반도체 수율 핵심인 플라즈마, 실시간으로 진단한다-반도체·디스플레이 공정에 사용하는 플라즈마 밀도, 실시간으로 측정

반도체 수율 핵심인 플라즈마, 실시간으로 진단한다-반도체·디스플레이 공정에 사용하는 플라즈마 밀도, 실시간으로 측정

2021-06-01관리자

 

 

 

반도체 수율 핵심인 플라즈마, 실시간으로 진단한다

- 반도체·디스플레이 공정에 사용하는 플라즈마 밀도, 실시간으로 측정 -

- 측정 기준기급 센서 세계최초 개발, 국산 장비산업 경쟁력 강화 전망 -

 

 

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민)이 반도체·디스플레이 공정에 사용되는 플라즈마 양을 실시간으로 측정할 수 있는 센서를 세계최초로 개발했다. 가동 장비를 멈추지 않고도 사용할 수 있기에 반도체·디스플레이 장비 성능평가 및 제품 수율 향상에 도움이 될 것으로 기대된다.

 

이번 기술은 한국 원천 특허 등록을 기반으로 미국·유럽·중국·일본 등 4개국 특허 출원이 완료됐다. KRISS 연구팀은 기기에 센서가 내장된 ‘지능형 식각공정 장비’ 개발을 추진할 예정이며, 외산에 독점화된 반도체 장비 시장에서 기술혁신을 이룰 것으로 전망된다.

 

반도체 소자의 저전력화, 선폭 초미세화, 3차원 구조화에 따라 반도체 플라즈마 공정의 난도가 높아지고 있다. 플라즈마 공정은 반도체 회로 패턴 가운데 필요한 부분만 남기고 불필요한 부분은 깎아내는 작업인 식각 공정에 사용된다.

 

식각 공정의 안정성은 반도체 생산성·수익성의 척도인 수율로 이어진다. 잘못된 식각 공정으로 회로 부분이 끊기거나 균일하지 않으면 생산된 반도체 칩에 오류가 생기고 원하는 동작을 수행할 수 없다.

 

지금까지는 공정 중 웨이퍼 영역의 플라즈마 변수를 직접 측정할 수 있는 센서가 없었다. 해외에서 독점적으로 양산 공정에 활용되는 센서가 있지만, 이는 웨이퍼의 온도 혹은 전압 균일도를 측정하는 간접 측정 방식이다.

 

간접 측정 센서는 공정을 멈추고 센서를 삽입해 측정하는 비실시간 방식으로 공정 이상을 실시간으로 감지하기 어렵다. 투입 후에는 공정환경 정상화를 위해 오랜 시간이 필요해 반도체 수율을 떨어뜨리는 경우가 많다.

 

KRISS 첨단측정장비연구소 반도체측정장비팀 이효창 선임연구원, 김정형 책임연구원은 플라즈마 변수를 직접 측정할 수 있는 밀도측정 기술을 세계최초로 개발했다. 이는 웨이퍼 공정결과에 직접적인 영향을 주는 플라즈마 밀도값 및 균일도를 실시간으로 측정할 수 있으며, 측정불확도 2% 이내로 세계최고 수준이다.

 

KRISS 연구팀은 센서 개발을 위해 point-type, ring-type, bar-type 등의 구조를 선정하고, 신호감도 및 자체 공진특성에 관한 이론계산과 실험을 병행해 bar-type의 평판형 센서를 최적 구조로 도출했다. 이후, 평면형 프로브 실험, 전자기장 시뮬레이션, 회로 모델 개발을 통해 종합적으로 센서의 측정 신뢰성을 평가했다.

 

KRISS 이효창 선임연구원은 “이번에 개발한 센서는 웨이퍼 바닥 부분인 정전척, 에지링, 챔버 벽 등 원하는 부분에 설치할 수 있어 실용적”이라며, “향후 관련 기술의 표준 시험 절차 확립을 통해 반도체·디스플레이 소재 부품 장비의 성능을 검증할 수 있는 플라즈마 측정 기준 장비로 활용할 전망”이라고 밝혔다.

 

이번 연구결과는 플라즈마 과학 분야의 세계적 학술지인 플라즈마 소스 사이언스 테크놀로지(Plasma Sources Science and Technology)에 게재됐다.

 

한편, 지난 5월 이효창 선임연구원은 플라즈마 측정과학 연구 공로를 인정받아 연간 단 1명에게만 수여하는 유럽물리학회의 플라즈마 신진과학자상(Noah Hershkowitz Early Career Award)을 수상했으며, 플라즈마 소스 사이언스 테크놀로지 저널의 Editorial Board에 선임됐다.

 

 

붙임1

연구성과 추가 설명

 

 

□ 용어 설명

 

○ 플라즈마

고체, 액체, 기체 다음인 제4의 물질 상태로 불리며, 이온화된 상태의 집단적인 운동(collective behavior)과 거시적 관점의 준중성(Quasi-neutrality) 특성을 갖는다. 반도체·디스플레이·솔라셀 공정, 차세대 에너지원 핵융합 장치, 우주·항공 추진체, 수질·대기 환경 개선, 유독 기체·오염수 정화, 의료기기, 나노 구조체 표면 제어 등으로 다양한 분야에서 핵심기술로 활용되고 있다.

 

○ 플라즈마 공정장비

반도체 소자 생산을 위해서는 노광·증착·식각·이온주입 등의 전 공정이 필요하며, 플라즈마 공정장비는 식각·증착·이온주입 등에 핵심 장비로 활용되고 있다. 최근 EUV 노광 공정 도입에 따라서, EUV의 광원도 플라즈마를 통해 생성된다. 2020년 반도체 장비 매출액은 5.5% 늘어난 608억 달러를 달성 후 2021년은 668억 달러로 최고치를 기록할 것으로 예상되며, 그중 70% 이상이 반도체 전 공정장비에 해당한다. 반도체 전 공정장비 시장점유율은 Applied Materials 20%, Lam Research 16%, Tokyo Electron 14%, ASML 14% 등으로 외산의 점유율이 70%를 넘는 수준이다. 로직·파운드리 반도체 생산을 위해 2021년부터 장비 투자의 폭발적인 확대가 이루어질 것이며, 양산에 적용될 수 있는 플라즈마 원자층 식각장비의 필요성이 대두되고 있다.

 

□ 어디에 사용할 수 있나?

 

1. 지능형 식각공정 장비(플라즈마 측정센서 결합형 반도체 공정 장비)

KRISS 연구팀이 개발한 ‘실시간 플라즈마 측정기술’은 비간섭식, 고정밀, 실시간 측정이 가능하기에 센서결합형 지능형 반도체 공정 부품·장비 개발에 사용할 수 있다. 향후, 외산에 독점화된 반도체 장비 시장의 국산화를 이룰 핵심기술이 될 것으로 기대된다.

 

2. 플라즈마 측정 센서 신뢰성 평가

다양한 플라즈마 직접·간접 센서들이 개발되고 있지만, 그 측정값의 신뢰성이 평가되지 않은 상황에서 사용되는 사례가 빈번하다. 이번에 개발된 기술은 플라즈마 밀도 절대값을 측정할 수 있기에 다양한 플라즈마 및 공정 센서들의 시험 평가 및 보정에 활용할 수 있다.

 

3. 반도체 소재·부품·장비 신뢰성 평가

반도체 플라즈마 소재·부품·장비가 가져야 할 핵심사항은 플라즈마 성능과 플라즈마 환경에 따른 높은 내구성과 수율이다. 이에, 플라즈마 정밀측정 기반 소재·부품·장비 신뢰성 평가가 필요하다. 이번에 개발된 ‘실시간 플라즈마 측정기술’은 세계최고 수준의 정밀도(불확도 2%)를 통해 소재·부품·장비 신뢰성 평가가 가능하다.

 

□ 연구개발 과정

 

1. 탐침형 플라즈마 밀도 측정기술 개발(2003년)

초고주파를 이용, 2003년 개발된 탐침형 플라즈마 밀도 측정기술은 챔버에 삽입 시 플라즈마 섭동을 초래하여 공정에 영향을 줄 수 있기에 실시간 측정용으로 양산 장비에 활용되기에는 어려웠다. 

 

2. 평판형 구조의 플라즈마 밀도 측정기술 개발(2021년)

2가지의 핵심 고려사항이 있었다. 첫째는 탐칭형 구조와 같게 플라즈마 밀도 절댓값을 측정할 수 있는지, 둘째는 챔버 외곽에서 플라즈마 밀도가 상대적으로 낮고 센서의 신호 수집 면적도 크게 줄어들기 때문에 신호 감도가 우수하고, 프로브 구조에 의한 공진 신호가 없는 센서의 개발이 필요했다.

평면형 센서에서 point-type, ring-type, bar-type 등의 구조를 선정하고, 신호감도 및 자체 공진특성을 이론계산과 실험을 병행 평가하여, bar-type 평판형 센서를 최적 구조로 도출했다.

평면형 프로브의 실험, 전자기장 시뮬레이션, 그리고 회로 모델 개발을 통하여 종합적으로 센서의 측정 신뢰성을 평가했으며, 플라즈마 밀도 절대값을 정확하게 측정하는 것을 확인했다. 또한, 플라즈마 밀도측정 불확도는 Ar 플라즈마 환경에서 2% 미만이라는 매우 우수한 결과를 얻었으며, 웨이퍼가 올려진 환경에서도 플라즈마 밀도를 실시간으로 측정할 수 있는 센서를 세계최초로 개발하는 데 성공했다.

 

□ 논문 및 지원사업 관련 정보

 

1. 논문명 및 주소: 

논문명: “Circuit model for flat cutoff probe with coplanar capacitance” Plasma Sources Science and Technology, (2021) (IF: 3.193) 

주소: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6595/abef1a

논문명: “Flat cutoff probe for real-time electron density measurement in industrial plasma processing” Plasma Sources Science and Technology, (2021) (IF: 3.193) 

주소: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6595/ab62d9

 

2. 지원사업: 

한국표준과학연구원 주요사업, N-Lab 사업

국가과학기술연구회 융합연구단사업 및 창의형융합사업

과학기술정보통신부 소재혁신선도사업

 

□ 특허 정보

 

-평면형 플라즈마 진단 장치 국내특허 등록 10-2020-0095022 (2020.08.10.)

-평면형 플라즈마 진단 장치가 매립된 정전척 국내특허 등록 10-2020-0112131 (2020.12.15.)

-평면형 플라즈마 진단 장치가 매립된 웨이퍼형 플라즈마 진단 장치 국내특허 등록 10-2020-0112126 (2020.12.15.)

-미국, 유럽, 중국, 일본 특허 출원, 2020

(PLANAR-TYPE PLASMA DIAGNOSIS APPARATUS, WAFER-TYPE PLASMA DIAGNOSIS APPARATUS IN WHICH PLANAR-TYPE PLASMA DIAGNOSIS APPARATUS IS BURIED, AND ELECTROSTATIC CHUCK IN WHICH PLANAR-TYPE PLASMA DIAGNOSIS APPARATUS IS BURIED)

 

붙임2

사진 자료

 

 

 

 

 

▲ 실시간 플라즈마 밀도 측정기술의 원리 

 

 

 

 

 

▲ 플라즈마 밀도측정기 모델링, 이론계산, 실험 검증 이미지

 

 

 

 

 

 

 

 

 

▲ 실시간 플라즈마 측정센서가 삽입된 정전척의 상세 이미지

 

 

 

 

 

 

▲ 이효창 선임연구원, 

유럽물리학회 플라즈마 신진과학자상 ‘Noah Hershkowitz Early Career Award’ 수상

(https://iopscience.iop.org/journal/0963-0252/page/Hershkowitz%20Early%20Career%20Award%20and%20Review)

 

 

 

 

 

 

 

▲ KRISS 김정형 책임연구원(좌), 이효창 선임연구원(우)이

실시간 플라즈마 측정센서를 소개하고 있다.

 

 

 

▲ KRISS 이효창 선임연구원(좌)이 플라즈마 실험을 진행하고 있다.

<스튜디오 KENN 제공>

 

붙임3

이효창 선임연구원 프로필

 

 

1. 인적사항

 ○ 성 명 : 이효창

 ○ 소 속 : 한국표준과학연구원 

             첨단측정장비연구소 반도체측정장비팀

 ○ 직 위 : 선임연구원  

 

 

 

 

 

 

2. 경력사항

 ○  2019～현재 : 한양대학교 겸임교수

 ○  2016～현재 : 한국표준과학연구원 선임연구원 (우대연구원 2020~2022)

 ○  2015～2016 : 삼성전자 메모리사업부 책임연구원

 ○  2013～2013 : 프린스턴대학교 플라즈마물리연구소 방문연구원

 ○  2012～2015 : 한양대학교 강의교수/연구교수/리서치펠로우 

 

3. 수상실적

 ○  2021 : IOP 2020 Noah Hershkowitz Early Career Award  

 ○  2018 : 이달의 KRISS인상 (6월)

 ○  2012 : 한국진공학회 젊은진공과학자상 

 ○  2012 : 한양대학교 산업과학연구소 최우수상

 ○  2012 : 한양대학교 박사학위 최우수 총장상

 

 

4. 전문 분야 정보

 ○ 플라즈마 측정/물성/응용, 플라즈마 공정 측정 및 모니터링 기술 개발, 차세대 반도체/디스플레이 플라즈마 장비 개발, 플라즈마 공정 TTTM

 ○ Senior Member of IEEE (2018), Editorial Board Member of Plasma Sources Science and Technology (2021-2022)  

 

5. 발표논문 및 특허

 ○ [Invited review paper] Applied Physics Reviews 5, 011108, 2018. (I.F. 17.054) 외  SCI 논문 70편 이상 

 ○ "평면형 플라즈마 진단 장치 (10-2020-0095022)" 등 국내외 특허 등록 17건