Effect of Diamond Abrasive Shape of CMP Conditioner on Polishing Pad Surface Control

CMP 컨디셔너의 다이아몬드 입자 모양이 연마 패드 표면 형상 제어에 미치는 영향

Abstract

Conditioning is a process involving pad surface scraping by a moving metallic disk that is electrodeposited with diamond abrasives. It is an indispensable process in chemical-mechanical planarization, which regulates the pad roughness by removing the surface residues. Additionally, conditioning maintains the material removal rates and increases the pad lifetime. As the conditioning continues, the pad profile becomes unevenly to be deformed, which causes poor polishing quality. Simulation calculates the density at which the diamond abrasives on the conditioner scratch the unit area on the pad. It can predict the profile deformation through the control of conditioner dwell time. Previously, this effect of the diamond shape on conditioning has been investigated with regard to microscopic areas, such as surface roughness, rather than global pad-profile deformation. In this study, the effect of diamond shape on the pad profile is evaluated by comparing the simulated and experimental conditioning using two conditioners: a) random-shaped abrasive conditioner (RSC) and b) uniform-shaped abrasive conditioner (USC). Consequently, it is confirmed that the USC is incapable of controlling the pad profile, which is consistent with the simulation results.

1. 서 론

화학 기계적 평탄화(Chemical Mechanical Planarization, CMP) 공정은 반도체 8대 제조 공정 중 하나로 슬러리에 의한 화학 반응 하에서 연마 패드와 기판 표면 사이의 기계적 마찰을 통해 웨이퍼 표면을 평탄화 시키는 공정이다. CMP 공정에 사용 되는 폴리우레탄 재질의 연마 패드 표면에는 수많은 미세 돌기와 기공이 존재한다. 연마 패드 표면의 미세 돌기는 기판 표면과 직접적인 접촉을 통해 기계적 연마에 참여하며 기공은 슬러리 입자의 포집 및 운반을 통해 슬러리 입자의 연마 참여를 유도한다.

공정 진행되면서 패드와 기판 사이에 가해지는 하중 및 마찰로 인해 표면의 미세 돌기는 무뎌지게 되며 기공은 연마 잔여물과 슬러리 입자에 의해 눈막힘 현상이 일어나 기판의 재료 제거율(Material removal rate, MRR)은 감소하게 된다[1].

이런 현상을 방지하기 위해 CMP 공정에서는 금속 디스크에 다이아몬드 입자를 전착 시킨 다이아몬드 컨디셔너(Diamond conditioner)를 이용하여 패드 표면의 재생을 위한 컨디셔닝(Conditioning) 공정을 실시한다. 컨디셔닝 공정 중 다이아몬드 입자는 패드 표면의 절삭을 통해 무뎌진 돌기와 연마 잔여물 및 슬러리 입자를 제거하여 패드 표면을 재생시킨다[2]. 컨디셔닝 공정에 주로 사용되는 방식인 스윙 암 컨디셔닝(Swing-arm conditioning)은 컨디셔너를 지지대 끝 단에 부착하고 패드 반경 방향으로 운동시켜 공정을 수행한다. 스윙 암 컨디셔닝의 개략도는 Fig. 1과 같으며 스윙 속도를 조절하여 컨디셔너의 구역 체류 시간을 조절 할 수 있다.

 

Fig. 1. Schematics of swing-arm conditioning.

 

패드 표면의 형상은 컨디셔닝 공정이 누적 될수록 마모의 불균일 분포로 인해 “W” 형상으로 마모 된다[3]. 이는 기판 내(Wafer in wafer)와 기판 간(Wafer to wafer)의 연마 품질을 떨어뜨리는 원인이 된다[4].

이런 문제를 해결하기위하여 컨디셔닝 공정의 주요 인자가 패드 형상 변화에 미치는 영향에 대한 연구가 이루어지고 있다.

패드 형상 제어에 관한 연구는 컨디셔너의 구역 체류시간 조절을 통해 패드 형상을 균일하게 유지하는 연구가 주를 이루고 있으며 특히, 컨디셔너 운동의 기구학적 해석을 바탕으로 시뮬레이션을 이용하여 컨디셔닝 공정이후의 패드 형상 변화 예측에 대한 연구가 이루어지고 있다[5-8]. 시뮬레이션을 통해 예측한 마모 분포 대로 패드 표면이 마모 된다면 마모의 누적을 통해 패드 프로파일을 원하는 데로 제어 할 수 있다. 하지만 이러한 시뮬레이션들은 단순히 기구학적 모델링을 수학적 계산으로 컨디셔닝에 영향을 미치는 인자들을 충분히 반영하지 못하는 한계가 있다. 따라서 기구학적 모델링을 컨디셔닝에 적용하기 위해서는 연마 패드를 잘라내는 다이아몬드 입자에 의한 영향을 파악하는 것이 필요하다.

컨디셔너 입자의 형상이 패드 표면에 미치는 영향에 대한 연구는 주로 패드 표면의 미시적인 특성에 대하여 이루어져 왔다[9-11].

따라서 본 연구에서는 컨디셔너의 다이아몬드 입자의 형상이 패드 표면 형상 제어에 미치는 영향에 대하여 파악하는 것을 목표로 한다. 불균일한 형상의 다이아몬드 입자를 가진 컨디셔너(Random shape abrasive conditioner, RSC)와 균일한 형상의 다이아몬드 입자를 가지는(Uniform shape abrasive conditioner, USC) 두 가지 컨디셔너가사용되었으며 시뮬레이션과 실제 공정 결과의 비교를 통해 다이아몬드 입자의 모양이 연마 패드 표면 형상 제어에 미치는 영향에 대해 기술하였다.

 

2. 연구방법 및 내용

2-1. 다이아몬드 컨디셔너 준비

본 연구에 사용된 다이아몬드 컨디셔너는 SAESOL Diamond (Korea)에서 제공된 컨디셔너를 사용하였다. Fig. 2은 실험에 사용된 두 가지 종류의 컨디셔너 표면의 다이아몬드 입자를 주사 전자 현미경(Scanning electron microscope, SEM)을 통해 측정한 결과이다. Fig. 2 (a)와 같이 불균일한 형상의 다이아몬드 입자를 가진 컨디셔너를 RSC, Fig. 2 (b)와 같이 균일한 형상의 다이아몬드 입자를 가지는 컨디셔너를 USC라고 명명하였다.

 

Fig. 2. SEM image of two type conditioner abrasive: (a) Random shape abrasive conditioner (RSC), (b) Uniform shape abrasive conditioner (USC).

 

Fig. 3. Cross section of two type conditioner abrasive: (a) Random shape abrasive conditioner (RSC), (b) Uniform shape abrasive conditioner (USC).

 

Fig. 4. Image of CMP machine and pad measurement system

 

Table 1. Conditioner treatment parameter

 

Fig.3은 공초점 현미경(Confocal microscope)을 이용하여 측정한 다이아몬드 입자의 단면 형상이다. Fig. 3에서 볼수 있듯이 RSC는 USC에 비해 좁은 접촉면을 가진다.

다이아몬드 입자의 모양을 제외한 입자의 개수, 밀도, 노출량 및 컨디셔너의 내 외경은 모두 동일하며 세부 조건은 Table 1과 같다.

 

2-2. 컨디셔닝 실험 및 시뮬레이션

2-2-1. 컨디셔닝 실험 및 패드 마모 측정

컨디셔닝 실험은 Fig. 4에 나타나있는 GNP Technology (Korea) 사의 POLI-762장비를 사용하였다. 컨디셔너는 앞서 2.1장에서 기술한 두 가지 조건의 컨디셔너를 사용하였으며 연마 패드는 KPX (Korea) 사의 독립 발포형 폴리우레탄 패드인 CONY 패드를 사용하였다. 먼저 마모가 일어나지 않은 새 패드와 마모가 일어나 표면 형상이 변형된 패드에 대해 두 조건의 컨디셔너 당 각 15분씩 컨디셔닝 공정을 진행하였다. 이 후 패드 마모를 측정하여 측정 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하여 정합성을 평가하였다. 두번째로 마모가 진행된 패드에서 30분씩 3회총 90분 연마를 통해 컨디셔너 입자의 형상이 패드 마모 형상 제어에 미치는 영향에 대하여 평가하였다. 세부 실험 조건은 Table 2에 기술하였다.

 

Table 2. Experiment conditions

Fig. 5. Flowchart of pad wear simulation during CMP conditioning.

 

패드 마모의 측정은 Fig. 4에 나타나있는 GNP Techno- logy (Korea) 사의 Pad measurement system (PMS) 장비를 사용하였다. 접촉식 linear gauge가 패드 중심의 지름을 따라 패드의 높이를 측정하여 패드 프로파일을 측정한다. 패드 마모의 분포는 컨디셔닝 이전에 측정 된 패드 표면 형상 데이터를 기준으로 하여 공정 후 측정 된패드 프로파일 데이터의 차이를 계산함으로써 획득하였다.

 

2-2-2. 시뮬레이션

시뮬레이션은 Ref. 6의 모델을 바탕으로 만들어진 Conditioning density calculator(CDC)를 사용하였다. 해당 시뮬레이터는 컨디셔닝 조건에 따라 연마 패드의 단위 영역을 통과하는 다이아몬드 입자 궤적의 수를 계산한다. 이를 스크래치 밀도(Scratching density)로 정의하며 패드 마모량은 스크래치 밀도에 비례한다고 가정한다. Fig. 5에 컨디셔닝 시뮬레이션의 흐름도를 나타내었으며 프로그램의 결과창은 Fig. 6와 같다. 해당 시뮬레이션은 컨디셔닝 운동의 운동학적 모델링을 바탕으로 하며 하중은 반영 하지 않는다. 따라서 본 연구에서는 하중을 제외한 나머지 조건을 Table 2와 같이 실험과 동일하게 설정하였으며, 단위 영역은 10 mm × 10 mm로 설정하여 시뮬레이션을 진행하였다.

 

Fig. 6. Result window of conditioning density calculator.

 

3. 결과 및 고찰

3-1. 다이아몬드 입자 형상에 따른 패드 표면 제어

Fig. 7-8은 컨디셔닝 공정에 의해 발생된 마모 분포와 시뮬레이션 결과를 나타내었다. CMP공정에서 기판은 200mm 기판을 기준으로 음영 처리된 부분에서 연마 패드와 접촉하게 된다. 공통적으로 나타나는 패드 중심부에서 결과의 차이는 스윙 암의 왕복 운동에 있어서 발생하는 기계적인 시간 지연 현상에 의해 발생하는 것으로 생각된다.

Fig. 7은 새 패드에 RSC, USC두 조건의 컨디셔너를 사용하여 15분씩 컨디셔닝 공정을 진행한 마모 분포와 시뮬레이션 결과이다. 

 

Fig. 7. Wear distribution in new pad.

 

Fig. 8. Wear distribution in used pad.

 

컨디셔너의 패드 내 구역 체류 시간이 모두 동일한 조건에서 두 가지 컨디셔너 모두 패드 중심 부로 갈수록 더 마모 분포가 심화되는 경향을 보였으며 이는 시뮬레이션과 높을 정합성을 보였다. 하지만Fig. 8의 결과에서 볼 수 있듯이 Fig. 9-10의 초기 패드표면 형상과 같이 마모가 진행된 패드의 경우 USC 조건에서는 실제 공정 결과와 시뮬레이션의 결과가 다른 형상을 나타내는 것을 확인 할 수 있었다.

 

Fig. 9. Pad profile deformation using RSC.

 

Fig. 10. Pad profile deformation using USC.

 

Fig. 11. Average pad wear rate of using two type conditioner.

 

Fig. 8에서USC 조건의 컨디셔너가 사용된 마모 분포의 경우 패드가장자리에서 더 많은 마모가 일어났으며, 이는 Fig. 10의 초기 패드 표면 형상과 유사함을 미루어 봤을 때 마모 과정에서 패드 형상의 영향을 받았음을 유추 할 수 있다.

Fig. 9-10는 가장자리에 마모가 많이 일어난 패드에 대해 RSC, USC를 사용하여 30분씩 3회 총 90분간 컨디셔닝을 진행하여 패드 표면 형상의 변화를 나타낸 결과이다. 해당 실험에서 패드마모율은 Fig. 11에 나타내었으며RSC 조건에서 0.224 µm/m, USC 조건에서 0.236 & micro; m/m로 큰 차이를 보이지 않았다. RSC를 사용한 조건에서는 Fig. 9과 같이 설정한 구역 체류 시간에 따른 마모 분포에 따라 패드 중심부에 마모가 누적되어 패드 표면 형상이 점차 평평해지는 것을 볼 수 있다. 하지만 USC를 사용한 Fig. 10의 경우 마모의 누적이 패드 중심부가 아닌가장자리에서 심화되어 패드의 표면 형상의 불균일도가 계속해서 심화되는 것을 볼 수 있다. 이러한 결과를 통해 USC는 패드의 마모가 진행된 경우에는 설정된 구역체류 시간보다 패드의 표면 형상의 영향을 더 받게 되며시뮬레이션을 통한 마모 분포의 예측 및 패드 형상 제어에 적합하지 않다는 것을 알 수 있다. 이러한 현상은 3-2절에 기술 할 컨디셔닝 공정과 연마 패드의 재질인 폴리우레탄의 특성에 기인한다.

 

3-2. 다이아몬드 입자 형상에 따른 패드 절삭 특성

CMP 공정에 사용되는 연마 패드는 고분자인 폴리우레탄으로 이루어져 있으며 점탄성(Viscoelasticity) 성질을 가진다. 점탄성은 외력을 가했을 때 순간적으로 변형하는 탄성 거동과 시간에 따라 서서히 변형하는 점성 거동이 동시에 나타나는 동적 재료물성이다. M. Y. Tsai 등은 다이아몬드 입자와 연마 패드의 접촉에 따른 절삭 특성에 대한 연구를 하였으며 점 접촉(Point contact)이나 선접촉(Line contact)을 할 때보다 면 접촉(Face contact)을 할 때 점탄성 특성에 의한 회복 현상이 많이 일어남을 밝혔다[12].

 

Fig. 12. Three types of grain action in grinding: (a) cutting, (b) plowing, and (c) rubbing.

 

컨디셔닝 공정은 연삭 공정 중 직립형 테이블 회전식가압 절삭에 해당한다. 따라서 컨디셔너의 다이아몬드 입자는 연삭 이론에 따라 Fig. 12과 같이 다음과 같은 3가지 작용을 한다[13].

(a) 절삭: 입자가 공작물에 물려 들어가 칩을 형성하고 재료를 제거(b) 긁음: 입자가 공작물에 물려있기는 하지만 절삭을 수행하기에는 충분하지 못해 재료는 제거되지 않고 공작물 표면이 변형되고 에너지는 소모됨(c) 마찰: 입자가 공작물 표면에 접촉해 오직 미끄럼 마찰만이 일어나 재료는 제거되지 않고 에너지만 소모됨Fig. 13은 RSC와 USC 을 사용하여 컨디셔닝 공정을 진행 한 후 패드의 120초동안 하중을 가한 후 120초 간 하중을 제거하여 패드를 회복시켜 패드의 변형률을 측정한 결과이다. Fig. 13 상의 (1), (3) 구역은 하중에 의한 탄성 거동 구간 (2) 구역 하중에 의한 점탄성 압축 거동, (4) 구역은 점탄성에 의한 회복 구간을 나타낸다.

 

Fig. 13. Pad strain-time graph of using two type conditioner.

 

Fig. 14. Schematics of contact between diamond particles and pad: (a) using RSC and (b) using USC.

 

Fig. 13에서 점탄성 회복에 의한 변형량을 나타내는 (4) 구간을 보면 USC를 사용한 조건은 점탄성에 의한 회복으로 변형이 발생하고 있으나 RSC를 사용한 조건에서는 회복에 의한 변형이 거의 일어나지 않음을 확인 할 수 있다. 이러한 현상으로 인해 Fig. 14(a)와 같이 RSC를 사용한 경우 다이아몬드 입자의 형상에 의해 점 접촉이 주를 이루어 절삭이 충분히 발생하여 점탄성에 의한 회복이 적어 시뮬레이션 결과와 유사한 마모 분포를 보이게 된다. 하지만 USC를 사용한 경우 Fig. 14(b)와 같이 다이아몬드 입자의 형상에 의해 면 접촉이 주로 일어나 절삭이 충분히 일어나지 않고 점탄성 회복에 의한 변형층이 발생하여 시뮬레이션 결과가 아닌 기존 패드 표면 형상과 유사한 마모 분포가 일어났음을 알 수 있다.

 

4. 결 론

본 연구에서는 컨디셔너의 다이아몬드 입자의 형상이패드 표면 형상 제어에 미치는 영향을 확인하였다. 불균일한 형상의 다이아몬드 입자를 가지는 RSC를 사용한 경우 연마 패드의 마모 유무에 상관없이 시뮬레이션과 유사하게 마모가 분포되었다. 이를 통해 마모가 진행된패드에서도 패드 표면 형상의 제어가 가능함을 확인하였다. 하지만 균일한 형상의 다이아몬드 입자를 가지는 USC를 사용한 경우 이미 마모가 진행된 패드에서 패드표면 형상과 유사하게 마모가 분포되었다. 이러한 현상은 연마 패드의 재질인 폴리우레탄의 물성인 점탄성과 컨디셔닝 방식에 의해 일어난다. 이러한 원인으로 USC 는 시뮬레이션을 통해 패드 마모 분포를 예측하고 형상을 제어하는 데에는 부적합 함을 알 수 있었다. 이러한 현상과 원인에 대한 연구는 컨디셔닝에 의해 발생하는 패드 불균일 마모를 시뮬레이션을 통해 예측하고 제어하는 시스템을 설계하는데 있어서 많은 기여를 할 것으로 기대된다.