다양한 사이즈와 밀도로 설계된 매크로 패턴의 실 접촉 면적 측정을 통해 패턴의 지형적 특성이 패드와의 접촉에 미치는 영향을 살펴보았다. 측정에는 Table 1과 같은 조건의 컨디셔닝 공정을 거친 23 × 23 mm² 크기의 샘플 패드를 사용하였다. 4 psi의 압력 조건에서 돌기의 압입으로 형성된 접촉 계면을 측정하여 패턴 내 돌기의 분포를 분석하였다.

10, 4 그리고 2 mm 크기의 상부(Line)를 가지는 패턴에서의 돌기의 접촉 분포를 분석하였다. Fig. 8은 각 패턴에서 측정된 실 접촉 면적 비율을 패턴의 중심(0)을 기준으로 노멀라이징(Normalizing)하여 비교한 그래프이다. 한 점당 기준 면적 50 × 1,200 μm² 내에 나타나는 접촉 면적의 총합을 의미한다. 큰 패턴, 중간 패턴 그리고 작은 패턴에서 패턴의 중심 영역 대비 가장자리 영역에서 돌기 접촉 면적은 각 4.38, 3.13, 1.60배 높게 나타났다. 이를 통해 패턴의 크기가 클수록 중심 영역에 비해 가장자리 영역에서 돌기의 접촉이 집중되는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 8 
Normalized real contact area ratio according to normalized pattern position

Fig. 9는 패턴의 밀도에 따른 돌기의 접촉 분포를 확인하기 위해 다이 내 다양한 밀도로 배치된 패턴의 상부와 하부(Space) 영역에서의 실 접촉 면적 분포를 나타낸 그래프이다. 패턴은 4 mm 너비의 상부를 가지고 57.1, 66.7, 80.0%의 밀도로 배치되었다. 밀도 57.1, 66.7, 80.0%인 패턴에서 상부의 가장자리와 중심 영역에서의 접촉 면적 비율 차이가 각 0.3173, 0.2209, 0.1995%로 나타났다. 즉 밀도가 낮은 패턴에서 가장자리와 중심 영역의 접촉 면적 분포 차이가 크다는 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 패턴의 지형적 특성에 따른 돌기의 접촉 면적 측정을 통해, 크기가 크고 밀도가 낮은 패턴에서 돌기의 접촉 분포가 크게 나타나는 것을 확인하였다.

Fig. 9 
Normalized real contact area ratio according to normalized pattern position

연마 실험은 Fig. 6(c)의 패턴을 1.5 μm의 단차로 에칭한 4인치 유리 웨이퍼를 대상으로 진행하였다. 연마기는 GnP Technology 사의 POLI-500을 사용하였고, 연마 패드는 KPX 사의 KONI 패드를 사용하였다. 브레이크인 조건은 Table 1과 같고, 연마 조건은 Table 2에 제시하였다. 연마 후 패턴의 프로파일은 Nanoscope사의 Nanoview로 측정되었고, Figs. 10(a)와 10(b)는 각 상부의 너비가 10인 큰 패턴, 4 mm인 중간 패턴의 연마 시간에 따른 패턴의 프로파일을 나타낸다. 연마가 진행됨에 따라 패턴의 단차가 줄어들고 패턴의 가장자리 쪽의 과연마로 인해 라운딩(Rounding) 현상이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 연마된 쿠폰을 사용하여 4 psi의 압력 조건에서 실 접촉 면적 측정을 진행하였다.

Fig. 10 
Graphs of step height change according to polishing time

연마가 진행됨에 따라 감소하는 패턴의 단차와 라운딩에 의한 패턴의 형상이 패드 돌기와의 접촉에 미치는 영향을 분석하기 위해 연마 시간에 따른 실 패턴의 실 접촉 면적을 측정하였다. Fig. 11은 큰 패턴의 실 접촉 면적 분포 측정 결과이다. Figs. 11(a)부터 11(d)는 50 × 1,200 μm²의 기준 면적에서의 연마전과 1, 3, 5분 후의 돌기의 접촉 면적 분포를 나타낸 그래프이다. 패턴 상부에서 가장자리와 중심 영역의 최대 접촉 면적율 차이가 0.4368, 0.3233, 0.2806, 0.2556%로 점차 감소하였다. 패턴 상부와 하부의 접촉 면적률 차이 또한 감소하였다. 이를 통해 패턴의 평탄화가 진행되면서 패드 돌기의 접촉이 점차 균일해지는 것을 확인할 수 있다. Figs. 12(a)부터 12(d)는 중간 패턴에서의 연마 시간에 따른 실 접촉 면적 비율 분포를 나타낸 그래프이다. 밀도가 낮은 패턴의 가장자리와 중심의 접촉률 차이가 크고 연마 시간에 따라 감소율이 빠르다. 또한 밀도 0.571인 패턴에서 가장자리와 중심의 최대 접촉률 차이가 연마 시간에 따라 0.3173, 0.1828, 0.0589, 0.05443%로 줄어들었다. 큰 패턴과 비교해보면 크기가 작은 패턴이 가장자리와 중심의 접촉률 차이가 작고 감소율이 빠르다. 이를 통해 패턴의 라운딩 현상은 패턴의 밀도가 낮고 크기가 클수록 크게 나타나고, 평탄화 속도는 패턴의 밀도가 낮고 크기가 작을수록 빠른 것을 예측할 수 있다.

Fig. 11 
RCA distribution in large pattern according to polishing time

Fig. 12 
RCA distribution in medium pattern according to polishing time

Figs. 11과 12를 통해 패턴 형상과 벌크 패드 층의 변형 형상의 상관 관계를 예측할 수 있다. 연마 전 단차가 크고 패턴 형상이 직각일 때 벌크 패드의 변형에 의해 가장자리에 패드 돌기의 접촉이 집중된다. 연마가 진행되면서 패턴의 곡률이 줄어들면서 벌크 패드의 곡률 또한 감소하여 패턴 내 돌기의 접촉이 균일해지는 것을 예측할 수 있다.

Fig. 13은 큰 패턴에서 유리 웨이퍼의 연마 결과와 측정된 실 접촉 면적 분포의 정합성을 비교한 그래프이다. Figs. 13(a)부터 13(c)는 각각 1분 동안의 연마량, 1분 연마 프로파일 기준 2분 동안의 연마량, 3분 연마 프로파일 기준 2분 동안의 연마량과 실 접촉 면적을 패턴의 중심 영역을 기준으로 패턴의 위치에 따른 분포를 비교한 그래프이다. 이를 통해 연마량과 실 접촉 면적 분포의 경향이 일치하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 13 
Compatibility comparison between amount of removal rate and real contact area

웨이퍼에 가해지는 외부 하중이 패턴과 패드 돌기의 접촉에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 가압 크기를 변화시키며 실 접촉 면적을 측정하였다. Table 1의 조건으로 컨디셔닝 공정을 거친 샘플 패드를 사용하였고, 3.2.1절과 같은 조건에서 측정되었다. 압력 조건을 2에서 5 psi로 단계적으로 조절하며 접촉 면적을 측정하였다.

Fig. 14는 가압 크기에 따른 돌기들의 접촉을 측정한 이미지로, 흰색 점들은 돌기의 접촉점이다. 압력이 증가할수록 돌기의 접촉 면적과 접촉 개수가 증가하는 것을 확인할 수 있다. Fig. 15는 압력 크기에 따른 패턴의 상부와 하부 영역에서의 실 접촉 면적 비율을 비교한 그래프이다. 한 점당 기준 면적에서 나타나는 돌기들의 접촉 면적의 합을 의미하며, 상부의 기준 면적은 10 × 1.2 mm², 하부의 기준 면적은 0.2 × 1.2 mm²이다. 상부와 하부 모두 압력이 증가할수록 접촉 면적이 증가하였다. 2 psi의 압력 조건에 비해 5 psi에서 돌기의 접촉 면적이 하부는 87.79, 상부는 184.26% 증가하였다. 이를 통해 하부에 비해 상부 영역에서 압력 증가에 따른 접촉 면적 증가율이 큰 것을 확인할 수 있다.

Fig. 14 
Images of real contact area according to applied pressure

Fig. 15 
Real contact area ratio under various applied pressure values

Figs. 16(a)와 16(b)는 패턴 상부의 중심(0)에서 가장자리(-5) 영역까지의 접촉 면적과 접촉점 개수의 분포를 나타낸 그래프이다. 모든 영역에서 압력이 증가할수록 접촉 면적과 접촉점 개수가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 2와 3 psi 조건에서는 접촉점 개수의 증가율에 비해 접촉 면적의 증가율이 큰 것을 확인할 수 있다. 이는 압력에 의해 접촉된 단일 돌기들의 압입량이 증가하여 접촉 면적이 증가한 것으로 예측할 수 있다. 반면 4와 5 psi에서는 패턴 가장자리 영역에서 접촉점의 개수가 급격히 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 압력이 증가함에 따라 높이가 낮은 돌기들이 접촉하게 되어 새로운 돌기들의 접촉에 의해 접촉 면적과 접촉점의 개수가 증가하는 것으로 예측할 수 있다.

Fig. 16 
Graphs of contact distribution in line according to applied pressure

Figs. 17(a)와 17(b)는 패턴 하부에서의 압력에 따른 접촉 면적과 접촉점 개수의 분포를 나타낸 그래프이다. 압력 증가에 따라 접촉 면적이 증가하는데, 5 psi의 압력 조건에서는 하부의 중심 영역에서는 접촉 면적과 접촉점의 개수가 증가하는 반면 가장자리 영역에서는 감소하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 17 
Graphs of contact distribution in line according to applied pressure

Figs. 16과 17을 통해 압력에 따른 벌크 패드의 변형을 예측할 수 있다. 상부 영역에서는 특정 압력에서 벌크 패드 변형이 나타나며 높이가 낮은 돌기들이 접촉하게 되면서 패턴의 가장자리 돌기의 접촉이 집중된다. 하부 영역에서는 특정 압력에 벌크 패드 변형에 의해 중심 영역에 돌기의 접촉이 집중되고, 가장자리 영역에서는 접촉을 하지 않는다. 즉 상부와 하부의 경계에서 PR‹접촉률이 급격하게 낮아진다. 이는 단차에 의한 높이의 불연속성에 의한 영향이라 판단된다.