반도체 박막증착 내부 관찰시스템, 세계 최초개발

 
 
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/사진=한국생산기술연구원
국내 연구진이 반도체 박막 증착 공정을 실시간 분석할 수 있는 관찰시스템을 세계 최초로 개발했다.

16일 한국생산기술연구원에 따르면 화학기상증착 장비 내부에서 웨이퍼 위에 박막이 형성되는 전과정을 실시간으로 관찰하고 측정·분석하는 ‘화학증착소재 실시간 증착막 측정시스템’ 개발에 성공했다.

반도체 공정 중 박막 증착 공정은 실리콘 웨이퍼 위에 얇은 층 형태의 박막을 단계적으로 겹겹이 쌓아가는 핵심공정이다. 박막은 반도체 회로간 구분, 연결, 보호 역할을 담당하며 최대한 얇고 균일하게 형성할수록 반도체 품질이 향상된다.

그러나 박막 두께가 1㎛ 이하로 매우 얇기 때문에 기술적 난이도가 높은 공정으로 알려져 있다. 이 때문에 박막 형성 상태를 수시로 측정하고 확인하는 작업이 중요하다.

특히 기존에는 박막 증착 여부를 확인하기 위해 해당 장비에서 박막을 꺼낸 뒤 별도의 분석기기로 검사해야 했다.

하지만 그 과정에서 대기 중에 존재하는 산소나 수분과의 접촉으로 변질돼 분석결과 신뢰성이 훼손될 수 있다는 문제점이 있었다. 실제로 박막에 불량이 발생한 경우 원인을 규명하기 어려운 상황이다.

생기원 고온에너지시스템그룹 허훈 박사 연구팀은 화학기상증착 장비 내부에 박막 소재 증착 과정을 측정·분석할 수 있는 In-situ 라만 분광 장치를 설치해 문제점을 개선했다. 설치된 In-situ 라만 분광 장치는 단색광을 기체나 투명한 액체·고체에 쬐면 산란광 속에 파장이 약간 다른 빛이 생기는 라만 효과를 기반으로 한다.

라만 효과에 의해 발생하는 특수한 빛의 배열인 ‘라만 스펙트럼’을 활용하면 장비 내부에서 박막 소재 농도, 결정구조, 결정성 등 다양한 물성 정보를 실시간 파악할 수 있다. 화학 증착에 필요한 화합물 및 반응가스, 박막 성장 온도나 시간 등 여러 변수를 측정·분석해 공정도 최적화할 수 있다.

연구팀은 박막 물성 분석결과를 기반으로 유전율을 유추할 수 있는 분석기법도 개발했다. 유전율이란 전기장을 가했을 때 전기적 성질의 분자들이 정렬해 물체가 전기를 띠는 현상이 발생하는 정도를 말한다.

유전율 분석결과는 고집적화와 고속화 구현에 유리한 저유전율 특성을 지닌 반도체 물질을 개발하는데 활용된다.

연구팀은 구축한 시스템을 통해 저유전율 반도체 물질을 증착시켜 그 과정과 처리조건에 따른 물성변화를 라만 스펙트럼으로 실시간 분석하는 데 성공했다. 이를 통해 신규 박막 소재 개발 가능성도 높였다는 평가다.

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

한편 이번 연구개발은 국가과학기술연구회가 주관한 창의형 융합연구사업 과제를 통해 3년 만에 낸 성과다. 지난 6월 시스템 개발을 완료하고 현재 반도체 소재 기업들과 상용화를 추진하고 있다.
 

채성오 cso86@mt.co.kr  |  facebook

머니S 채성오 기자입니다

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