12. cleaning 공정(1) (목적, 방식)

 <WHAT>

 : 오염물질을 화학적, 물리적인 방법을 이용하여 효과적으로 제거.

 

 

 <WHY>

 : 안정적인 수율 확보

• 반도체 미세화 → step 수 증가 → 오염물질 발생 확률↑ → cleaning 공정 횟수↑
• 반도체 미세화 → 과거에는 영향을 미치지 않던 작은 오염물질도 치명적 영향(killing defect)
  
  ∴ cleaning 공정의 중요성과 난이도↑

 

 

 <HOW>

(1) wet cleaning

 : 특수 chemical liquid를 이용하여 cleaning.

wet cleaning 방식 (출처: https://www.samsungsemiconstory.com/2191)

 

 ① dipping 방식 (=batch 방식)

• chemical bath에 다량의 wafer를 동시에 담그는 방식.
• RCA cleaning이 기본.
• 1Lot(25매)를 동시에 처리할 수 있다.

 

 * RCA cleaning

• 표준 세정액으로 SC-1과 SC-2를 사용.
• 세정액은 H₂O₂(과산화수소수)를 기본으로 포함하며, 물에 희석해서 사용.
• SC-1은 NH₄OH(수산화암모늄)을 포함 → particle, 유기물, 금속오염물질의 세정에 효과적.
• SC-2는 HCl(염산)을 포함 → 불활성 금속, 염기성 이온의 세정에 효과적.

 

 * RCA cleaning process

1.  HF(불산) bath에서 oxide 제거.
2. DI water rinse.
3. SC-1 bath에서 유기물 제거.
4. DI water rinse.
5. SC-2 bath에서 metal 제거.
6. Hot DI water rinse.
7. DI water rinse.
8. IPA(이소프로필알콜) vapor를 이용한 dry cleaning.

 

 ② single spray 방식

 : 낱장의 wafer를 회전하는 원판 위에서 chemical을 분사하여 세정.

 → 세정 후 회전 원심력으로 chemical을 밖으로 떨어뜨림 → 2차 오염 문제 개선 → 세정의 균일도 & 수율↑

  but, single wafer 방식 → 생산성↓

   ∴ chemical 공급 및 처리시간 단축 or 효과 좋은 세정액 recipe 필요.

 

 

cf) 반도체 공정에서 사용하는 주요 세정액

출처: 이원규, 반도체 공정에서의 세정기술의 소개, https://www.cheric.org/files/research/ip/p200405/p200405-101.pdf

 

 

(2) dry cleaning

 : chemical vapor나 plasma를 이용하거나 gas를 UV로 여기시켜 반응성을 높여서 이용하는 방식.

• 미세 공정으로 wet cleaning이 어려워진 step에 사용.
• 장비 cost 비쌈. but, chemical 사용↓.
• single wafer 작업 가능. but, 생산성↓.

 

 ① UV 여기 방식

   1) UV/O₃ cleaning 

• UV에 의해 산소원자와 오존이 유기물과 반응 → 휘발성 화합물 생성하는 방식.
• 과정

UV/O3 cleaning 과정 (출처: https://present5.com/si-wafer-cleaning-hyeongtag-jeon-division-of-materials/)

 

   2) UV/Cl cleaning

• UV에 의해 Cl₂ gas가 Cl radical로 변하고 표면 금속 반응 → 휘발성 염화화합물 생성하는 방식.
• 알칼리 금속 제거에는 효과적이지 못함 → 추가적인 조치 필요.
• 추가적인 온도 상승이나 압력 저하 필요하지 않음.
• 문제점: 균일하지 못함.
            Si etching으로 인해 rough한 표면 형성.

 

 ② vapor 방식

• 세정액 증발시켜 오염물질 분리하는 방식.
• HF(불산)와 수증기로 자연산화막 제거
• IPA(이소프로필알콜)에 N₂ 분사하여 증기건조방식으로 워터마크 제거 (∵ 표면장력 차이(마린고니 효과) 이용).
  
  

 ③ plasma 방식

• 화학적, 물리적 반응 이용
• 주로 유기물 세정을 위해 O₂가스 이용.

 

 

(3) physical cleaning

 : roll이나 spin scrubbing을 이용하는 brushing 방식의 접촉식 세정.

 

 

 

(4) wet & dry cleaning의 장단점

	WET	DRY
장점	공정 후 물에 의한 세척이 쉽다.	full-scale cluster tool process를 이루기 쉽다.
	건조 후 잔류물이 남는 것을 DI water와 적당한 건조 방법으로 피할 수 있다.	high AR 구조에 유리하다.
	사용 액체에 가연성이 없다.	particle은 liquid보다 gas에서 제어가 쉽다.
	다양한 종류의 화학 용액이 사용가능하다.	화학 용액과 DI water의 사용량이 적다.
	가격이 저렴하다	wet cleaning 공정보다 안전한 process이다.
	유기물과 비유기물의 제거에 모두 효과가 좋다.	폐액 배출량이 적으며 처리가 쉽다.
	선택적 제거 능력이 비교적 우수하다
단점	유기화합물보다 건조가 느려서 잔류물이 남을 가능성이 있다.	고가의 장비를 사용해야 한다.
	일부 유기물의 제거 효과가 유기 solvent보다 떨어진다.	잘 제거되지 않는 중금속이나 전이 금속의 제어에 대한 고려가 필요하다.
	액상 화합물 대부분이 다루기 위험한 유독물질이다.	일반적으로 single-wafer process이다.
	폐기 시 비용이 많이 든다.	고온 공정에서 사용 시, 금속 불순물이 기판 안으로 확산해 들어갈 가능성이 있다.
	진공 시스템에서는 사용하기 어렵다.

 

 

 

 

<참고문헌>

1. 이창훈, 반도체 소소제공, 더인 출판사, 2019, pp.170-174.
2. 한양대학교 semiconductor materials laboratory ppt 자료 (https://present5.com/si-wafer-cleaning-hyeongtag-jeon-division-of-materials/)