수 있다.
연구 결과, 과산화수소를 첨가하지 않은 상용 슬러리로 실험하였을 때, 박막 표면에 화학적인 반응층이 형성되지 않아 낮은 재료제거율과 많은 스크레치가 있는 표면을 얻었다. 이를 개선하기 위하여 슬러리에 산화제인 과산화수소를 첨가하였고, 3 wt% 를 첨가하였을 때 가장 향상된 표면조도와 높은 연마율을 얻을 수 있었다. 이는 과산화수소의 산화 반응으로 인하여 카드뮴 텔룰라이드 박막에 산화막이 형성되었고, 산화된 표면은 카드뮴 텔룰라이드 자체보다 깨지기 쉬운(brittle) 상태이기 때문에 연마 입자와 패드의 기계적 작용에 의해 쉽게 제거되므로 연마율을 높여주고 표면 거칠기를 향상시켜주게 된다.
연구 결과, 과산화수소를 첨가하지 않은 상용 슬러리로 실험하였을 때, 박막 표면에 화학적인 반응층이 형성되지 않아 낮은 재료제거율과 많은 스크레치가 있는 표면을 얻었다. 이를 개선하기 위하여 슬러리에 산화제인 과산화수소를 첨가하였고, 3 wt% 를 첨가하였을 때 가장 향상된 표면조도와 높은 연마율을 얻을 수 있었다.

후속연구

본 연구를 통하여 카드뮴 텔룰라이드 CMP 공정 시 향상된 표면 거칠기 및 연마율을 획득하기 위해 산화제의 필요성 및 첨가량에 대하여 알 수있을 것으로 판단 된다. 또한 CMP 공정 후 표면에 Te rich 상태를 만들기 위한 화학처리(Etching)에 관한 연구가 추가로 진행 된다면 더욱 향상된 성능의 X-Ray 검출기로 발전시킬 수 있을 것이라 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	디지털 방식의 X-Ray 영상장치 측정법은 어떻게 나눌 수 있는가?	이러한 디지털 방식의 X-Ray 영상장치 측정법은 크게 간접 방식과 직접 방식으로 나눌 수 있다. 간접 방식은 X-Ray를 조사하였을 때 신틸레이터 (Scintillator), 포토다이오드(Photo diode)와 같은 여러 단계의 전기 신호로 변환하는 과정을 거치게 된다.
	간접 방식이 가지는 검출양자효율(DQE) 및 해상도 저하의 문제를 해결하기 위해서 어떤 방식이 제안되었는가?	이러한 많은 변환 과정은 신호의 산란 및 소멸을 피할 수 없게 되어 검출양자효율(DQE) 및 해상도 저하의 문제를 나타나게 된다. 이를 개선하기 위하여 X-Ray를 전기 신호로 직접 변환하는 X-Ray 검출기(X-Ray detector)를 반도체 물질로 이용하는 직접 방식이 제안 되었다. 이는 간접 방식보다 X-Ray의 변환과정을 단축시킬 수 있고 인가된 전기장에 의해 형성된 전자가 퍼지는 현상 없이 CMOS IC측에 수집되므로 X-Ray 변환효율이 우수하며, 영상신호의 선명도가 뛰어나다.
	금속 CMP용 슬러리에는 어떤 화학 성분이 포함되어 있는가?	일반적으로 금속 CMP용 슬러리는 산화제 (Oxidizer), 산(Acid), 부식방지제(Inhibitor), 계면활성제(Surfactant), 착화제(Complexing agent), 킬레이트제(Chelating agent) 등과 같은 화학 성분이 포함되어 있다. 특히 슬러리 내의 산화제는 표면을 산화 (Oxidation)를 촉진하여 전자를 잃고 산화물 형성을할 수 있게 만드는 것으로 CMP의 연마 특성을 크게 좌우하게 된다.

참고문헌 (10)

Dendy, P. P. and Heaton, B., "Physics for Diagnostic Radiology," 2nd Ed., Taylor & Francis, pp. 192-216, 1999.
Shah, K. S., Bennett, P. R., Cirignano, L. J., Dmitriyev, Y. N., Klugerman, M. B., et al., "X-ray Imaging with Semiconductor Films," Proc. of SPIE's International Symposium on Optical Science, Engineering, and Instrumentation, International Society for Optics and Photonics, pp. 102-113, 1998.
Kasap, S. O. and Rowlands, J., "Direct-conversion flat-panel x-ray image detectors," IEE Proceedings-Circuits, Devices and Systems, Vol. 149, No. 2, pp. 85-96, 2002.

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Ali, I., Roy, S. R., and Shinn, G., "Chemical-Mechanical Polishing of Interlayer Dielectric-A Review," Solid State Technology, Vol. 37, No. 10, 1994.
Kim, H. J., "A Study on the Interfacial Characteristics and Its Effect on Material Removal in CMP," Ph.D Thesis, Department of Precision and Mechanical Engineering, Pusan National Univ., 2003.
Lee, H. S., Park, B. Y., Kim, G. Y., Kim, H. J., Seo, H. D., and Jeong, H. D., "Effects of Friction Energy on Polishing Results in CMP Process," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 28, No. 11, pp. 1807-1812, 2004.

원문보기 상세보기
Samsung Electronics CO., Ltd., "Non Selective Metal Slurry for CMP and its CMP Method," KOR Patent, No. 2001-0035669, 2001.
Park, B. Y., Lee, H. S., Park, K. H., Jeong, S. H., Seo, H. D., et al., "A Study on Oxidizer Effects in Tungsten CMP," Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers, Vol. 18, No. 9, pp. 787-792, 2005.

원문보기 상세보기
Shin, B. C., Lee, Y. K., Lee, H. J., Kim, H. J., and Jeong, H. D., "Effect of Hydrogen Peroxide for Removal Rate on Cadmium Telluride Chemical Mechanical Planarization," International Conference on Planarization Technology, pp. 188-191, 2013.
Jeong, S., Lee, H., Cho, H., Lee, S., Kim, H., et al., "Effect of Additives for Higher Removal Rate in Lithium Niobate Chemical Mechanical Planarization," Applied Surface Science, Vol. 256, No. 6, pp. 1683-1688, 2010.

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