반도체 공통요소기술의 이해_반도체 플라즈마 장비 및 진공 부품 이해

3차시_반도체 플라즈마 장비 및 진공 부품 이해 

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• 진공 / 플라즈마 장비의 중요성 

반도체 공정을 진행하기 위해서는 진공과 플라즈마가 반드시 필요한 요소입니다. 이는 내부에 존재하는 기체가 적기도 하지만 오염도가 낮아 불량율을 낮추는데 큰 기인을 합니다. 그리고 공정 시간을 단축시키고 제어가 용이한 플라즈마 형성이 가능하다는 장점을 가지고 있습니다. 

 

각 플라즈마 장비에서 진공에 따라 공정의 특성이 달라질 수 있습니다. 고순도의 공정을 진행할 수 있으며 분석을 진행할 때에도 진공을 이용하여 대기 중의 노출을 방지하거나 외부로부터 표면이 오염되는 것을 방지하는 목적으로 사용합니다. 그렇다면 이렇게 중요한 진공 및 플라즈마 장비는 실제 산업에서 많은 비중을 차지하고 있을까요?

 

반도체 장비의 비중은 전공정 70%, 후공정 30%로 구성됩니다. 상대적으로 전공정 분야는 미세화 기술 등 반도체 칩의 품질을 좌우하는 단계로 높은 기술 수준이 요구되고 있습니다. 고품질의 제품을 만들기 위해서 진공과 플라즈마를 사용하는 장비의 중요성이 점점 커져가고 있는 것이죠. 

 

이전에는 노광공정에서 진공을 사용하지 않았지만, 진공 환경이 필요한 EUV 공정이 도입되면서 진공 시스템이 적용되어지고 있습니다. 식각공정에서는 반도체의 미세화가 되며 플라즈마를 이용한 건식식각 공정이 많이 사용되고 있습니다. 이 밖에도 기판에 불순물을 주입하는 이온 주입 장비, 플라즈마를 이용하는 세정 장비 등과 같이 다양한 반도체 공정에 진공 및 플라즈마 장비가 사용되고 있으며 두 기술을 이용한 차세대 장비 역시 지속적으로 개발되고 있습니다. 그리고 진공, 플라즈마 장비는 반도체 공정에서만 사용되는 것이 아니라 검사 및 측정 장비에도 사용되고 있습니다. 

 

검사 및 측정 장비에서 쓰이는 진공과 플라즈마 장비에 대해서 살펴보겠습니다. 측정 장비는 정확성을 높이기 위해 진공을 이용하거나 미세한 전자선을 이용합니다. 이들을 이용해 이차원 방향으로 주사하면 시료물질의 원자나 전자선의 상호작용으로 2차전자, 반사전자, 투과전자, 가시광선, 적외선 등이 발생합니다. 이 신호들을 검출기로 검출하여 시료의 확대 이미지를 얻는 SEM, TEM은 정확한 이미지 즉, 반응기 안에 공기분자들이 고에너지 입사 전자가 시편에서 방출되는 2차 전자들과의 충돌을 방지하기 위해 진공을 사용합니다. 이렇게 반도체 라인에서는 다양한 진공 장비와 플라즈마 장비가 사용되고 있으며 그 중요성이 점차 커져가고 있습니다. 

 

 그렇다면 진공 / 플라즈마 장비가 반도체 공정에서 많이 사용되고 각광 받는 이유에 대해서 좀 더 자세히 살펴보겠습니다. 

먼저 포토 공정입니다. 기존에 ArF, KrF 광원을 사용한 포토공정에서는 진공이 필요하지 않았습니다. 하지만 지금은 포토공정에서 조차 진공이 절대 없어서는 안될 기술이 되었습니다. 그 이유는 바로, EUV 기술의 도입 때문입니다. 

간단하게 살펴보면 EUV 공정은 기존 노광 기술들과 달리 광원을 반사시켜 노광을 진행하는 기술의 방식입니다. 따라서 이 반사된 빛의 흡수를 최소화하기 위해 진공상태를 만들게 되는 것입니다. 

 

다음은 식각 공정입니다. 식각 공정에는 습식 식각 방식과 건식 식각 방식이 존재하는데요. 미세화 패턴을 식각하는데에는 건식 식각 방식이 주로 사용됩니다. 건식 식각 방식은 진공과 플라즈마를 이용하는 방식으로 어떤 이유로 미세 패턴을 식각하는데에 사용되는지 살펴보겠습니다. 

건식 식각 방식

플라즈마 장비를 이용한 건식 식각 방식은 원하는 물질만 제거할 수 있는 장점이 있습니다. 반도체 공정에서 식각 공정 진행 시 원하지 않는 잔유물을 남기지 않기 위해서 과식각을 진행하게 되는데요. 과식각하는 동안 제거되지 않아야 할 부분들이 반응하지 않는 것이 중요합니다. 뿐만 아니라, 제거를 원하지 않는 물질과 반응하지 않는다면 더 미세하고 깊게 원하는 물질을 제거할 수 있다는 장점이 있습니다. 반도체 공정이 미세화가 진행되면서 식각 공정은 더 얇고 길게 물질을 제거하는 기술이 중요해져  플라즈마 장비를 사용할 수 밖에 없는 것이죠. 

 

• 진공 시스템

반도체 공정에서 진공 시스템

반도체 공정에서 반드시 필요한 진공 시스템에 대해서 살펴보겠습니다. 진공 장비 시스템은 단순 펌프 하나만을 이용하여 진공이 확보되는 것처럼 단순하지가 않습니다. 메인 챔버 하나의 진공 확보를 위해서는 여러개의 밸브와 펌프가 필요합니다. 앞서 살펴본 것 처럼 진공에는 저진공과 고진공으로 나눠지게 되면 각 영역에 맞는 펌프를 사용하게 됩니다. 따라서 메인 챔버에는 저진공 펌프와 고진공 펌프가 사용되게 됩니다. 이때 각 펌프에 기체가 유입되지 않도록 각 펌프마다 밸브가 위치하게 됩니다.  메인 챔버에 저진공 상태를 만들기 위해 사용되는 펌프를 Roughing 펌프라고 부르며 이에 연결된 밸브를 Roughing 밸브라고 부르게 되죠. 그리고 메인 챔버에 고진공 확보를 위해 고진공 펌프에 연결된 밸브를 Main 밸브라고 하게 됩니다. 

 

앞서 말한 것 처럼 고진공 펌프를 동작시키기 위해서는 반드시 Roughing 밸브를 잠근 후 Main 밸브를 열어 고진공 펌프를 동작시켜야 하는데요. 그 이유를 조금 더 자세히 살펴보면 대부분은 Roughing 펌프는 Oil을 이용한 방식의 펌프를 사용하고 있습니다. 이때, Roughing 밸브와 ForeLine 밸브 모두 열린 상태로 펌프가 작동되게 된다면 Oil이 역류하여 오염이 발생하거나 펌프가 손상될 수 있어 반드시 순서에 맞게 밸브를 열고 닫아야 합니다.  한 가지 더 살펴보면 Roughing 펌프는 진공 시스템에서 메인 챔버의 저진공 상태를 만들기 위한 역할을 하기도 하지만 이외에도, 또 다른 역할을 하게 되는데요 바로 고진공 펌프의 보조 펌프 역할입니다. 고진공 펌프는 독자적으로 구동이 어려우므로 반드시 보조 펌프가 필요하여 Roughing 펌프는 Fore-Line 밸브를 통하여 보조 펌프의 역할을 수행하고 있습니다. 

 

이때도 마찬가지로 Oil의 역류를 방지하기 위해서 Roughing 밸브와 ForeLine 밸브가 동시에 열리지 않도록 주의가 필요합니다. 

 

• 진공 / 플라즈마 장비의 구조 

앞서 살펴본 바와 같이 진공과 플라즈마가 사용되는 다양한 공정이 있지만 그 중에서 대표적으로 사용되고 있는 박막 증착 장비에 대해서 한 번 살펴보겠습니다. 

 

플라즈마 장비는 보통 클러스터 구조로 이루어져 있습니다. 클러스터 구조란, 반도체 칩의 제조 성능과 생산성 향상을 위해 하나의 웨이퍼 핸들러에 2개 이상 모듈화된 진공 챔버를 부착하여 프로세스 스텝을 병렬로 수행하는 멀티 챔버 프로세싱 제조 장비를 의미합니다. 쉽게 말해서, 생산성 향상을 위해서 공정을 동시에 수행할 수 있는 장비인 것이죠. 클러스터 장비는 여러가지 프로세스 스텝들을 하나의 장비 안에서 모두 진행할 수 있기 때문에 굉장히 효율적이며 웨이퍼의 손상과 대기 노출에 의한 오염 등을 방지할 수 있다는 장점이 있습니다. 

클러스터 구조

클러스터 장비의 구성요소에 대해서 살펴보겠습니다. 클러스터 장비는 크게 Cassette Module, Process Module, Transport Module로 나뉘어지게 됩니다. CM은 클러스 장비의 웨이퍼 입력과 출력을 담당하는 모듈입니다. TM은 웨이퍼를 이동시킬 수 있는 Robot arm을 통해서 각 챔버에 웨이퍼를 이동시켜주는 역할을 하는 모듈입니다. 여러 개의 챔버에서 모든 웨이퍼들은 이 TM을 통해서 공정간에 이동되게 되는 것이죠. 마지막으로 PM은 실질 적인 웨이퍼 공정이 진행되는 모듈입니다. 각 PM마다 공정 Recipe를 선택하여 공정을 병렬로 진행할 수 있는 것이죠. 실제 웨이퍼는 CM에서 TM으로 이동하고 TM에서 공정 Recipe에 따라 각각의 PM으로 이동하여 공정이 진행된 후 다시 TM과 CM을 통해 웨이퍼가 회수되는 과정으로 공정이 진행되게 됩니다. 

 

※ 챔버 내에서 진공 환경을 만들기 위해 반드시 필요한 부품 Gauge, Valve, Sealing 

 

반도체 챔버는 반도체 제조 공정에서 가장 중요한 장비 중 하나입니다. 반도체 공정 챔버는 재료를 증착에서 매우 중요하며 적절한 환경과 조건을 제공하여 공정을 안전하게 수행할 수 있도록 합니다. 그리고 이 챔버에서 Gauge, Valve, Sealing은 반도체 공정 챔버의 핵심 기술입니다. Gauge는 챔버 내의 압력을 측정합니다. 챔버내 고진공 또는 저압 환경에서 정확한 압력 측정이 필수적입니다. Valve는 챔버 내의 가스 및 액체 유입과 배출을 조절합니다. 반도체 제조 과정에서는 정밀한 가스 및 액체 유량과 정확한 조절이 필요합니다. Sealing은 챔버 내의 가스 누출을 방지합니다. 반도체 제조에서는 미세한 입자와 유체가 반도체 제조 과정에 영향을 미치므로, 챔버 내의 가스 누출을 최소화하여 깨끗하고 안정적인 환경을 유지해야 합니다.  

 

• 반도체 공정 환경 

반도체 공정 챔버는 매우 가혹한 환경을 가지고 있습니다. 먼저 반도체 공정의 주재료가 되는 Precursor와 Gas 그 사용 조건이 매우 어렵습니다. 대부분의 Precursor는 반도체 공정의 용이성을 위해 설계되고 합성된 화합물질이며 외부 누출이 발생 시 무색무취의 액체의 경우에는 우리가 누출을 인지하기 어렵지만 그 독성은 매우 치명적일 수 있습니다.

 

대부분의 Precursor는 인체에 유해하기에 직접 노출은 금하고 있습니다. 그리고 Gas는 Precursor보다 더 많이 사용되는 주 반도체 재료이지만 대부분 매우 치명적인 독성을 가지고 있고 일부 Gas는 공기 중에 노출시 자연 산화과정에 발화되어 화재를 발생시킬 수 있습니다. 특히 SIH4(실란)은 반도체 공정에서 흔히 사용되는 물질이지만 공기중에 노출 시 자연 발화되며 주변에 매우 독성이 높은 산화물을 배출할 수 있습니다. 그리고 반도체 생산 라인에서 이런 가스 유출이 발생된다면 반도체 공정에서 매우 치명적인 파티클 관리에도 영향을 줄 수 있습니다. 그리고 반도체 공정 중 증착 공정은 웨이퍼 위에 Precursor와 Gas를 직접 반응시키는 공정이며 상당한 고온에서 진행됩니다. 이런 환경은 마치 태양에 밀접한 금성의 온도와 유사한 500도씨에서 공정이 이뤄지는 경우도 있기에 온도 관리에 매우 신중해야 합니다.

 

마지막으로 압력입니다. 반도체 공정은 우리가 알고 있는 1기압에서 진행되는 경우가 매우 드뭅니다. 거의 대부분의 반도체 공정은 진공에서 이뤄지고 있으며 약 4Torr ~ 600Torr 수준의 진공 상태에서 공정이 이루어지게 됩니다. 4Torr는 대기가 희박한 화성의 압력과 유사합니다. 필요에 따라서 0mTorr에 해당하는 압력까지 펌핑을 하게되는데 이는 가스가 존재하지 않은 우주의 상태와 동일하다고 생각하면 좋을 것 같습니다.

 

• 반도체 공정 챔버와 대기와의 관계 

그렇다면 이번에는 반도체 공정 챔버와 우리가 익숙한 대기와의 관계를 알아보겠습니다. 만약에 공정 챔버가 진공일 때 대기중의 공기가 들어가면 어떻게 될까요 ? 우선 반도체 공정 챔버에 들어간 공기는 반도체 공정에서 필요하지 않은 불순물입니다. 그래서 반도체 공정을 위해 주입한 Precursor와 Gas에 대해 치명적인 영향을 끼치게 됩니다.

 

첫번째는 공정 막질의 불량입니다. 불순물의 유입으로 인해 우리가 원하는 막질을 얻을 수 가 없게 됩니다. 유전체 공정이면 우리가 원하는 유전율 막을 얻지 못하는 불량이 발생되며 금속배선 공정이면 불순물로 인해 금속 배선의 전도도 불량이 발생될 것입니다. 두번째는 파티클의 생성입니다. 반도체 공정 반응은 반응 중에 생성되는 부산물의 관리에 신경써야 합니다. 공기중의 산소, 이산화탄소, 메탄, 물 등은 Precursor와 반응하여 의도하지 않은 물질을 Wafer 위에 생성할 것입니다. 이는 대부분 파티클 형태로 존재하며 Wafer 생산 수율 불량을 초래합니다. 특히 H2O은 반도체 공정 Precursor, Gas 등과 매우 쉽게 반응하여 부산물을 만들어 내기에 조심해야 합니다.

 

만약에 반도체 공정 Gas가 외부로 유출되면 어떻게 될까요? 반도체 공정에서 사용되는 Gas와 Precursor는 인체에 매우 치명적입니다. 대부분 주요 반응 Gas는 폭발성, 독성, 부식성, 자연 발화성 등 사용 조건에 따라 많은 문제를 유발할 수 있습니다. 그리고 반응성이 저은 불활성 Gas의 경우라도 높은 압력으로 인해 잘못 사용시 작업자와 주변 환경에 치명적인 사고가 발생할 수 있기에 사용하는 Gas와 Precursor에 대해 충분한 이해가 필요합니다.

 

반도체 공정 설비는 이러한 문제점을 막기 위해 각각 사용하는 물질에 대한 Detector를 구비하여 유출 발생시 신속하게 작업자와 환경을 보호할 수 있게 하는 것을 의무화하고 있습니다. 다만 이런 조치는 사건 발생 후에 대응이 가능하기에 반도체 공정 설비의 운용에 있어서 챔버의 관리 기술은 매우 중요합니다.

 

• 플라즈마 장비 진공 부품

반도체 공정 챔버 운용

반도체 공정 챔버의 운용을 위해 고려해야 할 요소 중 하나는 Gas 공급과 관련된 것입니다. 반도체 공정에서 사용되는 Gas는 종류에 따라 다양한 특성과 요구사항을 가지며 이를 적절하게 공급하고 제어해야 합니다.

 

이를 위해 고성능 Valve가 필요하며 Gas의 종류에 따라 여러 개의 Valve가 필요할 수 있습니다. 또한, 반도체 공정 챔버는 공정 도중 압력을 정밀하게 제어해야 합니다. 이를 위해 챔버에 Gauge를 설치하고, 공정 도중에도 수시로 챔버 압력을 확인하여 제어해야 합니다. 일부 Gauge는 반도체 공정 설비의 일부 Gauge는 반도체 공정 설비의 상태를 확인하기 위해서도 사용될 수 있습니다. 마지막으로 반도체 챔버는 Gas의 공급라인과 챔버 기밀 구조를 유지하기 위해 Sealing이 필요합니다. Sealing은 배관과 챔버의 특성에 맞추어 적합한 방법을 선택해야하며, 이를 효과적으로 유지해야 안정적인 공정이 가능합니다.

 

따라서 반도체 공정 챔버를 운용하기 위해서는 Valve, Gauge, 그리고 Sealing 등에 대한 기술적인 이해와 노하우가 필요합니다. 반도체 설비에서 유량제어 밸브는 Gas와 Precursor 공급에 있어서 매우 중요합니다.

 

통상적으로 밸브는 공정에서 필요한 시점에 유량을 흘리기 위해 동작할 필요가 있습니다. 동작에 필요한 부품을 Actuator라고 하며 그 방식에 따라 공압 방식, 솔레노이드 방식, 유압식으로 구분됩니다. 공압 방식은 반도체 공정에서 가장 많이 사용되며 신속하고 정밀한 제어가 가능합니다. 솔레노이드 방식은 코일에 전기를 인가하여 발생되는 전자기력을 이용한 방식입니다. 유압방식은 유체의 압력을 이용하여 구동하는 방식으로 반도체 설비에서는 흔히 사용되지는 않습니다. 밸브는 유량을 흘리거나 멈추기 위해 구동하는 부품입니다.

 

반도체 공정에서는 유로의 open/close를 위해 이용되는 방식에 따라 다이어프램 방식과 밸로우즈 방식을 주로 사용합니다. 다이어프램 방식은 얇은 금속판 스프링이 Acturactor 구동에 따라  Open/Close 되는 방식으로 매우 신속하고 정밀한 유량제어가 가능하며 높은 내구성을 가지고 있습니다. 다만 금속판 스프링의 높이 한계 때문에 고유량에서는 다소 불리한 구조를 가지고 있습니다. 밸로우즈 방식은 다이어프램보다 높은 밸브 개구부를 확보할 수 있기에 고유량에 적합하지만 다소 느린 동작 속도와 내구성이 떨어지는 단점을 가지고 있습니다.

 

대부분의 공정설비에서는 반도체 공정 Gas와 Precursor 공급에 있어 다이어프램 밸브를 선호합니다. 밸브는 아무런 동작이 없을 때 그 상태에 따라서 Normal Close와 Normal Open으로 나뉩니다. Normal Close는 아무런 동작이 없을 때 밸브가 자연적으로 닫히는 기능을 가지는 밸브를 말하며 일반적으로 독성이 강한 가스에 흔히 사용됩니다.

 

필요에 따라서 자연적으로 열려 있는 밸브를 사용하게 되는데 이 방식을 Normal open 방식이라고 하며 비활성 가스에 대해 사용하는 경향이 있으나 Normal Close와 Normal Open은 공정과 설비 특성에 따라 선택되기에 설비에서 어떤 방식의 밸브를 사용하는지 알아야할 필요가 있습니다. 반도체 설비에서 압력의 측정은 매우 중요합니다. Capacitance Manometer는 반도체 산업에서 널리 사용되는 압력 측정 부품 중 하나입니다. 이 부품은 매우 정확하고 민감한 압력 측정이 필요한 증착 공정에서 특히 중요한 역할을 합니다. Capacitance Manometer는 전극과 금속 다이어프램을 사용하는 것을 특징으로 합니다.

 

이 부품들은 매우 얇은 금속으로 만들어져 있으며, 압력 변화에 따라 기계적인 변화가 발생합니다. 이 변화는 전극 간의 거리 변화로 변환되고, 이를 전하량 변화로 측정합니다. 이 전하량 변화는 출력신호로 보정되어 압력값으로 표시됩니다. 

 

Capacitance manometer는 수 Torr의 압력 범위에서 매우 높은 호환성을 가지고 있기 때문에 증착공정에서 흔히 사용됩니다. 이 부품은 반도체 제조 공정에서 많은 압력 센서 중 하나이지만 반도체 제조 공정에서는 정확하고 안정적인 압력 측정이 매우 중요하기 때문에 Capacitance Manometer를 주로 사용합니다. 또한, Capacitance Manometer는 다른 압력 측정 장비와 비교하여 높은 성능을 가지고 있습니다. 이 부품은 정확도와 반복성, 그리고 낮은 불확실성을 제공합니다. 이러한 이유로 Capacitance Manometer는 매우 중요한 역할을 하고 있으며, 반도체 제조 공정에서 필수적인 장비 중 하나입니다.