-MFC 구성 및 특징
반도체 제조 공정에서는 다양한 gas가 사용되며 이들의 유량을 정밀하게 제어하는 것이 공정의 품질과 안정성을 유지하는 핵심 요소다. 이러한 유량 제어 기술에서 대표적인 부품이 MFC(Mass Flow Controller) 다.
-유량 제어 기술의 중요성
최근 반도체 제조 공정에서는 나노 단위의 미세한 패턴을 형성하기 위해 정밀한 gas 제어 기술이 필수적이다. 각 gas는 특정한 목적을 가지고 사용되며 공정 챔버 내에서 필요한 양과 압력을 정확하게 조절해야 한다.
-MFC의 기능과 작동 원리
MFC는 질량과 유량을 측정하고 제어하는 부품으로 반도체 공정에서 매우 중요한 역할을 한다. Recipe 기반의 공정 운영 방식을 사용하여 특정 시점에 필요한 gas를 정량 주입할 수 있도록 설계되어 있다.
일반적으로 반도체 공정 설비에는 수십 개의 MFC가 사용되며 각 요소 기술에 맞춰 gas 유량을 측정하고 제어한다. gas는 온도 압력 부피의 영향을 받기 때문에 SCCM(Standard Cubic Centimeter per Minute) 또는 SLM(Standard Liter per Minute) 등의 표준 단위를 사용해 유량을 측정해야 한다.
-Thermal 유량 센서의 원리
열을 이용해 유량을 측정하는 Thermal 유량 센서는 반도체 공정에서 가장 오래 사용된 기술 중 하나다. 크기가 작아야 하는 반도체 공정에서 높은 정밀도와 안정성을 제공하는 센서로 히터와 두 개의 온도 센서(T1, T2)로 구성된다.
gas 흐름이 없을 때는 T1과 T2의 온도가 동일하다.
gas가 흐르기 시작하면 T1은 일정한 온도를 유지하지만 히터를 통과한 gas가 T2를 가열하여 T2 온도가 상승한다.
유량이 많아질수록 T2 온도 상승 폭이 커지고 유량이 적어지면 T2 온도 변화가 작아진다.
유량과 온도차(T2-T1)는 비례하는 관계를 형성하며 이를 기반으로 유량을 측정할 수 있다.
-MFC의 구동 원리
센서에서 측정된 온도 차이는 전기 신호로 변환되며 신호는 증폭 과정을 거쳐 우리가 이해할 수 있는 유량 값으로 변환된다.
Recipe에서 요구하는 유량과 센서에서 측정된 유량을 비교하여 유량 제어부가 Valve 개폐 정도를 조절한다.
솔레노이드 타입 Valve는 0~24V, 피에조 타입 Valve는 0~120V 범위 내에서 작동하며 전압 조절을 통해 정밀한 gas 흐름을 조절한다.
이 모든 과정은 MFC 내부에서 100~500ms 이내에 이루어지며 실시간으로 공정 설비에 제공된다.
-Vaporizer 개요 및 필요성
반도체 공정에서 gas를 이용하는 대표적인 공정으로 CVD 공정이 있으며 최근 Precursor를 액체 상태에서 사용하려는 시도가 증가하면서 Vaporizer가 중요한 역할을 하게 되었다.
액체 Precursor는 직접 사용할 경우 wafer 표면에 균일하게 분사되지 않아 불량 발생 가능성이 높아진다.
Precursor를 Vapor 상태로 변환하여 균일한 박막 형성이 가능하도록 해야 한다.
이를 위해 Vaporizer를 사용하여 액체 Precursor를 안정적으로 기화시킨 후 showerhead를 통해 wafer에 고르게 공급한다.
-Vaporizer의 주요 구성 요소
Vaporizer는 크게 세 가지 핵심 부품으로 구성된다.
LFC (Liquid Flow Controller)는 Precursor의 유량을 측정하고 정량적으로 Vaporizer에 공급하는 역할을 한다 독립 장치로 운용되지만 Vaporizer의 필수 구성 요소다.
Atomizer (Injector라고도 한다)는 액체 Precursor를 미세한 입자로 분사하여 기화 효율을 증가시키며 Internal Mix와 External Mix 방식으로 나뉜다.
Heat Exchanger는 미세한 액체 입자들이 완전히 기화될 수 있도록 충분한 열을 공급한다.
-Atomizer의 주요 방식
Atomizer의 구조는 크게 Internal Mix 방식과 External Mix 방식으로 나뉜다.
-Internal Mix 방식
Internal Mix 방식은 액체와 가스를 미세 유로 내에서 혼합한 후 노즐을 통해 외부로 분사하는 방식이다. 내부에서 액체와 가스가 혼합된 후 노즐을 통과하며 강한 압력 차이로 인해 미세 입자로 분사된다.
이 방식은 매우 높은 기화 효율을 가지며 동일 크기의 External Mix 방식보다 2~3배 더 높은 기화 성능을 낼 수 있다. 그러나 반도체 공정에서 사용되는 Precursor는 점도가 높거나 기화 과정에서 부산물이 생성될 수 있는데, 이 경우 노즐 내부에서 막힘(Clogging) 현상이 발생할 가능성이 높다. 장기간 사용 시 막힘을 방지하기 위한 유지보수가 필요하며, 일부 Precursor에서는 사용이 제한될 수도 있다.
-External Mix 방식
External Mix 방식은 액체와 가스를 개방된 환경에서 혼합하여 분사하는 방식이다. Internal Mix와 다르게 액체와 가스를 개별적으로 미세 유로를 통해 공급한 후 외부에서 만나 혼합된 상태로 분사된다.
이 방식은 Internal Mix보다 구조적으로 단순하며 점도가 높은 Precursor나 부산물이 생성되는 경우에도 안정적으로 운용할 수 있다. 내부 혼합이 이루어지지 않기 때문에 노즐 내부 Clogging 문제가 발생할 위험이 낮다.
그러나 Internal Mix 방식에 비해 기화 효율이 낮으며 기화 성능을 보완하기 위해 Heat Exchanger에서 추가적인 기화 보상이 필요하다.
-Vaporizer와 증기압 관리
Precursor의 기화는 온도와 압력에 따라 결정되며 각 물질은 고유한 증기압(Vapor Pressure) 특성을 가진다.
낮은 온도와 높은 압력에서는 액상으로 존재한다.
높은 온도와 낮은 압력에서는 Vapor 상태를 유지한다.
Vaporizer 운용 시 대상 물질의 증기압 그래프를 참고하여 기체 상태로 전환할 수 있는 조건을 설정해야 한다.
-Vapor의 온도 및 압력 관리
기화된 Precursor는 배관을 통해 챔버로 이송되는데 이 과정에서 온도와 압력을 철저히 관리해야 한다.
압력 관리는 Precursor와 운송 gas가 하나의 배관에 주입되면 배관 압력이 상승하여 재응축될 가능성이 있기 때문에 필요에 따라 압력을 조절해야 한다.
온도 관리는 Vapor 상태를 유지하려면 배관을 가열하여 재응축을 방지해야 하며 긴 배관일수록 모든 구간의 온도 관리를 철저히 해야 한다.
출처: 한국반도체아카데미
