특집 나노급측정및진단기술 며그정확도를통해상용화되었으나, 대기압에서만사용이가능한제한조건으로인해반도체및디스플레이산업의진공공정에서발생하는오염입자를실시간으로진단하기에는적합하지않았으며, 사용진공영역을확장하기위한 low pressure differential mobility an

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명렬 구
5 years ago
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1 진공공간내나노급오염입자의실시간진단시스템개발 강상우, 김태성 Development of real-time nanoscale contaminant particle characteristics diagnosis system in vacuum condition Sang-Woo Kang and Taesung Kim Particle characteristics diagnosis system (PCDS) was developed to measure submicron particle characteristics by modulation of particle beam mass spectrometry (PBMS) with scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive x-ray spectroscopy (EDS). It is possible to measure the particle size distribution in real-time, and the shape, composition can be measured in sequence keeping vacuum condition. Apparatus was calibrated by measuring the size classified NaCl particle which generated at atmospheric pressure. After the calibration, particles were sampled from the exhaust line of plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) process and measured. Result confirms that PCDS is capable for analyzing particles in vacuum condition. 1. 소개 스마트폰시장의급격한성장에힘입어고성능반도체 및고화질디스플레이의수요또한급격히증가하게되었 다. 이러한수요에힘입어메모리및칩의경우 20 nm 이 내의선폭을갖게되고디스플레이의경우에는기존보다 4배향상된 ultra-high definition (UHD) 해상도에이르는상용제품이출시되는등제품의집적도가크게향상되었다. 의도하지않은방향으로공정에유입되는오염입자는제품불량을유발하여공정수율에영향을미치게되는데, 고성능부품수요에의한공정집적도향상은나노급오염입자가수율에끼치는영향을더높이는계기가되었다 [1]. 1% 수율하락은 2% 이상의수익손실을가져오는기존의보고 [2] 가있었으며이에따라오염입자의영향, 발생원및최적의제거방법을모색하기위해입자특성분석이여러방향에서시도되었다. 기존에오염입자를분석하기위한방법으로는입자를포집하여별도의분석장치를이용, 특성을분석하는비실시간방법이이용되었고, 대부분 transmission electron microscopy (TEM) 및 scanning electron microscopy (SEM) 등전자현미경기술을이용해분석되었다. 이러한장비는포집된입자의형상, 성분및결정성등다양한정보를정확히측정할수있는장점이있지만, 별도의웨이퍼및글라스를이용하여입자포집을하는데드는추가비용 [3] 및샘플준비과정중발생하는산화문제 ( 데이터왜곡 ), 그리고공정문제를빠르게대처해수율저감에빠른대응이어렵다는비실시간장치로서의단점을갖고있었다. Scanning mobility particle sizer (SMPS) 로명명된입자의직경별수농도를실시간으로측정할수있는장치가개발되었으 < 저자약력 > 강상우박사는 2004 년포항공과대학교에서화학공학박사학위를받았으며 2006 년에삼성전자에서한국표준과학연구원으로이직하여현재책임연구원과 UST 차세대소자공학과교수를겸임하고있다 (swkang@kriss.re.kr) 김태성교수는 2002 년미국미네소타대학에서기계공학박사학위를받았으며, 같은해부터 Seagate Technology 에서연구원으로근무하다가 2005 년에성균관대학교기계공학부교수로부임하여재직중이다. (tkim@skku.edu) 11

특집 나노급측정및진단기술 며그정확도를통해상용화되었으나, 대기압에서만사용이가능한제한조건으로인해반도체및디스플레이산업의진공공정에서발생하는오염입자를실시간으로진단하기에는적합하지않았으며, 사용진공영역을확장하기위한 low pressure differential mobility analyzer (LPDMA) 를비롯 [4, 5, 6] 다양한장비가개발되었으나, 최저

2 특집 나노급측정및진단기술 며그정확도를통해상용화되었으나, 대기압에서만사용이가능한제한조건으로인해반도체및디스플레이산업의진공공정에서발생하는오염입자를실시간으로진단하기에는적합하지않았으며, 사용진공영역을확장하기위한 low pressure differential mobility analyzer (LPDMA) 를비롯 [4, 5, 6] 다양한장비가개발되었으나, 최저 10-1 Torr의저진공영역까지만측정가능한개선이이뤄지는등 10-3 Torr에이르는진공공정챔버진공영역에존재하는입자를실시간측정하는데어려움이있었다. 1995년미국미네소타대학에서개발된 particle beam mass spectrometer (PBMS) 입자측정장치는기존에개발된장치의측정가능환경을개선하여, 진공내존재하는입자의직경및수농도분포, 즉입경분포를실시간으로측정가능하도록개발되었다. 하지만 PBMS는협소한반도체제조공정장비사이의공간에적용하기에는기존측정장치대비장치크기가크다는점과하전된입자의전류값을통해입자의입경분포를측정하기에, 유입되는입자의성분을측정하거나직접적인유입입자확인을통한측정장치교정이어려워기존의비실시간방법에추가적으로의존해야하는단점이있다. 이에표준과학연구원과성균관대연구팀은기존의 PBMS 기술의소형화와함께, SEM 및 energy dispersive (X-ray) spectroscopy (EDS) 기술이결합되어오염입자의입경분포, 성분및입자형상을한장치내에서실시간으로측정이가능한 particle characteristics diagnosis system (PCDS) 라불리는나노급오염입자복합특성분석시스템을개발하였다. 본글에서는개발된 PCDS의원리및분석방법, 그리고실제공정에서의분석결과를통해진단시스템으로의활용가능성및진단효용성을보여드리고자한다. 2. 나노입자복합특성분석장치개발및원리 PCDS의구조는그림 1에나타나있으며, 입경분포측정모듈, 입자형상분석모듈및입자성분분석모듈각각의결합으로서 PBMS와 SEM 그리고 EDS 모듈들이결합된형태로나타난다. PBMS는이름에서도나타나있듯이공기역학적흐름을통해입자를집속하여입자가축중앙으로모여있는형태의입자빔을생성할수있는입자집속렌즈를포함한다. 렌즈의구성요소인오리피스의구경조절을통해입자빔 [Fig.1] Schematic diagram and design images of particle characteristics diagnosis system and its calibration process. 확산정도를제어할수있으며, 이에따라측정부까지이동하는입자의손실을최소화할수있고 [7], 챔버압력또한 Torr 미만으로유지되는특성상 SEM 및 EDS 모듈을결합하는데최적화된장비로선택되었다. 입자손실이최소화됨에따라최종측정부에서입자포집이가능하며, 포집을통해 SEM 및 EDS 분석이가능하다. 공기역학집속렌즈는여러개의판형오리피스를포함하고있으며각각의오리피스를통과함에따라입자는점진적으로집속되어좁은빔형태로나타난다 [8]. 집속된입자는가속노즐을지나며가속되고이과정에서입자와함께유입된잔류기체분자는확산된다. 이후입자빔은챔버구획을위해장착된판형오리피스형태의스키머 (2 mm 직경 ) 를거치며전자총에의해하전된다 [9]. 확산된잔류기체가하전과정에유입될시전자총에서발생하는전자의흐름에영향을미치게되므로스키머유입전에배출된다. 이후하전된입자는입자빔진행방향으로부터 45 로장착된디플렉터로진행한다. 디플렉터는 3 12 진공이야기 Vacuum Magazine September

3 및는각각입자의질량, 속도및하전값을나타내며 A는입자빔에대해 45 로배치된디플렉터각도에의한비례상수이다. 이때입자의질량, 속도및하전값은 m(d p ), u(d p ), 그리고 z(d p ) 로서입자직경에의한함수이며이에따라측정전류값은다음과같이나타난다 [10]. 각각의전류값 I(V) 는앞서설명한바와같이디플렉터전압을점진적인계단꼴로변화시킴으로서얻어지며전류값을통해환산되는입자의입경별수농도분포는다음과같이나타난다. [Fig. 2] Particle trajectories classified by each size at the deflector. 장의금속망이샌드위치형태로배치되어있으며, 디플렉터의동작원리및입자이동경로는그림 2에나타나있다. 입자의하전에의한전기적에너지값대비운동에너지의값이디플렉터중앙금속망에걸리는퍼텐셜보다작을때입자는 90 로휘어져진행하게되고이후전도성금속판표면에포집된다. 전도판은최소 A까지측정가능한전류계와연결되어있으며입자의하전량을측정한다. 측정방법은크게두가지방법이있는데, 전체공정에서발생하는개략적인입자농도및공정변화를확인하기위한모니터링모드, 그리고입자크기분포를확인하기위한스캐닝모드가있다. 모니터링모드에서는대부분의입자를꺾을수있도록디플렉터에높은퍼텐셜을유지시키며일정시간간격으로측정되는전류값을기록한다. 스캐닝모드에서는디플렉터전압을점진적으로증가시키며각시점마다전류값을기록한다. 스캐닝모드에서기록된전류값을토대로크기분포를구하게되는데이때측정전류값 I(V) 는디플렉터에걸리는퍼텐셜 V 에대한함수로서나타난다 [7]. [Fig. 3] Sample particle analyses results by PCDS 13

4 특집 나노급측정및진단기술 전도성표면에포집된입자는 10만배의배율및최대 30 kv의가속전압을갖는 SEM 모듈및 133 ev의에너지분해능을가지며 1,000 Kcps의 input 카운트속도를갖는 EDS 모듈을이용하여형상및성분을각각분석할수있다. (a) Process monitoring results of particles from the exhaust line of PECVD, deflection voltage is 1200 V 3. 공정내입자분석 진공공간내입자의실시간분석가능여부를확인하기위해 plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) 를이용, 공정배기라인에서발생하는입자를 PCDS로측정하였다. 실제공정측정전장치검증및교정을위하여표본입자측정및분석을진행하였으며이러한과정은그림 1 에붉은색점선으로나타내었다. 표본입자로는 NaCl을이용하였으며 atomizer 및 dryer를이용하여발생시킨입자를 SMPS를통해 100, 200 및 300 nm 의크기별로분류시켜 PCDS에유입시켰으며, 이때측정크기및성분등의일치정도를확인하였다 ( 그림 3). 표본입자교정평가후에는 4.5 Torr의공정챔버압환경에서 PE-Nitride 공정을통해발생시킨입자를측정하였으며, 측정장치구성의최소화및간략화를위하여 PECVD의 roughing (b) Scanning mode at the deposition process (c) SEM imaging [Fig. 4] Schematic diagram of PECVD generated particle measurement using PCDS. 14 진공이야기 Vacuum Magazine September

5 (d) EDS analysis of particle. 4. 결론 공정수율에영향을끼치는오염입자는그손실에의해분석및제어필요성이점차커지고있다. 이에따라나노급오염입자를분석할수있는여러장치가개발된바있으나, 실시간측정이불가하거나, 측정능력의한계등여러단점이존재하였다. 각각의단점이보완된실시간측정장치의개발필요성에의해본연구진을통해개발된 PCDS 가개발되었으며교정및실제공정평가과정을통해공정수율을높이는데기여가능한입자측정장치로서의활용성을확인할수있었다. 차후일부측정정확도의개선및십수나노미터크기의공정집적도에최적화된측정장치의개발이필요할것으로예상된다. [Fig. 5] PCDS measurement results of particles from the exhaust line of PECVD. pump에 PCDS의배기라인을연결하여측정구성을하였다 ( 그림 4). PECVD 의배기라인으로유입, PCDS 에포집된입자의측정결과는그림 5 와같다. 그림 5(a) 는전체공정모니터링결과이며대부분의입자를편향시킬수있도록 1200 V 의디플렉터전압을건상태에서포집된입자의전류값을측정하였다. 이후입경분포를측정하였으며, 디플렉터전압은 20 V 간격으로 0 에서 2000 V 까지모니터링모드에서측정전류값이일정한구간인 55 ~ 65 초측정구간에서총 10초간스캐닝측정을하였다 ( 그림 5(b)). 형상확인을위한 SEM 이미지에서볼수있다시피구상형결정의크기는 200 nm 보다작아보이며이는스캐닝측정결과에서나타나는최빈크기인 176 nm과일치되는결과를확을할수있었다 ( 그림 5(c)). 그림 5(d) 는크기분석후 EDS 성분분석한결과이며, 공정주성분인 Si 를확인할수있었다. 이외전도성포집판의주성분인 Cu 또한확인할수있었다. References [1] M. Nagai, J. Electrochem. Soc. 154, J387-J392 (2007). [2] J. F. O Hanlon and H. G. Parks, J. Vac. Sci. Tech. A 10, 1863 (1992). [3] K. M. Takahashi and J. E. Daugherty, J. Vac. Sci. Technol. A 14, (1996). [4] T. Seto, T. Nakamoto, K. Okuyama, M. Adachi, Y. Kuga, and K. Takeuchi, J. Aerosol Sci., 28, (1997). [5] K. Seol, S. Y. Tsutatani, R. P. Camata, J. Yabumoto, S. Isomura, Y. Okada, K. Okuyama, and K. Takeuchi, J. Aerosol Sci., 31, (2000). [6] J. H. Mun, D. G. Cho, Y. J. Kim, J. B. Choi, S. W. Kang, J. Y. Yun, Y. H. Shin, and T. Kim, J. Nanosci. Nanotechnol. 11, (2011). [7] P. J. Ziemann, P. Liu, N. P. Rao, D. B. Kittelson, and P. H. McMurry, J. Aerosol Sci. 26, (1995). [8] X. Wang, F. E. Kruis, and P. H. McMurry, Aerosol Sci. and Tech. 39, (2005). [9] P. J. Ziemann, P. Liu, D. B. Kittelson, and P. H. McMurry, J. Phys. Chem. 99, (1995). [10] T. Kim, Ph. D. Thesis, University of Minnesota (2002). 15

실험 5

실험 5 실험. OP Amp 의기초회로 Inverting Amplifier OP amp 를이용한아래와같은 inverting amplifier 회로를고려해본다. ( 그림 ) Inverting amplifier 위의회로에서 OP amp의 입력단자는 + 입력단자와동일한그라운드전압, 즉 0V를유지한다. 또한 OP amp 입력단자로흘러들어가는전류는 0 이므로, 저항에흐르는전류는다음과같다.