이번 게시글에서는 CMP 공정의 설비엔지니어 관점에서 한 번 설명드려보겠습니다. 설비 엔지니어라고는 했지만, 실제로는 설비 자체에서 발생할 수 있는 이슈와 구성품들에 대해서 다루는 내용이라 중복되는 내용이 있는 점 참고 부탁드립니다.
[기초 8-1] CMP 소모성 부품에 대해서 설명해주시고 관리의 중요성도 함께 설명해주세요.
CMP 공정의 품질은 장비 설계 만큼이나 소모성 파츠의 관리에 달려 있습니다. 특히 타공정 대비 소모성 파츠가 많은 CMP 공정의 경우 소모성 파츠를 관리하는 것이 중요하다고 생각됩니다. CMP 공정의 주요 소모품 Parts는 Pad, Disk, 멤브레인(Membrane), 리테이너 링, 브러시, 필터가 있으며 모두 시간이 지나면서 성능이 저하되는 소모품으로 적절한 시점에 교체하지 않으면 공정 품질이 급격히 악화됩니다. 따라서 PM 주기에 맞춰 소모품 교체를 통해 안정적인 공정 품질을 확보할 수 있습니다.
[기초 8-2] CMP Pad의 구조에 대해서 설명하고, Glazing이 Scratch를 유발하는 원리를 설명하세요.
CMP Pad는 폴리우레탄(Poly-urethane) 소재를 기반으로 표면에 무수히 많은 미세 공극(Micro-pore)와 돌기가 불규칙적으로 분포하는 구조로 이루어져 있습니다. 미세 공극은 Pad와 Wafer 사이에 Slurry를 운반하는 채널 역할을 하며, 표면 돌기(Protrusion)은 실제로 Wafer 표면과 접촉하여 마찰에 의해 연마를 진행하는 역할입니다.Groove는 Pad 표면의 홈으로 Slurry의 흐름과 연마 부산물을 배출하는 경로 역할을 수행합니다.
Glazing 현상은 CMP 공정이 반복적으로 이루어지면 Pad 미세공극에 Slurry 입자와 연마 부산물이 침적되고 돌기가 마모되면서 Pad 표면이 매끈해지는 현상을 말합니다. Glazing 발생 시 Slurry 공급 채널이 막히고, Removal Rate이 급감하며 Wafer 전면에 CMP Uniformity가 저하됩니다. 또한, 침적된 큰 이물들은 Wafer 표면에 Scratch의 발생 경로로 작용합니다.
이러한 Glazing 현상을 방지하기 위해서는 Pad Conditioner인 Diamond Disk로 In-situ Conditioning을 통해 Pad 표면을 긁어 Micro-pore를 개방하여 표면을 연마하는 돌기를 새로 형성해주어야 합니다.
[기초 8-3] Diamond Disk의 PCR 지표와 CVD Diamond Disk 개발 배경을 설명해주세요.
Diamond Disk는 원반형의 금속판에 날카로운 다이아몬드가 촘촘히 박힌 형태로, 회전과 쓸기 동작을 반복하면서 Pad 표면 성능을 Recovery 시키는 역할을 수행합니다. PCR은 Pad Cutting Rate으로 Disk가 Pad를 절삭하는 양을 수치화한 지표입니다. Diamond가 마모 될수록 PCR이 저하되면서 Pad의 Conditioning 효과가 저감됩니다. PCR이 기준값 이하로 떨어지게 되면 Disk를 교체해야 하죠. 또한, Disk 내 Diamond의 크기, 개수, 위치 그리고 배열에 따라 PCR 특성이 달라지게 됩니다.
일반적인 Diamond Disk의 경우 Diamond가 쉽게 깨지고, 불균일하여 동일 Disk 내 Conditioning 효과가 불균일한 이슈가 있습니다. 이를 해결하기 위해서, CVD 공정을 통해 Diamond를 일정한 Groove에 균일하게 증착함으로써 단차 없이 균일한 PCR을 달성하여 Conditioning 효과를 극대화 시킬 수 있습니다.
[기초 8-4] CMP Head의 Membrane이 Zone별 압력으로 연마 프로파일을 제어하는 원리에 대해서 설명하세요.
멤브레인은 실리콘 재질의 탄성 부품으로 Wafer를 부착하고 연마 중 Carrier Head를 통해 Wafer에 압력을 가하는 기능을 합니다. Wafer의 중심으로부터 거리에 따라 여러 Section으로 구분하여 각각의 Zone 별로 독립적인 공기압을 인가함으로써 영역 별로 Membrane Film에 다른 압력을 가하여 Edge 영역 균일도를 정밀하게 보정할 수 있습니다.
[기초 8-5] Membrane 성능 저하로 발생할 수 있는 이슈는 무엇이 있을까요.
Membrane 또한 PM 주기에 따라 교체되어야 하는 소모품이며, Membrane의 성능 저하로 인해 내부 공기압 채널에서 공기가 누출되는 Air Leak 불량이 발생할 수 있습니다. Air Leak 발생 시 Zone 별 압력이 정확하게 인가되지 않아 연마 Profile의 Uniformity가 저하되는 문제가 발생합니다.심한 경우에는 Wafer가 Membrane에서 분리되거나 파손될 수 있습니다. 따라서, Air Leak는 Membrane의 교체 트리거 중 하나라고 할 수 있습니다.
[기초 8-6] Retainer Ring의 역할과 불량 유형에 대해서도 설명해주시죠.
CMP Head에 장착된 Retainer Ring은 연마 공정 중 원심력에 의해 Wafer의 이탈을 방지하는 역할을 하는 구성품입니다. 연마 공정 중 Retainer Ring이 Wafer 외주를 둘러싸 공정 중에 Wafer 이탈을 막습니다.또한 Ring 접촉면의 Groove를 통해 Slurry가 유입되고 이물질을 배출시키는 기능을 수행합니다. (Groove 방향에 따라 CW/CCW로 구분). Retainer Ring 관련 불량을 말씀드리자면, Ring 마모에 따른 Wafer가 Head에서 이탈되는 Slip 발생 시 Wafer 파손이 발생할 수 있으며 Ring 외경 증가에 따른 Edge 영역 Under CMP, Ring 마모 Particle에 따른 Wafer Scratch 불량이 발생할 수 있습니다.
[기초 8-7] Retainer Ring의 높이 관리가 중요한 이유에 대해서 설명하세요.
Retainer Ring 높이는 Wafer Edge 영역의 연마 프로파일에 직접적인 영향을 주기 때문에 높이 관리가 CMP 공정에서 매우 중요합니다. Retainer Ring의 높이가 마모로 인해 낮아지게 되면 Wafer Edge가 Pad에 더 강하게 눌리면서 Edge Roll-off (과다 연마)가 발생합니다. 만일 높이가 너무 높으면 Edge 영역의 연마가 부족하게 되면서 Center / Edge간의 연마 Uniformity가 저하됩니다. 이 처럼 Retainer ring의 교체 주기 관리로 최적 범위를 유지해야 합니다.
[기초 8-8] PVA Brush의 특성과 간격 관리가 핵심인 이유를 알고 있을까요.
CMP 세정에서 가장 보편적으로 사용되는 세정도구는 PVA Brush입니다. PVA Brush의 특성은 12~18배의 물 흡수력을 가지기 때문에 회전하는 Brush가 Wafer 표면에 접촉하게 되면, 흡착된 Particle을 효과적으로 탈착 시킬 수 있습니다. 또한 정전기 발생이 거의 없기 때문에 제거된 Particle의 재흡착을 방지하여 표면 세정효과가 매우 우수합니다.
PVA Brush 또한 소모품으로서 반복적인 사용에 의해 이물 제거 능력이 저하되고, Brush의 이물이 박히면 원형 모양의 결함을 만들 수 있습니다. CMP Cleaning 공정에서 Double Brush 사이 간격 관리가 핵심인 이유는 Wafer 전면 세정 능력을 결정하기 때문입니다.간격이 너무 넓으면 Wafer 수막과 Brush가 접촉하지 않아 세정이 되지 않고 Edge 영역에 Defect을 남기게 됩니다. 반대로, 간격이 너무 좁으면 과도한 압력으로 인해 Wafer 파손 위험이 있습니다. 최근에는 자동 보정 기능으로 Brush 간격을 자동으로 관리하는 System을 적용하는 것으로 알고 있습니다.
Brush Break-in 이란? PVA Brush 교체 시 새 Brush를 즉시 양산 Wafer에 적용할 경우 초기에 세정 능력이 상당히 불안정합니다. 그래서 Dummy Wafer를 이용하여 Brush가 최적의 세정 조건이 되도록 길들이는 과정이 Break-in 이라고 합니다.Break-in 없이 공정에 적용할 경우 초기 Wafer에서 Defect이 집중될 수 있다는 점! 잊지 마세요.
[기초 8-9] Slurry Filter의 Pore 크기 선정의 Trade-off 와 교체 주기의 최적화 전략을 설명해주시죠.
Slurry Filter는 Slurry 내 큰 입자나, 응집체 등을 제거하여 연마 품질을 향상시키는 역할을 합니다. Slurry Filter의 Pore가 작을수록 미세 불순물을 제거함으로써 Scratch 방지에 유리합니다. 하지만 연마에 필요한 Slurry 연마제도 일부 걸러져서 연마율이 저하되는 Risk가 있습니다. Pore가 클수록 연마제는 충분히 통과하지만, 큰 불순물이나 응집체를 Filtering 하지 못해 Scratch Defect 발생 Risk가 증가하는 Trade-off 관계가 있습니다. 따라서, Slurry 연마제의 입자 크기와 불순물 크기를 각각 분석하여 그 사이의 적절한 Pore 크기를 선정해야 합니다.
Slurry Filter 역시 CMP 공정의 소모품으로서 교체 주기가 너무 짧으면 비용이 증가하고, 반대로 너무 길면 Clogging(Filter 막힘)으로 Slurry 공급 불안정, 하우징 결함 시 누출 위험이 있습니다.따라서, 최적 주기를 결정하기 위해 Filter 사용 시간에 따른 압력 차이(△P)와 유량 변화를 모니터링 하고 압력의 변화량이 기준값을 초과하거나 유량이 기준 이하로 떨어지게 되면 교체 시점으로 결정합니다.
Slurry Filter
Slurry Filter Housing 결함과 그 위험성은? Filter를 감싸는 외부 구조물의 문제를 말합니다. Sealing이 제대로 되지 않아 Slurry가 새거나 큰 입자가 필터를 우회해서 Wafer 표면으로 공급되는 문제가 발생할 수 있으며, 공정 중 압력이나 화학적 부식으로 인해 하우징이 깨져 Slurry의 오염이 발생할 수 있습니다. 필터 하우징 결함이 발생하게 되면 Slurry가 Filter 밖으로 누출되고, Slurry는 연마제와 화학물질이 혼합된 독성을 가지는 물질입니다. 누출 시, 장비의 오염과 부식, 공정 품질 사고, 작업자의 안전 위험까지 이어질 수 있죠. 이러한 이유로 Slurry Filter 품질 관리 또한 CMP 안전 관리에서 매우 중요한 항목이라 할 수 있습니다.
[Bring-up] 각각의 소모품의 PM 주기 결정 기준과 교체 후 Conditioning 전략
소모품마다 PM 주기에 따른 교체 기준이 모두 다릅니다.
소모품
교체 기준
불량 발생
교체 후 필수 조치
Pad
사용 시간 기준
Glazing → R/R 저하, Scratch 증가
Break-in Conditioning
Diamond Disk
PCR(Pad Cutting Rate) 저하
Conditioning 효과 저하
In-situ Conditioning 효과 확인
Membrane
정기 + 비주기(알람 경보 시)
두께 불균일, Air Leak 발생
초기 데이터 검증 필요
Retainer Ring
링 높이 기준
Slip, Under CMP
외경 치수 확인
PVA Brush
10,000매 기준
세정력 저하, Defect 발생
Brush 간격 제어 + Break-in
Slurry Filter
압력 변화(△P) 및 Slurry 유량 기준
Slurry 불순물, Scratch 증가
Slurry 입자 분포 분석
교체 후 Conditioning 전략 Pad, Membrane, PVA Brush 교체 후에는 반드시 Dummy Wafer를 이용한 Break-in 공정을 진행해야 합니다. 새 소모품은 초기에 성능이 불안정하기 때문에 Break-in으로 성능을 안정화한 후 Wafer를 투입해야 합니다.Break-in 데이터를 APC System에 반영하면 쇼모품 교체 후 수율 안정화 시간을 단축 시킬 수 있죠.
CMP 공정은 타 공정과 달리 공정 소모품이 정말 많고, 교체 주기를 엄격하게 관리하는 것이 매우 중요합니다. 소모품을 너무 오래 사용하게 될 경우 성능 저하로 공정 품질이 나빠지고 수율 저하로 이어지게 되죠. 반대로 너무 자주 교체하게 될 경우 교체 비용과 Break-in 공정으로 공정 시간이 증가하여 생산성의 저하로 이어질 수 있습니다. 따라서 설비 엔지니어로서 공정 Data 기반으로 최적의 교체 주기를 의사결정하고, APC와 연동하여 소모품의 수명에 따른 자동 보정을 구현하는 것이 CMP 수율 관리의 핵심이라고 할 수 있습니다.
최근댓글