[논문]진공 환경에서 가열되는 반도체 웨이퍼로의 입자 침착에 관한 수치해석적 연구

박수빈; 유경훈; 이건형

doi:10.11629/jpaar.2018.14.2.041

진공 환경에서 가열되는 반도체 웨이퍼로의 입자 침착에 관한 수치해석적 연구
A Numerical Study on Particle Deposition onto a Heated Semiconductor Wafer in Vacuum Environment 원문보기

Particle and aerosol research = 한국입자에어로졸학회지, v.14 no.2, 2018년, pp.41 - 47

박수빈 (한국생산기술연구원 나노오염제어연구실) , 유경훈 (한국생산기술연구원 나노오염제어연구실) , 이건형 (삼성디스플레이 FT기술그룹)

Abstract ▼ AI-Helper

Numerical analysis was conducted to characterize particle deposition onto a heated horizontal semiconductor wafer in vacuum environment. In order to calculate the properties of gas surrounding the wafer, the gas was assumed to obey the ideal gas law. Particle transport mechanisms considered in the present study were convection, Brownian diffusion, gravitational settling and thermophoresis. Averaged particle deposition velocities on the upper surface of the wafer were calculated with respect to particle size, based on the numerical results from the particle concentration equation in the Eulerian frame of reference. The deposition velocities were obtained for system pressures of 1000 Pa~1 atm, wafer heating of 0~5 K and particle sizes of $2{\sim}10^4nm$. The present numerical results showed good agreement with the available experimental ones.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 진공환경에서 수평으로 놓여 있는 가열되는 반도체 웨이퍼 표면으로의 대류, 브라운확산(Brownian diffusion), 중력침강, 열영동력이 모두 고려되는 입자침착 특성에 대한 수치해석적 모사를 수행하였다. 참고로 본문중의 변수 및 상수, 물성치들은 모두 SI시스템의 MKS 단위계로 계산되고 표시되었다.

가설 설정

본 연구에서 가스는 이상기체법칙을 따른다고 가정하였다. 진공환경에서의 가스의 밀도 p와 평균자유행로 λ, 분자점성계수 μ, 열전도율 k, 열확산계수 α는 각각 다음의 공식으로 산출하였다(Roth, 1976).

제안 방법

1000 Pa~1 atm, 295 K의 진공환경에서 수평으로 놓여져 있는 가열되는 반도체 웨이퍼로의 2 nm ~ 10⁴ nm의 입자크기범위에 대한 입자침착 특성을 수치해석을 통하여 고찰하고 계산된 결과들로부터 다음과 같은 사항들을 관찰할 수 있었다.

이론/모형

희박 입자상(dilute particle phase)에 기인한 일방향성(one way coupling) 에 근거하여 가스의 유동장 및 온도장의 수렴된 결과를 입자 농도장에 대입하여 각각의 입자크기에 대한 반도체 웨이퍼 상부표면으로의 입자침착속도를 구하였다. 수치해석방법은 대기압 환경에 놓인 수평 웨이퍼의 경우인 Yoo et al.(1995)과 진공 환경에 놓인 비가열 수평 웨이퍼의 경우인 Yoo(2002)의 수치해석방법과 근본적으로 동일하므로 관련 내용들을 참조할 수 있다.
전술한 지배방정식 (2)~(7)의 유한체적법(FVM)에 의한 차분화에 있어 유체의 압력구배항은 Patankar(1980)의 SIMPLE 알고리즘으로 해결하고 유체와 입자의 대류항들은 Power law scheme을 사용하여 처리하였으나, 입자농도장 지배방정식 (6)을 계산할 때 입자의 속도장이 연속법칙을 만족하지 않으므로 Stratmann and Whitby(1989)가 지적한대로 Patankar의 알고리즘을 보정하였다. 계산격자계는 Fig.
1의 계산영역에 대한 경우와 동일한 계산결과가 얻어짐을 확인하였다. 희박 입자상(dilute particle phase)에 기인한 일방향성(one way coupling) 에 근거하여 가스의 유동장 및 온도장의 수렴된 결과를 입자 농도장에 대입하여 각각의 입자크기에 대한 반도체 웨이퍼 상부표면으로의 입자침착속도를 구하였다. 수치해석방법은 대기압 환경에 놓인 수평 웨이퍼의 경우인 Yoo et al.

성능/효과

(1) 본 연구의 입자침착속도에 대한 수치해석 결과는 100 nm보다 큰 입자크기영역에 대한 기존의 실험결과와 비교적 잘 일치하여 타당한 결과를 제시함을 확인하였다.
(2) 가스 유량이 일정할 때 웨이퍼가 주위가스보다 5 K만큼 가열되면 저압인 1000 Pa 및 대기압에서 모두 입자침착속도가 감소되지만 저압의 경우가 대기압보다 더 크게 감소하여 진공환경에서의 열영동력에 의한 입자침착 억제효과가 더 높음을 알 수 있었다.
(3) 1000 Pa의 저압에서 웨이퍼가 주위가스보다 5K만큼 가열되면 입자크기가 5 nm인 경우는 입자침착에 있어 여전히 확산이 지배적이지만 50 nm 이상인 경우는 열영동력이 지배적임을 관찰할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	반도체 웨이퍼 표면상에 침착된 입자들은 집적회로의 무엇을 유발시켜 제품 수율 및 품질, 신뢰성 저하의 주요한 원인이 되는가?	반도체 웨이퍼 표면상에 침착된 입자들은 집적회로의 패턴 결함(pattern defect)을 유발시켜 제품 수율 및 품질, 신뢰성 저하의 주요한 원인이 되므로 입자오염(particle contamination) 문제는 마이크로․나노 전자산업에 있어 매우 중요하다. 반도체 제조공정이 비록 초청정 클린룸(super cleanroom)내에서 이루어진다 하더라도 입자오염 원인은 공정 자체, 장비 내부에도 존재한다고 보고되고 있다(Nakamae et al.
	집적회로의 패턴 결함의 원인이 되는 입자오염의 원인은 어디에 존재한다고 보고되고있는가?	반도체 웨이퍼 표면상에 침착된 입자들은 집적회로의 패턴 결함(pattern defect)을 유발시켜 제품 수율 및 품질, 신뢰성 저하의 주요한 원인이 되므로 입자오염(particle contamination) 문제는 마이크로․나노 전자산업에 있어 매우 중요하다. 반도체 제조공정이 비록 초청정 클린룸(super cleanroom)내에서 이루어진다 하더라도 입자오염 원인은 공정 자체, 장비 내부에도 존재한다고 보고되고 있다(Nakamae et al.,2000).
	반도체 제조공정은 어디에서 이루어지는가?	반도체 웨이퍼 표면상에 침착된 입자들은 집적회로의 패턴 결함(pattern defect)을 유발시켜 제품 수율 및 품질, 신뢰성 저하의 주요한 원인이 되므로 입자오염(particle contamination) 문제는 마이크로․나노 전자산업에 있어 매우 중요하다. 반도체 제조공정이 비록 초청정 클린룸(super cleanroom)내에서 이루어진다 하더라도 입자오염 원인은 공정 자체, 장비 내부에도 존재한다고 보고되고 있다(Nakamae et al.,2000).

참고문헌 (12)

Ichitsubo, H., Hashimoto, T., Alonso, M., and Kousaka, Y. (1996). Penetration of ultrafine particles and ion clusters through wire screens, Aerosol Science and Technology, 24, 119-127.

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Nakamae, K., Ohmori, H., and Fujioka, H. (2000). A simple VLSI spherical particle-induced fault simulator: application to DRAM production process, Microelectronics Reliability, 40, 245-253.

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Oh, M.D., Yoo, K.H., and Myong, H.K. (1996). Numerical analysis of particle deposition onto horizontal free-standing wafer surfaces heated or cooled, Aerosol Science and Technology, 25, 141-156.

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Patankar, S. V. (1980). Numerical heat transfer and fluid flow, New York, McGraw Hill.
Roth, A. (1976). Vacuum technology, New York, North-Holland Publishing.
Schmidt, F., Fissan, H., and Schmidt, K.G. (1996). Transport of submicron particles from a leak to a perpendicular surface in a chamber at reduced pressure, Journal of Aerosol Science, 27, 547-557.

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Setyawan, H., Shimada, M., Ohtsuka, O., and Okuyama, K. (2002). Visualization and numerical simulation of fine particle transport in a low-pressure parallel plate chemical vapor deposition reactor, Chemical Engineering Science, 57, 497-506.

상세보기
Song, G.S., Yoo, K.H., and Lee, K.H. (2009). Particle deposition on a semiconductor wafer larger than 100 mm with electrostatic effect, Particle and Aerosol Research, 5(1), 17-27.
Stratmann, F., and Whitby, E.R. (1989). Numerical solution of aerosol dynamics for simultaneous convection, diffusion and external forces, Journal Aerosol Science, 20, 437-440.

상세보기
Ye, Y., Pui, D.Y.H., Liu, B.Y.H., Opiolka, S., Blumhorst, S., and Fissan, H. (1991). Thermophoretic effect of particle deposition on a free standing semiconductor wafer in a clean room, Journal Aerosol Science, 22, 63-72.

상세보기
Yoo, K.H. (2002). Analysis on Particle Deposition onto a Horizontal Semiconductor Wafer at Vacuum Environment, Transactions of the KSME (B), 26(12), 1715-1721.
Yoo, K.H., Oh, M.D., and Myong, H.K. (1995). Analysis of particle deposition onto a heated or cooled, horizontal free-standing wafer surface, Transactions of the KSME, 19(5), 1319-1332.

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