반도체 공정 [3] 반도체 공정의 기초 (2) 진공(Vacuum)

2025.02.09 - [반도체 공부/반도체 공정] - 반도체 공정 [2] 반도체 공정의 기초(1) ( cleanroom, 공정 설비 )

반도체 공정 [2] 반도체 공정의 기초 (1) cleanroom, 공정 설비

 

 

진공 (Vacuum)

 

 반도체 미세 공정의 대부분은 챔버(Chamber)에서 진행되며, 이 챔버는 거의 진공상태이기 때문에 진공에 대한 이해는 필수적이다. 반도체 공정에서 진공을 사용하는 이유는 주위로부터의 오염 방지 및 감소와 MFP( Mean Free Path), 평균 자유 이동 거리)의 증가 및 플라즈마의 발생과 유지의 목적으로 사용된다.

 

 '진공'이란 무엇일까?

 

 

 진공의 사전적 의미는 '아무것도 없는 빈 공간'을 의미하지만, 반도체에서 사용되는 개념은 '대기압보다 낮은 압력 상태'를 의미한다. 이러한 진공도(진공의 높고 낮음)에 따라 반도체 공정의 결과물이 얼마나 영향을 받는지 이해할 필요가 있다.

 

 진공의 특성을 이해하기 위해 이상기체 상태 방정식에 대해 이해해야한다. 이상기체 방정식은 이상상태라는 가정하에,  PV=nRT라는 식이 성립하는 것이다. 이때 P는 압력, V는 부피, R은 기체상수, T는 온도, n은 몰수이다. 진공상태에서 다른 조건은 제어한다는 가정하에 진공 압력은 기체의 몰수에 비례한다. 

 즉 챔버의 압력을 낮추기 위해서는 챔버 안에 있는 기체 분자를 외부로 배출시켜야 한다는 것이다. 보통은 진공 펌프(Vacuum Pump)를 통해 기체를 외부로 배출시키는 방식을 이용한다.

 

 

 진공은 기본적으로 기체의 압력 상태를 의미하기 때문에 압력 단위와 같은 단위계를 사용한다. 인위적인 진공에 대해 처음으로 만든 사람은 '토리첼리 수은실험'으로 유명한 토리첼리이다.

 

토리첼리 수은 실험의 모습

 

 수은 관에 대기의 압력에 해당하는 수은의 높이를 가지는데, 이때의 높이가 1m의 수은관에서 76cm정도였으며, 우리는 이를 통해 1기압이 760mmHg이며, 이를 760torr라고도 한다. 1torr은 약 133Pa이다. torr와 Pa(파스칼)은 반도체 공정에서 진공상태를 나타내기 위해 가장 보편적으로 사용하는 단위이다.

 

 압력의 크기에 따라, 대기압부터 저진공, 중진공, 고진공, 초고진공 등으로 구분하며 반도체 공정에서는 저진공부터 고진공을 주로 사용한다.

 

 

MFP(Mean Free Path, 평균 자유 이동거리)

 

 평균 자유 이동거리는 한 기체분자가 다른 기체 분자와의 충돌 이후 다른 기체 분자와 충돌할 때까지의 평균 거리이다. 챔버 내에서 기체 분자가 많으면 많을 수록 MFP는 줄어들며, 기체 분자의 입자 크기가 큰 경우에도 충돌 확률이 올라가 MFP는 짧아진다.

 

 고진공에서는 MFP가 700m, 대기압에서는 700nm 정도로 진공도에 따라 MFP가 매우 차이가 큰 것을 알 수 있다. 이 MFP는 증착이나 식각공정에서 큰 영향을 미치는데 그 이유는 입자의 충돌이 많을 수록 직진성이 크게 줄어 기판에 도달하는데 오차가 커지기 때문이다. 이런 직진성의 오차를 줄이기 위해서는 공정 압력(진공도)의 조절이 필수적이다.

 

 

단분자층 형성시간

 

 단분자층 형성 시간이란 기체 입자가 포면에 흡착되어 한 층의 원자/ 분자층을 형성하는데 걸리는 시간을 의미한다. 이 반분자층 형성 시간이 짧아질수록 공정 시간이 단축되는 것이기 때문에 연구자들은 이 시간을 단축시키기 위해 노력하고있다.

 

 압력이 높아질 수록 단분자층 형성시간이 짧아지게 되는데, 압력이 높아지면 층이 형성될 기판에 충돌 및 흡착 확률이 높아지게 된다. 표면분석이 필요한 경우 분석하는 동안 주변 기체에 의해 표면이 오염되는 것을 방지 위해 초고진공을 유지하는 것이 그 이유이다.

 

기체분자 이동속도

 

 기체 분자의 평균 운동에너지는 절대온도(K)에 비례하므로, 같은 온도에서 기체 분자가 가벼울 수록 빠르고, 무거울 수록 느리게 움직이게된다. 기체 종류에 따라서 기체 분자의 이동속도에 차이가 나기 때문에 고진공을 만들때, 가벼운 수소나 헬륨 등은 펌핑이 어렵다. 위내용은 진공을 만들 시 주의해야한다.

 

 

 

진공 시스템

 

 반도체 공정 중 식각(Etching)과 증착(Deposition)은 진공장비에서 진행이 이루어진다.

 

 진공장비에는 5가지의 필수 요소가 존재한다.

 

1) 진공 챔버: 진공을 생성 및 유지하고 웨이퍼에 원하는 공정을 진행하는 공간

2) 진공 펌프: 진공 챔버의 기체를 뽑아내어 진공 상태로 만들어주는 장치

3) 진공 게이지: 챔버 내부의 진공도를 측정하는 장치

4) 진공 밸브: 진공 챔버와 외부를 연결하는 개폐장치

5) 실링: 연결부위에서 기체가 챔버 내부로 들어가 진공이 깨지는 것을 차폐하는 장치

 

 

 이 중 3가지만 집중적으로 알아보자.

 

진공 시스템 - 진공 펌프

 

진공펌프란 용기 내의 기체 분자를 제거하여 진공도를 높이는 장치로, 반도체 공정에서 사용하는 진공펌프는 크게 10-1 정도까지 뽑아내는 저진공 펌프와 10-7까지 뽑아내는 고진공 펌프로 구분할 수 있다.

 

 

 저진공 펌프는 진공 챔버 내부의 저압상태 기체를 압축해 압력을 높여 외부로 배출하는 방식으로, 오일을 사용하는 로터리 펌프, 오일을 사용하지 않는 루츠 펌프가 대표적이다.

 

 로터리 펌프는 로터(회전자)가 회전하면서 기체를 흡입 -> 고립 -> 압축 -> 배기의 방식으로 챔버를 진공 상태로 만드는 방식으로 저비용에 쉬운 방식이지만, 오일의 역류가 발생할 수 있어 양산 공정에서는 잘 사용되지 않는다.

 루츠 펌프의 경우 로터리 펌프와 비슷하게 흡입 -> 압축 -> 배기의 방식으로, 비용은 조금 더 비싸지만 오일의 역류와 같은 문제가 없어 양산에서도 많이 사용되는 방식이다.

 

 고진공 펌프는 블레이드가 빠르게 회전해 기체 분자를 배출해내는 방식의 'TMP(turbo molecular pump)'와 극저온으로 냉각해 기체 분자를 냉각한 후 포획하는 '크라이오 펌프'가 주로 사용된다.

 

 TMP의 경우 여러 블레이드가 각도와 날수가 제어된 상태로 층층이 쌓여있고, 효율 극대화를 위해 챔버의 아래쪽이나 옆쪽에 연장배관 없이 직접적으로 부착되며 배출구는 저진공 펌프에 연결되어있다. 압력이 충분히 낮아지지 않은 상태에서 TMP를 사용하게 되면 블레이드에 많은 수의 기체와의 마찰이 일어나 파괴되기때문에 사전에 진공도 조절이 어느정도 필요하다.

 

 크라이오 펌프는 액체 헬륨을 사용해 15K정도로 냉각시켜 초 저온상태로 만들어 챔버내의 입자를 펌프에 응결, 흡착하여 제거하는 방식이다. 중앙 관에 액체 헬륨이 흐르면 냉각 효율을 위해 표면적을 넓게 만들어 놓은 위쪽의 핀을 초저온으로 냉각시켜 챔버 내의 기체에 흡착시킨다. 한여름 아이스크림에 혀가 달라붙는 원리와 같다. 이런 흡착된 기체를 다시 제거하는 regeneration과정이 필요한데, 주기적으로 이 과정을 해주어야 공정 효율이 올라간다. 크라이오 펌프 방식도 저기압상태에가 아닐때 사용하면(저진공에서 사용하면) regeneration의 주기가 짧아져 생산성에 영향을 미치고, 펌핑 능력에 영향을 미치게된다.

 따라서, 이 두 펌프 모두 저진공에서 고진공으로 진공을 잡는 과정이 필요하다.

 

 

진공 시스템 - 진공 게이지

 

 진공 게이지는 진공도를 맞춘 후, 어느정도의 진동도인지를 정량적으로 확인하기 위해서 필요한 장치로, 대기압보다 낮은 진공 상태에서의 기체의 압력을 측정하는 기기를 진공게이지라고 한다.

 

 측정 범위가 저진공부터 고진공까지 다양하기 때문에, 주로 저진공에서 사용하는 저진공 게이지와 고진공 상태에서 사용하는 고진공 게이지가 나뉜다. 반도체 업계에서 주로 사용하는 진공게이지는 기체 압력에 의해 얇은 각막의 변형을 측정하는 Capacitance Manometer와 필라멘트의 열을 뺏어가는 온도와 저항을 압력으로 환산하는 정도를 측정하는 Pirani Gauge, 기체의 이온화를 통해 이온 숫자를 측정하는 이온 게이지가 있다.

 

 

진공 시스템 - 실링

 

 '진공 효율'을 위해 굉장히 중요한 것이 바로 실링이다. 고진공 펌프에서는 챔버와 연장 배관 없이 직접 연결되는데, 펌핑을 위한 배관은 짧고 굵게 챔버를 연결해야 펌핑 효율을 높일 수 잇다. 펌핑 효율을 높이기 위해서는 펌핑의 속도를 늘리거나 배관의 Conductance를 좋게 만드는 것이 중요한데, 이렇게 만든 진공이 잘 유지되기 위해서는 연결부위의 실링이 매우 중요하다.

 

 실링은 진공의 Leakage가 생기는 것을 방지할 수 있으며, 150도 이하에서는 고무 재질의 O-ring을, 그 이상에서는 연성이 높은 구리 재질의 가스켓(Gasket)을 통해 기체가 들어오는 것을 방지한다.