세계 첫 '플라즈마 실시간 측정센서', 민간 기술이전 눈앞

소·부·장(소재·부품·장비) 국산화 R&D(연구개발) 관련 대표 성과로 꼽혔던 한국표준과학연구원(이하 표준연)의 '플라즈마 밀도 실시간 측정센서' 기술이 내달 민간에 이전될 것으로 보인다. 이는 반도체·디스플레이 공정에 사용되는 플라즈마 양을 실시간으로 측정할 수 있는 센서다. 종전처럼 가동 장비를 멈추지 않고도 사용할 수 있다는 이점 때문에 관련 기업의 문의가 많았던 것으로 전해졌다.

표준연 측은 "이번 기술이전을 위한 기술이전료를 반도체·디스플레이 분야 다수의 기업들과 협의 중"이라며 "이르면 내달 기술이전 계약 체결이 될 것으로 예상한다"고 밝혔다. 기술이전료란 정부출연연구기관 소속 연구진의 R&D 성과를 활용하고자 하는 기업이 지식재산권을 획득하는 대가로 지불하는 금액이다. 홍석환 표준연 기술이전그룹장은 "이번 기술은 반도체·디스플레이 장비 성능평가 및 제품 수율 향상에 도움이 되는 데다 한국 원천 특허 등록을 기반으로 미국·유럽·중국·일본 등 4개국 특허 출원이 완료된 상태여서 해외 수출용 장비 개발로 매출을 확대할 수 있다는 이점이 있다"고 설명했다.

◇공정 이상 실시간 감지 센서 "세계 유일 기술"=업계에 따르면 반도체 소자의 저전력화, 선폭 초미세화, 3차원 구조화에 따라 반도체 플라즈마 공정의 난도가 높아지고 있다. 플라즈마 공정은 반도체 회로 패턴 가운데 필요한 부분만 남기고 불필요한 부분은 깎아내는 작업인 식각 공정에 핵심적으로 사용되며, 증착, 세정, 이온주입, 그리고 스퍼터링 공정에도 활발하게 사용된다. 식각 공정의 안정성은 반도체 생산성·수익성의 척도인 수율로 이어진다. 잘못된 식각 공정으로 회로 부분이 끊기거나 균일하지 않으면 생산된 반도체 칩에 오류가 생기고 원하는 동작을 수행할 수 없다.

지금까지 공정 중 웨이퍼 영역의 플라즈마 변수를 직접 측정할 수 있는 센서는 없었다. 해외에서 독점적으로 양산 공정에 활용되는 센서가 있지만, 이는 웨이퍼의 온도·전압 균일도를 측정하는 간접 측정 방식이다. 간접 측정 센서는 공정을 멈추고 센서를 삽입해 측정하는 비실시간 방식이라서 공정 이상을 실시간으로 감지하기 어렵다. 투입 후에는 공정 환경 정상화를 위해 오랜 시간이 필요해 반도체 수율을 떨어뜨리는 경우가 많다.

표준연 김정형 책임연구원(좌), 이효창 선임연구원(우)이 실시간 플라즈마 측정센서를 소개하고 있다/사진=표준연

◇'지능형 식각공정 장비' 개발도 추진=표준연 첨단측정장비연구소 반도체측정장비팀 이효창 선임연구원, 김정형 책임연구원은 플라즈마 변수를 직접 측정할 수 있는 밀도 측정 기술을 세계 최초로 개발했다. 이는 웨이퍼 공정결과에 직접적인 영향을 주는 플라즈마 밀도값 및 균일도를 실시간으로 측정할 수 있으며, 측정불확도 2% 이내로 세계 최고 수준이다. 무엇보다 이 센서는 웨이퍼 바닥 부분인 정전척, 에지링, 챔버 벽 등 원하는 부분에 설치할 수 있어 실용적이다.

김 책임연구원은 "기존의 플라즈마 진단법은 정전 탐침을 플라즈마에 삽입해 전위를 인가하는 방식으로, 높은 전위가 플라즈마를 변화시킬 수 있어 플라즈마 밀도와 같은 플라즈마 변수를 정확하게 측정하기가 어렵다는 문제점이 따른다"고 말했다. 이어 "다양한 플라즈마 직접·간접 센서들이 개발되고 있지만 그 측정값의 신뢰성이 평가되지 않은 상황에서 사용되는 사례가 빈번하다"면서 "이번에 개발한 센서는 평면형 프로브 실험, 전자기장 시뮬레이션, 회로 모델 개발을 통해 종합적으로 센서의 측정 신뢰성 평가를 모두 만족했다"고 덧붙였다. 이에 다양한 플라즈마 및 공정 센서들의 시험 평가·보정에도 활용할 수 있다는 설명이다.

연구팀은 앞으로 웨이퍼형 플라즈마 센서를 비롯해 공정 장비에 센서가 결합된 '지능형 반도체 식각공정 장비와 정전척(기판을 하부전극에 고정해주는 핵심부품)'을 개발하고, 반도체 소재·부품·장비 신뢰성 평가 테스트베드를 구축할 예정이다. 이 선임연구원은 "향후 관련 기술의 표준 시험 절차 확립을 통해 반도체·디스플레이 소재 부품 장비의 성능을 검증할 수 있는 플라즈마 측정 기준 장비로 활용하게 될 것이며, 외산에 독점화된 반도체 장비 시장의 국산화를 이룰 핵심기술이 될 것"이라고 강조했다.

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