ALD 공정에 기여하는 밸브 제어 시스템
생산량을 극대화해야 하는 과제와 함께 최신 마이크로칩 생산에 필요한 공정은 점점 복잡해지고 정밀해지고 있습니다. 그렇기에 반도체 생산업체들은 보다 면밀한 공정 제어를 추구합니다. 반도체 생산 수율을 최적화하려면 원자층 증착(ALD)과 같은 생산 공정에서 성능 오차가 더 미세해야 합니다.
즉, 최적 생산성의 ALD 공정에는 정밀한 화학물질 투여 및 공급 시스템이 필수적입니다. 잘 설계된 밸브 제어 시스템이 이 공정에 기여할 수 있습니다. 반도체 석학들이 마주하고 극복했던 중요한 수수께끼가 기술의 지속적인 혁신에 전환점이 되었던 그 이유를 파헤쳐보겠습니다.
반도체 산업의 간략한 역사
반도체 산업은 1960년대 실리콘 밸리에서 시작됐습니다. 1990년대 후반에 이르러 과학계는 반도체 칩 하나당 트랜지스터 수가 2년마다 두 배가 될 것이라고 예측한 무어의 법칙이 곧 한계에 부딪힐 것으로 예상했습니다. 이는 소자에 사용되는 기존 유전체 층의 기술적 한계와 관련이 있으며, 업계는 SiO2를 대체할 유전체 재질이 곧 필요하게 될 것임을 알았습니다.
하지만 이미 SiO2는 증식이 편리하고 실리콘 웨이퍼상에서 탁월한 정밀도와 균일도를 유지하는 재질이었기에, 대체할 재질을 찾는 것은 쉽지 않은 과제였습니다. CVD 또는 PVD와 같은 기존 증착 방법을 사용해 새로운 유전체 재질을 증착하는 일은 쉽지 않아 보였습니다.
이때, 정밀한 필름 두께로 최신 재료를 도포할 수 있는 획기적인 방법으로 ALD 공정이 각광받게 됐습니다. 초기 단계에서는 느린 증착 속도를 포함한 몇 가지 넘어야 할 장벽이 있었지만, 시간이 지나면서 업계는 반도체 제조에서 ALD를 더 효율적으로 구현하는 방법을 개발했습니다. ALD가 반도체 소자 제조의 미래에 중요해질 것은 곧 분명해졌지만, 아직 해결해야 할 화학물질 공급과 관련된 과제가 몇 가지 남아있었습니다.
ALD 공정에서 밸브의 중요성
반도체 제조업체들은 직경 300 mm의 웨이퍼 면적 전체에 증착된 필름에서 1나노미터 미만의 정밀도를 유지하고자 노력합니다. 이는 전체 달 표면에 1 cm 두께의 층을 도포하는 것과 동일한 배율입니다. 최신 반도체 소자에서는 주변 원자 몇 개만 변동을 일으켜도 소자 성능에 뚜렷한 영향을 끼칩니다.
증착되는 층에 영향을 주는 중대한 요소는 원자층 가공 단계에서 사용되는 화학물질의 농도입니다. 이때 각 투여 시마다 공급되는 화학물질 양이 극도로 정밀해야 합니다. 공정 챔버에 유입되는 화학물질의 유동의 정밀하고 일관된 시작 및 중단을 위해서는 특수 고순도 ALD 밸브는 필수적인 선택입니다.
ALD 밸브에서 추구해야 할 특징
ALD 공정에 흔히 수백 번의 투여 단계가 필요하다는 점을 고려하면, 공정 밸브는 때에 따라 한 주에 수백만 사이클 이상 작동할 수 있습니다. 따라서, 사이클 신뢰도가 매우 높아야 합니다.
또한, 공정 밸브가 때에 따라 시스템 내의 유량 제한 요소 기능을 하게 되므로, 유량과 일관된 성능은 중요한 요소가 될 수 있습니다. 공정 매칭을 달성하고 밸브 교체 후에도 일관적인 공정을 유지하기 위해서는 각 밸브 사이의 일관된 유량도 중요한 요소가 됩니다.
개폐 응답 시간과 일관된 성능 또한 중요합니다. 투여 길이에 영향을 주는 밸브 응답 시간이 변화하면 공급되는 투여량도 영향을 받게 됩니다. 예를 들어, 밸브 개방 응답 시간이 더 빠르고 폐쇄 응답 시간이 더 느리면 투여 길이가 증가합니다. 투여 시간 100밀리초에서, 개방 및 폐쇄 시간이 3밀리초 변동되면 투여량이 6% 증가하며, 이는 대부분의 원자층 애플리케이션에서 공정 결과에 지대한 영향을 줄 것입니다.
초기(raw) 개폐 속도 또한 때에 따라 수백 번의 투여 단계가 실행되는 공정의 효율성 개선에 기여할 수 있습니다. 개폐가 빠르다는 것은 각 단계에 필요한 시간이 줄어듬을 의미하며, 이는 전체 가공 시간의 상당한 절감에 기여합니다.
또한, 일관적인 대유량에 빠르고 반복이 용이한 개폐 기능이 있는 밸브라 하더라도 공급되는 화학물질, 공급 시스템의 온도와 호환되지 않으면 사용할 수 없습니다. 대부분의 경우, 특히 ALD에서 화학 물질 프리커서는 충분한 온도로 유지되지 않는 표면에서 응축되거나 증착될 수 있으며, 이는 공정에 악영향을 줍니다.
ALD 공정과 관련된 추가 고려 사항
ALD 공정의 반복성은 사용되는 개별 화학물질의 일관되고 정확한 투여와 명백하게 연관이 있습니다. 또한 화학물질 투여량에 변화 또는 차이를 일으킬 만한 모든 요소는 관련 공정에서도 변화 또는 차이를 발생시킬 수 있습니다. 기초 화학물질에서 웨이퍼 표면 사이에 존재하는 모든 원자층 증착(ALD) 장비가 화학물질 투여에 영향을 줄 가능성이 있으므로, 전체 시스템에 걸쳐 고품질 튜빙과 피팅을 선정하는 것이 중요합니다.
마지막으로, 공정 밸브를 제어하는 공압 개폐 시스템도 ALD 밸브의 속도와 일관된 성능을 정의하는 데 중요한 역할을 합니다. 개폐 압력과 허용 오차, 공기 공급 및 배출 튜빙 크기 및 길이, 파일럿 밸브, 사용하는 공압 피팅까지 모든 요소가 원자층 공정에 중요한 공정 밸브 타이밍에 영향을 줄 수 있습니다.
고도로 일관된 성능을 갖춘 ALD 공정 밸브 자체만으로 충분하지 않으며, 밸브를 가동하는 공압 시스템과 경우에 따라 밸브 타이밍 성능을 정확히 모니터링하는 센서도 중요합니다.
ALD 일관된 성능을 달성하는 방법
ALD 공정과 관련된 과제를 이해하는 풍부한 지식을 갖춘 팀과 협력하는 것이 바람직한 첫 단계입니다. 원자층 공정 고유의 과제를 이해하며, 그러한 과제를 해결해온 경험이 있는 공급업체와 컨설턴트라면 ALD 공정의 정확성과 일관성을 강화하는 데 크게 도움이 될 수 있습니다.
스웨즈락 팀은 지난 수년간 원자층 공정이 진화되고 성숙되는 동안 반도체 업계 전반의 고객을 지원해왔으며, 앞으로도 꾸준한 고객 지원을 위해 지속적인 성공이 보장되는 제조 시설을 설치하는 데 도움이 되는 적합한 솔루션을 개발하고자 꾸준히 노력하고 있습니다.
헬로티 서재창 기자 |
