연마 실험에는 로터리(Rotary) 방식의 CMP 장비인 POLI-400 (G&P Technology Corp., Korea)을 사용하였으며, 재료는 직경 100 mm, 두께 1 mm의 알루미늄 시편을 사용하였다. 슬러리(Slurry)는 가장 많이 사용되고 있는 콜로이달 실리카 슬러리(Colloidal Silica Slurry)인 Compol-80 (Fujimi Corp., Japan)을 사용하였고, 이 상용 슬러리에 산화제인 과산화수소와 착화제를 첨가하여 사용 하였다. 실험에 사용된 3가지 종류의 착화제는 옥살산, 글리신(Glycine), 구연산(Citric Acid)이다. 연마율은 재료의 연마 전, 후의 무게를 측정하여 밀도, 시편 너비, 연마시간을 곱하여 계산하였고, 표면 거칠기는 공초점 현미경(Confocal Microscope)을 이용하여 측정하였다.

먼저 착화제의 종류가 알루미늄 CMP 결과에 미치는 영향을 확인하기 위해 착화제와 슬러리를 혼합하여 연마 실험을 실시하였다. 3종의 착화제 중 연마율이 높은 착화제를 선택하였으며, 이를 이용하여 과산화수소 함량에 따른 연마율 및 표면거칠기의 변화도 조사하였다. 마지막으로 큰 효과가 나타난 옥살산의 함량을 조절하여 알루미늄 CMP에 적합한 슬러리의 조성을 확인하였다. 알루미늄 CMP의 실험조건은 아래와 같다.

Fig. 2 
Photograph of electrochemical analysis device

위 연마실험에서 화학 첨가제(산화제, 착화제)가 표면에 어떤 영향을 미치는가를 확인하기 위해 전기화학 분석을 실시하였다. 전기화학 분석은 Potentiostat, Wonatech Corp., Korea을 사용하였으며, 셀 구성은 3전극 셀로 카운터 전극(Counter Electrode), 기준 전극(Reference Electrode), 작업 전극(Working Electrode)로 구성되며 카운터 전극은 탄소봉, 기준 전극은 칼로멜 전극(Calomel Electrode)을 사용하였고, 작업 전극에는 측정 재료인 알루미늄을 사용하였다. 퍼텐쇼스탯을 이용하면 동전위 분극 곡선(Poterntio Dynamic Curve)을 얻을 수 있다. 이 곡선을 이용하여 Tafel 분석을 하게되면 부식전위(Ecorr)와 부식전류(Icorr) 값을 얻을 수 있고, 이를 통해 부식속도 값을 알 수 있다.

실험에 사용한 착화제는 옥살산, 글리신, 구연산, 세 가지 종류이다. 착화제는 연마를 할 때 발생되는 금속이온과 함께 금속화합물을 생성하여 방출되는 역할을 한다. 슬러리는 연마입자 20 wt%, 과산화수소수 1 wt%에 각각의 착화제 0.4 wt%를 첨가하여 제조하였다.

Fig. 3은 첨가된 착화제에 따른 연마율 및 표면거칠기에 대한 결과를 보여준다. 그래프를 통해 알 수 있듯이 옥살산, 글리신, 구연산을 사용하였는데, 이들이 각각 첨가된 슬러리의 연마율은 각각 220.57 nm/min, 197.35 nm/min, 115.62 nm/min이다. 옥살산을 첨가한 슬러리에서 가장 높은 연마율이 나타났고, 표면거칠기가 가장 낮았다. 이는 옥살산이 표면 연마 시 생성되는 알루미늄 이온과의 착화효과가 가장 뛰어나다는 것을 보여준다. 착화현상이 빠르게 일어나면서 재료제거 메커니즘 역시 빠르게 일어나게 되어 연마율이 증가하게 된다. 또한 표면착화 현상을 통해 표면거칠기에 영향을 줄 수 있는 알루미늄 이온이 착화제와 함께 착화합물로 결합하여 배출되어 표면거칠기 향상 효과가 나타나게 된다.

Fig. 3 
CMP result in accordance with chelating agent

Fig. 4는 전기화학 분석을 통해 그려진 과산화수소 함량에 따른 동전위 분극 곡선이다. 위 곡선에서 옥살산 사용시 가장 높은 전류밀도 값을 나타내는 것을 볼 수 있다. 전류밀도 값이 높을수록 부식속도가 빠르기 때문에 산화에 의한 연마가 활발히 일어난다는 것을 알 수 있다.

Fig. 4 
Electrochemical analysis according to types of chelating agent

과산화수소수는 알루미늄 표면을 산화시켜 연마가 용이하게 해주는 역할을 한다. 이 특성을 이용하기 위해 어느 정도의 과산화수소 함량이 알루미늄 연마에 적합한지 확인하기 위하여 함량을 조절하여 실험을 진행하였다.

Fig. 5에서 볼 수 있듯이 H₂O₂ 함량은 1 wt%에서 높은 연마율이 나타나고, 그 이상 첨가를 하였을 때는 연마율이 오히려 감소하고, 표면거칠기 역시 커지는 경향이 나타났다. 이를 통해 발생하는 표면 산화는 연마에 이로운 영향을 주지만, 과산화 되어 부동태 층이 과도하게 생성되면 오히려 연마율 및 표면거칠기 향상에 악영향을 미친다는 것을 알 수 있었다.

Fig. 5 
CMP result in accordance with concentration of H₂O₂

또한 Fig. 6의 전기화학 분석 곡선을 확인해보면 1wt%의 용액을 첨가하였을 때 가장 높은 전류 밀도 값이 나타남을 볼 수 있고, 빠른 부식 속도에 의해 연마율이 높아지고 표면거칠기가 감소된다고 판단된다.

Fig. 6 
Electrochemical analysis of H₂O₂ concentration on Al CMP

세 가지의 착화제를 첨가하여 실험을 한 결과 옥살산을 첨가하였을 때 다른 두 착화제를 사용하였을때 보다 높은 연마율과 양호한 표면거칠기 값을 나타내었다. 따라서 옥살산의 함량에 따라 연마율 및 표면거칠기가 어떻게 달라지는지 확인해보았다. 슬러리는 콜로이달 연마입자 20 wt%, 과산화수소수 1 wt%로 구성되고 여기에 옥살산을 0 - 0.8 wt%까지 조절하여 실험을 진행하였다.

Fig. 7의 연마결과 그래프를 보면 0 wt% - 0.4 wt%까지는 연마율 및 표면거칠기가 선형적으로 증가 및 감소하는 경향을 나타내지만, 0.4 wt% 이상 첨가하였을 때는 상대적으로 증가 폭이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 7 
CMP result in accordance with concentration of oxalic acid

Fig. 8의 전기화학분석을 통한 동전위 분극 곡선을 살펴보면 0.4 wt%에서 가장 높은 전류밀도 값이 나타남을 확인할 수 있다. 이를 통해 옥살산의 함량이 0.4 wt%일 때, 표면 산화가 빠르게 일어난다는 것을 알 수 있었고, Figs. 3과 4를 통해 산화가 빠를수록 연마율 및 표면거칠기가 향상된다고 할 수 있다. 그래서 옥살산 함량은 0.4 wt%가 적절하다고 판단하였다.

Fig. 8 
Electrochemical analysis of concentration according to concentration of oxlalic acid