CMP 공정 원리와 순서, 슬러리와 패드가 하는 일

CMP 공정은 웨이퍼 표면의 요철을 화학 반응과 기계적 연마로 동시에 깎아 평평하게 만드는 공정이에요. 슬러리가 표면을 화학적으로 무르게 하고, 패드와 연마 입자가 그 부분을 갈아 내요. 막을 하나 쌓을 때마다 반복하기 때문에, 회로 층이 많은 칩일수록 CMP를 더 자주 거쳐요.

CMP 공정이란 무엇인가요?

CMP는 Chemical Mechanical Polishing(화학적 기계적 연마), 또는 Chemical Mechanical Planarization(화학적 기계적 평탄화)의 약자예요. SK하이닉스 뉴스룸은 CMP를 "웨이퍼 표면에 입혀진 박막에 발생된 요철이나 굴곡을 화학/기계적 요소를 통해 연마해 평탄화하는 공정"이라고 설명해요. 삼성반도체 뉴스룸도 회로를 그려 넣기 전 웨이퍼 표면을 거울처럼 매끄럽게 다듬어 다음 공정이 안정적으로 이뤄지게 하는 핵심 과정으로 소개해요.

이름에 "화학"과 "기계"가 함께 들어간 이유는 두 작용이 따로 놀면 안 되기 때문이에요. 기계적으로만 갈면 흠집이 깊게 남고, 화학적으로만 녹이면 원하는 곳만 골라 평평하게 만들 수 없어요.

왜 웨이퍼를 평평하게 깎아야 하나요?

반도체는 웨이퍼 위에 막을 쌓고 회로를 새기는 일을 여러 번 반복해 만들어요. 아래층에 회로가 있으면 그 위에 쌓은 막도 울퉁불퉁해지고, 층이 쌓일수록 높낮이 차이가 커져요.

• 배선이 고르게 나오지 않아요. SK하이닉스 뉴스룸은 이 공정을 거치지 않으면 회로와 소자 층이 울퉁불퉁해져 배선 폭과 막 두께가 균일하지 않고 전기 신호가 원활하게 흐르지 못한다고 설명해요.
• 노광 초점이 맞지 않아요. 미국 코넬대 나노팹(CNF)의 CMP 입문 자료에 따르면, 미세한 회로를 찍는 노광 장비일수록 초점 심도(DOF)가 좁아져요. 표면에 높낮이가 있으면 높은 곳과 낮은 곳에 동시에 초점을 맞추기 어려워요.
• 배선 층을 더 쌓을 수 없어요. 같은 자료는 CMP가 웨이퍼 전체를 평탄화(광역 평탄화)할 수 있는 유일한 방법이라고 설명해요. CMP 이전에는 초점 문제 때문에 배선 층이 3~4개로 제한됐고, 자료가 쓰인 2007년 기준으로는 7~8개까지 늘었어요.

CMP는 1980년대 후반 IBM이 칩에 금속 배선 층을 더 많이 넣기 위해 개발했어요(코넬대 CNF 자료). 그 전에는 붕소와 인을 섞은 산화막을 녹여 흘리거나 액체 상태의 유리막(SOG)을 바르는 방법을 썼지만, 좁은 영역만 평탄해지고 칩 전체의 높이 차이는 남았어요.

CMP 장비는 어떻게 생겼고, 원리는 무엇인가요?

장비의 기본 구조는 단순해요. 회전하는 테이블(플래튼) 위에 연마 패드를 붙이고, 웨이퍼를 붙잡은 헤드가 웨이퍼를 패드에 눌러 함께 돌려요. 그 사이에 슬러리를 계속 흘려 넣어요.

구성 요소의 역할은 SK하이닉스 뉴스룸과 코넬대 CNF 자료를 바탕으로 정리했어요. 코넬대 자료는 웨이퍼를 누르는 압력으로 4~10psi를 흔히 쓴다고 적고 있어요. 4psi보다 낮으면 웨이퍼가 패드 위에 떠서 미끄러지고, 10psi보다 높으면 웨이퍼가 깨질 위험이 있다고 해요.

원리를 한 줄로 줄이면 "튀어나온 곳이 먼저 깎인다"예요. 단차가 있는 웨이퍼를 누르면 패드는 높은 부분에만 닿고, 압력이 그곳에 몰려 더 빨리 깎여요. 그래서 높은 곳부터 낮아지면서 표면이 평평해져요.

CMP 공정 순서는 어떻게 되나요?

"CMP 공정 순서"는 두 가지 뜻으로 쓰여요. 한 번의 CMP 안에서 웨이퍼가 거치는 단계와, 칩 전체 공정 안에서 CMP가 들어가는 자리예요.

한 번의 CMP 안에서 거치는 단계

1. 웨이퍼 장착: 헤드가 진공으로 웨이퍼를 집어 패드 위로 옮겨요.
2. 연마: 패드와 헤드가 돌고, 슬러리를 흘리며 정해진 압력으로 깎아요. 아래층 막(질화막이나 산화막)을 정지막으로 삼아 원하는 높이에서 멈추게 설계해요.
3. 마무리 연마: 필요하면 제거량이 적은 짧은 연마로 흠집을 지우고 표면 거칠기를 낮춰요.
4. 세정과 건조: 웨이퍼를 젖은 상태로 세정기로 옮겨 슬러리 입자를 닦아 내요.

세정은 생각보다 까다로운 단계예요. 코넬대 자료에 따르면 슬러리가 웨이퍼 위에서 마르면 기계적으로 떼어 내기가 매우 어렵고, 입자가 정전기로 붙어 있어 물로 헹구기만 해서는 거의 떨어지지 않아요. 그래서 PVA 스펀지 브러시로 문지르고 묽은 암모니아수로 정전기 인력을 줄여요. 삼성반도체 뉴스룸은 2026년 4월, CMP 공정과 이후 세정 공정에서 겹치던 세정 작업을 합쳐 13단계를 줄인 사례를 소개했어요.

칩 공정 안에서 CMP가 들어가는 자리

위 흐름은 코넬대 CNF 자료를 바탕으로 정리했어요. 구리는 플라스마로 식각하기 어려워서, 절연막에 홈을 판 뒤 구리를 덮고 CMP로 바깥을 걷어 내는 다마신 방식으로 배선을 만들어요. 배선 층을 하나 올릴 때마다 절연막 평탄화와 금속 CMP를 반복하기 때문에, 층이 많은 칩일수록 CMP 횟수도 늘어요.

HBM처럼 칩을 쌓는 제품에서는 CMP가 더 늘어요. 조선비즈는 2024년 1월, HBM은 D램을 수직으로 쌓아 만들기 때문에 CMP로 표면을 평탄화해 칩 두께를 줄이고, 실리콘 관통 전극(TSV) 공정에서도 표면의 구리층을 CMP로 평탄화한다고 보도했어요.

CMP 슬러리, 패드, 컨디셔너는 어떻게 고르나요?

슬러리는 깎을 막에 맞춰요

코넬대 자료는 슬러리가 화학 작용과 기계 작용을 함께 쓰기 때문에 대부분 깎는 물질에 맞춰 만들어진다고 설명해요. 다른 막에 쓸 수는 있지만 원치 않는 결과가 나올 수 있다고 해요.

• 선택비를 먼저 보세요. 선택비는 두 물질이 깎이는 속도의 비율이에요. 정지막은 덜 깎이고 목표 막은 잘 깎여야 원하는 높이에서 멈출 수 있어요.
• STI에는 세리아 슬러리를 많이 써요. 삼성전자 특허(US6498102)는 세리아 슬러리의 산화막 대 질화막 선택비를 약 45:1, 흔히 쓰는 실리카 슬러리를 약 4:1로 적고 있어요.
• 패턴 웨이퍼에서 다시 확인하세요. 코넬대 자료에 따르면 막이 없는 평평한 웨이퍼로 잰 선택비는 실제 패턴 웨이퍼보다 높게 나오는 경우가 많아요. 패턴 가장자리가 더 빨리 깎이기 때문이에요.

슬러리의 입자 농도와 점도를 어떻게 잡는지는 연마재 슬러리 농도와 점도 제어로 CMP 공정 최적화에서 따로 다뤘어요.

패드는 가장 많이 쓰는 소모품이에요

SK하이닉스 뉴스룸에 따르면 패드는 CMP 소모재 중 가장 많이 쓰이고 교체 주기가 짧아 폐기량이 많아요. 회사가 쓰는 패드는 매월 1만 개가 넘고, 소모재 폐기물은 2019년 224톤에서 2022년 282톤으로 26% 늘었다고 해요. 같은 기사는 패드 표면 패턴을 다시 만들어 신품과 같은 성능을 낸 재활용 패드를 개발했다고 전했어요.

패드 시장은 소수 기업이 쥐고 있어요. 앞의 조선비즈 기사는 듀폰이 세계 CMP 패드 시장의 80% 이상을 차지한다고 보도했어요. 패드 수명을 관리하는 방법은 웨이퍼 불량 20% 줄이고 CMP 패드 수명은 최대 20% 늘린 비결에서 볼 수 있어요.

컨디셔너는 패드의 연마 속도를 지켜요

딱딱한 패드는 쓰다 보면 표면이 반들반들해지고(글레이징), 연마 속도가 시간이 지날수록 떨어져요. 다이아몬드 디스크로 패드를 문질러 이 표면을 걷어 내면 새 면이 드러나 연마 속도가 안정돼요(코넬대 CNF 자료). SK하이닉스 뉴스룸도 컨디셔너가 패드 위에 남은 웨이퍼 잔여물과 슬러리를 걷어 내 패드 돌기를 유지한다고 설명해요.

CMP 공정에서는 어떤 결함이 생기나요?

표의 내용은 코넬대 CNF 자료를 바탕으로 정리했어요. 디싱은 패드의 성질, 구조물 크기, 연마 조건(속도, 압력, 온도)에 따라 달라지고, 패턴 밀도 문제는 듬성한 영역에 더미 패턴을 넣어 밀도를 맞추는 식으로 줄여요. 같은 자료는 결함을 줄이려고 조건을 바꾸면 보통 연마 속도나 균일도 같은 다른 지표가 희생된다고 적고 있어요. 한 가지 지표만 보고 조건을 바꾸지 말고, 바꾼 뒤 다른 지표도 함께 확인하는 게 좋아요.

SiC, 사파이어 같은 단단한 기판도 같은 방식인가요?

원리는 같지만 앞 단계가 더 길어요. 2022년 학술지 Micromachines에 실린 SiC CMP 리뷰에 따르면 SiC는 매우 단단하고 잘 깨지며 화학적으로 잘 반응하지 않아요. 그래서 잉곳을 자른 뒤 다이아몬드 슬러리나 다이아몬드 휠로 랩핑과 연삭을 먼저 하고, 그 과정에서 생긴 가공 자국과 표면 아래 손상을 CMP로 지워요.

같은 리뷰는 SiC의 CMP 제거 속도가 시간당 수 마이크로미터에 그쳐, 분당 수 마이크로미터인 실리콘보다 훨씬 느리다고 설명해요. 앞 단계 랩핑에서 손상을 얼마나 얕게 남기느냐가 뒤의 CMP 시간을 좌우하는 이유예요. 기판과 공정별로 다이아몬드 슬러리를 어떻게 고르는지는 다이아몬드 슬러리 뜻과 산업별 최적 조합에 정리해 두었어요.

한스엠알오는 연마용 다이아몬드 슬러리와 연마재를 공급해요. 공정에 맞는 연마재가 필요하면 문의해 주세요.

CMP 공정 자주 묻는 질문