웨이퍼 연마 불균일도 향상을 위한 다중 영역 압력 제어 = Multi-Zone Pressure Control for Improvement of Within Wafer Non-uniformity in CMP

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study experimentally compares conventional polishing with Chemical Mechanical Polishing (CMP) to evaluate process precision and uniformity. The results confirm that CMP outperforms traditional methods, especially in addressing the edge effect, a major challenge caused by membrane carriers. To mitigate this, a multi-zone pressure-controlled carrier was introduced and compared against single-zone control. Zone-specific pressures were monitored using sensors to ensure accurate implementation. While Zone 3 showed limited impact on edge regions (030 mm from the wafer edge), Zone 1 and Zone 2 significantly influenced the material removal rate (MRR) within approximately 3 mm of the edge. These zones also interacted closely with the retainer ring, necessitating combined control strategies. A total of 27 experiments, varying pressures in Zone 1, Zone 2, and the retainer ring (with Zone 3 fixed at 5 psi), confirmed that retainer ring pressure alone is insufficient for controlling the edge effect. Moreover, external variables such as wafer film condition, pad wear, and slurry properties introduced inconsistencies, highlighting the need for AI-driven predictive models. In conclusion, the multi-zone carrier effectively enhances edge control and wafer yield in CMP, offering a promising direction for precision process optimization and future automation.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 종래의 폴리싱 공정과 화학적 기계 연마 공정을 비교 분석하기 위해 일 련의 실험을 수행하였으며, 그 결과 CMP 공정이 기존 공정보다 정밀도 및 연마 균일 성 측면에서 우수하다는 결론을 도출하였다. 특히, CMP 공정에서 멤브레인 캐리어의 사용으로 인해 발생할 수 있는 대표적인 문제인 에지 효과에 주목하여, 그 원인과 제 어 방안을 집중적으로 분석하였다. 선행 연구들을 통해 에지 효과가 웨이퍼 수율에 직 접적인 영향을 미친다는 사실이 확인되었으며, 이를 해결하기 위한 다양한 제어 기법 이 제안되고 있음을 파악하였다. 이에 본 연구에서는 에지 효과의 효과적인 제어 방법 으로 다중 영역 제어 캐리어를 도입하고, 단일 영역 제어 방식과의 연마 성능을 비교 하여 다중 영역 제어의 타당성을 검토하였다. 또한 압력 센서를 활용하여 각 영역 (Zone 1, Zone 2, Zone 3)에 설정된 압력이 실제로 구현되는지를 확인하고, 이를 기 반으로 후속 실험을 설계하였다. 다중 영역 제어 캐리어는 웨이퍼에 가해지는 압력을 세 개의 독립된 영역으로 나누어 제어할 수 있으며, 이 중 Zone 3는 웨이퍼 가장자리 (약 0~15 mm 구간)에 미치는 영향이 상대적으로 미미한 것으로 나타났다. 반면, Zone 1과 Zone 2는 서로 긴밀하게 상호작용하며, 리테이너 링과 함께 비독립적으로 작용하는 특성이 확인되어, 이들의 영향을 보다 정밀하게 분석하고자 하였다. 이에 따 라 Zone 3의 압력을 5 psi로 고정한 상태에서 리테이너 링, Zone 1, Zone 2의 압력 조건을 조합한 총 27가지 실험을 수행하였다. 그 결과, 각 영역의 압력 조합이 웨이퍼 의 재료 제거율에 미치는 영향을 정밀하게 관찰할 수 있었으며, 특히 리테이너 링의 압력 변화만으로는 에지 효과를 충분히 제어하기 어렵고, Zone 1과 Zone 2의 압력 제 어가 웨이퍼 가장자리 약 3 mm 구간까지 효과적으로 작용함을 실험적으로 확인하였 다. 다만, 동일한 장비 및 조건에서 실험을 수행하더라도 웨이퍼의 막질 상태, 패드 마 모, 슬러리 특성 등 다양한 외부 요인에 따라 결과가 달라지는 문제가 발생하였다. 이 는 CMP 공정의 반복성과 예측 가능성을 저해하는 요인으로 작용할 수 있으며, 이러 한 변수들을 데이터베이스화하여 인공지능(AI) 기술과 접목시킨다면, CMP 공정의 정 밀도와 안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 결론적으로, 다중 영 역 제어 캐리어는 CMP 공정에서 에지 효과를 정밀하게 제어할 수 있는 효과적인 기 술로, 웨이퍼 전체의 연마 균일도 향상 및 수율 개선에 기여할 수 있음을 입증하였다.
향후에는 각 영역별 압력 분포의 최적화 및 주요 공정 변수 간의 상관관계를 정밀하 게 분석함으로써, CMP 공정의 품질 향상을 위한 기술적 기반을 구축할 수 있을 것으 로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 1 장 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 동향 및 목적 6
• 1.3 연구 내용 8
• 2 장 캐리어 연마 공정 기초 및 실험 비교 10
• 2.1 종래 폴리싱과 CMP 비교 10
• 3 장 CMP 공정에서의 에지 효과 분석 13
• 3.1 패드 리바운딩 현상으로 인한 에지 효과 13
• 3.2 에지 효과에 따른 연마 균일도 변화 분석 15
• 4 장 다중 영역 제어 캐리어 기술의 필요성 및 구조 비교 20
• 4.1 다중 영역 캐리어의 필요성 20
• 4.2 단일 영역 캐리어와 다중 영역 제어 캐리어 구조 비교 22
• 4.3 다중 영역 캐리어의 에지 및 내부 영역 압력 분포 특성 24
• 4.4 리테이너 링 압력 변화가 프로파일에 미치는 영향 분석 28
• 4.5 Zone 1 압력 변화에 따른 Zone 2 재료 제거율 프로파일 특성 분석 35
• 4.6 Zone 2 압력 변화에 따른 Zone 1 재료 제거율 프로파일 특성 분석 40
• 5 장 에지 효과 저감을 위한 최적 제어 조건 45
• 5.1 다중 영역 캐리어의 영역별 연마 결과 분석 45
• 5.2 에지 효과 저감을 위한 최적 제어 조건 55
• 5.3 단일 영역 제어 캐리어와 다중 영역 제어 캐리어 연마결과 비교 60
• 6 장 결론 및 향후 연구 64
• References 66
• Abstract 68