반도체 제조 과정 중 Mass Flow Controller가 사용되는 박막 증착 과정(Thin Film Deposition)과 화학적 증착 방법(CVD)
질량 유량계, 질량 유량 제어기 라고 불리는 Mass Flow Meter / Mass Flow Controller 장비는 가스와 같은 기체의 유량을 측정하고 제어하는데 사용됩니다.
특히 기체의 유량을 제어할 수 있는 MFC는 기체를 지정한 유량만 흐르도록 조절할 수 있기 때문에 다양한 어플리케이션에서 사용되고 있는데, 반도체 제조 공정에서도 중요한 역할을 하고 있습니다.
이번 시간에는 반도체 제조 공정 중 MFC가 사용되는 박막 증착(Thin Film Deposition) 과정에 대해 알아보겠습니다.
박막 증착(Thin Film Deposition)
박막 증착은 박막(Thin Film)과 증착(Deposition)을 합친 단어로 반도체 제조 공정 중, 하나의 과정입니다.
먼저 박막이란, 두께가 나노미터(Nanometer)에서 마이크로미터(Micrometer)에 이르는 물질의 층으로 반도체 제조 공정에서의 박막이란 웨이퍼(Wafer)라고 하는 반도체 기판에 분자나 원자 단위의 물질을 1㎛(Micrometer) 이하의 두께로 만든 매우 얇은 막을 뜻합니다.
그리고 증착은 기체 상태의 입자를 물제 표면에 박막과 같은 얇은 두께로 입혀, 전기적 특성을 갖게 하는 과정을 말합니다.
즉, 반도체 제조 공정에서 웨이퍼에 전기적 특성을 갖게 하기 위해 분자나 원자 단위의 물질을 박막 단위로 쌓아 올리는 공적을 박막 증착이라고 합니다.
반도체 제조 공정에서의 박막 증착은 다양한 방식이 개발, 사용되고 있지만 크게 화학적 증착 방법(Chemical Vapor Deposition)과 물리적 증착 방법(Physical Vapor Deposition)으로 나눌 수 있습니다.
특히 화학적 증착 방법인 CVD는 박막을 구성하는 원소를 포함한 가스를 웨이퍼 위에 살포해 화학 반응으로 박막을 형성하는 방법입니다.
다양한 크기의 웨이퍼(Wafer)
출처 : Wikipedia
https://en.wikipedia.org/wiki/Wafer_(electronics)
화학적 박막 증착(Chemical Vapor Deposition)
화학적 박막 증착(CVD)은 박막을 구성하는 원소를 포함한 가스를 웨이퍼 위에 살포해 화학 반응으로 박막을 형성합니다.
CVD는 물리적 박막 증착(PVD) 방법에 비해 10배 가량 높은 표면 접착력으로 높은 품질을 보장하고, 공정 비용이 낮아 대량 생산이 가능하다는 장점이 있습니다.
또한 도체와 부도체에 모두 사용할 수 있으며, 박막의 두께 조절이 가능하고, 불순물의 분포와 농도 조절이 가능한 점과 박막에 사용되는 가스를 선택할 수 있다는 점 등이 장점입니다.
하지만 공정 압력이 낮을수록 처리율이 낮아지고, 공정의 압력을 낮출수록 웨이퍼의 온도를 높여야 하기 때문에 소재 선택이 까다롭고, 공정의 변수가 높으며, 유독 가스가 사용될 수 있는 점 등이 단점입니다.
CVD 공정에서 박막 증착이 일어나는 과정은 다음과 같습니다.
공정 챔버 속으로 박막을 구성하는 원소를 포함한 가스 살포
주입된 가스가 가스 흐름에 따라 웨이퍼 표면으로 이동
가스가 표면에 흡착
화학 반응을 거쳐 웨이퍼 표면에 박막을 형성하고 부산물을을 생성
부산물 가스가 웨이퍼 표면으로부터 탈착
부산물 가스가 가스 흐름에 따라 공정 챔버 밖으로 배출
CVD는 사용되는 에너지원에 따라 종류가 나뉘는데, 열 에너지를 사용하는 APCVD와 LPCVD, 플라즈마 에너지를 사용하는 PECVD와 HDPCVD 등이 있습니다.
CVD 종류에 대한 설명은 다음과 같습니다.
대기압 CVD(Atmospheric Pressure CVD)
APCVD는 초기 CVD 공정 방식으로 대기압 상태에서 증착을 진행했습니다.
공정 챔버를 가열하지 않고 외부의 코일을 가열해 웨이퍼에 열을 전달하는 방식입니다.
CVD에서는 압력이 클수록 처리율이 높고 웨이퍼의 크기를 늘릴 수 있는 장점이 있지만, 진공도가 낮기 때문에 가스 분자 간의 충돌이 많고 피복 능력(Step Coverage)에 영향을 주는 단점이 있습니다.
여기서 피복 능력이란 요철이 있는 구조물을 얼마나 균일한 두께의 박막으로 증착 할 수 있는지에 대한 정도를 말합니다.
저기압 CVD(Low Pressure CVD)
위의 APCVD 공정보다 압력을 약 1/100 가량 낮춘 방식으로 APCVD에 비해 피복 능력(Step Coverage)가 높다는 장점이 있습니다.
압력이 낮아짐으로 인해 생긴 처리율의 손실은 공정 온도를 높혀 보완했습니다.
공정 챔버 벽을 가열하는 Hot Wall CVD와 와이퍼만 가열하는 Cold Wall CVD가 있으나, 최근에는 공정 압력이 낮고 웨이퍼의 온도 편차를 줄일 수 있는 Hot Wall CVD를 사용합니다.
LPCVD는 박막의 품질과 처리율 높고, 가스의 소모량이 적으며 대량 생산이 가능한 장점이 있습니다.
하지만 진공을 유지하기 위한 진공 설비가 필요함에 따라 설비가 복잡해지고 공정 비용이 올라갈 수 있고, 800℃에 달하는 공정 온도로 인해 금속(Metal)라인이 포함된 공정에서는 사용하기가 어려운 단점이 있습니다.
플라즈마 CVD(Plasma Enhanced CVD)
PECVD는 강한 전압으로 인해 생성된 플라즈마를 이용해 증착하는 방식으로 화학 반응 속도를 높이기 위해 플라즈마를 이용합니다.
가스를 공정 챔버에 살포한 후, 높은 압력을 이용해 플라즈마 상태로 바뀐 이온화된 기체들이 화학 반응을 통해 증착되는 방식입니다.
플라즈마 CVD는 낮은 온도에서 공정이 가능하고 반응 속도가 빠르다는 장점이 있지만 피복 능력이 낮고 대량 생산이 불가능하다는 단점이 있습니다.
고밀도 플라즈마 CVD(High Density Plasma CVD)
HDPCVD는 PECVD 대비 고밀도의 플라즈마를 이용해 박막을 증착합니다.
현재 반도체 공정의 박막 증착 공정에서 가장 많이 사용되는 방법 중 하나입니다.
고밀도 플라즈마는 막을 쌓는 증착은 물론 깎아내는 식각(Etching) 작용도 함께 하는데, 요철로 인해 파인 부분 입구를 고밀도 플라즈마가 깎아주면서 PECVD 대비 더욱 밀도 높은 증착이 가능해집니다.
HDPCVD는 PECVD 대비 높은 밀도로 인해 높은 품질을 보장하지만 플라즈마에 의한 데미지가 생길 수 있는 점이 단점입니다.
박막 증착과 MFC(Mass Flow Controller)
위에 언급한 것처럼 반도체 제조 공정 중, 박막 증착을 위한 CVD 공정에서는 Mass Flow Controller가 사용됩니다.
공정 챔버 내부에는 박막을 만들기 위해 N2나 O2, H2 등과 같은 분자와 원자들이 기체 형태로 살포되는데, 각각의 기체들이 정확한 타이밍에 지정된 유량만 흐르는 것이 중요합니다.
프로세스의 균일성과 반복성이 높은 MFC를 사용해 공정 챔버 내부로 주입되는 기체의 양을 제어하는 것이 중요합니다.
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