반도체 제조: 진공과 플라즈마의 역할

1. 진공/플라즈마 장비의 중요성

   진공과 플라즈마는 반도체 공정에서 필수적이다. 첫째로 내부에 존재하는 기체가 적기도 하지만 오염도가 낮아 불량율을 낮추는데 이점이 있다. 둘째로 공정 시간을 단축시키고 제어가 용이한 플라즈마 형성이 가능하다는 장점이 있다.
   각 플라즈마 장비에서 진공에 따라 공정의 특성이 달라질 수 있다. 고순도의 공정을 진행할 수 있으며 분석을 진행할 때에도 진공을 이용하여 대기중의 노출을 방지하거나 외부로터 표면이 오염되는 것을 방지하는 목적으로 사용한다. 이러한 진공/플라즈마 장비는 실제 산업에서 얼마만큼의 비중을 차지할까? 반도체 장비의 비중은 대략 전공정 70%, 후공정 30%로 구성된다. 상대적으로 전공정 분야는 미세화 기술 등 반도체 칩의 품질을 좌우하는 단계로 높은 기술 수준이 요구된다. 고품질의 제품을 만들기 위해서는 진공과 플라즈마를 사용하는 장비의 중요성이 커지고 있다.
   

   이전에는 포토공정에서 진공을 사용하지 않았지만 진공 환경이 필요한 EUV 공정이 도입되며 진공시스템이 적용되고 있다. 식각 공정에서는 반도체의 미세화가 되며 플라즈마를 이용한 건식식각 공정이 많이 사용되고 있다. 이외에도 기판에 불순물을 주입하는 이온 주입 장비, 플라즈마를 이용하는 세정 장비 등 다양한 반도체 공정에 진공 및 플라즈마 장비가 사용되고 있으며 두 기술을 이용한 차세대 장비 역시 지속적으로 개발되고 있다. 그리고 진공, 플라즈마 장비는 반도체 공정에서만 사용되는 것이 아니라 검사 및 측정 장비에도 사용되고 있다.

2. 측정 장비에서 사용되는 플라즈마 장비

   측정 장비는 정확성을 높이기 위해 진공을 이용하거나 미세한 전자선을 이용한다. 이들을 이용해 이차원 방향으로 주사하면 시료 물질의 원자나 전자선의 상호작용으로 2차전자, 반사전자, 투과전자, 가시광선, 적외선 등이 발생한다. 이 신호들을 검출기로 검출하여 시료의 확대 이미지를 얻는 SEM, TEM은 정확한 이미지, 즉 반응기 안에 공기 분자들이 고에너지 입사 전자가 시편에서 방출되는 2차 전자들과의 충돌을 방지하기 위해 진공을 사용한다. 이처럼 반도체 라인에서는 다양한 진공 장비와 플라즈마 장비가 사용되고 있으며 중요성이 점차 커져가고 있다.

• 포토공정

  기존의 ArF, KrF 광원을 사용한 포토 공정에서는 진공이 필요하지 않았었다. 그러나 현재는 포토 공정에서 조차 EUV 기술의 도입으로 인해 진공이 절대 없어서는 안 될 기술이 되었다. EUV 공정은 기존의 포토 공정 기술과는 달리 광원을 반사시켜 노광을 진행하는 방식의 기술이다. 반사된 빛의 흡수를 최소화하기 위해 진공을 만드는 것이다.

• 식각 공정
  식각 공정은 크게 습식 식각 방식과 건식 식각 방식으로 나뉜다. 미세화 패턴을 식각하는데에는 건식 식각 방식이 주로 사용된다. 건식 식각 방식은 진공과 플라즈마를 이용하는 방식으로 어떤 이유로 미세 패턴을 식각하는데에 주로 사용되는지. 플라즈마 장비를 이용한 건식 식각 방식은 원하는 물질만 제거할 수 있는 장점이 있다. 식각 공정 진행 시 원치 않는 잔유물을 남기지 않기 위해 과식각을 진행하는데 과식각하는 동안 제거되지 않아야 할 부분들이 반응하지 않는 것이 중요하다. 뿐만 아니라 제거를 원하지 않는 물질과 반응하지 않는다면 더 미세하고 깊게 원하는 물질을 제거할 수 있다는 장점이 있다.
  

  

  반도체 공정의 미세화가 진행되면서 식각 공정은 더 얇고 길게 물질을 제거하는 기술이 중요해져 플라즈마 장비를 사용할 수밖에 없는 것이다.

• 진공시스템
  
  
  진공 장비의 시스템은 단순 펌프 하나만 이용하여 진공이 확보되는 것처럼 단순하지 않다. 메인 챔버 하나의 진공 확보를 위해서는 여러 개의 밸브와 펌프가 필요하다.

  진공에는 저진공과 고진공 영역으로 나누어지게 되면 각 영역에 맞는 펌프를 사용하게 된다. 메인 챔버에는 저진공 펌프와 고진공 펌프가 사용되게 된다. 각 펌프에 기체가 유입되지 않도록 각 펌프마다 밸브가 위치한다. 메인 챔버의 저진공 상태를 만들기 위해 사용되는 펌프를 Roughing 펌프라고 하고, 이에 연결된 밸브는 Roughing 밸브라고 한다. 그리고 메인 챔버의 고진공 확보를 위해 고진공 펌프에 연결된 밸브를 Main 밸브라고 한다. 고진공 펌프를 작동시키기 위해서는 반드시 Roughing 밸브를 잠군 후 Main 밸브를 열어 고진공 펌프를 동작시켜야 한다. 이는 대부분의 Roughing 펌프가 oil을 이용한 방식의 펌프를 사용하는데 Roughing 밸브와 ForeLine 밸브 모두 열린 상태로 펌프가 작동하면 oil이 역류해 오염이 발생하거나 펌프가 손상될 수 있어 반드시 순서에 맞게 밸브를 열고 닫아야 한다. Roughing 펌프는 진공시스템에서 메인 챔버의 저진공 상태를 만들기 위한 역할 뿐만 아니라 고진공 펌프의 보조 펌프 역할도 한다. 고진공 펌프는 독자적으로 구동이 어려우므로 반드시 보조 펌프가 필요해 Roughing 펌프는 ForeLine 밸브를 통해 보조 펌프의 역할을 수행한다. 이때도 Oil의 역류를 방지하기 위해 Roughing 밸브와 ForeLine 밸브가 동시에 열리면 안된다.

3. 진공/플라즈마 장비 구조

• 박막 증착 장비

  플라즈마 장비는 보통 클러스터 구조로 이루어져 있다. 이는 반도체 칩의 제조 성능과 생산성 향상을 위해 하나의 웨이퍼 핸들러에 2개 이상 모듈화된 진공 챔버를 부착해 프로세스 스텝을 병렬로 수행하는 멀티 챔버 프로세싱 제조 장비를 의미한다. 생산성 향상을 위해 공정을 동시에 수행할 수 있는 장비인 것이다. 클러스터 장비는 여러가지 프로세스 스텝들을 하나의 장비 안에서 모두 진행할 수 있기 때문에 효율적이며 웨이퍼의 손상과 대기 노출에 의한 오염 등을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

• 클러스터 장비의 구성요소는 크게 Cassette Module, Transport Module, Process Module로 나뉜다.
  

  CM은 클러스터 장비의 웨이퍼 입력과 출력을 담당하는 모듈이다. TM은 웨이퍼를 이동시킬 수 있는 Robot arm을 통해 각 챔버에 웨이퍼를 이동시켜주는 역할을 하는 모듈이다. 여러 개의 챔버에서 웨이퍼들은 TM을 통해 공정간에 이동하게 된다. PM은 실질적인 웨이퍼 공정이 진행되는 모듈로 각 PM마다 공정 Recipe를 선택해 공정을 병렬로 진행할 수 있다. 실제 웨이퍼는 CM에서 TM으로 이동하고 공정 Recipe에 따라 각각의 PM으로 이동해 공정이 진행된 후 다시 TM과 CM을 통해 웨이퍼가 회수되는 과정으로 공정이 진행된다.
  챔버 내에서 진공 환경을 만들기 위해 반드시 필요한 부품인 Gauge, Valve, Sealing. 반도체 공정 챔버는 반도체 제조 공정에서 가장 중요한 장비 중 하나이다. 반도체 공정 챔버는 재료를 증착에서 매우 중요하며 적절한 환경과 조건을 조성해 공정을 안전하게 수행할 수 있도록 한다. 이 챔버에서 Gauge, Valve, Sealing 은 반도체 공정 챔버의 핵심 기술이다. Gauge는 챔버 내 압력을 측정한다. 챔버 내의 고진공 또는 저압 환경에서 정확한 압력 측정이 필수적이다. Valve는 챔버 내의 가스 및 액체의 유입과 배출을 조절한다. 반도체 제조 과정에서는 정밀한 가스 및 액체 유량과 정확한 조절이 필요하다. Sealing은 챔버 내의 가스 누출을 방지한다. 반도체 제조에서는 미세한 입자와 유체가 반도체 제조 과정에 영향을 미치므로 챔버 내의 가스 누출을 최소화 해 깨끗하고 안정적인 환경을 유지해야 한다.
  반도체 공정은 가혹한 환경을 갖고 있다. 반도체 공정의 주재료가 되는 Precursor와 Gas 그 사용 조건이 매우 어렵다. 대부분의 Precursor는 반도체 공정의 용이성을 위해 설계되고 합성된 화학물질이고 외부 누출 발생 시 무색 무취의 액체의 경우에는 누출을 인지하기 어렵지만 독성은 치명적일 수 있다. 대부분의 precursor은 인체에 유해해 직접 노출이 금해진다. Gas는 presursor보다 더 많이 사용되는 주 반도체 재료지만 대부분 치명적인 독성을 갖고있고 일부 gas는 공기 중에 노출 시 자연 산화과정에 발화되어 화재를 발생시킬 수 있다. SIH4는 반도체 공정에서 흔히 사용되는 물질이지만 공기 중에 노출 시 자연 발화되며 주면에 독성이 높은 산화물을 노출한다. 반도체 생산 라인에서 가스 유출 발생되면 반도체 공정에서 매우 치명적인 파티클 관리에도 영향을 줄 수 있다. 반도체 공정 중 증착 공정은 wafer 위에 presursor와 gas를 직접 반응시키는 공정이고 100~550도의 고온에서 진행된다. 반도체 공정은 보통 진공에서 이루어지고 4 Torr~600Torr 수준의 진공 상태에서 진행된다. 필요에 따라 0mTorr에 해당하는 압력까지 펌핑한다.
  만일 공정 챔버가 진공일 때 대기 중의 공기가 들어가면 반도체 공정에서 불순물이기 때문에 precursor, gas에 치명적인 영향을 준다. 첫째로 공정 막질의 불량을 초래한다. 불순물의 유입으로 인해 원하는 막질을 얻을 수가 없게 된다. 유전체 공정이면 원하는 유전율 막을 얻지 못하는 불량이 발생하고 금속배선 공정이면 불순물로 인해 금속 배선의 전도도 불량이 발생될 것이다. 둘째로 파티클이 생성된다. 반도체 공정 반응은 반응 중에 생성되는 부산물의 관리에 신경을 써야 하는데 공기 중의 산소, 이산화탄소, 메탄, 물 등은 precursor와 반응해 의도하지 않은 물질을 웨이퍼 위에 생성한다. 이는 파티클을 생성하여 wafer 생산 수율 불량을 초래한다. 물은 반도체 공정 precursor, gas 등과 매우 쉽게 반응해 부산물을 만들어낸다. 만일 반도체 공정 gas가 외부로 나가면 여러 문제를 초래하기 때문에 각각 사용하는 물질에 대한 Detector를 구비하여 유출 발생 시 대응을 가능토록 한다.

  반도체 공정 챔버의 운영을 위해서 gas 공급은 매우 중요하다. Gas는 종류에 따라 다양한 특성과 요구사항을 가지며 적절하게 공급하고 제어해야 한다. 이를 위해 고성능 valve가 필요하고 gas의 종류에 따라 여러 개의 valve가 필요할 수 있다. 또한 반도체 공정 챔버는 공정 도중 압력을 정밀하게 제어해야 한다. 이를 위해 챔버에 gauge를 설치하고 공정 도중 수시로 챔버 압력을 확인해 제어해야 한다. 일부 gauge는 반도체 공정 설비의 상태를 확인하기 위해서도 사용될 수 있다. 마지막으로 반도체 챔버는 gas 공급라인과 챔버 기밀 구조를 유지하기 위해 sealing이 필요하다. Sealing은 배관과 챔버의 특성에 맞춰 적합한 방법을 선택해야 한다. 이를 효과적으로 유지해야 안정적인 공정이 가능하다. 반도체 공정 챔버를 운용하기 위해서는 valve, gauge, sealing 등에 대한 기술적인 이해와 노하우가 필요하다.
  

  반도체 설비에서 유량제어 밸브는 gas와 precursor 공급에 있어 중요한 역할을 한다. 일반적으로 밸브는 공정에서 필요한 시점에 유량을 흘리기 위해 동작할 필요가 있다. 동작에 필요한 부품은 Actuator이고 방식에 따라 공압 방식, 솔레노이드 방식, 유압식으로 구분된다. 공압 방식은 반도체 공정에서 가장 많이 사용되고 신속하고 정밀하게 제어가 가능하다. 이는 공기의 압력에 의한 구동이다. 솔레노이드 방식은 코일에 전기를 인가해 발생되는 전자기력을 이용한 방식이다. 유압 방식은 유체의 압력을 이용해 구동하는 방식으로 반도체 설비에서는 흔히 사용되지 않는다.

  밸브는 유량을 흘리거나 멈추기 위해 구동하는 부품이다. 반도체 공정에서는 유로의 open, close를 위해 이용되는 방식에 따라 다이어프램 방식과 벨로우즈 방식을 주로 사용한다. 전자는 얇은 금속판 스프링이 actuator의 구동에 따라 open/close되는 방식으로 매우 신속하고 정밀한 유량제어가 가능하고 내구성이 높다. 그러나 금속판 스프링의 높이 한계로 인해 고유량에서는 불리하다. 벨로우즈 방식은 다이어프램보다 높은 밸브 개구부를 확보할 수 있어 고유량에 적합하지만 동작속도가 다소 느리고 내구성이 떨어진다. 대부분의 공정 설비에서는 반도체 공정 gas와 precursor 공급에 있어 다이어프램 방식을 선호한다. 밸브는 아무런 동작이 없을 때 그 상태에 따라 normal close와 normal open으로 나뉜다. Normal close는 아무런 동작이 없을 때 자연적으로 닫히는 기능을 가진 벨브이고 일반적으로 독성이 강한 가스에 사용한다. 필요에 따라 자연적으로 열려 있는 밸브를 사용하는데 비활성 가스에 대해 사용하는 경향이 있지만 normal close와 normal open은 공정과 설비 특성에 따라 선택되기 때문에 설비에서 어떤 방식의 밸브를 사용하는지 알아야 한다.

  반도체 설비에서 압력치 측정은 매우 중요하다. Capacitance Manometer는 반도체 산업에서 널리 사용되는 압력 측정 부품 중 하나로 매우 정확하고 민감한 압력 측정이 필요한 증착 공정에서 중요하다.
  

  Capacitance Monometer는 전극과 금속 다이어프램을 사용하는 것을 특징으로 한다. 이 부품들은 매우 얇은 금속으로 만들어져 있고 압력 변화에 따라 기계적인 변화가 발생한다.
  

  이 변화는 전극 간의 거리 변화로 변환되고 이를 전하량 변화로 측정한다. 이 전하량 변화는 출력 신호로 보정되어 압력 값으로 표시된다.
  

  Capacitance Manometer는 수 Torr의 압력 범위에서 매우 높은 호환성을 가지고 있기 때문에 증착 공정에서 흔히 사용된다. 이 부품은 반도체 제조 공정에서 많은 압력 센서 중 하나이지만 반도체 제조 공정에서는 정확하고 안정적인 압력 측정이 매우 중요하기 때문에 Capacitance Manometer를 주로 사용한다.
  

  또한 Capacitance Manometer는 다른 압력 측정 장비와 비교해 높은 성능을 가진다. 이 부품은 높은 정확도, 반복성, 그리고 낮은 불확실성을 제공한다. 이러한 이유로 반도체 산업에서 매우 중요한 역할을 하며 반도체 제조 공정에서 필수적인 장비 중 하나이다.
  

  반도체 공정에서 배관과 챔버에서의 가스 유입과 유출은 매우 위험하기 때문에 이를 방지하기 위해 각 결합부에는 정교한 sealing 부품이 사용된다. 좁은 범위의 결합에는 금속 재질을 사용하는 방식이 일반적이다. 내식성이 우수한 재질인 SUS316L이나 Nickel 등을 금속 Gasket 형태로 배관과 배관 사이에 삽입해 체결한다. 체결 시에는 금속 gasket 양쪽 면이 배관에 의해 압입되어 금속하고 면 간 결합이 이루어지며 치밀한 결합으로 인해 내부 가스 유출이나 외부 가스 유입을 막을 수 있다.
  

  넓은 면적에서 sealing을 하기 위해서는 탄성이 있는 고무 재질인 O-Ring을 사용한다. 이를 사용하는 경우 미리 기밀이 필요한 면에 O-Ring이 삽입될 수 있도록 사전 가공이 필요하다. 또한 삽입된 O-Ring이 상대편 면과 충분히 접촉할 수 있도록 설계해야 한다. 만약 삽입을 위해 가공되어 있는 면이 너무 깊다면 상대편 면과 접촉하지 못해 기밀상태를 이루지 못한다. 그리고 삽입되는 깊이가 너무 낮으면 O-Ring은 변형되어 면과 면 사이에서 찌부러지게 되어 내구성이 떨어진다. 따라서 해당 공정에서 사용되는 가스의 종류와 온도에 따라 적정하게 맞춰야 한다. 잘못된 O-Ring의 사용은 O-Ring 재질이 경화되거나 변형되어 외부 가스 유입이 가능해지므로 공정 결과에 치명적일 수 있다. 이러한 이유로 인해 sealing 부품은 1회 사용 후 재사용을 금한다. 특히 금속 gasket의 경우 탄성 회복이 불가능해 재사용시 가스의 유출이나 유입이 발생할 가능성이 매우 높다.
  

출처: 한국반도체아카데미