KR102417059B1 - 식각액 검증을 위한 배치형 식각 장치 - Google Patents

식각액 검증을 위한 배치형 식각 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 배치형 식각 장치는 밀폐된 반응 구조를 가지며, 물의 재액화 및 오버플로우 식각액이 다시 장치 내로 유입되어 식각액의 소실 없이 식각 공정을 수행하고, 실제 공정과 유사한 조건 하에 실험실 수준으로 식각 공정을 수행하여 반도체 제조의 식각 공정과 오차가 최소화되 식각액의 식각 성능에 대한 검증이 용이해진다.

Description

식각액 검증을 위한 배치형 식각 장치{Batch-type etching apparatus for verifying etchant}
본 발명은 식각액 검증을 위한 배치형 식각 장치에 관한 것이다.
반도체 질화막의 식각 공정은 식각액으로 85% 인산 수용액을 이용하여 150℃ 이상의 온도에서 수행한다. 상기 식각액은 반도체 NAND 공정의 3D 도입으로 높은 실리콘 질화막 식각율 및 낮은 실리콘 산화막 식각율을 가진 소위 고선택비의 식각율을 가진 질화막 식각액의 요구가 있으며, 이런 식각 선택비를 개선하기 위해 다양한 첨가제를 식각액에 첨가하는 연구가 진행 중이다. 이러한 첨가제를 사용함으로써 높은 식각 선택비를 확보할 수 있지만, 실리콘 산화막 재성장 유발하는 문제를 발생시키기도 한다.
따라서, 성공적인 고선택비 질화막 식각액 개발 위해서는 재현성 및 신뢰성이 확보되는 실험환경에서 진행한 다양한 종류의 첨가제 평가가 필수적이다.
새로운 조성의 식각액을 구입 또는 개발할 경우 실제 생산 라인에 적용하기 전에 이에 대한 성능 평가가 이루어진다. 반도체 실리콘 질화막 식각액의 정확한 검증을 위해서는 실제 생산 라인의 해당 공정 장비를 이용한 식각 검증 방법이 가장 적합하나, 연구 개발 중 출력되는 모든 조성을 적용 검증 하기에는 비용적 시간적 자원 손해가 많다. 이에 성능 평가를 위해 식각액을 직접 반도체 생산 라인에 적용하는 것이 불가능하므로 실험실 규모에서 수행 한 후, 해당 공정에 적용하는 실장 평가가 이루어진다.
그러나 실험실 규모로 식각액의 성능 평가를 위한 장치를 구현한다고 하더라도 생산 라인의 실제 공정과는 여러 가지 변수나 파라미터로 인해 실험실 규모의 검증 결과와 실제 공정에서의 검증 결과에 대한 차이가 매우 크다.
구체적으로, 실제 생산 라인에서 대부분의 식각 공정은 식각액 내에서 웨이퍼를 침지시켜 10분 내외로 수행하는데, 고선택비의 인산 식각액을 사용하는 공정의 경우 1시간 이상 식각 공정이 수행된다. 상기 식각 공정은 160℃의 고온에서 수행하여 식각액 내 물의 증발이 발생하고, 물의 증발에 의해서 인산이 농축되기도 하고 식각반응으로 인해 인산의 함량감소 역시 발생하였다. 이와 같은 식각액 조성물 함량 변화는 질화막 식각율의 변화로 재현성있는 식각율 데이터를 얻기 힘들고 실리콘 산화막 재성장을 유발할 수 있는 문제가 있다. 상기 문제점 등을 고려하여 실제 생산 라인에 가까운 실험실 규모의 식각 장치의 제작이 요구된다.
실험실 규모에서 식각 공정을 수행할 경우 통상 유리로된 둥근 플라스크 등의 초자를 사용하는데, 상기 초자는 규소(Si)로 되어 있어 인산의 고온 식각공정에서 상당량의 Si가 인산에 녹아 실리콘 질화막 식각율을 저하시키고 실리콘 산화막 재성장을 유발하는 문제를 발생시킨다. 또한, 1시간 이상의 식각 공정을 실험실 규모로 수행하는 경우 가열된 시간에 따라서 식각액 내 물이 점차 증발함에 따라 식각액 함량 변화가 발생하고 이로 인해 실리콘 질화막과 산화막의 식각율이 달라지는 현상이 발생한다. 이것은 식각액의 신뢰성 있고 정확한 검증이 불가능해 진다고 할 수 있다. 특히, 증발되는 식각액의 물을 저온의 냉각기로 응축시켜 다시 초자 내부로 유입시킬 경우, 차가운 물의 유입으로 인해 160℃를 유지해야하는 식각액 온도에 변화가 발생하고, 이는 실리콘 질화막 식각율 저하로 이어진다.
따라서, 보다 정확한 식각액의 검증을 위해서는 상기 문제를 모두 고려하여 식각 장치를 설계해야 한다. 그러나 아직까지 식각액의 검증과 관련하여 표준화된 장치가 제안된 바 없다. 만약 실험실 규모와 실제 공정 상의 검증 결과에 대한 오차가 작은 장치가 개발된다면 연구 개발 중 출력되는 모든 조성에 대한 검증이 쉽게 이루어질 수 있다.
KR 등록 제10-07942100000호 (2008.01.11 공고)
본 발명자들은 초자를 사용하는 실험실 규모에서 이루어진 문제점 모두를 고려하여, 실제 생산 라인과 실험실 규모와의 오차를 최소화할 수 있는 식각 장치를 개발하였다.
구체적으로, 식각 속도와 관련된 파라미터, 초자의 재질, 식각액의 유속 및 식각액의 총량뿐만 아니라 웨이퍼의 표면적에 대한 것을 모두 고려하여 최적의 구성 상태로 식각 장치를 설계하여, 실제 생산 라인과 실험실 규모와의 오차를 최소화하였다.
본 발명의 목적은 식각액 검증을 위한 배치형 식각 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 식각액 검증을 위한 배치형 식각 장치는,
액상의 식각액이 수용된 반응기 본체;
상기 반응기 본체를 감싸, 상기 반응기 본체 내부를 가열할 수 있는 히터;
상기 상기 식각액 내부에 웨이퍼를 고정하기 위한 지그 및 홀더;
상기 반응기 본체 내에서 임의로 증발되는 물을 재액화시키는 냉각기;
상기 냉각기에서 재액화된 물 및 상기 반응기 본체에서 오버 플로우된 식각액을 수용하는 혼합 회수 탱크; 및
상기 혼합 회수 탱크의 혼합 식각액을 상기 반응기 본체 내부의 하부 영역에 유입되도록 분사하기 위한 분사기를 구비한다.
상기 반응기 본체 내부는 불소 수지로 코팅된다.
상기 반응기 본체의 하부 영역에 교반을 위한 마그네틱 바가 설치되되, 상기 마그네틱 바를 회전시켜 식각액을 교반하는 자력 교반기를 더 구비한다.
상기 반응기 본체는 오버 플로우된 식각액을 수용할 수 있도록, 상기 반응기 본체의 내벽과 소정 거리 이격되어 설치된 격벽을 구비한다.
이때 상기 격벽은 상기 반응기 본체의 내부면을 따라 소정 높이를 갖는다.
상기 오버 플로우된 식각액을 혼합 회수 탱크로 배관 연결을 통해 이송하기 위해 상기 반응기 본체의 하부에 위치한 배수관을 구비한다,
상기 분사기는 상기 반응기 본체 내부의 하부 영역에 설치된다.
추가로 상기 격벽과 상기 반응기 본체 내벽이 이루는 공간에 설치된 온도 센서를 구비한다.
본 발명에 따른 식각 장치는 초자를 사용하는 실험실 규모에서 이루어진 문제점 모두를 고려하여, 실제 생산 라인과 실험실 규모와의 오차를 최소화할 수 있다. 그 결과 연구 개발 중 출력되는 모든 식각액에 대한 검증이 쉽게 이루어질 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 배치형 식각 장치의 구성을 보여주는 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
반도체의 웨이퍼 식각 공정에서 실제 생산 라인과 실험실 규모와의 오차를 최소화하기 위해 본 발명은 식각 속도와 관련된 파라미터를 선정하였다.
상기 파라미터로는 초자의 재질, 식각액의 유속 및 식각액 구성성분의 함량뿐만 아니라 웨이퍼의 표면적이 있으며, 이들 모두를 고려하여 식각 장치를 설계하였다.
도 1은 본 발명의 식각액 검증을 위한 배치형 식각 장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 보면, 식각액 검증을 위한 배치형 식각 장치는, 반응기 본체(10), 히터(20), 지그(30) 및 홀더(31), 냉각기(40), 혼합 회수 탱크(50), 분사기(60) 및 온도 센서(80)를 구비한다.
상기 반응기 본체(10)는 외부에 대하여 밀폐된 형태를 이루고, 액상의 식각액이 내부에 수용된 것이다. 이때 액상의 식각액은 식각 공정에 사용하는 다양한 식각액이 사용될 수 있으며, 일례로 85% 인산을 주 성분으로 포함하는 식각액일 수 있다.
상기 반응기 본체(10)는 구형, 원통형 또는 다각형 형상일 수 있으며, 상층부가 역방향의 콘 형상 또는 트렌치 구조를 가질 수 있다.
상기 반응기 본체(10)는 석영(Quartz), 내열유리(예, pyrex) 등이 재질이 사용된다. 이들 재질은 규소(Si)을 주 성분으로 하고 있어 식각액으로 85% 인산 수용액을 사용할 경우 상기 반응기 본체(10) 내부를 식각하게 된다. 이에 따라 식각 부산물이 발생하여 식각액의 정확한 평가가 이루어질 수 없다.
본 발명에서는 반응기 본체(10)의 내부를 불소 수지로 코팅하여 반응기 본체(10) 내부의 식각액에 의한 초자의 식각을 방지한다. 상기 불소 수지로는 FEP(Fluorinated Ethylene Propylene copolymer), PTFE(Polytetrafluoroethylene) 또는 PFA(Perfluoro alkoxy) 등이 가능하다.
상기 히터(20)는, 상기 반응기 본체(10), 상세하게는 반응기 본체(10)의 전부를 감싸, 상기 반응기 본체(10) 내부를 가열시켜 일정 수준 이상으로 온도를 유지시켜줄 수 있는 것으로, 별도의 전원 또는 가열 사이클을 통해 열기를 공급받아 상기 반응기 본체(10)를 가열할 수 있다.
상기 히터(20)는 히팅 자켓, 맨틀 히터(20), 오일조, 또는 실리콘 러버 히터(20)가 가능하다.
상기 반응기 본체(10) 내부는 식각 대상인 웨이퍼 시편(33)을 고정하기 위한 지그(30)가 위치한다. 상기 지그(30)는 식각액 내부까지 수직 방향으로 설치된 것으로, 웨이퍼 시편(33)의 고정을 위한 홀더(31)를 구비한다. 이때 지그(30) 및 홀더(31)는 식각액에 의해 부식 또는 변성이 발생하지 않는 재질로 이루어지거나 표면 코팅된다. 일례로, 상기 언급한 불소 수지가 사용될 수 있다.
웨이퍼 시편(33)은 반응기 본체(10) 내부에 주입된 식각액에 장입되어, 식각액과의 화학 반응을 통해 식각 공정이 수행된다.
웨이퍼 시편(33)은 식각액의 함량에 따라 식각 가능한 갯수를 설정하며, 이때 그 갯수는 식각 대상인 웨이퍼의 총 면적에 제한한다. 바람직하기로, 250ml 부피의 식각액의 사용시 가로*세로가 40*40mm인 웨이퍼를 총 9개, 총면적 14,400mm2으로 설정할 경우 실제 생산 라인과 오차가 거의 없이 식각 공정의 수행이 가능하다.
또한, 식각 공정 동안 식각액의 유속을 조절하고, 식각액의 온도를 일정하기 유지하여 온도 균일도를 갖도록 마그네틱 바(70)를 반응기 본체(10)의 하부에 배치한다.
상기 마그네틱 바(70)의 크기는 반응기의 크기를 고려하여 그 크기 및 형상을 조절한다. 상기 마그네틱 바(70)의 크기는 플레인형, 옥타고날형, 오발형, 삼각형(triangular), 수레바퀴형(hub-type), 크로스형(cross-type), 날개형 중 어느 하나가 사용될 수 있다.
식각 공정은 식각액의 교반을 통해 일정 유속을 유지하는 상태로 이루어지며, 이때 유속이 너무 빠를 경우 식각 균일성(uniformity)가 크게 저하된다. 안정적인 식각이 이루어지기 위해선 유속의 설정과 함께 이의 유지가 필요한다. 식각액의 유속을 유지하는 것이 바람직하며, 너무 빠를 경우 실리콘 질화막 및 산화막 식각율이 올라가고 반대로 느릴 경우 식각율이 저하되고 실리콘 산화막 재성장이 가속화되는 문제가 있다. 일 구현예에 따르면, 250ml의 식각액을 사용하는 500ml 부피의 둥근 플라스크를 반응기 본체(10)로 사용할 경우 2.5cm의 플레인형 마그네틱 바(70)를 사용하여 250rpm으로 회전시킨다.
상기 마그네틱 바(70)와의 작용으로 상기 마그네틱 바(70)를 회전시켜 식각액의 유속을 균일하게 유지할 수 있는 자력 교반기(미도시)를 설치한다.
상기 냉각기(40)는 상기 반응기 본체(10) 내에서 임의로 증발되는 물을 재액화시키고, 이를 다시 상기 반응기 본체(10) 내부로 유입시키기 위한 것이다. 상기 냉각기(40)는 별도의 냉각 사이클을 통해 냉기를 공급받아 상기 반응기 본체(10)에서 증발된 물을 냉각시킬 수 있다.
식각 공정이 이루는 동안 가열에 의해 식각액의 물(탈이온수 또는 초순수)이 증발함에 따라 식각액 함량이 높아진다. 이에, 식각액 구성물질의 각 물질 농도를 유지하기 위해서는 고온 공정에 의해 증발되는 물의 손실만큼 보충은 필수적이다. 이때 손실된 물 양만큼 외부에서 물을 보충하기 위해서는 증발된 물의 양을 정확히 알아야하는 문제가 있으며 초단위로 수분을 측정할 수 있는 분석기기를 설치한다고 하더라도 초기 식각액 조성비 대비 분석오차에 의한 차이가 발생한다. 이러한 식각액 조성비 변화는 실리콘 질화막 식각율에 큰 영향을 주기 때문에 식각액의 정확한 성능을 평가할 수 없다. 상기 반응기 본체(10)는 밀폐된 형태를 이루며 외부에서의 추가 물의 유입을 배제하여 식각액의 총량을 유지할 수 있어 검증에 사용되는 식각액의 성능 정확성을 더욱 높일 수 있다.
밀폐된 형태의 반응기 본체(10)에서의 식각을 지속적으로 유지하기 위해선 임의로 증발되는 물을 반응기 본체(10) 내부로 재순환시켜야 하며, 상기 냉각기(40)에 의해 증발되는 물이 재액화될 수 있다.
상기 재액화된 물은 반응기 본체(10) 내부로 재순환될 수 있다. 그러나 재액화된 물은 이를 그대로 반응기 본체(10) 내부로 재유입할 경우 실제로 이루어지는 식각액 상부 및 하부의 순간적인 농도 변화를 야기한다. 이로 인해 식각 반응에 사용하는 식각액의 농도를 균일하게 유지할 수 없다. 더불어, 재액화된 물을 그대로 반응기 본체(10)로 유입시킬 경우, 상기 반응기 본체(10) 내부의 높은 온도의 식각액의 표면에서 증류가 발생된다. 이 경우 식각 공정이 실제로 이루어지는 식각액의 상부 및 하부와의 온도 차이가 발생한다. 이러한 농도 및 온도 차이의 발생으로 인해 재액화된 물을 그대로 반응기 본체(10) 내부로 유일시킬 경우 식각액의 정확한 성능 평가가 어려워진다.
본 발명에서는 재액화된 물을 혼합 회수 탱크(50)에 유입시켜 식각액의 농도를 조절한 다음, 반응기 본체(10) 내부로 유입시킨다.
재액화된 물의 농도 조절은 반응기 본체(10) 내부에서 일부 이송되는 식각액을 혼합 회수 탱크(50)에 유입시켜 재액화된 물과의 혼합을 통해 이루어진다. 이를 통해 혼합 회수 탱크(50)에서 만들어진 식각액을 반응기 본체(10)에 투입시 반응기 본체(10) 내부 식각액의 농도가 균일해 진다.
이때 반응기 본체(10) 내부에서 이송되는 액체는 오버 플로우(over flow) 방식으로 얻어진 식각액을 혼합 회수 탱크(50)에 회수하여 물과 혼합되어 사용한다.
식각액의 오버 플로우를 위해 반응기 본체(10)의 내부에는 이와 소정 거리 이격하여 격벽(11)을 형성한다. 상기 격벽(11)은 상기 반응기 본체(10)의 내부면을 따라 동일한 형상으로 소정 높이를 갖도록 고정된다.
식각 공정에 사용하는 식각액은 격벽(11) 높이까지 주입하고, 식각 공정이 이루어지는 도중 격벽(11)를 넘어 오버 플로우된 식각액이 상기 격벽(11)과 반응기 본체(10)의 내벽 사이의 공간으로 이송된다.
상기 오버 플로우된 식각액이 존재하는 상기 반응기 본체(10)의 하부 영역에는 배출구(13)(drain)가 형성되고, 이는 혼합 회수 탱크(50)와 배관 연결된다. 상기 배관과 연결된 펌프(51)를 통해 오버 플로우된 식각액은 혼합 회수 탱크(50)로 이송되고, 여기에서 재액화된 물과 혼합이 이루어진다.
상기 배출구(13)는 격벽(11)과 반응기 본체(10)가 이루는 내부 공간 내에서, 상기 반응기 본체(10) 내부의 하부 영역에 위치한다. 오버 플로우된 식각액을 그대로 혼합 회수 탱크(50)로 이송시키게 되면 식각 공정이 이루어지는 식각액의 유속에 영향을 줘, 전 식각 공정 동안 일정한 유속을 달성할 수 없다. 이에 격벽(11)과 반응기 본체(10)가 이루는 내부 공간에 배출구(13)를 형성할 경우, 상기 오버 플로우된 식각액이 식각 공정의 식각액의 유속에 영향을 주지 않는다.
배출구(13)는 밸브를 구비하고, 이는 펌프(51)와 연결되어 on/off를 통해 오버플로우 식각액의 이동 속도를 조절할 수 있다.
혼합 회수 탱크(50)에서 재액화된 물과 오버 플로우된 식각액이 혼합된 혼합 식각액은 순환을 위해 반응기 본체(10) 내부로 다시 유입되며, 이는 상기 반응기 본체(10) 내부의 하단에 위치한 분사기(60)를 통해 주입된다.
분사기(60)는 복수의 노즐을 구비하며, 식각액이 형성하는 영역의 중앙 방향으로 혼합 식각액을 주입한다. 상기 노즐의 분사 방향은 수평 및 수직 방향을 기준으로 동일하거나 서로 다르게 설정될 수 있다.
하나의 예로, 분사기(60)는 상부 분사형 노즐일 수 있으며, 웨이퍼 시편(33)이 존재하는 수직 상부 방향으로 혼합 식각액을 일정한 속도로 분사할 수 있다. 상기 상부 분사형 노즐은 다양한 구조가 가능하며, 일례로 슬릿 형상으로 구비되어 길게 형성되어 있는 것이 사용될 수 있다.
또 하나의 예로, 분사기(60)는 직사형(straignt type) 노즐일 수 있으며, 원형 관 형상을 가지며 상기 웨이퍼 시편(33)이 존재하는 방향으로 혼합 식각액을 원형으로 분사한다. 이러한 직사형 노즐은 혼합 식각액을 분사하는 압력이 매우 작아 반응기 본체(10) 내부의 식각액의 유속에 큰 영향을 주지 않는다는 장점이 있다.
또 다른 예로, 슬릿형(slit type) 노즐일 수 있으며, 이는 긴 슬릿 형상을 가지며 혼합 식각액을 라인 형상으로 분사한다. 상기 슬릿형 노즐의 경우 반응기 본체(10)의 하부에 단독 또는 복수 개로 구비될 수 있다. 이는 직사형 노즐과 마찬가지로 분사 압력이 작아 식각액의 유속에 큰 영행을 주지 않는다.
또한, 상기 온도 센서(80)는 상기 격벽(11)과 상기 반응기 본체(10) 내벽이 이루는 공간에 위치한다. 상기 온도 센서(80)는 접촉식 온도 센서(80) 또는 적외선으로 측정되는 비접촉식 온도 센서(80)일 수 있다. 바람직하기로는 접촉식 온도 센서(80), 일례로 온도계를 사용할 수 있다.
상기 접촉식 온도 센서(80)를 반응기 본체(10) 내부에 장착할 경우 이들에 의해 와류가 발생하여 유량에 영향을 줄 수 있으므로, 격벽(11)과 반응기 본체(10)의 내벽으로 이루어진 내부 공간에 설치한다.
추가로 반응기 본체(10) 내에 레벨 센서를 장착하여 식각액의 양을 감지하여 혼합 회수 탱크(50)의 혼합 식각액의 공급 속도를 조절한다.
본 발명에 따른 식각액 검증을 위한 배치형 식각 장치를 이용한 식각액의 검증은 다음과 같이 수행한다.
먼저, 내부에 격벽(11)이 형성된 반응기 본체(10), 히터(20), 마그네틱 바(70), 지그(30) 및 홀더(31), 냉각기(40), 혼합 회수 탱크(50), 분사기(60), 온도 센서(80) 및 자력 교반기를 구비한 반응 장치를 구성한다.
다음으로, 상기 지그(30)의 홀더(31)에 복수 개의 웨이퍼 시편(33)을 장착하여 반응기 본체(10)에 장입시킨다.
다음으로, 상기 반응기 본체(10) 내부에 식각액을 주입한다.
다음으로, 히터(20)를 가열하여 반응기 본체(10)의 식각액의 온도를 올린 뒤 식각 공정을 수행한다. 식각액이 85% 인산 수용액인 경우 160℃에서 1시간 동안 수행한다.
식각 공정 도중 재액화된 물 및 오버 플로우된 식각액은 혼합 회수 탱크(50)로 이송시켜 혼합한 다음, 분사기(60)로 다시 이동하여 반응기 본체(10) 내부로 혼합 식각액을 분무한다.
다음으로, 식각 공정이 완료되면 공정 완료시간에 맞춰 웨이퍼 시편(33)을 꺼낸다.
다음으로, 웨이퍼 시편(33)을 세척하여 시편에 묻어있는 식각액을 제거한 후 건조하여 웨이퍼 내 식각 상태를 분석 장치를 통해 확인한다.
식각 상태는 식각율, 식각 속도 및 선택비를 측정하여 얻어질 수 있다.
검증을 위해 하기와 같이 수행하였다.
(1) 실험실 규모로 수행
내벽이 불소 코팅된 500ml의 3-neck 넓적 바닥 플라스크를 준비한 후, 상기 플라스크의 내벽으로부터 1cm 이격하여 둥근 형태의 격벽(11)을 형성하였다. 상기 플라스크의 바닥에는 2.5cm의 플레인형 마그네틱 바(70)를 넣은 후, 슬릿형 분사기(60)를 장착하였다.
상기 플라스크의 외부를 히팅 멘틀로 감싼 후, 일측 상부(neck)에 컨덴서를 장착하였다. 상기 컨덴서에서 재액화된 물은 혼합 회수 탱크(50)로 이송되도록 배관 연결하였다. 상기 플라스크의 하단에 배출구(13)를 만들어 상기 혼합 회수 탱크(50)로 연결되도록 배관 연결 하였다. 이때 펌프(51)를 이용해 플라스크의 오버플로우 식각액이 혼합 회수 탱크(50)로 이송되도록 하였다.
상기 혼합 회수 탱크(50)는 상기 슬릿형 분사기(60)와 배관 연결하였다.
상기 플라스크의 일측(neck)에 격벽(11)과 플라스크의 내부 공간에 온도계를 설치하고, 플라스크 내부에 실리콘 질화막/실리콘 산화막이 형성된 40*40mm의 웨이퍼 9개(총 면적 14,400mm2)를 장입한 후, 식각액을 주입하여 온도를 160℃로 올린 후 식각 공정을 수행하였다. 이때 식각액은 85% 인산 수용액 250ml을 사용하였다.
(2) 생산 라인
식각액으로 85%의 인산 수용액을 99kg을 사용하였으며, 지름이 300mm인 웨이퍼 50개(총 면적 3,532,500 mm2)의 식각액을 사용하여 식각 공정을 수행하였다.
(3) 평가
실험실 및 생산라인을 통해 식각공정을 진행하였으며, 실리콘 산화막 및 질화막의 식각률 및 식각 균일도를 측정하였다. 실리콘 질화막은 평균 두께 5001Å 웨이퍼를 사용하여 3분 침지하였으며 실리콘 산화막은 평균 두께 3080Å 웨이퍼를 사용하고 60분 침지하였다. 평가 전후 웨이퍼는 엘립소메터 (Eillipsometer)를 사용하여 식각된 면적의 두께가 모두 반영될 수 있도록 10 Point를 Mapping하여 측정하였다. 균일도는 (1-((최대-최소)2/평균)) * 100% 의 공식으로 계산하였다.
또한, 본 발명 장치에 가장 중요한 식각액 농도가 일정하게 유지되는 지 확인하기 위해 인산 85% 수용액을 1, 2, 3시간 동안 가열하여 시간 별 인산 및 수분 농도를 측정하였다. 이때, 인산의 농도는 자동적정기 (Auto Titrator)를 사용하였으며 수분은 수분측정기 (Karl-Fisher)를 이용하였다.
실험1. 실리콘 질화막 웨이퍼 균일도 및 인산 식각율 비교
측정 Point 실리콘 질화막 (Å)
실험실 생산라인
식각 전 식각 후 식각 전 식각 후
1 5001.78 4505.86 5001.24 4505.42
2 5001.85 4505.19 5001.71 4505.02
3 5001.89 4504.69 5001.37 4504.82
4 5002.01 4504.95 5001.38 4505.22
5 5001.87 4505.78 5001.41 4505.38
6 5001.88 4505.18 5001.44 4505.71
7 5001.73 4505.98 5001.38 4504.99
8 5001.91 4505.03 5001.38 4504.24
9 5001.85 4505.20 5001.34 4504.11
10 5001.83 4504.84 5001.25 4505.20
최대 5002.01 4505.98 5001.71 4505.71
최소 5001.73 4504.69 5001.24 4504.11
평균 5001.86 4505.27 5001.39 4505.011
표준편차 0.08 0.45 0.13 0.51
균일도 100.00% 99.99% 100.00% 99.98%
식각율 (Å/min) 165.53 165.46
상기 표 1을 보면, 실험실 및 생산라인의 식각 전후 실리콘 질화막 웨이퍼의 두께, 표준편차, 균일도 측면에서 일치하는 결과가 나왔으며 인산 85%에 대한 식각 후 식각율 역시 유의 차 없게 평가되었다. 이는 실리콘 질화막의 주요 식각 성분인 인산의 농도가 거의 동일하게 유지되고 웨이퍼에 가해지는 식각액 유량 역시 편차가 적다는 것을 의미한다.
실험2. 실리콘 산화막 웨이퍼 균일도 및 인산 식각율 비교
측정 Point 실리콘 산화막 (Å)
실험실 생산라인
식각 전 식각 후 식각 전 식각 후
1 3080.83 3020.21 3080.42 3020.14
2 3080.85 3020.45 3081.05 3020.41
3 3080.85 3020.00 3080.51 3020.58
4 3081.01 3020.45 3080.48 3020.20
5 3080.73 3020.44 3080.44 3020.14
6 3080.64 3020.42 3080.21 3020.32
7 3080.88 3021.67 3080.34 3021.05
8 3080.82 3020.45 3080.28 3021.57
9 3080.74 3020.44 3080.26 3020.41
10 3080.83 3020.11 3080.71 3021.81
최대 3081.01 3021.67 3081.05 3021.81
최소 3080.64 3020 3080.21 3020.14
평균 3080.82 3020.46 3080.47 3020.66
표준편차 0.10 0.46 0.25 0.61
균일도 100% 100% 100% 100%
식각율 (Å/min) 1.01 1.00
상기 표 2를 보면 표1의 실리콘 질화막 식각액과 유사하게 본 발명의 실험실 장치로 평가한 결과와 생산라인의 결과가 실리콘 산화막 웨이퍼의 식각 전후 표준편차와 균일도에서 거의 일치되는 결과가 도출되었다. 실리콘 산화막 식각율 역시 1 Å/min 으로 실험실 장치와 생산라인에 유의 차 없게 측정되었다.
실험3. 가열 시간에 따른 식각액 농도 변화
단위 : 중량% 실험실 생산라인
인산 물 인산 물
가열 전 85.01 14.99 85.01 14.99
1시간 가열 후 85.02 14.98 85.02 14.98
2시간 가열 후 85.08 14.92 85.10 14.90
3시간 가열 후 85.10 14.90 85.14 14.86
3시간 가열 후 변화 0.09 - 0.09 0.13 - 0.13
시간 당 농도 변화 0.03 - 0.03 0.04 - 0.04
상기 표 3는 식각공정 온도인 160℃로 최대 3시간 가열할 경우 식각액 내 인산과 물의 농도 변화를 분석함으로써 실험실과 생산라인의 차이를 평가한 결과이다. 실험 1 내지 2를 통해 본 발명의 실험실 장치가 생산라인과 유의 차 없는 웨이퍼 식각을 보여준다는 결과를 도출하였지만, 최종적으로 가열 시간에 따른 식각액 농도 변화를 분석하여 좀 더 세밀하게 비교하였다.
그 결과, 고온의 식각 공정 영향으로 미세한 인산 농도 증가와 수분의 감소는 있었지만 그 정도가 0.03%로 반도체 식각 공정에 영향을 주는 않을 정도의 미세한 변화이며 실제 반도체 공정이 1시간 대비 3배 많은 시간을 평가한 것을 가만하면 매우 우수한 결과이다. 본 발명의 실험실 장치와 생산라인의 차이는 웨이퍼 식각 평가와 동일하게 유의 차 없이 동일한 것으로 평가되었다.
전술한 바의 본 발명에 따른 식각 장치는 초자를 사용하는 실험실 규모에서 이루어진 문제점 모두를 고려하여, 실제 생산 라인과 실험실 규모와의 오차를 최소화할 수 있다. 그 결과 연구 개발 중 출력되는 모든 식각액에 대한 검증이 쉽게 이루어질 수 있다.
10: 반응기 본체 11: 격벽
13: 배출구 20: 히터
30: 지그 31: 홀더
33: 웨이퍼 시편 40: 냉각기
50: 혼합 저장 탱크 60: 분사기
70: 마그네틱 바 80: 온도 센서

Claims (8)

  1. 식각액 검증시 실제 생산 라인과 실험실 규모와의 오차의 최소화가 가능하도록 밀폐된 형태를 갖는 배치형 식각 장치로서,
    상기 배치형 식각 장치는,
    액상의 식각액이 수용된 반응기 본체;
    상기 반응기 본체를 감싸, 상기 반응기 본체 내부를 가열할 수 있는 히터;
    상기 상기 식각액 내부에 웨이퍼를 고정하기 위한 지그 및 홀더;
    상기 반응기 본체 내에서 임의로 증발되는 물을 재액화시키는 냉각기;
    상기 냉각기에서 재액화된 물 및 상기 반응기 본체에서 오버 플로우된 식각액을 수용하는 혼합 회수 탱크; 및
    상기 혼합 회수 탱크의 혼합 식각액을 상기 반응기 본체 내부의 하부 영역에 유입되도록 분사하기 위해, 상기 반응기 본체 내부의 하부 영역에 설치되며, 복수 개의 노즐을 구비한 분사기;를 구비하고,
    상기 반응기 본체는 오버 플로우된 식각액을 수용할 수 있도록, 상기 반응기 본체의 내벽과 소정 거리 이격되어 설치된 격벽을 구비하고,
    상기 오버 플로우된 식각액을 혼합 회수 탱크로 배관 연결을 통해 이송하기 위해 상기 반응기 본체의 하부에 위치한 배수관을 구비하는,
    식각액 검증을 위한 배치형 식각 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응기 본체 내부는 불소 수지로 코팅된, 식각액 검증을 위한 배치형 식각 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반응기 본체의 하부 영역에 교반을 위한 마그네틱 바가 설치되되,
    상기 마그네틱 바와의 작용으로 상기 마그네틱 바를 회전시켜 식각액을 교반하는 자력 교반기를 더 구비한, 식각액 검증을 위한 배치형 식각 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 격벽은 상기 반응기 본체의 내부면을 따라 소정 높이를 갖는, 식각액 검증을 위한 배치형 식각 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 격벽과 상기 반응기 본체 내벽이 이루는 공간에 설치된 온도 센서를 구비하는, 식각액 검증을 위한 배치형 식각 장치.
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