장비: 폴리셔의 구조

폴리셔 한 대를 위에서 보기

Applied Materials는 CMP 장비가 하는 일을 이렇게 요약한다. 웨이퍼 뒷면 전체에 누르는 힘을 주어, 앞면을 화학 약품과 연마 입자가 공급되는 회전 패드에 댄다. 300 mm 웨이퍼 어디서나 맞는 두께를 남기려면 자리마다 누르는 힘을 달리하고 정확한 순간에 멈춰야 한다. 회사의 제어 시스템은 웨이퍼 여러 지점의 막 두께를 계속 재며 1초에 여러 번 누르는 힘을 고치고, 연마 뒤 세정까지 빠르면 60초에 끝난다고 한다(회사 설명). 이 짧은 설명에 장비의 부품이 거의 다 들어 있다. 누르는 힘은 Carrier head가, 회전하는 패드는 Platen이, 화학 약품과 연마 입자는 슬러리 공급 장치와 Arm이, 두께를 재는 일은 Platen 속 센서와 장비에 붙은 계측기가, 세정은 장비 뒤쪽의 세정기가 맡는다. CMP 장비는 흔히 폴리셔(Polisher)라고 불린다. 계측기 회사가 자사 제품을 '모든 CMP 폴리셔와 호환된다'고 소개하는 식이다.

Ebara는 회전하는 테이블 위의 수지 시트에 슬러리를 흘리며 회전하는 웨이퍼를 눌러 연마한다고 설명하고, 연마·세정·건조를 모두 장비 안에서 끝내 클린룸에 그대로 둘 수 있게 한 Dry-in/Dry-out(마른 채 들어와 마른 채 나가는 방식)을 자사가 처음 내놓았다고 소개한다(회사 설명). 웨이퍼는 마른 채 FOUP에서 나와 젖은 연마와 세정을 거치고, 다시 마른 채 돌아간다. Revasum의 SiC 연마기도 단계 사이에는 웨이퍼를 젖은 채 두고, 연마 뒤 세정을 거쳐 웨이퍼를 원래 슬롯으로 돌려보낸다고 적는다. 그래서 폴리셔 안은 마른 구역과 젖은 구역으로 나뉜다. 젖은 웨이퍼가 마른 구역으로 넘어가지 않게 하는 것이 장비 배치의 출발점이다(원리에서 나온 해석).

웨이퍼의 길을 순서대로 적으면 이렇다. FOUP → (연마 전 두께 측정) → Load cup에서 헤드로 → Platen 위에서 연마(단계가 여럿이면 Platen을 옮겨 가며) → Load cup으로 내림 → 세정(사전 세정 → Brush → 건조) → (연마 뒤 두께 측정) → FOUP. Applied의 세정기 특허는 연마부 뒤의 세정 스테이션이 수평 사전 세정 모듈, Spray box, Brush box, 건조 장치 순서로 이어진다고 기술하고, Load cup 특허는 대부분의 CMP 장비가 위아래로 움직이는 Load cup으로 로봇과 헤드 사이에 웨이퍼를 넘긴다고 적는다. 장비에 붙은 계측기는 연마 전과 후를 모두 잴 수 있다(회사 설명). KCTech는 자사 CMP 장비가 FOUP 4개와 계측기 1개를 갖추고, 두 연마부와 세정부를 좌우로 따로 돌린다고 소개한다.

부품은 성격에 따라 셋으로 나눠 보면 편하다. 첫째는 Platen, 로봇, 헤드의 몸체처럼 오래 쓰는 하드웨어다. 둘째는 패드, 컨디셔너 디스크, Retaining ring, 멤브레인, Brush, 필터처럼 정해진 수명마다 바꾸는 소모품이다. 셋째는 종말점 창, 온도계, 계측기처럼 상태를 알려 주는 센서다. 소모품은 쓰는 동안 계속 변하므로, 같은 레시피라도 소모품의 나이에 따라 결과가 움직인다. 그 대표가 패드다(4장). 이 장에서 '먼저 볼 데이터'를 계속 짝지어 적는 이유도 여기에 있다. 레시피는 그대로인데 결과가 움직였다면, 범인은 대개 소모품의 나이나 센서가 보여 주는 상태 변화 속에 있다. 아래 평면도에서 부품을 하나씩 눌러 보자.

근거: Dry-in/Dry-out, 단계 사이 젖은 채 유지와 슬롯 복귀, 일체형 계측의 연마 전·후 측정, Load cup과 디척, Platen 크기, 영역 멤브레인과 진공 흡착, 멤브레인 가장자리 들뜸, 링의 역할과 마모, 이탈과 멤브레인 파손, 컨디셔너 Sweep과 Dwell, 슬러리·린스 Arm, 종말점 창과 센서, 패드 온도, 세정 모듈과 Brush 교차 오염, Marangoni 건조, 슬러리 공급과 필터.

그림의 설명을 표 하나로 모으면 다음과 같다. 가운데 열은 그 부품이 닳거나 고장 났을 때 공정에 나타나는 일이고, 오른쪽 열은 그 변화를 먼저 보여 주는 데이터다. 뒤의 절에서 하나씩 깊이 들어간다.

Platen이 여러 개인 이유

Platen(연마 정반, 패드를 붙여 돌리는 원판)은 폴리셔의 바닥이다. 소모품 공급사 3M의 기술 자료는 Applied의 300 mm 장비 Platen을 30 in(760 mm), 200 mm 장비를 20 in(508 mm), Ebara의 300 mm 장비를 29 in(740 mm)로 적는다. 300 mm 웨이퍼 지름의 약 2.5배 되는 원판이다(계산: 760 ÷ 300). 패드와 웨이퍼는 같은 방향으로 조금 다른 속도로 돌리는 일이 많고, 두 회전 속도가 같으면 웨이퍼의 모든 점이 같은 상대 속도를 본다. 이 기하학은 2장에서 보았다. 이 장의 시뮬레이터는 모두 두 회전 속도를 같게 두어 속도가 웨이퍼 어디서나 같다고 가정한다.

양산 폴리셔는 Platen을 여러 개 두거나, Platen 하나와 헤드 하나로 된 연마 챔버를 여러 개 묶는다. 가장 먼저 이것이 필요했던 공정이 Cu CMP다. Cu 배선 공정은 두꺼운 Cu를 빨리 걷는 단계, Barrier를 걷는 단계, 표면을 다듬는 단계로 나뉜다(6장). Applied의 200 mm 장비 Mirra는 연마 Platen 3개를 갖고 Platen마다 광학 종말점 장치(ISRM)를 달았으며, 세 단계 Cu 공정은 단계마다 다른 슬러리를 썼다. 첫 단계는 Bulk Cu, 둘째는 Barrier, 마지막은 입자를 줄이는 단계였다.

단계마다 Platen을 따로 쓰면 이점이 셋 생긴다. 첫째, 서로 다른 슬러리와 그 부산물이 한 패드 위에서 섞이지 않는다. 둘째, 단계마다 패드, 슬러리, 압력, 속도를 따로 골라 단계마다의 제거 속도·선택비·결함을 따로 맞출 수 있다. 예를 들어 첫 단계는 빠르게 많이 걷고, 멈춤막에 가까워지는 단계는 느리고 부드럽게 다가가게 나눌 수 있다. 셋째, Platen마다 종말점 센서가 따로 일해 단계마다 끝을 따로 잡는다. 반대로 같은 공정을 여러 Platen에서 동시에 돌리면 처리량을 올릴 수 있다(앞의 셋과 이 문장은 원리에서 나온 정리다).

장비사들은 이 두 방향을 서로 다르게 조합한다. Applied는 Reflexion LK를 세 단계 CMP에 맞춘 업계 유일의 3 Platen 순차 연마 플랫폼이라고 부른다. Reflexion LK Prime은 연마 패드 4개, 연마 헤드 6개, 세정 챔버 8개, 건조 챔버 2개로 모듈이 LK의 7개에서 14개로 늘었고, 두 단계 CMP에 맞췄으며, 연마·세정 스테이션을 따로 써서 순차·병렬·배치 운전을 할 수 있다고 소개한다. 예로 3D NAND의 오래 걸리는 두꺼운 막 연마를 여러 Platen의 짧은 연마로 나눈다(회사 설명). Opta는 같은 모양의 분리된 연마 챔버를 여러 개 두고, 한 단계 배치 연마나 균형·불균형 여러 단계 순차 연마를 한다. Ebara의 F-REX300XA는 테이블 하나에 헤드 하나인 모듈 둘로 되어 있고 새 반송 기구와 처리량 알고리즘을 내세운다. Ebara는 F-REX의 두 모듈이 서로 오염시키지 않고, 한 모듈이 멈추면 다른 모듈이 일을 이어받는다고 적는다. KCTech도 두 연마부를 좌우로 따로 돌린다. Revasum의 SiC 연마기는 테이블 3개마다 전용 Carrier, 패드 컨디셔너, 고압 분사 막대를 두고 테이블마다 슬러리를 최대 3종 쓴다(회사 설명).

처리량은 가장 느린 정거장이 정한다

웨이퍼가 Platen 1 → 2 → 3을 차례로 지나는 순차 운전에서는 세 Platen이 동시에 서로 다른 웨이퍼를 깎는다. 공장의 조립 라인과 같다. 이때 한 시간에 나오는 웨이퍼 수, 곧 WPH(Wafers per hour, 시간당 처리 웨이퍼 수)는 가장 오래 걸리는 정거장이 정한다. 웨이퍼를 옮겨 싣는 시간까지 더해 쓰면 다음과 같다(학습용 단순화).

예를 들어 Bulk 80 s, Barrier 50 s, 마무리 30 s에 옮겨 싣기 10 s라면, Bulk Platen의 한계가 3600/90 = 40 WPH로 가장 작다(계산). 나머지 Platen은 한 장을 끝내고 앞 Platen을 기다린다. 처리량을 올리려면 가장 느린 단계를 줄이거나 나눠야 한다. 반대로 Platen 셋이 같은 공정을 하면 한계는 세 배로 뛰지만, 그다음에는 세정이 병목이 될 수 있다. LK Prime이 세정 챔버를 8개, Opta가 세정 모듈을 최대 10개 내세우는 것도 이 때문으로 읽을 수 있다.

처리량만 문제가 아니다. 연마를 마친 웨이퍼가 세정을 기다리는 시간도 결과를 바꾼다. Panasonic 특허는 빛을 완전히 가리고 연마 직후 웨이퍼에 초순수를 공급한 상태에서도 최종 연마가 끝난 뒤 5분(300초) 이상 지나면 Cu 배선의 수율이 크게 떨어졌고, 부식은 최종 연마 뒤에 잘 생겼다고 보고한다. 이 특허의 대책은 최종 연마 Platen이 끝나는 시점에 맞춰 앞 Platen의 연마를 시작해 대기 시간을 줄이는 운전 순서다. 여러 Platen과 세정 모듈의 박자를 맞추는 일은 처리량과 품질의 문제를 함께 푼다. 아래 애니메이션에서 박자를 바꿔 보자.

근거: 단계마다 다른 슬러리를 쓰는 3 Platen Cu 공정, 순차·병렬·배치 운전, 최종 연마 뒤 대기 시간과 Platen 시작 시점 제어. 단계 시간과 세정 시간은 학습용 가정이며 어떤 장비의 실제 값이 아니다.

Carrier head: 잡고, 누르고, 놓는다

얼마나 세게 누르나

웨이퍼를 붙잡고 패드에 누르는 부품이 Carrier head(연마 헤드, 웨이퍼를 잡고 돌리며 누르는 장치)다. Kahng 등은 산화막 CMP의 전형적인 누르는 힘을 4~10 lb/in²(psi)로, 200 mm 웨이퍼 한 장에 걸리는 힘을 최대 500 lb로 적었다. 300 mm 웨이퍼를 5 psi로 누르는 경우를 계산해 보자. 1 psi = 6.894757 kPa이므로 5 psi는 약 34.5 kPa이고, 웨이퍼 넓이 \(\pi \times 0.15^2 \approx 0.0707\) m²를 곱하면 약 2.4 kN이다(계산). 이 힘을 웨이퍼 전체에 고르게, 또는 필요한 만큼 일부러 고르지 않게 나눠 주는 것이 헤드의 일이다.

단단한 판에서 Membrane으로

MIT의 Melvin과 Suh는 헤드의 진화를 이렇게 정리했다. 처음에는 단단한 판에 무른 받침 필름을 붙이고 짐벌(기울어질 수 있게 잇는 관절)로 패드에 맞췄다. 다음에는 물주머니를 썼고, 이어 웨이퍼 뒷면을 유체로 직접 누르는 방식과 멤브레인 방식이 나왔다. 유체로 직접 누르려면 회전력을 버티는 밀봉이 필요해 가장자리 불균일이 생기고, 멤브레인은 하우징에 붙는 가장자리에서 유연성이 제한된다. Applied의 1996년 우선일 특허는 하우징, 베이스, 짐벌, 그리고 베이스 아래에 가압할 수 있는 방을 만드는 유연한 Membrane(멤브레인, 웨이퍼 뒷면에 압력을 전하는 유연한 막)으로 된 헤드를 기술한다. 웨이퍼는 멤브레인 아랫면에 붙는다. Ebara의 헤드(Top ring)도 흡착판 위 탄성 막 뒤에 공기 압력을 넣어 누르는 힘을 고르게 한다.

방을 나눈 Membrane: 영역 압력

2000년 우선일의 Applied 특허는 멤브레인을 가운데 원판과 동심원 고리 날개로 나눠 가압 방을 여러 개(예: 5개) 만든다. 방마다 압력을 따로 제어해 반지름 구간마다 다른 압력을 주고, 다른 원인으로 생긴 연마 속도의 불균일이나 들어온 막의 두께 불균일을 보정한다. 이 동심원 방이 누르는 반지름 구간 하나하나를 영역(Zone, 따로 압력을 거는 반지름 구간)이라 부른다. 다른 Applied 특허는 방의 압력이 누르는 힘뿐 아니라 웨이퍼에 하중이 걸리는 면적의 크기도 정한다고 적고, 연마 중에 잰 두께 프로파일을 목표와 비교해 방의 압력을 고치는 닫힌 고리 제어를 기술한다. Applied의 200 mm 장비 소개는 여러 영역 연마 헤드와 Profiler·Titan Contour 헤드가 가장자리 3 mm 안까지 제거량을 맞춘다고 주장한다(회사 설명).

영역 압력이 프로파일이 되는 이유

Preston 식 \(RR = K_p P V\)에서 제거 속도는 압력과 상대 속도에 비례한다. Platen과 헤드를 같은 속도로 돌리면 V가 웨이퍼 어디서나 같으므로, 반지름마다의 압력 P(r)이 곧 제거 속도 프로파일이 된다. Melvin과 Suh가 속도 대신 압력을 반지름 방향의 손잡이로 고른 이유도 이것이다. 속도를 바꾸면 운동학 때문에 가장자리만 가운데보다 빨라진다. 그들은 200 mm 웨이퍼를 네 고리 영역과 따로 하중을 거는 링으로 나눈 연구용 캐리어를 만들었는데, 변동이 가장자리에 몰리므로 바깥 영역을 좁게 했다. 모든 영역을 5 psi(34.5 kPa)로 똑같이 누르자 제거 불균일이 16.9%였고(가운데가 빠름), 영역 압력의 비를 가운데부터 1.0, 1.05, 1.10, 1.25로 맞추자 2850 Å/min에서 1.7%로 줄었다. 압력의 비만 고쳐 불균일이 약 10분의 1이 되었다(계산).

다만 영역은 서로 독립된 손잡이가 아니다. 멤브레인은 이어진 막이라 이웃 방 사이에서 압력이 몇 mm에 걸쳐 바뀌고, 웨이퍼와 패드도 휘며 힘을 옆으로 나눈다. 그래서 한 영역의 압력을 올리면 이웃 영역의 경계 근처도 함께 오르고, 아주 좁은 영역은 설정한 압력까지 다 오르지 못한다(원리에서 나온 해석). 아래 시뮬레이터의 '경계 번짐 폭'이 이것을 나타낸다. 번짐 폭을 넓히면 바깥의 좁은 영역부터 말을 듣지 않는다.

근거: Preston 식, 같은 회전 속도에서 균일한 상대 속도, 다섯 방 멤브레인, 네 영역 캐리어의 조건과 결과(5 psi, 0.8 m/s, 2850 Å/min, 16.9% → 1.7%). 영역 경계 반지름과 번짐 모양은 학습용 가정이다.

잡고 놓기: 진공 흡착과 Load cup

헤드는 웨이퍼를 어떻게 잡을까. 앞의 다섯 방 특허는 가장 바깥 방을 가압해 밀봉을 만들고 안쪽 방에서 공기를 빼 웨이퍼를 빨아들인다고 적는다. 웨이퍼가 붙어 있는지도 방의 압력으로 감지한다. 웨이퍼를 넘겨주고 받는 자리가 Load cup(로봇과 헤드 사이에서 웨이퍼를 주고받는 받침)이다. Applied의 Load cup 특허는 이렇게 설명한다. 대부분의 CMP 장비는 위아래로 움직이는 Load cup으로 로봇 블레이드와 헤드 사이에 웨이퍼를 넘긴다. 헤드는 웨이퍼 뒷면에 붙인 블래더를 빼서 생기는 진공으로 웨이퍼를 잡는다. 떼어 낼 때는 노즐에서 순수를 뿜어 밀봉을 돕거나 분리를 돕는다.

헤드에서 웨이퍼를 떼어 내는 일을 디척(De-chuck)이라 한다. 같은 특허는 디척이 중요하다고 강조한다. 웨이퍼가 어긋나게 떨어지면 웨이퍼가 상하고, 헤드에 붙은 채 남은 웨이퍼는 다음 웨이퍼를 받기 전에 다시 처리해야 해 장비가 멈춘다. 그래서 헤드에 붙어 버린 웨이퍼를 받아 내는 그리퍼를 Load cup에 둔다. 연마 중 젖은 웨이퍼는 표면 장력으로 멤브레인에 달라붙기 쉬우므로, 놓는 동작은 잡는 동작만큼 공들여 설계된다(원리에서 나온 해석).

놓치면: Slip-out과 파손

연마 중에 웨이퍼가 헤드 밑에서 빠져나가는 일을 Slip-out(웨이퍼 이탈)이라 한다. Applied 특허는 원인을 이렇게 적는다. 링을 누르는 압력 일부가 사라지면 웨이퍼를 붙드는 힘이 줄고, 웨이퍼가 링을 옆으로 밀어 링이 들리면 빠져나간다. 패드 주름 같은 연마면 이상, 헤드와 Platen 사이 평행도의 흔들림(run-out)도 원인이다. 빠진 웨이퍼는 긁히거나 깨지고, 늦게 알면 장비 정지가 길어지며 남은 웨이퍼가 센서와 배선 같은 장비 부품을 망가뜨린다. TSMC 특허는 Platen이 빨리 돌아 미끄러짐이 흔할 수 있고, 모르고 지나가면 튕겨 나간 웨이퍼 조각이 이웃 Platen의 웨이퍼까지 상하게 하며, 패드가 계속 돌면 멤브레인도 깨질 수 있다고 적는다. 웨이퍼와 패드의 색과 밝기가 비슷하면 광센서가 잘못 검출하기도 한다.

그래서 이탈을 막고 빨리 알아채는 장치가 붙는다. Ebara는 리테이너 링을 자석으로 잇는 두 부분으로 나누고 높이 센서를 두어, 링의 진동이 링을 패드에서 들어 올리지 않게 했다. GLOBALFOUNDRIES 특허는 회전 테이블을 영상으로 찍어 정상 상태의 기준 영상과 비교해 미끄러짐을 판정하고, 웨이퍼가 깨지기 전에 연마를 멈춘다. Intel 특허는 링이 닳아 실패 문턱에 이르기 전에 임계 마모 문턱에서 교체 신호를 내, 하드웨어 고장과 기판 손실을 줄인다.

Retaining ring과 웨이퍼 가장자리

링이 하는 일과 재질

Retaining ring(리테이닝 링, 웨이퍼를 둘러싸 빠져나가지 않게 하는 고리)은 헤드 바닥에서 웨이퍼를 둘러싸고 패드에 직접 닿는다. 첫째 일은 웨이퍼가 헤드 밑에서 빠져나가지 않게 막는 것이다. Applied의 1998년 우선일 특허는 두 층 링을 기술한다. 패드에 닿는 아래층은 PPS, PET, PEEK, PBT, Delrin 같은 플라스틱(Shore D 80~95)이고, 위층은 탄성률이 10~100배인 스테인리스, 몰리브덴, 알루미늄, 알루미나 같은 단단한 재료다. 아래층 두께는 약 200~400 mil(약 5~10 mm, 계산)이고, 슬러리가 웨이퍼 쪽으로 드나드는 홈을 판다. 홈이 닳아 없어지면 링을 바꾼다. 플라스틱이 조금씩 닳는 것은 오히려 받아들일 만한데, 그래야 웨이퍼 끝이 링 안벽에 깊은 홈을 파지 않기 때문이다. 링은 소모품이다.

가장자리는 왜 다르게 깎이나

둘째 일은 가장자리 압력을 다스리는 것이다. 웨이퍼에 눌린 패드는 웨이퍼 끝 밖에서 되튀어 오른다. 그래서 웨이퍼 끝 근처의 접촉 압력은 가운데와 다르다. Ebara 특허는 탄성 패드 때문에 생기는 가장자리 처짐(edge rounding)을 막으려고 리테이너 링이 웨이퍼 둘레의 패드를 누른다고 설명한다. Applied 특허는 200 mm 웨이퍼의 바깥 5~10 mm가 과연마되기 쉽다고 적었고, Lam 특허는 가장자리에서 약 1~3 mm 안은 패드가 날카로운 웨이퍼 끝에 파고들어(burn-off) 제거 속도가 매우 높고 약 3~20 mm는 낮아, 1~20 mm를 쓰지 못하게 되기도 했다고 적는다. TSMC 특허는 링 안쪽 끝 근처에서 눌린 패드 옆이 솟는 반동이 가장자리 압력을 고르지 않게 하며, 패드가 뻣뻣할수록 반동 위치가 가운데 쪽으로, 무를수록 가장자리 쪽으로 간다고 적는다.

가장자리가 빨리 깎일지 느리게 깎일지는 정해져 있지 않다. Xie와 Boning은 웨이퍼 압력, 링 압력, 웨이퍼와 링 사이의 틈, 패드 탄성률에 따라 가장자리 수 mm 안쪽이 가운데보다 빨리 또는 느리게 깎이고, 들어온 웨이퍼의 가장자리 처짐(roll-off) 형상도 균일도를 크게 바꾼다고 보고했다. TSMC 특허도 보통은 가장자리가 가운데보다 덜 깎이고 반동이 이를 일부 보상한다고 적어, 앞의 과연마 사례들과 방향이 반대다. 일본의 연구는 가장자리 프로파일이 링 하중에 크게 좌우되고 링 평탄도가 매우 중요하며, 같은 헤드와 같은 링은 조건이 달라도 거의 같은 가장자리 모양을 보였다고 했다.

링 압력이라는 손잡이

그래서 링 압력은 가장자리를 고치는 손잡이가 된다. Melvin과 Suh는 링 압력을 웨이퍼를 누르는 압력과 거의 같게 하면 가장자리 효과가 웨이퍼 밖 링 쪽으로 밀려나고, 너무 낮거나 높으면 가장자리 효과가 웨이퍼 안으로 들어온다고 정리했다. 링은 최소한의 접촉 압력을 지켜야 하고, 안쪽 면이 웨이퍼 끝을 상하게 해서도 안 된다. 링 압력이 모자라면 앞에서 본 이탈 위험도 커진다. 시뮬레이터를 만지기 전에 먼저 예측해 보자.

이 장의 시뮬레이터는 가장자리 압력을 다음의 학습용 식으로 흉내 낸다. 웨이퍼 끝에서 안쪽으로 들어간 거리 s에서, 눌린 패드가 되튀며 생긴 압력 변화가 출렁이며 사라지는 모양이다.

식에서 \(m\)이 0이 되는 링 압력, 곧 \(P_{\text{링}}/P_{\text{막}} = e^{g/\lambda}\)에서 가장자리 효과가 사라진다. 틈 0.5 mm와 λ = 4 mm라면 계산하면 약 1.13배다. 링 압력이 이보다 낮으면 \(m > 0\)이라 가장자리가 빨리 깎이고, 높으면 \(m < 0\)이라 가장자리가 덜 깎인다. 실제 장비에서 이 값은 헤드 구조와 패드, 링의 상태에 따라 다르므로 웨이퍼로 찾아야 한다(원리에서 나온 해석).

근거: 링이 웨이퍼 둘레 패드를 눌러 가장자리 처짐을 막는다, 링 압력과 막 압력을 비슷하게 하면 효과가 링으로 밀려난다, 가장자리 1~3 mm 고속·3~20 mm 저속, 패드 강성과 반동 위치, 링 마모와 147 mm의 약 6%, 링 압력 손실과 이탈.

링이 닳으면

링은 패드와 닿아 계속 닳는다. Ebara 특허는 리테이너 링이 시간에 따라 닳으면 가장자리를 누르는 힘과 프로파일이 바뀌므로 링을 일찍 바꿔야 한다고 적는다. GLOBALFOUNDRIES 특허는 그 크기를 데이터로 보였다. 새 링, 중간 링, 오래된 링으로 블랭킷 웨이퍼를 연마해 반지름 130~148 mm의 정규화 제거 속도를 비교하니, 약 140 mm부터 벌어져 145 mm에서 약 3%, 147 mm에서 약 6% 차이가 났다. 링의 슬러리 홈이 닳아 얕아지면 멤브레인 가장자리가 웨이퍼 끝에 더 가까워지고, 멤브레인을 부풀릴 때 가장자리의 장력이 압축으로 바뀌어 가장자리 하중이 커진다는 설명이다. 대책으로는 웨이퍼를 싣기 전 헤드의 로드/언로드 위치에서 홈 깊이를 재고, APC가 링 압력을 다시 계산한다.

가장자리 몇 mm를 버리느냐는 웨이퍼 한 장에서 나오는 칩 수와 직결된다. 막의 바깥 끝과 웨이퍼 끝 사이의 쓰지 않는 고리 폭을 Edge exclusion(가장자리 제외 폭)이라 부르는데, Novellus 특허는 300 mm 웨이퍼에서 예로 3 mm를 들었다. 업계는 이를 2 mm 이내로 줄이기를 원했고, Lam 특허는 가장자리 효과를 링으로 밀어내 3 mm 미만을 목표로 했다. 300 mm 웨이퍼에서 가장자리 3 mm 고리는 면적의 약 4.0%, 2 mm는 약 2.6%다(계산: \(1-(147/150)^2\), \(1-(148/150)^2\)). 가장자리 효과가 1 mm 줄어들 때마다 웨이퍼 면적의 1%쯤이 쓸 수 있는 땅으로 돌아오는 셈이다.

들어온 프로파일을 평평하게

이제 두 손잡이를 함께 쓴다. 들어오는 막은 웨이퍼 안에서 두께가 다르다. 증착이나 도금이 가운데를 두껍게, 혹은 가장자리를 두껍게 쌓기 때문이다. 앞의 다섯 방 특허가 영역 압력으로 '들어온 막의 두께 불균일'을 보정한다고 적은 이유다. 연마 전에 장비 위 계측기로 두께를 재면 웨이퍼마다 영역 압력을 미리 정할 수 있다(회사 설명: 연마 전·후 측정). 이처럼 앞에서 잰 값으로 이번 연마 조건을 정하는 것을 Feed-forward(앞먹임 제어)라 한다. TI와 MIT의 비교는 장비 위 계측만으로는 연마 전 측정을 더하지 않는 한 들어온 두께 편차를 보정할 수 없고, 연마 중 센서는 실시간으로 보정할 수 있다고 정리했다. 제어 알고리즘은 8장에서 다룬다. 아래 도전 과제에서 직접 영역 압력을 정해 보자. 깎아야 할 양의 모양을 보고, 영역과 링과 시간으로 그 모양을 만드는 일이다.

근거: 영역 압력으로 들어온 막의 두께 불균일 보정, 연마 중 측정으로 영역 압력을 고치는 닫힌 고리 제어, 연마 전·후 측정, 연마 전 측정이 있어야 들어온 편차를 보정한다는 비교, 링 압력으로 가장자리 효과를 밀어냄.

패드 쪽 모듈: 컨디셔너 Arm과 슬러리 공급

컨디셔너 Arm: 어디를 얼마나 오래 긁나

패드는 쓰는 동안 매끈해지고 막혀(Glazing) 다이아몬드 디스크로 긁어 되살려야 한다. 그 물리는 4장에서 보았다. 장비에서 이 일을 하는 것이 팔 끝에 디스크를 단 컨디셔너 Arm이다. 3M의 A165P 디스크는 지름 4.25인치 원판에 251 µm 다이아몬드를 간격을 정해 한 층 박은 제품이다(회사 설명). Arm은 디스크를 돌리며 패드 위를 안팎으로 오간다. 이 왕복을 Sweep(스윕, 컨디셔너가 패드 반지름 방향으로 오가는 동작)이라 하고, 반지름 구간마다 머무는 시간을 Dwell time(머무는 시간)이라 한다.

패드는 디스크가 오래 머문 곳일수록 더 깎인다. Applied 특허는 컨디셔닝을 주로 패드 회전에 맡기면 패드 반지름마다 상대 속도와 머무는 시간이 달라, 패드가 반지름 방향으로 고르지 않게 깎인다고 지적했다. 그래서 Sweep의 속도와 구간별 Dwell을 레시피로 정한다. 더 나아간 Applied 특허는 컨디셔너 Arm에 유도형 센서를 달아 Sweep하는 동안 패드 두께를 재고, 목표 프로파일보다 두꺼운 구역은 머무는 시간을 늘리고 얇은 구역은 줄이는 닫힌 고리 제어로 패드 수명 내내 홈 깊이가 고르게 닳게 한다. 목적은 소모품 수명을 늘리는 것이다. 패드의 반지름 프로파일은 웨이퍼의 반지름 프로파일로 이어진다. MIT 연구는 패드의 반지름 방향 온도 분포를 보고 더 깎아야 할 곳을 골라 컨디셔닝하자는 제안도 했다. 컨디셔너는 패드를 고치는 도구이면서 웨이퍼 프로파일을 바꾸는 손잡이다.

슬러리 Arm과 린스

슬러리는 Arm 끝의 노즐에서 패드 가운데 근처로 떨어진다. 한 학위 논문은 유량이 응용에 따라 대략 150~300 cc/min이라고 적는다. 떨어진 슬러리 가운데 웨이퍼 밑을 지나며 일하는 것은 일부다. 이용률이 2~25%에 그친다는 인용이 있고, 대부분은 원심력으로 패드 밖으로 튕겨 나간다. 그래서 노즐의 위치와 모양을 바꾸는 특허가 많다. TSMC 특허는 노즐 7개를 단 Arm으로 70 ml/min을 흘려, 노즐 하나로 100 ml/min을 흘린 것과 비슷한 결과를 얻었다고 적는다(특허 예). Entegris는 슬러리를 공정에서 가장 중요하고 비싼 부분이라고 적는다(회사 설명). 같은 결과를 덜 흘려서 얻는 것이 곧 비용이다.

Arm에는 린스도 붙는다. Applied 특허는 린스 관과 슬러리 관을 한 Arm에 묶었는데, 린스는 패드 홈을 막아 결함을 늘리는 굳은 슬러리와 부스러기를 씻어 낸다. 예로 든 린스 유량은 230~6000 ml/min이다(특허 예). 유량은 온도에도 닿는다. 슬러리는 패드와 웨이퍼 사이의 냉각제 노릇도 하므로, 슬러리 유량을 줄이자 패드 온도의 불균일이 조금 커졌다는 측정이 있다.

슬러리 공급 장치와 필터

슬러리는 장비 밖에서 출발한다. 원액을 희석하고 산화제를 섞어 순환 루프로 돌리고, 여러 위치의 필터와 유량 제어기를 지나 Arm으로 간다. 이 책에서는 슬러리를 쓰는 지점 가까이에 다는 필터를 사용 지점 필터(Point-of-use filter)라 부른다. Entegris는 이런 필터를 장비 입구(POT)와 배출 지점(POD) 필터로 나눠 판다.

공급 장치에서 신경 쓰는 것은 크게 셋이다. 첫째, 큰 입자다. 큰 입자 몇 개가 긁힘을 만드는 것이 CMP의 중요한 문제이고, 그런 입자는 합성 과정뿐 아니라 공장의 분배 루프에서도 생긴다. Entegris는 공칭 입자 지름의 약 두 배 이상인 큰 입자를 거르는 여과가 오래전부터 흔하다고 적고, 필터를 대량 공급(Bulk), 장비 입구, 배출 지점처럼 여러 위치에 두라고 권한다. 둘째, 응집이다. 공급 장치 안에서 입자가 가라앉는 빈 공간(Dead space)을 줄이면 응집이 줄고, 순환에 다이어프램 펌프를 쓰면 벨로즈 펌프보다 큰 입자 수가 훨씬 적었다. 셋째, 화학이다. H₂O₂ 농도는 시간에 따라 떨어지므로 보관과 섞는 시점이 관리 대상이다(회사 설명). 큰 입자가 왜 긁힘이 되는지는 3장에서 보았다.

그래서 필터 뒤에 큰 입자 수(LPC)를 세는 계측기를 달기도 한다. Entegris는 한 고객이 공급 라인 필터 뒤에 단일 입자 광학 계측기(SPOS)를 달아 필터 교체 시점을 정했다고 소개하고, 이 방식이 레이저 회절보다 큰 입자 꼬리에 훨씬 민감하다고 주장한다(회사 설명). 유량 제어기도 공급 장치의 일부다. Entegris는 슬러리 혼합·배출용 유량 제어기의 예로 2.5~40 L/min 범위의 제품을 든다.

Platen에 붙은 눈: 패드 온도와 종말점 창

패드 온도

마찰과 컨디셔닝은 열을 낸다. Applied 특허는 2 psi, 8000 Å/min의 1분짜리 Cu 연마에서 폴리우레탄 패드 표면이 약 30 °C 오를 수 있다고 적는다. 화학 반응 속도와 마찰·패드 점탄성이 온도에 크게 좌우되므로, 온도가 흔들리면 제거 속도, 균일도, Erosion, Dishing, 잔사가 바뀐다. 상대 속도가 패드 반지름마다 달라 열도 고르지 않게 나므로, 반지름마다 따로 데우고 식히는 온도 제어 모듈 여러 개를 두자는 제안이다(특허 예). 다른 Applied 특허는 높은 Cu 제거 속도에서 온도가 때로 70 °C를 넘는다고 적고, 패드 온도나 Platen·헤드 토크를 지켜보다가 와전류로 잰 막 두께에 맞춰 식히는 등으로 제거 속도를 낮추는 제어를 기술한다.

패드 위의 온도는 고르지도 않다. MIT 연구가 인용한 측정에서 한 반지름의 시간 변화는 1 °C 미만이었지만 패드 위의 공간 차이는 12 °C까지 났고, 적외선으로 잰 반지름 방향 온도 분포는 웨이퍼 두께 불균일과 상관이 있었다. 그래서 이 연구는 패드 온도 분포를 연마 중 균일도 센서로 쓰자고 제안했다. Applied는 Opta 장비에 연마 중 패드 온도 제어를 선택 사항으로 둔다(회사 설명). 연구용 탁상 장비는 마찰 계수와 패드·슬러리·정반·계면 온도를 실시간으로 잰다고 소개된다. 온도가 제거 속도를 바꾸는 원리는 2장에서 보았다.

종말점 창과 In-situ 센서

연마하는 동안 웨이퍼를 들여다보는 센서는 대부분 Platen 안에 있다. 웨이퍼가 패드에 엎드려 있어 위에서는 볼 수 없기 때문이다. Applied의 1995년 우선일 특허는 패드의 덮개층과 받침층을 뚫은 자리에 거의 투명한 폴리우레탄 마개를 끼워 창을 만들었고, 같은 해의 다른 특허는 Platen 아래 레이저가 이 창으로 웨이퍼를 보며 산화막이 얇아질 때 반사광이 주기적으로 바뀌는 것(한 주기당 약 λ/2n 제거)을 세어 깎은 양을 안다고 적는다. 이처럼 패드에 낸 창을 Window-in-pad(패드 창)라 하며, Applied는 이를 특허받은 기술로 내세운다(회사 설명). 한 연구는 Platen 속에 레이저 모듈을 넣고 폭 약 10 mm의 패드 창을 썼다.

창은 하나지만 보는 방법은 여러 가지다. 넓은 파장의 백색광으로 스펙트럼을 받아 미리 만든 라이브러리와 맞추는 방법이 있고, 금속 막은 Platen 홈에 넣은 코일의 와전류로 본다. Applied는 현재 제품의 FullVision XE와 RTPC XE가 넓은 파장 분광이나 Hall 효과 와전류 감지(페이지 표현)로 종말점과 두께 분포를 제어한다고 소개한다. 모터 전류는 따로 창이 필요 없다. 막이 바뀌면 마찰이 바뀌어 모터 전류가 바뀌기 때문이다. 한 연구에서 Platen 모터 전류는 전단력을 잘 따랐지만(평균 상관 계수 0.955) 마찰 계수는 덜 따랐다(0.758).

이 신호들을 어떻게 판정해 멈추는지는 8장의 주제다. 장비 관점에서 기억할 것은 둘이다. 첫째, 연마 중 센서는 간접 신호라 공정과 설계가 바뀌면 함께 흔들린다. 새 제품에 들어가면 신호 모양부터 다시 확인한다. 둘째, 센서도 장비의 부품이다. 창, 코일, 온도계의 상태가 바뀌면 같은 웨이퍼에서도 신호가 달라질 수 있으므로, 종말점 판정 시각과 연마 뒤 두께를 함께 보며 센서의 건강을 확인한다(원리에서 나온 해석). 장비가 남기는 영역 압력, 링 압력, 유량, 컨디셔너 기록, 모터 전류, 온도, 종말점 신호를 웨이퍼마다 묶어 보는 습관이 이상을 빨리 찾게 한다.

일체형 세정기와 계측: 마른 채 나가기까지

연마가 끝난 웨이퍼에는 슬러리 입자와 부스러기가 붙어 있다. 이것을 마르기 전에 씻어야 하므로 오늘날의 폴리셔는 세정기를 몸 안에 품는다. Applied 특허의 예에서 세정 스테이션은 수평 사전 세정(HPC) 모듈 → Spray box → Brush box → 건조 장치 순서이고, 취급 장치가 기판을 수평과 수직 사이로 돌린다. Brush box에서는 기판을 세워 원통형 Brush 두 개로 양면을 동시에 문지른다. 장비 내장 세정은 보통 Megasonic, Brush, 유체 분사를 조합하고, 약액 Spray bar의 위치와 Brush 모터 토크가 핵심 변수로 꼽힌다. 같은 Applied 특허는 보통의 Scrubber에서 Brush가 세정 내내 기판에 닿아 있어 중간에 Brush를 씻을 수 없고, 앞 기판에서 덜 씻긴 Brush 때문에 기판 사이 교차 오염이 흔하다고 적는다. Brush는 세정 도구이면서 오염원이 될 수 있는 소모품이다.

마지막은 건조다. Applied의 Desica 세정기는 웨이퍼를 액에 완전히 담갔다가 꺼내며 Marangoni 증기로 말려 물 얼룩 결함을 거의 없앤다고 소개된다(회사 설명). 같은 회사의 200 mm 장비는 Si·STI·Poly·W용 Mesa 세정기와 Cu 다마신용 Desica 세정기를 구분해 둔다. 세정 모듈의 수도 장비 경쟁력이다. Reflexion LK Prime은 세정 챔버 8개와 건조 챔버 2개를, Opta는 세정 모듈 최대 10개를 내세운다. Ebara의 F-REX300XA는 여러 단계의 화학 세정을 거쳐 마른 웨이퍼를 내보낸다(회사 설명). 세정의 화학과 Brush의 물리는 9장에서 자세히 다룬다.

일체형 세정기에는 처리량 말고도 존재 이유가 있다. 연마가 끝나고 세정이 시작되기까지의 시간이 길면 Cu 배선이 상할 수 있다. 앞에서 본 특허 예처럼 최종 연마 뒤 5분이 지나면 수율이 크게 떨어지기도 했다. 연마부 바로 뒤에 세정기를 붙이면 이 시간을 짧고 일정하게 지키기 쉽다(원리에서 나온 해석). 처리량 애니메이션에서 세정이 병목이 될 때 기다리는 시간이 늘던 것을 떠올리자.

장비에 붙은 계측기

연마 전후의 두께를 장비 위에서 재는 것을 일체형 계측(Integrated metrology)이라 한다. Nova는 i500을 일체형 계측의 업계 표준이자 모든 CMP 폴리셔와 호환되는 장비로 소개하고, i570 HP는 더 넓은 스펙트럼, 작은 측정 점, 패턴 인식, 연마 전·후 측정으로 웨이퍼 안과 다이 안을 제어한다고, i580은 본딩 공정을 위한 가장자리 계측을 선택으로 둔다고 적는다(회사 설명). Ebara도 인라인 막 두께 측정 장치를 선택으로 둔다.

장비 위 계측은 빠르지만 단독 계측기와 똑같지는 않다. 공개 연구에서 장비에 붙은 Nova 계측기의 측정 반복도는 σ 0.5 Å, 패턴 인식은 σ 4.3 Å였고, 측정 자리 2112곳 가운데 7곳에서 오류가 났다. 같은 웨이퍼를 단독 계측기와 비교하면 퍼짐 12 Å, 차이 47 Å이 있었다. 그래서 장비 위 값은 단독 계측기와의 차이를 주기적으로 확인해 보정해 쓴다. 장비 위 계측이 있으면 웨이퍼마다 연마 전 두께로 Feed-forward를, 연마 뒤 두께로 다음 웨이퍼의 보정을 할 수 있다. 측정 원리와 WIWNU의 여러 정의는 10장에서 다룬다.

장비사와 제품

이 절은 세 원칙으로 쓴다. 제품 이름은 회사 공식 페이지에 적힌 그대로 옮긴다. 회사가 스스로 내세우는 말은 '회사 설명'으로 읽는다. 출처가 확인되지 않은 시장 점유율 숫자는 쓰지 않는다. 아래 표의 내용은 2026년 10월 9일에 읽은 공식 페이지와 자료를 기준으로 하며, 같은 제품 이름이라도 시기에 따라 구성이 달라질 수 있다.

표를 장비 구조로 다시 읽으면 두 갈래가 보인다. 하나는 Platen 여럿에 헤드가 돌아가며 웨이퍼를 단계마다 옮기는 순차형이고, 다른 하나는 Platen 하나와 헤드 하나로 된 독립 모듈을 여러 개 묶는 모듈형이다. Reflexion LK가 앞의 대표이고, Ebara의 두 모듈 구성과 Opta의 분리된 챔버가 뒤의 예다. LK Prime은 패드 4개에 헤드 6개를 두어 두 방식을 섞어 쓸 수 있게 했다. 어느 쪽이든 앞에서 본 부품, 곧 영역 헤드, 링, 컨디셔너, 슬러리 Arm, 창, 세정기는 모두 들어간다. 다른 것은 그 부품을 몇 개, 어떤 순서로 묶느냐다.