3-D PTV 기술 및 CFD code를 이용한 반도체 세정 Bath내의

유동현상 측정 및 해석

강운용, 이민수, 함승주, *박헌휘

연세대학교 화학공학과, *호서대학교 환경공학과

The Measurement and Analysis of Phenomenological Fluid Motion in the Cleaning Bath for Semiconductor Process

Using 3-D PTV Technique & CFD code

Woon-Yong Kang, Min-Soo Lee, Seung-Joo Haam, *Hun-Hwee Park

Dept. of Chemical Engineering, Yonsei University

*Dept. of Environmental Engineering, Hoseo University

서론

반도체 산업에서 제조공정상의 웨이퍼 내 오염제어기술은 수율(yield)과 직접적인 연관을 갖고 있는 중요한 단위공정이다. 오염제어기술의 한 부분으로 세정기술(Cleaning)기술은 제조공정상 실제적으로 웨이퍼에 관련된 직접적인 오염제어의 수단으로 사용되어 왔다. 따라서 반도체 공정에 있어서 세정공정장비의 설계 및 최적공정기술은 중요한 의미를 갖고 꾸준히 발전되어져 오고 있다. 웨이퍼의 표면상을 Control하는 Cleaning 공정에서 이물질에 의한 오염을 효과적으로 제어하지 못하면 Device의 불안정, 산화막 신뢰성저하, 결정 결함과 함께 불량률의 증가를 가져온다. 일반적으로 세정공정은 Wet cleaning 및 Dry cleaning으로 나뉠 수 있는데 Wet cleaning 방식은 Dry cleaning 보다 Particle 제거효율이 좋은 것으로 알려져 있다. 이와 같은 일련의 Wet cleaning 방식에 대한 다각적인 연구 중에서도 Cleaning bath에 대한 연구가 중요한 부분으로 주목되고 있다. Cleaning BATH의 효율적 설계 및 최적 공정조건은 반도체 공정상의 수율 및 품질 개선 뿐 아니라 앞으로 다가올 환경문제와 관련된 유기용매 사용 및 배출량 규제에 따른 반도체 사업의 손익에도 중요한 영향을 미치기 때문이다. 효율적인 BATH설계 및 공정조건 (각 Chemical Flow들의 유량, 체류시간 및 도입/배출 조건 등)을 찾아내기 위해서는 먼저 BATH 내의 유체역학적 Parameter들을 해석해야 할 필요가 있다. 본 연구의 목적은 우선 실제 12□ wafer 세정용 bath를 이용하여 동일한 운전 조건에서의 bath 내부와 wafer표면에 대한 유체의 흐름특성을 해석하여 보다 효율적인 bath 설계 및 운전조건을 위한 기초자료를 획득하는데 있다. 따라서 본 연구에서는 bath내의 유체흐름의 특성을 이해하기 위하여 상용 CFD code를 이용한 유체모사를 통한 유동현상의 예측 및 가시화를 이용한 실제흐름 측정을 수행하였다. 이와 같은 유체 simulation 및 실험으로 획득한 기초자료를 이용하면 기존 bath의 세정능력의 개선을 위한 최적의 bath설계 및 운전 조건을 도출하고자 하였다.

실험

CCD 카메라로 bath 내부에 유체거동입자가 흐름을 따라 움직이는 상황에서 유체흐름을 촬영하였다. 하나의 카메라로 3차원 image를 얻기위해 서로 다른 각도에서 표면처리된 거울에 비추어지는 영상을 동시에 촬영하였다. Cleaning bath는 내부를 가시화하기 위해 투명한 아크릴로 제작되었다. 유체거동입자(flow marker)는 현재 상용화되어 있는 폴리스티렌 입자(SoloHill Labs Inc., Ann Arbor Michigan, d p = 150-211□m)을 사용하였다. 사용된 CCD 카메라는 초당 60장의 image를 512×512 해상도로 촬영할 수 있다. 60Hz 속도로 image를 녹화 및 재생할 수 있으며 컴퓨터로 제어할 수 있는 시스템을 갖추고 있는 Super VHS VTR에 촬영된 image를 녹화하였다. VTR에 녹화된 동화상은 화상처리보오드 (image process board)를 사용하여 컴퓨터에 수치화 된 정보로 입력되었고 얻어진 raw image는 보다 선명한 Image를 얻기 위하여 입자추적유동측정 단계 전에 화상처리소프트웨어에 의해 수정 및 보완되었다. 화상처리소프트웨어는 주로 화상에 존재하고 있는 noise들을 제거하는데 있어 필수적인 도구로써 C 언어로 구성되어졌다. 3차원 입자추적유속측정법을 이용하여 화상처리 되어진 화상정보로부터 시간에 따른 각각의 flow marker 입자들의 위치 및 궤적을 추적하였고 서로 다른 두 각도에서의 화상정보를 비교하여 3차원 속도벡터를 구했고 이를 Gaussian filtering을 통하여 오차가능성이 있는 data를 제거하였다. Bath의 크기상 흐름을 한번에 가시화 할 수 없는 관계로 bath 전체를 1/4로 나누어 실험을 하였다. 각각의 경우에 대해 bath 내에 guide가 없는 경우와 guide가 있는 경우에 대해서 실험을 수행하였다.  각각의 실험에 대해 300 frame 이상의 가시화된 이미지를 얻었으며 데이터의 신뢰도를 높이기 위해 8000개 이상의 속도벡터를 측정하여 이를ensemble average 하였다. Ensemble average된 실험결과를 유동장(vector field)으로 표현하였다.

전산모사

bath내의 유체흐름의 특성을 파악하고 예측하기 위하여 상용 Computational Fluid dynamic code를 이용하였으며 simulation 조건은 1) 일정 압력 2) 정상 상태 흐름 3) Reynolds No = 5274 ( inlet 기준) 4) Turbulent flow 5) 정렬 격자를 사용하여 계산하였다.

사용되어진 Turbulent model은 RNG k-□ model로서 Seperated flows와 recirculating flows에 적합하고 bath가 가지는 흐름 특성인 Low Reynolds No 또는 transitional flows, swirling flow에 적합한 것으로 알려져있다.

RNG k-□model에 근거한 momentum equation은

[eqn: {PARTIAL ( rho u_i )}over { PARTIAL t} + PARTIAL (rho u_i u_j )= PARTIAL over PARTIALx_j [ mu_eff ( PARTIALu_i over PARTIALx_j + PARTIALu_j over PARTIALx_i )]- PARTIALp over PARTIALx_i] 이고

k와 □은 다음 두 식에 의해 얻어진다.

[eqn: PARTIAL(rhok) over PARTIALt + {PARTIAL(rhou_i k)} overPARTIALx_i = PARTIAL over PARTIALx_i ( alpha_k mu_eff PARTIALk over PARTIALx_i ) +mu_t S^2 -rho epsilon],

[eqn: PARTIAL(rhoepsilon)over PARTIALt + {PARTIAL(rhou_i epsilon)} overPARTIALx_i = PARTIAL over PARTIALx_i ( alpha_epsilon mu_eff PARTIALepsilon over PARTIALx_i ) +C_1epsilon epsilonoverk mu_t S^2 - C_2epsilon rho epsilon^2 overk - R]

이다.

결과 및 토의

이번 연구에 사용된 bath의 유동특성 결과에 따르면 먼저 bath 본래의 구조적 특성과 injection 방식의 세정액 도입으로 인해 bath 정면을 기준으로 양쪽이 대칭적인 흐름 형태를 보이는 것이 아니라 한 쪽으로 기울어지는 흐름 형태를 보임으로써 wafer 표면에서의 균일한 세정효과를 얻은 것이 아니라 지역에 따른 세정효과의 불 균일성을 유발할 수 있는 것으로 나타났다. 또한 유체 simulation 결과로부터 guide의 기하학적 특성으로 인해 주변에 vortex가 발생하므로 이에 대한 개선의 필요가 있는 것으로 보인다. 가시화 실험 및 simulation 결과에 의하면 bath의 하단에서부터 상승하는 유체가 적절히 overflow되지 못해 상승류의 일부가 bath내로 재유입(reflux) 됨을 알 수 있었다. 이와 같은 상승류의 재 유입은 bath내에서 와류(vortex)를 형성하게되고 이로 인해 더러워진 세정액(재 유입되는 세정액)과 깨끗한 세정액과 혼합에 의해 효과적인 세정을 기대할 수 없으므로 이에 대한 개선이 필요할 것으로 생각된다. 마지막으로 유량이나 세정액의 도입각도, 유체의 웨이퍼 표면상의 마찰 등과 같은 요인보다는 guide와 bath의 구조, 세정액의 도입방법에 의해 흐름이 결정되는 것으로 나타났다.

참고문헌

1. Robert s. Brodkey, The Phenomena of Fluid Motions. 4th

2. Hirt,w C.W., and Nichols, B.D.; "Volume of Fluid(VOF) Method for the Dynamics of Free Boundaries", J. Computational Physics, 39, 201-225, 1981.

3. Acrivos, B, D., Babcock & Pigford, R. L., 1959, Flow Distribution in Manifold, Ch. Eng. Sci, 10. 112-124

4. Yakhot, Victor & Orszag, Steven A., "Renormalifzation Group Analysis of Turbulence," I. Basic Theory, J. of Sci. Comput, V. 1, No. 1, pp. 1-51, 1986.

5. S. Haam "The Study of Large Spherical Beads Motion Using Three-dimensional Particle Tracking Velocimetry (3-D PTV) Measurements",

Fig1. The geometry of the cleaning    Fig2. Raw particle image

bath

Fig3. The vector field at the bath    Fig4. The vector field at the bath

center without guide                 with guide

Fig5. The pathline at the bath center  Fig6. The pathline at the bath

center with guide                    with guide & wafer