Development of surface cleaning technology using laser-induced spray jet

Abstract

반도체 산업과 같은 정밀 제조 분야에서, 나노 크기를 가지는 초미세 입자를 제품의 손상이나 부작용 없이 제거하는 것이 필요하다. 본 연구는 효과적으로 오염물질을 제거할 수 있는 세정 공정의 개발을 목표로 한다. 표면 손상을 최소화 하면서 작은 입자를 제거하기 위해서는, 좁은 분포도를 가지며 잘게 분열된 고속 제트가 필요하다. 이를 위하여 세가지 주제의 연구를 수행하였다.

첫째 스프레이 제트의 미립화 및 분무 특성에 대하여 분석하였다. 특히 우리는 고속의 제트에 관심이 있기 때문에, 분열의 초기 단계에 초점을 맞추었다. 원액적에 레이저가 강하게 집속하게 되면, 고온 고압의 플라즈마가 생성되며 급격히 팽창하게 된다. 이때 발생하는 물리적 에너지에 의하여 액적이 분열하게 된다. 플라즈마의 팽창은 마이크로 초 이하의 극히 짧은 시간 내에 이루어진다. 따라서 액적에 가해지는 초기 속도는 매우 크며, 미립화는 catastrophic breakup 기작을 통하여 설명될 수 있다. 위 영역은 다양한 물리적 현상이 혼재하여 적용되기 때문에 본 연구에서 미립화 특성을 실험적으로 분석하였다. 레이저가 조사된 후 수~수십 마이크로 초 시간 내에, 액적은 수십 마이크로 미터 크기를 가지는 미립화된 액적으로 분열하게 된다. 특히 시간 경과에 따라서 미립화는 점점 발달하게 된다. 따라서 미립화 액적의 크기는 감소하게 되며, 숫자는 증가하게 된다. 미립화된 액적으로 구성되는 스프레이 제트의 속도를 분석하였으며 최대 수백~천 m/s 이상의 고속임을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 제안한 레이저 유기 스프레이 제트의 경우, 잘게 분열된 고속 제트를 생성할 수 있음을 확인하였다.

분석된 스프레이 제트의 특성을 바탕으로 이를 입자의 세정 공정에 적용해 보았다. 오염 입자가 표면에 충돌하는 고속 스프레이 제트에 의하여 제거됨이 실험적으로 확인되었다. 개발된 레이저 유기 스프레이 제트의 경우 유체 역학적 힘에 의하여 입자를 제거할 수 있음을 알 수 있었다. 이를 이용하여 현재까지 세정 사례가 보고된 바 없는 최소 3 nm 크기의 초미세 입자의 세정을 수행하였으며, 이를 실리콘 표면에서 완벽히 제거할 수 있음을 볼 수 있었다. 또한 다양한 박막 위에서, 표면의 열적 및 기계적 손상없이 입자를 제거할 수 있음을 확인하였다. 레이저 유기 스프레이 제트 생성 공정의 신뢰성을 향상시키기 위하여, 금속 노즐의 끝에 응집된 액적을 이용한 새로운 공정을 설계하였다. 향상된 신뢰성을 바탕으로, 세정공정 효율의 향상 가능성을 확인하였다. 또한 스프레이 제트 형태를 조절함으로써 더 고속의 제트를 생성하고 이를 다양한 오염물의 제거에 응용하였다.

레이저 유기 스프레이 제트의 경우, 유체의 사용을 최소화 하였지만 표면에 생성되는 유체 필름 및 물방울에 의한 부작용 발생 가능성이 존재한다. 이를 극복하기 위하여, 세정 및 건조 공정에 사용하고 있는 IPA를 이용한 새로운 스프레이 제트 세정 공정을 개발하였다. 전체적인 스프레이 제트 생성의 거동은 DIW 스프레이 제트와 유사하며 속도는 기존 DIW 대비 90% 정도의 값을 가진다. 하지만 생성된 IPA 스프레이 제트를 오염 입자 제거에 적용해 본 결과, 30 nm 크기의 PSL 입자를 완벽히 제거할 수 있었다. 개발된 IPA 기반 공정은, 유체로 인해 발생할 수 있는 표면 물반점 생성, 입자 재증착, 표면의 산화 등을 최소화 하며, 오염물을 제거할 수 있는 효과적인 방법임을 확인하였다. 특히 DIW와 IPA의 교차 사용 및 mixture를 사용함으로써 각각의 장점을 극대화 할 수 있음을 확인하였다.

In precision manufacturing in the semiconductor industry, it is necessary to remove ultrafine particles without damaging the surface. This thesis reports development of a cleaning technology using a laser-induced spray jet. In order to remove small particles while minimizing the surface damage, a high-speed spray jet composed of fine atomized droplets with a narrow distribution are required.

First, the atomization and jetting characteristics of the laser-induced spray jet were analyzed. Especially, the early stages of droplet breakup process are analyzed. When a laser pulse is tightly focused in water, a high-temperature plasma was generated and rapidly expanded. In this expansions, the initial droplet was broken up by physical force. The plasma expansion took place within a period of several microseconds. The velocity of the plasma expansion was fast enough to induce by catastrophic breakup mechanism of the initial droplet. The atomization characteristics including the size and velocity of the atomized droplets were experimentally analyzed in this study. Within several tens of microseconds after the laser irradiation, the initial droplet was broken up into atomized droplets with a size of <20 μm in size. The mean size of the atomized droplets decreased with time, and the total number increased with time. The velocity of the atomized droplet was <1200 m/s.

Secondly, based on the spray jet hydrodynamics, surface cleaning processes were developed. It was found that the laser-induced spray jet can remove particles as small as 3 nm from silicon wafers. It was also demonstrated that particles can be removed on various films without causing a thermal and/or mechanical damage. In order to improve the robustness of spray jet generation, a new process using liquid droplets trapped at the tip of the metal nozzle was designed instead using free falling droplet. The new process, showed increased cleaning efficiency. Removal of various contaminants, including oxide films, metallic debris, etc; from metal surfaces was demonstrated using the improved process.

Finally, a laser-induced spray jet cleaning process using IPA and/or IPA/water mixtures as a cleaning agent was analyzed. The overall spray jet generation dynamics were similar to the water spray jet. The velocity was about 90% of the water spray jet velocity. By using the IPA spray jet, it was possible to remove the 30 nm PSL particles completely and 10 nm gold particle partially. The IPA-based spray jet cleaning process was an effective method to remove contaminants from surface by minimizing the watermark problem and surface oxidation.