[논문]화학기계적 연마기술 연구개발 동향: 입자 거동과 기판소재를 중심으로

이현섭; 성인하

doi:10.9725/kts.2019.35.5.274

화학기계적 연마기술 연구개발 동향: 입자 거동과 기판소재를 중심으로
Chemical Mechanical Polishing: A Selective Review of R&D Trends in Abrasive Particle Behaviors and Wafer Materials 원문보기

한국윤활학회지 = Tribology and lubricants, v.35 no.5, 2019년, pp.274 - 285

이현섭 (동명대학교 기계공학부) , 성인하 (한남대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Chemical mechanical polishing (CMP), which is a material removal process involving chemical surface reactions and mechanical abrasive action, is an essential manufacturing process for obtaining high-quality semiconductor surfaces with ultrahigh precision features. Recent rapid growth in the industries of digital devices and semiconductors has accelerated the demands for processing of various substrate and film materials. In addition, to solve many issues and challenges related to high integration such as micro-defects, non-uniformity, and post-process cleaning, it has become increasingly necessary to approach and understand the processing mechanisms for various substrate materials and abrasive particle behaviors from a tribological point of view. Based on these backgrounds, we review recent CMP R&D trends in this study. We examine experimental and analytical studies with a focus on substrate materials and abrasive particles. For the reduction of micro-scratch generation, understanding the correlation between friction and the generation mechanism by abrasive particle behaviors is critical. Furthermore, the contact stiffness at the wafer-particle (slurry)-pad interface should be carefully considered. Regarding substrate materials, recent research trends and technologies have been introduced that focus on sapphire (${\alpha}$-alumina, $Al_2O_3$), silicon carbide (SiC), and gallium nitride (GaN), which are used for organic light emitting devices. High-speed processing technology that does not generate surface defects should be developed for low-cost production of various substrates. For this purpose, effective methods for reducing and removing surface residues and deformed layers should be explored through tribological approaches. Finally, we present future challenges and issues related to the CMP process from a tribological perspective.

주제어

표/그림 (16)

표 Table 1. Current status and forecast of global CMP market (Unit : billion USD($), %)
표 Table 2. CMP research topics published in some major academic journals in the last 5 years (2014~2019 ; Total 243 papers in 64 journals)
그림 Fig. 1. Three kinds of friction force monitoring systems for CMP. Reprinted from Ref.[4] (© Korean Tribology Society, 2018)
표 Table 3. Recent CMP researches using analytical and computational methods
그림 Fig. 2. Simulation results showing the formation of padparticle mixture (SiO₂ particle, W wafer, polyurethane pad) ; after the time steps of (a) 190, (b) 1030, (c) 1070, (d) 1080, respectively. Reprinted from Ref.[26] (© Korean Tribology Society, 2012)
그림 Fig. 3. Stress distribution on the wafer shown in the finite element analysis using (a) wafer-scale model, (b) particle-scale models. Reprinted from Ref.[27] (© Korean Tribology Society, 2012)
그림 Fig. 4. Schematic of friction force monitoring systemfor DMP. Reprinted from Ref.[34] (© Korean Tribology Society, 2016)
그림 Fig. 5. Material removal rate as a function of pressure and velocity in sapphire CMP. Reprinted from Ref.[34] (© Korean Tribology Society, 2016)
그림 Fig. 6. Experimental sequence for Lapping. Reprinted from Ref.[35] (© Korean Tribology Society, 2016)
그림 Fig. 7. Material removal rate as a function of various cutting fluids and wafer conditions (C.F.: cutting fluid, MWSed wafer: multi-wire sawed wafer, and W.: water). Reprinted from Ref.[35] (© Korean Tribology Society, 2016)
그림 Fig. 8. Material removal rate of each crystal orientation substrate according to pressure and velocity; (a) C-plane, (b) R-plane, and (c) A-plane. Reprinted from Ref.[38] (© Korean Tribology Society, 2017)
그림 Fig. 9. Friction force of each crystal orientation substrate according to pressure and velocity; (a) C-plane, (b) Rplane, and (c) A-plane. Reprinted from Ref.[38] (© Korean Tribology Society, 2017)
표 Table 4. Usage of sapphire according to crystal orientation
그림 Fig. 10. Hardness of each crystal orientation bare wafer and reacted wafer. Reprinted from Ref.[38] (© Korean Tribology Society, 2017)
그림 Fig. 11. Ceramic plate and hub ring proposed by Park et al. Reprinted from Ref.[41] (© Korean Tribology Society, 2016)
그림 Fig. 12. Sequence of CMP/P-CVM process proposed by Doi et al.[46].

AI 본문요약
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문제 정의

CMP는 앞서 언급한 대로 슬러리 유동에 의한 Tribo-corrosion 반응과 연마 입자에 의한 물리적 가공에 의해 재료 제거가 이루어지 는 공정이므로, 앞으로 더욱 고정밀의 공정 제어와 고품 위·무결점의 공정 달성을 위해서 트라이볼로지적 접근을 통한 전체 공정 및 접촉 계면에서의 현상들에 대한 종합 적이고 포괄적인 이해가 중요하다. 본 논문에서는 최근 의 CMP연구개발 동향을 기판 소재와 연마입자의 거동 에 대한 연구 주제를 중심으로 살펴보고, CMP 공정에 대한 트라이볼로지 관점에서의 향후 도전 과제를 제시 해 보고자 한다.
CMP는 다학제적인 기술이 복합적으로 집약된 공정으 로서, 기판, 입자, 슬러리 등의 재료 및 조성, 기계 역학 적 및 화학적 반응 메커니즘, 유체 유동 등의 영향에 대 한 종합적이며 포괄적인 이해를 필요로 한다. 본 연구에 서는 트라이볼로지 관점에서 CMP공정을 통한 반도체 소 자 및 연마 기술의 최근 연구 개발 동향을 살펴보았다. 다양한 기판 소재에서 공정중에 표면에 발생하는 미세 결함과 연마 불균일성, 공정후 클리닝 등 고집적화를 위 한 이슈와 난제들을 해결하기 위해서는 점점 더 트라이 볼로지 관점에서의 접근과 고찰이 중요해지며 깊은 이해가 필요한 것으로 파악되었다.
웨이퍼링 공정에서 이러한 기판 소재의 표면가공은 전체 가격의 80%를 초 과한다고 알려져 있다[29]. 본 연구에서는 널리 활용되고 있는 실리콘 기판을 제외한 발광다이오드(Light Emitting Diode; LED)용 기판 소재를 중심으로 설명하고자 한다. 사파이어는 저온 및 고온에서의 안정성, 뛰어난 광학 특성, 우수한 열전달 특성 등으로 LED용 기판 소재로 널리 사용되고 있다[30].
SiC 기판의 가공효율을 높이기 위해 고압/고속의 가공 조건을 사용하는 방법도 고려할 수 있으나 스크래치와 같은 표면결함 등 극복해야할 문제가 여전히 존재한다. 이에 연구자들은 CMP 공정에 의한 화학-기계적 재료 제 거 방식 외 새로운 가공법을 제안하고 있다.

성능/효과

(a)), 입자 스케일 모델을 이용 한 미시적인 해석 결과에서는 에지 영역에서 큰 응력이 발생하며 그 크기가 웨이퍼의 항복강도 이상으로 나타나 실제 공정에서 나타나는 결과를 잘 모사하였다(Fig.3
10). 가장 낮은 경도를 지닌 Cplane 사파이어의 재료제거율이 가장 높으며 결정면 변 화에 따라 기판의 경도가 높아질수록 재료제거율은 감 소하는 경향을 보인다.
또한, 가공 시간에 따른 재료제거율 저하 현상을 개 선하기 위해 절삭유를 사용함으로써 자유 입자를 활용한 연마가공에 비해 10배 이상의 가공 효율(35 µm/min 이 상의 안정적인 재료제거율)을 확보할 수 있음을 보여주 었다(Fig. 7).
이 밖에 사파이어 고정입자를 사용하는 래 핑 가공에서 재료제거율 뿐만 아니라 CMP-ready 표면의 확보를 위해 래핑 가공 중 자유입자를 동시에 공급하 는 연구[36]도 알려져 있다. 래핑 가공 중 자유입자의 추 가는 재료제거율을 크게 증가시키지는 못하지만, 표면거 칠기의 감소량을 증가시키는 효과가 있는 것으로 밝혀 졌다.
Park 등[41]은 염화칼륨(KOH)을 이용하여 연마 입자의 제타 전위(zeta potential)를 변화 시켜 재료제거율을 향상시키고자 하였다. 산성영역에서 는 염화칼륨의 농도가 증가할수록 입자와 기판 사이의 상호 인력이 감소하여 재료제거율이 감소하며, 염기성 영 역에서는 염의 첨가에 따른 제타 전위의 변화가 크지 않 음을 밝혔다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	매크로 및 마이크로 스케일에서 재료 제거 메커니즘 분석을 위해 동역학적 모델에 의한 수치해석 혹은 유한요소해석을 이용할 때의 장단점은 무엇인가?	매크로 및 마이크로 스케일에서는 주로 동역학적 모델(kinematics model)에 의한 수치해석이나 유한요소해석을 이용하여 재료 제거 메커니즘을 분석하여 제시하고 있다. 이러한 수치해석 또는 유한요소해석은 전체적인 CMP 공정의 패드, 웨이퍼의 변형과 연마 불균일성 등을 이해하는데 도움이 되지만, 연속체 모델에 대한 해석, 해석모델 및 조건에 미세 입자 고려나 슬러리 유동 반영의 어려움 등의 제한성으로 인해 미세 스크래치 발생 등의현상을 설명하는 데에 한계를 지닌다.
	화학기계적 연마 또는 화학기계적 평탄화(chemical-mechanical polishing/planarization, CMP) 공정은 무엇인가?	화학기계적 연마 또는 화학기계적 평탄화(chemical-mechanical polishing/planarization, CMP) 공정은 연마입자(abrasive particle)를 포함한 슬러리(slurry)에 의한 화학적 반응과 기계적인 가공에 의해, 더 빠르고 더 집적화된 대용량의 반도체 소자 제조에 필수적인 무결점의 평탄한 웨이퍼 표면을 만드는 중요한 공정 기술이다. CMP 공정의 기본적인 메커니즘은 재료 표면을 슬러리에 의한 화학 반응으로 연화시키고, 연화된 재료층의 제거와 패턴의 단차 감소를 연마 입자에 의한 기계적 가공을 통해 달성하는 것이다.
	CMP을 연구하기 위해 필요한 지식은 어떤 것이 있는가?	CMP는 다학제적인 기술이 복합적으로 집약된 공정으로서, 기판, 입자, 슬러리 등의 재료 및 조성, 기계 역학적 및 화학적 반응 메커니즘, 유체 유동 등의 영향에 대한 종합적이며 포괄적인 이해를 필요로 한다. 본 연구에서는 트라이볼로지 관점에서 CMP공정을 통한 반도체 소자 및 연마 기술의 최근 연구 개발 동향을 살펴보았다.

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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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