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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 반도체 가공공정의 생산설비 및 부대설비(예: 1차 스크러버) 유지보수 작업 및 정상공정 진행 시 부산물로서 파우더 및 에어로졸 형태의 실리카가 생성되는 공정을 확인하고, 실리카 부산물의 크기, 형상, 결정구조 등의 물리화학적 특 성분석을 통해, 반도체 제조 작업환경 내 존재하는 미지의 위험인자를 규명함으로써 작업환경 내 불확실성을 감소시키고자 하였다.
- 또한, 본 연구에서는 실리카 입자의 물리화학적 특성 분석을 중점적으로 수행한 반면, 노출수준에 대한 연구 특히, 1 차 스크러버 설비 유지보수 작업 시 공기 중 중량농도에 대한 연구가 수행되지는 못했다. 따라서 향후 다양한 1차 스크러버 설비 군에서 발생되는 부산물 입자의 노출농도에 대한 연구를 수행하고자 한다.
- 본 연구에서는 반도체 제조 작업환경 내 실리카 입자가 부산물로 발생되는 공정 및 입자크기, 형상 및 결정구조에 대한 분석을 수행함으로써 다음과 같은 결과를 얻었다.
제안 방법
- CVD 공정을 제외한 DIFF, CMP 및 CLEAN 등의 공정에서 확인된 파우더 입자의 경우 응집입자 표면에 1차 입자로서 약 100 nm 크기의 미세한 입자가 존재하는 것으로 확인되었지만, 본 연구에서는 추가적인 SEM image 확대에 의한 입자크기는 확인하지 않았다.
- DIFF, CVD 및 CMP 공정의 생산설비 내에서 확인된 실리카 파우더 부산물의 결정구조 확인을 위해 XRD 분석을 수행하였다(Figure 4). DIFF, CVD 및 CMP 공정 설비에서 수집한 실리카 파우더 부산물이 Broad한 Peak를 나타냄에 따라 결정형 실리카는 아닌 것으로 추정할 수 있다 (Figure.
- 또한, 파우더 샘플의 결정구조 확인을 위해 X선 회절분석기(X-ray diffraction; XRD: M18XHF22, Bruker AXS GmbH, Karlsruhe, Germany)를 사용하여 분석(2Theta: 10-60 , Step size: 0.02 , 가속전압: 40kV) 하였다.
- ETCH 공정은 회로패턴을 형성시켜 주기 위해 화학물질이나 반응성 Gas를 사용하여, 필요 없는 부분을 선택적으로 제거시키는 공정을 말한다. 본 연구에서는 건식 식각을 ETCH 공정이라 구분하는데(습식 식각의 경우는 일반적으로 CLEAN 공정으로 표현한 다), 반응기에 Gas(예; CF4, CHF3, Ar등)를 주입하고 전기(RF Power)를 넣어주면 Radical(CF3, CHF2, CF2, F, H)과 이온(Ar+ )이 생기게 된다. 이 때 Radical들은 웨이퍼에 흡착되고 이후 이온들이 충돌하며, 충돌 에너지를 전달함으로써 표면 반응이 일어나 Target 막질을 제거한다.
- 샘플 파우더 및 공기 중 입자의 구성성분, 입자크 기 및 형상 분석을 위해 에너지 분산분광기(Energy dispersive spectroscopy; EDS: INCA 200, Oxford instruments, Abingdon, Oxfordshire, UK) 장착 주사전 자현미경(Scanning electron microscopy; SEM: JSM 7001F, JEOL, Tokyo, Japan) 또는 투과전자현미경 (Transmission electron microscopy; TEM: CM30, Philips, CA, USA)을 사용하여 분석(가속전압: 20kV, 분석배율: x1,000-300,000, 관찰 Field 수: 5)하였다.
- 파우더 시료는 공정에 사용되는 Clean wiper 및 Polypropylene 코니칼 원심관(Conical centrifuge tube, 352098, Falcon, USA)을 사용하여 직접 수집하 였으며, 공기 중 시료는 Polycarbonate membrane filter (12 mm diameter, 0.1 µm pore size, Advantec MFS Inc, CA, USA) 및 Copper grid(Carbon holey grid ultra 400 mesh, 01824G, Ted Pella, Inc. Redding, CA, USA)를 사용하여 시료채취 펌프 (MP-30, SHIBATA, Tokyo, Japan) 및 NPC 4650 Electro-static collector (HCT Co. Ltd., Gyeonggi, Korea)로 각각 30-60분간 1.7 L/min의 유량으로 포집하였다.
대상 데이터
- 경기도 용인시 기흥에 위치한 200 mm 및 300 mm 반도체 웨이퍼 제조 라인의 주요 공정 중 실리카 입자가 부산물로 생성될 것으로 추정되는 DIFF, CVD, CMP, ETCH, CLEAN 등 5개 공정을 대상으 로 하였다.
- 파우더 및 공기 중 시료(32개)는 주요 5개 공정 즉, DIFF(10), CVD(10), CMP(5), CLEAN(5), ETCH(2)의 생산설비 및 1차 스크러버의 유지보수작업 및 정상적 인 공정진행 중에 바닥에서 1.5 m 높이에서 샘플링하였다. 파우더 시료는 공정에 사용되는 Clean wiper 및 Polypropylene 코니칼 원심관(Conical centrifuge tube, 352098, Falcon, USA)을 사용하여 직접 수집하 였으며, 공기 중 시료는 Polycarbonate membrane filter (12 mm diameter, 0.
성능/효과
- 1. 반도체 가공공정 중 실리카 입자가 부산물로 생성되는 공정은 DIFF, CVD, ETCH, CLEAN, CMP등 5개 공정이며, 유지보수 작업 시 생산설비 뿐만 아니라 반응 잔여물을 처리하는 1차 스크러버 설비에서도 확인되었다.
- 2. 생산설비 챔버 주변에서 확인된 실리카 파우더 입자는 주로 구형이며 입경분포는 대략 0.1-50 μm로 공정별 다양한 입경분포를 나타냈으며, nm 크기의 1차 입자가 응집되어 μm 이상의 큰 입자를 이루고 있는 경우가 많았다.
- 3. 공기 중 실리카 입자의 경우 구형 및 각형을 나타내고 있었으며, 약 25-150 nm 크기의 입경분포를 가지고 응집상을 보이는 입자가 확인되었다.
- 4. DIFF, CVD 및 CMP 공정 생산설비에서 확인된 실리카 파우더 입자의 결정구조 확인결과, 모두 비결 정형 실리카인 것으로 확인되었다. 반도체 제조 작업환경의 특성, 즉 입자제어 필터가 2중 또는 3중으로 설치되어 있는 클린룸, 전체환기 및 국소배기 등의 환기 시스템, 그리고 작업자 호흡용 보호구 착용 등을 고려할 경우 공정 부산물 입자 등에 의한 작업자 건강영향성은 낮을 것으로 예상할 수 있다.
- 일반적으로 반응에너지에 따라 Thermal CVD 및 Plasma CVD등으로 분류된다. CVD 공정설비에서는 상압 조 건에서 TEOS(Si(OC2H5)4)를 이용하여 SiO2 막질을 증착하는 AP-CVD 설비에서만 실리카 입자가 확인 된 반면, 동일하게 TEOS를 사용해도 저압조건에서 공정이 진행되는 LP-CVD 공정 설비에서는 실리카 파우더 입자가 부산물로 확인되지 않았다.
- CVD 공정의 경우 실리카 입자의 형상은 구형으로 1차 입자의 크기는 약 80-100 nm이며, 입자간 응집형태를 나타고 있었다. ETCH 및 CLEAN 공정의 경우도 거의 구형의 실리카 입자가 응집형태를 보이고 있었으며, 1차 입자의 크기는 각각 20-40 nm 및 80-150 nm를 나타내고 있는 것으로 확인되었다. 한편, CMP 공정의 경우는 공정 진행시에만 입자가 확인되었으며, 구형의 1차 입자가 25-80 nm의 입경분포를 나타내었다.
- 그리고 CMP 공정에서는 SiO2 및 W 막질을 연마하는 공정에서 실리카 파우더 입자가 확인되었으며, K 성분이 4개의 샘플 시료 중 2개에서 SEM-EDS image 상 낮은 강도로 확인되었다. 한편, CLEAN 공정에서는 위의 세 공정과는 달리 Si 포함 물질이 공정에 사용되지 않지만, SiO2와 같은 산화막 제거 과정에서 주요 성분이 O와 Si인 실리카 입자가 생성되는 것으로 확인되었다.
- 따라서 LP-CVD는 공기 중 산소 및 수분의 영향을 쉽게 받지 않으며, 챔버 내에서 공정이 완료된 후 in-situ 세정이 진행되기 때문에 반응물질간의 부반응에 의한 실리카 입자가 부산물로 생성되기는 어렵다는 것을 알 수 있었다. 한편, LP-CVD 공정설비 챔버 에서는 확인이 되지 않지만, LP-CVD 공정 중 SiO2, SiON, WSix막질 등의 증착에 사용되는 SiH4, Si (OC2H5)4 등의 전구체를 포함한 반응 Gas를 처리하는 1차 스크러버 설비에서는 실리카 입자가 부산물로 생성되는 것으로 확인되었으며, 그 반응식은 하기와 같이 추정할 수 있다(eq.
- 따라서, DIFF, CVD 및 CMP 공정 생산설비에서 확인된 실리카 파우더 입자는 비결정형 실리카임이 밝혀졌다. 한편, 본 연구에서는 1차 스크러버에서 확인된 실리카 파우더 입자의 결정구조 분석을 수행하지는 않았다.
- 반도체 산업은 경쟁력 강화를 위해 대량생산이 필요 불가결하여 단위공정을 진행하는 설비가 수십 대 또는 수백 대에 달하기 때문에 이번 연구결과가 전체 반도체 공정설비에서 생성되는 실리카 부산물 입자의 구성성분, 입자크기, 형상, 결정구조 등의 물리 화학적 특성에 대해 대표성을 갖는다고 결론을 내릴 수는 없다. 즉 측정 및 평가를 하지 않은 설비 군에서의 실리카 부산물 입자에 대한 불확실성이 존재할 수 있다.
- 반도체 제조 작업환경의 특성, 즉 입자제어 필터가 2중 또는 3중으로 설치되어 있는 클린룸, 전체환기 및 국소배기 등의 환기 시스템, 그리고 작업자 호흡용 보호구 착용 등을 고려할 경우 공정 부산물 입자 등에 의한 작업자 건강영향성은 낮을 것으로 예상할 수 있다. 하지만, 사전예방적 원칙에 기초하여 지속적인 작업환경의 인프라 개선은 물론 작업자 교육, 표준작업절차서 등의 프로세스를 철저히 준수할 수 있는 시스템을 운영하는 것이 중요하며, 본 연구결과는 반도체 제조 작업환경 개선 및 작업자 건강증진을 위한 전략수립 시에 유용한 정보를 제공할 수 있다는 데 의의가 있다.
- 및 W 막질을 연마하는 공정에서 실리카 파우더 입자가 확인되었으며, K 성분이 4개의 샘플 시료 중 2개에서 SEM-EDS image 상 낮은 강도로 확인되었다. 한편, CLEAN 공정에서는 위의 세 공정과는 달리 Si 포함 물질이 공정에 사용되지 않지만, SiO2와 같은 산화막 제거 과정에서 주요 성분이 O와 Si인 실리카 입자가 생성되는 것으로 확인되었다.
- 4a-c). 한편, 순수 비결정형 및 결정형 실리카 입자의 XRD 패턴과 비교 분석한 결과, 순수 비결정형 실리카 입자는 부산물 입자와 동일하게 Broad한 Peak을 나타냈으며, 순수 결정형 실리카는 전형적인 결정형 실리카 의 격자면인 (110), (010), (112)에서 Sharp한 Peak을 나타내었다(Figure 4d,e). 일반적으로 Quartz 실리카는 26.
후속연구
- 이런 부분에 대해서는 지속적인 반도체 작업환경 내 부산물 연구를 수행함으로써 불확실성을 줄여 나갈 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 본 연구에서는 실리카 입자의 물리화학적 특성 분석을 중점적으로 수행한 반면, 노출수준에 대한 연구 특히, 1 차 스크러버 설비 유지보수 작업 시 공기 중 중량농도에 대한 연구가 수행되지는 못했다. 따라서 향후 다양한 1차 스크러버 설비 군에서 발생되는 부산물 입자의 노출농도에 대한 연구를 수행하고자 한다.
- 즉 측정 및 평가를 하지 않은 설비 군에서의 실리카 부산물 입자에 대한 불확실성이 존재할 수 있다. 이런 부분에 대해서는 지속적인 반도체 작업환경 내 부산물 연구를 수행함으로써 불확실성을 줄여 나갈 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 본 연구에서는 실리카 입자의 물리화학적 특성 분석을 중점적으로 수행한 반면, 노출수준에 대한 연구 특히, 1 차 스크러버 설비 유지보수 작업 시 공기 중 중량농도에 대한 연구가 수행되지는 못했다.
- 따라서, DIFF, CVD 및 CMP 공정 생산설비에서 확인된 실리카 파우더 입자는 비결정형 실리카임이 밝혀졌다. 한편, 본 연구에서는 1차 스크러버에서 확인된 실리카 파우더 입자의 결정구조 분석을 수행하지는 않았다. 하지만, 결정형 실리카의 경우 엄격한 가열과 냉각조건에서 제조 가능하기 때문에, 반도체 제조공정과 같은 일반적인 가열과 냉각 조건에서는 결정형 실리카 입자가 부산물로 생성될 가능성은 거의 없을 것으로 판단된다.
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