[논문]반도체 생산공정의 감광액 도포를 위한 FPCS에 관한 연구

박형근

doi:10.5762/kais.2013.14.9.4467

[국내논문] 반도체 생산공정의 감광액 도포를 위한 FPCS에 관한 연구
Study on the FPCS for Photoresist Coating of Semiconductor Manufacturing Process 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.14 no.9, 2013년, pp.4467 - 4471

초록
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본 연구에서는 Nano급 반도체 생산공정에서 필수적인 스피너(spinner) 설비의 감광액 도포(photo resist coating)시스템의 효율을 획기적으로 개선할 수 있는 새로운 완전스캔(Full-scan) 방식의 감광액 도포시스템(FPCS : Full-scan Photo-resist Coating System)을 개발하였다. 또한, 감광액의 미 도포로 인한 복합적인 공정불량을 예방하기 위하여 실시간(real-time)으로 상태요소들을 감시할 뿐만 아니라 상태요소의 비정상적 변화나 웨이퍼 가공불량이 발생할 경우 해당 유니트(unit)를 정지시킴과 동시에 원격지에 있는 엔지니어에게 경보를 전송함으로써 즉각적인 대처가 가능할 수 있도록 개발하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this research, developed full-scan photoresist coating system(FPCS) can improve the efficiency of the photoresist coating system essential for spinner equipment in nano semiconductor manufacturing process. The devices developed in this research, which can be swiftly replaced in case abnormal state element changes or wafer manufacturing defect occurs, are anticipated to improve module yield as well as real-time monitoring on the state element in order to prevent the complex process defect due to the photoresist miss coating.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구개발에서는 Nano급 반도체 생산공정에서 필수적인 스피너(spinner) 설비의 감광액 도포(photo resist coating) 시스템의 효율을 획기적으로 개선할 수 있는 새로운 완전스캔방식의 감광액 도포시스템(FPCS : Full-scan Photo-resist Coating System)을 개발하였다.
본 연구의 개발 내용은 기존의 단일 노즐(Nozzle)을이용하여 회전축을 중심으로 원을 그리며 감광액 도포및 화학 증착 방식이 아닌 Y축 직선운동에 의한 Full-scan 방식을 이용함으로써 감광액의 유량을 정밀하게 제어하고 감광액의 분사 후 미 도포로 인한 공정손실 (Process Loss)을 ‘0(zero)'에 근접한 수준으로 유지할 뿐만 아니라 손실 및 에러 발생 시 신속한 대처가 가능하여 웨이퍼의 수율을 향상시킬 수 있도록 연구를 수행하였다.
화학 증착 방식이 아닌 Y축 직선운동에 의한 Full-scan 방식을 이용함으로써 감광액의 유량을 정밀하게 제어하고 감광액의 분사후 미 도포로 인한 공정손실을 예방하고 손실 및 에러 발생 시 신속한 대처가 가능하여 웨이퍼의 수율을 향상시킬 수 있도록 연구를 수행하였다. 추가적으로 모듈형 계측제어기와 함께 반도체 공정의 복합 노즐제어에 적합한 여러 응용 소프트웨어를 지원할 수 있도록 개발함으로써 결과적으로 정밀 제어와 약액(Chemical) 흐름제어를 상호 보완할 수 있을 뿐만 아니라 최소한의 비용투자와 최대의 효과를 창출할 수 있다.

제안 방법

또한, 감광액의 미 도포로 인한 복합적인 공정불량을 예방하기 위하여 실시간(real-time)으로 상태요소들을 감시할 뿐만 아니라 상태요소의 비정상적 변화나 웨이퍼 가공불량이 발생할 경우 해당 유니트(unit)를 정지시킴과 동시에 원격지에 있는 엔지니어에게 경보를 전송함으로써 즉각적인 대처가 가능할 수 있도록 개발하였다.
그러나 반도체 Wafer 제조 및 LCD 공정 검사와 같은 고난이도의 첨단 공정장비인 경우에는 현실적으로 외국의 공정장비 자체를 수입함으로써 반도체 수출의 증가와 함께 주요 생산 공정용 장비의 대일·대미 수입 의존도 역시 증가하는 부정적인 결과를 초래하고 있다. 특히, 향후 국가 기간산업과 미래 유망산업으로의 위치를 확고히 해 나가고 있다는 산업의 특수성으로 인해 특별히 현장상황에 맞춘 개발 작업이 필요한 경우의 공정장비는 국내업체가 특화하여 개발하는 것이 필수적이며, 본 연구에서는 Fig. 1의 반도체 제조공정에서 웨이퍼 가공공정에 필요한 Full-scan 방식의 FPCS를 개발하였다.
또한, 향후 반도체 생산공정에서 다양한 형태로 이용 되는 노즐 유닛의 정밀 위치 제어 및 테스트 용도로 특화된 모듈형 계측제어장치를 개발함으로써 기존 박스형 계측기가 아닌 PC 또는 PXI의 슬롯에 삽입되는 형태로 개발이 된다면 반도체 공정 뿐만 아니라 TFT-LCD 및 LED 디스플레이용으로도 개량이 가능한 장점을 갖도록 하였다. 추가적으로 모듈형 계측제어기와 함께 반도체 공정의 복합 노즐제어에 적합한 여러 응용 소프트웨어를 지원할 수 있도록 개발함으로써 결과적으로 정밀 제어와 약액(Chemical) 흐름제어를 상호 보완할 수 있을 뿐만 아니라 최소한의 비용투자와 최대의 효과를 창출할 수 있다.
추가적으로 모듈형 계측제어기와 함께 반도체 공정의 복합 노즐제어에 적합한 여러 응용 소프트웨어를 지원할 수 있도록 개발함으로써 결과적으로 정밀 제어와 약액(Chemical) 흐름제어를 상호 보완할 수 있을 뿐만 아니라 최소한의 비용투자와 최대의 효과를 창출할 수 있다. 또한, 세부 동작 시퀀스를 제어하기 위한 H/W와 S/W 시스템을 생산라인에 실장하고 성능점검을 통하여 제품화하였다.
Full-scan Nozzle Unit은 크게 Chemical과 Gas가 웨이퍼에 Full-scan 도포되는 고경도 PP 재질의 특수 Nozzle 부와 이 노즐의 비접촉 높이 관련 파라미터를 제어하고 구동을 담당하는 Z-Actuator 및 센서부, 노즐의 Full-scan 기능을 담당하며 timing Belt 시스템이 조합된 L.M Guide 및 Y Axis Timing Belt부로 분리함으로서 향후 제품의 개선 및 타 공정 응용개발이 용이하도록 개발하였다.
X, Y, Z Adjust는 F-Nozzle의 미세 높이, 전후, 수평, 수직 등의 위치를 미세하게 조정 후 고정하며, CABLE Chain은 F-Nozzle의 Y축 이동시 Z Motor Signal, Sensor Signal, Break Signal을 동시에 같이 이동하는 Block으로, 이때 Cable 등의 손상을 막기 위해 고속의 특수 Chain을사용하여 Y축 이동에 의한 Cable 손상을 최소화하였다.
또한 F-Nozzle Controller는 80B Type의 AC100V를 Cable을 통해 직접 입력 받을 수 있으며, C1 통합 Cable에 의해 모든 제어신호를 통제할 수 있다. 또한 발열방지를 위해 3000rpm의 고속 Fan을 사용하였으며, 외부 Chemical 등에 의한 내부 방수를 위해 준 밀폐형의 Chamber 구조를 실현하였다. 그리고 Motor Power는 Y Axis와 Z Axis 각각의 제어 영향에 의한 독립성 및 안정성을 최대한 보장하기 위해 2개의 고 정도 SMPS를 적용하였다.
또한 발열방지를 위해 3000rpm의 고속 Fan을 사용하였으며, 외부 Chemical 등에 의한 내부 방수를 위해 준 밀폐형의 Chamber 구조를 실현하였다. 그리고 Motor Power는 Y Axis와 Z Axis 각각의 제어 영향에 의한 독립성 및 안정성을 최대한 보장하기 위해 2개의 고 정도 SMPS를 적용하였다. 또한 각각의 장치 제어 부품들은 자체에 과부하 방지 Fuse를 가지고 있기 때문에 System의 문제로 인한 장치 손상을 최소화가 가능하도록 설계하였다.
그리고 Motor Power는 Y Axis와 Z Axis 각각의 제어 영향에 의한 독립성 및 안정성을 최대한 보장하기 위해 2개의 고 정도 SMPS를 적용하였다. 또한 각각의 장치 제어 부품들은 자체에 과부하 방지 Fuse를 가지고 있기 때문에 System의 문제로 인한 장치 손상을 최소화가 가능하도록 설계하였다.
Adjust 및 Cable Chain Unit은 노즐의 미세 높이, 전후 수평, 수직 등의 위치를 정밀하게 조정 후 고정 할 수 있는 X, Y, Z Adjust부와 노즐의 Y축 이동시 Z Motor Signal, Sensor Signal, Break Signal을 동시에 같이 이동하는 Cable Chain부로 분리함으로써 X, Y, Z 조정 및 이동에 의한 케이블 손상을 최소화할 수 있도록 개발하였다.
또한, 높이 및 전후좌우, 수평 등을 조정할 수 있는 Adjust를 추가함으로써 Spin Chuck과 동일한 수평을 유지할 수 있을 뿐만 아니라 약액의 Overflow를 검출하고 즉각적인 대처가 가능하도록 수위를 검출하는 기능도 고려하였으며, 개발된 BATH의 개념도는 Fig. 5와 같다.

성능/효과

이를 해결하기 위해 분사정도 및 유량을 미세하게 제어할 수 있는 새로운 노즐(Nozzle)시스템을 개발하기 위한 시도도 있었으나 양산 및 검증까지 장기간이 소요됨 으로 인하여 급격히 대형화되고 있는 세계적인 반도체 시장에서 기술적 적시성이 문제가 되는 것으로 나타났다. 따라서 이에 대한 대안으로 감광액(photo resist)의 분사및 도포를 정밀하게 제어할 수 있는 알고리즘과 응용이 가능한 알고리즘이 탑재된 풀 스캔 케미컬 코팅(Full-scan Chemical Coating) 장비의 필요성이 국내 반도체 관련 공정장비 업체에서 대두되어 왔다.

후속연구

또한, 향후 반도체 생산공정에서 다양한 형태로 이용 되는 노즐 유닛의 정밀 위치 제어 및 테스트 용도로 특화된 모듈형 계측제어장치를 개발함으로써 기존 박스형 계측기가 아닌 PC 또는 PXI의 슬롯에 삽입되는 형태로 개발이 된다면 반도체 공정 뿐만 아니라 TFT-LCD 및 LED 디스플레이용으로도 개량이 가능한 장점을 갖도록 하였다. 추가적으로 모듈형 계측제어기와 함께 반도체 공정의 복합 노즐제어에 적합한 여러 응용 소프트웨어를 지원할 수 있도록 개발함으로써 결과적으로 정밀 제어와 약액(Chemical) 흐름제어를 상호 보완할 수 있을 뿐만 아니라 최소한의 비용투자와 최대의 효과를 창출할 수 있다. 또한, 세부 동작 시퀀스를 제어하기 위한 H/W와 S/W 시스템을 생산라인에 실장하고 성능점검을 통하여 제품화하였다.
또한 웨이퍼 가공 공정상의 비효율성으로 인하여 웨이퍼가 불량으로 판정될 경우 폐기되거나 재작업(rework)해야 하고 불량을 판정하지 못할 경우 결과적으로 수율을 떨어뜨리는 결과를 나타낸다. 더욱이 사용자의 요구 증대 및 관련 기술의 발전으로 현재 생산되고 있는 반도체 웨이퍼의 규격이 급격히 증가할 뿐만 아니라 고가의 대형 웨이퍼들이 등장함에 따라 생산 공정상에서 수율을 높이기 위한 계속적인 연구개발과 공정개선을 위한 제어 장치에 대한 연구가 필수적이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	최근의 반도체 기술개발 동향은 어떤가?	최근의 반도체 기술개발 동향은 고집적도 및 고속 동작을 실현하면서도 생산비용을 절감하여 가격경쟁력을 확보하려는데 집중되어 있다. 특히 경쟁력을 갖춘 제품의 적기출하가 시장 지배력과 경제적 이익창출을 주도한다는 면에서 세계 주요 반도체 생산업체들의 경쟁은 더욱 더 치열하게 전개되고 있다.
	Full-scan Nozzle Unit은 어떻게 분리할 수 있는가?	Full-scan Nozzle Unit은 크게 Chemical과 Gas가 웨이퍼에 Full-scan 도포되는 고경도 PP 재질의 특수 Nozzle 부와 이 노즐의 비접촉 높이 관련 파라미터를 제어하고 구동을 담당하는 Z-Actuator 및 센서부, 노즐의 Full-scan 기능을 담당하며 timing Belt 시스템이 조합된 L.M Guide 및 Y Axis Timing Belt부로 분리함으로서 향후 제품의 개선 및 타 공정 응용개발이 용이하도록 개발하였다.
	웨이퍼가공 공정에서 공정불량을 일으키는 원인에는 무엇이 있는가?	반도체 제조공정에서 특히 웨이퍼가공(Fabrication)공정은 산화(Oxidation), 감광액 (PR ; Photo Resist)도포, 노광(Exposure), 현상(Development), 식각(Etching), 이온주입(Ion implantation), 화학기상증착(CVD ; Chemical Vapor Deposition), 금속배선(Metallization)공정과 같이 필수적으로 수행해야 하는 각종 공정이 매우 복잡할 뿐만 아니라 단일 노즐(Nozzle)을 이용하여 감광액이나 화학기상증착을 위한 Chemical 및 가스 도포과정 중에서 노즐의 정밀한 제어가 이루어 지지 않을 경우 심각한 공정 불량 및 수율 저하가 필연적이다[2,3]. 또한 이러한 공정불량을 일으키는 원인에는 최종 주입 속도제어(End Suck Speed Control), 공압 속도제어(Air Speed Control), 유량계 조절 불량 등과 같은 여러 가지 요인들이 영향을 미치며, 결국 웨이퍼 가공공정에서의 불량률 증가와 수율 저하를 야기한다.

참고문헌 (4)

Korea semiconductor industry association, http://ksia.or.kr, Understanding of semiconductor and status of semiconductor industry
Leslie KE. Binks RA. et. al., "Three component spinner magnetometer featuring rapid measurement times", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 11, No. 1, pp.1051-8223, Mar. 2001 DOI: http://dx.doi.org/10.1109/77.919331

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Villegas I, Napolitano P., "Development of a continuous -flow system for the growth of compound semiconductor thin films via electrochemical atomic layer epitaxy", Journal of the Electrochemical Society, Vol. 146, No. 1, pp. 117-124, Jan. 1999 DOI: http://dx.doi.org/10.1149/1.1391573

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Chiu WKS, Jaluria Y, "Continuous chemical vapor deposition processing with a moving finite thickness susceptor", Journal of Materials Research, Vol. 15, No. 2, pp.317-328, Feb. 2000 DOI: http://dx.doi.org/10.1557/JMR.2000.0050

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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