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Chemo-Mechanical Grinding
 
 
월간 기계기술기자 | 2002.08.01 | 2002년 8월호
 
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반도체업계의 로드맵에 의하면 2003년에 Si 웨이퍼는 현행 ф200mm(8″)에서 ф300mm(12″)로 옮겨 갈 것으로 예측되고 있다. 이미 2001년부터 대기업 반도체 메이커 각사가 ф300mm에 대응하는 파운드리를 차차 궤도에 올려가고 있다.
  현재 ф200mm 웨이퍼가 출하 장수의 50% 이상을 차지하고 있는데 <그림 1>에 나타내는 바와 같이 ф300mm 웨이퍼의 출하량이 급증하고 있다. 그리고 2014년 이후에는 웨이퍼 지름이 ф400mm(16″)가 된다고 한다.
  한편 디자인 룰(rule)이 작아짐에 따라 웨이퍼의 가공 정밀도가 점점 엄격해진다. 예를 들면 제 1세대 4기가 DRAM에 적용되는 0.13㎛ 다듬질 룰의 프로세 스에서는 SFQR<0.13mm, GBIR<1.6mm의 평탄도가 요구되고 있다. 따라서 ф300mm 이상인 웨이퍼에 대해서는 양면 경면 다듬질(mirror finishing)이 필수이다.
  현재 Si 웨이퍼의 가공은 슬라이싱하고 나서 랩, 에칭 및여러 단의 정밀 연마 프로세스에 의해 이루어진다. 그러한 유리 연마재 가공은 사용하는 입자 지름을 점점 작게 함으로써 목표하는 다듬질면 정밀도를 얻는 것을 기본으로 한다. 따라서 요구 정밀도가 엄격해짐에 따라 보다 다단(多段)에 걸치는 가공 장치 혹은 공정이 필요하고 가공에 드는 소비 에너지도 증대한다.
  또한 이용률이 낮은 점에 더하여 현행 정압(定壓) 가공 방식은 대구경 웨이퍼에 요구되는 평탄도를 충족시 키기가 곤란하다. 반도체 업계에서는 ф300mm Si 웨이퍼에 대해 요구되는 종합적인 면의 성상을 충족시킬 뿐만 아니라 이용률, 세정 공정, 환경 부하라는 여러 문제를 타파하기 위해 종전의 유리 연마재 방식을 대신하여 고정 연마재 방식에 의한 가공 기술의 확립이 요망되고 있다.
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1. 대구경 실리콘 웨이퍼의 가공과 현황
ф200mm 이하의 Si 웨이퍼는 Multi-lapping, Dip Etching, 1장~3장 Polishing에 의해 이루어진다. 수퍼실리콘연구소(SSi)의 阿部 씨 일행은 ф400mm의 Si 웨이퍼를 대상으로 반전식 양면 초정밀 연삭을 실시하여 에치리스(etchless)화를 도모하였다.
 그 기술을 더욱 발전시켜 연성 모드 양면 연삭기를 개발하여 랩 다듬질 및 1차 정밀 연삭 공정을 생략하는데 성공했다.
  이러한 배경하에 1998년 필자가 재직하고 있는 이바라기 대학 공학부를 중심으로 벤처기업 육성형 지역 컨소시엄(위원장 長江田)이 발족되어 ф300mm Si 웨이퍼를 대상으로 「초정밀 가공기계의 핵심기술 개발 연구」가 실시되었다.
  가공 변형을 없애기 위해 고정 치수 제어에 더하여 정압 제어가 가능한 하이브 리드 이송 기구를 개발하여 연성 모드 연삭과 폴리싱 라이크 가공을 통합한 가공 방식을 제안했다. 이 방식에서는 연성 모드 연삭에 의해 슬라이싱 공정에서 생긴 가공 변질층을 제거한 후 정압 기구를 사용하여 폴리싱 라이크의 최종 다듬질 가공으로써 최종 폴리싱까지 포함한 공정의 고정 연마재 화를 시도하였다.
  <그림 2>에서는 #3000 다이아몬드 숫돌을 사용하여 얻은 평탄도를, <그림 3>에서는 다듬질면 거칠기를 각각 나타낸다. 이 측정 결과들에 의하면 평균 거칠기 Ra<1nm, 글로벌 평탄도<0.2㎛/ф300mm로 당초의 연구 목표를 달성할 수 있었다. 그런데 연삭 다듬질을 실시한 후 Si 웨이퍼의 서브 서피스(sub surface)를관찰하니 그림에 나타내는 것처럼 약 100nm~350nm의 가공 변질층이 잔존한다.
  이것은 다이아몬드 숫돌을 사용하여 재료를 기계적으로 제거했기 때문일 것이다. 공구와 공작물의 상호 작용력에 따라 공작물이 탄성 변형 영역, 소성 변형 영역을 거쳐 제거에 이른다. 각각의 영역에서의 재료 제거 메커니즘은 탄성 모드, 연성 모드 및 취성 모드에 대응하고 있다.
  현재의 가공 프로세스에서는 주로 재료 제거 단위를 작게 함으로써 가공 모드를 취성→연성→탄성으로 천이시키는 기법을 적용했다. 본 개발 시스템을 포함하여 소위 초정밀 가공기계는 절입량을 dc값 이하로 제어하여 연성 모드의 가공을 실현하였다. 이 모드에서는 가공면에 크랙이 없으나 이론상으로는 반드시 소성 변형이나 전이 등과 같은 소성 유동을 수반하므로 가공 변질층이 서브 서피스에 형성된다.
  가공 변질층을 완전히 없애려면 폴리싱과 같은 제거 단위를 작게 해서 이른바 탄성 영역의 재료를 제거하는 어프로치가 있다. 한편 재료의 관점에서는 원자를 분리하기 위한 장벽 에너지를 작게 함으로써 보다 작은 작용력으로 재료를 제거할 수 있다. 후자의 가능성에 주목하여 화학작용을 원용한 Chemo- Mechanical-Grinding(CMG)용 숫돌 및 그프로세 스를 개발하였다.
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2. CMG 숫돌의 개발
기대되는 화학반응은 다음과 같은 3종류이다.
 
 ·연마재↔공작물
 ·본드에 함유되어 있는 첨가제↔공작물
 ·냉각재를 포함하는 가공 분위기↔공작물
 
  그래서 필자 일행은 다이아몬드 연마재를 대신하여 Si와 반응성을 가진 연마재(CeO2, SiO2)를 사용하여 숫돌을 시험 제작하고 연삭에 공급하는 냉각 재의 pH를 바꾸어 그 효과를 조사했다. 실험은 <그림 5>와 <표 1>에 나타내는 정압 연삭기를 사용하여 실시했다. 비교하기 위해 슬라이스한 웨이퍼, 시판용 정밀 연마한 웨이퍼, 다이아몬드 연삭한 웨이퍼(연삭 경면, 연삭 소손면)를 사용했다.
  <그림 6>에서는 가공 표면을 관찰하였을 때의 SEM 사진이다. 연삭한 모든 표면에서 연삭 조흔을 볼 수있었다. <그림 7>에서는 각종 시험편의 경도에 대해 조사한 결과를 나타낸다. 폴리싱면이 최소치를 연삭 소손면이 최대치를 나타냈다. CMG면 경도가 다이 아몬드 숫돌에 의한 연삭면보다 낮음을 알수 있다. 특히 pH값이 11일 때가공 경화가 더 낮고 화학 반응으로 인해 재료 제거에 필요한 작용력이 감소하였음을 알 수있다. 그리고 <그림 8>에서는 XPS를 사용하여 Si 웨이퍼 표면의 조성을 해석한 결과를 나타낸다. 폴리싱면에서는 자연 산화 등이 원인으로 작용하여 약간 이지만 SiO2가 관측되었다. 연삭 소손면에는 Si보다도 SiO2성분이 많아졌다. 그에 대해 CMG를 실시한 표면에는 Si : SiO2의 조성비가 가장 폴리싱면에 가깝다. 이 결과 로부터 CMG는 웨이퍼의 표면 산화를 억제하는 효과가 있음을 알수 있다.
  그것들의 표면을 실온에서 HF: HNO3:CH3COOH =9:19:2의 부식 액으로써 30초간 에칭하면 <그림 9>와 같이 된다.
  가공 변형이나 전위가 발생하는 곳에서 선택적으로 에칭되므로 이같은 에치 핏(etch pit)으로서 관찰된다. ⒝폴리싱면에서는 가공 변형이 거의 관찰되지 않으나 ⒜슬라이싱면에서는 무수한 에치 핏이 불규 칙하게 존재한다. 그에 대해 연삭면의 에치 핏이 연삭흠을 따라 발생하는 것이 특징이다. ⒞연삭 경면 에서는 에치 핏이 작으나 그 수가 매우 많다. 그리고 CMG면에서는 거꾸로 에치 핏이 커지고 그 수가 적다. 냉각재의 pH값을 올리면 ⒠와 같이 에치 핏의 수가 더욱 감소한다.
  <그림 9> 중에서 연삭면만 다시 에칭하고 표면에 서부터 깊이 방향으로 에치 핏의 분포를 조사한 것이 <그림 10>이다. 연삭 소손면에서의 가공 변형 (전위)이 15㎛까지 도달해 있음에 대해 CMG 가공 에서는 전위 밀도가 다이아몬드 숫돌 연삭의 1/2~1/3 정도이고 전위 깊이도 1/3 정도이다.
  이상과 같은 점에서 볼 때CMG가 가공 변질층을 경감할 수 있어 Si 웨이퍼 가공의 완전 고정 연마재 화를 가능하게 하는 유효한 방법임을 알 수있다.
  단, CMG에서의 상세한 화학 반응이나 제거 메커니 즘에 관해서는 아직 충분히 해명되고 있지 않는 실정이다. 이 결과들을 토대로 필자 일행이 CeO2,SiO2를 연마재로, Na2CO3, CaCO3를 첨가제로 하여 레진 본드 숫돌<그림 11>을 작성했다. <표 2>에서는 그사양을 나타낸다.
  첨가제의 비율을 조정함으로써 <그림 12>에서 나타 내는 것처럼 알칼리성을 pH값이 9~11의 범위에서 바꿀 수 있었다. 또한 미래 동(銅)배선 패턴의 웨이퍼에 대한 CMP의 고정 연마재화를 관심권에 두고 첨가 제만으로 pH값 3까지의 산성을 부여한 숫돌도 개발 하였다.
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3. 베어 웨이퍼 및 디바이스 웨이퍼의 응용 예
위에서 말한 것처럼 개발한 CeO2연마재의 CMG 숫돌을 베어 웨이퍼의 최종 다듬질 가공에 적용했을 때의 표면을 <그림 13>에 나타낸다. 이 경우의 다듬질면 거칠기 Ra=0.4nm이었다. 그리고 <그림 14>에서는 에칭법에 따른 전위 밀도를 조사한 결과에 대해 나타낸다.
  다이아몬드 숫돌에 비해 CMG 숫돌의 전위 밀도가약 1/30으로 되어 있다.
  또한 <그림 15>에 나타내는 STI 패턴 웨이퍼에 CMG 숫돌을 적용했다. 그 결과를 <그림 16>(Line: Space= 1:3), <그림 17>(Line:Space= 1:10)에 나타 낸다. 그 어느 경우에도 초기에 500nm이었던 SiO2의볼록부가 선택적으로 제거되고 60분 후에는 20nm까지 평활화되었다.
  CMP에서 큰 문제이었던 패턴 의존성이 발견되지 않았다.
  이같이 CMG 기술은 고정 연마재화를 도모하는 과정에서 큰 장해가 되는 가공 변질층이 경감 혹은 생기지 않고 가공할 수 있는 기법으로서 앞으로는 Si 웨이 퍼뿐만 아니라 광학 부품 등 고평탄도를 요하는 대구경 서브 스트레이트(sub straight)에 대한 응용이 크게 기대된다.
  또한 CMG는 고집적 LSI 프로세스에서 빼놓을 수없는 CMP를 대신하는 가공법으로도 주목받고 있다.
  그렇지만 CMP 기술 개발이 아직 발전도상에 있어 제거 능률이나 스크래칭 등 많은 문제를 해결하려면 가공 기계, 공구, 재료 관련 분야의 지원이 필요하다.
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TAG :  대구경  실리콘  웨이퍼  Chemo-Mechanical  Grinding
 
 
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