생기원, 반도체 박막 증착 과정, 실시간 측정·분석 기술 세계 최초 개발

한국생산기술연구원 고온에너지시스템그룹 허 훈 박사 연구팀이 세계 최초로 개발한 '화학증착소재 실시간 증착막 측정 시스템'. 가운데 큰 원통 모양의 화학기상증착 장비에 오른쪽에 위치한 라만 광원 기반의 실시간 측정·분석 장치가 결합돼 있다./사진제공=헌국생산기술연구원

#반도체 공정 중 박막 증착 공정은 반도체의 재료가 되는 엷은 원판인 실리콘 웨이퍼(Wafer) 위에 얇은 층 형태의 박막을 단계적으로 겹겹이 쌓아가는 핵심 공정이다. 박막은 반도체 회로 간의 구분과 연결, 보호 역할을 담당하며 박막을 최대한 얇고 균일하게 형성할수록 반도체 품질이 향상된다. 그런데 박막의 두께가 1㎛ 이하로 매우 얇아 이를 구현하는 것은 기술적 난이도가 높은 공정이다. 때문에 박막 형성 상태를 수시로 측정하고 확인하는 작업이 중요하다.


한국생산기술연구원 고온에너지시스템그룹 허훈 박사 연구팀은 반도체 공정에 주로 사용되는 '화학기상 증착장비' 내부에서 웨이퍼 위에 박막이 형성되는 전 과정을 실시간으로 관찰하고 측정·분석할 수 있는 '화학증착소재 실시간 증착막 측정 시스템'을 세계 최초로 개발했다고 16일 밝혔다.

기존에는 박막이 제대로 증착됐는지 여부를 확인하기 위해 해당 장비에서 박막을 꺼낸 뒤 별도의 분석기기로 검사해야만 했다.

하지만 이 과정에서 박막이 대기 중에 존재하는 산소나 수분과의 접촉으로 변질돼 분석 결과의 신뢰성이 훼손될 수 있고 박막에 불량이 발생한 경우 원인 규명이 어렵다는 문제점이 있었다.

연구팀은 화학기상증착 장비 내부에 박막 소재의 증착 과정을 측정·분석할 수 있는 'In-situ(용기 내부) 라만 분광 장치'를 설치해 이 같은 문제점을 해결했다.


이 장치는 단색광을 기체 또는 투명한 액체·고체에 쬐면 산란광 속에 파장이 약간 다른 빛이 생기는 '라만 효과'를 기반으로 한다.

'라만 효과'에 의해 발생하는 특수한 빛의 배열인 '라만 스펙트럼'을 활용하면, 장비 내부에서 바로 박막 소재의 농도나 결정구조, 결정성 등 다양한 물성 정보를 실시간 파악하는데 성공한 것.

또 화학 증착에 필요한 화합물 및 반응가스, 박막 성장 온도나 시간 등 여러 변수를 측정·분석해 공정도 최적화할 수 있었다.

연구팀은 한걸음 더 나아가 박막 물성 분석결과를 기반으로 '유전율'을 유추할 수 있는 분석기법도 개발했다.

'유전율'이란 전기장을 가했을 때 전기적 성질을 띤 분자들이 정렬해 물체가 전기를 띠는 현상이 발생하는 정도를 말한다.

'유전율 분석결과'는 고집적화와 고속화 구현에 유리한 저유전율 특성을 지닌 반도체 물질을 개발하는 데 활용된다.

연구팀은 구축한 시스템을 통해 저유전율 반도체 물질을 증착시켜 그 과정과 처리조건에 따른 물성변화를 라만 스펙트럼으로 실시간 분석하는 데 성공해 신규 박막 소재의 개발 가능성도 높였다.

허훈 박사는 "시간과 비용이 많이 소요되는 기존 'Ex-situ(용기 외부) 박막 분석 방식'의 한계를 국내 기술력으로 극복해낸 사례인 만큼 관련 소재·장비 국산화에 기여할 수 있을 것으로 기대한다" 며 "반도체뿐만 아니라 OLED 소재, 2차전지 또는 태양전지용 전극소재 등 다양한 분야에도 활용 가능하다"고 말했다.