Effects of Groove Shape Dimension on Lapping Characteristics of Sapphire Wafer

정반 그루브의 형상치수가 사파이어 기판의 연마특성에 미치는 영향

Abstract

In the sapphire wafering process, lapping is a crucial operation in order to reduce the damaged layer and achieve the target thickness. Many parameters, such as pressure, velocity, abrasive, slurry and plate, affect lapping characteristics. This paper presents an experimental investigation on the effect of the plate groove on the material removal rate and roughness of the wafer. We select the spiral pattern and rectangular type as the groove shapes. We vary the groove density by controlling the groove shape dimension, i.e., the groove width and pitch. As the groove density increases to 0.4, the material removal rate increases and gradually reaches a saturation point. When the groove density is low, the pressing load is mostly supported by the thick film, and only a small amount acts on the abrasives resulting to a low material removal rate. The roughness decreases on increasing the groove density up to 0.3 because thick film makes partial participations of large abrasives which make deep scratches. From these results, we could conclude that the groove affects the contact condition between the wafer and plate. At the same groove density, the pitch has more influence on reducing the film thickness than the groove width. By decreasing the groove density with a smaller pitch and larger groove width, we could achieve a high material removal rate and low roughness. These results would be helpful in understanding the groove effects and determining the appropriate groove design.

1. 서 론

단결정 사파이어는 GaN 에피 층(epi layer)과의 격자상수가 유사하고 우수한 고온특성으로 LED(light emitting diode)의 기판으로 이용되고 있다[1]. 사파이어 기판의 제조 공정에서 래핑 공정은 전 공정에서 발생한 표면결함층(sub-surface damaged layer)을 감소시키고 기판을 목표 두께까지 연마하며 기판의 평탄도를 향상시키기 위한 중요한 공정으로, 사파이어 기판 외에도 GaN와 SiC 기판 등 경취성 기판의 제조에도 이용되고 있다[2]. 래핑은 연마입자(abrasive)가 분산되어 있는 연마액(slurry)을 정반과 기판 사이에 공급하면서 기판과 정반의 상대운동과 기판을 가압하는 압력에 의하여 기판을 연마하는 공정이다.

래핑 공정의 연마특성은 압력과 상대속도, 가공온도와 같은 공정 변수, 연마액과 연마입자, 연마정반 등 다양한 변수들의 영향을 받는다[3]. 이 중 연마정반은 재료제거율(MRR:Material Removal Rate), 기판의 표면거칠기와 평탄도 등 중요한 연마특성에 영향을 미치는 요소로서 정반의 기계적 특성과, 표면거칠기, 평탄도, 그루브 등의 인자들로 구성되어 있다. 정반 인자 중에서 그루브는 기판과 정반, 연마액의 상호작용과 관련되어 있는 중요한 인자로, 기판과 정반의 접촉상태와 연마액의 유동에 영향을 미치기 때문에 연마특성과 밀접한 관계가 있다[4-6].

따라서 본 연구에서는 정반 그루브의 형상치수가 재료제거율과 기판의 표면거칠기와 같은 연마특성에 미치는 영향을 연구하고자 한다. 다양한 그루브 폭과 피치를 그루브 밀도 인자로 정의하여 연마 특성과의 상관관계를 분석하고 형상치수 인자 중에서 연마특성에 지배적인 영향을 미치는 인자를 찾고자 하였으며, 연구결과를 토대로 하여 그루브의 최적조건을 도출하고자 한다.

 

2. 정반 그루브의 특성

2-1. 그루브의 형상

그루브는 크게 그루브 패턴과 그루브 단면 형상으로 나눌 수 있다. 그루브 패턴은 정반 전면에 나선형 그루브의 형상으로 직교타입(grid type), 나선형 타입(spiral type), 방사형타입(radial type) 등으로 다양하다. 그루브 단면 형상은 깊이 방향의 그루브의 형상을 의미하는 것으로 직각형상, 아치형상, 쐐기형상 등으로 분류된다. 사파이어 연마 공정에서는 그루브 가공이 용이한 나선형 타입이 주로 사용된다. 그루브 단면 형상에서 아치형상과 쐐기형상의 경우 정반의 마모에 의해 그루브 깊이가 얕아짐에 따라 그루브의 폭이 바뀌어 연마특성의 변화를 가져온다. 직각형상의 경우 깊이 방향으로 형상이 일정하여 정반 마모에 의한 그루브 폭의 변화가 없는 것이 특징이다.

본 논문에서는 나선형 타입의 패턴과 직각형상의 그루브를 선정하였으며, Fig. 1에 실험에 사용된 그루브의 형상치수 개념도를 나타내었다. 직각형상의 그루브의 형상치수는 그루브의 폭(groove width)과 피치(pitch), 깊이(depth)로 나눌 수 있으며 랜드의 폭(land width)은 그루브의 폭과 간격의 종속 변수이다. 그루브의 형상치수가 연마특성에 미치는 영향을 파악하기 위하여 그루브의 폭을 고정하고 피치를 변수로 하였으며, 피치를 고정하고 그루브의 폭을 변수로 설정하였다.

Fig. 1.Schematic of groove shape dimension.

2-2. 그루브의 역할

래핑공정에서 정반은 가공물을 지지하며 정반과 가공물의 사이에 존재하는 연마입자에 압력을 전달하여 기판이 가공될 수 있도록 한다. Fig. 2에 나타낸 그루브 랜드의 SEM 사진을 통해서 페이싱(facing) 공정 후에는 랜드에 툴 마크만이 존재하는 것을 확인할 수 있다. 연마가공 후에는 랜드 위에 연마입자가 기판과 랜드 사이에서 구르거나 박히면서 생성된 압흔 자국과 일부 연마 입자들이 정반에 박혀있는 것을 확인할 수 있다. 랜드 위로의 연마입자 분산은 연마특성에 중요한 영향을 미치는 인자로서 그루브는 연마액을 정반위에 잔류시키고 가공물 전면에 연마액이 균일하게 분포되도록 공급하는 유로의 역할을 한다.

Fig. 2.SEM images of land on lapping plate (a) after facing, (b) after lapping.

그루브는 연마공정에 발생하는 가공생성물(debris)을 제거하여 스크래치를 방지하는 역할을 하여 기판의 품질과 관련이 있으며, 정반의 표면적을 증가시켜 가공 중 발생하는 마찰에 의한 열에너지를 배출하는 역할을 한다. 또한 정반 표면에 요철을 형성하여 기판과 정반 사이의 연마액에 의한 수막현상을 방지하며 기판에 작용하는 압력 분포를 균일화 해주는 효과가 있다[7].

 

3. 실험 방법 및 내용

3-1. 그루브 형상 조건

사파이어 기판의 래핑공정에서 그루브의 형상이 연마특성에 미치는 영향을 알아보기 위하여 방사형타입의 패턴과 직각형상의 그루브를 선정하였다. 이러한 형상의 그루브 형상치수에서 그루브 폭과 피치를 변수로 설계하였다. 연마특성을 비교하기 위하여 그루브 폭(W)과 피치(P)의 비로 정의되는 그루브의 밀도인자(Dg)를 도입하였으며, 식 (1)에 나타내었다.

본 실험에서 사용된 그루브 조건은 그루브 폭을 2.0 mm로 고정하고 피치를 변수로 설정하였으며, 피치를 5.0 mm로 고정하고 그루브 폭을 변수로 하여 밀도인자를 0.1에서 0.8까지 변화시키면서 그루브 피치와 폭이 기판의 연마특성에 미치는 영향을 실험을 통하여 분석하였다. 그루브 깊이는 1.0 mm로 설계하였으며 상세한 그루브 설계 조건을 Table 1에 제시하였다.

Table 1.Design of groove shape dimension

3-2. 실험 장치 및 조건

그루브 형상에 따른 연마 특성을 파악하기 위하여 각 그루브 조건에 대한 연마 실험을 수행하였으며 연마에 사용된 장비를 Fig. 3에 나타내었다.

Fig. 3.Photograph of lapping equipment.

연마 장비는 4 inch 기판 한 장을 부착할 수 있는 세라믹 헤드와 직경 300 mm 연마정반, 연마액을 정반에 분산시키기 위한 드레서(dresser)로 구성되어 있다. 그루브의 형상 변화에 대한 영향만을 고려하기 위하여 압력과 속도, 연마액의 유량을 고정하였으며 연마입자는 평균입자크기 3.5 µm의 다결정 다이아몬드를 사용하였다. 기판은 CMP공정을 마친 상태의 기판(Epi-ready)을 사용하였다. 정반은 구리 분말과 수지(resin)를 혼합하여 열경화 시킨 수지동 정반을 사용하였으며 자세한 실험조건은 Table 2에 나타내었다. 기판의 연마특성을 분석하기 위하여 연마 전후 기판의 두께를 측정하여 평균 연마량을 계산하여 재료제거율을 구하였으며, 연마 후 기판의 표면거칠기는 Zygo사의 New view 7300 장비를 사용하여 측정하였다.

Table 2.Experimental conditions

 

4. 실험 결과 및 고찰

4-1. 재료제거율

형상치수에 따른 그루브 밀도 변화가 재료제거율 특성에 미치는 영향을 Fig. 4에 나타내었다. 그루브 폭을 고정하고 피치를 변화시킨 case 1의 결과를 살펴보면 그루브 밀도가 0.1일 때 가장 낮은 0.04 µm/min 의 재료제거율을 보였으며, 그루브 밀도가 0.4까지 증감함에 따라 1.37 µm/min까지 증가하는 현상을 관찰할 수 있었다. 그루브 밀도가 0.4 이상일 때는 재료제거율이 1.2 µm/min 수준으로 수렴하는 것을 확인할 수 있다. 즉 그루브 밀도가 0.1 일 때는 정반 면적에 대한 그루브의 비율이 매우 작아서, 정반과 기판 사이에 존재하는 연마액에 의한 수막현상이 발생하여 기판에 가해지는 하중의 대부분이 연마입자에 전달되지 못하고 연마액의 동압에 의해 지지되어 매우 낮은 재료제거율을 보이는 것으로 판단된다[8]. 그루브 밀도가 커짐에 따라 연마액에 의해 지지되는 동압이 감소하고, 연마입자에 전달되는 하중이 증가함에 따라 재료제거율이 증가하게 된다. 그루브 밀도가 0.4 이상에서는 대부분의 하중이 연마입자에 전달되어 재료제거율이 수렴하는 것으로 보인다.

Fig. 4.MRR as a function of groove density at (a) case 1 - fixed groove width, (b) case 2 – fixed pitch.

피치를 고정하고 그루브 폭을 변화시킨 case 2의 결과에서는 그루브 밀도가 0.1일 때 가장 낮은 재료제거율인 0.94 µm/min를 보였으며, 0.2에서 가장 높은 값을 보이며 점차 감소하면서 수렴하는 경향성을 관찰할 수 있었다. Case 1에 비해서는 그루브밀도에 따라 재료제거율의 변화가 크지 않고 1.0 µm/min 이상의 높은 재료제거율을 보였다. case 2의 경우 case 1과 동일한 그루브 밀도를 가지고 있지만 피치가 5.0 mm로 고정되어 있고 그루브의 폭을 변화시키면서 그루브 밀도를 조절하였기 때문에 정반 위의 그루브의 개수는 변화가 없었다. 즉 그루브의 개수가 많을 경우가 수막현상을 방지하는데 더 효과적이라는 것을 알 수 있다.

피치와 그루브 폭을 변수로 한 실험에서의 피치에 대한 재료제거율을 Fig. 5에 나타내었다. 피치가 증가함에 따라 재료제거율은 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이를 통하여 그루브의 형상치수에서 재료제거율에 지배적인 영향을 미치는 인자는 그루브의 빈도를 나타내는 피치이며, 그루브 폭은 상대적으로 작은 영향을 미친다.

Fig. 5.MRR as a function of pitch.

4-2. 표면거칠기

각 그루브 조건에 대한 연마 후 기판의 표면거칠기를 Fig. 6에 제시하였다. Case 1의 경우 표면거칠기는 재료제거율의 경향과는 반대로 그루브 밀도가 낮은 0.1에서 가장 높은 9.3 nm 값을 보였으며 0.2까지 높은 표면거칠기 값을 유지하였다. 그루브 밀도가 0.3 이하일 때는 6.5 nm 수준의 값으로 수렴하는 경향을 관찰할 수 있었다. 그루브 밀도가 낮은 경우 표면거칠기가 높은 원인을 분석하기 위하여 기판 표면 스크래치를 분석하였으며, 표면의 차등간섭대비(differential interference contrast) 사진을 Fig. 7에 나타내었다. 스크래치의 깊이는 음영으로 표시되고 깊이가 깊을 수록 어둡게 표시된다. 그루브 밀도가 0.1의 경우 기판 표면에 깊고 넓은 스크래치들이 다수 존재하는 것을 확인할 수 있다. 그루브 밀도가 높은 0.7의 기판 표면에는 얕고 좁은 미세한 스크래치들이 조밀하게 분포하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 6.Roughness as a function of groove density at (a) case 1 - fixed groove width, (b) case 2 – fixed pitch.

Fig. 7.Differential interference contrast images of scratches on wafer surface at (a) P 20.0 mm, W 2.0 mm, Dg=0.1, (b) P 2.9 mm, W 2.0 mm, Dg=0.7.

본 연구에서 기판 연마에 사용된 연마입자는 평균 입자 크기가 3.5 µm이지만 실제 입자 크기는 1~5 µm로 정균분포의 형태를 가진다. 그루브 밀도가 낮은 0.1~0.2 구간에서는 연마액의 수막현상에 의해서 기판과 정반 사이의 유막 두께가 증가하고, 실제 연마에 참여하는 입자는 크기가 큰 입자로 제한되어 큰 입자들이 깊고 넓은 스크래치를 생성하여 표면거칠기가 높게 나타나는 것으로 판단된다. 이를 통해 피치를 변수로 하여 그루브 밀도를 변화시킬 경우 그루브 밀도와 표면거칠기는 반비례하며 그루브 밀도 0.3 이상에서 수렴하는 것을 확인하였다.

Case 2의 경우는 그루브 밀도 0.1에서 상대적으로 높은 7.9 nm의 표면거칠기를 보였으며, 그루브 밀도가 0.2 이상인 경우에는 Case 1과 유사한 수준으로 수렴하는 것을 관찰할 수 있다. Fig. 8에 피치와 그루브 폭을 변수로 한 표면거칠기 결과를 피치에 대해 나타내었다. 피치가 증가함에 따라 표면거칠기가 증가하는 것을 볼 수 있다. 이를 통해 표면거칠기 또한 재료제거율과 동일하게 유막두께를 줄임으로써 개선되며, 그루브의 폭보다는 그루브의 빈도에 지배적인 영향을 받는다는 것을 확인하였다.

Fig. 8.Roughness as a function of pitch.

 

5. 결 론

본 연구에서는 나선형타입의 패턴과 직각형상을 가지는 그루브의 폭과 피치를 변수로 하여 그루브의 형상치수가 사파이어 기판의 재료제거율과 표면거칠기와 같은 연마특성에 미치는 영향을 평가하였다. 재료제거율은 그루브 밀도에 비례하여 증가하는 것을 확인하였으며 표면거칠기는 그루브의 밀도가 감소할 수록 낮은 경향을 보였고, 일정 그루브 밀도 이상에서는 수렴하여 개선효과가 작았다. 그루브 밀도 변화는 정반과 기판의 접촉상태를 변화시켜, 낮은 그루브 밀도 영역에서는 일부 큰 연마입자 만이 연마에 참여하여 낮은 재료제거율 특성을 보였으며, 깊은 스크래치를 발생시켜 기판의 표면거칠기를 저하시키는 것으로 판단된다. 또한 기판과 정반의 접촉상태는 그루브 치수형상에서 그루브의 폭보다는 피치에 지배적인 영향을 받는다는 것을 알 수 있었다.

이러한 결과를 토대로 사파이어 기판의 연마특성을 향상시키기 위해서는 피치를 줄이고 그루브 폭을 증가시켜 그루브 밀도를 낮추는 것이 중요하다는 것을 확인하였다. 하지만 그루브 밀도가 낮을수록 기판과 접촉하는 정반의 랜드비율이 줄어들어 정반 마모가 증가하여 정반의 수명이 감소할 수 있다. 따라서 원하는 재료제거율과 표면거칠기를 만족하는 그루브의 밀도를 설정하여 정반의 그루브를 설계하는 것이 필요하다고 판단된다.