반도체 기술 - 친수성과 소수성 그리고 반도체 소자에 영향을 주는 오염물

1. 친수성(Hydrophilic)과 소수성(Hydrophobic)

  친수성과 소수성에 대한 차이를 아시나요? 친수성이랑 말 그대로 물과 친하다는 말이고, 물에 대해서 특별히 친화도가 커서 표면에 넓게 퍼지고 최대의 접촉각을 가지는 재료를 친수성이라고 합니다. 반대로 물에 반발하여 구를 형성하는 성질을 소수성이라고 합니다. 

 

친수성, 소수성을 가지는 재료는 평평한 표면에서 물방울의 기하학적 모양으로 분류할 수 있는데 방울의 가장 자리와 아래 표면 간의 각도가 특히 중요합니다. 이를 접촉각 Contact Angle이라고 합니다.

물방울이 퍼져 표면의 큰 면적을 젖게 하면 접촉각은 90도 이하가 되며 표면은 친수성으로 생각할 수 있습니다. 그러나 표면과 거의 접촉하지 않고 동그란 구를 형성하면 접촉각은 90도 이상이 되며 표면은 소수성이라고 불리게 됩니다. 

 

이러한 현상의 모델링은 무엇일까요? 그것은 바로 사용된 재료의 특성에 의해 결정되는 표면 화학으로 알 수 있습니다. 

물 분자는 H2O로 되어 있습니다. 산소 원자와 수소 원자 2개로 이루어 집니다. 이때 산소를 기준으로 104.5도의 각을 이루고 있는데 굽은 구조를 가지다 보니 수소가 모여 있는 쪽은 부분적 +, 반대쪽은 마이너스 전기를 띱니다. 이렇게 분자가 전체적으로는 중성이나 부분적인 전하를 가진 분자를 극성 분자라고 합니다.

 

물 분자는 이러한 극성을 띠는 분자나 이온과 결합을 더 잘합니다. 하지만 이산화 탄소나 산소 같은 극성이 없는 무극성 분자는 물에 잘 녹지 않습니다. 극성 분자 처럼 물과 친한 것을 친수성, 아닌 것을 소수성이라고 하는 것이지요.

 

2. 반도체 소자의 특성에 영향을 주는 오염물

  2-1. 유기 오염물

      유기 오염물은 주로 분자형 오염물로 반도체 소자 제조 공정에서는 포토공정의 포토레지스트 잔유물이 가장 큰 오염원이고 이외 RESINS, 잔류 용매 등의 여러가지 분위기(ambient) 등이 주 오염원입니다. 공기 중에서 실리콘 기판을 취급 및 보관하는 중에도 쉽게 오염되고 유기 용매를 사용했을 때 용매가 증발한 후에도 기판 표면에 잔류 하는 경향이 있습니다. 이것은 실리콘 표면이 소수성(hydrophobic)일 때 더욱 쉽게 오염 됩니다. 이런 성질의 유기 오염물은 소수성 표면 성질을 가지므로 세정 시 세정액의 젖음성(wetting)을 방해하여 세정 효과를 반감 시키고, 표면에 금속 불순물이나 자연산화막을 잔류 시킬 수 있어, 산화막 성장 속도에 영향을 주고 반응성 이온 식각시 미세 마스킹 효과를 일으키며, 제거 되지 않고 남을 때는 증착되는 박막의 부착을 저해 합니다. 잔류 유기 오염물은 실리콘 기판과 반응해 SiC와 같은 화합물로 형성될 가능성이 있습니다. 

  2-2. 파티클

    공정 중 발생하는 먼지 및 여러 설비 이물질, 화학 용액 등이 실리콘 기판 표면에 오염될 수 있습니다.