반도체 공통요소기술의 이해_플라즈마 장비 주요부 MFC, Vaporizer

4차시_플라즈마 장비 주요부 MFC, Vaporizer

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• MFC 구성 및 특징 

MFC는 반도체 공정 장비에서 사용되는 유량제어 기술 중 하나임. 반도체 제조에서는 다양한 Gas가 사용되며, 이러한 Gas를 정확하게 제어하는 것이 반도체 제조 공정의 품질과 안정성을 유지로 이어짐.

 

증착 반응 Gas, 불활성 Gas, Doping Gas, Etching Gas

Gas 제어 기술과, 유량제어 장비인 MFC (손바닥에 올라 갈 수 있을 정도로 작음)

 

• Recipe

반도체 공정에서 Recipe라는 공정 운영 방식을 사용합니다. 이는 각각의 요소 기술들을 조합하여 반도체 칩을 생성합니다. 반도체 공정에서 정량의 Gas를 필요한 시점에 주입하여 엔지니어가 원하는 반도체 칩을 생성할 수 있도록 함.

 

▶ MFC는 원하는 Gas를 명령하면 자동으로 원하는 유량을 측정하고 제어 

▶ 반도체 공정 설비에서는 수십 개의 MFC를 운영 

 

• 유량의 단위 

어떤 단위를 사용할 것 인가?  → Gas는 온도와 압력에 따라 부피가 바뀜 → 유량을 정할 때는 온도와 압력에 대한 기준이 필요함 ! 

 

반도체 공정에서는 이를 표준상태 (Standard State)라 하며 0℃, 1atm 이라 한다. , 이때 흐르는 유량을 SCCM, SLM이라고 한다.

• MFC 구성 

MFC 구성

1. Gas 유로부 : MFC 내부로 Gas 유입 
2. 유량센서부 : Gas의 흐름을 전기적으로  바꿈, Thermal 센서, 압력식 센서 사용 
3. 유량제어부 : Valve를 개폐하여 원하는 유량이 나오도록 제어, Valve 타입은 Solenoid와 Pizo 타입을 사용
4. 신호처리부(회로) : 센서에서 측정되는 유량과 유량 제어 Valve의 동작 정도를 결정하고 설비, 통신 가능한 통신 보드 포함. 

 

• MFC 유량 측정의 원리 : Thermal Sensor 

유량 측정 기술

 

MFC는 1개의 히터와 2개의 온도센서(T1, T2)가 있음. 가스가 흐르면 각각 센서에 측정되는 온도가 다르고 온도 차이가 발생함. 유량이 많을 수도록 온도 변화는 크다.

 

• MFC 구동원리 

MFC 구동원리

센서에서 나오는 온도차는 부품 레벨에서는 온도에 따른 저항의 변화로 인지되며 이를 통한 미세한 센서의 출력값을 얻게 됨. 미세한 센서 출력값은 그대로 사용하기 어렵기 때문에 전기회로를 통해 증폭시키는 기능이 필요하다. 이렇게 증폭된 신호는 선형화 작업을 통해 우리가 알 수 있는 유량으로 표기되며 센서에서 읽어 들인 유량이 Recipe에서 요구되는 유량과 비교하여 후단에 있는 유량제어부가 구동할 수 있게 전압을 인가한다. 통상적으로 솔레노이드 타입은 0~24V를 피에조 타입은 0~120V를 이용하여 밸브의 개폐 정도를 미세 제어하며 원하는 유량에 도달할 때 까지 피드백 제어를 하게됨. 이 모든 과정은 통상적인 경우 MFC 내부에서  100~500ms 이내에 이루어지며 요구되는 유량이 도달되는 모든 과정을  통신 보드를 통해서 반도체 공정설비에 제공됨. MFC는 가스의 유량을 센싱하고 제어하는 기능을 가지고 있어 가스의 유량을 정확하게 제어할 수 있음.

 

• 반도체 설비에서 MFC 적용 

반도체 공정에서 사용되는 Gas는 인체에 매우 유해하므로, Gas Pannel 또는 Gas Box 내부에 MFC를 모아두어 Gas의 안전한 관리를 보장한다.

• Vaporizer 구성 및 특징 

 

• 반도체 공정에서 기화 장치가 필요한 이유 

PECVD 공정과 ALD 공정

반도체 공정 중 증착 공정에서는 PECVD / ALD 공정이 대표적임. 이 두가지 공정 모두 웨이퍼 위에 반도체 공정에서 필수적인 막질인 절연막, 금속 도선을 만들기 위해 사용됨. 이런 막질을 모두 Gas에 의존하여 공정을 진행해 왔지만, 지금의 반도체 기술은 지속적으로 개발되어 왔고 항상 보다 나은 반도체를 만들기 위해 노력했음. 

설비나 관련 부품들만 개발되어서 이러한 반도체 공정을 개선할 수 있을까? 어려운 일임. 그래서 반도체 재료가 되는 신규 물질에 대한 연구는 지속되고 있고 지금은 Gas상의 물질보다 액체상의 물지이 더 많이 사용됨. 우리는 이런 물질을 Precursor 또는 전구체라고 말하며, 우리가 원하는 공정 성능을 얻기 위해 합성된 물질을 말한다.  반도체 공정에서는 이런 Precursor를 사용하여 원하는 막질을 형성하고 불필요한 부산물을 제거하여 반도체 공정에 효율성을 높이고 있음. 

 

CVD / ALD 중요 Precursor Boiling Point

TEOS, DIPAS 등은 PECVD / ALD 공정에 자주 사용되는 물질이며 끓는 점은 100 ~ 200℃ 사이에 존재함. 그래서 우리가 살고 있는 상온에서는 액체 상태이며, 공정에 사용되기 위해서는 기화 장치를 이용해야함. 

 

• Vaporizer의 구성

Vaporizer의 구성

반도체 공정에서 액상 Precursor를 기체로 바꾸는 부품을 Vaporizer라고 부른다. Vaporizer의 구성은 크게 3가지로 나뉨

 

1. 유량을 제어하는 LFC는 Vaporizer의 일부는 아니고 유량을 제어하는 독립 장치이지만 Vaporizer의 운용에서 꼭 필요한 부품임. LFC는 액상의 Precursor의 유량을 측정하고 정량 제어하여 기화기로 보내주는 역할을 한다. 
2. Atomizer라고 불리는 노즐 장치는 일부 제조사에 따라 Injector라고 불리기도 하지만 기능은 동일하다. Atomizer는 액체 Precursor를 작게 쪼개는 역할을 한다. 기화의 원리에서 중요한 것은 표면에서 기화가 이루어지는 것이다. Atomizer는 고속 노즐의 구조를 통해 액상을 수 um(마이크로) 레벨로 작게 쪼갤 수 있기에 기화기 효율을 증가시키는데 많은 역할을 한다. 
3. Heat Exchanger는 말 그대로 열교환 장치이며 작게 쪼개진 물방울들이 충분히 기화할 수 있도록 열에너지를 공급하는 장치임. 기화 중에는 많은 열에너지가 필요하기 때문에, Heat Exchanger는 Vaporizer에서 매우 중요한 역할을 한다. 

• Vaporizer와 증기압 

우리는 Vaporizer에서 Vapor영역에 대해 중요하게 생각해야 하며 각 물질마다 해당 영역에 도달하기 위한 조건을 이해하야함. 반도체 공정에서 사용되는 물질에 따라 기화기의 운용 조건을 최적화 할 필요가 있다. 

온도와 압력에 따른 액상과 기상영역

 

• Vapor Line 온도관리

Vaporizer와 공정 챔버 구성

Vapor가 이송되는  Vapor Line은 거의 대부분 가열되고 있으며, 거의 대부분의 증착 공정은  매우 낮은 압력에서 진행되기에  Vaporizer 보다 낮은 압력을 유지한다. 그래서 Vaporizer를 통과하는 Precursor는 기화된 후 공정이 이루어지는 챔버로 이송하게 되며 챔버에 다가갈 수록 낮은 압력으로 인해  Vapor 상태를 유지하기 유리한 조건에 도달한다. 

반도체 공정 설비의 운용에서  매우 중용한 관리 항목은 온도와 압력의 관리이다. 

 

Vapor Line의 압력관리와 온도관리