​[렛유인 KDC 교육] 반도체 장비 1일차 : 수율을 지키는 첫 관문, EFEM과 장비 플랫폼 트렌드

1. 들어가며 : 왜 전자과 학생이 '기구 설계'를 듣는가?

전자공학과 전공 수업에서는 주로 소자의 물성이나 회로에 집중합니다. 그러다 보니 문득 "그래서 이 칩들이 구체적으로 어떤 기계 안에서 만들어지는 지" 에 대한 궁금증이 생겼습니다.
실제 현장에서는 완벽한 공정 조건을 잡더라도, 그 공정을 수행하는 '장비(Equipment)'가 물리적으로 뒷받침되지 않으면 수율(Yield)을 확보할 수 없다는 이야기를 많이 들었습니다.
 
그래서 이번에 '내일도렛유인' 에서 진행하는 [반도체 장비 기구설계] 과정을 신청했습니다.
오늘은 그 첫 번째 시간으로, 반도체 장비가 어떻게 구성되어 있고 최근 트렌드는 무엇인지 배운 내용을 정리해 보려 합니다. 학생의 시선에서 바라본 장비 설계는 꽤 흥미로운 포인트가 많았습니다.
 

2. 반도체 장비도 '유행'이 있다? (Platform trend)

반도체 장비라고 하면 다 비슷하게 생긴 줄 알았는데, 생산 효율을 위해 구조가 계속 바뀌고 있었습니다.

• Cluster Type (기존): 1970년대부터 2010년대까지 주류였던 방식입니다. 가운데 로봇을 두고 방사형으로 챔버들이 붙어있는 구조인데, 공간 효율은 좋지만 한 번에 처리하는 양에 한계가 있습니다.
• Linear Platform (최신): 2021년 이후부터 많이 보이는 형태라고 합니다. 장비를 직렬로 길게 늘어뜨린 구조인데, 이렇게 하면 단위 면적당 생산량(WPS)을 늘릴 수 있고 공정 모듈(PM)을 더 많이 붙일 수 있다고 합니다.

변화하는 반도체 장비

 왜 Linear로 갈까? 최근 공정이 미세화되면서 Step 수가 급격히 늘어났다고 합니다.
Cluster 방식은 챔버를 늘리는 데 물리적 한계가 있지만, Linear 방식은 모듈만 갖다 붙이면 확장이 쉬워 'Area Productivity(면적당 생산성)' 측면에서 유리합니다.

WPS를 올리기 위해 Linear Platform으로 변화

3. 장비의 해부 : 웨이퍼는 어떻게 이동할까?

장비는 크게 보면 EFEM(입구)과 TM/PM(본체)으로 나뉩니다. 웨이퍼가 팹(Fab) 내에서 이동하는 순서를 따라가며 구조를 익혔습니다.

1. OHT (Overhead Hoist Transport): 천장 레일을 타고 웨이퍼가 담긴 박스(FOUP)가 날아와서 장비에 도킹합니다.
2. EFEM (Equipment Front End Module): 여기가 핵심입니다. 대기압 상태에서 웨이퍼를 안전하게 받아주는 '현관문' 같은 곳입니다.
3. LL (Load Lock): 대기압과 진공 상태 사이의 완충 지대입니다.
4. TM (Transfer Module): 진공 로봇이 웨이퍼를 집어서 각 방으로 배달합니다.
5. PM (Process Module): 실제 식각, 증착 같은 공정이 일어나는 진짜 작업실입니다.

 [Industry Info] 누가 만들까? 강의를 듣고 실제 이 장비들을 만드는 회사가 궁금해 조사해 봤습니다.

• OHT: 일본의 Daifuku(다이후쿠)가 압도적 1위이고, 국내에서는 SEMES(세메스)가 국산화에 성공해 점유율을 높이고 있다고 합니다.
• EFEM: Brooks Automation, Hirata 같은 글로벌 기업 외에도, 국내의 Cymechs(싸이맥스) 같은 기업들이 삼성전자/하이닉스에 공급하고 있다는 점을 알게 되었습니다.

 

4. 오늘 공부의 핵심 : EFEM 집중 분석

오늘 강의에서 가장 집중해서 들은 부분은 EFEM(Equipment Front End Module)입니다. 단순히 웨이퍼를 전달하는 게 아니라, 오염(Particle)을 막기 위한 기술의 집약체입니다. EFEM은 대기(ATM) 상태에서 wafer를 반송하는 이송장치입니다. 반도체 장비에서 wafer 이송의 시작(Front)과 끝(End)을 담당합니다.

반도체 장비들 사이에서 Wafer가 이동하는 경로

(1) LPM (Load Port Module)

OHT가 내려준 FOUP이 안착되는 곳입니다. 그냥 선반인 줄 알았는데 센서가 엄청 많았습니다.

• Mapping Sensor: 웨이퍼가 어느 슬롯에 들어있는지 레이저로 검사합니다.
• N2 Purge: FOUP 내부에 질소를 쏴서 산소와 습도를 특정 농도 이하까지 떨어뜨립니다. 더 나아가 아예 EFEM 자체를 질소로 채우는 장비도 있다고 합니다.

찾아본 자료에 따르면, 초미세 공정에서는 산화 방지를 위해 FOUP 내부 습도를 1% 미만, 산소 농도를 100ppm 이하로 유지하는 게 필수라고 합니다.

LPM

(2) FFU (Fan Filter Unit)와 양압

반도체 장비는 외부 먼지가 절대 들어오면 안 됩니다. 그래서 FFU를 통해 깨끗한 공기를 위에서 아래로 계속 불어줍니다.

• 이때 장비 내부 압력을 외부보다 높게 유지하는 양압(Positive Pressure) 설계가 필수적입니다.
• 보통 10 Pa 정도의 차압(Differential Pressure)을 유지해야 외부 공기 유입을 완벽히 차단할 수 있다고 합니다.

FFU

(3) Ionizer (이오나이저)

개인적으로 제일 흥미로웠던 부품입니다. 웨이퍼 이동 중 발생하는 정전기를 없애는 장치인데, 정전기가 있으면 파티클이 달라붙어 불량이 난다고 합니다.

• 작동 원리: 약 3kV~7kV의 고전압을 걸어 양이온과 음이온을 발생시켜서 웨이퍼 표면을 중화(Neutralize)시킵니다. 전압은 3kV이상인 것이 중요합니다.

Ionizer

(4) Aligner

웨이퍼의 Flat이나 Notch 부분을 CCD 센서로 찾아서 정해진 방향으로 정렬해 줍니다. 이 과정이 정확해야 나중에 노광 공정에서 패턴이 삐뚤어지지 않을 수 있습니다.

Aligner

5. 장비 설치시에 EFEM이 특히 더 중요한 이유 

OHT에서 LPM으로 FOUP이 이동할때의 순서와 2D 도면에서 EFEM의 중요성