반도체 제조 공정에서 플라즈마 기술이 적용되는 사례, 플라즈마 원리, 그리고 플라즈마 기술을 이용한 반도체 장비에 대해 알아보겠습니다.
1. 반도체 제조 공정에서의 플라즈마 기술 적용 사례
반도체 제조 공정에서는 플라즈마가 물질 표면을 처리하거나 층을 형성하는 데 사용됩니다1. 예를 들어, 반도체 원판의 표면을 광범위하게 침식시키거나, 반도체 층을 증착시키는 등의 작업에서 플라즈마가 사용됩니다1. 또한, 식각 (Etching) 과정에서는 플라즈마를 이용해 웨이퍼의 표면을 갂아내며, 전기적 특성을 입히는 과정이 박막 증착 (Thin Film Deposition) 과정입니다2.
2. 플라즈마 원리
플라즈마는 형성되는 압력과 온도 조건에 따라 그 특성이 달라져 매우 다양한 분야에 두루 활용이 가능합니다3. 플라즈마의 상태는 전자밀도 (ne), 이온밀도 (ni), 중성가스 밀도 (nn)와 전자와 이온의 온도 (Te, Ti), 전자의 에너지 분포 (EEDF) 등에 의해 결정됩니다3.
플라즈마 내에서는 입자들이 움직이면서 국소적인 전기장을 만든다. 또한, 입자들의 움직임은 전류를 형성해 자기장도 만든다. 이렇게 국소적으로 만들어진 전자기장은 다른 부분의 입자들에 영향을 미친다4.
3. 플라즈마 기술을 이용한 반도체 장비
'진공 플라즈마 기술’은 진공펌프 전단에 플라즈마를 발생시켜 반도체 공정에서 배출되는 환경오염 물질을 안정화 처리하는 신개념 기술로, 친환경공정, 안전사고 예방 및 진공펌프 수명연장을 동시에 이룰 수 있습니다6.
이러한 정보들은 반도체 장비를 설계하고 제작하는데 도움이 될 것입니다.
플라즈마는 물질의 네 번째 상태로, 기체보다 더욱 활발히 운동하는 물질이며, 더욱 많은 에너지를 가진 상태입니다1. 플라즈마의 핵심은 에너지를 받은 1차 전자가 중성 원자의 최외각껍질에서 탈출하여 다른 원자에 충돌하고, 이때 충돌 에너지에 의해 2차, 3차 전자와 다른 양이온들을 높은 밀도로 생성하는 것입니다2.
반도체 공정에서는 플라즈마를 건식식각, CVD (Chemical Vapor Deposition), PVD (Physical Vapor Deposition)에 많이 적용합니다3. 특히 막을 만들 때에는 분자 단위나 원자 단위의 화학적/물리적 기법을 이용하는데요. 이때 온도를 섭씨 1,000도 (CVD)까지 올려야 하므로, 다른 부위에 바람직하지 않은 영향을 줍니다. 따라서 Fab 공정에서는 온도는 절반으로 내리고, 막은 좀 더 얇고 튼튼하게 만들기 위해 저온 플라즈마를 다양하게 활용하고 있습니다2.
플라즈마의 생성 조건 에너지를 가하면 물질의 상태가 고체 > 액체 > 기체로 변하게 됩니다. 이때 기체 상태에 높은 에너지를 가하여 한계치 이상이 되면 플라즈마가 됩니다2. 에너지를 가하는 방법 중 고전적이고 쉬운 방법은 열을 가하는 것인데, 플라즈마를 만들기 위해서는 보통 섭씨 10만도 이상의 온도를 만들어 주어야 합니다2. 그러나 전기가 발견되고 진공을 만드는 기술이 발전되면서 진공관 내 압력을 적절히 낮추어 주면 낮은 전압 (혹은 낮은 전력에너지)으로도 손쉽게 저압 플라즈마를 생성할 수 있게 되었습니다.
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