Analysis of liquid film-induced wafer defects during the clean process via high-resolution CFD simulation
- 주제어 (키워드) Liquid film , Wafer clean process , Defect , Wall shear stress , Multi-phase CFD simulation , Bottom-side impinging jets , gravity effects , flow rate loss , hydrualic jump
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 강성원
- 발행년도 2024
- 학위수여년월 2024. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 기계공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000076646
- UCI I804:11029-000000076646
- 본문언어 한국어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록
본 연구에서는 반도체 세정공정에서 cleaning이 효과적으로 이루어지지 않아 발생한 de- fect와 유체역학적 요소인 liquid film 속도 및 wall shear stress와의 관련성에 대해 분석하였다. Liquid film의 속도 및 wall shear stress를 정확하게 예측하기 위하여 고해상도 3차원 multi- phase CFD simulation을 수행하였고, CFD를 통해 예측한 cleaning 취약영역과 laser 및 SEM- EDX 분석을 통해 얻은 실제 300 mm 직경 wafer 위 defect 영역을 비교하였다. 실험과 sim- ulation은 실제 반도체 세정 공정에서 사용 중인 center-nozzle, off-center-nozzle, dual-nozzle case 공정조건에 대해 수행하였다. Center-nozzle case와 비교하여 off-center-nozzle case에서는 분사의 비대칭성으로 인해 liquid film의 불안정성이 증가하여 상류 영역의 coverage가 감소하였다. Wall shear stress는 반경 방향 위치 0∼10 mm 영역에서 가장 크게 차이가 났는데, off-center-nozzle case에서 비교적 wall shear stress가 낮았으며, 해당 영역의 위치와 크기는 wafer center 부근 defect 영역과 매우 유사하였다. Wall shear stress가 낮게 된 wafer center와 nozzle center영역은 유량에 의한 radial inertia와 회전에 의한 centrifugal inertia가 서로 반대방향으로 작용하는 영역이었다. 이로 인해 해당 영역에서 시간에 따라 작용하는 wall shear stress의 크기 및 방향이 진동하게 되었고 이는 시간 평균 wall shear stress 감소로 이어졌다. Center- nozzle case와 비교하여 dual-nozzle case에서는 wafer center가 아닌 측면에서 분사로 인하여 liquid film이 안정적으로 발달하지 못하고 split되었고, 이는 작은 coverage의 원인이 되었다. Wall shear stress가 낮은 영역과 defect map의 공간적인 분포는 웨이퍼 전체 영역에서 매우 유사하였다. Defect이 주로 발생한 annular-shaped defect region과 ligament-shaped defect region에서는 liquid film의 break-up으로 인한 coverage 감소 및 wall shear stress의 극소값 영역에 해당했다. 본 연구에서는 defect이 주로 발생한 영역이 낮은 wall shear stress 영역과 상사성이 있음을 밝혀냈으며, 이는 실제 wafer clean공정에서의 화학반응식 등을 모델링하지 않은 CFD simulation을 통해서도 어느 정도 정확한 cleaning effects를 예측할 수 있음을 시사한다. 챕터 2에서는 웨이퍼 세정에 있어 하부분사방식은 일부 유량 손실된다는 단점이 있지만, 상부분사방식과 비교하여 웨이퍼 반대면을 덜 오염시킨다는 측면에 있어 장점이 있어 연구가 필요하다. 이에 본 연구에서는 하부분사방식을 적용한 웨이퍼세정에 대한 연구를 수행하였다. 상부분사방식과 비교한 하부분사방식의 유동장 특징으로는 손실 유량으로 인한 낮은 coverage, 얇은 두께 그리고 속도 성분들의 감소가 있다. 또한 액체접촉각, 웨이퍼회전속도, 노즐직경에 대한 parametric study를 수행하였다. 낮은 액체 접촉각은 액막의 형태를 변경하여 손실 유량을 감소하여 coverage를 증가시켰다. 낮은 웨이퍼 회전속도는 break-up 발생위치를 하류 영역에서 발생하게 하여 coverage 및 손실 유량이 감소하였다. 같은 유량을 분사할 때, 노즐 직경이 커지면 분사 속도가 감소하기 때문에 손실 유량이 많을 것이라는 예측 및 직관과 다르게 실제 결과는 반대의 경향을 보였다. 시뮬레이션 결과 노즐직경이 커졌을 때, 상류 영역에서 상대적으로 smooth한 두께 프로파일을 보여 hydrualic jump의 정도가 감소하였고, 이는 하류영역유동 fluctuation을 감소하여 액막의 불안정성이 상대적으로 감소하였다. 이는 손실 유량의 감소로 이어졌다. 이로 인해 노즐 직경이 큰 경우에 break-up 후 영역의 유량이 증가하였고,이는 액막 두께 및 속도 성분 증가로 이어졌다.
more목차
1 Analysis of liquid film-induced wafer defects during the clean process via high-resolution CFD simulation 1
1.1 Introduction 1
1.2 Simulation details 4
1.2.1 Simulation conditions 4
1.2.2 Numercial methods 6
1.3 Simulation results 9
1.3.1 Comparison of center-nozzle vs off-center-nozzle cases 9
1.3.2 Comparison of center-nozzle vs dual side-nozzle cases 14
1.4 Conclusions 19
2 A comparison of liquid film development over a rotating disk from top-side and bottom-side impinging jets 20
2.1 Introduction 20
2.2 Simulation details 22
2.3 Results 24
2.3.1 Comparison of top-side impinging jets vs bottom-side impinging jets 24
2.3.2 Bottom-side impinging jets parametric study: contact angle 24
2.3.3 Bottom-side impinging jets parametric study: wafer rotation speed 32
2.3.4 Bottom-side impinging jets parametric study: nozzle diameter 32
2.4 Conclusions 37
References 43
