[엔지닉 X 인하대학교] 반도체 공정 실습 - 2일차 (1)

[엔지닉 X 인하대학교] 반도체 공정 실습 2일차 오전 수업 <반도체 공정 실습>

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Chapter 2. Clean room (Utility, Vacuum, Plasma & Safety)

1. 반도체 공정의 오염 물질

• 오염 물질의 분류
  • 입자에 의한 오염 : 대기 중의 먼지, 미립자
  • 생물학적 오염 : 대기중의 박테리아, 바이러스
  • 가스 분자에 의한 오염 : 대기중의 수분, Chemical vapour 혹은 hume
  • 전하에 의한 오염 : 마찰에 의한 정전기, 금속 성분의 이온
• 에어로졸 (Aerosol) : 대기 중에 부유하는 고체 혹은 액체 상태의 작은 입자

 

2. 반도체 공정의 오염원

• 오염을 유발하는 인자
  • People : 호흡, 땀, 피부, 지문, 머리카락, 화장품, 의복 (대안 : 스마트 팩토리, 메인 컨트롤 타워만 사람)
  • Ventilation : 외부에서 유입되는 오염된 공기
  • Room structure : 실내 구조물, 사무용품, 페인트
  • Equipment : 금속 성분, Oil, Chemical, Gas
• 가장 큰 오염원은 사람이며 전체 오염의 75% 정도를 차지함

 

3. 반도체 소자의 수율 (Yield)

• Wafer defects
  • 오염 물질은 Defect으로 작용하며, 특히 소자 최소 선폭의 1/2 이상 크기의 입자(Killer defect)는 허용되지 않는다
• IC 소자의 수율
  • Wafer defects 밀도가 증가할수록 수율 감소
  • 패턴 Critical 영역 (~최소 서폭)의 면적이 증가할수록 수율이 감소한다
  • 공정 스텝이 증가할수록 수율 감소

 

4. 청정실 (Clean room)

• 오염의 제어가 행해지고 있는 공간으로 공기 속에 포함되어 있는 오염물질 외에도 다양한 내부 환경 조건이 정밀하게 제어되는 공간
  • Dust, Particle, 온도, 습도, 공기압, 정전기, 진동, 전자파 등
• 산업용 클린룸
  • ICR (Industrial Clean Room)
  • 반도체, 전자, 우주 항공 등 정밀 산업
• 바이오 클린룸
  • BCR (Biological Clean Room)
  • 병원, 의약품, 식품 등 바이오 관련 산업
• Cleanroom 관리 원칙

관리 원칙	관리 내용
1. Preventing	먼지의 유입을 방지한다
2. Prohibiting	먼지를 발생시키지 않는다
3. Purging	발생된 먼지는 배출한다
4. Protecting	먼지로부터 제품을 보호한다
5. Providing	먼지 제거 설비를 준비한다.

 

5. Gas in Semiconductor manufacturing

• 일반 가스 (Bulk gas)
  • 반도체 제조에 범용으로 사용 : N2, O2, Ar etc
  • 제조하기 비교적 간단하며 대용량 저장 탱크에 보관
  • 대량 가스 분배 (Bulk Gas Distribution) 시스템을 이용해서 장비로 공급
• 특수 가스 (Specialty gas)
  • 박막용 Source gas, 식각용 Etchant : SiH4, CF4(전자가 하나 부딪히면 CF3가 됨. Radical 반응 → 화학적 반응을 일으킴, 가장 많이 사용됨) etc
  • 제조 과정이 복잡하며 유독성/가연성 물질이 많음
  • 실린더에 보관하며 가스 캐비닛을 이용하여 장비로 공급

 

6. MFC(Mass Flow Controller)

• 장비의 공정 Chamber로 들어가는 가스 유량을 조절 : 일반적으로 Thermal control 방식 사용
  • H : Gas flow의 온도를 올리는데 필요한 열량
  • m' : Gas flow의 mass 량
  • Cp : Gas의 specific heat
  • T1, T2 : Gas의 온도

 

7. Gas Scrubber

• 반도체 공정 진행 후 부산물로 발생하는 유해가스를 정화하는 장치
  1. Wet scrubber : 고온에서 가연성 가스를 처리하고 Wafer를 이용해 수용성 가스를 처리
  2. Dry scrubber : Canister(filter) 내부의 흡착제를 통한 치환반응을 이용해 유해 가스 처리

 

8. CDA

• Compressed Dry Air (압축 공기) : 오염 및 부식 방지를 위해서 미세 입자를 제거한 후 건조 및 압축한 공기
  • 장비 및 설비에 공급되어 공압을 이용한 부품 구동 혹은 Purge 용도(순수한 공기를 넣어줌)로 사용됨

 

9. PCW

• Process Cooling Water(냉각수) : 오염 및 부식 방지를 위해 미세 입자를 제거한 후 냉각시킨 공업용수 (10ºC ~ 20ºC)
  • 장비 및 설비에 공급되어 장비 가동에 따른 발열 제거
• 각종 전기 제품 → 열 발생 → 발열 제거 (쿨링)

 

10. DI Water

• Delonized Water(초순수) : 오염 물질 (미세입자, 이온, 유기물, 박테리아, 용존산소)을 모두 제거한 순수한 물
  • Wafer 세정 혹은 Chemical 희석에 사용
• 정전기를 제거해주지 않은 dust는 떨어지기 힘들다. → 이를 제거하기 위해 사용됨
• 그냥 물은 이온이 존재함 → 이 이온이 dust를 발생시킴
• 수율과 direct로 연결되어 있음

 

11. Thermocouple

• 열전대, 온도 센서 : 2 종류의 금속 도체를 사용해서 온도 측정
  • 이종의 금속선 A, B를 접합
    • Hot junction(Sensing), Cold junction(Reference)
  • Junction 사이의 온도 차이에 의해 일정한 방향으로 전류가 흐름 (Workfunction 차이)
    • Thermoelectric 현상 (Seebeck effect : 제백효과)
  • 전류에 의한 Voltage(열기전력) 측정

 

12. Vacuum in Semiconductor Industry

• Region with a gaseous pressure much less than atmospheric pressure : Vacuum chamber → High-vacuum pump → Roughing pump → Exaust
  • 저진공 (Roughing)
  • 고진공 (High vacuum)

 

13. Vacuum Pump

• Torr : 1mm 높이로 수은을 상승시킬 수 있는 기체의 압력
  • Roughing pump : 기체의 밀도가 높아 mean free path가 짧으며 viscous flow 거동을 보임
  • Hi-vacuum pump : 기체의 밀도가 낮아 mean free path가 길며 입자 거동을 보이 (부딪힐 확률이 낮음)

 

1. Wet type : Rotary vane pump (Oil sealed)
   • 비대칭으로 구성된 회정자(Rotator)와 블레이드(Vane)의 회전에 의해 기체를 압축 → 기체 압력에 의해 밸브가 열리며 외부로 배출됨
2. Dry type : Screw pump (Oiless sealing)
   • A dry screw pump utilizes two intermeshing helical rotors mounted in parallel, which rotate in opposite directions at high rotational speeds without touching
     • This high speed, along with the tight clearances and the viscosity of the gas, causes resistance to the backflow of gas by dragging the gas along with the rotor threads, creating a non-contact, dry sealing
3. Turbo Molecular Pump(TMP)
   • 고속 회전 블레이드에 의해 기체 분자의 운동 방향을 조절 → 블레이드는 흡기와 배기가 일정 방향으로 유지되도록 경사진 각도로 되어있음

 

14. Vacuum gauge

1. Pirani gauge : 저진공용 gauge
   • 기체 압력에 의한 필라멘트의 온도 변화를 전기저항의 변화로 바꾸어 측정
   • 필라멘트 온도를 항상 일정하게 유지 < 150ºC
     • 압력 증가에 의한 필라멘트의 열손실 발생
     • 필라멘트 온도가 낮아지면 입력 전압(V)을 높여 일정한 온도가 유지되도록 조절
     • 전압의 변화량(△V)을 이용해 압력 변화 계산
   • 기체 종류에 따른 Sensitivity가 다르므로 공정 가스가 주입되면 오차 발생
2. Capacitance diaphragm gauge
   • 기체 압력에 의한 Diaphragm의 변화를 capacitance 변화로 바꾸어 측정 → Baratron gauge가 보편적으로 사용됨
     • 기체의 감소
       • Diaphragm과 전극 사이의 거리 증가
       • Capacitance 감소
       • Capacitance 변화량(△C)을 이용해 압력 변화 계산
   • 기체 종류에 따른 Sensitivity 변화가 없으므로 공정 가스가 주입되어도 오차가 적음
3. Ion gauge (Cold cathode) : 고진공용 gauge
   • The gas molecules in vacuum enter the gauge and move between two parallel electrical plates(anode and cathode) biased at high voltage → Accelerate electrons
   • Threr is a powerful magnetic field across the anode and cathode; therefore, the electrons, originated from gas ionization, spiral toward the cathode, resulting in more collisions with other gas molesules and thus higher ionization current → no heated Filament(Good life time)

 

15. Throttle valve

• 일부를 닫아 gas의 양을 조절
• MFC 가스량 + Throttle valve의 닫힘 정도를 이용해 조절함