SK머티리얼즈가 알고싶다 in 증착+세정공정과 SK머티리얼즈의 가스편

SK머티리얼즈가 알고싶다 in 증착+세정공정과 SK머티리얼즈의 가스편

안녕하세요~ SK머티리얼즈의 비밀을 알아보는 시간 ‘리얼즈가 알고싶다!’입니다.
오늘 함께 알아볼 내용은 바로 반도체 공정에서 빠질 수 없는 과정인 ‘증착 공정‘에 관해서 알아보고 그 속에서 SK머티리얼즈가 하고 있는 역할에 관해서 알아보도록 할까요? 그렇다면 설명을 들으러 가보시죠!

SK Careers Editor 정우성

 

 

 

 

• 증착(Deposition)공정이란?

처음으로 다양한 비밀들을 알아보기 전 증착 공정이란 어떤 것인지 알아보도록 할까요?
‘증착’의 사전적 의미는 쌓아 올린다는 의미를 지니고 있습니다. 증착은 반도체, 디스플레이 등 소재를 만드는데 있어서 필수적인 공정 단계입니다. 다양한 화학적 기판 위에 박막(Thin)을 성장시키는 것을 의미하는데 여기서 박막이란 얇은 막을 의미하는 것이고 이러한 얇은 막은 기판 위에 다양한 공정을 진행하기 전 다양한 목적에 맞게 사용됩니다.

주로 이러한 박막을 성장시키는 이유는 기판을 보호하기 위해서 입니다!
다양한 공정을 진행하기에 앞서서 기판이 손상되어서 제품이 손상되는 상황을 막기 위해서 박막을 성장시킵니다. 일종의 보호막이라고 생각하시면 됩니다! 또한 트랜지스터를 제조할 때 게이트의 유전막을 형성하거나 노광  공정 시 하드 마스크를 씌울 때도 사용됩니다!
이러한 박막을 성장시키는데 다양한 방식들이 사용되는데 오늘은 대표적인 방식인 화학적 기상 증착법(CVD)와 물리적 기상 증착법(PVD)에 관해서 알아보고 공정 과정에 필수적인 가스들과 SK머티리얼즈와의 관계를 살펴보도록 하겠습니다.
 

 

 

• 증착 공정의 대표적인 방식 – CVD와 PVD

출처 – 하이닉스 뉴스룸

첫 번째로 알아볼 증착 방식은 바로 CVD입니다!
CVD란 Chemical vapor deposition의 약자로 화학적 기상 증착 법이라고 지칭합니다. 말 그대로 얇은 막인 박막을 성장시키기 위해 화학적인 방식을 활용하여 성장시키는 방식입니다.

화학적 방식은 어떤 것을 의미하는 것일까요?
박막 재료 혹은 구성 원소를 포함하는 가스를 기판 위에 공급하여 기상 또는 기판 표면에서의 열분해(열을 이용해 혼합물 분리) 광분해(빛을 활용해 혼합물 분리) 산화 환원반응(산화,환원을 활용한 혼합물 분리 방식) 등의 다양한 화학적 반응을 활용하여 박막을 기판 표면에 형성하는 방식입니다.

그렇다면 CVD 원리를 알아보도록 할까요?
첫째로 박막을 시키고 싶은 화학물질을 포함한 가스를 흘러 보내 줍니다. 둘째로 가스를 통해 박막 전구체가 형성됩니다(전구체 -박막이 형성되기 전의 물질)셋째로 표면에 박막 전구체가 흡착되고 표면으로 전구체가 확산되며 박막이 형성됩니다.

CVD는 활성화 에너지 공급 방식/반응 온도/증착 막 종류/반응기 내부 압력 등에 따라 다양하게 분류를 합니다.

1. 열 CVD(Thermal CVD) : 열을 활용하여 증착 진행
2. 플라즈마 CVD(PECVD) : 플라즈마라는 전기를 활용한 증착 진행
3. 대기압 CVD(APCVD) : 반응기의 기압이 높은 상태에서 박막을 형성
4. 저기압 CVD(LPCVD) : 반응기의 기압이 낮은 상태에서 박막을 형성
등이 있습니다.

이 중 플라즈마를 활용한 CVD방식인 PECVD가 많이 사용되는데요! 플라즈마 CVD는 낮은 온도에서 공정이 가능하다는 큰 장점을 가지고 있기 때문입니다. 높은 온도에서 공정이 진행되며 공정 과정 중 기판에 손상이 발생할 가능성이 존재한답니다! 또한 가스 흐름/플라즈마/온도/압력 등을 유연하게 조절할 수 있는 공정 유연성이 매우 우수한 방식이라 많이 사용하는 공정 중 하나랍니다!
 
두 번째로 알아볼 방식은 PVD방식입니다.
PVD는 Physics Vapor Deposition로 물리적 기상 증착 법이라고 지칭합니다. PVD는 증착 하고자 하는 재료를 진공 중에서 물리적인 방식으로 기판 위에 증착 하는 기술입니다. 고체 형태의 입자를 옮기는 방식으로 주로 금속인 알루미늄/구리 등을 증착 할 때 많이 사용하는 방식입니다. 물리적으로 증착 하는 기법으로는 방식에 따라 아래와 같이 나뉩니다.

1. 열 증착 법(Thermal evaporation) - 열을 통해 박막을 증착 시키는 방식
2. 전자 빔 증발 법(e-beam evaporation) - 전자빔을 활용하여 증착 물질을 가열한다.
3. 스퍼터링법(sputtering) - 이온 입자를 물질에 타겟해서 입사시킨 후 내부의 원자가 외부로 방출되며 이 원자가 기판에 전달되어 막에 증착 되는 원리입니다.
 
이 중에서 열 증착 법과 전자 빔 증발법이 많이 사용되는 방식입니다! PVD는 비교적 고품질의 나노 박막을 형성하는데 많이 사용되며 고 진공을 요구하는 증착 방식입니다. 그렇기에 고가의 장비가 필요하며 증착 속도가 많이 느리답니다!
위에서 PVD와 CVD에 관해서 비교해 보았는데 두 개가 방식도 비슷하고 많이 혼란스러울 것으로 생각됩니다. 증착 물질들이 기판에서 변태(기체가 고체로 변하는 현상) 될 때 어떤 과정을 거치느냐 에 따라 구분합니다. 기체에서 고체로 변하는 과정이 물리적이면 PVD 화학적이면 CVD로 구분할 수 있습니다!
 

 

 

• 새롭게 떠오르고 있는 증착 기술 – ALD 증착 공정

다음은 증착 공정에서 새로운 기술로 등장하며 많은 관심을 받고 있는 기술을 소개해드리도록 하겠습니다!
바로 ALD라는 Atomic layer deposition 공정입니다. ALD는 말 그대로 원자층을 한 겹 한 겹 쌓아 올려 막을 형성하는 방식입니다.

출처 – 하이닉스 뉴스룸

ALD는 원자를 이용해 박막을 만드는 방식으로 기존의 CVD와 PVD 박막기술의 한계를 극복할 대안으로 떠오르고 있습니다.
반도체 제조 공정 중 화학적으로 달라붙는 단 원자 층의 성질을 활용한 공정 방식입니다. 웨이퍼 표면에서 분자의 흡착과 치환이 번갈아 진행되면서 원자층이 layer by layer로 쌓이게 됩니다. 위에서 보이는 사진처럼 1 cycle로 원하는 물질을 한 층 한 층 박막 시키는 과정입니다.

CVD/PVD와는 다르게 증착이 아닌 흡착방식을 활용하였고 2차 소스를 넣어서 흡착 물질과 화학적 치환이 일어나서 최종적으로 제3의 막이 한 층으로 형성됩니다. 결국 한 개의 새로운 층이 흡착되어 형성되는 것으로 볼 수 있습니다!

이러한 ALD 증착 방식은 매우 매우 미세한 막을 형성할 수 있다는 장점이 있고 형성된 막의 성질을 유연하게 조절할 수 있으며 불순물 또한 거의 없는 고품질의 막을 형성할 수 있다는 장점이 있습니다! 무엇보다 증착 방식이 아닌 흡착방식을 활용하였기 때문에 복잡한 형상의 벽면에서도 좋은 Step coverage(박막 균일도)를 보인다는 큰 장점이 있습니다. 이러한 ALD는 현재 삼성/SK에서 선진된 기술력을 바탕으로 지속적인 연구를 이어가고 있는 분야이니 관심이 많으신 분들은 이 공정을 알아두면 좋을 것 같습니다!
 

 

 

• SK머티리얼즈의 증착 가스

위에서 소개해 드린 증착 공정은 증착 가스와 전구체라고 불리는 source가 매우 중요한 변수로 작용합니다. SK머티리얼즈 또한 국내 최고의 가스 회사답게 훌륭한 증착 가스를 생산하는데요! 어떤 종류가 있는지 함께 알아보도록 할까요?

첫째는 WF6인 육불화텅스텐입니다! 대표적으로 증착공정에서 많이 사용하는 가스이고 특히 CVD 공정을 진행하는데 많이 사용하는 가스 종류 중 하나입니다! 텅스턴이라는 금속을 활용하여 Metal과 Metal을 전기적으로 연결해주며 소자와 Metal을 전기적으로 연결해주는 역할을 텅스텐 박막을 통해 구현합니다!

둘째는 SiH4(모노실란)입니다. SiH4는 반도체/디스플레이 및 태양전지를 만드는 증착공정에서 많이 사용한다는 특징이 있습니다.
셋째는 Si2H6(디실란)입니다. 이 가스는 SK머티리얼즈만의 특허가 있는 가스로 모노실란에서 열분해를 통해 생산하는 방식입니다! 이 방식은 SiH4(모노실란)으로 공정하기 이전에 표면 균실화를 위해 사용하는 공정입니다!

이렇듯 다양한 증착 가스들이 공정에서 사용됩니다. 화학적으로 많이 어려운 내용이 나와서 더 깊이 있게 다루지는 못하지만 공정에 사용되는 이러한 주요 가스들을 생산하는 회사가 SK머티리얼즈이며 정말 다양한 산업 분야에서 이 가스들이 사용된다는 관계를 파악하시면 좋을 것 같습니다!
 

 

• SK머티리얼즈의 세정가스 NF3

밖에 나갔다가 온 이후에 손을 씻듯이 박막을 증착한 이후에는 가스를 통해서 주변을 청소해주고 웨이퍼를 깨끗이 유지하는 공정을 거쳐야 하는데요 여기에 사용되는 가스를 세정 가스라 고 합니다. 그리고 이 분야에서 글로벌적 훌륭한 기술력을 보유한 기업이 바로 SK머티리얼즈입니다!

SK머티리얼즈의 초고순도의 NF3 가스는 CVD 챔버 내 남아있는 불순물을 세척하는데 사용이 됩니다. 이러한 NF3는 원료가 암모니아와 플루오린화 수소인데 생산이 매우 까다롭고 폭발의 위험이 있어 적절한 온도와 압력을 통해 NF3를 만드는 것은 아무나 할 수 있는 일이 아닙니다. 또한 반도체는 매우 작은 불순물에도 수율에 많은 영향이 미치기 때문에 초고순도(99.999%)의 NF3를 만드는 고도의 기술력은 매우 중요합니다.

NF3 가스는 암모니아와 불화수소를 고온/고압 반응시켜 추출한 가스이며 안정성이 뛰어난 비인화성 기체로 저장과 수송이 매우 용이한 기체입니다! CVD 공정 후 챔버 내에 SiO2와 Si3N4 불순물이 생성됩니다. 그 이후 챔버에 NF3를 투입한다면 NF3와 불순물이 반응하여 SiF4가 되어 내부 세척이 됩니다.

이러한 삼불화질소에 사용되는 불소는 주기율표상 7족이며 매우 반응성이 뛰어난 기체이며 매우 다루기가 어려운 가스입니다. 하지만 SK머티리얼즈의 선진화된 기술을 통해 국내 최초 생산에 성공하고 현재는 글로벌 시장에서 무려 점유율 40% 이상으로 세계 1위의 자리를 차지하고 있답니다!

 

 

 

 

네, 지금까지 증착/세정공정의 비밀과 SK머티리얼즈의 가스에 관해서 알아보는 시간이었습니다. 더 세부적으로 들어가며 공학적인 내용이 많지만 최대한 여러분의 눈높이에 맞춰서 설명하기 위해 노력하였습니다! 취준생분들에게 관련 내용이 많은 도움이 되었으면 좋겠고 일반 대학생이나 다른 분야의 업무를 진행하시는 분들에게도 관련 내용이 쉽고 유익하게 다가갔으면 좋겠습니다! 지금까지 SKCE 18기 SK머티리얼즈 Editor였습니다!
이 글을 읽고 난 이후에 더 많은 정보가 궁금하다면 SK머티리얼즈 홈페이지에 방문하셔서 찾아보시면 좋을 것 같습니다!
다음에 더 재미있는 기사로 돌아오겠습니다~