Cleaning

meteor_88 2023. 2. 16. 18:46

점점 반도체가 미세화 되면서 예전에는 그냥 우습게 여겨졌을지도 모를 cleaning 공정들이 많은 주목을 받고 있습니다.

Cleaning 공정

모든 wafer 공정은 오염의 근원이 되는데요 이런 오염들의 형태로는 1) Contaminant films, 2) Discrete particles 3) Adsorbed gases(가스가 흡착되어서 생긴 부산물, 가스 이온 등) 등등 여러 형태로 존재합니다,

Wafer 오염은 소자의 성능과 throughput에 직접적인 영향을 미치기에 세정 공정의 빈도 및 중요성은 현대에 증가했습니다.

또한 심지어 세정 횟수 뿐 아니라 각 공정에 적합한 다양한 세정공정이 요구되기도 합니다.

아래 표는 다양한 단위공정에서 생기는 오염들의 오염원을 담은 표입니다.

재밌는건 심지어 cleaning을 하면서도 오염이 생긴다는 사실이네요.

Wafer 오염

우리가 particle에대한 오염은 잘 알고 있지만 그외에도 정말 무수히 많은 오염의 종류가 있다는걸 알 수 있습니다.

RCA Clean

이 공정은 포토 공정 부분에서 잠깐 다뤘던 이야기인데요. 이번에 좀 더 자세히 다뤄 봅시다.

RCA clean은 cleaning 공정 중 가장 대표적인 공정입니다.

RCA clean의 process에 대해 알아 봅시다.

1) SPM(Piranha)

황산과 과산화수소(산화제)로 유기물을 제거합니다.

2) QDR

물로 Rinse 해줍니다

3)DHF

불산으로 기존에 있거나 SPM으로 생긴 화학 산화막을 제거 해줍니다.

4)QDR

물로 Rinse 해줍니다

5)SC-1

암모니아,과산화수소수,물로 유기물과 일부금속,particle을 제거해줍니다. 이 과정은 particle 제거에 탁월한 방식입니다.

먼저 유기물을 산화를 시켜 제거를 하고 다시 oxide를 길러주면 particle들이 oxide 위에 뜨거나 oxide안에 박혀있을텐데 이때 oxide를 제거해주면 particle이 쉽게 제거가 됩니다.

Particle를 제거 할때 웨이퍼 밑에서 Ultrasonic/Megasonic을 동작시켜서 particle 제거를 극대화 할 수도 있습니다.

6) QDR

물로 Rinse 해줍니다

7) SC-2

염산,과산화수소수,물을 사용해서 SC-1에서 잘 제거가 안됐던 금속들이나 Al^3+, Fe^3+,Mg^2+ 같은 알칼리 이온도 쉽게 제거가 됩니다.

8)QDR

물로 Rinse 해줍니다.

8)DHF

불산으로 화학 산화막을 제거 해줍니다.

9)QDR

물로 Rinse 해줍니다.

이 과정을 다 해주면 강한 산./염기를 사용하기에 damage가 너무 심하기에 주로 Initial cleaning에서 사용되거나 몇가지 과정만 발췌에서 필요할때 중간 중간 사용합니다.

아래 그림을 보시면 RCA clean을 그림으로 나타낸것인데 SPM은 빠져있네요.

한가지 기억해 두실게 보통 Drying을 할때 wafer를 spin해서 dry를 해왔지만 요즘은 휘발성이 좋은 IPA 용액을 가지고 Drying하기도 합니다.

RCA 문제점

-많은 세정 공정수

-많은 Chemical 및 DI water 사용량으로 큰 크기의 wet bath/station이 필요합니다.

-높은 폐수 처리 비용

-고온 공정으로 인한 많은 에너지 소비량

-오염 재부착 발생할 수 있어서 고청정화가 어려울 수 있습니다,

-금속재료 노출 표면은 부식의 가능성이 있어 이때는 사용하기 어렵습니다,

이런 여러 문제점들 때문에 다른 공정들로 사람들이 눈을 돌리기 시작합니다.

Ohmi cleaning

이 방식은 오존(O3)과 불산(HF)을 이용한 세정 방법입니다. 오존은 과산화수소보다 강력한 산화제입니다.

1)Ozonized DI water

SPM을 대체하는 방식으로 오존수를 만들어 유기물, 계면활성제, Cu 등의 금속을 제거합니다.

2)HF/H2O2/H2O + Surfactant(첨가물), Megasonic

화학 산화막 뿐만 아니라 금속과 particle도 제거할 수 있도로 첨가물과 megasonic을 더해줍니다.

3)Ozonized DI water

유기물의 Carbon, 재흡착된 chemical을 제거해줍니다.

4)HF/H2O

불산처리를해서 화학 산화막을 제거하고 표면을 수소 말단 처리해줍니다.

5) DI water

Rinse 해줍니다.

이떄 4번에서 5번으로 넘어갈때 미세입자를 한번더 cleaning해줘야 한다는 목소리도 나오고 있는데요. 미세 Particle들이 산성에 들어가면 +(H+)로 알칼리용액이 들어가면 -(OH-)로 전위가 바뀌는데(제타전이) 기판은 용액에 상관없이 -를 띄기에 불산 처리시 미세입자들이 기판에 붙을 수 있기 때문입니다.

Ohmi cleaning 특징

-저온 공정입니다(Room Temp)

-RCA cleaning 대비 적은 양의 chemical을 소모합니다.

IMEC Cleaning

IMEC이라는 영국의 연구소에서 제안한 cleaning 방식입니다.

아무래도 그 전까지의 cleaning들은 batch type으로 진행을 했기에 cleaning 과정내에서도 오염이 발생할 수 있었습니다.

그래서 IMEC Cleaning에서 최종적으로 single tank에서 single wafer cleaning 공정을 제안한 것입니다.

RCA cleaning에서 시작해서 화학 약품들의 수를 점점 줄여서 IMEC Cleaning까지 왔다고 생각하시면 됩니다.

Eco-freindly, Reduction of process time, Little light chemistry 같은 목적들을 달성 할 수 있다고 주장했고 일부는 사용 중이라고 합니다.

앞서 소개한 cleaning들은 강산이나 강염기들을 사용을 합니다.

그런데 우리가 남은 PR을 제거할 때는(PR Strip) 굳이 이런 용액들 말고 유기 용액들을 이용해서도 쉽게 제거가 가능합니다.

물론 유기 세정만으로도 깔끔히 제거되지 않는 경우가 있는데 이럴때 SPM이나 Ashing이라고 하는 dry cleaning을 추가 진행하기도 하지만 일반적으론 PR 유기 세정만으로도 제거가 가능하다고 합니다.

이런 유기 세정이 왜 중요하냐면요, PR을 쓰는 포토공정을 할땐 이미 기판위에 수많은 film들이 올라가 있는 상태입니다. 이 상태에서 강산과 강염기를 사용한다면 아래 있는 film들이 damage를 받을수 있기 떄문입니다..

Wet cleaning 세정 설비

용액들을 다루는 곳을 보통 Wet station이라고 부르는데요 이 wet staiotion은 Bath 구조 및 공정 방식에 따라 Batch type 과 Single type으로 분류됩니다.

<Batch type>

Multi bath type (다조식 방식)

-Lot 단위의 공정 진행으로 대용량 처리가 가능해서 throughput이 좋습니다.

-독립적/대용량 bath를 사용하므로 관리가 용이하지만 사용 후 오염 문제가 발생할 수 있습니다.

-wafer 상단과 하단의 세정 불균형일 나타 날 수 있습니다. (First in Last out)

Single bath type

-Lot 단위의 공정 진행으로 대용량 처리가 가능해서 throughput이 좋습니다.

-Multi chemical을 하나의 bath에서 사용하다 보니 Chemical간의 반응으로 인한 오염이 있을 순 있지만 일반적으론 오염 문제가 적습니다.

<Single type>

Single wafer spin type

-웨이퍼 한장씩 회전시키며 cleaning 공정하는 방식입니다.

Wafer drying

용액으로 cleaning이 됐다면 rinse를 해줄텐데 rinse를 하고 남은 물자국들은 어떻게 제거할까요?

-Blowing : N2 gun 등을 이용해서 wafer에 남은 DI Water를 불어서 제거하는 방식입니다.

-Spin drying : Wafer를 빠르게 회전시켜서 wafer rinse 후 남아있는 DI Water를 제거하는 과정입니다.

Dry cleaning

용매를 사용하지 않고도 Gas나 Vapor를 이용해서 cleaning을 하는 dry cleaning 방식도 존재하는데요.

아래 표를 보시면 그 예시를 볼 수 있습니다.

아래 표에서 주로 사용되는 건 UV방식과 Plasma 방식입니다.

PR Strip

Dry cleaning의 가장 대표적인 예시는 PR Strip인데요 유기세정으로 잘 제거가 안되는 것을 제거하는 공정입니다.

이때 Asher라는 설비를 사용하는데 direct plasma는 기판 film에 손상을 입힐 수 있기 때문에 Remote plasma를 이용해서 phtoresist를 제거하는 설비입니다.

이 설비로는 온도조절같은 공정 조건들만 조절해주면 PR strip 말고도 PR 찌꺼기 scum을 제거해주는 Descum도 가능합니다.

PR Strip

-Remote plasma O2를 이용합니다(Ashing)

-Ar이나 F(SF6 등) gas와 함께 사용되기도 합니다.

-습식 세정 공정과 함께 사용되는 경우도 있습니다.(습식 후 건식 or 건식 후 습식)

Descum

-포토 공정에서 Develope / Hard bake 후 진행합니다.

-현상된 후 남은 PR 찌꺼기를 제거하는 공정입니다. (추가적인 미세한 PR etching이라고도 합니다)