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문제 정의
- 3에 나타내었다.그림에서와 같이 (a)처럼 점착된 경우도 있으며 (b)와 같이 점착되지 않은 경우 있지만 점착된 경우는 메탄올의 특성에 의한 것이 아니라 아세톤으로 에칭한 후 건조기로 넣는 과정에서 아세톤의 증발에 의한 점착이 발생하는 것으로 생각되므로 세정액으로 메탄올 사용하고자 하였다.
- 본 연구는 초임계 유체와 공용매를 이용하여 식각, 세정, 건조하는 경우 적절한 공용매의 선택과 액체 이산화탄소(LCO2)와 초임계 이산화탄소(ScCO2)를 이용하는 경우의 공정조건을 분석하여 LCO2 또는/및 ScCO2와 공용매를 이용하는 공정의 최적 공정조건을 얻어서, 공정의 효율적 개선과 생산성을 향상시키고자 한다.
- 본 연구에서는 기존의 연속식 공정을 개선하여 초임계 이산화탄소를 이용한 MEMS웨이퍼의 점착 및 생산성 향상을 확인하는 실험을 수행하였다. 기존의 공정과[10] 마찬가지로 희생 층 제거를 위한 식각용 공용매로는 아세톤, 이소프로필알코올(IPA) 또는 IPA+아세톤 용액을 사용하였고, 식각액에 용해된 희생 층을 MEMS 웨이퍼에서 제거하는 세정용 공용매로서 아세톤, IPA 또는 메탄올을 사용 하였다.
제안 방법
- 식각, 세정, 건조 전 단계에서 초임계 이산화탄소를 사용하는 경우는 식각, 세정, 건조 공정 시 모두 초임계 이산화탄소를 사용하기 때문에 공정 도입 전 예열기에 열선을 감아 온도를 승온시키고, 기체 이산화탄소를 가스부스터(Haskel사, AGT-30/75)를 이용하여 예열기에 주입하여예열기내의 이산화탄소를 초임계 상태로 만들었다. (50~70℃, 10~13MPa) 예열기 내의 온도는 열선에 연결되어 있는 온도 조절기로 조절하였고, 압력은 역압조절기(BPR,TESCOM 사, 26-1722-24)로 조절하였다.
- L-CO2와 공용매로 아세톤, 메탄올 및 IPA를 이용하여 식각, 세정, 건조를 연속적으로 운전하여 MEMS 웨이퍼를 처리하고자 하였다. 세정 과정 전에 CO2와 아세톤을 방출하면서 압력이 떨어지는 경우 웨이퍼의 패턴이 점착되는 것을 발견하였으므로 세정 전 과정인 L-CO2를 플러싱할 때 L-CO2를 채워가면서 압력을 유지하는 과정이 필요함을 알 수 있었다.
- 1에 나타내었다. 건조 단계에서만 초임계 이산화탄소를 사용하는 경우 식각, 세정 과정 중에 액체 이산화탄소를 사용하므로 액체 이산화탄소 공급용 Siphon 실린더를 사용하였으며, 식각액(아세톤, IPA, IPA+아세톤)과 세정액(IPA, 아세톤, 메탄올)은 실험 전 Etching solvent vessel과 Rinsing solvent vessel에 주입한 후 이산화탄소와 함께 건조기로 주입하였다. Etching solvent vessel, Rinsing solvent vessel의 용량은 각각 340ml, 150ml이다.
- 건조기는 수동으로 개폐 하였으며 건조기 플랜지 사이에는 O-ring(Superchem 사, OR705-P-145),과 에너자이드 씰(SM E&C사)을 사용하여 밀봉하였고, 건조기 몸체에 금속 재킷을 용접, 부착하여 5번의 순환기를 이용하여 냉매, 열매를 금속 재킷으로 순환시켜 건조기의 온도를 조절하였다.
- 앞서 실험한 결과에 의하면 메탄올과 IPA는 에칭 효과가 거의 없지만 아세톤은 에칭 효과가 있어서 건조기의 압력을 유지하는 과정이 없는 여러 번의 시험 중 아세톤으로 식각 및 세정을 수행한 경우 패턴이 90%이상 유지된 경우가 간혹 있었지만, 대부분의 실험에서 웨이퍼의 패턴이 파괴되었다. 따라서, 위의 본 실험 전 검토한 결과를 바탕으로 L-CO2를 이용한 식각, 세정, 건조 연속공정에 대한 운전 조건을 설정하였으며, 공용매 및 공정조건이 MEMS 웨이퍼의 점착성에 어떤 영향을 미치는지 알아보기 위하여 다양한 조건과 다양한 공용매를 사용하여 웨이퍼의 점착성 시험을 하였다.
- 식각, 세정, 건조 전 단계에서 초임계 이산화탄소를 사용하는 경우는 식각, 세정, 건조 공정 시 모두 초임계 이산화탄소를 사용하기 때문에 공정 도입 전 예열기에 열선을 감아 온도를 승온시키고, 기체 이산화탄소를 가스부스터(Haskel사, AGT-30/75)를 이용하여 예열기에 주입하여예열기내의 이산화탄소를 초임계 상태로 만들었다. (50~70℃, 10~13MPa) 예열기 내의 온도는 열선에 연결되어 있는 온도 조절기로 조절하였고, 압력은 역압조절기(BPR,TESCOM 사, 26-1722-24)로 조절하였다.
- 아세톤이 에칭 효과가 있음을 알 수 있었으며 메탄올이 세정액으로의 효과가 있는지 알아보기 위하여 아세톤으로 에칭한 후 공정의 건조기에서 메탄올로 세정을 실시하였으며 그 결과를 Fig. 3에 나타내었다.그림에서와 같이 (a)처럼 점착된 경우도 있으며 (b)와 같이 점착되지 않은 경우 있지만 점착된 경우는 메탄올의 특성에 의한 것이 아니라 아세톤으로 에칭한 후 건조기로 넣는 과정에서 아세톤의 증발에 의한 점착이 발생하는 것으로 생각되므로 세정액으로 메탄올 사용하고자 하였다.
- 아세톤의 경우는 초기 실험 시 465ml(건조기의 70%)를 사용하였으나 220ml까지는 에칭에 문제 없음을 앞 실험에서 확인하였고, 세정액의 경우도 초기 465ml에서 150ml까지는 문제 없음을 확인하였다. 액체 이산화탄소를 이용한 다양한 실험을 바탕으로 초임계 이산화탄소와 에칭 및 세정용 공용매를 이용한 연속식 식각, 세정, 건조 공정의 최적조건을 설정하였으며, 이 결과를 Table 1에 나타내었다. 이 Table 1의 방법으로 실험을 수행하여 점착이 발생되지 않는 MEMS-wafer를 얻을 수 있었으며 대표적인 결과를 Fig.
- 건조기는 수동으로 개폐 하였으며 건조기 플랜지 사이에는 O-ring(Superchem 사, OR705-P-145),과 에너자이드 씰(SM E&C사)을 사용하여 밀봉하였고, 건조기 몸체에 금속 재킷을 용접, 부착하여 5번의 순환기를 이용하여 냉매, 열매를 금속 재킷으로 순환시켜 건조기의 온도를 조절하였다. 열전대와 압력계를 이용하여 건조기의 조건을 유지하였고, 건조기로 주입, 방출되는 유체의 흐름은 건조기 선단과 후단에 장착된 마이크로미터링 밸브(High Pressure Equipment사, 60-11HF4-V)를 이용하여 조절하였다. 건조기에서 방출되는 유체는 7번의 Vent and Drain Vessel을 통해 방출하였다.
- 이를 개선하기 위하여 에칭액, 세정액을 별도에 용기에 주입하고 초임계 유체가 에칭액 또는 세정액 용기를 통과 하도록 하여 에칭액 및 세정액이 조용매와 역할을 하여 에칭, 세정 및 건조공정을 완료하도록 공정을 고안하였다. 유기 용매에 웨이퍼를 담그는 것이 아니므로 점착 가능성은 훨씬 낮아질 것으로 예상되고, 에칭액 및 세정액의 사용량 감소될 것으로 예상된다.
대상 데이터
- 건조기는 304SS(Stainless steel)로 제작하였으며, 건조기 내부의 용량은 1,100ml로써 4inch 웨이퍼의 처리가 가능하며,허용 압력은 15 MPa, 허용 온도는 100℃이다. 건조기 내에서 급격한 유체의 흐름에 의한 웨이퍼의 손상을 방지하기 위해 테플론 팩킹 위에 시료 바스켓을 이용하여 웨이퍼를 장착하였고 테플론 팩킹과 시료 바스켓을 장착했을 경우 건조기의 부피는 680ml이다.
- Center)를 통해 구입하였다. 구조물은 얇고 종횡비(aspect ration)가 큰 캔틸레버(cantilever)형태의 구조물로써 구조물과 웨이퍼 기판 사이의 높이는 1.5㎛이고 구조물의 최대 종횡비는 약 500정도이며 총 4가지 형태의 패턴을 가진다. 희생 층(Sacrificial layer)은 포토레지스트로 되어 있고 사용된 포토레지스트는 Future Rex사의 PR1 2000A로 436nm(G-line)와 356nm(I-line)의 파장에 감응하는 DNQ(Diazonaphthoqunione)-Novolak 이며, 실험에서는 다이아몬드 절단기를 이용하여 웨이퍼를 1cm x 1cm로 잘라 사용하였다.
- 본 연구에서는 기존의 연속식 공정을 개선하여 초임계 이산화탄소를 이용한 MEMS웨이퍼의 점착 및 생산성 향상을 확인하는 실험을 수행하였다. 기존의 공정과[10] 마찬가지로 희생 층 제거를 위한 식각용 공용매로는 아세톤, 이소프로필알코올(IPA) 또는 IPA+아세톤 용액을 사용하였고, 식각액에 용해된 희생 층을 MEMS 웨이퍼에서 제거하는 세정용 공용매로서 아세톤, IPA 또는 메탄올을 사용 하였다. 세정 및 건조 후 MEMS웨이퍼의 분석은 각각 다른 모델의 FE-SEM(전계 방출형 주사 현미경, JEOL사, JSM-7500F,J SM-6390)을 이용하여 분석하였다.
- 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, 식각용 공용매인 아세톤, IPA 그리고 세정용 공용매인 메탄올은 99.9% 이상의 반도체용 고 순도 제품을 사용하였다.
- 5㎛이고 구조물의 최대 종횡비는 약 500정도이며 총 4가지 형태의 패턴을 가진다. 희생 층(Sacrificial layer)은 포토레지스트로 되어 있고 사용된 포토레지스트는 Future Rex사의 PR1 2000A로 436nm(G-line)와 356nm(I-line)의 파장에 감응하는 DNQ(Diazonaphthoqunione)-Novolak 이며, 실험에서는 다이아몬드 절단기를 이용하여 웨이퍼를 1cm x 1cm로 잘라 사용하였다.
데이터처리
- 기존의 공정과[10] 마찬가지로 희생 층 제거를 위한 식각용 공용매로는 아세톤, 이소프로필알코올(IPA) 또는 IPA+아세톤 용액을 사용하였고, 식각액에 용해된 희생 층을 MEMS 웨이퍼에서 제거하는 세정용 공용매로서 아세톤, IPA 또는 메탄올을 사용 하였다. 세정 및 건조 후 MEMS웨이퍼의 분석은 각각 다른 모델의 FE-SEM(전계 방출형 주사 현미경, JEOL사, JSM-7500F,J SM-6390)을 이용하여 분석하였다.
성능/효과
- 4.2의 L-CO2를 이용한 공정에서 에칭액, 아세톤의 경우는 에칭에 문제 없는 양과 세정액, 메탄올의 경우는 점착이 발생하지 않고 세정 및 건조에 문제가 없는 사용양에 대해서 여러 번의 실험 결과에 의하여 얻을 수 있었다. 아세톤의 경우는 초기 실험 시 465ml(건조기의 70%)를 사용하였으나 220ml까지는 에칭에 문제 없음을 앞 실험에서 확인하였고, 세정액의 경우도 초기 465ml에서 150ml까지는 문제 없음을 확인하였다.
- 액체 이산화탄소를 이용하는 경우 아세톤과 잘 섞이지 않아서 에칭을 방해하여 세정, 건조 후 좋은 결과를 얻지 못하였으나, 에칭 시에 초임계 이산화탄소를 이용해야 함을 알 수 있었고, 세정액으로는 메탄올이 효과가 있음을 확인하였다. 또한, 에칭액, 아세톤의 실험 초기 사용량이465ml(건조기의 70%)였으나 아세톤 양이 220ml 에서도 식각에 문제가 없음을 확인하였고, 세정액, 메탄올의 경우는 초기 465ml에서 150ml를 사용하여도 점착이 발생되지 않음을 알 수 있었다.
- 본 연구에 이용된 MEMS-wafer의 에칭액으로는 메탄올,IPA, 에탄올은 효과 없었으나 아세톤은 효과있었으며, 에칭 후 세정하지 않는 경우 웨이퍼의 표면에 이물질이 존재하여 세정을 필요로함을 알 수 있었다.
- 와 공용매로 아세톤, 메탄올 및 IPA를 이용하여 식각, 세정, 건조를 연속적으로 운전하여 MEMS 웨이퍼를 처리하고자 하였다. 세정 과정 전에 CO2와 아세톤을 방출하면서 압력이 떨어지는 경우 웨이퍼의 패턴이 점착되는 것을 발견하였으므로 세정 전 과정인 L-CO2를 플러싱할 때 L-CO2를 채워가면서 압력을 유지하는 과정이 필요함을 알 수 있었다. 앞서 실험한 결과에 의하면 메탄올과 IPA는 에칭 효과가 거의 없지만 아세톤은 에칭 효과가 있어서 건조기의 압력을 유지하는 과정이 없는 여러 번의 시험 중 아세톤으로 식각 및 세정을 수행한 경우 패턴이 90%이상 유지된 경우가 간혹 있었지만, 대부분의 실험에서 웨이퍼의 패턴이 파괴되었다.
- 2의 L-CO2를 이용한 공정에서 에칭액, 아세톤의 경우는 에칭에 문제 없는 양과 세정액, 메탄올의 경우는 점착이 발생하지 않고 세정 및 건조에 문제가 없는 사용양에 대해서 여러 번의 실험 결과에 의하여 얻을 수 있었다. 아세톤의 경우는 초기 실험 시 465ml(건조기의 70%)를 사용하였으나 220ml까지는 에칭에 문제 없음을 앞 실험에서 확인하였고, 세정액의 경우도 초기 465ml에서 150ml까지는 문제 없음을 확인하였다. 액체 이산화탄소를 이용한 다양한 실험을 바탕으로 초임계 이산화탄소와 에칭 및 세정용 공용매를 이용한 연속식 식각, 세정, 건조 공정의 최적조건을 설정하였으며, 이 결과를 Table 1에 나타내었다.
- 세정 과정 전에 CO2와 아세톤을 방출하면서 압력이 떨어지는 경우 웨이퍼의 패턴이 점착되는 것을 발견하였으므로 세정 전 과정인 L-CO2를 플러싱할 때 L-CO2를 채워가면서 압력을 유지하는 과정이 필요함을 알 수 있었다. 앞서 실험한 결과에 의하면 메탄올과 IPA는 에칭 효과가 거의 없지만 아세톤은 에칭 효과가 있어서 건조기의 압력을 유지하는 과정이 없는 여러 번의 시험 중 아세톤으로 식각 및 세정을 수행한 경우 패턴이 90%이상 유지된 경우가 간혹 있었지만, 대부분의 실험에서 웨이퍼의 패턴이 파괴되었다. 따라서, 위의 본 실험 전 검토한 결과를 바탕으로 L-CO2를 이용한 식각, 세정, 건조 연속공정에 대한 운전 조건을 설정하였으며, 공용매 및 공정조건이 MEMS 웨이퍼의 점착성에 어떤 영향을 미치는지 알아보기 위하여 다양한 조건과 다양한 공용매를 사용하여 웨이퍼의 점착성 시험을 하였다.
- 액체 이산화탄소를 이용하는 경우 아세톤과 잘 섞이지 않아서 에칭을 방해하여 세정, 건조 후 좋은 결과를 얻지 못하였으나, 에칭 시에 초임계 이산화탄소를 이용해야 함을 알 수 있었고, 세정액으로는 메탄올이 효과가 있음을 확인하였다. 또한, 에칭액, 아세톤의 실험 초기 사용량이465ml(건조기의 70%)였으나 아세톤 양이 220ml 에서도 식각에 문제가 없음을 확인하였고, 세정액, 메탄올의 경우는 초기 465ml에서 150ml를 사용하여도 점착이 발생되지 않음을 알 수 있었다.
- 웨이퍼의 이동이 없이 건조기 내에서 액체 이산화탄소를 이용하여 아세톤으로 식각한 후 액체 이산화탄소를 이용하여 세정 후 액체 혹은 초임계 이산화탄소를 이용하여 건조하는 연속공정의 경우 완전히 식각이 이루어지지 않음을 알 수 있었다. 이는 비극성인 액체 이산화탄소가 극성인 아세톤과 잘 섞이지 않고 층 분리가 일어나 MEMS 웨이퍼와 아세톤 간의 충분한 접촉이 일어나지 않아 식각이 완전히 이루어지지 않은 것으로 판단된다.
- 위의 결과와 추가적인 실험에 의하여 초임계 유체와 에칭용 공용매로 아세톤, 세정용 공용매로 메탄올을 사용하여 MEMS-wafer를 처리하는 최적 공정을 설정하였고, 이 공정 조건으로 점착되지 않는 MEMS-wafer를 식각, 세정, 건조의 연속공정으로 얻을 수 있었다.
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