1. 반도체 공정에서의 O-ring의 역할

반도체 생산장비에 사용되어지는 Sealing 재질은 일반산업과는 다른 차별된 과제들에 직면하게 된다. 이러한 재질들은 실질적인 기압과 진공상태, 가혹한 Chemical이나 gas 사용환경, 매우 높은 온도 하에서 본연의 성능을 발휘해야 한다. 가장 중요한 것은 Sealing 재질이 공정에 오염을 주거나 공정능력을 저하시켜서는 안된다는 것이다.

반도체 생산장비에 장착된 sealing 재질은 정밀한 부품이며 전형적으로 탄성물질로 주조되거나 플라스틱을 가지고 가공하여 만들어진다. 그것들은 그것들이 사용되어지는 장비나 부품 안에 Fluid나 gas의 통로에 Barrier를 형성하도록 설계되어 진다.

Barrier나 sealing action은 sealing 표면에 매우 밀착하는 sealing 재질의 특성에 의하여 이루어진다. 그것은 sealing표면에 들러붙지 않고 주기적인 움직임이나 노화, 온도, 압력 Chemical 노출시 일정기간동안 본연의 성능을 유지하여야 한다.

 

* Seal Install의 세가지 형태

1)  Dynamic seals ~ Reciprocating(왕복운동), Oscillatory(진동), Rotary(회전)과 같이 상호간에 움직임이 있는 부위에 장착된다.

 

2)  Semi-dynamic seals ~ Elevator or up-down motion이 있는 부위에 장착된다.
Dovetail seal이나 Lid seal이 그 예이다.

 

3)  Static seals ~ 상호간에 움직임이 없는 부위에 장착된다. 그러나, 대부분의 static seals은 열팽창이나 진동등에 의해 움직임이 생길 수 있다. 이것은 Axial(축)과 Radial(반지름)이라는 sealing force의 두 방향에 따라 분류된다.

각각의 Type의 sealing 재질은 접합 부위 중 하나의 Groove나 Gland에 장착되어지거나 Joint를 채운다.

O-ring seals은 반도체 장비에 사용되어지는 가장 일반적인 형태이다. O-ring은 반도체 생산에 사용하는 Harsh chemistry에 견딜 수 있는 고성능 elastomer로부터 만들어진다. 또한, O-ring은 Engineering plastic과 Metal로 제조되어지기도 한다. 그것들은 sealing 환경에 따라 응용이 자유로우며 차지하는 공간이 적으며 장착이 용이하다.



다른 type의 Standard seal 은 반도체 부품을 제조하기 위한 Critical process(치명적인 공정)의 무수한 요구에 대처하기 위하여 독특한 형태로 디자인 되기도 한다. Slit valve와 같은 부품처럼 Gland에 O-ring이 장착되는 것이 아니라 Seal 재질이 Metal 표면에 접착되어진다. 이러한 Bonded seal들은 기존의 dynamic 이나 static seals보다 움직임이 적으며 Particle이 상당히 감소함을 알 수 있다.



O-ring 접촉면은 Dynamic seal의 수명에 중요한 역할을 한다. 설계자들은 Seal이 접촉할 표면의 Roughness를 매우 주의깊게 고려해야 한다. Dynamic seal의 경우 바람직한 Surface roughness는 8~16 microinches이며 Static seal은 32 microinches를 초과해선 안되며 Gas 적용부위의 “Face-type” (static) seal은 8~16 microinches이다.


반도체 제조 장비에 알맞은 sealing을 하기위해서는 Seal과 Gland design에 특별히 주의를 기울여야 하는데 Surface finish뿐 아니라, Stretch, Squeeze, Gland fill, Installation, Material selection을 고려해야 한다. 따라서 반도체 장비 설계자는 설계초부터 Seal 공급자를 포함시켜 진행하는 것이 Sealing의 성능을 최적화 시킬수 있는 길이다.

2. 반도체 제조시 공정별 요구사항

1.  Ultrapure Deionized Water Systems(UPDI)



UPDI system은 O-ring이나 다른 Sealing 재질의 추출물의 요구수준이 PPB(parts per billion)에서 PPT(parts per trillion)로 옮겨가고 있으며 Issue가 되는 추출물은 TOC’s(Total oxidizable carbon), 양이온(metallic elements)과 음이온(Fluorides, chlorides, slufates, iodides)이 포함되어 있다. Deionized water는 대부분의 공정에 사용하므로 Sealing 재질의 추출물이 다른 공정에 오염을 주어서는 안된다.

UPDI system의 중요한 Sealing 부위는 다음과 같다.

1)  Filters
2)  Valves and regulators
3)  Fittings
4)  Unions

Ozone은 박테리아를 제거하는 System에 사용되어지는데 그것은 또한 대부분의 O-ring도 파괴할 수 있다. 그 결과 O-ring에 함유된 Metallic 오염물질의 상당수가 System에 침투할 수 있다. 비록 Peroxide가 standard elastomeric material을 퇴화 시키기는 하지만 hot deionized water(83C)는 새로운 System에서 박테리아를 제거하는데 사용된다. 마지막으로 UV light(Organic을 깨기 위해 다양한 노출에 첨가 되어지는) 역시 O-ring과 다른 Sealing material에 영향을 줄 수 있다.

TOC’s는 UPDI 적용부위에서는 특히 치명적인데 그것들은 wafer에 달라붙어 Oxide 품질과 Hazy film을 퇴화 시킨다. UPDI System의 모든 부품들은 허용할 수 있는 TOC level을 유지하기 위해 감시되어진다.

 

2.  Photolithography (Aqueous/Solvents)



1)  Resist Strippers

Lithography공정은 Cleaning, Photoresist에 사용된 Solvent의 제거, 남아있는 Photoresist material을 제거하기 위해 사용된 Stripping과 Ashing의 제거등을 포함한다.

여기에는 몇 종류의 Resist stripper가 있는데 Metal막을 Depo하기전에 반도체 분야에서는 주로 수성의 혼합물을 사용한다. 그러나 Metal막을 Depo한후에는 단지 Solvent stripper만 사용하는데 대표적인 것이 NMP(N-methyl Pyrrolidone)이다.

Solvent는 Photoresist를 제거하는데 사용하며 여기에 사용되는 O-ring이나 다른 sealing재질은 녹거나 부풀지 않아야 한다. O-ring은 Photoresist sputter와 Bake지역뿐 아니라 valve, regulator를 가지고 있는 Tracking system에도 사용되어 진다. 실질적으로 모든 Perfluoroelastomer o-ring은 이공정에 적합하다.



2)  Dry Strip

Stripping 방법중의 하나가 O2 plasma와 함께 Dry etch공정에 사용되어 진다. 이것은 Wet etching으로 이런 Stripping 형태의 사용을 내재하고 있는 발전된 Wafer위의 미세한 feature size공정에 필요하다. Wet chemistry의 유독성과 Control의 어려움으로 인해 Dry technology의 이용을 선호한다.




3.  Acids


Seals은 Wet bench나 Sink, Valve와 Regulators, dispensing valves, rinser-dryers, Bulk chemical distribution (BCD) systems에 사용되어 진다. 비록 Filtration system이 이러한 부분에 장착되어 있지만 기존 compound로 만들어진 seals은 Hydrofluoric acid(HF), Piranha와 같은 chemical이나 Chemical mixture가 모든 sealing 재질을 공격하여 퇴화시킬수 있으므로 이에 대한 compatibility를 충분히 검토해야 한다.

낮은 이온 추출물이 요구되어지지만 TOC가 최소한의 관심사이다. 대부분의 Acids와 강한 bases(Sulfuric, hydrochloric, ammonium hydroxide)가 Oxidizers(Peroxide or ozone)과 혼합되어 있어서 TOC’s가 Carbon dioxide나 carbon monoxide로 전환되어 그 system 안에 남는다.



대부분의 High temperature acid bath는 Quartz componentry안에 담겨 있다. 그러나 Quartz는 Hydrofluoric acid와 사용할 수 없다. 일반적으로 PFA, PTFE, PVDF, Polyethylene와 같은 Polymeric materials이 HF를 담기위해 사용되어 진다.

 

4.  Plasma Systems

 

1)  Etch and CVD (Chemical Vapor Deposition)

반도체 산업의 초점은 Batch에서 Single wafer processing으로의 전환이다. Single wafer process는 혹독한 플라즈마 환경과 High energy와 High temperature에 견딜수 있는 O-ring들을 요구한다.

O-ring은 반도체 분야에서 요구되어지는 Chemistries의 저항능력과 물성치를 맞추기 위해 계속적인 연구개발이 필요하다.

RIE(Reactive ion etching) 공정시 Ion bombardment는 Silicon표면의 수백 Angstroms이내에 Layer를 손상시킨다. Ion energy가 커질수록 손상되어지는 Layer의 깊이는 증가하며 약간의 손상을 주는 Heavier Ion부터 치명적인 손상을 입히는 수소이온까지 여러 종류의 이온들로 분류되어진다. 이런 종류의 이온으로부터 얻은 Damage는 Wafer뿐 아니라 Hardware 자체에도 영향을 미친다.

현재는 제조시 RIE를 기초로 한 시스템에서 Electron cyclotron resonance (ECR, or microwave)에 기초를 둔 시스템으로 바뀌고 있다. 이 새로운 시스템은 기존의 RIE에 비해 Uniformity와 Damage의 조절이 가능하여 탁월한 Uniformity와 적은 손상으로 공정을 진행할 수 있다.

Etch Gas의 구성 요소들은 다음과 같다.

 

? - Fluorine, chlorine, bromine for etching aluminum

? - Fluorine, chlorine, bromine for etching silicon and polysilicon

? - Hydrogen for etching insulators

? - Oxygen for stripping organic films

 

현재의 Etch, CVD 공정의 Chamber에는 다양한 온도와 Vacuum pressure가 적용되어진다. 일반적으로 공정온도를 증가시키면 Vacuum pressure는 10-5 Torr에서 10-8 Torr 수준으로 바뀌어 진다. 대기온도에서의 공정은 Vacuum을 덜 사용한다. Etch나 CVD 공정에서 요구되어지는 Uniformity와 Control을 제공하기 위해서는 좀 더 세밀하고 비싼 시스템이 요구되어진다. 이러한 시스템이 highly reactive gas들을 사용할 때에는 일반적으로 Elastomer들이 공정에 노출되어지며 Chemical의 공격을 받아 쉽게 퇴화되어 진다. 그러나 Perfluoroelastomer의 경우에는 이러한 chemical의 공격에 쉽게 퇴화되지 않고 요구되어지는 Sealing 능력을 오랫동안 유지할 수 있다.

 

2)  Contamination Issues

반도체 분야의 가장 큰 관심은 공정 진행시 Particle을 유발시키고 Cleaning이 요구되어지는 Dynamic step들이며 이로 인한 Downtime은 전세계적으로 반도체 제조사 및 장비 제조사에게는 해결해야 할 가장 큰 과제이다.

 

3)  Perfluoroelastomer O-ring 사용분야

Slit Valve: 이 Valve에 적용되는 Dovetail gland는 Standard industrial-grade O-ring을 사용하도록 디자인 되어 있다. 그러나 이런 O-ring들은 공정에서 요구하는 Particle과 Contamination 수준을 맞추지 못하여 O-ring의 퇴화 및 Downtime을 유발시킨다. 따라서 이러한 치명적인 Sealing부위에는 Perfluoroelastomer O-ring의 사용이 요구되어 진다.

Lid, end-point windows, throttle valve등의 치명적인 Sealing 부위

Gas inlet seals, isolation valves, KF fittings, exhaust valves와 Process Gas들에 노출되어지는 Static seal을 사용하는 다른 부품들

 

5.  Diffusion Systems

 

Diffusion furnace는 다음 세가지 목적을 가지고 있다.

1)  SiO2와 같은 Pure material의 Layer Depostion

2)  Implant layer안에 원자의 분배

3)  Implant step에서의 표면손상을 Annealing

Large quartz tubes의 sealing 부위에는 250℃~300℃이며 Cooling을 하기가 어려우며 Low outgassing이나 Low permeation은 최적의 공정을 진행하기 위해서는 치명적인 요소들이다.

Duffusion System의 경향은 Chamber design은 Low pressure CVD(LPCVD)이며 Rapid thermal processing (RTP) technology이며 이러한 경향은 온도와 Chemial에 대한 저항능력을 갖춘 Perfluoroelastomer O-ring의 사용을 요구하고 있다.