[공정] Clean 공정

 

반도체 공정들을 진행하다보면 wafer는 수시로 오염된다.

ETCH로 인한 부산물(byproduct)이나 Photo 공정 이후 PR이 잔여하기도 하는 등, 거의 매 순간마다 오염된다고 생각해도 과언이 아닐정도.

이럴때마다 우리는 wafer를 씻어낼 필요가 있다.

 

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Clean 공정

 

 반도체 clean 공정은 반도체 제조 공정에서 웨이퍼 표면에 남아 있는 불순물을 제거하는 공정이다.

반도체는 매우 미세한 구조로 이루어져 있기 때문에 웨이퍼 표면에 남아 있는 불순물은 제품의 성능과 수율에 생각보다 큰 영향을 미칠 수 있는데, 이로인해 상당한 수준의 클린룸에서 공정들이 진행되지만 모든 오염을 방지할 수는 없고, 공정마다 가지고있는 특징적인 오염들도 있다.

따라서 Clean공정은 반도체 공정에 있어 매 순간마다, 수시로 필요한 공정이며 그 수도 가장 많다고 할 수 있다.

 

 

 거대한 batch에 Clean 용액이 있어서 wafer를 '담구는'식으로 진행되는 batch방식과 wafer마다 PR을 바르듯이 Clean 용액을 spray방식으로 도포하는 single type 공정이 있다.

당연히 Single type Clean 공정이 훨씬 정교하겠지만, 진행속도상 batch공정과 혼용하면서 공정이 구성된다.

 

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Particle과 Defect

 

 

 

결국 wafer위의 어떤 Particle을 깨끗하게 씻어내기 위한 공정이 Clean 공정인 것인데, Particle이 야기할 수 있는 문제가 어떤게 있을까?

사실 답은 당연하다. 직관적으로 생각해서, wafer위의 자그마한 particle은 후에 이어서 다양한 공정들을 거치며 잔여물이되어 공정을 직접적으로 방해하기에 pattern을 엉망으로 만들어버린다.

이런 엉망이 된(reference와 다른) pattern은 Defect으로 분류되며 반도체 공정에서 고질적으로 개선해야 할 목표가 된다.

Clean 공정은 Defect의 원인이 되는 Particle을 직접적으로 Care한다는 점에서 그 중요도가 높다.

 

 

Clean 용액의 종류

 

 Clean공정은 그 특성상 다른 parameter보다는 용액의 종류에 따라 어떤 물질을 씻어낼 수 있는지가 훨씬 중요하다.

따라서 Clean 용액별 특성을 이해하는것이 중요한데, 이는 화학적 특성이 강조된다.

특히 산 / 염기성 물질로 나눠서 이해하는편이 훨씬 간단하며, 남아있는 불순물의 종류와 상대적인 양에 따라 어떤 용액을 사용할지가 결정된다.(산화막 → 불화수소 / 금속 이온  →  염산,황산 / 유기물 → 과산화수소, 수산화나트륨, 암모니아수 등)

 

 

산성 화학물질 : 대체로 불순물을 용해시키는 성질을 가지고 있다.

• 불화수소(HF) : 산화막, 금속 이온, 유기물 제거
• 염산(HCl) : 금속 이온, 유기물 제거
• 황산(H2SO4) : 금속 이온, 유기물 제거

알칼리성 화학물질 : 대체로 불순물을 산화시키는 성질을 가지고 있다.

• 과산화수소(H2O2) : 유기물 산화
• 수산화나트륨(NaOH) : 유기물 산화
• 암모니아수(NH4OH) : 유기물 산화

이런 물질들을 선정할때는  산 / 염기라고 아무거나 사용할 수는 없기에 몇가지 요소들이 고려되어야 한다.

 1. 반도체 웨이퍼 표면에 남아 있는 불순물을 효과적으로 제거할 수 있어야 한다.
 2. 웨이퍼 표면을 손상시키지 않아야 한다.
 3. 환경에 미치는 영향을 최소화해야 한다.

 

 

실제 공정을 진행할때는 한가지 물질만 사용하지 않고 다양한 defect을 제거할 수 있도록 몇가지 용액을 조합하여 사용한다. 널리 알려진 몇몇 공정은 이름도 있어서, SC(Standard Clean) 공정으로 numbering되어 사용중이다.

 

 SC1은 암모니아(NH4OH), 과산화수소(H2O2), 초순수(DIW)를 혼합한 용액을 사용하여 세정을 하는 공정이다. 암모니아는 알칼리성 화학물질이고, 과산화수소는 산화제이다. 따라서 각각의 역할에 따라 wafer 표면의 물질을 산화시키고 유기물과 금속이온을 제거할 수 있도록 작용한다. (암모니아는 유기물을 산화시켜 제거, 과산화수소는 금속 이온을 산화시켜 제거)

 

 SC2는 과산화수소(H2O2), 초산(CH3COOH), 초순수(DIW)를 혼합한 용액을 사용하여 세정을 하는 공정이다. 과산화수소는 산화제이고, 초산은 약산이다. 따라서 SC1과 동일하게 작용을 하되, 초산을 사용해서 유기물 제거능력을 상대적으로 향상시킨 공정으로 볼 수 있다. (과산화수소는 유기물을 산화시켜 제거, 초산은 금속 이온을 용해시켜 제거)