Effect of Surface Roughness of Sapphire Wafer on Chemical Mechanical Polishing after Lap-Grinding

DOI https://doi.org/10.9725/kts.2019.35.6.323

랩그라인딩 후 사파이어 웨이퍼의 표면거칠기가 화학기계적 연마에 미치는 영향

서준영¹ㆍ이현섭^2†

1

동명대학교 대학원 기계시스템공학과 석사과정생

2

동명대학교 기계공학부 조교수

Effect of Surface Roughness of Sapphire Wafer on Chemical Mechanical Polishing after Lap-Grinding

Junyoung Seo

and Hyunseop Lee

1

Master Student, Department of Mechanical System Engineering, Tongmyong University

2

Assistant Professor, School of Mechanical Engineering, Tongmyong University (Received November 8, 2019 ; Revised November 15, 2019 ; Accepted November 18, 2019)

Abstract − Sapphire is currently used as a substrate material for blue light-emitting diodes (LEDs). The market for sapphire substrates has expanded rapidly as the use of LEDs has extended into various industries. However, sapphire is classified as one of the most difficult materials to machine due to its hardness and brittleness.

Recently, a lap-grinding process has been developed to combine the lapping and diamond mechanical polishing (DMP) steps in a single process. This paper studies, the effect of wafer surface roughness on the chemical mechanical polishing (CMP) process by pressure and abrasive concentration in the lap-grinding process of a sap- phire wafer. In this experiment, the surface roughness of a sapphire wafer is measured after lap-grinding by vary- ing the pressure and abrasive concentration of the slurry. CMP is carried out under pressure conditions of 4.27 psi, a plate rotation speed of 103 rpm, head rotation speed of 97 rpm, and slurry flow rate of 170 ml/min. The abrasive concentration of the CMP slurry was 20wt, implying that the higher the surface roughness after lap- grinding, the higher the material removal rate (MRR) in the CMP. This is likely due to the real contact area and actual contact pressure between the rough wafer and polishing pad during the CMP. In addition, wafers with low surface roughness after lap-grinding show lower surface roughness values in CMP processes than wafers with high surface roughness values; therefore, further research is needed to obtain sufficient surface roughness before performing CMP processes.

Keywords − sapphire wafer(사파이어 웨이퍼), lap-grinding(랩그라인딩), chemical mechanical polishing(화학 기계적연마), surface roughness(표면거칠기)

1. 서 론

1962 년 Holonyak와 Bevacqua[1]가 GaAsP를 이용하 여 적색 발광다이오드(light emitting diode; LED)를 구

†

Corresponding author: [email protected] Tel: +82-51-629-1597, Fax: +82-51-629-1419 http://orcid.org/0000-0003-4717-3147

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현하면서 최초로 가시광 LED가 알려지기 시작했다. 그 후, GaP를 이용한 적색과 녹색 LED와 사파이어(sapphire) 를 사용한 청색 LED가 처음 개발되면서 빛의 LED를 통 해 빛의 3원색을 구현할 수 있게 되었다. 이에 따라 LED 의 활용 분야가 산업 전반적으로 확대되어 사파이어 기 판 시장이 급격하게 팽창하게 되면서 수요가 증가하게 되었다[2-4]. 사파이어는 모스 경도(Mohs hardness) 9로 분류되며 다이아몬드 다음으로 가장 단단한 물질이라고 알려져 있어 웨이퍼링(waferring) 과정에 많은 시간과 비 용을 필요로 한다.

사파이어 웨이퍼링(wafering) 시 잉곳(ingot)으로 성장 된 사파이어는 멀티와이어쏘(multi-wire saw; MWS) 공 정에서 웨이퍼(wafer) 형태로 절단한다. 이후 절단하는 과 정에서 생겨난 웨이퍼 표면의 쏘막을 제거하기 위해 랩 핑 (lapping) 공정과 다이아몬드 기계연마(diamond me- chanical polishing; DMP) 공정을 거친 후 웨이퍼 표면 의 표면거칠기(surface roughness)를 확보하기 위한 화학 기계적 연마(chemical mechanical polishing; CMP) 공 정이 이루어진다. 이와 같이 사파이어의 웨이퍼링 과정 은 많은 기계 가공 공정을 포함하고 있다. 이에 따라 웨 이퍼링 과정을 단축하여 사파이어 웨이퍼의 생산 효율을 증대시키기 위해 양면 랩핑 공정과 다이아몬드 기계연 마 공정을 하나의 공정으로 대체하고자 랩그라인딩(lap- grinding) 공정이 새롭게 개발되어 연구가 진행 중이다[5,6].

랩그라인딩 공정이란 고정입자를 지닌 팰렛(pellet)이 부착된 정반에 웨이퍼를 가압하는 가운데 회전하는 웨 이퍼와 정반의 상대속도를 통해 웨이퍼의 표면 단차를 감소시키고 적절한 두께 편차를 확보하기 위한 재료 제 거 공정이다. 팰렛은 연마 입자(다이아몬드)와 금속 분 말을 혼합하여 직육면체 형태로 만들어지며 연마 정반 에 부착된다.

Seo 등[7]은 랩그라인딩 공정에 있어 CMP-ready 표면 확보를 위해 슬러리(slurry)를 공급하여 팰렛의 고정입자 와 슬러리의 자유입자를 동시에 이용하여 공정 효율을 향상시키고자 하였다. 그들은 랩그라인딩 공정에서 자유 입자를 적정량(20wt%) 공급할 경우 사파이어의 표면거 칠기 감소량을 크게 향상시킬 수 있음을 발견하였다.

CMP 공정은 반도체로 사용되는 기판의 광역평탄화 (global planarization) 기법으로 널리 사용되고 있으며, CMP 장치는 크게 연마헤드와 정반, 컨디셔닝(conditioning) 장 치, 슬러리 공급 장치로 이루어져 있다[8]. CMP는 연마 패드(polishing pad) 위로 연마입자와 화학액이 포함된 슬러리를 공급하면서 회전하는 연마헤드에 장착된 웨이 퍼를 회전하는 연마패드 위로 가압하며 웨이퍼 표면을

평탄화시키는 기술이다[9]. CMP 공정 중 컨디셔닝 장치 는 패드에 형성된 포어(pore)의 눈막힘(loading) 현상을 방 지하고 패드로부터 연마 부산물을 제거하는 역할을 한다.

사파이어 웨이퍼링 공정에서 전 단계 공정의 결과는 후속 공정결과에 영향을 미치는 것으로 알려져 있지만, 이에 관한 연구는 많이 이루어지고 있지 않은 실정이다.

본 연구에서는 Seo 등[7]의 연구에 기반하여 사파이어 웨 이퍼링 공정 중 랩그라인딩 공정과 CMP 공정을 연계하 였을 때 랩그라인 시 사파이어 웨이퍼의 표면 거칠기가 CMP 후 재료제거율(material removal rate; MRR)과 표 면 거칠기 변화에 미치는 영향에 관하여 알아보고자 한다.

2. 연구방법 및 내용

본 실험에서는 랩그라인딩과 CMP 연계 공정에서 랩 그라인딩 공정 조건 중 압력의 변화와 콜로이달 실리카 (colloidal silica) 입자의 함량(abrasive concentration)을 변수로 택하였다. 각 변수에 따른 랩그라인딩 후 사파이 어 웨이퍼 표면거칠기에 따라 후속 공정인 CMP의 MRR 과 표면 거칠기 변화에 대하여 알아보았다.

랩그라인딩 공정에서 사용한 정반에는 Fig. 1(a)와 같 이 팰렛이 부착되어 있으며, 팰렛은 고정입자인 다이아 몬드를 포함하고 있다. 여기서, 팰렛의 고정입자 메쉬 (mesh) 는 #600을 사용하였다. 그리고 CMP 공정에서 사 용한 패드는 SUBA600 패드를 사용하였다(Fig. 1(b)).

실험에는 멀티와이어쏘 공정까지 완료된 사파이어 웨 이퍼를 사용하였다. 멀티와이어쏘 공정 후 웨이퍼의 표면 거칠기(Ra) 는 1.16±0.7 µm이며 두께는 평균 792.6 µm이 다. 랩그라인딩 및 연마 장치는 각각 G&P Technology 사의 POLI-500 (Fig. 2)을 활용하였다.

2-1. 랩그라인딩 실험 조건

랩그라인딩 실험에서 압력 조건과 슬러리의 콜로이달 실리카 입자 함량 조건을 변수로 채택하였으며, 압력은

Fig. 1. (a) pellets and platen for lap grinding and (b)

polishing pad (SUBA600) for CMP.

1.5~4.4 psi, 슬러리의 실리카 입자 함량은 0~40 wt%으로 변화시켰다. 하정반의 회전속도는 103 rpm, 헤드의 회전 속도는 97 rpm, 슬러리의 유량은 300 mL/min, 랩그라인 딩 공정 시간은 300초 동안 진행하였다. Table 1은 랩그 라인딩 실험 조건을 보여주고 있다.

2-2. CMP 실험 조건

CMP 전 사파이어 웨이퍼의 표면거칠기는 랩그라인딩 의 가공조건에 따라 달라진다. 본 연구에서는 랩그라인딩 공정에서 압력 조건과 슬러리의 콜로이달 실리카 입자 함 량 조건에 따른 표면거칠기가 후속 CMP 공정에 미치는 영향에 관하여 연구하였다. Table 2는 CMP 실험 조건을 보여준다.

2-3. 웨이퍼 측정

웨이퍼의 MRR은 디지털 정밀저울을 이용하여 가공 전과 후의 무게를 측정하여 분당 제거된 무게를 계산하 였다.

사파이어 웨이퍼의 표면 거칠기는 Zygo사의 NewView

7300 을 이용하여 측정하였다. 표면거칠기의 측정은 Fig.

3 과 같이 웨이퍼의 9개 영역을 지정하여 실시하였다.

3. 결과 및 고찰

3-1. 랩그라인딩 압력이 후속 CMP 공정에 미치는 영향

사파이어 랩그라인딩에서 압력 조건에 따른 표면거칠기 의 변화를 확인하기 위하여 입자 함량 20 wt%인 슬러리 를 공급해 주며 웨이퍼에 가해지는 압력을 1.5 psi, 2.9 psi, 4.4 psi 로 변화시켰다. 실험 중 정반과 헤드의 회전 조건은 Table 1과 같다.

Fig. 4 는 랩그라인딩 압력에 따른 평균 표면거칠기의 변화를 보여주고 있다. 사용된 사파이어 웨이퍼의 평균 표면거칠기는 1.16 µm였다. 랩그라인딩 공정에서 압력이 높아지는 경우 표면거칠기는 개선되는 것으로 보인다.

1.5 psi 의 압력으로 300초 동안 랩그라인딩 공정을 진행 한 경우 사파이어 웨이퍼의 표면거칠기는 199.8 nm였으 며, 2.9 psi의 압력으로 가공할 경우 154.5 nm의 표면거 칠기를 보인다. 압력 4.4 psi의 경우는 랩그라인딩 후 사 파이어 웨이퍼의 표면거칠기가 148.9 nm까지 감소하였다.

실험에 사용된 랩그라인딩 사파이어 웨이퍼는 멀티와 이어쏘 공정에 의해 쏘막(saw mark)이 형성되어 있다 (Fig. 5). 랩그라인딩에서의 높은 가공 압력은 웨이퍼의 쏘막을 빠르게 제거하여 표면거칠기를 향상시키는 것으 로 보인다.

Fig. 6 은 랩그라인딩 된 사파이어 웨이퍼의 평균 표면 Fig. 2. Polishing system (POLI-500, G&P Technology).

Table 1. Experimental conditions for lap-grinding Parameters Conditions Velocity of platen 103 rpm

Velocity of head 97 rpm Pressure 1.5~4.4 psi Flow rate 300 mL/min Silica concentration in DIW 0~40 wt%

Processing time 300 sec

Table 2. Experimental conditions for CMP Parameters Conditions Velocity of platen 103 rpm

Velocity of head 97 rpm Pressure 4.27 psi Flow rate 170 mL/min Silica concentration in slurry 20 wt%

Processing time 1800 sec Fig. 3. Measurement positions on sapph.

거칠기에 따른 후속 CMP 공정의 MRR을 보여준다.

Fig. 6 의 결과에 따르면 랩그라인딩 후 웨이퍼의 표면거 칠기 값이 높을수록 CMP 공정에서 높은 MRR을 보임 을 알 수 있다. 1.5 psi의 압력으로 랩그라인딩을 진행한

후 199.8 nm의 표면거칠기를 가지는 웨이퍼는 CMP에서 1.98 mg/min 의 MRR을 보인다. 2.9 psi의 랩그라인딩 압 력을 통해 154.5 nm의 표면거칠기를 가지는 웨이퍼는 CMP 에서 1.94 mg/min의 MRR을 보인다. 랩그라인딩 후 가장 낮은 표면거칠기(148.9 nm)를 보였던 웨이퍼는 CMP 시 1.89 mg/min의 가장 낮은 MRR을 보였다. 이러 한 현상은 CMP 시 표면거칠기에 의하여 웨이퍼와 연마 패드 사이의 실접촉면적 (real contact area) 차이에 따라 발생하는 실접촉 압력 (real contact pressure)에 따른 영 향으로 생각된다.

Fig. 7 은 랩그라인딩 후 사파이어 웨이퍼의 평균 표면 거칠기와 CMP 후 평균 표면거칠기의 관계를 보여준다.

랩그라인딩 시 압력조건 1.5 psi, 2.9 psi, 4.4 psi로 가공 한 사파이어 웨이퍼는 CMP 후 각각 39.5 nm, 31.5 nm, 27.4 nm 의 평균 표면거칠기를 보인다. 비록 CMP 전 높 은 표면거칠기를 가진 웨이퍼가 CMP 공정에서 높은 MRR 을 보이지만, 랩그라인딩을 통해 충분히 낮은 표면 거칠기를 확보한 경우 CMP 시 낮은 MRR에도 불구하 고 효과적으로 표면거칠기를 확보할 수 있을 것으로 보 인다. Fig. 8은 압력 조건에 따라 랩그라인딩 된 사파이 어 웨이퍼의 CMP 후 표면을 보여 준다.

3-2. 랩그라인딩에서 슬러리 입자 함량이 후속 CMP 공정에 미치는 영향

본 연구에서는 랩그라인딩 공정의 압력을 2.9 psi로 고 정하고, 초순수와 희석된 슬러리의 실리카 입자 함량을 각각 0 wt%, 10 wt%, 20 wt%, 40 wt%로 변화시키며 랩그라인딩 실험을 실시한 후 MRR과 표면거칠기를 측 정하였다. 사전 연구[7]를 통해 랩그라인딩 공정에서 자 Fig. 4. Average surface roughness (Ra) of sapphire wafer

after lap-grinding with various pressure conditions.

Fig. 5. 3D surface profile of sapphire wafer after multi- wire saw.

Fig. 6. MRR of CMP as a function of surface roughness after lap-grinding with various pressure conditions.

Fig. 7. Average surface roughness (Ra) after CMP as a

function of surface roughness after lap-grinding with

various pressure conditions.

유입자의 공급이 사파이어 웨이퍼의 표면거칠기를 개선 한다는 것을 확인하였다. 이러한 현상은 팰렛의 고정입 자(다이아몬드)와 슬러리의 형태로 공급되는 자유입자 ( 콜로이달 실리카)가 동시에 재료제거에 참여하여 고정 입자에 의한 MRR의 확보와 자유입자에 의한 표면거칠 기의 확보가 동시에 가능하기 때문으로 보인다. Fig. 9의 결과에 따르면 랩그라인딩 시 연마 입자의 함량이 20 w%까지 증가할 때 사파이어 웨이퍼의 평균 표면거칠기 는 감소함을 알 수 있다. 그러나 20% 이상의 연마 입자 함량에서는 표면거칠기가 다소 증가하는 경향을 보인다.

Seo 등[7]은 이런 현상의 원인을 입자 함량이 과도하게 증가할 경우 재료제거에 있어 자유입자가 팰렛 고정입 자의 참여를 방해하기 때문으로 해석하고 있다.

랩그라인딩에서 슬러리 입자 함량이 후속으로 진행되 는 CMP 결과에 미치는 영향을 확인하기 위해 다양한 슬 러리 입자 함량 조건으로 랩그라인딩 된 사파이어 웨이 퍼를 사용하여 동일 조건 하에서 CMP 공정을 진행하였

다. CMP 공정의 조건은 Table 2와 같다.

Fig. 10 은 랩그라인딩 후 웨이퍼 평균 표면거칠기와 CMP 에서의 MRR의 관계를 보여준다. 실험을 통해 랩그 라인딩 후 표면거칠기가 낮을수록 CMP 시 낮은 MRR 을 보임을 알 수 있다. 이는 앞서 3.1절에서 언급한 바 와 같이 CMP 시의 실접촉면적과 실접촉압력과 관련 있 어 보인다. 0 wt%, 10 wt%, 20 wt%, 40 wt%의 입자 함 량 조건에서 랩그라인딩 후 CMP를 진행할 경우 각각 2.11 mg/min, 2.01 mg/min, 1.95 mg/min, 1.94 mg/min의 MRR을 보였다.

Fig. 11은 랩그라인딩 후 웨이퍼 평균 표면거칠기와 CMP 후의 평균 표면거칠기의 관계를 보여준다. 랩그라 인딩 시 자유입자가 포함되지 않아(0 wt% @ lap-grinding) Fig. 8. 3D surface profile of sapphire wafers in CMP

after lap-grinding with various pressure conditions; (a) 1.5 psi (Ra 39.3 nm), (b) 2.9 psi (Ra 32.0 nm), and (c) 4.4 psi (27.4 nm).

Fig. 9. Average surface roughness (Ra) of sapphire wafer after lap-grinding with various abrasive concen- trations.

Fig. 10. MRR of CMP as a function of surface roughness

(Ra) after lap-grinding with various abrasive concen-

trations.

높은 표면거칠기(216.5 nm)를 가지는 가지는 웨이퍼의 경 우 CMP 시 높은 MRR(2.11 mg/min)에도 불구하고 CMP 후 높은 표면거칠기(45.0 nm)를 보인다. 반면, 랩그라인 딩 후 가장 낮은 표면거칠기를 보였던 입자 함량 20 wt%

조건에서는 후속 CMP 공정에서 MRR(1.94 mg/min)은 낮지만 CMP 후 표면거칠기는 가장 낮은 값(31.5 nm)을 보이고 있다.

Fig. 12 는 연마 입자 함량에 따른 랩그라인딩 후 CMP 공정을 거친 사파이어 웨이퍼의 표면을 보여주고 있다.

본 연구에서는 사파이어 웨이퍼의 랩그라인딩 공정에 서의 표면거칠기가 후속 공정인 CMP에 영향을 미침을 실험적 접근을 통해 확인하였다. 연구를 통하여 웨이퍼 링 단계의 최종 기계 가공 공정인 CMP에서 표면거칠기 확보를 위해서는 사파이어 랩그라인딩 단계에서의 충분 한 표면거칠기의 확보가 요구되며 이에 대한 추가 연구 가 필요할 것으로 보인다.

4. 결 론

본 논문에서는 사파이어 웨이퍼링 공정에서 랩그라인 딩 공정의 압력과 자유입자(콜로이달 실리카)의 함량에 따른 웨이퍼 표면거칠기의 변화가 후속 CMP 공정에 미 치는 영향에 관하여 연구하였다.

랩그라인딩 공정에서 압력은 웨이퍼의 표면거칠기에 영향을 미치며 압력이 증가할수록 낮은 표면거칠기 값 을 획득할 수 있다. 또한 랩그라인딩 공정 중 자유입자 의 첨가를 통해 웨이퍼의 표면거칠기를 감소시킬 수 있 음을 실험적으로 확인하였다. 랩그라인딩의 후속으로 진 행되는 CMP에서 동일한 가공 조건을 적용 시, 랩그라

인딩 후 표면거칠기가 높을수록 CMP에서 높은 MRR을 보였다. 이는 CMP 시 거친 웨이퍼 표면과 연마패드 사 이의 실적촉면적과 실접촉압력의 영향으로 보인다. 또 한, 랩그라인딩 시 낮은 표면거칠기를 가지는 웨이퍼는 CMP 단계에서의 낮은 MRR에도 불구하고 높은 표면거 칠기 값을 가진 웨이퍼의 경우보다 양호한 표면거칠기 값을 보인다. 이러한 실험 결과는 사파이어 웨이퍼링 단 계 중 CMP 전 단계에서 충분히 웨이퍼의 표면거칠기를 낮출 필요성이 있음을 보여준다. 따라서 사파이어 랩그 Fig. 11. Average surface roughness (Ra) after CMP as

a function of surface roughness after lap-grinding with various abrasive concentrations.

Fig. 12. 3D surface profile of sapphire wafers in CMP after lap-grinding with various abrasive concentrations;

(a) 0 wt% (Ra 49.2 nm), (b) 10 wt% (Ra 39.9 nm), (c)

20 wt% (Ra 27.5 nm) and (d) 40 wt% (Ra 33.8 nm).

라인딩 시 충분한 표면거칠기를 확보하기 위해 다양한 거칠기 파라미터를 기준으로 한 추가 연구가 필요할 것 으로 생각된다.

Acknowledgements

본 연구는 2018년도 한국연구재단(NRF-2018R1D1A1B 07043169) 의 지원 및 2019년도 BB21+사업의 지원을 받 아 수행한 연구임.

References

[1] Holonyak, N. Jr., Bevacqua, S. F., ‘‘Coherent (visi- ble) light emission from Ga(As

P

) junctions,’’ Appl.

Phys. Lett., Vol.1, pp.82-83, 1962.

[2] Lee, H., Lee, H., Jeong, H., Choi, H., Lee, Y., Jeong, M., Jeong, H., “Macroscopic and microscopic investi- gation on chemical mechanical polishing of sapphire wafer,” J. Nanosci. Nanotechnol., Vol.12, No.2, pp.1256- 1259, 2012.

[3] Zhu, H., Tessaroto, L. A., Sabia, R., Greenhut, V.

A., Smith, M., Niesz, D., E., “Chemical mechanical polishing (CMP) anisotropy in sapphire,” Appl. Surf. Sci., Vol.236, Issues 1-4, pp.120-130, 2004.

[4] Lee, H., Sung, I. -H., “Chemical Mechanical Polish- ing : A Selective Review of R&D Trends in Abra- sive Particle Behaviors and Wafer Materials,” Tribol.

Lubr., Vol.35, No.5, pp.274-285, 2019, https://doi.

org/10.9725/kts.2019.35.5.274

[5] Kim, D., Kim, J., Lee, H., “Characteristics of Heat Transfer in DLG Platen According to Flow Rate of Coolant,” J. Korean Soc. Tribol. Eng., Vol.32, No.2, pp.50-55, 2016, https://doi.org/10.9725/kstle.2016.32.

2.50

[6] Lee, H., Lee, T., “Material Removal Model of Lap Grinding for Sapphire Substrate Based on Rough- ness Parameters,” Mater. Sci. Forum, Vol.90, pp.384- 387, 2017.

[7] Seo, J., Kim, T., Lee, H., “Effect of Free Abrasives on Material Removal in Lap Grinding of Sapphire Substrate,” Tribol. Lubr., Vol.34, No.6, pp. 209-216, 2018, https://doi.org/10.9725/kts.2018.34.6.209 [8] Lee, H., “Tribology Research Trends in Chemical

Mechanical Polishing (CMP) Process,” Tribol. Lubr., Vol.34, No.3, pp.115-122, 2018, https://doi.org/10.9725/

kts.2018.34.3.115

[9] Lee, H., “Semi-empirical Material Removal Model with Modofied Real Contact Area for CMP,” Int. J.

Precis. Eng. Manuf., Vol.20, No.8, pp.1325-1332, 2019.