[반도체공정] feat.jaeger, Wafer Chapter 9.6) RCA 세정법

반도체 8대 공정 순서

1. 실리콘 웨이퍼 제조 공정
2. 산화공정(Oxidation)
3. 포토공정(Photo)
4. 식각공정(Etching)
5. 증착공정(Deposition)
     - 확산(Deposition)
     - 이온주입(Ion implantation) 
6. 금속배선공정(Metalliztion)
7. EDS 공정(Electrical Die Sorting)
8. 패키지공정(Package)

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목차

9.1 개요
9.2 표면 유기물 세척
9.3 RCA Cleaning 
9.4 습식 화학 세정시 고려사항
9.5 건식 세정 (Dry Cleaning)
9.6 Vapor Phase Cleaning

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반도체 제조 공정에서 웨이퍼 표면의 청정도는 제품의 성능과 수율을 좌우하는 핵심 요소입니다.

미세 공정이 진행될수록 표면에 남아 있는 유기물, 금속 이온, 입자 등의 오염은 소자의 불량이나 성능 저하로 이어질 수 있습니다.

 

이번 포스트에서는 대표적인 웨이퍼의 습식 화학 세정 방법인 유기용매 세정과 RCA 클리닝(SC1, SC2) 공정에 대해 살펴보겠습니다.

 

9.1 개요

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지금은 없는 RCA (radio coporation of america) 회사의 표면 물리학자 kern, Puotionen 이

표면 물리학 관점의 표준 세정법을 연구하여 고안되었습니다.

 

이 세정법은 거의 모든 실험실 혹은 회사에 이 RCA cleaning 법을 기초로 바탕되어 변형 및 사용됩니다.

 

이 공법은 표면 유기물 세척 후 적용됩니다.

 

따라서 크게 다음으로 정리가 가능합니다.

표면 유기물 세척 → RCA Cleaning

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9.2 표면 유기물 세척

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순서

TCE(3 min boil) → Acetone(3 min boil) → Methyl alcohol(3 min boil) → DI water rinse

 

 

TCE : 트라이클로로에틸렌(trichloroethylene)

 

 

• TCE, Acetone(아세톤), Methyl alcohol(메탄올)을 순차적으로 끓이면서(boil) 웨이퍼 표면에 붙은 유기 오염물을 제거합니다.
• 각 용액에서 약 3 min(분) 정도 끓이는 공정 후, 마지막에 DI(탈이온수) water로 헹굼(rinse)을 진행해 잔류 용매를 제거합니다.

*DI water(deionized water) : 탈이온수, 이온을 제거한 반도체 공정용 순수수

 

주의사항

• 끓이는 과정(boil cleaning)을 통해 세정 효과를 높이지만, 용매 증기가 발생하므로 환기와 안전에 유의해야 합니다.
• 고농도 유기용매 취급 시 방폭 시설, 보호장비(보안경, 장갑 등) 착용이 필수입니다.

 

9.3 RCA Cleaning

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RCA 클리닝은 웨이퍼 표면의 오염을 효율적으로 제거하기 위해 고안된 표준 세정 공정입니다. 주로 SC1과 SC2의 두 단계로 구성되며, 각각 다른 종류의 오염을 제거하는 데 특화되어 있습니다.

 

단계가 끝나면 항상 DI water로 rinse 해주어야 합니다.

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RCA SC1(RCA standard cleaning 1) : 잔류 유기물 & 이온성 오염물을 제거하는 단계

RCA SC1 조성

용액 조성:

• NH₄OH(암모니아수, 29 wt%) : H₂O₂(과산화수소, 30 wt%) : DI water = 1 : 1 : 5 (부피비)
• 온도는 약 70℃로 가열, 약 5분간 끓임(boil) 처리 후 DI water로 헹굼

유의사항

• 강한 산화제인 만큼  H₂O₂은 유기물의 산화, Si 표면의 산화 효과가 있습니다.
• 암모니아수에서 OH-(수산기) 금속복합체를 형성하여 Au, Ag, Cr, Ni 등의 금속을 제거하고 Si 표면을 약간 etching하는 효과가 있습니다. 그러나 웨이퍼 표면 거칠기(micro roughness)가 증가하는 문제를 일으킵니다.

SCA 1 이후 DI water rinse 처리

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RCA SC2(RCA standard cleaning 2) : 중금속 오염물을 제거하는 단계.

RCA SC2 조성

용액 조성:

• HCl(염산, 37 wt%) : H₂O₂(과산화수소, 30 wt%) : DI water = 1 : 1 : 6 (부피비)
• 온도는 SC1과 동일하게 70℃ 정도, 약 5분간 끓임 처리 후 DI water로 충분히 헹굼

유의사항

• Al(OH)3, Fe(OH)3, Mg(OH)3 등의 중금속 수산화물 제거가 가능합니다.

SCA 2 이후 DI water rinse 처리

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순수한 물(DI water)의 비저항은 약 18.2 MΩ*㎝ 정도되며 물이 오염될 시 비저항이 감소합니다.

따라서 초순수수 제조장치에는 저항을 측정하는 장치가 있기 때문에 물의 오염도를 측정합니다.

 

9.3.1 습식 화학 세정시 고려사항

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1. 대부분 가열된 상태에서 세정을 합니다.

2. 친수성(hydrophilic) vs 소수성(hydrophobic)

• SiO₂(실리콘 산화막): 물과 잘 결합하는 친수성 특성을 지니며, 표면장력이 높음.
• Si(실리콘 본체): 물에 잘 젖지 않는 소수성 특성을 지니며, 표면장력이 낮음.
• 세정액이 웨이퍼 표면을 얼마나 잘 적시는지(웻팅)가 세정 효율에 영향을 줌.

3. Teflon Carrier 세척

• 웨이퍼를 담거나 운반하는 Teflon 재질의 캐리어도 오염원이 될 수 있음.

4. 웨이퍼 건조 방법

• N₂ Blowing: 고순도 질소(N₂)를 불어 물방울을 제거.
• Spin Drying(원심분리 건조) : 저렴하나 입자 오염 가능성이 있고 진동에 의한 웨이퍼 파손 우려 존재.
• IPA 증기건조(IPA Vapor Drying): 200~300℃로 가열된 IPA(이소프로필 알코올) 증기를 이용해 물과 치환(Displacement) 후 수분 제거로 워터마크 발생이 적고 균일하게 건조 가능.

 

9.4 건식 세정 (Dry Cleaning)

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Physical Dry Cleaning

• Sputtering 등 물리적 방법을 이용해 표면 오염층을 직접 제거.

Chemical Dry Cleaning

• 휘발성 화학물질의 화학 반응을 통해 오염물을 기상(氣相)에서 제거.
• ex) 플라즈마를 이용한 산화·환원 반응

Lift-Off

• 특정 레이어(감광액, 마스크 등)를 용해해 떼어내면서 함께 오염을 제거.
• 주로 박막 패턴 공정에서 사용되는 기법.

 

9.4 Vapor Phase Cleaning

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• HF + H₂O 증기를 이용하여 SiO₂(실리콘 산화막)를 기상(氣相) 상태에서 식각·제거가 가능합니다.
• 습식 HF 디핑 대신, 웨이퍼를 HF/H₂O 증기에 노출해 산화막을 제거하므로 웨이퍼 표면에 물 자국(water mark)이 남을 확률이 낮고, 균일한 식각이 가능합니다.

 

결론

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반도체 공정에서 웨이퍼 표면의 오염 제거는 매우 중요한 단계입니다.

 

유기물 세정을 통해 큰 오염물을 제거한 후, RCA SC1과 SC2 공정을 거치면 대부분의 유기물, 금속 이온, 입자 오염 등을 효과적으로 제거할 수 있습니다.

 

이를 통해 이후 공정(박막 증착, 식각, 확산 등)에서 고품질 소자를 얻는 데 기여하게 됩니다.

 

공부 당시 필자

 

 

긴 글 읽어 주셔서 감사합니다.

 

 

반도체공정개론

이 책에서는 미소전자소자 제조의 기초가 되는 개개의 단위 공정을 초반에 소개한 후 후반부에 이 단위 공정들로부터 이루어진 실제적인 MOS,MEMS 등의 소자와 집적 기술을 다루었다.또한 공정마다 이론적인 내용과 함께 공정에 사용되는 실제적인 응용을 깊이있게 다루었으며, 각 장의 끝에는 읽는 사람들이 해당 내용을 쉽게 이해 할 수 있도록 돕는 문제를 수록하였다.

저자

Jaeger

출판

교보문고

출판일

2005.02.01

 

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