Chemical Mechanical Polishing or Planarization (CMP) is a process that polishes and flattens the surface through 3-body abrasion that combines chemical reactions and mechanical elements, and is used throughout the electronics and material industries, including the semiconductor industry. In CMP, the polishing process proceeds as the wafer and pad rotate while spraying the slurry, and the equipment consists of a pad, a carrier, and a dispenser. At this time, the polishing pad in direct contact with the wafer surface is made of a porous polymer (typically polyurethane) material with a hardness of Shore D40 to D70, and the pad hardness affects polishing characteristics. If a pad with high hardness is used, the pressure distribution on the entire surface of the wafer is not uniform, resulting in increased scratch frequency and non-uniformity (WIWNU). The hard pad increases the scratch and non-uniformity (WIWNU) because the pressure distribution on the entire surface of the wafer is not uniform. The soft pad reduces scratches and non-uniformity, but the material removal rate (MRR) is low, so the process time is long and the life time is short.
In this study, CMP pads were fabricated using photopolymerization additive manufacturing technology, and gradational mechanical properties were implemented according to the pad depth by controlling the UV exposure time. Photocurable resin is photopolymerized by UV light in the wavelength range (200 ~ 400nm), and CMP pad with a well-defined surface structure can be manufactured by vat photopolymerization 3D printer. Hardness and elastic modulus are determined according to the degree of photopolymerization, and additional mechanical properties can be controlled by manipulating the post-curing process. Therefore, if the high-output UV LED is subjected to a post-curing process in a short time, the depth from the surface is deepened and the effect of the change in physical properties due to post-curing is reduced. Through this method, the pad asperity having a gradational hardness in which the surface is hard and the inside is gradually soft is developed, thereby developing a CMP pad with a high material removal rate and a uniform pressure distribution. In this paper, we establish a CMP pad manufacturing method with gradational hardness, analyze mechanical properties according to UV exposure conditions, and characterization polishing performance. Finally, a model capable of predicting the material removal rate (MRR) of the micropattern pad is developed, and the polishing characteristics of the polishing pad with progressive hardness are theoretically and experimentally analyzed by presenting a CMP process MRR zone model applied with the model.
화학적기계연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP)는 화학적 요소와 기계적 요소를 결합한 연마를 통해 표면을 연마하여 평탄화 시키는 공정으로, 반도체 산업을 포함하여 전자 및 소재 산업 전반에서 사용하고 있는 공정이다. CMP 공정을 위한 설비는 패드, 캐리어, 디스팬서로 구성되어 있으며 슬러리를 분사시키면서 연마공정이 진행된다. 이때 웨이퍼 표면에 직접 접촉하여 연마를 진행하는 패드는 다공성의 폴리머(대표적으로 폴리우레탄) 소재로 쇼어 경도 D40 ~ 70 범위로 제작되며, 패드 경도는 연마 특성에 영향을 미친다. 경도가 높은 패드를 사용할 경우 웨이퍼 전면에 압력 분포가 균일하지 못해 스크래치 발생빈도 및 불균일성 (WIWNU)이 증가한다. 반면 경도가 낮은 패드를 사용할 경우 스크래치 발생 및 불균일성은 감소하지만 재료제거율(MRR)이 낮아 공정에 필요한 시간이 길며, 패드의 수명 또한 짧아진다.
본 연구에서는 광중합 적층 제조 기술 (photopolymerization additive manufacturing)을 이용하여 표면 형상의 다양성과 패드 깊이에 따른 점진적 기계적 물성을 가지는 CMP 패드를 제작한다. 광경화성 수지는 UV 파장대 (200 ~ 400nm)의 UV 조사에 의해 광중합 되는 특성을 활용하여, 액층광중합 (vat photopolymerization) 방식으로 고정밀 형상 제어가 가능한 CMP 패드를 적층 제조할 수 있다. 광중합 정도에 따라 탄성계수, 인장강도, 경도가 결정되며, 후경화 방법을 조작하면 추가적인 기계적인 물성 제어가 가능하다. 따라서 고출력의 UV LED를 단시간으로 후경화 공정을 진행하게 되면 표면으로부터 깊이가 깊어지면서 후경화에 의한 물성 변화 영향이 줄어들게 된다. 이러한 방법을 통해 표면은 경질, 내부는 점진적으로 연질의 특성을 갖는 패드표면을 제작함으로써, 균일한 압력 분포를 가지면서도 재료제거율이 높은 CMP 패드를 개발한다. 본 논문에서는 점진적 경도를 갖는 패드의 적층제조 공정방법을 고안하고, 특히 후경화 조건에 따른 기계적 특성을 분석하고 연마 성능을 평가한다. 마지막으로 마이크로 패턴 패드의 재료 제거율을 예측할 수 있는 모델을 개발하고, 이를 적용한 CMP 공정 MRR zone 모델을 제시함으로써 점진적 경도를 갖는 연마 패드를 이론적 및 실험적으로 연마 특성을 분석한다.
