[논문 리뷰] Polishing of {100} and {111} single crystal diamond through the use of Chemical Mechanical Polishing

Evan L. H. Thomas, Soumen Mandal외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 02. 14.

Diamond and Carbon-based Materials ResearchMaterials Science참고 문헌 3인용 수 21

한 줄 요약

이 연구는 폴리우레탄/폴리에스터 패드와 콜로이드 실리카 슬러리로 수행하는 화학기계연마(CMP)가 {100} 및 {111} 단일 결정 다이아몬드 웨이퍼의 표면 거칠기를 효과적으로 감소시킴을 보여준다. 이 방법은 다이아몬드 입자나 고온을 사용하지 않고도 RMS 거칠기를 각각 0.23 nm 및 0.09 nm로 감소시켜, 고성능 전자 및 광학 응용 분야를 위한 원자적으로 평탄하고 결함이 없는 다이아몬드 표면을 얻는 데 있어 단순화되고 IC 호환 가능한 접근법을 제공한다.

ABSTRACT

Diamond is one of the hardest and most difficult to polish materials. In this paper, the polishing of {111} and {100} single crystal diamond surfaces by standard Chemical Mechanical Polishing, as used in the silicon industry, is demonstrated. A Logitech Tribo Chemical Mechanical Polishing system with Logitech SF1 Syton and a polyurethane/polyester polishing pad was used. A reduction in roughness from 0.92 to 0.23 nm root mean square (RMS) and 0.31 to 0.09 nm RMS for {100} and {111} samples respectively was observed.

연구 동기 및 목표

• 고전압 및 고주파 전자 및 광학 장치에 적합한 고성능 다이아몬드 표면을 위한 저손상, 확장 가능한 연마 방법을 개발하기 위해.
• 기계적 연마 방식이 비대칭적 표면 손상, 나노균열 및 표면 이하 균열을 유발하는 한계를 해결하기 위해.
• 실리콘 산업에서 사용하는 표준 화학기계연마(CMP) 기법을 다이아몬드에 적용하기 위해 고온 및 다이아몬드 입자를 피하는 것을 목적으로 한다.
• CMP가 {100} 및 {111} 다이아몬드 결정 방향에서 원자적으로 평탄하고 결함이 없는 표면을 달성하는 데 효과적인지 평가하기 위해.
• 장시간 연마 동안 다이아몬드 CMP에서의 연마 패드 마모 및 조건화 특성을 규명하여 공정 수명과 성능 최적화를 위한 기반을 마련하기 위해.

제안 방법

• 로그텍 트라이보 CMP 시스템을 사용하여 폴리에스터/폴리우레탄 연마 패드와 알칼리성 콜로이드 실리카 슬러리(Syton, pH 9.2–10.1, 4–5% 에틸렌 글리콜)를 적용하였다.
• 실온에서 4 psi 하중 압력과 60 rpm의 반대 방향 회전 속도로 {100} 및 {111} 단일 결정 다이아몬드 시료를 연마하였다.
• SC-1 세정(과산화수소:암모니아수:정제수, 1:1:5, 75 °C에서 10분) 후 초음파 정제수 용액에 10분 간 침지하여 시료를 준비한 후, 사이아노아크릴레이트 및 크리스탈본으로 수지 홀더에 고정하였다.
• 전기 도금된 다이아몬드 입자를 사용하여 패드를 현장에서 조건화하여 표면 불규칙성과 슬러리 분포 및 연마 효율을 향상시켰다.
• 연마 후 SC-1 및 HF 용액을 사용하여 잔류 슬러리와 오염 물질을 제거하기 위한 세정을 실시하였다.
• 원자력 현미경(AFM)을 이용해 25 μm² 영역의 표면 형상 특성을 분석하여 RMS 거칠기와 원래 연마 균열에 수직인 선형 프로파일을 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 콜로이드 실리카와 폴리우레탄/폴리에스터 패드를 사용한 표준 화학기계연마(CMP)가 {100} 및 {111} 단일 결정 다이아몬드 표면의 거칠기를 효과적으로 감소시킬 수 있는가?
• RQ2 전통적인 기계적 연마와 비교할 때 CMP는 표면 손상, 나노균열 제거 및 표면 이하 결함 형성 측면에서 어떤가?
• RQ3 다이아몬드의 극도로 높은 경도가 장시간 연마 과정 중 연마 패드의 마모와 수명에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 고온이나 다이아몬드 입자를 요구하지 않고도 CMP 공정을 다이아몬드에 적용하여 IC 제조 기준과 호환 가능하게 만들 수 있는가?
• RQ5 {100} 및 {111} 결정 방향 간에 제거율과 표면 품질 측면에서 연마 메커니즘이 얼마나 다를 수 있는가?

주요 결과

• CMP는 기계적으로 연마된 {100} 및 {111} 다이아몬드 표면의 나노균열을 효과적으로 제거하여 훨씬 더 매끄러운 표면 형상을 확보하였다.
• {100} 평면의 RMS 표면 거칠기는 연마 후 0.92 nm에서 0.23 nm로 감소하여 거칠기 감소율이 75%로 나타났다.
• {111} 평면의 RMS 표면 거칠기는 연마 후 0.31 nm에서 0.09 nm로 감소하여 거칠기 감소율이 71%로 나타났다.
• 연마 과정은 딱딱한 방향과 부드러운 기계적 연마 방향 모두에서 효과적이었으며, 균열 손상이나 균열 재형성의 증거는 관찰되지 않았다.
• SC-1 및 HF 용액을 이용한 연마 후 세정이 잔류 슬러리와 잔여 물질을 효과적으로 제거하여 청결하고 오염 없는 표면을 확보하였다.
• 7시간의 연마 후에 심한 패드 마모가 관찰되었으며, 폴리에스터 섬유가 끊어지고 폴리우레탄 거품이 마모되어 현장에서의 조건화 및 패드 교체 전략이 필요함을 시사하였다.