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반도체 입문 · 8강

세정: 공정 단계 사이에 웨이퍼를 깨끗이

웨이퍼는 공정 단계를 하나 마칠 때마다 표면에 눈에 보이지 않는 것이 남고, 다음 단계는 표면이 깨끗하지 않은 것을 가장 꺼린다. 세정은 전체 공정 흐름에서 가장 많이 반복되는 단계 가운데 하나다. 덜 씻으면 다음 층이 제대로 자라지 않고, 지나치게 씻으면 깎여 나간 것을 되돌릴 수 없다.

학습 목표

한 단계씩

  1. 거의 모든 주요 단계의 앞뒤로 세정을 거치되, 먼저 앞 단계가 무엇을 남겼는지 본다.

    이유단계마다 입자, 유기물, 금속이 남고, 다음 단계는 저마다 꺼리는 것이 있다.

    하지 않으면오염이 다음 공정으로 넘어간다. 파티클 하나로도 선이 끊기거나 두 선이 붙어 버릴 수 있다.

  2. 먼저 알칼리성 약액으로 유기물과 입자를, 이어서 산성 약액으로 금속을 제거한다.

    이유오염의 종류마다 다른 약액이 필요하다. 기름때와 녹을 따로 지워야 하는 것과 같다.

    하지 않으면금속이 표면에 남으면 고온에서 실리콘 속으로 파고들어 트랜지스터에 누설 전류가 생기기 쉽다.

    퍼니스 투입 전 세정: 알칼리성·산성 약액과 초순수 헹굼을 세정조마다 차례로
    게임 fab24hr의 화면이다. 장비, 로트 번호, 인물은 모두 허구다. 게임에서 이 장면 플레이하기 →
  3. 약액 단계마다 초순수로 헹구고, 마지막에 건조한다.

    이유약액은 깨끗이 헹궈 내야 하고, 마지막으로 웨이퍼에 닿는 액체가 바로 이 물이다.

    하지 않으면물속에 있는 것은 그대로 웨이퍼에 남고, 고르게 마르지 않으면 고리 모양의 워터마크도 남는다.

  4. 농도, 온도, 침지 시간은 오염이 제거되면서도 표면이 가장 적게 깎이는 지점으로 미리 정해 두고, 레시피대로 실행한다.

    이유세정도 아주 약한 식각이어서, 강도가 셀수록 표면이 더 많이 깎인다.

    하지 않으면너무 오래 씻거나 약액이 너무 강하면 건드리지 말아야 할 아래층이 얇아지고, 깎여 나간 것은 되돌릴 수 없다.

  5. 약액은 정해진 때에 보충하고, 정해진 로트 수에 이르면 조의 약액을 전부 교체하며, 모니터 웨이퍼도 정기적으로 돌린다.

    이유약액은 스스로 변하고, 세정한 로트 수가 늘수록 조 안의 오염도 늘어난다.

    하지 않으면교체하지 않으면 조 안의 오염 일부가 다시 웨이퍼에 달라붙는다. 측정하지 않으면 장비가 변해 가도 알아챌 수 없다.

  6. 세정 후 시간 제한(Q-time) 안에 다음 공정으로 보낸다.

    이유깨끗한 실리콘을 오래 두면 산화막이 다시 자라고, 공기 중의 물질도 흡착한다.

    하지 않으면제한을 넘기면 가벼운 경우는 다시 세정해야 하고, 일부는 스크랩할 수밖에 없다.

조정하는 것과 조심할 점

핵심 설명

왜 거의 모든 단계의 앞뒤로 세정하는가

세정은 공정 단계 사이에 약액으로 웨이퍼 표면의 보이지 않는 오염을 씻어 내고, 물 분자 외에는 거의 아무것도 없는 초순수로 헹군 뒤 건조하는 일이다. 제거할 대상은 네 가지다. 작은 입자, 유기물, 금속, 그리고 실리콘이 공기와 물에 닿아 저절로 자라는, 원자 몇 층 두께의 자연 산화막이다. 칩은 한 층씩 쌓아 만들기 때문에 단계마다 무언가가 조금씩 남고, 다음 단계는 표면이 깨끗하지 않은 것을 가장 꺼린다. 가장 가는 선은 폭이 수십 nm 이하여서, 파티클 하나만 떨어져도 선이 끊기거나 서로 붙어 버릴 수 있다. 클린룸은 공기 중의 파티클은 막아 주지만, 웨이퍼가 장비를 드나들고 약액에 잠기는 동안에는 여전히 무언가가 묻는다. 그래서 웨이퍼 한 장이 완성되기까지 세정 장비를 아주 여러 번 거친다.

네 가지 오염, 각기 다른 약액

빨래와 마찬가지로, 기름때와 녹은 서로 다른 것으로 지워야 한다. 흔히 쓰는 표준 세정은 유기물과 입자를 먼저, 금속을 나중에 제거한다. 첫 단계는 가열한 알칼리성 약액(암모니아수, 과산화수소, 물)이다. 과산화수소가 유기물을 분해하고 표면도 아주 살짝 깎이면서, 붙어 있던 입자가 함께 떨어져 나온다. 두 번째 단계는 산성 약액(염산, 과산화수소, 물)으로, 금속을 녹여 낸다. 자연 산화막을 제거해야 할 때는 아주 묽은 불산 단계를 하나 더한다. 이렇게 나누어 처리하는 것은 한 가지 약액으로는 전부 제거할 수 없기 때문이다. 각각이 남았을 때 일으키는 문제도 다르다. 유기물은 다음 층이 제대로 자라지 못하고 단단히 붙지 않게 만든다. 금속은 고온에서 실리콘 속으로 파고들어 트랜지스터에 누설 전류가 생기기 쉽게 한다. 자연 산화막은 어떤 단계에서는 보호막으로 남겨 두지만, 어떤 단계에서는 먼저 제거해야 다음 층이 깨끗한 실리콘 위에 바로 놓일 수 있다.

장비 안에서: 세정조마다 담그거나, 한 장씩 분사하거나

배치식 세정 장비는 웨이퍼 한 로트를 통째로 한 줄로 늘어선 세정조에 차례로 담근다. 약액, 초순수 헹굼, 다음 약액, 다시 헹굼을 거쳐 마지막에 건조하는 식으로, 한 번에 많은 웨이퍼를 씻는다. 매엽식은 한 번에 한 장만 씻는다. 웨이퍼가 밀폐된 작은 공간 안에서 회전하는 동안 노즐이 약액과 초순수를 표면에 분사하고, 마지막에 고속으로 회전시켜 물기를 털어 말린다. 앞 웨이퍼에서 씻겨 나온 것이 다음 웨이퍼로 옮겨 가기 어렵고 조건도 제어하기 쉽지만, 대신 장비가 더 많이 필요하다. 어느 방식이든 마지막으로 웨이퍼에 닿는 액체는 헹굼 물이다(일부 건조 방식은 여기에 이소프로필 알코올 증기를 조금 써서 물을 밀어낸다). 물속에 무엇이 있든 웨이퍼에 남을 수 있으므로 반드시 초순수를 쓴다. 물이 고르게 마르지 않으면 고리 모양의 물 자국(워터마크)이 남기도 한다.

농도, 온도, 시간: 오래 씻을수록 좋은 것이 아니라 딱 알맞게

약액의 세정 강도는 세 가지에 달려 있다. 얼마나 진한지, 얼마나 뜨거운지, 얼마나 오래 담그는지다. 조금 더 진하게, 조금 더 뜨겁게, 조금 더 오래 담그면 세정력은 강해지지만 표면도 더 많이 깎인다. 세정 역시 대부분 아주 약한 식각이기 때문이다. 너무 오래 담그거나 약액이 너무 강하면 건드리지 말아야 할 아래층이 얇아지거나 실리콘 표면이 거칠어질 수 있고, 깎여 나간 것은 되돌릴 수 없다. 한 번에 깎이는 양은 아주 적지만, 웨이퍼 한 장은 여러 번 세정되고 선은 점점 가늘어지므로 누적되는 양을 따져야 한다. 그래서 세정은 딱 알맞아야 한다. 오염은 제거하고, 그 아래는 가능하면 조금도 건드리지 않는 것이다. 이것이 습식 식각과의 차이이기도 하다. 습식 식각은 재료층을 제거하려는 것이고, 세정은 오염만 제거하려는 것이다.

약액은 스스로 변한다: 정해진 때에 보충하고, 교체하고, 측정한다

까다로운 점은 약액이 가만히 두어도 변한다는 것이다. 가열된 세정조에서는 과산화수소가 서서히 분해되고 암모니아가 조금씩 날아간다. 세정한 로트 수가 늘수록 씻겨 나온 것의 일부가 조에 남고, 그중 일부는 다시 웨이퍼에 달라붙는다. 그래서 농도, 온도, 침지 시간을 모두 레시피(장비가 따라 실행하는 설정)에 넣고, 약액은 정해진 때에 보충하며, 일정 로트 수를 세정하면 조의 약액을 전부 교체한다. 또 모니터 웨이퍼(출하하지 않고 장비 점검에만 쓰는 웨이퍼)를 정해진 때에 돌려, 얼마나 제거되었는지, 파티클이 몇 개 늘었는지 측정한다. 수치는 관리도에 찍어 평소와 같은지 보고, 벗어나면 멈추고 원인을 찾는다. 헹굼에 쓰는 초순수도 늘 감시한다. 배관에 달린 비저항계는 순도를 재는데, 그 값이 떨어지면 이온이 섞여 들어왔다는 뜻이다.

앞뒤 단계의 연결: 앞 단계가 남긴 것, 다음 단계가 꺼리는 것

공정마다 씻어 내는 대상이 다르다. 식각과 포토레지스트 제거 뒤에는 잔류물과 덜 제거된 포토레지스트를 다음 공정으로 가져가면 안 된다. CMP를 마치면 슬러리 속의 미세한 연마 입자가 잔뜩 남아 있으므로 바로 세정한다. 퍼니스에 들어가기 전에는 반드시 철저히 세정해야 한다. 표면의 금속과 유기물이 고온에서 함께 구워져 들어가 성장한 산화막의 품질이 나빠진다. 박막을 증착하기 전에 표면이 깨끗하지 않으면 새 막이 고르게 자라지 않는다. 세정 후 오래 두어서도 안 된다. 깨끗한 실리콘을 공기 중에 두면 산화막이 서서히 다시 자라고 공기 중의 물질도 흡착한다. 그래서 세정과 다음 공정 사이에는 시간 제한이 있는데, 이를 Q-time이라고 한다. 제한을 넘기면 가벼운 경우는 한 번 더 세정하고, 일부는 스크랩할 수밖에 없다. 그래서 다음 공정이 아직 준비되지 않았다면 세정을 미루는 경우가 많다.

흔한 오해

흔히 듣는 말클린룸이 그렇게 깨끗하니 웨이퍼는 별로 씻을 필요가 없을 것이다.
실제로는클린룸이 막는 것은 공기 중의 파티클이다. 식각 잔류물, 포토레지스트, 슬러리 입자는 웨이퍼에 남고, 장비를 드나들 때도 무언가가 묻는다. 그래서 웨이퍼 한 장은 완성될 때까지 아주 여러 번 세정된다. 그렇다고 오래 씻을수록 좋은 것도 아니다. 약액은 표면도 조금씩 깎아 내고, 깎여 나간 것은 되돌릴 수 없으므로 딱 알맞게 씻어야 한다.
흔히 듣는 말세정이란 물로 웨이퍼를 한번 헹구는 것이다.
실제로는제거할 네 가지 오염은 저마다 다른 약액이 필요하다. 알칼리성 약액은 유기물과 입자를, 산성 약액은 금속을, 아주 묽은 불산은 자연 산화막을 제거한다. 물은 각 약액 단계 뒤에 헹구는 데 쓰며, 물 분자 외에는 거의 아무것도 없는 초순수여야 한다. 마지막으로 웨이퍼에 닿는 액체가 바로 이 물이어서, 물속에 무엇이 있든 웨이퍼에 남을 수 있기 때문이다.

살펴보기: 분해해 보는 장비

필독

플레이

세정 공정 엔지니어로 근무해 보기: 약액, 침지 시간, 세정 후 얼마나 둘 수 있는지를 맡는다 →

생각해 보기

  1. 배치식은 한 번에 많은 웨이퍼를 씻고, 매엽식은 한 번에 한 장씩 씻어 앞 웨이퍼의 오염을 다음 웨이퍼로 옮길 가능성이 낮다. 어떤 단계에 어느 방식을 쓸지 직접 정한다면, 어떤 질문부터 하겠는가?
  2. 세정을 마친 웨이퍼에는 시간 제한이 있지만, 다음 공정의 장비가 마침 다운되었거나 PM 중이거나, 앞에 긴급 로트가 잔뜩 밀려 있을 수 있다. 다음 로트를 지금 세정해야 하는가? 각 선택에는 어떤 대가가 따르는가?

수업 자료: 슬라이드

이 강의의 핵심, 모식도, 장비, 토론 질문을 슬라이드 한 벌로 만들었다. 그대로 화면에 띄워도 되고, 자신의 강의 자료에 넣어도 된다.

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