KR102489838B1 - 반도체 공정의 화학기계적 연마(CMP)를 위한 연마 입자 분산성 향상을 통한 시너지 효과 극대화와 SiC 및 GaN 기판 가공 방법 및 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 반도체 공정의 화학기계적 연마(CMP)를 위한 연마 입자의 분산성 향상을 통한 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템은, 과산화수소가 포함된 슬러리를 수용하는 탱크(100); 상기 슬러리의 용존 산소량(DO)을 측정하는 DO 측정부(200); 상기 슬러리에 자외선을 조사하여 히드록시 라디칼을 생성하는 제1 UV 조사부(300); 상기 슬러리에 나노버블을 공급하여 용존 산소량을 제어하는 나노버블 공급부(400); 상기 탱크(100)와 연통되어 상기 슬러리를 전해노즐부(600)로 이송하는 펌프부(500); 상기 펌프부(500)에서 이송된 슬러리를 전기분해하여 이온화시키고, SiC 및 GaN 기판 연마부(800)으로 슬러리를 토출하는 전해노즐부(600); 상기 전해노즐부(600)에 전원을 인가하는 전원공급부(650); 상기 SiC 및 GaN 기판 연마부(800)의 상부 일측에 구비되어, 상기 전해노즐부(600)에서 토출된 슬러리에 자외선을 조사하는 제2 UV 조사부(700); 상부에 연마 패드가 부착되고, 회전 가능한 플레이튼부(810);와, 상기 플레이튼부(810) 상에서 연마할 SiC 및 GaN 기판을 개재하여 접하는 폴리싱 헤드부(820);를 구비하는 SiC 및 GaN 기판 연마부(800);를 포함하며, 상기 슬러리는 다이아몬드(diamond), 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3) 및 세리아(CeO2) 중에서 선택되는 하나 이상의 연마 입자를 더 포함하고, 상기 전기분해 시 상기 슬러리에 인가되는 전류 세기는 5 내지 10 A 인 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 반도체 공정의 화학기계적 연마(CMP)를 위한 연마 입자 분산성 향상을 통한 시너지 효과 극대화와 SiC 및 GaN 기판 가공 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 히드록시 라디칼(hydroxyl radical)과 용존 산소의 제어를 통하여 화학기계적연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 공정 시 연마 입자의 분산성을 향상을 통하여 가공 효과를 극대화시키는 반도체 공정의 화학기계적 연마(CMP) 적용을 위한 SiC 및 GaN 기판 가공 방법 및 시스템에 관한 것이다.
화학기계적 연마(chemical mechanical polishing; CMP) 공정은 반도체 제조공정의 하나로 반도체용 기판(substrate)으로 널리 사용되고 있는 실리콘 웨이퍼(silicon wafer)의 제조에서 표면거칠기 확보에서부터 소자의 분리(shallow trench isolation; STI), 층간 절연막(inter layer dielectric; ILD)의 형성, 금속배선 형성을 위한 상감법(damascene) 및 이중 상감법(dual damascene)까지 널리 활용되고 있는 기술이다.
CMP 공정 중 웨이퍼는 패드와 슬러리에 의해서 연마되어 진다. 일반적인 CMP 장치에 있어서, 패드가 부착되어진 테이블은 단순한 회전운동을 하며, 웨이퍼를 지지하고 있는 헤드부는 회전운동과 요동운동을 동시에 행하며 일정한 압력으로 가압한다.
웨이퍼는 표면장력 또는 진공척에 의해 지지된다. 이러한 가압력과 캐리어 자체 하중에 의해 위에퍼 표면과 패드는 접촉하게 되고 이 접촉면의 미세한 틈 사이로 가공액인 슬러리가 유동하여 슬러리 내부에 있는 연마입자와 패드의 표면 돌기들에 의해 기계적인 제거 작용이 이루어지고 슬러니내의 화학성분에 의해서는 화학적인 제거작용이 이루어진다.
구리 (Copper; Cu)는 낮은 시간 지연성 및 전기적 특성이 우수하여, 반도체 소자의 배선 재료로 널리 이용되고 있다]. 이러한 구리 배선은 전기도금과 이중 다마신 (dual damascene)공정으로 진행되고, 구리 배선의 평탄화를 위하여 2단계 화학기계적 평탄화 (chemical mechanical planarization, CMP)가 사용되고 있다.
종래부터, 탄화규소 단결정 기판의 표면을 CMP 에 의해 평활하게 연마하기 위한 연마제로서 콜로이달실리카를 함유하는 pH 4 ∼ 9 의 연마용 조성물이 알려져 있다 (특허문헌 1 참조). 또 실리카 지립과, 과산화수소와 같은 산화제 (산소 공여제) 와, 바나딘산염을 함유하는 연마용 조성물이 제안되어 있다 (특허문헌 2 참조). 또한 알루미나, 티타니아, 세리아, 지르코니아 등의 지립과, 과산화수소, 과망간산염, 과요오드산염과 같은 산화제와, 분산매를 함유하는 연마용 조성물도 제안되어 있다 (특허문헌 3 참조).
그러나, 특허문헌 1 의 연마용 조성물에 의한 탄화규소 단결정 기판의 연마 속도는 낮아, 연마에 필요로 하는 시간이 매우 길어진다는 문제가 있었다.
또한, 특허문헌 2 의 연마용 조성물을 사용한 경우에도, 연마 속도가 충분하지 않아, 연마에 시간이 걸린다는 문제가 있었다.
또한, 특허문헌 3 의 연마용 조성물을 사용한 경우에도, 단시간에 지립의 응집이 발생하거나, 충분한 연마 속도가 얻어지지 않는다는 문제가 있었다.
또한, 산화성 연마액의 존재하에 있어서, 지립을 내포하는 연마 패드를 이용하여 탄화규소 단결정 기판 등의 표면을 평활하게 연마하는 방법이 제안되어 있다 (특허문헌 4 참조).
그러나, 특허문헌 4 에 기재된 방법에서는, 연마 속도가 충분하지 않고, 또한 고정된 지립에 의한 강한 기계적 작용에 의해, 표면에 흠집이나 변형 등의 데미지를 입는다는 문제가 있었다.
또한, 연마 패드에 내포되는 지립의 입경이나 함유량, 함유 분포의 조정이 어려워, 연마 후에 평활한 표면을 얻기 어려웠다.
본 발명은 슬러리의 전기화학적 분해와 광촉매 반응에 의해 생성되는 히드록시 라디칼(Hydroxyl radical)과 용존산소량의 제어를 통해 재료제거율(Material Removal Rate, MRR)을 상승시킬 수 있어, 반도체 공정에 사용되는 SiC 및 GaN 기판의 화학기계적연마(CMP)에 적용할 수 있는 SiC 및 GaN 기판 가공 방법 및 시스템을 제공함에 있다.
또한 본 발명은 나노버블이 함유되어 용존산소량이 높아진 슬러리를 제공함으로써 연마 입자의 분산성 향상과 화학반응을 촉진하여 재료제거율(MRR)의 상승시킬 수 있어, 반도체 공정에 사용되는 SiC 및 GaN 기판의 화학기계적연마(CMP)에 적용할 수 있는 SiC 및 GaN 기판 가공 방법 및 시스템을 제공함에 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 공정의 화학기계적 연마(CMP)를 위한 연마 입자의 분산성 향상을 통한 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템은, 과산화수소가 포함된 슬러리를 수용하는 탱크(100); 상기 슬러리의 용존 산소량(DO)을 측정하는 DO 측정부(200); 상기 슬러리에 자외선을 조사하여 히드록시 라디칼을 생성하는 제1 UV 조사부(300); 상기 슬러리에 나노버블을 공급하여 용존 산소량을 제어하는 나노버블 공급부(400); 상기 탱크(100)와 연통되어 상기 슬러리를 전해노즐부(600)로 이송하는 펌프부(500); 상기 펌프부(500)에서 이송된 슬러리를 전기분해하여 이온화시키고, SiC 및 GaN 기판 연마부(800)으로 슬러리를 토출하는 전해노즐부(600); 상기 전해노즐부(600)에 전원을 인가하는 전원공급부(650); 상기 SiC 및 GaN 기판 연마부(800)의 상부 일측에 구비되어, 상기 전해노즐부(600)에서 토출된 슬러리에 자외선을 조사하는 제2 UV 조사부(700); 상부에 연마 패드가 부착되고, 회전 가능한 플레이튼부(810);와, 상기 플레이튼부(810) 상에서 연마할 SiC 및 GaN 기판을 개재하여 접하는 폴리싱 헤드부(820);를 구비하는 SiC 및 GaN 기판 연마부(800);를 포함하며, 상기 슬러리는 다이아몬드(diamond), 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3) 및 세리아(CeO2) 중에서 선택되는 하나 이상의 연마 입자를 더 포함하고, 상기 전기분해 시 상기 슬러리에 인가되는 전류 세기는 5 내지 10 A 인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 공정의 화학기계적 연마(CMP)를 위한 연마 입자의 분산성 향상을 통한 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템에 있어, 상기 슬러리는 차아염소산나트륨(NaOCl)을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 슬러리는 황산(H2SO4) 및 염산(HCl) 중 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 공정의 화학기계적 연마(CMP)를 위한 연마 입자의 분산성 향상을 통한 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템은, 상기 탱크(100) 내부에 설치되고, 상기 슬러리와 반응하여 히드록시 라디칼을 생성하는 전이금속으로 이루어진 전이금속부(150)를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
상술한 본 발명에 따른 반도체 공정의 화학기계적 연마(CMP)를 위한 연마 입자의 분산성 향상을 통한 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템은, 과산화수소가 포함된 슬러리에 제1 UV를 조사하는 공정과, 상기 슬러리에 나노 버블을 공급하는 공정을 수행하는 공정 개념과, 상기 슬러리에 제2 UV를 조사하는 공정과, 상기 슬러리에 전기분해하는 공정 개념을 융합하고, 특정 연마 입자의 사용과 전해 노즐에 인가되는 전류 세기의 조절을 통해 재료제거율(MRR)을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템에 적용되는 공정 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템을 도시한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템에 있어, 상기 나노버블 공급부(400) 사용에 따른 슬러리 내 용존산소량의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템에 있어서, 상기 나노버블 공급부(400) 및 제1 UV 조사부(300) 사용에 따른 재료제거율(MRR)을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템에 있어서, 상기 전해노즐부(600)를 포함하는 경우 재료제거율(MRR)을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템에 있어서, 상기 슬러리는 황산(H2SO4) 및 염산(HCl) 중 하나 이상을 더 포함할 때, SiC 기판의 재료제거율을 보여주는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템을 도시한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템에 있어, 상기 나노버블 공급부(400) 사용에 따른 슬러리 내 용존산소량의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템에 있어서, 상기 나노버블 공급부(400) 및 제1 UV 조사부(300) 사용에 따른 재료제거율(MRR)을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템에 있어서, 상기 전해노즐부(600)를 포함하는 경우 재료제거율(MRR)을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템에 있어서, 상기 슬러리는 황산(H2SO4) 및 염산(HCl) 중 하나 이상을 더 포함할 때, SiC 기판의 재료제거율을 보여주는 그래프이다.
이하 본 발명에 관하여 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예 및 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 또한, 본 발명의 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
최근의 연구결과에 따르면 CMP 공정에서의 환경 부하의 대부분은 슬러리의 사용이 차지하고 있으며 CMP 환경부하 감소에 관한 연구는 슬러리 사용량을 절감하고 가공의 효율(재료제거율)을 높이는데 초점이 맞추어져 있다. 이에 따라, CMP 환경부하 감소와 하이브리드와에 관련된 기존의 연구는 앞서 언급한 바와 같이 소모품 및 장치의 개선을 통하여 이루어지고 있으나 생산성, 또 다른 환경적 부담, 장치의 구조적 복잡성 등에 의한 한계를 보이고 있는 실정이다. 또한, 개발된 공정 및 장치의 적용에 있어 대상 소재에 관한 한계가 존재하고 있다. 특히 전기화학적 작용과의 융합은 대상 소재를 금속박막으로 한정하고 있으며 콜로이드 상태로 분산된 연마입자를 사용하는 경우 전기화학적 반응을 이용한 공정에서 입자의 응집현상이 발생할 수 있다.
본 출원인은 소비자의 다양한 수요에 대응하기 위한 고능률 하이브리드 CMP 가공시스템 및 공정의 요구와, CMP 대상 소재의 다변화에 따라 기존 하이브리드 CMP 방식의 한계를 극복하고 보완해야 할 필요성을 고려하고, 환경부하 감소를 위한 고능률 CMP 가공 시스템의 개발 및 지속가능성 확보하기 위해 오랜기간 예의 연구하였다. 그 결과, 고급 산화법(Advanced Oxidation Process; AOP)을 통한 히드록시 라디칼 생성 방법과 나노 버블 생성 방법을 융합한 하이브리드 연마 장치가 매우 효과적인 것을 발견하고 이를 출원하기에 이르렀다.
도 1 내지 도 2를 참조하여, 본 발명에 따른 반도체 공정의 화학기계적 연마(CMP)를 위해 연마 입자의 분산성 향상을 통한 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템(이하 "SiC 및 GaN 기판 가공 시스템"이라고 한다)을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템에 적용되는 공정 개념도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템은 기본적으로 과산화수소가 포함된 슬러리에 제1 UV를 조사하는 공정과, 상기 슬러리에 나노 버블을 공급하는 공정을 수행하는 공정 개념과, 상기 슬러리에 제2 UV를 조사하는 공정과, 상기 슬러리에 전기분해하는 공정 개념을 융합함으로써, 후술하는 바와 같이 구리기판, Si 웨이퍼를 대상으로 한 실험에서 높은 재료제거율(MRR)을 얻을 수 있고, SiC 및 GaN와 같은 난삭재 기판에 응용이 가능하다.
상세하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템은 고급 산화법(Advanced Oxidation Process; AOP)을 통해 히드록시 라디칼(Hydroxyl radical)을 생성할 수 있고, 전기(화학적) 분해에 의해 히드록시 라디칼(Hydroxyl radical)을 생성할 수 있으며, 나노(마이크로) 버블 생성 장치를 이용함으로써 슬러리 내 용존산소량을 증가시킬 수 있다.
보다 상세하게, 고급 산화법(Advanced Oxidation Process; AOP)을 통한 히드록시 라디칼(Hydroxyl radical)을 생성방법은 하기 표 1에 기재된 바와 같이 펜톤산화법, 오존산화법, Perexone법, UV 관분해법 등을 적용할 수 있으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템에 적용될 수 있는 고급 산화법의 종류는 펜톤산화법 및 UV 광분해법이 가능하다.
[표 1]
또한, 전기(화학적) 분해에 의해 히드록시 라디칼(Hydroxyl radical)을 생성방법은 CMP 슬러리에서 NaCl, KCl, LiCl 등과 같은 알칼리 이온염을 입자의 분산성 향상과 전기분해시 전기전도도를 높여주기 위해 첨가하며, 이러한 첨가물은 CMP 슬러리를 전기분해하여 히드록시 라디칼(Hydroxyl radical)의 생성이 가능하다.
또한, 나노(마이크로) 버블 생성 장치를 이용한 방법은 하기 표 2에 기재된 바와 같이 감압을 이용한 방법, 케비테이션 이용 방법, 기-액 혼합법, capillary형 등의 방법을 적용할 수 있으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템에 적용될 수 있는 나노 버블 생성 방법은 초음파 및 오리피스 기구를 활용한 캐비테이션 이용방법과, 이젝터를 활용한 기-액 혼합법이 가능하다. 더불어, 나노 버블과 마이크로 버블의 가장 큰 차이점은 생성 후 수명에서 큰 차이점을 지니며 나노 버블이 상대적으로 액체 내에서 오래 존재할 수 있고, 나노 버블은 용존산소량을 증가시키는 더 효과가 있으며 용존산소량의 증가는 금속의 부식속도를 증가시키는 특징이 있어 CMP 공정의 하이브리드화에 활용 가능성이 높고, 이에 CMP 공정에 나노 버블을 활용할 경우 슬러리와 제거 대상 소재의 반응성이 높아질 것으로 판단된다.
[표 2]
이와 같이, 상술한 i) 고급 산화법(Advanced Oxidation Process; AOP)을 통한 히드록시 라디칼(Hydroxyl radical)을 생성방법과, ii) 전기(화학적) 분해에 의해 히드록시 라디칼(Hydroxyl radical)을 생성방법과, iii) 나노(마이크로) 버블 생성 장치를 이용해 용존산소량을 증대시키는 방법은 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템에 의해 구현 가능하다.
상세하게, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템을 도시한 예시도이다. 도 2에 보는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템은, 과산화수소가 포함된 슬러리를 수용하는 탱크(100); 상기 슬러리의 용존 산소량(DO)을 측정하는 DO 측정부(200); 상기 슬러리에 자외선을 조사하여 히드록시 라디칼을 생성하는 제1 UV 조사부(300); 상기 슬러리에 나노버블을 공급하여 용존 산소량을 제어하는 나노버블 공급부(400); 상기 탱크(100)와 연통되어 상기 슬러리를 전해노즐부(600)로 이송하는 펌프부(500); 상기 펌프부(500)에서 이송된 슬러리를 전기분해하여 이온화시키고, SiC 및 GaN 기판 연마부(800)으로 슬러리를 토출하는 전해노즐부(600); 상기 SiC 및 GaN 기판 연마부(800)의 상부 일측에 구비되어, 상기 전해노즐부(600)에서 토출된 슬러리에 자외선을 조사하는 제2 UV 조사부(700); 상부에 연마 패드가 부착되고, 회전 가능한 플레이튼부(810);와, 상기 플레이튼부(810) 상에서 연마할 SiC 및 GaN 기판을 개재하여 접하는 폴리싱 헤드부(820);를 구비하는 SiC 및 GaN 기판 연마부(800);를 포함하며, 상기 전해노즐부(600)는 슬러리를 전기분해시 연마 입자의 분산성 향상과 화학반응을 촉진하기 위해 상기 슬러리에 인가되는 전류 세기가 5 내지 10 A 이며, SiC 및 GaN 기판의 연마를 위해 상기 슬러리는 다이아몬드(diamond), 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3) 및 세리아(CeO2) 중에서 선택되는 하나 이상의 연마 입자를 더 포함한다.
보다 상세하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템은, 6H-SiC 기판의 연마를 위해 KOH 기반의 콜로이달 실리카(colloidal silica) 및 다이아몬드 입자(25 nm)가 혼합된 혼합입자 슬러리에 NaOCl을 더 첨가하여 재료제거율(MRR)을 보다 상승시킬 수 있다. 여기서 NaOCl의 첨가는 SiC 표면에 산화층을 형성시키는 역할을 한다. SiC 표면에 형성된 산화층은 다이아몬드 입자에 의해 제거되며 콜로이달 실리카 입자는 표면거칠기를 확보하도록 도와준다.
구체적인 일 예로, 본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템에 있어, 전류세기가 SiC 표면 연마에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위해 상기한 NaOCl이 첨가된 혼합입자 슬러리를 첨가하고 상기 전해노즐부(600)에 1, 5, 10, 15 A의 직류 전류를 가하면서 상기 SiC 및 GaN 기판 연마부(800)에서 30분 동안 연마를 수행하였다. 그 결과, SiC 재료제거율은 전류세기가 5 A 인 경우 1 A 전류세기 대비 29% 향상되었고, 전류세기가 10 A 인 경우 1 A 전류세기 대비 70% 향상되었고, 전류세기가 10 A 인 경우 1 A 전류세기 대비 71% 향상되었다. 이와 같이, 상기 슬러리에 인가되는 전류 세기가 5 내지 10 A 인 경우에 SiC 및 GaN 기판의 재료제거율을 현저히 향상시키며, 전류 세기가 5 A 미만인 경우 연마 효과가 미미하고, 전류 세기가 10 A를 초과하는 경우 전력 손실이 크고 오히려 표면의 평활도를 저하시킬 우려가 있다.
한편, 상기 탱크(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 일면이 개방된 형태일 수 있고, 폐쇄된 형태로도 구비될 수 있다. 다만, 탱크(100)는 상기 슬러리를 수용할 수 있는 것이라면 어떠한 형태라도 가능하다.
상기 DO 측정부(200)는 상기 탱크(100) 내에 존재하는 용존 산소량(dissolved oxygen, DO)를 측정한다. 상기 DO 측정부(200)에서 측정된 용존 산소량은 PC 등의 기록매체(미도시) 전달될 수 있다. 이때, 전달되는 방식은 유선 또는 무선 통신일 수 있으나, 반드시 제한되는 것은 아니다.
상기 제1 UV 조사부(300)는 상기 슬러리에 자외선을 조사함으로써 히드록시 라디칼을 생성한다. 상기 제1 UV 조사부(300)에서 조사되는 자외선의 파장은 약 330 내지 420 nm일 수 있고, 이러한 파장은 UV 필터 등을 구비함으로써 달성될 수 있다. 한편, 상기 슬러리에 잔존하는 과산화수소(H2O2)에 자외선을 조사했을 때 히드록시 라디칼의 생성 메커니즘은 하기 [반응식 1]으로 표현될 수 있다.
[반응식 1]
상기 나노버블 공급부(400)는 상기 탱크(100)의 일측에 결합되어 주입구를 통해 상기 슬러리에 약 10 내지 100 nm의 크기의 나노버블을 공급하여 슬러리 내 용존 산소량을 제어할 수 있다. 이때, 용존 산소량의 제어는 상기 DO 측정부(200)에서 측정된 용존 산소량 수치가 일정 수준으로 유지되도록 나노버블의 분사압력을 조절함으로써 가능하다. 구체적이고 비한정적인 일 예로, 상기 용존 산소량의 수치는 20 내지 50 mg/L일 수 있고, 나노버블의 분사압력은 0.01 내지 0.1 MPa일 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템에 있어, 상기 나노버블 공급부(400) 사용에 따른 슬러리 내 용존산소량의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 3에 도시된 Normal은 상기 나노버블 공급부(400)가 구비되지 않은 상태에서 상기 DO 측정부(200)를 통해 슬러리 내 용존 산소량을 측정한 것이고, O2는 상기 나노버블 공급부(400)이 구비된 상태에서 측정한 결과이다. 도 3에 보는 바와 같이, 슬러리 용존산소량은 Normal인 경우 약 10.7 mg/L에서 나노버블 공급부(400)를 통해 약 30.8 mg/L까지 상승한 것을 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템에 있어서, 상기 나노버블 공급부(400) 및 제1 UV 조사부(300) 사용에 따른 재료제거율(MRR)을 나타내는 그래프이다. 도 4에 도시된 재료제거율(MRR) 측정시 상기 슬러리는 퓸드 실리카 및 콜로이달 실리카 중에서 선택되는 하나 이상의 실리카 연마 입자를 더 포함하는 것이고, 연마에 사용된 기판은 구리기판이다. 또한 Normal은 상기 나노버블 공급부(400) 및 제1 UV 조사부(300)가 구비되지 않은 상태에서 재료제거율(MRR)을 측정한 결과이고, O2는 상기 나노버블 공급부(400)만 구비된 상태에서 재료제거율(MRR)을 측정한 결과이며, O2+UV는 상기 나노버블 공급부(400) 및 제1 UV 조사부(300)가 구비된 상태에서 재료제거율(MRR)을 측정한 결과이다. 도 4에 보는 바와 같이, 상기 나노버블 공급부(400)가 구비된 상태에서 재료제거율(MRR)이 약 710 mm/min에서 약 760 mm/min으로 상승하였고, 상기 나노버블 공급부(400) 및 제1 UV 조사부(300)가 구비된 상태에서는 약 780 mm/min으로 상승하였다. 도 4에 도시된 결과로부터 구리의 화학기계적 연마에서는 H2O2를 산화제로 활용하고 있으므로 하기 반응식 2로 표현되는 히드록시 라디칼(-OH) 생성 메커니즘을 가질 수 있다.
[반응식 2]
한편, 상기 펌프부(500)는 상기 탱크(100) 및 전해노즐부(600)과 배관을 통해 연통되며, 상기 슬러리를 일정량 상기 전해노즐부(600)로 이송하는 역할을 한다.
상기 전해노즐부(600)는 상기 펌프부(500)에서 이송된 슬러리를 전기분해하여 이온화시키고, SiC 및 GaN 기판 연마부(800)으로 슬러리를 일정량 토출하는 역할을 한다. 상세하게, 상기 전해노즐부(600)의 사용은 상술한 과산화수소와 같은 촉매에 의한 직접적 산화방법 외에 물의 양극 방전에 의한 히드록시 라디칼을 생성하는 간접적 산화방법을 제공한다. 다만, 전기분해시 전기전도도와 입자의 분산성 향상을 위해 상기 슬러리는 차아염소산나트륨(NaOCl)을 더 포함시키는 것이 좋다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템은 상기 전해노즐부(600)에 전원을 인가하는 전원공급부(650)를 더 포함할 수 있다. 여기서 전원은 교류 전원인 것이 슬러리의 분산성 향상을 위해 바람직하고, 연삭시 연삭재 표면의 평활화를 좋게 한다.
상기 제2 UV 조사부(700)는 상기 전해노즐부(600)에서 토출된 슬러리에 자외선을 조사함으로써 슬러리 내 히드록시 라디칼의 양을 보다 상승시킨다.
본 발명은 상기 전해노즐부(600) 및 제2 UV 조사부(700)를 포함함에 따라 히드록시 라디칼의 양을 더욱 상승시키고, 이러한 히드록시 라디칼은 주로 하기 반응식 3 및 4에 의해 생성될 수 있다.
[반응식 3]
(상기 반응식 3은 전기분해시 생성되는 과산화수소의 UV 램프에 의한 반응이다)
[반응식 4]
(상기 반응식 4는 전기분해시 생성되는 오존의 UV 램프에 의한 반응이다)
한편, 상기 SiC 및 GaN 기판 연마부(800)는 상부에 연마 패드가 부착되고, 회전 가능한 플레이튼부(810);와, 상기 플레이튼부(810) 상에서 연마할 SiC 및 GaN 기판을 개재하여 접하는 폴리싱 헤드부(820);를 구비한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템에 있어서, 상기 전해노즐부(600)를 포함하는 경우 재료제거율(MRR)을 나타내는 그래프이다. 도 5의 재료제거율(MRR) 측정시 실험 조건은 하기 표 3에 수록하였다. 도 5에 보는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템은 전해노즐을 적용하기 위하여 슬러리에 NaOCl을 첨가하였으며, 연마 입자가 포함된 경우와 연마 입자가 없는 경우(Abrasive-free), NaOCl을 첨가한 경우와 첨가하지 않은 경우의 구리웨이퍼 재료제거율(Material Removal Rate; MRR)을 비교하였다. NaOCl을 첨가하지 않은 경우는 전해노즐의 사용 여부와 관계없이 유사한 MRR을 보이며 NaOCl을 첨가하는 경우 MRR이 상승하는 경향을 보였다. 또한 연마입자가 슬러리에 존재하는 경우가 연마입자가 없는 경우보다 높은 MRR을 보였다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템에 있어서, 상기 슬러리는 황산(H2SO4) 및 염산(HCl) 중 하나 이상을 더 포함할 때, SiC 기판의 재료제거율을 보여주는 그래프이다. 이때, 황산(H2SO4) 및 염산(HCl)은 각각 상기 슬러리 전체 중량에 대하여 3.5 중량% 첨가된 것이다. 도 6에 보는 바와 같이, 상술한 나노버블 공급부(400)에서 슬러리 내에 나노버블을 공급하기 전에는 HCl, H2SO4 및 NaCl의 재료제거율은 일정 수준에서 유사하나, 상기 나노버블 공급부(400)에서 슬러리 내에 나노버블을 공급한 후로부터는 HCl 및 H2SO4을 각각 첨가한 경우에 재료제거율이 급상승하는 것을 확인할 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템은 상기 슬러리에 나노 버블과 HCl, H2SO4을 더 포함함으로써 SiC 및 GaN 기판의 연마 효과를 극대화시키는 것이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템은, 상기 탱크(100) 내부에 설치되고, 상기 슬러리와 반응하여 히드록시 라디칼을 생성하는 전이금속으로 이루어진 전이금속부(150)를 더 구비할 수 있다.
일 예를 들자면, Fe2+ 등의 전이금속을 이용한 경우 전이금속 이온과 과산화수소의 펜톤 반응에 따라 히드록시 라디칼을 생성할 수 있고, 히드록시 라디칼은 하기 반응식 4에 의해 생성될 수 있다.
[반응식 4]
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
100 : 탱크
150 : 전이금속부
200 : DO 측정부
300 : 제1 UV 조사부
400 : 나노버블 공급부
500 : 펌프부
600 : 전해노즐부
650 : 전원공급부
700 : 제2 UV 조사부
800 : SiC 및 GaN 기판 연마부
150 : 전이금속부
200 : DO 측정부
300 : 제1 UV 조사부
400 : 나노버블 공급부
500 : 펌프부
600 : 전해노즐부
650 : 전원공급부
700 : 제2 UV 조사부
800 : SiC 및 GaN 기판 연마부
Claims (4)
- 반도체 공정의 화학기계적 연마(CMP)를 위한 연마 입자의 분산성 향상을 통한 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템에 있어서,
과산화수소가 포함된 슬러리를 수용하는 탱크(100);
상기 슬러리의 용존 산소량(DO)을 측정하는 DO 측정부(200);
상기 슬러리에 자외선을 조사하여 히드록시 라디칼을 생성하는 제1 UV 조사부(300);
상기 슬러리에 나노버블을 공급하여 용존 산소량을 제어하는 나노버블 공급부(400);
상기 탱크(100)와 연통되어 상기 슬러리를 전해노즐부(600)로 이송하는 펌프부(500);
상기 펌프부(500)에서 이송된 슬러리를 전기분해하여 이온화시키고, SiC 및 GaN 기판 연마부(800)으로 슬러리를 토출하는 전해노즐부(600);
상기 전해노즐부(600)에 전원을 인가하는 전원공급부(650);
상기 SiC 및 GaN 기판 연마부(800)의 상부 일측에 구비되어, 상기 전해노즐부(600)에서 토출된 슬러리에 자외선을 조사하는 제2 UV 조사부(700);
상부에 연마 패드가 부착되고, 회전 가능한 플레이튼부(810);와, 상기 플레이튼부(810) 상에서 연마할 SiC 및 GaN 기판을 개재하여 접하는 폴리싱 헤드부(820);를 구비하는 SiC 및 GaN 기판 연마부(800);를 포함하며,
상기 슬러리는 다이아몬드(diamond), 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3) 및 세리아(CeO2) 중에서 선택되는 하나 이상의 연마 입자를 더 포함하고,
상기 전기분해 시 상기 슬러리에 인가되는 전류 세기는 5 내지 10 A 이며,
상기 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템은 기본적으로 과산화수소가 포함된 슬러리에 제1 UV를 조사하는 공정; 상기 슬러리에 나노 버블을 공급하는 공정을 수행하는 공정; 상기 슬러리에 제2 UV를 조사하는 공정; 상기 슬러리에 전기분해하는 공정을 융합하며,
상기 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템은 고급 산화법을 통해 히드록시 라디칼을 생성하고, 전기화학적 분해에 의해 히드록시 라디칼을 생성하며, 나노 마이크로 버블 생성 장치를 이용하며,
상기 히드록시 라디칼을 생성하는 방법은 펜톤산화법, 오존산화법, Perexone법, UV 관분해법 중 어느 하나의 방법을 적용하며,
전기(화학적) 분해에 의해 히드록시 라디칼을 생성하는 방법은 CMP 슬러리에서 NaCl, KCl, LiCl을 첨가하는 것을 특징으로 하는 반도체 공정의 화학기계적 연마(CMP)를 위한 연마 입자의 분산성 향상을 통한 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 슬러리는 차아염소산나트륨(NaOCl)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도체 공정의 화학기계적 연마(CMP)를 위한 연마 입자의 분산성 향상을 통한 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 슬러리는 황산(H2SO4) 및 염산(HCl) 중 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도체 공정의 화학기계적 연마(CMP)를 위한 연마 입자의 분산성 향상을 통한 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 탱크(100) 내부에 설치되고, 상기 슬러리와 반응하여 히드록시 라디칼을 생성하는 전이금속으로 이루어진 전이금속부(150)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는, 반도체 공정의 화학기계적 연마(CMP)를 위한 연마 입자의 분산성 향상을 통한 SiC 및 GaN 기판 가공 시스템.
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