[국내논문]사파이어 화학기계적 연마에서 결정 방향이 재료제거 특성에 미치는 영향 Effect of Crystal Orientation on Material Removal Characteristics in Sapphire Chemical Mechanical Polishing원문보기
Sapphire is an anisotropic material with excellent physical and chemical properties and is used as a substrate material in various fields such as LED (light emitting diode), power semiconductor, superconductor, sensor, and optical devices. Sapphire is processed into the final substrate through multi...
Sapphire is an anisotropic material with excellent physical and chemical properties and is used as a substrate material in various fields such as LED (light emitting diode), power semiconductor, superconductor, sensor, and optical devices. Sapphire is processed into the final substrate through multi-wire saw, double-side lapping, heat treatment, diamond mechanical polishing, and chemical mechanical polishing. Among these, chemical mechanical polishing is the key process that determines the final surface quality of the substrate. Recent studies have reported that the material removal characteristics during chemical mechanical polishing changes according to the crystal orientations, however, detailed analysis of this phenomenon has not reported. In this work, we carried out chemical mechanical polishing of C(0001), R($1{\bar{1}}02$), and A($11{\bar{2}}0$) substrates with different sapphire crystal planes, and analyzed the effect of crystal orientation on the material removal characteristics and their correlations. We measured the material removal rate and frictional force to determine the material removal phenomenon, and performed nano-indentation to evaluate the material characteristics before and after the reaction. Our findings show that the material removal rate and frictional force depend on the crystal orientation, and the chemical reaction between the sapphire substrate and the slurry accelerates the material removal rate during chemical mechanical polishing.
Sapphire is an anisotropic material with excellent physical and chemical properties and is used as a substrate material in various fields such as LED (light emitting diode), power semiconductor, superconductor, sensor, and optical devices. Sapphire is processed into the final substrate through multi-wire saw, double-side lapping, heat treatment, diamond mechanical polishing, and chemical mechanical polishing. Among these, chemical mechanical polishing is the key process that determines the final surface quality of the substrate. Recent studies have reported that the material removal characteristics during chemical mechanical polishing changes according to the crystal orientations, however, detailed analysis of this phenomenon has not reported. In this work, we carried out chemical mechanical polishing of C(0001), R($1{\bar{1}}02$), and A($11{\bar{2}}0$) substrates with different sapphire crystal planes, and analyzed the effect of crystal orientation on the material removal characteristics and their correlations. We measured the material removal rate and frictional force to determine the material removal phenomenon, and performed nano-indentation to evaluate the material characteristics before and after the reaction. Our findings show that the material removal rate and frictional force depend on the crystal orientation, and the chemical reaction between the sapphire substrate and the slurry accelerates the material removal rate during chemical mechanical polishing.
본 연구에서는, 서로 다른 결정 방향 C, R, A면 사파이어 기판에 대한 화학기계적 연마를 수행하고, 결정 방향이 재료 제거 특성에 미치는 영향과 그 상관관계를 규명하고자 하였다. 연마 속도와 압력에 따른 재료 제거 현상을 분석하기 위해 실시간 마찰력 모니터링을 실시하고, 공정 조건이 각 결정 방향 기판의 재료 제거 특성에 미치는 영향력을 평가하였다.
제안 방법
본 연구에서는, 서로 다른 결정 방향 C, R, A면 사파이어 기판에 대한 화학기계적 연마를 수행하고, 결정 방향이 재료 제거 특성에 미치는 영향과 그 상관관계를 규명하고자 하였다. 연마 속도와 압력에 따른 재료 제거 현상을 분석하기 위해 실시간 마찰력 모니터링을 실시하고, 공정 조건이 각 결정 방향 기판의 재료 제거 특성에 미치는 영향력을 평가하였다. 또한, 재료 제거율과 마찰력의 차이가 발생하는 원인을 알아보기 위해 나노 압입법(nano-indentation) 측정을 통해 반응 전, 후 각 결정면의 기계적 특성을 비교 분석하였다.
연마 속도와 압력에 따른 재료 제거 현상을 분석하기 위해 실시간 마찰력 모니터링을 실시하고, 공정 조건이 각 결정 방향 기판의 재료 제거 특성에 미치는 영향력을 평가하였다. 또한, 재료 제거율과 마찰력의 차이가 발생하는 원인을 알아보기 위해 나노 압입법(nano-indentation) 측정을 통해 반응 전, 후 각 결정면의 기계적 특성을 비교 분석하였다.
대상 데이터
실험에는 마찰력 모니터링 장치가 포함된 연마장비를 사용하였다. 연마 패드는 부직포에 폴리우레탄을 함침시킨 연질 패드를 사용하였으며, 슬러리는 연마 입자가 함유된 알칼리성 콜로이달 실리카 슬러리와 초순수를 1:1로 혼합하여 사용하였다. 연마 헤드와 정반의 회전속도는 30, 60, 90, 120 rpm, 연마 압력은 200, 300, 400 gf/cm2으로 설정하여 실험을 진행하였다.
연마 헤드와 정반의 회전속도는 30, 60, 90, 120 rpm, 연마 압력은 200, 300, 400 gf/cm2으로 설정하여 실험을 진행하였다. 실험에 사용된 각 결정 방향 기판들은 430 μm의 두께와, 0.3 nm 이하의 표면 거칠기를 가지는 Epi-ready 상태의 기판을 사용하였으며, 자세한 실험 조건은 Table 1에 정리하였다.
성능/효과
1) 화학기계적 연마에서 각 결정면의 재료 제거율은 연마 압력과 속도에 비례하여 증가하며 Preston 방정식의 거동을 잘 따르며, 동일 공정 조건에서 C, R, A면의 순서로 재료 제거율은 높게 나타났다.
2) 마찰력은 연마 속도에 비해 연마 압력에 보다 지배적인 영향을 받으며, 마찰 에너지율과 재료 제거율은 비례 관계를 가진다. 또한, 재료 제거율과 마찬가지로 동일 공정 조건에서 C, R, A면의 순서를 가진다.
이때, 연마 입자는 국부적으로 더 압입하여 높은 마찰력을 얻으므로 결과적으로 재료 제거율이 상승한다. 재료 제거율 및 마찰력의 차이는 기본적으로 각 결정면간의 경도차이에 기인하며, 결정면에 따른 화학 반응정도가 재료 제거율 차이를 보다 가속화하는 요인으로 작용한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
사파이어의 특징은 무엇인가?
사파이어(α-alumina, Al2O3)는 우수한 기계적, 화학적, 열적, 광학적 특성들을 가지는 재료로서, 결정 방향에 따라 다양한 분야의 기판 재료로 적용되고 있다[1]. 사파이어의 C(0001)면은 발광 다이오드(light emitting diode), 레이저 다이오드(laser diode) 제작에 사용되며, R(\(11\bar{2}0\))면은 IC 응용을 위한 실리콘의 이종성장(hetero epitaxial deposition)에, A(\(11\bar{2}0\))면은 일정한 유전상수와 절연 특성이 요구되는 복합 마이크로 전자(hybrid microelectronic) 분야의 기판 재료로 주로 사용되고 있다[2].
사파이어의 화학기계적 연마에서 사파이어가 재료 제거 특성의 차이가 발생하는 이유는?
사파이어의 화학기계적 연마에서 사파이어는 경도가 높고 화학적으로 안정하여 재료 제거율이 낮으며, 결정방향에 따라 재료적 특성이 다른 이방성으로 인해 재료 제거 특성의 차이가 발생한다[3]. 다양한 분야에 사파이어 기판을 적용하고 응용하기 위해서는 각 결정방향 기판의 재료 제거 효율을 향상시켜야 하며, 이를 위해 각 결정면의 재료적 특성, 화학기계적 연마 특성에 대한 연구와 이에 대한 자세한 분석은 필수적이다.
참고문헌 (11)
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Zhu, H., Tessaroto, L. A., Sabia, R., Greenhut, V. A., Smith, M., Niesz, D. E., "Chemical Mechanical Polishing (CMP) anisotropy in sapphire", Applied Surface Science, Vol. 236, pp. 120-130, 2004.
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Zhou, Y., Pan, G., Shi, X., Gong, H., Xu, L., Zou, C., "AFM and XPS studies on material removal mechanism of sapphire wafer during Chemical Mechanical Polishing (CMP), Journal of Materials Science : Materials in Electronics, Vol. 26, pp. 9921-9928, 2015.
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