반도체 리소그래피용 펠리클 제조 공정 중 발생되는 오염물 제거를 위한 세정 공정 연구

Abstract

노광 공정은 패턴이 형성되어 있는 포토마스크에 레이저가 통과하여 웨이퍼 위에 패턴을 형성하는 공정으로서 포토마스크 표면의 오염 입자는 패턴의 결함을 발생시키는 주요 원인이 된다. 그렇기 때문에 이를 방지하기 위한 펠리클의 사용이 필수적이다. 하지만 최근 반도체 공정에서 요구되고 있는 오염 입자의 크기 및 개수 기준이 지속적으로 감소함에 따라 펠리클 표면에 오염 입자에 대한 관리 기준이 엄격해지고 있는 상황이다. 따라서 펠리클 제조 공정 중에 발생하는 오염 물질을 억제하고 제거하기 위해서는 단계별 제조 공정의 문제점을 파악하고 그에 따른 오염 물질 발생을 최소화시켜야 한다. 펠리클의 제조 공정은 포토마스크와 부착되는 Al 프레임 제조 공정과 광원을 투과할 수 있는 멤브레인 제조 공정으로 나눌 수 있다. 현재 Al 프레임 같은 경우에는 질산 원액을 사용하여 세정하게 되며 멤브레인을 제작하기 위해 사용되는 쿼츠 같은 경우 특별한 세정 방법 없이 폴리싱 후 재사용하게 된다. 하지만 질산 원액을 이용하면 오염 입자가 완벽하게 제거되지 않을 뿐만 아니라 인체 및 환경에 유해하고 폴리싱 공정으로 인한 두께 감소로 쿼츠 기판의 수명이 감소하게 된다. 펠리클의 특성을 유지하면서 오염 물질을 효과적으로 제거할 수 있는 세정 방법 개발이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 이러한 문제점들을 개선하기 위하여 다양한 산 용액을 이용한 Al 프레임 세정방법과 플라즈마를 이용한 쿼츠 기판 세정방법에 대해 연구하였다. Al 프레임의 경우 저농도 세정 용액과 초음파를 이용하여 세정 효율을 높이고, 쿼츠의 경우 산소 플라즈마와 SC-1을 사용함으로써 쿼츠 표면의 특성 변화를 최소화시키면서 오염 물질을 효과적으로 제거하고자 하였다. 먼저 Al 프레임을 세정 평가에서는 질산과 과산화수소 혼합 용액, 황산, 불산, 과산화수소 혼합 용액, 질산과 오존수 혼합 용액 그리고 황산, 불산, 오존수 혼합 용액을 이용하여 평가를 진행하였다. 또한 초음파를 적용하여 물리적인 힘을 통한 평가를 진행하였다. 화학 용액만을 사용한 경우 모든 조건에서 시간이 증가할수록 세정 효율이 증가하는 것을 볼 수 있었다. 하지만 화학 용액만을 사용한 경우 Al 프레임 표면에 오염 물질이 완벽하게 제거되지 않은 것을 확인할 수 있었다. 화학 용액의 농도를 낮추면서 동시에 Al 프레임 표면에 남아있는 오염 물질을 완벽하게 제거하기 위해 초음파를 적용시켰다. 그 결과, 질산 원액과 질산, 과산화수소 혼합 용액의 경우 초음파를 적용시켰을 때 세정 효율이 증가되긴 하였지만 초음파 적용 전과 후의 큰 차이를 보이지 않았다. 반면에 황산, 불산, 과산화수소 혼합 용액의 경우, 화학 용액에서 제거되지 못한 오염 물질들이 초음파를 통해 모두 완벽히 제거 되었음을 볼 수 있었다. 멤브레인 제작 후 쿼츠 표면에 잔류하고 있는 오염 물질들을 제거하기 위해 효과적인 실험과 분석을 위해 실리콘 웨이퍼에 오염 물질이 도포되어 있는 샘플을 이용하여 세정 평가를 진행하였다. 오염물을 제거 하기 위해 SPM과 산소 플라즈마를 이용하였다. 하지만 SPM을 적용하게 되면 오염 물질이 부풀어 올라 떨어져 제거되긴 하지만 여전히 표면에 잔류하고 있음을 확인하였다. 산소 플라즈마 적용 시간에 따른 오염 물질의 제거되는 정도를 FTIR을 이용해 확인한 결과 10분 처리했을 때, 제거되는 양이 가장 많은 것을 확인할 수 있었다. 그러나 접촉각을 측정했을 때, 약 50°로 여전히 오염 물질이 남아있어 SC-1 세정 적용하였다. 그 결과 실리콘 웨이퍼 표면에 오염 물질들이 완벽하게 제거 되었다. 앞선 실험들을 바탕으로 쿼츠를 세정한 결과 쿼츠 표면의 특성 변화를 최소화 시키는 동시에 오염 물질이 완전히 제거되었음을 확인할 수 있었다. 본 연구를 통해서 저농도 황산, 불산, 과산화수소 혼합 용액에 초음파를 함께 이용하여 친환경적이면서도 고효율의 Al 프레임 세정 방법과 산소 플라즈마와 SC-1 세정을 사용하여 쿼츠 표면의 특성 변화를 최소화시키면서도 쿼츠 표면의 오염 물질을 효과적으로 제거 가능한 세정 방법을 최적화 하였다.|Lithography is a fundamental process utilized for manufacturing semiconductor devices. Lithography process includes all the steps involved in transferring a pattern from a photomask to the surface of the silicon wafer. If contaminants get adhered to the photomask surface, it is considered as defect. For this reason, the use of pellicle is necessary for protecting the photomask surface. The pellicle is defined as thin transparent film stretched over a frame that is glued above the side of the photomask. However, as semiconductor devices are pursuing higher levels of integration and higher resolution patterns, the criteria for the amount of contaminants on pellicle surface is tightened. The manufacturing process of the pellicle is divided into Al frame manufacturing process and membrane manufacturing process. In case of Al frame manufacturing process, oxide film on Al frame surface is removed by using an alkaline solution. However, as a result smut and metallic inclusions are formed on Al frame surface. The formed smut and metallic inclusions are removed using acidic solution such as HNO3 but it is hard to fully remove them, also resulting in an increase in Al surface roughness. In membrane manufacturing process, quartz is used as a substrate. If the quartz substrate is contaminated, it is polished before reuse. But, the polishing reduces the lifetime of the quartz substrate. In this work, we investigated pellicle cleaning process by maintaining characteristics of the pellicle. First, Al frame is cleaned using various acidic solutions. Candidates for acidic solutions are as follows: a) the mixture of HNO3, H2O2 and DIW, b) the mixture of H2SO4, HF, H2O2 and DIW, c) the mixture of HNO3 and ozone dissolved in DIW and d) the mixture of H2SO4, HF and ozone dissolved in DIW. To evaluate the effect of physical force, ultrasonic was used. These cleaned Al frames were analyzed using optical microscope and FE-SEM. It was found that contaminants on the surface were not removed perfectly when only cleaning solutions were used. But, when the ultrasonic with cleaning solutions was applied, the contaminants on the surface were almost removed. Especially, the contaminants on the surface were removed perfectly the mixture of H2SO4, HF, H2O2 and DIW was used. To remove the contaminants on the quartz surface, components of the contaminants were analyzed. First, it was evaluated using silicon wafer coated with contaminants for effective experiments and analysis. And then optimized conditions of the cleaning were applied to the quartz substrate. The cleaning phenomenon was verified using optical microscope, contact angle analyzer, FT-IR and surface roughness meter. In order to remove these contaminants, O2 plasma and SPM was used. Also, SC-1 process was used to not only remove residual fluoropolymer contaminants but also other particles. The roughness of quartz substrate was measured for confirming the change in characteristics of quartz. Consequently, it was found that the mixture of H2SO4, HF, H2O2 and DIW with ultrasonic has high removal efficiency with environment-friendly cleaning compared to other acidic solutions. O2 plasma and SC-1 cleaning can be proposed as the quartz substrate cleaning methods for minimizing the change of characteristics of quartz and to effectively remove contaminants from surface as compared to SPM and SC-1 cleaning processes.; Lithography is a fundamental process utilized for manufacturing semiconductor devices. Lithography process includes all the steps involved in transferring a pattern from a photomask to the surface of the silicon wafer. If contaminants get adhered to the photomask surface, it is considered as defect. For this reason, the use of pellicle is necessary for protecting the photomask surface. The pellicle is defined as thin transparent film stretched over a frame that is glued above the side of the photomask. However, as semiconductor devices are pursuing higher levels of integration and higher resolution patterns, the criteria for the amount of contaminants on pellicle surface is tightened. The manufacturing process of the pellicle is divided into Al frame manufacturing process and membrane manufacturing process. In case of Al frame manufacturing process, oxide film on Al frame surface is removed by using an alkaline solution. However, as a result smut and metallic inclusions are formed on Al frame surface. The formed smut and metallic inclusions are removed using acidic solution such as HNO3 but it is hard to fully remove them, also resulting in an increase in Al surface roughness. In membrane manufacturing process, quartz is used as a substrate. If the quartz substrate is contaminated, it is polished before reuse. But, the polishing reduces the lifetime of the quartz substrate. In this work, we investigated pellicle cleaning process by maintaining characteristics of the pellicle. First, Al frame is cleaned using various acidic solutions. Candidates for acidic solutions are as follows: a) the mixture of HNO3, H2O2 and DIW, b) the mixture of H2SO4, HF, H2O2 and DIW, c) the mixture of HNO3 and ozone dissolved in DIW and d) the mixture of H2SO4, HF and ozone dissolved in DIW. To evaluate the effect of physical force, ultrasonic was used. These cleaned Al frames were analyzed using optical microscope and FE-SEM. It was found that contaminants on the surface were not removed perfectly when only cleaning solutions were used. But, when the ultrasonic with cleaning solutions was applied, the contaminants on the surface were almost removed. Especially, the contaminants on the surface were removed perfectly the mixture of H2SO4, HF, H2O2 and DIW was used. To remove the contaminants on the quartz surface, components of the contaminants were analyzed. First, it was evaluated using silicon wafer coated with contaminants for effective experiments and analysis. And then optimized conditions of the cleaning were applied to the quartz substrate. The cleaning phenomenon was verified using optical microscope, contact angle analyzer, FT-IR and surface roughness meter. In order to remove these contaminants, O2 plasma and SPM was used. Also, SC-1 process was used to not only remove residual fluoropolymer contaminants but also other particles. The roughness of quartz substrate was measured for confirming the change in characteristics of quartz. Consequently, it was found that the mixture of H2SO4, HF, H2O2 and DIW with ultrasonic has high removal efficiency with environment-friendly cleaning compared to other acidic solutions. O2 plasma and SC-1 cleaning can be proposed as the quartz substrate cleaning methods for minimizing the change of characteristics of quartz and to effectively remove contaminants from surface as compared to SPM and SC-1 cleaning processes.