반도체 설비의 전체적 개요

반도체 설비의 개요

 반도체 공정 설비의 기준이 되는 챔버(chamber)는 진공, 열, 가스 등 필요한 파라미터를 제어할 수 있는 공간이다. 챔버 안에서 주로 공정이 진행되며 진공 상태에서 목적에 맞게 관련 파라미터를 조절하여 원하는 공정을 진행하게 된다. 열역학적으로 챔버는 단절된 계 상태로 만들어 온도나 압력 등을 제어하여 재현성 있는 공정이 진행되도록 설계하였다. 챔버가 없는 열린계 상태에서는 공정 파라미터를 동일하게 하더라도 재현성이 확보되지 않은 결과를 가져올 수도 있다. 대학교 연구실 수준에서는 챔버를 단독으로 사용하는 경우가 많지만, 양산에서 쓰는 설비에는 챔버를 여러 개 달아서 생산성을 극대화할 수 있도록 클러스터(Cluster) 형태의 설비를 사용한다. 웨이퍼가 설비에 로딩이 되면 먼저 트랜스퍼 모듈(Transfer module, TM)로 이동되고 이후 목적에 맞는 챔버에 들어가는 순서이다. TM에는 여러 개의 챔버가 연결되어 있는데 설비의 공정 목적에 맞게 모두 동일한 챔버가 달려 공정 생산성을 높일 수도 있고, 각각 다른 챔버를 연결해서 진공이 유지된 상태에서 순서에 맞게 공정이 순차적으로 진행될 수도 있다. 주로 CVD, PVD, ALD 등의 Deposition 공정, Dry Etch 공정이 이런 형태의 Cluster Tool을 사용한다.
 모든 설비가 챔버 형태로 만들어진 것은 아니다. 각 공정의 목적에 맞게 설비가 구성되게 되는데 열공정을 위한 퍼니스(Furnace)의 경우 쿼츠(Quartz) 재질의 튜브 속에서 적정 압력과 가스 유량 조건을 가지고 외부 절연선에서 발생하는 열이 복사의 형태로 웨이퍼에 전달되게 된다. 튜브는 전열선에 의해 발생한 열이 효과적으로 전달되면서 공정이 진행되는 공간을 닫힌계로 만드는 역할을 한다. 광학계를 사용하는 EUV 설비의 경우도 패턴 형성을 위해 광학적 원리를 이용하기 때문에 광원을 만드는 장치와 빛을 반사하는 반사경과 마스크 등 목적에 맞는 장치들로 구성되어 있다. 이처럼 반도체 장비는 각 공정을 진행하는데 가장 효율적인 장치 시스템으로 구성되어 있으며, 이러한 설비를 이해하고 공정에 미치는 영향을 알고 있을 때 제대로 된 공정을 진행할 수 있다.
 공정 설비는 공정이 진행되는 조건에 부합하도록 온도, 압력, 진공도 등의 공정 파라미터뿐 아니라 기계적으로 웨이퍼의 이동이나 고정 등의 역할도 해주어야 한다. 웨이퍼가 장비에 제대로 얹힐 수 있도록 이동시켜주는 로봇팔(Robot arm)의 기능도 필요하고, 웨이퍼가 챔버 내에서 고정되기도 하고 열을 전달할 수도 있는 기능도 필요하다. 웨이퍼의 고정은 진공을 사용하는 경우뿐만 아니라 웨이퍼 아래에서 강한 전압을 걸어 발생하는 정전기력을 이용해 고정하는 ESC를 사용하기도 한다. 또한 ESC는 웨이퍼와 직접적으로 닿아 있는 상태이기 때문에 공정 중 웨이퍼의 온도를 직접적인 전도의 방법으로 조절할 수 있다는 장점이 있다. 내부에 냉각수나 액체 질소를 흘려 공정 온도를 낮게 제어할 수도 있고, 전열선을 달아 공정 온도를 높게 제어할 수도 있도록 하고 있다.
 또한 챔버를 중심으로 다양한 목적의 부속 장치들이 있다. 공정 중에 공급되는 가스의 양을 측정하는 MFC(Mass Flow Controller)와 공정 후 잔존하는 가스의 1차 중화를 위한 스크러버(Scrubber)에 대해 알아보도록 하자. 먼저 MFC는 설비 내로 유입되는 가스의 양을 측정하여 공정 조건을 조절할 수 있도록 하는 데 쓰인다. MFC는 기체의 양을 측정하는 장치이기 때문에 측정된 값을 기준으로 유입량을 늘리거나 줄일 경우 자동화된 밸브를 열거나 닫아서 유입 가스의 유량을 조절한다. 유입되는 가스가 MFC를 통과하면서 두 두부분을 거치게 되는데 유입되면 먼저 전열선에 의해 가열되게 되고 가열에 의해 변화된 가스의 온도가 센싱되면서 기체의 양을 측정하게 되는 원리이다. 유입되는 가스가 많다면 온도변화가 작고 가스가 적다면 온도 변화가 크기 때문에 MFC에서 특정된 수치의 피드백을 통해 밸브의 제어가 이루어진다. 스크러버는 공정 후 생성된 물질이나 남은 가스가 유독한 경우가 많기 때문에 설비 외부로 바로 배출되지 못하도록 일차적으로 중화 또는 정화 시키는 장치이다. 가스의 종류에 따라 설비가 달라지긴 하지만, 액체를 통과하면서 화학적인 반응을 기반으로 중화되거나 필터를 통해 걸러지는 원리이다. 이렇게 1차로 중화된 배출 가스는 FAB에 부속된 중앙 정화 장치로 포집되어 외부로 배출되기 전에 정화된 후 배출되게 된다.
 이처럼 공정 설비는 수많은 장치로 구성되어 각각의 유닛 공정의 목적을 달성할 수 있도록 컨트롤할 수 있다. 결국 공정 파라미터를 어느 범위까지 조절이 가능한가가 설비적 관점에서 중요한 포인트가 될 수 있고 이는 위에 설명된 부속 장치들의 적절한 조합으로 만들어질 수 있다. 예를 들어 공정 온도 500도의 경우 ESC는 전열선으로 온도가 제어되는 것이 효율적이나, 50도 공정의 경우 물이나 냉각수를 흘려 온도를 맞추는 것이 효율적이다. 공정에서 공정 조건과 설비적인 동작을 컨트롤 및 모니터하기 위해 만들어 놓은 시스템이 모니터링 패널이다. 설비 동작의 모든 상황과 정보가 표현되어 설비에서 일어나는 상황을 파악할 수 있다. 가스별로 주입되는 양과 밸브의 개폐 여부, 챔버내 압력은 얼마이고 전압은 어느 정도 인가되고 있는지 등 공정과 관련된 정보가 표시되기 때문에 엔지니어는 이 패널을 보면 공정 진행 상황을 파악할 수 있다.