ESCA를 이용한 웨이퍼의 세정도 측정

이 광 진, 정 용 안*, 노 경 호

인하대학교 화학공학과

한국기기유화시험연구원, 연구개발팀．

Measurement of Cleanliness of Wafer by ESCA

Kwang Jin Lee, Yong An Jung*, Kyung Ho Row

Dept. of Chem. Eng., Inha University

Research & Development Team, Korea Machinery-Meter

and Petrochemical Testing & Research Institute．

서론

전자분광법의 기본 원리는 금세기 초에 알려졌지만 화학문제에 널리 응용한 것은 1960년대 후반에 와서 이 기술이 개발된 비교적 최근에 일이다. 그 동안 전자분광법 분야의 연구가 지연되게 된 중요한 요인은 약 10분의 몇 eV에서 수천 eV까지의 에너지변화를 하는 전자의 고분리능 스펙트럼을 측정하는 데 필요한 공학적 기술의 부족에 있었다. 전자분광법은 수소와 헬륨을 제외한 주기율표에 있는 모든 원소를 확인하는 좋은 방법이며, 이 방법은 원소의 산화상태의 결정과 화학종의 결합 형태, 분자의 전자구조에 관한 것을 알 수 있다.[1] 실리콘은 일반적으로 모래, 암석, 광물등의 형태로 존재하며, 이들은 지각의 ⅓정도를 구성하고 있어 지구상에서 매우 풍부하게 존재하며, 반도체산업에 매우 안정적으로 공급될 수 있는 재료뿐 아니라 독성이 전혀 없어 환경적으로 매우 우수한  재료이다. 실리콘으로 만들어진 실리콘웨이퍼는 넓은 에너지 1.2eV을 가지고 있기 때문에 비교적 고온 200℃ 정도에서도 소자가 동작할 수 있는 장점이 있다.[2] 현재 반도체 제조공정은 세정공정을 반복 진행해 전공정의 30-40%정도를 웨이퍼 세정에 할애하고 있다.[3] 웨이퍼 표면에 존재하는 오염물질은 대체로 유기오염물, 금속오염물, 자연산화막, 화학적 산화막 및 입자 분류를 할 수 있으며, 이중에서도 특히 금속오염물은 반도체 소자의 성능을 크게 저해하는데도 기존의 습식세정법으로는 제거가 매우 어렵다. 웨이퍼 표면 오염물의 분류를 보면 주로 분자형 잔류물이 가장 큰  합성왁스, 수지, 오일, 지문에 의한 잔류 용매 등 주 오염원이 될 수 있다. 이와 같이 오염된 유기오염물은 소수성 표면 성질을 가지고 있어 세정액의 젖음성을 방해하여 세정효과를 크게 감소시키고, 표면에 금속불순물이나 자연산화막을 잔류시킬 수 있다.[4-5]

본 연구의 목적은 반도체 웨이퍼를 이용하여 X-광전자분광법(ESCA)를 이용하여 오염물질 변화와 코팅에 따른 웨이퍼의 형태, 습식세정법의 제거효율의 변화를 확인하는 것이다.

실험

① 원리

전자분광법에서 기록하는 것은  발광되는 전자의 운동에너지이다. 스펙트럼은 발광된 에너지에 대하여 발광된 전자의수(전자 빛살의 세기)가 나타낸다. 부분장치는 (1)광원, (2) 시료잡게 또는 용기, (3) 분별기, (4) 검출기, (5) 신호 변환기, (6) 기록기로 되어 있다. 전자분광법의 가장 중요한 응용법은 금속, 합금, 반도체, 불균일 촉매같은 고체의 표면 화학에 관한 측정이다.

Fig. 1 Principles of ESCA

A+hv→A+* + e-               (1)

Eb=hv-EK-w                (2)

Eb= hv - Ek - Ev - Er - w       (3)

Ek: 발광된 전자의 운동에너지의 측정을 필요

Eb Eb′Eb″: 내부 K, L각 전자의 에너지준위

hv : 주어진 에너지의 단색 X-선 빛살의 광자가 K궤도 Eb에서 전자 e-        를 방출

A : 원자, 분자 또는 이온

A+* : A보다 전하가 하나 더 큰 전자상태로 들뜬 이온

EK : 발광된 전자의 운동에너지

Eb : 전자의 결합에너지

w : 분광계의 일 함수, 전자가 형성, 측정되는 정전기적인 환경을 보정해       주는 인자

② 오염물질 코팅방법

1. 일정한 규격의 오염물질을 250ml 비이커에 가득 넣는다.

2. 아세톤으로 피세정물의 표면에 손상이 가지 않도록 깨끗이 닦는다.

3. 이 피세정물을 최대한 깨끗한 상태 유지한다.

5. 피세정물을 오염물질에 2초동안 담근후 뺀다.

6. ESCA 장치속에 피세정물을 3시간 가량 진공상태로 유지하였다.

결과 및 고찰

CFC대체세정제

정상적인 웨이퍼에서 ESCA를 찍게 된다면 Si, O, C만 나와야 한다. 좀더 세밀하고 정밀한 부분을 찍기 위해서 오염물질은 ppm 단위를 요구하며 그러기 위해서는 세밀한 부분을  Si, O, C등 집중적인 범위를 찍어야 한다. 여기서 보여지는 웨이퍼 형태는 Si, O, C 피크의 높, 낮이 이며 피크에 따라 오염된 형태를 볼 수 있다. 웨이퍼 결과를 보게 되면 이미 보여진 정상적 웨이퍼 구간도 공기중에 오염된 것으로 보여진다. O의 피크가 높은 것은 공기중에 접하는 부분이  많아서 이며, 여기에서는 정상적 웨이퍼인 O가 더 많이 오염되어있음을 볼 수 있다. C는 정상적 웨이퍼보다 오염된 웨이퍼의 피크가 좀더 큰 것을 볼 수 있는데 이는 절삭유속에 C함유량이 많아서 이다. Ar은 후속 공정에서 증착되는 경우 박막에 부착된 경우이며, 표준 형태에서의 ESCA를 보게 되더라도 약간의 피크가 나와 있음을 볼 수 있다. Si는 정상적인 웨이퍼에서는 검출되었지만, 오염된 것에서는 검출되지 않았다. 그 이유는 오염물질의 코팅에 의해서 X-선이 투과되지 못했음으로 알 수 있고 약간에 피크가 미세하게 나온 것은 오염물질의 코팅에 따라 그 영향력이 미세하게 나타났음을 볼 수 있다. 이외에도 공기중에서 웨이퍼를 취급, 보관하는 중에도 쉽게 오염되며, 유기용매 사용시 용매가 증발한 후에도 웨이퍼 표면에 잔류하는 경향이 있다. 유기오염물질은 상당히 낮은 농도 수준으로 관리가 요구된다.

알림

본 연구는 인하대학교 고순도분리연구실에서 수행하였습니다.

참고문헌

1. K. Siegbahn, et al., ESCA: (1967) ESCA Applied to Free Molecular,      North-Holland Publishing Co., Amsterdam, (1969) In English ; K.        Siegbahn, Science, 217, 111 (1982)

2. W. Kern and D. A. Puotinen, RCA Rev., 31, 187 (1970)

3. K. Hashimoto, K. Egashira, M. Suzuki, and D. Matsunaga, J.            Electrochem. Soc., 140, 3321 (1993)

4. Burkman, D. C., Semiconductor International, 4(7): 103-114 (1981)

5. J. Ruzyllo, Handbook of Semiconductor Wafer Cleaning Technology      w. Kern ed. Noyes Publication, (1993)

Fig. 2  Normal wafer

Fig. 3  Contaminated wafer