반도체 산업에서 화학물질로 인한 오염을 줄이는 방법

[테크월드=양대규 기자] 집적회로(IC) 제조업체들은 인공지능과 로봇공학, 스마트홈, 스마트카, 사물인터넷 등의 메가트렌드 산업이 증가하는 속도와 규모, 신뢰성에 대한 요구에 부합할 수 있도록 발전을 거듭함에 따라 프로세서의 전력 효율을 높이고 저장 용량을 늘려야 한다. 또한, 보다 낮은 비용으로 전 세계의 소비자와 기업의 새로운 데이터 수요를 충족시키기 위해 노력 중인 디바이스 제조 업체들은 공정 제어, 수율, 경제적 비용 측면에서 중요한 도전에 직면하고 있다.

로직 디바이스의 선폭 축소, 3D NAND 아키텍처의 레이어 증가, DRAM 메모리 밀도 증가에 따라 오염과 결함(Defect)에 대한 감도가 디바이스 성능에 더 큰 영향을 미치고 있다. 마이크로일렉트로닉스 산업은 최적의 웨이퍼 수율과 신뢰성 확보를 위해 소재 소비량 증가의 요구사항과 케미컬 제조부터 POU까지 적용되는 고성능 기술을 위한 소재의 순도 과제를 해결해야 한다.

오염 제어는 모든 웨이퍼에 직접 닿는 케미컬에서 시작한다. 케미컬 순도를 높이는 일은 공정 청정도와 디바이스 수율 향상을 확보하는 첫걸음이다. 이런 이유로 디바이스 제조업체들은 케미컬 공급업체에 거의 ppq(parts per quadrillion)에 도달할 정도로 높은 수준의 순도를 제공하고, 케미컬의 패키징, 운송, 유통 과정에서의 오염물질 유입을 방지하도록 지속적으로 요구하고 있다.

유체 공급 시스템의 재료 순도와 구성 재료는 똑같이 중요하다. 오염 제어형 케미컬 패키징, 여과, 펌프, 유체 취급 소자가 없다면 케미컬은 파티클, 금속, 불순물로 인한 역오염에 취약하다. 오염원을 파악하기 위해 오염 매핑을 실시하는 것은 결함 제어에 있어 매우 중요하지만, 이런 작업은 제조업체에서 청정도가 서로 다른 제품을 공급받고 여러 공급업체의 배치를 결합할 때 특히 힘들 수 있다.

케미컬 제조업체, OEM, 디바이스 제조업체들은 케미컬, 저장 탱크, 유체 공급 시스템의 오염을 관리하고 더 높은 수준의 순도를 유지할 수 있도록 부품 공급업체와 협력해야 한다. 이 문서에서는 특히 파티클 제거와 여과 가능한 금속 오염 등 두 가지 주요 분야에서의 순도 유지 문제와 최첨단 기술 주도의 순도 사양을 더 포괄적으로 충족할 수 있도록 유체 시스템 청정도 증대에 투자할 경우 나타나는 긍정적 효과를 살펴본다.

오염 매핑을 통한 파티클 오염의 완화

케미컬 제조업체들은 고순도 케미컬의 소비가 증가하고 순도 요구 사항이 더욱 엄격해짐에 따라 반도체 제조 공장으로 운송하는 과정에서 케미컬의 순도 유지뿐 아니라 파티클 오염 방지에 상당한 투자를 할 수밖에 없다. 새로운 케미컬 제품 라인의 조건을 갖추는 데 소요되는 시간과 비용 대부분이 배관 플러싱, 유체 성분, 표면 오염 제거 필터에 의해 결정된다. 반도체 산업은 케미컬 세정에 매년 20억 달러를 소비한다. 해당 경비의 10% 정도가 유체 이동 경로 세정과 공정의 청정도 보장을 위한 배관 플러싱과 같은 비생산 활동에 사용되는 것으로 추정된다. 파티클은 초기 플러싱에 내성이 있는 경우가 많으며, 케미컬이 긴 튜빙을 지나거나 재순환 루프에 있을 때, 파티클에서 물질이 흘러나와 유체가 오염되고 웨이퍼에 결함을 발생시킨다. 케미컬 제조업체는 고가의 비용과 시간 소모적인 플러싱을 줄이고, 파티클 셰딩(Shedding)을 줄이기 위해 초청정의 안전한 폴리머를 사용하는 부품에 관심이 많다. 부품 공급업체는 표면 파티클이 더 적은 솔루션을 개발하고 이들 시스템에 미치는 영향을 파악하기 위해 케미컬 제조업체들과 함께 협력하고 있다.

회로 선폭을 계속 축소하고 공정 노드가 sub 10nm 레벨에 근접할수록 표면 파티클이 로직 디바이스에 특히 유해하기 때문에 케미컬을 청정하게 이동하는 것은 그 어느 때보다 더 중요하다. 이와 마찬가지로, 3D NAND 메모리 스택 내의 트랜지스터 개수가 증가함에 따라, 하나의 결함이 한 개 이상의 셀을 차단해 전체 디바이스 성능에 영향을 미칠 수 있다. 그 결과, 결함을 방지하기 위해 모든 잠재적인 오염 영역을 파악해 적절한 조치를 취해야 한다.

적합한 시스템이며 케미컬이 필수 순도 사양을 충족한다면, 소재가 메인 팹으로 이동될 때 그 순도를 유지하는 데 초점을 맞춰야 한다. 케미컬은 대용량 케미컬 컨테이너부터 소형 드럼, 운송 컨테이너, 유체 운반 시스템에 이르기까지 케미컬의 운송이나 이동 시 유입될 수 있는 파티클 오염에 취약할 수 있다. 케미컬 순도를 유지하기 위해 모든 유체 경로는 오염을 제어하고 안정된 환경을 필요로 한다.

케미컬 저장 컨테이너의 선택은 케미컬 순도 유지에 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 처음에는 청정했던 포토 레지스트가 반도체 팹에 도착했을 때, 파티클 사양에 맞지 않으면 운송 컨테이너가 오염의 원인이 될 수 있다. 구성 소재와 용량만을 토대로 컨테이너를 선정하면 장기적인 오염 방지 성과의 중요한 측면을 배제하는 것이다. 제조업체는 구성 소재와 제품 제조법을 지속적으로 시험, 개발하는 소재 전문가와 협력해 파티클 발생률이 낮은 컨테이너를 사용하게 되는 이점을 누릴 수 있다. 오염 제어형 케미컬 운송과 이동 시스템에 투자하면 케미컬 순도를 확보하고 제품 수율이 증가하며 비용 손실을 줄이는 데 도움이 된다.

일단 반도체 팹으로 운반되면, 케미컬을 컨테이너 밖으로 배출하고 여과해, 반도체 팹을 통해 분배하는 장비는 이 케미컬의 청정도를 유지해야 하고 케미컬에 오염 물질이 추가되지 않도록 해야 한다. 최신 SEMI 세계 팹 전망(World Fab Forecast) 보고서에 따르면 2018년 팹 장비 투자는 630억 달러라는 사상 최고치에 이를 전망이다. 이런 투자 급증은 주로 한국의 삼성전자와 SK하이닉스의 성장 그리고 중국, 유럽, 미국에서의 성장이 일부 기인한다.

청정 케미컬 공급 시스템은 팹의 생산규모(Capa) 증설과 신규 디바이스의 제조 관점에서 현재와 향후의 계획이 반영돼야 한다. 케미컬의 제조와 수입검사 관점에서 디바이스 제조 업체와 OEM 업체는 케미컬의 청정도와 부품 품질 평가에 많은 부담을 가지고 있다. OEM과 팹 관계자는 이런 부품 사양을 받아들이고 유입되는 케미컬이 시스템 전반에서 청정 상태를 유지하도록 장비에 대한 올바른 해결방안을 선택하라고 권유받는다.

반도체 팹이 가동되고 신설될 때마다 사전 작업으로 플러싱, 테스트, 퍼징이 필요한 막대한 양의 유체 처리 시스템이 설치된다. 사전 플러싱은 시스템의 누출 테스트와 시스템의 표면 오염물질을 제거하는 데 사용된다. 케미컬이 시스템을 통과하면, 팹 엔지니어는 케미컬 순도와 웨이퍼 결함을 지속적으로 모니터링하고, 원하는 수율을 얻을 때까지 케미컬을 플러싱하고 공정을 진행한다. 이 모든 것에 시간이 소요되고, 케미컬이 소모되며, 비용이 많이 든다. 목표는 더 청정한 부품을 선정하고, 조기 결함 검출과 예방을 위해 계측 장비를 조기에 사용함으로써 공정 라인을 검증하는 시간과 비용을 절감하는 것이다.

케미컬 제조업체와 마찬가지로, 디바이스 제조업체는 공정이 오염되지 않고 가능하다면, 공정 개선을 위해 평가 완료된 오염 제어형 유체 시스템을 선정함으로써 이익을 얻게 된다. 더욱 복잡한 메모리, 로직 디바이스에서 파티클 민감도가 증가함에 따라 이런 파티클을 제거할 필요성이 대두되고 있다. 공정에서 입증된 오염물질 제어 방법 중 하나는 정교한 액체 여과 방식을 이용하는 것이다. 필터 멤브레인 기술은 sub 10nm 파티클을 제거할 수 있을 정도로 발전했는데, 이 기술은 전반적인 운영 효율성을 개선하고 첨단 기술을 실현하는 데 핵심이 된다. 새로운 폴리머 디자인, 다양한 멤브레인 제조 기술, 그리고 첨단 세정 기술을 통해, 필터 솔루션은 디바이스 제조업체가 케미컬과 조건에 따른 오염 제어의 맞춤형 설정을 가능하게 한다. 공정 모니터링, 통계 분석, 고객과의 협력을 이용해, 이런 유체 구성 요소들은 오염물질을 제어하는 안정되고 반복 가능한 솔루션을 제공한다.

파티클 청정도와 오염 측면에서 모든 구성 요소가 동일하지는 않다. 모든 HDPE 드럼 공급업체가 동일하게 제작하는 것은 아니다. 레진 선정과 지속적인 테스트의 중요성을 이해하고, 드럼 순도의 일관성을 유지하기 위해 어떻게 공정 제어를 할 것인가를 분명히 아는 것이 중요하다. 이런 점은 매일 파티클 테스트를 수행함으로 이루어질 수 있다. 또한, 여러 튜빙 공급업체를 이용하면 [그림 4]에 도시된 오염, 가변성의 위험이 크게 증가할 수 있다. 불소폴리머 공정을 이해하고, 잠재 오염원과 오염원의 제어 방법을 이해하기 위한 오염 매핑 평가를 정기적으로 실시하는 업체를 선정하는 것이 매우 중요하다.

오염 매핑의 개념은 전체 유체 시스템을 검토하고 이를 개별 구성 요소로 나눠, 공정에 사용 중인 또는 사용된 재료의 어느 부분에서 파티클 오염물질이 나오는지 매핑하는 것이다. 최종 케미컬에 파티클 개수가 급증한다면, 구성 요소의 매핑은 파티클의 발생 원인이 어디인지 확인하는 데 도움이 될 수 있다. 이 구성 요소가 파악된 경우, 부품 공급업체는 부품 제조에 사용된 장비, 소재와 공정을 포함해, 이에 대한 오염 매핑 평가를 수행한다. 소재가 오염의 원인이라는 점이 판단되면, 공급망 내 공정을 소재 공급업체로 한 단계 더 되돌린 후 오염물질이 원재료 또는 고분자 공정에서 나온 것인지 판단하기 위해 제조 공정을 매핑한다. 목표는 공급망에서 오염원들을 제거하기 위해 단계를 밟아가는 것이다.

전반적인 시스템 청정도를 보장하기 위한 핵심 단계는 최종 사용자가 오염원들을 파악하고 줄이기 위해 오염 매핑을 실행하는 부품, 장비 공급업체와 협업하는 것이다. 부품 공급업체의 오염 분석 능력을 활용하는 것 또한 OEM과 반도체 팹에 청정한 부품을 지속적으로 제공하는 핵심이 된다.

파티클 셰딩의 가능성이 적은 구성 재료를 평가하는 것 외에도, 벨브, 펌프, 필터의 작동으로 발생하는 입자를 줄이는 것뿐만 아니라 소재 형상 그리고 Dead Legs, Entrapment 영역의 최소화에 계속 중점을 둬야 한다. 부품 제조업체가 제품 설계를 최적화하고 부품 플러싱 성능을 개선하는 데 사용할 수 있는 또 다른 방법은 전산 유체 역학 분석이다.

침출성 METAL 오염을 감소화함으로써 청정한 유체 경로 최적화

포토리소그래피, 습식 식각, 세정과 같은 반도체 공정은 첨단 공정 노드에서 금속에 더욱 민감해지고 있다. 모든 불소폴리머 공급 시스템에서는 PFA 튜빙, 밸브, 정제기와 같은 부품 소재에서 침출되는 금속이 디바이스 수율에 영향을 미친다.

많은 시간과 비용이 파티클 오염을 제거하기 위해 플러싱 시스템에 투자됐다 할지라도, 플러싱으로 해결되지 않는 장기적인 해결과제가 존재한다. 케미컬은 저장 컨테이너와 긴 튜빙을 지남에 따라 금속 이온이 소재에서 빠져나오거나 침출돼 유체를 오염시킨다. 따라서 파티클 오염의 원인을 파악하는 것 이외에도, 케미컬 제조업체, 디바이스 제조업체는 금속이 어디에 서 나오는지 판단하기 위해 전체 케미컬 공급 시스템을 조사하는 데 상당한 시간을 소모하고 있다.

금속 오염물질이 소재에서 침출되기까지는 수개월이 소요될 수 있다. 격납용기 제조업체는 금속 함량이 더 낮은 혁신적인 폴리머를 테스트해 금속 오염을 줄일 방법을 찾고 있다. 부품 제조업체도 초청정의 PFA 재료를 연구함으로써 튜빙과 그 외 부품들의 오염을 줄이기 위해 노력하고 있다. 케미컬 제조업체와 팹 모두 청정 상태의 튜빙에 관심이 많으며, 튜빙 재료가 시스템에 미치는 영향을 파악하기 위해 부품 공급 업체와 함께 튜빙 재료 평가 연구에 참여하고 있다. 모든 공급업체가 자사 제품을 대상으로 금속 추출 시험을 수행하지 않으며, 오염을 줄이기 위해 공정을 최적화하지 않았다는 점에 주목하는 것이 중요하다. 금속 오염을 초래하는 공정과 소재를 감지하기 위해 정기적인 부품 분석이 매우 중요하다. [그림 5]

서로 다른 PFA 등급과 그 소재가 어떻게 생산되는가에 따라 상이한 순도 레벨이 결정된다. 원자재에서 시작되는 오염물질은 튜빙 또는 밸브 벽, 필터 멤브레인과 같은 불소폴리머에서 압출된 후, 유체전달 시스템을 통과해 웨이퍼 위에서 결함을 야기한다. 오염원을 찾는 데 오염 매핑이 주된 역할을 할 수 있다.

레진 제조는 고유한 오염을 이미 갖고 있는 모노머로 시작돼 중합 챔버로 들어가는데, 만약 이 챔버가 금속 소재인 경우 폴리머 분말 오염을 유발할 수 있다. 이어서 폴리머는 건조돼 펠릿으로 성형되는데 이 역시 폴리머 펠릿에 더 많은 오염물질을 유입할 수 있다. 부품 제조업체에서 펠릿을 튜빙으로 성형할 때 이 압출 성형 공정으로 최종 제품에 또 다른 잠재적인 오염원이 추가된다. 다시 강조하지만, 재료 공급망의 오염 매핑을 수행하는 것은 금속 오염원을 식별하는 데 매우 중요할 수 있으므로 즉각적인 수정 조치를 취할 수 있다. [그림 6]

포토레지스트 디스펜스 펌프와 같은 세정 공정 툴과 부품으로도 금속 오염의 영향을 줄일 수 있다. 포토 레지스트와 그 외 리소그래피용 Solvent는 금속 오염 물질에 대한 친화도가 강하지는 않지만, 시간에 따른 용출 현상 발생하기도 한다. 이런 금속 오염은 포토 레지스트와 반응해 Gel Defect를 유발하며, 이는 칩의 마이크로브리지(Microbridge)를 일으키는 원인이 되기도 한다. 첨단 로직 노드에서는 이런 오염물질이 디바이스 수율에 유해한 역할을 한다. Solvent 정제기를 사용하면 특히 포토레지스트 용도에 사용되는 다양한 초순수, 극성, 비극성 Solvent에서 용해된 금속 오염물질과 콜로이드성 금속 오염물질을 모두 제거하는 데 효과적이다. 오늘날의 정제기는 원료 제조부터 웨이퍼에 분사하기까지 sub ppt 수준까지 오염물질을 제거하고 유입된 금속 결함을 줄여주고 있다.

모든 소재 처리 구성 요소가 파티클, 금속 함량 측면에서 동일하지는 않다. 구성 요소와 소재 평가하면 순도가 증가해 안전한 오염 제어형 케미컬 공급 환경을 유지하는 데 도움이 된다. 이런 환경은 격납 용기, 분배 시스템 내 파티클과 금속 오염을 제어하면서 엄격한 순도 사양을 충족하거나 또는 넘어서기 위해 노력하는 전 세계 케미컬 제조업체와 함께 시작한다.

전체 유체 흐름에서 전반적인 시스템 청정도를 보장하기 위한 또 다른 핵심 사항은 최종 사용자가 공급망에 대한 오염 매핑을 수행한 부품 공급업체, 장비 공급업체와 협업해 오염원을 파악해 줄이는 것이다. 부품 청정도를 평가하고 케미컬의 가장 청정한 운반, 여과, 계측, 유체 처리 시스템을 선정하는 것이 오염 감소 노력에 가장 중요한 부분이다.

전체 반도체 산업은 제조 단계부터 POU까지 각 단계에서 오염이 제어된 청정 제품을 제공하는 케미컬 업체와 장비, 소재 공급 업체로부터 혜택을 받게 된다. 그 결과 디바이스 성능은 향상되고 수율은 증가하며 비용은 절감된다.

자료제공: 인테그리스