[논문]수직형 식각 장비의 노즐 분사 시스템에 대한 연구

김준영; 주강우; 윤종국; 유선중; 김광선

수직형 식각 장비의 노즐 분사 시스템에 대한 연구
A Research of Nozzle Spray System of Vertical Type Etcher 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.10 no.4, 2011년, pp.125 - 130

김준영 (한국기술교육대학교) , 주강우 (한국기술교육대학교) , 윤종국 (엠파워(주)) , 유선중 (삼성전기) , 김광선 (한국기술교육대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

The recent PCB (Printed Circuit Board) wet etcher has been needed to process pattern within $20{\mu}m$ width on a $20{\mu}m$ thick board. A previous PCB etcher can be used with multiple points of roller rolls or slips off a board. Also, the damage of the board by contacting the roller increases the friction defects. A vertical type boards transporting process is developed to solve the problems of boards friction and sagging in a horizontal etcher. In this research, CFD (Computational Fluid Dynamics) method is used to design an improved spray nozzle including the critical part of etcher, and establish the design method. Meanwhile, major spray characteristics are expected in diverse nozzle types and variables. Lastly, diverse simulation results are adapted to design an improved nozzle and spray system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 CFD를 통하여 수직 이송방식에서 에칭액의 균일한 도포를 위한 스프레이 시스템 개발에 중점을 두어 적합한 노즐의 형상 및 배열을 제안 한다.
본 연구에서는 기존 수평형 식각 장비의 결점을 보완하고자 새로 개발된 장비인 수직형 식각 장비에서의 노즐 분무 시스템 개발에 대한 연구를 진행하였다.
다음 단계에서는 해석이 완료된 Full Corn Type 노즐 해석 결과를 기반으로 한 멀티 노즐 유동해석을 수행하였다. 이 단계에서는 기존 노즐의 배열을 개선하여 식각을 효과적으로 하기 위한 배열에 대하여 연구하였다.

가설 설정

2. Concept of Vertical Type Equipment.

제안 방법

Flat type 노즐이 갖는 약점인 좁은 식각면적을 개선하고자 Full corn type노즐에 대한 시뮬레이션을 진행하여 Flat type 노즐에 비하여 넓은 식각 면적을 갖는 노즐을 제안, 변경하였다.
Multi-nozzle 시뮬레이션을 위하여 총 3가지 case를 제안 하였다. case1은 초기 개발에 사용된 배열이다.
23은 case3의 해석 결과를 나타낸다. case 1과 case 2에서 나타난 미식각과 과식각 가능성을 해결하기 위하여 노즐을 지그재그(Jig-Jag)로 배열하였다. 해석 결과 case 1과 case 2에 비하여 식각 영역이 균일해진 것을 알 수 있다.
Flat Type Nozzle의 식각 면적이 협소했던 부분을 개선하여 Full Corn Type Nozzle 을 사용해서 식각 면적을 확장시킴으로써 단일 노즐에 대한 연구는 완료하였다. 다음 단계에서는 해석이 완료된 Full Corn Type 노즐 해석 결과를 기반으로 한 멀티 노즐 유동해석을 수행하였다. 이 단계에서는 기존 노즐의 배열을 개선하여 식각을 효과적으로 하기 위한 배열에 대하여 연구하였다.
노즐 해석은 노즐 부분에 상당히 많은 격자를 요구하는데, 여러 개의 노즐을 한번에 해석하는 것은 해석 장비의 성능이나 시간 면에서 비효율적이다. 따라서 먼저 하나의 노즐을 해석하여 분사 단면의 값을 얻어 낸 후, 멀티노즐 해석에는 그 값을 적용하여 노즐부를 없애고 해석을 진행하였다. Fig.
먼저 기존 장비에서 사용되던 Flat type 노즐 해석을 통하여 시뮬레이션의 신뢰성을 검증하였다.
수치 해석의 검증을 위해 초기 장비에 사용된 Flat type 노즐을 시뮬레이션 하였다. Fig.
실제 장비에서 사용되는 형태의 노즐 배열을 시뮬레이션 하여 문제점을 파악하고 개선안을 도출 하였다.
case2는 case1에서 나타난 문제점들을 개선하기 위하여 제시된 모델이고, case3는 최종 적으로 개선하여 적용한 모델이다. 실제로 배열되는 노즐은 상당히 많지만 각각이 미치는 영향은 어떠한 패턴의 반복으로 나타나 므로 단순화 하여 해석 하였다. 이를 각각Fig.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 최근 기존의 수평이송방식이 아닌 수직 이송방식의 장비를 개발하였다(Fig. 2). 이 방식에서는 기판이 특수 이송 지그에 고정되어 공정이 진행되므로 기판의 휨도 방지 할 수 있고 수평 이송방식에서 나타난 문제점들을 원천적으로 방지 할 수 있다.
이상 지배 방정식들을 사용하여 노즐에 대한 해석을 진행하였다. 해석은 상용 CFD코드인 Star-CCM + 5.
0254 m²임을 알 수 있다. 일반적으로 원형에 비해 타원의 식각면적이 좁음을 알고 있으므로 이에 차기 개선 모델로 원형으로 분사가 가능하여 식각 면적을 보다 확대시켜 효과적인 식각을 위한 Full Corn Type nozzle을 제안 및 해석하여 노즐 모델 변경에 반영하였다.

대상 데이터

8 을 보면 플랫타입의 경우, 분사 형상이 타원으로 나타난다. 타원의 장축 길이는 180 mm, 단축 길이는 4 5mm이다. 따라서 식각 면적의 넓이는 0.

이론/모형

본 연구에서 다뤄지는 현상은 공기중으로 약액이 분사되는 것이다. 따라서 공기로 채워진 유동장에서 약액을 표현하기 위해 VOF 모델을 사용하였다. VOF 모델은 다상 유동 모델 중 유체 상호간의 침투가 일어나지 않아 계면 추적을 가능하게 한다.
본 연구에서는 평균 유동과 확산에 의한 난류 특성의 수송효과와 난류의 발생 및 소멸을 고려한 k-e난류 모델을 사용하였다. 표준 k-e모델은 k와 e을 위한 두개의 방정식을 포함한다.
14은 위의 모델과 경계조건으로 해석을 하였을 때의 노즐 출구 단면에서의 속도와 압력 분포이다. 이 결과를 멀티노즐의 해석에 적용하였다.
이상 지배 방정식들을 사용하여 노즐에 대한 해석을 진행하였다. 해석은 상용 CFD코드인 Star-CCM + 5.04버전을 사용하였다[7].

성능/효과

이상 3가지 case 에 대한 시뮬레이션 결과로 약액의 분사 면적에 의한 과식각/미식각 문제는 어느 정도 해결이 되었으나 노즐 중심부와 외각부의 압력차이는 해결되지 않았다. 이 압력차이는 노즐 자체의 특성에 의한 것으로 생각 된다.
입구 압력 2 bar, 3 bar에서 동일한 식각 거리(−50 mm~50 mm)의 충격력의 오차를 실험값과 시뮬레이션 데이터로 비교하면 압력 값의 변화에 따른 충격력의 오차가 2% 내외로 실험값과 거의 근접하는 것을 볼 수 있고, 이로써 동일 노즐에 대한 시뮬레이션은 실험값을 통해 검증되었다.
21은 case 1의 해석 결과를 나타낸다. 해석 결과를 살펴 보면 노즐과 노즐 사이의 간격이 넓어 약액이 닿지 않는 부분이 존재함을 알 수 있다.

후속연구

노즐 중심부와 외각부의 압력차이는 노즐 자체의 특성에 기인한 것으로 생각되며 이는 노즐 자체 개발에 대한 추가 연구가 필요한 실정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	식각(Etching)공정이란?	식각(Etching)공정은 반도체 및 디스플레이 공정 과정에서 형성된 박막을 선택적으로 두께를 얇게 하거나 불필요한 부분을 완전히 제거하며, 궁극적으로 기판 상에 미세 회로를 형성하는 공정으로써 현상 공정을 통해 형성된 PR패턴과 동일한 Metal 패턴을 만든다.[1] 현재 반도체용 기판 제조 공에서는 40 µm두께의 박판 기판에 20 µm이하의 선폭을 가진 미세회로를 안정적으로 공정할 수 있는 장비가 필요하다.
	현재 반도체용 기판 제조 공에서 필요한 것은?	식각(Etching)공정은 반도체 및 디스플레이 공정 과정에서 형성된 박막을 선택적으로 두께를 얇게 하거나 불필요한 부분을 완전히 제거하며, 궁극적으로 기판 상에 미세 회로를 형성하는 공정으로써 현상 공정을 통해 형성된 PR패턴과 동일한 Metal 패턴을 만든다.[1] 현재 반도체용 기판 제조 공에서는 40 µm두께의 박판 기판에 20 µm이하의 선폭을 가진 미세회로를 안정적으로 공정할 수 있는 장비가 필요하다. 기존 PCB공정 방식인 다점 롤러를 사용한 기판 구동 방식은 박판 기판의 말림/빠짐으로 인한 기판 손상을 초래한다.
	수직 이송방식의 장비를 개발한것은 어떤 문제를 해결하기 위함인가?	[1] 현재 반도체용 기판 제조 공에서는 40 µm두께의 박판 기판에 20 µm이하의 선폭을 가진 미세회로를 안정적으로 공정할 수 있는 장비가 필요하다. 기존 PCB공정 방식인 다점 롤러를 사용한 기판 구동 방식은 박판 기판의 말림/빠짐으로 인한 기판 손상을 초래한다. 또한 롤러의 접촉에 의해서 회로 패턴의 손상으로 인하여 불량률이 증가하는 문제가 있다(Fig. 1). 기판의 손상은 기존 장비의 롤 구동 방식에 의해서 초래된다. 기판을 이송하고 공정이 진행되면서 기판이 롤과 부분적으로 접촉되어 기판에 손상이 발생한다. 또한 기존 공정장비는 기판을 수평으로 이동시키면서 공정이 진행되기 때문에 기판의 처짐 현상으로 인하여 공정이 불균일하게 진행되어 생산 불량을 발생시킨다[2].

참고문헌 (7)

반도체일반과정 교재, 한국기술교육대학교 반도체장비기술교육센터, pp.85-88.
유선중(2009), "다구찌 방법을 이용한 BGA 현상 공정용 수직 습식 장비의 공정 최적화", 한국진공학회지, 제 18권 제 4호, pp.310-317.

원문보기 상세보기
Patankar, S. V., "Numerical Heat Transfer and Fluid Flow", McGraw-Hill, New York, pp11-14, 1980.
윤순현 외 5인(역), "Fundamentals of Fluid Mechanics", Fifth Edition, 학술정보, 2006
서지한(2007), 초소형 노즐 유동장에 관한 수치적 연구, 한국전산유체공학회지, 제 12권 제 4호, pp.38-43.
한명신, 서지한, 명노신, 허환일, "Navier-Stokes CFD모델을 이용한 소형노즐 유동장 해석", 한국항공우주학회, 한국항공우주학회 2004년도 추계학술발표회 논문집(II) 2004.11, page(s): 699-702.
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