[딴딴's 직무 Master] Session 1-3. CMP 설비를 뜯어보자 - 설비 기술

모두 아시다시피 반도체 공정도 중요하지만 설비 또한 중요하죠.
CMP 공정 설비의 구성이 어떻게 되는지,
어떤 시스템이 탑재되어 공정을
안정적으로 제어하는지 한 번 살펴보아요.

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[기초 4-1]  CMP Polisher Unit의 전체 구성과 각 부품의 역할에 대해서 알고 있나요?

CMP Polisher Unit은 Head, Platen, Slurry Arm, Pad Conditioner 등으로 구성되어 있습니다. ① 먼저, Head는 Wafer를 고정하고 Pad 방향으로 압력을 가하는 Polishing의 핵심 부품입니다. 내부에 고무 재질의 멤브레인이 장착되어 Wafer에 압력을 가할 합니다. Wafer의 Pattern 면이 Platen 방향을 향하도록 부착하고 멤브레인의 Zone 별 압력을 조절하여 원하는 Target 연마 Profile을 얻을 수 있습니다. ② Platen은 Pad가 부착되는 회전 평판입니다. Head와 반대 방향 또는 같은 방향으로 회전하면서 마찰을 통해 표면을 연마합니다. ③ Slurry Arm은 슬러리 분사 모듈로 Platen 위로 Slurry를 일정량 분사합니다. 이때, Slurry의 유량과 분사 위치가 CMP Uniformity에 직접적인 영향을 주기에 중요한 공정 요소라고 할 수 있습니다. ④ 마지막으로 Pad Conditioner 입니다. Conditioner에는 다이아몬드 Disk를 이용하여 Pad 표면을 오염과 마모로부터 Recovery하는 기능을 수행합니다. Pad 표면의 Pore가 막혀 연마 효율이 떨어지는 Glazing 현상을 개선합니다.

CMP 연마의 경우 직접 물리적인 접촉을 통해 마찰을 일으키는 부품들은 일정 사용 시간 후 교체가 필요한 소모성 부품들입니다. 대표적인 소모품으로는 Pad, Conditioner 내 Diamond Disk, Slurry Filter, Head 구성품인 멤브레인, 리테니어링 등이 있습니다. 소모품이 많죠. 아무래도 물리적인 접촉이 수반되는 공정이기 때문에 타 공정과 대비 소모품이 많고 소모품 관리가 공정 성능에 큰 영향을 미치는 공정이 CMP 공정이죠. 따라서, CMP 소모품들이 최적 Condition 상태에서 벗어나게 되면 연마 성능과 공정 품질이 저하되므로 PM 주기에 맞춰 정기적으로 교체해주어야 합니다.

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[기초 4-2] Membrane(멤브레인)의 Multi-Zone 압력 제어의 동작 원리를 알고 계신가요?

멤브레인의 Zone 별 압력 제어는 CMP Uniformity 향상에 크게 기여하는 핵심 요소입니다. 멤브레인은 Head 내부에 탑재된 Si 재질의 탄성 부품으로, Wafer를 Chucking하고 연마 중 Wafer에 압력을 가하는 역할을 합니다. 현재의 CMP 공정은 멤브레인을 여러 구역으로 나누어 각 Zone 별로 독립적으로 다른 압력 조건을 가해줍니다. 최근 장비에서는 7-Zone 이상의 구성을 사용하는 것으로 알고 있습니다. Wafer Center, Edge, Extreme Edge 등 영역별로 서로 다른 압력을 설정할 수 있어 Pad 열화나 Slurry 분포 차이로 인해 연마속도의 차이가 발생한다면, Zone 별 압력을 조절하여 균형을 맞출 수 있습니다. 또한 *APC와 연동하여 Inline Metrology 데이터 기반의 자동 압력 보정을 통해 공정 최적화가 가능합니다.

 *APC
CMP 공정에서 APC는 두 가지 의미가 혼용됩니다.
공정 엔지니어 관점에서 APC는 Advanced Process Control로 이해되는데, 단순 자동화 제어를 넘어, 통계적 모델링, 머신러닝, 피드백/피드포워드 제어 등을 활용하여 공정 변동성을 줄이는 고급 제어 방법입니다. Wafer 두께 데이터 기반의 예측 제어(Feedforward Control), Lot-to-Lot, Wafer-to-Wafer Variation 보정, Inline Metrology 데이터 활용 공정 최적화에 사용되죠. 설비엔지니어 관점에서 APC는 Automatic Process Control로 장비 자체가 센서 데이터를 기반으로 공정을 자동으로 보정하는 기능입니다. 슬러리 유량을 자동 제어 한다거나, 압력/회전 속도를 실시간으로 피드백 제어, End-Point 도달 시 자동으로 공정을 Stop는 장비 레벨에서의 "자동화된 제어"를 의미하죠.

좀 더 구체적으로 살펴보면,
1. Automatic Process Control
- End Point Detection 기반 자동 저이
: 예시) Oxide CMP에서 IR(Infrared) 센서로 두께 변화를 감지하고 목표 두께에 도달 시 장비가 자동으로 공정을 Stop.
- 실시간 압력/회전 속도 제어
: 예시) Metal CMP에서 Pad 토크 센서를 통해 마찰력 변화를 감지하고 압력을 자동으로 조정하여 균일한 Removal Rate 유지.
- 슬러리 유량 자동 보정
: 예시) Slurry 공급 라인의 유량 센서가 막힘을 감지하면 자동으로 유량을 늘려 균일한 공급을 유지함.

2. Advanced Process Control (공정 최적화)
- Feedforward Control
: 예시) Wafer 전공정 (Etc, CVD 등) 에서 측정된 두께 데이터를 CMP 장비에 전달하고 CMP 공정 시작 전에 조건을 미리 보정함.
- Water-to-Wafer Control
: 예시) 첫 번째 Wafer에서 측정된 두께 편차를 기반으로, 두번째 Wafer CMP 조건을 자동으로 보정하여 Lot 전체 균일성 확보
- Inline Metrology 데이터 기반 연계
: 예시) CMP 후에 두께 측정 장비(OCD, AFM 등) 데이터를 실시간으로 받아 후속 Wafer CMP 조건을 최적화
- 통계적 모델 기반 제어 : SPC 기반으로 장비/상태 공정 변동성을 예측 및 조건 자동 수정

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[기초 4-3] EPD(End-Point Detection)의 원리를 알고 계신가요?

EPD는 End-Point Detection으로 CMP 공정에서 원하는 Target 막질의 연마가 완료되는 종점을 실시간으로 모니터링 하는 기술입니다. End-Point를 감지하는 방식은 크게 3가지로, 유도기전력 방식과 빛 반사 방식, 모터 전류 방식이 있습니다. ① 금속 막질의 경우, 연마될 때 유도기전력을 실시간으로 측정하여, 금속막 두께가 변하면 유도기 전력 신호의 변화가 발생하고 금속이 완전히 제거되는 시점에서 신호가 급격히 변화하여 End-Point를 Detection 합니다. ② 두 번째는 산화막/질화막 연마 시 빛을 막질에 조사하여 반사된 빛의 굴절률 변화를 분석합니다. 막질의 두께나 종류가 달라지게 되면 반사 패턴이 급격히 변곡점을 도출할 수 있는데, 이 변곡점에서 End-Point를 결정하게 됩니다. ③ 마지막으로 이건 보조적인 방식인데, Platen이나 Head Motor의 전류를 모니터링 합니다. 막질이 변하게 될 경우 마찰력의 변화가 발생하고 이는 Motor Current의 변화를 발생시킵니다. 이 변화를 감지하여 End-Point를 결정할 수 있습니다.

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[기초 4-4] 방금 말씀하신 EPD System이 없는 상황에서는 어떻게 End-Point를 결정할 수 있을까요.

만일 EPD System이 없는 환경이라면 사전에 측정한 Removal Rate의 백 데이터를 기반으로 연마에 필요한 공정 Time을 산출하는 것이 유효하다고 생각됩니다. 그러나 Wafer마다 초기 막질 두께의 편차나 연마율 변동이 있어 연마가 부족하거나, Over Polishing이 되는 문제가 충분히 발생할 수 있을 것 같습니다.

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[기초 4-5] EPD 경험이 있어서 질문 드리는데, EPD 파형이 명확하지 않아 감지가 어려운 경우는 어떻게 하죠.

네 답변 드리겠습니다. EPD가 작동하여 명확하게 End-Point를 감지하기 위해서는 막질의 전환 시점에서 신호가 급격히 변화하여 변곡점이 발생하는데, 이 변곡점을 선택하여 End-Point로 설정할 수 있습니다. 하지만 프로젝트 당시, 단차가 심하거나 막질의 변화 없이 EPD를 사용해야 하는 상황이었고 신호가 선형적으로 감소하여 뚜렷한 변곡점을 특정할 수 없어 End-Point를 설정할 수 없었습니다. 이런 상황에서는 다파장 EPD를 통해 상황을 개선할 수 있다고 생각됩니다. 단일 파장 대신 여러 파장을 동시에 사용함으로써, 각 파장에서 얻는 신호들을 조합하면 단일 파장에서는 보이지 않았던 신호의 변화가 명확해지게 됩니다. 이러한 다파장의 신호 변화를 기반으로 End-Point를 명확하게 감지할 수 있습니다.

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[기출 4-5] ITM이라 명시가 되었는데, 설명 해주실 수 있을까요.

우선 약어로 기입한 점 양해 부탁드립니다. ITM은 In-situ Thickness Measurement로 CMP 공정 연마 중에 실시간으로 막질 두께를 측정하는 기술입니다. EPD가 신호의 변화를 기반으로 End-Point를 Detection 하는 방식이라면, ITM은 연마 중 절대적인 두께 값을 지속적으로 측정하여, Target한 두께에 도달하면 공정을 종료합니다. 당시 연구실에 EPD와 ITM System 모두 갖추고 있어 더 정밀한 End-Point 제어가 가능했던 것 같습니다.

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[기초 4-6] Polishing과 Conditioning을 동시에 진행하는 이유를 설명해주세요.

보통 Polishing과 Conditioning을 동시에 진행하는 방식을 In-situ Conditioning이라 하는데 이는 Pad의 성능을 효과적으로 유지하기 위함입니다. Diamond Disk가 Pad 위를 회전, 스캔하면서 Pad 표면의 이물질을 제거하고 새로운 Pore를 열어줍니다. 이 과정이 연마 중에 지속되면서 Pad 상태를 항상 최적으로 유지할 수 있어 CMP 공정 품질을 향상시킬 수 있습니다. 연마 과정 중에 Slurry 잔여물이나, 부산물들이 Pad의 Pore를 막아 연마효율이 저감되는데, In-situ Conditioning을 적용하면 Glazing을 예방하여 Lot간 Wafer간 연마량 편차를 최소화 할 수 있고, Ex-situ 컨디셔닝 처럼 연마를 중간에 중단할 필요가 없어 Throughput 향상에도 기여합니다. Conditioner의 Disk의 PCR (CPad Cutting Rate)이 줄어들면 In-situ 효과가 줄어들기 때문에, 역시 Disk 상태를 주기적으로 관리하는 것이 매우 중요합니다.

In-situ Conditioning
: Polishing과 Conditioning을 동시에 진행하여, 항상 Pad의 상태를 최적 상태로 유지. 공정 균일도 및 Throughput 향상
Ex-situ Conditioning 
: 연마 중단 후 별도의 Conditioning 과정을 진행함. Conditioning 효과가 집중적이지만 중간에 고정이 Stop되기에 Throughput 저하 됨.
→ 대부분의 양산 CMP는 In-situ Conditioning을 채택하고 있으며, 연구나 특수 목적의 공정의 경우 두 방식을 조합하여 공정을 적용하고 있음.

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[기초 4-7] CMP Polishier Unit에서 연마량를 결정하는 주요 지표는 무엇인가요.

CMP에서 연마량을 결정하는 핵심 변수는 연마 시간, 슬러리 유량, Wafer와 Platen의 회전 속도입니다. ① 연마 시간은 가장 직접적으로 연마량을 제어할 수 있는 수단입니다. EPD로 실시간 모니터링하여 연마 시간을 동적으로 제어함으로써 연마량을 제어할 수 있습니다. APC와 연동하면 이전 Wafer의 결과값을 반영하여 자동 시간 보정 또한 가능합니다. ② 다음은 슬러리 유량입니다. 슬러리 유량이 증가하면 연마 계면에 Etchant가 충분히 공급되면서 화학적 반응이 활성화 됩니다. 다만, 슬러리 유량이 과도할 경우 비용이 증가하고, 과다한 부산물로 인해 오히려 오염이나 Defect 이슈가 발생할 수 있습니다. 따라서 슬러리 유량 조건 최적화가 중요합니다. ③ 마지막으로 Wafer와 Platen의 회전속도입니다. 속도가 증가할수록 Mechanical Polishing이 지배적으로 증가하여 Removal Rate이 증가합니다. 그러나 역시 과도한 속도는 Scratch 위험을 높이고 균일도를 저하시킬 수 있습니다.  

※ 연마량 (Removal Amount) = Removal rate (Å/min) × Time(s)
※ Preston's Law : Removal rate (Å/min) = Kp × P × v.
→ v : Wafer와 Platen의 상대속도

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[기초 4-8] Pad 사용 시간이 증가하면 연마량은 어떻게 변하는가.

앞서 말씀드렸듯이 CMP의 Pad는 소모품으로, 사용 시간이 증가할수록 Pad의 연마 성능은 지속적으로 저하됩니다. 새로운 Pad의 경우, 초기 Break-in 기간이 필요합니다. 초기에 Pad 표면이 너무 부드럽기 때문에 Removal Rate이 낮은 경향을 보입니다. 적절한 Conditioning 과정을 거쳐 안정화 되면 R/R이 Target값에 도달합니다. 이후 사용 기간이 길어지면 Pad의 Pore들이 막히고 요철의 마모로 연마율은 점진적으로 저하되게 됩니다. 이러한 이유로 Pad 사용 시간에 따른 연마율의 변화 경향성을 학습하고, 이를 보상하는 방식으로 압력/시간을 자동으로 조정하는 APC System이 필요합니다. 공정 중간에 Pad의 성능을 Refresh 해주는 Conditioning 공정을 적용하여 실시간으로 Pad 성능을 보정하고 PM 주기에 맞춰 보정 범위를 벗어나기 전에 Pad를 교체해주어야 합니다. 

초기 Pad의 Break-in 과정
새로운 Pad를 즉시 양산에 적용하게 될 경우 초기 연마율이 불안정합니다. Break-in은 Dummy Wafer를 이용하여 새 Pad 표면을 Conditioning 하고 최적 상태로 안정화 시키는 과정입니다. Break-in이 충분히 진행된 후에 생산에 적용되죠. PM 후 Break-in 없이 바로 새 Pad로 공정을 진행할 경우 Wafer에서 두께 불량이 집중됩니다...