CMP 후 발생된 결함들은 소자의 수율에 매우 악영향을 미친다. 따라서 CMP 후 세정 공정은 반도체 제조공정에서 당면한 매우 중요한 도전 과제 이다. 여러 가지 CMP 후 세정 공정 중, PVA브러쉬 세정은 오염물을 제거하는 가장 효과적인 방법이다. PVA 브러쉬 자체의 특성은 세정 효율에 영향을 크게 미치며, 그 중 교체 후 새 PVA 브러쉬 내부의 불순물과 세정 공정 중 발생되는 역오염이 특히 중요하다. 하지만 불순물의 조성 및 원인에 관한 연구 및 제거 방법에 관한 연구가 미흡하며, 역오염을 방지하는 방법에 관한 연구가 보고되지 않았다. 따라서 본 학위 논문에서는 세정 효율을 증가시킬 수 있도록 PVA 브러쉬로부터 발생된 결함과 그 제거에 관하여 다양한 관점에서 연구되었다. 첫 번째로, PVA 브러쉬 내부의 불순물의 종류 및 근원을 분석 하기 위하여 불순물을 고농도로 추출할 수 있는 초음파를 이용한 분석방법이 도입 되었다. 추출된 불순물은 용해성 및 비용해성으로 구성되어 있었으며, liquid particle analyzer, ...
CMP 후 발생된 결함들은 소자의 수율에 매우 악영향을 미친다. 따라서 CMP 후 세정 공정은 반도체 제조공정에서 당면한 매우 중요한 도전 과제 이다. 여러 가지 CMP 후 세정 공정 중, PVA브러쉬 세정은 오염물을 제거하는 가장 효과적인 방법이다. PVA 브러쉬 자체의 특성은 세정 효율에 영향을 크게 미치며, 그 중 교체 후 새 PVA 브러쉬 내부의 불순물과 세정 공정 중 발생되는 역오염이 특히 중요하다. 하지만 불순물의 조성 및 원인에 관한 연구 및 제거 방법에 관한 연구가 미흡하며, 역오염을 방지하는 방법에 관한 연구가 보고되지 않았다. 따라서 본 학위 논문에서는 세정 효율을 증가시킬 수 있도록 PVA 브러쉬로부터 발생된 결함과 그 제거에 관하여 다양한 관점에서 연구되었다. 첫 번째로, PVA 브러쉬 내부의 불순물의 종류 및 근원을 분석 하기 위하여 불순물을 고농도로 추출할 수 있는 초음파를 이용한 분석방법이 도입 되었다. 추출된 불순물은 용해성 및 비용해성으로 구성되어 있었으며, liquid particle analyzer, ICP-MS, TOF-SIMS, LC-MS와 같은 다양한 방법으로 분석 되었다. 용해성 불순물은 PDMS와 SDS로 구성되어 있었으며, 오일-워터 에멀전 및 CMP 후 세정 공정에서 관측되는 유기 오염물과 형상이 유사 하였다. 이를 통해 PDMS와 SDS는 Cu CMP 후 세정공정에서 발견되는 유기 오염물의 근원으로 추정되었다. 두 번째로, PVA 브러쉬 내부 불순물의 발생원인이 조사 되었다. PVA 브러쉬로부터 추출된 유기 오염물과 PDMS와 SDS가 혼합된 oil/water 에멀전을 비교함으로써, 유기 오염물의 발생원인이 확인되었다. 또한 사출 방법으로 제조된 롤 브러쉬와 기계 가공으로 제조된 펜슬 브러쉬가 유기 오염물을 발생에 미치는 영향이 조사되었다. 사출된 롤 브러쉬에는 비-발포 표면층이 있지만, 기계가공된 펜슬 브러쉬에는 표면에 표면층이 없는 것이 FE-SEM을 이용하여 확인되었다. 또한 TOF-SIMS를 이용해 측정된 PDMS의 농도는 표면층이 내부 구조보다 더 높은 것이 확인 되었다. 이를 통해 사출된 PVA 브러쉬의 표면층에는 금형이형제로 사용되는 PDMS의 농도가 더 높다는 것이 확인 되었다. 표면층이 없는 펜슬 브러쉬로부터 추출된 유기 오염물의 양이 표면층이 있는 롤 브러쉬 보다 적게 관측 되었다. 이 연구 결과는 CMP 후 세정 공정에서 유기오염물의 발생 메커니즘을 밝혔다. 세 번째로, PVA 브러쉬의 입자성 불순물을 제거하기 위한 초음파를 적용한 물리적 break-in 방법이 개발 되었다. 개발된 물리적 break-in 방법은 40 kHz의 주파수와 600 W의 입력전압의 초음파를 사용하였을 때 입자성 불순물을 5분이내로 매우 효과적으로 제거할 수 있었다. 하지만 초음파를 적용한 방법은 유기성 불순물은 제거할 수 없었으며, 이를 제거하기 위한 다른 전략이 필요하다. 네 번째로, PVA 브러쉬의 유기성 불순물을 제거하기 위한 화학적 break-in 방법이 개발 되었다. 화학적 break-in 방법을 위하여 높은 PDMS 용해력 및 물과의 혼화성을 갖고 있는 THF가 선정 되었다. PVA 물질이 갖는 고분자 용해를 예측할 수 있는 한센-용해 상수(HSP)가 다양한 용제 실험을 통해 계산 되었다. 또한 PVA, POM, PBT 물질의 손상을 방지하기 위하여, THF-물의 혼합 비율에 따른 용해 정도를 HSP를 이용하여 예측 및 최적화 하였다. 최적 농도를 적용한 화학적 break-in 공정 후 PVA 브러쉬의 물리적 특성에 변화가 없는 것이 확인 되었다. 또한 개발된 화학적 break-in 공정을 이용하여 유기성 불순물을 효과적으로 제거할 수 있었다. 마지막으로, PVA 브러쉬의 역오염을 방지하는 dipping, scrubbing, flow-through, ultrasonication 같은 다양한 conditioning 방법들을 FE-SEM을 이용하여 비교 평가 하였다. Dipping 방법은 모든 pH 조건에서 입자 제거 효율이 효과적이지 않다는 것이 관측 되었다. Scrubbing 방법은 강력한 물리적 힘에 의하여 효과적으로 입자를 제거 할 수 있었지만, 비-접촉 영역에서는 입자가 제거되지 않은 것이 확인 되었다. Flow-through 방법은 pH 11 조건에서 pH 3, 7 조건보다 높은 반발력 및 흐름에 의한 물리적 힘에 의하여 입자 제거 효율이 높은 것이 관측 되었지만, 유체 흐름의 불균일성으로 인하여 제거 되지 않는 입자가 존재하였다. 초순수 및 초음파를 이용한 방법은 PVA 브러쉬로부터 연마 입자를 제거하기에 매우 빠르며, 효과적이며, 친환경 적인 공정 기술로 확인되었다. 600 W의 입력 전력을 사용한 초음파 conditioning 방법은 PVA brush의 손상 없이 높은 입자 제거 효율을 달성할 수 있었다. 개발된 방법들의 장점은 brush로 발생된 결함을 감소시키고, CMP 후 세정효율을 증가시키는데 있다. 본 연구에서 제안한 방법은 반도체 CMP 후 세정 공정에 관한 연구에만 국한되는 것이 아니라, 어떠한 PVA 브러쉬 세정 공정에도 적용이 가능하여 무궁무진한 가능성을 내포 하고 있기 때문에, 추후 많은 좋은 양과 질의 연구 결과가 이어질 것으로 기대된다.
CMP 후 발생된 결함들은 소자의 수율에 매우 악영향을 미친다. 따라서 CMP 후 세정 공정은 반도체 제조공정에서 당면한 매우 중요한 도전 과제 이다. 여러 가지 CMP 후 세정 공정 중, PVA 브러쉬 세정은 오염물을 제거하는 가장 효과적인 방법이다. PVA 브러쉬 자체의 특성은 세정 효율에 영향을 크게 미치며, 그 중 교체 후 새 PVA 브러쉬 내부의 불순물과 세정 공정 중 발생되는 역오염이 특히 중요하다. 하지만 불순물의 조성 및 원인에 관한 연구 및 제거 방법에 관한 연구가 미흡하며, 역오염을 방지하는 방법에 관한 연구가 보고되지 않았다. 따라서 본 학위 논문에서는 세정 효율을 증가시킬 수 있도록 PVA 브러쉬로부터 발생된 결함과 그 제거에 관하여 다양한 관점에서 연구되었다. 첫 번째로, PVA 브러쉬 내부의 불순물의 종류 및 근원을 분석 하기 위하여 불순물을 고농도로 추출할 수 있는 초음파를 이용한 분석방법이 도입 되었다. 추출된 불순물은 용해성 및 비용해성으로 구성되어 있었으며, liquid particle analyzer, ICP-MS, TOF-SIMS, LC-MS와 같은 다양한 방법으로 분석 되었다. 용해성 불순물은 PDMS와 SDS로 구성되어 있었으며, 오일-워터 에멀전 및 CMP 후 세정 공정에서 관측되는 유기 오염물과 형상이 유사 하였다. 이를 통해 PDMS와 SDS는 Cu CMP 후 세정공정에서 발견되는 유기 오염물의 근원으로 추정되었다. 두 번째로, PVA 브러쉬 내부 불순물의 발생원인이 조사 되었다. PVA 브러쉬로부터 추출된 유기 오염물과 PDMS와 SDS가 혼합된 oil/water 에멀전을 비교함으로써, 유기 오염물의 발생원인이 확인되었다. 또한 사출 방법으로 제조된 롤 브러쉬와 기계 가공으로 제조된 펜슬 브러쉬가 유기 오염물을 발생에 미치는 영향이 조사되었다. 사출된 롤 브러쉬에는 비-발포 표면층이 있지만, 기계가공된 펜슬 브러쉬에는 표면에 표면층이 없는 것이 FE-SEM을 이용하여 확인되었다. 또한 TOF-SIMS를 이용해 측정된 PDMS의 농도는 표면층이 내부 구조보다 더 높은 것이 확인 되었다. 이를 통해 사출된 PVA 브러쉬의 표면층에는 금형이형제로 사용되는 PDMS의 농도가 더 높다는 것이 확인 되었다. 표면층이 없는 펜슬 브러쉬로부터 추출된 유기 오염물의 양이 표면층이 있는 롤 브러쉬 보다 적게 관측 되었다. 이 연구 결과는 CMP 후 세정 공정에서 유기오염물의 발생 메커니즘을 밝혔다. 세 번째로, PVA 브러쉬의 입자성 불순물을 제거하기 위한 초음파를 적용한 물리적 break-in 방법이 개발 되었다. 개발된 물리적 break-in 방법은 40 kHz의 주파수와 600 W의 입력전압의 초음파를 사용하였을 때 입자성 불순물을 5분이내로 매우 효과적으로 제거할 수 있었다. 하지만 초음파를 적용한 방법은 유기성 불순물은 제거할 수 없었으며, 이를 제거하기 위한 다른 전략이 필요하다. 네 번째로, PVA 브러쉬의 유기성 불순물을 제거하기 위한 화학적 break-in 방법이 개발 되었다. 화학적 break-in 방법을 위하여 높은 PDMS 용해력 및 물과의 혼화성을 갖고 있는 THF가 선정 되었다. PVA 물질이 갖는 고분자 용해를 예측할 수 있는 한센-용해 상수(HSP)가 다양한 용제 실험을 통해 계산 되었다. 또한 PVA, POM, PBT 물질의 손상을 방지하기 위하여, THF-물의 혼합 비율에 따른 용해 정도를 HSP를 이용하여 예측 및 최적화 하였다. 최적 농도를 적용한 화학적 break-in 공정 후 PVA 브러쉬의 물리적 특성에 변화가 없는 것이 확인 되었다. 또한 개발된 화학적 break-in 공정을 이용하여 유기성 불순물을 효과적으로 제거할 수 있었다. 마지막으로, PVA 브러쉬의 역오염을 방지하는 dipping, scrubbing, flow-through, ultrasonication 같은 다양한 conditioning 방법들을 FE-SEM을 이용하여 비교 평가 하였다. Dipping 방법은 모든 pH 조건에서 입자 제거 효율이 효과적이지 않다는 것이 관측 되었다. Scrubbing 방법은 강력한 물리적 힘에 의하여 효과적으로 입자를 제거 할 수 있었지만, 비-접촉 영역에서는 입자가 제거되지 않은 것이 확인 되었다. Flow-through 방법은 pH 11 조건에서 pH 3, 7 조건보다 높은 반발력 및 흐름에 의한 물리적 힘에 의하여 입자 제거 효율이 높은 것이 관측 되었지만, 유체 흐름의 불균일성으로 인하여 제거 되지 않는 입자가 존재하였다. 초순수 및 초음파를 이용한 방법은 PVA 브러쉬로부터 연마 입자를 제거하기에 매우 빠르며, 효과적이며, 친환경 적인 공정 기술로 확인되었다. 600 W의 입력 전력을 사용한 초음파 conditioning 방법은 PVA brush의 손상 없이 높은 입자 제거 효율을 달성할 수 있었다. 개발된 방법들의 장점은 brush로 발생된 결함을 감소시키고, CMP 후 세정효율을 증가시키는데 있다. 본 연구에서 제안한 방법은 반도체 CMP 후 세정 공정에 관한 연구에만 국한되는 것이 아니라, 어떠한 PVA 브러쉬 세정 공정에도 적용이 가능하여 무궁무진한 가능성을 내포 하고 있기 때문에, 추후 많은 좋은 양과 질의 연구 결과가 이어질 것으로 기대된다.
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