[딴딴's 직무 Master] Session 1-1. CMP 공정이란 무엇인가.

반도체 공정에서 박막을 적층할 수록 표면에는 단차가 존재하기 마련입니다.
이 단차를 방치할 경우, 후속 노광 공정에서 Defocusing이 발생하여,
Pattern이 Open되거나 Bridge가 발생하는 불량이 발생할 수 있죠.
CMP는 이러한 불량 이슈를 개선하기 위해 표면 단차를 제거하는 공정으로,
반도체 공정이 미세화 될수록 더욱 중요해지죠.

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[기초 1] CMP 공정은 무엇이며, 화학적 & 기계적 요소는 각각 어떤 역할을 하는지 설명해주세요.

CMP(Chemical Mechanical Planarization)는 화학적 요소와 기계적 요소를 동시에 이용하여 Wafer 위의 막질을 슬러리로 평탄화 시키는 공정입니다. 화학적 요소부터 말씀드리겠습니다. 슬러리에 포함된 화학 물질이 막질 표면과 반응하고, 산화막에는 염기성 슬러리를, 금속막에는 산성 슬러리를 사용하여 막질 표면에 제거하기 위한 화학적 반응층을 먼저 형성합니다. 이 화학적 반응층이 기계적으로 연마되어 제거될 수 있는 상태가 됩니다. 기계적 요소로는 Wafer와 Pad 사이에 압력을 가하고 회전을 통해 막질과 Pad간의 마찰을 발생시킵니다. 표면 Topology 상 돌출된 영역은 압력이 상대적으로 높기에 연마가 먼저 진행되어 평탄화 되고, Wafer 영역별로 서로 다른 압력을 가해 특정 영역을 선택적으로 더 연마할 수도 있습니다.

 화학적 요소만으로는 방향성이 없어 불균일하고, 기계적 요소만으로는 단단한 막질을 연마하기 어려워 연마 효율이 저하됩니다. 정밀하고 균일한 평탄화를 위해서는 화학적 & 기계적 요소의 공정 최적화가 필요합니다.

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[기초 1-1] 슬러리(Slurry)가 무엇인지 설명해주세요.

슬러리는 CMP 공정에서 주로 사용되는 연마액으로, 90~99%가 물로 구성된 액상 형태의 콜로이드 용액입니다. 수십~수백 나노미터 크기의 연마제(Abrasive, 주로 Silica 입자 형태)와 첨가제, 분산제, 산화제, pH 조절 등의 역할을 하는 화학물질들이 혼합되어 있습니다. 화학적으로 단단한 막질을 약하게 만들고, 연마제가 이를 기계적으로 제거하는 원리입니다. 공정 목적과 타겟 막질에 따라 Oxide, Metal, Silicon Wafer 전용 슬러리가 별도로 개발되고 사용되고 있습니다.

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[기초 1-2] CMP 공정이 왜 미세화가 되면서 점점 더 중요해지는 알고 계신가요.

네. 설명 드리겠습니다. ① 소자 미세화에 따라 선폭이 줄어들수록 단차의 허용 범위가 점점 더 Margin이 부족해지고 있습니다. 동일한 단차라고 하더라도 더 작은 소자에서는 Photo 공정의 Defocus 오류가 더 심화되고 있습니다. 따라서 CMP를 통해 더욱 더 정밀한 평탄화 공정이 필요하고, CMP 공정 요구가 점점 더 엄격해지고 있습니다. ② 소자 구조 또한 3D 구조를 채택하고 있어 3D NAND 처럼 층을 수직으로 쌓으면 각 층마다 CMP 공정이 적용되어야 합니다. 96단, 128단 구조에서는 CMP 횟수가 크게 증가하고, 고단차를 제어하는 특수 CMP(SSP Slurry)가 별도로 필요합니다. 그리고 ③ 미세화를 극복하기 위해서 Cu 배선, Low-k dielectric, High-k 등 새로운 소재들이 도입되면서 역시 Target 물질 별 별도 CMP 조건 최적화가 필요하며, 특히 Low-k의 경우 기계적으로 물성이 약해 CMP 압력 조건을 최적화 하는 데 어려움이 있습니다. ④ 마지막으로 미세화에 따라 기존에 허용되던 Defect도 새로운 수율 저하 이슈로 이어질 수 있기 때문에, 단순히 평탄화 작업이 아닌 Touch CMP나 Bevel CMP 같은 Defect 개선 목적의 CMP도 적용되고 있습니다. 

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[기초 1-3] CMP 공정의 4가지 Type에 대해서 알고 있나요.

CMP는 적용 목적에 따라 4가지로 구분됩니다.
① 막질을 증착한 후 발생하는 단차를 제거하는 가장 기본적인 CMP의 목적인 평탄화(Planarization)입니다. 하부 패턴 구조 위에 막질을 증착하면 패턴의 높낮이에 따라 단차가 생기는데, 이를 연마하여 표면을 평평하게 하여 후속 Photo 공정에서 DoF(초점 심도) 확보와 균일한 패턴 형성에 필수입니다. 
② 패턴과 패턴을 전기적으로 Isolation 시키는 목적으로 사용됩니다. 대표적으로 STI(Shallow Trench Isolation) 공정에서 Trench를 형성하고 Gap Fill 한 후 상부 패턴만 남도록 연마하는 공정입니다.
③ 다음은 Touch CMP로, 막질 위의 Topolgy를 완화하며, 표면의 Defect을 제거하기 위한 CMP로 과도한 연마 없이 표면을 연마하는 공정입니다.
④ 마지막으로 Bevel CMP로 Wafer Edge 영역의 불량 막질을 제거하여 Wafer 내 in-wafer Variation을 개선하여 균일도를 향상시키는 공정입니다. Photo 공정에서 Edge 영역의 균일도가 중요해지면서 Bevel CMP 공정 또한 중요해졌습니다.

※ Wafer Edge (Bevel) 영역이 따로 관리되어야 하는 이유.
Wafer Edge 영역은 증착공정에서 막질의 두께 균일도가 떨어지거나 불필요한 막질이 쌓이기 쉽습니다. 불균일한 Edge 영역의 막질이 후속 공정에서 Particle 소스가 되어 이물 불량이 발생하거나, Photo 공정에서 Edge Die의 수율 Loss로 이어질 수 있습니다. 따라서 Bevel CMP는 이 Edge 영역의 불량 막질을 선택적으로 제거함으로써 유효 Die 수를 늘리는 중요한 역할을 수행합니다.

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[기초 2] CMP 설비의 구성은 어떻게 되어 있는지 설명해주세요.

CMP 장비는 크게 Polisher 모듈, Cleaner 모듈, 그리고 구동부(Transfer) 3부분으로 구분할 수 있습니다.
① Polisher 모듈은 슬러리로 Wafer 표면에 막질을 연마하는 핵심 모듈입니다. Wafer에 표면에 압력을 가하는 Head와 Pad가 부착된 회전 평판인 Platen, 그리고 Slurry를 분사하는 슬러리 분사 Arm, Pad 표면을 관리하는 컨디셔너로 구성됩니다. 헤드의 멤브레인을 통해 Wafer에 압력을 가하고, Head와 Platen이 각각 회전하면서 Pad와 Wafer 간의 마찰로 연마가 진행됩니다.
② Cleaning 모듈은 연마 후에 Wafer 표면에 남은 슬러리 Residue, 연마 부산물을 제거하는 모듈입니다. 보통 초음파 세정인 메가 소닉부와 Brush 모듈 2개로 구성되며, Brush 모듈에서 Chemical(DHF, NH4OH/SC-1)을 사용하고 최종적으로 건조 과정을 마무리합니다. 
③ Transfer 모듈은 Wafer를 Polisher와 Cleaner 사이에서 이동시키는 로봇 시스템으로, 접촉부, 실린더, 각종 센서 등으로 구성되며 Teaching을 통해 위치 값을 미리 설정하여 동작합니다. 

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[기초 2-1] Teaching이라고 하셨는데, 간단하게 부연 설명 해주실 수 있을까요.

(설비 기출) 티칭은 로봇 시스템에서 이동 경로와 위치를 미리 프로그래밍을 하는 과정입니다. 로봇이 Wafer를 집어 특정 위치로 이동하기 위해서는 시작점, 경유점, 도착점 좌표를 미리 설정해야 합니다. 이 설정 과정이 티칭이며, 반복 사용으로 위치 값이 변하면 다시 재티칭을 할 필요가 있습니다. 정확한 티칭 없이는 Wafer가 잘못된 위치에 Loading 되어 파손 불량이 발생할 수 있습니다. 

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[기초 2-2] CMP 공정 이후 Cleaning이 반드시 필요한 이유는 무엇이 있을까요.

CMP는 Polishing 이후 Cleaning이 반드시 필요합니다. 그 이유는 슬러리와 기계적 마찰을 통해 표면을 연마하는 공정이기 때문에, 연마 후에 Wafer 표면에 다량의 부산물이 남게 됩니다. 슬러리 잔유물, 연마 부산물들이 표면에 남게 될 경우, Wafer 표면에 스크래치의 소스가 되거나, 후속 공정에서 막질 오염 이물 기인 불량이 발생할 수 있습니다. 

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[기초 2-3] Cleaning 시 발생할 수 있는 Critical한 이슈는 무엇이 있을까요.

제가 생각하는 Cleaning 시 발생할 수 있는 Critical한 이슈는 금속 오염이라고 생각합니다. 금속 박막을 타겟으로 연마한 후 Cleaning이 제대로 이루어지지 않게 될 경우 OS 불량의 Hard성 Fail로 이어질 수 있기 때문입니다. 더 큰 문제는 금속 오염은 Fab 공정 과정에서 쉽게 Detect 되지 않으며 Fab 공정이 끝나고 나서야 WAT 측정 혹은 최악의 경우 제품 레벨에서 검출되기 때문에 오염에 대한 Attact 구간을 예측하기 어렵고 이는 제품 Yield Loss로 이어져 큰 손해로 이어지게 됩니다. 

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[기초 2-4] Cleaning에서 Dry가 중요한 이유가 무엇일까요.

Cleaning 이후 물 입자가 표면에 남게 되면 물 방울이 증발한 자리에 불순물들이 농축 되면서 물자국 즉, 워터마크가 생기게 됩니다. 건조 방법으로는 고속으로 Wafer를 회전시키는 원심력 탈수 (SRD : Spin Rinse Dry), IPA 용액을 적용하여 마란고니 효과를 이용하는 두 가지 방법이 있습니다.

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[기초 2-5] 화학 전공이라 그런지 현상에 대한 이해가 높네요. 마란고니 효과가 무엇이죠.

마란고니 효과(Marangoni Effect)은 표면 장력이 낮은 곳에서 높은 곳으로 액체가 이동하는 일상에서도 쉽게 볼 수 있는 현상입니다. IPA(이소프로필알코올)의 경우 물보다 표면 장력이 낮습니다. Wafer 상에 물 표면에 IPA 증기를 불어 넣게 될 경우, IPA와 물의 표면장력 차이에 의해서 물이 이동하면서 표면에서 제거 됩니다. 물리적인 충격 없이 Wafer 표면을 건조할 수 있어 Pattern 및 표면 손상이 없고 Watermark도 효과적으로 제거할 수 있습니다.

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[기초 2-5] Cleaning에서 watermark 이슈가 발생하는 이유와 해결 방법은 무엇일까요.

워터마크가 생기는 가장 큰 이유는 Polisher Unit에서 Cleaning Unit으로 이동할 때 대기 시간입니다. 따라서 구동부의 최적화를 통해 이러한 대기 시간을 최소화 하는 것이 가장 유효할 것으로 판단됩니다. 앞서 말씀드렸다시피 Wafer를 고속으로 회전시켜 Dry 하는 SRD 방식과 Wafer 표면에 IPA 처리를 함으로써 Dry하는 방법이 가장 유효할 것으로 판단됩니다.

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[기초 2-6] CMP 공정에서 Pad와 Wafer의 회전 방식은 어떤가요. 즉, 어떤 식으로 연마가 이루어지는지 원리를 설명해주세요.

CMP 연마는 Wafer와 Pad가 동시에 회전하면서 서로 상대 운동을 하는 방식으로 연마가 진행됩니다. Wafer 상에 패턴 면이 Pad를 바라보도록 Head에 고정시키고, 플레이튼 위에 Pad와 Head가 각각 회전을 하게 됩니다. Head와 Platen의 회전 조합으로 Wafer 표면 전체에 골고루 마찰이 가해지게 됩니다. 엔지니어는 연마 시간, 슬러리 유량, Wafer와 Platen의 회전속도, Head의 압력 등을 Control 함으로써 Target 막질 패턴의 Removal Rate (R/R)을 제어합니다.
 또한, Pad의 경우 공정이 진행 될수록 변형되어 동일한 공정 조건에서도 R/R이 달라지게 됩니다. 이를 보정하기 위한 방법으로는 Pad 사용 시간에 따른 연마량(R/R)을 미리 계산해두고 R/R Model 기반으로 시간에 따라 연마량을 예측 및 압력이나 연마시간을 자동으로 변경하여 공정 균일도를 확보합니다. 또한 EPD(End Point Detection)으로 실시간 연마 상태를 모니터링함으로써 CMP 공정을 관리할 수 있습니다. 

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[기초 2-7] Multi-Platen 구성의 CMP 원리도 알고 계신가요.

넵 일반적인 CMP 장비는 2~3개의 Multi-Platen 구조를 가집니다. 각 Platen마다 서로 다른 슬러리와 패드, 압력을 적용하여 단계별로 최적화된 평탄화 작업을 수행합니다. 한 장비에서 여러 Platen을 사용하기 때문에 Wafer 처리 속도가 빨라지며, 그에 따라 대량생산에도 유리합니다. 그리고 Platen 마다 다른 조건들이 적용되기 때문에 Metal, Dielectric 등 다양한 CMP 공정을 한 장비에서 연속적으로 처리 가능하다는 장점이 있습니다. 이런 구성으로 Advanced node 공정에서 Cu 배선 CMP나 STI CMP에서 생산성을 크게 향상시킬 수 있는 것으로 알고 있습니다.

예를 들어, 1번 Platen은 빠른 연마율로 대부분의 막질을 제거하고, 2번 Platen은 고선택비의 슬러리로 Stopper 막질에서 정확하게 멈추고, 3번 Platen으로 표면을 매끄럽게 마무리 연마하는 방식으로 적용됩니다. 단일 슬러리 구성으로는 연마공정에서 모든 조건을 충족하기는 어렵기 때문에 Multi-Platen 방식이 CMP 공정의 표준이 된 것으로 알고 있습니다. 

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[기초 2-8] 이력을 보니 여러 공정을 경험하셨네요. 지원자가 생각하시기에 CMP 공정이 다른 반도체 제조 공정과는 근본적으로 어떤 차이가 있다고 생각하시나요.

음. CMP 공정이 Etch나 Depo와 같은 다른 공정과 비교했을 때 가장 큰 특징은 바로 Pad와 Slurry가 Wafer 표면에 직접 물리적으로 접촉한다는 점입니다. Etch나 Depo의 경우 Plasma나 반응종들이 막질 표면으로 확산하고 화학적 반응을 통해 식각 혹은 증착이 이루어지죠. CMP는 이러한 물리적인 접촉으로 인해 연마 과정에서 Wafer 표면에 기존 공정과 다른 상호작용으로 Scratch, Residue 등 Defect들이 발생할 수 있다고 생각합니다. 또한 CMP의 경우 Pad, 멤브레인, Retainering, Brush, Filter 등 대표적인 6종 이상의 소모품이 공정에 적용되며 이러한 소모품 하나가 최적 상태에서 벗어나게 될 경우, 수율에 직접적인 영향을 주며 전체적인 품질을 저하시키는 이슈가 발생합니다. 그 만큼 타 공정 대비 소모품 관리가 더욱 중요하다고 생각됩니다.

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[기초 2-9] 프레스턴 법칙 (Preston's Law)에 대해서 CMP 공정을 가지고 설명해주세요.

잠시 생각할 시간을 주시겠습니까. 프레스턴 법칙은 압력과 회전속도가 Removal Rate에 미치는 영향에 대해서 설명할 수 있는 법칙입니다. CMP 연마량은 압력과 상대 속도의 곱에 비례합니다. (RR = kp×P×v) 이 법칙에 따라 Wafer Zone 별 압력과 회전 속도 조합으로 연마 Profile을 설계할 수 있습니다. 단, CMP 공정은 슬러리에 의한 화학적 반응 요소가 포함되기 때문에 프레스턴 법칙만으로는 연마량을 정확하게 예측되지 않기 때문에 엔지니어의 경험적인 보정이 반영되어야 한다고 생각됩니다.