[반도체] 세정 cleaning 공정의 기초적 개념을 알아보자

안녕하세요, 송송입니다. 이번 글은 반도체에서 꼭 필요한 cleaning 세정 공정에 대해 함께 알아보겠습니다.

반도체 Cleaning 공정이란? | 종류, 원리, 화학 조성, 효과 분석

반도체 공정에서 Cleaning(세정) 공정은 불순물을 제거하고 공정의 수율을 높이는 핵심적인 단계입니다. Cleaning의 종류, 순서, 사용되는 화학 조성, 원리, 필요성을 자세히 알아보겠습니다.

1. 반도체 Cleaning 공정이란?

반도체 제조 공정에서는 실리콘 웨이퍼 표면에 유기물, 금속 오염물, 파티클(미세 입자), 자연산화막 등이 발생합니다. 이 오염물은 이후 공정에서 결함을 유발할 수 있기 때문에 반드시 세정(cleaning) 과정이 필요합니다.

 

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2023.07.17 - [분류 전체보기] - 반도체 간단히 알아보기 @ 오염 입자

반도체 간단히 알아보기 @ 오염 입자

1-1. Cleaning 공정의 목적

• 웨이퍼 표면의 불순물 제거.
• 포토리소그래피, 증착(Deposition), 식각(Etching) 공정의 공정 수율 향상.
• 전기적 특성을 저해하는 금속 오염, 유기물 제거.
• 웨이퍼 표면의 자연산화막(Thin Oxide) 제거.

2. 반도체 Cleaning 공정의 종류

반도체 공정에서는 목적에 따라 다양한 세정 방법이 사용됩니다.

2-1. RCA Cleaning

RCA Cleaning은 웨이퍼 표면의 유기물, 금속, 자연산화막을 제거하는 대표적인 세정 방법입니다.

• SC-1 (Standard Cleaning 1): 유기물, 파티클 제거 (NH₄OH + H₂O₂ + H₂O).
• SC-2 (Standard Cleaning 2): 금속 오염 제거 (HCl + H₂O₂ + H₂O).
• HF Cleaning: 자연산화막 제거 (HF + H₂O).

2-2. 메가소닉(Megasonic) Cleaning

MHz 주파수의 음파를 이용해 파티클을 물리적으로 제거하는 세정 방식입니다.

2-3. Ozonated DI Water Cleaning

오존(O₃)이 포함된 초순수(DI Water)를 사용하여 유기물을 산화시켜 제거하는 친환경적인 세정 방식입니다.

3. 플라즈마 Cleaning

O₂ 또는 CF₄ 플라즈마를 이용하여 유기물, 박막을 제거하는 방법으로 포토리소그래피 후 잔여 레지스트 제거에 사용됩니다.

3. Dry Cleaning (Plasma Cleaning)의 원리

플라즈마 세정은 전기 에너지를 이용하여 가스를 이온화한 플라즈마 상태로 변환하고, 이를 웨이퍼 표면에 적용하여 오염물을 제거하는 방식입니다.

3-1. 플라즈마 Cleaning 공정

• 1단계: 저압(진공) 상태에서 가스를 주입.
• 2단계: RF(고주파) 전력을 가해 플라즈마 발생.
• 3단계: 플라즈마 내 활성 이온이 웨이퍼 표면과 반응하여 오염물 제거.

3-2. 주요 사용 가스

• O₂ 플라즈마: 유기물 제거 (PR Strip, Photoresist 제거).
• CF₄ 플라즈마: 산화막 제거.
• Ar 플라즈마: 표면 활성화 및 잔여물 제거.

4. Wet Cleaning vs Dry Cleaning 비교

구분	Wet Cleaning	Dry Cleaning
세정 방식	화학 용액(액체) 사용	플라즈마, UV, 기체 반응 사용
세정 대상	유기물, 금속, 자연산화막	유기물, 미세 잔여물, 박막
장점	강력한 세정력, 대량 공정 가능	환경 친화적, 잔여 화학물 없음
단점	폐액 처리 문제, 화학물질 사용	장비 비용 높음, 세정 속도 느림

3. Cleaning 공정의 순서

일반적인 반도체 세정 공정은 아래와 같은 순서로 진행됩니다.

1. 프리 세정 (Pre-Cleaning): 웨이퍼에 남아 있는 큰 파티클과 잔여물 제거.
2. RCA Cleaning (SC-1 → SC-2 → HF): 유기물, 금속 제거.
3. 메가소닉 세정: 미세한 입자(Particle) 제거.
4. DI Water Rinse: 초순수(DI Water)로 화학물질 제거.
5. Drying (건조): 웨이퍼 표면의 물기 제거 (스핀 건조, IPA Dry).

4. Cleaning 공정에서 사용되는 화학 조성

반도체 세정 공정에서 사용되는 주요 화학물질과 그 역할은 다음과 같습니다.

화학물질	조성	용도
SC-1	NH4OH + H2O2 + H2O	유기물 및 파티클 제거
SC-2	HCl + H2O2 + H2O	금속 오염 제거
HF	HF + H2O	자연산화막 제거
O3 DI Water	오존(O3) + 초순수	유기물 산화 및 제거

5. Cleaning 공정의 효과

• 웨이퍼 표면의 잔여 오염 제거.
• 미세회로 형성 시 결함(Defect) 최소화.
• 전기적 특성 유지 및 공정 신뢰성 향상.
• 고집적 반도체 제조 시 나노미터 수준의 오염 제거 가능.

6. 결론

반도체 Cleaning 공정은 웨이퍼의 표면 상태를 최적화하여 공정의 수율을 높이는 필수적인 과정입니다.

다양한 세정 방법과 화학 조성이 조합되어 사용되며, 최신 반도체 제조에서는 메가소닉, 플라즈마 세정, 오존수 세정 등의 고도화된 기술이 도입되고 있습니다.