KR101097178B1 - 나노 다이아몬드를 포함하는 표면 연마제 제조 방법 및 이 방법에 의해 제조된 연마제, 그리고 이 연마제를 이용한 연마 방법 - Google Patents

나노 다이아몬드를 포함하는 표면 연마제 제조 방법 및 이 방법에 의해 제조된 연마제, 그리고 이 연마제를 이용한 연마 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 나노 다이아몬드를 포함하는 표면 연마제 제조 방법 및 이 방법에 의해 제조된 연마제, 그리고 이 연마제를 이용한 연마 방법은, 나노다이아몬드 입자를 이용하여 이를 적절한 용액에 분산 또는 혼합하여 연마제를 제조 구성함으로써, 사파이어, 글래스 및 합성 석영, 실리콘 카바이드, 실리콘 단결정 웨이퍼, 리튬 탄탈레이트 단결정 웨이퍼 등을 연마할 때, 연마 속도를 향상시킬 수 있고, 연마된 표면 조도의 고조도화, 고평탄화를 달성할 수 있는 효과가 있다.
연마제, 웨이퍼, 글래스, 기판, 실리콘, 사파이어, 나노

Description

나노 다이아몬드를 포함하는 표면 연마제 제조 방법 및 이 방법에 의해 제조된 연마제, 그리고 이 연마제를 이용한 연마 방법{Method for manufacturing polishing slurry containing nano-diamonds, Polishing slurry manufactured by the method, and Polishing method using the polishing slurry}
본 발명은 단결정 웨이퍼 또는 글래스 플레이트와 같은 기판 표면을 연마하기 위한 표면 연마제 제조 방법 및 이 방법에 의해 제조된 연마제, 그리고 이 연마제를 이용한 연마 방법에 관한 것이다.
최근 질화 갈륨계를 이용한 LED의 용도는 조명용 고휘도 백색 LED, LCD 백라이트 유닛, 신호 등에 사용되어지며, TFT-LCD의 백라이트 광원, 휴대폰 백라이트 광원 및 키패드 등에 사용되고 있다.
또한 조명용 LED는 기존의 형광등 및 백열등으로 대표되는 조명기구에 비해 약 10~ 20% 정도의 낮은 전력소모, 10만 시간 이상의 반영구적 수명, 환경 친화적 특성 등을 통해 에너지 소비 효율을 획기적으로 개선할 수 있기 때문에 일반 조명기구를 대체할 차세대 기술로 주목받고 있다.
이러한 LED 제조에 있어서 필수 소재는 GaN, GaAlN 등 질화 갈륨계 화합물을 반도체 에피택셜층을 성막한 사파이어 웨이퍼이며, 사파이어 웨이퍼를 사용함에 있어 일반적인 기계적인 연마공정을 수행하면, 폴리싱 되어진 사파이어 웨이퍼는 표면에 잔류응력이 남아 있어 표면 결함이 존재하게 된다. 따라서 폴리싱 되어진 웨이퍼의 표면에는 연마흠집이나 마이크로 크랙 및 결함 등이 분포하게 되어 박막 성장시 악영향을 발생시킬 수 있다.
이러한 기계적 연마공정으로 인해 보이지 않는 웨이퍼 표면의 잔류응력이 집중하면 표면결함이 존재하고, 연마 스크래치나 미세한 마이크로 크랙이 분포하게 된다. 따라서 기계적인 스트레스로 인해 웨이퍼 표면에 질화물 반도체 박막이 성장될 때에 결정 구조가 뒤틀리고 높은 전위밀도를 가지게 되어, LED 제조시 휘도, 발광 효율이나 수명에 악영향을 주게 된다.
사파이어 웨이퍼가 갖는 높은 경도로 인해, 종래의 사파이어 웨이퍼 연마 공정에서는 통상 마이크로 다이아몬드 슬러리 또는 CMP 슬러리가 사용되어 왔다. 즉, 종래의 사파이어 웨이퍼는 다이아몬드 슬러리를 이용한 1차 연마 공정과 콜로이달 실리카를 이용한 2차 연마공정을 거쳐 제조 되었다.
그러나, 상기한 바와 같은 종래 연마 방법으로 연마된 사파이어 웨이퍼는 표면조도가 충분히 감소되지 않은 문제점이 있다. 이는 웨이퍼 연마시 다이아몬드의 경도가 사파이어 웨이퍼보다 높은 것과 다이아몬드 입자 형태의 문제이기 때문이다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 웨이퍼 또는 플레이트 등의 기판 연마 공정에서 높은 연마 속도, 평탄도 및 표면 조도를 확보할 수 있도록 하는 나노 다이아몬드를 포함하는 표면 연마제 제조 방법 및 이 방법에 의해 제조된 연마제, 그리고 이 연마제를 이용한 연마 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
또한, 본 발명은, 연마공정의 간편화를 실현함과 아울러, 가공 대상물의 우수한 가공특성을 달성할 수 있는 나노 다이아몬드를 포함하는 표면 연마제 제조 방법 및 이 방법에 의해 제조된 연마제, 그리고 이 연마제를 이용한 연마 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 나노 다이아몬드를 포함하는 표면 연마제 제조 방법은, 콜로이달 실리카(SiO2) 60~72wt%, 나노 입경을 갖는 다이아몬드 0.5~3wt%, 에틸렌 글리콜(Ethylene glycol) 27.5~37 wt% 를 포함시켜 혼합 제조하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 물질들을 혼합할 때, 5 ~ 20분 동안 초음파로 처리한 다음, 12 ~ 24시간 동안 교반하여 혼합하는 것이 바람직하다.
또한 상기 콜로이달 실리카는 수산화칼륨(KOH), 아민계열(NH4OH)을 포함한 알칼리 용액에 평균 입도가 50~80nm가 되는 SiO₂계 지립을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 나노 다이아몬드는, 입경이 10nm ~ 50nm인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 물질들을 혼합할 때, 유기산을 사용하여 pH를 10~11로 조절할 수 있다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 나노 다이아몬드를 포함하는 표면 연마제는, 콜로이달 실리카(SiO2) 60~72wt%, 나노 입경을 갖는 다이아몬드 0.5~3wt%, 에틸렌 글리콜(Ethylene glycol) 27.5~37 wt% 를 포함한 것을 특징으로 한다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 나노 다이아몬드를 포함하는 표면 연마제를 이용한 연마 방법은, 표면 연마제를 이용한 피삭체 연마 방법으로서, 연마 정반 및 연마 패드 상에 피삭체를 위치시키는 제1단계와; 상기 제1단계를 통해 피삭체가 연마 패드 상에 위치되면, 상기 연마 정반 및 연마 패드 상에 상기 연마제를 제공하면서 상기 연마 정반 및 연마 패드를 회전시켜, 상기 연마제로 피삭체를 연마하는 제2단계를 포함한 것을 특징으로 한다.
상기 제2단계 후에, 상기 피삭체를 세정한 다음, 피삭체의 연마된 표면을 검사하는 단계를 더 포함한다.
본 발명에 따른 나노 다이아몬드를 포함하는 표면 연마제 제조 방법 및 이 방법에 의해 제조된 연마제, 그리고 이 연마제를 이용한 연마 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.
본 발명은, 연마시 표면 조도를 최소한으로 감소시키고 평탄도를 향상시키는 동시에 우수한 연마 속도를 가지며, 사파이어, 실리콘 카바이드, 글래스, 합성석영, 실리콘, 리튬 탄탈레이트 등의 웨이퍼 또는 플레이트 등의 평탄도 및 표면 조도의 표면 가공 상태를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
즉, 본 발명은, 경도 9.5이상 수십 나노 미터의 크기에서 수백 나노 크기를 갖는 구형 형태의 나노다이아몬드 입자를 이용하여 이를 적절한 용액에 분산 또는 혼합하여 연마제를 제조 구성함으로써, 사파이어, 글래스 및 합성 석영, 실리콘 카바이드, 실리콘 단결정 웨이퍼, 리튬 탄탈레이트 단결정 웨이퍼 등을 연마할 때, 연마 속도를 향상시킬 수 있고, 연마된 표면 조도의 고조도화, 고평탄화를 달성할 수 있는 효과가 있다.
또한 종래 연마 공정에서는, 마이크로 다이아몬드 슬러리를 이용한 1차 연마 공정을 마친 후에, 다시 콜로이달 실리카를 이용한 2차 연마공정을 거쳐 제조되었으나, 본 발명의 연마 공정은, 나노다이아몬드가 함유된 콜로이달 실리카와 같은 복합 연마제를 이용하여 연마하게 되므로, 연마 공정의 간편화를 이룰 수 있고, 가공 대상물의 우수한 가공특성을 이룰 수 있는 효과도 있다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 연마제를 이용하여 피삭체를 연마하는 연마 장비를 보여주는 개략적인 도면이다.
참조 번호 10은 연마 정반으로서, 회전 가능하게 이루어지고, 원판형 구조의 금속체로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 연마 정반(10)의 상부에는 연마 패드(15)가 고정되어 있다.
상기 연마 패드(15) 위에 피삭체(S)가 고정되면, 세라믹 블록으로 이루어진 상부체(20)가 하강하여 피삭체(S)에 압력을 가하여 연마 정반(10) 및 연마 패드(15)를 회전시키면서 피삭체(S)의 표면을 연마하여 가공할 수 있도록 구성된다.
여기서, 연마용 슬러리를 분사 노즐(30)을 통해 상기 연마 패드(15)의 상부에 분사하게 되는데, 본 발명의 연마용 슬러리는, 나노 다이아몬드와 실리카(SiO2)를 사용하여 만들어진 혼합 또는 복합 슬러리 연마제(P)이다. 이에 대해서는 아래에서 다시 자세히 설명한다.
한편, 상기 피삭체(S)는 실리콘 카바이드, 질화 갈륨, 질화 인듐 갈륨, 사파이어, 석영, 리튬 탄탈레이트, 리튬 보레이트(borate) 및 실리콘으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나 또는 그 이상의 재질로 이루어질 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 나노 다이아몬드를 포함하는 표면 연마제 제조 방법 및 이 방법에 의해 제조된 연마제, 그리고 이 연마제를 이용한 연마 방법에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 나노 다이아몬드를 포함하는 표면 연마제 제조 방법은, 콜로이달 실리카(SiO2) 60~72wt%, 나노 입경을 갖는 다이아몬드 0.5~3wt%, 에틸렌 글리콜(Ethylene glycol) 27.5~37 wt% 를 포함시켜 혼합하여 제조하게 된다.
여기서, 콜로이달 실리카(SiO2)는 수산화칼륨(KOH), 아민계열(NH4OH)을 포함한 알칼리 용액에 평균 입도가 50~80nm가 되는 SiO₂계 지립을 사용한다.
상기 나노 다이아몬드는, 평균 입경이 30nm인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 따라서 10nm~50nm 정도의 입경을 갖는 나노 다이아몬드를 이용한다. 또한 나노 다이아몬드는 전체 중량비로 2wt%로 조절하는 것이 바람직하다.
상기 에틸렌 글리콜은, 나노 다이아몬드 입자들을 콜로이달 실리카 용액에 분산 유지되어 연마제의 안정성을 위해 사용되는 것으로, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 글리콜 계열의 다른 물질을 이용할 수도 있다.
상기와 같이 세가지 물질 이상을 혼합 교반기에 투입하여 혼합할 때, 5 ~ 20분 동안 초음파로 처리한 다음, 12 ~ 24시간 동안 교반하여 혼합하는 것이 바람직하다.
초음파로 가하여 혼합하는 이유는 나노 다이아몬드 입자들이 콜로이달 실리카(SiO2) 용액에 균일하게 분포되면서 혼합될 수 있도록 하는 것이다.
또한 연마제 구성 물질을 혼합할 때, 유기산을 사용하여 전체 연마제의 pH를 10~11로 조절하는 것이 바람직하다.
도 2는, 상기와 같은 방법으로 제조된 나노다이아몬드와 실리카가 혼합 분산된 본 발명에 따른 복합 연마제의 TEM 사진을 보여준다.
결국, 본 발명에 따른 나노 다이아몬드를 포함하는 표면 연마제는, 콜로이달 실리카(SiO2) 60~72wt%, 나노 입경을 갖는 다이아몬드 0.5~3wt%, 에틸렌 글리콜(Ethylene glycol) 27.5~37 wt% 를 포함하여 구성된 복합 연마제로 이루어진다.
이러한 나노 다이아몬드를 포함하는 표면 연마제를 이용한 연마 방법은 다음과 같다.
먼저, 연마 정반(10) 및 연마 패드(15) 상에 피삭체(S)를 위치시켜 고정한다.
그리고, 피삭체(S)가 연마 패드(15) 상에 고정되면, 상기 연마 정반(10) 및 연마 패드(15)상에 상기 연마제와 윤활제를 제공하면서 연마 정반(10) 및 연마 패드(15)를 회전시켜, 상기 연마제로 피삭체(S)를 연마하여 가공한다.
이와 같이하여, 피삭체(S)의 연마 가공이 마무리되면, 피삭체(S)를 세정한 다음, 피삭체(S)의 연마된 표면을 검사한다.
이와 같은 나노 다이아몬드를 포함하는 표면 연마제를 이용하여 피삭체(S)를 연마하게 되면, 피삭체(S)의 표면 조도가 3Å이하이고, 평탄도가 3㎛이하인 피삭체(S)를 제작할 수 있게 되어, 표면 조도는 물론 평탄도 특성에서 모두 우수한 피 삭체(S)를 제조할 수 있게 되는 것이다.
이와 같은 본 발명에 따른 연마 방법은, 종래 2단계 연마 공정을 하나의 1단계의 연마 공정으로 단순화하면서도 연마 성능을 향상된 결과를 얻을 수 있다.
즉, 종래에는, 제1단계로 마이크로 다이아몬드 연마제를 분사하면서 피삭체를 연마한 다음, 세정 및 검사한 다음, 제2단계로 콜로이달 실리카 연마제를 이용하여 다시 피삭체를 연마한 다음, 세정 및 검사를 실시하였다.
하지만, 본 발명의 연마 방법은, 나노 다이아몬드가 혼합된 복합 연마제를 이용하여 피삭체(S)를 연마한 다음, 피삭체(S)를 세정 및 검사하게 되므로, 공정 단순화를 실현하면서도 연마 성능을 향상시킬 수 있다.
이하, 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 나노 다이아몬드를 포함하는 표면 연마제를 이용한 실제 연마 시험 실시예를 설명한다.
본 시험 실시예의 피삭체로 사파이어 웨이퍼와 실리콘 카바이드 웨이퍼를 사용하였다.
또한 연마장비의 조건으로는 연마속도는 30~50rpm이고, 시간당 연마되는 양은 피삭체마다 다르나, 대략적으로 1~3μm 정도이다.
또한 피삭체 연마 후 평탄도(Flatness) 분석은 평탄도 측정 장비인 Nidex FT-17로 하였으며, 표면조도(Surface Roughness, Ra) 측정은 AFM(Atomic Force Microscope)로 하였다.
[가공시험 실시예 1]
사파이어 웨이퍼를 상기한 종래 연마제로 연마를 실시한 것과 나노 다이아몬드를 포함하는 복합 연마제로 연마를 실시하여 평탄도 및 표면조도를 각각 비교하면 아래의 [표 1] 및 도 3a 내지 4b에 나타난 바와 같다.
[표 1]
종래 연마 방법 본 발명의 연마 방법
평탄도
(Flatness)
0.94㎛
0.92㎛
표면조도
(Surface Roughness)
1.09Å
0.99Å
도 3a는 종래 연마제를 이용하여 가공한 사파이어 웨이퍼의 평탄도(평탄도 0.94㎛)를 보여주는 도면이고, 도 3b는 본 발명에 따른 복합 연마제를 이용하여 가공한 사파이어 웨이퍼의 평탄도(평탄도 0.92㎛)를 보여주는 도면이다.
도 4a는 종래 연마제를 이용하여 가공한 사파이어 웨이퍼의 표면조도(Ra 1.09Å)를 보여주는 도면이고, 도 4b는 본 발명에 따른 복합 연마제를 이용하여 가공한 사파이어 웨이퍼의 표면조도(Ra 0.99Å)를 보여주는 도면이다.
위와 같이, 상기 표 1 및 도 3a, 도 3b, 그리고 도 4a, 도 4b에서 확인할 수 있듯이 본 발명에 따른 나노 다이아몬드를 포함하는 표면 연마제가 종래 연마제 보다 평탄도와 표면 조도의 수치가 감소하여 표면 가공 상태가 향상되었음을 확인할 수 있다.
[가공시험 실시예 2]
실리콘 카바이드 웨이퍼를 종래 연마제로 연마를 실시한 것과 나노 다이아몬드를 포함하는 복합 연마제로 연마를 실시하여 평탄도 및 표면조도를 각각 비교하면 아래의 [표 2] 및 도 5a 내지 6b에 나타난 바와 같다.
[표 2]
종래 연마 방법 본 발명의 연마 방법
평탄도
(Flatness)
1.84㎛
1.71㎛
표면조도
(Surface Roughness)
1.97Å
1.75Å
도 5a는 종래 연마제를 이용하여 가공한 실리콘 카바이드 웨이퍼의 평탄도(평탄도 1.87㎛)를 보여주는 도면이고, 도 5b는 본 발명에 따른 복합 연마제를 이용하여 가공한 실리콘 카바이드 웨이퍼의 평탄도(평탄도 1.71㎛)를 보여주는 도면이다.
도 6a는 종래 연마제를 이용하여 가공한 실리콘 카바이드 웨이퍼의 표면조도(Ra 1.97Å)를 보여주는 도면이고, 도 6b는 본 발명에 따른 복합 연마제를 이용하여 가공한 실리콘 카바이드 웨이퍼의 표면조도(Ra 1.75Å)를 보여주는 도면이다.
위와 같은 실리콘 카바이드 웨이퍼의 실험 결과에서도, 표 2 및 도 5a와 도 5b, 그리고 도 6a와 도 6b에서 확인할 수 있듯이 본 발명에 따른 나노 다이아몬드를 포함하는 표면 연마제가 종래 연마제 보다 평탄도와 표면 조도의 수치가 감소하여 표면 가공 상태가 향상되었음을 확인할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연마제를 이용하여 피삭체를 연마하는 연마 장비를 보여주는 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 연마제를 보여주는 TEM 사진이다.
도 3a는 종래 연마제를 이용하여 가공한 사파이어 웨이퍼의 평탄도를 보여주는 도면이고,
도 3b는 본 발명에 따른 복합 연마제를 이용하여 가공한 사파이어 웨이퍼의 평탄도를 보여주는 도면이다.
도 4a는 종래 연마제를 이용하여 가공한 사파이어 웨이퍼의 표면조도를 보여주는 도면이고,
도 4b는 본 발명에 따른 복합 연마제를 이용하여 가공한 사파이어 웨이퍼의 표면조도를 보여주는 도면이다.
도 5a는 종래 연마제를 이용하여 가공한 실리콘 카바이드 웨이퍼의 평탄도를 보여주는 도면이고,
도 5b는 본 발명에 따른 복합 연마제를 이용하여 가공한 실리콘 카바이드 웨이퍼의 평탄도를 보여주는 도면이다.
도 6a는 종래 연마제를 이용하여 가공한 실리콘 카바이드 웨이퍼의 표면조도를 보여주는 도면이고,
도 6b는 본 발명에 따른 복합 연마제를 이용하여 가공한 실리콘 카바이드 웨이퍼의 표면조도를 보여주는 도면이다.

Claims (8)

  1. 콜로이달 실리카(SiO2) 60~72wt%, 나노 입경을 갖는 다이아몬드 0.5~3wt%, 에틸렌 글리콜(Ethylene glycol) 27.5~37 wt% 를 포함시켜 혼합 제조하고,
    상기 콜로이달 실리카는 수산화칼륨(KOH), 아민계열(NH4OH)을 포함한 알칼리 용액에 평균 입도가 50~80nm가 되는 SiO₂계 지립을 사용하는 것을 특징으로 하는 나노 다이아몬드를 포함하는 표면 연마제 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 물질들을 혼합할 때, 5 ~ 20분 동안 초음파로 처리한 다음, 12 ~ 24시간 동안 교반하여 혼합하는 것을 특징으로 하는 나노 다이아몬드를 포함하는 표면 연마제 제조 방법.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 나노 다이아몬드는, 입경이 10nm ~ 50nm인 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 나노 다이아몬드를 포함하는 표면 연마제 제조 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 물질들을 혼합할 때, 유기산을 사용하여 pH를 10~11로 조절하는 것을 특징으로 하는 나노 다이아몬드를 포함하는 표면 연마제 제조 방법.
  6. 콜로이달 실리카(SiO2) 60~72wt%, 나노 입경을 갖는 다이아몬드 0.5~3wt%, 에틸렌 글리콜(Ethylene glycol) 27.5~37 wt% 를 포함하고,
    상기 콜로이달 실리카는 수산화칼륨(KOH), 아민계열(NH4OH)을 포함한 알칼리 용액에 평균 입도가 50~80nm가 되는 SiO₂계 지립을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 다이아몬드를 포함하는 표면 연마제.
  7. 청구항 6에 기재된 표면 연마제를 이용한 피삭체 연마 방법으로서,
    연마 정반 및 연마 패드 상에 피삭체를 위치시키는 제1단계와;
    상기 제1단계를 통해 피삭체가 연마 패드 상에 위치되면, 상기 연마 정반 및 연마 패드상에 상기 연마제를 제공하면서 상기 연마 정반 및 연마 패드를 회전시 켜, 상기 연마제로 피삭체를 연마하는 제2단계를 포함한 것을 특징으로 하는 나노 다이아몬드를 포함하는 표면 연마제를 이용한 연마 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제2단계 후에, 상기 피삭체를 세정한 다음, 피삭체의 연마된 표면을 검사하는 단계를 더 포함한 것을 특징으로 하는 나노 다이아몬드를 포함하는 표면 연마제를 이용한 연마 방법.
KR1020090047678A 2009-05-29 2009-05-29 나노 다이아몬드를 포함하는 표면 연마제 제조 방법 및 이 방법에 의해 제조된 연마제, 그리고 이 연마제를 이용한 연마 방법 KR101097178B1 (ko)

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