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세정장비
세정장비는 반도체 제조 과정에서 사용되는 장비로, 웨이퍼 표면을 깨끗하게 처리하는 과정을 담당한다. 이 과정은 반도체 소자의 품질과 성능에 직접적으로 영향을 미치며, 오염물질을 제거하고 정밀한 패턴을 만들기 위해 꼭 필요하다. 세정 과정은 반도체 제조에서 가장 초기에 이루어지며, 반도체 소자의 신뢰성과 안정성을 보장하기 위해 중요한 역할을 한다. 따라서 세정장비의 품질과 성능은 최종 제품의 품질에 직접적으로 영향을 미치므로 매우 중요하다.
목차
세정 기술 배경
반도체 공정에는 산화공정, 증착공정, 금속화공정, 포토리소그래피 공정, 베이킹 공정, 정렬, 노출, 식각공정, 이온공정, CMP 공정, 세정공정, 웨이퍼의 검사와 포장에 이르기까지 다양한 공정을 거치게 된다. 이중 세정기술은 반도체 소자를 제조하기 위한 공정 중 하나로 소자에 필요한 정밀도 높은 구조를 만들어 내기 위해 마스킹(Masking)과정,광학리소그래피(Photolithography), 이온주입(Ion Implantation), 증착(Deposition) 등에 사용된다. 약 600여단계의 반도체 소자제조 공정에서 약 20% 이상을 세정 공정으로 차질할 정도로 중요한 과정이다.
세정 기술의 목적과 정의
실리콘 웨이퍼는 직경의 크기에 따라 수백 개의 마이크로 칩을 제조할 수 있는데, 각각의 칩에는 사실상 수백만, 수십억 개의 소자가 집적된다. 이처럼 칩의 물리적인 크기가 점점 작아지게 되는 배경에 따라 회로들을 Particle(미립자), Metallic Impurities(금속 불순물), Organic(유기 오염물), 자연산화막(Native oxide) 등의 오염에 대해 아주 민감하다. 세정을 통해 결함을 발생시키는 오염을 최소화하여 고성능을 갖는 고밀도 집적 회로를 효과적으로 제조하여 높은 수율을 만들어내는 것이 중요하다.
세정방식의 종류
세정 방식에는 크게 두 가지 유형이 있다. 첫째로 건식세정(Dry etching)은 반도체 웨이퍼를 가공할 때 산화막을 제거하거나 원하는 패턴을 만들기 위해 반도체 웨이퍼 표면에 플라즈마(Plasma)나 이온(Ion) 빔을 이용하여 반응시켜 제거하는 방식이다.
주로 산화물, 질화물, 박막과 같은 반도체 웨이퍼의 표면에 생성된 층을 제거하는 데 사용된다. 이 방식은 높은 정밀도와 선택성을 갖추고 있으며, 고밀도 집적회로(IC) 등에서 많이 사용된다. 두 번째로 습식세정(Wet cleaning)은 반도체 웨이퍼를 가공할 때 산화막을 제거하거나 원하는 패턴을 만들기 위해 액체 용액을 사용하여 반응시켜 제거하는 방식이다.
이 방식은 다양한 용액을 사용하여 원하는 반응을 유도할 수 있으며, 일반적으로 반도체 웨이퍼를 전기적으로 충전시켜서 적용하는 전기화학적 방법과 반응성이 높은 화학약품을 사용하는 화학적 방법이 있다. 또한, 습식세정 방식 중에서도 RCA(Radio Corporation of America) 방식과 SC1(SC-1) 방식, SC2(SC�2) 방식 등 다양한 방식이 있다. 이 방식들은 사용하는 화학 용액에 따라 이름이 다른 것이며 반도체 웨이퍼의 종류와 사용용도에 따라 선택된다.
분류
습식세정 장비는 배치형 세정장비와 단일 웨이퍼형 세정장비가 있다.
반도체 제조 공정에서 사용되는 세정장비에는 크게 배치형 세정장비와 단일 웨이퍼형 세정장비가 있다. 배치형 세정장비는 일반적으로 많은 양의 웨이퍼를 한 번에 세척할 수 있어 대량 생산에 적합하다. 그러나 세척 전후에 큰 변화가 있는 경우 웨이퍼 간에 서로 영향을 미칠 수 있다. 반면 단일 웨이퍼형 세정장비는 한 번에 한 개의 웨이퍼만 세척할 수 있다. 따라서 작은 양의 웨이퍼를 다루는 실험실이나 연구 개발 단계에서 사용된다. 단일 웨이퍼형 세정 장비는 각 웨이퍼가 개별적으로 다뤄지므로, 세척 전후에 웨이퍼 간에 영향을 미치는 일이 없다.
단일 웨이퍼 세정 방식
spray type은 세정액을 고압 스프레이를 통해 웨이퍼에 분사하여 세정하는 방식이다. 세정액의 분사 각도와 압력을 조절하여 세정 효과를 극대화시킬 수 있다. 이 방식은 비교적 단순하고 소형화에 용이하며, 대체로 효율적인 세정 효과를 보인다.
Scrubber type은 초순수, 초음파 및 PVA를 이용한 물리적 세정기술이다. 용액을 웨이퍼의 표면에 분사하는 대신, 세정용액을 가스 상태로 만들어 웨이퍼 주변에 적용하여 세정한다. 이 방식은 보다 안정적이며, 대용량의 반도체 웨이퍼에 적용할 때 유리하다.
Wet station(배지형 반도체 세정) 장비의 구성
화학 용액을 이용한 화학적 세정 기술을 이용한다.
1) 카세트 형 웨이퍼 로더 : 세정장비의 구성 중 카세트 로딩 모듈은 세정 대상인 웨이퍼를 자동으로 로딩(특정 위치에 위치시킴)하고 언로딩하여 웨이퍼가 자동으로 처리되도록 하는 모듈이다. 일반적으로 세척된 웨이퍼는 세척후 카세트에 다시 로딩되고, 이 모듈을 통해 다음 단계의 공정으로 전달된다.
2) 화학 용액 욕조(Chemical bath) : 화학 욕조 모듈은 반도체 웨이퍼를 내부에 담아 화학 욕조에 적정한 시간 동안 잠그고 화학약품을 이용해 표면을 세척하거나 처리하는 기능을 한다. 세척 및 처리 후 웨이퍼를 빼내 다음 공정으로 이동시킨다.
3) 초순수 린스 욕조(Rinse bath) : 화학용액 욕조에서 웨이퍼 표면에 잔류하는 화학용액을 적정하기 위해 사용된다. 도체 웨이퍼에 부착된 물질을 제거하거나 불순물을 제거하는 등의 역할을 한다. (화학용액 욕조는 산화제나 산화방지제 등의 화학용액을 사용하여 웨이퍼 표면을 세척한다. 반면에 초순수 린스 욕조는 DIW와 같은 초순수 물을 사용하여 마지막 단계에서 웨이퍼 표면을 세척한다. 따라서 화학용액 욕조는 화학적인 반응을 통해 오염물질을 제거하는 반면, 초순수 린스 욕조는 웨이퍼 표면의 오염물질을 단순히 씻어내는 역할을 한다.)
4) 화학 용액 순환장치 : 세척 및 화학 처리 프로세스에서 사용되는 장치로, 사용된 화학약품이나 오염물질을 제거하고 재사용 가능한 용액을 만드는 역할을 한다.
5) 건식 욕조(Dry bath) : 웨이퍼 건조를 위한 모듈로써 단일 웨이퍼 또는 카세트를 고속 회전시켜 원심력을 건조하는 "Spin Dryer" 또는 세정 후 웨이퍼를 기계적인 방법으로 건조시키지 않고, IPA를 가열하여 증기 상태로 만든 뒤 웨이퍼에 노출시켜 IPA가 증발하면서 웨이퍼 표면의 수분과 이물질을 제거하는 "Vaporized IPA"방식을 사용한다.
6) 언로더(unloader) : 세정 공정에서 사용된 웨이퍼를 장비에서 내보내는 기기이다. 일반적으로 로더(loader)와 쌍을 이루며, 로더로 웨이퍼를 장비 내부로 넣은 후, 세정이 완료된 웨이퍼는 언로더를 통해 장비에서 빼낸다.
해외 세정장비 기업
어플라이드 머티어리얼즈(Applied Materials, AMAT)
- 세계 최대의 반도체 제조 장비 제조업체 중 하나
- 디스플레이, 태양광, LED, LCD, 나노 기술 등 다양한 분야에서 활약
- Centura, Endura, Producer
- Centura 동작원리와 구성
Centura는 여러 공정을 수행하는 다기능 세정 장비이다. 일반적으로 Centura를 사용한 세정 공정은 다음과 같은 단계를 거친다.
<구성>
- - 로드락 스테이지: 웨이퍼를 로딩하고 언로드하는 장치
- - 세정 모듈: 표면 세정 및 소결 처리를 위한 모듈
- - 드라이 모듈: 박막 측정 및 드라이 처리를 위한 모듈
- - 측정 모듈: 박막 측정을 위한 모듈
- - 엣지 폴리싱 모듈: 웨이퍼 엣지 처리를 위한 모듈
<동작과정>
- 로딩 : 웨이퍼를 장비로 옮겨 넣는다.
- 에지 비드 제거 : 웨이퍼의 가장자리에 묻은 잔여물을 제거한다.
- 전처리 : 웨이퍼 표면에 적층되어 있는 미세한 입자나 불순물을 제거하고, 웨이퍼 표면을 활성화하여 에칭 작업을 수행하기 위한 준비를 한다.
- 에칭 : 불순물을 제거하기 위해 산화물 또는 화학적 반응을 이용하여 웨이퍼 표면을 부식 시킨다.
- 스트립 : 에칭 후에 잔여물을 제거하기 위해 산화물이나 다른 화학약품을 사용하여 부식된 웨이퍼 표면을 정리한다.
- 언로딩 : 완료된 웨이퍼를 장비에서 제거한다.
도쿄 일렉트론(TOKYO ELECRTON,TEL)
- 도체 및 플랫 패널 디스플레이 (FPD) 생산에 사용되는 장비 및 소재를 개발, 제조 및 판 매하는 글로벌기업
- 세미컨덕터, FPD, 태양광 등 다양한 분야에서 활용되는 고성능 생산 설비를 제공
- TEL CLEAN TRACK, TEL ALD, TEL ASCENT 등의 라인업을 보유
- Clean Track 동작원리와 구성
일련의 세척 공정을 거쳐 반도체 제조 프로세스에서 사용되는 웨이퍼를 처리하는 데 사용 되는 세척장비이다.
<구성>
- - 로더 : 웨이퍼를 적재하고 언로딩하는 데 사용된다.
- - 세척 모듈 : TEL CLEAN TRACK은 다양한 유형의 세척 모듈을 사용한다.
- - 스피너 (Spinner): 세척 모듈에서 나온 웨이퍼를 회전시켜서 물방 울과 이물질을 제거한다.
- - 드라이어 (Dryer): 마지막 단계로 웨이퍼를 건조시킨다.
<동작과정>
- Coat : Wafer에 resist를 코팅한다.
- Softbake : 코팅된 resist를 노광전에 사용할 수 있도록 가열한다.
- Expose : 원하는 패턴을 가진 마스크를 이용하여 resist를 노광한다.
- Post-Exposure Bake : 노광 후 resist를 처리하여 패턴을 고정한다.
- Develop : 고정된 패턴을 나타내기 위해 resist를 제거한다.
- Descum : 필요에 따라 wafer 표면에서 불순물을 제거한다.
- Rinse : 세척액으로 wafer 표면을 깨끗하게 씻어낸다.
- Dry : wafer를 건조시킨다.
램리서치(Lam Research,LRC)
- 주로 웨이퍼 레벨 반도체 공정에 필요한 에칭 및 세정 장비를 제조
- 전 세계에 다수의 지사 및 연구소
- EOS, Coronus, SP series 등의 라인업을 보유
- Kiyo 동작원리와 구성
Kiyo는 적은 양의 화학약품과 물을 사용하고, 반도체 제조 프로세스에서 중요한 역할을 하는 Low-k 및 Cu를 포함한 고급 반도체 칩의 생산에 효율적으로 사용된다.
<구성>
- - Load Lock Chamber : 원료를 투입하고 프로세스 전 단계에서 샘플을 검사할 수 있는 구조이다.
- - Pre-Clean Chamber : Etchback이나 ashing 프로세스 등의 전처리가 이루어지는 구조이다.
- - Main Chamber : 마스크에서 원료까지 폭넓은 영역에서 세정이 이루어 지는 구조이다.
- - Post Clean Chamber : 세정된 샘플의 파티클 제거나 마무리 처리가 이 루어지는 구조이다.
- - Transfer Chamber : 세정이 완료된 샘플을 다른 장비로 이동시키는 역할을 한다.
<동작과정>
- Substrate Loading: 세정할 웨이퍼를 자동으로 로딩한다.
- Multi-Process Modules: 다양한 프로세스 모듈을 사용하여 웨이퍼 세정을 수행한다.
- Chemical Delivery System: 화학약품을 정확하게 공급하고, 약품 유량을 제어한다.
- Plasma Treatment: 화학약품을 사용한 후, 웨이퍼 표면을 플라즈마 처리한다.
- Post-Clean Inspection: 세정이 완료된 후, 웨이퍼 표면의 깨끗함을 검사한다.
- Substrate Unloading: 세정이 완료된 웨이퍼를 자동으로 언로딩한다.
한국 세정장비 기업
제우스(Zeus)
- 다양한 분야에서 사용되는 세정장비를 생산하는 회사
- 미세공정 분야에서 세정장비 분야 선두주자
- Apollo, Dragon, ION 등 다양한 제품 라인업을 보유
- Apollon의 동작원리와 구성
제우스의 "Apollon" 세정장비는 실리콘 웨이퍼, LED, 메모리 등 다양한 반도체 제조 분야 에서 사용되는 다기능 세정장비이다. 고온, 고압, 고진동 등 다양한 공정 변수들을 정밀 하게 제어하여 고품질의 제품을 생산할 수 있다.
<구성>
- - 로딩 모듈: 기판을 장비 안으로 이송하는 역할을 한다.
- - 전처리 모듈: 기판 표면을 깨끗하게 하기 위한 공정을 처리한다.
- - 산화 모듈: 기판 표면에 산화막을 형성하는 공정을 처리한다.
- - 세척 모듈: 화학액으로 세척하는 공정을 처리한다.
- - 후처리 모듈: 세정 후에 생기는 나머지 화학액을 제거하는 공정 과, 마지막으로 물로 세척하는 공정을 처리한다.
- - 언로딩 모듈: 작업이 완료된 제품을 장비에서 빼내어 후속 공정 으로 이송하는 역할을 한다.
<동작 과정>
- 기판 로딩: 제품을 집어넣고 장비 안으로 이송한다.
- 전처리 공정: 전처리 공정을 거쳐 오염 물질을 제거하고 기판 표면을 깨끗하게 한다.
- 산화 공정: 기판 표면에 산화막을 형성시킨다. 이때, 산화 공정에서 사용되는 화학액의 조 성과 처리방식에 따라 산화막의 두께와 구조를 조절할 수 있다.
- 세정 공정 : 산화막을 형성한 기판을 화학액으로 세척한다. 이때, 드라이 노즐과 웨트 노즐을 이용해 건조 및 습식 세정을 선택할 수 있다.
- 후처리 공정: 세정 후 나머지 화학액을 제거하고, 마지막으로 물로 세척한다.
- 기판 언로딩: 작업이 완료된 제품을 장비에서 빼내어 후속 공정으로 이송시킨다.
- 제우스 ION의 동작원리와 구성
제우스 ION 세정장비는 다양한 형태의 웨이퍼나 서브스트레이트, 플렉시블 디바이스에 대해서도 적용 가능하며, 고신뢰성 반도체 제조 공정에서 활용된다.
<구성>
- - 이온화 챔버 : 기체를 이온화하여 이온화된 기체를 추출하는 공간이다.
- - 이온 추출 챔버 : 이온화 챔버에서 이온화된 기체 중 특정한 이온을 추출하는 공간이다.
- - 가속기 : 이온 추출 챔버에서 추출된 이온을 고에너지 전압으로 가속시켜 기판(웨이퍼)에 주입한다.
- - 웨이퍼 홀더: 기판(웨이퍼)을 고정하는 역할을 한다.
<동작 과정>
- Loading : 웨이퍼가 로딩되는 단계로, 웨이퍼를 적재하는 로더를 통해 자동으로 웨이퍼를 공정 대상으로 설정한다.
- Pre-cleaning : 웨이퍼의 표면을 청소한다. 이 단계에서는 알칼리 또는 산화학적인 용 액을 이용하여 적층물 및 오염물질을 제거한다.
- Main etch : 메인 에칭 공정으로, 웨이퍼의 표면을 깊이 구성하거나 원하는 패턴을 생산 한다. 이 단계에서는 ICP (Inductively Coupled Plasma) 방식의 플라즈마를 이용하여 습식 혹은 건식 방식으로 반도체 물질을 제거한다.
- Post-cleaning : Main etch 공정 후에는 다시 한번 웨이퍼의 표면을 청소한다. 이 단계 에서는 Pre�cleaning 단계와 유사하게, 알칼리 또는 산화학적인 용액을 이용하여 공정 후에 발생한 오염물질을 제거한다.
- Unloading : 공정이 완료된 웨이퍼를 로더를 통해 언로딩한다.
유진
- 유진은 반도체 제조 공정에서 사용되는 세척장비를 제조하는 국내 기업
- 주요 제품으로는 오존세척기, 용매세척기, 고속회전식 웨이퍼세척기 등이 있다.
- Uclean-2000S, Uclean-2000P, UWAT-2000, Uclean-2000C 라인업을 보유
나노텍 (Nanotek)
- 측정 및 검사 장비 분야에서 경쟁력을 갖추고 있다.
- 주요 제품군으로 반도체 세정 장비, 디스플레이 제조 장비, 태양광 제조 장비 등이 있다.
- Nano Sonic series, Nano Jet series, Nano Spray series 등의 라인업을 보유
- Nano sonic의 작동원리와 구성
Nano Sonic의 핵심 기술은 메가소닉(Megasonic) 세정 기술이다. 이 기술은 초음파 파장을 이용하여 불순물을 제거하고 반도체 표면을 깨끗하게 처리하는 기술로, 반도체 제조 공정에서 가장 중요한 역할을 한다.
<구성>
- - 탱크: 반도체 원판이나 부품을 넣어 세정하는 용기이다.
- - 적층기: 탱크 내부에 여러 겹의 세정 침전 층을 형성하여 세정 효율을 높인다.
- - 울트라소닉 발생기: 고주파음파를 생성하여 탱크 내부의 액체를 진동시켜 세척 효율을 높인다.
- - 필터: 세정 공정 중에 발생하는 오염 물질을 제거하여 세정액의 순도를 높인다.
- - 제어 장치: 세정 공정을 자동으로 제어하고 모니터링하기 위한 컴퓨터나 제어 패널이다.
<동작과정>
- 타깃 오브젝트(세척 대상물)를 세척액에 담는다.
- 초음파를 이용해 세척액 내부에 공기 포집과 압력 변화를 일으킨다.
- 공기 포집과 압력 변화는 세척액 내부의 물리적/화학적인 작용을 일으키며, 이를 통해 오염물질이 제거한다.
- 세정이 완료되면 세척액을 제거하고, 타깃 오브젝트를 건조시킨다.
참고자료
- JCH, 〈<반도체 공정> 세정 공정, 세정 장비〉, 《네이버 블로그》, 2024-04-27
같이 보기
