비 전공자도 쉽게 이해할 수 있는 반도체 증착 공정(Deposition Process)

 

반도체 제조 공정 중 증착 공정을 아시나요? 반도체 공정 중 얇은 박막을 웨이퍼 위에 증착해야 하는 증착 공정이 있습니다. 증착 공정도 반도체 소자를 만드는데, 필수적인 공정이며, 이번 피드에서는 증착 공정에 대해 알아보겠습니다. 

증착 공정은 무엇인가?

박막 증착(Thin Film Deposition) 공정은 웨이퍼 위에 얇은 막을 형성하기 위한 공정으로, 일반적으로 나노미터에서 마이크로미터 사이의 두께를 가진 막을 웨이퍼 위에 만드는 공정을 말합니다. 이 얇은 박막은 여러 기능을 수행하거나 특정 소자의 일부분이 됩니다. 박막은 여러 분야에서 사용되며, 그 특성은 증착된 소재와 증착 공정의 종류에 따라 각 각 다르게 나타납니다.

 

간단하게 증착 공정은 물리적 증착(Physical Vapor Deposition, PVD) 방식과 화학적 증착 (Chemical Vapor Deposition, CVD)으로 구분됩니다. 물리적 증착은 기체나 액체 상태의 물질을 사용하지 않고, 고체 상태로 증착시키는 방법이고, 화학적 증착은 기체나 액체 상태의 화합물을 이용하여 화학적인 반응을 통해 증착을 하는 방식입니다.

 

물리적 증착 방식 

물리적 증착은 고체 물질을 기체로 만든 후 이를 웨이퍼 표면에 증착하는 공정을 말합니다. 주로 얇은 층을 만들거나 웨이퍼 표면의 특성을 개선하는 데 활용됩니다. 물리적 증착 방식에는 여러 방식이 있는데, 크게 두 가지를 하나씩 알아보겠습니다. 

1) 스퍼터링 방식

고체 상태의 Target 물질을 이용하여 웨이퍼 표면에 이온화된 원소를 증착시키는 방식입니다. 기체로 된 입자들을 Target 물질과 충돌시키고, 이때 튀어나오는 이온을 표면에 스퍼터링 되는 원리립니다. 공정 진행 전 원하는 박막을 만들기 위해서 충돌시키기 위한 Target 물질과 기체를 선택합니다. 외부 환경에 의해 영향을 받지 않기 위해 진동 상태를 조성하고, 에너지를 인가하여, 공정 체임버 내에서 전기장을 형성합니다. 그럼 전기장에 의해서 생성된 이온화된 기체는 가속되어 고체 Target과의 충돌이 발생하고, 이 Target이 떨어져 나와 웨이퍼 표면에 얇은 박막을 형성하는 방식으로 진행됩니다.

2) 전자빔 증착 방식

전자빔을 활용하여 고체 상태의 Target 물질을 가열시켜 기체 상태로 만들고, 만들어진 기체가 웨이퍼 표면에 증착되는 방식입니다. 원하는 박막을 만들기 위한 충돌시키기 위한 Target 물질과 기체를 선택하고, 진공상태를 조성해야 되는 것은 동일합니다. 이후 고에너지의 전자빔을 생성하고, 이를 Target 물질에 조사합니다. 전자빔이 Target 물질에 도달하면, 충돌이 일어나 원자나 분자가 이탈됩니다. 이탈된 분자나 원자는 웨이퍼 표면에 얇은 박막을 형성하는 방식으로 진행됩니다.

 

 

화학적 증착 방식 

화학적 증착은 기체 상태의 화합물을 화학반응을 통해 고체 층으로 변환하여 웨이퍼 표면에 증착시키는 공정입니다. 이 또한 얇은 층을 만들거나 웨이퍼 표면의 특성을 개선하는 데 활용됩니다. 화학적 증착 방식에도 여러 방식이 있는데, 크게 세 가지를 하나씩 알아보겠습니다. 

1) Plasma 증착(PECVD) 방식

Plasma를 생성하여 기체 분자를 활성화시키고 증착 속도를 높이는 방식으로 알려져 있습니다. Plasma 증착 방식은 증착하고자 하는 기체를 활용합니다. 공정 체임버 안에서 Plasma가 생성되면, 증착하고자 하는 기체가 활성화되어 얇은 박막을 성장시키는 방식입니다.

2) 저압 증착(LPCVD) 방식

낮은 압력에서 화학적인 반응을 통해 박막을 형성하는 공정입니다. 이 방식은 낮은 압력과 상대적으로 높은 온도를 사용합니다. 대체로 600 ~ 1000°C 사이의 온도에서 박막이 형성되며, 낮은 압력은 물질 간 충돌을 최소화하여 박막의 균일도를 높이는 방식입니다. 온도, 압력 및 기체의 비율의 조절이 가능하여, 박막의 두께, 합성 속도 및 특성을 정밀하게 제어할 수 있는 방식입니다.

3) 고압 증착 (HPCVD) 방식

높은 압력에서 화학반응을 일으켜 증착하는 공정입니다. 고압 증착 방식은 반적으로 압력이 1 ATM 이상인 환경에서 진행되고, 고압에서는 기체 분자들 간의 많은 충돌이 발생함으로써 박막을 형성하는 과정에서 활성화된 기체 분자들이 웨이퍼 표면에 높은 에너지를 전달할 수 있습니다. 이는 높은 증착 속도에 도움을 주며, 생산성이 중요한 반도체 산업에서 적합한 방식입니다.

 

 

반도체 산업에서 물리적, 화학적 증착 방식 모두 끊임없이 연구되고 있습니다. 소자의 미세화가 진행됨에 따라 박막을 나노미터 단계로 증착하는 연구가 이루어지고 있으며, 나노 층의 제조 및 특성을 조절하기 위해 노력하고 있습니다. 또한, 반도체 공정에 최적화된 친환경적이고 활용가능한 소재를 연구합니다. 이는 에너지 소비를 줄이고 효율을 높일 것입니다. 

 

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