[논문]Air-Bag Head 가압식 300mm 웨이퍼 폴리싱 테이블의 가압 분포 해석

노승국

doi:10.7735/ksmte.2013.22.2.310

Air-Bag Head 가압식 300mm 웨이퍼 폴리싱 테이블의 가압 분포 해석
Analysis of Contact Pressure for a 300mm Wafer Polishing Table with Air-Bag Head 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.22 no.2, 2013년, pp.310 - 317

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the contact pressure of the wafer and polishing pad for final polishing process for 300 mm-wafer were investigated through numerical analysis using FEM tool, ANSYS. The distribution of the contact pressure is one of main parameters which affects on the flatness and surface roughness of polished wafers. Two types of polishing head, a hard type head with ceramic disk and a soft type head with air bag were considered. The effects of the deformation and initial shape of table on the contact pressure were also examined. Both heads and tables were modeled as 3D finite element model from solid model, and the material properties of polishing pads and rubber plate for the air-bag head were obtained from tensile tests. The contact pressure deviation on wafer surface was smaller with air bag head than hard type head even when the table had form errors such as convex or concave. From this 3D analysis, it could be concluded that the air-bag head has better uniformity of the contact pressure on wafer. Also, the effects of inner diameter of air bag and radial clearance between wafer and retainer were investigated as view point of contact pressure concentration on the edge of wafer.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 12인치 웨이퍼의 최종 연마를 위한 파이널 폴리싱 장치의 가압 헤드에 따른 압력 분포 및 변위를 유한요소법을 이용하여 해석하였다. 3차원 솔리드 모델을 이용하여 유한요소 모델을 구축하고, 접촉부 면에 접촉요소를 적용하여 압력분포를 계산하였다.

가설 설정

헤드의 가압에 의한 압력은 헤드 디스크와 헤드유닛 사이의 완충 유체에 의하여 균일가압이 일어난다는 가정 하에, 가압면에 균일한 압력을 30kPa을 작용시켰다. 다음의 Fig.

제안 방법

2, 3장의 해석에서는 3차원 모델을 이용하여 하부 테이블의 평면 형상이 가압력에 의하여 생기는 변형과, 가공 오차 등에 의한 형상오차가 존재하는 경우에 대해서도 고려하였으며, 이때의 압력 분포의 변화를 해석하였다. 해석 결과, 에어백 헤드를 적용한 유연 구조의 경우 압력 분포의 균일도가 크게 우수하였으며, 테이블의 미세한 형상변화에 있어서도 균일성을 유지할 수 있는 것으로 확인되어, 대형 웨이퍼 연마 장비에 있어서, 에어백 헤드 구조의 우수성을 확인할 수 있었다.
다음의 그림은 해석을 위한 모델을 나타내고 있다. 2차원 축대칭(Axi-symmetric) 조건을 적용하였으며, 접촉부에 대해서는 접촉 요소를 사용하였다. 본 연구의 해석조건으로는 가압면적 반경(D)의 변화와, 리테이너와 웨이퍼 사이의 간격(h)이 달라질 경우를 적용하였다.
본 논문에서는 12인치 웨이퍼의 최종 연마를 위한 파이널 폴리싱 장치의 가압 헤드에 따른 압력 분포 및 변위를 유한요소법을 이용하여 해석하였다. 3차원 솔리드 모델을 이용하여 유한요소 모델을 구축하고, 접촉부 면에 접촉요소를 적용하여 압력분포를 계산하였다. 세라믹 재질을 이용한 하드타입의 헤드구조와 유연재질을 이용하고 공기압을 직접 가압하는 헤드 구조에 대하여 가압시의 압력 분포를 해석하였으며 3차원 및 2차원 해석을 수행하였다.
이는 웨이퍼 가장자리의 두께편차가 작을수록 사용 가능한 면적이 증가하여 최종 반도체 생산성을 향상시킬 수 있기 때문이다^(7-9). 따라서 웨이퍼 가장자리 압력을 최대한 정밀하게 확인할 수 있도록 2차원 모델을 구성하여 해석하였다. 앞의 3차원 해석에서 에어백 헤드의 경우 테이블의 형상이 전체적인 압력편차에 미치는 영향이 작으므로, 2차원 해석을 수행해도 전체적인 결과에 문제는 없다고 판단하였다.
본 연구에서는 웨이퍼 파이널 폴리싱 머신에서의 세라믹 기반 하드타입 헤드와 유연구조를 이용한 에어백 헤드의 압력 분포해석을 수행하였으며, 이를 위하여, 연마 테이블과 연마 헤드, 연마 패드 및 템플리트, 웨이퍼 등으로 이루어진 유한요소 모델을 구축하고, 접촉부의 접촉 압력 및 가압에 의한 변형 등을 해석하였다. 본 연구에서는 두 가지 관점에서 해석을 수행하는데, 세라믹 및 에어백 헤드의 압력 및 변위균일도를 해석적으로 비교하는 것과 (2, 3장) 에어백 헤드의 내부 가압면적 및 리테이너와의 간극에 따른 웨이퍼 가장자리의 압력 분포(4장)이다.
본 연구에서는 웨이퍼 파이널 폴리싱 머신에서의 세라믹 기반 하드타입 헤드와 유연구조를 이용한 에어백 헤드의 압력 분포해석을 수행하였으며, 이를 위하여, 연마 테이블과 연마 헤드, 연마 패드 및 템플리트, 웨이퍼 등으로 이루어진 유한요소 모델을 구축하고, 접촉부의 접촉 압력 및 가압에 의한 변형 등을 해석하였다. 본 연구에서는 두 가지 관점에서 해석을 수행하는데, 세라믹 및 에어백 헤드의 압력 및 변위균일도를 해석적으로 비교하는 것과 (2, 3장) 에어백 헤드의 내부 가압면적 및 리테이너와의 간극에 따른 웨이퍼 가장자리의 압력 분포(4장)이다.
2차원 축대칭(Axi-symmetric) 조건을 적용하였으며, 접촉부에 대해서는 접촉 요소를 사용하였다. 본 연구의 해석조건으로는 가압면적 반경(D)의 변화와, 리테이너와 웨이퍼 사이의 간격(h)이 달라질 경우를 적용하였다.
3차원 솔리드 모델을 이용하여 유한요소 모델을 구축하고, 접촉부 면에 접촉요소를 적용하여 압력분포를 계산하였다. 세라믹 재질을 이용한 하드타입의 헤드구조와 유연재질을 이용하고 공기압을 직접 가압하는 헤드 구조에 대하여 가압시의 압력 분포를 해석하였으며 3차원 및 2차원 해석을 수행하였다.
해석의 용이성을 위하여 1/4 모델을 적용하였으며, 헤드 유닛의 상부의 변위를 고정하고, 공기 가압 부의 압력이 작용하는 조건으로 해석을 수행하였다. 세라믹 헤드를 적용한 경우와 테이블 및 패드의 구성 및 물성은 동일하며, 역시 가압패드의 상부면과 웨이퍼면, 리테이너면 사이에 접촉 요소를 적용하여 압력 및 변위 분포를 계산하였다.
테이블의 가공오차 및 열변형 등을 고려하기 위하여 테이블의 형상에 대하여 세 가지의 경우를 적용하였다. 완벽한 평면인 경우(Case I), 약간 볼록(Case II) 혹은 오목한 형상오차를 갖는 경우(Case III)에 대하여 웨이퍼의 접촉압력의 변화를 해석하였다. 이러한 조건은 모델링 및 해석 결과 도시의 용이성을 위하여 초기 테이블의 형상오차를 만들기 위한 균일분포하중을 테이블 면에 적용시키는 방법을 적용하였다.
완벽한 평면인 경우(Case I), 약간 볼록(Case II) 혹은 오목한 형상오차를 갖는 경우(Case III)에 대하여 웨이퍼의 접촉압력의 변화를 해석하였다. 이러한 조건은 모델링 및 해석 결과 도시의 용이성을 위하여 초기 테이블의 형상오차를 만들기 위한 균일분포하중을 테이블 면에 적용시키는 방법을 적용하였다. 즉, 0.
테이블의 가공오차 및 열변형 등을 고려하기 위하여 테이블의 형상에 대하여 세 가지의 경우를 적용하였다. 완벽한 평면인 경우(Case I), 약간 볼록(Case II) 혹은 오목한 형상오차를 갖는 경우(Case III)에 대하여 웨이퍼의 접촉압력의 변화를 해석하였다.
해석에 사용된 물성치는 다음의 Table 1과 같다. 폴리싱 패드와 Air bag에 적용된 고무재질의 경우 인장실험을 통하여 얻어진 값을 적용하였으며, 변형이 크지 않을 것을 감안하여 선형재료 특성으로 적용하였다.
해석 도구는 ANSYS을 사용하였으며, 솔리드 모델을 이용하여 모든 구조물은 SOLID 92 요소를 적용하였다. 폴리싱 패드의 경우 패드의 인장시험을 통하여 얻은 물성치를 해석에 적용하였으며, 웨이퍼를 점착하는 템플리트의 경우도 인장시험을 통한 탄성계수를 적용하였다. 또한 접촉면에서의 접촉 압력을 확인하기 위하여, 웨이퍼면과 연마패드의 접촉면에 접촉요소 (CONTACT 170 및 CONTACT 174)를 적용하였다.
4는 본 논문에서 적용하고 있는 에어백 헤드를 이용한 모델의 3차원 유한요소 모델을 나타내고 있다. 해석의 용이성을 위하여 1/4 모델을 적용하였으며, 헤드 유닛의 상부의 변위를 고정하고, 공기 가압 부의 압력이 작용하는 조건으로 해석을 수행하였다. 세라믹 헤드를 적용한 경우와 테이블 및 패드의 구성 및 물성은 동일하며, 역시 가압패드의 상부면과 웨이퍼면, 리테이너면 사이에 접촉 요소를 적용하여 압력 및 변위 분포를 계산하였다.

이론/모형

폴리싱 패드의 경우 패드의 인장시험을 통하여 얻은 물성치를 해석에 적용하였으며, 웨이퍼를 점착하는 템플리트의 경우도 인장시험을 통한 탄성계수를 적용하였다. 또한 접촉면에서의 접촉 압력을 확인하기 위하여, 웨이퍼면과 연마패드의 접촉면에 접촉요소 (CONTACT 170 및 CONTACT 174)를 적용하였다.
해석 도구는 ANSYS을 사용하였으며, 솔리드 모델을 이용하여 모든 구조물은 SOLID 92 요소를 적용하였다. 폴리싱 패드의 경우 패드의 인장시험을 통하여 얻은 물성치를 해석에 적용하였으며, 웨이퍼를 점착하는 템플리트의 경우도 인장시험을 통한 탄성계수를 적용하였다.

성능/효과

그러나, 웨이퍼 표면의 접촉압력은 완전한 평면인 경우에 비하여 큰 차이를 보이지 않고 있음을 알 수 있다.(Fig. 10) 여기서, 공기가압헤드의 압력 평균화 효과는 테이블의 미소한 형상오차에도 크게 영향을 받지 않아, 세라믹헤드에 비하여 매우 우수한 압력 균일도를 갖게 됨을 확인할 수 있다.
3.2절의 결과에서 보면 웨이퍼 접촉부 가장자리에서 약간의 압력 상승이 나타나는 것을 알 수 있다. 실제 파이널 폴리싱 공정에 있어서 표면조도가 가장 중요한 성능변수이지만, 웨이퍼 가장자리 부분에서의 두께 편차의 중요도가 증가하고 있다.
에어백 헤드에 대한 2차원 해석을 통하여 웨이퍼 가장자리의 접촉압력 집중을 최소화 하기 위해서는 가압 면적의 직경을 300~305mm 수준을 유지하는 것이 바람직하며, 웨이퍼와 리테이너와의 반경방향 간극을 최소화 할수록 웨이퍼 가장자리의 압력 집중은 작아지는 경향을 확인하였다.
2, 3장의 해석에서는 3차원 모델을 이용하여 하부 테이블의 평면 형상이 가압력에 의하여 생기는 변형과, 가공 오차 등에 의한 형상오차가 존재하는 경우에 대해서도 고려하였으며, 이때의 압력 분포의 변화를 해석하였다. 해석 결과, 에어백 헤드를 적용한 유연 구조의 경우 압력 분포의 균일도가 크게 우수하였으며, 테이블의 미세한 형상변화에 있어서도 균일성을 유지할 수 있는 것으로 확인되어, 대형 웨이퍼 연마 장비에 있어서, 에어백 헤드 구조의 우수성을 확인할 수 있었다.
해석결과를 살펴보면 D값이 305mm 이상인 경우에는 가장자리에서 3~4mm 떨어진 지점에서부터 접촉압력이 증가하고 있음을 알 수 있으며, 반대로 300mm 이하인 경우에는 가장자리로 갈수록 접촉압력이 작아짐을 알 수 있다. 따라서, 가압부의 직경은 300mm 보다는 큰 것이 유리하며, 303~5mm 정도가 최적임을 알 수 있다.
해석결과에서 세라믹으로 이루어진 하드 타입의 경우에는 테이블의 변형에 의하여 압력편차가 25%이상 발생할 수 있음을 확인하였으며, 공기가압형 유연구조에서는 테이블의 변형을 고려하여도 압력편차가 거의 발생하지 않아, 웨이퍼 내부의 압력 균일도는 에어백 헤드가 매우 유리함을 알 수 있었다.

후속연구

이러한 폴리싱 공정에 있어서 공작물인 웨이퍼에서의 가압에 의한 압력분포를 직접 측정하여 평가하는 것은 실제적으로 용이하지 않은데, 이는 압력분포를 정밀하게 측정할 수 있는 방법이 적당하지 않으며, 대안으로 사용되는 압력 감지 필름의 측정정밀도가 높지 않기 때문이다. 따라서 실험 대신에 구조물의 유한요소 해석 등의 방법을 통하여, 웨이퍼 면에서의 압력 분포를 해석하여 균일 압력 분포를 해석할 필요가 있으며, 이러한 데이터는 시스템의 설계 및 공정 설계에 있어서 참고 자료로 적용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	최종 웨이퍼 폴리싱 장치는 무엇으로 구성되어 있는가	이 중 최종 웨이퍼 폴리싱 장치는 웨이퍼의 평탄도 및 두께균일도와 표면조도를 극대화하는 최종 전 공정 장비로, 회전하는 테이블과 패드, 그리고 역시 회전하는 헤드 디스크로 구성되며, 이러한 폴리싱 가공에 있어서 웨이퍼의 최종 품위는 연마 패드와 웨이퍼의 상대 속도와 압력 분포, 슬러리의 유량 및 종류 등의 기계 및 화학적인 조건들에 영향을 받게 된다. 기계적인조건에서 보았을 때, 웨이퍼 표면에서의 압력분포의 균일성이 매우 중요한데, 이는 웨이퍼의 압력 분포는 마찰력과 직접적인관계를 갖게 되며, 이러한 압력의 균일분포가 이루어지지 않는 경우, 연마된 웨이퍼 면의 형상 균일도에 악영향을 미칠 수 있기 때문이다.
	최종 웨이퍼 폴리싱 장치에 균일압력 작용을 위하여 적용되는 방법은 무엇이 있는가	Fig. 1에 나타난 바와 같이 알루미나 세라믹과 같은 고강성의 재료를 초정밀 가공한 헤드디스크와 틸팅 모션을 자유롭게 할 수 있는 자동 조심형 베어링 등을 이용하는 방법과, 이와는 반대로 유연한 재료를 이용하여 공기의 직접 가압을 이용한 유연 헤드 방법이다. 장비 제조사에 따라 두 가지 방법을 나누어서 적용하고 있는 실정이며, 현재는 웨이퍼의 크기가 대형화가 진행 될수록 전자의 하드 타입의 헤드 보다는 후자의 공기 가압형 에어백(Air-Bag) 헤드를 포함한 유연 헤드 구조가 많이 적용되고 있다(5-6).
	최종 웨이퍼 폴리싱 장치란 무엇인가	이 중 최종 웨이퍼 폴리싱 장치는 웨이퍼의 평탄도 및 두께균일도와 표면조도를 극대화하는 최종 전 공정 장비로, 회전하는 테이블과 패드, 그리고 역시 회전하는 헤드 디스크로 구성되며, 이러한 폴리싱 가공에 있어서 웨이퍼의 최종 품위는 연마 패드와 웨이퍼의 상대 속도와 압력 분포, 슬러리의 유량 및 종류 등의 기계 및 화학적인 조건들에 영향을 받게 된다. 기계적인조건에서 보았을 때, 웨이퍼 표면에서의 압력분포의 균일성이 매우 중요한데, 이는 웨이퍼의 압력 분포는 마찰력과 직접적인관계를 갖게 되며, 이러한 압력의 균일분포가 이루어지지 않는 경우, 연마된 웨이퍼 면의 형상 균일도에 악영향을 미칠 수 있기 때문이다.

참고문헌 (9)

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상세보기
Peo, Z. J., 2002, "A study on surface grinding of 300mm silicon wafers," J. of Mach. Tools & Manu., Vol. 42, pp. 385-393.

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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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