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문제 정의
- 고농도 오존발생 성능목표인 최대 16[wt%03]의 오존 농도 특성을 갖는 오존가스가 생성되는 지의 여부를 확인하기 위하여 오존 생성 실험을 수행하였다. 세라믹 유전체 튜브 4개를 병렬로 연결하여 1개의 외부 케이스 내에 삽입하고 유전체 관 외부를 냉각수가 순환하도록 하는 제안 구조방식의 고순도 세라믹 연면방전관을 제작하였다.
- 고농도 오존증기 방식에 의한 반도체 감광막 고효율처리설비의 국내 실용화 개발연구를 수행하였다. 공정 핵심요소기술인 오존가스 생성농도 16[wt%/02] 이상의 초 고농도 오존 가스 생성을 위한 고농도 오존방전관 구조를 제안하였다.
- 가능성이 높은 구조이다. 따라서 본 연구에서는 고 순도의, 세라믹 튜브를 유전체로 하여 세라믹관 내부에 전자와 금속 전극과의 충돌에 의한 금속이온 방출을 최소화하기 위해 일반적으로 오존발생장치에 사용하는 스테인레스 재질보다 높은 구조적 경도 및 높은 용융점을 갖는 텅스텐 와이 어를 스프링 형태로 제작하여 삽입하고 이 와이어에 고전압을 인가하는 방법을 택하였다. 또한 세라믹 튜브 외부에 냉각수 케이스를 설치하여 유전체 외부를 냉각시킴과 동시에 접지전극으로 사용함으로써 고농도의 오존을 생성하기 위한 단면 수.
- 제안한 방전관으로 경계막 제어방식 오존처리 공정의 구현에 필요한 16[wt%/0의 높은 오존생성농도를 얻을 수 있는지를 실험을 통하여 고찰하였다. 또한 반도체 웨이퍼를 대상으로 감광막 제거시험을 수행하여 제안한 초고농도 오존방전관을 이용한 오존처리공정이 반도체 감광막 고효율 제거를 위한 실용화 핵심기반기술로 활용할 수 있는 지를 검토하였다.
- 본 논문은 현재 반도체 제조공정에서 이용되고 있는 오존생성농도 중 가장 높은 기상 오존농도를 필요로 하는 경계막 제어방식 오존처리공정을 국내 실용화 적용하기 위한 연구의 결과이다. 공정구현에 필요한 핵심 요소기술로서 16[wt%/02]급 이상의 고농도 오존생성을 위한 오존 발생시스템을 개발하였다.
제안 방법
- 공정구현에 필요한 핵심 요소기술로서 16[wt%/02]급 이상의 고농도 오존생성을 위한 오존 발생시스템을 개발하였다. 고농도 오존생성을 위한 방전관 구조로는 고 순도 세라믹 튜브를 이용한 연면방전구조에 유전체 외 부수 냉각 방식을 채택하였으며, 방전 중의 방전관 정전용량변화에 따라 방전전력을 조절할 수 있도록 공진 모드 제어방식의 25[kHz]대 고주파 전원공급장치를 설계하였다. 제안한 방전관으로 경계막 제어방식 오존처리 공정의 구현에 필요한 16[wt%/0의 높은 오존생성농도를 얻을 수 있는지를 실험을 통하여 고찰하였다.
- 국내 실용화 개발연구를 수행하였다. 공정 핵심요소기술인 오존가스 생성농도 16[wt%/02] 이상의 초 고농도 오존 가스 생성을 위한 고농도 오존방전관 구조를 제안하였다. 제안한 방전관 전용의 전원공급장치를 개발하여 고농도 오존생성 성능실험과 이를 이용한 감광막제거실험을 수행하였다.
- 결과이다. 공정구현에 필요한 핵심 요소기술로서 16[wt%/02]급 이상의 고농도 오존생성을 위한 오존 발생시스템을 개발하였다. 고농도 오존생성을 위한 방전관 구조로는 고 순도 세라믹 튜브를 이용한 연면방전구조에 유전체 외 부수 냉각 방식을 채택하였으며, 방전 중의 방전관 정전용량변화에 따라 방전전력을 조절할 수 있도록 공진 모드 제어방식의 25[kHz]대 고주파 전원공급장치를 설계하였다.
- 그림 10과 같이 감광막 제거시험을 위해 오존발생량 60g/hr 급의 초고농도 오존발생 시스템을 제작하였다. 오존공급 유량은 6-12[/min]으로 공정 챔버에 공급될 수 있도록 하였으며, 이때의 오존 농도는 14-16[wt%/O2]를 유지하도록 방전전력을 조절하였다.
- 또한 세라믹 튜브 외부에 냉각수 케이스를 설치하여 유전체 외부를 냉각시킴과 동시에 접지전극으로 사용함으로써 고농도의 오존을 생성하기 위한 단면 수.냉각방식 세라믹 연면 방전관을 제안하였다. 냉각수를 전극으로 이용할 경우 수 전극의 전기적 저항이 금속전극에 비해 크므로 금속전극을 이용하는 방전장치보다 더 큰 전기적 손실이 예상된다.
- 방전관의 오존발생농도 측정은 일본 Okitronics사의 최대 계측농도 20[wt%/02〕급 기상오존모니터를 사용하였다. 또한 방전으로 발생한 고농도의 오존가스를 분해하기 위하여 망간을 촉매로 하는 오존분해장치를 제작하여 방전관 후단에 삽입하였다. 제작한 연면 방전관 및 성능 실험 장치를 그림 4 에 보였다.
- 오존공급 유량은 6-12[/min]으로 공정 챔버에 공급될 수 있도록 하였으며, 이때의 오존 농도는 14-16[wt%/O2]를 유지하도록 방전전력을 조절하였다. 본 실험에서는 감광막 제거율에 영향을 주는 여러 공정 파라메터 중 주로 오존증기 반응 횟수와 웨이퍼 온도와 관련된 물 세정조건을 변화하면서 감광막 제거율을 측정하였다. 실험결과의 측정은 상기 시험 조건에 따라 감광막 제거시험을 수행한 각 시편 끝단에서 10mm 떨어진 부분의 상, 하, 좌, 우 및 중앙 5곳의 잔류 PR 두께를 측정하여 평균값을 취하였다.
- 전원공급장치의 2차 측 트랜스포머 설계는 제안한 연면방전관이 갖는 정전용량과의 LC 공진이 이루어져야하므로 사용하는 세라믹 유전체의 수량에 따라 트랜스포머의 턴 수를 조정하여 L값을 결정하여야 한다. 본 연구에서 사용한 세라믹 유전체로 제작된 연면 방전관의 경우 셀당 정전용량은 약 200[pF] 정도로서 개발한 전원공급장치는 4개의 셀을 하나의 방전관 단위로 설계하여 트랜스포머의 L값을 약 180[mH]가 되도록 하였다. 그림 5는 설계한 전원공급장치의 제 파라메터 값을 결정하기 위하여 수행한 시뮬레이션 파형을, 그림 6은 실제 제작한 전원공급장치를 나타낸다.
- 소형 오존발생장치용 전원공급 장치는 주로 전파정류 방식의 PWM 인버터 방식으로서, 사용주파수는 l-2[kHz]로서 비교적 높은 농도의 오존발생에 유리한 것으로 되어 있으나 부하의 변동에 방전전력을 능동적으로 가변하지 못한다. 본 연구에서는 공진형 인버터 방식의 전력변환방식에 영 전류 스위칭(Zero Current Switching) 방식의 전류제어기법을 채택하여 스위칭 손실에 의한 에너지 손실을 줄임으로써 고효율 전력공급이 가능하다. 25-30[kHz] 급의 공진주파수에서 전력소자인 IGBT를 제어하게 된다.
- 유전체관 내부에서 고 전계의 에너지밀도로 방전전력을 인가하면 방전 공간 내에 온도가 상승하게 되며 이러한 온도상승은 생성된 오존가스를 분해하기 때문에 고농도오존생성을 위해서는 반드시 방전으로 인한 열을 방출할 수 있도록 냉각장치를 고려하여야 한다. 본 연구에서는 유전체 외부를 직접 물을 순환시켜 냉각하므로 냉각수 온도 12도, 산소유량 1.2min에서 19.72[wt%], 18도에서 18.66[wt%/Oj 로 측정되어 냉각수 온도차에 따라 오존 생성농도가 l[wt%/02]이상 차이남을 확인하였다. 따라서 고농도 오존생성에 있어 효과적인 냉각방식이 고려되어야함을 알 수 있다.
- 설계한 고농도 방전관 시험장치는 다양한 시험조건 즉 원료 가스 유량 변화, 방전관 내 압력 변화, 냉각수 온도변화 및 방전전력 변화 등에 따룬 방전특성 변화를 측정할 수 있도록 그림 3과 같이 구성하였다. 특히 원료가스의 미세 유량 변화에 따른 방전특성 변화를 관찰하기 위하여 산소 가스를 정밀하게 제어 및 공급할 수 있는 Mass Flow Controller(Bronkhost사)를 사용하여 가스를 공급하도록 하였다.
- 이를 이용하여 실제 실리콘 웨이퍼의 감광막 제거를 위한 오존증기공정 실험을 수행하였다. 성능시험은 미리 정의한 공정 조건에 의해 6실리콘 웨이퍼를 낱장씩 챔버 내에서 반응공정을 수행 후 미반응되어 웨이퍼 표면에 잔류 된 PR 두께를 측정하는 방법을 사용하여 단위 시간 당 PR 제거율을 계산하는 방법으로 하였다. 사용한 감광막은 보편적으로 가장 많이 사용하는 positive PR 중 하나인 AZ1518을 제거 대상으로 하였으며, 실리콘 bare wafer에 PR 을 1.
- 오존 생성 실험을 수행하였다. 세라믹 유전체 튜브 4개를 병렬로 연결하여 1개의 외부 케이스 내에 삽입하고 유전체 관 외부를 냉각수가 순환하도록 하는 제안 구조방식의 고순도 세라믹 연면방전관을 제작하였다. 오존 생성 특성은 산소공급 유량, 방전관 압력, 방전전력 및 냉각수 온도를 가변하면서 오존농도 변화를 관찰하였다.
- 본 실험에서는 감광막 제거율에 영향을 주는 여러 공정 파라메터 중 주로 오존증기 반응 횟수와 웨이퍼 온도와 관련된 물 세정조건을 변화하면서 감광막 제거율을 측정하였다. 실험결과의 측정은 상기 시험 조건에 따라 감광막 제거시험을 수행한 각 시편 끝단에서 10mm 떨어진 부분의 상, 하, 좌, 우 및 중앙 5곳의 잔류 PR 두께를 측정하여 평균값을 취하였다. 측정에 사용한 박막 두께 측정시스템은 Mikropack 사의 Nanocal 2000으로서, 측정신뢰도는 약 2%이다.
- 세라믹 유전체 튜브 4개를 병렬로 연결하여 1개의 외부 케이스 내에 삽입하고 유전체 관 외부를 냉각수가 순환하도록 하는 제안 구조방식의 고순도 세라믹 연면방전관을 제작하였다. 오존 생성 특성은 산소공급 유량, 방전관 압력, 방전전력 및 냉각수 온도를 가변하면서 오존농도 변화를 관찰하였다. 오존발생량 특성은 방전관에서 생성되는 오존가스의 농도를 오존농도 측정기로 측정하고 이를 이용하여 식 1과 같이 계산하였다.
- 오존공급 유량은 6-12[/min]으로 공정 챔버에 공급될 수 있도록 하였으며, 이때의 오존 농도는 14-16[wt%/O2]를 유지하도록 방전전력을 조절하였다. 본 실험에서는 감광막 제거율에 영향을 주는 여러 공정 파라메터 중 주로 오존증기 반응 횟수와 웨이퍼 온도와 관련된 물 세정조건을 변화하면서 감광막 제거율을 측정하였다.
- 입증하였다. 이를 이용하여 실제 실리콘 웨이퍼의 감광막 제거를 위한 오존증기공정 실험을 수행하였다. 성능시험은 미리 정의한 공정 조건에 의해 6실리콘 웨이퍼를 낱장씩 챔버 내에서 반응공정을 수행 후 미반응되어 웨이퍼 표면에 잔류 된 PR 두께를 측정하는 방법을 사용하여 단위 시간 당 PR 제거율을 계산하는 방법으로 하였다.
- 오존발생량 특성은 방전관에서 생성되는 오존가스의 농도를 오존농도 측정기로 측정하고 이를 이용하여 식 1과 같이 계산하였다. 전원공급 장치의 인가전압은 3~6[kV] 사이이고 주파수는 23-28[kHz] 를 유지하여 방전현상에 따른 정전용량 변화에 따라 전력공급이 추종하도록 하였다.
- 공정 핵심요소기술인 오존가스 생성농도 16[wt%/02] 이상의 초 고농도 오존 가스 생성을 위한 고농도 오존방전관 구조를 제안하였다. 제안한 방전관 전용의 전원공급장치를 개발하여 고농도 오존생성 성능실험과 이를 이용한 감광막제거실험을 수행하였다.
- 고농도 오존생성을 위한 방전관 구조로는 고 순도 세라믹 튜브를 이용한 연면방전구조에 유전체 외 부수 냉각 방식을 채택하였으며, 방전 중의 방전관 정전용량변화에 따라 방전전력을 조절할 수 있도록 공진 모드 제어방식의 25[kHz]대 고주파 전원공급장치를 설계하였다. 제안한 방전관으로 경계막 제어방식 오존처리 공정의 구현에 필요한 16[wt%/0의 높은 오존생성농도를 얻을 수 있는지를 실험을 통하여 고찰하였다. 또한 반도체 웨이퍼를 대상으로 감광막 제거시험을 수행하여 제안한 초고농도 오존방전관을 이용한 오존처리공정이 반도체 감광막 고효율 제거를 위한 실용화 핵심기반기술로 활용할 수 있는 지를 검토하였다.
- 선정하였다. 제안한 방전관의 성능실험을 위해 설계한 방전관은 내부에는 세라믹 유전체 듀브 4개를 병렬로 연결하여 1개의 외부 케이스 내에 삽입하도록 하였다. 이는 대량의 오존이 필요할 경우 효과적으로 단위 방전관을 연결함으로써 원하는 발생량을 얻도록 하기 위함이다.
- 제안한 연면방전관의 방전 특성시험을 수행하기 위하여, 설계한 방전관의 다양한 특성변화에 대한 방전성능을 관찰할 수 있도록 고농도 방전관 전용 시험 장치를 설계, 제작하였다. 설계한 고농도 방전관 시험장치는 다양한 시험조건 즉 원료 가스 유량 변화, 방전관 내 압력 변화, 냉각수 온도변화 및 방전전력 변화 등에 따룬 방전특성 변화를 측정할 수 있도록 그림 3과 같이 구성하였다.
- 따른 오존농도 특성을 조사하였다. 제작한 고농도오존 성능 시험장치의 냉각장치 설정온도를 12도- 18도 사이에서 2도씩 변화하여 냉각수를 순환시키면서 농도변화를 관찰하였다. 유전체관 내부에서 고 전계의 에너지밀도로 방전전력을 인가하면 방전 공간 내에 온도가 상승하게 되며 이러한 온도상승은 생성된 오존가스를 분해하기 때문에 고농도오존생성을 위해서는 반드시 방전으로 인한 열을 방출할 수 있도록 냉각장치를 고려하여야 한다.
- 설계한 고농도 방전관 시험장치는 다양한 시험조건 즉 원료 가스 유량 변화, 방전관 내 압력 변화, 냉각수 온도변화 및 방전전력 변화 등에 따룬 방전특성 변화를 측정할 수 있도록 그림 3과 같이 구성하였다. 특히 원료가스의 미세 유량 변화에 따른 방전특성 변화를 관찰하기 위하여 산소 가스를 정밀하게 제어 및 공급할 수 있는 Mass Flow Controller(Bronkhost사)를 사용하여 가스를 공급하도록 하였다. 방전관의 오존발생농도 측정은 일본 Okitronics사의 최대 계측농도 20[wt%/02〕급 기상오존모니터를 사용하였다.
대상 데이터
- 성능시험은 미리 정의한 공정 조건에 의해 6실리콘 웨이퍼를 낱장씩 챔버 내에서 반응공정을 수행 후 미반응되어 웨이퍼 표면에 잔류 된 PR 두께를 측정하는 방법을 사용하여 단위 시간 당 PR 제거율을 계산하는 방법으로 하였다. 사용한 감광막은 보편적으로 가장 많이 사용하는 positive PR 중 하나인 AZ1518을 제거 대상으로 하였으며, 실리콘 bare wafer에 PR 을 1.6um(uniformity 3% 이내)로 도포한 후 soft baking 처리한 시편을 사용하였다.
- 제안한 방전관에 사용한 세라믹 유전체는 독일산 고순도 세라믹 튜브로서 외경 6[mm]f 길이 1000[mm]이며 특히 유전체 두께는 방전개시전압을 낮추기 위해 l[mm]의 얇은 튜브를 선정하였다. 제안한 방전관의 성능실험을 위해 설계한 방전관은 내부에는 세라믹 유전체 듀브 4개를 병렬로 연결하여 1개의 외부 케이스 내에 삽입하도록 하였다.
- 실험결과의 측정은 상기 시험 조건에 따라 감광막 제거시험을 수행한 각 시편 끝단에서 10mm 떨어진 부분의 상, 하, 좌, 우 및 중앙 5곳의 잔류 PR 두께를 측정하여 평균값을 취하였다. 측정에 사용한 박막 두께 측정시스템은 Mikropack 사의 Nanocal 2000으로서, 측정신뢰도는 약 2%이다.
성능/효과
- 감광막 제거시험 결과, 수행한 모든 시험 조건에서 2분이 지난 후 미 반응된 감광막 두께가 평균 600A 이하로 측정됨으로써 2분 동안의 평균 감광막 제거율 약 7, OOOA(7GOnm)을보였으며, 4분이 경과한 후(시편번호3, 6) 도포된 감광막이 거의 모두 제거됨으로써 평균 PR 제거율 약 4,000A(400nm)의 결과를 보였다.
- 3 [g/kWh])이내이면 생산성이 좋은 오존발생시스템으로 평가하고 있는데, 본 오존방전관의 경우 고농도 오존생성을 위해 높은 주파수대의 고효율 전원공급장치 설계와 수 냉각방식에 의한 유전체의 효과적인 냉각 등으로 오존 생성 수율이 매우 높게 나타났다. 따라서, 오존생성특성을 나타내는 오존 농도, 오존발생량 및 생성 수율 측면에서 모두 매우 우수한 특성을 나타냄을 확인함으로써, 제안한 연면 방전관 구조를 이용한 오존발생시스템이 반도체 또는 FPD 제조에 있어 가장 높은 오존농도를 필요로 하는 경계 막 제어방식에 의한 반도체 감광막 제거공정에 효과적으로 적용하기 위한 실용화적용 가능성을 입증하였다.
- 오존발생량의 경우 산소공급 유량이 증가함에 따라 발생량은 증가하므로 오존생성농도와는 반비례하는 특성을 가지고 있다. 산업용으로 이용되고 있는 무성방전에 의한 대용량 오존발생시스템의 경우 오존 l[kg/hr]< 생성하는데 약 12[kWh]의 전력(생성수율 83.3 [g/kWh])이내이면 생산성이 좋은 오존발생시스템으로 평가하고 있는데, 본 오존방전관의 경우 고농도 오존생성을 위해 높은 주파수대의 고효율 전원공급장치 설계와 수 냉각방식에 의한 유전체의 효과적인 냉각 등으로 오존 생성 수율이 매우 높게 나타났다. 따라서, 오존생성특성을 나타내는 오존 농도, 오존발생량 및 생성 수율 측면에서 모두 매우 우수한 특성을 나타냄을 확인함으로써, 제안한 연면 방전관 구조를 이용한 오존발생시스템이 반도체 또는 FPD 제조에 있어 가장 높은 오존농도를 필요로 하는 경계 막 제어방식에 의한 반도체 감광막 제거공정에 효과적으로 적용하기 위한 실용화적용 가능성을 입증하였다.
- 그러나, 유전체와 전극사이의 밀착력 증대로 인한 냉각효율 향상으로 방전.시 발열에 의한 오존 분해작용 억제로 고농도 달성에 적합할 것으로 판단된다.
- 오존증기 방식으로 실리콘 웨이퍼 감광막 제거공정 실험을 수행하였으며, 시험결과 평균 약 400[nm/min]대의 높은 PR 제거율을 얻었다 이는 기존의 침적식 오존 수에 의한 제거공정에 비해 약 3배의 높은 감광막 제거효율을 달성한 것으로서 개발한 초고농도 오존발생장치가 본 오존증기공정의 구현을 위한 핵심 요소기술로 활용할 수 있음을 확인하였다.
- 제안한 고농도 오존방전관 성능실험을 통하여 오존 증기를 이용한 감광막 제거공정 구현에 필요한 오존가스농도 16[wt%/02〕이상의 성능을 갖는 오존생성장치로서의 효용성을 입증하였다. 이를 이용하여 실제 실리콘 웨이퍼의 감광막 제거를 위한 오존증기공정 실험을 수행하였다.
- 25-30[kHz] 급의 공진주파수에서 전력소자인 IGBT를 제어하게 된다. 제안한 방전관 구조는 무성방전방식에 비해 방전개시전압이 낮아도 되며 특히 세라믹 유전체의 두께를 이하로 얇게 선정함으로써 방전개시 전압을 3~5[kV] 이하로 낮출 수 있었다. 이는 방전전력의 감소와 함께 2차 측 트랜스 제작에 있어 코일 턴수를 줄여 용적율을 작게 함으로써 열 발생에 의한 효율의 저하를 방지할 수 있다.
- 제안한 연면방전관 1개로 실험한 결과, 방전전력 300[W], 방전관에 공급하는 산소가스 유량 1.2[//min](각 세라믹 관당 0.3[//min])에서 오존생성농도는 19.71[wt%/02], 4[//min] 에서 12.0[wt%/02]의 고농도 오존생성 특성을 보였다. 오존 발생량의 경우 산소유량 4[//min]일 때 41.
후속연구
- 본 연구로 수행한 초고농도 오존발생시스템 개발 결과를 기반으로 하여 국내 반도체 및 디스플레이 제조업계에서 이용되어온 습식 화학액을 이용한 세정 및 감광막 제거공정을 오존을 이용하는 친환경, 경제적 공정으로 대체할 수 있기를 기대한다.
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