[논문]CFD를 이용한 CMP장비의 효과적인 공정을 위한 수치해석적 연구

이수연; 김광선

CFD를 이용한 CMP장비의 효과적인 공정을 위한 수치해석적 연구
A Numerical Analysis Using CFD for Effective Process at CMP Equipment 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.10 no.4, 2011년, pp.139 - 144

이수연 (한국기술교육대학교 대학원 메카트로닉스 공학과) , 김광선 (한국기술교육대학교 대학원 메카트로닉스 공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

CMP process is an essential element in the semiconductor product processes in Chemical Mechanical Polishing. Taken as a whole, CMP is one process, but concretely, it is a detail process which consists of polishing, cleaning, and so on. Especially, the polishing and cleaning are key points in the whole process. Polishing rate is the most important factor and is related with deposition of slurry in the polishing process. Each outlet velocities is the most important factors in cleaning process. And when the velocities are more uniform, the cleaning becomes more effective. In this research, based on these factors, we performed a numerical analysis for effective polishing and cleaning which can be applied to industrial field. Consequently, we figured out that more than one opened nozzle is more effective than one opened nozzle at the polishing pad in case of this research. And we confirmed that the revised models have the uniform velocity distribution more than the previous model of the cleaning nozzle.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

마지막(case1-9)에서는 case1-5~8에서의 유량을 반으로 감소시켜 전체유량이 기존의 유량과 동일하게 설정하고 이 방안이 슬러리 도포에 있어서 개선안이 될 수 있는지 판단하고자 하였다.
본 연구에서는CFD를 이용하여 CMP 공정에서 폴리싱 패드와 세정노즐을 수치해석하고 기존 모델의 문제점이나 단점을 보완 및 개선하여 방안을 제시하였다.
[2] 결과적으로 효과적인 세정을 위해서는 노즐 출구 속도의 균일도를 높여서 웨이퍼 전체에 세정액이 고루 도포될 수 있게 해야 한다. 이에 본 연구에서는 수치해석을 통해 그루브(groove)가 적용된 폴리싱 패드 위에 슬러리가 가장 균일하게 도포될 수 있는 노즐의 위치에 대해 연구하였고, 세정 노즐 출구 속도의 균일도에 영향을 미칠 수 있는 인자를 도출하고, 출구 속도의 균일도를 높일 수 있는 설계에 대하여 연구하였다.

제안 방법

Fig. 4(a)는 case2-1으로써, 기존에 사용하던 장비의 모델을 격자 생성한 그림이고, 기존 장비는 노즐 출구 속도가 균일하지 않은 문제를 지니고 있어서, 3가지의 개선안 제시하였다. Fig.
과 같다. 12개의 슬러리 노즐 중에서 기존의 방식인 1개의 노즐만 개방된 해석(case1-1~4)을 수행하여 현재의 문제점을 찾아낸 다음, 2개의 노즐이 개방된 해석(case1-5~8)을 수행하여 슬러리의 도포를 확인하였다.
에 나타내었다. case2-1~4까지 모두 동일한 조건이며 한 개의 case당 3가지의 입구 속도로, 총 12회의 해석을 수행하였다.
에 나타내었다. 단, 도포양은 부피율(Volume fraction)로써 계산하였다.
case 1-5~8의 슬러리 도포양과 표준편차를 검토하면, 표준편차는 비교적 작은 차이를 보이나, 슬러리 도포양은 case1-5가 가장 큰 값을 나타냈다. 따라서 case1-5의 개방 노즐을 채택하여 노즐 1개당 슬러리 공급량을 1/2인 125 ml/min으로 줄여서 전체 유량이 case 1-1~4와 같게 적용하여 해석을 수행하였다. Fig.
이는 슬러리가 낭비되는 상황을 초래하게 된다. 따라서 이를 개선하기 위하여 슬러리의 총 공급량을 줄인 경우를 고려하여 해석을 수행하였다.
02 ver.을 사용하여 미소체적인 격자를 표면격자로부터 체적격자로 생성하였다. 위 상용코드에서 지원하는 종류의 격자 가운데 복잡한 모델에서 격자 생성이 용이한 다면체 격자를 주로 이용하였으며, 프리즘 레이어를 혼용하여 구성하였다.
그러나 노즐이 1개만 개방 될 때는 그 이상으로 개방 될 때보다 슬러리 분포의 균일도가 좋아지는 것에 한계가 있을 수 있다. 이에 따라 2개의 노즐을 개방하여 수치해석하고, 패드 위의 슬러리 분포를 재확인 하였다.

대상 데이터

을 사용하여 미소체적인 격자를 표면격자로부터 체적격자로 생성하였다. 위 상용코드에서 지원하는 종류의 격자 가운데 복잡한 모델에서 격자 생성이 용이한 다면체 격자를 주로 이용하였으며, 프리즘 레이어를 혼용하여 구성하였다.

데이터처리

따라서 case1-5의 개방 노즐을 채택하여 노즐 1개당 슬러리 공급량을 1/2인 125 ml/min으로 줄여서 전체 유량이 case 1-1~4와 같게 적용하여 해석을 수행하였다. Fig. 10에서 case1-5와 case1-9의 해석결과(슬러리 공급 5초 후)를비교하였고, Table 6.에서 슬러리 도포양의 평균과 표준편차를 비교하였다. Fig.

이론/모형

세정 노즐 해석에는 난류모델을 적용하였고, 식(5)와 같다.

성능/효과

그런데, 본 연구에서 다루는 모델의 세정 노즐은 매니폴드(manifold)방식으로써 설계 방법에 따라 노즐 출구 속도의 균일도에 많은 영향을 미치게 된다. [2] 결과적으로 효과적인 세정을 위해서는 노즐 출구 속도의 균일도를 높여서 웨이퍼 전체에 세정액이 고루 도포될 수 있게 해야 한다. 이에 본 연구에서는 수치해석을 통해 그루브(groove)가 적용된 폴리싱 패드 위에 슬러리가 가장 균일하게 도포될 수 있는 노즐의 위치에 대해 연구하였고, 세정 노즐 출구 속도의 균일도에 영향을 미칠 수 있는 인자를 도출하고, 출구 속도의 균일도를 높일 수 있는 설계에 대하여 연구하였다.
case1-1~4와 동일한 슬러리 물성 조건으로 해석하였고, 노즐 1개당 공급량은 같으며 결과적으로 노즐의 개수가 2개이므로, case1-5~8의 전체 슬러리 공급량은 case1-1~4의 2배이다. 각 case1-5~8의 해석결과(슬러리 공급 5초 후)를 Fig.
15 m/s에서 큰 폭의 감소를 보였다. 결과적으로 case2-1과 비교해 봤을 때 출구 속도의 균일도 개선을 확인할 수 있었다.
그 결과, 폴리싱 패드는 case1-1~9의 결과 비교에서 확인할 수 있듯이 동일한 슬러리 공급조건 하에서, 1개의 노즐보다 2개의 노즐로 슬러리를 공급하는 것이 슬러리 분포에 있어서 보다 유리한 것을 알 수 있었다. 이는 더 나아가 가능한 범위 내에서 개방한 노즐의 개수를 최대한 증가시키는 것이 슬러리 분포의 균일도에 있어서 보다 효과적인 것임을 의미하며, 차기 연구에서는 노즐의 개수와 같은 인자 뿐만 아니라 노즐의 개수가 증가함에 따라, 각 노즐의 슬러리 공급량도 변화시킨다면, 본 연구에서 도출한 개선안보다 높은 균일도에 접근 할 수 있을 것으로 판단된다.
11에 나타내었다. 입구속도가 0.05 m/s로 낮을 때는 출구의 속도가 전체적으로 균일한 편이었으나 입구속도가 점점 증가할수록 11번 출구(가장 끝 단)의 속도 값이 비교적 크게 증가하여 전체적인 균일도가 떨어지는 현상을 확인할 수 있었다. 그리하여, 11번 노즐 부분의 형상을 변경하고 해석하여 case2-2~4에서 재확인하였다.
에 나타난 것처럼 도포양의 표준편차는 case1-1~4에 비해 증가하여 균일도가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 슬러리 공급량이 많아지면서 앞선case1-1~4에서 볼 수 없었던 슬러리 응집 현상을 예상할 수 있었다. 이는 슬러리가 낭비되는 상황을 초래하게 된다.
에 나타낸 것과 같이 패드 위에서 도포양 감소는 있었다. 하지만 전반적인 슬러리 분포는 표준편차 비교에 의해 앞서 해석한 case1-1~8에 비해 어떤 경우에 대해서도 보다 높은 균일도를 가짐을 확인할 수 있었다.

후속연구

그 결과, 폴리싱 패드는 case1-1~9의 결과 비교에서 확인할 수 있듯이 동일한 슬러리 공급조건 하에서, 1개의 노즐보다 2개의 노즐로 슬러리를 공급하는 것이 슬러리 분포에 있어서 보다 유리한 것을 알 수 있었다. 이는 더 나아가 가능한 범위 내에서 개방한 노즐의 개수를 최대한 증가시키는 것이 슬러리 분포의 균일도에 있어서 보다 효과적인 것임을 의미하며, 차기 연구에서는 노즐의 개수와 같은 인자 뿐만 아니라 노즐의 개수가 증가함에 따라, 각 노즐의 슬러리 공급량도 변화시킨다면, 본 연구에서 도출한 개선안보다 높은 균일도에 접근 할 수 있을 것으로 판단된다.
따라서 case2-4의 경우가 가장 입구조건에 영향을 덜 받는 것으로 나타났다. 이를 바탕으로 차기 연구에서는 출구 직경의 변경 혹은 전체적인 형상의 세밀한 변화를 통하여 좀 더 균일한 속도 분포를 얻을 수 있을 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	폴리싱이란?	본 연구에서 다루는 CMP 장비 관련 산업 분야에서도 효과적인 평탄화 작업 (polishing : 이하 폴리싱)이나 세정을 위한 연구가 이루어지고 있다[1]. 폴리싱은 세정을 하기에 앞서, 슬러리(slurry)를 웨이퍼(wafer)에 도포하여 연마하는 공정인데, 폴리싱에서 가장 중요한 인자는 웨이퍼의 연마 율이다. 웨이퍼 전체에 연마율이 균일하게 분포할수록 폴리싱이 잘 되었다고 할 수 있고, 이는 슬러리 도포 와도 깊은 관련이 있다.
	효과적인 세정을 위해서는 어떠한 것이 필요한가?	그런데, 본 연구에서 다루는 모델의 세정 노즐은 매니폴드 (manifold)방식으로써 설계 방법에 따라 노즐 출구 속도의 균일도에 많은 영향을 미치게 된다. [2] 결과적으로 효과적인 세정을 위해서는 노즐 출구 속도의 균일도를 높여서 웨이퍼 전체에 세정액이 고루 도포될 수 있게 해야 한다. 이에 본 연구에서는 수치해석을 통해 그루브(groove)가 적용된 폴리싱 패드 위에 슬러리가 가장 균일하게 도포될 수 있는 노즐의 위치에 대해 연구하였고, 세정 노즐 출구 속도의 균일도에 영향을 미칠 수 있는 인자를 도출하고, 출구 속도의 균일도를 높일 수 있는 설계에 대하여 연구하였다.
	본 연구에서 폴리싱 패드는 동일한 슬러리 공급조건 하에서, 1개의 노즐보다 2개의 노즐로 슬러리를 공급하는 것이 슬러리 분포에 있어 보다 유리하다는 결과는 무엇을 의미하는가?	그 결과, 폴리싱 패드는 case1-1~9의 결과 비교에서 확인할 수 있듯이 동일한 슬러리 공급조건 하에서, 1개의 노즐보다 2개의 노즐로 슬러리를 공급하는 것이 슬러리 분포에 있어서 보다 유리한 것을 알 수 있었다. 이는 더 나아가 가능한 범위 내에서 개방한 노즐의 개수를 최대한 증가시키는 것이 슬러리 분포의 균일도에 있어서 보다 효과적인 것임을 의미하며, 차기 연구에서는 노즐의 개수와 같은 인자 뿐만 아니라 노즐의 개수가 증가함에 따라, 각 노즐의 슬러리 공급량도 변화시킨다면, 본 연구에서 도출한 개선안보다 높은 균일도에 접근 할 수 있을 것으로 판단된다.

참고문헌 (4)

Jihwan Jang, Doyhung Lee, "Optimization of Groove Sizing in CMP using CFD", 대한 기계학회 추계학술대회 논문집, pp. 1522-1527, 2004
Won-Kook Cho, "Analysis on Propellant Uniformity of KSR-III Manifold", 항공우주기술, pp. 113-122, 2002
Irving H. Shames, "Mechanics of Fluids", Mcgraw Hill, Fourth pp. 149-150, 2002.
Star-CCM UserGuide ver. 6.02, CD-adapco, 2011

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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