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문제 정의
- 본 연구에서는 기존의 2단계(외부에서 식각 후 고압 건조기에서 세정, 건조)로 이루어진 공정을 개선하여 웨이퍼의 이동 없이 식각, 세정, 건조를 연속적으로 수행하여 이 문제를 해결하고자 하였다. 또한, 연속공정으로 수행 시 식각 공정에서 사용하는 이산화탄소의 상태(기체, 액체, 초임계 상태)에 따른 영향을 알아보고자 하였다.
- 본 연구에서는 기존의 2단계(외부에서 식각 후 고압 건조기에서 세정, 건조)로 이루어진 공정을 개선하여 웨이퍼의 이동 없이 식각, 세정, 건조를 연속적으로 수행하여 이 문제를 해결하고자 하였다. 또한, 연속공정으로 수행 시 식각 공정에서 사용하는 이산화탄소의 상태(기체, 액체, 초임계 상태)에 따른 영향을 알아보고자 하였다.
- 이는 이산화탄소 자체가 비극성으로 극성인 아세톤과는 잘 섞이지 않아 층 분리가 일어나 MEMS 웨이퍼와 아세톤간의 충분한 접촉이 일어나지 않아 식각이 완전히 이루어지지 않은 것으로 판단된다. 이와 같이 이산화탄소와 잘 섞이지 않는 극성 용매를 잘 섞이게 하여 단일 상(Phase)을 만들기 위해 계면 활성제를 사용하기도 하지만, 본 연구에서는 희생 층을 제거하는 식각용 공 용매의 기능을 이산화탄소의 상태에 따라 알아보고자 하기 때문에 계면 활성제를 사용 하지 않았다. 이에 따라, 비극성의 액체 이산화탄소는 극성의 아세톤과 잘 섞이지 않는 상태에서 아세톤에 비해 표면장력이 1/4.
제안 방법
- Case2와 달리 액체 이산화탄소를 주입하기 위해 건조기에 MEMS 웨이퍼 장착 후 냉각 공정을 거친 후 식각, 세정 공정을 진행하였다.
- MEMS 웨이퍼의 완전한 식각을 위해 아세톤과 기체 이산화탄소 주입 후 15분의 체류시간을 두었고, 에칭 용매 용기의 아세톤과 Rinsing Vessel의 메탄올을 건조기로 주입하기 전에 에칭 용매 용기과 세정용매 용기에 기체 이산화탄소를 주입하여 공 용매와 기체 이산화탄소 가 잘 섞이도록 하였다.
- 4에 도식적으로 나타내었다. 건조 단계에서만 초임계 이산화탄소를 사용하는 경우 식각, 세정 과정 중에 액체 이산화탄소를 사용 하므로 액체 이산화탄소 공급용 Siphon 실린더를 사용 하였으며, 아세톤과 메탄올은 실험 전 에칭 용매 용기(Etching solvent vessel)과 세정 용매 용기(Rinsing solvent vessel)에 주입 한 후 이산화탄소와 함께 건조기로 주입 하였다. 에칭 용매 용기, 세정용매 용기의 용량은 각각 340 ml, 150 ml이다.
- 건조공정에서 건조기의 온도를 35~40℃로 유지하면서 기체 상태로 이산화탄소를 방출하여 액체와 기체 계면 형성에 따른 웨이퍼 구조물의 손상을 방지 하였다.
- 건조기 내로 주입 되는 초임계 이산화탄소는 주입 전 예열기에 열선과 gas booster를 이용하여 50~70℃, 10~13MPa로 승온, 가압 하여 초임계 상태로 만들었다.
- 건조기는 수동으로 개폐 하였으며 건조기 이음새는 O-ring(Superchem 사, OR705-P-145),과 에너자이드 씰(SM E&C사)을 사용하여 밀폐(Sealing)하였고, 건조기 몸체에 금속 재킷을 용접, 부착하여 항온 순환 수조를 이용하여 냉매, 열매를 금속 재킷으로 순환 시켜 건조기의 온도를 조절 하였다.
- 건조기에서 방출되는 유체는 Vent&Drain Vessel을 통해 방출 하였다.
- 건조기는 수동으로 개폐 하였으며 건조기 이음새는 O-ring(Superchem 사, OR705-P-145),과 에너자이드 씰(SM E&C사)을 사용하여 밀폐(Sealing)하였고, 건조기 몸체에 금속 재킷을 용접, 부착하여 항온 순환 수조를 이용하여 냉매, 열매를 금속 재킷으로 순환 시켜 건조기의 온도를 조절 하였다. 건조기의 온도는 열전쌍, 압력은 압력계를 이용하여 확인 하였으며 건조기로 주입, 방출 되는 유체의 흐름은 건조기 선단과 후단에 장착된 Metering Valve(High Pressure Equipment사, 60-11HF4-V)를 이용 하여 조절 하였다. 건조기에서 방출되는 유체는 Vent&Drain Vessel을 통해 방출 하였다.
- 본 연구에서는 총 4가지 경우의 실험을 수행하였다. 기존의 2단계 공정(Case1)과 연속공정의 경우 식각 공정에서 사용하는 이산화탄소의 상태(기체, 액체, 초임계 상태)에 따라 3가지 경우(Case2~4)로 구분하여 수행 하였다. Case2~4 각각의 경우를 Table 3에 나타내었다.
- 기존의 초임계 이산화탄소를 이용한 2단계의 식각, 건조공정에서 식각 후 웨이퍼의 이동 중에 발생하는 점착문제를 개선하기 위해 초임계 이산화탄소를 이용한 식각, 세정, 건조 연속공정을 연구하였다.
- 본 연구에서는 총 4가지 경우의 실험을 수행하였다. 기존의 2단계 공정(Case1)과 연속공정의 경우 식각 공정에서 사용하는 이산화탄소의 상태(기체, 액체, 초임계 상태)에 따라 3가지 경우(Case2~4)로 구분하여 수행 하였다.
- 본 연구에서는 희생 층(Sacrificial layer)의 식각, 세정 및 건조를 통해 캔틸레버(cantilever)형의 구조물을 갖는 MEMS 웨이퍼를 얻는 단계6 이후를 수행하였다.
- 본 연구인 식각, 세정, 건조 연속공정의 경우 식각, 세정 공정에 사용하는 이산화탄소의 상태에 따라 3가지의 경우(기체, 액체, 초임계상태)로 구분하여 수행하였다.
- 식각, 세정, 건조 전 단계에서 초임계 이산화탄소를 사용하는 경우(Case4) 식각, 세정, 건조 공정 시 모두 초임계 이산화탄소를 사용 하기 때문에 공정 도입 전 예열기(preheater)에 열선을 감아 온도를 승온 시키고, 기체 이산화탄소를 gas booster(Haskel사, AGT-30/75)를 이용하여 예열기에 주입하여 예열기내의 이산화탄소를 초임계상태로 만들었다(50~70℃, 10~13MPa) 예열기내의 온도는 열선에 연결되어 있는 온도 조절기로 조절하였고, 압력은 역 압력 조절기(BPR, TESCOM 사, 26-1722-24)로 조절하였다.
- 외부에서 식각 하는 기존 2단계 공정의 공정순서, 공정 시간, 고압건조기의 온도 및 압력 조건을 Table 4에 나타내었다. 외부에서 아세톤을 이용하여 식각 한 웨이퍼를 메탄올(680 ml)로 채워진 고압건조기로 이동 시킨 후 액체 이산화탄소의 주입을 위해 건조기의 온도를 5oC로 냉각 하였으며, 건조기에 채워져 있던 메탄올은 액체 이산화탄소로 flushing하여 대체 하였고, 액체 이산화탄소의 주입 및 flushing공정에서 난류(Turbulent flow)에 의한 웨이퍼 구조물의 손상을 방지하기 위해 Metering valve로 유량을 조절 하면서 공정을 천천히 진행 하였다.
대상 데이터
- 건조기는 304SS(Stainless steel)로 제작 하였으며, 건조기 내부의 용량은 1100 ml로써 4 inch 웨이퍼의 처리가 가능하며, 허용 압력은 15 MPa, 허용 온도는 100℃이다. 건조기 내에서 급격한 유체의 흐름에 의한 웨이퍼의 손상을 방지하기 위해 Fig.
- 구조물은 얇고 종횡비(aspect ration)가 큰 캔틸레버(cantilever) 형태의 구조물로써 구조물과 웨이퍼 기판 사이의 높이는 1.5 μm이고 구조물의 최대 종횡비는 약 500정도이며 총 4가지 형태의 패턴을 갖고 있고, 형태에 따라 Type1~4로 지정 하였다.
- 본 연구에서 사용한 MEMS웨이퍼는 나노 종함팹센터(NNFC, National Nanofab. Center)를 통해 구입하였다. 구조물은 얇고 종횡비(aspect ration)가 큰 캔틸레버(cantilever) 형태의 구조물로써 구조물과 웨이퍼 기판 사이의 높이는 1.
- 실험에 사용한 이산화탄소는 순도 99.5%를 사용하였고, 식각용공 용매인 아세톤과 세정용 공 용매인 메탄올은 99.9% 이상의 반도체용 고 순도를 사용하였다.
- 희생 층 제거를 위한 식각용 공 용매로는 아세톤, 아세톤에 용해된 희생 층을 MEMS 웨이퍼에서 제거하는 세정용 공 용매로는 메탄올을 사용하였다. 일반적으로 세정용 공 용매로 에탄올(Ethanol), 이소프로필알콜(Isopropyl alcohol) 등이 사용되는데 수차례 실험결과 메탄올, 에탄올, 이소프로필알콜 모두 유사한 세정 기능을 보이나 메탄올이 가장 큰 효과를 보여 메탄올을 세정용 공 용매로 사용하였다.
데이터처리
- 분석은 각각 다른 모델의 FE-SEM(전계 방출형 주사 현미경, JEOL 사, JSM-7500F, JSM-6390)을 이용하여 분석 하였다.
성능/효과
- 기체 이산화탄소를 이용하여 식각 후 액체 이산화탄소를 이용하여 세정을 실시한 공정(Case2)의 경우 점착 없는 식각, 세정, 건조를 할 수 있었고, 많은 실험을 통해 공정을 최적화 하여, 최적화된 공정 조건에서 총 14회의 실험을 통해 재현성을 확인하였으며 기존의 2단계 식각, 건조 공정에 비해 사용하는 메탄올의 양을 감소시킬 수 있었다.
- 기체 이산화탄소를 이용한 연속공정(Case2)의 경우와 마찬가지로 기존의 2단계 식각, 건조공정에 비해 메탄올의 사용 양을 530 ml(건조기 부피의 78%) 감소시킬 수 있었고, 모든 공정에서 초임계 이산화탄소를 이용하기 때문에 건조기를 항상 고온의 상태(35~40℃)로 유지하여 건조기 냉각 시 소요되는 30~60 min, 승온 시 소요되는 20~50 min의 공정시간을 단축할 수 있었다.
- 또한 공정의 최적화 결과 기존 2단계의 식각, 건조 공정에서는 680 ml의 메탄올(건조기 부피의100%)을 사용 하였는데, 연속공정의 경우 메탄올 사용량을 150 ml(건조기 부피의 22%)로 감소하였다.
- 본 연구에 앞서 기존의 초임계 이산화탄소를 이용한 2단계의 식각, 건조 공정(Case1)을 수행한 결과 점착 없는 식각, 건조를 할 수 있었지만 총 8회의 실험 중 단 1회의 경우만 점착 없이 건조 할 수 있었고 이는 웨이퍼를 외부에서 식각 후 건조기로 이동하는 과정에서 아세톤의 증발에 기인한 것으로 이를 통해 웨이퍼의 이동이 없는 식각, 세정, 건조 연속공정의 필요성을 확인하였다.
- 식각, 세정, 건조의 모든 공정에서 초임계 이산화탄소를 이용한 연속공정(Case4)의 경우 점착 없는 식각, 건조를 할 수 있었고, 많은 실험을 통해 공정을 최적화한 후 최적화된 공정조건에서 재현성을 확인 하였으며, 기존의 2단계 식각, 건조 공정에 비해 사용하는 메탄올의 양을 감소시킬 수 있었고, 건조기 냉각 시 소요되는 30~60 min, 승온 시 소요되는 20~50 min의 공정시간을 단축 할 수 있었다.
- 위와 같은 점착은 외부에서 아세톤으로 식각 후 MEMS 웨이퍼를 건조기로 이동시키는 과정에서 식각용 공 용매인 아세톤의 증발로 인한 점착으로, Case1의 결과를 통해 점착이 없이 식각, 건조 할 수 있는 가능성을 확인 하였지만 재현성 확보를 위해서는 웨이퍼의 이동과정이 없는 연속공정의 필요성 또한 확인하였다.
- 이는 기존의 2단계 식각, 건조공정에서는 식각 후 아세톤의 증발에 의한 웨이퍼 구조물의 점착을 방지하기 위해 건조기 내부를 메탄올로 채워 희생 층이 제거된 구조물과 웨이퍼 기판 사이의 점착을 방지하였지만, 연속공정의 경우 웨이퍼의 이동 없이 식각, 세정 공정에서 건조기 내부를 이산화탄소를 사용하여 고압의 상태(5.5 MPa)로 유지하여 구조물과 웨이퍼 기판사이의 점착을 방지하기 때문에 메탄올사용 양을 감소시킬 수 있었다.
- 액체 이산화탄소를 이용한 식각, 세정 공정(Case3)의 경우 액체 이산화탄소와 식각용 공 용매인 아세톤간의 층 분리로 인해 완전한 식각이 이루어지지 않았다. 이를 통해 건조기내의 웨이퍼의 장착 높이를 조절 하거나, 액체 이산화탄소 대신 기체 혹은 초임계 이산화탄소를 사용하여 밀도를 조절할 필요성이 있음을 확인하였다.
- 이를 통해 식각, 건조 후 웨이퍼 구조물의 점착 문제, 사용하는 용매의 양, 공정시간 측면에서 식각, 세정, 건조 모든 공정에서 초임계 이산화탄소를 이용한 공정이 효과적임을 확인하였다.
후속연구
- 위와 같이 초임계 이산화탄소를 이용한 건식 세정공정의 경우 웨이퍼 구조물의 점착이 없는 건조를 할 수 있고, 기존에 사용하던 고가의 초 순수 및 화학용제 사용 양 절감에 따른 환경적 오염 문제와 경제적 문제를 해결 할 수 있다. 뿐만 아니라 향후 30 nm급 이하의 미세 구조물을 갖는 차세대 반도체 세정, 건조 기술에서 중요한 기술로 작용할 것이라 전망되고 있다.
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