실리콘 웨이퍼 vs. 유리 웨이퍼: 실제로 세척하는 것은 무엇일까? 소재부터 공정 기반 세척 솔루션까지

실리콘 웨이퍼와 유리 웨이퍼 모두 "세척"이라는 공통된 목표를 공유하지만, 세척 과정에서 직면하는 어려움과 고장 유형은 매우 다릅니다. 이러한 차이는 실리콘과 유리의 고유한 재료 특성과 사양 요건, 그리고 최종 용도에 따라 달라지는 세척 "철학"에서 비롯됩니다.

먼저, 정확히 무엇을 청소하는 걸까요? 어떤 오염 물질이 포함되어 있을까요?

오염물질은 네 가지 범주로 분류할 수 있습니다.

1. 입자 오염 물질

   • 먼지, 금속 입자, 유기 입자, 연마 입자(CMP 공정에서 발생) 등

   • 이러한 오염 물질은 단락이나 개방 회로와 같은 패턴 결함을 일으킬 수 있습니다.

2. 유기 오염 물질

   • 포토레지스트 잔류물, 수지 첨가제, 인간 피부 오일, 용매 잔류물 등이 포함됩니다.

   • 유기 오염물질은 에칭이나 이온 이식을 방해하는 마스크를 형성하고 다른 박막의 접착력을 감소시킬 수 있습니다.

3. 금속 이온 오염 물질

   • 철, 구리, 나트륨, 칼륨, 칼슘 등은 주로 장비, 화학물질, 인간 접촉을 통해 발생합니다.

   • 반도체에서 금속 이온은 "킬러" 오염 물질로, 금지 대역에 에너지 준위를 도입하여 누설 전류를 증가시키고, 캐리어 수명을 단축시키며, 전기적 특성을 심각하게 손상시킵니다. 유리에서는 후속 박막의 품질과 접착력에 영향을 미칠 수 있습니다.

4. 천연 산화물 층

   • 실리콘 웨이퍼의 경우: 공기 중에서는 표면에 얇은 이산화규소층(자연산화물)이 자연적으로 형성됩니다. 이 산화층의 두께와 균일성은 제어하기 어려우며, 게이트 산화물과 같은 핵심 구조 제조 과정에서 완전히 제거해야 합니다.

   • 유리 웨이퍼의 경우: 유리 자체는 실리카 네트워크 구조이므로 "자연 산화막 제거"는 문제가 되지 않습니다. 그러나 오염으로 인해 표면이 변형되었을 수 있으며, 이 산화막을 제거해야 합니다.

I. 핵심 목표: 전기적 성능과 물리적 완벽성 간의 차이

• 실리콘 웨이퍼

  • 세척의 핵심 목표는 전기적 성능을 보장하는 것입니다. 일반적으로 엄격한 입자 수 및 크기(예: 0.1μm 이상의 입자는 효과적으로 제거해야 함), 금속 이온 농도(예: Fe, Cu는 10¹⁰ atoms/cm² 이하로 제어해야 함), 그리고 유기 잔류물 수준 등이 사양에 포함됩니다. 미세한 오염도 회로 단락, 누설 전류 또는 게이트 산화막 무결성 손상으로 이어질 수 있습니다.

• 유리 웨이퍼

  • 기판으로서 핵심 요건은 물리적 완벽성과 화학적 안정성입니다. 사양은 긁힘, 제거 불가능한 얼룩, 원래 표면 거칠기 및 형상 유지와 같은 거시적 측면에 중점을 둡니다. 세척 목표는 주로 코팅과 같은 후속 공정을 위한 시각적 청결성과 우수한 접착력을 보장하는 것입니다.

II. 물질적 본질: 결정질과 비정질의 근본적인 차이

• 규소

  • 실리콘은 결정질 물질이며, 표면에는 불균일한 이산화규소(SiO₂) 산화층이 자연적으로 형성됩니다. 이 산화층은 전기적 성능에 위험을 초래하므로 철저하고 균일하게 제거해야 합니다.

• 유리

  • 유리는 비정질 실리카 망상 구조입니다. 유리의 벌크 물질은 실리콘의 산화규소층과 조성이 유사하여 불산(HF)에 의해 빠르게 식각될 수 있으며, 강한 알칼리 침식에 취약하여 표면 거칠기나 변형이 증가합니다. 이러한 근본적인 차이로 인해 실리콘 웨이퍼 세척은 오염 물질을 제거하기 위해 가볍고 제어된 식각을 견딜 수 있는 반면, 유리 웨이퍼 세척은 기판 손상을 방지하기 위해 매우 신중하게 수행되어야 합니다.

III. 세척 용액 비교

앞서 언급한 목표와 재료 특성에 따라 실리콘 및 유리 웨이퍼용 세척 용액은 다음과 같이 다릅니다.

• 유리 웨이퍼 세척 공정

  • 현재 대부분의 유리 가공 공장에서는 유리의 재료적 특성에 따른 세척 절차를 사용하며, 주로 약알칼리성 세척제를 사용합니다.

  • 세척제 특성:이러한 특수 세척제는 일반적으로 약알칼리성이며 pH는 약 8~9입니다. 일반적으로 계면활성제(예: 알킬 폴리옥시에틸렌 에테르), 금속 킬레이트제(예: HEDP), 그리고 기름이나 지문과 같은 유기 오염물을 유화 및 분해하는 동시에 유리 매트릭스에 대한 부식성을 최소화하도록 설계된 유기 세척 보조제가 함유되어 있습니다.

  • 프로세스 흐름:일반적인 세척 공정은 실온부터 60°C까지의 온도에서 특정 농도의 약알칼리성 세척제를 사용하고 초음파 세척을 병행하는 과정입니다. 세척 후, 웨이퍼는 순수를 이용한 여러 단계의 헹굼과 부드러운 건조(예: 저속 리프팅 또는 IPA 증기 건조)를 거칩니다. 이 공정은 유리 웨이퍼의 시각적 청결도 및 전반적인 청결도 요건을 효과적으로 충족합니다.

• 실리콘 웨이퍼 세척 공정

  • 반도체 공정의 경우, 실리콘 웨이퍼는 일반적으로 표준 RCA 세척을 거칩니다. 이는 모든 유형의 오염 물질을 체계적으로 처리할 수 있는 매우 효과적인 세척 방법으로, 반도체 소자의 전기적 성능 요구 사항을 충족합니다.

IV. 유리가 더 높은 "청결" 기준을 충족하는 경우

유리 웨이퍼가 엄격한 입자 수와 금속 이온 농도를 요구하는 분야(예: 반도체 공정의 기판 또는 우수한 박막 증착 표면)에서 사용되는 경우, 내부 세정 공정으로는 더 이상 충분하지 않을 수 있습니다. 이 경우, 반도체 세정 원리를 적용하여 변형된 RCA 세정 전략을 도입할 수 있습니다.

이 전략의 핵심은 유리의 민감한 특성을 수용하기 위해 표준 RCA 공정 매개변수를 희석하고 최적화하는 것입니다.

• 유기 오염 물질 제거:SPM 용액이나 순한 오존수는 강력한 산화를 통해 유기 오염물질을 분해하는 데 사용할 수 있습니다.

• 입자 제거:고도로 희석된 SC1 용액은 낮은 온도와 짧은 처리 시간에 사용되어 정전기적 반발과 미세 에칭 효과를 활용해 입자를 제거하는 동시에 유리 부식을 최소화합니다.

• 금속 이온 제거:희석된 SC2 용액이나 단순 희석 염산/희석 질산 용액을 사용하여 킬레이션을 통해 금속 오염 물질을 제거합니다.

• 엄격한 금지 사항:유리 기판의 부식을 방지하기 위해 DHF(디암모늄플루오라이드)는 반드시 피해야 합니다.

전체 개량 공정에서 메가소닉 기술을 결합함으로써 나노 크기 입자의 제거 효율이 크게 향상되고 표면에 미치는 영향이 더 부드러워졌습니다.

결론

실리콘 및 유리 웨이퍼의 세정 공정은 최종 적용 요건, 재료 특성, 그리고 물리적 및 화학적 특성을 기반으로 하는 역공학의 필연적인 결과물입니다. 실리콘 웨이퍼 세정은 전기적 성능을 위한 "원자 수준의 청정도"를 추구하는 반면, 유리 웨이퍼 세정은 "완벽하고 손상 없는" 물리적 표면을 얻는 데 중점을 둡니다. 유리 웨이퍼가 반도체 응용 분야에서 점점 더 많이 사용됨에 따라, 세정 공정은 기존의 약알칼리 세정을 넘어 더욱 정교하고 맞춤화된 솔루션으로 진화하여 더 높은 청정도 기준을 충족할 것입니다.