1. 서 론
반도체 제조 공정에서 웨이퍼(Wafer) 표면에는 다양한 미세 오염물질이 흡착되며, 이는 제품의 수율 및 품질 신뢰성에 중대한 영향을 미친다. 따라서 이러한 오염물을 효과적으로 제거하기 위한 세정 공정은 필수적이며, 그중에서도 화학 용액을 활용한 습식 세정(Wet Cleaning) 기술이 널리 사용되고 있다[1]. 습식 세정 공정은 세정 대상 웨이퍼 수에 따라 매엽(Single) 방식과 배치(Batch) 방식으로 구분된다. 매엽 방식은 세정균일성이 뛰어나나 처리 속도가 느린 반면 배치 방식은 다수의 웨이퍼를 동시에 처리할 수 있어 생산성이 높다는 장점이 있다. 그러나 배치 방식에서는 웨이퍼 간 세정균일성이 저하되는 문제점이 존재한다[2].
한편, 습식 세정 공정에서 주로 사용되는 SC-1 및 SC-2 세정액은 다량의 과산화수소(H2O2)를 포함하고 있어, 이로 인한 폐수 발생은 환경적 부담과 폐수처리장의 운영 효율 저하를 초래한다. 이에 따라 폐수 저감을 위한 세정액의 효율적 활용 및 공정 개선이 중요한 연구 과제로 부각되고 있다[3]. 특히, 동일한 세정 효과를 유지하면서도 세정액 사용량을 최소화할 수 있는 구조적 설계 개선에 대한 수요가 증가하고 있다.
이와 관련하여 다양한 연구자들이 배치 타입 세정기 내부의 유동 특성과 웨이퍼 간 세정성능 향상을 위한 설계 요소를 분석해 왔다. Matsuo 등[4]은 핀홀형 배출구(Pinhole outlet)를 적용함으로써 웨이퍼 표면의 가상 입자 제거율을 향상시켰으며, Tsuchida 등[5]은 핀홀형 배출구의 배치 구성을 개선하고, 세정액과 대기 사이의 계면에서 발생하는 입자 탈착 현상을 실험적으로 규명하였다. Donose 등[6]은 AFM(Atomic Force Microscope)을 이용하여 다양한 세정 방법에 따른 유기 오염물 제거 효과와 실리카 표면 손상을 정량화하였다. 또한, Habuka 등[7]은 세정기 내 초음파(Megasonic wave) 모듈이 장착된 배치 타입 세정기를 활용하여 초음파 출력에 따른 마이크로 버블(Micro bubble)의 직경과 속도를 실험을 통해 관찰하고 스토크스 법칙(Stokes law)을 통해 검증하였다. Sato 등[8]은 주기적인 세정액 분사 방식이 기존의 연속 분사 방식에 비해 표면 오염 제거 효율을 향상시킬 수 있음을 실험적으로 입증하였다. 이는 세정액 유동의 시간적 변화를 통해 난류 유발 및 재부착 방지 효과가 발생한다는 점에서 의미 있는 결과로 해석된다. 이와 같은 관점에서, 세정액이 공정 대상 표면에 보다 균일하고 안정적으로 도달할 수 있도록 분사 조건 및 노즐 형상을 조정하려는 다양한 연구가 수행되고 있다. Habuka 등[9]은 노즐 두께가 세정액의 유속, 분사 각도, 와류 발생에 미치는 영향을 CFD 해석과 실험을 병행하여 분석하였고, 이를 통해 최적 노즐 조건의 유동 특성을 규명하였다. 더 나아가 Okuyama 등[10]은 파이프 내부에 대롱형 구조물을 삽입함으로써 세정액의 흐름을 교란시켜 분출 균일성을 향상시키는 방안을 제시하였으며, 이는 실제 세정 장비 설계 개선 측면에서 높은 실용성을 지닌 것으로 나타났다. 또한, 탈착된 미세 오염물질의 재부착을 최소화하기 위한 연구도 활발히 진행되고 있다. Ota 등[11]은 배치형 세정 장비 내 잔류 입자의 문제를 해결하기 위해 직선적 층류 유동을 도입하여 교차 오염 및 잔류 입자의 발생을 효과적으로 억제하였다. 또한 Chen 등[12]은 세정액에 계면활성제를 첨가함으로써 전기적 및 입체적 반발력을 유도하여 오염 입자의 재부착을 방지하였다. 이러한 선행연구들은 세정 공정의 효율 향상을 위한 유체역학적 제어의 중요성을 강조하며, 세정액 분사 조건 및 유로 구조 최적화가 핵심 설계 인자로 작용함을 보여주었다.
그러나 이들 연구는 대부분 세정액의 조성, 노즐 설계, 분사 조건 등에 초점을 맞추고 있으며, 배치형 세정 장비 내부 유동장을 변화시켜 웨이퍼 간 세정 편차를 해소하려는 구조적 설계 연구는 상대적으로 부족한 실정이다. 특히, 유동 경로 설계를 통해 유체 흐름을 제어하고, 이를 기반으로 세정 성능의 균일성을 정량적으로 확보하고자 하는 시도는 아직 충분히 이루어지지 않았다. 이러한 접근은 세정액의 흐름 분포를 제어하여 웨이퍼 표면에 전달되는 전단 작용을 개선하기 위함이다. 실제로, 유체와 접촉하는 경계면에서 형성되는 전단율(Shear rate)은 표면에 부착된 입자를 제거하는 핵심 요인으로 보고되고 있다[13]. 또한 Lelièvre 등[14]은 스테인리스 배관에서 벽면 전단 응력(Wall-shear stress, WSS)의 크기와 세정 성능 간의 상관관계를 규명하였으며, WSS의 변동성이 클수록 세정 효과가 향상됨을 제시하였다. 이에 따라 본 연구는 WSS를 주요 세정 성능 지표로 설정하여, 웨이퍼 간 세정 효과를 균일화할 수 있는 구조적 조건을 도출하고자 하였다.
2. 전산해석 조건
본 연구에서 수행한 유동 해석 시뮬레이션의 해석 영역은 Habuka 등[9]이 제안한 배치 타입 세정기의 유동 영역을 기반으로 구성하였다. Fig. 1은 기존 배치 타입 세정기의 내부 유동 영역을 나타내며, 본 연구에서는 이 형상을 Case A로 정의하였다. 세정 대상인 웨이퍼는 지름 300 mm, 두께 1 mm이며, 총 25장이 Wafer holder에 의해 10 mm 간격으로 배열되어 있다. 가장 외곽에 위치한 웨이퍼와 세정기 벽면 사이의 거리는 40 mm로 설정하였다. 기존 형상과 본 연구에서 제안하는 개선 형상 모두에 대해 동일한 조건으로 유동 해석을 수행하였으며, 지름 19 mm의 파이프를 통해 분당 17리터(LPM)의 세정액이 유입되도록 Inlet 경계조건을 설정하였다. 세정액의 물성은 물(water)로 가정하여 밀도 및 점도 등 관련 유체 특성을 적용하였다. 유동 해석에서는 상부에 Pressure outlet 조건을 부여하였으며, 계산 효율성을 고려하여 세정 장비의 대칭면에는 Symmetry 경계 조건을 적용하였다. Fig. 1의 상세도에서 확인할 수 있듯이, 파이프에서 총 24개의 노즐 홀이 수직 방향으로 세정액을 분사하고 있으며, Inlet의 반대 측 끝단은 밀폐된 구조로 되어있다. 웨이퍼는 Inlet에 가장 가까운 위치를 기준으로 1번부터 25번까지 번호를 부여하였고, 노즐 역시 Inlet에 가까운 순서대로 1번부터 24번까지 번호를 부여하였다.
배치형 세정 장비 내부 유동은 상용 해석 소프트웨어 ANSYS Fluent 2024 R2를 이용한 수치 해석을 통해 분석하였다. 세정 공정이 장시간 지속되는 특성을 고려하여 정상 상태(Steady state) 해석을 수행하였다. 배치형 세정 장비에서는 세정액이 다수의 노즐 홀로부터 고속으로 분사되며, 이는 웨이퍼 간 좁은 간극을 통과하면서 복잡한 난류 유동장을 형성한다. 이러한 복잡한 유동 환경은 벽면 부근의 경계층 흐름을 정밀하게 해석할 수 있는 난류 모델을 요구한다. 이에 따라, 본 해석에서는 전단 응력의 예측 정확도가 높은 SST(Shear stress transport) k-ω 모델을 채택하였다. 해당 모델은 k-ω 모델의 벽 근처 해석 성능과 복잡한 난류장에서의 신뢰도 높은 결과를 도출할 수 있다.
웨이퍼 표면에 부착된 오염 입자를 제거하기 위한 물리적 힘은 유동에 의해 발생하는 전단율에 의해 결정된다[13]. 이러한 관점에서 본 연구는 유동이 웨이퍼 표면에 작용하는 WSS를 분석함으로써, 세정 중에 발생하는 입자 탈착 가능성을 간접적으로 평가하였다. 따라서 표면에 작용하는 WSS가 클수록 입자에 가해지는 탈착력이 증가함에 따라 더 높은 세정 효과를 나타낼 것으로 판단된다.
Fig. 2는 배치형 세정 장비 내부 유동장을 Poly-hexcore 격자를 이용하여 생성한 결과를 보여준다. 좌측의 그림은 세정기 내부 전체 유동장에 대한 격자 분포를 나타내며, 우측 상단의 확대 이미지는 웨이퍼 표면 부근의 격자 구조를 제시한다. 특히 WSS와 경계층 유동 해석의 정밀도를 확보하기 위하여, y+ 값을 1 이하로 유지할 수 있도록 조밀한 격자를 배치하였다. 이를 통해 실제 세정 조건에서의 유동 특성을 신뢰성 있게 재현할 수 있도록 하였다. 또한 우측 하단의 그림은 세정액이 유입되는 파이프와 노즐 홀 단면의 격자 분포 나타낸다. 해당 영역에서는 세정액이 상대적으로 높은 속도로 유입·분사되므로, 난류 특성과 유동 분포를 정밀하게 해석할 수 있도록 세밀한 격자를 배치하였다.
생성된 격자의 타당성을 확보하기 위해 격자 영향성 평가를 수행하였다. 격자 영향성 평가는 Case A를 기준으로 수행하였으며, 해당 조건에서 17번 웨이퍼 표면에서 최대 WSS가 발생하는 것으로 확인되었다. 따라서 본 연구에서는 17번 웨이퍼를 대표 위치로 선정하고, Coarse, Middle, Fine의 세 가지 격자 해상도에서 계산된 WSS를 비교하였다. Fig. 3은 17번 웨이퍼에서의 WSS 평균값을 격자 조건에 따라 비교한 결과를 나타낸다. 해당 평균값은 웨이퍼 표면 전체에 대해 평균으로 산출된 것이다. 분석 결과, Coarse와 Middle 격자 간에는 약 7.3%의 차이가, Middle과 Fine 격자 간에는 0.3%의 미세한 차이가 관찰되었다. 이를 통해 Middle 격자가 해석 결과의 신뢰성을 확보함과 동시에 계산 비용 측면에서도 효율적임을 확인할 수 있었다. 따라서 이후의 모든 수치해석에는 Middle 수준의 격자를 적용하였다.
또한, 본 연구에서는 각 웨이퍼에 작용하는 WSS의 평균값을 전체 웨이퍼의 평균 WSS로 나누어 정규화함으로써, 웨이퍼 간 상대적인 세정 성능을 비교할 수 있도록 하였다. Fig. 4는 Case A 조건에서 각 웨이퍼 표면에 작용하는 WSS를 정규화하여 나타낸 결과를 보여준다. 해당 결과를 통해 기존 유동 경로 모델에서는 13번부터 20번까지 배열된 웨이퍼에서 상대적으로 높은 세정 성능이 나타났으며, 특히 17번 웨이퍼에서 최대 WSS 값을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 이는 세정액이 장치 후반부 웨이퍼 사이로 상대적으로 더 많이 유입되면서 유량이 집중되고, 이로 인해 세정액 분포의 불균형이 발생하고 있음을 시사한다. 따라서 세정액 유량을 전반부 웨이퍼 영역으로 보다 효과적으로 분배하여, 전체 웨이퍼 간 세정 성능의 균일성을 확보할 필요가 있다. 이를 위해 본 연구에서는 배출 유로에 U자형(U-shaped) 관을 적용하여 파이프 내 최종 노즐의 분사 위치를 전반부 웨이퍼 영역으로 재배치함으로써 전반적인 세정 성능의 평준화를 도모하였다.
3. 전산해석 결과
3.1 세정성능 향상을 위한 유로 설계 변경 및 형상 설정
본 연구에서는 기존 웨이퍼 배치 및 세정액 유량 조건을 유지하면서도 세정 효과를 개선하기 위한 방안으로, U자형 유로 구조를 적용한 Case B를 제안하였다. U자형 관을 도입함으로써, 기존 Case A에서 유량이 주로 12번 웨이퍼 이후에 집중되는 문제를 완화하고, 전반부 구간(1-12번 웨이퍼)에도 유체를 보다 고르게 분배할 수 있을 것으로 기대하였다. 이러한 유동 개선을 통해 수조 내 유량의 분포를 균일화하고, 결과적으로 웨이퍼 전 구간에서의 세정성능 균일성을 확보하고자 하였다. Fig. 5는 Case B의 전반적인 형상을 나타내며, 해당 구조는 Case A와 동일한 직경의 파이프로 구성된다. 기존 노즐과 동일한 위치에 존재하는 노즐은 Outer-side nozzle로 정의된다. 여기에 추가적으로, U자형 관의 반대편에는 Inner-side nozzle이 배치되며, 두 노즐 중심 간의 거리 L을 변수로 하여 세 가지 조건(Case B-1: L=2.0D, Case B-2: L=2.5D, Case B-3: L=3.0D)에 대한 설계를 진행하였다.
Fig. 6은 각 케이스에 대해 웨이퍼 표면의 WSS를 정규화한 값을 나타낸 그래프이다. 분석 결과, Case B-3는 웨이퍼 간 정규화된 WSS의 편차가 가장 작으며, 이에 따라 가장 우수한 세정성능 균일도를 확보한 것으로 평가되었다. 이를 통해 웨이퍼에 가장 인접한 위치에 Inner-side nozzle이 배치된 Case B-3가 최적 형상으로 확인되었으며, 이를 기반으로 Case B 형상을 선정하여 이후 해석을 수행하였다.
또한, U자형 배관 형상을 기반으로 한 응용 형상도 추가로 제안하였다. Fig. 7(a)는 Case C의 해석 도메인을 나타낸다. 이 형상은 Case B의 U자형 배관을 기반으로 하되, 세정성능 기여도가 낮은 Inner-side nozzle 중 1-12번과 Outer-side nozzle 중 13-24번을 제거하여 총 24개의 노즐로 구성하였다. 이는 Fig. 6에 제시된 Case B의 유동 해석 결과에서 후반부 웨이퍼(13-24번)의 세정 성능이 상대적으로 낮게 나타난 점을 반영한 것이다. 이에 따라 Case C에서는 세정액 유량을 후반부 노즐에 집중시켜 세정 성능을 개선하고자 하였다. 그리고 Outer-side nozzle의 경우, 유출 경로 후방에 충분한 길이의 직선관 및 곡관을 배치하여, 1-12번 웨이퍼에 해당하는 노즐에 안정적인 유량 공급이 이루어지도록 유도하였다. 이러한 구성을 통해 후반부 웨이퍼 영역의 세정 효율을 향상시키고, 웨이퍼 간 유량 분포의 균일성을 확보하고자 해당 도메인을 설계하였다. Fig. 7(b)는 Case D의 도메인을 보여준다. 해당 형상은 Case A에서 사용된 직선형(Straight-type) 노즐을 기반으로, 전체 노즐 배열을 중심부 방향으로 3.0D(57 mm) 수평 이동시킨 구조로서, 이는 Case B의 Inner-side nozzle 위치에 해당한다. 노즐은 수직 방향으로 24개가 배열되어 있으며, 곡관부에 의한 압력 손실을 제거함으로써 보다 안정적인 세정 유동을 유도할 수 있을 것으로 판단되었다. 또한 노즐과 웨이퍼 간 거리를 단축함으로써, 웨이퍼 중심부에 도달하는 세정액의 유동 안정성을 확보할 수 있도록 형상을 설계하였다.
3.2 시뮬레이션 결과
Fig. 8은 각 케이스에 대해 웨이퍼 위치별 평균 WSS를 정규화하여 나타낸 분포를 보여준다. 이를 통해 형상에 따른 웨이퍼별 상대적인 세정 성능을 비교하였다. Table 1에서는 평균 WSS, 정규화된 WSS의 표준편차 및 범위(최대값–최솟값)를 기준으로 형상별 정량적 평가를 수행하였다.
Table 1.
Quantitative comparison of wall-shear stress
Fig. 8에 따르면, Case B는 최종 노즐이 전반부 웨이퍼(1-12번) 하단에 위치하면서 해당 영역에 높은 WSS가 형성되어 세정 성능이 향상되는 양상이 나타났다. 반면, 후반부(13-25번) 웨이퍼는 노즐 개수가 증가하며 유량이 분산되는 유동 특성으로 인해 오히려 WSS가 감소하였고, 이에 따라 세정성능 또한 저하되는 것으로 분석되었다. Table 1의 정량적 분석 결과에서도 이러한 경향이 확인되며, Case B는 평균 WSS가 가장 낮아 전체적으로 가장 낮은 세정 성능을 나타내는 것으로 평가되었다. 또한, WSS의 표준편차가 가장 크게 나타났으며, 정규화된 최댓값과 최솟값 간의 차이 역시 가장 크기에 세정 성능의 균일성이 오히려 저하된 것으로 판단된다.
Table 1의 분석 결과에 의하면, Case C는 Case A 대비 평균 WSS가 더 높은 값을 보였다. 또한, 최종 노즐이 웨이퍼 배열의 중간부에 위치함으로써 중·후반부 웨이퍼에 안정적인 유량 공급이 이뤄짐이 확인되었고, 이에 따라 후반부의 세정 성능도 일정 수준 이상으로 유지된 것으로 분석되었다. 그러나 설계 당시 고려되었던 Outer-side nozzle에서 충분한 유량이 유도되지 않았으며, 이로 인해 전반부 웨이퍼에 공급되는 세정액 유량이 제한되는 결과를 초래하였다. 그리고 Case C의 표준편차 값은 Case A와 유사하였지만, 최대값과 최소값 간의 차이는 약 40.2% 더 크게 나타나 전반부 웨이퍼의 세정 성능 저하가 정량적으로 확인되었다.
Case D는 WSS 분포가 전반적으로 안정적인 양상을 보였으며, 정규화된 WSS의 표준편차와 최대-최소값 차이가 모든 케이스 중 가장 낮게 나타났다. Fig. 8의 결과에서도 확인되듯이, Case D는 비교적 균일한 세정 성능을 확보하고 있으며, 유사 형상인 Case A와 비교할 때 전반부 웨이퍼에서의 WSS 수준이 개선된 것으로 분석됐다. 이는 노즐과 웨이퍼 간 거리를 축소함으로써 세정 유동의 안정성이 향상된 결과로 해석된다. 또한, 평균 WSS는 모든 케이스 중 가장 높은 값을 기록하였으며, 이는 Case A 대비 약 2.5배 증가한 수치로, 해당 형상이 가장 우수한 세정 성능을 제공함을 시사한다. 이러한 결과는 동일한 운전 조건에서도 세정액 사용량을 줄이면서 세정 성능이 낮은 영역에 대해 충분한 효과를 확보할 수 있음을 의미한다.
Fig. 9는 각 케이스에서 특정 웨이퍼 표면의 WSS 분포와, 해당 웨이퍼와 인접 웨이퍼 사이 유동 공간 중심부에 형성된 유선(Streamline)을 함께 나타낸 것이다. 이를 통해 노즐 홀에서 분사된 세정액이 웨이퍼 표면에 미치는 유동 특성과 WSS 형성 메커니즘을 파악하고자 하였다. 본 연구의 세정 장치는 유량 17 LPM 조건에서 각 노즐 홀에서 Case A 기준 1.06~1.65 m/s의 속도로 하향 분출된 후 수조 바닥에 충돌하여 상향 유동을 형성한 후, 웨이퍼 간극(10 mm)을 통과하도록 설계되어 있다. 이렇게 세정액은 분사 직후에는 국부적으로 높은 속도가 형성되지만, 좁은 간극으로 유입되면서 유속이 급격히 저하되어 Table 1에서의 각 Case들의 WSS 값이 mPa 수준으로 산출된 것으로 파악된다. 이러한 유속 변화를 정밀하게 반영하기 위해 Fig. 9에서 유속의 색상 범례 상한을 0.01 m/s로 설정하였다. Fig. 9에서 확인되듯 세정액은 노즐 홀에서 고속으로 분사된 후 일부는 웨이퍼 중심부 방향으로 상승하거나 웨이퍼 표면 근처에서 와류를 형성하는 양상을 보인다. 이러한 유동 구조는 웨이퍼 표면에 국부적으로 높은 WSS를 유도하는 핵심 요인이며, 그 형성 방식과 강도는 케이스에 따라 상이하게 나타났다.
Case A에서는 노즐이 웨이퍼와 일정 거리 이상 떨어져 있어, 생성된 와류가 웨이퍼 하단부 일부에만 도달하는 한계를 보였다. 이로 인해 전반부의 2번 및 7번 웨이퍼, 그리고 후반부의 22번 웨이퍼에서 낮은 세정성능이 확인되었다. 반면, 12번부터 17번 웨이퍼 구간에서는 노즐 홀에서 분사된 유속이 증가함에 따라 중심부 유동이 발달하고, 와류의 크기도 상대적으로 커지는 양상을 보였다. 이러한 유동 특성으로 인해 17번 웨이퍼에서는 높은 WSS가 형성되었으며, 이는 Fig. 9(a)를 통해 확인할 수 있다. Case B의 경우, 전체적으로 세정성능이 저하되는 양상을 나타냈다. Outer-side nozzle에서 분사된 세정액은 웨이퍼 표면에 직접적인 영향을 미치지 못하였고, 이로 인해 웨이퍼와 근접한 Inner-side nozzle에서 분출되어야 할 유량 또한 감소하였다. 이와 같은 유동 조건은 와류의 형성을 약화시키고 유속을 저감시키는 결과를 초래하였으며, 이는 Fig. 9(b)의 해석 결과를 통해 확인된다. 결과적으로 웨이퍼 표면에서 형성되는 WSS의 강도가 낮아졌고, 이에 따라 세정 효과 또한 저하된 것으로 분석된다. Case C는 전반부 웨이퍼 영역(2번 및 7번 웨이퍼)에서 Case A와 유사한 수준의 와류가 형성되었으나, 해당 위치에서 웨이퍼 중심부로 향하는 유동이 충분히 형성되지 않아 전반부 웨이퍼의 WSS가 후반부에 비해 다소 낮게 나타났다. 한편, Fig. 9(c)에 나타난 바와 같이 Inner-side nozzle에서 분사된 유량은 웨이퍼 전체를 감싸는 고속의 대형 와류를 형성하였고, 이를 통해 12번 웨이퍼 이후 구간에서는 Case A 대비 향상된 세정 성능이 확보된 것으로 분석되었다.
마지막으로, Case D에서는 노즐이 웨이퍼와 인접한 위치에 설치되어 있으며, 특히 Wafer holders 사이의 공간에 배치됨으로써, 대형 와류 형성 시 유동이 Wafer holders에 의해 방해받는 효과가 감소하였다. 이러한 배치는 유동 흐름을 원활하게 하여 와류가 보다 강하게 형성되고 지속될 수 있도록 하였으며, 웨이퍼 간 유동 공간 내에서 안정적이고 고속의 회전 흐름이 발달하는 데 기여하였다. 이로 인해 전반부 웨이퍼의 유동 공간에도 고속 유량이 효과적으로 공급될 수 있었다. Fig. 9(d)를 통해 이러한 유동 구조를 시각적으로 확인할 수 있으며, 실제로 전반부 웨이퍼의 유동공간에서도 충분한 유속이 확보되어 상대적으로 높은 WSS가 형성되었음을 보여준다. 결과적으로 웨이퍼 표면 전반에 걸쳐 효과적인 WSS 분포가 이루어졌으며, 전체적으로 우수한 세정 성능과 함께 웨이퍼 간 유량 분포의 균일성 또한 확보된 것으로 나타났다.
Table 2는 세정액 공급 파이프의 입구 압력과 끝단 압력 간의 차이를 나타낸 것이다. 본 연구에서는 파이프 끝단의 압력이 입구 압력보다 높게 나타나는 경향을 보였으며, 이는 유동 역류 또는 내부 압력 손실 분포와 관련된 현상으로 해석될 수 있다. 가장 높은 세정 성능과 균일성을 보인 Case D 형상은 직선형 관을 적용하여 상대적으로 짧은 유동 경로를 갖도록 설계되었음에도 불구하고, 내부 압력이 비교적 높게 형성되는 결과를 나타냈다. 일반적으로 파이프 길이가 짧아질수록 유압 손실이 감소하고, 이에 따라 압력 축적 경향이 완화될 것으로 예상되나, 본 형상에서는 세정 유체가 유출되는 홀의 크기, 간격 및 분포 방향이 유량 분산에 충분히 기여하지 못하였다. 그 결과, 유체가 끝단까지 도달하면서 압력이 누적되는 현상이 관찰되었다. 이는 유동 경로의 단순화가 반드시 압력 저감을 보장하지 않으며, 내부 구조에 따른 유량 분산 특성이 전체 압력 분포에 결정적인 영향을 미칠 수 있음을 시사한다. 따라서 향후 연구에서는 동일한 유량 조건 하에서 세정액 분포의 균일성을 유지하면서도 과도한 압력 축적을 방지할 수 있도록, 홀 형상 및 배치에 대한 최적화 설계가 필요할 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구는 배치형(batch-type) 습식 웨이퍼 세정 공정의 신뢰성과 안정성 확보를 목적으로, 관형 및 노즐 배치의 형상 변화를 통해 웨이퍼 간 세정균일성 향상 방안을 분석하고자 하였다. 이를 위해 U자형 관 설계와 일자형 관의 위치를 개선한 형상을 제안하고, 기존 형상과의 비교를 바탕으로 유동 해석을 수행하였다. 해석 결과, 기존 형상 대비 일자형 관을 웨이퍼 중심부 방향으로 3.0D(57 mm) 수평 이동시킨 형상이 가장 우수한 세정성능을 나타내는 것으로 확인되었다. 해당 형상에서는 노즐이 웨이퍼에 인접한 위치이자 Wafer holder 사이에 배치되어 있어, 유동이 Wafer holder에 의해 방해받는 효과가 감소하였다. 이로 인해 웨이퍼 간 유동 공간 내에서 안정적이고 고속의 대형 와류가 형성되었으며, 웨이퍼 표면의 평균 벽면 전단 응력(Wall-shear stress, WSS)는 기존 형상 대비 약 2.5배 향상되었다. 또한, 정규화된 WSS 기준으로 웨이퍼 간 표준편차는 47%, 최대–최소값 차이는 48% 감소하여, 세정 성능과 균일성 모두 현저히 향상된 것으로 평가되었다.
한편, 본 연구의 범위에는 웨이퍼 내 균일성(Within-wafer uniformity, WIW)에 대한 WSS 기반 세정 성능 분석은 포함되지 않았다. 또한, 세정 성능은 절대적인 WSS의 크기뿐만 아니라 공간적 분포와 변동성에도 크게 영향을 받는 것으로 알려져 있다[14]. 따라서 향후 연구에서는 WSS의 절대값과 더불어 WSS의 공간적 분포와 변동성을 정량적으로 평가할 예정이다. 이를 통해 웨이퍼 표면 내에서 세정 효과가 두드러지게 나타나는 영역을 규명하고, WIW 기반의 정밀한 세정 균일성 확보 방안을 도출할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 본 연구의 범위에서는 웨이퍼 표면에서 탈착된 오염 입자의 거동이나 세정기 내부에 잔류 및 재부착되는 현상은 다루지 않았다. 그러나 이러한 과정은 세정 효율과 공정 신뢰성에 중요한 영향을 미치므로, 향후 연구에서는 입자 거동 및 세정기 내 퇴적 분포에 대하여 분석하고자 한다. 이를 통하여 세정 균일성뿐 아니라 입자 거동 제어까지 확장하고자 한다.
