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문제 정의
- 본 연구에서는 FPD 고속 세정 시스템의 이류체 노즐을 이용한 오염입자 제거효율 평가 및 에어나이프의 건조 효율 평가를 진행하였다. 에어나이프의 분사 각도가 높을수록 건조효율이 높은 것으로 나타났으며 에어나이프와 기판사이의 간격이 좁을수록 에어나이프의 분사력이 강한 것으로 나타났다.
제안 방법
- 3-7) 또한 에어나이프는 기판 표면에 잔류하는 액체를 고압의 가스를 분사하여 표면에서 제거하는 건조 방법으로 FPD 세정장비에서 많이 사용되고 있는 건조 방법 중에 하나이다.8) 이류체 노즐의 세정부와 에어나이프와 할로겐 램프의 건조부로 구성된 FPD 고속 세정장비를 이용하여 FPD 고속 세정 시스템의 최적화 및 이류체 노즐에 의한 오염입자 제거효율 평가를 진행하였다.
- 에어나이프의 분사 각도가 높을수록 건조효율이 높은 것으로 나타났으며 에어나이프와 기판사이의 간격이 좁을수록 에어나이프의 분사력이 강한 것으로 나타났다. 85도의 에어나이프의 각도와 2 mm의 간격에서 에어나이프 건조 조건을 최적화 하였다. 이류체 노즐에 공급되는 초순수 및 질소 가스의 공급 압력 변화에 따른 오염입자 제거 효율 평가 결과 0.
- FPD 고속 세정기의 오염입자 제거효율 평가에 앞서, 기판표면의 액체를 건조시키는 에어나이프의 건조 효율 평가를 진행하였다. 에어나이프의 분사 각도 및 기판 사이의 간격에 따른 건조 효율 평가 결과를 Table 1에 나타내었다.
- 세정효율을 정량적으로 평가하기 위해 세정 전 후의 오염입자 개수를 surface scanner(Tencor, Surfscan 6200, USA)를 이용하여 정량적으로 측정하였다. 또한 실제 유리 기판에서의 오염입자 제거효율 평가를 위해 4인치 유리 웨이퍼를 사용하여 세정평가를 진행하였으며 오염입자 제거효율은 광학현미경(LV-100, Nikon, Japan)의 darkfield 모드를 적용하여 정량적으로 오염입자 제거 효율을 계산하였다.
- 본 실험에서는 FPD 고속 세정기의 이류체 노즐을 이용하여 오염입자를 제거효율 평가 및 에어나이프의 건조 효율 평가를 진행하였다. Fig.
- 1과 같이 FPD 고속세정기는 이류체 노즐의 세정부와 에어나이프와 할로겐램프의 건조부로 구성되어 있다. 세정공정 후 표면에 잔류하는 초순수의 제거를 위해 에어나이프의 각도를 45~90도로 변화하여 각도에 따른 건조 효율 평가를 진행하였으며, 에어나이프와 기판사이의 간격을 20~30 mm로 변화하여 각도에 따른 건조 효율 평가를 진행하였다. 이류체 세정력에 의한 오염입자 제거효율 평가를 위해 실리카(SiO2, Corpuscular, USA) 1.
- 2) 따라서 장비의 대형화로 인하여 청정도 유지를 위한 클린룸 설비 비용이 증가하고 세정공정에 많은 양의 초순수가 사용되며, 화학액 사용량 또한 급격히 증가하여 폐수 처리 비용에 따른 공정비용 증가로 인해 비용적인 측면과 환경적인 측면에서 많은 문제점을 야기시키고 있다. 세정공정의 세정단계를 단축시키고 높은 입자 제거효율과 함께 생산성 증가 및 비용절감 효과를 위해 이류체 노즐과 에어 나이프로 구성된 FPD 고속 세정기를 제작하였다. 이류체 세정은 이류체 노즐 내부에서 액체와 기체가 혼합되어 미세 액적이 형성된 후 빠른 속력으로 기판에 분사된다.
- 2 MPa로 변화하여 압력에 따른 이류체의 세정력 변화를 평가하였고, 이류체 노즐과 기판사이의 견격을 20~30 mm로 변화하여 기판 간격에 따른 오염입자 제거효율을 평가하였다. 세정효율을 정량적으로 평가하기 위해 세정 전 후의 오염입자 개수를 surface scanner(Tencor, Surfscan 6200, USA)를 이용하여 정량적으로 측정하였다. 또한 실제 유리 기판에서의 오염입자 제거효율 평가를 위해 4인치 유리 웨이퍼를 사용하여 세정평가를 진행하였으며 오염입자 제거효율은 광학현미경(LV-100, Nikon, Japan)의 darkfield 모드를 적용하여 정량적으로 오염입자 제거 효율을 계산하였다.
- 에어나이프의 각도를 낮을 때와 기판과의 간격이 큰 경우 기판표면에 워터마크가 잔류하는 것을 확인할 수 있었으며, 85도 각도와 2 mm의 간격에서 기판의 액체가 모두 제거되어 워터마크가 남지 않는 것으로 나타났다. 에어나이프의 건조 효율평가 결과를 바탕으로 에어나이프의 건조 조건을 85도 각도와 2 mm 간격으로 고정 시킨 후 이류체 노즐을 이용한 오염입자 제거효율 평가를 진행하였다.
- 이러한 결과를 바탕으로 질소 가스의 압력을 0.2 MPa로 최대 압력으로 설정하고, 소모되는 초순수의 양을 최소로 하기 위해 초순수의 공급 압력은 0.01 MPa로 이류체 세정 조건을 최적화 시킨 후 이류체 노즐과 기판사이의 거리에 따른 오염입자 제거효율 평가를 진행하였다. Fig.
- 초순수와 실리카 입자를 혼합한 오염용액을 제작하여 6 인치 실리콘 웨이퍼 표면에 뿌려 회전 방식으로 용액을 건조시킨 후 표면에 증착된 오염입자를 1일 동안 클린룸 내에서 방치하여 고착화 시킨 후 오염입자 제거효율 평가를 진행하였다. 이류체 노즐 각도는 90도로 고정하였으며 이류체 노즐에 공급되는 초순수와 질소 가스의 공급 압력은 각각 0.01~0.1 MPa, 0.05~0.2 MPa로 변화하여 압력에 따른 이류체의 세정력 변화를 평가하였고, 이류체 노즐과 기판사이의 견격을 20~30 mm로 변화하여 기판 간격에 따른 오염입자 제거효율을 평가하였다. 세정효율을 정량적으로 평가하기 위해 세정 전 후의 오염입자 개수를 surface scanner(Tencor, Surfscan 6200, USA)를 이용하여 정량적으로 측정하였다.
- 이류체 노즐에 공급 되는 초순수와 질소 가스의 압력이 이류체 세정력에 미치는 영향에 대해 평가를 진행하였다. Fig.
- 5 µm 입자를 사용하였다. 초순수와 실리카 입자를 혼합한 오염용액을 제작하여 6 인치 실리콘 웨이퍼 표면에 뿌려 회전 방식으로 용액을 건조시킨 후 표면에 증착된 오염입자를 1일 동안 클린룸 내에서 방치하여 고착화 시킨 후 오염입자 제거효율 평가를 진행하였다. 이류체 노즐 각도는 90도로 고정하였으며 이류체 노즐에 공급되는 초순수와 질소 가스의 공급 압력은 각각 0.
- 최적화 된 이류체 세정 조건을 이용하여 유리 기판에서의 입자 제거 효율 평가를 진행 하였다. Table 3에 4인치 유리 웨이퍼 기판에서 각 위치에 따른 세정 전 후의 오염 입자 개수 및 오염 입자 제거 효율 결과를 나타내었다.
대상 데이터
- 이류체 세정력에 의한 오염입자 제거효율 평가를 위해 실리카(SiO2, Corpuscular, USA) 1.5 µm 입자를 사용하였다.
성능/효과
- 기판과의 간격이 증가할수록 에어나이프의 분사력이 감소하여 기판표면에 워터마크가 잔류하는 것을 볼 수 있었으며, 기판과의 간격이 5 mm 이하에서 건조가 완벽하게 이루어졌다. Fig.
- 이류체 노즐에서 분사된 액적이 기판 표면에 충돌하여 발생되는 fluid velocity가 증가하게 되면, 기판 표면에 존재하는 오염입자가 받는 drag force는 fluid velocity의 제곱에 비례하여 증가하게 된다. 따라서 질소 가스(캐리어 가스)의 압력이 증가할수록 이류체 노즐에서 분사된 액적의 fluid velocity가 증가하게 되어 이류체 세정력이 증가하는 것을 알 수 있다.
- 실리콘 웨이퍼 기판과 마찬가지로 유리 웨이퍼 기판에서도 90 %가 넘는 오염입자 제거효율 결과를 확인 하였으며, 실험결과를 토대로 실제 FPD 기판에서의 이류체 세정공정 적용이 가능할 것으로 사료된다.
- 에어나이프의 분사 각도를 45도에서 90도까지 변화하여 평가한 결과 45도, 60도의 각도에서는 에어나이프의 분사력이 약해 액체가 완전히 제거되지 않고 남아있어 기판 표면에 워터마크(watermark)를 형성한다. 에어나이프의 각도가 높을수록 에어나이프의 분사력이 강해지므로 각도가 높을수록 건조 효율이 높은 것으로 나타났다.
- 2에 각 조건에서의 건조 효율 평가 결과를 나타내었다. 에어나이프의 각도를 낮을 때와 기판과의 간격이 큰 경우 기판표면에 워터마크가 잔류하는 것을 확인할 수 있었으며, 85도 각도와 2 mm의 간격에서 기판의 액체가 모두 제거되어 워터마크가 남지 않는 것으로 나타났다. 에어나이프의 건조 효율평가 결과를 바탕으로 에어나이프의 건조 조건을 85도 각도와 2 mm 간격으로 고정 시킨 후 이류체 노즐을 이용한 오염입자 제거효율 평가를 진행하였다.
- 본 연구에서는 FPD 고속 세정 시스템의 이류체 노즐을 이용한 오염입자 제거효율 평가 및 에어나이프의 건조 효율 평가를 진행하였다. 에어나이프의 분사 각도가 높을수록 건조효율이 높은 것으로 나타났으며 에어나이프와 기판사이의 간격이 좁을수록 에어나이프의 분사력이 강한 것으로 나타났다. 85도의 에어나이프의 각도와 2 mm의 간격에서 에어나이프 건조 조건을 최적화 하였다.
- Table 3에 4인치 유리 웨이퍼 기판에서 각 위치에 따른 세정 전 후의 오염 입자 개수 및 오염 입자 제거 효율 결과를 나타내었다. 유리 기판에서의 오염입자 제거효율은 실리콘 기판에서의 오염입자 제거효율 결과와 비슷한 약 94 %로 나타났으며, Fig. 6 에서 오염 입자가 제거된 것을 광학현미경으로 관찰한 결과를 나타내었다. 유리 웨이퍼 기판 표면에 오염된 실리카 입자는 이류체 세정을 통해 세정 전(a) 약 2000개에서 이류체 세정공정 후(b) 80여 개의 오염 입자만 유리 웨이퍼 기판 표면에 잔류하는 것을 확인 하였다.
- 초순수의 공급 압력 보다는 질소 가스의 공급 압력이 증가할수록 액적의 세정력이 증가하여 오염 입자 제거효율이 높은 것으로 나타났으며 초순수의 공급 압력을 낮춤으로써 소모되는 초순수의 양을 줄일 수 있었다. 이류체 노즐과 기판 사이의 간격이 가까울수록 세정력이 증가하였으며 기판사이의 간격은 2 mm로 최적화 하였다. 이류체 세정을 통해 1.
- 이류체 노즐과 기판사이의 간격이 20 mm일 때, 약 95 %의 입자 제거효율을 나타냈으며 간격이 증가함에 따라 오염입자 제거효율이 점차 감소하여 30 mm의 간격에서 오염입자 제거효율이 약 90 %로 나타났다. 이류체 노즐과 기판 사이의 간격이 증가할 수록 이류체 노즐에서 분사된 액적의 속력이 감소하여 이류체 세정력의 감소로 이어져 입자 제거효율이 감소하는 것을 알 수 있다.
- 5에 이류체 노즐과 기판사이의 간격을 20 mm에서 30 mm로 변화하였을 때 오염 입자 제거 효율결과를 나타내었다. 이류체 노즐과 기판사이의 간격이 20 mm일 때, 약 95 %의 입자 제거효율을 나타냈으며 간격이 증가함에 따라 오염입자 제거효율이 점차 감소하여 30 mm의 간격에서 오염입자 제거효율이 약 90 %로 나타났다. 이류체 노즐과 기판 사이의 간격이 증가할 수록 이류체 노즐에서 분사된 액적의 속력이 감소하여 이류체 세정력의 감소로 이어져 입자 제거효율이 감소하는 것을 알 수 있다.
- 85도의 에어나이프의 각도와 2 mm의 간격에서 에어나이프 건조 조건을 최적화 하였다. 이류체 노즐에 공급되는 초순수 및 질소 가스의 공급 압력 변화에 따른 오염입자 제거 효율 평가 결과 0.01 MPa의 초순수 공급 압력과 0.2 MPa의 질소 가스 공급 압력에서 가장 높은 오염입자 제거효율을 얻을 수 있었다. 초순수의 공급 압력 보다는 질소 가스의 공급 압력이 증가할수록 액적의 세정력이 증가하여 오염 입자 제거효율이 높은 것으로 나타났으며 초순수의 공급 압력을 낮춤으로써 소모되는 초순수의 양을 줄일 수 있었다.
- 이류체 세정을 통해 1.5 µm 실리카 오염입자에 대해 약 95 %의 높은 세정효율을 나타냈으며, 유리 웨이퍼 기판을 이용하여 이류체 세정공정을 진행한 결과 오염입자 제거효율은 약 94 %로 높은 세정효율을 나타내는 것을 확인하였다.
- 1 MPa까지 달리 하였을 때, 세정 효율은 약 95 %로 동일한 결과를 얻을 수 있었다. 즉, 이류체 노즐에서 초순수의 분사 압력이 이류체 세정력에 대한 영향을 주지 않는 것으로 확인하였다. Fig.
- 2 MPa의 질소 가스 공급 압력에서 가장 높은 오염입자 제거효율을 얻을 수 있었다. 초순수의 공급 압력 보다는 질소 가스의 공급 압력이 증가할수록 액적의 세정력이 증가하여 오염 입자 제거효율이 높은 것으로 나타났으며 초순수의 공급 압력을 낮춤으로써 소모되는 초순수의 양을 줄일 수 있었다. 이류체 노즐과 기판 사이의 간격이 가까울수록 세정력이 증가하였으며 기판사이의 간격은 2 mm로 최적화 하였다.
- 4는 질소가스의 공급 압력 변화에 따른 입자 제거효율 평가 결과를 나타내었다. 초순수의 사용량을 줄이기 위해 초순수의 압력을 0.01 MPa로 고정한 후 질소 가스의 공급 압력을 0.05 MPa에서 0.2 MPa까지 변화 하였을 때 질소 가스의 공급 압력이 증가 할수록 오염 입자 제거 효율은 비례하게 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 결과를 토대로 이류체 노즐에 공급되는 초순수의 압력보다 질소가스의 압력이 증가함에 따라 이류체 노즐에서 발생되는 액적의 속력이 증가하여 세정력이 증가하게 된다.
후속연구
- 5 µm 실리카 오염입자에 대해 약 95 %의 높은 세정효율을 나타냈으며, 유리 웨이퍼 기판을 이용하여 이류체 세정공정을 진행한 결과 오염입자 제거효율은 약 94 %로 높은 세정효율을 나타내는 것을 확인하였다. 따라서 이류체 세정공정을 통해 초순수의 소모량을 줄이고 화학액의 사용이 없는 친환경적인 세정공정이 가능할 것으로 사료된다. 실제 FPD 세정공정에 적용을 위해 향후 실제 FPD 공정에 사용되는 유리 기판 및 패턴상에서의 오염입자 제거 평가를 진행하여 이류체 세정공정의 적용 가능성에 대한 평가가 필요하다.
- 따라서 이류체 세정공정을 통해 초순수의 소모량을 줄이고 화학액의 사용이 없는 친환경적인 세정공정이 가능할 것으로 사료된다. 실제 FPD 세정공정에 적용을 위해 향후 실제 FPD 공정에 사용되는 유리 기판 및 패턴상에서의 오염입자 제거 평가를 진행하여 이류체 세정공정의 적용 가능성에 대한 평가가 필요하다.
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