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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 에칭공정의 최적화를 위해 PDA 시스템을 사용하여 측정한 분무특성과 에칭 특성의 상관관계에 기초한 몬테카를로 방법을 통해 분포특성을 모델링하고 여러 공정조건에 따라 시뮬레이션을 수행하여 얻어진 결과를 통해 에칭 특성을 예측하여 공정변수의 최적조건을 구하고자 한다. 이러한 기술이 확립되면 향후 습식 에칭 공정의 에칭 특성 향상에 공헌할 뿐만 아니라 생산라인설계에 귀중한 정보로 제공할 수 있다.
- 분야에서 응용되고 있다. Aller?은 에칭 시간과 선폭이 에칭깊이와 에칭계수에 미치는 영향을 조사하였다. Viss®등은 비대칭 습식에칭이 고정 세화에 미치는 영향을 조사하여 높은 에칭계수와 비 대칭 에칭이 고정세화를 위해서 필요하다는 것을 주장하였다.
제안 방법
- 1. 몬테카를로법을 통해 모델링된 분무분포특성은 .선단거리가 증가할수록 분포영역이 커졌고 단 위셀 내의 분포도는 선단거리와 반경방향거리가 증가할수록 감소하는 경향으로서 측정된 분무 특성과 잘 일치하였다.
- PDA 시스템을 통해 계측되어진 충격력의 분포를 회귀분석을 통하여 분무중심에서부터 반경 방향 거리에 따른 분사시의 분포함수로 변환하여 입력값으로 사용하였다. 분무가 측정되는 영역을 10mm X 10mm 크기의 단위 셀로 나누고 각 단위 셀 내부에 충격력의 분포함수에 따라 랜덤한 좌표를 생성하였다.
- 실제 에칭공정에서는 에칭계수와 균일도가 클수록 집적화된 초정밀제품을 생산할 수 있다. 따라서 에 칭계수와 균일도에 상당하는 입자수의 평균과 입자수의 균일도가 높은 수치를 가지는 조건을 시뮬레이션의 최적해로 선정하였다. 시뮬레이터는 분무분포 모델링과 실험계획법에 의한 공정 시뮬레이션으로 구성되며 객체지향성이 우수한 Java 언어를 사용하여 구현하였다.
- 분무특성과 에칭특성에 관한 연구心'에 의하면 분무 특성 중 에칭계수와 큰 상관관계를 가지는 것은 충격력으로 제시되어있다. 따라서 에칭 계수의 크기와 균일도를 계산하기 위해서 측정된 액적의 속도와 크기로 충격력을 구하였다. 충격력은 액적을 구형이라 가정 했을 때 액적 체적를 이용하여 구한 액적의 질량에 축방향 속도를 곱하여 샘플링 시간으로 나눈 값으로 아래의 식(2)로 표현된다.
- 또한 노즐에서부터 선단거리 150, 200, 250 mm 의 횡단면에 대해 분무중심으로부터 반경 방향으로 분무가 분포하는 최외곽영역의 위치까지 측정하였으며 작동유체의 분사압력은 에칭시 분사압력과 동일한 0.3, 0.4MPa로 하였다. 에칭용액인 염화철 용액의 분사를 PDA 장치로 직접 측정하면 장비의 부식 및 이물질의 부착으로 인한 손상이 우려된다.
- 파이프들은 일정 속도를 가지고 좌우 왕복운동을 하면서 에 칭액을분사하고 챔버의 내부를 소재가 이송되어 통과하면서 에칭이 이루어지게 된다. 본 연구에 사용된 에칭 특성은 설계 시스템, 코팅시스템, 노광 시스템 현상 시스템, 에칭 시스템, 박막 및 수세 시스템으로 구성된 성능테스트 장치에서 이루어졌고, 장치에 대한 설명은 지면관계상 생략한다.
- 사용하였다. 분무 에칭시 분사압력은 0.3, 0.4 聊로 하였고 에칭용액의 온도는 50℃로 하였으며 노즐 팁으로부터 시편까지의 수직거리인 선단 거리는 각각 150, 200, 250 mm로 하였다. 에칭이 끝난 시편은 3차원 광학측정 장치를 사용하여 에칭된 선폭과 깊이를 구하여 에 칭계수를 산출하였다.
- 사용하였다. 분무가 측정되는 영역을 10mm X 10mm 크기의 단위 셀로 나누고 각 단위 셀 내부에 충격력의 분포함수에 따라 랜덤한 좌표를 생성하였다. 입자수는 그 좌표에 해당하는 확률분포로플로팅하여 계산하였다.
- 분무특성은 예비실험을 통해 분무의 대칭성을 확인하여 분무중심축을 기준으로 분무 횡단면의 1/4 단면에 대해서 PDA 시스템을 사용하여 측정하였다. 또한 노즐에서부터 선단거리 150, 200, 250 mm 의 횡단면에 대해 분무중심으로부터 반경 방향으로 분무가 분포하는 최외곽영역의 위치까지 측정하였으며 작동유체의 분사압력은 에칭시 분사압력과 동일한 0.
- 시뮬레이션에 사용되는 시편의 크기는 400mm X 400mm로 고정하였고 시뮬레이션이 종료된 후 에칭 계수의 분포를 보기 위하여 시편을 10mm X 10mm의 단위셀로 나눈 뒤 각 셀에 플로팅 된 입 자수의 평균값을 구하여 전체 시편에 대한 비를 계산하였다. 충격력 분포는 각 셀에서 입자 수로 변환이 되어 에칭계수의 크기와 균일도로 계산되었다.
- 따라서 에 칭계수와 균일도에 상당하는 입자수의 평균과 입자수의 균일도가 높은 수치를 가지는 조건을 시뮬레이션의 최적해로 선정하였다. 시뮬레이터는 분무분포 모델링과 실험계획법에 의한 공정 시뮬레이션으로 구성되며 객체지향성이 우수한 Java 언어를 사용하여 구현하였다.
- 실제 에칭공정을 실시한 소재전면에서 얻어진 에칭 계수 및 에칭균일도와 시뮬레이션으로 구한 충격력의 평균 입자 수 및 분포 균일도와의 상호상관을 분석하였다. 이를 위해 동일한 분사 조건에 서의 에칭 계수와 입자 수 및 에칭 균일도와 입자분포 균일도를 대응시켜 회귀직선을 구하였다.
- 분석하였다. 이를 위해 동일한 분사 조건에 서의 에칭 계수와 입자 수 및 에칭 균일도와 입자분포 균일도를 대응시켜 회귀직선을 구하였다.
- 분무가 측정되는 영역을 10mm X 10mm 크기의 단위 셀로 나누고 각 단위 셀 내부에 충격력의 분포함수에 따라 랜덤한 좌표를 생성하였다. 입자수는 그 좌표에 해당하는 확률분포로플로팅하여 계산하였다. 랜덤함수에 사용되는 난수는 난수표에 의거하였다.
대상 데이터
- PDA 시스템은 레이저를 포함한 송광부, 수광부, 신호처리기, 3차원 이송장치, 제어기 등으로 이루어져 있다. 레이저는 Argon-ion 레이저(최대출력 5W)가 사용되었고 실험시 사용출력은 2W로 하였으며 초점거리는 송광부와 수광부 모두 400mm로 하였다.
- 에칭에 사용되는 용액은 염화 제2철 용액이 사용 되었으며 두께 150㎛의 니켈 합금 동판을 시편으로 사용하였다. 분무 에칭시 분사압력은 0.
데이터처리
- 유지하여 사용하였으며, 분무특성의.측정값은 PDA 시스템의 측정 체적을 통과한 액적 5000개의 평균값으로 하였다.
- 회귀모형이 충격력과 에칭계수와의 관계를 어느 정도 잘 표현하였는가를 확인하기 위해서 결정계 수법과 F-검정법을 사용하였다. 결정계수(IS)의 범위는 (归 R七 1이고 r2=0에 가까울수록 회귀직선이 자료를 잘 설명하지 못한다는 것을 의미하고 1에 가까울수록 회귀직선이 자료를 잘 설명하는 것이 되어 상관관계가 크다고 할 수 있다.
이론/모형
- 입자수는 그 좌표에 해당하는 확률분포로플로팅하여 계산하였다. 랜덤함수에 사용되는 난수는 난수표에 의거하였다.
성능/효과
- 3. 평균 입자수와 균일도는 이송속도가 lm/min일 때 가장 높게 나타났다. 또한, 분사압력 0.
- 4. 본 연구의 결과를 종합해 볼 때 시뮬레이션을 수행하여 얻은 최적의 공정조건은 분사압력 0.3MPa, 선단거리 150, 200mm, 이송속도 1m/min, 파이프 피치가 60mm일 때임을 알 수 있다.
- 5. 에칭특성은 몬테카를로법과 에칭공정을 Java 언어로 구현한 시뮬레이터를 통해 예측할 수 있었다.
- 평균 입자수와 균일도는 이송속도와 파이프 피치가 각각 lm/min, 60mm인 N1 조건일 때 가장 높게 나타났다. 균일도는 선단거리 조건이 150, 200mm인 B 조건일 때 평균 98.5%이상으로 높게 나타났다. 다른 이송속도인 경우는 균일도가 상대적으로 낮게 나타났다.
- 평균 입자수와 균일도는 이송속도가 lm/min일 때 가장 높게 나타났다. 또한, 분사압력 0.3MPa이고 선단거리 조건이 150, 200mm의 조합인 A, B 조건일 때 99% 이상의 높은 균일도를 보였다.
- 4은 선단거리에 따라서 몬테카를로 방법을 통해 모델링된 충격력의 분포를 나타낸 것이다. 분포하는 영역은 선단거리가 증가할수록 커지지만 단 위셀 내부의 집중도는 선단거리와 반경방향 거리가 증가할수록 작아졌다. 따라서 넓고 균일한 분포를 가지면서 충분한 에칭력을 가지기 위해서는 적절한 범위의 선단거리를 가져야 한다.
- 몬테카를로법을 통해 모델링된 분무분포특성은 .선단거리가 증가할수록 분포영역이 커졌고 단 위셀 내의 분포도는 선단거리와 반경방향거리가 증가할수록 감소하는 경향으로서 측정된 분무 특성과 잘 일치하였다.
- 입자 수는。'!송속도가 lm/mm일 때 크게 나타났으며, 균일 도는 선단 거 리 가 증가할수록 감소하는 경향이 었으며이송속도에 상관없이 전반적으로 B조건일 때 높았다.
- 시뮬레이션을 수행한 결과 분사압력에 상관없이 이송속도가 lm/min일 때, 선단거리 조건이 B 조건이고 파이프 피치가 60mm인 경우가 높은 평균 입자 수를 가지며 균일도가 99%이상으로 높기 때문에 좋은 에칭특성을 가질 것으로 사료된다.
- 3MPa 일 때, 각 조건에 따라 시뮬레이션을 수행하여 구한 시편 전면에서의 평균 입자수와 입자수의 균일도를 나타낸 것이다. 이송속도가 lm/min일 때 평균 입자수와 균일 도는 선단 거리가 150, 200mm인 경우가 좋은 결과를 보였으며 파이프 피치가 60mm인 Nl, N4조건일 때가장 높게 나타났다. 이송속도가 2, 3m/min일 때는 선단 거리가 200, 200mm인 경우가 다른 조건들보다 좋은 결과를 보였고, 각각 N4조건과 N4, N6조건에서 가장 좋은 결과를 보였다.
- 시뮬레이션에 적용된 이송속도는 에칭액의 반응성 및 언더컷을 고려하여 1~3tn/min으로 선정하였다. 입자 수의 평균은 분사압력에 상관없이 이송속도가 lm/min 일 때 크게 나타났으며 이송속도가 증가할수록 감소하였다. 입자수의 균일도는 선단 거리에 따른 영향이 컸으며 일반적으로 B조건일 때 높게 나타났다.
- 입자수의 균일도는 선단 거리에 따른 영향이 컸으며 일반적으로 B조건일 때 높게 나타났다. 특히 분사압력이 0.3MPa일 때 99% 이상의 높은 균일도를 가지는 것으로 나타났다.
- 4MPa 일 때, 각 조건에 따라 시뮬레이션을 수행하여 구한 시편 전면에서의 평균 입자수와 입자수의 균일도를 나타낸 것이다. 평균 입자수와 균일도는 이송속도와 파이프 피치가 각각 lm/min, 60mm인 N1 조건일 때 가장 높게 나타났다. 균일도는 선단거리 조건이 150, 200mm인 B 조건일 때 평균 98.
후속연구
- 본 연구를 통해 나온 결과를 기초로 에칭 공정의 설계 문제로의 확장도 가능하며 회귀분석된 식에 다소 편차가 있다고 하더라도 에칭공정의 최적화를 할 수 있을 것으로 예상된다.
- 이러한 기술이 확립되면 향후 습식 에칭 공정의 에칭 특성 향상에 공헌할 뿐만 아니라 생산라인설계에 귀중한 정보로 제공할 수 있다.
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