[논문]실리콘 상부 전극의 기계적 가공 연구

이은영; 김문기

[국내논문] 실리콘 상부 전극의 기계적 가공 연구
A Study of Mechanical Machining for Silicon Upper Electrode 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.20 no.1, 2021년, pp.59 - 63

이은영 (한국기술교육대학교 메카트로닉스공학과) , 김문기 (한국기술교육대학교 메카트로닉스공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Upper electrode is one of core parts using plasma etching process at semiconductor. The purpose of this study is to analyze effects of cutting conditions for mechanical machining of silicon upper electrode. For this research, surface roughness of machined workpiece and depth of damage inside of silicon electrode are experimented and analyzed and different values of feed rate and depth of cut are applied for the experiments. From these experiments, it is verified that the surface roughness and internal damaged layer get worse according to take more fast feed rate. In conclusion, cutting condition is very important factor for machining. Results of this study can use to develop various parts which are made from single crystal silicon and affect various benefits to the semiconductor industry for better productivity.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 플라즈마 식각용 단결정 실리콘 상부 전극의 기계 가공 표면 품질 향상을 위하여 평면 연삭에 널리 쓰이는 다이아몬드 휠을 사용하여 이송속도 및 절입량 변화에 따른 실리콘 전극의 표면 거칠기와 내부 손상 정도의 최적화 방안을 연구하였다.
본 연구에서는 플라즈마 식각용 실리콘 상부 전극의 기계 가공 표면 품질 향상을 위해 초경합금 등의 평면 연삭에 널리 쓰이는 다이아몬드 휠을 사용하여 이송속도와절입량에 따른 표면 변화를 연구하였고, 취성이 강한 단결정 실리콘 소재의 내부로 전파되는 손상 정도의 변화를 연구하였다.

제안 방법

기계 가공 표면 품질 향상을 위해 초경합금 등의 평면 연삭에 널리 쓰이는 레진 본드 다이아몬드 휠을 장착하여 실험을 진행하였다. 레진 본드 다이아몬드 휠은 강도가 높고, 충격에 강한 장점으로 중연삭(heavy duty snagging operation) 작업과 절단(cut off) 작업에 많이 사용된다.
이송속도(feed rate) 및 절입량(depth of cut) 변화에 따른 단결정 실리콘 전극의 표면 거칠기와 내부 손상 정도 등 전극 표면의 품질 변화에 관한 연구를 진행하였으며, 기계 가공 실험의 조건은 Table 2와 같다.
acrylic resin으로 mounting 하였다. Mounting 된 시편을 holder에 장착 후 SiC pad(Daesung)를 이용해서 grinding 하였고, 1∼3㎛의 diamond suspension(Microdiament)으로 polishing 후 etching, cleaning 과정을 거쳐 측정용 시편을 제작 후 주사전자현미경으로 내부 손상을 확인하였다. Fig.

대상 데이터

단결정 실리콘 상부 전극은 폴리실리콘을 사용한 실리콘 잉곳의 성장부터 슬라이싱, 표면 가공, 형상 가공, 홀 가공 및 세정 등의 여러 단계를 거쳐 제작되는데, 이러한 여러 공정 중 본 연구에서는 표면 형성에 이바지하는 표면 가공 공정을 기계 가공 실험 대상으로 선정하였고, 실험에 사용된 단결정 실리콘은 반도체 공정에서 사용 중인 실리콘 웨이퍼 소재와 같으며, 순도가 8N(99.999999%) 이상인 소재를 채택하였다.
단결정 실리콘 잉곳을 절단하여 단결정 실리콘 로드로 제작하였고, 결정 방향은 반도체 공정에서 사용되는 100 결정면을 사용하였다. 실험에 사용한 단결정 실리콘의 물성은 Table 1과 같다.
실험 장치는 헤드 구조를 최소화함으로써 저 중심의 고강성 구조로 고품질 정밀 가공에 특화된 고속 정밀 수직형 머시닝센터(HWACHEON, SIRIUS-UL+12K)를 사용하였다. Fig.

이론/모형

실리콘 상부 전극의 표면거칠기는 KS B 0161 규격에 준하여 표면 조도 측정기(Mitutoyo, SJ-310)를 이용하여 측정하였고, 표면 가공 과정 중 단결정 실리콘 내부에 전파된 내부 손상층의 측정에는 시편을 절단 후 주사전자현미경 (JEOL Ltd, JSM-6510)을 이용하였다.

성능/효과

0㎛로 측정되었다. 이송속도가 빠른 150㎜/min이면 가장 값이 큰 표면 거칠기 0.67㎛가 확인되었고, 내부 손상층도 18.5㎛ 로 증가하였다.
절입량 변화에 따른 실험 결과는 Fig. 4와 같이 절입량 0.004㎜에서 표면 거칠기는 0.10㎛, 내부 손상층은 10.5㎛ 발생하였고, 절입량 0.005㎜에서 표면 거칠기는 0.18㎛, 내부 손상층은 12㎛ 로 소폭 상승하였다. 가장 큰 절입량 0.
18㎛, 내부 손상층은 12㎛ 로 소폭 상승하였다. 가장 큰 절입량 0.01㎜에서 표면 거칠기는 0.54㎛ 로 크게 증가하였고, 내부 손상층도 24.5㎛ 로 확인되었다. 절입량 0.
1. 이송속도와 절입량을 증가시킬수록 표면 거칠기와 내부 손상층이 증가하였다. 이송속도 150㎜/min에서는 표면 거칠기가 상승하여 표면의 품질을 악화시켰다.
2. 절입량이 커지면 가공 홈 주변에 요철이 발생함과 동시에 홈 내부에도 크랙이 발생하여 내부 손상 층으로 나타나는 것을 알 수 있다. 단결정 실리콘과 같은 취성재료의 경우 연마 입자의 예리한 날에 의해 가공 표면에 파단이나 크랙이 형성되는 것으로 사료된다.
3. 단결정 실리콘 상부 전극 제작 시 2, 000mesh의 다이아몬드 휠로 100㎜/min 이내의 이송속도와 0.005㎜ 이내의절입량이 고순도의 실리콘 상부 전극을 제작할 수 있는 공정 조건으로 확인되었다. 가공 조건과 가공 제품의 표면 거칠기 관계는 주어진 공정 조건 및 환경에 따라 품질 차이가 발생하게 된다.

후속연구

이송속도와 절입량이 증가하면 다이아몬드 휠의 입자와 실리콘 사이에 접촉 호의 길이 및 최대 절입 깊이가 증가하게 되고, 접촉 면적이 증가하면서 연삭 저항이 증가하는 것으로 판단된다. 황삭, 중삭 및 정삭 각각의 절입량을 달리하여 표면 품위를 유지하면서 내부 손상 층 발생을 방지하고, 가공속도를 향상할 수 있을 것으로 기대된다.
이송속도와 절입량을 낮추면 낮은 표면 거칠기와 함께 내부 손상층의 발생 정도를 줄일 수 있지만, 가공속도가 느려져 생산성이 떨어지는 문제가 수반된다. 따라서 황삭, 중삭 및 정삭 각각 가공 조건을 달리 하여 표면 품위를 유지하면서 내부 손상층 발생을 방지하고, 가공속도를 향상할 수 있을 것으로 기대된다.
4. 고밀도 플라즈마 환경에서 사용되는 단결정 실리콘 전극의 표면을 형성하는 최적 공정 조건을 제시함으로써 단결정 실리콘을 소재로 하는 다양한 부품 개발의 기초 연구 자료로 활용이 가능하다.

참고문헌 (9)

W. K. Choi, "A study of lifetime optimization of silicon and ceramic materials for semiconductor dry etcher", Korea University of Technology & Education, 2016.
S. K. Kim, "A study on the grindability of fine ceramics by experimental method", Journal of The Semiconductor & Display Technology, Vol. 10, No. 6, pp. 35-42, 2011.
Y. Masahiko, S. Aravindan, K. Yuki and M. Takashi, "Critical depth of hard brittle materials on Nano plastic forming", Journal of Advanced Mechanical Design, Systems, and Manufacturing, Vol. 2 No. 1, pp. 59-70, 2008.

상세보기
H. D. Jeong, "Mirror surface grinding using ultra fine grit wheel", Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol. 13 No. 6, pp. 45-51, 1996.
J. C. Lee, S. B. Ha, E. H. Jeon, W. Choi, J. K. Jung, "A study on the silicon grinding", Journal of the Korean Society for Precision Engineering, pp. 46-50, 1998.
Y. W. Kim, S. C. Choi, J. W. Park, D. W. Lee, "The characteristics of machined surface controlled by multi tip arrayed tool and high speed spindle", Journal of Nano science and Nano technology, Vol. 10, No. 7, pp. 4471-4422, 2010.
H. S. Oh, H. L. Lee, "Silicon wafering process and fine grinding process induced residual mechanical damage", Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol. 19, No. 6, pp. 145-154, 2002.
W. S. Che, C. G. Suk, "The improved characteristics of wet anisotropic etching of Si with megasonic wave", Journal of the Microelectronics and Packaging Society, Vol. 11 No. 4, pp. 81-86, 2004.
A. A. Busnaina, H. Lin, "Physical removal of nano-scale defects from surfaces", IEEE/SEMI advanced semiconductor manufacturing conference, Advancing the Science and Technology of Semiconductor Manufacturing, pp. 272-277, 2002.

저자의 다른 논문 :

활용도 분석정보

상세보기

다운로드

내보내기

활용도 Top5 논문

해당 논문의 주제분야에서 활용도가 높은 상위 5개 콘텐츠를 보여줍니다.
더보기 버튼을 클릭하시면 더 많은 관련자료를 살펴볼 수 있습니다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증