The mechanical polishing process which uses small and hard abrasives is widely used in various industries, such as product housing, surface finishing of optical equipment, and wafer planarization along with chemical reactions. In particular, with the recent evolution of high-density semiconductors, efforts are being made to develop smaller devices, and at the same time, more fields require carbon-based hard substrates, so polishing technology needs harder and finer abrasives. In the case of fixed-abrasive pads that have abrasives attached on the pad, relatively large abrasives are used because there is a limit to the size of the abrasives that can be attached. Therefore, conventional fixed-abrasive pads are difficult to use in a precise polishing process. As an alternative, the loose-abrasive is currently used in fields that require high polishing precision. In this process, loose-abrasives dispersed in a solution are injected between a polishing pad and surface to perform polishing. However, the loose-abrasive must be removed through the post-cleaning process, so the overall polishing process becomes very complicated, and the process generates significant material wastes.
In this study, a novel fixed-abrasive pad was manufactured using carbon nanotubes (CNTs) having a high aspect ratio with a diameter of 10 - 20 nm and a length of 3 μm, to overcome the limitations of conventional polishing pads. The fixed-abrasive polishing pad is manufactured such that vertically aligned carbon nanotubes (VACNTs) synthesized through chemical vapor deposition (CVD) are impregnated in the polyurethane (PU) surface and then only a part of the VACNTs protruded from the surface through oxygen plasma etching. The excellent mechanical strength of CNTs can polish various materials, as well as a nanometer-sized diameter, enabling precise polishing. In addition, the CNT shape with a high aspect ratio can be stably fixed in PU while effectively transmitting force to the substrate. The polishing precision, material removal rate, and planarization performance of the developed fixed CNT polishing pad are quantitatively analyzed, and the abrasion mechanism is confirmed through modeling.
작고 단단한 연마재로 표면을 가공하는 기계적 연마 공정은 다양한 전자 제품들의 하우징, 디스플레이 등 광학 장비의 표면 가공, 화학적 반응과 함께 반도체 웨이퍼의 평탄화를 수행하는 등 다양한 산업분야에 폭넓게 활용되고 있는 공정이다. 특히 최근 고집적 반도체가 개발되면서 점점 더 작은 크기의 소자 개발 노력이 이뤄지고 있으며, 동시에 탄소 기반의 단단한 기판을 필요로 하는 분야가 많아지고 있어 더욱더 단단하면서 동시에 정밀한 연마를 수행할 수 있는 연마재 및 연마 기술 개발이 요구되고 있다. 연마 입자가 패드에 부착 되어있는 고정-연마재 패드의 경우 고정할 수 있는 연마재 크기에 한계가 있어, 비교적 크기가 큰 연마재를 사용하게 된다. 따라서 기존의 고정-연마재 패드의 경우 정밀한 연마 공정에는 사용하기 어렵다. 이에 대한 대안으로 현재 높은 연마 정밀도를 필요로 하는 분야에서는 분리-연마재 방식을 사용하고 있다. 이는 용액에 분산된 연마 입자를 연마 패드와 부품 표면 사이에 주입하여 연마를 수행하는 방식이다. 하지만 분산되었던 연마재를 제거하는 후 세정 공정이 별도로 필요하기 때문에 공정 단계가 복잡해지며, 이러한 과정에서 발생되는 다량의 폐수는 환경 오염의 원인이 된다.
본 연구에서는 기존의 연마 패드의 한계점을 극복하기 위해 직경 10-20 nm, 길이 3 μm이상의 높은 세장비를 갖는 수직으로 정렬된 탄소나노튜브(CNT)를 연마재로 활용한 새로운 고정-연마재 패드를 제작하였다. 고정형 CNT 연마 패드는 화학적기상증착법을 통해 합성한 수직 정렬된 CNT를 폴리우레탄 표면에 함침 시킨 후 플라즈마 에칭을 통해서 CNT의 일부분만 표면에 돌출되도록 제작된다. CNT의 우수한 기계적 강도는 다양한 소재에 대한 연마재로 활용이 가능할 뿐만 아니라 나노미터 크기의 직경을 가지고 있어, 정밀한 연마가 가능하다. 또한 고 세장비를 가지는 CNT 형상은 견고하게 CNT가 고정된 상태에서 효과적으로 힘을 전달한다. 개발한 고정형 CNT 연마 패드의 연마 정밀도 및 재료 제거율, 평탄화 정도를 정량적으로 확인하고 모델링을 통하여 CNT가 수행하는 연마 매커니즘을 확인한다.
