KR101016237B1

KR101016237B1 - 전해연마의 종료시점 결정방법

Info

Publication number: KR101016237B1
Application number: KR1020080064362A
Authority: KR
Inventors: 이재호; 이석이
Original assignee: 홍익대학교 산학협력단
Priority date: 2008-07-03
Filing date: 2008-07-03
Publication date: 2011-02-25
Also published as: KR20100004274A

Abstract

본 발명은 전해연마 공정에 있어, 정확한 종료시점을 예측하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전해연마 과정시의 양극과 음극 양단간의 전위차를 측정하여 그 값이 변화하는 시점을 전위차의 변화 예측치와 비교함으로써 최적화된 연마량, 즉 전해연마의 종료시점을 결정하거나 예측하는 방법을 제공한다. 이로써 전해연마 과정시에 금속의 용해에 따라 발생되는 색상변화 등을 시각적으로 파악하여 그 종료시점을 판단해야 하는 불편함과 불안정성을 제거하고, 과-전해연마 현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.

전해연마 종료시점, 전위차, 양극, 음극

Description

전해연마의 종료시점 결정방법{Determining Method of the end point of electropolishing}

본 발명은 전해연마 공정에 있어, 정확한 종료시점을 예측하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전해연마 과정시의 양극과 음극 양단간의 전위차를 측정하여 그 값이 변화하는 시점을 전위차의 변화 예측치와 비교함으로써 최적화된 연마량, 즉 전해연마의 종료시점을 결정하거나 예측하는 방법을 제공한다.

전해연마(electropolishing)란 전기도금의 반대개념으로서, 피연마체를 양극(anode)으로 하여 전해액 중에서 통전하면 양극인 피연마체의 용출작용에 의해 연마효과가 나도록 하는 공정을 말한다.

보다 구체적으로 말하면, 양극(anode)의 용해현상을 이용해서 금속의 표면을 거울면화 하는 것으로서, 평활화(leveling or smoothing)와 광택화(brightening)가 동시에 일어나도록 하는 연마의 한 종류이다. 이러한 전해연마의 원리는 특정한 전해액중에서 연마하고자 하는 제품을 양극(anode)으로 연결하고, 연마에 적합한 조건하에서 특수한 양극합금 또는 금속의 용출이 일어나게 하여, 양극 표면의 돌출부를 선택적으로 용해시킴으로써 제품의 표면을 평활화 및 광택화하는 것이다.

이러한 전해연마기술은 반도체 제조장치와 초고진공 장치 등에 고순도의 고진공이 필요한 경우, 원자력 등의 중요 부위의 내식성 향상이 목적인 경우, 의약품 제조장치의 청정화, 내식성, 서스(sus, 스테인레스)로부터의 이온 용출 제어가 목적인 경우, 의약기기 관련 제균효과나 감염을 방지하고자 하는 경우 등에 사용되고 있다.

전해연마를 사용하는 경우 가공되는 피연마체의 표면에 가공경화층을 생성하지 아니하므로 잔류응력이 발생되지 않으며, 전해과정에서 표면에 붙어 있는 불순물이 제거되고 부동태화 피막이 형성됨으로써 내부식성이 좋아지고, 전기적인 작용이므로 형상에 구애받지 않고 표면연마를 수행할 수 있으며, 타 연마방법에 비해서 가공표면이 더 평활하고 높은 광택성을 보이는 장점이 있다. 다만, 전해연마는 이를 실시하기 전에 기계적 연마로 표면을 미리 평활하게 가공해야 하는 경우가 발생될 수 있으며, 이는 요철이 큰 조건에서는 연마효과가 낮기 때문이다.

이러한 전해연마의 우수성에도 불구하고, 전해연마의 이용에 제약이 있는 점은 전해연마의 종료시점을 예측하는 것이 어렵다는 데에 있다. 즉, 전해연마의 종료시점을 제대로 예측하지 못하면 과전해연마 되거나 또는 전해연마가 미진하게 되는 결과를 초래하는 바, 이는 전해연마 시점의 측정을 단순히 시각적인 요소에 의존하기 때문이다.

예를 들어 구리를 전해연마하는 경우에는 연마되어 용출되는 구리의 고유색상(붉은색 계열)의 농도에 의해 판단하여야 하는데, 이는 전해연마가 필요한 정도(양)에 따라 그 구리가 용출되어 나온 전해액의 농도가 다르며, 그러한 색상의 농 도를 특정하여 표준화하기 어렵고, 또한 농도를 시각에 의존하여 정하기 때문에 공정 수행자들 간에 판단기준이 상이하여 재현성을 유지하기 어렵다는 문제점이 있었다.

또한, 위와 같이 전해연마 종료시점을 예측하는데 있어서 전해액의 농도를 시각에 의존하여 결정하는 경우, 전해연마가 제대로 진행되었는지의 여부를 확인하기 위하여 일일이 전자현미경 등으로 그 표면상태를 반복적으로 측정해야하는 등 공정상 어려움이 발생된다.

이에, 본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 전해연마의 종료시점을 결정하는데 있어 연마공정 중 음극과 피연마체인 양극 양단간에 걸리는 전위차의 변화를 이용함으로써, 소기의 전해연마량을 세밀하게 조절하여 그 종료시점을 정확히 결정할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

따라서 본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여, 전해연마과정에 있어서,

피연마체인 양극과, 음극간에 전압계를 연결하는 단계와; 상기 연결된 전압계로부터 전위차의 변화를 측정하는 단계;로 구성되어, 전위차의 변화예측치에 대응되는 전위차의 변화가 감지되는 경우 전해연마를 종료하는 전해연마 종료시점의 결정방법을 제공한다.

여기서, 상기 전위차의 변화를 측정하는 단계 이후에, 상기 전위차의 변화에 따른 신호를 수신하여 이로부터 그래프를 산출하는 그래프화 단계;를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.

피연마체인 양극과 음극간의 전위차의 변화를 감지해냄으로써 전해연마량을 세밀하게 조절하여 그 종료시점을 정확히 결정할 수 있다.

전해연마의 종료시점 또는 전해연마정도를 확정하기 위하여 수행되는 반복적인 측정과정을 생략함으로써 공정경제를 이룩할 수 있다.

또한, 전해연마를 수행함에 있어, 전해연마의 종료시점 또는 연마정도를 재현성있게 구현할 수 있다.

이하에서는 바람직한 실시예와 도면을 참고로 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

참고로, 본 발명에 의한 전해연마의 종료시점을 예측하는 방법은 모든 양극과 음극간의 전위차의 변화가 급격히 또는 완만히 발생할 수 있는 경우라면 모든 전해연마 공정에서 적용가능하나, 여기서는 일 실시예로서 3차원 SiP의 관통형 비아와 범프를 제조하는 공정에서 사용된 전해연마공정에 기반하여 설명하기로 한다.

SiP 기술은 시스템 인 패키지(system in package)의 약자로서, 전자부품소자의 미세화 고밀도화를 구현하기 위하여 새로이 도입된 패키지 기술인바, 이러한 SiP 기술은 그 공정의 차이에 따라서 수평형 구조(Horizontal placement), 적층형 구조(Stacked structure), 임베디드 구조(Embedded structure) 등으로 나눌 수 있는데, 본 실시예에서는 적층형 구조(stacked structure)중에 관통형 비아 구조(through via type)에 대한 기술을 채택하였다.

이하에서는 이러한 관통형 비아 구조와 관련하여 비아충전 공정에서부터 전해연마 종료시점을 예측하기 위한 방법에 이르기까지의 공정례를 소개하기로 한다.

<공정례 1> 비아 충전 공정

P형(P-type)(100) 실리콘웨이퍼(Si wafer)에 DRIE(Deep Reactive Ion Etching)법으로 깊이 170~190㎛, 직경 50㎛의 약 3.5:1의 종횡비를 가지는 비아(via)와 깊이 100㎛, 직경 20㎛의 약 5:1의 종횡비를 가지는 비아(via)를 형성시킨 후 IMP(Ionized metal plasma)의 방법을 이용하여 확산 방지층으로 탈륨층(Ta layer, 200㎚)과 씨앗(seed) 층으로 구리(Cu, 700㎚)가 증착된 시편을 사용하여 첨가제, 전류인가방식, 펄스-역펄스 전류에서 환원전류밀도와 산화전류밀도의 비에 따른 비아 충전(via filling)에 대해 실험하였다. 첨가제는 염소음이온(Cl^-), PEG, SPS, JGB등이 이용되었다. 전류 인가 방식은 직류전류(direct current), 펄스전류 (pulse current), 펄스-역펄스전류(pulse-reverse current)가 이용되었다. 모든 비아(via) 시편은 5%의 농도를 갖는 황산 용액에서 전처리를 하고 도금을 실시하였다.

<공정례 2> 전해연마 공정

구리 비아 충전(Cu via filling)된 시편은 전해액의 종류 또는 농도를 변화시키면서 전해연마(electropolishing)를 실시하였다. 전해액으로는 5% HNO₃, 85% H₃PO₄, 50% H₃PO₄, 가속제로는 시트르산(citric acid), 억제제로는 글리세 롤(glycerol)을 사용하였다. 전류밀도는 100mA/cm²로 고정하였고 공정 진행중 음극과 양극간 시간에 따른 전위차를 측정하였다. 이를 토대로 연마(polishing) 완결 시간을 정확히 판단할 수 있었다. 도 1에서는 본 발명에 의한 전해연마 종료시점을 예측하기 위한 전위차 측정방법을 나타내는 모식도를 나타내었다.

표면에 전해도금 된 구리(Cu)층이 다 연마되고 확산 방지층인 탈륨(Ta) 표면이 나타나 음극과 양극간 전위차의 상승이 급격하게 일어나는 시점까지 연마공정을 진행하였다. 그 시간은 시편에 따라 다소 차이가 있지만 평균적으로 5분 전후에서 전해연마(electropolishing)가 완료된다. 음극으로는 압연 가공한 구리(Cu) 평판을 사용하였다. 또한 첨가제에 따른 전위 변화를 측정하기 위해 50% H₃PO₄에 첨가제를 변화시켜가며 정전압-정전류 측정장비(potentiostat)로 정전류(galvanostatic)를 측정하였다. 전류밀도는 100㎃/㎠로 하였으며, 120초 동안 측정하였다.

전해연마 시 종료시점은 표면의 구리가 용해됨에 따라 색상 변화를 일으키나 산소의 발생 등으로 시각적인 종료시점의 판단이 과-전해연마 현상을 유발할 수 있으므로, 음극과 양극의 전위차를 측정하여 종료점을 예측하였다. 표면의 구리가 모두 전해연마됨에 따라 표면에 전도도가 낮은 탈륨(Ta) 및/또는 탈륨산화물(Ta₂O₅)만 남게되어 저항이 증가하므로 양단간의 전위차가 증가하게 된다. 전해연마를 진행 하면서 음극과 양극간의 전위차를 측정한 결과는 도 2와 같다.

전해연마의 종료점에서 전위차가 급격히 상승함을 알수 있는데, 50㎛ 비아 시편의 경우 약 280초에서, 20㎛ 비아 시편의 경우 약 240초에서 음극과 양극간 전위차의 급격한 증가가 일어난다. 이는 전해도금된 구리층과 확산방지층인 탈륨층이 음극으로 사용된 구리 도금과의 전위차가 다르기 때문에 전해도금된 구리층이 모두 산화되어 제거되고 그 밑에 있는 탈륨층이 시편 표면에 드러나면서 나온 결과이다. 따라서 전위의 급격한 증가가 일어나는 시점을 전해도금된 구리층의 전해연마가 완료된 시점이라 판단하고 실험을 진행하였고 시편의 단면 SEM사진을 통해 이에 부합하는 결과를 얻을 수 있었다.

전위의 급격한 증가가 일어나는 시점에서 전해연마 공정을 종료하면 도 3(a)와 같이 과도금(overplating)된 높이까지만 연마가 이루어진다. 전위의 급격한 증가가 일어나는 시점을 지나 공정을 더 진행한 결과 비아 내부까지 전해도금된 구리가 산화되어 제거되었다. 도 3(b)는 20㎛ 비아 시편을 약 300초까지 전해연마한 후 관찰한 단면사진으로서 전위차의 변화가 발생된 후 일정시간 이후까지 계속하여 전해연마를 실시한 결과 비아 내부까지 전해도금된 구리가 제거되었음을 알 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 위와 같은 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위를 기초로 해석되어야 할 것이다. 즉, 전해연마의 종료시점을 결정하는데 있어서 비아의 크기와 전류밀도 값 등은 실시예에 기재된 것에 한정되지 않는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 본 발명에 의한 전해연마 종료시점을 예측하기 위한 전위차 측정방법을 나타내는 모식도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 전해연마 공정 동안의 전극전위 변화를 나타내는 그래프이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의하여 전해연마한 후 나타낸 연마시간에 따른 직경 20㎛ 비아의 단면도 사진이다.

Claims

전해연마과정에 있어서,

피연마체인 양극과, 음극간에 전압계를 연결하는 단계와;

상기 연결된 전압계로부터 전위차의 변화를 측정하는 단계;

로 구성되어, 전위차의 변화예측치에 대응되는 전위차의 변화가 감지되는 경우 전해연마를 종료하도록 하되,

피연마체를 제조함에 있어서, 씨앗층으로 구리 700nm 두께로 하고, 그 위에 확산 방지층으로 탈륨층을 200nm 두께로 하여 증착하는 단계;를 더 포함하며 이로부터 종횡비가 3.5 : 1 또는 5 : 1이 되도록 비아(via)를 각각 형성시키며, 상기 각 비아가 280초와 240초의 전해연마시간이 소요되도록 하는 것을 특징으로 하는 전해연마 종료시점의 결정방법.
제 1 항에 있어서,

상기 전위차의 변화를 측정하는 단계 이후에,

상기 전위차의 변화에 따른 신호를 수신하여 이로부터 그래프를 산출하는 그래프화 단계;

를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전해연마 종료시점의 결정방법.