[논문]패드 마모 균일성 향상을 위한 CMP 컨디셔닝 시스템 설계 변수 연구

박병훈; 박범영; 전언찬; 이현섭

doi:10.9725/kts.2022.38.1.1

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Chemical-mechanical polishing (CMP) process is a semiconductor process that planarizes a wafer surface using mechanical friction between a polishing pad and a substrate surface during a specific chemical reaction. During the CMP process, polishing pad conditioning is applied to prevent the rapid deg...

Chemical-mechanical polishing (CMP) process is a semiconductor process that planarizes a wafer surface using mechanical friction between a polishing pad and a substrate surface during a specific chemical reaction. During the CMP process, polishing pad conditioning is applied to prevent the rapid degradation of the polishing quality caused by polishing pad glazing through repeated material removal processes. However, during the conditioning process, uneven wear on the polishing pad is inevitable because the disk on which diamond particles are electrodeposited is used. Therefore, the abrasion of the polishing pad should be considered not only for the variables during the conditioning process but also when designing the CMP conditioning system. In this study, three design variables of the conditioning system were analyzed, and the effect on the pad wear profile during conditioning was investigated. The three design variables considered in this study were the length of the conditioner arm, diameter of the conditioner disk, and distance between centers. The Taguchi method was used for the experimental design. The effect of the three design variables on pad wear and uniformity was assessed, and new variables used in conditioning system design were proposed.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig.1. Schematic of CMP conditioning system.
표 Table 2. Factors and levels of Taguchi design of experiment (unit: mm)
표 Table 3. Taguchi design of experiment (L25)
표 Table 1. Fixed conditions used in CMP conditioning sumulation
그림 Fig. 2. Trajectories of diamond grits.
그림 Fig. 3. Results of conditioning density simulation.
그림 Fig. 4. Line profiles of conditioning densities; (a) full-scale and (b) narrow scale (wafer contact area).
그림 Fig.5. Simulation result of conditioning densities; (a) average, (b) standard deviation, (c) non-uniformity, and (d) Max-Min.
그림 Fig. 6. Main effect plot for SN ratio.
표 Table 4. Results of SN ratio analysis
그림 Fig. 7. Simulation results of conditioning densities as a function of CC/DC ratio; (a) average, (b) standard deviation, (c) non-uniformity, and (d) Max-Min.
그림 Fig. 8. Optimized trajectories of diamond grits and conditioning density profiles obtained from CC/DC ratio and Taguchi method.
그림 Fig. 9. Comparison of conditioning density profiles of Case 18 and optimized condition from Taguchi method.
표 Table 5. Simulation results of Case 18 and optimized condition from Taguchi method

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 다구찌 실험 계획법을 이용하여 CMP 컨디셔닝 시스템의 설계 변수에 따른 패드 프로파일의 예측과 최적화에 대해 연구하였다. 컨디셔닝 시스템 설계 변수의 인자는 축간거리, 스윙암의 길이 그리고 컨디셔너 디스크 직경으로 선정하고 설계 변수에 기인한 결과로 6, 7, 12, 13, 18, 24, 25번 case는 다이아몬드 입자가 패드의 중심을 지나고 전면에 컨디셔닝이 되나 그 외 조건에서는 패드의 중심에서 일정한 반경까지 입자가 닿지 않고 불균일한 패드의 마모가 예측된다.
그러나 컨디셔닝 시스템의 설계에 필요한 인자에 관한 연구는 수행되지 않고 있다. 본 연구에서는 컨디셔닝 시스템의 공정 변수 외에 설계 조건에 관련된 스윙 암의 길이(Length of Swing-arm: A), 축간거리(Distance between centers: B), 디스크 직경(Diameter of disk: C) 의 3가지 설계 변수에 따른 패드 프로파일 변화에 관해 연구하고자 하였다. 이를 위해 기존 연구자들이 제안한 패드 프로파일 시뮬레이션 기법을 바탕으로 다구찌 (Taguchi) 실험계획을 통해 해석을 수행하였다.

가설 설정

1은 CMP 컨디셔닝 시스템의 개략도를 보여주고 있다. 본 연구에서 시뮬레이션에 활용된 컨디셔너는 약 2000개의 다이아몬드 입자가 직교로 배열되어 있으며, 스윙 암은 일정한 속도로 운동하는 것으로 가정하였다.
본 연구에서는 다구찌 실험계획을 통해 컨디셔닝 시스템의 설계 변수들이 컨디셔닝 밀도(Conditioning density; CD) 프로파일의 평균(Average), 표준편차(standard de- viation; STDEV), 불균일도(Non-uniformity; NU), 최대와 최솟값의 차이(Max-Min)에 미치는 영향을 조사하였다. 여기서 패드의 마모는 시뮬레이션에서 계산된 단위영역당 다이아몬드 입자의 누적 슬라이딩 거리(컨디셔닝 밀도)와 비례한다고 가정한다. 다구찌 실험 계획은 3인자, 5수준을 가지는 L25 직교 배열(Orthogonal array)을선정하였으며 실험에 사용된 인자와 수준은 Table 2와 같다.

제안 방법

본 연구에서는 다구찌 실험계획의 결과를 분석하기 위하여 MINITAB 소프트웨어를 이용하여 신호대 잡음의 비(Signal to noise ratio; SN ratio)를 평가하였다. 다 구찌 실험계획법에서의 응답은 300 mm 직경의 웨이퍼가 연마 패드에 위치하는 연마 패드 영역(패드 중심으로부터 50~350 mm 영역)에서의 컨디셔닝 밀도 프로파일의 평균, 표준편차, 불균일도, 최대와 최솟값의 차이로 설정하였다. 응답으로 설정된 값은 CMP 공정에서 작은 값을 가질수록 재료 제거에 있어 균일성 확보에 도움이 되기 때문에 결과의 분석에 있어 망소 (Smaller is better) 특성을 고려하였다.
따라서 본 연구에서는 축간 거리에 대한 컨디셔너 커버리지(Conditioner’s coverage; CC)의 비(CC/CD ratio) 와컨디셔닝 밀도 프로파일의 평균, 표준편차, 불균일도, 최대와 최솟값의 차이에 관해 연구하였다
이를 위해 기존 연구자들이 제안한 패드 프로파일 시뮬레이션 기법을 바탕으로 다구찌 (Taguchi) 실험계획을 통해 해석을 수행하였다. 또한, 해석을 통해 패드 마모 균일성 향상을 위한 CMP 컨디셔닝 시스템 설계에 관련한 주요 변수를 제안하였다.
본 연구에서는 다구찌 실험계획을 통해 컨디셔닝 시스템의 설계 변수들이 컨디셔닝 밀도(Conditioning density; CD) 프로파일의 평균(Average), 표준편차(standard de- viation; STDEV), 불균일도(Non-uniformity; NU), 최대와 최솟값의 차이(Max-Min)에 미치는 영향을 조사하였다. 여기서 패드의 마모는 시뮬레이션에서 계산된 단위영역당 다이아몬드 입자의 누적 슬라이딩 거리(컨디셔닝 밀도)와 비례한다고 가정한다.

대상 데이터

시뮬레이션에서 고려한 패드의 직경은 762 mm이다. 패드 마모 프로파일 시뮬레이션(Density methode)은 다음의 3단계로 이루어진다.

데이터처리

본 절에서는 다구찌 실험계획에서 SN 비의 평가를 통해 얻은 조건과 CC/DC의 비가 가장 낮은 조건을 비교하였다. Fig.
앞서 언급한 바와 같이 본 연구에서는 MINITAB 소프트웨어를 이용하여 SN 비를 평가하였다.

이론/모형

본 연구에서는 다구찌 실험계획의 결과를 분석하기 위하여 MINITAB 소프트웨어를 이용하여 신호대 잡음의 비(Signal to noise ratio; SN ratio)를 평가하였다. 다 구찌 실험계획법에서의 응답은 300 mm 직경의 웨이퍼가 연마 패드에 위치하는 연마 패드 영역(패드 중심으로부터 50~350 mm 영역)에서의 컨디셔닝 밀도 프로파일의 평균, 표준편차, 불균일도, 최대와 최솟값의 차이로 설정하였다.
본 연구에서는 컨디셔닝 시스템의 공정 변수 외에 설계 조건에 관련된 스윙 암의 길이(Length of Swing-arm: A), 축간거리(Distance between centers: B), 디스크 직경(Diameter of disk: C) 의 3가지 설계 변수에 따른 패드 프로파일 변화에 관해 연구하고자 하였다. 이를 위해 기존 연구자들이 제안한 패드 프로파일 시뮬레이션 기법을 바탕으로 다구찌 (Taguchi) 실험계획을 통해 해석을 수행하였다. 또한, 해석을 통해 패드 마모 균일성 향상을 위한 CMP 컨디셔닝 시스템 설계에 관련한 주요 변수를 제안하였다.

성능/효과

컨디셔닝 시스템 설계 변수의 인자는 축간거리, 스윙암의 길이 그리고 컨디셔너 디스크 직경으로 선정하고 설계 변수에 기인한 결과로 6, 7, 12, 13, 18, 24, 25번 case는 다이아몬드 입자가 패드의 중심을 지나고 전면에 컨디셔닝이 되나 그 외 조건에서는 패드의 중심에서 일정한 반경까지 입자가 닿지 않고 불균일한 패드의 마모가 예측된다. 다구찌 실험 계획법을 통해 스윙암의 길이(A)는 4수준(600mm) 컨디셔너 디스크 직경(C)는 2수준(80mm) 축간거리(B) 는 3수준(600mm)에서 최적의 결과를 보이는 반면 축간 거리와 컨디셔너 커버리지 비(1.05)의 해석 결과로 case 18에서 가장 낮은 평균값, conditioning density, STDEV, WIPNU, Max-Min 값을 보인다. 결국 축간거리와 컨디셔너 커버리지 비 10.
본 연구에서는 다구찌 실험 계획법을 이용하여 CMP 컨디셔닝 시스템의 설계 변수에 따른 패드 프로파일의 예측과 최적화에 대해 연구하였다. 컨디셔닝 시스템 설계 변수의 인자는 축간거리, 스윙암의 길이 그리고 컨디셔너 디스크 직경으로 선정하고 설계 변수에 기인한 결과로 6, 7, 12, 13, 18, 24, 25번 case는 다이아몬드 입자가 패드의 중심을 지나고 전면에 컨디셔닝이 되나 그 외 조건에서는 패드의 중심에서 일정한 반경까지 입자가 닿지 않고 불균일한 패드의 마모가 예측된다. 다구찌 실험 계획법을 통해 스윙암의 길이(A)는 4수준(600mm) 컨디셔너 디스크 직경(C)는 2수준(80mm) 축간거리(B) 는 3수준(600mm)에서 최적의 결과를 보이는 반면 축간 거리와 컨디셔너 커버리지 비(1.

후속연구

05)의 해석 결과로 case 18에서 가장 낮은 평균값, conditioning density, STDEV, WIPNU, Max-Min 값을 보인다. 결국 축간거리와 컨디셔너 커버리지 비 10.5 조건이 Taguchi Method에 의해 제안된 조건보다 최적의 컨디셔닝 시스템 설계 변수로 판단되며, 향후 CMP 컨디셔닝 시스템의 주요 설계 변수로 활용 가능할 것으로 보인다. 또한 본 연구를 통해 연구된 설계 변수는 CMP 컨디셔닝 시스템의 최적설계 에 활용이 가능할 것으로 예상된다.
05에서 공통적으로 가장 낮은 값을 보인 다. 따라서 CC/DC의 비는 컨디셔닝 시스템의 설계에 있어 컨디셔닝 밀도 프로파일의 편차를 줄일 수 있는 변수로 활용이 가능할 것으로 판단된다. 다구찌 실험계획의 조건 중 CC/CD의 비 분석을 통해 얻은 가장 낮은 컨디셔닝 밀도 프로파일의 표준편차, 불균일도, 최대와 최솟값의 차이를 가지는 조건은 18번 조건에 해당되는 암의 길이 600 mm, 축간 거리 600 mm, 디스크 직경 60 mm 조건으로 분석된다.
또한 상대적으로 작은 디스크 직경을 이용해 상대 속도가 큰 패드 외 주부 에서 컨디셔닝 밀도를 낮춰 컨디셔닝 밀도 프로파일의 평탄한 영역을 증가시키는 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서 제안한 CC/CD의 비는 CMP 컨디셔닝 시스템의 설계 최적화를 위해 고려 가능한 인자가 될 수 있을 것으로 생각된다.
5 조건이 Taguchi Method에 의해 제안된 조건보다 최적의 컨디셔닝 시스템 설계 변수로 판단되며, 향후 CMP 컨디셔닝 시스템의 주요 설계 변수로 활용 가능할 것으로 보인다. 또한 본 연구를 통해 연구된 설계 변수는 CMP 컨디셔닝 시스템의 최적설계 에 활용이 가능할 것으로 예상된다.

참고문헌 (9)

Lee, H., "Tribology Research Trends in Chemical Mechanical Polishging (CMP) Process," Tribol. Lubr., Vol.34, No.3, pp.115-122, 2018, https://doi.org/10.9725/kts.2018.34.3.115

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Lee, H., Sung, I. -H., "Chemical Mechanical Polishing: A Selective Review of R&D Trends in Abrasive Particle Behaviors and Wafer Materials," Tribol. Lubr., Vol.35, No.5, pp.274-285, 2019, https://doi.org/10.9725/kts.2019.35.5.274

원문보기 상세보기
Lee, H., Lee, D., Jeong, H., "Mechanical aspects of the chemical mechanical polishing process: A review", Int. J. Precis. Eng. Manufact., Vol.17, No. 4, pp.525-536, 2016.

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Zhou, Y. -Y, Davis, E. C., "Variation of polish pad shape during pad dressing," Mater. Sci. Eng. B, Vol.68, pp.91-98, 1999.

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Chang, O., Kim, H., Park, K., Park, B., Seo, H., Jeong, H., "Mathematical modeling of CMP conditioning process," Micronelectron. Eng., Vol.84, Issue 4, pp.577-583, 2007.

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Lee, S., Jeong, S., Park,. K., Kim, H., Jeong, H., "Kinematical modeling of pad profile variation during conditioning in chemical mechanical polishing," Jpn. J. Appl. Phys., Vol.48, pp.126502, 2009.

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Li, Z. C., Baisie, E. A., Zhang, X. H., "Diamond disc pad conditioning in chemical mechanical planarization (CMP): A surface element method to predict pad surface shape," Precis. Eng., Vol.36, pp.356-363, 2012.

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Lee, H., Lee, S., "Investigation of pad wear in CMP with swing-arm conditioning and uniformity of material removal," Precis. Eng., Vol.49, pp.85-91, 2017.

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Son, J., Lee, H., "Contact-Area-Changeable CMP Conditioning for Enhancing Pad Lifetime," Appl. Sci., Vol.11, pp.3521, 2021.

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