[반장공] Vacuum (베큠, 진공)

안녕하세요. 오늘은 반도체 8대 공정엔 속하지 않지만, 다른 공정과 함께 기본적, 필수적 요소인 진공에 대해 배워보겠습니다.

 

Contents

1. Definition & Purpose of Vacuum
2. Equipment_Chamber
3. Equipment_Rotary Vane Pump

목차는 다음과 같습니다. 간단히 진공의 정의와 목적에 대해 살펴보고, 진공을 활용한 대표적 장비인 챔버, 펌프 두 종류를 공부하며 마무리하겠습니다.

 

1. Definition & Purpose of Vacuum

진공의 정의는 기체 분자가 공간 내에 얼마나 존재하는지에 대한 정도입니다. 이는 다르게 말하면 얼마나 기체가 공간에 존재하지 않는지, 즉 공간이 얼마나 비어있는지를 나타낸다고 볼 수 있겠습니다.

 

그렇다면 반도체 공정에서 진공을 잡는 이유는 무엇일까요?

가장 먼저, 불순물 최소화를 위함입니다. 반도체는 수분, 산소, 먼지 등에 굉장히 예민하기 때문에 chip making 과정에서 불순물이 함유되면 수율에 영향을 줍니다. 때문에 이를 방지하기 위해 진공을 필요로 합니다.

 

 

다음으로 플라즈마 형성 목적입니다.

타운샌드 메커니즘[1]

위 사진은 타운샌드 메커니즘이라는 플라즈마 형성 메커니즘입니다. 물리전자공학을 배운 전자공학도 학생이라면 avalanche breakdown이라는 것을 배웠을 텐데, 이와 매우 유사한 과정입니다. 챔버에 가스를 넣고 강한 전압을 인가하면, 전자가 가속되며 원자핵과 충돌을 일으키고, 충격을 받은 원자핵은 다시 원자핵과 전자로 분리됩니다. 이런 식으로 가속과 충돌을 거듭하며 플라즈마를 형성하는 메커니즘인데, 이때 전자의 가속과 관련된 공식이 아래의 mean free path입니다.

 

mean free path [2]

공식에 따르면 mean free path가 길어지기 위해 압력(P)가 낮아야 한다는 것을 알 수 있습니다. 진공을 잡음으로써 압력이 낮아지기 때문에, 더 긴 mean free path를 확보하고, 강한 충격으로 플라즈마를 원활히 형성할 수 있습니다.

 

 

마지막으론 ALD 과정과 밀접한 목적을 소개해드리자면, 원치 않는 기체를 날려보내고, 균일하게 표면을 활성화시키기 위한 목적이 있습니다.

ALD Process [3]

위 사진은 일반적인 TMA, H2O를 이용한 Al2O3 박막 증착과정인데, Precursor와 Reactant를 주입하는 과정 사이사이에 Purge gas를 주입하여 불순물과 흡착되지 못한 분자를 날려보냅니다. 이때 진공이 잘 잡혀있어야 국소적으로 불순물이 남지 않고 공정을 진행할 수 있으며, Precursor와 Reactant를 주입할 때도 균일하게 분자들이 흡착되게 영향을 주는 것이 진공입니다.

 

 

진공도 종류 [4]

다음으로 진공도에 따른 분류를 살펴보겠습니다. 100Torr까지는 저진공, 100~10의-1승까지 medium, 10^-1~10의-5승까지 고진공, 그 이후로 초고진공으로 분류됩니다. 진공도 별로 사용하는 펌프가 다르기 때문에, 목적에 맞는 펌프를 사용하는 것이 필요합니다.

 

 

2. Equpment_Chamber

다음은 진공을 활용한 대표장비 챔퍼에 대해 알아보겠습니다.

 

챔버사진 [5]

 

챔버는 환경, 진공, 온도 등 공정변수를 컨트롤하기 위한 밀폐 공간을 마련해주는 장비입니다.

사진에서 보시는 것과 같이 보통 로드락, 트랜스퍼, 프로세스 챔버로 나뉩니다.

 

로드락 챔버는 대기압의 외부와 대비되게 강한 진공도가 잡혀있는 내부 사이를 바로 분리하여 열게되면 높은 압력차로 장비가 데미지를 입기 때문에 중간 단계의 진공도를 잡아주는 장치라고 볼 수 있습니다. 때로는 로드락 챔버에서 RIE같은 간단한 공정을 진행하기도 합니다.

 

트랜스퍼 챔버는 로드락과 프로세스 챔버 사이를 진공을 유지한 채로 이동시키는 통로입니다. 주로 VTM 로봇을 이용하여 웨이퍼를 전달합니다. 프로세스 챔버는 진공상태에서 실제 공정이 진행되는 공간입니다.

 

3. Equipment_Rotary Vane Pump

 

로터리 베인 펌프 [6]

 

마지막으로 로터리 베인 펌프를 통해 펌프가 진공을 잡아주는 원리를 살펴보겠습니다.

진공은 다음과 같은 과정을 통해 진행됩니다.

 

Induction - Isolation - Compression - Exhaust

 

기름이 발라진 로터에 블레이드가 180도 회전하면 챔버로부터 inlet(흡기구)를 통해 공기가 들어옵니다. 블레이드가 조금 더 회전하여 들어온 기체를 외부로부터 isolation시킵니다. 블레이드가 더 돌아가며 고립된 기체가 점점 압축되어 압력을 갖게 됩니다. 마지막으로 블레이드가 배기구까지 도달하면 압축된 공기가 배기구를 통해 나가는 시스템입니다.

 

이러한 과정을 반복하며 챔버 내부의 공기가 펌프를 통해 빠져나가고, 챔버는 점점 진공도를 얻게 됩니다.

 

방금 소개해드린 로터리 베인 펌프는 저진공을 잡는 펌프입니다. 고진공을 잡을 때에는 바로 Cryo pump같은 고진공 펌프를 사용하는 것이 아니라, 로터리 베인 펌프같은 저진공용 펌프로 먼저 진공을 잡고, 그 후에 추가로 진공을 잡을 때 펌프를 추가 사용하여야 합니다.

Reference

[1] 퀀텀스쿨_다음카페

[2] 반디통_블로그

[3] SK Hynix Newsroom

[4] VTI_밸브기술정보

[5] 궁금할 땐_티스토리

[6] 도토리_블로그