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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 PDA 시스템을 사용하여, 측정한 분무특성과 에칭특성의 상관관계에 기초하여 몬테카를로 방법을 통해 분포특성을 모델링하고 현장에서 적용되는 여러 공정조건에 대한시뮬레이션을 수행하여 얻어진 결과를 통해 에칭특성을 예측하여 최적의 공정조건을 구하고자 한다. 이러한 예측기술이 확립되면 향후 습식 에칭공정의 에칭특성 향상에 공헌할 뿐만 아니라 생산라인 설계에 귀중한 정보로 제공할 수 있다.
제안 방법
- PDA 시스템을 통해 계측되어진 충격력의 분포를 회귀분석을 통하여 분무중심에서부터 반경 방향 거리에 따른 분사시의 분포함수로 변환하여 입력 값으로 사용하였다. 분무가 측정되는 영역을 10mm X 10mm 크기의 단위 셀로 나누고 각 단위 셀 내부에 충격력의 분포함수에 따라 랜덤한 좌표를 생성하였다.
- 또한 에칭공정 시뮬레이션에 의해 각. 노즐의 X-Y좌표를 계신; 생성한 뒤, 모델링 되어진 분무분포를 각 노즐에적용시켜 챔버를 통과하는 시편위에 플로팅한 다음 시편의 각 셀에서의 액적수와 균일도를 계산하였다. 프로그램의 코딩은 객체지향성이 우수한 Java 언어를 사용하여 구현하였다.
- 실제 에칭조건은 파이프 피치 100mm, 노즐피치가 200mm이다. 동일한 분사조건에서의 에칭 계수와 입자 수 및 에칭 균일도와 입자분포 균일도를 대응시켜 회귀직선을 구하였다.
- 것은 충격력으로 제시되었다. 따라서 에칭 계수의 크기와 에칭균일도를 계산하기 위해서 측정된 액적의 속도와 크기로 충격력을 구하였다. 충격력은 액적을 구형이라 가정했을 때 액적 체적를 이용하여 구한 액적의 질량에 축방향 속도를 곱하여 샘플링 시간으로 나눈 값으로 아래의 식 (2)로 표현된다.
- 에칭공정에서는 에칭계수와 균일도가 클 수록 집적화된 초정밀제품을 생산할 수 있다. 따라서 에칭계수와 균일도에 상당하는 입자 수의 평균과 입자수의 균일도가 높은 값을 가지는 공정조건을 구하였다. 시뮬레이션이 수행되는 공정의 고정조건 및 각 챔버에서의 선단거리 조건은 현장에서 다년간의 경험에 의해 축적되어진 정보를 토대로 선정하였으며 이는 Table 1과 Table 2 에 나타내었다.
- 유체의 비중과 점도에 관한 연구(3)에 의하면 물의 분무특성으로 염화철용액의 분무특성을 예측할 수 있었다. 따라서 염화철용액을 대신하여 물을 실험동안 일정한 온도로 유지하여 사용하였으며, 분무특성 측정값은 PDA장치의 측정체적을통과한 액적 5000개의 평균값으로 하였다.
- 즉정하였다. 또한 노즐에서부터 선단거리 150, 200, 250mm의 횡단면에 대해 분무중심으로부터 반경방향으로 분무가 분포하는 최외곽 영역의 위치까지 측정하였으며 작동유체의 분사압력은 0.3舫로 하였다. 에칭용액인 염화철용액의분사를 PDA 장치로 직접 측정하면 장비의 부식및 이물질의 부착으로 인한 손상이 우려된다.
- 값으로 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 확률분포로 플로팅하여 계산하였다.
- 분무에칭 시 분사압력 은 0.3MPa로 하였고에칭용액의 온도는 50℃ 로 하였으며 노즐 팁으로부터 시편까지의 수직거리인 선단거리는 각각 150, 200, 250mm로 하였다. 에칭이 끝난 시료의 에칭된 선폭과 깊이를 3차원 광학측정 장치를 사용하여 에 칭계수를 구하였다.
- 분무특성 측정은 예비실험을 통해 분무의 대칭성을 확인하여 분무중심축을 기준으로 분무횡단면의 1/4 단면에 대해서 PDA장치를 사용하여 분무특성을 즉정하였다. 또한 노즐에서부터 선단거리 150, 200, 250mm의 횡단면에 대해 분무중심으로부터 반경방향으로 분무가 분포하는 최외곽 영역의 위치까지 측정하였으며 작동유체의 분사압력은 0.
- 있다. 분사시스템은 펌프와 대형 수조를 배관으로 연결하여 순환식으로 작동 유체를 공급하도록 설치하였다. 'PDA시스템에서 레이저는 Argon-ion 레이저(최대줄력 5W)가 사용되었고 실험 시 사용출력은 2W로 하였으며 초점거리는송광부와 수광부 모두 400mm로 하였다.
- 본 연구에 사용된 에칭특성은 설계 시스템, 코팅시스템, 노광. 시스템 현상 시스템, 에칭 시스템, 박막 및수세시스템으로 구성된 성능테스트 장치에서 이루어졌고, 장치에 대한 설명은 지면관계상 생략한다.
- 실제 에칭공정을 실시한 소재전면에서 얻어진에칭계수 및 에칭균일도와 시뮬레이션으로 구한충격력의 평균 입자 수 및 분포 균일도와의 상호상관을 분석하였다.
- 5는 시뮬레이션 프로그램의 흐름도를 나타낸다. 입력조건에 따라 수집된 데이터베이스로부터 충격력 계산결과를 구하고 이것을 MC를 통해 분무분포로 모델링하였다. 또한 에칭공정 시뮬레이션에 의해 각.
- 분무가 측정되는 영역을 10mm X 10mm 크기의 단위 셀로 나누고 각 단위 셀 내부에 충격력의 분포함수에 따라 랜덤한 좌표를 생성하였다. 입자수는 그 좌표에 해당하는 확률분포로 플로팅하여 계산하였다. 랜덤 함수에 사용되는 난수는 난수표에 의거하였다.
- 노즐의 X-Y좌표를 계신; 생성한 뒤, 모델링 되어진 분무분포를 각 노즐에적용시켜 챔버를 통과하는 시편위에 플로팅한 다음 시편의 각 셀에서의 액적수와 균일도를 계산하였다. 프로그램의 코딩은 객체지향성이 우수한 Java 언어를 사용하여 구현하였다.
대상 데이터
- 분사시스템은 펌프와 대형 수조를 배관으로 연결하여 순환식으로 작동 유체를 공급하도록 설치하였다. 'PDA시스템에서 레이저는 Argon-ion 레이저(최대줄력 5W)가 사용되었고 실험 시 사용출력은 2W로 하였으며 초점거리는송광부와 수광부 모두 400mm로 하였다.
- 파이프들은 일정속도를 가지고 좌우 왕복운동을 하면서에칭액을 분사하고 챔버의 내부를 소재가 이송되어 통과하면서 에칭이 이루어지게 된다. 본 연구에 사용된 에칭특성은 설계 시스템, 코팅시스템, 노광. 시스템 현상 시스템, 에칭 시스템, 박막 및수세시스템으로 구성된 성능테스트 장치에서 이루어졌고, 장치에 대한 설명은 지면관계상 생략한다.
- 시뮬레이션에 사용되는 시편의 크기는 400mm X 400mm로 고정하였고 시뮬레이션이 종료된 후에칭계수의 분포를 계산하기 위해 시편을 10mm X 10mm크기로 나눈 뒤 각 셀에 대한 충격력 분포를 구하였다. 충격력 분포는 각 셀에서 입자수로 변환이 되어 에 칭계수의 크기 와 균일도로계산되었다.
- 따라서 에칭계수와 균일도에 상당하는 입자 수의 평균과 입자수의 균일도가 높은 값을 가지는 공정조건을 구하였다. 시뮬레이션이 수행되는 공정의 고정조건 및 각 챔버에서의 선단거리 조건은 현장에서 다년간의 경험에 의해 축적되어진 정보를 토대로 선정하였으며 이는 Table 1과 Table 2 에 나타내었다.
- 실제 에칭조건은 파이프 피치 100mm, 노즐피치가 200mm이다. 동일한 분사조건에서의 에칭 계수와 입자 수 및 에칭 균일도와 입자분포 균일도를 대응시켜 회귀직선을 구하였다.
- 에칭용액으로는 염화 제2철 용액이 사용되었으며 두께 150㈣의 니켈합금 동박판을 시편으로 사용하였다. 분무에칭 시 분사압력 은 0.
데이터처리
- 회귀모형이 충격력과 에칭계수와의 관계를 어느 정도 잘 표현하였는가를 확인하기 위해서 결정계 수법과 F-검정법을 사용하였다. 결정계수(衫) 은 0MR2M1의 값을 가지고 R2=l에 가까울 수록 회귀직선이 자료를 잘 설명하는 것이 되어 상관관계가 크다고 할.
이론/모형
- 입자수는 그 좌표에 해당하는 확률분포로 플로팅하여 계산하였다. 랜덤 함수에 사용되는 난수는 난수표에 의거하였다.
성능/효과
- (1) 에칭특성은 분무특성과 높은 상관관계를 가지므로 분무특성을 통해 에칭특성을 예측이 가능할 것으로 판단되었다.
- (2) 분무분포는 MC를 통해 모델링되어졌으며실험에 의해 측정된 값과 잘 일치하였다.
- (3) Np가 200mm인 경우, 에칭특성은 챔버내의선단거리가 150mm이고 Pp가 60mm일 때 향상되었다. Pp가 100mm인 경우, 에칭특성은 챔버내의선단거리가 150mm와 200mm이고 Np가 160mm일 때 향상되었다.
- (4) 예측된 결과로 볼 때 노즐의 근접거리에 따른 분무의 중첩영역의 특성에 대한 분석이 필요하며 에칭특성이 향상되는 선단거리 구간이 150, 200mm 사이에 존재하는 것을 알 수 있다.
- 입자수의 평균은 노즐피치가 감소할수록 증가하였고 선단거리가 150, 200mm인 Nl, N6 그리고 N16인 조건일 때 가장높게 나타났다. 균일도는 N9와 N19인 조건에서 가장 높게 나타났다. 위 결과로 볼 때 균일 도는 노즐 피치가 넓을 때 다소 높은 경향을 보이지만 전체적으로 큰 변화를 나타내지는 않는다.
- 6은 선단거리에 따라서 몬테카를로법을 통해 모델링된 분무분포를 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.
- 3MPa일 때 PDA장치를 통해 측정된 충격력과 모델링되어 계산된 충격력을 분무 중심에서 반경방향 거리에 따라 비교한 것이다. 실제 분무의 충격력은 반경방향거리가 증가할수록 감소하였으며 계산된 값은 이를 잘 추종하였다. 계산된 분무폭이 측정치보다 넓은 것은 유입되는 공기와 주위 공기와의 마찰로 인한 반경 방향의 모멘텀 감소에 인한 측정 가능한 유효분무 폭의 축소에 기인한 것으로 사료된다.
- 균일도는 N9와 N19인 조건에서 가장 높게 나타났다. 위 결과로 볼 때 균일 도는 노즐 피치가 넓을 때 다소 높은 경향을 보이지만 전체적으로 큰 변화를 나타내지는 않는다. 이것으로 보아 일정한 이송속도일 때는 이송 방향과 같은 방향의 피치변화에 대한 중첩영역의 영향이 적다고 사료된다.
- 10은 파이프 피치가 100mm일 때, 각 조건에 따른 평균 입자수와 균일도의 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다. 입자수의 평균은 노즐피치가 감소할수록 증가하였고 선단거리가 150, 200mm인 Nl, N6 그리고 N16인 조건일 때 가장높게 나타났다. 균일도는 N9와 N19인 조건에서 가장 높게 나타났다.
- 8은 노즐 피치가 200mm일 때, 각 조건에 따른 입자수의 평균과 입자수의 균일도의 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다. 입자수의 평균은 파이프 피치가 감소할수록 증가하였고 선단거리가 150mm인 N1 조건이 가장 높게 나타났다. 입자 수의 균일도는 N16과 N19인 조건일 때 가장 높게 나타났다.
- 11은 시뮬레이션을 수행한 결과 좋은 경우와 나쁜 경우에서 입자의 분포 구배를 나타낸 것이다. 좋은 경우일 때가 나쁜 경우일 때보다 평균 액적수가 5000개 이상 높았으며 시편에서 액적 분포의 구배차이가 작았다.
후속연구
- (5) 높은 에 칭특성을 가지는 공정변수의 조합을 예측할 수 있었다, 또한 계산된 결과는 실험에서 얻은 결과를 잘 추종하여 향후 Photomask 나 Tape substrate와 같은 미소부품의 가공결과 예즉에 적용할 수 있는 가능성을 보여주었다.
- 확장도 가능하다. 또한 에칭공정의 가상 실험에 활용할 수 있는 하나의 시뮬레이터로서의역할을 기대할 수 있으며, 실제 실험시의 비용이나 시간상의 비효율을 덜어주는데 큰 도움을 줄것으로 예상된다.
- 이러한 예측기술이 확립되면 향후 습식 에칭공정의 에칭특성 향상에 공헌할 뿐만 아니라 생산라인 설계에 귀중한 정보로 제공할 수 있다.
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