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문제 정의
- 본 논문에서는 반도체 제조 공정에서 화학 기계적 평탄화 공정 중 발생하는 반도체 소자의 생산성 저하의 원인이 되는 에지제외영역의 발생을 확인하였고, EPC 링을 사용하여 이를 개선하기 위한 연구를 진행하였다. 최적의 EPC 링 설계를 위해 링의 폭, 웨이퍼와의 간격, 그리고 링의 두께를 변수로 설정하였고 실험을 진행하였다.
- 본 논문에서는 패드의 영향을 컨트롤 하기 위하여 EPC 링을 개발하였으며, EPC 링의 폭, 웨이퍼와의 간격 및 두께를 변수로 설정하여 실험을 진행하였다. 연구에 적용된 실험절차는 먼저 리테이닝 링의 압력을 변동시켜 연마한 결과를 통하여 패드가 영향을 미치는 범위를 확인한 후 EPC링의 폭을 설정하였다.
제안 방법
- EPC 링을 장착하기 위해서 기존의 웨이퍼 크기보다 더 큰 연마헤드를 사용하여 실험을 진행하였으며 EPC 링의 장착 전/후 상태의 이해를 위해 Fig. 3에 도식화하였다.
- 연구에 적용된 실험절차는 먼저 리테이닝 링의 압력을 변동시켜 연마한 결과를 통하여 패드가 영향을 미치는 범위를 확인한 후 EPC링의 폭을 설정하였다. 그 후 각각의 변수에 따른 EPC 링을 장착한 산화막 웨이퍼를 1분간 연마하였으며, 박막 두께 측정기를 사용하여 연마된 산화막의 두께를 측정하였다. 연마실험의 재현성에 대한 신뢰도를 평가하기 위해 먼저 3장의 더미(dummy) 웨이퍼와 EPC 링으로 연마를 하여 패드 표면 및 EPC 링 표면을 안정화시킨 뒤, 3장의 모니터링(monitoring) 웨이퍼로 실험을 수행하였다.
- 본 논문에서는 웨이퍼 에지영역에 해당하는 영역에 에지형상제어 링(edge profile control Ring, ECP ring)을 사용하여 기존의 연마 장비에서 단지 연마 헤드의 크기만 키움으로써 패드의 불균일한 거동으로부터 발생하는 웨이퍼의 에지효과를 최소화할 수 있게 하였다. EPC 링은 리테이닝 링의 재질로 사용되는 에폭시 소재의 박판을 밀링공정을 통해 ±0.
- 본 논문에서는 패드의 영향을 컨트롤 하기 위하여 EPC 링을 개발하였으며, EPC 링의 폭, 웨이퍼와의 간격 및 두께를 변수로 설정하여 실험을 진행하였다. 연구에 적용된 실험절차는 먼저 리테이닝 링의 압력을 변동시켜 연마한 결과를 통하여 패드가 영향을 미치는 범위를 확인한 후 EPC링의 폭을 설정하였다. 그 후 각각의 변수에 따른 EPC 링을 장착한 산화막 웨이퍼를 1분간 연마하였으며, 박막 두께 측정기를 사용하여 연마된 산화막의 두께를 측정하였다.
- 그 후 각각의 변수에 따른 EPC 링을 장착한 산화막 웨이퍼를 1분간 연마하였으며, 박막 두께 측정기를 사용하여 연마된 산화막의 두께를 측정하였다. 연마실험의 재현성에 대한 신뢰도를 평가하기 위해 먼저 3장의 더미(dummy) 웨이퍼와 EPC 링으로 연마를 하여 패드 표면 및 EPC 링 표면을 안정화시킨 뒤, 3장의 모니터링(monitoring) 웨이퍼로 실험을 수행하였다. 웨이퍼와 EPC 링의 간격은 0 mm, 1 mm, 2 mm로 설정하였으며, EPC 링의 두께는500 µm, 600 µm, 650 µm, 700 µm, 750 µm, 그리고 800 µm 로 설정하였다.
- 웨이퍼와 EPC 링의 간격은 0 mm, 1 mm, 2 mm로 설정하였으며, EPC 링의 두께는500 µm, 600 µm, 650 µm, 700 µm, 750 µm, 그리고 800 µm 로 설정하였다.
- 본 논문에서는 반도체 제조 공정에서 화학 기계적 평탄화 공정 중 발생하는 반도체 소자의 생산성 저하의 원인이 되는 에지제외영역의 발생을 확인하였고, EPC 링을 사용하여 이를 개선하기 위한 연구를 진행하였다. 최적의 EPC 링 설계를 위해 링의 폭, 웨이퍼와의 간격, 그리고 링의 두께를 변수로 설정하였고 실험을 진행하였다.
성능/효과
- 1) 리테이닝 링의 압력을 바꿔가며 웨이퍼를 연마함으로써 패드의 거동이 에지제외영역에 영향을 미치며, 그 범위가 10 mm에 이르는 것을 확인하였고, EPC 링의 폭은 10 mm이상으로 제작되어야 함을 알 수 있었다.
- 2) EPC 링과 웨이퍼 사이의 간격 변수를 0 mm, 1 mm, 2 mm로 설정하여 실험한 결과 EPC 링과 웨이퍼 사이의 간격이 에지제외영역에 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 간격이 0 mm인 경우 에지제외영역이 2 mm에 불과하였지만, 간격이 있을 경우 에지제외영역이 3 mm로서, 1 mm의 활용 가능한 웨이퍼의 면적손실이 발생하는 것을 확인하였다.
- 3) EPC 링과 웨이퍼의 두께 차이가 미치는 영향을 분석한 결과, EPC 링이 웨이퍼보다 두꺼울 경우 웨이퍼 에지의 재료제거율이 감소하였다. 그러나 EPC 링이 웨이퍼보다 얇은 경우 웨이퍼 에지의 재료제거율이 증가하는 경향을 보였다.
- 6은 EPC 링과 웨이퍼의 간격에 따른 연마불균일도를 나타낸 그래프로 기준 웨이퍼는 에지제외영역이 4 mm(EE4)이상되는 것을 알 수 있었다. EPC 링을 장착하여 웨이퍼와의 간격이 0 mm인 경우는 에지제외영역이 웨이퍼의 에지로부터 2 mm(EE2)일 때 연마불균일도가 2% 내외로 개선되었으며, EPC 링의 간격이 1 mm, 2 mm인 경우 에지제외영역이 동일하게 3 mm (EE3)일 때 연마불균일도가 2% 내외로 개선된 것을 알 수 있었다. 이 결과로부터 EPC 링과 웨이퍼 사이의 1 mm 이상의 간격은 웨이퍼의 에지제외영역에 영향을 미치는 변수로 작용함을 알 수 있었으며, 이는 EPC 링과 웨이퍼의 간격이 패드와 웨이퍼 사이에 불균일한 접촉점을 유발하여 웨이퍼의 에지에 영향을 미친 것으로 판단하였다.
- EPC 링을 장착한 웨이퍼의 연마프로파일과 기존의 연마방식을 사용한 기준 웨이퍼(reference wafer)의 연마프로파일을 비교한 결과 EPC 링을 사용한 웨이퍼의 연마프로파일이 매우 균일하게 나타나는 것을 알 수 있었다.
- 여기서 발생된 에지의 불균일한 연마프로파일은 리테이닝 링이 패드거동에 영향을 미쳤기 때문에 발생된 것으로 판단된다. 그리고 웨이퍼의 크기에 상관없이 에지로부터 10 mm 영역에 걸쳐 발생한다는 결론을 내렸다. 위 결과를 통해 기존의 직경 150 mm 웨이퍼에 사용되던 연마헤드에 100 mm 웨이퍼와 폭 25 mm의 EPC 링을 장착 할 경우, 리테이닝 링과 패드로부터 발생되는 에지효과를 충분히 피할 수 있음을 예상할 수 있다.
- 모든 실험결과로부터 EPC 링의 폭은 10 mm 이상, 웨이퍼와 EPC 링 사이의 간격은 0 mm, 그리고 웨이퍼와 EPC 링의 두께 차이는 ±50 µm인 EPC 링이 최적화된 디자인이라고 판단하였다.
- 실험결과, EPC 링이 웨이퍼보다 얇은 경우 웨이퍼 중심의 재료제거율보다 에지의 재료제거율이 증가하는 경향을 보였다.
- 4는 최적화된 공정조건으로부터 얻은 직경 100 mm 산화막 웨이퍼의 재료제거율 그래프이다. 실험결과, 웨이퍼의 중심을 기준으로 약 -40 mm에서 40 mm의 범위에서 균일한 연마프로파일을 보였지만 에지에서 10 mm의 범위에서는 연마프로파일 차이가 뚜렷하게 나타났다. 동일한 실험방법으로 직경 200 mm 웨이퍼를 연마한 선행연구에 따르면, 최적화된 공정조건임에도 불구하고 에지에서 불균일한 연마프로파일이 발견되었으며, 그 영역은 직경 100 mm 웨이퍼와 동일하게 10 mm의 범위에서 나타났다.
- 그리고 웨이퍼의 크기에 상관없이 에지로부터 10 mm 영역에 걸쳐 발생한다는 결론을 내렸다. 위 결과를 통해 기존의 직경 150 mm 웨이퍼에 사용되던 연마헤드에 100 mm 웨이퍼와 폭 25 mm의 EPC 링을 장착 할 경우, 리테이닝 링과 패드로부터 발생되는 에지효과를 충분히 피할 수 있음을 예상할 수 있다.
- 위 실험을 통해 산화막 웨이퍼 연마공정에서 ITRS에 부합하는 기준 즉, 에지제외영역이 2 mm이내의 기준을 만족시키기 위해선, EPC 링을 웨이퍼보다 50 µm 더 두껍게 설계하여야 하며 EPC 링의 수명을 웨이퍼보다 50 µm 만큼 얇아질 때까지 사용하도록 공정조건을 설정하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
- EPC 링을 장착하여 웨이퍼와의 간격이 0 mm인 경우는 에지제외영역이 웨이퍼의 에지로부터 2 mm(EE2)일 때 연마불균일도가 2% 내외로 개선되었으며, EPC 링의 간격이 1 mm, 2 mm인 경우 에지제외영역이 동일하게 3 mm (EE3)일 때 연마불균일도가 2% 내외로 개선된 것을 알 수 있었다. 이 결과로부터 EPC 링과 웨이퍼 사이의 1 mm 이상의 간격은 웨이퍼의 에지제외영역에 영향을 미치는 변수로 작용함을 알 수 있었으며, 이는 EPC 링과 웨이퍼의 간격이 패드와 웨이퍼 사이에 불균일한 접촉점을 유발하여 웨이퍼의 에지에 영향을 미친 것으로 판단하였다. 그리고 1 mm 와 2 mm의 결과는 매우 유사한 결과가 나왔다.
- EPC 링을 장착한 웨이퍼의 연마프로파일과 기존의 연마방식을 사용한 기준 웨이퍼(reference wafer)의 연마프로파일을 비교한 결과 EPC 링을 사용한 웨이퍼의 연마프로파일이 매우 균일하게 나타나는 것을 알 수 있었다. 이는 기존 연마과정에서 발생되었던 패드거동에 관한 문제점을 ECP 링을 사용함으로써 개선할 수 있음을 알 수 있었다.
- 그러나 EPC 링이 웨이퍼보다 얇은 경우 웨이퍼 에지의 재료제거율이 증가하는 경향을 보였다. 이는 두께 차이로 인해 멤브레인이 웨이퍼의 에지에 균일한 압력을 전달하지 못하기 때문에 발생하는 것으로 판단되며, 이를 통해 EPC 링의 두께와 웨이퍼의 두께 차이가 줄어들수록 웨이퍼 에지의 연마균일도가 좋아질 수 있다는 결론을 내렸다.
- 최적화된 EPC 링의 사용을 통해 웨이퍼의 에지제외영역을 10 mm에서 2 mm이하로 줄일 수 있었으며, 이는 EPC 링을 사용함으로써 장비의 교체 없이 간단한 공정변화만으로 이루어낸 결과이다.
- 모든 실험결과로부터 EPC 링의 폭은 10 mm 이상, 웨이퍼와 EPC 링 사이의 간격은 0 mm, 그리고 웨이퍼와 EPC 링의 두께 차이는 ±50 µm인 EPC 링이 최적화된 디자인이라고 판단하였다. 최적화된 EPC 링의 조건에 해당하는 EPC 링의 사용을 통해 에지제외영역을 2 mm까지 줄일 수 있다는 결론을 내렸으며, 이는 국제 반도체 기술지도의 기준에 부합하는 결과로 이어진다.
후속연구
- 화학 기계적 평탄화 공정에서 웨이퍼의 재료제거와 함께 EPC 링의 마모현상도 일어나기 때문에 EPC 링의 두께 변수는 무엇보다도 중요하게 여겨져야 할 것이다. 실제 공정에서 웨이퍼 연마 시 균일한 연마프로파일을 얻기 위한 소모재로써 EPC 링을 사용 할 경우 공정조건에 따라 EPC 링의 두께에 대한 신뢰값을 구하여야 할 것으로 생각되며 이에 대한 연구가 진행되어야 할 것이다.
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