장비: 배치와 매엽

세정 장비 한 대를 세 갈래 흐름으로 보기

1장(씻는 방법과 장비)에서 세정 장비를 습식 배치, 습식 매엽, 건식의 세 갈래로 나눠 보았다. 이 장은 습식 두 갈래의 뚜껑을 연다. 건식 세정과 PR Strip 장비는 7장(Dry Clean과 PR Strip)에서 다룬다. 장비가 왜 이렇게 중요한가. Kern은 1990년의 리뷰에서 세정 약액의 화학은 RCA 세정 이후 거의 바뀌지 않았고, 바뀐 것은 약액을 웨이퍼에 전하는 방법이었다고 정리했다. 담그는 방식에서 웨이퍼를 돌리며 뿌리는 원심 분무, Megasonic, 밀폐형 처리로 옮겨 갔다는 것이다. 같은 SC-1이라도 담그느냐 뿌리느냐, 몇 번째 웨이퍼냐에 따라 다른 공정이 된다는 뜻이다.

세정은 횟수도 많다. SEMES는 세정이 공정 앞뒤마다 반복되어 다른 공정보다 진행 횟수가 2배 정도 많다고 설명하고, ACM Research는 반도체 하나를 만드는 데 세정과 표면 준비 단계가 수백 개 필요하다고 적는다. Lam Research는 회로가 10 nm 아래로 줄고 재료가 바뀌면서 세정 단계 수가 빠르게 늘어난다고 소개한다. 세정 장비 한 대의 작은 변화가 수백 번 곱해진다.

세정 장비를 처음 볼 때는 부품 이름보다 세 갈래 흐름을 먼저 찾으면 정리가 쉽다.

1. 웨이퍼의 길. FOUP에서 나온 웨이퍼를 로봇이 옮긴다. 배치 장비는 웨이퍼를 묶어 약액조를 차례로 지나가게 하고, 매엽 장비는 한 장씩 챔버에 넣었다 뺀다. SCREEN의 200 mm Wet Station은 조를 최대 13개, 이송 로봇을 최대 6대까지 붙이며, 웨이퍼를 캐리어째 옮기는 모델과 캐리어 없이 옮기는 모델이 있다. KCTech의 배치 장비는 두 형식(Front Type, Ⅰ Type)이 웨이퍼가 흐르는 길이 달라 라인의 배치에 맞춰 고른다.
2. 약액의 길. 공장의 공급 장치에서 온 약액이 장비 안에서 섞이고, 데워지고, 걸러진 뒤 약액조나 노즐로 가서 웨이퍼에 닿는다. 그다음 다시 쓰려고 회수되거나 버려진다. 국제 로드맵 IRDS는 이 길 위의 측정 지점에 이름을 붙여 두었다. 약액을 들여오는 곳(POS)에서 웨이퍼에 닿는 곳(POP)까지다. 7절에서 자세히 본다.
3. 공기와 물의 길. 조와 챔버 위에서는 걸러진 공기가 내려오고, 약액 증기와 안개는 배기로 빠진다. Tokyo Electron의 특허는 Wet bench의 조 위를 덮는 청정 공기 하강 기류 덮개에 필터를 두었고, ACM Research의 매엽 장비는 세정 챔버마다 ULPA 필터를 단 FFU(Fan Filter Unit, 팬 필터 장치)를 둔다. 린스에는 초순수가, 건조에는 N₂와 IPA가 들어온다.

그리고 부품 하나를 볼 때마다 다음 다섯 가지 가운데 무엇을 바꾸는지 묻는다. 약액의 상태(농도·온도·순도), 표면에서 액체가 바뀌는 속도(흐름·회전·노즐), 입자를 떼는 물리력(Megasonic·Brush·이류체), 부품이 스스로 들여오는 오염, 마무리(린스·건조)다(원리에서 나온 정리). 예를 들어 히터는 첫째를, 순환 펌프와 노즐은 둘째를, 필터와 컵과 핀은 넷째를 바꾼다. 아래 그림에서 부품을 하나씩 눌러 보자. 위쪽 단추로 Wet bench와 매엽 챔버를 바꾼다.

그림의 근거: 조 위 덮개의 필터, 이송 로봇과 조의 종류, 보트 재질과 넘침·순환(조정 탱크 → 펌프 → 히터 → 필터), 조 재질의 실험실 예, Carry-over 막, 뜨거운 약액의 필터 묶음, 필터 등급과 흘려보내기, 필터의 입자 방출, 과산화수소 분해와 열교환기 누설, 농도 모니터, 보충, 배치 Megasonic의 줄무늬, QDR과 N₂, 비저항 종료, 감압 IPA 건조기, 매엽 챔버의 FFU·다단 컵·뒷면 노즐·노즐 수, 가장자리 핀, 기체 방석 받침과 높이로 나누는 덕트, 기류와 챔버 사이 일관성, 챔버 카메라, 첫 장 효과와 되돌림 길, 매엽 약액 회수.

그림의 설명을 표 하나로 모으면 다음과 같다. 가운데 열은 그 부품이 닳거나 고장 났을 때 공정에 나타나는 일이고, 오른쪽 열은 그 변화를 먼저 보여 주는 데이터다. 뒤의 절에서 하나씩 깊이 들어간다.

Wet bench: 약액조, 순환, 필터, 히터, 재질

조가 줄지어 선 장비

1장에서 본 Wet Station(Wet bench)은 웨이퍼 묶음이 약액조와 린스조를 차례로 지나가게 하는 장비다. 카세트에 든 웨이퍼가 SPM, SC1, SC2 같은 약액조를 차례로 거친 뒤 헹구고 말리는 것이 기본 흐름이다. 장비사는 조의 종류에 이름을 붙인다. SCREEN의 200 mm 장비 소개는 약액조 말고도 QDR(Quick Dump Rinsing bath), FR(Final Rinsing bath, 마지막 린스조), SD(Spin Dryer), EDR(Dump Rinsing bath)을 구분해 적는다. 그림 1은 이런 조들이 늘어선 한 예다.

공식 자료로 보는 300 mm 배치 장비는 이렇다. Tokyo Electron은 EXPEDIUS-i가 여러 약액조로 한 배치에 최대 50장을 처리하고 시간당 1,000장을 내며(이전 모델보다 150% 증가), 확산·산화 전 세정, 식각 뒤 세정, PR Strip, 3D NAND의 고선택비 산화막·질화막 습식 식각에 쓴다고 소개한다. SCREEN은 FC-3100이 독립 모듈 일곱 개를 가지고 모듈 하나에 세정조 두 개를 넣어 시간당 1,000장을 처리한다고 소개한다. KCTech의 배치 장비는 웨이퍼 25~50장을 여러 세정조에 담가 약액 처리하고 순수로 린스한 뒤 뜨거운 IPA로 말린다. ACM Research의 Ultra C wb는 SPM, DHF, HNO₃, HF, SC1, SC2, H₃PO₄를 쓰는 카세트 없는 Wet bench로, 전형적인 PR Strip에서 시간당 350장을 낸다고 적는다. 200 mm 이하용으로는 SCREEN의 CW-2000처럼 약액 공급과 냉각 장치를 장비에 넣어 면적을 45% 줄이고 조를 4·6·8개로 늘릴 수 있는 소형 장비가 있다. 숫자는 모두 회사의 주장이다.

처리량 숫자를 거꾸로 읽으면 장비의 박자가 보인다. 시간당 1,000장을 배치당 50장으로 나누면 시간당 20배치, 곧 180초마다 한 배치가 장비를 떠난다(계산). 여러 조가 동시에 서로 다른 배치를 처리하는 줄 공정이라면, 조 하나에 머무는 시간과 옮기는 시간을 합친 값이 180초를 넘을 수 없다는 뜻이다. 그보다 오래 담가야 하는 단계는 같은 약액조를 둘 두거나 처리량을 낮춰야 한다(원리에서 나온 해석). 이 '가장 긴 단계가 박자를 정한다'는 생각은 6절의 처리량 시뮬레이터에서 다시 쓴다.

조를 줄이는 방향도 있다. SCREEN의 FC-821L은 웨이퍼 간격을 반으로 줄여 조를 작게 하고 약액과 DIW 양을 줄이며, 한 조에서 약액과 DIW를 함께 처리하고 한 조에 다섯 가지 약액까지 쓸 수 있다고 소개한다. 세정하는 동안 웨이퍼가 공기를 만나지 않아 자연 산화막이 덜 생긴다는 것이 장점으로 꼽힌다. 반대로 Tokyo Electron의 특허는 한 조에 여러 약액을 쓰는 방식의 어려움을 세 가지로 적었다. 조와 보트에 스민 약액이 빨리 씻기지 않고, 앞 약액(알칼리)이 다음 약액(산)과 만나 염을 만들며, 공용 배관으로 약액을 돌리면 서로 섞이고 배관을 따로 두면 장비가 커진다. 같은 목표를 두고 설계가 갈리는 예다.

조 하나의 구조: 넘침과 순환

약액조 하나를 떼어 보면 단순한 통이 아니다. Tokyo Electron의 특허에서 약액은 안쪽 조(Inner bath, 공정 조)로 들어와 위로 넘쳐 넘침 조(Outer bath, Overflow weir)로 흘러내리고, 넘침 조의 배출구는 회수 배관으로 이어진다. SC-1(APM) 조는 넘친 약액이 조정 탱크 → 펌프 → 히터 → 필터를 거쳐 안쪽 조로 되돌아가는 순환 배관을 가진다. 웨이퍼를 세워 담는 보트는 PEEK(폴리에테르에테르케톤) 같은 내식·내열 수지나 석영으로 만든다. 그림의 구조는 3장 약액을 다루는 장비의 그림 6에서도 보았다. 약액이 바닥에서 위로 흘러 넘치게 하면 웨이퍼 사이를 위쪽으로 쓸고 지나간 약액과 액면에 뜬 것이 조 밖으로 나간다(원리에서 나온 해석).

이 순환을 순환 여과(Recirculation filtration)라 한다. 다른 방식도 있었다. CFM Technologies의 1985년 특허는 뜨거운 부식성 약액(예 황산)을 질소 압력으로 밀어 관 모양 입자 필터 여러 개에 통과시키고, 오존으로 세정액을 되살려 몇 주 넘게 바꾸지 않고 쓸 수 있다고 적었다. 펌프로 밀든 기체 압력으로 밀든, 순환의 목적은 약액을 다시 쓰면서 그 안의 입자를 계속 걸러 내는 것이다. ACM Research는 배치 장비가 순환과 여과로 약액을 다시 쓰기 때문에 매엽 분사보다 약액과 폐액 처리 비용이 낮다고 설명한다.

순환이 입자를 얼마나 빨리 줄이는지는 간단한 물질 수지로 볼 수 있다. 약액조를 잘 섞인 통(5장의 완전 혼합 탱크와 같은 가정, 린스)으로 보고, 부피 \(V\)의 약액이 유량 \(Q\)로 필터를 지나며 필터가 한 번 지날 때 입자의 \(\eta\)만큼을 붙잡는다고 하자. 그러면 조의 입자 농도는 다음처럼 줄어든다.

마지막 식이 핵심이다. 계산하면 \(\eta\) = 0.9일 때 한 바퀴 돌면 41%, 세 바퀴면 6.7%, 다섯 바퀴면 1.1%가 남는다(계산). 그러니 중요한 것은 유량 자체보다 '다음 배치가 들어오기 전에 몇 바퀴 도는가'다. 그런데 필터는 걸러 낸 입자를 품고 있으므로 쓸수록 막힌다. 막히면 같은 유량을 보내는 데 압력이 더 든다. 필터 앞뒤의 압력 차를 필터 차압(Filter differential pressure, ΔP)이라 한다. 아래 시뮬레이터에서 회전 수와 필터 막힘을 함께 움직여 보자.

모델의 근거: 넘침과 순환 배관의 구성, 순환·여과로 약액을 다시 쓴다는 배치 장비의 설명, 3분 박자의 계산 바탕, 유량·압력이 흔들리면 필터가 입자를 낼 수 있다는 지적. 지수 감소는 잘 섞인 통의 물질 수지에서 나온다.

필터: 등급, 차압, 흘려보내기

필터는 약액마다 다르다. Entegris는 2017년에 뜨거운 강산·강염기(SPM, HCl, NH₄OH)용으로 고유량 PTFE 막의 7 nm 필터를, 낮은 온도의 묽은 산·염기(DHF, BOE, SC1, SC2)용으로 폴리설폰 막의 1 nm 필터를, 공정 약액과 초순수용으로 0.1 µm에서 20 nm의 필터 계열을 소개했고, 처음 흘려보내는 시간(Flush-up)이 짧을수록 버리는 약액이 준다고 강조했다. 필터 이름에 붙은 nm는 그 크기의 입자를 거르는 능력을 회사가 정한 시험 조건에서 나타낸 등급이다. IRDS는 최종 필터의 성능을 SEMI C79로 4 nm 입자까지 평가한다고 적으면서도, 치명적인 입자의 크기가 가장 좋은 최종 필터의 능력에 다가갔다고 경고한다. 걸러진 약액을 재는 것도 쉽지 않다. 액체 약액의 입자 계수기는 30~40 nm까지만 잴 수 있어서, 그보다 작은 입자는 크기 분포를 가정해 거꾸로 짐작한다.

필터는 영원히 깨끗한 부품이 아니다. IRDS는 사용 지점(POU)의 필터가 일정한 유량과 압력에서 운전되지 않으면 입자를 내놓을 수 있다고 적는다. 펌프가 멈췄다 다시 돌거나, 필터를 바꾼 직후나, 유량을 갑자기 바꾸는 순간이 위험하다는 뜻이다. 걸러진 것이 입자만도 아니다. TSMC의 특허는 PR Stripper 조에서 배치가 거듭될수록 녹은 PR이 쌓여 Stripper가 묽어지고, 조를 필터로 순환해도 필터 부하 등으로 농도가 문턱 아래로 떨어질 수 있어서 순환 배관을 가로지르는 적외선으로 PR 함량을 재어 경보를 낸다고 적었다. 순환 배관은 약액의 상태를 재기 좋은 자리이기도 하다.

히터와 열교환기: 온도는 약액의 수명이다

히터는 약액 온도를 지키는 부품이지만, 뜨거운 약액에서는 온도가 곧 약액의 수명이다. 1:1:5 SC-1에서 과산화수소의 반감기는 50 °C에서 4시간, 80 °C에서 40분이었다. 히터가 몇 도 넘치면 약액이 그만큼 빨리 늙는다. 분해를 재촉하는 것은 온도만이 아니다. Knotter 등은 암모니아–과산화수소 혼합에서 Cu와 Fe 이온이 0.1–10 ppb 수준에서도 분해를 촉진하는 경로를 보였다. 그래서 약액에 닿는 부품의 재질도 약액 수명의 일부다. 3장(약액을 다루는 장비)에서 본 Hall의 사례에서는 고장 난 열교환기에서 NH₄OH로 Cu가 2.0–18.1 ppb 새어 나와 결함과 표면 Cu가 늘었고, 열교환기를 고치자 사라졌다. 히터는 '데우는 부품'이면서 '오염원이 될 수 있는 부품'이다.

재질: 약액이 닿는 모든 곳

약액조, 배관, 밸브, 보트, 센서는 모두 약액에 닿는다. 공개 자료가 보여 주는 예는 이렇다. Tohoku 대학 연구진은 HF와 초순수에는 PFA 조를, 다른 약액에는 석영 조를 쓰고 웨이퍼 캐리어는 PFA로 했다. HF는 SiO₂를 녹이므로 석영과 함께 쓸 수 없다(원리에서 나온 해석). CFM의 특허는 린스 물 저장 탱크를 안료를 넣지 않은 PVDF로 만들고 그 안에 UV 램프를 두어 세균을 억제했다. Metrohm은 강한 약액을 다루는 관으로 PFA가 많이 쓰인다고 소개하고, HORIBA는 센서 접액부를 모두 PFA로 만든 HF 농도계를 낸다. 다만 '뜨거운 SPM은 석영 조, HF는 불소 수지 조'처럼 일반 규칙을 적은 1차 자료는 이 장에서 찾지 못했다. 위의 예와 원리로만 이해해 두자.

약액조 바닥의 Megasonic

배치 약액조의 바닥에는 Megasonic 진동자를 붙이기도 한다(물리는 4장 Megasonic). 진동자 배열은 여러 장의 웨이퍼를 한꺼번에 흔들지만 음장이 고르지는 않다. IMEC 연구진이 압력 감지 필름으로 본 한 배치 장비에서는 진동자 소자 위쪽 압력이 높아 웨이퍼에 줄무늬가 생겼고, 그 장비에서는 압력이 높은 곳일수록 손상은 많고 입자 제거율은 낮았다. 진동자는 웨이퍼 지도에 '줄무늬'라는 지문을 남기는 부품이다.

약액조 이력: 약액 수명, 오염 누적, 교차 오염

배치 장비에서 같은 레시피로 돌린 두 Lot의 결과가 다르다면, 먼저 물을 것은 '약액을 바꾼 지 얼마나 되었고, 그 사이 무엇이 들어갔는가'다. 배치 장비는 여러 웨이퍼를 같은 약액에 함께 담그므로, 약액조는 지나간 웨이퍼들의 기록을 품고 있다. 이 절은 그 기록을 다룬다.

Bath age와 Bath life

두 용어를 구분해 두자. Bath age(약액조 사용 이력)는 약액을 새로 채운 뒤 지금까지 쌓인 사용 이력이다. 경과 시간, 처리한 웨이퍼 장수와 Lot 수, 보충 횟수가 여기에 든다. Bath life(약액조 수명)는 요구 품질을 지키며 그 약액을 쓸 수 있는 한도, 곧 시간이나 처리량의 상한이다. Bath age가 Bath life에 닿으면 약액을 버리고 새로 채운다. ACM Research의 Hybrid 장비는 SPM 조를 다시 쓰다가 정해 둔 수명이나 처리한 웨이퍼 수에 따라 바꾼다고 적고, Sematech의 1993년 특허는 당시 약액조를 일정 시간 쓰고 버렸다고 적는다. 시간으로 바꾸든 장수로 바꾸든, 교체 주기 안에서 약액은 조금씩 다른 약액이 된다.

무엇이 바뀌는가. 공개 자료가 짚는 변화는 다섯 가지다.

• 성분. 뜨거운 Megasonic SC-1 조에서는 과산화수소가 빠르게 산소와 물로 분해되고, 암모니아는 높은 증기압 때문에 빠져나간다. 다시 쓰는 약액은 증발과 소모로 농도가 바뀐다.
• 녹아든 물질. PR Stripper 조에서는 배치가 거듭될수록 녹은 PR이 쌓여 Stripper가 묽어진다.
• 금속. 웨이퍼가 들고 들어온 금속이 약액으로 옮겨 가고, Cu·Fe 같은 금속은 과산화수소 분해를 재촉한다.
• 입자. 약액 속 입자가 웨이퍼에 붙는 정도는 입자 농도, pH, 이온 세기에 따르며, 이온 세기가 높은 산성 용액에서 가장 많이 붙는다.
• 필터와 조. 필터는 막혀 가고(2절), 조와 보트 표면도 약액에 닿은 시간만큼 변한다.

처음 세정을 배울 때 가장 헷갈리는 점이 여기서 나온다. 레시피는 같아도 Bath age가 다르면 다른 조건이다. 그래서 배치 장비의 데이터를 볼 때는 웨이퍼의 결과를 약액 교체 시각, 그 뒤 처리한 장수, 보충 기록과 나란히 놓는다(원리에서 나온 정리). 약액 농도가 시간에 따라 어떻게 흘러가고 어떻게 보충하는지는 7절과 10장(양산 관리)에서 본다.

Carry-over: 앞 조의 약액이 따라온다

웨이퍼를 약액조에서 꺼낼 때 표면과 보트에는 약액이 얇게 묻어 나온다. 이것이 다음 조로 넘어가는 것을 5장에서 Carry-over라고 불렀다. 장비 쪽에서 보면 Carry-over는 '다음 조를 바꾸는 입력'이다. Tohoku 연구진은 APM 조 다음의 뜨거운 초순수 조가 웨이퍼와 PFA 캐리어에 묻어 온 약액 때문에 알칼리가 되어, 오히려 APM 조보다 웨이퍼를 더 빨리 식각했다고 적었다. 같은 그룹의 다른 논문에서는 넘어간 NH₄OH가 뜨거운 DIW 린스를 pH 8.0으로 만들어 표면을 더 거칠게 했고, APM 바로 뒤에 상온 DI 린스를 넣자 이를 막을 수 있었다.

얼마나 묻어 나올까. Arizona 대학의 학위논문이 정리한 Rosato의 결과에서, 웨이퍼를 10 cm/s로 꺼내면 평균 약 35 µm 두께의 액막이 남고, 1 cm/s로 천천히 꺼내면 약 7 µm로 얇아지지만 200 mm 웨이퍼를 꺼내는 시간이 2초에서 20초로 늘어난다. 같은 35 µm를 300 mm 웨이퍼 양면에 그대로 적용해 계산하면 한 장에 약 5 mL, 50장 한 배치면 약 250 mL의 약액이 다음 조로 따라간다(계산, 웨이퍼 양면 넓이 2 × 706.9 cm²). 보트에 묻은 것은 뺀 값이다. 다음 조가 수십 L라고 해도 무시할 양이 아니다. 꺼내는 속도는 Carry-over와 처리량을 맞바꾸는 손잡이인 셈이다.

교차 오염: 웨이퍼끼리, 약액끼리

배치 약액조의 가장 큰 약점은 나눠 쓴다는 데서 나온다. 여러 웨이퍼, 여러 Lot이 같은 약액을 거치며 서로의 오염을 주고받는 것을 교차 오염(Cross-contamination)이라 한다. Osaka와 Hattori는 불순물이 거의 없는 SC-1으로 담금 세정을 해도 세정 뒤 표면 금속이 웨이퍼가 용액에 들고 들어온 금속 양에 좌우되며, 약액을 웨이퍼마다 버려도 그렇다는 것을 보였다. 웨이퍼의 처음 청정도가 지배하면 약액 순도를 높여도 더 나아지지 않았다. 그들은 더러운 웨이퍼는 담그기 전에 앞뒷면을 문질러 닦고, 더 엄격한 기준에는 새 약액을 계속 공급하는 매엽 스핀 세정을 권했다.

약액 속 금속과 표면 금속의 관계는 대략 비례한다. Hall의 양산 자료에서 SC-1 약액의 금속 농도와 세정 뒤 표면 금속은 Fe·Ca·Al에서 상관 계수 0.99의 직선 관계였다. Ohmi 등은 초순수나 약액에 1 ppb의 금속이 있으면 표면에 10¹²~10¹³ atoms/cm²가 남는다고 보고, 표면 금속을 10¹⁰ atoms/cm² 아래로 억제해야 한다고 적었다. 이 두 결과를 이어 붙이면 간단한 학습 모델을 만들 수 있다.

이 모델은 세 경우를 비교한다. 배치 공유조는 교체 주기 동안 금속이 쌓인다. Lot마다 새 약액은 같은 Lot의 웨이퍼끼리만 나눈다(Osaka와 Hattori의 '약액을 버려도' 실험에 해당). 매엽 일회 사용은 웨이퍼에서 녹아 나간 금속이 흐름에 실려 바로 떠나므로 표면은 새 약액의 순도만 본다고 가정한다.

모델의 근거: 들고 들어온 금속이 담금 세정의 결과를 좌우한다는 결과, 약액 금속과 표면 금속의 직선 관계, 1 ppb → 10¹²~10¹³ atoms/cm²와 10¹⁰ atoms/cm² 목표, 배치당 50장.

약액끼리의 교차 오염도 있다. 2절에서 본 한 조 여러 약액 방식의 어려움, 곧 조와 보트에 스민 약액, 알칼리와 산이 만든 염, 공용 배관의 섞임이 그것이다. 장비사도 교차 오염을 사양으로 다룬다. ACM Research는 Wet bench에 교차 오염 위험을 줄이는 'face to face EFEM'을 선택 사양으로 두고, Hybrid 장비 Ultra C Tahoe의 장점으로 낮은 교차 오염 위험을 든다.

매엽 챔버: Chuck, Cup, 노즐, 뒷면, 온도

챔버를 쌓아 처리량을 만든다

매엽 장비는 웨이퍼 한 장을 돌리며 약액을 뿌리고 한 챔버 안에서 세정부터 건조까지 끝낸다. 한 장씩 처리하니 처리량이 숙제이고, 그래서 챔버를 여러 층으로 쌓는다. SCREEN은 SU-3400이 6층 4타워에 챔버 24개를 쌓아 시간당 최대 1,200장을 처리하며, 챔버를 하나씩 정비할 수 있다고 소개한다. 앞선 모델인 SU-3200은 3층 타워 넷에 챔버 12개로 시간당 최대 800장이었다. 다른 회사들도 비슷하다. Tokyo Electron의 CELLESTA-i는 세정 챔버를 최대 20개 달아 시간당 650장을 내고, Lam Research의 EOS는 공정 챔버를 최대 16개 단다. ACM Research의 Ultra C SAPS는 챔버 8·12·18개 모델이 시간당 최대 225·375·800장이다. KCTech의 Wezen SSP는 챔버 8개와 이송 로봇 2대에서 공정 시간 34초면 시간당 460장 이상, 105초면 230장 이상이라고 적는다.

챔버 수를 처리량으로 나누면 챔버 하나가 웨이퍼 한 장을 맡는 평균 시간이 나온다. 공정 시간에 웨이퍼를 넣고 빼는 시간이 더해진 값이다.

KCTech의 두 숫자를 나란히 보면 재미있는 것이 보인다. 공정 시간 105초에서 챔버 하나가 한 장에 쓰는 시간은 125.2초이므로 넣고 빼는 데 약 20초가 든다. 그런데 공정 34초에서는 62.6초이므로 약 29초가 든다(계산). 공정이 짧아지면 웨이퍼를 넣고 빼는 시간이 오히려 늘어난 것이다. 챔버가 일을 마치고 로봇을 기다리기 때문이라고 보면 설명이 된다(원리에서 나온 해석). 짧은 공정에서는 로봇이, 긴 공정에서는 챔버 수가 처리량을 정한다. 6절의 처리량 시뮬레이터가 이 두 숫자로 맞춰져 있다.

Chuck: 웨이퍼를 어떻게 잡나

매엽 챔버의 중심은 웨이퍼를 잡고 돌리는 스핀 Chuck(Spin chuck)이다. 잡는 방법이 여러 가지다(그림 2). 먼저 볼 것은 가장자리 핀이다. SCREEN의 특허에서 웨이퍼는 스핀 Chuck에 세운 지지 핀 여러 개에 가장자리가 잡혀 돈다. 그런데 핀이 잡은 자리에는 Brush가 닿지 못하므로, 이 특허는 가장자리 위에 고정한 이류체 노즐로 핀이 닿는 띠를 따로 씻고 흔들리는 Brush가 나머지를 씻게 했다. 핀은 씻기 어려운 자리를 만들 뿐 아니라 그 자체가 오염원이 될 수 있다. 가장자리를 잡는 장비와 정렬 핀이 가장자리와 베벨을 오염시킬 수 있지만, 표준 미량 금속 분석은 그 자리에 닿기 어렵다는 지적이 있다.

두 번째는 기체 방석이다. 1987년을 우선일로 하는 SEZ의 특허(지금 권리자는 Lam Research AG)는 압축 기체를 고리 노즐로 보내 받침과 웨이퍼 사이에 기체 방석을 만들고, 그 틈으로 빠져나가는 기체가 처리액이 웨이퍼 아랫면에 닿지 못하게 했다. 이것이 Bernoulli Chuck(Bernoulli chuck, 기체 방석 Chuck)이다. Lam은 DV-Prime·Da Vinci가 자사의 매엽 스핀 기술을 바탕으로 한다고 소개하고, SP Series에서 소자 면을 지키는 Bernoulli Chuck을 쓴다. ACM Research의 뒷면 세정 장비 Ultra C b는 접촉 없는 Bernoulli Chuck에서 나오는 N₂가 뒷면에 약액을 뿌리는 동안 소자 면을 지키며, 휨이 큰 얇은 웨이퍼도 다룬다고 적는다. 세 번째는 진공 Chuck으로, ACM Research의 베벨 식각 장비는 웨이퍼를 진공 Chuck 가운데에 맞춰 올린 뒤 가장자리를 처리한다. Chuck이 공정의 일부가 되기도 한다. SEMES는 고온 매엽 인산 세정 장비 BLUEICE PRIME에 웨이퍼를 데우는 자체 개발 Chuck을 넣어 가운데와 가장자리의 온도 균일도를 높였다고 소개한다. SCREEN의 뒷면 세정 장비 SB-3300은 고유 Chuck으로 소자 면을 지키고 가장자리 잔류물과 앞면으로 돌아 들어가는 액을 막는다고 적는다.

Cup, FFU, 배기: 튄 약액과 공기를 다스린다

회전하는 웨이퍼에서 돌아 나간 약액은 둘레의 컵(Cup, 튐 방지통)이 받는다. 컵을 여러 단으로 만들어 약액마다 따로 받기도 한다. ACM Research의 챔버 사양에는 두 약액까지 따로 회수하는 2~3단 액체 컵, 세정 챔버마다 달린 ULPA FFU, 건조용 N₂ 노즐, 뒷면 세정 노즐 1~3개, 챔버마다 액체 노즐 1~5벌이 적혀 있다. 앞의 SEZ 특허가 이 생각의 원형이다. 받침을 고리 모양 통 안에서 올리고 내려 단계마다 다른 고리 덕트에 맞추면 산과 린스 물을 따로 모을 수 있고, 밸브로 저장 탱크에 되돌리거나 배수로 보낸다.

공기도 공정의 일부다. SCREEN은 FFU의 하강 기류를 고르게 하는 ABG, 튐을 줄이는 ASP, 워터마크 없는 건조를 돕는 공기 보호 노즐 APN을 소개하고, 다른 모델에서는 기류 제어(ASC)가 챔버 사이의 일관성에 기여한다고 적는다. SU-3400은 기류를 자동으로 다스리고 노즐과 약액 순환을 개선해 배기, N₂, 약액 부하를 20% 줄였다고 소개한다. 앞으로 챔버 분위기는 더 엄격해진다. IRDS는 게이트 전 세정, 접촉 전 세정, 실리사이드, Cu가 드러난 공정에서 습식 장비의 환경이 밀폐된 저산소 매엽 챔버로 바뀌며 점점 더 불활성이어야 한다고 적는다.

컵과 배기가 망가지는 방식은 대체로 이렇다(원리에서 나온 해석). 컵 벽에 약액이 말라붙어 쌓이면 다음 웨이퍼 때 튀어 돌아와 입자가 된다. 컵의 단을 바꾸는 시점이 어긋나면 회수하는 약액에 다른 약액이나 린스 물이 섞인다. 배기가 약하면 약액 안개가 웨이퍼 위로 되돌아오고, 챔버마다 배기가 다르면 같은 레시피도 건조와 입자 결과가 갈린다.

노즐과 스캔: 어디에 얼마나 머무나

약액 노즐은 팔에 실려 중심과 가장자리 사이를 오간다. 회전하는 웨이퍼 위에 떨어진 약액은 얇은 액막이 되어 바깥으로 흐르고(5장 액막), 흐르는 동안 식고 반응물을 쓰며 지친다. 노즐이 닿는 바로 아래가 가장 '새' 약액이다. 그래서 노즐이 어디에 얼마나 머무느냐가 반지름별 처리량을 정한다. 장비사들의 설명도 이 방향이다. ACM Research는 웨이퍼가 도는 동안 Megasonic 진동자를 움직이거나 기울여 휜 웨이퍼에서도 모든 점이 같은 에너지를 받게 한다고 설명하고, SCREEN은 SB-3300에서 노즐을 촘촘히 하고 토출을 제어해 고른 식각을 얻는다고 적는다. SEMES는 뜨거운 인산의 가운데–가장자리 온도 차를 Chuck을 데워 줄였다. 연구에서도 매엽 장비의 미세 구조 속 린스는 물 유량, 회전 속도, 물 온도에 따라 달라졌다. 장비사가 사양으로 적는 숫자는 결과다. KCTech는 Wezen SSP의 식각 균일도를 웨이퍼 안·웨이퍼 사이 ≤2.0%, 챔버 사이 ≤3.0%로 적는다.

아래 애니메이션은 이 생각을 학습 모델로 옮긴 것이다. 노즐은 가운데에 정해진 시간만큼 머문 뒤 바깥 끝까지 일정한 속도로 나갔다 돌아온다. 반지름 \(r\)의 처리 속도는 노즐이 \(r_n\)에 있을 때 다음과 같이 두고, 한 주기 동안 평균한다.

모델이 따르는 방향: 웨이퍼가 도는 동안 노즐·진동자를 움직여 모든 점이 같은 에너지를 받게 한다는 설명, 노즐 배치와 토출 제어로 고른 식각을 얻는다는 설명, 가운데–가장자리 온도 차를 줄이는 가열 Chuck, 유량·회전·온도가 린스를 바꾼다는 연구. 식의 모양과 숫자는 이 장이 정한 학습용 가정이다.

온도와 공급 거리: 첫 장 효과

매엽 장비는 약액을 웨이퍼 한 장마다 새로 보낸다. 그래서 '보내는 길'의 상태가 곧 공정이다. ACM Research는 챔버의 약액 유량을 설정의 ±0.3 LPM, 온도를 ±0.5 °C 안에 맞춘다고 적는다. 뜨거운 SPM은 황산을 과산화수소와 섞기 전에 미리 데우고 여러 단계로 가열하며, 두 약액을 배관 안에서 섞는다. 길이 길면 문제가 생긴다. Samsung의 특허에서 열교환기부터 노즐까지 배관은 15~17 m였고, 공정이 쉬는 동안 열교환기와 차단 밸브 사이에 고인 약액의 온도가 바뀌어 다음 웨이퍼에 처음 닿는 약액이 어긋났다. 특허는 쉬는 동안 노즐이 우회·되돌림 길로 약액을 흘려 배관 속 약액을 늘 같은 온도로 두는 해결을 냈다. 쉬고 난 뒤 첫 웨이퍼만 결과가 다른 현상을 흔히 첫 장 효과(First wafer effect)라 부른다. 장비사들은 길을 줄인다. SCREEN은 약액 공급부를 장비 뒤쪽에 두어 공급원과 웨이퍼 사이 거리를 줄였고, 장비 안에서 바로 주입하는 방식(DDI)이나 캐비닛형 공급을 고르게 했다. Lam Research는 장비에 붙인 작은 약액 공급부가 Adder와 수율 이탈을 줄인다고 주장한다.

회수: 매엽에도 약액조가 다시 생긴다

매엽의 약점은 약액 사용량이다. ACM Research의 기술 논문은 매엽 SPM에서 뜨거운 약액의 일부만 웨이퍼에 닿고 대부분은 웨이퍼 밖으로 돌아 나가 버려지므로 황산 사용량과 폐액이 크다고 지적한다. 그래서 매엽 장비도 약액을 모아 다시 쓴다. 이것을 약액 회수(Chemical reclaim)라 한다. Tokyo Electron의 CELLESTA는 약액 재활용을 내장하고, Lam Research의 EOS는 용매 약액을, DV-Prime은 약액을 회수하며, SP Series는 약액을 여러 번 순환해 쓴다. ACM Research는 컵 단마다 두 약액까지 회수하고, SEMES는 BLUEICE PRIME의 재활용 장치 부피를 25% 줄였다고 소개한다(모두 회사 설명). 그런데 회수하는 순간 매엽 장비에도 약액조가 다시 생긴다. 회수 탱크에는 웨이퍼에서 녹아 나온 것이 쌓이고, 농도와 온도가 흘러간다. 3절의 Bath age와 교차 오염 질문이 회수 탱크에 그대로 돌아온다(원리에서 나온 해석).

챔버 매칭

챔버가 스무 개면 스무 개의 서로 조금씩 다른 장비가 있는 셈이다. 같은 조건에서 여러 챔버의 결과 차이를 관리 범위 안으로 맞추는 일을 챔버 매칭(Chamber matching)이라 한다. 장비사도 이를 설계 목표로 둔다. SCREEN은 기류 제어가 챔버 사이의 일관성에 기여한다고 설명하고, KCTech는 챔버 사이 식각 균일도를 사양(≤3.0%)으로 적는다. 같은 레시피에서 챔버가 달라지는 원인은 지금까지 본 부품들이다. 노즐 위치와 유량(위 애니메이션의 ④), 노즐 끝과 컵의 오염, 배기와 기류, 핀과 Chuck의 접촉, 공급 배관의 길이와 온도, 센서의 교정이 챔버마다 조금씩 다르다(원리에서 나온 정리). 그래서 챔버마다 기준 상태를 정해 두고 정비(PM) 전후로 같은 모니터 웨이퍼를 돌려 비교한다. KLA는 공정 장비를 패턴 없는 웨이퍼 검사로 단계마다 적격 판정하고 가장 나쁜 장비부터 고쳐 가는 'Dog Tool Program'을 소개한다. 매엽 장비에서는 '장비'를 '챔버'로 바꿔 읽으면 된다.

Scrubber, 뒷면, 베벨: 앞면 말고도 씻을 곳

Scrubber: 솔과 분사를 한 챔버에

솔(Brush)과 이류체 분사로 입자를 떼는 매엽 장비를 Scrubber(Spin scrubber, 스핀 스크러버)라 한다. 원리는 4장(Brush·Spray·Aerosol)에서 보았다. 솔은 입자에 닿아야 뗄 수 있어서, 닿지 않은 솔이 1 µm 넘게 떨어져 있으면 0.1 µm 입자를 거의 떼지 못했다. 장비는 이 원리를 부품 배치로 담는다. Tokyo Electron의 특허는 Brush가 닿는 점과 이류체가 뿜는 점을 함께 중심에서 가장자리로 옮기되 분사를 Brush보다 중심 쪽에 두어, Brush가 떼어 낸 입자가 다시 붙지 않고 바깥으로 쓸려 나가게 했다. 같은 회사의 이류체 노즐 특허는 출구를 좁혀 방울 크기와 속도를 고르게 했다. 너무 큰 방울은 패턴을 손상시키고 너무 느린 방울은 씻지 못하기 때문이다.

제품으로는 이렇다. SCREEN의 SS-3300S는 챔버 최대 16개와 이송 두 줄로 시간당 최대 1,000장을 처리하고, 배기를 다시 돌려 쓰는 선택 사양으로 총 배출을 65% 줄인다고 소개한다. Tokyo Electron의 CELLESTA MS2는 이류체 분사와 Brush로 웨이퍼 양면을 한 번에 세정해 양면이 필요할 때 1.5배 넘게 생산적이고, 씻지 않는 면을 지키려고 DIW나 기체를 쓸 필요가 없으며, 웨이퍼를 잡는 방식 덕에 가장 바깥 가장자리와 베벨까지 씻는다고 적는다. ACM Research의 Ultra C s는 부드러운 N₂ 분사의 이류체 분무와 압력을 정밀하게 조절하는 뒷면·베벨 Brush를 쓰며, 300 mm용 챔버 8개를 앞면 넷, 뒷면 넷으로 나눈다. CMP 뒤 세정 모듈에서의 Brush는 CMP 책(세정 모듈)에서 자세히 다룬다.

Scrubber의 소모품은 단연 솔이다. 솔은 입자를 떼는 도구이면서 오염원이 된다. Entegris의 특허는 CMP 뒤 잔여물의 정의에 Brush에서 떨어져 나온 입자를 넣었다. 그래서 솔은 사용 시간이나 처리 장수로 관리하고, 새 솔은 쓰기 전에 길들이며, 솔을 바꾼 뒤에는 모니터 웨이퍼로 입자를 확인한다(원리에서 나온 해석). 솔이 웨이퍼를 누르는 압력과 회전력(토크) 기록은 솔의 상태를 보는 창이다. CMP 책은 이를 'Brush는 오염원이기도 하다'에서 다룬다.

뒷면: 보이지 않는 면의 오염

웨이퍼 뒷면은 소자가 없지만 깨끗해야 한다. 뒷면에 남은 입자와 금속은 다음 장비의 Chuck과 반송 부품으로, 그리고 같은 약액조의 다른 웨이퍼로 옮겨 갈 수 있다(원리에서 나온 해석). Osaka와 Hattori가 담금 세정 전에 앞뒷면을 문질러 닦으라고 권한 것도 이 때문이다. 뒷면만 씻는 장비도 있다. SCREEN의 SB-3300은 약액과 Brush를 동시에 쓰는 뒷면 세정 장비로, 4층 타워에 챔버 16개를 쌓아 웨이퍼를 뒤집는 시간을 포함해 시간당 최대 700장을 처리하고, 노즐을 촘촘히 하고 토출을 제어해 휨을 줄이는 고른 식각을 한다고 소개한다. 뒷면 막을 일부러 벗기기도 한다. Lam Research는 3D NAND에서 웨이퍼 휨과 응력을 조절하려면 뒷면 막을 없애야 한다고 설명하고, EOS의 고유 Chuck으로 뒷면 막 제거 모양을 조절한다고 적는다. 앞에서 본 Bernoulli Chuck은 뒷면에 약액을 뿌리는 동안 N₂로 소자 면을 지킨다.

베벨: 가장자리에서 떨어지는 것

웨이퍼 가장자리의 비스듬한 면(베벨)에 남은 막과 잔여물은 문제의 씨앗이다. Lam Research는 연차 보고서에서 웨이퍼 가장자리의 원치 않는 마스크, 잔여물, 막이 벗겨져 소자 영역에 다시 붙는 결함원이 된다고 적고, 플라즈마로 베벨을 지우는 Coronus® 제품군이 고유한 가둠으로 활성 다이 영역을 지키며 다음 플라즈마 공정의 아킹을 막으려 금속막도 없앤다고 설명한다. 습식으로 베벨을 깎는 장비도 있다. ACM Research의 Bevel Etch는 가장자리의 절연막, 금속, 유기막을 습식으로 식각하며, 베벨 식각 폭을 1–7 mm로 정하고 균일도를 ±0.1 mm로 맞춘다고 적고, 3D NAND·DRAM·MEMS·로직에서 가장자리 벗겨짐·입자·잔류물로 가장자리 수율을 잃는다고 설명한다. 도금 장비가 웨이퍼 가장자리의 Cu를 지우는 EBR(Edge Bevel Removal)은 METAL 책(도금 장비)에 있다.

배치와 매엽, 그리고 Hybrid: 고르는 기준

'배치는 낡은 방식이고 매엽은 새 방식'이라는 구분은 틀렸다. 두 방식은 서로 다른 것을 잘한다. 배치는 여러 장을 같은 조건으로 오래 처리하는 데 강하고, 매엽은 한 장마다 시간과 약액과 순서를 따로 다루는 데 강하다. 고를 때 묻는 질문은 '이 단계는 여러 장을 공통 조건으로 묶어도 되는가, 아니면 한 장씩 따로 다뤄야 하는가'다. 처리 시간이 긴가 짧은가, 막과 패턴이 얼마나 약한가, 웨이퍼끼리 오염을 나눠도 되는가, 건조가 얼마나 어려운가, 약액을 얼마나 쓰는가를 함께 본다. 아래 표는 이 장에서 읽은 자료가 말하는 기준이다.

처리량: 공정 시간이 승부를 정한다

처리량을 단순하게 계산해 보자. 배치 장비는 2절에서 본 대로 가장 긴 단계와 옮기는 시간이 박자를 정하고, 한 박자에 한 배치(예 50장)가 나간다. 매엽 장비는 챔버 하나가 한 장을 맡는 시간(공정 시간 + 넣고 빼는 시간)으로 챔버 수를 나누되, 로봇이 낼 수 있는 처리량을 넘을 수 없다. 이 장의 학습 모델은 다음과 같다.

모델의 근거: 매엽 처리량 숫자, 배치 처리량 숫자. 두 식은 박자와 병렬 처리의 원리에서 세운 학습용 식이다.

처리량만 보면 긴 처리는 배치가 이긴다. 그런데도 매엽이 늘어나는 것은 처리량이 아닌 다른 기준, 곧 웨이퍼마다 새 약액, 한 장씩의 제어, 건조와 대기 시간, 약한 패턴 때문이다. 시장 숫자가 이를 보여 준다. SCREEN의 반도체 장비 매출 가운데 매엽 세정 장비는 2024~2026 회계연도와 2027 회계연도 1분기에 70·80·75·75%, 배치 세정 장비는 20·15·20·20%였다(5% 단위로 반올림한 회사 자료). 매엽이 대세지만 배치도 꾸준히 팔린다. 같은 회사의 말도 쓰임에 따라 다르다. ACM Research는 Wet bench 소개에서 배치가 첨단 노드에서도 여전히 좋은 선택이라고 쓰고, Hybrid 장비 소개에서는 지금의 SPM 벤치 장비가 28 nm 아래 노드에 필요한 세정 성능을 낼 수 없다고 쓴다. 두 문장 모두 회사의 판매 문장이다. 어느 공정의 어느 단계를 두고 하는 말인지 따져 읽어야 한다.

이 문제의 근거: 매엽 SPM은 뜨거운 약액의 일부만 웨이퍼에 닿고 대부분 버려진다는 지적과 Hybrid의 절감량, 배치가 순환·여과로 약액을 다시 쓴다는 설명, 매엽 장비의 약액 회수.

Hybrid: 둘을 이어 붙이기

배치의 약액 절약과 매엽의 정밀함을 함께 얻으려는 설계가 Hybrid 세정 장비(Hybrid bench–single wafer system)다. ACM Research의 Ultra C Tahoe는 25장짜리 배치 모듈에서 순환하는 SPM으로 처리하고 QDR로 헹군 뒤, 웨이퍼가 젖은 채로 매엽 챔버(9개)로 옮겨 SC1, HF, 오존수 같은 다음 단계를 한다. 회사는 시간당 200장 넘게(12챔버 매엽 SPM 장비와 비슷), 26 nm에서 평균 입자 6개 미만, 황산 사용 최대 75% 감소를 내세운다. 같은 회사가 공개한 기술 논문은 하루 2,000장 기준으로 매엽 SPM보다 H₂O₂를 하루 852 L(94%), H₂SO₄를 하루 1,608 L 줄였다고 적는데, 황산 절감을 본문에서는 '33%'로, 초록에서는 'SPM 약액 80% 넘게'로 적어 서로 맞지 않는다. 제품 페이지의 '최대 75%'까지 세 숫자가 있는 셈이다. 이런 경우 하나를 골라 외우지 말고 '회사 자료가 서로 다른 절감률을 제시한다'고 기억하는 것이 정확하다. 절감량 1,608 L를 2,000장으로 나누면 웨이퍼당 약 0.80 L다(계산).

이 논문에는 장비 설계의 이유가 되는 실험도 있다. SPM과 QDR 뒤 웨이퍼를 말려 3시간 두었더니 40 nm 이상 입자가 297–331개 늘었고, SC1만 다시 하면 117–130개로 줄었지만, 젖은 채로 매엽 챔버로 옮기는 통합 순서에서는 −1~−9개였다. 저자들은 잔사가 한번 마르면 SPM과 SC1 전체를 다시 하지 않고는 지울 수 없다고 적었다. '마르기 전에 옮긴다'가 장비 구조가 된 것이다.

다른 조합도 있다. ACM Research의 Ultra C pr은 담금 탱크에서 두꺼운 PR을 불린 뒤 매엽 챔버 1–4개에서 Strip을 마친다. Hattori 등은 매엽 스핀 세정 장비에 대기압 플라즈마 장치를 더해, 고 Dose로 주입된 PR을 2분 안에 벗기고 그 자리에서 세정했으며, 따로 둔 건식·습식 장비보다 면적은 1/3 미만, 50장을 처리하는 사이클 시간은 1/4 미만이었다고 보고했다. Tokyo Electron의 ZETA+는 밀폐된 배치 분무 장비로, 약액을 '새 약액 한 번 통과 또는 순환'으로 고를 수 있고, 회사는 배치 분무가 매엽 PR Strip보다 경제적이라고 주장한다. 이온 주입 뒤 PR Strip은 7장(Dry Clean과 PR Strip)에서 다룬다.

약액 자체를 줄이는 방향도 오래되었다. Ohmi는 다섯 단계 상온 습식 세정으로 약액을 RCA의 1% 미만, 초순수를 5%로 줄였다고 보고했고, Hattori 등은 극도로 묽힌 HF와 질소 Jet의 매엽 스핀 세정이 20초 만에 입자와 금속을 지우면서 45 nm 폴리 게이트를 손상시키지 않았고 HF 폐액은 CaF₂로 회수했다고 보고했다. 매엽의 약액 사용량은 묽은 약액과 짧은 시간으로도 줄일 수 있다.

약액 공급: 공급 장치, 혼합, 농도 감시, Auto-spike

약액이 웨이퍼까지 오는 길

약액은 세정 장비 안에서 생기지 않는다. 드럼이나 탱크로 들어온 약액이 공장의 약액 공급 장치(Chemical delivery system, CDS)에서 걸러지고 섞여 배관으로 장비까지 온다. IRDS는 이 길 위의 지점에 이름을 붙였다(그림 3). 약액을 들여오는 곳이 POS, 공급 장치(또는 초순수 설비)의 최종 필터 출구가 POD, 밸브 분기함(VMB)이나 지관이 갈라지는 곳이 POC, 장비나 중간 탱크의 입구가 POE, 약액조의 입구나 분사 노즐의 입구가 POU, 웨이퍼와 닿는 곳이 POP다. 순도 목표를 말할 때 어느 지점의 값인지가 중요하다. 같은 약액도 길을 지나며 배관, 밸브, 필터, 탱크를 만나기 때문이다.

어디서 섞나: 현장 혼합, 사용 지점 혼합, 장비 안 혼합

SC-1이나 SPM처럼 세정 약액은 여러 원액을 섞어 만든다(3장 RCA 세정). 섞는 자리가 셋이다. 첫째는 공장 안에서 미리 섞는 현장 혼합(On-site blending)이다. Air Liquide의 1995년 특허는 초고순도 약액을 농도마다 따로 실어 오면 비싸므로 진한 약액을 들여와 현장에서 섞으면 물 운송과 재고를 줄이고 농도를 실시간으로 맞출 수 있다고 적었다. 이 특허는 혼합액 속 음속으로 혼합비를 재어 '200분의 1 이하'의 혼합 정확도를 낸다고 했고, 농도가 흔들리면 식각 속도와 선택비가 불확실해진다고 이유를 댔다. 배경에 적힌 금속 목표는 총 300 ppt 미만, 한 금속 10 ppt 미만이었다.

둘째는 쓰기 직전에 섞는 사용 지점 혼합이다. CFMT의 특허는 다시 쓰는 약액이 증발과 소모로 농도가 바뀌는 문제를, 한 번만 통과시키는 약액으로 피하자고 했다. 그리고 농도를 직접 재는 전도도계나 pH 탐침이 유량계보다 덜 믿음직하고 교정이 많이 필요하다고 보아, 농도를 아는 흐름들의 유량 비로 농도를 계산했다. 셋째는 장비 안 혼합이다. ACM Research는 SAPS V의 인라인 혼합(In-line mixing)이 탱크를 자동으로 바꾸는 방식을 대신해 공정 시간을 줄인다고 소개하고, 뜨거운 SPM은 배관 안에서 섞는다(CIM). SCREEN은 장비 안에서 바로 주입하는 방식(DDI)과 캐비닛형 공급 가운데 고르게 한다.

얼마나 깨끗해야 하나

IRDS는 액체 약액을 두 갈래로 나눈다. 식각·CMP·도금처럼 약액의 농도(assay)가 가장 중요한 Functional Chemistry와, 이물질이 없는 것이 가장 중요한 Cleaning Chemistry다. 세정 약액은 관리 항목이 더 많고 한계가 더 엄격하며, 확산 전 세정이 가장 엄격한 불순물 수준을 이끈다. 2023년 표의 숫자 몇 개를 옮기면 다음과 같다. 로드맵의 목표이지 어떤 팹의 관리 기준이 아니다.

표의 출처: IRDS 2023 수율 향상 표 YE3의 2023년 열. 초순수의 목표와 설비는 10장(양산 관리)에서 다룬다.

표에서 POP 입자 목표가 공급사 목표의 1/10이라는 점을 보자. 약액이 공급사를 떠난 뒤 길 위의 필터들이 그만큼 더 걸러야 한다는 뜻이다(표에서 읽은 해석). 그런데 2절에서 본 것처럼 액체 입자 계수기는 30~40 nm까지만 잴 수 있어, 20 nm 목표의 입자는 직접 세기 어렵다. 그래서 약액 순도는 필터의 등급, 공급 경로의 재질과 운전 안정성, 모니터 웨이퍼의 결과를 함께 놓고 판단한다.

농도를 재는 법

3절에서 본 대로 약액조의 성분은 시간에 따라 흘러간다. 그래서 장비와 공급 장치에 농도 모니터(Chemical concentration monitor)를 단다. 방식은 여러 가지다.

모니터도 교정이 어긋날 수 있는 센서다. Raman 모니터도 적정 같은 기준 분석으로 교정한다. 앞의 CFMT 특허처럼 센서보다 유량계를 믿는 설계도 있다. 어느 쪽이든 '모니터 값'과 '실제 농도'가 같은지 확인하는 절차가 함께 있어야 한다.

Auto-spike: 줄어드는 만큼 더한다

성분이 줄면 더한다. 장비가 정해진 규칙에 따라 약액을 자동으로 더하는 것을 Auto-spike(자동 보충)라 한다. 규칙은 두 가지다. 정해진 간격마다 정해진 양을 더하는 일정 간격 보충과, 모니터가 잰 농도가 기준 아래면 더하는 되먹임 보충이다. Sematech의 특허가 비판한 1993년의 방식이 앞의 것이었다. 정해진 간격으로 보충하고 액위만 보았기 때문에 약액이 정상에서 벗어나도 알 수 없었다. 과산화수소가 1차 반응으로 분해된다고 보면 두 보충 사이의 농도는 다음과 같다.

아래 도전 과제에서 보충 일정을 짜 보자. 3단계에서는 약액에 금속이 섞여 분해가 빨라진다. Knotter 등이 보인 Cu·Fe 촉매 경로를 떠올리면 된다.

장비사와 제품

이 절은 세 원칙으로 쓴다. 제품 이름은 회사 공식 페이지에 적힌 그대로 옮긴다. 회사가 스스로 내세우는 숫자와 말은 '회사 설명'으로 읽는다. 시장 지위는 회사의 연차 보고서나 투자자 자료에 적힌 문장만 옮기고, 출처를 확인하지 못한 제3자의 점유율 숫자는 쓰지 않는다. 장비사 이름은 순위를 외우려는 것이 아니라 배치·매엽·Hybrid·Scrubber를 각 회사가 어떻게 구현했는지 비교하려고 본다. 공개된 사양으로 특정 팹의 장비 구성이나 레시피를 짐작해서도 안 된다.

건식 세정과 PR Strip 장비를 만드는 회사(PSK, Mattson Technology, 유진테크, Applied Materials 등)는 7장(Dry Clean과 PR Strip)에서 본다.

시장 지위를 적은 1차 문서는 이렇다. Lam Research는 2026년 연차 보고서에서 습식 세정 시장의 주 경쟁사로 SCREEN, SEMES, Tokyo Electron을 꼽는다. ACM Research는 2025년 연차 보고서에서 매엽 세정·Tahoe·준핵심 세정 장비 매출이 6억 2,600만 달러로 그해 매출의 69.5%였고, 세정 제품이 2025년 장비 시장 가운데 약 73억 달러 규모를 다룬다고 추정하며(점유율이 아니라 회사가 겨누는 시장의 크기), 장비 가격이 50만 달러에서 500만 달러 넘게까지라고 적는다. 세정·도금·퍼니스의 주요 경쟁사로는 Lam Research, NAURA, SCREEN, SEMES, Tokyo Electron, Kokusai를 든다. Tokyo Electron은 통합 보고서에서 자체 추정으로 세정(매엽과 배치 포함)에서 3위라고 표시한다. SCREEN의 매출 구성은 6절에서 보았다.