[반도체 실습] 한국 반도체 교육원(KSTI) XR기반 반도체 공정 실습

한국반도체교육원 KSTI

상지대학교에 위치한 한국반도체교육원에 또 교육을 들으러 다녀왔습니다. 

초급과정에 대해 궁금하신 분들은 다음 글을 참고하시면 됩니다.

 

https://semi-note.tistory.com/8

[반도체 실습] 한국 반도체 교육원(KSTI) 반도체 기초분석 실무 후기

 

이번에 들은 교육은 공정 특히 CVD에 대한 교육이었습니다.

교육때 쓴 교육용 가상현실 프로그램에 렛유인 마크가 붙어있었습니다. 최근에 렛유인 강의를 많이 듣다보니 별 생각이 없었는데 나중에 진행하다보니 반도체 교육 관련은 렛유인이 정말 이곳저곳에 관여하고 있다는 생각이 들었습니다.

 

아무래도 가상현실 기반으로 교육이 진행되다보니 사진은 교재표지 말고는 못 찍어서 조금 아쉽다는 생각이 들었습니다. 처음에 신청하고 당일 이론수업들을 때 까지만 해도 이게 무슨 의미가 있을까 회의감도 들었지만, 막상 진행하다보니 머릿속으로만 알고 있는 내용도 정리가 되고 생각보다 더 알찼던 것 같습니다. 특히 공정, 장비관련 실습은 돈을 아무리 많이 써도 교육생이 직접 실습해보기는 어려운 것으로 알고 있는데, 물론 이번 교육도 직접 만져본 것은 아니지만 가상으로나마 장비를 가동해봤다는 점에서 의미가 있는것 같습니다.

 

공정이론에 대해 공부할 만큼 하셨거나 공정 실습을 이곳저곳에서 많이 해보신 분이라면 이런 교육까지는 필요없겠다 라는 생각을 하였습니다. 저는 공정이론, 실습교육 모두 경험해본 적 없기에 좋았습니다. 실제로 반도체학과 출신 교육생 분은 그날 교육에 대해 대부분 알고 있는 듯한 모습이었습니다. 

 

교육 교재

 

교육은 이론수업을 하고 공정 실습을 진행합니다. 아무래도 교육 시간이 제한적이다 보니 교재의 모든 내용을 다루지는 않고 특정 부분만 선별하여 진행하였습니다. 우선 이번 글에서는 교육 내용만 다루고, 이후 글에서 교재 내용을 독학하여 글을 따로 올려보도록 하겠습니다.

 

먼저 교육은 8대 공정에 대해 설명을 진행하고, 그 중에서 wafer 공정, Photo, Etch 정도만 다루었습니다.

실습은 CVD공정을 장비를 직접 제어하면서 과정과 결과를 보는 것으로 진행되었습니다. 

강사님의 설명으로는 CVD공정 뿐만 아니라 다른 공정들도 PM안에서 과정만 달라질 뿐 크게 다르진 않다고 합니다.

공정에 대한 레시피는 주어져 있으며 우리는 TEOS, O2, N2에 대한 농도를 설정하고 진행하였습니다.  

 

1. 공정 실습 과정

가상 실습이었지만, 장비의 구동 시퀀스는 실제 Fab 장비와 동일했습니다. 이론 시간에 배웠던 EFEM -> LL -> TM -> PM의 흐름이 그대로 적용되었습니다.

1. Gowning & Air Shower: 클린룸 입실 전 방진복 착용 및 에어샤워를 수행했습니다.
2. FOUP Loading: OHT를 통해 넘어온 FOUP이 EFEM의 Load Port에 안착됩니다.
3. Mapping & Transfer: ATM Robot이 웨이퍼 유무를 Mapping하고, 지정된 슬롯의 웨이퍼를 꺼냅니다.
4. Aligner: 웨이퍼의 Notch(또는 Flat)를 찾아 alignment를 수행합니다.
5. LL (Load Lock) In & Heating:
   • 웨이퍼가 진공 대기실인 LL로 진입합니다.
   • 단순히 진공만 잡는 게 아니라, Heating Module을 통해 웨이퍼 온도를 공정 온도 근처까지 heating합니다. PM 내부에서의 승온 시간을 줄여 Throughput을 높이기 위함입니다.
6. TM Transfer: 고진공 상태의 TM Robot이 웨이퍼를 집어 공정 챔버(PM)로 이송합니다.
7. PM Process (CVD):
   • 웨이퍼가 Chuck 위에 안착됩니다.
   • Shower Head를 통해 TEOS와 반응 가스가 웨이퍼 위로 균일하게 분사됩니다.
   • RF Power가 인가되어 플라즈마가 형성되고 증착이 시작됩니다.
   • Purge :  N2나 Ar 가스를 흘려줍니다. 이는 증착 가스가 웨이퍼 뒷면(Backside)이나 히터 쪽으로 침투해 원치 않는 막을 형성하는 것을 막기 위해서라고 합니다.
8. Cooling & Return : 공정이 끝난 웨이퍼는 다시 TM을 거쳐 LL로 이동합니다. LL에서 Cooling 후 alignment를 거친 후 EFEM으로 배출됩니다.

 

2. 공정 레시피 (Recipe) 설정

실습의 핵심은 직접 가스 유량을 설정하여 원하는 두께와 균일도를 맞추는 것이었습니다. 기억을 더듬어 설정했던 Process Parameter를 복기해 보았습니다. (일반적인 PECVD TEOS 공정 기준값 참고하였습니다) TEOS Gas 농도를 최소한으로 잡고하는 공정이었습니다. 

• Source Gas (TEOS):
  • 액체 상태의 TEOS를 기화시켜 공급하므로 Carrier Gas가 필요합니다.
  • Flow Rate: 약 200 sccm정도
  • 역할: 실리콘(Si)과 산소(O)를 공급하는 메인 소스입니다. 보통 200~500 sccm 사이를 많이 쓴다고 합니다. 실습에서는 200대 sccm 을 사용하여 density를 높이고 증착 속도를 제어하였습니다.
• Oxidant (O2):
  • Flow Rate: 약 800 sccm 정도
  • 역할: 산화제 역할을 합니다. 막 내의 불순물(탄소 등)을 제거하고 SiO2 결합을 단단하게 만듭니다. O2 비율이 높을수록 막질(Quality)이 좋아집니다.
• Carrier/Purge (N2):
  • Flow Rate: 약 1000sccm 정도
  • 역할: 플라즈마 안정화 및 부산물 배출을 돕습니다. 반응가스(여기서는 O2) 보다 조금 더 많은 양을 흘려줍니다.
• Pressure: 3 ~ 5 Torr
• RF Power: 400W (High Frequency)

RF power를 다룰 떄는 Impedance matching이 쓰인다. Power는 3가지로 나뉘는데 Foward Power, Reflected Power, Net Power로 나뉜다. 

1. Forward Power (Fwd):
   • 의미: RF Generator가 챔버를 향해 쏘아 보내는 파워입니다. 우리가 Recipe에서 400W 줘라 라고 세팅하면, 장비는 손실을 고려해 그것보다 조금 더 높게 쏘기도 합니다. 실습때는 405W정도를 사용하였던 것으로 기억합니다.
2. Reflected Power (Ref):
   • 의미: 챔버까지 갔다가 매칭(Matching)이 완벽하지 않아 튕겨서 되돌아오는 파워입니다. 이건 버려지는 Loss이자, 장비에 데미지를 주기 때문에 0에 가까울수록 좋습니다. 실습때는 5W정도였던 것 같습니다.
3. Net Power (또는 Load Power, Delivered Power):
   • 의미: 실제로 챔버 안에서 플라즈마를 만드는 데 쓰인 진짜 파워입니다. Fwd - Ref 로 계산합니다. 따라서 실습때는 400W가 될 것입니다.

실습 후에는 TEOS Gas FLow에 따라 달라지는 Deposition rate와 Uniformuty를 보여주었습니다. Gas Flow를 높이면 Deposition rate는 늘어나고 Uniformity는 저하됩니다. Gas Flow를 낮출 경우 반대의 현상이 일어납니다. 이에 대해 간단하게 결과만 알려주었기에 이론적인 부분을 따로 더 알아보었습니다.

1) Deposition Rate 상승 원인 : 물질 전달 제한 (Mass Transport Limited)

일반적인 CVD 공정은 반응 물질의 공급 속도가 전체 박막 성장 속도를 결정하는 물질 전달 제한 영역에서 이루어집니다. 따라서 TEOS 유량을 늘린다는 것은 챔버 내의 Si 전구체(Precursor) 농도를 높인다는 의미이며, 웨이퍼 표면에 도달하는 반응 소스가 많아지므로 증착 속도가 정비례하여 증가하게 됩니다.

2) Uniformity 저하 원인 : 기체 유동 (Gas Dynamics)

하지만 유량을 무작정 늘린다고 좋은 것은 아니었습니다. 샤워헤드에서 분사되는 가스 양이 과도하게 많아지면 챔버 내부의 안정적인 기체 흐름(Laminar Flow)이 깨질 수 있습니다.

특히 Exhaust가 이루어지는 웨이퍼 Edge 쪽으로 미처 반응하지 못한 과잉 가스들이 쏠리게 되는데, 이때 펌핑 속도가 이를 따라가지 못하면 국부적으로 가스 밀도가 높아지면서 가장자리가 두껍게 증착되는 Edge Thick 현상이 발생합니다.

 

3. Insight : 이론과 실제의 연결

XR 실습을 통해 이론과 교재로만 보던 장비 내부 구조를 입체적으로 확인할 수 있었습니다. 특히 LL 챔버에서의 Pre-heating 과정과 PM 챔버의 Purge 기능은, 기구 설계 강의에서 배웠던 생산성 향상과 오염 방지 이론이 실제 공정 시퀀스에 어떻게 녹아있는지 보여주는 좋은 예시였습니다.

또한 단순히 버튼만 누르면 되는 줄 알았던 공정이, 사실은 가스 유량, 압력, 온도, RF Power라는 수많은 파라미터의 미세한 균형(Trade-off) 위에 성립된다는 점을 깨달았습니다. Deposition Rate를 높이면서도 Uniformity를 잡는 Golden Recipe를 찾는 것이 공정 엔지니어의 핵심 역량임을 체감하는 시간이었습니다.