[논문]CMP 연마입자의 마찰력과 연마율에 관한 영향

김구연; 김형재; 박범영; 이현섭; 박기현; 정해도

doi:10.4313/jkem.2004.17.10.1049

CMP 연마입자의 마찰력과 연마율에 관한 영향
Effect of Abrasive Particles on Frictional Force and Abrasion in Chemical Mechanical Polishing(CMP) 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.17 no.10, 2004년, pp.1049 - 1055

김구연 (부산대학교 정밀기계공학과) , 김형재 (부산대학교 정밀기계공학과) , 박범영 (부산대학교 정밀기계공학과) , 이현섭 (부산대학교 정밀기계공학과) , 박기현 (부산대학교 정밀기계공학과) , 정해도 (부산대학교 기계공학부)

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Chemical Mechanical Polishing (CMP) is referred to as a three body tribological system, because it includes two solids in relative motion and the CMP slurry. On the assumption that the abrasives between the pad and the wafer could be a major reason not only for the friction force but also for material removal during polishing, the friction force generated during CMP process was investigated with the change of abrasive size and concentration of CMP slurry. The threshold point of average coefficient of friction (COF) with increase in abrasives concentration during interlayer dielectric (ILD) CMP was found experimentally and verified mathematically based on contact mechanics. The predictable models, Mode I (wafer is in contact with abrasives and pad) and Mode II (wafer is in contact with abrasives only), were proposed and used to explain the threshold point. The average COF value increased in the low abrasives concentration region which might be explained by Mode I. In contrast the average COF value decreased at high abrasives concentration which might be regarded to as Mode II. The threshold point observed seemed to be due to the transition from Mode I to Mode II. The tendency of threshold point with the variation of abrasive size was studied. The increase of particle radius could cause contact status to reach transition area faster. The correlation between COF and material removal rate was also investigated from the tribological and energetic point of view. Due to the energy loss by vibration of polishing equipment, COF value is not proportional to the material removal rate in this experiment.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 ILD(Inter Layer Dielectric) CMP 시 직접 연마에 참여할 것으로 예상되는 연마입자의 크기와 중량밀도(weight percent, wt%)를 변화시켰을 때 마찰력의 크기변화와 연마 결과를 고찰해 보았다.

가설 설정

그는 연구에서 완전 유체 윤활 상태에서 유체의 전단력과 슬러리의 압력이 연마율을 결정하는 것으로 가정하였다. 반면, H.
Yu등은 혼합 윤활 상태에서 패드와 웨이퍼의 직접 접촉에 의한 재료 제거 기구를 제시하였다 [2, 3]. 본 논문에서는 H.J. Kim등이 제시한 바와 같이 패드와 웨이퍼의 직접접촉에 의한 입자의 긁어나감에 의해 연마가 일어난다고 가정하였다. 주어진 상대 속도와 압력에서 패드와 웨이퍼 사이에 존재하는 연마입자와 웨이퍼 표면의 직접 접촉에 의해 마찰이 발생하게 되고 마멸에 의해 웨이퍼 표면의 화학적으로 반응된 박막이 제거 되어 나가게 된다.

제안 방법

4인치 열산화막 웨이퍼를 사용하여 1분간 연마를 실시하였다. 연마에 사용된 패드는 Rohm and Hass사의 IC lOOO(stack)을 선택하였으며 이것은 서브패드(Sub-pad)로 suba계열의 패드가 접합되어있는 패드이다.
각각의 크기의 입자를 30 wt%의 입자함량 만큼 함유하는 상용 슬러리(Beuhler)를 5 wt%, 10 wt%, 20 wt%로 희석하여 사용하였다. 이때 슬러리의 pH는 질산을 이용하여 2.
따라서 비교의 목적으로 Rohm and Hass사의 ILD1300 슬러리로 희석 실험을 하였다. 이 실험의 결과를 그림 7에 도시 하였다.
5의 산성이 유지되도록 하였다. 또한 비교를 위해서 Rohm and Hass사의 ILD1300 슬러리의 농도를 희석하여 마찰력의 변화를 관찰하였다..
또한 에너지 관점에서 마찰력이 연마율에 미치는 영향을 고찰하였다. 농도가 낮을수록 COF값의 증가로 연마율이 증가 될 것으로 예상되나 장비의 진동에 의한 마찰에너지의 손실이 발생하여 연마율이 낮아졌다.
따라서 낮은 농도에서 높은 농도로 변환될 때 마찰력 변화의 천이구간이 존재하였다. 입자 크기, 함량에 따라 마찰력이 변하는 것은 입자-패드-웨이퍼사이의 하중균형에 의해 결정됨을 유도식과 시뮬레이션을 통하여 제시하였고 실험을통하여 이를 검증하였다.
컨디셔닝(Conditioning)은 1분 연마후 다이아몬드 컨디셔 너 (Diamond Conditioner)를 이용하여 60 g/cm?의 압력에 60 rpm/60 rpm의 속도로 30초간 컨디셔닝을 실시하였다. 입자의 크기가 다른 슬러리로 교체하기 전에 패드의 안정호} (Break-in)를 위해 다이아몬드 컨디셔너를 이용하여 컨디셔닝을 3분간 실시 후 더미웨이퍼(Dummy Wafer) 가공을 실제 가공 조건과 같은 조건에서 2 번 반복하여 수행하였다. 구체적인 실험 장치 및 실험 조건은 표 1에 나타내었다.
입자의 크기를 18 nm, 35 nm, 80 nm, 110 nm 로 변화 시키고 입자의 중량농도를 5, 10, 20, 30 wt%로 희석하여 화학 기계적 연마 시 발생하는 마찰계수를 측정하였다. 그 결과를 그림 6에 도시하였다.
그림 5. 입자의 함량과 크기변화에 따른 COF값의 수학적 모델링.

대상 데이터

실험에는 지앤피 테크놀로지(주)의 4-6인치 화학적 기계적 연마 장비인 Poli-400장비를 사용하였고 연마 시 발생하는 마찰력 측정을 위하여 Kistler사의 피에조 힘 센서(Piezoelectric Force sensor)를 연마 헤드(Head) 후면 부에 장착하였다. 구체적인 실험 장치 구성은 그림 1에 나타내었다.
실시하였다. 연마에 사용된 패드는 Rohm and Hass사의 IC lOOO(stack)을 선택하였으며 이것은 서브패드(Sub-pad)로 suba계열의 패드가 접합되어있는 패드이다. 컨디셔닝(Conditioning)은 1분 연마후 다이아몬드 컨디셔 너 (Diamond Conditioner)를 이용하여 60 g/cm?의 압력에 60 rpm/60 rpm의 속도로 30초간 컨디셔닝을 실시하였다.
첫 번째 실험에서 사용된 슬러리 내의 입자의 크기는 18 nm, 35 nm, 80 nm, 110 nm이匸]■. 각각의 크기의 입자를 30 wt%의 입자함량 만큼 함유하는 상용 슬러리(Beuhler)를 5 wt%, 10 wt%, 20 wt%로 희석하여 사용하였다.

데이터처리

연마시 발생하는 진동 강도(Vibration Intensity) 를 비교하기 위해서 그림 10과 같이 원 신호(raw signal)를 고주파 필터 (High-pass filtering)* 거쳐 RMS(Root Mean Square)값을 취하여 비교하였다. 각각의 입자 크기와 농도에 따른 진동강도를 비교하기 위해 앞서 취해진 RMS값의 평균을 취하여 그림 11.

성능/효과

영향을 고찰하였다. 농도가 낮을수록 COF값의 증가로 연마율이 증가 될 것으로 예상되나 장비의 진동에 의한 마찰에너지의 손실이 발생하여 연마율이 낮아졌다.
입자 함량이 증가함에 따라 연마율이 선형적으로 증가함을 보인다, 실험 결과 농도가 낮을때 그림 6에 나타나듯이 COF 값이 높음에도 불구하고 농도가 높아질수록 연마율이 증가하는 이유는 진동, 열전달 등에 의한 에너지의 손실에 의해 E朝이 줄어듦에 의한 것으로 추정된다

참고문헌 (5)

Runnels S. R. and Eyman L. M., 'Tribology analysis of chemical mechanical polishing', J. Electrochem. Soc. Vol. 141(6), p. 1698, 1994

상세보기
김형재, 'CMP공정에서 재료 제거 기구에 영향을 미치는 접촉 계면 특성에 관한 연구', 부산대학교 공학박사 학위논문, 2003
Yu T. K., Yu C. C., and Orlowski M., 'Combined Asperity Contact and Fluid Flow Model for Chemical-Mechanical Polishing', IEEE 1994, p. 29, 1994
Suh N. P., 'Tribophysics, New Jersey', Prentice-Hall, 1986
White D., Melvin J., and Boning D., 'Characterization and modeling of dynamic thermal behavior in CMP', J. of The Electrochemical Society, Vol 150(4), p. G271, 2003

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