이번 게시글 내용은 실제 PT 문제로 자주 제출되었던 내용인데요. 공정기술 직무를 희망하신다면 꼭 한 번 정독하시는 것을 권해드립니다.
[기출 6-1] RF Generator의 기능과 Reflect Power를 최소화 해야 하는 이유를 설명해주세요.
CVD 챔버에서 Plasma를 안정적으로 발생시키려면 안정된 RF 전력이 필요합니다. RF Generator는 챔버 내 플라즈마를 점화하는 데 필요한 RF Power를 생성하고 공급하는 장치입니다. 그런데, RF Generator에서 출력된 RF Power가 챔버로 온전히 전달되려면 Generator의 임피던스와 챔버의 임피던스가 일치해야 합니다. 만일 임피던스가 맞지 않게 되면 RF Power 일부가 챔버에 흡수되지 못하고 Generator 쪽으로 반사되어 돌아오는 데 이를, Reflect Power라고 합니다. 제대로 임피던스 매칭을 설계하지 않으면 Reflect Power가 크고 Generator가 Damage를 받으면서, 실제로 챔버에 전달되는 유효 Power가 줄어들어 Plasma가 불안정해집니다.
[기출 꼬리 6-1-1] Reflect Power를 줄이기 위해 임피던스 매칭 시키는 방법을 설명해주세요.
CVD의 Plasma System에서 RF Generator의 임피던스와 챔버의 임피던스를 실시간으로 매칭시켜 Reflect Power를 최소화 시키는 RF Matcher 장비가 있습니다. 공정 중 챔버 내 가스의 조성, 압력, 온도가 변하면 챔버의 임피던스도 변하기 때문에 Matcher는 내부의 가변 Capacitor를 자동으로 조정하며 매칭 상태를 유지하게 됩니다. 결과적으로 Generator에서 생성된 Power가 손실없이 챔버로 전달되어 안정적인 Plasma 상태를 유지할 수 있습니다.
[기출 꼬리 6-1-2] 기초적인 질문일 수 있는데, 임피던스에 대해서 설명해주시겠어요.
네 알겠습니다. 임피던스란 교류회로에서 전류의 흐름을 방해하는 전체 저항을 의미합니다. CVD Plasma 시스템에서도 임피던스 매칭이 필요한 이유 역시 RF '교류' Power를 전달해야 하기 때문입니다. (임피던스는 직류의 저항에 대응하는 개념으로, 저항 (R)과 리액턴스 성분(X, Coil과 Capacitor의 의한 저항)을 합산한 복소수 값, I = R+iX) RF Generator는 일반적으로 50Ω의 표준 임피던스로 설계됩니다.반면 플라즈마 챔버는 Gas의 종류, 압력, 온도에 따라 임피던스가 수십~수백 Ω으로 조건에 따라 변동합니다. 그로 인해 임피던스 Mismatch가 발생하면 RF Power의 에너지가 반사되어 Generator 회로에 과부하를 주고 Plasma가 소멸될 수 있습니다.Matcher 내부에는 자동으로 조정되는 가변 Capacitor 2개 (Load Capacitor & Tune Capacitor)가 있어 챔버 임피던스 변화에 대응하여 매칭 상태를 유지합니다.
[기출 꼬리 6-1-3] 표준 임피던스가 50ohm인 이유는 뭐에요?
표준 임피던스인 50Ω 은 사실 특별한 값은 아닙니다. 단순히 RF Power를 전달하는 전송 동축 케이블 설계에서 나온 절충값으로 RF 산업 전체의 표준 된 것이고, Plasma 장비 또한 이 표준 생태계 위에 만들어졌기 때문에 50Ω으로 맞춥니다.
[꼬리 6-1-4] 반사 전력이 장비에 어떤 영향을 미치는가요?
Reflect Power는 RF Generator로 반사되어 전달되는 에너지이므로 Generator 내부 발진 회로에 과도한 전압 스트레스를 가합니다.일반적으로 RF 공정에서는 Refect Power를 Forward Power의 5% 이내로 관리하고 있는 것으로 알고 있습니다. Reflect Power가 높으면 Plasma에 실제로 전달되는 전력이 줄어들어, Plasma 방전을 일으키지 못하거나 플라즈마 불안정으로 이어져 박막 두께 균일도와 막질 품질이 저하되는 이슈가 발생할 수 있습니다. 또한 앞서 말씀드렸다시피 반사전력이 Generator로 돌아와 Power Amp의 발열과 손상, 그리고 보호회로가 출력을 Foldback 해버리고, 케이블에 정재파가 생겨 케이블 길이에 따라 변동성이 커지고, 국부적인 고전압과 발열이 발생할 수 있습니다. PECVD 공정에서는 레시피 전환 시 Matcher가 새로운 임피던스 조건을 찾는 데 수 sec 정도 걸리므로, 이 구간의 플라즈마 안정성 확보가 중요한 관리 포인트라 할 수 있습니다.
[심화 6-2] RPS In-situ Clean이 필요한 이유에 대해서 설명해주세요? (RPS : Remote Plasma System)
CVD 공정이 진행되면 Wafer 표면 상에 박막이 증착될 때 동시에 챔버 내벽, Showerhead 하부, Heater 주변에도 원하지 않는 박막이 증착됩니다. 이 잔막들은 공정이 지속 반복될 경우 점점 더 두꺼워지고 결국 박리(Peeling)되어 Wafer 표면으로 떨어지게 되면서 Particle 이물성 오염 기인 수율 저하로 이어질 수 있습니다. Particle은 소자의 Hard성 Fail을 일으키는 핵심적인 원인이기 때문에 주기적으로 챔버 내부를 세정할 필요가 있습니다.
전통적인 방법으로는 챔버를 직접 Open하여 화학적, 물리적 세정을 하는 것이지만 챔버를 Open할 때마다 수십 시간의 장비 Down Time이 발생하여 생산성이 저하되는 문제가 발생합니다. 그로 인해 챔버를 Open하지 않고 챔버 내부에 F-라디칼을 주입하여 잔류 필름을 화학적으로 제거함으로써Down Time을 최소화하고 챔버 내부를 Cleaning 하는 방식인 RPS In-situ Clean 방법이 도입되었습니다. RPS를 사용하면 장비 가동 중에 필요한 시점에 자동으로 Cleaning을 수행할 수 있어 생산성 향상에 크게 기여할 수 있습니다.
[딴딴's T.M.I] 이물성 기인은 왜 Hard Fail이 발생하는가. 설비 기인 Particle과 공정 기인 Particle의 차이가 보이시나요? 설비 Drop성 Particle의 경우 공정성 Particle 대비 상대적으로 Particle의 모양이 각진 것을 확인할 수 있습니다. 챔버 내벽이나 Showerhead, Heater 등 Wafer 표면 외에 잔막들이 지속적으로 쌓이면서 Wafer 표면으로 떨어지면서 발생하는 문제들이죠.
이물 기인 수율 저하는 왜 Hard 성 Fail로 이어지는지에 대해서는 대충 감이 오실 거에요. 챔버 내부에 Particle들은 공정 진행 중에 발생한 물질이기에 전기적 특성을 가집니다. 이러한 Particle은 후속 공정에서 Pattern 형성을 방해하고 특히 Back-end 배선 공정에서 CNT/VIA Hole을 막으면 Open 불량이 날 수 있고, Power Line 사이에 Particle이 떨어지게 될 경우 Short 불량이 발생할 수 있죠. 이러한 이유로 반도체 제조공정의 청결도가 정말 중요하고, Fab의 경쟁력이 되는 것입니다.
따라서 Fab에서는 IC의 수율과 품질을 확보하기 위해 이러한 이물 개선을 위한 CIP 활동을 주기적으로 수행하여 청결한 환경을 유지하는 데 많은 노력을 기울입니다. ※ CIP (Continuous Improvement Process) : 지속적 개선 활동
[꼬리 6-2-1] RPS의 구성과 챔버 내부가 Cleaning 되는 동작 메커니즘을 설명해주세요.
RPS는 챔버 외부에서 Plasma를 생성하여 반응성 높은 Fluorin Radical을 챔버 내부에 공급하는 장치입니다.동작 원리를 설명드리자면, 챔버 외부의 RPS 장치에서 Ar Gas를 흘리고 RF Power를 인가하여 Plasma를 발생시킵니다. Plasma가 안정된 후에 NF3 Gas를 주입하면 Plasma 에너지에 의해 NF3가 분해되면서 F- Radical이 생성됩니다. 이 F radical이 챔버 내부로 유입되면서 챔버 내벽에 쌓인 SiO2 잔막과 화학반응을 일으켜 휘발성이 강한 SiF4를 생성하고, Pump를 통해 챔버 밖으로 배출되어 챔버가 세정됩니다.
[꼬리 6-2-2] RPS 방식의 장점에 대해서 설명해주세요.
RPS 방식의 핵심적인 장점은 플라즈마를 챔버 외부에서 생성한다는 점입니다. 챔버 내부에서 직접 플라즈마를 발생시키는 방식과 달리 챔버 외부에서 플라즈마를 생성할 경우 Showerhead와 Heater가 Plasma로부터 Damage를 받지 않아 부품 수명이 길어지면서 PM 주기를 확대할 수 있습니다. 또한 F radical만 사용하는 Chemical Clean이므로 선택비가 높고 세정 성능 또한 우수한 장점을 가지고 있습니다.
[딴딴's T.M.I] Cleaning에 자주 사용되는 NF3와 F Radical의 특성 NF3(삼불화질소)는 반도체 제조 공정에서 주로 챔버 Clean Gas로 광범위하게 사용되는 물질입니다. 상온에서는 아주 안정적인 분자 형태를 유지하지만, Plasma의 높은 에너지가 가해지면 N-F 결합이 끊어지면서 엄청나게 반응성이 높은 F-Radical 상태로 분리됩니다. F-Radical은 Si, SiO2, Si3N4 등의 Silicon 계열 물질과 즉시 반응하여 휘발성이 높은 SiF4 Gas를 형성하죠. SiF4는 상온에서 기체 상태이므로 Pump로 쉽게 제거됩니다. RPS에서는 챔버 외부에서 고밀도 플라즈마로 NF3의 분해 효율을 극대화하여 F-Radical 생성량을 늘리는데 최적화된 시스템이라고 할 수 있습니다.
[꼬리 6-2-3] In-situ System과 Ex-situ System에 차이를 설명해주세요.
In-situ Clean은 챔버를 Open하지 않고 챔버 내부에서 직접적으로 진행하는 자동화 세정 방식입니다. 반면 Ex-situ Clean은 직접 챔버를 Open하고 사람이 직접 부품을 분해 및 세정하는 방식에서 차이가 있습니다. In-situ Clean은 챔버 내부에서 길면 수십 분 정도 안에 Cleaning이 완료되기 때문에 장비 Downtime을 최소화한다는 장점이 있습니다. 반면에 Ex-situ Clean은 완벽하게 세정이 가능하지만 수십 시간의 장비 Downtime과 챔버 조건을 다시 안정화시키는 Seasoning 시간이 필요한 단점이 있습니다. 실제 양산 라인에서는 RPS In-situ Cleaning이 높은 빈도로 적용되고 있으며, 주기적으로 Ex-situ PM을 병행하여 챔버 내부를 완벽하게 유지합니다.
[꼬리 6-2-4] 지원자가 증착공정 경험이 있다 보니, 잘 알고 계시네요. 챔버 Seasoning 에 대해서 한 번 설명해주시겠어요.
챔버 Seasoning은 Cleaning이 완료 된 후 실제 Wafer를 처리하기 전에 빈 챔버에 증착 레시피를 실행하여 챔버 내벽을 얇게 SiO2로 코팅하는 과정입니다. 만일 Clean 이후에 챔버 내벽의 금속 부품의 표면이 노출된 상태에서 바로 증착 공정을 진행하게 될 경우 표면 상태가 정상 조건과 달라 초기 웨이퍼의 박막 두께와 균일도가 불안정해질 수 있습니다. 따라서 Seasoning으로 챔버 내벽 환경을 안정화 한 후 실제 Wafer를 처리하면 First Wafer 자재부터 안정적인 품질을 확보할 수 있습니다. (이 과정을 Dummy Wafer Run 또는 Chamber Conditioning이라고 하죠)
[심화 6-3] RF Power의 HF와 LF는 PECVD 공정에서 어떻게 활용되나요?
PECVD 공정에서 사용되는 RF Power는 주파수에 따라 High Frequency(HF)와 Low Frequency(LF)로 구분됩니다.이 두 주파수 조합은 각각의 목적에 맞게 조합하여 사용합니다. 먼저 HF(13.56MHz)는 Plasma Density와 Radical 생성에 주로 기여합니다. 전자가 전기장에 따라 빠르게 진동하면서 가스 입자와의 충돌 단면적(=확률)이 커지고 그로 인해 이온화와 라디컬 생성을 촉진합니다.High Frequency에서는 질량이 큰 양이온의 거동에 크게 기여하지 못하고, 주로 라디칼 화학 반응으로 증착에 기여합니다.
LF(126~135KHz) 수준의 Low Frequency는 주로 양이온의 충돌 에너지(Sheath Voltage)를 제어하는 데 관여합니다. Low Frequency에서는 무거운 양이온도 전기장을 따라 충분히 가속될 수 있기 때문에 LF Power를 높이면 이온이 Wafer 표면에 강하게 두들기는 효과가 커지기 때문에 박막의 Density와 Stress를 조절할 수 있는 특징을 가집니다. 따라서 HF는 증착 속도를 주로 제어하고, LF는 박막의 밀도나 Stress와 같은 물리적 특성을 조절하는 데 기여합니다.
HF & LF Plasma를 사용하는 것을 보통 Dual Frequency Plasma Source라고 하죠. Plasma 내용은 정말 직무 면접에서 단골 문제입니다. 물리적인 내용과 엔지니어 관점에서의 문제해결, 직무 역량 등을 검증하는데 항상 질문으로 나오는 것 같습니다. Plasma에 대한 내용은 Etch 공정 Session에서 더욱 심도있게 다루어보도록 하겠습니다ㅎ
이번 장에서는 설비엔지니어 관점에서 CVD 공정을 살펴보았는데요. 실제 기출 질문들로 구성해보았습니다.
심화적인 내용이 포함되어 있다 보니 질문은 댓글에 남겨주세요!
면접을 앞두신 분들이라면 꼭 말하면서 자신의 언어로 재해석해서 연습하시는 것을 권해드립니다.
