CMP용 리테이닝 링의 소재와 형상이 웨이퍼 연마특성에 미치는 영향

국문 초록 (Abstract)

오늘날 현대인들은 다양한 디지털 환경 속에서 살고 있으며, 그 환경을 구성하는 기기의 핵심에는 반도체가 있다. 이러한 이유로 최근 4차 산업시대를 맞이하여 인공지능, 자율 주행, 사물인터넷 등의 구현을 위한 반도체 산업은 글로벌 시장의 블루오션이 되고 있으며 각 나라별로 시장을 선점해 영향력을 넓히려는 경쟁이 치열하다. 반도체가 만들어지기까지는 여러 제작공정을 거쳐야 하는데 그 중 화학 기계적 연마공정인 CMP(Chemical Mechanical Polishing)는 웨이퍼 박막을 균일하게 제거함으로써 정밀도를 높일 수 있는 반도체 공정의 핵심이라 할 수 있다.
이러한 CMP 공정에서는 웨이퍼의 가이드 역할을 하고, 가공 시 고정밀도와 치수의 안정성을 높이기 위하여 리테이닝 링(retaining ring)이 사용되고 있다. 이는 화학물질인 다양한 슬러리(slurry)와 접촉하며, 높은 기계적 하중을 받기 때문에 우수한 탄성, 인성 및 강도를 가져야 한다. 보통 리테이닝 링에 사용되는 재료적 구성으로는 일반 범용성 플라스틱 보다는 높은 내마멸성과 기계적 성질이 우수한 PPS와 PEEK 재질의 고분자플라스틱이 널리 사용되고 있다.
한편, 보통의 리테이닝 링은 수지류인 플라스틱으로만 제조되고 있어 강도가 약하고 링 자체의 평탄화 작업 소요시간이 많아져 커버 볼트 조임에 의한 힘의 불균형으로 인해 편마멸이 발생되는 문제점이 대두되고 있다. 때문에 이러한 현상을 개선하고자 리테이닝 링과 인서트 링(insert ring)을 일체로 성형한 몰딩형과 접착제로 접합한 본딩형 리테이닝 링이 사용되고 있으며, 인서트 링의 소재 선택의 중요성이 강조되고 있다. 이러한 소재의 선택뿐만 아니라 리테이닝 링의 표면형상도 링의 예비연마 시간에 큰 영향을 미쳐 생산성을 좌우하는 요소로 알려져 있다.
그러나, 지금까지의 CMP 공정에 대한 많은 연구에도 불구하고 리테이닝 링의 소재나 제조방식 및 표면형상이 웨이퍼의 연마특성에 미치는 영향에 대한 연구는 거의 이루어지지 않고 있다. 따라서, 본 연구에서는 CMP 장비에 사용되는 핵심부품인 리테이닝 링을 대상으로 다음과 같은 연구를 수행하였다.

1) PPS와 PEEK 소재로 시편을 제작하고 인장, 압축 및 충격 시험을 통하여 기계적 성질을 규명하였으며 아울러 마찰계수도 비교 분석하였다.
2) PPS와 PEEK 소재로 리테이닝 링을 각각 성형한 후 CMP 공정으로 각 링이 웨이퍼의 연마특성과 링 자체의 마멸특성에 미치는 영향을 실험적으로 규명하고자 웨이퍼의 연마율이나 프로파일의 높이편차 및 링의 마멸량을 비교 분석하였다.
3) PEEK 소재의 리테이닝 링에 Zn 또는 STS304 소재의 인서트 링을 몰딩하여 제작한 리테이닝 링을 이용하여 링의 두께 편차나 표면의 평탄도 및 실제 산화막 CMP 공정 시 소재제거율 등을 분석하여 인서트 링의 소재가 결과적으로 웨이퍼의 연마 평탄도에 미치는 영향을 규명하였다.
4) 리테이닝 링의 예비연마 시간을 단축하기 위하여 링의 표면에 톱니형상의 미세패턴을 성형한 톱니형(serration type)의 리테이닝 링을 제작하여 기존 제품과의 예비연마 시간을 비교 분석하였다.

이러한 실험을 통하여 아래와 같은 결론을 얻을 수 있었다.
1) PPS와 PEEK 소재의 기계적 성질은 전반적으로 PEEK 소재가 우수하였다.
2) 웨이퍼에 대한 CMP 공정 시 PPS 링이 웨이퍼 프로파일의 중심부 편차 및 평탄도 측면에서 우수하며, 미세하나마 PPS 링 자체의 마멸도 적은 것으로 나타났다.
3) 인서트 링의 소재가 STS304일 경우 두 링의 볼트 체결 전후의 평탄도나 절삭실험을 통한 평탄도가 우수하였으며, CMP 공정 후 재료 제거율 및 평탄도도 우수하였다.
4) 톱니형 패턴을 갖는 리테이닝 링의 예비 연마시간은 기존의 링보다 3.5배 이상 마멸속도가 빠르며 웨이퍼의 연마 시 균일한 프로파일을 얻을 수 있어 기존 제품보다 우수한 것으로 나타났다.

Key words : CMP(chemical mechanical polishing, 화학기계적 연마), 리테이닝 링(retaining ring), PPS, PEEK, 웨어퍼 프로파일(wafer profile), 마멸(wear)

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 국문초록 ⅰ
• 목 차 ⅲ
• 표 목 차 ⅵ
• 그림목차 ⅶ
• 제 1 장 서 론----------------------------------------------------- 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 -------------------------------------- 1
• 1.2 연구 목적 -------------------------------------------------- 3
• 1.3 국내외 연구동향------------------------------------------ 6
• 1.4 연구 내용 -------------------------------------------------- 7
• 제 2 장 이론적 배경---------------------------------------------- 9
• 2.1 C.M.P 연마공정------------------------------------------- 9
• 2.2 CMP용 리테이닝 링 ------------------------------------- 11
• 2.3 CMP용 리테이닝 링의 소재----------------------------- 15
• 2.4 엔지니어링 플라스틱의 종류 및 특성 ------------------- 17
• 2.4.1 열가소성 수지(Thermoplastic resin)-------------- 18
• 2.4.2 열경화성 수지(Thermosetting resin) ------------- 18
• 2.5 엔지니어링 플라스틱의 기계적 성질-------------------- 18
• 2.5.1 인장 및 압축 시험------------------------------------- 18
• 2.5.2 마멸의 정의 및 종류----------------------------------- 28
• 제 3 장 PPS와 PEEK의 기계적 성질 분석----------------------- 33
• 3.1 실험 시편 --------------------------------------------------- 33
• 3.2 실험 장치 --------------------------------------------------- 33
• 3.3 실험결과 및 고찰------------------------------------------- 41
• 3.3.1 PPS와 PEEK 성형품의 인장강도------------------------- 41
• 3.3.2 PPS와 PEEK 성형품의 압축강도---------------------- 46
• 3.3.3 PPS와 PEEK 성형품의 충격강도---------------------- 51
• 3.3.4 PPS와 PEEK 성형품의 마찰계수---------------------- 51
• 3.4 소결론------------------------------------------------------- 54
• 제 4 장 PPS와 PEEK 링의 마멸 및 웨이퍼 연마특성------------ 55
• 4.1 연구목적----------------------------------------------------- 55
• 4.2 시편 및 실험장치-------------------------------------------- 55
• 4.3 실험결과 및 고찰-------------------------------------------- 60
• 4.3.1 리테이닝 링의 마멸과 웨이퍼 연마 프로파일--------- 60
• 4.3.2 현장 사용 후 리테이닝 링의 마멸 ---------------------- 69
• 4.4 소결론-------------------------------------------------------- 75
• 제 5 장 인서트 링 소재에 따른 연마특성------------------------- 76
• 5.1 실험 목적 -----------------------------------------------------76
• 5.2 실험방법 및 결과 고찰-------------------------------------- 76
• 5.2.1 볼트 체결 전의 리테이닝 링 평탄도-------------------- 76
• 5.2.2 볼트 체결 후의 리테이닝 링 평탄도-------------------- 77
• 5.2.3 절삭가공 후 리테이닝 링의 평탄도--------------------- 81
• 5.2.4 웨이퍼의 연마 특성-------------------------------------- 83
• 5.3 소결론--------------------------------------------------------- 87
• 제 6 장 CMP 예비연마시간 단축을 위한 리테이닝 링의
• 형상 개선------------------------------------------------------ 88
• 6.1 연구 목적 ----------------------------------------------------- 88
• 6.2 리테이닝 링의 마멸 해석------------------------------------ 88
• 6.2.1 해석 방법------------------------------------------------- 91
• 6.2.2 해석 결과------------------------------------------------- 94
• 6.3 리테이닝 링의 예비연마 실험-------------------------------- 96
• 6.4 소결론------------------------------------------------------ 104
• 제 7 장 결 론------------------------------------------------------ 105
• 참고 문헌---------------------------------------------------------- 110
• Abstract---------------------------------------------------------- 115
• 감사의 글--------------------------------------------------------- 118

참고문헌 (Reference)

1 금속계, 김영규, "소결마찰재의 조성에 따른 트라이볼로지적 특성", 서울철도과학 기술대학교 공학박사 학위논문, pp. 17~32, 2014

2 김구연, 이현섭, 서헌덕, 박범영, 김형재, "정해도, “CMP 결과에 영향을 미치는 마찰 특성에 관한 연구", ” 전기전자 재료학회 논문지, 17권, 10호, p. 1041, 2004

3 이수현, 진응력, "진변형률선도를 활용한 조합압출공정에서의 하중과 에너지 해 석", 동국대학교 기계공학과 석사학위논문, pp. 3~11, 2013

4 김형재, "CMP 공정에서 재료제거 기구에 영향을 미치는 접촉 계면 특성에 관 한 연구", 부산대학교 공학박사학위 논문, 2003