PVT법으로 성장된 AlN 단결정의 표면 평탄화 최적화 하기 위하여 기계적 연마 후 $SiO_2$ slurry를 이용한 CMP 공정을 진행하였고 이에 따른 표면 형상, slurry 변화에 따른 가공 특성을 분석하였다. Slurry의 pH가 표면 연마 과정에 미치는 영향을 알아보기 위해 $SiO_2$ slurry의 pH를 조절하였으며, 제타전위측정기를 통해 각각의 pH에 따른 zeta potential의 영향과 MRR(material removal rate) 결과를 비교하였으며, 최종적으로 원자간력 현미경(atomic force microscope)을 이용한 표면 거칠기 RMS(0.2 nm)를 얻을 수 있었다.
PVT법으로 성장된 AlN 단결정의 표면 평탄화 최적화 하기 위하여 기계적 연마 후 $SiO_2$ slurry를 이용한 CMP 공정을 진행하였고 이에 따른 표면 형상, slurry 변화에 따른 가공 특성을 분석하였다. Slurry의 pH가 표면 연마 과정에 미치는 영향을 알아보기 위해 $SiO_2$ slurry의 pH를 조절하였으며, 제타전위측정기를 통해 각각의 pH에 따른 zeta potential의 영향과 MRR(material removal rate) 결과를 비교하였으며, 최종적으로 원자간력 현미경(atomic force microscope)을 이용한 표면 거칠기 RMS(0.2 nm)를 얻을 수 있었다.
To evaluate surface characteristics of AlN single crystal grown by physical vapor transport (PVT) method, chemical mechanical polishing (CMP) were performed with diamond slurry and $SiO_2$ slurry after mechanical polishing (MP), then the surface morphology and analysis of polishing charac...
To evaluate surface characteristics of AlN single crystal grown by physical vapor transport (PVT) method, chemical mechanical polishing (CMP) were performed with diamond slurry and $SiO_2$ slurry after mechanical polishing (MP), then the surface morphology and analysis of polishing characteristics of the slurry types were analyzed. To estimate how pH of slurry effects polishing process, pH of $SiO_2$ slurry was controlled, the results from estimating the effect of zeta potential and MRR (material removal rate) were compared in accordance with each pH via zeta potential analyzer. Eventually, surface roughness RMS (0.2 nm) could be derived with atomic force microscope (AFM).
To evaluate surface characteristics of AlN single crystal grown by physical vapor transport (PVT) method, chemical mechanical polishing (CMP) were performed with diamond slurry and $SiO_2$ slurry after mechanical polishing (MP), then the surface morphology and analysis of polishing characteristics of the slurry types were analyzed. To estimate how pH of slurry effects polishing process, pH of $SiO_2$ slurry was controlled, the results from estimating the effect of zeta potential and MRR (material removal rate) were compared in accordance with each pH via zeta potential analyzer. Eventually, surface roughness RMS (0.2 nm) could be derived with atomic force microscope (AFM).
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제안 방법
CMP 공정에서는 SiO2 slurry와 SUBA 600 pad를 사용하였다. CMP 공정에서 중요한 요소는 웨이퍼에 가해지는 압력, 정반과 웨이퍼의 회전속도, slurry의 농도 등이 작용하고 추가적으로 slurry의 pH가 공정에 미치는 영향을 알아보기 위하여 인산(H3PO4)을 첨가하여 SiO2 slurry의 pH를 4~10으로 조절하였으며, 제타전위측정기(Otsuka Electronics, ELSZ-1000, Japan)를 이용하여 각각의 pH에 따른 Zeta Potential을 측정하였고 AFM을 이용하여 최종 RMS(root mean square) 값을 얻었다. CMP 가공조건을 Table 2에 나타내었다.
먼저 DMP 공정의 경우 광학현미경과 AFM을 통해 관찰한 결과 diamond size가 작아질수록 압력을 감소시키고 공정 시간은 증가시키면서 초기 grinding 과정에서 발생하였던 pull out 현상과 스크래치 등의 불순물이 제거된 것을 확인하였다. CMP 공정에서는 SiO2 slurry의 pH를 조절하여 zeta potential을 측정하였고 가공 후 입자의 응집과 MRR의 변화에 따른 연관성을 확인하였다. 또한, AlN 단결정 표면의 CMP 최적 가공 조건(SiO2 slurry, pH 6, 0.
DMP 공정에서는 diamond slurry의 입자 크기를 6, 3, 1, 0.5 μm 순으로 감소시키면서 진행하였고, 각각의 입자 크기 마다 웨이퍼에 가해지는 압력, 가공 시간, 정반의 회전 속도에 변화를 주었다.
DMP 후 CMP 공정을 진행하기 전에 CMP pad의 오염을 방지하기 위해 초음파 세척기를 사용하여 웨이퍼 표면에 남아있는 diamond 입자 또는 불순물을 acetone, ethyl alcohol, deionized water 순으로 각각 10분간 세척하여 제거하였으며 N2 gas를 사용하여 건조하였다. CMP 공정에서는 SiO2 slurry와 SUBA 600 pad를 사용하였다.
입자 크기가 작아질수록 더 정밀한 표면 가공을 위해 압력을 줄이고 공정 시간은 증가시켰다. 각 조건마다 광학현미경(OM, BiMeince, S39CM, Korea)으로 표면을 관찰하여 최적의 가공조건을 확립하였고 AFM(PSIA, XE-100, Korea)을 이용하여 표면 거칠기(roughness)를 측정하였다. 최적 DMP 가공조건을 Table 1에 나타내었다.
CMP 공정에서는 SiO2 slurry의 pH를 조절하여 zeta potential을 측정하였고 가공 후 입자의 응집과 MRR의 변화에 따른 연관성을 확인하였다. 또한, AlN 단결정 표면의 CMP 최적 가공 조건(SiO2 slurry, pH 6, 0.030 MPa, 60 min, SUBA 600 pad)을 확인하였다. 이는 AFM data를 통해 최종적으로 측정된 RMS 값이 0.
본 연구에서 사용한 AlN 단결정은 PVT법을 이용하여 미소 크기의 AlN 단결정 종자 결정을 도가니 상부에 물리적으로 고정시킨 후, 고순도 AlN 분말을 원료로 사용하여 1950~2150°C의 성장 온도와 1~500 torr의 성장 압력, 20~100 sccm의 질소(N2) 분위기 하에서 성장시켰다[17].
CMP 공정의 원리는 slurry 내의 물(H2O) 분자가 웨이퍼 표면의 결합에 침투해 산화막을 형성하여 경도를 약화시키고 경도가 낮아진 웨이퍼의 표면은 회전하는 정반의 물리적인 마찰에 의하여 연마가 진행된다[16]. 본 연구에서는 PVT법으로 성장된 AlN 단결정 표면을 grinding과 DMP 공정으로 전처리 가공하였고, 이후 웨이퍼 표면의 광역 평탄화와 최종 가공으로 SiO2 slurry를 사용한 CMP 공정을 진행하였으며 이에 대한 결과 및 메커니즘을 분석하였다.
본 연구에서는 PVT법으로 성장된 AlN 단결정을 diamond slurry를 이용한 DMP 공정과 SiO2 slurry를 이용한 CMP 공정을 통해 표면 평탄화를 진행하였고 이에 따른 표면 형상, slurry 변화에 따른 가공 특성을 분석하였다. 먼저 DMP 공정의 경우 광학현미경과 AFM을 통해 관찰한 결과 diamond size가 작아질수록 압력을 감소시키고 공정 시간은 증가시키면서 초기 grinding 과정에서 발생하였던 pull out 현상과 스크래치 등의 불순물이 제거된 것을 확인하였다.
대상 데이터
gas를 사용하여 건조하였다. CMP 공정에서는 SiO2 slurry와 SUBA 600 pad를 사용하였다. CMP 공정에서 중요한 요소는 웨이퍼에 가해지는 압력, 정반과 웨이퍼의 회전속도, slurry의 농도 등이 작용하고 추가적으로 slurry의 pH가 공정에 미치는 영향을 알아보기 위하여 인산(H3PO4)을 첨가하여 SiO2 slurry의 pH를 4~10으로 조절하였으며, 제타전위측정기(Otsuka Electronics, ELSZ-1000, Japan)를 이용하여 각각의 pH에 따른 Zeta Potential을 측정하였고 AFM을 이용하여 최종 RMS(root mean square) 값을 얻었다.
성능/효과
3 μm polishing에서는 0.178 μm/min의 두께 감소가 일어나는데 SP2 정반이 XP 정반 보다 경도가 높고 공정시간이 증가했기 때문에 6 μm polishing과 비교하여 0.012 μm/min의 연삭률 차이가 발생하지만 연마제의 입자가 작아질 때 발생되는 smearing 현상을 방지하였고 모서리 마모 현상도 발견되지 않았다.
5는 (a) DMP 및 (b) CMP 공정 후 표면 형상을 비교한 AFM image이다. AFM 측정 결과, DMP 공정 후 1.2 nm의 RMS 값을 얻었고 Fig. 1을 참고하여 표면에 미세하게 남아있는 pull out, 스크래치 등 가공 과정에서 발생하는 여러 결함들을 추가적인 공정으로 제거해야 할 필요성을 확인하였다. CMP 공정 후에는 RMS 값이 0.
1을 참고하여 표면에 미세하게 남아있는 pull out, 스크래치 등 가공 과정에서 발생하는 여러 결함들을 추가적인 공정으로 제거해야 할 필요성을 확인하였다. CMP 공정 후에는 RMS 값이 0.223 nm로 공정 전후 많은 차이를 보이며 표면가공이 성공적으로 진행된 것을 알 수 있고 이는 상용화되는 III-Nitride계 단결정 기판 specification에서 명시한 RMS 값과 비교하여 상응할 수준으로 평가된다.
pH의 증가와 함께 MRR도증가 하지만 pH 6에서 최대값에 도달한 후 서서히 감소하기 시작한다. pH 6에서 MRR은 0.010 mm 인 것을 확인하였고 pH 7 이후에서는 MRR 값이 감소하게 되는데, 이것은 Fig. 3을 참고하여 AlN 단결정의 CMP 공정에서 SiO2 slurry를 사용할 때 pH 6이 가장 적합하다는 것을 알 수 있다. 이는 각각의 pH 마다 SiO2 slurry가 가지고 있는 zeta potential이 변화하고 이것이 CMP 공정에 직접적인 영향을 주는 것으로 생각할 수 있다[21].
slurry를 이용한 CMP 공정을 통해 표면 평탄화를 진행하였고 이에 따른 표면 형상, slurry 변화에 따른 가공 특성을 분석하였다. 먼저 DMP 공정의 경우 광학현미경과 AFM을 통해 관찰한 결과 diamond size가 작아질수록 압력을 감소시키고 공정 시간은 증가시키면서 초기 grinding 과정에서 발생하였던 pull out 현상과 스크래치 등의 불순물이 제거된 것을 확인하였다. CMP 공정에서는 SiO2 slurry의 pH를 조절하여 zeta potential을 측정하였고 가공 후 입자의 응집과 MRR의 변화에 따른 연관성을 확인하였다.
이 결과는 초기에 6 μm diamond 입자가 발생시킨 스크래치를 3 μm polishing에서 3 μm 크기의 스크래치로 모두 제거하고 1 μm, 0.5 μm 크기로 점차 감소시키면서 연마가 진행되었다는 것을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
aluminum nitride(AlN)의 특성을 활용하기 위해서는 어떻게 해야하는가?
2 eV)의 특성으로 높은 전압에서도 사용이 가능하다[3-5]. 또한, 이러한 우수한 특성을 활용하기 위해서는 AlN 소자 제조 시 동종 AlN 단결정 기판을 이용하여 박막을 성장시키면 에너지를 손실 없이 빛 에너지로 방출할 수 있어 UV-LED(ultra violet light emitting diode)에 응용 시 고효율, 고출력화가 기대되며 불순물, 결함 등이 적게 발생하여 기존 재료보다 발광효율을 극대화 할 수 있어 AlN 단결정 기판을 이용한 박막 소자의 연구개발에 대한 중요성은 오래 전부터 인식 되어왔다[5-7].
III-Nitride계 화합물 반도체는 어떤 특징을 지니고 있는가?
InN, GaN 및 AlN로 대표되는 III-Nitride계 화합물 반도체는 소형화 및 경량화, 저소비 전력, 긴 수명 등의 특징을 나타내는 광소자 분야에 응용이 빠른 속도로 진행되고 있다[1, 2]. 이 중에서도 aluminum nitride(AlN)는 화학적 안정성이 높고 기존 반도체 소재보다 높은 열전도도(320 W/m · K)와 녹는점(2200°C)을 가져 고온 안정성을 가지고 있으며 높은 비저항(> 1014 Ω · cm)과 넓은 밴드갭(6.
aluminum nitride(AlN)이 높은 전압에서 사용이 가능한 이유는?
InN, GaN 및 AlN로 대표되는 III-Nitride계 화합물 반도체는 소형화 및 경량화, 저소비 전력, 긴 수명 등의 특징을 나타내는 광소자 분야에 응용이 빠른 속도로 진행되고 있다[1, 2]. 이 중에서도 aluminum nitride(AlN)는 화학적 안정성이 높고 기존 반도체 소재보다 높은 열전도도(320 W/m · K)와 녹는점(2200°C)을 가져 고온 안정성을 가지고 있으며 높은 비저항(> 1014 Ω · cm)과 넓은 밴드갭(6.2 eV)의 특성으로 높은 전압에서도 사용이 가능하다[3-5]. 또한, 이러한 우수한 특성을 활용하기 위해서는 AlN 소자 제조 시 동종 AlN 단결정 기판을 이용하여 박막을 성장시키면 에너지를 손실 없이 빛 에너지로 방출할 수 있어 UV-LED(ultra violet light emitting diode)에 응용 시 고효율, 고출력화가 기대되며 불순물, 결함 등이 적게 발생하여 기존 재료보다 발광효율을 극대화 할 수 있어 AlN 단결정 기판을 이용한 박막 소자의 연구개발에 대한 중요성은 오래 전부터 인식 되어왔다[5-7].
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