증착장비

증착장비(Deposition Equipment)는 반도체 제조 공정에서 중요한 역할을 하는 장비로, 웨이퍼 표면에 얇은 막을 형성하는 과정을 수행한다. 이 장비는 다양한 물질을 증착하여 특정 전기적, 물리적 특성을 갖는 층을 형성하며, 이는 반도체 소자(트랜지스터, 다이오드 등)의 성능을 결정하는 데 중요한 영향을 미친다. 증착 공정은 크게 두 가지로 분류되며, 물리적 기상증착(Physical Vapor Deposition, PVD)과 화학적 기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)이 있다.

증착공정의 개요

증착(Deposition)이란 특정 물질을 기판(주로 웨이퍼)에 얇은 막의 형태로 균일하게 증착시키는 과정을 말한다. 이러한 얇은 막은 반도체 소자 제조에서 중요한 역할을 하며, 금속 배선, 절연층, 보호막 등으로 활용된다. 증착 기술은 주로 나노미터(nm) 수준의 두께를 제어해야 하므로, 고도로 정밀하고 균일한 공정이 필요하다. 증착 장비는 반도체 제조 공정의 초기 단계와 중간 단계에서 핵심적인 역할을 한다.

증착 기술의 분류

물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition, PVD)

• PVD는 물리적인 방법을 통해 고체 상태의 물질을 기판에 증착하는 방식이다. 주로 금속 박막을 형성하는 데 사용된다.
• 대표적인 PVD 방법으로는 스퍼터링(Sputtering)**과 **증발(Evaporation)**이 있다.

스퍼터링(Sputtering)

• 스퍼터링은 진공 상태에서 타겟 물질에 고에너지 이온을 충돌시켜 그 물질의 원자를 기판으로 날려 보내 증착하는 방식이다. 이 방식은 타겟 물질의 종류에 상관없이 다양한 박막을 형성할 수 있으며, 균일한 두께와 우수한 접착력을 갖는 박막을 생성할 수 있다.

증발(Evaporation)

• 증발은 타겟 물질을 고온으로 가열해 증기 상태로 만든 후, 이 증기를 기판에 증착하는 방식이다. 주로 금속이나 유기물 같은 물질을 증착할 때 사용되며, 진공 증발 또는 전자빔(EB) 증발 방식이 자주 사용된다.

화학적 기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)

• CVD는 기상 상태의 화학 반응을 통해 기판에 물질을 증착하는 방식이다. 주로 실리콘 산화물(SiO₂), 질화물(Si₃N₄), 다결정 실리콘(poly-Si)과 같은 절연체나 반도체 물질을 형성하는 데 사용된다.
• CVD 공정에서는 반응성 가스를 기판에 공급한 뒤, 고온 환경에서 화학 반응을 일으켜 기판 표면에 박막을 형성한다.

주요 CVD장비의 종류

대기압 화학적 증착(APCVD, Atomospheric Pressure CVD)

대기압 상태에서 증착이 이루어지며, 생산성이 높지만 균일한 두께의 증착이 어렵다는 단점이 있다. 장비가 매우 저렴하다. 공정 압력이 대기압이기 때문에 진공부품 등이 필요가 없기 때문이다. Gap fill이 우수하다.

• Step coverage가 좋지 않다. 압력이 높아 Mean Free Path(MFP)가 매우 짧아 도달하는 원자의 에너지가 매우 작기 때문에 원자들이 이동을 하지 않고 바로 증착되어 버린다. 
• 박막의 quality가 매우 좋지 않다. 펌프가 없어 불순물을 빼고 공정을 진행할 수 없기 때문에, defect가 엄청 많다. 
• 대량 생산이 불가하다. Batch 방식이 불가능하기 때문에 대량 생산이 불가능하다. 
• Uniformity가 안 좋다. Chamber 내 gas가 너무 많아 기판 표면에서 반응을 하지 않고 공중에서 반응을 하여 3D로 성장되어 쌓이는 경우가 있다. 이를 Gas phase deposition이라고 하는데 큼지막한 덩어리들(powder)이 기판 표면에 흡착을 하여 증착이 되기 때문에 uniformity가 매우 낮다. CVD mechanism은 소스가 공중에서 분해되어 기판으로 도달 및 흡착, 반응하는 것이 목적이다. APCVD는 소스가 열 에너지로 분해 후 다양한 분자 형태로 다시 결합되는 문제가 생긴다. 

따라서 속도를 줄이고 가격을 높여 보다 좋은 quality의 박막을 만들고자 chamber의 압력을 낮추는 방법을 고안하였고, 이에 탄생한 장비가 LPCVD이다.

저압 화학적 증착(LPCVD, Low Pressure CVD)

낮은 압력에서 진행되며, 고도로 균일한 박막을 증착할 수 있다. 다결정 실리콘(poly-Si) 및 실리콘 질화물(Si₃N₄) 층을 형성할 때 주로 사용된다.

• LPCVD는 mTorr ~ Torr 압력 하에 공정이 진행되는 CVD이다. 압력이 낮아짐에 따라 증착속도가 느려지기 때문에 이를 보완하고자 추가적인 열 에너지를 공급한다. 
• Hot wall LPCVD : 일반적인 LPCVD 방식으로 튜브(챔버) 전체가 600'C 이상으로 가열되어 열에너지에 의한 원료 기체의 분해가 일어나고 화학반응을 거쳐 기판 위에 박막이 증착된다. 하지만, Hot wall CVD는 튜브 내부 어디에서나 온도가 같고 기체의 분포가 같기 때문에 박막이 기판 위에만 증착되는 것이 아니라 튜브 전체에 코팅이 된다. 따라서 튜브 전체를 주기적으로 cleaning 해줘야 한다.
• Cold wall LPCVD : 기판에만 열이 가해져 Hot wall LPCVD의 단점을 보완한 장비이다. 
• 박막의 quality가 좋다. Chamber 내의 압력을 낮추기 위해 진공 펌프를 구동시킨다. 구동 중 많은 불순물들이 펌프 밖으로 나가기 때문에 defect가 적어 quality가 좋게 된다. 
• Step Coverage가 좋다. 압력이 작기 때문에 MFP가 높다. 따라서 기판에 도달하는 원자들의 에너지가 높아 빈자리를 찾아 이동하여 흡착 후 증착이 된다. 
• 두께 균일도가 좋다. 도달한 원자들의 에너지가 높고, ghase phase formation이 거의 없기 때문에 두께 균일도가 좋다. 
• 대량 생산이 가능하다.
• 가스 소모량이 적다.
• Thermal budget 현상이 커진다. LPCVD는 700 ~ 1000도 정도에서 공정이 진행되기 때문에, APCVD와 급이 다른 thermal budget 현상이 일어납니다. 이로 인해 제약이 많이 붙는다.
• 낮은 증착 속도 : APCVD에 비해 압력이 매우 낮기 때문에 이를 보완하고자 온도를 높였음에도 불구하고 증착 속도가 느리다.

플라즈마 강화 화학적 증착Plasma Enhanced CVD, PECVD)

플라즈마를 이용하여 증착 온도를 낮출 수 있는 공정으로, 고온에서 공정이 어려운 박막을 형성하는 데 유리하다. 예를 들어, 유리나 플라스틱 기판에도 저온에서 박막을 증착할 수 있다.

Thermal budget 현상으로 인해 많은 제약이 생겼고, 이를 보완하기 위해 에너지 공급 방식을 열 에너지가 아닌 plasma 에너지를 이용한 방식이다. 0.1 ~ 5 Torr의 압력, 200~ 400도 정도의 저압, 저온에서 공정이 진행된다.   이 장비는 디스플레이 산업에서 특히 많이 사용되는데 디스플레이 산업에서 기판 재료로 실리콘이 아닌 유리, plastic을 사용된다. 온도가 600'C 이상만 돼도 바로 변형이 일어나기 때문에 저온에서 공정하는 PECVD를 선택하였다.

• 빠른 증착 속도
• Thermal budget x. 이 부분은 PECVD의 최대 장점이라고 생각하면 된다. 
• Unifomity가 적당하다. PECVD의 가스 이동 형태는 압력이 비교적 높아 가스 원자간 충돌이 많아 뭉쳐서 이동하는 '점성 유동' 형태로 균일성이 좋지 않다. 이를 균일하게 만들기 위해 shower head를 도입한다. Shower head를 이용하여 unifomity를 개선한 장비로, 디스플레이 산업에서는 웨이퍼의 면적이 매우 넓기 때문에 균일하게 박막을 증착해야 하는데, 이 부분에 있어서 매우 메리트가 있는 장비이다. 
• 비교적 저렴하다.
• 비정질, 화학양론적 조성을 갖기 힘들다. 온도가 400'C 이하로 매우 낮기 때문에 surface mobility가 매우 낮아 원자 배열이 불규칙한 비정질 형태로 성장하며, 화합물의 경우에는 정확한 화학 양론적 조성을 갖기 힘들다.(비정질의 dangling bond들은 수소를 첨가하여 전기적으로 작용을 못하게 만든다. 이를 a-Si:H라고 한다)
• Step coverage가 좋지 않다. Uniformity는 제어했지만, 낮은 온도로 인해 surface mobility가 낮아 기판에 도달하는 원자의 에너지가 작기 때문에 step coverage가 좋지 않다. 
• 불순물 함유량이 많다. 플라즈마의 에너지로 소스 가스가 분해가 되고, 이 에너지가 너무 높다 보니 또 공중에서 Gas phase deposition이 일어날 수 있다. 
• Gap filling이 잘 되지 않는다.

고밀도플라즈마 생성(High Density Plasma CVD, HDPCVD)

PECVD의 플라스마 농도를 수십 배 이상 높인 CVD이다. PECVD의 step coverage 문제를 개선하기 위해 도입된 CVD이다. 

• 박막의 quality가 좋다. Ar plasma에 의한 Sputter 효과로 depo + etch를 같이 진행할 수 있어 void와 같은 defect를 줄이는 방식이다.
• Step coverage가 좋다. Ar plasma에 의한 Sputter 효과로 depo + etch를 같이 진행할 수 있어 step coverage가 좋다. 
• Gap filling이 좋다. Ar plasma에 의한 Sputter 효과로 depo + etch를 같이 진행할 수 있어 gap fill이 좋다. 
• 모든 절연 공정이 가능하다.
• 비싸다. 
• Plasma Damage. Plasma의 높은 에너지, sputter 작용으로 인해 기판이 손상될 수 있다.
• 공정 속도가 느리다.

증착장비의 주요 구성 요소

진공 챔버(Vacuum Chamber)

대부분의 증착 공정은 진공 상태에서 이루어지기 때문에, 증착 장비의 핵심 요소는 고도의 진공 환경을 제공하는 진공 챔버이다. 진공 상태에서 물질을 증발시키거나 플라즈마를 생성하는 장치를 포함한다.

가열 시스템(Heating System)

고체 물질을 기체 상태로 만들기 위해 고온의 열을 제공하는 장치가 필요하다. 스퍼터링 장비에서는 이온화된 기체(플라즈마)를 이용해 물질을 증착하며, CVD 장비에서는 기판을 가열해 화학 반응을 촉진한다.

플라즈마 발생기(Plasma Generator)

PECVD와 같은 공정에서 플라즈마를 발생시키는 장치로, 플라즈마는 고에너지 상태의 이온으로서 증착 공정에 필요한 화학 반응을 촉진하거나 물질을 증발시키는 데 중요한 역할을 한다.

가스 공급 장치(Gas Delivery System)

CVD 공정에서는 반응성 가스를 공급해야 하므로, 정확한 양의 가스를 공급하는 가스 공급 장치가 필수적이다. 이 장치는 반응물의 양과 속도를 정밀하게 제어하여 박막 형성의 균일성과 품질을 결정한다.

타겟 물질 및 소스(Target Material and Source)

PVD 공정에서는 타겟 물질(스퍼터링 타겟)이 고체 상태로 준비되며, CVD 공정에서는 소스가 기체 형태로 준비된다. 이 타겟 또는 소스 물질이 기판에 증착되어 원하는 박막을 형성하게 된다.

증착 장비의 응용 분야

1. 반도체 소자 제조: 트랜지스터, 다이오드와 같은 반도체 소자를 제조할 때, 다양한 전도층 및 절연층을 형성하기 위해 증착 장비가 사용된다. 특히, 금속 배선층이나 게이트 절연층을 형성하는 데 중요한 역할을 한다.
2. 메모리 반도체: DRAM, NAND 플래시 메모리 등 다양한 메모리 소자 제작에 있어서도 정밀한 증착 공정이 필요하다. 특히, 비휘발성 메모리 소자의 산화물층 증착이 주요 공정 중 하나이다.
3. 디스플레이 산업: OLED, QLED와 같은 최신 디스플레이 소자 제작에서도 증착 기술이 사용된다. 특히, 유기 반도체 물질이나 금속 산화물층을 균일하게 증착하는 것이 중요한 기술이다.
4. 태양광 패널:태양광 패널 제조에서는 박막 태양전지를 만드는 데 증착 장비가 사용된다. CVD 기술을 이용하여 실리콘 박막을 형성하거나, 새로운 물질을 개발하여 효율성을 높이는 연구가 진행되고 있다.

증착 공정의 미래 및 기술 동향

반도체 소자의 미세화가 지속됨에 따라 증착 공정 또한 더욱 정밀해지고 있다. 특히, 나노미터 수준의 박막을 정확하고 균일하게 형성하는 것이 중요해졌다. 이를 위해 고급 증착 기술들이 연구 및 개발되고 있으며, 향후 새로운 소재 및 공정을 적용하여 반도체 소자의 성능을 극대화할 것으로 예상된다.

• 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD): ALD는 원자 단위로 물질을 증착하는 고도 정밀 공정으로, 매우 얇고 균일한 막을 형성할 수 있다. 이는 차세대 반도체 소자 및 고급 메모리 장치에 중요한 기술로 떠오르고 있다.
• 고속, 대면적 증착 기술: 대형 디스플레이 패널이나 대면적 기판에서 균일한 증착을 실현하기 위한 기술들이 개발되고 있으며, 생산성 향상을 위한 자동화 장비와 공정 통합 기술도 진보하고 있다.

참고자료

• SeH_ , 〈5.3 증착 공정) CVD 장비 종류, 각 장비 장단점]〉, 《티스토리》, 2022-12-08

같이 보기

• 증착
• 장비
• 물리적 기상증착법
• 화학적 기상증착법

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