[렛유인 KDC 교육] 반도체 장비 4일차 : PM(Process Module)의 핵심 부품과 진공 계측

1. PM(Process Module)의 개요

TM을 통해 이송된 웨이퍼가 도착하는 최종 목적지는 PM(Process Module)이다. 이곳은 식각(Etching), 증착(Deposition) 등 웨이퍼에 물리적, 화학적 작용을 가해 실제 공정을 진행하는 챔버다.

PM은 공정 결과물(Output)을 만들어내는 곳이기에 내부 부품 하나하나가 수율과 직결된다. 오늘은 PM을 구성하는 핵심 파트인 GDP, 진공 게이지, EPD, Chuck의 역할과 원리를 정리한다.

PM의 구성요소

2. GDP (Gas Distribution Plate)

흔히 샤워헤드(Shower Head) 또는 배플(Baffle)이라고도 불린다. 챔버 상단에 위치하며, 공정 가스를 웨이퍼 상부로 균일하게 분사해 주는 다공성 Plate다.

• 역할: 가스가 웨이퍼 전면에 고르게 퍼지도록 하여 공정 균일도(Uniformity)를 확보한다.
• 설계 변수: Plate와 웨이퍼 사이의 거리(Gap), 홀(Hole)의 크기와 패턴 등이 공정 성능(Performance)에 직접적인 영향을 미친다. 가스 특성에 따라 일부러 불균일하게 분사하도록 설계하는 경우도 있다.

3. 진공 게이지 (Vacuum Gauge)의 종류와 원리

PM 내부는 목적에 맞는 진공도를 유지해야 하며, 이를 측정하기 위해 다양한 게이지가 사용된다. 크게 기체의 물리적 힘을 재는 직접 측정 방식과 열전도도/이온화율 등을 이용하는 간접 측정 방식이 있다.

(1) Pirani Gauge (피라니 게이지)

• 측정 범위: 약 760 ~ 10^(-3) Torr (저진공~중진공).
• 원리: 기체 분자가 많을수록(압력이 높을수록) 열을 잘 빼앗아간다는 성질을 이용한다. 센서 와이어(Sensor Wire)의 온도가 변하면 저항이 변하는데, 휘트스톤 브리지(Wheatstone Bridge) 회로를 통해 이 변화량을 압력으로 환산한다.
• 특징: 반응 속도가 빠르지만, 기체 종류에 따라 열전도율이 다르기 때문에 가스 조성에 따라 오차가 발생할 수 있다.

Pirani Gauge (PG)

(2) Baratron Gauge (CDG: Capacitance Diaphragm Gauge)

• 원리: 얇은 금속 격막(Diaphragm)을 사용한다. 압력에 의해 격막이 휘어지면 전극 사이의 거리(d)가 변하고, 이에 따른 정전용량(C)변화를 측정한다.
• 특징: 기체 종류와 무관하게 정확한 압력 측정이 가능하다. 하지만 격막이 얇아 과도한 압력 충격에 약하므로, 초기 배기 시에는 Pirani 등을 쓰다가 공정 압력 대역에서 밸브를 열어 사용하는 방식을 취한다. 주기적인 Calibration(보정)이 필요하다.

Baratron Gauge (BG)

(3) Ion Gauge (이온 게이지)

• 측정 범위: 10^(-3) ~ 10^(-10) Torr (고진공~초고진공). Pirani나 Baratron으로 측정이 불가능한 고진공 영역에서 사용한다.
• 원리: 기체 분자에 전자를 충돌시켜 양이온으로 만들고, 이온 전류(Ion Current)를 측정하여 분자 밀도(압력)를 산출한다.
  • Hot Cathode: 고온 필라멘트에서 열전자를 방출시킨다. 필라멘트 산화(Burn-out) 우려가 있다.

Ion Gauge (Hot)

• Cold Cathode (Penning): 필라멘트 없이 자기장을 이용해 전자를 나선 운동시켜 이온화 효율을 높인다. 수명이 길고 오염에 강하다.

Ion Gauge (Cold)

 

 

4. EPD (End Point Detection)와 APC

• EPD: 플라즈마 공정이 언제 끝나는지 감지하는 시스템이다. 주로 OES (Optical Emission Spectroscopy) 방식을 사용한다. 식각 부산물(Byproduct)이나 반응 가스의 특정 파장 빛의 강도(Intensity) 변화를 그래프로 모니터링하여 종료 시점을 판단한다.

Intensity graph

• APC (Auto Pressure Control): 챔버 압력을 일정하게 유지하기 위한 PID 제어 장치다. 배기 라인의 Pendulum 밸브나 Butterfly 밸브의 개폐량을 조절한다.

Valve

5. Wafer Chuck (Heating & ESC)

웨이퍼를 고정하고 온도를 제어하는 하부 부품이다.

• Heating Chuck: 내부에 히터(Heater)와 열전대(TC)가 있어 웨이퍼를 가열한다.
• ESC (Electrostatic Chuck): 진공에서는 진공 흡착이 불가능하므로, 정전기 힘(Electrostatic Force)을 이용해 웨이퍼를 고정한다.
• He Cooling: 진공 중에는 열전도가 잘 안 되기 때문에, 척과 웨이퍼 사이의 미세한 간극에 열전도율이 높은 헬륨(He) 가스를 흘려주어 웨이퍼 온도를 제어(Cooling)한다.

6. Insight 

4일차 교육을 통해, 반도체 장비는 보이지 않는 기체 분자들과의 싸움임을 다시 확인했다.

특히 피라니 게이지에서 '휘스톤 브리지'를 다시 만난 점이 무척 반가웠다. 학부 실험 과목에서 미지 저항을 측정할 때나 쓰던 회로라고 생각했는데, 이것이 반도체 장비에서 미세한 압력 변화를 감지하는 핵심 원리로 쓰인다는 사실이 신기했다. 전공 기초 때 배운 이론들이 현장에서 어떻게 응용되는지 체감할 수 있는 순간이었다.

또한 ESC의 He Cooling 시스템은 공정 균일도(Uniformity)의 핵심이다. 플라즈마 열로 인해 웨이퍼 온도가 불균일해지면 식각률(Etch Rate) 차이가 발생하기 때문이다. 미세 공정으로 갈수록 척 내부의 헬륨 압력 제어와 쿨링 효율이 수율을 결정짓는 중요한 파라미터가 될 것으로 보인다.