- 진공의 역할과 반도체 공정에서의 사용
반도체 공정에서 진공은 대기압보다 낮은 압력 상태를 의미하고 불순물을 제거하고 공정의 정확도를 높이는 데 중요한 역할을 한다. 진공의 유지는 세 가지 이유로 인해 진행된다. 먼저 불필요한 이물질이 공정 중에 칩에 침투하는 것을 방지하는 것, 남아있는 이물질의 영향의 최소화, 그리고 특정 온도를 유지해 안정적으로 공정을 진행할 수 있다는 것 때문에 진공의 유지는 필수적이다.
진공이 중요한 이유는 식각이나 증착 과정에서 원하는 물질만 반도체 기판에 남길 수 있도록 도와주기 때문이다. 예를 들어, 플라즈마 식각 공정에서는 특정 영역만을 깎아내야 하는데 진공 상태가 아니면 플라즈마 영역이 움직여 다른 곳까지 식각할 수 있다. 산소만으로도 막질을 형성할 수 있기 때문에 진공은 필수적이다. 또한, 진공의 중요성은 기체의 움직임이 온도와 압력에 민감하기 때문인데, 대기압에서 온도를 올린다면 기체 속 분자의 움직임이 커져 온도와 압력이 계속 증가하게 된다. 이로 인해 챔버가 버티지 못해 이를 방지하기 위해 진공 상태가 필수적이다.
- 반도체 공정에서 펌프의 역할
펌프는 모터를 빠르게 회전시켜 압력을 낮추는 장비로, 저진공 펌프에서 고진공 펌프 순으로 작동시켜 다양한 영역대의 진공을 만드는 장비다.
이러한 펌프는 구조와 효율의 문제로 인해 구간을 나누는 데 부품 교체 시 챔버의 내부 압력이 대기압과 동일하게 되야만 한다. 만일 그렇지 않다면 압력차로 인해 폭발이 발생한다. 이는 대기압까지 압력을 천천히 올리는 것으로 해결 가능하다. 만일 압력을 빨리 올리게 된다면 펌프가 빨리 작동해야 하기 때문에 팬이 고장나 천천히 올려야 한다. 압력을 올리는 것은 저진공 펌프에서 고진공 펌프를 사용하는 것이 아닌 벨브를 통해 이루어진다. 저진공 펌프는 항시 가동하며 벨브를 통해 조절한다. 챔버를 대기압으로 바꿀 때는 펌프와 챔버 사이에 벨브를 설치해 벨브를 잠궈 독립적인 공간을 만든다. 챔버 내부에 N2같은 반응성이 낮은 기체를 넣어 압력을 서서히 올린다. (반대로 대기를 진공상태로 만들 때는 챔버와 저진공용 펌프 사이에 챔버와 저진공 펌프 사이에 벨브를 열어 빠른 시간 안에 저진공 영역으로 바뀐다.) 저진공용 펌프 벨브를 잠구고 고진공용 펌프 벨브를 열면 챔버 내부를 빠르게 고진공으로 만들 수 있다. 이렇게 벨브를 사용한다면 펌프의 내구성에 무리를 주지 않고 24시간 작동할 수 있다.
- 평균 자유 이동 거리와 이상기체 방정식
MFP는 기체 분자가 다른 기체 분자와 충돌 후 또 다른 기체 분자와 충돌할 때까지의 거리다. 이는 반도체 공정에서의 정확성에 큰 영향을 준다.
또한 이상기체 방정식을 이용해 기체 분자의 움직임을 예측할 수 있는데, 이상기체 방정식 PV=nRT은 이는 챔버 내 압력과 온도를 조절하는 데 도움이 된다. 기체 분자가 챔버 내에서 너무 활발히 움직이면 원하는 반응이 일어나지 않을 수 있기 때문에 평균 자유 이동 거리와 이상기체 방정식을 통해 이러한 문제를 제어할 수 있다.
4. 플라즈마의 역할
플라즈마는 물질이 에너지를 공급받아 고체에서 액체, 기체로 상태가 변화하고, 기체가 추가 에너지를 받아 이온화됨으로써 형성된다.
이 상태에서는 양이온과 자유 전자가 함께 존재하고 고유한 전도성을 지니게 된다. 플라즈마의 형성 과정에서 저온 전자가 전기장에 의해 고온 전자로 가열된 후 이 고온 전자가 중성 기체 원자와 충돌하여 전자를 떼어내면서 이온화가 발생하고, 이로 인해 양이온과 전자가 생성된다.
플라즈마 내부에서 이러한 입자들은 끊임없이 충돌하면서 다양한 반응을 일으키는데 주요 반응으로는 여기를 통한 전자의 Excitation(고온 전자가 충돌해 중성 원자의 전자가 기존의 궤도에서 벗어나는 것)과 전자가 다시 원래의 궤도로 돌아가며 빛 에너지를 방출하는 Relaxation가 있다.
그리고 해리 반응을 통해 분자들이 분해되어 반응성이 높은 Radical을 형성하게 된다. 활성종은 매우 불안정하여 주변 물질과 쉽게 화학 반응을 일으키며, 반도체 공정에서는 이러한 활성종을 이용하여 CVD나 식각 공정에서 원하는 화학적 변화를 일으킨다.
5.플라즈마의 종류
DC 플라즈마: DC Power, 직류를 이용한 플라즈마로 한 쪽은 양극, 다른 쪽은 음극을 나타낸다. 양극 쪽으로 음이온 이동, 음극 쪽으로 양이온 이동하는데 음극 쪽에는 전자는 멀어지고 양이온만 많아지는 음극 Sheath이 생성된다. 이 음극 Sheath는 플라즈마와 음극 사이에 전기적 장벽을 형성하여 음극에 양이온이 집중적으로 충돌하게 만든다. 음극 쪽에 공정에 사용할 target 물질을 두면 양이온이 물질과 충돌해 물질을 제거하는 sputtering이 발생하고. wafer를 두면 양이온이 부딪히며 etching 발생한다. 이때 양극 쪽에는 전자가 많아져 가벼운 전자는 빠르게 빠져나가는데 음극과 같이 마찬가지로 어두운 영역인 Sheath가 형성된다. 이는 플라즈마의 안정성을 높여주는 중요한 역할을 한다. DC 플라즈마의 이러한 전류가 단일 방향으로 흐르는 특성 때문에 전기적 평형 상태가 깨져 부도체 사용에 제한된다. 부도체 표면에 음극의 경우에는 이온이, 양극의 경우에는 전자가 축적되기 때문이다. 양이온이 축적된 음극은 일정 이상의 양이온이 더 이상 음극으로 다가오지 못하고 결국 표면에서 전기적 평형상태가 깨져 플라즈마가 불안정해지고 결국에는 소멸된다.
RF 플라즈마: 한쪽 극에 교류를 흘러 수시로 전극이 바뀌는 것을 이용한 플라즈마로, 이로 인해 전극 표면에 전하가 축적되지 않고, 전기적 평형이 더 잘 유지되어 부도체와 같은 물질에도 적용할 수 있다. 일반적으로 양이온은 전자보다 훨씬 무겁기 때문에 음극에 신속하게 달라붙기 어려워 sputtering이나 etching에서 양이온 충돌의 강도가 약해질 수 있다. +전하를 인가하면 상대적으로 가벼운 전자가 다가오고 기판의 면적이 작은만큼 전자가 표면에 전부 붙지 못하고 위에 남게 되는데, 이때 -전하를 인가하면 남아있는 전자들이 반대쪽으로 멀어진다. 다시 +전하를 인가하면 다시 전자가 몰리는데 기판의 크기가 작은 만큼 이동이 비교적 자유로운 전자가 기판 위에 점차 모이게 됨. 교류를 인가해 +와 -로 바뀌게 되지만 넓은 기판에서는 전자가 골고루 흡수되는 반면 기판의 크기가 작은 곳은 전자가 남게 되고 +를 인가해도 전자가 빠져나가지 못해 특성이 -인 형태가 되게 되는 Self bias를 갖게 된다. 이러한 Self bias는 기판 위에 -전압이 유지되며 양이온들이 지속적으로 target 물질에 끌려와 sputtering와 etching가 가능해진다. 이는 DC 플라즈마와 달리 부도체를 이용한 공정에서도 플라즈마를 이용할 수 있다.
6.플라즈마 장비(CCP와 ICP)
플라즈마 장비는 크게 CCP와 ICP 방식으로 나눌 수 있다.
CCP(Capacitively Coupled Plasma): 단단한 Oxide나 Nitride와 같은 유전체 박막을 Etch할 때 사용하며 가장 보편적이다. 보통 양극 중 Self bias를 이용하기 위해 작은 면적의 기판 쪽에 target을 올리고 이 부분에 RF 전압을 걸어주는 방식을 사용한다. 반대쪽 전극은 ground(접지) 역할을 한다. 주로 고밀도 플라즈마를 필요로 하지 않는 상황에서 널리 쓰인다.
장점: 많은 식각 장비에서 사용하는 방식으로 한쪽에 Power를 걸어주는 방식이라 구조가 단순하다. 플라즈마 균일도가 높기 때문에 wafer 면적이 커져도 대응이 가능하다. 또한 하부 전극과 플라즈마 사이에 높은 전압으로 이온E가 높아져 결합이 강한 물질을 식각 하거나 증착할 때 용이하다.
단점: 플라즈마 밀도가 낮다. 단일 RF 파워만으로 이온 밀도를 충분히 증가시켜야 하지만, RF 전력을 높이면 이온E도 같이 증가해 기판에 손상을 초래할 가능성이 커 이온 E와 전자 밀도를 동시에 제어하는 것 불가능하다. RF power 증가시켜 이온 밀도를 증가시켜서 식각율을 증가시키는 것이 가장 좋지만 Rf power가 증가함에 따라 이온E 증가해 기판에 damage도 증가한다. 그래서 Rf power 낮추면 플라즈마 분산되고 상쇄되는 부분이 많아져 결과적으로 플라즈마 밀도가 낮아지게 된다. 미세공정으로 인해 감에 따라 기술력의 한계가 다가왔다. 식각의 여러 공정 중 하나인 고종횡비 식각 공정은 회로가 미세해짐에 따라 구멍이 점점 좁아지고 깊게 뚫을수록 끝부분을 덜 식각하거나 사선으로 들어가는 경우 엉뚱한 부분을 식각하게 되는 경우 생긴다.
ICP(Inductively coupled plasma): 유도 코일을 사용해 플라즈마 생성하는 방식이다. 코일에 Rf power를 가해 유도전기장 형성하는 방식이고 이를 통해 플라즈마의 밀도와 이온E를 모두 컨트롤할 수 있게 된다.
장점: CCP방식에 비해 ICP 방식이 높은 플라즈마 밀도를 유지할 수 있다. CCP는 고압에서만 플라즈마 밀도를 높일 수 있지만 ICP는 저압에서도 가능하다. 이로 인해 MFP가 증가되어 이온의 방향성이 좋아지고 복잡한 구조의 ETCH가 가능하다.
단점: 플라즈마가 형성되는 영역이 코일에 영향을 많이 받는 만큼 코일의 크기가 곧 플라즈마의 영역이다. 플라즈마 영역을 키우기 위해 무리하게 코일을 키울 경우 플라즈마 영역이 뒤틀리게 되어 오히려 효율 면에서 감소하는 효과 발생한다. 위치에 따라 플라즈마 균일도가 떨어진다. 코일도 기본적으로 원모양의 회전하는 모양을 갖고 있지만 안테나의 구조에 따라서 플라즈마의 균일도도 천차만별로 바뀐다. 플라즈마는 코일의 모양을 따라 정해진 경오를 돌기 때문에 중간과 가장자리 부분의 플라즈마 밀도가 낮아지게 된다. 또한 CCP 방식보다 구조가 복잡하다. 코일이 추가되는 만큼 고려해야 할 변수가 더 늘어났다. 그럼에도 ICP 방식이 더 정밀한 식각 공정을 진행할 수 있어 첨단 공정에서 많이 사용된다.
출처: 한국반도체아카데미
