패드와 컨디셔닝

패드의 구조: 폴리우레탄, 기공, 적층

2장에서 제거 속도가 압력과 상대 속도에 비례한다는 Preston 식을 보았다. 그 식의 비례 상수 안에는 슬러리와 함께 패드의 모든 효과가 뭉뚱그려 들어 있다. 이 장은 그 상수 속에 숨은 패드를 꺼내 본다. 먼저 패드가 하는 일부터 정리하자. Arizona 대학의 학위 논문은 패드의 일을 세 가지로 꼽는다. 첫째, 표면의 돌기와 패드 몸체가 웨이퍼에 기계적인 힘을 전한다. 둘째, 슬러리를 웨이퍼와 패드 사이의 좁은 틈으로 실어 나른다. 셋째, 깎여 나온 부산물을 틈 밖으로 실어 낸다. 패드는 그냥 받침판이 아니라 힘과 물질이 오가는 통로다.

패드 재료로는 주로 폴리우레탄을 쓴다. 화학적·기계적으로 안정하고 슬러리에 잘 견디기 때문이다. 같은 폴리우레탄이라도 만드는 법에 따라 성격이 다르다. 고분자 사슬이 서로 가교된 열경화성 폴리우레탄(Thermoset PU)은 닳는 데 더 강하고, 사슬이 대체로 곧게 늘어선 열가소성 폴리우레탄(Thermoplastic PU)은 고무처럼 더 잘 늘어나고 질기다. Entegris는 자사의 Epic 패드를 열가소성 폴리우레탄으로 만들어 무른 것, 중간, 단단한 것을 내며 인성이 높아 수명이 길다고 소개한다(회사 설명).

패드는 구조에 따라 몇 갈래로 나눈다. 폴리우레탄을 먹인 섬유 펠트(Type I, 예: Suba), 미세한 구멍이 뚫린 합성 가죽(Type II, 예: Politex), 그리고 고분자 판 안에 무언가를 채운 것(Type III, 예: IC1000)이다. 여기에 아무것도 채우지 않고 표면에 무늬만 낸 판(Type IV)을 더하기도 한다. Type I·II는 비중이 낮고 슬러리를 많이 머금으며 잘 눌린다. 그래서 W·STI 연마, 마지막 Buffing, 그리고 아래에 까는 받침 패드로 쓴다. Type III는 기공이 닫혀 있고 덜 눌려서 ILD·W·Cu·STI처럼 평탄화가 중요한 공정에 쓴다.

양산의 기준처럼 자리 잡은 Type III 패드의 속을 들여다보자. Rodel이 1994년에 출원한 특허는 고분자 기지 안에 속이 빈 고분자 미세 구슬(Hollow polymeric microelement)을 채운 패드를 기술한다. 구슬의 평균 지름은 150 µm보다 작고, 바람직하게는 약 10 µm다. 예로 든 배합은 우레탄 수지(Adiprene L-325)와 경화제(MOCA)에 속 빈 미세구(EXPANCEL 551 DE)를 섞은 것이고, 패드 비중은 0.75~0.8이 바람직하며 구슬 사이 간격은 75~300 µm로 본다. 특허의 핵심 주장은 이렇다. 표면에 드러난 구슬은 속에 묻힌 구슬보다 덜 단단해서, 패드가 닳으면 새 구슬이 드러나며 표면이 저절로 새로 만들어진다. 구슬을 넣은 패드는 넣지 않은 패드보다 약 1 mm 간격의 구조를 약 4배 빨리 평탄화했다. 같은 회사의 다른 특허는 IC1000을 '속 빈 구형 미세 구슬로 채운 폴리우레탄 기지'라고 적는다. 표면에 드러나 잘린 구슬이 곧 패드 표면의 기공(Pore)이다.

패드의 성질은 어떤 숫자로 나타낼까. 제조사의 공식 기술 자료는 로그인해야 볼 수 있어 이 장에서는 열지 못했다. 대신 Micron의 특허가 Rodel 패드 재료의 성질을 표로 실었고, 경쟁 패드 회사(Thomas West)의 2002년 발표 자료가 IC1000의 값을 정리했다. 출처가 특허와 경쟁사 자료라는 점을 감안해 '대략 이런 크기'로 읽자. 비중(Specific gravity)은 물에 대한 밀도의 비, 압축률(Compressibility)은 정해진 하중에서 두께가 줄어드는 비율, Shore 경도(Shore hardness)는 바늘을 눌러 들어가는 깊이로 잰 경도 눈금이다. A 눈금은 무른 재료, D 눈금은 단단한 재료에 쓴다.

대부분의 연구와 양산 사례에서 패드는 한 장이 아니라 두 장을 겹친 적층 패드(Stacked pad)다. 위에는 단단한 윗패드(Top pad)(예: IC1000), 아래에는 무른 서브패드(Sub-pad)(예: Suba IV)를 깐다. Texas Instruments의 1997년 사례, MIT의 Cu 평탄화 길이 측정, Arizona 대학의 2019년 연구가 모두 이런 적층 패드를 썼다. 왜 굳이 두 층일까? 7절에서 시뮬레이터로 답한다. 패드는 Platen에 붙여 쓰고, 광학 종말점 검출을 하는 장비에서는 패드의 두 층을 뚫은 자리에 거의 투명한 폴리우레탄 마개를 끼워 Platen 아래의 레이저가 웨이퍼를 보게 한다. Applied Materials는 이 Window-in-pad(패드 속 창)를 자사 특허 기술로 내세운다(회사 설명). 종말점 검출 자체는 8장에서 다룬다.

아래 그림은 이 구조를 한 장면에 모은 단면도다. 왼쪽 위에서는 컨디셔너 디스크가 패드를 긁고, 오른쪽 위에서는 웨이퍼가 슬러리를 사이에 두고 패드를 누른다. 부분을 하나씩 눌러 무슨 일을 하는지, 닳거나 망가지면 어떤 증상이 생기는지 읽어 보자.

근거: 윗패드와 기공, 서브패드, 홈, 돌기와 접촉, 슬러리 막, 창, Platen과 접착, 디스크와 다이아몬드, 고정층.

패드 회사들은 응용마다 다른 패드를 낸다. DuPont(현재 Qnity)의 제품군 페이지는 Cu Bulk, Cu Barrier, W, STI/Ceria, 산화막, Buff로 나눠 패드 계열을 짝지어 놓았다. IC1000 페이지는 이 계열이 균형 잡힌 CMP 성능의 업계 표준으로 널리 여겨지며 20년 넘게 배합을 바꾸지 않았다고 적고, Politex는 Barrier·Buffing·세정용 무른 패드로 컨디셔닝이 필요 없다고 적는다. Visionpad의 몇몇 계열은 IC1000보다 절삭 속도가 낮아 수명이 길다고 내세운다(모두 회사 설명). '절삭 속도'와 '수명'이 왜 한 문장에 함께 나오는지는 5절과 6절에서 분명해진다.

홈과 슬러리 수송

패드 표면의 거칠기에는 크기가 다른 두 층이 있다. 눈으로 보이는 홈(Groove)은 큰 질감, 현미경으로 봐야 보이는 돌기(Asperity)는 작은 질감이다. 홈은 왜 팔까? 정리하면 네 가지 일을 한다. 슬러리를 웨이퍼 아래 전체에 고르게 나눠 주고, 압력을 고르게 하는 데 돕고, 웨이퍼 아래에 끊김 없는 액막이 생겨 웨이퍼가 물 위에 뜨는 수막 현상(Hydroplaning)을 막고, 부스러기를 밖으로 내보낸다. 웨이퍼가 클수록 홈이 더 중요해진다.

홈의 크기는 공개된 특허의 예로 감을 잡을 수 있다. Intel의 1992년 특허는 보통의 큰 홈이 깊이와 폭이 약 0.3 mm인 동심원 홈이고, 연마 중에 다이아몬드 컨디셔너가 약 0.04 mm × 0.04 mm의 반지름 방향 미세 홈을 더한다고 적었다. Rodel의 1994년 특허는 0.100 inch(2.54 mm) 간격 격자에 깊이 0.008~0.014 inch(0.20~0.36 mm, 계산)인 무늬를 예로 든다. 지금 팔리는 패드의 홈 치수는 공식 자료에서 확인하지 못했으므로 이 장의 계산에서는 0.3 mm를 '예시 값'으로만 쓴다.

큰 질감과 작은 질감이 각각 얼마나 중요한지는 Rodel 특허의 실험이 잘 보여 준다. 같은 장비와 조건에서 패드만 바꿔 산화막을 깎았다.

표에서 두 가지를 읽을 수 있다. 첫째, 홈만 있거나 미세 질감만 있으면 제거 속도가 IC1000의 절반에도 못 미치고 고르지도 않다. 둘째, 기공이 없는 판이라도 홈과 컨디셔닝을 함께 주면 IC1000과 거의 같아진다. 홈은 슬러리를 웨이퍼 아래로 '배달'하고, 돌기는 그 슬러리를 웨이퍼 면에 '눌러 대는' 역할을 나눠 맡는다는 해석이 자연스럽다(원리에서 나온 해석). 같은 특허는 홈과 구멍이 슬러리 흐름을 돕고, 접촉 면적을 줄여 접촉 압력을 높인다고 설명한다.

슬러리는 생각보다 적게 쓰인다. 흔한 장비에서 슬러리는 패드 중심 가까이 한 곳에 떨어뜨리고, 유량은 응용에 따라 150~300 cc/min 정도다. 그런데 대부분은 패드가 돌면서 원심력으로 밖으로 날려 버려 웨이퍼 아래까지 가지 못한다. 실제로 웨이퍼에 쓰이는 비율은 패드 설계에 따라 2~25%라는 인용이 있다. 웨이퍼 아래의 액막은 20~80 µm로 패드의 거칠기와 비슷한 두께이고, 컨디셔닝 중 패드 위의 액막은 0.5~1.1 mm로 측정되었다. 홈은 이 얇은 액막을 웨이퍼 아래로 이어 주는 길이다.

홈을 만드는 방법도 결과를 바꾼다. 홈을 기계로 깎아 낸 패드는 가장자리에 남은 거스러미(Burr)가 땅 쪽으로 말려 들어가 마찰 계수가 틀에 넣어 찍은 홈보다 18% 높았다. 홈은 막히기도 한다. Applied의 특허는 슬러리 공급관 옆에 헹굼 관을 묶은 Arm을 기술하면서, 헹굼이 패드 홈을 막아 결함을 늘리는 엉긴 슬러리와 부스러기를 씻어 낸다고 설명한다. 홈은 마찰의 성격도 바꾼다. 실시간 마찰 측정 연구들은 연마 입자 농도, 표면 질감, 홈 설계가 웨이퍼와 패드가 직접 맞닿는 경계 윤활과 액막이 하중을 나눠 받는 혼합 윤활 사이의 위치를 옮긴다고 보고했다. 윤활 영역 자체는 2장에서 다룬다.

돌기와 접촉: 패드는 끝만 닿는다

패드를 확대하면 표면은 산과 골짜기로 가득하다. Kinik의 컨디셔너 연구자들은 패드 표면의 높이 분포를 세 부분으로 읽는다. 깊은 쪽(골짜기)은 타고난 기공이 만들고 지수 함수 꼴로 줄어든다. 가운데 띠는 컨디셔닝이나 깎아 다듬기 같은 표면 처리가 만든다. 맨 위 끝은 연마 마모와 Glazing, 부스러기가 만든다. 기공이 없는 패드라면 컨디셔너 하나가 질감 전체를 정한다.

웨이퍼가 이 표면을 누르면 어디가 닿을까? 맨 위 꼭대기들만 닿는다. 사파이어 덮개 유리 너머로 패드와 유리가 닿은 곳을 광학적으로 본 측정에서 실제 접촉 면적은 겉보기 면적의 10%에 못 미쳤다. 같은 연구는 돌기 모델(Greenwood–Williamson)이 이보다 적어도 10배 작게 예측하고, 접촉의 상당수가 동그란 점이 아니라 기공 가장자리를 따라 생긴 초승달 모양이라고 보고했다. 마른 상태에서 레이저 공초점 현미경으로 잰 다른 연구는 접촉 면적이 2 psi에서 0.026%, 4 psi에서 0.045%, 6 psi에서 0.059%로 훨씬 작게 나왔다. 두 측정은 방법과 조건이 달라 자릿수가 다르다. 확실한 공통점은 패드가 웨이퍼 면의 아주 작은 일부에만 닿는다는 것이다. 4 psi(27.6 kPa)의 하중을 0.045%의 면적이 받는다면 닿은 곳의 평균 압력은 약 61 MPa, 10%라 해도 0.28 MPa로 겉보기 압력의 10배다(계산). 돌기와 접촉의 역학은 2장에서 수식으로 다뤘다. 이 장은 그 돌기가 시간이 지나며 어떻게 바뀌는지에 집중한다.

컨디셔닝은 이 접촉을 바꾼다. 다이아몬드 컨디셔닝은 접촉 하나하나의 평균 크기를 줄이고, 전체 접촉 면적은 보통의 컨디셔닝 시간 안에서 최솟값을 지났다가 다시 늘었다. 같은 연구는 접촉 면적이 넓어 점 하나가 받는 응력이 낮을수록 결함이 적은 경향을 보고했다. IC1000 K-groove 패드에서 컨디셔닝 하중을 26.7 N에서 44.5 N으로 올리자 마찰 계수는 7%만 늘었는데 제거 속도는 65% 늘고 접촉 면적은 71% 줄었다. 접촉 면적이 줄었는데 더 잘 깎였다. 같은 하중을 더 적은 꼭대기가 나눠 받으니 꼭대기마다 더 세게 누르기 때문이다(원리에서 나온 해석). 컨디셔닝 하중이 클수록 패드 질감이 안정된 값에 더 빨리 이르고, 접촉 면적과 접촉 밀도는 줄었다는 보고도 있다.

현장에서 이 돌기를 어떻게 잴까. Arizona 대학 연구진은 공초점 현미경으로 패드 표면을 찍어 위쪽 25% 높이 안의 봉우리를 꼭대기로 뽑고, 꼭대기의 곡률(두 주곡률의 곱)로 돌기가 얼마나 뾰족한지를 나타낸다. 흔히 쓰는 평균 거칠기 Ra는 봉우리와 골짜기를 섞어 평균하므로 제거 속도나 마찰과의 상관이 약하다. 웨이퍼에 닿는 것은 꼭대기뿐인데 Ra는 닿지 않는 골짜기까지 함께 세기 때문이다. 아래 애니메이션에서 꼭대기가 웨이퍼에 눌려 평평해지고, 다이아몬드가 지나가며 다시 세워지는 모습을 보자.

애니메이션은 두 가지를 과장해서 보여 준다. 하나는 Glazing이 진행되면 오히려 닿은 면적이 넓어진다는 점이다. 학위 논문들은 Glazing이 실제 접촉 면적을 넓혀 국부 접촉 압력을 낮추고, 그래서 제거 속도가 준다고 설명한다. 다른 하나는 컨디셔닝이 표면을 되살리는 바로 그 동작으로 패드를 깎는다는 점이다. 이 맞바꿈이 4~6절의 중심 주제다.

Glazing: 패드가 매끈해지면 제거율이 떨어진다

패드를 컨디셔닝 없이 계속 쓰면 표면이 반들반들해지고 잘 깎지 못하게 된다. 이것을 Glazing(패드 표면이 매끈하게 무뎌짐)이라 한다. 오래된 정의 둘을 보자. Rodel의 1986년 특허는 Glazing을 실리카와 반응 생성물이 패드에 쌓이는 것이라 하고, Glazing된 패드는 연마하지 못한다고 단언한다. Applied의 특허는 웨이퍼가 누르는 곳의 패드 표면이 눌려 덜 거칠어지고 연마 속도가 떨어지므로 패드를 주기적으로 컨디셔닝(Conditioning, 패드 표면을 긁어 되살림)해야 한다고 적는다. 한쪽은 '쌓임', 한쪽은 '눌림'을 말한다.

두 정의는 서로 다른 것이 아니라 Glazing의 두 얼굴이다. Sampurno는 Glazing의 기구를 둘로 정리한다. 하나는 돌기가 소성 변형되어 납작해지는 것으로, 표면이 평평해지는 주된 원인이다. 다른 하나는 패드 부스러기, 연마 입자, 반응 부산물이 기공을 메우는 것이다. 둘 다 슬러리를 붙잡고 나르는 능력을 떨어뜨려 균일도와 제거 속도를 해친다. 다른 연구는 닳은 패드 재료와 깎인 웨이퍼 재료, 슬러리 잔류물이 표면 기공에 갇혀 제거 속도가 준다고 같은 그림을 그린다. 1990년대 연구자들은 이 현상을 패드 표면의 '차가운 흐름(Cold flow)'이나 '굳어 엉김(Caking)'으로 불렀고, 패드가 나이 들수록 연마 속도가 떨어지는 이유를 슬러리 수송으로 설명하기도 했다.

그러면 Glazing은 제거율을 어떤 길로 떨어뜨릴까. 3절과 엮으면 두 갈래다. 첫째, 꼭대기가 평평해지면 웨이퍼와 닿는 면적이 넓어지고 같은 하중이 넓게 퍼져 꼭대기 하나가 받는 압력이 낮아진다. 둘째, 기공과 거친 골짜기가 메워지면 슬러리를 웨이퍼 면까지 실어 나르지 못한다. Intel의 특허는 매끈해진 패드는 슬러리를 덜 실어 날라 연마 속도가 '낮고, 불안정하고, 예측할 수 없게' 된다고 적었다. 이 특허에는 흥미로운 관찰도 있다. Glazing된 패드에서는 레이저 Scribe line처럼 표면에 거친 구조가 있는 웨이퍼가 더 빨리 깎인다. 거친 웨이퍼가 패드를 스스로 긁어 되살리기 때문이다.

Glazing은 얼마나 빨리 진행될까. Kinik의 발표 자료는 컨디셔닝을 멈추면 제거율이 처음에 빨리, 나중에 천천히 줄어드는 전형적인 '로그' 꼴로 떨어지고, 콜로이드 실리카 슬러리는 퓸드 실리카보다 돌기를 덜 닳게 해 덜 떨어지며, 컨디셔닝은 출발 속도를 정하지만 멈춘 뒤의 감소에는 영향이 작다고 정리했다. 1996년의 간섭계 측정은 더 묘한 결과를 보였다. 컨디셔닝 없이 연마하자 처음 5분 안에 꼭대기가 평평한 대지(Mesa) 모양으로 바뀌었고 그 뒤로는 표면 모양이 거의 변하지 않았는데, 산화막 제거 속도는 계속 떨어졌다. 겉모양이 멈춘 뒤에도 기공이 메워지는 쪽의 변화가 계속되었다고 볼 수 있다(원리에서 나온 해석). 표면 거칠기만 보고 패드 상태를 판단하면 안 되는 이유다.

이 경쟁을 가장 단순한 식으로 써 보자. 패드 표면의 '살아 있는 정도'를 \(s\)로 두고, 새 패드나 막 컨디셔닝한 패드를 \(s = 1\), 완전히 Glazing된 패드를 \(s = 0\)이라 하자. 연마는 \(s\)를 시간 상수 \(\tau_g\)로 깎아 내리고, 컨디셔닝은 남은 차이 \(1 - s\)에 비례하는 빠르기 \(k_c\)로 되살린다고 두면 다음 식을 얻는다. Kinik이 말한 'Glazing과 컨디셔닝의 균형'을 그대로 옮긴 학습용 모델이다.

식이 말하는 것은 단순하다. 컨디셔닝을 하면 제거 속도는 1로 돌아가지 않고 \(s^{*}\)에 자리 잡는다. \(k_c\)가 클수록 \(s^{*}\)는 1에 가까워지지만 결코 1이 되지는 않는다. 컨디셔닝을 끄면(\(k_c = 0\)) \(s\)는 \(\tau_g\)를 시간 상수로 0을 향해 떨어진다. 아래 시뮬레이터의 상수는 다음 절 PREDICT의 실제 사례에 맞췄다.

시뮬레이터의 ②는 두 실험과 맞아떨어진다. Cu를 비다공성 패드로 깎으며 연마 시간 가운데 컨디셔닝하는 비율(듀티)을 0, 25, 50, 75, 100%로 바꾼 연구에서 제거 속도(약 1675 Å/min)와 마찰 계수(0.88)는 그대로였고, 마찰력의 출렁임만 듀티를 올릴수록 커지다가 50%에서 포화했다. 32시간 동안 컨디셔너 디스크를 써서 패드 절삭 속도가 절반으로 줄었는데도 패드의 미세 질감과 ILD·W 제거 속도는 크게 변하지 않았다는 결과도 있다. 컨디셔닝은 어느 정도를 넘으면 제거 속도에는 더 보태지 않고 패드만 더 깎는다. 그렇다고 컨디셔닝이 약할수록 좋다는 뜻은 아니다. 다음 PREDICT가 반대쪽 끝을 보여 준다.

그래프의 근거: 점은 Texas Instruments의 1997년 사례다. Strasbaugh 6DS-SP에서 패드 수명 초기 2124 Å/min, 160장 뒤 1826 Å/min(불균일 5%), 컨디셔닝 없이 50장을 더 깎은 뒤 750 Å/min(불균일 15%)이었다. 선은 위 시뮬레이터 모델(In-situ, 26.7 N)로 160장을 깎고 이어서 컨디셔닝을 끈 결과다. 모델의 '표준 컨디셔닝' 세기는 이 자료에 자세히 나오지 않아 학습용 값으로 두었다.

숫자를 다시 보자. 컨디셔닝을 하는 동안에는 160장에 14% 떨어졌는데, 멈춘 뒤에는 50장에 59%가 떨어졌다(계산). 저자들은 원인을 패드 Glazing으로 슬러리를 붙잡는 능력과 웨이퍼로 가는 슬러리 공급이 줄어든 것으로 보았고, 이 저하는 표면 현상이며 슬러리와 패드 사이의 화학 반응은 무시할 만했다고 적었다. 불균일이 5%에서 15%로 커진 점도 중요하다. Glazing은 웨이퍼 전체에서 고르게 일어나지 않는다. 다음 절에서 보듯 패드의 반지름마다 컨디셔닝을 받는 정도가 다르기 때문이다.

컨디셔닝: 다이아몬드 디스크로 표면을 되살린다

Glazing을 되돌리는 도구가 컨디셔너(Pad conditioner, Dresser)다. Entegris 특허의 배경 설명에 따르면 흔한 컨디셔너는 다이아몬드 연마재를 고정한 지름 4인치의 원판으로, 돌리면서 패드에 눌러 윗층을 깎아 내고 막힌 기공을 열어 돌기를 다시 만든다. 목적은 제거 속도를 유지하는 것이다. 3M의 A165P는 지름 4.25인치이고, 새솔다이아몬드는 4.25인치를 표준 크기로 적는다. 컨디셔닝은 돌기를 세우고 기공을 열 뿐 아니라 웨이퍼 아래의 액막을 두껍게 한다는 보고도 있다(인용).

컨디셔닝을 언제 하느냐에 따라 이름이 다르다. 웨이퍼를 깎는 동안 함께 하면 In-situ 컨디셔닝(In-situ conditioning), 웨이퍼와 웨이퍼 사이에 따로 하면 Ex-situ 컨디셔닝(Ex-situ conditioning)이다. 새 패드를 처음 쓰기 전에 컨디셔닝해서 만들 때 생긴 표면을 걷어 내고 패드를 적시는 일은 Break-in(길들이기)이라 한다(6절). 어느 방식이든 컨디셔닝은 언제나 패드를 깎는다. 그래서 컨디셔닝 레시피는 패드 수명과 연마 성능 사이의 맞바꿈이다.

In-situ가 처음부터 당연했던 것은 아니다. Kinik의 특허는 초기의 전착·융착 디스크에서 산성 슬러리가 다이아몬드를 붙든 융착재를 녹일 수 있어 연마와 드레싱을 번갈아 했고, 다이아몬드와 비슷한 탄소막(DLC)을 입혀 부식을 막자 연마 중에도 드레싱할 수 있게 되었다고 설명한다. Intel의 1992년 특허는 Arm 끝에 다이아몬드를 박은 블록을 달고 진동 모터로 패드 위를 오가게 하며 연마 중에 컨디셔닝하는 장치를 기술했다. 디스크가 패드 반지름을 따라 오가는 이 동작이 Sweep(컨디셔너 Arm의 왕복 운동)이다.

디스크의 속

디스크 한 장에는 다이아몬드가 몇 개나 있을까. Entegris의 자료는 기존 디스크가 35~250 µm 크기의 다이아몬드를 융착·전착·소결로 붙이고, 4인치 디스크 하나에 2만~30만 개가 박혀 있다고 적는다. 3M의 A165P는 251 µm 다이아몬드를 간격을 정해 한 층으로 배열했다고 소개한다. 다이아몬드가 크고 거칠수록 세게 깎는다. 입도(Grit)로 보면 굵은 것 16~24, 중간 36~60, 가는 것 80~120, 아주 가는 것 150~325 grit이 대략 270 µm에서 66 µm의 평균 지름에 해당한다는 정리가 있고, 60 grit 디스크는 기공 구조를 망가뜨려 패드 수명을 줄이는 과잉 컨디셔닝을, 200 grit 디스크는 기공을 열지 못해 제거 속도가 떨어지는 부족 컨디셔닝을 보였다고 한다(인용).

디스크가 패드를 얼마나 빨리 깎는지를 패드 절삭 속도(Pad cut rate, PCR)라 한다. 시간당 줄어드는 패드 두께로 나타낸다. Entegris의 CVD 디스크는 IC1000 패드를 DI 물로 시험했을 때 30분 Break-in 뒤 약 52 µm/h를 보였다고 회사 자료에 적혀 있다. 같은 디스크라도 패드에 따라 절삭 속도가 다르다. 같은 Lot 안의 단단한 패드라도 비중과 홈 모양·폭의 차이로 절삭 속도가 최대 약 30% 달라질 수 있다. 이 장의 시뮬레이터는 52 µm/h를 '기준 하중에서의 예시 절삭 속도'로 쓴다.

Sweep: 디스크를 어디에 얼마나 머물게 하나

디스크는 패드 전체를 한꺼번에 덮지 못한다. 지름 108 mm(4.25 in)의 디스크가 지름 760 mm의 패드를 고르게 깎으려면 반지름 방향으로 오가야 한다. 이때 패드의 각 반지름이 컨디셔닝을 받는 양은 세 가지가 정한다. 디스크가 그 반지름에 얼마나 오래 머무는가(Sweep의 범위와 속도), 그 반지름의 원둘레 가운데 얼마만큼을 디스크가 덮는가, 그리고 디스크와 패드의 상대 속도다. Applied의 특허는 컨디셔닝이 주로 패드의 회전에 기대면 반지름에 따라 상대 속도와 머무는 시간이 달라져 컨디셔닝된 패드가 반지름 방향으로 고르지 않게 된다고 지적했다.

모델로 옮겨 보자. 디스크 중심이 패드 반지름 \(r_c\)에 있을 때, 반지름 \(r\)인 패드의 한 점은 한 바퀴 도는 동안 디스크 밑을 \(\phi(r)/\pi\)의 비율만큼 지난다. \(\phi\)는 반지름 \(r\)인 원이 디스크와 겹치는 호의 반각이다. 디스크가 Platen과 같은 방향, 같은 회전수로 돌면 디스크의 어느 점에서나 패드와의 상대 속도가 \(\omega_p r_c\)로 같다. 2장에서 웨이퍼와 Platen의 회전수를 맞추면 상대 속도가 고르게 된다는 것과 같은 원리다. 마모가 Preston 식처럼 압력 × 상대 속도에 비례한다고 두면 다음 식을 얻는다(학습용 모델).

이 식에서 두 가지가 바로 보인다. 첫째, 디스크가 일정한 속도로 오가면 Sweep 범위의 가운데에서는 마모가 고르고, 범위의 양 끝에서는 디스크가 반만 덮으므로 마모가 줄어든다. 둘째, 디스크가 패드 가장자리 밖으로 나가면 닿은 면적 \(A_c\)가 줄어 같은 하중이 좁은 면적에 몰린다. 3M의 기술 자료는 받쳐 주는 패드가 없는 가장자리 밖으로 Sweep하면 남은 연마 요소에 하중이 몰려 더 깊이 파고들고 가장자리가 더 닳으며, 무른 패드는 찢어질 수도 있다고 경고한다. 아래 시뮬레이터로 Sweep 범위와 방식이 패드 마모와 웨이퍼 제거율을 어떻게 바꾸는지 보자.

시뮬레이터에서 본 두 가지 결과는 현장의 장치와 연결된다. 하나는 머무는 시간(Dwell time)이 마모 분포를 정한다는 점이다. Applied는 컨디셔너 Arm에 유도형 센서를 달아 Sweep하면서 패드 두께를 재고, 목표보다 두꺼운 영역에서는 더 오래, 얇은 영역에서는 덜 머물게 해 패드 수명 동안 홈 깊이가 고르게 깎이도록 하는 폐회로 제어를 특허로 냈다. 목표는 고른 홈 깊이와 더 긴 소모품 수명이다. 다른 하나는 가장자리의 한계다. 3M은 Applied 300 mm 장비(Platen 30 in)에서 343 mm, Applied 200 mm(20 in)에서 210 mm, Ebara 300 mm(29 in)에서 324 mm를 권장 바깥 한계로 제시했다. 디스크 반지름이 54 mm이므로 343 mm에서도 디스크 가장자리는 패드 밖으로 17 mm쯤 나간다(계산). 조금은 나가도 되지만 지나치면 안 된다는 뜻이다.

패드 수명, Break-in, 디스크 수명

새 패드는 바로 쓰지 않는다. 만들 때 생긴 표면을 걷어 내고 패드를 적시기 위해 먼저 컨디셔닝하는 Break-in을 거친다. 얼마나 해야 할까. 다섯 경우를 비교한 연구에서 패드의 미세 질감은 넷이 30분 안에, 모두 60분 안에 안정되었다. CVD 디스크의 종류에 따라 20분 또는 50분이 걸렸다는 보고도 있다. Entegris의 시험에서는 새 패드의 Ra가 처음 30분에 4.6 µm에서 3.3 µm로 바뀐 뒤 17시간 동안 안정되어, 30분이면 Break-in에 충분하다고 보았다(회사 자료). Break-in은 공짜가 아니다. 장비 가동 시간과 더미 웨이퍼를 쓴다. 적은 더미로 안정된 질감에 이르는 길은 다이아몬드 디스크로 Break-in을 제대로 하는 것뿐이라는 지적이 있다.

Break-in을 건너뛰거나 부족하게 하면 무슨 일이 생길까. 첫째, 제거 속도가 흔들린다. MIT의 적외선 측정 연구는 새 패드의 Break-in 동안 제거 속도가 지수적으로 떨어진 뒤 안정되며, 첫 반복이 더 뜨거웠다고 적었다. 둘째, 긁힘이 늘 수 있다. Cu 웨이퍼 56장을 연마하는 Break-in 동안 패드 표면의 평균 탄성률은 0.66 GPa에서 0.34 GPa로, 경도는 0.05 GPa에서 0.03 GPa로 줄고, 돌기 꼭대기의 평균 곡률 반경은 16 µm에서 93 µm로 커졌다. 돌기가 둥글어지자 긁힘의 심각도가 줄었다. 새 패드의 뾰족한 돌기가 무른 Cu를 긁기 쉽다는 뜻이다. 거꾸로 오래 쓴 패드도 긁는다. GLOBALFOUNDRIES 발표에서 새 패드로는 긁힘이 없었지만, 쓴 패드로 슬러리 없이 연마하자 단단한 실리콘이 긁혔다. 패드에 박힌 연마 입자가 단단한 돌기 노릇을 한 것이다.

패드는 언제 바꾸나

Arizona 대학의 학위 논문은 패드 수명이 50시간 가까우면 받아들일 만하고, 컨디셔너 수명은 50~100시간이며, 컨디셔너는 적어도 패드만큼, 가능하면 두 배는 가야 한다고 적는다. 패드 수명은 슬러리의 연마성과 컨디셔닝이 정한다. 웨이퍼 수로 말한 자료도 있다. 웨이퍼 사이의 변동을 좁게 지키려면 패드 하나의 기준 수명이 보통 100~200장 수준이었는데, 측정값으로 연마 조건을 매번 고치는 Run-by-run 제어를 넣자 패드 하나로 500장을 평균 1597 Å/min(목표 1600)에 맞췄다. 패드의 '수명'은 패드 자체만이 아니라 그 패드의 변화를 얼마나 보정할 수 있느냐에도 달려 있다. 제어 방법은 8장에서 다룬다.

패드를 끝내는 물리적인 신호는 홈이다. SK하이닉스는 패드가 표면 무늬가 닳아 없어지면 가치를 잃는다고 설명한다. 그렇다면 수명은 남은 홈 깊이를 절삭 속도로 나눈 값으로 어림할 수 있다.

분모가 평균이 아니라 최댓값이라는 점이 핵심이다. 패드는 가장 많이 깎인 띠의 홈이 사라지는 순간 끝난다. 예를 들어 홈 0.3 mm(1992년 특허의 예)를 52 µm/h(회사 시험값)로 연마 시간 내내 깎으면 약 5.8시간이면 홈이 사라진다(계산). 50시간이라는 보고와 차이가 크다. 실제 공정은 이보다 순하게 컨디셔닝하거나, 연마 시간의 일부만 컨디셔닝하거나, 홈이 더 깊다고 짐작할 수 있지만 이 장에서 읽은 공개 자료로는 확인하지 못했다. 숫자의 절대값보다 절삭 속도가 수명을 직접 깎는다는 관계에 주목하자. DuPont이 낮은 절삭 속도를 긴 수명의 이유로 내세우는 것도 같은 관계다(회사 설명).

규모로 보면 패드는 큰 비용이자 폐기물이다. 한 학위 논문은 CMP 소모품 비용에서 슬러리가 약 49%, 패드가 33%를 차지한다는 인용을 싣고 있고(같은 논문의 본문과 그림이 컨디셔너 몫을 13%와 9%로 다르게 적는다), 다른 학위 논문은 패드가 CMP 모듈 소유 비용의 최대 30%에 이를 수 있다고 적는다. SK하이닉스는 한 달에 1만 장 넘는 패드를 쓰고, CMP 소모품 폐기물이 2019년 224 t에서 2022년 282 t으로 26% 늘었다고 밝혔다. 쓴 패드에 무늬를 다시 새겨 성능을 확인했고, 2024년부터 가벼운 세정 연마(Touch CMP)에 쓸 계획으로 해마다 약 12억 원을 아낄 것으로 기대했다. 패드를 고르게 닳게 하는 것은 품질 문제이면서 비용과 환경의 문제다.

이제 지금까지의 모델을 모두 엮어 보자. 아래 CHALLENGE에서는 Sweep 범위와 방식, 디스크 하중을 정해 세 가지 장비 배치에서 '모든 곳이 충분히 컨디셔닝되면서, 고르게 닳고, 오래 가는' 레시피를 찾는다.

경도: 평탄화와 균일도의 맞바꿈

마지막으로 패드 전체의 굳기를 보자. Sampurno의 정리는 이렇다. 단단한 패드는 다이 안의 불균일을 줄여 국소 평탄도가 좋고, 무른 패드는 웨이퍼 규모의 균일도가 좋고 긁힘이 적다. 두 층을 겹친 패드는 두 장점을 함께 노리며, 단단한 Type III 패드로 주 연마를 한 뒤 무른 Type II 패드로 Buffing하기도 한다. 무른 패드는 높은 곳과 낮은 곳을 모두 따라가며 깎고, 단단한 패드는 주로 높은 곳을 깎지만 긁힘을 더 낸다. Rodel의 특허도 경도와 압축 탄성률이 높으면 웨이퍼가 평평해지지만 단단한 패드는 가장자리 깨짐과 긁힘에 '너그럽지 않다'고 적었다. 1994년의 연구는 평탄도가 고분자 자체의 강성과 기공 밀도가 함께 정하는 패드 강성에 달려 있다고 보고했다.

길이 척도를 숫자로 잡아 주는 개념이 5장에서 자세히 다룰 평탄화 길이다. 산화막 CMP의 평탄화 길이는 3~7 mm 하나로 보고되었고, 적층 패드로 한 Cu CMP에서는 최소 1.25 mm, 최대 10 mm, 평균 3.54 mm로 측정되었다. 패드를 탄성체로 본 시뮬레이션은 평탄화 길이가 패드 영률에 거의 비례해 늘어난다고 보고했다. 단단한 패드일수록 더 먼 거리의 높낮이를 한꺼번에 '다리처럼' 걸쳐 누른다는 뜻이다.

왜 두 층일까를 모델로 답해 보자. 윗패드를 얇은 판으로, 그 아래를 용수철 바닥으로 본다(탄성 기초 위의 판). 패드 위에 파장 \(L\)로 오르내리는 높이 차 \(\Delta h\)가 있을 때 패드가 그 모양대로 휘어 따라가려면 압력 차 \(\Delta P\)가 필요하다. 그 비가 패드의 '굳기' \(K(L)\)다.

식을 읽어 보자. 파장이 짧은 높낮이(다이 안의 패턴)에서는 \((2\pi/L)^4\) 항이 커서 굽힘 강성 \(D\)가 지배한다. 패드가 그 모양대로 휘지 못하니 높은 곳만 눌리고 낮은 곳은 덜 눌린다. 이것이 평탄화다. 파장이 긴 높낮이(웨이퍼 규모의 두께 차이)에서는 \(k_0\)만 남는다. \(k_0\)가 작으면 패드가 쉽게 따라가 압력이 거의 고르게 유지되고, 크면 조금만 높아도 압력이 크게 달라진다. 윗층의 \(E\)는 \(D\)를 키우고, 무른 서브패드는 \(k_0\)를 낮춘다. 두 역할이 다른 층에 나뉘어 있다.

시뮬레이터의 결론은 산업이 오래 써 온 선택과 같다. 단단한 윗층은 짧은 파장의 높낮이를 '다리처럼' 걸쳐 높은 곳만 누르고, 무른 서브패드는 긴 파장에서 패드 전체가 웨이퍼를 따라가게 한다. 패드 회사들도 이 둘을 한 장에 담으려 한다. DuPont은 Visionpad 3000 계열을 IC1000보다 표면은 무르고 강성은 높은 패드로 소개한다(회사 설명). 무른 패드에도 자리가 있다. 긁힘에 약한 Cu Barrier와 Buffing에는 무른 패드를 쓰고, DuPont은 무른 패드 Optivision Max를 고대역폭 메모리와 첨단 웨이퍼 접합용으로 내세운다(회사 설명). 미세 긁힘을 줄이는 대책으로 '적절히 컨디셔닝한 무른 패드'를 꼽은 발표도 있다.

경도는 온도에 따라 바뀐다

패드의 '굳기'는 고정된 숫자가 아니다. 동적 기계 분석(DMA)으로 잰 저장 탄성률은 20 °C에서 40 °C로 오를 때 열가소성 패드에서 45%, 열경화성 패드에서 20% 줄었다. 그런데 연마는 패드를 데운다. Applied의 특허는 2 psi, 8000 Å/min의 전형적인 1분 Cu CMP에서 폴리우레탄 패드 표면이 약 30 °C 오를 수 있다고 적고, 다른 특허는 높은 Cu 제거 속도에서 온도가 때로 70 °C를 넘는다고 적는다. Rodel의 특허는 기공이 열을 흩어 주므로 기공이 부족한 패드는 과열되어 쉽게 Glazing된다고도 했다. 그래서 2020년 11월에 나온 SEMI C100은 패드 경도를 예전의 Shore 경도 대신 DMA로, 적어도 세 온도에서 시험 조건(방식, 주파수, 진폭, 홈에 대한 시편 방향)과 함께 보고하도록 권한다. 패드 경도가 제거 속도와 결함에 영향을 주고 온도가 고분자의 저장 탄성률을 낮추기 때문이다.