세정(cleaning) 공정
반도체 공정에서 발생하는 웨이퍼 위에 발생된 다양한 오염물(금속, 유기물, 이온 등)을 제거하는 공정
반도체 공정 단계가 변할 때마다 실시, 일반적으로 습식 세정을 지칭
RCA Cleaning
세정 공정에서 가장 대표적인 기술, initial cleaning
4단계 : SPM > SC-1 > SC-2 > HF 단계 사이에 QDR이 들어감.
- SPM : Sulfuric Peroxide Mixture, Piranha라고도 부름(강산으로 강력하기 때문), 웨이퍼 위에 PR 유기 오염물 제거,
기판 표면을 화학적으로 산화(전자를 잃는 과정)시켜 친수성으로 바꿈, SC-1, SC-2 세정 효과 극대화
H2SO4(황산, 강산) : H2O2(과산화수소) = 4:1, 100도, 10분
- SC-1 : Standard Cleaning, 웨이퍼 위에 Particle과 유기 오염물을 제거, 75도, 10분
NH4OH(암모니아수) : H2O2(과산화수소) : DIW(탈이온수) = 1 : 1 : 5
* NH4OH(암모니아수) : 물에 잘 용해되는 복합물질 형성
* H2O2(과산화수소) : 표면 유기물 산화, 실리콘 산화
- SC-2 : 금속 이온을 제거
금속 오염물, 이온 -> 희석된 HCl에 의해 제거
Au, Cu -> H2O2에 의해 제거
HCI(염화수소, 강산) : H2O2 : DIW = 1 : 1 : 5, 75도, 10분
- DHF : Dilute(희석된) HF, 산화물이나 산화물 내의 금속 오염물을 제거, HF : DIW = 1 : 9, 75도, 10분
- QDR : Quick Drain Rinse, 웨이퍼 표면에 묻은 화학용액을 짧은 시간에 제거하는 것
- 세정 극대화 방법 : 고주파 곁들이기
SPM, SC-1, SC-2(입자 제거 공정)에 고주파를 활용
Non-Contact / Brushless 공정, Surface damage 가능성
1) Ultrasonic(초음파) : 20~40kHz, Cavitation에 의한 기포 발생 및 기포 터짐, 2um 이상 크기의 입자 제거
* Cavitation : 액체 속에서 기포 생성 > 붕괴 > 충격파로 인해 발생하는 물리 현상
2) Megasonic(메가소닉) : 700kHz~1.2MHz, 파동에 의한 입자 가속, 0.1um 이상 크기의 입자 제거
세정 장비, Wet Station의 구조
- Cleaning bath : wafer carrierrk dipping되는 수조
- 컨트롤 패널 : PLC에 의하여 제어
- 후면 제어 패널
- 경보(alarm), 메인 전원 컨트롤
- Bath 컨트롤 유닛 (SPM, SC-1, SC-2, DHF 각각 따로 있음)
- HAD(Hot Air Dry) : 세정 종료 후 wafer 건조를 위하여 사용
- QDR 컨트롤 패널
RCA 세정의 단점
- 많은 세정 공정수
- 많은 chemical 및 DIW 사용량, 높은 폐수 처리 비용
- 큰 크기의 wet bath/station 필요
- 고온 공정으로 인한 많은 에너지 소비량
- 오염 재부착 발생 -> 고청정화 어려움
- 금속 재료 노출 표면은 부식 가능성
Ohmi Cleaning
O3(오존, H2O2보다 강력한 산화제)과 HF(불산)을 이용한 세정 방법
Ozonized DIW > HF/H2O2/H2O > Ozonized DIW > HF/H2O > DIW
* H2O2 : 표면 유기물 산화, 실리콘 산화
Ozonized DIW : 유기물, 계면 활성제, Cu 등의 금속 제거
HF/H2O2/H2O : 화학 산화막, 금속, particle 제거
Ozonized DIW : 유기물의 carbon, 재흡착 chemical 제거
HF/H2O : 화학 산화막 제거, 표면 H-terminate
Ohmi Cleaning 특징
저온 공정, RCA Cleaning 대비 적은 양의 chemical 소모
IMEC Cleaning – Single wafer cleaning
: Eco-friendly, Reduction of process time, Little light chemistry
유기 세정
PR Removal, Strip 하는 데 사용하는 간단한 공정
Positive PR : Acetone, Trichloroethlyene(TCE)
Acetone > Methanol > DIW
Negative PR : Methyl ethyl ketone(MEK), Methyl isobutyl ketone(MIBK) 등
MEK > DIW
Wet Cleaning 세정 설비
Bath 구조 및 공정 방식에 따라 Batch type vs Single type으로 분류
- Multi bath type (다조식 방식)
Lot 단위 공정 : 대용량 처리
독립적/대용량 bath : 관리 용이, 사용 후 오염 문제 발생
First in Last out : wafer 상/하단의 세정 불균형
- Single bath type
Lot 단위 공정 : 대용량 처리 가능
Multi chemical in one bath : 오염 문제 적음
Wafer Drying
- Blowing : N2 gun 등을 이용해 DIW를 불어서 제거
- Spin Drying : wafer를 빠르게 회전시켜 원심력에 의한 제거
Cleaning 공정 이슈
- Water mark
세정 공정의 마지막을 물로 처리할 경우, 높은 표면 장력으로 인해 물때(water mark)가 남을 수 있음 -> 표면 장력이 작고 휘발성이 좋은 IPA(Iso Propyl Alcohol) 처리로 이를 방지, 물 > IPA 세척 > 건조
- 폐수 발생
H2O2 최소화 -> Dry Cleaning의 필요성
Throughput이 낮고 장비의 가격이 비쌈 -> 전체 공정의 15%를 차지하는 세정 공정을 Dry 방식으로 전환하는 것은 사실상 무리
- CMP 공정의 확장
CMP 공정의 경우, 파티클과 금속 물질의 잔류랑이 많아 Post CMP cleaning 으로 분류할 만큼 세정의 중요성이 높음
CMP 공정 step이 늘어날수록 Cleaning 공정의 수요도 증가할 전망
Dry Cleaning : Gas나 Vapor를 이용한 방식
- Asher : Remote Plasma를 이용하여 PR을 제거하는 설비
PR strip : Remote plasma O2를 이용한 PR strip과정 (Ashing)
Ar이나 F gas(SF6 등)와 함께 사용되기도 함
습식 세정 공정과 함께 사용되는 경우도 있음(습식 후 건식 or 건식 후 습식)
- Descum : 포토 공정에서 현상, 하드베이크 후 진행
현상된 남은 PR 찌꺼기를 제거(추가적인 미세한 PR 에칭)
Cleaning 공정의 발전 현황
1) RCA Cleaning
2) Modified RCA Cleaning(농도, 온도, 세정액 튜닝, Megasonic 사용)
3) Wet cleaning / Dry Cleaning / Cluster Tool 도입
- Wet Cleaning : Ultra clean technology(고도의 청정 환경+정밀 오염 제거 기술), Ozonized DIW, 초순수, Surfactant 첨가 -> chemical 사용량과 cleaning step 감소
- Dry Cleaning : Vapor phase cleaning, Plasma Cleaning > HF-vapor, Remote plasma 등의 사용
* Vapor Phase Cleaning : 액체 상태의 세정제가 증기 형태로 변환되어 기판 표면의 오염 물질을 제거하는 방식
- Cluster Tool 도입 : Cleaning + Oxidation tool이 연결된 시스템, in-situ process
