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Wafer Cleaning & oxidaton

1.실험제목 : Wafer Cleaning & Thermal Oxidation2.실험목적미립자, 유기 잔여물, 무기 잔여물, 원하지않는 산화층을 제거하여 오염이없는 웨이퍼를 만들고 thermal CVD를 사용하여 원하는두께의 SiO2층을 만든다.3.실험이론WAFER CLEANING예전에는 CHEMICAL용액을 이용하는 공정은 막질을 ETCH하는 목적으로 주로 적용되어 왔습니다.그러나 DEVICE의 고집적화와 DESIGN RULE(회로선폭)의 HALF MICRON(0.5㎜) 세대가 출현함에 따라 각 PROCESS 중 WAFER 표면에 오염을 가져오는 것들(PARTICLE등)에 대한 CLEANING 요구가 많아지고, 중요시 되고 있습니다.이런 PARTICLE 등의 이물질을 세정하는 방법은 CHEMICAL을 이용하는 방법, GAS PLASMA 처리방법, UV O3 조사법, 물리적으로 제거하는 BRUSH을 이용하는 SCRUBBER방법 등이 있다.① Cleaning 원리 및 제거되는 물질PARTICLE 등의 이물질을 세정하는 방법은 크게 CHEMICAL을 이용하는 방법, O3 수나 ION 수를 사용하는 방법, BRUSH를 이용하여 물리적으로 PARTICLE을 제거하는 SCRUBBER 방법, GAS PLASMA 처리나 UV O3 조사 등의 DRY CLEANING 방법 등이 있다.참고 : cleaning에서 적용하는 chemical(1) 무기용제 : H₂SO₄, NH₄OH, H₂O₂ , HF, HCl etc.(2) 유기용제 : PRS-2000, ACT-CMI, ACT935, EKC245, CH3COOH, IPA etc.(3) 기 타 : O3 수, 전해 ION 수, BRUSH공정(SPIN SCRUBBER)① SC1(Standard Cleaning 1 or APM:Amonum Peroxide Mixture)1960년대 미국 RCA사의 KERN에 의하여 만들어진 세정으로, 현재까지 가장 널리 사용되고 있는 세정방법인데, CHEMICAL 구성은 NH4OH/H2O2/H2O 인 알카과 반발력(즉, van der Waals force)이 일어나 떨어지게 된다.이런 정전기적 반발력으로 PARTICLE이 WAFER에서 떨어지게 되지만, 크기가 0.5㎛이상으로 클 경우에는 정전기적 힘에 한계가 있기 때문에 이런 현상을 도와 주기 위하여 MEGASONIC(0.95㎒ 초음파)을 더해주어 제거력을 향상시킨다.또 다른 SC1 세정의 특징은 표면의 Cu, Ni는 제거가 잘되지만, Al, Fe, Zn은 재흡착되는 문제가 있다. 이런 문제를 해결하기 위하여 연속 공정으로 DHF(희불산)를 사용하고 있다.② SC2 (Standard Cleaning 2 or HPM:Hydrochloric Peroxide Mixture)SC2는 SC1과 같이 RCA의 KERN에 의하여 만들어진 것으로 CHEMICAL 구성은 HCl/H2O2/H2O 이며, 이것의 주 적용은 HEAVY METAL ION을 제거하는 것이다.그러나 HCl의 독성과 부식력, PARTICLE 때문에 현재는 적용이 거의 되지 않고 있다.* ION EXCHANGE :Na+ + HCl → H+ + NaClCu + H2O2 → CuO + HCl → OH + CuCl③ DHF (Dilution HF)HF는 주로 산화막(SiO2) 을 제거하기 위한 목적이되며, 적용 비율은 DIW(H2O)와 혼합하여 1~0.01wt% 까지 다양한 비율로 적용되고 있고, 일반적으로 0.5wt%가 가장 많이 사용되고 있다.METAL ION 제거력 측면에서 HF세정은 Al, Fe은 쉽게 제거하는 반면, Cu는 재흡착이 잘되는 문제가 있다.이 문제는 HF/H2O2 혼합용액으로 해결하는 방법이 있으나, 아직까지 널리 사용되고 있지는 않는다.④ SPM (Sulphuric Peroxide Mixture)SPM은 반도체가 개발될 때부터 지금까지 가장 널리, 가장 넓게 다용도로 적용되고 있는 CHEMICAL이며 일명 황산보일, 황산스트립이라 불린다.그러나 SC1이 등장한 이후 그 적용 범위는 PHOTO RESIST등의 유기물 제거 공정에 주로 적용되R는 WAFER의 회전력과 BRUSH의 접촉력에 의한 물리적인 방법으로 CLEANING을 하게 된다.공정 적용은 WAFER를 회전 CHUCK에서 돌리면서 DIW를 분사하고, 이후 BRUSH를 이동하여 WAFER와 일정 거리를 유지하며 접촉시켜, WAFER 중앙부터 가장자리로 움직이며 PARTICLE을 제거하고 마지막으로 WAFER 건조는 SPIN DRY를 하게 된다.또한 BRUSH를 적용하지 못하는 막질의 경우에는 DiSONIC(0.5㎒ 초음파)을 이용하여 PARTICLE을 제거하게 된다.아래 그림은 물리적인 세정 능력을 가진 SPIN SCRUBBER의 단면을 보여주고 있다.BRUSH를 이용한 공정에서 PARTICLE을 제거하는데 있어서 BRUSH와 WAFER SURFACE 간의 거리 즉 GAP이 중요한데, 이러한 GAP의 SETTING 방법을 아래 그림에 나타내었다.이러한 GAP은 SURFACE에 존재하는 막의 종류와 표면 상태에 따라 조절해 주어야 PARTICLE 제거력을 극대화 시킬 수 있다.아래 사진에서는 실제 SPIN SCRUBBER 공정을 적용하여 WAFER 표면 위의 PARTICLE을 제거한 경우를 보여주고 있다. WAFER에 PATTERN이 형성되어 있는 상태에서 SPIN SCRUBBER 공정을 적용하게 되면 아래 사진에서 보는 바와 같이 PATTERN ATTACK이 발생할 수 있으므로 PATTERN이 형성된 상태에서는 SPIN SCRUBBER 공정 적용은 바람직하지 않다.참고로, SPON SCRUBBER의 경우 매엽식 방식인데, 현재의 장비개발은 ARGON AEROSOL을 이용한 세정장치, SONIC WAVE와 물방울의 CAVITATION 현상을 이용한 세정장치, 미세한 얼음 알갱이를 이용한 ICE SCRUBBER 등 차세대 개념의 매엽식 세정 장치들이 개발 중이거나, 일부 적용되고 있으므로 실제 우리 주변에 있는 매엽식 세적 장치에 대해서 많은 관심을 가지는 것이 바람직 하다.⑦ DRY CLEANINGdry cleaning을 chemical 실리콘 산화막 형성의 재료로 사용된다.스퍼터링- 용융 석영이 음윽 표적 재료로 사용되며, 이것이 진공 속에서 고에너지 이온 가스 분자에 의해 충돌되어 실리콘 웨이퍼로 구성되어 있는 양극으로 SiO2를 전달한다. 표적 재료로 고순도 실리콘을 써서 스퍼터링을 하기도 하는데 이 때에는 삱소의 부분압 속에서 행해진다. 일반적으로 스퍼터링 공정에서는 참여하는 원자들이 그대로 웨이퍼에 도달하여 박막을 형성하며 기판의 가열이 불필요하다.250~260°C사일레인(silane, SiH4)의 산화에 의한 증착방법- 보통 저온화학 기상층작이라 부름.- 얇은 산화막이 형성되는데, 이상화막은 특별히 칩의 마지막 보호막으로 사용됨.- 이공정에서 실리콘 웨이퍼가 약 400°C까지 가열되며, 실란과 산소와 질소의 혼합가스가 웨이퍼위로 흐르면서 산화막을 형성- 전형적인 막의 두께는 5,000~15,000A정도가 된다.600~900°C실리콘 화합물의 열분해를 통해 산화막을 증착시키는 방법- 2~20μm의 두꺼운 산화막으로 얻기 위해서는 열벽 반응기에서 TEOS(tetra-ethyl-ortho-silicate)라는 유기물을 사용한다.- 산화막의 형성은 진공 석영관속에서 행해지는데, 이는 낮은 밀도의 막을 형성할 가능성이 있는 깨끗하지 못한 습기와 외부 산소의 흡입을 방지하기 위함이다.- 이 물질을 사용한 경우에 산화막 증착 속도는 약 200~800A/분이다.CO2와 함께 SiH4나 SiCl4를 산화하는 방법- 1μm이하의 산화막을 얻기위해 사용된다.- 실리콘 게이트 MOS소자를 만드는데 많이 쓰인다.- 실리콘 에피를 위해 전형적으로 사용되는 냉벽 반응기와 휴사한 시스템에서 행해진다.- 산화막의 성장 속도는 900°C에서 대개 200A/분이다.900~1,250°C900~1,250°C의 온도 범위에서는 실리콘의 열산화 공정이 사용된다. 이는 대기압에서 일어나는 개관 반응이다. 실리콘의 열산화는 건식산화, 습식산화, 수증기산화로 나뉜다.건식산화 : 열에 의한 산화막 형성 공정 중에서 가장 간단한 것는 훨씬 더 복잡한 결과를 보이며, 아래 그림에 나타나있다. 이 곡선들은 단 하나의 수학적인 표현으로 나타낼 수 없을 뿐만 아니라 초기 시간에서 영 두께를 외삽법에 의하여 추정할 수도 없다. Si의 열산화에 대해 관찰된 데이터의 불일치 때문에 중요한 조절 변수를 이해할 수 없었으나, 포물선으로 표시되는 데이터들은 확산의 영향을 받을 것이고, 선형적으로 표시되는 데이터는 표면에서의 반응속도의 영향을 받은 것으로 생각된다.이 문제는 1965년 Deal과 Grove에 의해 제시되었고 아래는 간단한 관계식을 유도한 것임.Deal과 Grove는 산화막 두께가 X0인 실리콘 웨이퍼를 가지고 출발한다. 산화막 형성은 산화제가 산화막과 실리콘의 접촉 영역을 지나 실리콘 안쪽으로 이동하여 진행되는 것으로 추정된다. 따라서 다음의 세가지 조건을 만족해야 산화가 일어난다.① 산화제가 가스로부터 산화막과 가스의 접촉 영역으로 전달되어야 한다. 가스 분위기 속에서는 농도의 차이가 존재하므로, 가스 가운데에서의 O2의 농도를 CG, 산화막 표면에 가까운 곳의 O2의 농도를 CS로 둔다.② 산화제가 이미 형성된 산화막을 통해 확산되어야 한다. 따라서 O2 농도의 차이가 산화막 내에 존재한다. 이 때 산화막 바깥쪽 표면에서의 O2의 농도를 C0, 실리콘과 산화막 계면에 가까운 고세에서의 O2의 농도를 Ci라 둔다.③ 산화제는 실리콘의 표면에서 반응을 해야한다.따라서 세 가지 개개의 유속(flux)이 관련되어 있으므로, 이를 각각 F1, F2, F3라하자. 이 모델은 정상 상태(steady state)에서 F1=F2=F3를 가정한다.(증명은 Deal과 Grove논문에 포함되있다.)가스의 흐름을 직선적이라 가정하고 hG를 가스 상태의 질량 전달 계수라고 두면,식 (1-1)이다. 한편, Henry의 법칙으로부터식 (1-2)이며 여기서 PS와 PG는 각각 가스와 산화막의 경계 표면과 가스벌크에서의 산소의 부분압이고, C*는 평형 상태의 산화막 표면 바깥쪽 가스벌크에서의 산화제의 농도이며 H는 H

공학/기술| 2010.09.26| 12페이지| 1,000원| 조회(617)

Wafer Cleaning, Wafer oxidaton

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Photolithography 평가A좋아요

1.실험제목 : Photolithography2.실험목적Photolithography를 이용해 실리콘 웨이퍼 위에 원하는 모양으로 산화층 패턴을 넣고 Al증착 바로 전단계까지 완성할 수 있다.3.실험이론Photolithography란?우선 실리콘 산화막 위에 액상의 감광제 (photoresist)를 회전도포(spincoating)하여 적정한 두께로 형성하고, 소프트 베이크(soft bake)를 하여 감광제 속의 용제(solvent)를 제거하여 감광제가 끈적거리지 않도록 한다.감광제가 코팅된 기판에 마스크를 정렬하고 자외선을 쪼여주면, 음성 감광제 (negativephotoresist)의 경우 빛을 받은 부분에서 cross link가 일어나기 때문에 현상액(developer)에 넣었을 때에 빛을 받지 않는 부분은현상액에 녹지만 빛을 받은 부분은 현상 후에도 남게 된다. 감광제와 기판의접착력을 향상시키고 감광제를 보다 단단히 하기 위해서 하드 베이크(hardbake)를 실시한 후에 실리콘 산화막을 식각(etching)하면 감광제가 보호막역할을 하기 때문에 감광제가 없는 부분만 식각이 된다. 마지막으로 본연의 역할을 수행한 감광제를 제거하는 공정으로 사진식각공정이 마무리 된다. 경우에 따라서는 감광제를 회전도포하여 현상하는 단계까지만의 공정을 사진식각공정이라고 칭하기도 한다. 보다 자세한 각 공정의 역할 및 공정 수행시의 주요 고려사항은 다음과 같다.① 회전도포 (Spin Coating)회전도포의 목적은 웨이퍼 전체에 필요한 두께로 감광제를 균일하게 도포하는 것이다. 감광제의 두께와 균일도에 영향을 주는 요인들로는 점성계수, 다중체(polymer)함량, 회전 속도와 가속도 등이 있다. 점성 계수는 감광제 박막의 두께를 결정하는 가장 중요한 척도로, 반도체 공정에 쓰이는 대부분의 감광제는 16 ~ 60 cps 사이의 점성계수를 갖는다. 더 정확하고 유용한 척도는 다중체 함량인데, 이는 감광제에 있는 다중체의 양을 의미한다. 용제와 비교하여 다중체의 함량이 높을 경우에 되면 감광제는 웨이퍼와의 마찰력과 회전에 의한 원심력의 영향을 받게 된다. 따라서 회전 속도가 빠를수록 원심력의 영향을 많이 받아 감광제의 두께는 얇아 지게 된다. 이 때 여분의 감광제는 대부분 원심력에 의해 웨이퍼의 가장자리로 밀려서 웨이퍼를 벗어나게 되지만 일부는 표면장력으로 인해 가장자리에 쌓이게 되는데 이를 edge bead 라 한다. Edge bead 가 클 경우에는 마스크와 웨이퍼 를 접촉시킬 때에 둘 사이의 공간을 만들게 되어 마스크 패턴이 감광제로 정확히 전사되지 못한다. 따라서 가장자리 쌓임을 최소로 하려면 4000rpm 이하의 스핀 속도는 피하여야 한다. 가속도도 막 두께와 균일성에 영향을 미친다. 높은 가속일수록 균일한 막을 얻을 수 있으며 edge bead 도 줄일 수 있다. 또한 감광제가 충분히 얇아지도록 하기 위해서는 마지막 단계에서의 스핀 시간이 10 초 이상이 되도록 조절해야 된다. 감광제 도포 시에 먼지가 감광제에 앉게 되면 노광 시에 마스크와의 접촉을 나쁘게 할 뿐만 아니라, 현상액에 녹지 않아야 할 부분의 감광제 영역에서 현상 시에 먼지가 떨어져 나가게 되면 그 부분도 식각이 되므로 결함이 발생하게 된다. 따라서 사진식각공정 중에서 회전도포 공정이 가장 청결도가 중요하다고 볼 수 있다.② 소프트 베이크 (Soft Bake)감광제를 회전 도포하게 되면 감광제에 함유되어 있던 용제의 80 ~ 90％가 회전하면서 증발 된다. 그러나 용제의 나머지 양이 감광막에서 완전히 건조되지 않는다면 빛이 쪼여질 때 효과적인 상호 작용을 방해하고 마스크와 웨이퍼를 접촉시킬 때에 감광제가 웨이퍼에 붙게 되기 때문에, 회전 도포 후에 용제를 제거하기 위해서 소프트 베이크를 실시한다. 만약 소프트 베이크 공정의 온도가 너무 높으면 여분의 열이 음성 감광제의 경우에는 cross link 를 유발하고 양성 감광제의 경우에는 빛에 대한 감응도를 감쇠 시키므로 적절한 온도에서 공정을 수행하여야 한다. 베이크 공정에 사용하는 기본적인 장비로는 대류식 오븐 (우 열전달이 불균일하게 일어날 수 있다.③ 노광 및 현상 (Exposure and development)마스크는 자외선을 투과시키는 기판 위에 자외선을 차단하는 막이 특정한 형태로 패턴된 원판으로, 마스크와 웨이퍼를 배열한 후에 마스크를 통해 높은 밀도의 자외선을 쪼이게 되면, 자외선을 차단하는 막이 없는 부분의 아래에 있는 감광제만 자외선에 노출된다. 이 때 음성 감광제의 경우에는 자외선을 받은 부분에서 cross link 가 유도되거가 cross link 를 유도하는 물질이 활성화 되어 노광 직 후에 post exposure bake 공정에서 열에 의한 cross link 가 유도되므로 자외선에 노광된 부분이 현상액에 녹지 않는 상태가 된다. 한편 양성 감광제의 경우에는 빛을 받은 부분에서 polyer chain 이 끊어지게 되어 자외선에 노광된 부분이 현상액에 녹는 상태가 된다. 일반적으로 음성 감광제가 기판과의 접착력이 우수하고, 양성 감광제가 미세 패턴의 전사도가 우수하다.④ 하드 베이크 (Hard bake)노광과 현상을 마친 후, 감광제를 굳게 하고 기판과의 접합력을 향상시키기위하여 하드 베이크 공정을 실시한다. 일반적으로 하드 베이크 공정은 소프트베이크 공정보다 높은 온도에서 실시한다.⑤ 식각 (Etching)패턴된 감광제를 보호막으로 삼아서 패턴하고자 하는 막을 식각할 때에는, 보통 감광제를 녹이지 않으면서 해당하는 막을 녹이는 화학적인 방법을 사용하거나 기체의 이온 등을 이용하여 감광제와 해당하는 막을 동시에 식각하나 감광제에 의해서 그 아래에 위치하는 부분은 보호를 받게 되는 물리적인 방법을 사용한다. 일반적으로 화학적인 방법은 화학 반응이 모든 방향에 대해서 균일하게 일어나기 때문에 등방성 식각인 경우가 많으며, 물리적인 방법은 이온이 방향성을 가지고 막과 충돌하여 그 막을 식각하기 때문에 이방성 식각인 경우가 많다.⑥ 감광제 제거 (Photoresist removal)본연의 역할을 수행한 감광제는 유기 용제나 산성 또는 염기성 용액을 이용퍼를 'spin quarter'에 올려놓고 'vacuum버튼'을 누른다.?vacuum을 하는 이유는 실리콘 웨이퍼를 고정 시키기 위해서 이다.②실리콘 웨이퍼위에 스포이드를 이용해 'positive PR용액'을 실리콘 웨이퍼위에 기포가 생기지 않도록 고르게 입혀준다.?positive PR용액은 감광받는 부분이 Develop단계에서 녹아서 사라지게 된다.?기포가 생기면 'spin quarter'로 코팅할 때 PR이 제대로 코팅이 되지 않기 때문이다.③뚜껑을 덮은후에 'spin quarter'장비의 'START버튼'을 눌러준다.?'START버튼'을 누르면 저속(1000RPM)에서 3초동안 회전하다가 고속(4000RPM)에서 30초동안 회전하게 된다.3단계 : 'soft baking'을 한다.①PR코팅된 실리콘 웨이퍼를 'hot plate'에서 100℃로 1분동안 가열한다.?'soft baking'을 통해서 코팅된 PR이 굳게 된다.?'soft baking'을 하는 이유는 다음 단계에서 'contact align'을 할때 접촉면에 PR코팅이 손상될수 있기 때문이다.4단계 : 'soft baking'을 마친 PR코팅된 실리콘 웨이퍼를 XX에서 'alignment'시키고 30초동안 'exposure'시킨다.?'alignment‘에는 ’contact align‘과 ’noncontact align‘이 있는데 ’contact align‘을 시키면 mask와 실리콘 웨이퍼가 접촉하게 된다.?마스크의모양은 아래와 같다.?exposure시키면 자외선이 크롬으로 패턴이 새겨진 마스크를 통과해 마스크의 패턴대로 실리콘 웨이퍼 위의 PR코팅층을 약화시키게 된다.5단계 : 'exposure'시킨 실리콘 웨이퍼를 'develop용액'으로 45초동안 'develop'시킨다.①'esposure'시킨 실리콘 웨이퍼를 보트에 담아 'develop용액'에 45초동안 담가둔다.?'develop용액'은 'develop용액'과 '디아이워터'를 1:5의 비율로 섞은 용액이다.?'esposure'시켜 약화된도록 주의한다.6단계 : 'hard baking'을 한다.① 'develop'시킨 실리콘 웨이퍼를 'hot plate'에서 100℃로 1분동안 가열한다.?'hard baking'을 통해서 남아있는 수분을 제거한다.?'hard baking'을 통해서 다음 단계인 'etching'에서 남아있는 PR코팅층이 손실되는 것을 막는다.7단계 : 'hard baking'을 한 실리콘 웨이퍼를 'BOE용액'으로 4분30초동안 'etching'시켜준다.①'hard baking'을 한 실리콘 웨이퍼를 'BOE용액'에 4분30초동안 담가둔다.?'BOE용액'은 불산과 NH4을 1:6의 비율로 섞은 용액이다.?이과정을 통해서 'BOE용액'이 산화층을 제거하게된다.②'디아이워터'에 중화시켜준다.③'질소건'으로 물기를 제거시킨다.④실리콘 웨이퍼를 아세톤에 담궈서 나머지 PR제거한다.(PR Strip)4월 29일 실험 : ‘ ? Develop까지’1단계 : 이전 실험을 마친 'Etching'된 실리콘 웨이퍼를 준비한다.2단계 : ‘Etching'된 실리콘 웨이퍼 위에 ‘Positive PR용액’을 코팅한다.3단계 : 'soft baking'을 한다.4단계 : 실리콘 웨이퍼위에 ‘『 ’모양을 기준으로 'Alignment' 와 'Exposure'를 한다.? 앞선 실험과는 다른 마스크를 사용한다. 대략 다음과 같다.5단계 : 'exposure'시킨 실리콘 웨이퍼를 'develop용액'으로 35초동안 'develop'시킨다.?‘develop'후에는 아래와같은 패턴을 가지게 된다.5.실험 결과 및 고찰4월 15일 실험 : ‘?Etching까지’실리콘웨이퍼 아랫부분 길죽한 미세 패턴중에서 3번째와 4번째패턴을 Develop 후, Etching 후, PR Strip 후등 세차례 관찰 하였다.3번째 패턴은 관찰결과 비교적 깨끗한 모양의 결과를 나타내었다.4번째 패턴도 Develop 후 선명한 모양을 나타내었다.Etching후에는 PR층이 일부 소실되었고 모양이 변형되었음을 관찰 할 수 있었다. 그 이유 하다.

공학/기술| 2010.09.26| 11페이지| 1,000원| 조회(667)

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