안녕하세요 갓생준입니다 ! 이 포스트는 한국반도체아카데미에서 온라인으로 무료로 언제나 학습 가능한 과목중 하나인 <반도체 공통요소 기술의 이해> 수업을 듣고 복습하는 포스트입니다 !
진공이란?
흔히 저희는 진공상태라 하면 아무것도 존재하지 않는 상태를 일컫습니다. 하지만 반도체에서의 진공이란 대기압보다 낮은 상태를 의미합니다.
그래서 반도체에서는 대기압보다 낮으면 진공이란 단어로 하나로 일컫냐? --> 아닙니다!
단위 면적당 입자 수에 따라 저진공, 중진공, 고진공, 초고진공 등으로 구분되고 공정에 따라 적합한 환경으로 만들어 사용한다고 합니다.
-> 어떤 공정이 더 낮은 진공을 필요로 하는지 , 왜 이렇게 진공을 나누는건지 , 실제 공정에서는 어떤 환경인지 궁금해졌습니다 !
(AI한테 물어보쟈)
챔버(Chamber)는 반도체 웨이퍼에 미세 회로를 그리기 위해 특정한 진공, 온도, 가스 환경을 인위적으로 조성하는 밀폐된 금속 방(용기)를 말합니다.
챔버 내부를 펌프를 통해 고진공으로 만드는 이유는 대기 중의 산소, 질소, 미세 먼지 등 이물질을 완전히 뽑아내어 웨이퍼 오염을 막고 , 압력을 매우 낮추면 (고진공으로 만들면) 주입된 공정 가스 분자들이 서로 충돌하지 않고 웨이퍼 표면까지 곧바로 도달할 수 있어, 미세하고 깊은 회로를 정밀하게 깎거나 증착할 수 있기 때문에 고진공으로 만든다고 합니다.
평균 자유 이동거리란?
'기체 분자가 다른 기체 분자와 충돌 후 또 다른 기체분자와 충돌할 때 까지의 거리' 이고 식은 다음과 같습니다.
Kb : 볼츠만 상수 (1.38 * 10^-23 J/K)
T : 절대온도 (K)
d : 기체 분자의 충돌 직경 (m)
P : 챔버 내부의 압력 (Pa 또는 Torr)
공정 관점에서는 압력(P)에 반비례하므로, 챔버의 압력을 낮춰 고진공 상태를 만들수록 평균 자유 이동거리(𝜆)가 길어져 직진성이 확보됩니다.
이제 플라즈마와 관련된 용어 정리 먼저 하겠습니다.
플라즈마란?
물질의 4가지 상태(고체/ 액체/ 기체/ 플라즈마) 중 한종류로 기체 상태에 열과 같은 에너지를 가하게 되면 원자가 쪼개지는 것을 플라즈마라고 합니다.
이때 중성자가 전자를 잃거나 얻게되어 전하를 띄게되는 반응을 이온화라고 합니다.
여기란? 고온전자가 충돌하여 중성원자의 전자가 기존의 궤도에서 벗어나는 것
탈여기란? 벗어난 전자가 다시 원래의 궤도로 돌아오는 것 -> 이때 빛을 방출한다고 합니다.
해리란 ?
고온전자가 분자와 충돌하여 분자의 화학결합을 끊어서 Radical을 만드는 것.
-> 저는 이때 Radical이 뭔지 몰랐습니다.
래디컬(Radical, 활성종)은 화학 결합이 끊어지면서 전자를 홀로 가지게 된, 매우 불안정하고 반응성이 강한 원자나 분자라고 합니다.
이제 플라즈마 생성 원리에 대해 보겠습니다.
모든 기체분자는 양이온과 전자가 결합된 안정된 상태로 존재합니다. 이 안정된 상태에서 챔버에 반응가스를 주입하고 전기장을 인가하면(전기적인 힘을 가한다) 저온이었던 전자가 가속하면서 고온전자가 됩니다. 이 고온전자는 기존에 있던 중성가스와 충돌하여 이온화반응을 나타냅니다. 이 과정이 반복되면서 플라즈마 영역이 생성된다고 합니다.
공정에 사용하는 가스를 주입할 경우 해리가 일어나면서 반응이 큰 Radical을 만들게 됩니다.
플라즈마는 DC플라즈마와 RF플라즈마로 나뉩니다.
DC플라즈마는 DC power 즉, 직류를 이용한 플라즈마로 한쪽은 양극, 다른 한쪽은 음극으로 이루어져 있습니다.
일단 저는 이해가 가지 않았던 부분이 왜 Ar+ 가 튕겨지는지 , Insulator 가 뭔지, sheath 가 어두운 부분이라던데 왜 생기는거인지 이렇게 세가지였습니다. 그래서 AI와 함게 이해해보았습니다.
- DC 플라즈마 장비에서는 깎아내고 싶은 금속판(타겟)에 음극(-)을 연결하고, 챔버 벽면이나 반대편에 양극(+)을 연결합니다.
- 플라즈마 상태에서 생성된 아르곤 이온(Ar+)는 플러스(+)전하를 띠고 있습니다.
- 플러스는 마이너스에 끌리기 때문에, Ar+ 이온은 마이너스 전압이 걸려 있는 타겟(음극)을 향해 강하게 가속되어 돌진합니다.
- 이렇게 가속된 Ar+ 이온이 타겟 금속판을 강하게 내리치면, 당구공이 부딫혀 다른 공을 튕겨내듯 타겟 고체 표면의 금속 원자들이 밖으로 튕겨 나가게 됩니다. 이 현상을 스퍼터링이라고 합니다.
또 Electrical Insulator는 뭘까요? 전기 절연체입니다...! 영어를 잘 몰랐네요 ,,, ㅠ
전기가 통하지 않는 부도체입니다. DC플라즈마에서는 전류가 계속 흘러야 유지가 되는데 타겟 물질이 전기가 안통하는 절연체라면 전하가 표면에 쌓이기만 하고 흐르지 못해 플라즈마가 꺼져버립니다 이 이유때문에 RF 플라즈마가 탄생한다고 합니다!
쉬스(Sheath) 영역은 왜 생기고, 왜 어두울까요?
쉬스는 플라즈마가 전극과 만나는 경계면에 생기는 '전자가 거의 없는 특수한 빈공간'입니다. 이 부분이 어두워 보이기 때문에 암흑공간 이라고도 부릅니다.
플라즈마 내부의 전자는 질량이 매우 가볍고 속도가 엄청나게 빠릅니다. 반면 이온은 무겁고 느립니다. 전기가 인가되면 가볍고 빠른 전자들이 순식간에 벽면이나 전극 쪽으로 도망쳐버립니다. 이 때문에 전극 바로 앞부분에서는 미처 도망치지 못한 무거운 아르곤 이온들만 덩그러니 남게되는 영역이 생기는데, 이를 쉬스라고 합니다.
플라즈마가 밝게 빛나는 이유는 전자가 기체 원자와 부딪혔다가 떨어질 떄 발생하는 에너지(빛) 때문입니다. 하지만 쉬스 영역은 전자들이 이미 다 도망치고 없는 공간입니다. 부딪힐 전자가 없으니 화학적 발광 현상도 일어나지 않아 눈으로 보기에 어둡게 보입니다.
AI에게 질문의 답을 들었지만 추가로 계속 질문이 생겼습니다,,, 왜 양전하가 부도체가 가로막고 있는데 전하에 끌리는지, 그러면 DC플라즈마는 현재는 안쓰이는건지 , DC플라즈마에서 왜 쉬스가 두부분이 생기는건지 이렇게 세가지 질문이 또 생겼습니다.
이것 또한 AI 와 이야기하며 해결하였습니다
왜 양전하가 부도체가 가로막고 있는데 전하에 끌리는지는 공정 맨 처음(0.0001초 사이)에는 전극의 마이너스 힘이 절연체를 뚫고 전달되기 때문에 Ar+ 이온이 돌진할 수 있습니다. 하지만 이내 표면에 전하가 쌓이면서 돌진이 멈추고 플라즈마가 꺼지게 됩니다.
DC플라즈마는 RF방식이 발명된 지금도 도체인 금속을 다룰 때는 DC방식을 우선적으로 사용한다고 합니다. 왜냐하면 에너지를 RF방식과 다르게 한 방향으로만 쏟아붓기 떄문에 타겟을 때리는 힘이 훨씬 강하고 속도가 빠릅니다. (공정속도가 빠름) 또 DC장비는 RF장비보다 훨씬 저렴하고 고장도 적습니다.
일단 플라즈마 본체는 전자와 기체 원자가 끊임없이 부딫히며 여기 -> 탈여기 과정이 무한 반복되므로 눈부시게 밝은 빛이 납니다. 쉬스영역에서는 마이너스 전기력 때문에 가볍고 빠른 전자들이 이미 다 도망치고 없는 공간인데요, 부딪쳐서 원자를 여기시킬 전자가 아예 없으니 탈여기 할일도 없고 빛도 나지 않아서 어둡게 보이는 겁니다! 이 때 제 필기를 보면 쉬스가 두부분이 있는데 위쪽 쉬는 아르곤 이온들만 빽빽하게 남아있는 영역으로 두껍고 강한 쉬스이고 , 아래쪽 쉬스는 전자들이 절연체 표면에 붙으면서 순간적으로 마이너스 전위를 띄고 이로인해 주변전자가 밀려나며 상대적으로 얇은 쉬스가 생긴다고 합니다.
앞선 설명에서 조금은 나왔던 RF 플라즈마에 대해서도 알아보겠습니다.
RF 플라즈마는 기존의 DC플라즈마 부도체에 사용이 제한되서 탄생되었는데요. 한쪽극에 교류를 흘려 수시로 +와 -가 바뀌는 방법입니다. 극의 성질이 수시로 바뀌어 DC플라즈마와 다르게 축적이 일어나지 않습니다.
그래서 RF플라즈마는 부도체도 이용이 가능하지만 sputtering(증착), Etching(식각)을 하기엔 양이온의 크기가 커서 양이온을 잘 못움직여서 양이온의 충돌이 약합니다. 그래서 RF source 인가 시 발생하는 self bias 효과를 이용합니다. 분명 + 전하를 인가하였지만 전자가 빠져나가지 못해 -인 상태가 되는 시간이 길어져 음극의 특성을 지니게 되오 DC self bias 가 됩니다. 그래서 전압값이 -로 점차적으로 내려가게 되는 것 입니다. 이로 인해 양이온은 더 많은 양이 타겟으로 몰리게 되고 당기는 힘이 강해지는 만큼 sputtering 과 etching 이 가능해지게 되었습니다.
RF 플라즈마는 또 CCP와 ICP로 나뉩니다.
CCP는 유전체 박막을 Etching 시 사용됩니다.
CCP 방식의 장점으로는 한쪽에 power을 걸어주는 단순한 구조로 이루어져 있고 플라즈마 균일도가 높아 웨이퍼 면적이 커집니다. 결합이 강한 물질을 식각하거나 증착할 때 용이하다고 합니다.
단점으로는 플라즈마 밀도가 낮습니다. 단일 RF power로 이온 에너지와 전자밀도를 동시에 제어하는 것이 불가능합니다. 왜냐하면 RF power을 증가시켜 이온 밀도를 증가시켜서 식각율을 증가시키는 것이 가장 좋지만 RF power가 증가함에 따라 이온에너지가 증가해 기판에 damage도 증가합니다
그래서 RF power 을 낮추면 플라스마가 분산되고 상쇄되는 부분이 많아져 결과적으로 플라즈마 밀도가 낮아집니다.
또 미세공정에 대한 기술력의 한계가 있다고 합니다. 예시로는 고종횡비 식각 고정이 있는데요. 미세한 회로의 좁고 깊은 구멍에 대한 식각오류가 있다고 합니다.
ICP(Inductively coupled plasma) 방식은 CCP의 단점을 보완한 방식으로, 코일을 사용해 플라즈마를 생성합니다.
코일에 RF power를 가하여 유도 전기장을 형성하고 저압에서도 플라즈마 밀도를 높일 수 있습니다. 평균 자유이동거리가 커져서 이온의 방향성이 좋아지고 복잡한 구조의 Ethcing이 가능합니다.
ICP 방식의 단점으로는 플라즈마가 형성되는 영역이 코일에 영향을 많이 받는 만큼 코일의 크기가 플라즈마의 영역입니다.
위치에 따라서 플라즈마 균일도가 떨어지기도 합니다.
플라즈마의 영역을 키우기 위해 코일의 크기를 억지로 키우다 보면 오히려 효율면에서 감소하는 효과가 발생합니다.
왜냐하면 코일도 기본적으로 원모양의 회전하는 모양을 갖고있지만 안테나의 구조에 따라서 플라즈마의 균일도도 천차만별로 바뀌고 플라즈마는 코일의 모양을 따라서 정해진 경로를 돌기에 중간과 가장자리 부분의 플라즈마 밀도가 낮아지게 됩니다.
또 코일이 추가되는 만큼 고려해야할 변수가 더 늘어나는 단점이 있지만 그럼에도 불구하고 ICP 방식이 더 정밀한 식각공정을 진행할 수 있어 첨단 공정에서 많이 사용되고 있습니다.
정리하자면 CCP 방식은 강한 이온 에너지로 이온화 에너지 조절이 용이하고 결합이 강한 물질 식각에 용이합니다.
플라즈마 밀도가 낮은 단점을 밀도 높이기 연구를 통해 단점을 극복하고 있습니다.
ICP 방식은 고밀도의 플라즈마이고 이온에너지를 별도 컨트롤 합니다.
코일의 모양에 따라 플라즈마 균일도가 떨어지므로 코일의 모양을 변형해 플라즈마 균일화를 연구하며 단점을 극복하고 있습니다.
공압이란? 물리학적으로는 공기압력을 의미합니다. 반도체적으로는 가스 공급 시스템 (Gas box, 밸브)과 웨이퍼 이송과 챔버 등에 사용합니다.
공압의 장점으로는 쉽게 구할 수 있고 , 무한정 사용가능하고, 환경오염에 문제가 없고, 전기 등과 같은 별도의 공급원이 필요없다는 것입니다.
단점으로는 깨끗하게 정제가 필요하고 습기제거가 필요하며 압축성문제로 저속에서 속도가 불안정 합니다. (모터로 저속제오가 필요한 부분을 활용합니다) 사용시, 압축공기의 큰 배기 소음 발생이 발생할 수 있고 기준 이상의 힘이 필요할 때는 비경제적입니다.
공압발생
공압을 발생하는 과정은 전동기 혹은 에어컴프레셔 등을 활용하여 원재료인 공기를 압축하고 저장하는 것을 의미합니다.
공압조절
공기속에 존재하는 불순물을 제거하고 레귤레이터를 통해 압축공기의 상태를 조절합니다.
공압제어
공급 혹은 작동 압력을 일정하게 유지시키는 역할로 일반적으로 높은 압력을 감압시켜 안정된 압축공기를 전달하는 역할입니다.
공압구동
제어된 공압이 실제 구동 부품들로 전달되고 일반적으로 실린도를 사용하게 되며 주로 직선 운동에 활용됩니다.
이렇게 반도체에서의 진공, 플라즈마, 공압에 대해 강의를 듣고 AI를 통해 모르는점도 해결해보는 시간을 가졌습니다.
비전공자이고 아예 반도체를 처음 접할 때 강의를 듣다보니 잘 모르는 단어도 많았고 들어본 단어였어도 제가 설명할 정도로 잘 알지는 못했습니다. 이렇게 용어를 정리하고 배운내용을 복습해보니 비록 한차시들은 것이지만 반도체 산업이 엄청나게 다양한 기술들이 접목된 기술적 집약체인지를 더 깨닫게 되었고 더 많이 알고 싶고 더 궁금해지는 시간이였습니다 !!