세정 공정 (Cleaning)

세정 공정의 위치

세정은 ‘없으면 큰일 나지만 평소엔 잘 보이지 않는’ 공정이다.

한 장의 웨이퍼는 양산 동안 수십~수백 회 세정을 거치는데, 세정 한 번이 잘못되면 다음 공정의 결함으로 그대로 이어진다.

세정의 적은 크게 네 가지다.

입자(파티클), 금속 오염, 유기 오염, 자연 산화막.

공정마다 어떤 적을 얼마나 줄여야 하는지가 다르고, 그래서 약액과 시퀀스가 다르다.

Post-CMP 웨이퍼 클리너 장비 · 이미지 출처: NIST

표준 약액과 화학

표준 약액은 RCA 세정에서 출발한다.

SC1(NH4OH+H2O2+H2O)은 입자와 일부 유기 오염을 떼어 낸다.

약알칼리 환경에서 표면을 살짝 식각해 입자를 들어 올리고, H2O2가 미세한 산화막을 형성·제거하며 입자를 같이 떼어 낸다.

SC2(HCl+H2O2+H2O)는 금속 오염(Fe, Al, Cu, Zn 등)을 잘 제거한다.

SPM(H2SO4+H2O2)은 유기 오염, 특히 PR 잔류 제거에 강하다.

DHF(묽은 HF)와 BHF는 자연 산화막 제거에 사용된다.

첨단 노드에서는 약액 농도를 낮추고, 처리 시간을 줄이는 ‘저손상 세정’이 표준이다.

입자·금속·유기 오염의 차이

입자·금속·유기 오염은 다른 메커니즘을 가진다.

입자는 표면에 물리적으로 붙어 있는 외부 물질(슬러리 잔류, 챔버 부산물, 클린룸 입자 등)이고, 단순한 헹굼만으로는 떼어지지 않는다.

금속 오염은 결정 격자 안으로 들어가거나 표면에 흡착된 매우 미세한 양의 금속 이온이지만, 트랜지스터 누설·신뢰성에 직접 영향을 준다.

유기 오염은 PR 잔류, 챔버 폴리머 잔류, 작업자 핸들링 흔적 같은 탄소계 물질이다.

같은 ‘세정’이라도 무엇을 잡으려 하느냐에 따라 약액·시퀀스가 다르다.

매엽식 세정과 메가소닉

장비는 매엽식이 첨단 라인의 표준이다.

웨이퍼 한 장씩 챔버에서 회전시키며 약액과 헹굼수를 분사한다.

메가소닉(800 kHz~3 MHz)·초음파를 함께 사용하면 입자 제거 효율이 높아진다.

다만 너무 강한 메가소닉은 미세 패턴을 휘게 하거나 부수는 부작용이 있어, 패턴 약화에 따라 메가소닉 출력을 정밀히 조정한다.

마지막 단계의 건조도 중요하다.

단순 회전 건조는 미세 잔류 자국을 남길 수 있어, IPA(이소프로필 알코올) 마란고니 건조 또는 초임계 CO₂ 건조가 사용된다.

CMP 후 세정·EUV 후 세정

CMP 후 세정과 EUV 후 세정은 특히 까다롭다.

CMP 후에는 슬러리 입자, 금속 이온, 잔류 화학물질이 표면에 가득해 매우 정교한 다단계 세정이 필요하다.

EUV 후 세정은 미세 패턴 위에 PR 잔류·EUV 부산물·금속 컨태미네이션 가능성이 있어, 패턴을 휘게 하지 않으면서도 잔류를 깨끗이 지우는 ‘비등방성 저손상 세정’이 요구된다.

첨단 노드 세정의 도전 과제

첨단 노드 세정의 도전은 ‘얇은 막과 좁은 패턴’이다.

세정 약액이 패턴 안쪽 깊은 곳까지 도달해 잔류를 떼어 내야 하지만, 동시에 박막 두께를 거의 깎지 않아야 한다.

그래서 약액 농도는 점점 묽어지고, 매엽식 시간은 짧아지며, 화학·물리·열 보조의 조합이 정교해진다.

또 첨단 노드의 hardly soluble 잔류물(예: 폴리머, 유기 금속 잔류)을 위해 새로운 약액(반응성 가스 보조, 초임계 CO₂ 보조)이 연구되고 있다.

장비 공급사는 도쿄일렉트론(TEL CELLESTA, CELLESTA i)·SCREEN(SU-3300)·LAM(EOS, ALTUS)·세메스(SST, SCS) 등이다.

약액 공급은 솔브레인·동진쎄미켐·이엔에프테크놀로지·LG화학·후지필름 일렉트로닉 머티리얼즈가 활동한다.

한국에서 세메스의 매엽식 세정 장비, 솔브레인의 약액이 양산 라인에서 큰 비중을 차지한다.

세정은 보이지 않지만, 양산 라인의 ‘침묵의 결정자’다.

한 점의 입자가 회로 한 곳을 단락시키면 EDS에서 fail이 되고, 한 통의 약액 오염이 라인 전체의 fall-off를 일으킬 수 있다.

그래서 세정 라인의 약액 라인 청결, 챔버 컨디션, 약액 입수 분석, DI water 순도가 모두 양산의 핵심 KPI다.