[논문]극저온 <tex>$CO_2$</tex> 세정공정의 세정인자 최적화

이성훈; 석종원; 김필기; 오승희; 석종혁; 오병준

문제 정의

따라서 활성이 적은 웨이퍼에 반도체 공정에서 감광물질(Photoresist; PR)로 사용하는 SU-8을 도포시켜 부착력을 강화시킴으로써 상기 환경을 상사하여 미세오염물 제거 양태를 실험적으로 모사하고자 하였다.
또한 이를 바탕으로 면적대비 50 %의 오염물이 제거되는 거리인 d50에 따른 오버랩 길이를 측정함으로써 최적화된 세정조건을 도출하고자 하였다.
본 연구에서는 CO2 분사 조건에 따른 최적화된 세정환경을 도출하기 위하여 실험실 규모(Lab-scale)의 극저온 CO2 세정 장치를 구성하였다. 아래 Fig.
본 연구에서는 광학현미경의 이미지 프로세싱을 통하여 세정실험 전 오염된 시편의 최초 오염물면적을 측정하였다. 세정실험 후 같은 실험 조건의 각 4개 지점에 대하여 상기한 방법과 마찬가지로 잔존한 오염물의 면적을 즉정하여 평균화하였다.
본 연구에서는 극저온 CO2 세정 공정에서 세정효율에 영향을 미치는 주요 인자들을 선정하고 이들의 변화에 따른 오염물의 세정 효율의 변화를 측정하여 평가함으로써 최적화된 세정인자들을 도출하고자 하였다. 주요인자는 공정변수로써 세정 효율에 지배적인 인자로 평가되는 유량, 분사거리 그리고 분사각도로 선정하였다.
본 연구에서는 미세 오염물을 효율적으로 제거할 수 있는 극저온 CO₂ 세정 실험을 통하여 CO2 분사조건 (유량, 분사거리, 분사각도)에 따른 웨이퍼 표면에 부착된 오염물의 세정 효율을 인자의 중요도에 따른 순차적 실험결과를 기초로 평가하였다. 또한 이를 바탕으로 면적대비 50 %의 오염물이 제거되는 거리인 d50에 따른 오버랩 길이를 측정함으로써 최적화된 세정조건을 도출하고자 하였다.
가정하였다. 본 연구에서는 상기 기술한 순서로 각 인자에 따른 최적치를 부분적으로 결정해 나가는 순차적인 실험을 수행하였다. 실험결과 Fig.
본 연구에서는 이전에 기술한 세정 장치 및 시편을 이용하여 C₆의 유량, 분사 거리 및 분사 각도에 따른 세정 효율을 측정하기 위한 실험을 수행하였다. 세정 실험 전 청정 분위기를 조성하기 위하여 질소 치환식 클리닝 챔버의 내부를 청정도 클래스 1000의 수준 이하로 유지하였다.

가설 설정

먼저 Hutchings 등의 연구결과"로부터 시편에 작용시키는 COr의 유량을 세정효율에 영향을 주는가 장 중요한 인자로 선정하였으며 이어 분사거리와 분사각도의 순서로 인자의 중요도를 가정하였다. 본 연구에서는 상기 기술한 순서로 각 인자에 따른 최적치를 부분적으로 결정해 나가는 순차적인 실험을 수행하였다.

제안 방법

주요인자는 공정변수로써 세정 효율에 지배적인 인자로 평가되는 유량, 분사거리 그리고 분사각도로 선정하였다.7,8 또한 초기 오염물 중에 50%의 오염물이 제거되는 길이로 정의되며 이에 따른 통계학적인 의미를 내포하고 있는 d50 개념을 도입하여 오버랩 거리범위(Overlap Length Range; OLR)를 측정하고, 세정 공정에서 OLR에 따른 최적화된 세정조건들을 도출하고자 하였다. 이때 d5o 개념을 이용하면 노즐의 행정을 오버랩시켜 이론적으로 100%에 가까운 오염물을 제거하면서 최대의 효율을 낼 수 있는 노즐의 행정을 결정할 수 있다.
세정실험 후 같은 실험 조건의 각 4개 지점에 대하여 상기한 방법과 마찬가지로 잔존한 오염물의 면적을 즉정하여 평균화하였다. 그 후 세정실험 전 최초 오염물 면적 대비 세정실험 후 제거된 오염물의 면적의 비율로써 세정효율을 계산하였다. 이때 한 측정점에 대하여 0.
노즐부에 공급되는 CO₂의 유량은 비교적 안정적으로 고상의 C₆가 생성될 수 있는 유량과 소비되는 COz의 유량을 고려하여 40, 60, 80, W0 (단위: g/min)으로 변화시켜 실험을 수행하였다. 또한 분사 거리는 30, 50, 70 (단위: mm), 분사각도는 30, 60, 90 (단위:。)로 각각 변화시켜 세정 실험을 수행하였다, 이때 분사거리는 시편의 세정 중심으로부터 노즐 출구단까지의 거리로 정의하였고, 분사 각도는 시편과 노즐 사이의 수직상태를 90。로 정의하였다.
통과한 액상의 co?는 노즐에서 분사되는 CO2의 속도를 제어할 수 있는 메터링 밸브(Metering val.,e; SS-4MG-MH, SWAGELOK)를 통과하며, 이때 유량은 코리올리식 질량 유량계(Coriolis mass flowmeter; RHM08-230VAC, RHEONIK)를 이용하여 측정 하였다. 그 후 압력계(Pressure gauge)를 이 용하여 압력 을 측정 하고 압력계를 통과한 액상의 CO₂ 는 분사장치에 도달한다.
5-1 mm 간격의 이미지 프로세싱을 통하여 세정실험 후 잔존한 오염물의 면적을 계산하였다. 다음으로 상기한 방법으로 측정된 거리에 따른 오염물의 세정효율에 대하여 곡선적합을 하였다. 이때 구한 곡선과 d50선과의 교점을 구함으로써 ORL을 계산할 수 있다.
변화시켜 실험을 수행하였다. 또한 분사 거리는 30, 50, 70 (단위: mm), 분사각도는 30, 60, 90 (단위:。)로 각각 변화시켜 세정 실험을 수행하였다, 이때 분사거리는 시편의 세정 중심으로부터 노즐 출구단까지의 거리로 정의하였고, 분사 각도는 시편과 노즐 사이의 수직상태를 90。로 정의하였다.
이러한 문제점을 개선하기 위하여 열원에 의해 가열된 n2 가스가 분사되는 직관형태의 노즐들이 co2 노즐의 출구 단주 위에 환형으로 분포되어 있다. 또한, 노즐 행정의 자동화를 위하여 x-y 스테이지(stage)를 사용함으로써 오버랩 길이와 세정 시 노즐행정 경로 및 이동속도를 제어할 수 있도록 하였다.
먼저 4인치 순수 웨이퍼(Bare-wafer) 표면의 이물질을 스핀코터(Spin coater)와 유기용매인 아세톤(Acetone)을 이용하여 세척한 후 SU-8을 도포하였다. 점도가 매우 높은 SU-8의 도포막 두께의 정량화를 위하여 아세톤을 희석시켜 도포하였으며, 이때 SU-8과 아세톤의 희석비율(부피비)은 각각 4 대 1 (SU-8: 80%, 아세톤: 20%)로 균일하게 하였다.
또한 클리닝 챔버 내부의 온도는 약 25℃, 습도는 약 8%로 유지하였다. 세정 시 노즐행정은 웨이퍼 표면에 대하여 시계 방향으로 정사각형을 이루는 경로를 따라서 200 mm/min의 속도로 구성하였으며, 총 행정 거리는 각 방향에 대하여 60 mm 씩, 총 240 mm 로 설정하였다.
측정하였다. 세정실험 후 같은 실험 조건의 각 4개 지점에 대하여 상기한 방법과 마찬가지로 잔존한 오염물의 면적을 즉정하여 평균화하였다. 그 후 세정실험 전 최초 오염물 면적 대비 세정실험 후 제거된 오염물의 면적의 비율로써 세정효율을 계산하였다.
N₂ 가스 치환중 챔버 내부 공기의 미세 입자에 대한 변화를 정량적으로 파악하기 위하여 미 세입자측정기(Particle counter)를 설치하였으며, 챔버 내부의 온.습도를 제어할 수 있도록 설계하였다.
시편의 세정경로에 대한 정사각형의 각 모서리 4개 지점을 측정점으로 선정하고, 세정 전 웨이퍼 표면 위의 알루미나 오염물의 면적에 대한 세정 후 잔존한 알루미나 오염물의 면적의 비로 세정 효율을 정의하였다. 측정을 위하여 광학 현미경과 이미지 프로세싱(Image processing)을 이용하였다.
시편의 오염물은 탈이온수 (De-ionized Water; DIW)에 아세톤을 같은 부피비로 혼합한 용액과 알루미나 파우더를 희석시키고, 이 용액을 스포이드로 웨이퍼 표면에 떨어뜨리며 스핀코터를 2500 rpm과 3000 rpm으로 각각 10초간 회전시켜 알루미나 입자를 PR막 표면에 균일하게 분산시킨 후 약 5 분간 베이킹을 하였다. 이때 아세톤은 기존 PR 막표면을 용해시켜 알루미나 파우더와 웨이퍼 사이의 점착력을 높이는 역할을 한다.
신뢰성 있는 세정 실험을 위하여 질소 치환식클리닝 챔버(Cleaning chamber)를 구성하여 챔버 내부를 청정한 분위기로 유지하였다. N₂ 가스 치환중 챔버 내부 공기의 미세 입자에 대한 변화를 정량적으로 파악하기 위하여 미 세입자측정기(Particle counter)를 설치하였으며, 챔버 내부의 온.
압력용기 내에 고압으로 주입 된 기 체 CO₂는 액상으로 용기 하단에 존재하므로 고상 CO₂의 생성 수율이 높은 액상 CO₂를 사용하기 위하여 용기의 출구에서 하단부까지 파이프를 설치하였다. 액상의 CO₂를 이용하는 경우 co2 내부에 용해되어 있는 탄화수소 등의 불순물이 기저부 표면이나 소자에 부착되는 2차 오염이 발생할 수 있기 때문에 고순도 CO2 (99.
측정을 위하여 광학 현미경과 이미지 프로세싱(Image processing)을 이용하였다. 이때 얻은 데이터를 바탕으로 OLR을 구하기 위해 2차 다항식 곡선적합(Quadratic polynomial curve fitting) 을 통하여 최초 오염물 면적 대비 세정된 오염물의 면적이 50%가 되는 길이(d50)를 계산하였다. 아래 Fig.
9는 분사거리에 따른 세정효율을 기초로 d50를 측정한 결과를 도시한 그림 이다. 이때 유량은 첫 번째 우선인자인 유량의 최적값인 80 g/min을 유지하였으며 시편과 노즐 사이의 거리는 각각 30 mm, 50 mm, 70 mm로 설정하였다. 즉 정결과 분사 거리에 따른 시편의 세정 중심점에 대한 세정효율은 각각 97.
10은 분사각도에 따른 세정효율을 바탕으로 d50를 구한 결과이다. 이때 첫 번째 및 두 번째 우선인자인 CO₂ 유량과 분사거리는 최대의 세정 효율을 보인 유량인 80 g/min과 분사거리 50 mm를 유지하였으며 시편과 노즐 사이의 각도는 각각 30°, 60°, 90º로 설정하였다. 측정 결과 분사각도에 따른 시편의 세정 중심점에 대한 세정 효율은 각각 81.
그 후 세정실험 전 최초 오염물 면적 대비 세정실험 후 제거된 오염물의 면적의 비율로써 세정효율을 계산하였다. 이때 한 측정점에 대하여 0.5-1 mm 간격의 이미지 프로세싱을 통하여 세정실험 후 잔존한 오염물의 면적을 계산하였다. 다음으로 상기한 방법으로 측정된 거리에 따른 오염물의 세정효율에 대하여 곡선적합을 하였다.
점도가 매우 높은 SU-8의 도포막 두께의 정량화를 위하여 아세톤을 희석시켜 도포하였으며, 이때 SU-8과 아세톤의 희석비율(부피비)은 각각 4 대 1 (SU-8: 80%, 아세톤: 20%)로 균일하게 하였다. 그 후 스핀코터를 처음 10초간 3000 rpm, 이후 50초간 3500 rpm으로 회전시켜 PR막을 균일하게 코팅하고, 가열판(Hot-plate)으로 약 60 ℃ 에서 30분간 베이킹(Baking) 하였으며, 베이킹 후 세정 과정에서 급냉에 따른 PR막 내부 열응력의 최소화를 위하여 약 30분에 걸쳐 웨이퍼를 서냉하였다.
하였다. 주요인자는 공정변수로써 세정 효율에 지배적인 인자로 평가되는 유량, 분사거리 그리고 분사각도로 선정하였다.7,8 또한 초기 오염물 중에 50%의 오염물이 제거되는 길이로 정의되며 이에 따른 통계학적인 의미를 내포하고 있는 d50 개념을 도입하여 오버랩 거리범위(Overlap Length Range; OLR)를 측정하고, 세정 공정에서 OLR에 따른 최적화된 세정조건들을 도출하고자 하였다.
정의하였다. 측정을 위하여 광학 현미경과 이미지 프로세싱(Image processing)을 이용하였다. 이때 얻은 데이터를 바탕으로 OLR을 구하기 위해 2차 다항식 곡선적합(Quadratic polynomial curve fitting) 을 통하여 최초 오염물 면적 대비 세정된 오염물의 면적이 50%가 되는 길이(d50)를 계산하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 Flexible-PCB와 같이 점착특성이 강한 폴리머를 세정 대상물로 선정하였다. 일반적으로 이러한 폴리머에 점착된 미세 입자의 점착에너지(Adhesion energy)는 웨이퍼나 금속재질의 표면을 가지는 기저부에 비해 매우 크기 때문에 기존의 건식세정법을 적용하여 효과를 얻기에는 한계가 있다.
하단부까지 파이프를 설치하였다. 액상의 CO₂를 이용하는 경우 co2 내부에 용해되어 있는 탄화수소 등의 불순물이 기저부 표면이나 소자에 부착되는 2차 오염이 발생할 수 있기 때문에 고순도 CO2 (99.999%)를 사용하였다.

성능/효과

실험 결과로부터 CO2 소모에 따른 경제성과 유효 세정거리에 따른 생산성을 고려해 볼 때, 인자의 중요도에 따른 순차적 실험결과 최적의 co2 분사조건은 유량은 약 80 g/min, 분사거리는 약 50 mm, 분사각도는 약 60º임을 알 수 있다. 또한 분사조건에 따라서 dso는 약 3.5 mm ~ 7.9 mm로 비교적 큰 차이를 보였으며, 최적의 분사조건에서의 d50는 약 7.9 mm로, 그 결과 최대의 효율을 낼 수 있는 행정 경로에 대한 오버랩 길이는 약 7.9 mm임을 알 수 있다.
05 mm 로 나타났다. 본 실험 결과, 상기 조건하에서 세정효율과 dm를 고려한 최적의 분사거리는 50 mm임을 알 수 있었다.
상기 과정을 통하여 시편에 부착시킨 오염물의 공간적 분포를 제어할 수 있었으며 시편과 오염물 사이에 부착력을 증가시킴으로써 정량화된 오염물 제거효율의 신뢰성과 재현성을 확보할 수 있었다.
46 mm로 계산되었다. 세정 효율의 측면에서 보면, 40 - 80 g/min 구간에서 유량의 증가 대하여 5% 이하의 낮은 세정 효율의 증가를 보인 반면에 80 - 100 g/min 구간에 대하여 약 15 %의 세정 효율의 증가를 보였다. 또한 40 - 60 g/min, 80 - 100 g/miri구간에서 유량 증가에 대한 d50는 약 0.
11은 (a) 유량, (b) 분사거리, (c) 분사각도에 따른 d* 의 변화를 도식화한 그림 이다. 실험 결과로부터 CO2 소모에 따른 경제성과 유효 세정거리에 따른 생산성을 고려해 볼 때, 인자의 중요도에 따른 순차적 실험결과 최적의 co2 분사조건은 유량은 약 80 g/min, 분사거리는 약 50 mm, 분사각도는 약 60º임을 알 수 있다. 또한 분사조건에 따라서 dso는 약 3.
실험결과, 세정에 걸리는 시간과 C₆ 소모량 등을 고려해 볼 때, 약 80 g/miri의 CO₂ 유량, 약 50 mm의 분사거리, 그리고 약 60º의 분사각도에서 최고의 세정 효율을 달성할 수 있음을 알 수 있었다. 또한 이러한 분사조건에서 d50에 따른 행정 경로에 대한 오버랩 길이는 약 7.
이때 유량은 첫 번째 우선인자인 유량의 최적값인 80 g/min을 유지하였으며 시편과 노즐 사이의 거리는 각각 30 mm, 50 mm, 70 mm로 설정하였다. 즉 정결과 분사 거리에 따른 시편의 세정 중심점에 대한 세정효율은 각각 97.1 %, 88.8 %, 85.6 %로 분사 거리가 증가할수록 세정 효율이 낮아지는 경향을 보였고, 이에 따른 &는 각각 4.15 mm, 6.28 mm, 5.05 mm 로 나타났다. 본 실험 결과, 상기 조건하에서 세정효율과 dm를 고려한 최적의 분사거리는 50 mm임을 알 수 있었다.
이때 첫 번째 및 두 번째 우선인자인 CO₂ 유량과 분사거리는 최대의 세정 효율을 보인 유량인 80 g/min과 분사거리 50 mm를 유지하였으며 시편과 노즐 사이의 각도는 각각 30°, 60°, 90º로 설정하였다. 측정 결과 분사각도에 따른 시편의 세정 중심점에 대한 세정 효율은 각각 81.8 %, 87.7 %, 87.4 %로 비교적 큰 차이를 보이지 않았고, dso는 각각 7.17 mm, 7.93 mm, 6.42 mm로 나타났다. 따라서 상기 조건하에서 시편과 노즐 사이의 각도에 대한 최적의 CO₂ 분사 조건은 약 60° 라고 결론 내릴 수 있다.
100 g/min이다. 측정 결과 유량에 따른 시편의 세정 중심점에 대한 세정 효율은 각각 71.1 %,73.9 %, 74.8 %, 89.8 % 로 나타났으며, mm는 각각 3.59 mm, 3.71 mm, 6.21 mm, 6.46 mm로 계산되었다. 세정 효율의 측면에서 보면, 40 - 80 g/min 구간에서 유량의 증가 대하여 5% 이하의 낮은 세정 효율의 증가를 보인 반면에 80 - 100 g/min 구간에 대하여 약 15 %의 세정 효율의 증가를 보였다.

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