패키지 재배선층 CMP에서 입자가 연마 특성에 미치는 영향

Effect of Abrasive on Polishing Characteristics in Package Redistribution Layer CMP

Abstract

Advances in high-performance semiconductor packaging have made surface quality in the redistribution layer increasingly important, highlighting the need for CMP. This study investigates how abrasive particle size and type affect surface roughness and material removal rate in the CMP process. Experimental results showed that colloidal silica achieved a high MRR with smaller particles, enabling a scratch-free, good surface roughness though it exhibited a generally lower removal rate overall. In contrast, alumina provided a higher MRR with larger particles but created scratches on the surface. Based on these findings, we propose a combination process using large alumina particles for initial polishing and small colloidal silica particles for final polishing. This approach demonstrates the importance of particle size and abrasive combination in achieving optimal RDL surface quality, contributing to the reliability of high-performance semiconductor packaging.

1. 서론

반도체 산업의 발전에 따라 고성능, 고밀도 회로 설계에 대한 요구가 증가하면서 이를 지원할 수 있는 반도체 패키징 기술이 필수적으로 대두되고 있다. 특히 반도체 소자의 집적도가 높아짐에 따라 다수의 칩을 하나의 패키지 내에 효율적으로 집적할 수 있는 다양한 패키징 기술이 개발되었다. 최근에는 2.1D, 2.5D와 같은 3D 패키징 기술이 널리 연구되고 있으며, 이 중에서도 2.1D 패키징은 2D와 2.5D 기술의 장점을 결합하여 고성능을 유지하면서도 비용 효율성을 제공하는 패키징 방식으로 주목받고 있다. Fig. 1과 같이 2.1D 패키징은 인터포저(Interposer)를 최소화하거나 다층기판(Multilayer PCB) 형태로 칩 간 연결을 형성함으로써 다층 구조에서의 칩 간 신호 전달 속도와 전력 효율을 최적화할 수 있다. 이러한 특성으로 인해 고성능 컴퓨팅, AI 가속기, 데이터 센터 등 다양한 고성능 응용 분야에서 2.1D 패키징이 적극적으로 도입되고 있다.

Fig. 1 Schematic of cross-section of 2.1D Package

2.1D 패키징에서 중요한 요소 중 하나는 반도체 소자 간의 전기적 연결을 위한 재배선층(RDL: Redistribution Layer) 절연층의 구현이다. RDL은 칩 간 배선 경로를 최적화하여 데이터 전송 속도와 신호 신뢰성을 확보하는 데 중요한 역할을 한다. 특히 RDL의 절연층은 신호 간섭을 방지하고 전기적 절연을 제공하여 패키지 내의 회로 안정성을 높이는 역할을 담당한다. 이때, ABF(Ajinomoto Build-up Film)는 에폭시 수지(Epoxy Resin) 기반으로 고온 및 고주파 조건에서도 우수한 열 안정성과 절연 특성을 제공하여 RDL 절연층 소재로 널리 사용되고 있다. ABF는 미세한 패턴 형성이 가능하여 고밀도, 고성능 반도체 패키징 요구에 적합한 소재로 평가된다.

CMP(chemical mechanical planarization) 공정은 기계화학적 연마 공정으로 반도체에서 평탄화를 위해 사용되는 공정이다. Fig. 2와 같이 연마 패드와 웨이퍼 사이에 연마액(slurry)을 공급한 상태에서, 연마 패드와 웨이퍼(wafer) 간의 상대적 운동과 웨이퍼에 가해지는 가압력을 통해 웨이퍼를 평탄화 한다. 이 과정에서 웨이퍼 표면은 연마액과 화학적으로 반응하여 제거가 용이해지며, 연마액 내의 연마 입자(abrasive)가 패드의 돌기와 웨이퍼 사이에서 반응된 표면을 물리적으로 제거하여 결함 없는 표면을 형성하게 된다. 현재 RDL 절연층에서는 CMP 공정이 적용되지 않으나, 고밀도 I/O 연결과 다층 적층 구조가 요구되는 최신 패키징 기술에서는 RDL 절연층의 표면 평탄화가 필수적으로 고려되어야 한다. 다층 구조에서의 표면 평탄화는 신호 간섭을 줄이고 패키지 내 열 관리 효율을 높이는 데 중요한 역할을 하며, 후속 공정의 수율 및 신뢰성을 확보하는 데 기여한다. RDL 절연층에서 CMP 공정을 통해 표면을 정밀하게 제어함으로써 회로 패턴의 미세화를 지원하고, 3D 적층 공정에서 안정적인 결합성을 제공할 수 있다.

Fig. 2 Schematic of CMP process

본 연구에서는 RDL 절연층으로 사용되는 ABF의 CMP 공정에서 연마 입자의 종류와 크기가 ABF의 표면거칠기와 재료 제거율(MRR: Material Removal Rate)에 미치는 영향을 실험적으로 분석하였다. 본 연구의 결과는 RDL 절연층에서 CMP 공정의 필요성을 제시하며, 입자 크기와 종류에 따른 최적의 연마제 조합이 RDL 절연층의 표면 품질과 공정 효율성을 향상시킬 수 있는 효과적인 접근법이 될 것으로 기대된다.

2. 실험 장치 및 방법

RDL 절연층 연마 특성을 연구하기 위하여 Fig. 3과 같이 실험 장치를 구성하였다. 세라믹 케리어에 RDL 절연층을 본딩하고 연마 헤드를 이용해 가압하였으며, 패드가 부착된 정반과 연마 헤드가 회전하면서 연마가 진행된다. 연마액은 맥동식 펌프(Peristaltic pump)를 이용하여 정량 토출 하는 방식을 사용하였다.

Fig. 3 ABF CMP test equipment

RDL 절연층은 에폭시 수지로 이루어져 있어, 탄성변형에 의해 접촉식 측정기로 정확한 두께를 측정하기 어렵다. 따라서 Fig. 4, 5와 같이 레이저 홀 가공을 하고, 홀 깊이 변화를 비접촉식 형상 측정기(ZYGO, Newview9000)를 이용하여 9 점 측정하였다. 표면거칠기는 동일한 장비를 이용하여 반경 방향으로 9 점 측정하여 평균 표면거칠기(Sa) 값을 계산하였다.

Fig. 4 Schematics of hole on ABF

Fig. 5 Results of hole depth measurement after CMP

RDL 절연층으로 ABF를 사용하였다. 연마를 위해 ABF를 CCL(Copper clad laminate)에 적층하여, 적층된 ABF를 연마하였다. 실험 조건은 Table 1과 같이 정반과 헤드 속도를 80 rpm, 가압력은 300 gf/cm²으로 고정하여 실험을 진행하였다.

Table 1. Test conditions for ABF CMP

실험 변수로는 Table 2와 같이 CMP에 주로 사용되는 콜로이달 실리카와 알루미나 입자를 선정하였다. 콜로이달 실리카는 평균 입자 크기가 15, 42, 72 nm(Fujimi, Compol-20/50/80)를 선정하였으며, 알루미나 입자는 평균 입자 크기가 50, 300, 3,000 nm(Universal Photonics, RHODAX 0.05CR/0.3CR/3.0CR)를 이용하였다. 연마 패드는 기판 연마에 사용되는 폴리우레탄 함침형 패드를 사용하였으며 Asker C 경도가 60인 패드(Dupont, Suba-400)를 이용하여 실험을 진행하였다.

Table 2. Slurry as process variables

3. 입자 종류 및 크기에 따른 연마 특성

3.1 콜로이달 실리카 입자

ABF의 연마 전 표면 형상을 Fig. 6(a)에 나타내었다. 표면에 엠보싱(Embossing) 형태의 반복되는 패턴이 나타나 표면거칠기는 Sa 값은 약 50 nm로 높게 측정되었다. 이는 CCL 내부의 표면 형상을 측정한 Fig. 6(b)와 같이 CCL내부에 형성되어 있는 패턴이 CCL에 ABF를 적층하며 전사되어 나타나는 것으로 보인다.

Fig. 6 3D images of surface profile

Asker C 경도가 60인 Suba-400 패드를 이용하여 콜로이달 실리카 입자 크기를 변수로 연마 실험을 진행하였다. 입자 크기가 15 nm 인 콜로이달 실리카의 재료제거율을 Fig. 7에 나타내었다. 세 번의 실험에서 재료제거율은 0.36, 0.37, 0.34 μm/min의 값을 얻었었다. 평균 재료제거율은 0.36 μm/min으로 나타났으며 표준편차는 1.15×10^-2으로 낮은 값을 보여, 홀 깊이를 이용한 재료제거량 측정 방법이 유효함을 확인하였다.

Fig. 7 MRR with 15 nm colloidal silica

연마 시간에 따른 표면거칠기 값을 Fig. 8에 나타내었다. 초기 표면거칠기는 55.0 nm로, 연마 시간이 길어짐에 따라 표면거칠기는 점차 감소하여 17.0 nm 까지 낮아지는 것을 확인하였다. 이후 연마가 진행됨에 따라 표면거칠기는 점차 증가하였으며, Fig. 9와 같이 ABF 표면 프로파일을 통해 확인하였다. 연마 전 표면에 엠보싱 패턴으로 인해 높은 Sa 값을 보이며, 연마가 진행될수록 엠보싱 패턴이 낮아지며 Sa 값이 줄어드는 것을 알 수 있다. 20분에서 가장 낮은 Sa 값을 보이며 이때 재료제거량은 약 5.11 μm로 ABF의 두께가 약 5 μm 인 것을 고려하였을 때, 이후 CCL 위의 ABF가 모두 연마되고 CCL 기판이 드러남에 따라 표면거칠기가 증가하는 것으로 판단된다.

Fig. 8 Sa with 15 nm colloidal silica

Fig. 9 Surface profile changes using 15 nm colloidal silica

Fig. 10에 각 콜로이달 실리카 입자 크기에 따른 재료제거율을 나타내었다. 입자 크기가 15, 42, 72 nm 인 경우 재료제거율은 각각 0.36, 0.30, 0.20 μm/min으로 나타났으며, 입자 크기가 15 nm 에서 가장 높은 재료제거율을 얻을 수 있었다. 재료제거율은 입자 크기에 반비례하는 것을 확인하였는데, 이는 작은 입자가 표면 단위 면적당 더 많은 수의 입자를 제공하여 ABF 표면에 대한 기계적 연마 효과를 증가시키기 때문으로 판단된다. 각 입자 크기별 표면거칠기를 Fig. 11에 나타내었다. 3가지 입자 모두 15분 연마 하였을 때 Sa 값이 약 20 nm를 보였으며 15, 42 nm 입자는 거의 유사한 거칠기 감소 경향성을 보였다.

Fig. 10 MRR with various colloidal silica particle size

Fig. 11 Sa with various colloidal silica particle size

3.2 알루미나 입자

알루미나 입자에 대한 ABF CMP 연마 특성을 연구하기 위하여 평균 입자 크기가 50, 300, 3,000 nm 인 알루미나 입자를 이용하여 CMP 실험을 진행하였다. Fig. 12와 같이 재료제거율은 입자 크기가 3,000 nm 일 때 가장 큰 5.77 μm/min으로 나타났다. 콜로이달 실리카 입자 중 가장 높은 재료제거율을 보인 15 nm 입자와 비교하였을 때 16배 이상 높은 수치이다. 300 nm 입자의 경우 1.14 μm/min의 재료제거율을 보였으며, 50 nm 입자의 경우 0.14 μm/min으로 유사한 크기의 콜로이달 실리카 입자대비 낮은 재료 제거율을 보였다.

Fig. 12 MRR with various alumina particle size

각 알루미나 입자에 대한 표면거칠기 변화를 Fig. 13에 나타내었다. 3,000 nm 크기의 입자는 0.5 분 만에 Sa 21.7 nm 까지 도달하였으며, 300 nm 입자는 1.5 분 연마 후 27.3 nm 표면거칠기를 나타내었다. 하지만 50 nm 알루미나 입자의 경우 초기 표면거칠기가 낮아지다가 2 분 후 점차 거칠기가 커지는 현상을 보였는데, 이는 재료제거율과 연관 지어 설명할 수 있다.

Fig. 13 Sa with various alumina particle size

50 nm 알루미나 입자의 시간에 따른 재료제거율을 보면 초기 1 분은 0.36 μm/min로 콜로이달 실리카와 유사한 수준을 보이며, 연마가 되며 표면거칠기가 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 하지만 2 분 대 0.10 μm/min, 3 분 대 -0.05 μm/min로 연마가 되지 않음을 확인하였으며 이는 표면거칠기 증가로 나타났다. Fig. 14에 50 nm 알루미나로 연마하였을 때 표면 형상 변화를 나타내었다. 초기 Sa 50.7 nm에서 3분 연마 후 61.0 nm까지 거칠기가 증가하는 것을 확인할 수 있는데, 이는 표면 엠보싱 패턴은 그대로 유지되면서 표면에 스크래치들이 발생하며 거칠기만 증가하게 된다.

Fig. 14 Surface profile changes using 50 nm alumina

15 nm 콜로이달 실리카와 3,000 nm 알루미나로 연마하였을 때 표면 프로파일을 Fig. 15에 나타내었다. 두 가지 입자를 사용하였을 때 표면거칠기 Sa 값은 유사한 수준 이었으나, 표면 프로파일에서 차이를 보였다. 콜로이달 실리카를 이용한 경우 표면 스크래치는 없이 우수한 특성을 보였으나 엠보싱 패턴이 그대로 남아있어 웨이브니스(Waviness)가 큰 거칠기 값으로 나타났다.

Fig. 15 ABF surface profile after CMP

하지만 알루미나를 사용한 경우, 큰 입자들이 높은 재료제거율로 표면을 연마 하면서, 표면 스크래치는 존재하나 엠보싱 패턴은 사라져 평탄화된 것을 확인 할 수 있다. 본 실험 결과를 통해서 두 가지 연마 입자를 조합하여 표면거칠기를 향상시킬 수 있는 방법을 도출하였다. 3,000 nm 알루미나를 이용하여 빠르게 표면 엠보싱 패턴을 없애고, 15 nm 콜로이달 실리카를 이용하여 스크래치를 제거한다면 표면 요철과 스크래치가 없는 우수한 수준의 표면거칠기를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.

4. 결론

본 연구에서는 RDL 절연층의 CMP 공정에서 연마 입자의 종류와 크기에 따른 연마 특성을 실험을 통하여 분석하였다. 실험 결과, 입자 크기는 재료 제거율에 큰 영향을 미치며 입자의 종류는 표면거칠기에 영향을 주는 변수라는 것을 확인하였다. 콜로이달 실리카 연마제의 경우, 입자 크기가 작을수록 높은 재료 제거율을 보였으며, 입자 크기에 따른 표면거칠기는 약 20 nm로 세 가지 입자 크기 모두 스크래치 없는 유사한 수준의 표면거칠기를 보였다. 15 nm 입자 크기에서 0.36 μm/min의 가장 높은 제거율을 나타냈으며, 이는 작은 입자가 ABF 표면 단위 면적당 더 많은 접촉점을 형성하여 기계적 연마 효과 증가시키기 때문으로 판단된다.

반면, 알루미나 연마제는 입자 크기가 클수록 높은 재료 제거율을 나타냈으며, 특히 3,000 nm 크기에서 5.77 μm/min으로 가장 높은 MRR을 보였다. 또한 높은 재료제거율로 표면의 엠보싱 패턴을 빠르게 제거하는 특성을 보였다. 그러나 알루미나 연마제를 사용할 경우, 표면에 스크래치가 발생하여 표면거칠기가 증가하는 단점이 있었다. 따라서 콜로이달 실리카와 알루미나 연마제를 조합하여 우수한 표면을 얻을 수 있다. 초기 연마 과정에서는 3,000 nm 알루미나를 사용하여 엠보싱 패턴을 빠르게 제거하고, 후속 마무리 연마 단계에서는 15 nm 콜로이달 실리카를 사용하여 스크래치를 제거함으로써 균일하고 깨끗한 표면을 형성할 수 있을 것으로 판단된다.

본 연구 결과는 ABF CMP 공정에서 입자 종류와 크기가 표면 품질과 재료제거율에 미치는 영향을 이해하는 데 기여하며, 이와 같은 연마제의 조합은 ABF CMP 공정에서 최적의 표면 품질을 달성하기 위한 효과적인 접근법으로 사용될 수 있을 것이다.

감사의 글

이 논문은 2024년도 정부(과기정통부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No.RS-2024-00426823).