SC-1とSC-2とは

THEME 02 パターン形成 · 洗浄・ウェット工程SC-1 and SC-2 (Standard Clean 1 / Standard Clean 2)

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SC-1とSC-2とは、どちらも過酸化水素を土台にしながら、片方をアルカリ性、もう片方を酸性に振ることで、落とす相手を分けた2つの洗浄液です。 SC-1が有機物とパーティクルを、SC-2が金属汚染を受け持ちます。

SC-1は表面を薄く削って汚れを浮かせるので、落とす力と表面の荒れは同じ働きから出ています。

1種類の薬液では、有機物・パーティクル・金属のどれかを取りこぼす

ウェーハから取り除く汚れは、ゴミ、金属汚染、有機汚染、油脂、自然酸化膜の5種類です¹。ゴミの大きさは最大で数マイクロメートル、最小では0.1マイクロメートル以下で、業界ではこれをパーティクルと呼びます。金属汚染の例には蒸発した汗に含まれるナトリウムや薬液中の微量な重金属が、有機汚染の例には人のフケや垢に含まれる炭素、純水配管の中のバクテリアがあります。

性質がここまで隔たったものが、同じ1枚の面に乗っています。有機物は膜のように広がり、パーティクルは表面に載り、金属は表面に取り込まれます。作用する化学が相手ごとに別なので、1種類の薬液でまとめて狙うと、この3つのどれかを取りこぼします。取りこぼしたものは次の工程へそのまま持ち越されます。洗浄という工程が受け持っているのは、この持ち越しを断つことです。

同じ過酸化水素を、pHの逆側で使う

SC-1はアンモニア水と過酸化水素の水溶液、SC-2は塩酸と過酸化水素の水溶液です²。SC-1が有機物の溶解除去と非溶解性パーティクルの剥離除去を、SC-2が金属イオン汚染物の除去を受け持ちます。RCA洗浄はWerner Kernが1965年ごろに開発し、1970年にRCA Review誌で公表しました。

過酸化水素は両方に入っており、別なのはpHだけです。アンモニアを加えればアルカリ性、塩酸を加えれば酸性になります。この振り分けが、落ちる相手を決めます。

土台は同じで、振る向きだけが逆です

2つの洗浄液は、pHの軸の両端にあります。酸性側のSC-2は金属を溶かして金属イオンとして液へ移し、アルカリ側のSC-1は表面の薄い層ごとパーティクルを浮かせます。浮かせる力は、表面を減らす作用と同じ働きから出ています。

SC-1で落ちた分だけ、表面は荒れる

鏡面研磨ウェーハの洗浄はほとんどをRCA法かその改良法が占め³、それぞれの洗浄には金属不純物の付着とパーティクル再付着という副作用があります。SC-1洗浄時の金属汚染を減らすには、洗浄液へキレート剤を加える方法があります³。

1200℃・1時間の水素アニールで整えたシリコン（100）面、ミスオリエンテーション0.04度以下のウェーハを原子間力顕微鏡で測ると、表面粗さRmsはアニール直後が0.075ナノメートル、オゾン水と希フッ酸で洗った後が0.098ナノメートル、SC-1で洗った後が0.132ナノメートルでした。SC-1後は原子ステップの構造がランダムに変わり、粗さが約2倍に増えています。

SC-1は「荒らすから落ちる」薬液です。したがって濃度と時間の設計は、どこまで削ってよいかの設計とほぼ同じ話になります。DHF洗浄が自然酸化膜だけを落とし、オゾン水洗浄が表面の荒れをより小さく抑える方向へ伸びてきたのも、この一点への答えです。

現場は、レシピの温度よりずれていく濃度を見張る

SC-1は温度を40〜60℃程度まで上げるため、アンモニアの蒸発が激しくなります³。そこでインラインで薬液濃度を測り、アンモニアと過酸化水素の適切な量を継ぎ足すフィードバックの仕組みが使われています。槽内の温度と循環流量の安定化、薬液濃度の最適化、液交換時間の短縮もあわせて求められる機能です。パーティクルを減らすには、超純水と薬液のクリーン化、薬液の循環と濾過効率の増大、洗浄槽内の流れの制御が重要です。

元のRCA洗浄は、溶融石英の容器に入れ、75〜80℃でウェーハを浸すものでした²。温度は上げれば落ちますが、上げるほどアンモニアが飛んで組成が動きます。現場が見ているのは、レシピに書かれた温度そのものよりも、時々刻々ずれていく濃度のほうです。

300mmの多槽バッチ式洗浄装置では、クロスコンタミネーションとケミカルキャリーオーバーを抑えるため、専用ボートキャリアや洗浄槽内の受け台によるキャリアレスの方式が採られています³。2016年時点の見通しでは、25ナノメートルの大きさのパーティクルの管理も必要になるとされています。

槽の並べ方にも同じ取引が出ます。ふつうのウェットステーションでは1つの槽で使える薬液が1種類にとどまるため¹、複数の汚れを相手にするほど薬液槽の数が増え、薬液が混ざるのを避ける都合から槽の編成は薬液と純水が交互に並ぶ形になります。薬液と純水で洗うこの方式は環境への負荷が大きく、オゾンなどを含む純水で洗う機能水洗浄が広まれば、腐食性や毒性の高い廃液を減らせるとされています。

どの段も、落とす力と引き換えに何かを差し出します

SC-1、リンス、SC-2、乾燥のどの段にも、落ちるものと差し出すものが対になります。工程を短くしたい要求と、汚染をこの段で断ちたい要求は、この対の上でぶつかります。

バッチで安く流すか、枚葉で1枚ずつ揃えるか

RCA洗浄は、硫酸と過酸化水素水、室温の希フッ酸、アンモニア水と過酸化水素水、塩酸と過酸化水素水などによる洗浄方法の総称です⁴。日本半導体製造装置協会（SEAJ）の用語集は考案時期を1975年ごろとしており、半導体歴史館の1965年ごろ開発・1970年発表とは10年の幅があります。

東京エレクトロンのバッチスプレー式洗浄装置ZETA+シリーズは、RCA洗浄や希フッ酸のウェットエッチなどに適用でき⁵、最大8種類の薬液供給に対応し、混合比や濃度、温度をレシピで設定できます。同社は、ミニエンバイロメント機構を備えた全自動機が枚葉式洗浄装置と比べてはるかに優れた経済性を発揮するとしています。

枚葉式洗浄はウェーハ搬送とウェーハ面内特性の均一性でバッチ式より有利³とされています。半導体工場では、費用と狙う工程に応じて両方を併用するのが通例です¹。安く大量に流すか、1枚ずつ揃えるかという選択が、SC-1とSC-2をどちらの装置で流すかに重なります。

最後に乾かすところで壊れる

薬液が汚れを落としても、工程はもう1段続きます。シリコンが露出したゲート酸化前などの表面に純水の水滴が残ると、シリコンの溶解や水滴のふちでの酸化が起き、乾いた跡にシリコン水和物がクレーター状に残ります。これがウォーターマークで、続くゲート酸化膜などの欠陥を誘発します。

SCREENホールディングスは2022年、北海道大学低温科学研究所との共同研究で、洗浄後の乾燥でナノ構造物が倒壊する挙動を透過型電子顕微鏡で観察した⁶と発表しました。倒壊は液体の表面張力によって起き、洗浄液を表面張力の低い2-プロパノール（IPA）へ置き換えてから乾かすことで防がれてきましたが、7nmや5nmといった世代ではIPAでも倒壊を防ぐことが難しくなってきています。SC-1とSC-2をどれだけ丁寧に流しても、最後の一瞬で構造が倒れれば、その洗浄の結果は失われます。

よくある質問（FAQ）

SC-1とSC-2とは何ですか？

どちらも過酸化水素を含むウェーハ洗浄液で、pHを逆側に振ってあります。SC-1はアンモニア水を加えたアルカリ性で、有機物とパーティクルを落とします。SC-2は塩酸を加えた酸性で、金属汚染を落とします。

なぜ薬液を2種類に分けるのですか？

落とす相手の性質が別だからです。有機物は膜のように広がり、パーティクルは表面に載り、金属は表面に取り込まれます。作用する化学が相手ごとに別なので、1種類でまとめて狙うとどれかを取りこぼし、取りこぼしたものは次の工程へ持ち越されます。

SC-1でパーティクルが落ちるのはなぜですか？

表面をわずかに溶かすためです。パーティクルが載っていた面そのものが薄く削れると、足場を失って液の中へ浮きます。有機物も同じアルカリ側で分解されます。つまり除去の力と表面を削る作用は、同じ働きの表と裏になります。

SC-1の代償は何ですか？

表面が荒れることです。高温の水素アニールで整えた面をSC-1で洗った測定では、原子ステップの構造がランダムに変わり、表面粗さが約2倍に増えました。SC-1やSC-2には、金属の付着とパーティクル再付着という副作用もあります。

現場ではSC-1の何を見ていますか？

薬液の濃度と温度です。SC-1は40〜60℃程度まで温度を上げるためアンモニアの蒸発が激しく、インラインで濃度を測ってアンモニアと過酸化水素を継ぎ足すフィードバックの仕組みが使われています。槽内の温度と循環流量も安定させます。

SC-1とSC-2は今も使われていますか？

基礎として使われています。鏡面研磨ウェーハの洗浄はほとんどがRCA法かその改良法で、東京エレクトロンのバッチスプレー式洗浄装置もRCA洗浄を適用できるプロセスに挙げています。一方で、オゾン水や希フッ酸との組み合わせへ置き換える動きも並行しています。

洗浄の最後に何が起きますか？

乾燥です。水滴が残るとウォーターマークができ、続くゲート酸化膜などの欠陥を誘発します。SCREENホールディングスは2022年、乾燥時に細いナノ構造物が液体の表面張力で倒れる挙動を観察したと発表しました。薬液が汚れを落としても、乾かすところで構造が倒れれば、その洗浄の結果は失われます。

比較・違いを学ぶ

RCA洗浄とは── SC-1とSC-2を含む薬液体系の全体像
DHF洗浄（希フッ酸洗浄）とは── 自然酸化膜だけを落とす、目的の異なる薬液
SPM洗浄（硫酸過酸化水素水洗浄）とは── 厚いレジストや有機残さを落とす、より強い酸化側
オゾン水洗浄とは── 表面を荒らしにくい方向への置き換え
枚葉式洗浄（シングルウェハ洗浄）とは── 同じ薬液を1枚ずつ当てる装置の側

出典

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