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문제 정의
- 패드의 회전속도와 웨이퍼의 회전 속도를 변수로 하여 유 동장을 관찰하였고, 그 결과 groove가 없는 패드의 경우 본 연구의 공정조건에서 패드와 웨이퍼 사이에 유 동장이 존재할 것으로 판단되었다. 이에 유 동장을 예측하는 간단한 모델과 함께 결과의 타당성을 검증하였다.
가설 설정
- 설명할 수 있다. 우선 패드와 웨이퍼 사이에 연속적인 유체 필름이 존재한다고 가정을 흐卜자. 이때, 필름 내부의 유동을 층류라고 가정할 경우, 이 층류의 양쪽 경계는 웨이퍼의 선속도와 패드의 선속 도가 된다.
제안 방법
- 속도장을 측정하는 방식이다.'3 하지만 본 실험에서는 패드와 웨이퍼 사이의 두께가 매우 얇아서 이러한 sheet beam을 유막에 통과시키기 어려울 뿐만 아니라, Fig. 1에서 보듯이 기존의 CMP장비의내부 공간은 매우 협소하여 여러 광학장치들을 설치하기가 어렵기 때문에 bulk beam을 이용하여 기존의 PIV 시스템과 다른 PIV 기법을 적용하였다.
- 3.1 절의 속 도장 분포를 바탕으로 하여, 유 동장의 유선을 구하였다. 앞의 Fig.
- CMP 공정 중의 슬러리 유동에 대한 구체적인 측정 결과가 부족한 상황에서 기존의 PIV 기법을 다소 변형시켜 패드와 슬러리 사이의 유동장을 측정하였다. 패드와 웨이퍼의 회전속도를 변수로 선택하여 그 속도를 변화시켜가면서 측정한 결과, 유 동장의 속도는 패드 회전속도에 주로 영향을 받는 것으로 나타났다.
- 또한, 실험 장치의 협소함으로 인해 CCD 카메라를 조사영역에 수직인 아닌 기울여 설치하여서 생기는 초점 흐려짐을 줄이고자, 초점을 한 조사영역당 두 군데로 맞춰서 측정하였다. 각 실험영역에서 50번을 반복 측정하여 평균을 내었으며, 측정 후 각 영역은 회전 이동 및 평행 이동으로 합쳤으며, 각도 방향으로 보간법을 실시하였다.
- 사용하였으므로, 조사영역이 작다. 결국 CMP 장치의 웨이퍼 전체를 한 번에 조사할 수가 없기 때문에 조사영역을 약 30° 각으로 나눠서 측정하게 되었다. 또한, 실험 장치의 협소함으로 인해 CCD 카메라를 조사영역에 수직인 아닌 기울여 설치하여서 생기는 초점 흐려짐을 줄이고자, 초점을 한 조사영역당 두 군데로 맞춰서 측정하였다.
- 또한 패드와 웨이퍼의 상호작용으로 유동장 내에 환류가 생김을 관측할 수 있었고, 약간의 가정을 통해 그 현상을 해석해 보았다. 이 결과는 groove가 없는 패드에서는 슬러리 유체 필름이 연속적으로.
- 결국 CMP 장치의 웨이퍼 전체를 한 번에 조사할 수가 없기 때문에 조사영역을 약 30° 각으로 나눠서 측정하게 되었다. 또한, 실험 장치의 협소함으로 인해 CCD 카메라를 조사영역에 수직인 아닌 기울여 설치하여서 생기는 초점 흐려짐을 줄이고자, 초점을 한 조사영역당 두 군데로 맞춰서 측정하였다. 각 실험영역에서 50번을 반복 측정하여 평균을 내었으며, 측정 후 각 영역은 회전 이동 및 평행 이동으로 합쳤으며, 각도 방향으로 보간법을 실시하였다.
- CMP 유 동장 가시화에 관한 기존연구들은 형광액의 농도 등을 이용한 정성적인 방법인 데 반하여, 1"2 PIV(Particle Image Velocimetry)를 이용한 방법은 유 동장 내의 입자를 직접 측정하는 것이므로 보다 정확하게 유동장 정보를 얻을 수 있는 장점이 있다. 본 연구는 CMP 유 동장의 직접적인 측정을 시도한 데에 큰 의미가 있으며, 본 연구의 첫 단계로써 groove가 없는 패드에 대한 유동장을 측정하였다. 패드의 회전속도와 웨이퍼의 회전 속도를 변수로 하여 유 동장을 관찰하였고, 그 결과 groove가 없는 패드의 경우 본 연구의 공정조건에서 패드와 웨이퍼 사이에 유 동장이 존재할 것으로 판단되었다.
- 앞서 언급한 바와 같이, pad에 의한 532nm 파장의 반사광, 즉 산란 신호를 제거하기 위해 카메라 앞에 600nm 이상의 신호만 통과하는 high pass filter를 사용, 그 이하의 신호들을 제거하였다. 뿐만 아니라 CMP내부로 들어가는 모든 빛을 차단하여 정확도를 높이기 위해 암실 상태를 유지하였다
- 실험은 웨이퍼와 패드의 회 전속도를 변화시키면서 시행하였으며, 두 회전속도의 상대적인 비 또한 고려하였다. 마찰을 위해 웨이퍼에 2psi의 압력을 가압한 후 실험을 수행하였으며, 패드는 groove가 없는 Cabot Epad200이 사용되었다.
- 이 형광 입자는 532nm의 펄스레이저에 의해 여기되어, 532nm의 산란 신호와 612nm의 형광 신호를 발산하게 된다. 앞서 언급한 바와 같이, pad에 의한 532nm 파장의 반사광, 즉 산란 신호를 제거하기 위해 카메라 앞에 600nm 이상의 신호만 통과하는 high pass filter를 사용, 그 이하의 신호들을 제거하였다. 뿐만 아니라 CMP내부로 들어가는 모든 빛을 차단하여 정확도를 높이기 위해 암실 상태를 유지하였다
- 이러한 반사된 빛을 막기 위해서 기존의 PIV 용 입자가 아닌 형광 입자를 슬러리에 주입하여 형광 입자에 의해 발생되는 형광 신호만의 이미지를 CCD 카메라로 얻는다.
- 알아보았다. 전체 웨이퍼 크기에서 유 동장의 속도가 어떻게 분포하는지에 대해서 조사하였고, 유선 분석을 통해 그 경향을 분석하였다.
- 패드와 웨이퍼의 회전속도에 따른 속도장의 변화를 알아보았다. 전체 웨이퍼 크기에서 유 동장의 속도가 어떻게 분포하는지에 대해서 조사하였고, 유선 분석을 통해 그 경향을 분석하였다.
대상 데이터
- 고려하였다. 마찰을 위해 웨이퍼에 2psi의 압력을 가압한 후 실험을 수행하였으며, 패드는 groove가 없는 Cabot Epad200이 사용되었다. 보다 자세한 실험 조건은 Table 1과 Table 2에 표시되어있다.
이론/모형
- 이에, 본 논문에서는 CMP 공정에 대한 보다 근본적인 이해를 위해, 패드와 웨이퍼 사이의 유 동장을 PIV 기법을 이용하여 측정하였다. CMP 유 동장 가시화에 관한 기존연구들은 형광액의 농도 등을 이용한 정성적인 방법인 데 반하여, 1"2 PIV(Particle Image Velocimetry)를 이용한 방법은 유 동장 내의 입자를 직접 측정하는 것이므로 보다 정확하게 유동장 정보를 얻을 수 있는 장점이 있다.
성능/효과
- 패드와 웨이퍼의 회전속도를 변수로 선택하여 그 속도를 변화시켜가면서 측정한 결과, 유 동장의 속도는 패드 회전속도에 주로 영향을 받는 것으로 나타났다. 웨이퍼 회전속도도 유동에 영향을 미치나, 제한적임을 알 수 있었다.
- 패드와 웨이퍼의 회전속도를 변수로 선택하여 그 속도를 변화시켜가면서 측정한 결과, 유 동장의 속도는 패드 회전속도에 주로 영향을 받는 것으로 나타났다. 웨이퍼 회전속도도 유동에 영향을 미치나, 제한적임을 알 수 있었다.
- 본 연구는 CMP 유 동장의 직접적인 측정을 시도한 데에 큰 의미가 있으며, 본 연구의 첫 단계로써 groove가 없는 패드에 대한 유동장을 측정하였다. 패드의 회전속도와 웨이퍼의 회전 속도를 변수로 하여 유 동장을 관찰하였고, 그 결과 groove가 없는 패드의 경우 본 연구의 공정조건에서 패드와 웨이퍼 사이에 유 동장이 존재할 것으로 판단되었다. 이에 유 동장을 예측하는 간단한 모델과 함께 결과의 타당성을 검증하였다.
- 일반적으로 액체 유동에 PIV 기법을 적용하는 경우는 매질 굴절률 차이가 있기 때문에 기체 실험에 비해 훨씬 큰 입자를 사용해야 한다. 하지만, 본 연구에서 슬러리 유동의 흐름을 살펴보려는 목표를 두고 있었기 때문에 추적 입자를 선정함에 있어 슬러리 내 연마 입자 크기에 상응하는 1pm 이하의 입자를 선택하려고 하였으나, 초기 실험을 통해 1μm 이하 입자는 현재 PIV 시스템으로 측정 가능하지 않음을 확인하였다. 측정 가능한 크기의 형광 입자를 선택하여 본 실험에서 적용한 형광 입자의 직경은 7pm이다.
후속연구
- CMP는 현재 ULSI circuits의 평탄화 작업에 적합한 정밀도를 보이고 있으나, 지속적으로 증가하는 회로 집적도와 웨이퍼의 크기 및 낮은 기계적 강도를 갖고 있는 저 유전물질 (low-k material) 등의 새로운 재료의 출현 등으로 미루어 볼 때, 앞으로보다 높은 정밀도가 필요할 것으로 판단된다. 그러나, CMP의 공정변수 - 웨이퍼와 패드의 상대속도, 웨이퍼에 가하는 적용압력, 슬러리 유입량, 연마제 크기, 슬러리 pH, 웨이퍼의 크기, 패드 종류 등 - 가 너무나 많고 서로 간섭하기 때문에, CMP 결과를 명확하게 예측하는 것은 매우 난해할 뿐만 아니라 CMP의 기본적인 연마원리를 확립하는 것 또한 힘든 일이다.
- 존재하는 것으로 가정할 때 쉽게 해석될 수 있었고, 이는 실제 유 동장의 존재 유무가 불분명한 현 상황에서 groove가 없는 패드의 경우엔 패드와 웨이퍼 사이에 유체 필름이 존재하여 그 사이에서 윤활 및 연마작용을 한다는 주장에 좀 더 적합한 결과가 될 수 있다. 다만 확실히 결론을 짓기에는 이 실험의 자료만으로는 불충분하며, 추후에 현재 반도체 양산라인에서 주로 사용중인 groove 패드와의 비교 및 분석을 수행하여 보다 정량적인 정보를 얻고자 한다.
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