반도체 공정 내 나노입자의 실시간 계측
자료제공:현대교정인증기술원
1. 서 론
나노입자는 일반적으로 입자의 직경이 100~50㎚이하의 입자 또는 에어로졸을 의미한다. 이러한 크기의 입자는 최근 반도체기술의 발달로 선폭이 작아짐에 따라 불량에 많은 영향을 미치는 크기가 되어 이의 측정이 필수가 되었다. 특히 300mm 웨이퍼 생산라인의 경우 particle의 오염은 그 어느 때보다 더욱 중요해 졌으며, 아울러 선폭의 감소에 따라 실제 불량을 야기시키는 입자의 임계크기도 감소되어 기존의 레이저 산란방식은 그 한계에 다다르고 있다.
반도체 공정이 고집적화 되면서 정밀한 공정제어와 경비절감의 이유로 인하여 1980년대부터 공정을 실시간으로 관리할 수 있는 In-situ Monitoring기술에 대해서 많은 연구들이 이루어져왔다. 공정중의 가스 조성비, 플라즈마 밀도, 에칭 또는 CVD공정 내의 박막 두께의 변화 그리고 particle 측정 등 여러 분야에서 연구가 수행되었지만 실제 양산체제에 적용하기에는 아직까지 많은 문제점이 내재되어 있다. 이 중 공정 내 particle 측정과 관련된 기술을 실제로 현장 대응한 수준으로 발전 시켜 양산 라인에 적용하려는 시도가 1970년대 초부터 이루어져, 세계적으로 몇 업체에서 레이저광을 이용한 particle 측정기술을 개발하여 현장에 접목을 시도하였지만, 실제 반도체 공정 시 챔버내의 압력이 감소함에 따라 측정효율이 급속히 감소하여, 현재 반도체 생산현장에서의 이물관리는 테스트 웨이퍼등을 사용하는 기존의 방식을 답습하고 있는 상태이다.
본 기사에서는 현재 당사에서 추진중인 새로운 개념의 반도체 공정 내 나노입자의 실시간 계측방법을 소개하려 한다. 기존의 레이저 산란에 의한 입자 계측방식의 한계(0.1㎛이하의 입자)를 개선하기 위해 공정 중 발생되는 particle에 전압을 강제로 인가하여 하전 된 입자의 전류량을 측정함으로써, 입자를 정량적으로 측정할 수 있는 방식이다.
2. In-Situ Particle Monitoring Sensor
Fig. 1은 본사에서 개발중인 In-Situ Particle Monitoring (이하 ISPM)의 개략도를 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같이 ISPM은 크게 코로나 방전에 의한 입자하전부, 하전 된 입자의 하전량을 측정하는 전하량 측정부 그리고 하전량의 추이를 저장하고 분석하는 PC로 구성되어 있다. 반도체 공정 중 입자의 개수를 실시간으로 측정하기 위해, 거의 모든 공정 챔버의 배기부에 이러한 ISPM 센서가 설치가능하며, 각각 모듈화 되어 있어 사후처리가 용이하며, 장비내의 진공도에 영향을 미치지 않게 설계하였다.
2-1. 입자 하전부
공정 중 발생되는 입자의 개수를 측정하기 위해, 입자의 전기적 하전이 선행되어야 한다. 입자 하전부는 방전관에 고전압을 인가 시켜, 코로나 방전에 의해 입자를 대전시키는 방식을 이용하였다. 배기관과 입자 하전부는 전기적으로 절연되어 있으며, 장비 내 진공도를 유지시키기 위해 와이어 타입의 방전관을 사용하였다.
2-1-1. 코로나 방전
보통의 상태(코로나 방전이 발생하기 전)에서는 전압 구배가 걸릴 때 기체들은 아주 미소한 양의 전기를 전도하게 된다. 이러한 미소 전류는 우주로부터 입사하는 배경 복사(background radiation)에 의해서 기체 중성 원자로부터 형성된 몇 개의 이온에 의한 것이다. 따라서 몇 개의 자유전자들과 같은 수의 양이온들은 항상 기체내에 존재하고 전자들은 양전극(positive electrode)으로, 양이온들은 음전극(negative electrode)으로 이동함으로써 아주 미세한 전류가 흐른다. 이 때의 전류량은 거의 0으로 보아도 무방하고 이 때의 상태를 “전기적으로 절연되어 있다(electrically insulated)”고 한다. 방전 전극과 접지 전극사이에 더욱 더 높은 전압이 걸리면, 둘 사이에서 전류가 흐르기 시작하고 이 상태를 코로나 개시 상태(onset of corona)라고 부르며 이때의 전위차를 코로나 개시 전압(corona starting voltage)이라 고 한다(White, 1963; Crawford, 1976;, Oglesby and Nichols, 1978). 이 상태에서는 방전 전극 주위의 기체내의 전자들이 강력한 전기장에 의해 운동 에너지를 받아서 주위의 기체 분자들과 충돌한다. 이 순간에 전자는 중성 기체 분자에 에너지를 전달하고 대부분의 경우에 한 개의 중성 분자로부터 전자 하나를 떼어내고 양이온으로 만든다.
분리된 입자는 양이온을 뒤로한 채 가속되고, 이젠 두개의 자유전자와 2개의 중성기체분자가 각각 충돌하여 4개의 자유전자가 생길 것이다. 각각의 자유전자가 수천개의 자유 전자들을 만들 때까지 매우 급속하게 과정이 진행되고 결국에는 전자사태과정(electron avalanche process)에 이르게 된다. 이러한 전자사태과정은 코로나 발광영역 (corona glow region)내에서만 발생하는데 Fig. 3에 보이는 것과 같은 방전 와이어를 감싸는 반경 r0의 아주 좁은 영역으로서 Cobine이 구한 다음의 경험식(Crawford, 1976)으로 와이어 반경 rw로부터 대략적으로 평가될 수 있다.
여기서 단위는 모두 m이다. 와이어 반경이 0.1mm일 경우 코로나 영역의 반경은 0.4mm가 얻어짐을 알 수 있고, 거의 와이어 근처의 아주 좁은 영역임을 알 수 있다. 코로나 방전은 방전 전극(코로나 와이어)의 극성에 의해 양의 코로나(positive corona)와 음의 코로나(negative corona)로 분류될 수 있다. 이 두 가지는 모두 전자사태 과정에 의해 전개되나 형성 메커니즘이 다르다.
2-1-2. 양의 코로나 (Positive Corona)
양의 코로나의 경우에서는 Fig. 2에 표현된 것과 같이 전자는 코로나 영역의 가장자리에서 시작하여 양극인 와이어 방전전극을 향하게 된다. 와이어 표면으로 가는 모든 도중에서 전자들은 중성 기체 분자들과 충돌하여 그 중성 분자로부터 전자를 떼어내고 양이온을 만들고 전술한 바와 같이 전자사태과정으로 진행되며 이 때 생긴 많은 전자들은 와이어로 몰려가서 와이어 내에 전류로서 운반되어 버린다. 그리고 사태과정에서 생긴 많은 양이온들은 코로나 영역을 빠져 나와 접지 전극을 향해 이동하다가 입자들에게 부착되어서 입자들을 양으로 하전 시키게 된다. 그리고 사태과정의 지속에 필요한 전자들은 코로나 자체의 자외선 방사(Ultravilot radiation)와 전술한 배경 복사에 의해 코로나 영역의 가장자리 근처에서 만들어 진다(Crawford, 1976).
2-1-3. 음의 코로나 (Negative Corona)
음의 코로나는 Fig. 3과 같이 전자들은 와이어의 표면에서 출발하여 코로나 영역의 모서리로 가면서 사태과정을 만들고 코로나 영역을 빠져 나온 전자들은 중성 기체 분자들에 의해 부착되는 전자 부착(electron attachment)과정을 시작하게 된다. 코로나 영역의 경계로부터 어느 정도의 거리까지 부착이 계속된다. 이러한 전자 부착 현상에 의해 생긴 음이온들이 입자들에 부착되어 입자들을 음으로 하전 시킨다. 그러므로 코로나 영역에서 발생되었던 양이온들이 입자에 바로 부착되는 양의 코로나와는 달리, 음의 코로나에서는 코로나 영역 내에서 음이온이 바로 생성되는 것이 아니라 코로나 영역에서 발생된 전자가 코로나 영역에서 발생된 전자가 코로나 영역의 경계로부터 시작되는 기체 중 성분자들로의 전자 부착과정을 거친 후에 음이온이 만들어지게 되는 것이다. 코로나 영역내의 전자사태과정 중에 만들어진 양이온들은 코로나 영역내의 전하 운반체로서 와이어를 향하여 이동하고 와이어와 충돌한 뒤 와이어의 표면에서 와이어 내부의 전자들에 의해 중성화되어진다. 이 충돌의 순간에 발생된 전자들과 코로나 자체로부터의 자외선 방사에 의해 생긴 전자들에 의해서 사태과정이 지속된다(Crawford, 1976).
음의 코로나에 의해서 생긴 자유 전자들이 기체 분자에 부착되어서 음이온을 만들 수 없게 되면 자유 전자들은 접지 전극으로 곧장 이동하여 스파크 현상이 발생하게 되고 음의 코로나는 더 이상 유지될 수 없어서 파괴되어 버린다. 그러므로 음의 코로나가 안정해 지려면 전자들을 접지 전극으로 가지 못하고 전자부착현상을 잘 일으키도록 하는 전자 흡수 기체(electron absorbing gas)들이 필요하게 된다(White, 1963; Oglesby and Nichols, 1978; Robinson, 1971). 이러한 전자 흡수 기체의 역할을 충분히 해 줄 수 있는 기체가 바로 음전기 기체(electronegative gas)들이다. 음전기 기체들은 중성으로 있는 것 보다는 음이온으로 있는 것이 더욱 안정하다. 이러한 음전기 기체들로서는 산소, 염소, 수증기, 이산화황, 이산화탄소 등이 있다. 질소와 같은 기체들은 음전기 기체가 아니므로 음의 코로나 작동에 적합하지 않다. 다행히도 산업 배기 기체나 일반 대기 공기들은 충분한 양의 음전기 기체들이 존재하므로 음의 코로나는 안정하다. 만약 이러한 음전기 기체들이 없는 경우라면 음의 코로나를 이용한 정전식 집진기는 사용 불가능하므로 강제적으로 음전기 기체들을 섞어 주든지 아니면 양의 코로나로 작동시켜야 한다.
2-2. 전하량 측정부
코로나 방전에 의해 하전 된 입자는 전하량 측정부에 포집되어, 이 때 유도되는 전류량(10-10~10-11A)을 미세 전류계로 측정함으로써, 입자의 개수를 측정하게 된다. 측정원리는 에어로졸 계측분야에서 입자의 하전량 측정을 위해 널리 사용되고 있는 페러데이컵(Faraday cup, Fig. 4)의 원리와 유사하며, 측정부내 압력손실과 챔버 내 진공변이을 최소화하기 위해 튜브형으로 설계하였다.
Fig. 5는 상압의 조건에서, ISPM센서 내에 유입되는 입자의 농도에 따른 전하량의 관계를 나타내었다. 입자를 하전시키기 위해 -10kV의 음극전압을 방전관에 인가하였으며, 이송기체로는 산소를 사용하였다. 그림에서 보는 바와 같이 상압에서 발생입자의 농도가 증가함에 따라, 측정된 전류량이 증가하는 것을 볼 수 있다. 또한 Fig. 6은 저압(1,17Torr) 플라즈마 상태에서 단분산성의 입자를 강제로 주입함에 따라, 발생되는 전류량을 측정하였다. 챔버 내 입자의 주입유무에 따라, 하전량이 증가하고, 감소하는 것을 볼 수 있으며, 대부분의 반도체 공정이 수 mmTorr의 저압임을 고려하면 본 시스템을 이용하여, 입자의 측정이 가능함을 알 수 있다.
3. 결언
지금까지 반도체 공정 중 발생되는 나노크기의 입자를 하전하여 그 전류량을 측정함으로써, 실시간으로 입자의 추이를 측정하는 방법에 대해 설명하였다. 실제로 공정 중 발생되는 입자와 생산수율과의 관계는 오랜 시간동안의 모니터링을 통해 이루어진다. 따라서 지속적인 particle및 공정분위기의 관리가 요구된다.
문의: 현대교정인증기술원 부설연구소 윤진욱 과장
Tel: 031-639-8546
E-mail:yoon9203@ihanyang.ac.kr
자료제공:현대교정인증기술원
1. 서 론
나노입자는 일반적으로 입자의 직경이 100~50㎚이하의 입자 또는 에어로졸을 의미한다. 이러한 크기의 입자는 최근 반도체기술의 발달로 선폭이 작아짐에 따라 불량에 많은 영향을 미치는 크기가 되어 이의 측정이 필수가 되었다. 특히 300mm 웨이퍼 생산라인의 경우 particle의 오염은 그 어느 때보다 더욱 중요해 졌으며, 아울러 선폭의 감소에 따라 실제 불량을 야기시키는 입자의 임계크기도 감소되어 기존의 레이저 산란방식은 그 한계에 다다르고 있다.
반도체 공정이 고집적화 되면서 정밀한 공정제어와 경비절감의 이유로 인하여 1980년대부터 공정을 실시간으로 관리할 수 있는 In-situ Monitoring기술에 대해서 많은 연구들이 이루어져왔다. 공정중의 가스 조성비, 플라즈마 밀도, 에칭 또는 CVD공정 내의 박막 두께의 변화 그리고 particle 측정 등 여러 분야에서 연구가 수행되었지만 실제 양산체제에 적용하기에는 아직까지 많은 문제점이 내재되어 있다. 이 중 공정 내 particle 측정과 관련된 기술을 실제로 현장 대응한 수준으로 발전 시켜 양산 라인에 적용하려는 시도가 1970년대 초부터 이루어져, 세계적으로 몇 업체에서 레이저광을 이용한 particle 측정기술을 개발하여 현장에 접목을 시도하였지만, 실제 반도체 공정 시 챔버내의 압력이 감소함에 따라 측정효율이 급속히 감소하여, 현재 반도체 생산현장에서의 이물관리는 테스트 웨이퍼등을 사용하는 기존의 방식을 답습하고 있는 상태이다.
본 기사에서는 현재 당사에서 추진중인 새로운 개념의 반도체 공정 내 나노입자의 실시간 계측방법을 소개하려 한다. 기존의 레이저 산란에 의한 입자 계측방식의 한계(0.1㎛이하의 입자)를 개선하기 위해 공정 중 발생되는 particle에 전압을 강제로 인가하여 하전 된 입자의 전류량을 측정함으로써, 입자를 정량적으로 측정할 수 있는 방식이다.
2. In-Situ Particle Monitoring Sensor
Fig. 1은 본사에서 개발중인 In-Situ Particle Monitoring (이하 ISPM)의 개략도를 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같이 ISPM은 크게 코로나 방전에 의한 입자하전부, 하전 된 입자의 하전량을 측정하는 전하량 측정부 그리고 하전량의 추이를 저장하고 분석하는 PC로 구성되어 있다. 반도체 공정 중 입자의 개수를 실시간으로 측정하기 위해, 거의 모든 공정 챔버의 배기부에 이러한 ISPM 센서가 설치가능하며, 각각 모듈화 되어 있어 사후처리가 용이하며, 장비내의 진공도에 영향을 미치지 않게 설계하였다.
2-1. 입자 하전부
공정 중 발생되는 입자의 개수를 측정하기 위해, 입자의 전기적 하전이 선행되어야 한다. 입자 하전부는 방전관에 고전압을 인가 시켜, 코로나 방전에 의해 입자를 대전시키는 방식을 이용하였다. 배기관과 입자 하전부는 전기적으로 절연되어 있으며, 장비 내 진공도를 유지시키기 위해 와이어 타입의 방전관을 사용하였다.
2-1-1. 코로나 방전
보통의 상태(코로나 방전이 발생하기 전)에서는 전압 구배가 걸릴 때 기체들은 아주 미소한 양의 전기를 전도하게 된다. 이러한 미소 전류는 우주로부터 입사하는 배경 복사(background radiation)에 의해서 기체 중성 원자로부터 형성된 몇 개의 이온에 의한 것이다. 따라서 몇 개의 자유전자들과 같은 수의 양이온들은 항상 기체내에 존재하고 전자들은 양전극(positive electrode)으로, 양이온들은 음전극(negative electrode)으로 이동함으로써 아주 미세한 전류가 흐른다. 이 때의 전류량은 거의 0으로 보아도 무방하고 이 때의 상태를 “전기적으로 절연되어 있다(electrically insulated)”고 한다. 방전 전극과 접지 전극사이에 더욱 더 높은 전압이 걸리면, 둘 사이에서 전류가 흐르기 시작하고 이 상태를 코로나 개시 상태(onset of corona)라고 부르며 이때의 전위차를 코로나 개시 전압(corona starting voltage)이라 고 한다(White, 1963; Crawford, 1976;, Oglesby and Nichols, 1978). 이 상태에서는 방전 전극 주위의 기체내의 전자들이 강력한 전기장에 의해 운동 에너지를 받아서 주위의 기체 분자들과 충돌한다. 이 순간에 전자는 중성 기체 분자에 에너지를 전달하고 대부분의 경우에 한 개의 중성 분자로부터 전자 하나를 떼어내고 양이온으로 만든다.
분리된 입자는 양이온을 뒤로한 채 가속되고, 이젠 두개의 자유전자와 2개의 중성기체분자가 각각 충돌하여 4개의 자유전자가 생길 것이다. 각각의 자유전자가 수천개의 자유 전자들을 만들 때까지 매우 급속하게 과정이 진행되고 결국에는 전자사태과정(electron avalanche process)에 이르게 된다. 이러한 전자사태과정은 코로나 발광영역 (corona glow region)내에서만 발생하는데 Fig. 3에 보이는 것과 같은 방전 와이어를 감싸는 반경 r0의 아주 좁은 영역으로서 Cobine이 구한 다음의 경험식(Crawford, 1976)으로 와이어 반경 rw로부터 대략적으로 평가될 수 있다.
여기서 단위는 모두 m이다. 와이어 반경이 0.1mm일 경우 코로나 영역의 반경은 0.4mm가 얻어짐을 알 수 있고, 거의 와이어 근처의 아주 좁은 영역임을 알 수 있다. 코로나 방전은 방전 전극(코로나 와이어)의 극성에 의해 양의 코로나(positive corona)와 음의 코로나(negative corona)로 분류될 수 있다. 이 두 가지는 모두 전자사태 과정에 의해 전개되나 형성 메커니즘이 다르다.
2-1-2. 양의 코로나 (Positive Corona)
양의 코로나의 경우에서는 Fig. 2에 표현된 것과 같이 전자는 코로나 영역의 가장자리에서 시작하여 양극인 와이어 방전전극을 향하게 된다. 와이어 표면으로 가는 모든 도중에서 전자들은 중성 기체 분자들과 충돌하여 그 중성 분자로부터 전자를 떼어내고 양이온을 만들고 전술한 바와 같이 전자사태과정으로 진행되며 이 때 생긴 많은 전자들은 와이어로 몰려가서 와이어 내에 전류로서 운반되어 버린다. 그리고 사태과정에서 생긴 많은 양이온들은 코로나 영역을 빠져 나와 접지 전극을 향해 이동하다가 입자들에게 부착되어서 입자들을 양으로 하전 시키게 된다. 그리고 사태과정의 지속에 필요한 전자들은 코로나 자체의 자외선 방사(Ultravilot radiation)와 전술한 배경 복사에 의해 코로나 영역의 가장자리 근처에서 만들어 진다(Crawford, 1976).
2-1-3. 음의 코로나 (Negative Corona)
음의 코로나는 Fig. 3과 같이 전자들은 와이어의 표면에서 출발하여 코로나 영역의 모서리로 가면서 사태과정을 만들고 코로나 영역을 빠져 나온 전자들은 중성 기체 분자들에 의해 부착되는 전자 부착(electron attachment)과정을 시작하게 된다. 코로나 영역의 경계로부터 어느 정도의 거리까지 부착이 계속된다. 이러한 전자 부착 현상에 의해 생긴 음이온들이 입자들에 부착되어 입자들을 음으로 하전 시킨다. 그러므로 코로나 영역에서 발생되었던 양이온들이 입자에 바로 부착되는 양의 코로나와는 달리, 음의 코로나에서는 코로나 영역 내에서 음이온이 바로 생성되는 것이 아니라 코로나 영역에서 발생된 전자가 코로나 영역에서 발생된 전자가 코로나 영역의 경계로부터 시작되는 기체 중 성분자들로의 전자 부착과정을 거친 후에 음이온이 만들어지게 되는 것이다. 코로나 영역내의 전자사태과정 중에 만들어진 양이온들은 코로나 영역내의 전하 운반체로서 와이어를 향하여 이동하고 와이어와 충돌한 뒤 와이어의 표면에서 와이어 내부의 전자들에 의해 중성화되어진다. 이 충돌의 순간에 발생된 전자들과 코로나 자체로부터의 자외선 방사에 의해 생긴 전자들에 의해서 사태과정이 지속된다(Crawford, 1976).
음의 코로나에 의해서 생긴 자유 전자들이 기체 분자에 부착되어서 음이온을 만들 수 없게 되면 자유 전자들은 접지 전극으로 곧장 이동하여 스파크 현상이 발생하게 되고 음의 코로나는 더 이상 유지될 수 없어서 파괴되어 버린다. 그러므로 음의 코로나가 안정해 지려면 전자들을 접지 전극으로 가지 못하고 전자부착현상을 잘 일으키도록 하는 전자 흡수 기체(electron absorbing gas)들이 필요하게 된다(White, 1963; Oglesby and Nichols, 1978; Robinson, 1971). 이러한 전자 흡수 기체의 역할을 충분히 해 줄 수 있는 기체가 바로 음전기 기체(electronegative gas)들이다. 음전기 기체들은 중성으로 있는 것 보다는 음이온으로 있는 것이 더욱 안정하다. 이러한 음전기 기체들로서는 산소, 염소, 수증기, 이산화황, 이산화탄소 등이 있다. 질소와 같은 기체들은 음전기 기체가 아니므로 음의 코로나 작동에 적합하지 않다. 다행히도 산업 배기 기체나 일반 대기 공기들은 충분한 양의 음전기 기체들이 존재하므로 음의 코로나는 안정하다. 만약 이러한 음전기 기체들이 없는 경우라면 음의 코로나를 이용한 정전식 집진기는 사용 불가능하므로 강제적으로 음전기 기체들을 섞어 주든지 아니면 양의 코로나로 작동시켜야 한다.
2-2. 전하량 측정부
코로나 방전에 의해 하전 된 입자는 전하량 측정부에 포집되어, 이 때 유도되는 전류량(10-10~10-11A)을 미세 전류계로 측정함으로써, 입자의 개수를 측정하게 된다. 측정원리는 에어로졸 계측분야에서 입자의 하전량 측정을 위해 널리 사용되고 있는 페러데이컵(Faraday cup, Fig. 4)의 원리와 유사하며, 측정부내 압력손실과 챔버 내 진공변이을 최소화하기 위해 튜브형으로 설계하였다.
Fig. 5는 상압의 조건에서, ISPM센서 내에 유입되는 입자의 농도에 따른 전하량의 관계를 나타내었다. 입자를 하전시키기 위해 -10kV의 음극전압을 방전관에 인가하였으며, 이송기체로는 산소를 사용하였다. 그림에서 보는 바와 같이 상압에서 발생입자의 농도가 증가함에 따라, 측정된 전류량이 증가하는 것을 볼 수 있다. 또한 Fig. 6은 저압(1,17Torr) 플라즈마 상태에서 단분산성의 입자를 강제로 주입함에 따라, 발생되는 전류량을 측정하였다. 챔버 내 입자의 주입유무에 따라, 하전량이 증가하고, 감소하는 것을 볼 수 있으며, 대부분의 반도체 공정이 수 mmTorr의 저압임을 고려하면 본 시스템을 이용하여, 입자의 측정이 가능함을 알 수 있다.
3. 결언
지금까지 반도체 공정 중 발생되는 나노크기의 입자를 하전하여 그 전류량을 측정함으로써, 실시간으로 입자의 추이를 측정하는 방법에 대해 설명하였다. 실제로 공정 중 발생되는 입자와 생산수율과의 관계는 오랜 시간동안의 모니터링을 통해 이루어진다. 따라서 지속적인 particle및 공정분위기의 관리가 요구된다.
문의: 현대교정인증기술원 부설연구소 윤진욱 과장
Tel: 031-639-8546
E-mail:yoon9203@ihanyang.ac.kr
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