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[국내논문] 기계화학적 연마공정중 패드내 미세공극에서의 연마입자의 거동
Slurry Particle behavior inside Pad Pore during Chemical Mechanical Polishing 원문보기

윤활학회지 = Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, v.28 no.1, 2012년, pp.7 - 11  

곽하슬로미 (한남대학교 대학원 기계공학과) ,  양우열 (한남대학교 대학원 기계공학과) ,  성인하 (한남대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, the results of finite element(FE) analysis of chemical mechanical polishing(CMP) process using 2-dimensional elements were discussed. The objective of this study is to find the generation mechanism of microscratches on a wafer surface during the process. Especially, a FE model with a ...

주제어

#기계화학적 연마가공   #유한요소해석   #유체-구조 상호작용   #CMP공정후 표면결함  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구팀은 원자현미경(atomic force microscope)를 이용한 실험 및 유한요소해석을 이용한 연구를 통하여 접촉응력 및 입자형상, 압력, 속도 등 다양한 공정변수에 따른 입자의 충돌에 의한 접촉과 표면결함 발생양상을 고찰하여 왔다[5-7]. 본 논문에서는 공정중에 가능한 여러 직접적인 접촉양상중에서 특히 폴리머 연마패드의 미세공극(micro pore)을 모델링에 포함하여 미세공극내에서의 슬러리 연마입자와 웨이퍼, 패드의 접촉현상 및 미세공극내의 입자 거동이 표면 결함 발생에 미치는 영향을 중점적으로 고찰하였다.
  • CMP공정중에 발생하는 이러한 연마입자의 패드로의 침투 및 고착현상에 대하여 최근들어 몇몇 소수의 실험적 고찰들이 보고되고 있는데[12,13], 이들 실험적 고찰에서는 실험후 패드 표면 미세구조에 대한 다양한 화학적 및 이미지 분석을 통하여 패드-입자의 혼합상태로 해석하거나 공정중에 패드표면이 입자에 의해 코팅되는 현상으로 해석하고 있다. 본 연구결과는 이러한 실험결과들과 잘 일치하며, 또한 그러한 결과들에 합리적인 근거를 제공해 준다. 본 시뮬레이션 연구결과를 통하여, CMP공정중에 패드와 입자간 상호접촉에 의해 패드표면에 입자가 코팅되는 것이 아니라 패드내에 입자가 침투하여 고착되면서 입자-패드의 혼합물상태로 보는 것이 더 타당한 해석임을 확인할 수 있다.
  • 본 연구에서는 2차원 유한요소해석을 통하여 반도체 제조에 필수공정인 기계화학적 연마(CMP) 공정에서의 미세표면결함 발생 메커니즘을 규명하고자 하였다. 이를 위해 실제 공정에서와 같이 미세공극이 존재하는 폴리머 패드내에서의 입자거동을 파악하였다.
  • 1에서 보이듯이 연마입자가 공극에 들어가서 입자의 운동이 일정 정도 구속된 상태로 접촉이 이루어지게 된다. 본 연구에서는 이러한 미세공극내에서의 입자거동 및 접촉계면에서의 현상을 파악해 보고자 하였다.
  • 실제 CMP공정에서 연마입자와 웨이퍼, 연마패드의 접촉은 슬러리내에서 이동하는 입자의 웨이퍼 또는 패드표면으로의 충돌 또는 웨이퍼-입자-연마패드의 직접적인 접촉에 의해 발생한다. 본 연구팀은 원자현미경(atomic force microscope)를 이용한 실험 및 유한요소해석을 이용한 연구를 통하여 접촉응력 및 입자형상, 압력, 속도 등 다양한 공정변수에 따른 입자의 충돌에 의한 접촉과 표면결함 발생양상을 고찰하여 왔다[5-7]. 본 논문에서는 공정중에 가능한 여러 직접적인 접촉양상중에서 특히 폴리머 연마패드의 미세공극(micro pore)을 모델링에 포함하여 미세공극내에서의 슬러리 연마입자와 웨이퍼, 패드의 접촉현상 및 미세공극내의 입자 거동이 표면 결함 발생에 미치는 영향을 중점적으로 고찰하였다.
  • 이러한 기존의 연구들에서는 CMP공정후에 발생되는 표면결함의 발생 및 증가 원인으로 거대 연마입자 또는 연마입자의 뭉침(agglomeration), 단단한 연마패드(harder or drier pad), 구리(Cu)와 같은 연질웨이퍼의 경우 큰 마찰력 등이 제시되고 있는데, 본 연구에서는 연마공정중의 입자-표면, 입자-패드간 접촉에 중점을 두고 그 생성 메커니즘을 규명해 보고자 하였다. 이를 위하여 입자, 웨이퍼, 연마패드 및 접촉계면에서의 슬러리 유동을 고려한 미세유동 채널내에서의 유한요소 모델을 구성하고, 입자-웨이퍼-연마패드 접촉을 통하여 CMP공정중에 나타나는 응력 및 변형을 살펴보았다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
기계화학적 연마 가공이란 무엇인가? 반도체 제조에 있어서 핵심공정인 기계화학적 연마 가공(chemical-mechanical polishing, CMP)은 폴리머 연마패드와 미세 연마입자를 포함하는 슬러리를 이용하여 기계적 및 화학적 가공을 통하여 패터닝(patterning) 된 웨이퍼표면의 평탄화를 얻는 공정이다. 반도체의 고성능화, 고집적화에 대한 요구로 패턴선폭이 점차 작아지면서 기계화학적 연마공정에 대해 더욱 우수한 가공 정밀도, 신뢰성과 표면품위가 요구되고 있어, 지금까지는 크게 문제되지 않았던 공정의 본질적인 한계점과 난제들이 반드시 해결해야 할 중요 이슈로 떠오르고 있다.
기계화학적 연마 가공 공정에서 연마입자와 웨이퍼, 연마패드의 접촉은 무엇에 의해 발생하는가? 실제 CMP공정에서 연마입자와 웨이퍼, 연마패드의 접촉은 슬러리내에서 이동하는 입자의 웨이퍼 또는 패드표면으로의 충돌 또는 웨이퍼-입자-연마패드의 직접적인 접촉에 의해 발생한다. 본 연구팀은 원자현미경 (atomic force microscope)를 이용한 실험 및 유한요소해석을 이용한 연구를 통하여 접촉응력 및 입자형상, 압력, 속도 등 다양한 공정변수에 따른 입자의 충돌에 의한 접촉과 표면결함 발생양상을 고찰하여 왔다[5-7].
CMP공정후에 발생되는 표면결함의 발생 및 증가 원인으로 제시되고 있는 것들은 무엇이 있는가? 이러한 기존의 연구들에서는 CMP공정후에 발생되는 표면결함의 발생 및 증가 원인으로 거대 연마입자 또는 연마입자의 뭉침(agglomeration), 단단한 연마패드 (harder or drier pad), 구리(Cu)와 같은 연질웨이퍼의경우 큰 마찰력 등이 제시되고 있는데, 본 연구에서는 연마공정중의 입자-표면, 입자-패드간 접촉에 중점을 두고 그 생성 메커니즘을 규명해 보고자 하였다. 이를 위하여 입자, 웨이퍼, 연마패드 및 접촉계면에서의 슬러리 유동을 고려한 미세유동 채널내에서의 유한요소 모델을 구성하고, 입자-웨이퍼-연마패드 접촉을 통하여 CMP공정중에 나타나는 응력 및 변형을 살펴보았다.
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참고문헌 (13)

  1. Eusner, T., Saka, N., and Chun, J. H., et al., "Controlling Scratching in Cu Chemical Mechanical Planarization," Journal of The Electrochemical Society, Vol. 156, pp. H528, 2009. 

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  2. Saka, N., Eusner, T., and Chun, J. H., "Scratching by Pad Asperities in Chemical-mechanical Polishing," CIRP Annals - Manufacturing Technology, Vol. 59, No. 1, pp. 329-332, 2010. 

    상세보기 crossref

  3. Hung, C.-C., Lee, W.-H., and Chang, S.-C., et al., "Investigation of Copper Scratches and Void Defects after Chemical Mechanical Polishing," Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 47, No. Copyright (C) 2008 The Japan Society of Applied Physics, p. 7073. 

  4. Chandra, A., Karra, P., and Bastawros, A. F., et al., "Prediction of Scratch Generation in Chemical Mechanical Planarization," CIRP Annals - Manufacturing Technology, Vol. 57, No. 1, pp. 559-562, 2008. 

    상세보기 crossref

  5. 김동균, 성인하, "입자연마가공에서의 입자 형상의 영향에 대한 고찰," 한국윤활학회지, 제26권, 제4호, pp. 219-223, 2010. 

  6. 양우열, 양지철, 성인하, "입자연마가공에서의 압력속도 및 유체점도의 영향에 대한 고찰," 한국윤활학회지, 제27권, 제1호, pp. 7-12, 2011. 

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  7. 곽하슬로미, 김욱배, 성인하, "입자연마가공에서의 입자크기 및 충돌각의 영향에 대한 고찰," 한국윤활학회지, 제27권, 제1호, pp. 34-39, 2011. 

    원문보기 상세보기 crossref

  8. Bathe, K., Zhang, H., and Ji, S., "Finite Element Analysis of Fluid Flows Fully Coupled with Structural Interactions," Computers and Structures, Vol. 72, No. 1, pp. 1-16, 1999. 

    상세보기 crossref

  9. De, S., Hong, J., and Bathe, K., "On the Method of Finite Spheres in Applications: Towards the use with ADINA and in a Surgical Simulator," Computational Mechanics, Vol. 31, No. 1, pp. 27-37, 2003. 

    상세보기 crossref

  10. Li, Y. Microelectronic applications of chemical mechanical planarization: Wiley-Interscience, 2007. 

  11. Feng, J., Wang, D., and Liu, H., et al., "Finite Element Simulation of Thermal Stress During Diffusion Bonding of Al2O3 Ceramic to Aluminium," Science and Technology of Welding and Joining, Vol. 8, No. 2, pp. 138-142, 2003. 

    상세보기 crossref

  12. Yang, J., Oh, D., and Kim, H., et al., "Investigation on Surface Hardening of Polyurethane Pads During Chemical Mechanical Polishing (CMP)," Journal of Electronic Materials, Vol. 39, No. 3, pp. 338-346, 2010. 

    상세보기 crossref

  13. Kim, H. J., "Fundamental Studies on the Scratches during CMP", Proceedings of the ICPT(International Conference on Planarization/CMP Technology), Pheonix, USA, 2010. 

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