KR20240002318A - 웨이퍼 세정용 무전분 브러쉬 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 웨이퍼 세정용 무전분 브러쉬 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예를 따르는 웨이퍼 세정용 브러쉬의 제조방법은, 폴리비닐알콜(PVA) 용액을 준비하는 단계; 상기 폴리비닐알콜 용액을 가열하는 단계; 상기 폴리비닐알콜 용액에 폴름알데히드를 투입하고, 산을 투입하는 단계; 상기 산이 투입된 용액에 기체를 공급하면서 교반하여 기공을 형성하는 단계; 및 상기 교반된 용액을 성형하는 단계;를 포함한다.

Description

웨이퍼 세정용 무전분 브러쉬 및 그 제조방법{Brush without starch for cleaning of wafer and manufacturing method of the same}
본 발명은 웨이퍼 세정용 무전분 브러쉬 및 그 제조방법에 관한 것이다.
웨이퍼는 반도체, 디스플레이 또는 태양전지패널을 생산하는 데 사용하는 기판이다. 이러한 웨이퍼는 상부에 다양한 물질이 증착, 식각 및 연마되는 과정을 거치면서 회로 패턴이 형성되며, 이후 각 패턴별로 절단하여 반도체 칩을 생산하게 된다.
특히 연마 공정(CMP; Chemical Mechanical Polishing)의 경우, 실리카나 세리아 등의 연마입자가 포함된 슬러리가 분사된 우레탄 패드 상에서 고속 연마를 진행하게 되는 바, 슬러리, 우레탄 패드 및 웨이퍼의 박막으로부터 오염물질이 많이 생성된다. 이러한 오염물질은 회로 패턴의 단락을 유발하는 등 반도체의 불량률을 높이고, 반도체 제조장치를 오염시켜 다른 웨이퍼로 오염을 확산하는 문제를 일으킨다. 연마 공정에서 생성된 오염물질을 제거하기 위해 연마 공정 이후에 웨이퍼를 세정하는 세정 공정(Cleaing)을 진행하고 있다. 상기 세정 공정은 웨이퍼 상에 세척액을 분사하고 원통형의 웨이퍼 세정용 브러쉬로 접촉하여 오염물질을 제거하여 이루어진다. 상기 웨이퍼 세정용 브러쉬는 세정효과를 높이기 위해 내부에 다수의 기공이 형성된 스폰지를 이용한다.
이러한 웨이퍼 세정용 브러쉬는 폴리비닐알코올(PVA)을 주원료로 사용하여 제조되고 있다. 종래에는 웨이퍼 세정용 브러쉬에 기공을 형성하기 위해 폴리비닐알코올 수지에 기공형성제로 전분을 투입하여 혼합 및 경화하여 제조한 후 별도의 전분 제거 공정을 수행한다. 그러나, 브러쉬를 세척하는 과정을 반복하더라도 기공형성제가 완전히 제거되지 않는다. 따라서, 종래의 웨이퍼 세정용 브러쉬는 반도체를 세정하는 중에 그 내부에 있던 기공형성제가 빠져나와 웨이퍼를 오염시키는 문제를 발생시키기도 한다.
한국 공개특허 제10-2009-0110870호
본 발명은 효율적인 웨이퍼 세정을 가능하게 하고, 브러쉬에 의한 오염을 최소화하는 웨이퍼 세정용 브러쉬의 제조방법을 제공함을 목적으로 한다.
본 발명은 기공형성제를 사용하지 않기 때문에 기공형성제로 인한 오염을 방지할 수 있다.
또한, 제조 방법이 간단하고, 비용이 절감된다.
본 발명의 실시 예를 따르는 웨이퍼 세정용 브러쉬의 제조방법은, 폴리비닐알콜(PVA) 용액을 준비하는 단계; 상기 폴리비닐알콜 용액을 가열하는 단계; 상기 폴리비닐알콜 용액에 폴름알데히드를 투입하고, 산을 투입하는 단계; 상기 산이 투입된 용액에 기체를 공급하면서 교반하여 기공을 형성하는 단계; 및 상기 교반된 용액을 성형하는 단계;를 포함한다.
상기 기공을 형성하는 단계는 계면활성첨가제를 첨가하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 기공을 형성하는 단계에서, 상기 공급되는 기체의 양은 상기 점도가 조절된 용액의 부피의 1 내지 2배일 수 있다.
상기 계면활성첨가제는 계면활성제 및 고분자 수지를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예를 따르는 웨이퍼 세정용 브러쉬는 앞서 설명한 제조방법에 의해 제조된 것이다.
본 발명의 실시 예를 따르는 웨이퍼 세정용 브러쉬의 제조방법은 효율적인 웨이퍼 세정을 가능하게 하고, 브러쉬에 의한 오염을 최소화한다.
본 발명은 기공형성제를 사용하지 않기 때문에 기공형성제로 인한 오염을 방지할 수 있다.
또한, 제조 방법이 간단하고, 비용이 절감된다.
도 1은 본 발명의 실시 예를 따르는 웨이퍼 세정용 브러쉬의 제조방법에 따라 제조된 웨이퍼 세정용 브러쉬를 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 웨이퍼 세정용 브러쉬의 단면을 SEM으로 촬영한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.　또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.　따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다. 덧붙여, 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
본 발명의 실시 예를 따르는 웨이퍼 세정용 브러쉬의 제조방법은, 폴리비닐알콜(PVA) 용액을 준비하는 단계; 상기 폴리비닐알콜 용액을 가열하는 단계; 상기 폴리비닐알콜 용액에 폴름알데히드를 투입하고, 산을 투입하는 단계; 상기 용액에 기체를 공급하면서 교반하여 기공을 형성하는 단계; 및 상기 교반된 용액을 성형하는 단계;를 포함한다.
상기 폴리비닐알콜(PVA) 용액을 준비하는 단계에서 상기 폴리비닐알콜 용액은 용매에 폴리비닐알콜을 혼합하여 녹임으로써 준비될 수 있다. 상기 용매는 특별히 제한하지 않지만, 반응성을 높이기 위해 물, 보다 바람직하게는 탈이온수(DIW; De-ionized water)일 수 있다. 본 단계에서, 상기 폴리비닐알콜의 함량은 상기 폴리비닐알콜 용액 전체 중량에 대하여 5 내지 20%, 바람직하게는 10 내지 15%일 수 있다. 폴리비닐알콜의 함량이 너무 높거나 낮으면 기포가 불균일하게 생성되는 등의 문제가 발생할 수 있다.
폴리비닐알콜(PVA) 용액을 준비하는 단계 및 상기 폴리비닐알콜 용액을 가열하는 단계는 용매에 분말 형태의 폴리비닐알콜을 첨가하고 혼합기를 이용하여 혼합함으로써 수행할 수 있다. 본 단계는 용매를 승온한 후 폴리비닐알콜을 투입하여 교반하면서 폴리비닐알콜 용액을 승온하는 단계에 의해 수행할 수 있다. 일 실시 예에서, 용매를 50 내지 70℃로 승온한 후 분말 형태의 폴리비닐알콜을 투입하고, 이를 교반하면서 폴리비닐알콜 용액을 100℃ 미만, 바람직하게는 80 내지 95℃까지 승온할 수 있다. 본 단계는 10 내지 40분간 수행할 수 있으며, 보다 바람직하게는 80 내지 95℃로 승온한 조건에서 20분 이상 혼합을 수행할 수 있다. 이를 통해 폴리비닐알콜이 용매에 고르게 용해될 수 있다.
상기 폴리비닐알콜 용액에 폴름알데히드를 투입하는 단계에서, 폴름알데히드는 수용액 상태로 투입할 수 있다. 상기 폴름알데히드의 함량은 상기 폴름알데히드 수용액 전체 중량에 대하여 20 내지 40%일 수 있다.
본 단계에서 투입되는 폴름알데히드 수용액의 함량은 폴리비닐 알콜 용액의 전체 중량에 대하여 5 내지 15%일 수 있다.
본 단계는 앞선 단계보다 낮은 온도에서 수행할 수 있으며, 바람직하게는 70 내지 80℃에서 수행할 수 있다. 본 단계는 30 내지 120분 동안 수행할 수 있다.
상기 산을 투입하는 단계에서 상기 산은 물에 용해된 수용액 상태일 수 있으며, 상기 산 용액에서 산의 함량은 산 용액 전체 중량에 대하여 90% 이상일 수 있다. 본 단계에서 투입되는 산 또는 산 용액의 함량은 폴름알데히드가 첨가된 용액의 전체 중량에 대하여 5 내지 15%일 수 있다.
상기 산은 특별히 제한하지 않으나, 바람직하게는 황산일 수 있다.
본 단계는 반응이 효율적으로 일어나도록 하기 위해 20 내지 35℃에서 수행할 수 있으며, 이를 위해 앞서 폴름알데히드와 반응한 폴리비닐알콜의 온도를 낮출 필요가 있다. 또한, 본 단계는 30 내지 60분 동안 수행할 수 있다.
상기 기공을 형성하는 단계는 상기 용액에 기체를 공급하면서 교반하여 수행할 수 있다. 본 단계는 프로펠러형 혼합기에서 수행할 수 있으며, 상기 용액을 교반하기 위해 담은 용기의 하단부에서 기체를 공급할 수 있다.
상기 기체는 상기 용액에 화학적인 영향을 주지 않는 것일 수 있으며, 일반 공기나 CDA(Clean Dry Air), 산소, 질소, 이산화탄소 등일 수 있다.
본 단계는 20 내지 30분 동안 상기 용액의 부피의 1 내지 2배, 바람직하게는1.5 내지 2배의 부피의 기체를 일정한 속도로 공급하면서 혼합기의 프로펠러를 1000 내지 3000 RPM으로 회전하여 수행할 수 있다. 공정 수행 온도는 15 내지 30℃, 바람직하게는 20 내지 30℃일 수 있다.
공급하는 기체의 양이 많은 경우에는 생성되는 기포의 크기가 균일하지 않게 되거나 거대한 기포가 형성되는 문제가 발생할 수 있고, 기체의 양이 너무 적은 경우에는 기포가 충분하게 형성되지 않는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 기체의 공급 속도가 너무 높은 경우에는 기포의 크기가 균일하지 않거나 기체가 반응 중에 외부로 빠져나가 기포가 충분히 생성되지 않는 문제가 발생할 수 있다. 반대로 기체의 공급 속도가 너무 느린 경우에는 상기 용액의 상부와 하부의 기포 크기나 다공성에 차이가 발생할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 기공을 형성하는 단계는 상기 산이 투입된 용액에 계면활성첨가제를 첨가하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 계면활성첨가제는 상기 용액의 표면 장력을 낮추고 기포성을 높여, 상기 용액에 형성된 기포가 장기간 유지되도록 하는 기능을 수행한다.
본 단계에서, 상기 계면활성첨가제는 계면활성제를 포함할 수 있고, 계면활성제 및 고분자 수지를 포함할 수 있다.
상기 계면활성제는 상기 용액의 표면 장력을 낮추고 기포성을 높이는 기능을 수행한다. 상기 계면활성제는 폴리프로필렌 글리콜(PPG; Polypropylene glycol), 폴리에틸렌 글리콜(PEG; Polyethylene glycol) 및 폴리아크릴아마이드(Polyacrylamide) 중 적어도 어느 하나일 수 있고, 바람직하게는 폴리프로필렌 글리콜일 수 있다.
상기 고분자 수지는 생성되는 기포의 크기가 일정하게 유지되도록 하며, 성형하는 단계 이후에 제조된 브러쉬를 몰드에서 분리할 때 쉽게 분리되도록 하는 기능을 수행한다. 상기 고분자 수지는 폴리프로필렌(PP; Polypropylene), 폴리에틸렌(PE; Polyethylene), 폴리우레탄(PU; Polyurethane) 및 폴리에틸렌 터프탈레이트(PET; Polyethylen terephthalate) 중 어느 하나일 수 있고, 바람직하게는 폴리프로필렌일 수 있다.
본 단계에서 첨가되는 계면활성첨가제의 함량은, 상기 산이 투입된 용액의 전체 중량에 대하여 1 내지 5 %, 바람직하게는 1 내지 3%일 수 있다. 상기 계면활성첨가제의 함량이 너무 많은 경우에는 물성이 열악해져서 내구도가 낮아지고 기포가 충분히 생성되지 않는 문제가 있고, 상기 계면활성첨가제의 함량이 너무 낮은 경우에는 기포성 및 안정성 특성이 열악하여 기포가 충분히 생성되지 않는 문제가 있다.
상기 계면활성첨가제가 고분자 수지를 포함하는 경우, 상기 계면활성첨가제의 점도는 200 내지 300 cps, 바람직하게는 250 내지 300 cps일 수 있다. 이경우, 상기 고분자 수지의 함량은 상기 계면활성첨가제 전체 중량에 대하여 20 내지 50%일 수 있고, 바람직하게는 20 내지 30%일 수 있다. 상기 고분자 수지의 함량이 너무 많은 경우에는 계면활성 효과가 감소하는 문제가 있고, 고분자 수지의 함량이 너무 적은 경우에는 브러쉬가 몰드로부터 분리가 잘 되지 않아 불량이 발생하거나 기포의 크기가 고르지 않을 수 있다.
상기 교반된 용액을 성형하는 단계는 브러쉬 형상을 갖는 몰드에 상기 교반된 용액을 부은 후 숙성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 몰드는 제조하고자 하는 브러쉬의 형상에 따라 다양한 것이 사용될 수 있다. 본 단계는 상온에서 5 내지 10분에 걸쳐 수행할 수 있다.
상기 숙성하는 단계는 50 내지 80℃에서 12시간 이상 수행할 수 있으며, 바람직하게는 12 내지 24시간 수행할 수 있다.
숙성이 완료된 후, 경화된 브러쉬를 상기 몰드에서 제거함으로써 웨이퍼 세정용 브러쉬를 얻을 수 있다.
실시 예: 웨이퍼 세정용 브러쉬의 제조
실시 예1: 초순수(DIW) 1000g를 혼합기의 용기에 넣고 60℃로 승온하였다. 여기에 분말 형태의 폴리비닐알콜 150g을 첨가하고 혼합하면서 90℃로 승온하였으며, 승온 후 20분 동안 혼합을 지속하였다. 다음으로, 상기 용액을 75℃로 냉각하고 여기에 폴름알데히드 30% 수용액 120g을 첨가한 후 30분 동안 교반하였다. 다음으로, 용액의 온도가 상온에 이를 때까지 기다린 후 황산 95% 수용액 120g을 첨가하고 30분 동안 교반하였다. 다음으로, 상기 용액을 프로펠러형 혼합기의 용기로 옮기고 PPG 및 PP가 함유된 계면활성첨가제 15g을 첨가하고, 프로펠러를 1200 RPM으로 회전하여 교반하였다. 상기 계면활성첨가제에서 PP는 상기 계면활성첨가제 전체 중량에 대하여 20% 함유된 것이고, 상기 계면활성제의 25℃에서의 점도는 310 cps였다. 상기 교반과 동시에 상기 용기의 하부에 배치된 기체공급 배관을 통해 상기 용액의 하부로 CDA를 공급하였다. 상기 CDA는 총 2리터를 0.11 liter/sec의 속도로 분사하여 30분 동안 공급하였다. 다음으로, 교반이 완료된 용액을 몰드에 붓고, 상기 몰드를 오븐에 넣어 70℃에서 20시간 동안 숙성하였다. 다음으로, 몰드에서 경화된 브러쉬를 떼어냄으로써 웨이퍼 세정용 브러쉬를 제조하였다. 도 1 및 도 2는 실시 예1을 촬영한 것이다.
실시 예2: 실시 예1에서 계면활성첨가제를 40g 첨가한 것을 제외하고 실시 예1과 동일하게 수행하였다.
비교 예1: 실시 예1에서 계면활성첨가제를 10g 첨가한 것을 제외하고 실시 예1과 동일하게 수행하였다.
비교 예2: 실시 예1에서 계면활성첨가제를 50g 첨가한 것을 제외하고 실시 예1과 동일하게 수행하였다.
비교 예3: 실시 예1에서 계면활성첨가제로 고분자 수지가 포함되지 않고 계면활성제만 포함하는 것을 사용한 것을 제외하고, 실시 예1과 동일하게 수행하였다.
비교 예4: 실시 예1에서 계면활성첨가제를 첨가하지 않은 것을 제외하고 실시 예1과 동일하게 수행하였다.
비교 예5: 실시 예1에서 CDA를 공급하지 않은 것을 제외하고 실시 예1과 동일하게 수행하였다.
비교 예6: 실시 예1에서 CDA를 공급하지 않고 계면활성첨가제를 첨가할 때 감자 전분 50g을 첨가한 것을 제외하고 실시 예1과 동일하게 수행하였다.
실시 예 및 비교 예의 조건을 아래 표 1에 기재하였다. 표 1에서 계면활성첨가제의 함량은 산을 투입한 용액의 전체 중량을 기준으로 한 것이다.
구분 DIW
(g)		 PVA
(g)		 폴름알데히드 수용액
(g)		 황산
(g)		 계면활성첨가제
(g)		 계면활성첨가제 함량 (%)
실시 예1 1000 150 120 120 15 1.1
실시 예2 1000 150 120 120 40 2.9
비교 예1 1000 150 120 120 10 0.7
비교 예2 1000 150 120 120 50 3.6
비교 예3
(계면활성제만 첨가)		 1000 150 120 120 15 1.1
비교 예4
(계면활성첨가제 첨가 안함)		 1000 150 120 120 - -
비교 예5(CDA공급 안함) 1000 150 120 120 15 1.1
비교 예6(CDA 주입 안함, 전분 투입) 1000 150 120 120 15 1.1
실험 예: 웨이퍼 세정용 브러쉬의 평가
기공도: 실시 예 및 비교 예에서 제조된 웨이퍼 세정용 브러쉬를 절단하여 단면을 SEM으로 촬영하여 기공도를 측정하였다. 기공도는 단면의 특정 영역의 면적 대하여 비어 있는 부분의 면적의 비를 %로 표현한 것이다.
표면 상태 관찰: 실시 예 및 비교 예에서 제조된 웨이퍼 세정용 브로쉬의 표면을 육안을 통해 관찰하여, 뜯김이나 비정상적인 기공, 변형 등의 이상이 있는 지 여부를 판단하였다.
흡수용량: 실시 예 및 비교 예에서 제조된 웨이퍼 세정용 브로쉬의 무게를 측정하고, 이를 23℃의 물에 12시간 담그고 꺼낸 후 표면의 물기를 닦아내어 무게를 측정한 후, 초기 무게와의 차이를 %로 표현하였다.
평균 기공 크기: 실시 예 및 비교 예에서 제조된 웨이퍼 세정용 브러쉬를 절단하여 단면을 SEM으로 촬영하여 10개 기공의 세로 및 가로의 길이를 측정한 후 평균 값을 기재하였다.
위 시험 결과를 아래 표 2에 기재하였다.
구분 기공도
(%)		 표면 관찰
(육안)		 흡수용량
(%)		 평균 기공 크기
(μm)
실시 예1 88.2 이상 없음 848 168
실시 예2 92.5 이상 없음 1110 195
비교 예1 83.7 이상 없음 789 152
비교 예2 84.6 이상 없음 805 162
비교 예3
(계면활성제만 첨가)		 93.1 일부 뜯김 발생 1180 205
비교 예4
(계면활성첨가제 첨가 안함)		 81.2 일부 뜯김 발생 750 92
비교 예5(CDA공급 안함) 45 이상 없음 432 42
비교 예6(CDA 주입 안함, 전분 투입) 92 이상 없음 1100 85
표 2를 참조하면, 계면활성제만 첨가하거나 계면활성첨가제를 첨가하지 않은 경우에는 표면에 뜯김이 발생하였다. 이는 브러쉬의 표면이 몰드에 달라붙기 때문에 발생하는 현상이다. 또한, 계면활성첨가제를 중량 기준으로 1 내지 3% 첨가한 실시 예1 및 2에서 높은 기공도 및 흡수용량을 가짐을 알 수 있다. 반면, 계면활성첨가제를 첨가하지 않거나 CDA를 공급하지 않은 비교 예4 및 5에서는 기공이 제대로 형성되지 않음을 알 수 있다.
본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

Claims (5)

  1. 폴리비닐알콜(PVA) 용액을 준비하는 단계;
    상기 폴리비닐알콜 용액을 가열하는 단계;
    상기 폴리비닐알콜 용액에 폴름알데히드를 투입하고, 산을 투입하는 단계;
    상기 산이 투입된 용액에 기체를 공급하면서 교반하여 기공을 형성하는 단계; 및
    상기 교반된 용액을 성형하는 단계;를 포함하는,
    웨이퍼 세정용 브러쉬의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기공을 형성하는 단계는 계면활성첨가제를 첨가하는 단계를 포함하는,
    웨이퍼 세정용 브러쉬의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 계면활성첨가제는 계면활성제 및 고분자 수지를 포함하는,
    웨이퍼 세정용 브러쉬의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기공을 형성하는 단계에서, 상기 공급되는 기체의 양은 상기 점도가 조절된 용액의 부피의 1 내지 2배인,
    웨이퍼 세정용 브러쉬의 제조방법.
  5. 제1항의 제조방법으로 제조된 웨이퍼 세정용 브러쉬.

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