Study of microstructure damage in ultrasonic cleaning and drying of semiconductors

Abstract

본 연구는 반도체 세정과정에서 초음파 기포나 증발하는 액막과 미세 구조물과의 상호작용에 대하여 다루었다. 특히, 미세구조물의 손상과정을 직접관찰하고 그것을 바탕으로 미세구조물의 손상을 최소화하는 방법을 찾는데 주안점을 두었다. 반도체세정 과정은 미세구조물 제작과정에서 발생하는 오염입자를 초음파에 의한 버블 진동을 이용하여 제거하고, 세정과정에 사용된 세정액을 깨끗한 물로 헹구어 건조시키는 일련의 과정으로 이루어져 있다. 이때 초음파에 의하여 발생한 기포들의 파괴적인 운동으로 오염입자뿐만 아니라 미세구조물에도 큰 충격이 가해져 구조물이 부서지거나, 건조하는 과정에서 액체의 모세관힘에 의하여 패턴들이 서로 달라붙는 패턴 손상 현상이 빈번하게 나타나고 있다. 따라서 본 연구에서는 반도체 세정과정 중 발생하는 패턴손상을 1) 초음파 세정에서 파괴적인 초음파 버블에 의한 구조물 손상과 2) 건조과정에서 증발하는 액막에 의한 패턴 붙음현상으로 나누어 진행하였다. 버블의 진동은 반도체 웨이퍼, 포토마스크, 멤브레인 등 고체표면에 붙은 오염입자를 제거하는 초음파세정에서 중요한 역할을 하고 있다. 하지만 강한 버블의 진동은 미세구조물의 크기가 점점 작아짐에 따라 오염입자뿐만 아니라 구조물자체에도 큰 충격을 가하여 패턴이 손상되는 결과를 초래하고 있다. 따라서 본 연구에서는 초고속 카메라를 이용하여 패턴과 상호작용을 하는 미세버블에 대하여 관찰하고 이를 바탕으로 버블의 운동을 네 가지로 분류(부피진동, 형상진동, 분리운동, 무작위진동)하였다. 또한, 실험조건에 따라 버블운동을 예측하는 지도(regime map)를 만들어, 각 운동의 특성을 파악하고 실제 미세구조물에 손상을 주는 버블의 양상을 관찰하여 버블의 크기가 작을 때는 분리운동으로 구조물에 손상을 가하고, 버블의 크기가 클 때는 파괴적인 무작위적인 운동으로 미세구조물에 손상을 야기시킨다는 것을 밝혔다. 건조과정은 세정과정 중 가장 마지막 단계로 액막이 증발함에 따라 액체계면이 미세구조물 끝에 걸리고 액체계면과 고체표면 사이 모세관힘(capillary force)에 의하여 구조물을 끌어당겨 구조물들이 서로 달라붙는 패턴 붙음현상이 발생한다. 본 연구에서는 마이크로 스케일의 탄성 폴리머 패턴들을 만들어 액막이 증발함에 따라 패턴과 액막사이 나타나는 탄성모세관(elastocapillary)현상을 가시화하고, 간단한 모델을 이용하여 패턴들이 붙는 현상을 예측하였다. 또 한 패턴의 표면온도 변화를 통하여 패턴사이 액막의 증발양상 변화를 이용하여 미세구조물 붙음현상을 최소화하는 방법을 실험적으로 밝혔다. 본 연구는 반도체 세정과정 중 발생하는 미세패턴 손상에 대하여 그 현상을 직접 관찰하여 패턴손상에 대한 물리적 이해를 도우며, 관찰한 결과를 바탕으로 미세패턴 손상을 최소화 시킬 수 있는 방법에 대하여 제시하였다.

In this work, we consider the interactions between microscale structures and liquid interfaces of either bubbles or evaporating films in semiconductor cleaning processes. Our particular interests lie in visualization of the microstructure damages, and construction of a stability regime map that guides us to find a process condition that avoids pattern damage in semiconductor cleaning processes.

The semiconductor cleaning process is composed of removing contaminants produced during the fabrication process using the gas bubble oscillation from ultrasounds and rinsing the cleaning solution used in the cleaning with clean water for drying. Here, the disruptive bubble behavior due to the ultrasound breaks apart structures as strong forces are applied to the microstructure as well as the contaminant particles. Also, in the drying process, pattern damage phenomenon is frequently observed where the patterns adhere to each other due to the capillary forces of the liquid. Therefore, this study was conducted by dividing the pattern damage occurring during semiconductor cleaning as 1) the structural damage occurring during the ultrasonic cleaning due to the destructive ultrasound bubbles and 2) the clustering of microstructures due to liquid film evaporation during the drying process.

Bubble oscillations play a crucial role in ultrasonic cleaning, a process by which micro- and nanoscale contaminant particles are removed from solid surfaces, such as semiconductor wafers, photomasks and membranes. Although it is well known that the ultrasonic cleaning may damage the functional patterns of ever-shrinking size in current manufacturing technology while removing dust and debris, the mechanisms leading to such damage have been elusive. Here we report observations of the dynamics of bubbles that yield microstructure damage under a continuous ultrasonic field via high-speed imaging. We find that the bubble behavior can be classified into four types, namely volume oscillation, shape oscillation, splitting and chaotic oscillation, depending on the acoustic pressure and bubble size. This allows us to construct a regime map that can predict the bubble behavior near a wall based on the experimental parameters. Our visualization experiments reveal that damage of microwalls and microcantilevers arises due to either splitting small bubbles or chaotically oscillating large bubbles in the ultrasonic field, with the forces generated by them quantitatively measured.

As a liquid film covering an array of micro- or nanoscale pillars or walls evaporates, its meniscus straddling the microstructures pull the elastic patterns together because of surface-tension effects, leading to self-organization of slender microstructures. While this elastocapillary coalescence may provide various useful properties, such as particle-trapping and adhesion, it is detrimental in a semiconductor manufacturing process using a liquid film to rinse a wafer, called the spin drying. The contact of micro- and nanopatterns in semiconductor chips imply failure in the electrical circuit. To understand and find a way to prevent such phenomena, we visualize the clustering behavior of polymer micropatterns with the evaporation of liquid film while varying the sizes and temperature of the micropatterns. We find a critical role of substrate temperature in preventing the collapse of the patterns via changing the evaporation rate and behavior of the liquid film. Also, we construct a regime map that guides us to find a process condition to avoid pattern collapse in semiconductor manufacturing.

Our work provides physical understanding of interaction between micro- or nanoscale structures and liquid interfaces that are formed by either bubbles near patterns or evaporating liquid films between the patterns, and gives theoretical insights that can be applied for improving pattern damage problems in semiconductor cleaning processes.