웨이퍼 세정(wafer cleaning)

반도체 웨이퍼 표면을 세정하는 기술은 크게 습식 세정과 건식 세정으로 구분된다. 세정 공정은 반도체 웨이퍼 표면 위의 물질을 제거한다는 점에서 식각 공정과 매우 유사하나 그 대상이 웨이퍼 표면에 존재하는 불순물들(필름, 개별 입자 혹은 입자 덩어리, 흡착된 가스 등으로 이루어져 있고, 이들은 원자, 이온, 분자 등과 같은 물질 특성을 가지고 있다)을 제거한다는 데 그 차이가 있다. 전통적인 실리콘 웨이퍼 세정 방법은 대부분 과산화수소(H2O2) 용액을 사용한 화학적 습식 방법이었으나, 많은 화학 물질의 소모와 사용된 물질의 폐기, 그 이후 진행되는 다른 제조 공정과의 비호환성 등으로 인하여 점차 건식쪽으로 세정 기술의 변화를 가져오게 되었다.

우선 실리콘 웨이퍼의 습식 세정에 대해 살펴보면, 가장 오래 사용되어온 기술이 RCA 세정법으로서, 이는 습식 화학 세정에 사용되는 가장 일반적인 방법이다. RCA 세정에 사용되는 용액은 고순도의 DI(deionized) water와 과산화수소(H2O2), 수산화 암모늄(NH4OH), 그리고 염산(HCl) 등으로 이루어져 있다. 이들은 보통 RCA 표준세정-1(SC-1; standard clean 1)과 표준세정-2 (SC-2 ; standard clean 2)의 두 단계로 구성된다.

제 1단계에서는 강한 산화 작용으로 인하여 표면 유기물질들이 산화되어 용해되며, 잔류 금속 불순물(Au, Ag, Cu, Ni, Cd, Zn, Co, Cr 등)도 같이 제거된다. 제 2단계에서는 알카리 이온들(Al3+, Fe3+, Mg2+)과 NH4OH에는 녹지 않는 수산화 물질인 Al(OH)3, Fe(OH)3, Mg(OH)2, Zn(OH)2 및 그때까지 제거되지 않고 잔존하는 물질들이 제거되어 진다. 경우에 따라서는 제 1단계 후에 생성되는 수산화 물질을 효과적으로 제거하기 위하여 묽은 불산(HF) 용액을 사용하기도 한다.

<제 1단계>
a) NH4OH(29 W/W%):H2O2(30%):DI-water = 1:5:1(부피비)의 혼합물 속에서 5분 동안 끓임 (T=70 ℃).
b) 불을 끄고 꺼내어 차가운 DI-water로 헹굼.
<제 2단계>
a) HCl(37 W/W%):H2O2(30%):DI-water = 1:1:6(부피비)의 혼합물 속에서 5～10분 동안 끓임 (T=70 ℃).
b) 불을 끄고 꺼내어 제 1단계와 같이 차가운 DI-water로 헹굼.

이때 세정액의 온도 변화는 여러 가지 중요한 효과들을 일으킨다. 즉, 온도가 증가하면 화학 물질들의 반응 속도도 증가하여 약 10 ℃ 온도 상승에 따라 약 2배 정도의 반응 속도 증가가 일어난다. 뿐만 아니라 온도 증가는 일반적으로 오염 물질들의 용해도도 증가시켜 세정이 빨리 이루어지게 한다. 반면 온도의 증가는 웨이퍼 표면에 금속 복합물질의 도금 작용을 일으킬 수도 있다.또한 세정 용액이 웨이퍼 표면에 잘 흡착되어야 세정 작용이 일어난다.

따라서 세정 용액의 웨이퍼 표면 부착 상태는 세정 효과의 향상을 위해 역시 고려해야 할 중요한 요소인 것이다. 고체인 웨이퍼와 액체인 용액의 표면장력이 서로 비슷하거나 고체의 표면장력이 액체보다 더 클 때 고체 표면에서의 액체 부착이 잘 일어난다. 일반적으로 많은 유기 용제들은 무기물 용액에 비해 표면장력이 낮아 웨이퍼에 잘 부착된다. 세정되는 표면의 특성이 친수성(hydrophilic)인가 소수성(hydrophobic)인가에 따라서도 용제의 선택과 첨가물의 선택이 달라져야 한다.

한편, 웨이퍼 건조는 오염물질을 성공적으로 제거하기 위한 세정 공정의 중요한 마지막 단계이다. 물이 불순물을 웨이퍼 표면에 그대로 남겨 두고 증발해버리기 전에 강제적으로 물기를 제거해야만 되는 것이다. 일반적으로 사용되는 건조 방법에는 원심분리, 증기건조, 고온물(hot-DI water) 건조 등이 있다.

이렇듯 습식 세정은 집적회로 제조 공정에 일반적으로 사용되어온 방법이지만, 웨이퍼 세정과 기타 집적회로 제조 공정들의 조합(process integration)에서 나타나는 공정 상호간의 비호환성, 세정되어야 하는 웨이퍼 표면 모형들의 종횡비(aspect ratio)의 증가, 화학 용액 속의 불순물 제거의 어려움, 고순도 화학 물질과 DI-water의 고가격, 사용된 폐기물의 처리 등 많은 문제점들로 인하여 건식 웨이퍼 세정 기술이 빠르게 개발되어 왔다.
건식 세정에서는 오염 물질들이 다음과 같은 과정들에 의해 제거된다.

a) 스퍼터(sputter) 시킴.
b) 오염 물질들을 휘발성 물질로 변화시킴.
c) 오염 물질이 놓여 있는 아래층의 물질을 들어 올림(lift off).

이 외에 증기 세정법도 있는데, 이 방법은 플라즈마나 이온 충돌, 전자, 광자들에 의하여 촉진되는 표면 화학 반응이나 물리적인 방법으로 세정이 이루어지는 건식 세정과는 달리, 세정액을 증발시켜 발생된 증기를 기판 표면에 접촉시켜 오염 물질들을 분리해내는 세정을 말한다. 증기 세정법은 습식 세정에 비하여 건식 세정의 일반적인 장점들을 많이 가지고 있어, 세정액 자체의 잔류에 의한 오염 방지, 정확한 제어, 폐기물 처리용이, 컴퓨터 제어에 의한 안정성, 증기의 종류나 온도, 압력 변화의 다양성 및 in-situ 공정의 실현 등에서 유리하며, 최근 많이 채택되고 있는 기술이다.