[논문]반도체 식각 공정용 냉각 시스템 구축을 위한 AMESim 모델 개발

김대현; 김광선

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Due to the plasma applied from the outside, which acts as an etchant during the etching process, considerable heat is transferred to the wafer and a separate cooling process is performed to effectively remove the heat after the process. In this case, a direct cooling method using a refrigerant is su...

Due to the plasma applied from the outside, which acts as an etchant during the etching process, considerable heat is transferred to the wafer and a separate cooling process is performed to effectively remove the heat after the process. In this case, a direct cooling method using a refrigerant is suitable for cooling through effective heat exchange. The direct cooling method using the refrigerant using the latent heat exchange is superior to the cooling method using the sensible heat exchange. Therefore, in this paper, AMESim is used to design a direct refrigerant cooling system using latent heat exchange simulator was built.The constructed simulator is reliable compared with the actual experimental results. It is expected that this simulator will help to design and search for optimal process conditions.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 반도체 제조 공정 중 식각 공정에 사용되는 직접 냉매 냉각방식을 사용하는 냉각 사이클을 설계하기 위해 시스템 엔지니어링 Software인 AMESim을 이 용하여 냉각 시스템을 개발하였다[3]. 개발된 시뮬레이션은 실제 냉각 시스템의 구조, 동작, 변수 등을 기반으로 하여 설계되었으며 구축한 AMESim 시뮬레이션을 통해 전체적인 냉각 시스템에 대해 세부 공정 조건을 적용하여 가동할 수 있는 시뮬레이터를 구축하였다.
본 연구에서는 반도체 제조 공정 중 식각 공정에 사용되는 직접 냉매 냉각방식을 사용하는 냉각 시스템을 설계하기 위해 시스템 시뮬레이션 프로그램인 AMESim을 이용하여 냉각 시스템을 개발하였다. 개발된 시뮬레이션은 실제 냉각 시스템의 구조, 동작, 변수 등을 기반으로 하여 설계되었으며 구축한 AMESim 시뮬레이션을 통해 전체적인 냉각 시스템에 대해 세부 공정 조건을 적용하여 가동할 수 있는 시뮬레이터를 구축하였다.
따라서 기존의 현열 교환방식이 아닌 잠열 교환을 이용한 직접 냉매 냉각방식을 사용하는 냉각 시스템의 필요성이 증가하고 있다. 이에 이 논문에서는 잠열 교환을 사용하는 냉매 직접 냉각방식을 사용하는 냉각시스템을 설계하고자 한다.

제안 방법

AMESim을 통해 구축한 시뮬레이터 모델을 통해 얻어진 구동 결과와 실제 장비의 가동 결과를 비교하여 이번 연구를 통해 구축한 Simulator의 신뢰성을 확인하였다. Simulator와 Fig.
Simulator 와 실제 장비 모두 외부에서 7.5kW의 열을 척에 인가하였을 때 외부에서 가해지는 열에 대해 척에 투입되는 냉매의 온도가 -20℃로 일정하게 유지되는지 확인하였고 가동 후 압축기 입구(h1), 압축기 출구(h2), 응축기 출구(h3), 팽창 밸브 출구(h4)에서 온도와 압력을 측정하였다.
본 연구에서는 반도체 제조 공정 중 식각 공정에 사용되는 직접 냉매 냉각방식을 사용하는 냉각 사이클을 설계하기 위해 시스템 엔지니어링 Software인 AMESim을 이 용하여 냉각 시스템을 개발하였다[3]. 개발된 시뮬레이션은 실제 냉각 시스템의 구조, 동작, 변수 등을 기반으로 하여 설계되었으며 구축한 AMESim 시뮬레이션을 통해 전체적인 냉각 시스템에 대해 세부 공정 조건을 적용하여 가동할 수 있는 시뮬레이터를 구축하였다. 구축한 시뮬레이터를 통해 시스템을 구성한 각 부분에 대한 세부 설계나 공정 조건을 탐색할 수 있도록 하였다[4].
반도체 식각 공정에 사용하기 위한 냉각 사이클은 기본적으로 Rankine 사이클에 기반하여 설계하였다. 냉매 직접 냉각방식을 사용하는 냉각시스템을 설계하기 위해 위한 제어도는 Fig.
1의 설계안을 기반으로 하여 AMESim을 이 용해 구축한 냉매 직접 냉각방식 냉각 사이클 시뮬레이터이다[6]. 이 시뮬레이터는 냉각 사이클내의 주요 요소를 표현하였으며 각각 증발기, 압축기, 응축기 등으로 구성되었다. 이 시스템에서는 각 파트가 위치하는 구간별 압력을 측정하여 냉각 시스템의 압력 손실에 대한 확인 가능하도록 설계하고 냉각용량 가변을 위한 Hot-gas 보상 제어를 적용하였다.
이 시뮬레이터는 냉각 사이클내의 주요 요소를 표현하였으며 각각 증발기, 압축기, 응축기 등으로 구성되었다. 이 시스템에서는 각 파트가 위치하는 구간별 압력을 측정하여 냉각 시스템의 압력 손실에 대한 확인 가능하도록 설계하고 냉각용량 가변을 위한 Hot-gas 보상 제어를 적용하였다. 작동 유체로서는 R507a냉매를 사용한다.
5kW의 열을 척에 인가하였을 때 외부에서 가해지는 열에 대해 척에 투입되는 냉매의 온도가 -20℃로 일정하게 유지되는지 확인하였고 가동 후 압축기 입구(h1), 압축기 출구(h2), 응축기 출구(h3), 팽창 밸브 출구(h4)에서 온도와 압력을 측정하였다. 측정한 온도와 압력 값을 바탕으로 하여 엔탈피를 계산하였다. 계산한 엔탈피값은 Table.

대상 데이터

이 시스템에서는 각 파트가 위치하는 구간별 압력을 측정하여 냉각 시스템의 압력 손실에 대한 확인 가능하도록 설계하고 냉각용량 가변을 위한 Hot-gas 보상 제어를 적용하였다. 작동 유체로서는 R507a냉매를 사용한다.

데이터처리

AMESim을 통해 구축한 시뮬레이터 모델을 통해 얻어진 구동 결과와 실제 장비의 가동 결과를 비교하여 이번 연구를 통해 구축한 Simulator의 신뢰성을 확인하였다. Simulator와 Fig. 1의 설계안대로 구성한 실제 장비에서 서로 동일한 가동 조건 하에 결과값을 비교하였다. Simulator 와 실제 장비 모두 외부에서 7.
1과 같다. 이를 바탕으로 T-s선도를 작성하였고 COP(Coefficient of Performance)계수를 계산하였다. COP계수는 성적계수로서 냉동기와 히트 펌프와 같은 열기관의 열효율에 상당하는 것으로 냉동기의 성능을 의미하며 정수로서 표시된다.

성능/효과

8은 AMESim 을 바탕으로 구축한 Simulator의 결과 값으로 작성한 T-s선도이다. 두 선도와 Table 1과 Table 2의 결과를 토대로 비교해보면 선도의 형태와 각 측정위치에서의 측정값과 계산 값이 서로 유사함을 확인할 수 있고 추가적으로 각각의 COP계수를 비교해보면 약 2%의 오차로 서로 유사한 값을 가지고 있음을 확인할 수 있다 이를 통해 이번 연구에서 구축한 Simulator의 신뢰성을 확인할 수 있었다.
구축한 시뮬레이터를 통해 시스템을 구성한 각 부분에 대한 세부 설계나 공정 조건을 탐색할 수 있었다. 또한 시뮬레이션 결과와 시뮬레이션을 통해 구축한 냉각 시스템의 실험 결과와 비교하여 시뮬레이션의 신뢰성을 검증할 수 있었다. 이번 연구에서 구축된 냉각 시스템 모델을 다양한 시스템 개발에 있어 활용할 수 있으며 별도의 공정 조건 탐색에 있어서도 충분히 활용할 수 있을 것으로 예상된다.

후속연구

또한 시뮬레이션 결과와 시뮬레이션을 통해 구축한 냉각 시스템의 실험 결과와 비교하여 시뮬레이션의 신뢰성을 검증할 수 있었다. 이번 연구에서 구축된 냉각 시스템 모델을 다양한 시스템 개발에 있어 활용할 수 있으며 별도의 공정 조건 탐색에 있어서도 충분히 활용할 수 있을 것으로 예상된다.
구축한 시뮬레이터를 통해 시스템을 구성한 각 부분에 대한 세부 설계나 공정 조건을 탐색할 수 있도록 하였다[4]. 이번 연구에서 구축된 냉각 시스템 모델을 다양한 시스템 개발에 있어 활용할 수 있으며 별도의 공정 조건 탐색에 있어서도 충분히 활용할 수 있을 것으로 예상된다[5].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	건식 식각 공정이 많이 사용되는 이유는?	식각 공정은 식각 반응을 일으키는 물질의 상에 따라 습식과 건식으로 나뉘어진다. 일반적으로는 습식 공정이 많이 사용되었으나 나노 스케일로 집적화되는 반도체 기술변화에 따라 회로의 선폭이 미세해지고 이에 따른 수율을 높이기 위해 플라즈마를 사용하는 건식 식각 공정을 많이 사용하는 추세이다. 식각 공정 중에 에천트의 역할을 수행하도록 외부로부터 인가되는 플라즈마로 인해 웨이퍼에 상당한 열이 전달되며 공정 후 사용한 열을 효과적으로 제거하기 위해 별도의 냉각 공정을 거친다[1].
	출구부분의 온도의 차이를 개선하기 위한 방법에는 무엇이 있는가?	이는 척의 온도 균일화에 악영향을 미치게 되고 또한 웨이퍼의 수율에 영향을 미치게 된다. 이러한 문제점을 개선하기 위해 잠열 교환 방식을 사용하는 냉매 직접냉각방식의 사용을 필요로 한다. 냉매 직접 냉각방식은 냉매가 액체에서 기체로 상 변환할 때 주위의 열을 흡수하는 성질을 이용하여 기존의 현열 교환방식과 차이점이 있다. 잠열 교환방식을 이용한 냉매 직접 냉각방식을 사용하면 현열 교환방식을 이용한 냉각방법을 사용하였을 때의 문제점을 효과적으로 개선 할 수 있다.
	식각 공정이란?	반도체 생산을 위한 제조 공정에는 크기와 용도에 따라 다양한 과정이 있으며 핵심공정 중 하나는 식각 공정이다. 식각 공정은 웨이퍼에 액체 또는 기체 상의 에천트 (Etchant)를 이용하여 불필요한 부분을 선택적으로 제거하여 반도체에 필요한 일정한 패턴을 만드는 공정을 말한다. 식각 공정은 식각 반응을 일으키는 물질의 상에 따라 습식과 건식으로 나뉘어진다.

참고문헌 (6)

Foo Lam Woong, Radimin, Mary Teo, Charles Lee , "FEA Thermal Investigation on Plasma Etching Induced Heating during Wafer Thinning process", Electro packaging Technology Conference, 2006.
Svetlana B. Radovanov, Steven R. Walther, Edward Evans, John Ballou, Nicholas R. White, William Frutiger, "Wafer Cooling for a High Current Serial Ion Implantation System," IEEE, Vol.1, pp.634-637, 1999.
Li Tao, "Design analysis and optimization for the civil aircraft hydraulic supply system based on AMESim," 2016 IEEE International Conference on Aircraft Utility System, pp.890-894 , 2016.
Dae Hyun Kim, Kang Woo Joo, Kwang Sun Kim, "Developing AMESim Model to Find out Process Condition of High Purity Solvent Recovery System," Journal of the Semiconductor & Display Technology, vol.14, no.4, 2015, pp.8-12
Q. Zhang, W. Xiong, H. Wang ,G. Guan, Z. Wang, Q. Xiong, "Research on pressure characteristics of a vehicle shift hydraulic system based on AMESim", 2017 36th Chinese Control Conference (CCC), pp.10286-10489.
LMS, AMESim UserGuide (2016).

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