Removal of nano-sized contaminant particles through a dual-fluid spray

학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 공과대학 기계항공공학부, 2019. 2. 김호영.최근 전자 기기의 성능향상과 초소형화가 동시에 요구되면서 반도체 소자의 집적도를 향상하려는 시도가 지속되고 있다. 이에 따라 오늘날 반도체 집적회로는 다층배선구조로 구성되며 배선의 층수가 점차 증가하는 추세로 개발되고 있다. 다층 배선구조를 제작하기 위해 반드시 선행되어야 할 필수조건은 회로표면의 평탄화이며 이를 위해 반도체 공정에서는 CMP(Chemical-Mechanical Polishing) 공정을 널리 적용하고 있다. 하지만, CMP 공정은 연마패드와 수십 나노미터 크기의 입자가 포함된 연마재를 사용되고 있기 때문에 공정 후, 슬러리 입자나 물리적 마찰에 의해 발생하는 다양한 미세 먼지 및 파편들이 반도체 표면 위에 잔존하게 된다. 이러한 입자들은 반도체 소자의 성능에 치명적인 영향을 미치며 따라서 생산 수율을 저하시키는 주요 요인이 되고 있다. 최근에 이류체 스프레이 노즐(Dual-fluid spray nozzle)을 이용하여 CMP 공정 후 잔존하는 오염입자를 제거하는 기술이 개발되었다. 이는 노즐이 시편과 직접 닿지 않기 때문에 기존 세정방식에서 제기되어 왔던 상호오염문제를 배제할 수 있으며 마이크로 크기의 액적들이 오염입자와 직접 충돌하기 때문에 높은 세정효율 또한 보장할 수 있다. 하지만, 노즐의 세정 성능을 평가하고 이를 통해 구조를 개선하려는 시도가 미진하였으며, 관련 연구가 액적의 미립화에 집중되어 왔기 때문에 액적의 운동량을 최대화하기 위한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 이류체 spray가 시편과 충돌할 때 발생하는 압력 분포를 측정하여 노즐의 성능을 평가할 수 있는 방안을 제시하고 이를 기반으로 기존 이류체 노즐의 형상을 최적화한다. 또한 노즐 내부에서 발생하는 다상 유동 현상을 가시화하여 내부 구조를 효율적으로 개선할 수 있는 방안을 모색한다. 그리고 piezoelectric 방식을 이용한 새로운 spray 분사 시스템을 제안하여 spray 액적의 균일화에 대한 실현 가능성을 제시한다.As electronic devices have been required to be miniaturized, attempts to increase the integration of semiconductor chips have increased. The semiconductor integrated circuit is composed of a multi-layered structure, and a precondition for this structure is planarization of the circuit surface. CMP(Chemical-Mechanical Polishing) technique has been used to fabricate the planar surface. However, nano-meter size conductive particles have remained after the abrasing process, and these particles cause fatal damages on the performance of the semiconductor. To remove the nano-sized contaminant particles, a cleaning technique using dual-fluid spray has been introduced. As the high speed droplets directly attack the particles, the high cleaning efficiency and processing speed can be obtained. However, there has been no attempt to evaluate the cleaning performance of the sprays and improve the structure. Further, as the precedent studies related to sprays have focused on the atomization of droplets, research to increase the momentum of droplets is necessary. In this study, we evaluate the performance of a dual-fluid nozzle by measuring the pressure distribution resulting from the impact of sprays and optimize the nozzle geometry. And, we propose strategies to improve the inner structure of the nozzle by visualizing flow inside the nozzle. Further, we propose a new spray generation system by using piezoelectric transducers and present the feasibility for uniform spray.국문초록 i 목차 iii List of Figures v List of Tables x 기호설명 xi 1. 서론 1 2. 이류체 spray에 의한 오염입자 세정 메커니즘 4 3. 실험 장치 및 실험 방법 9 3.1 이류체 spray 발생 장치 9 3.2 이류체 spray의 충돌 압력 측정 방법 13 3.3 이류체 spray의 세정 성능 평가 방법 15 4. 이류체 spray 성능 평가 18 4.1 유체 공급 조건 및 stand-off distance의 영향 18 4.2 Spray 성능에 대한 노즐 형상의 영향 21 4.2.1 세정 효율에 대한 가속부 길이의 영향 21 4.2.2 세정 효율에 대한 가속부 직경의 영향 29 4.2.3 세정 효율에 대한 분쇄부 길이의 영향 33 4.2.4 세정 효율에 대한 분쇄부 직경의 영향 39 5. 노즐 내부 유동 가시화를 통한 성능 개선 42 5.1 2-dimensional 노즐 제작 및 내부 유동 가시화 42 5.2 이류체 노즐 개선 및 오염입자에 대한 세정력 평가 47 6. 이류체 spray의 액적 균일도 향상 49 6.1 기존 이류체 spray 세정 기술의 한계 49 6.2 Piezoelectric transducer를 이용한 균일 크기 액적 생성 51 6.3 고속 기체를 이용한 균일 크기 액적 가속 57 7. 결론 65 참고문헌 66 Abstract (영문초록) 69Maste