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반도체 박막 증착 과정, 실시간으로 본다

- 생기원, 장비 내부에서 바로 증착 상태 관찰·분석하는 시스템 세계 최초 개발
- 박막 소재의 농도 및 결정구조 실시간 파악, 공정 최적화까지 가능

□ 반도체 공정 중 박막 증착 공정은 실리콘 웨이퍼(Wafer)* 위에 얇은 층 형태의 박막을 단계적으로 겹겹이 쌓아가는 핵심공정이다.

* 반도체의 재료가 되는 얇은 원판

ㅇ 박막은 반도체 회로 간의 구분과 연결, 보호 역할을 담당하며, 박막을 최대한 얇고 균일하게 형성할수록 반도체 품질이 향상된다.

ㅇ 그런데 박막의 두께가 1㎛* 이하로 매우 얇아 이를 구현하는 것은 기술적 난이도가 높은 공정이며, 이 때문에 박막 형성 상태를 수시로 측정하고 확인하는 작업이 중요하다.

* 미터의 백만분의 일에 해당하는 길이

□ 한국생산기술연구원(원장 이성일, 이하 생기원)이 화학기상증착* 장비 내부에서 웨이퍼 위에 박막이 형성되는 전 과정을 실시간으로 관찰하고 측정·분석할 수 있는 ‘화학증착소재 실시간 증착막 측정 시스템’을 세계 최초로 개발했다.

* 가스의 화학 반응을 이용해 수증기 형태로 박막을 쌓는 화학적 증착 방식으로, 반도체 공정에 주로 사용된다.

ㅇ 기존에는 박막이 제대로 증착됐는지 여부를 확인하기 위해 해당 장비에서 박막을 꺼낸 뒤 별도의 분석기기로 검사해야 했다.

ㅇ 하지만 그 과정에서 박막이 대기 중에 존재하는 산소나 수분과의 접촉으로 변질되어 분석결과의 신뢰성이 훼손될 수 있고, 박막에 불량이 발생한 경우 원인 규명이 어렵다는 문제점이 있었다.

□ 생기원 고온에너지시스템그룹 허훈 박사 연구팀은 화학기상증착 장비 내부에 박막 소재의 증착 과정을 측정·분석할 수 있는 In-situ* 라만 분광(Raman spectroscopy) 장치를 설치해 이 같은 문제점을 해결해냈다.

* ‘용기 내에서’ 라는 의미의 장비 관련 용어로, 반의어는 Ex-situ이다.

ㅇ 설치된 In-situ 라만 분광 장치는 단색광을 기체 또는 투명한 액체·고체에 쬐면 산란광 속에 파장이 약간 다른 빛이 생기는 라만 효과를 기반으로 한다.

ㅇ 라만 효과에 의해 발생하는 특수한 빛의 배열인 ‘라만 스펙트럼’을 활용하면, 장비 내부에서 바로 박막 소재의 농도나 결정구조, 결정성 등 다양한 물성 정보를 실시간 파악할 수 있다.

ㅇ 또한 화학 증착에 필요한 화합물 및 반응가스, 박막 성장 온도나 시간 등 여러 변수를 측정·분석해 공정도 최적화할 수 있다.

□ 연구팀은 한걸음 더 나아가 박막 물성 분석결과를 기반으로 유전율(Permittivity)을 유추할 수 있는 분석기법도 개발했다.

ㅇ 유전율이란 전기장을 가했을 때 전기적 성질을 띤 분자들이 정렬해 물체가 전기를 띠는 현상이 발생하는 정도를 말한다.

ㅇ 유전율 분석결과는 고집적화와 고속화 구현에 유리한 저유전율 특성을 지닌 반도체 물질을 개발하는 데 활용된다.

ㅇ 연구팀은 구축한 시스템을 통해 저 유전율 반도체 물질을 증착시켜 그 과정과 처리조건에 따른 물성변화를 라만 스펙트럼으로 실시간 분석하는 데 성공, 신규 박막 소재의 개발 가능성을 높였다.

□ 허훈 박사는 “시간과 비용이 많이 소요되는 기존 Ex-situ 박막 분석 방식의 한계를 국내 기술력으로 극복해낸 사례인 만큼 관련 소재·장비 국산화에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.”고 밝히며, “반도체뿐만 아니라 OLED 소재, 2차전지 또는 태양전지용 전극소재 등 다양한 분야에도 활용 가능하다”고 말했다.

ㅇ 이번 연구개발은 국가과학기술연구회가 주관한 ‘창의형 융합연구사업’ 과제를 통해 3년 만에 낸 성과로, 2019년 6월 시스템 개발을 완료하고 현재 반도체 소재 기업들과 상용화를 추진하고 있다.