[논문]화학기계적 연마(CMP) 공정에서의 트라이볼로지 연구 동향

이현섭

doi:10.9725/kts.2018.34.3.115

화학기계적 연마(CMP) 공정에서의 트라이볼로지 연구 동향
Tribology Research Trends in Chemical Mechanical Polishing (CMP) Process 원문보기

한국윤활학회지 = Tribology and lubricants, v.34 no.3, 2018년, pp.115 - 122

이현섭 (동명대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Chemical mechanical polishing (CMP) is a hybrid processing method in which the surface of a wafer is planarized by chemical and mechanical material removal. Since mechanical material removal in CMP is caused by the rolling or sliding of abrasive particles, interfacial friction during processing greatly influences the CMP results. In this paper, the trend of tribology research on CMP process is discussed. First, various friction force monitoring methods are introduced, and three elements in the CMP tribo-system are defined based on the material removal mechanism of the CMP process. Tribological studies on the CMP process include studies of interfacial friction due to changes in consumables such as slurry and polishing pad, modeling of material removal rate using contact mechanics, and stick-slip friction and scratches. The real area of contact (RCA) between the polishing pad and wafer also has a significant influence on the polishing result in the CMP process, and many researchers have studied RCA control and prediction. Despite the fact that the CMP process is a hybrid process using chemical reactions and mechanical material removal, tribological studies to date have yet to clarify the effects of chemical reactions on interfacial friction. In addition, it is necessary to clarify the relationship between the interface friction phenomenon and physical surface defects in CMP, and the cause of their occurrence.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 CMP 공정의 가공 메커니즘에 대하여 간략히 정리하고, 이와 관련된 트라이볼로지(tribology) 연구에 대해 소개하고자 한다. 또한, 기존 연구에 대한 리뷰를 통해 CMP 공정 기술의 이해와 발전을 위해 필요한 트라이볼로지 연구에 관하여 제안 하고자 한다.
본 논문에서는 CMP 공정에 관한 트라이볼로지 연구 동향에 관하여 논하였다. CMP 공정에서의 트라이볼로지 연구는 마찰력 모니터링 장치를 통한 슬러리, 연마패드 등 소모품의 변화에 따른 계면 마찰현상에 대한 연구와 접촉역학을 활용한 재료제거율의 모델링, 실접촉면적에 대한 연구, 스틱-슬립 마찰과 스크래치에 관한 연구 등이 있다.
본 논문에서는 CMP 공정의 가공 메커니즘에 대하여 간략히 정리하고, 이와 관련된 트라이볼로지(tribology) 연구에 대해 소개하고자 한다. 또한, 기존 연구에 대한 리뷰를 통해 CMP 공정 기술의 이해와 발전을 위해 필요한 트라이볼로지 연구에 관하여 제안 하고자 한다.
본 절에서는 CMP에서의 마찰현상에 대한 연구를 소개하고자 한다. Park등[9]은 실리카 슬러리를 활용하여 CMP에서의 마찰현상에 관하여 연구하였다.

가설 설정

슬러리 내 입자의 함량이 높을 경우, 패드-웨이퍼 계면에서는 패드와 웨이퍼의 직접 접촉 없이 입자와 웨이퍼의 접촉만 발생할 것으로 가정할 수 있다. 입자 함량이 높을 때 입자에 작용하는 하중(w_nc)은 아래와 같다[15, 16].
CMP에서 실접촉면적을 예측하기 위해 많은 연구자들이 평면과 랜덤한 거칠기를 가지는 표면의 접촉에 관한 Greenwood-Williamson의 모델을 활용하고 있다. 여기서 연마패드의 돌기 분포는 정규분포를 따른다고 가정한다. 식 (6)은 Johnson[22]이 제안한 실접촉면적에 관한 식이다.

제안 방법

그 결과 입자 함량이 낮을수록 더 높은 진동 강도가 측정되었으며 마찰계수가 높음에도 불구하고 입자함량이 낮을 때 MRR이 낮은 이유는 에너지의 손실로 판단할 수 있다고 주장하였다. 또한 마찰력(마찰 계수)의 변화를 수학적 모델링을 통해 설명하였다. 하나의 입자에 작용하는 마찰력은 입자가 웨이퍼로 압입되는 깊이가 반경에 비하여 매우 작다는 가정하에 아래 식 (1)과 같이 표현하였다[15, 16].

이론/모형

CMP에서 실접촉면적을 예측하기 위해 많은 연구자들이 평면과 랜덤한 거칠기를 가지는 표면의 접촉에 관한 Greenwood-Williamson의 모델을 활용하고 있다. 여기서 연마패드의 돌기 분포는 정규분포를 따른다고 가정한다.

성능/효과

그들의 이를 In-situ 패드 컨디셔닝과 ex-situ 패드 컨디셔닝에서의 마찰력 차이로 증명하고 있다. CMP 가공 중 연마패드의 표면거칠기를 일정하게 유지시켜주는 in-situ 컨디셔인의 경우 ex-situ 컨디셔닝의 경우보다 연마시간에 따른 마찰력의 감소가 작다는 것을 확인할 수 있으며 이러한 현상은 연마패드의 표면거칠기가 계면마찰에 미치는 영향을 설명해 주고 있다(Fig. 7).
CMP 공정의 가장 일반적 가공 변수인 압력과 회전 속도에 대한 마찰의 변화를 살펴보면 압력이 증가할수록 마찰력이 증가하는 경향을 보이고, 회전속도가 증가하면 마찰력이 다소 감소하게 된다. 속도 증가에 따른 마찰력의 감소현상에 대해 많은 연구자들은 슬러리에 의한 동압 효과로 설명하고 있다.
Jeong 등[24]은 CMP 가공 중 컨디셔닝이 적용되지 않았을 때 웨이퍼와 연마패드의 실접촉면적에 관하여 연구하였으며, 연마시간이 증가함에 따라 패드 표면의 눈막힘 현상에 의해 돌기의 반경과 실접촉면적이 증가함을 밝혔다. 결과적으로 실접촉면적의 증가는 실접촉 압력의 감소로 이어지고 MRR이 감소하게 됨을 실험적으로 밝혔다. Yeruva 등[25]은 광학적 측정 방식을 통해 웨이퍼에 가해지는 하중이 커질수록 실접촉면적 이 증가함을 실험적으로 검증하였다.
Kim 등은 이러한 현상을 설명하기 위해 가공 중 진동 강도를 측정 하였다. 그 결과 입자 함량이 낮을수록 더 높은 진동 강도가 측정되었으며 마찰계수가 높음에도 불구하고 입자함량이 낮을 때 MRR이 낮은 이유는 에너지의 손실로 판단할 수 있다고 주장하였다. 또한 마찰력(마찰 계수)의 변화를 수학적 모델링을 통해 설명하였다.
Lee 등[14]은 연마압력과 회전속도에 따른 마찰에너지와 재료제거율(material removal rate; MRR)은 선형적인 관계를 가진다고 보고하였다. 그러나 입자함량(중량농도)에 따른 마찰에너지는 입자함량이 낮을 때 증가하는 경향을 보이지만, 입자함량이 2 wt% 이상에서는 서서히 감소하는 경향을 보였다. Lee등은 이러한 현상을 미끄럼 접촉에서 구름접촉으로의 입자운동 변화로 설명하였다.
5 µm 크기 이상의 실리카 입자를 사용하였을 경우 Kim 등의 연구와 유사한 경향을 보임을 확인하였다. 그러나, 입자함량에 따른 MRR의 변화는 Kim 등의 연구에서와는 달리 입자 함량 30 wt%까지 모든 입자크기의 조건에서 지족적으로 상승하는 결과를 보였다.
89%로 증가한다. 그리고 UDD를 활용하는 경우 실접촉면적의 비율은 1.45%까지 증가하는 것을 확인하였다. 연마패드의 중심선 평균 거칠기(Ra)의 경우 RDD를 활용한 경우 가장 높은 값을 보이지만, 접촉면적과는 큰 상관관계를 보이지 않는다.
Kim 등[15]은 Lee 등에 비하여 다양한 입자 크기 (18 nm, 35 nm, 80 nm, 110 nm)의 조건에서 입자함량 (5 wt%, 10 wt%, 20 wt%, 30 wt%) 변화에 따른 마찰 계수의 변화를 측정하였으며 Lee 등과 유사한 실험결과를 얻었다. 입자함량이 증가할 때 MRR은 선형적으로 증가하는 경향을 보이며, 마찰계수, 마찰력, 마찰에너지와는 선형적 관계를 보이지 않는다. Kim 등은 이러한 현상을 설명하기 위해 가공 중 진동 강도를 측정 하였다.

후속연구

하지만, CMP에서 재료의 제거가 이루어지는 윤활영역에 대해서는 명확한 설명이 이루어지지 않고 있다. 따라서 웨이퍼와 연마패드의 계면에서 발생하는 마찰현상을 명확히 밝히기 위해서는 앞서 언급한 CMP 트라이보 시스템에 대한 연구가 지속적으로 이루어져야 한다.
또한, 계면마찰 현상과 CMP에서의 물리적 표면결함과의 연관성과 그 발생 원인에 대한 명확한 규명이 필요하며 트라이볼로지 분야에서의 다양한 연구가 이를 위한 초석이 될 수 있을 것으로 보인다.
Luo 등 [18]은 CMP 공정의 MRR 모델링에 있어 슬러리 내 입자의 크기 분포 및 웨이퍼-패드 실접촉면적(real area of contact; RCA)에서의 참여 입자(active particle)가 재료제거 특성에 영향을 줄 것이라고 하였다. 앞의 연구들에서 보여지는 다양한 마찰 특성 역시 CMP 공정 에 사용되는 다양한 소모품의 특성과 관련 있을 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CMP공정은 어떤 공정에서 활용되는가?	화학기계적 연마(chemical mechanical polishing; CMP) 공정은 반도체 제조공정의 하나로 반도체용 기판 (substrate)으로 널리 사용되고 있는 실리콘 웨이퍼 (silicon wafer)의 제조에서 표면거칠기 확보에서부터 소자의 분리(shallow trench isolation; STI), 층간 절연막(inter layer dielectric; ILD)의 형성, 금속배선 형성을 위한 상감법(damascene) 및 이중 상감법(dual damascene) 까지 널리 활용되고 있는 기술이다[1-3].
	CMP 공정에서 힘 센서의 단점은?	웨이퍼에 작용하는 마찰력을 측정하기 위해 회전하는 연마패드의 접선방향에 힘 센서를 포함하는 지그(jig)를 위치시키는 방법과 연마헤드와 장비의 체결부 사이에 센서를 장착하는 방법이 있다. 본 방식은 센서의 장착이 간단하지만, 기판에 작용하는 접선방향의 힘만 측정되는 단점이 있다. 또한, 반도체 공정에 적용되는 양산장비에 적용하는데 한계가 있다.
	CMP 공정이 화학기계적 평탄화라고 불리는 이유는?	CMP 공정은 그 이름이 내포하는 바와 같이 화학적, 기계적인 재료제거 방식이 융합된 연마가공 기술을 의미하며 반도체 제조에서는 박막 증착(deposition) 이후 발생하는 미세한 요철을 제거하는 목적에 주로 활용하 기 때문에 “화학기계적 연마”라는 용어 대신 “화학기계 적 평탄화(chemical mechanical planarization)”로 불리기도 한다.

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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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