[논문]산화막 CMP에서 리테이닝 링의 인서트 재질이 연마정밀도에 미치는 영향

박기원; 박동삼

doi:10.14775/ksmpe.2019.18.8.044

산화막 CMP에서 리테이닝 링의 인서트 재질이 연마정밀도에 미치는 영향
Effects of Insert Materials of Retaining Ring on Polishing Finish in Oxide CMP 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.18 no.8, 2019년, pp.44 - 50

박기원 (인천대학교 대학원 기계공학과) , 박동삼 (인천대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

CMP is the most critical process in the manufacture of silicon wafers, and the use of retaining rings, which are consumable parts used in CMP equipment, is increasingly important. Since the retaining ring is made of plastic, it is not only weak in strength but also has the problem of taking a long time for the flattening operation of the ring itself performed before the CMP process, and of the imbalance of force due to bolt tightening causing uneven wear. In order to solve this problem, the retaining ring and the insert ring are integrally used, and the flatness of the retaining ring may be affected depending on the material of the insert ring. Also, the residual stress generated in the manufacturing process of the insert ring may cause distortion of the ring, which may adversely affect the precision polishing. In this study, when the insert ring is made of Zn or STS304, the thickness variation and the flatness of the retaining ring are compared and, finally, the material removal rate is analyzed by polishing the wafer by the oxide CMP process. Through these experiments, the effects of the insert ring material on the polishing accuracy of the wafers were investigated.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 PEEK로 제작된 리테이닝 링 내부에 인서트 링을 몰딩하여 제작한 제품을 대상으로, 인서트 링의 소재를 Zn 또는 STS304으로 할 때 리테이닝 링의 두께 편차나 표면의 평탄도를 비교 분석하였다. 또한, 실제 산화막 CMP 공정 시 소재제거율을 분석하여 인서트 링의 소재가 결과적으로 웨이퍼의 연마 평탄도에 미치는 영향을 규명하였다.
따라서, 본 연구에서는 PEEK로 제작된 리테이닝 링 내부에 인서트 링을 몰딩하여 제작한 제품을 대상으로, 인서트 링의 소재를 Zn 또는 STS304으로 할 때 리테이닝 링의 두께 편차나 표면의 평탄도를 비교 분석하였다. 또한, 실제 산화막 CMP 공정 시 소재제거율을 분석하여 인서트 링의 소재가 결과적으로 웨이퍼의 연마 평탄도에 미치는 영향을 규명하였다.
인서트 링의 소재로 Zn 또는 STS304를 사용할 때 리테이닝 링의 두께 편차나 표면의 평탄 도를 비교 분석하였다. 또한, 웨이퍼를 CMP 공정 으로 연마 시 소재제거율을 분석하여 인서트 링의 소재가 결과적으로 웨이퍼의 연마 평탄도에 미치는 영향을 실험적으로 규명하였다.
본 연구에서는 산화막 CMP 공정에 사용되는 리테이닝 링의 강성을 유지해 주기 위해 사용되는 인서트 링 재질의 변화가 리테이닝 링의 기하학적 치수오차와 연마 균일성에 미치는 영향을 고찰하였다. 인서트 링의 소재로 Zn 또는 STS304를 사용할 때 리테이닝 링의 두께 편차나 표면의 평탄 도를 비교 분석하였다.

제안 방법

리테이닝 링과 인서트 링의 체결 후 리테이닝 링의 표면 평탄도를 측정하기 위하여 Fig. 6과 같이 측정용 지그가 장착된 CNC 선반에 18개의 볼트로 리테이닝 링을 체결 후 내경과 외경측 각 4곳을 0.001 mm의 정밀도를 갖는 디지털 다이얼 게이지로 거리변화를 측정하였으며 그 결과를Table 3에 나타내었다.
리테이닝 링의 규격은 다양하나 본 연구에서는 시판 중인 리테이닝 링을 대상으로 평탄도를 측정 하기 위하여 리테이닝 링과 인서트 링을 볼트로 체결 전에 리테이닝 링을 정반 위에 설치하고, 3차원 측정기를 사용하였다. 측정 위치는 링의 1/4 만 나타낸 Fig.
앞에서 측정된 평탄도는 단순히 리테이닝 링표면의 평탄도이므로 인서터 링의 몰딩 단계에서의 전체적인 뒤틀림 변형 형태를 고찰하기 위하여 리테이닝 링의 절삭가공을 수행하였다. Fig.
연마조건은 압력조건만 12 psi으로 하였으며 Head와 Platen의 rpm은 같게 하였고 연마는 각각 2시간, 5시간 동안 진행하였다. 사용된 슬러리는 Ceria이며 300 ㎖/min로 공급하였다.
인서트 링의 소재가 STS304와 Zn일 때 Dummy wafer와 Monitoring wafer의 연마특성을 관찰하였다. 실험에 사용된 CMP 장비는 Creative Technology Solution의 AP300_Single Polisher이며, K-MAC의 ST5030–SL 박막두께 측정기를 이용하여 연마량을 측정하였다.
본 연구에서는 산화막 CMP 공정에 사용되는 리테이닝 링의 강성을 유지해 주기 위해 사용되는 인서트 링 재질의 변화가 리테이닝 링의 기하학적 치수오차와 연마 균일성에 미치는 영향을 고찰하였다. 인서트 링의 소재로 Zn 또는 STS304를 사용할 때 리테이닝 링의 두께 편차나 표면의 평탄 도를 비교 분석하였다. 또한, 웨이퍼를 CMP 공정 으로 연마 시 소재제거율을 분석하여 인서트 링의 소재가 결과적으로 웨이퍼의 연마 평탄도에 미치는 영향을 실험적으로 규명하였다.
최종적으로 Monitoring Wafer를 사용하여 산화막(oxide) 막질을 3000 ~ 3100 Å/min 까지 연마작업을 실시하였다.

대상 데이터

실험에 사용된 CMP 장비는 Creative Technology Solution의 AP300_Single Polisher이며, K-MAC의 ST5030–SL 박막두께 측정기를 이용하여 연마량을 측정하였다. 사용된 Pad는 미국 다우에서 제작된 Urethane Pad IC1010이다.
연마조건은 압력조건만 12 psi으로 하였으며 Head와 Platen의 rpm은 같게 하였고 연마는 각각 2시간, 5시간 동안 진행하였다. 사용된 슬러리는 Ceria이며 300 ㎖/min로 공급하였다.
실험에 사용된 CMP 장비는 Creative Technology Solution의 AP300_Single Polisher이며, K-MAC의 ST5030–SL 박막두께 측정기를 이용하여 연마량을 측정하였다.
리테이닝 링의 규격은 다양하나 본 연구에서는 시판 중인 리테이닝 링을 대상으로 평탄도를 측정 하기 위하여 리테이닝 링과 인서트 링을 볼트로 체결 전에 리테이닝 링을 정반 위에 설치하고, 3차원 측정기를 사용하였다. 측정 위치는 링의 1/4 만 나타낸 Fig. 4와 같이 고정핀 위치를 기준으로 내경측으로는 8.74 mm, 외경측으로는 8.71 mm 만큼 이동된 직경 상의 각 36개 점에서 편차를 측정 하였다. Fig.

성능/효과

Fig. 7(b)는 측정 결과를 보인 것으로 STS304 소재의 경우 인서트 링이 최초로 노출된 후 전체적으로 노출될 때까지의 가공깊이가 0.55 mm이며, Zn 소재의 경우 0.85 mm로 나타나 STS304 소재가 더욱 우수한 평탄도를 보임을 알수 있다.
CMP 공정 후 재료 제거율을 측정한 결과 Zn보다는 STS304 소재를 사용한 리테이닝 링의 재료제거율이 균일하게 나타났으며 따라서 웨이퍼의 연마 평탄도도 우수한 것으로 판단되었다.
STS304의 경우 재료제거율이 각각 3.16 %, 3.18 % 더 높게 나타남을 알 수 있다 또한 표준편차(STDEV)도 STS304 경우가 더 낮게 나타나며 불균일도(NU-1)도 연마 시간이 각각 2시간과 5시간 일 때 STS304 경우가 10% 및 12%, Zn의 경우 모두 13%로 나타나 STS304 경우가 보다 우수하였다
리테이닝 링의 평탄도는 내외경측 각 4곳을 비교 측정한 후 최대값에서 최소값을 뺀 치수로 정의하였으며, STS304로 제작한 리테이닝 링의 평탄도 편차는 내외경측에서 각각 2 ㎛, 1 ㎛로 나타 났으나 Zn으로 제작된 리테이닝 링의 경우 내외 경측에서 각각 8 ㎛, 11 ㎛로 나타나 4배 및 11배의 높은 편차률을 보였다.
실험을 통하여 두 링의 볼트 체결 전후의 평탄도나 절삭실험을 통한 평탄도 분석 결과 모든 경우에 STS304 소재가 더욱 우수함을 알 수 있었다. 이러한 결과는 우선 재료의 특성상 STS304가 Zn 보다 강도가 커 열 및 기계적 하중에 대한 변형이 작을 뿐만 아니라 가공특성 등 기계적 성질이 우수하다는 점과, 제조 공정상으로도 Zn이 고온의 사출과정에서 열변형이 더 크게 나타남은 물론 리테이닝 링의 소재인 PEEK가 사출 후 냉각과정에서 수축률이 아주 크므로 강도가 낮은 Zn은 압축력을 받아 뒤틀림 변형도 유발된다는 점 때문이라 판단된다.
이 실험에서도 STS304 소재가 치수 정밀도에서 보다 높은 안정성을 보인다는 것을 알 수 있는데 이는 STS 소재의 높은 강성과 잔류응력 등에 의한 뒤틀림 변형이 적음에 기인한다고 판단된다.
이러한 결과로부터 CMP 공정에서 인서트 링의 재질의 중요성을 알 수 있으며 STS304이 전반적 으로 평탄도가 우수하여 연마 정밀도도 높아질 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CMP 리테이닝 링에 관련된 최근 연구는 어떤 것들이 있는가?	한편, CMP 리테이닝 링의 수요와 그 중요성이 꾸준히 증가함에 따라 관련 연구가 지속적으로 진행되고 있다. 리테이닝 링의 슬롯(slot) 설계 등이 슬러리 웨이브 폭에 미치는 영향에 관한 연구 [1] , 슬러리 필름 두께 등을 고려한 리테이닝 링의 최적형상에 관한 Park 등의 연구 [2] , 폴리싱 압력분포에 대한 SuZuki 등 [3] 의 연구, Cu CMP에서 슬러리 온도가 재료제거율에 미치는 연구 [4] , 링-슬러리-패드 사이의 윤활기구에 관한 연구 [5] , 리테이닝 링과 폴리싱 패드 사이의 접촉각도가 소재제거의 균일 성에 미치는 연구 [6] , 최적조건 선정을 위한 PAD 특성과 웨이퍼 폴리싱의 가공표면에 관한 연구 [7] , CMP 공정의 안정성과 최적화를 리테이닝 링의 설계에 관한 연구 [8] 등이 비교적 최근에 발표되었다. 특히, 산화막(Oxide) CMP에 대한 연구로는 패드 두께가 연마율과 연마 불균일도에 미치는 영향[9] , Pad Debris 발생과 스크래치 형성에서의 그 역할 [10] , 혼합 연마제 슬러리를 이용한 산화막 CMP 에서의 소재 제거기구 해석 [11] 등에 대한 많은 연구가 발표되었지만 인서터 링 소재의 영향에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았다.
	실리콘 웨이퍼의 제조 과정에서 CMP는 무엇인가?	실리콘 웨이퍼의 제조 과정에서 CMP(chemical mechanical polishing)는 가장 핵심적인 공정으로, Oxide CMP, Metal CMP, Poly CMP로 구분되며, Oxide CMP는 CVD 공정으로 형성된 절연막의 단차를 낮추거나 평탄화하는 공정이다. 최근에는 전자제품의 소형화로 인해 더 큰 웨이퍼에서 더 좁은 선폭 및 피처 사이즈가 작은 칩을 선호하는 경향을 보이고 있어 반도체 제조 공정에 대한 요구 사항도 까다로워지고 있는 상황이다.
	보통의 리테이닝 링이 가지는 문제점은 무엇인가?	한편, 보통의 리테이닝 링은 수지류인 플라스틱 으로만 제조되고 있어 강도가 약할 뿐만 아니라 CMP 공정 전에 행해지는 링 자체의 평탄화 작업 소요시간이 많아지고 커버 볼트 조임에 의한 힘의 불균형으로 인해 편마모가 발생되는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 리테이닝 링과 인서트 링(insert ring)을 일체화하여 사용하고 있는데 두 링을 일체로 성형하는 몰딩형과 접착제로 접합한 본딩형이 있다.

참고문헌 (13)

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저자의 다른 논문 :

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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