Study on the effect of pad surface property on CMP performance using slurry flow simulation

국문 초록 (Abstract)

반도체 공정이 나노미터 수준으로 발전하면서, 표면을 평탄하게 만드는 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정은 여전히 매우 중요한 기술이다. CMP는 슬러리와 웨이퍼 사이의 화학 반응과 패드의 기계적 작용을 함께 이용해 재료를 제거한다.

CMP 성능은 슬러리의 농도, pH, 입자 크기뿐만 아니라 패드의 기공 크기와 표면 거칠기에 크게 영향을 받는다. 특히 패드 표면 거칠기는 컨디셔닝이나 글레이징(glazing)에 따라 계속 변하기 때문에, 이에 대한 체계적인 분석이 필요하다.

세리아 기반 슬러리를 사용할 경우, SiO₂와 Si₃N₄는 패드 거칠기에 따라 서로 다른 연마 특성을 보인다. 실리콘 나이트라이드(Si₃N₄)는 슬러리 속 물에 의한 화학적 침식이 주된 제거 메커니즘이며, 여기에 패드의 기계적 작용이 함께 작용한다. 따라서 패드 거칠기는 슬러리 공급, 접촉 상태, 연마 속도 및 균일도에 큰 영향을 미친다. 반면, 실리콘 산화물(SiO₂)은 거칠기 변화에 대해 반대되는 연마 경향을 보인다.

이러한 차이를 이해하기 위해, 거친 패드와 매끄러운 패드를 제작하고 패드를 통과하는 **압력 강하(pressure drop)**를 측정하였다. 이를 통해 패드 거칠기가 웨이퍼 표면으로 전달되는 슬러리 양과 화학 반응에 어떤 영향을 주는지 분석하였다.

CMP 공정 중 컨디셔닝이 이루어지지 않으면 패드 표면이 매끄러워지는 글레이징 현상이 발생한다. 이로 인해 슬러리 유지력이 감소하고, 패드 내부 홈과 기공으로의 슬러리 유입이 불균일해져 연마 품질이 저하된다. 이러한 슬러리 흐름 특성을 보다 정확히 모사하기 위해, 해석에서는 **상대 점도(relative viscosity)**를 조정하였다.

기존 패드의 문제를 개선하기 위해, 마이크로 패턴 패드가 개발되었다. 이 패드는 글레이징을 억제하면서도 마모를 줄일 수 있다. 본 연구에서는 다양한 마이크로 패턴 형상에 대해 슬러리의 속도, 흐름 방향, 분포 특성을 비교 분석하여, CMP 성능을 향상시킬 수 있는 최적의 패턴 설계를 도출하고자 하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As semiconductor fabrication advances toward nanometer-scale dimensions, Chemical Mechanical Polishing (CMP) remains a critical process for achieving surface planarity. CMP removes material through a combination of chemical reactions between the slurry and wafer surface and mechanical action from the polishing pad.
CMP performance is strongly influenced by slurry properties (such as concentration, pH, and particle size) and pad surface characteristics, including pore size and surface roughness. Pad roughness is not constant and can change depending on conditioning and glazing behavior, making systematic investigation necessary.
When using ceria-based slurry, silicon dioxide (SiO₂) and silicon nitride (Si₃N₄) exhibit different polishing behaviors depending on pad surface roughness. For silicon nitride, material removal is dominated by chemical erosion caused by water in the slurry, combined with mechanical action from the pad. As a result, pad roughness significantly affects slurry transport, pad–wafer contact, polishing rate, and uniformity. Silicon dioxide, however, responds differently, showing opposite polishing trends as pad roughness changes.
To investigate these differences, rough and smooth pads were fabricated, and pressure drop across the pads was measured to evaluate how pad roughness influences slurry transport to the wafer surface. These measurements provide insight into how pad roughness controls chemical reactions and leads to distinct polishing behaviors for the two materials.
Glazing occurs when an unconditioned pad surface becomes smooth during polishing, reducing slurry retention and degrading polishing performance. Changes in pad surface condition alter slurry flow into pad grooves and pores, leading to non-uniform polishing. To better capture slurry flow behavior at the wafer–pad interface, relative viscosity was adjusted in the simulations.
To mitigate glazing and pad wear, micro-patterned polyurethane pads have been developed. These pads maintain surface roughness while reducing wear. In this study, slurry flow characteristics were analyzed for various micro-pattern designs by evaluating flow velocity, direction, and distribution, aiming to identify pattern designs that enhance CMP performance.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Background and Significance of the Study 1
• 1.2. CMP(Chemical mechanical polishing) Introduction 4
• 1.3. Micro Pattern Pad Introduction 8
• Chapter 2. Research Methodology 9
• 2.1 Overview of CFD Analysis for CMP 9
• 2.1.1. Fundamental Governing Equations 9
• 2.1.2. SIMPLE Method 10
• 2.1.3. Coupled Method 10
• 2.1.4. Implicit Method 11
• 2.1.5. Under Relaxation Factor 11
• 2.1.6. Convection–Diffusion Equation and Residence Time 12
• 2.1.7. Relative viscosity 13
• 2.1.8. Progress of CFD Simulation 14
• 2.2 Pressure Drop in Porous Media 16
• 2.2.1. Pressure drop across the porous medium 16
• 2.3 Relative Velocity and Viscosity 19
• 2.3.1. Relative Velocity 19
• 2.3.2. Relative Viscosity 21
• Chapter 3. CMP Pad roughness 22
• 3.1 Surface roughness 22
• 3.1.1. Ra and Sa 22
• 3.2 Roughness According to CMP Pad Pore Size 26
• 3.2.1. Asperity formation mechanism 26
• 3.3 CFD Roughness Modeling 31
• 3.3.1. Modeling Using the Weibull Distribution 31
• 3.3.2. Glazing Geometry as a Function of Asperity Height 37
• Chapter 4. Study on the Effect of Pad Roughness on Material Removal in STI CMP 41
• 4.1 Introduction 41
• 4.2 Experimental set-up 44
• 4.2.1. Consumables 44
• 4.2.2. Chemical mechanical planarization experimental procedure 46
• 4.3 Results and discussion 47
• 4.3.1. Topographical analysis of the pad and surface parameter 47
• 4.3.2. Material removal based on the pad surface texture 50
• 4.3.3. Effect of asperity on slurry flow 53
• 4.4 Verification of Slurry Flow Dynamics Using CFD 55
• 4.4.1. Experimental Validation 55
• 4.4.2. Velocity Distribution 56
• 4.4.3. Pressure drop 59
• 4.4.4. Simulation Validation of Experimental Results 61
• 4.5 CFD of Slurry Flow with Roughness Using Porous Media Model 64
• 4.5.1. Previous Studies 64
• 4.5.2. Limitations of Previous Studies 67
• 4.5.3. Porous media 69
• 4.5.4. Modeling and boundary condition 70
• 4.5.5. Mesh Validation 73
• 4.5.6. Simulation Results of New Slurry Mass Fraction 74
• 4.6. Results and discussion 76
• Chapter 5. Study on the Effect of Micro-Pattern Pad on Removal Rate in TEOS CMP 78
• 5.1 Introduction 78
• 5.1.1 Micro-pattern CMP Pad 78
• 5.2 Experimental Analysis 84
• 5.2.1 Surface Analysis 84
• 5.2.2 Experimental Condition 88
• 5.2.3 Experimental results 89
• 5.3 Numerical simulation results 96
• 5.3.1 Mirco-Pattern Pad Modeling 96
• 5.3.2 Meshing detail and simulation condition 98
• 5.3.3 Velocity and Pressure Distribution 100
• 5.3.4 Residence time 103
• 5.4 Conclusions 105
• Reference 107