09. CLEANING의 주요 공정

공부/반도체 제조 공정 장비 운영 (e-koreatech)

09. CLEANING의 주요 공정

광보기 2021. 5. 18. 17:38

세정방법

Microworld

세정 공정의 분류표

반도체 공정에서의 세정 방법

건식세정

습식세정

RCA 세정이 대표적임

현재까지 반도체 세정 공정으로 널리 사용되는 세정 방법
공통적으로 과산화수소를 근간으로 함

RCA Cleaning

SC1(Standard CLEANING-1)

암모니아, 과산화수소, 물을 일정한 비율로 혼합하여 75~90도 정도의 온도에서 Particle과 유기 오염물을 제거하는 세정방법

SC1은 구성 화학 용액의 이름을 통칭해 APM(Ammouinum Peroxide Mixture)이라고 부름

암모니아

Si 웨이퍼를 비등방성(Anisotropic)에칭을 시킴
에칭 속도 또한 매우 빠름

과산화 수소

과산화 수소에 의한 표면산화가 Si 웨이퍼 표면의 거칠기(Roughness)를 감소시키는 역할을 함

SC2(Standard CLEANING-2)

염산, 과산화수소, 물을 일정한 비율로 혼합하여 75~90도 정도의 온도에서 천이성 금속 오염물을 제거하는 세정방법

SC2는 구성 화학 용액의 이름을 통칭해 HPM(Hydrochloric Peroxide Mixture)이라고도 부름

대부분의 금속 오염물들은 희석시킨 염산만으로도 제거가 가능함

전기음성도가 큰 귀금속(Noble Metal: Cu, Al)은 희석시킨 염산만으로 제거하기 어렵기 때문에 염산과 과산화수소가 혼합된 세정용액으로 제거가 가능함

Piranha CLEANING

황산과 과산화수소를 일정한 비율로 섞고 90~130도 정도의 온도에서 웨이퍼 표면의 유기 오염물을 제거하는 세정 방법

Piranga 세정은 구성 화학용액의 이름을 통칭해 SPM(Sulfuric Peroxide Mixture)이라고도 부름

Piranha 세정 용액

반도체 공정에서 유기오염물과 감광제 잔유물(PR Residue)를 제거하기 위해 사용됨

고온 세정 과정 중 과산화 수소가 분해되어 물을 형성함으로써 세정액의 농도를 희석시킴

세정 효율을 유지하기 위해 과산화 수소가 새로이 첨가되지만 첨가된 과산화 수소에 의해 세정액의 농도는 더욱 희석됨

사용 후 8~12시간 정도 지나면 더 이상 사용할 수 없음
- 희석시킨 황산 내 오존을 주입하여 사용
- 초순수에 오존을 주입하여 유기물과 PR 제거를 목적으로 초순수/오존 클리닝 기술에 대한 연구 개발이 활발히 진행됨

인산 세정

인산

질화막(Si₃N₄)를 식각하는데 사용하는 용액
주로 80~85%의 용액이 사용됨
150℃ 이상의 고온에서 공정이 진행됨

인산용액 내에 수분 조절이 매우 중요함

불산 세정

불산

산화막 식각에 사용되는 대표적인 세정액

주로 물에 희석시켜 사용

공정 온도는 상온(25℃)

산화막에 대한 식각율이 온도에 민감함

온도상승 -> 식각율 상승

수소와 할로겐족 원소인 불소가 결합하여 만들어진 할로겐산중의 하나

다른 할로겐산에 비해 잘 해리가 되지 않음

분자상태로 있을 때가 가장 안정적임

무수불산은 산화막을 식각시키지 못함

BHF

Buffered HF로, 흔히 BOE(Buffered Oxide Etchant)라고 부름

HF용액에 일정비율로 NH₄F를 혼합시켜 사용하는 세정액

NH₄+가 있어 파티클제거에도 용이하고, 불산에 비해 식각율도 높음

유기용제 세정

유기용제

Metal Etch나 Via Etch 후에 사용되는 세정용액

유기용제에 특별한 기능을 가진 첨가물을 사용하여, Etch 후에 발생 되는 Plolymer를 제거하는 데 사용되는 용액

기능성을 가진 첨가물은 제조사와 용도에 따라 종류와 조성이 다양함

주로 Corrosion 방지제, Polymer 용해제 등이 첨가됨

초음파 세정

초음파

주파수가 가청 주파수 이상, 즉 20kHz 이상의 귀로 들리지 않는 음파

초음파 세정( Ultrasonic CLEANING)	메가소닉 세정(Megasonic CLEANING)
고주파의 초음파를 이용하여 물이나 용제를 진동시켜, 복잡한 형상물의 세정이나 깨지기 쉬운 물체에 손상 없이 세정하는 방법	주파수가 약 1000kHz대의 매우 높은 고주파를 사용하여 세정하는 방법

초음파 에너지 - 세정조(CLEANING Bath) 하단부에 장착되어 있는 압전 변환기 (Piezoelectric Transducer)에서 공급

반도체에서는 주로 비접촉 음파 에너지를 SC1이나 순수에 사용함

에칭공정 후에 발생하는 파티클을 제거하거나 CMP 공정 후 웨이퍼 표면에 잔류하는 오염 물질을 제거하거나 오염된 반도체 장비 부품을 세척하는 데 널리 사용됨

세정조의 Sonic 전달 방법과 Sonic에 의한 불량 모양

건조기 종류와 건조 방법

Spin Dryer

Wafer가 회전을 하면서 약액을 처리하는 세정공정을 진행하고 이후에 DIW(De-ionized Water)를 이용하여 세정을 하고 건조를 하는 방식

짧은 시간에 고속회전의 필요성이 있음

최고 RPM은 3,000 ~ 4,000 정도의 회전 수를 가짐

Spin Dryer는 처리하는 Wafer의 매수에 따라 나뉨

장점

가격이 저렴하고, 유지비가 적게듦

사용이 용이하고, 유지 관리가 쉬움

단점

회전중에 Wafer가 깨질 수 있는 확률이 높음

단차가 있는 곳의 건조가 불량하여 물반점(Water Mark)을 발생시킬 수도 있음

회전 중에 Particle 발생의 가능성이 있음

IPA Dryer

IPA Vapor를 이용하여 Wafer를 건조하는 방식

IPA Vapor는 Colling Coil에 의하여 일정영역, 즉 Vapor Zone에만 존재함

Vapor Zone에서 일정시간(5~6분) Wafer가 머무는 동안 Wafer 표면에 있는 DIW와 IPA Vapor가 서로 치환하게 됨

Cooling Zone 위로 Wafer가 올라오면 Wafer 표면에 있는 IPA는 휘발하게 되어 건조하는 방식임

장점

Spin Dryer에 비해 상대적으로 건조 중 Particle 발생이 적음

단차가 있는 곳의 건조도 용이함

단점

IPA가 휘발성이 커서 화재 발생 위험성이 있음

IPA를 사용하기 때문에 IPA가 Wafer에 남을 수 있음

IPA 사용에 따른 유지비가 많이 듦

Marangoni Dryer

물과 IPA (Iso-Propyl Alcohol) 간의 표면장력 차이에 의해 발생하는 Marangoni 현상을 이용해 웨이퍼 표면을 건조시키는 방법

IPA를 사용하기 때문에 크게 분류하면 IPA Dryer의 범주에 속함
Marangoni Effect를 이용한 건조 방법으로 물과 IPA가 가진 서로 다른 밀도와 표면 장력을 이용한 것임

Marangoni Effect

건조 효과가 있는 IPA층을 물 상층부에 주입시키면 밀도 차이에 의해 IPA가 물 위에 뜨게 됨

적당한 온도에서 웨이퍼를 서서히 용액 밖으로 끌어 올리면 모세관 현상에 의해 IPA와 물이 따라 올라옴

물의 표면장력이 IPA의 표면 장력에 비해 크므로 IPA에서 물로 끌어당기는 힘이 발생함

웨이퍼 표면에 부착되어 있는 파티클의 제거도 가능함
용액 최상층인 IPA에 의해 웨이퍼 표면은 물반점이 없는 깨끗한 건조를 수행할 수 있음

새로운 개념의 세정 방법

오존세정

기존 RCA 세정의 근간으로 사용되는 과산화수소의 사용을 대체하기 위해 산화력이 큰 오존을 근간으로 사용하는 새로운 습식세정기술

오존 세정의 등장 배경

세정액의 사용량 증가로 인한 화학 폐수량 증가

폐수 처리시 탈과산화수소 공정 추가로 처리비용 증가

-> 환경적 비용적 문제 야기

과산화수소를 대체하기 위해 최근 많은 연구 개발이 이루어지고 있는 세정 공정이 오존 세정 방법이다.

오존

일반적으로 과산화수소보다 더 강력한 산화제로 알려져 있음

용액 내에서 분해되어 해로운 반응 생성물을 형성하지 않음

희석시킨 화학액을 사용하여 화학액의 사용량과 폐수의 양을 획기적으로 절감시킴

-> 환경 친화적이고 경제적인 세정 공정임

드라이아이스 세정

드라이아이스 미세 알갱이를 고압가스와 함께 분사시켜 작업물과 충돌시킴으로써 표면을 클리닝하는 방법

반도체 웨이퍼 및 평판 디스플레이(FPD) 기판 등의 세정을 위한 세정방식
기존의 모래 혹은 세라믹 파우더를 고압 분사해 세정하는 블라스팅(Blasting)과 작동 모습이 유사함

순수한 이산화탄소를 저온 가압시켜 만든 액체 인산화탄소를 특수 설계도니 고압 노즐을 통해 방출시킴

이때 노즐에서의 단열 팽창 원리에 의해 드라이 아이스를 만들어 분사시킴으로써 기판 표면의 오염 물질을 제거함

아르곤(Ar) 에어로졸 세정

초고순도 아르관과 질소의 혼합물을 진공 상태로 기화 냉각시켜 에어로졸(Aerosol)을 형성시키고, 이를 작업 시편에 분사하여 표면을 클리닝 하는 방법

레이저 세정

레이저 빔을 재료 표면에 조사하여 표면 위에 존재하는 오염 물질을 제거하는 공정기술

레이저 빔 조사시

표면에서는 급격한 온도 상승 발생

오염물질이 순간적으로 증발하여 제거됨

자외선(UV) 세정

고출력 자외선 램프와 산소 가스를 사용하여 활성 산소 및 오존을 만들어 표면의 유기오염 물질을 제거하는 방법

UV/Ozone CLEANING으로 불리기도 함

자외선 세정 시 조사되는 자외선의 에너지가 매우 중요함