스프레이 슬러리 노즐 시스템에서 슬러리 유동이 Cu CMP에 미치는 영향

1. 서론

대한민국은 2015년부터 온실 기체 감축의무가 있는 기업간 혹은 국가간 배출 권한 거래를 허용하는 제도인 탄소배출권거래제를 도입하였다. 이산화탄소(CO₂)는 전체 온실기체에서 77%를 차지하고 있어 온실 기체 배출 규제의 주요 대상이다. 한국은 전세계 국가들 중 7번째로 이산화탄소를 많이 배출하는 나라이고, 이산화탄소 배출 중 60% 이상이 산업분야에 기인하고 있다.¹ 전세계적으로 이러한 환경규제가 강화됨에 따라 전기료와 소모재를 절감할 수 있는 친환경적인 대체 공정과 기술개발을 가속화하고 있다.

반도체 공정 중 화학 기계적 연마 (Chemical Mechanical Polishing, CMP) 공정은 재료의 표면을 광역평탄화 할 수 있는 기술로 웨이퍼 소자, 배선 형성 공정에 걸쳐 반도체 제조의 핵심기술로 자리잡았다. CMP 공정은 소자가 형성된 웨이퍼와 고분자로 만들어진 연마패드의 상대 회전을 통한 기계적 반응과 웨이퍼 박막과 슬러리 (Slurry)의 화학적 반응에 의해 연마가 이루어진다. 이러한 CMP 공정은 소모품 사용 비중이 높아 공정 후 배출되는 폐기품으로 인해 환경에 큰 영향을 미친다. CMP 소모품에는 슬러리(연마입자가 포함된 화학액), 탈이온수, 연마패드, 컨디셔너가 있다.^2,3 특히, 슬러리는 산성 또는 염기성을 띄고 연마입자를 함유하고 있기 때문에 환경에 가장 악영향을 끼치는 소모재이며, CMP 공정 전체 비용의 50% 이상을 차지하고 있다.⁴ 따라서 CMP 슬러리의 사용량을 감축하는 것은 환경 및 경제적 효율성에 필수적이다.

1980년대말 미국 IBM 사가 CMP 기술을 개발한 이후부터 연구자들은 다양한 연마제와 화학액을 첨가하여 화학적 특성을 강화시켜 개발하는 방법, 초미세여과를 이용하여 슬러리를 재사용하는 방법 등을 고안하여 슬러리 사용량을 줄일 수 있는 방법들을 연구해왔다.^5,6 그러나, 현재 슬러리 개발은 한계에 부딪히고 있으며, 재사용하는 슬러리는 연마 결과가 기존 대비 나빠지는 단점이 있다.

이에 비해 슬러리 공급하는 시스템을 개선한 연구는 아직 미진한 상태이다. 슬러리는 Fig. 1과 같이 공급시스템을 통해 정량이 공급된다. 슬러리 공급탱크로부터 배관라인을 통해 연결된 펌프에 의해 CMP 장비로 공급되고, 최종적으로 슬러리 노즐을 통해 연마패드와 웨이퍼 사이로 유입된다.

Fig. 1

CMP slurry distribution system

Leland⁷ 등과 Litchy⁸ 등은 슬러리 펌프의 종류에 따른 연마성능과 연마입자의 응집농도, 필터수명에 대한 비교 실험결과를 보여주었다. 하지만, 2000년대 중반부터 연구된 위와 같은 선행연구에서도 펌프의 효과에 대한 원인 고찰이 부족하다. 또한, 최근 연구된 Lee⁹ 등의 스프레이형 노즐을 제외하고 슬러리 노즐 관련한 연구의 거의 이루어 지지 않았다.

본 논문에서는 스프레이 슬러리 노즐을 적용한 공급시스템에서 슬러리 펌프 변화가 Cu CMP 결과에 미치는 영향을 비교 평가하고, 유동해석을 통해 슬러리의 유동을 파악하여 공급시스템의 변화에 따른 연마결과의 원인을 고찰하였다. 현재 CMP 공급 시스템에 관련된 연구가 미흡하며, 스프레이 슬러리 시스템에서 슬러리 펌프로 원심펌프를 적용한 연구가 전무하므로 기존과는 다른 공급시스템을 통해 연마 결과를 개선하고 공급시스템에 따른 슬러리 유동을 관찰한 점에서 본 연구의 의의가 있다.

2. 실험방법

본 실험에서는 Table 1과 같이 슬러리 노즐과 슬러리 펌프를 변화시켜 실험을 진행하였다. 웨이퍼는 연속유리섬유가 강화된 에폭시 수지 표면에 16 μm의 구리막이 적층된 구조로 되어 있는 6 inch의 총 0.75 mm 두께를 가진 동박적층판 (Copper Clad Laminate, CCL)을 이용하였다. 구리박막의 두께는 면저항 측정기; 4점 저항식 박막계 (Changmin Technology)를 이용하여 웨이퍼의 가장자리 3 mm를 제외하고 측정하였다.

Table 1

Experimental conditions

2.1 슬러리 노즐

기존 튜브형 노즐과 스프레이형 노즐의 2가지 종류의 슬러리 노즐로 실험을 진행하였다 (Fig. 2). 웨이퍼의 중심부보다 바깥쪽 미끄럼 거리가 긴 것을 고려하여 분사영역이 원형이며, 원형 바깥 부분보다 중심부분에 분사량이 집중되는 원형 (Full Cone Type) 스프레이 노즐을 사용하였다. 실험에 사용된 스프레이 노즐의 경우 오리피스 입경이 약 0.79 mm로 작기 때문에 슬러리 유량을 증가시키기에 한계가 있어 150 ml/min 유량까지 실험하였다.

Fig. 2

CMP schematics using both conventional tube type slurry nozzle and spray type slurry nozzle

2.2 슬러리 펌프

적정량의 적은 유량이 요구되고 화학용액과 연마입자를 포함하는 슬러리 수송에서는 용적형 펌프가 많이 이용되고 있다. 용적형 펌프에는 왕복동형 타입인 다이아프램 펌프, 피스톤 펌프가 있고, 회전형 타입인 튜브 연동식 펌프 (Peristaltic Pump), 원심펌프 (Centrifugal Pump) 등이 있다.¹⁰

CMP 슬러리 특성상 화학용액으로 인한 마모와 오염 발생, 연마입자로 인한 막힘 문제 때문에 튜브 교체로, 정비가 가능하고 슬러리와 펌프간의 오염이 없는 튜브 연동식 펌프를 주로 사용하고 있다. 튜브 연동식 펌프는 Fig. 3(a)에 나타낸 바와 같이 펌프헤드에 튜브 (Tube)를 장착하고 롤러 (Roller)로 튜브를 압축하여 유동을 차단한 후, 롤러가 이동함에 따라 튜브가 원래의 모양으로 복원될 때 튜브 내부에 발생하는 부압으로 액체를 흡입하고 다음 롤러에 의해 롤러간의 공간만큼 포집된 액체를 이송하는 방식이다.¹⁰

Fig. 3

Schematics of pump systems10,11

이에 반해 원심펌프는 다른 산업에서 많이 사용되고 있음에도 불구하고 이전에는 슬러리 펌프로는 사용이 되지 않았다. 그러한 이유는 입자에 의해 생성된 스크래치는 CMP 공정에서 결함을 유발하는 원인이 되는데, 원심펌프의 베어링에 의해 마모가 유발되어 나노입자가 생성되어 스크래치를 발생시키기 때문이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 Fig. 3(b)와 같이 자기부상 원리를 이용하여 베어링 없는 원심펌프가 개발되었다. 모터의 자장에 의해 임펠러를 회전시켜 발생되는 원심력을 이용하여 액체에 운동 에너지를 전달하고, 이 에너지를 위치에너지로 전환되어 이송하는 방식이므로 CMP 공정에 적합하다.¹¹

이러한 연동펌프 (7518-00, Cole-Parmer In-Strument Co., U.S.A.)와 원심펌프 (BPS-i30, Levitronix, Switzerland) 두 종류의 펌프를 기존 튜브 노즐과 스프레이 노즐에 적용하여 연마결과를 확인하고, 슬러리 유동을 비교 평가하였다.

2.3 유동해석

전산유체역학 (Computational Fluid Dynamics, CFD)을 통해서 슬러리 노즐 내부 유동 예측이 가능하다. Inventor와 ANSYS-CFX 프로그램으로 모델링하고 시뮬레이션하여 압력 펄스에 따른 노즐 내부 유동 현상을 비교하였다. 경계조건과 유체 인자는 다음 Tables 2와 3과 같다.

Table 2

Boundary condition and design parameters for analysis

Table 3

Properties of slurry

3. 실험결과 및 고찰

3.1 스프레이 노즐에서 슬러리 펌프의 영향

Fig. 4는 튜브 노즐과 스프레이 노즐에서 기존 연동펌프와 원심펌프 적용 시 연마율과 불균일도를 비교한 그래프이며, 원심펌프를 적용한 결과가 연마율이 높고 불균일도가 낮은 우수한 연마특성을 보인다. 또한, 유량이 증가할수록 연마율과 균일도가 증가하다가 일정 이상의 유량에서는 수렴하는 것을 볼 수 있다. 유량 250 ml/min의 결과와 200 ml/min의 결과가 비슷하다. 이는 연마에 참여할 수 있는 슬러리의 양이 포화상태를 이르렀음을 의미한다.⁹

Fig. 4

Comparisons of polishing results on slurry nozzle and slurry pump: (a) Material removal rate, (b) Within-wafer non-uniformity

스프레이 노즐과 원심펌프 적용시의 결과와 기존 슬러리 공급 시스템인 튜브 노즐과 연동펌프 적용 시와 비교하였을 때 연마율 측면에서는 약 19%, 불균일도 관점에서는 약 40%의 슬러리 양을 감소시킬 수 있음을 보인다는 것을 확인 할 수 있다. 이는 스프레이 노즐은 슬러리를 작은 액적으로 공급할 수 있기 때문이다. 패드 위에 넓은 영역에 작은 액적으로 얇은 슬러리 유막층을 형성시켜 좁은 패드와 웨이퍼 계면에 보다 많은 양의 슬러리 공급이 이루어졌기 때문이라고 판단할 수 있다. 결과적으로 기존 공급시스템에서 공급되는 슬러리의 양이 전부 연마에 참여하지 않는다는 것을 보여준다. 즉, 웨이퍼와 패드 계면이 매우 좁기때문에 실제 연마에 참여하는 슬러리는 일부분이고 회전하는 패드의 원심력에 의해 패드 밖으로 버려지는 양이 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 100, 150 ml/min일 경우를 제외하고 슬러리 펌프에 따라 연마율의 차이는 미미하지만 불균일도 관점에서는 매우 향상되었음을 보여준다.

일반적으로, 연마율은 슬러리 개발을 통해 증가시킬 수 있지만, 불균일도는 일정이상 감소시키기 어렵다고 알려져 있다. 본 논문에서 제시하는 공급시스템을 통해 연마 균일도를 향상시키는 방법으로 활용할 수 있음을 보여준다.

3.2 공급장치 변화에 따른 슬러리 유동 변화

Fig. 5는 150 ml/min 유량일 때의 슬러리 펌프와 슬러리 노즐에 따른 공정시간에 대한 실제 토출되는 순간 유량을 측정하여 도시한 그래프이다. Fig. 5(a)의 연동펌프 그래프일 경우 토출 유속이 싸인 파형을 동반한 특유의 맥동파를 수반하는 단점을 가지고 있다. 실제 실험을 통해서 튜브 노즐과 스프레이 노즐 시스템에서 연동펌프의 실제 유량 변화량을 다음과 같이 각각 도출할 수 있었다.

$\[ y=150.62+34.01\sin \left(\pi \left(\mathrm{x}-6.05\right)/57.97\right. \]$

(1)

$\[ y= 150.85+27.41\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\left(\pi \right(\mathrm{x}+25.04)/69.55) \]$

(2)

Fig. 5

Change of instantaneous slurry flow rate at 150 ml/min according to process time: (a) Peristaltic pump: tube type slurry nozzle (Top), Peristaltic pump: spray type slurry nozzle (Bottom), (b) Centrifugal pump: tube type slurry nozzle (Top), Centrifugal pump: spray type slurry nozzle (Bottom)

시간에 따른 공급유량 변화를 설정할 수 있는 Transient 모드에 식(1), 식(2)을 넣어 해석하였다. 이러한 맥동파는 관성저항에 의해 토출구 측에 과도한 압력이 발생함으로써 배관의 파손의 원인이 되며, 순간유량이 일정하지 못하기 때문에 균질성을 요구하는 CMP 결과에 안 좋은 영향을 끼치게 된다. 그래서 맥동파를 줄이는 것이 보다 좋은데 Fig. 5(a)의 두 그래프를 비교하면 같은 연동펌프라도 스프레이 시스템에서 사인파형의 진폭이 줄어들고 주기가 넓혀진 것을 확인할 수 있다.

그러나 Fig. 5(b)의 원심펌프일 경우 지속적으로 펄스 없이 순간 유량을 정확하게 제어할 수 있다는 것을 보여준다. 그래서 일정한 공급유량을 설정하는 Static 모드로 해석하였다.

Fig. 6은 염색된 액체를 통해 기존 튜브 노즐에서 연동펌프의 공급 불연속성과 원심펌프의 공급 지속성을 가시화하여 보여준다. 스프레이 노즐에서도 튜브 노즐보다는 적지만, 공급의 불연속성이 존재하여 공급이 되지 않는 순간을 포착할 수 있었다. 연마패드 위의 슬러리 분포에서 볼 수 있듯이 공급의 불균일은 슬러리 유동뿐 아니라 웨이퍼와 패드 계면의 슬러리 분포에도 영향을 미친다. 특히 연동펌프의 경우 펌프 원심력에 의해 패드 중심부에 잔존하는 슬러리 양이 많은 것을 확인할 수 있다.

Fig. 6

Images of slurry flow on the polishing pad: (a) Peristaltic pump, (b) Centrifugal pump

이러한 연동 펌프의 또 다른 단점은 슬러리에 높은 전단력(Shear Stress)을 발생시키는 것이다. 유체에서 전단력이란 이동하고 있는 유체가 고체면과 접촉하게 되면 경계면에서 내부저항을 받으며 흐르게 되는데 이때 작용하는 마찰력을 말한다. 유체의 종류는 전단속도에 따라 전단력이 변하는 거동에 의해 Fig. 7과 같이 나눌 수 있다.¹² CMP 슬러리는 전단농화유체 (STF: Shear Thickening Fluid)로 전단력에 민감한 액체라고 말할 수 있다.

Fig. 7

Images of slurry flow on the polishing pad: (a) Peristaltic pump, (b) Centrifugal pump

Barnes¹³ 등은 전단속도 (Shear Rate)가 높아지면, 유선(Streamline) 사이의 전단력이 강해져 입자를 유선에서 벗어나게 한다고 보고하였다. 그리고 Bossis¹⁴ 등은 입자가 전단력에 의해 가깝게 움직일 때 서로의 상대 운동으로 인한 윤활 유체역학(Lubrication Hydrodynamics)을 통해 결합된다는 것을 입증하였다. 입자가 안정적으로 분산된 유체에서 발생하는 강한 유체역학적결합 (Hydrodynamic Coupling)은 일시적인 응집체의 형성을 가져오고 점도의 증가시킨다. 이러한 불균일하게 응집 (Aggregation)된 입자는 결함을 발생시키고 불량을 일으키는 가장 큰 요인이다. 그래서 전단력에 대한 고찰은 중요하다.¹⁵ 비뉴턴 유체의 거동을 보이는 CMP 슬러리의 전단력은 다음과 같이 나타낸다.¹⁶

$\[ {\tau }_h=\eta {\left(\frac{\partial v}{\partial h}\right)}^n \]$

(3)

여기서 τ는 유체에 작용하는 전단력, h는 경계면의 직경, η는 걷보기 점도 (Apparent Viscosity), 응력 또는 속도 구배의 함수, v는 유체의 속도, n는 행동 지수 (Behavior Index)이다. 이때 n = 1이고 k = μ (Viscosity Coefficient)이면 뉴턴 유체이다. 식(3)에서 같은 유체일 경우 전단력은 반경방향에 따른 유동속도의 변화율에 의해 결정된다는 것을 알 수 있다. 연동펌프의 경우 공급의 불연속성이 존재하여 유동속도의 변화율이 높기 때문에 전단력이 높다. 이는 Figs. 8과 9에서 유동해석 결과로 확인할 수 있다.

Fig. 8

CFD simulation XY plane image of slurry shear strain rate on tube slurry nozzle using peristaltic pump (Top) and centrifugal pump (Bottom)

Fig. 9

CFD simulation ZY plane image of slurry shear strain rate on spray slurry nozzle using peristaltic pump (Top) and centrifugal pump (Bottom)

Fig. 8의 튜브 노즐에서는 연동펌프의 전단력이 원심펌프의 전단력에 비해 매우 높고 비균질 유동 (Non-Homogeneous Flow)을 한다는 것을 확인할 수 있다. 이러한 노즐 내부의 높은 전단 응력은 슬러리의 응집을 야기하여 결함과 연마불균일로 나타난다. Fig. 9의 스프레이 노즐에서도 같은 양상을 띠며, 스프레이 노즐과 연결되는 튜브관에서는 약 2 - 50 s^-1로 낮은 전단력을 보이고 패드 위로 토출되는 부분은 30,000 s^-1이 넘는 큰 전단력이 걸려 작은 슬러리 액적이 토출되는 것을 알 수 있다.

전단농화유체는 낮은 전단속도에서 전단박화유체 (Shear Thinning Fluid)와 같은 거동을 한다고 알려져 있다. 따라서, 연동펌프을 통한 노즐 내부에서 슬러리는 전단농화유체거동을 하고, 원심펌프에서는 전단박화유체거동을 한다고 판단할 수 있다.

4. 결론

본 논문에서는 슬러리 공급 방법에 대한 연구의 필요성을 제시하고, 스프레이 노즐과 원심 펌프가 도입된 슬러리 공급 시스템의 연속적이고 균일한 공급이 CMP 공정 연마 결과와 노즐 내부 슬러리 유동에 어떠한 영향을 미치는지에 대하여 연구하였다.

연마 결과에서는 본 논문에서 제안하는 공급시스템에서의 연마율과 불균일도가 가장 우수한 결과를 보였다. 현재 사용되고있는 기존 슬러리 공급시스템인 튜브형 노즐은 슬러리를 좁은 영역에 공급하며, 연동 펌프는 슬러리를 불연속적으로 공급할 뿐만 아니라 다소 높은 전단력을 발생시켜 연마입자의 응집현상을 일으킨다는 문제점이 있다. 그에 비해 스프레이 노즐은 작은 액적의 슬러리를 넓은 영역에 공급하기 때문에 얇은 슬러리 유막을 형성시키고, 원심펌프는 지속적인 슬러리 공급이 가능하기에 연마균일도 향상에 큰 효과를 보인다고 판단할 수 있다. 이는 CMP 공정에 있어서 슬러리 공급시스템이 연마결과에 직접적인 영향을 미친다는 것을 의미한다. 또한, 유동해석을 통해 노즐 내부 전단력을 예측하였고, 연동펌프일 경우 원심펌프에 비해 전단력이 15배 가량 높다는 것을 확인할 수 있었다. 원심펌프는 노즐 내부에 낮은 유체 전단력이 발생하여 균일하게 분산되어 있는 연마입자의 손상을 줄일 수 있다고 판단된다.

일반적으로, 슬러리 유량을 높이면 연마율과 연마균일도가 향상한다. 하지만 환경이나 경제 측면을 고려한다면 버려지는 슬러리 양을 최소화할 수 있는 최소 공급유량으로 최상의 연마결과를 얻는 이러한 슬러리 공급 시스템이 필요하다. 그러나, 스프레이 노즐은 연마입자로 인한 막힘현상이 발생할 수 있다는 단점이 있다. 이는 연마입자의 크기에 따라 스프레이 노즐의 오리피스 직경을 바꿔줌으로써 보완할 수 있기 때문에 향후 본 논문에서 제시하는 슬러리 공급 시스템을 통해 슬러리 소비량을 줄일 수 있을 것이라 예상된다.

Acknowledgments

이 논문은 부산대학교 기본연구지원사업(2년)에 의하여 연구 되었음.

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