- 반도체 수율 및 공정 안정성 향상 기대

- 미세 오염 입자 사전 방지로 공정 품질 개선

- 공정 중단 없이 부품 수명 즉시 확인 가능

- 부식으로 인한 오염 입자 사전 방지해 반도체 수율 높이고 비용 절감 기대

한국표준과학연구원(KRISS)이 반도체 플라즈마 공정 부품의 수명을 실시간으로 진단하는 시스템을 개발하여, 반도체 수율과 공정 안정성을 크게 향상시킬 것으로 기대된다. 이 시스템은 미세 오염 입자를 사전에 방지하고, 공정 중단 없이 부품 수명을 즉시 확인할 수 있어 비용 효율성도 높인다.

▲ KRISS 첨단소재측정그룹

(앞줄 좌측부터 시계방향으로 윤주영 책임연구원, 맹선정 선임기술원, 정인석 학생연구원, 소종호 학생연구원)

▲ KRISS가 개발한 플라즈마 공정 부품 수명 실시간 측정시스템

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 이호성)이 반도체 플라즈마 공정에 쓰이는 부품의 수명을 실시간으로 진단하는 시스템을 개발하는 데 성공했다. 부품의 부식으로 발생하는 오염 입자를 사전에 방지해, 반도체 수율은 물론 공정의 안정성과 비용 효율성도 한층 높일 것으로 기대된다.

플라즈마 공정은 플라즈마 상태로 이온화된 기체를 이용해 반도체 기판의 표면을 정밀하게 가공(식각)하거나 특정 물질을 증착하는 과정이다. 플라즈마 공정에서 반도체 소자의 회로 패턴을 정밀하고 균일하게 구현해야만 설계 단계에서 목표했던 성능을 발휘할 수 있기 때문에 반도체 수율과 직결된 핵심 공정으로 꼽힌다. 

플라즈마 공정에서 발생하는 미세 오염 입자는 공정 품질에 치명적인 영향을 미친다. 대부분의 오염 입자는 공정장비(챔버)의 내부 부품들이 플라즈마 환경에 노출돼 부식하면서 발생한다. 이는 공정 중인 웨이퍼 위로 떨어져 불량품을 만들고 장비 내부에 증착해 공정의 성능을 떨어뜨린다. 

따라서 플라즈마 공정에 쓰이는 부품의 수명을 진단해 오염 입자의 발생 시점을 예측해야 하지만, 기존에는 이를 실시간으로 측정하는 기술이 없었다. 대부분 공정 종료 후 완성된 웨이퍼의 표면을 분석해 부품의 남은 수명을 간접적으로 추정했으나 공정 불량에 따른 수율 저하와 비용 손실이 발생하는 한계가 있었다.

▲ KRISS 연구진이 개발한 시스템에서 실시간 측정되는 오염입자량을 분석하고 있다.

KRISS 첨단소재측정그룹은 플라즈마 공정 설비에 부착해 장비 내부 부품의 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있는 측정시스템을 개발했다. 시스템은 테스트용 부품 홀더와 포집 장치, 분석 센서로 구성된다. 장비 내부에 테스트용 부품을 부착한 후, 플라즈마 노출로 인해 벗겨지는 부품 피막을 포집해 센서로 분석하는 방식이다. 공정 중 발생하는 수 마이크로미터(㎛) 이하 크기의 미세 입자를 시간당 수천 개까지 분석해 부품의 상태와 남은 수명을 실시간 진단할 수 있다. 

이번에 개발한 시스템을 제조 현장에 활용하면 오염 입자가 발생하기 전 부품을 적시에 교체할 수 있어, 공정의 안정성·생산성을 높이고 불필요한 부품 교체로 인한 비용도 절감할 수 있을 것으로 기대된다.

특히 기존에는 부품 수명을 확인하기 위해 공정을 중단한 후 장비를 분해해 분석하는 데까지 약 두 달 정도의 시간이 소요됐지만, 이번에 개발한 시스템은 관리자가 원할 때 객관적 데이터를 바탕으로 즉각 확인할 수 있어 공정 중단으로 인한 영업 손실도 줄일 수 있다.

또한 연구진은 이번에 개발한 시스템을 기반으로 국내 반도체 장비·부품 제조기업이 시제품의 성능을 테스트하고 공인 시험성적서를 발급받는 테스트베드 역할도 수행한다.

KRISS 첨단소재측정그룹 윤주영 책임연구원은 “실증 테스트베드 운영을 통해 국산 장비·부품의 신뢰성과 경쟁력을 높이고, 수입의존도가 높은 반도체 생산 공정 국산화에 기여할 것”이라고 말했다.

이번 기술은 즉시 상용화 가능한 수준으로, 반도체 장비 전문기업에 기술이전되어 실제 반도체 생산 현장에서 활용되고 있다. 연구성과는 재료 분야의 최상위급 학술지인 Journal of the European Ceramic Society (IF. 5.8, 상위 5%)에 9월 게재 승인됐다.

■ 용어 설명

○ 플라즈마(Plasma): 기체에 에너지를 가하여 이온화시킨 상태로 고체, 액체, 기체와 구분되는 물질의 네 번째 상태로 정의된다. 플라즈마가 가진 고에너지 입자를 이용하면 특정 영역에서 정밀한 반응을 일으킬 수 있다. 이런 특성 때문에 반도체 식각(Etching) 공정에서 웨이퍼 표면의 불필요한 물질을 제거하거나, 박막 증착(Thin Film Deposition) 공정에서 정밀한 필름을 증착하는 데 사용된다. 플라즈마 공정은 높은 정밀도와 균일성을 제공하기 때문에 반도체의 품질을 높이고 유지하는 데 중요한 역할을 한다.

○ 플라즈마 공정 부품: 플라즈마 공정장비(챔버)에 부속되는 전극류 등의 다양한 부품을 뜻한다. 가혹한 공정 환경에도 장기간 사용할 수 있도록 부품 외부를 코팅하지만, 코팅한 피막 역시 고에너지를 띠는 플라즈마에 의해 손상되거나 부식되어 오염 입자가 발생할 수 있다.

■ 지원사업 

 ○ 산업통상자원부, 반도체 및 디스플레이 장비용 친환경 내플라즈마 코팅 및 평가기술 개발

■ 논문 정보

 ○ 저널명: Journal of the European Ceramic Society (IF: 5.8)

 ○ 논문 제목: Effect of controlling residual moisture in atmospheric plasma spray-Y2O3 coatings on random defect generation by halogen-based plasma

 ○ 게재 승인 일자: 2024. 9. 14.

 ○ URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0955221924007921