장비 I: 챔버와 하드웨어

웨이퍼 한 장이 지나가는 길

증착 장비 앞에 서면 처음 보이는 것은 챔버가 아니라 웨이퍼를 담은 통과 로봇이다. 웨이퍼는 장비와 장비 사이를 FOUP(Front Opening Unified Pod)이라는 밀폐 용기에 담겨 옮겨진다. FOUP을 장비 앞면의 EFEM(Equipment Front End Module, Factory interface라고도 부른다)에 붙이면, EFEM 안의 대기 로봇이 웨이퍼를 꺼내 로드락(Load lock)으로 옮긴다. 로드락을 지난 웨이퍼는 장비 가운데의 트랜스퍼 챔버(Transfer chamber)에 있는 진공 로봇이 받아 둘레의 공정 챔버로 나른다. 공정이 끝나면 같은 길을 거꾸로 돌아 FOUP으로 간다. 이렇게 단일 웨이퍼 공정 모듈 여러 개와 반송 로봇을 닫힌 환경 안에 묶은 장비를 클러스터 툴(Cluster tool)이라 한다. 지금은 대부분의 웨이퍼 공정이 클러스터 툴에서 이루어진다.

왜 이렇게 번거로운 길을 거칠까. 공정 챔버는 진공에서 수백 °C로 운전한다. 다음 절에서 볼 특허의 예시 조건은 4.5 torr, 약 400 °C였다. 웨이퍼를 넣을 때마다 챔버를 대기에 열면 다시 펌프로 공기를 빼고 온도를 맞추는 데 오래 걸리고, 공기 속 수분과 산소가 챔버 벽에 달라붙는다. 로드락은 대기와 진공 사이에 둔 작은 방이다. 이 방에만 공기를 넣고 빼면 트랜스퍼 챔버와 공정 챔버는 늘 진공으로 남는다(원리에서 나온 해석). EFEM도 그냥 상자가 아니다. Applied Materials의 한 특허는 EFEM 안의 수분, 온도, 산소 농도를 제어하고 질소 같은 불활성 기체를 채우는 구성을 기술한다.

한 챔버가 웨이퍼를 몇 장씩 받는지는 회사와 제품마다 다르다. Applied Materials는 Producer 플랫폼의 Twin Chamber 구조가 한 번에 최대 여섯 장을 처리한다고 소개한다. Lam Research는 VECTOR PECVD가 한 모듈에 스테이션 네 개를 둔 QSM(Quad Station Module) 구조라고 소개한다. ASM은 XP8 DCM PECVD에서 RF 전력, 서셉터와 샤워헤드 온도, 액체 원료 유량은 챔버마다 따로 정하고, 기체 유량, 압력, 벽 온도는 한 모듈의 두 챔버가 함께 쓴다고 적는다. 무엇을 챔버마다 나누고 무엇을 함께 쓰는지가 챔버끼리 같은 막을 내도록 맞추는 챔버 매칭(Chamber matching)의 출발점이다. 회사별 제품군은 9장(장비 II)에서 비교한다.

그러면 장비 한 대는 시간당 몇 장을 처리할까? 공정 시간만으로는 정해지지 않는다. 로봇이 웨이퍼를 바꿔 끼우는 동안 챔버는 쉬고, 챔버를 늘리면 이번에는 로봇이 바빠진다. 아래 애니메이션에서 두 한계가 만나는 지점을 찾아보자.

애니메이션의 처리량은 대략 다음 두 값 가운데 작은 쪽이 된다(학습용 모델).

장비 회사가 밝히는 처리량은 특정 막과 두께를 정해 놓고 잰 값이다. 예를 들어 Applied Materials는 150/200 mm용 Centura DXZ의 처리량을 3,000 Å PE-TEOS 기준 시간당 최대 80장으로 소개한다. 제조사가 밝힌 최대값이므로, 실제 공정의 막 두께와 세정 주기를 함께 놓고 읽어야 한다. 세정 주기가 처리량을 얼마나 깎는지는 이 장의 마지막 절에서 직접 계산해 본다.

PECVD 챔버 해부: 샤워헤드에서 배기구까지

이제 공정 챔버 안을 들여다보자. 본보기로 삼을 자료는 Applied Materials가 1994년에 출원한 단일 웨이퍼 CVD 챔버 특허다(지금은 만료되었다). 오래된 설계지만 오늘날 PECVD 챔버의 기본 골격이 거의 다 들어 있고, 부품마다 왜 그렇게 만들었는지 이유까지 적혀 있다. 이 절에서 "특허에 기술된 구조"라고 하면 이 특허를 가리킨다.

기체가 들어오는 길. 기체는 뚜껑 가운데의 인입 매니폴드로 들어와 구멍 뚫린 블로커 플레이트(Blocker plate)를 한 번 지나고, 작은 구멍이 수없이 뚫린 평평한 원판인 페이스플레이트(Faceplate)를 지나 웨이퍼 위로 내려온다. 샤워기처럼 기체를 뿌린다고 해서 현장에서는 이 판을 샤워헤드(Showerhead)라고 부른다. 블로커 플레이트가 먼저 기체를 옆으로 넓게 퍼뜨리고, 샤워헤드의 구멍들이 웨이퍼 전체에 고르게 나눠 준다. 샤워헤드는 기체 분배판이면서 RF 전극이기도 하다. 특허에 기술된 구조에서 RF 전원은 샤워헤드와 페디스털 사이에 전력을 걸어 그 사이의 원통 모양 공간에 플라즈마를 만든다. RF 연결은 진공 밖에서 하도록 만들어, 연결부에서 아크가 튀더라도 그 입자가 챔버 안에 생기지 않게 했다.

웨이퍼를 데우는 판. 웨이퍼는 가열되는 페디스털(Pedestal, Heater 또는 Susceptor라고도 부른다) 위에 놓인다. 특허에 기술된 페디스털은 알루미늄 판 속에 동심원으로 감은 히터선을 묻고, 속이 빈 기둥(Stem)으로 전선과 온도를 재는 열전대를 내보낸다. 정비 전에 빨리 식히려고 냉각관을 함께 묻기도 한다. 윗면은 열전도율이 높은 AlN(질화알루미늄) 덮개판으로 덮어, 열은 웨이퍼로 잘 보내면서 알루미늄은 공정 기체로부터 보호한다. 페디스털은 리프트 장치로 오르내리며 로봇 팔과 웨이퍼를 주고받고, 웨이퍼 면이 샤워헤드와 평행하도록 기울기를 맞출 수 있다. 히터 자체를 세라믹으로 만든 제품도 있다. Applied Materials는 Producer 플랫폼에 세라믹 히터를 쓴다고 소개하고, 국내 부품사 미코세라믹스는 CVD, PE-CVD, ALD 챔버용 AlN 히터에 RF 전극층과 발열체를 함께 묻고, 안쪽과 바깥쪽 영역의 온도를 따로 제어하는 2-zone 히터와 웨이퍼를 정전기로 붙잡는 E-chuck 히터를 소개한다. AlN의 열전도율은 180 W/m·K로 적고, PE-CVD용 히터를 50 °C부터 650 °C까지 여러 온도 등급으로 나눈다.

벽과 배기. 플라즈마가 닿는 벽은 떼어 낼 수 있는 세라믹 라이너(Liner)로 덮는다. 특허는 라이너가 금속 벽을 플라즈마로부터 보호하고, 접지면을 샤워헤드 전극에서 멀리 떨어뜨려 웨이퍼 가장자리 너머까지 플라즈마를 고르고 안정하게 만들며, 세정하거나 바꾸려고 쉽게 꺼낼 수 있다고 적는다. 반응하고 남은 기체는 반응 공간 둘레를 360° 감싼 좁은 틈인 펌핑 슬롯(Pumping slot)으로 빠져, 고리 모양의 배기 통로(Plenum)를 돌아 한쪽 진공 배관으로 나간다. 배관이 한쪽에만 있으면 그쪽으로 기체가 더 많이 흘러 막이 한쪽으로 두꺼워진다. 그래서 특허는 틈을 아주 좁고 길게 만들어, 틈을 지날 때의 압력 강하가 통로 안의 압력 차보다 훨씬 크게(가능하면 10배 이상) 했다. 그러면 기체가 원 둘레 어디서나 같은 양씩 빠져나간다. 8인치 웨이퍼용 예에서 틈의 폭은 3.8 mm, 길이는 12.5 mm였다. 같은 특허는 배기 통로에 사파이어 창을 내어 벽에 막이 얼마나 쌓였는지 눈으로 보고 세정 시점을 정하게 했다. 사파이어는 불소와 반응하지 않기 때문이다.

레시피의 숫자는 부품의 숫자다. 공개 특허에 실린 한 시즈닝 레시피(Applied Materials의 DxZ 챔버용)를 보자. TEOS 800 mg/min과 He 560 sccm, O₂ 840 sccm을 넣고, 13.56 MHz 510 W와 350 kHz 130 W의 두 RF 전력을 건다. 온도는 400 °C, 압력은 5 torr, 서셉터와 매니폴드 사이 간격은 280 mil(약 7.1 mm)이다. 유량은 MFC와 기화기가, 두 RF 전력은 발생기와 Match가, 온도는 히터가, 압력은 스로틀 밸브가, 간격은 페디스털의 리프트가 정한다(원리에서 나온 해석). 같은 특허는 웨이퍼와 기체 분배 매니폴드 사이의 거리를 Spacing(전극 간격)이라 부르며 레시피 표의 한 칸으로 적고, 서셉터를 원하는 높이로 올려 이 간격을 맞춘다고 설명한다. 아래 그림에서 각 부품을 눌러 무엇을 정하는지 확인하자.

근거: 기체 경로, 샤워헤드, RF 급전, 페디스털, 라이너, 펌핑 슬롯, 창, AlN 히터, 챔버마다 따로 정하는 값과 함께 쓰는 값, 스로틀 밸브와 압력 제어, 원격 플라즈마 세정.

압력은 누가 정하나. 챔버로 들어오는 기체의 양은 MFC가 정하고, 나가는 양은 펌프와 그 앞의 밸브가 정한다. 압력은 두 흐름이 맞아떨어지는 곳에 자리 잡는다. 배기 쪽에 달린 나비 모양의 스로틀 밸브(Throttle valve)가 열린 정도를 바꿔 빠져나가는 기체를 조이는 방식을 하류 압력 제어(Downstream pressure control)라 한다. MKS는 이를 배기 스로틀 밸브, 디지털 제어기, 정전 용량형 압력계(Baratron)를 묶은 시스템으로 설명한다. Applied Materials의 특허 US 6,846,742는 밸브를 다루는 두 방법을 적는다. 하나는 밸브를 정해진 위치에 고정해 두고 압력이 알아서 자리 잡게 하는 방법이다. 다른 하나는 압력계로 압력을 재서 목표와 비교하고, PID 값에 따라 밸브를 움직이는 방법이다. 앞의 방법은 압력을 빨리 바꿀 수 있고, 뒤의 방법은 증착처럼 정확하고 반복되는 압력이 필요할 때 쓴다. 다만 목표 압력이 기체 유량과 배기 능력이 허용하는 범위 안에 있어야 한다.

특허 US 5,558,717의 예시 조건은 SiH₄ 285 sccm, NH₃ 140 sccm, N₂ 4000 sccm을 넣고 약 400 °C, 4.5 torr에서 운전하는 것이었다. 합계 4,425 sccm으로 아래 시뮬레이터를 시작해 보자.

기체와 액체 원료를 챔버까지 보내는 길

기체는 MFC가 센다. 챔버에 들어가는 기체의 양은 MFC(Mass Flow Controller, 질량 유량 제어기)가 정한다. 열식 MFC는 흐름의 일정 비율을 옆길(Side stream)의 가는 관으로 흘리고, 그 관을 데운 부분의 앞뒤 온도 차를 잰다. 기체가 많이 흐를수록 열을 많이 실어 가므로 온도 차가 질량 유량에 비례한다. 비례 상수에는 히터 전력과 기체의 열용량이 들어간다. 더 흔한 두 선식은 온도 차를 일정하게 붙잡아 두고 그때 드는 히터 전력을 읽는다. 여기에 되먹임 제어기와 제어 밸브를 붙인 것이 MFC다. MKS 기술 문서는 열식 MFC가 0.01 sccm에서 1000 SLPM까지 있고, 풀스케일의 2~100% 범위를 0.1% 분해능으로 제어한다고 적는다. 유량 단위 sccm은 표준 조건(273.15 K, 100 kPa)으로 환산한 분당 cm³다.

열식 MFC는 기체의 열 성질로 재기 때문에 기체마다 읽는 값이 다르다. 그래서 보통 질소로 교정하고 다른 기체에는 기체 보정 계수(GCF)를 곱한다. 주변 온도가 바뀌면 영점과 스팬도 움직인다. 같은 MFC로 질소 대신 실레인을 흘리면서 보정 계수를 빠뜨리면 레시피의 숫자와 실제 유량이 달라진다는 뜻이다(원리에서 나온 해석).

기체 자체가 위험하다. 앞 절의 예시 조건에도 들어 있던 실레인(SiH₄)은 안전보건자료에 인화성 기체 1등급이면서 자연발화성 기체로 분류되어 있다. 공기에 닿으면 저절로 불이 붙는다. 그래서 실린더에서 내보내기 전에 장비를 불활성 기체로 퍼지하거나 진공으로 비우고, 배관에 역류 방지 장치를 쓰라고 적는다. 세정 기체 NF₃는 산화성 가스 1등급(H270)이며 흡입 독성(H332)과 반복 노출에 따른 장기 독성(H373) 분류도 받는다. 가스 캐비닛, 배관, 누출 감지에 관한 세부 규격은 이 장에서 다루지 않는다.

액체 원료는 먼저 기체로 만들어야 한다. TEOS(Si(OC₂H₅)₄)는 상온에서 액체이고, 끓는점은 약 442 K(약 169 °C)다. 이런 원료를 챔버에 보내는 방법으로 HORIBA는 직접 주입, 혼합 주입, 버블링, 베이킹의 네 가지를 든다. 직접 주입 방식의 기화기(Vaporizer)는 액체 유량을 재서 밸브로 내보내고, 압력 강하와 열로 액체를 기화한다. 앞에서 본 첫 장 효과 특허도 액체 원료를 액체 유량계(LFM)로 재서 보내는 장치를 다룬다. 앞 절의 레시피가 TEOS를 mg/min, 곧 질량으로 적은 것도 액체의 양을 재서 넣는 방식과 어울린다(원리에서 나온 해석).

가장 단순한 방법은 버블러(Bubbler)다. 액체 원료가 든 통에 운반 기체(Carrier gas)를 액면 아래로 불어 넣으면, 거품으로 올라오는 동안 원료 증기를 머금고 나간다. Air Liquide는 운반 기체가 원료 증기로 포화되며, 원료 농도는 고른 온도와 압력으로 정해진다고 설명한다. 이것을 식으로 쓴 것이 버블러 식이다.

NIST의 Maslar 등은 이 식이 맞으려면 몇 가지 가정이 필요하다고 정리했다. 버블러 위 공간(Head space)이 원료 증기로 포화되어 있어야 하고, 하류에서 잰 압력이 버블러 안 압력과 같아야 하며, 원료 온도가 일정해야 한다. 실제로는 버블러와 압력 측정 지점 사이의 압력 강하, 증발하면서 원료가 식는 현상 같은 이유로 어긋난다. 이들이 낮은 휘발성 코발트 원료(CCTBA)를 측정했을 때, 버블러 안 원료 분압은 참고 증기압보다 약 33~38% 낮게 나왔다. 아래 시뮬레이터는 포화 가정을 그대로 쓴 TEOS 버블러다.

근거: 버블러 식과 가정, TEOS 증기압(Antoine 식)과 분자량, sccm의 표준 조건.

마지막 해볼 것은 현장의 오래된 골칫거리다. 버블러에서 원료로 포화된 기체가 그보다 차가운 배관이나 밸브를 지나면, 그곳의 증기압이 원료 분압보다 낮아 원료가 다시 액체로 맺힌다. 공급량이 줄고, 맺힌 원료가 나중에 한꺼번에 날아가 공급이 흔들린다(원리에서 나온 해석). Maslar 등은 측정 장치에서 원료가 닿는 모든 면을 가열하고, 밸브 블록의 온도를 55, 60, 63 °C로 올려 가며 찬 곳(Cold spot)이 공급을 깎는지 확인했다. 고체 원료는 승화시켜 보낸다. ASM은 Pulsar ALD 장비에 고체 원료 전용 공급 장치를 둔다고 소개한다.

RF 전원과 Match: 플라즈마에 전력을 넣는 법

PECVD는 열 대신 플라즈마 속 전자의 에너지로 원료를 쪼갠다. 그 플라즈마를 유지하는 전력을 RF 발생기(RF generator)가 공급한다. 앞 절의 특허 레시피에는 13.56 MHz와 350 kHz 두 주파수가 함께 쓰였다. 같은 특허는 낮은 주파수 성분의 전력을 높이면 이온 충돌이 늘어난다고 적는다. 왜 두 주파수를 섞는지, 주파수에 따라 이온이 어떻게 움직이는지는 4장(PECVD·HDP)에서 다룬다. 여기서는 전력이 플라즈마까지 제대로 들어가게 하는 하드웨어를 본다.

RF 전력은 50 Ω 동축 케이블로 보내고, 발생기의 출력 임피던스도 50 Ω이다. 그런데 플라즈마의 임피던스는 압력, 전력, 기체에 따라 계속 바뀐다. 그래서 발생기와 챔버 사이에 Match(RF matching network, 정합기)를 두어, 발생기에서 보았을 때 부하가 리액턴스 없는 50 Ω(50 + j0 Ω)이 되도록 계속 바꿔 준다. 그래야 전력이 가장 많이 전달된다. 임피던스가 맞지 않으면 보낸 전력 일부가 발생기 쪽으로 되돌아온다. 되돌아오는 정도를 반사 계수(Reflection coefficient) Γ로 나타낸다.

Match 안에는 무엇이 있을까. 한 특허는 직렬 가변 커패시터와 병렬(Shunt) 가변 커패시터, 직렬 인덕터로 이루어진 L형 Match를 기술한다. 제어 회로가 입력 쪽 센서로 임피던스를 읽고 두 커패시터 값을 바꿔 50 Ω에 맞춘다. 전통적인 진공 가변 커패시터는 동심원 금속판을 기계적으로 움직여 용량을 바꾸므로, 임피던스가 빠르고 자주 바뀌는 공정에서는 그 움직임이 부담이 되어 고장 나기 쉽다고 적고, 전자식 가변 커패시터로 바꾸는 방법을 제안한다. 아래 시뮬레이터에서는 병렬 커패시터를 Load, 직렬 커패시터를 Tune이라고 부르자. 직접 맞춰 보자.

2단계에서 보았듯이 레시피 단계가 바뀌면 같은 Match 값에서도 반사가 크게 늘어난다. 자동 Match는 이 일을 공정 중에 계속 한다. 그래서 Match의 커패시터 위치와 반사 전력은 챔버 상태를 알려 주는 기록이 된다. Infineon의 PECVD SiN 가상 계측 연구에서 전문가가 고른 장비 데이터(FDC 변수)에는 정방향과 반사 RF 전력, 반사 전력이 배치 중앙값에서 벗어난 정도가 들어 있었다. Applied Materials의 특허는 Match에서 RF 주파수, V_DC, V_pp, 정방향과 반사 전력을 감시하고, 레시피 단계별 과거 추세에서 V_DC가 벗어나면 아킹, RF 주파수가 벗어나면 기판 깨짐을 의심하는 방법을 기술한다. 3단계에서 본 것처럼 리액턴스만 있는 부하는 |Γ| = 1이라 전력을 받아들이지 못한다. 플라즈마가 켜지기 전의 챔버를 거의 커패시터로 보면, 점화 전에는 반사가 클 수밖에 없다(원리에서 나온 해석).

배치 퍼니스와 ALD 반응기: 한 번에 몇 장을 굽나

지금까지 본 챔버는 웨이퍼를 한 장(또는 몇 장)씩 처리하는 매엽(Single-wafer) 장비다. 반대쪽 끝에는 수십에서 수백 장을 한 번에 처리하는 배치(Batch) 장비가 있다. 대표가 세로형 퍼니스(Vertical furnace)다. 핫월 LPCVD는 저항 가열 퍼니스 속의 석영관에 웨이퍼 약 100장을 기체 흐름에 수직으로 세우고 0.25~2 Torr, 300~900 °C에서 막을 쌓는다. 압력이 매우 낮고 표면 반응이 속도를 정하는 조건이면 웨이퍼를 촘촘히 세워도 고르게 쌓인다. 관을 따라 원료가 고갈되는 효과와 이를 보정하는 온도 경사는 3장(반응기 속의 흐름과 균일도)에서 다룬다.

300 mm 양산 퍼니스의 장입 수는 제조사 자료로 확인할 수 있다. Tokyo Electron은 TELINDY PLUS가 125장을 장입하고, 빠르게 데우고 식히는 히터와 이중 보트로 생산성을 높이며, 건식 기체 챔버 세정과 저산소 장입부 제어로 작은 파티클을 관리한다고 소개한다. 최대 200장을 처리하는 EVAROS에는 승온과 안정화 시간을 줄이는 새 다중 영역(Multi-zone) 히터를 넣었고, 짧은 TAT(Turn Around Time)를 노린 미니배치 TELFORMULA는 비교표에서 최대 50장이다. ASM은 SONORA가 반응관 두 개와 보트 두 개로 최대 150장을 처리하며, 이전 모델 A412보다 생산성이 최대 30% 높다고 소개한다(제조사 주장). 그 A412에 대해 ASM은 장입 수를 가장 짧은 사이클 시간을 위한 25장부터 가장 낮은 비용을 위한 150장까지 고를 수 있다고 적었다. 많이 넣으면 한 장당 비용이 내려가고, 적게 넣으면 한 번 굽는 시간이 짧아진다. 배치 장비의 핵심 선택이 이 문장 하나에 들어 있다.

왜 그럴까. 배치 장비는 한 번 돌릴 때마다 웨이퍼를 보트에 싣고, 관에 넣고, 온도를 올려 안정시키고, 끝나면 식혀서 꺼내는 데 긴 고정 시간이 든다. 제조사들이 승온과 냉각, 웨이퍼 반송 시간을 줄였다고 강조하는 것도 이 때문이다. 이 고정 시간을 많은 웨이퍼가 나눠 내므로 장수가 많을수록 한 장당 시간이 줄어든다(원리에서 나온 해석).

ALD 반응기는 무엇이 다른가. ALD는 원료 A를 넣고, 남은 것을 퍼지로 빼고, 원료 B를 넣고, 다시 퍼지하는 사이클을 수백 번 되풀이해 원자층 단위로 막을 쌓는다. 원리는 6장(원자층 증착 ALD)에서 다룬다. 장비 쪽에서 보면 문제는 시간이다. Kokusai Electric은 ALD가 여러 기체를 번갈아 공급해야 해서 시간이 걸리고 생산성이 낮으며, 수십 장을 한 번에 쌓는 배치 ALD가 그 해법이라고 소개한다. 매엽 장비는 반대로 챔버 부피를 줄여 한 사이클의 펄스와 퍼지를 짧게 만든다. 세 번째 길은 공간 분할 ALD다. 두 반쪽 반응을 시간으로 나누는 퍼지 단계 대신 공간으로 나눠, ALD의 장점을 지키면서 증착 속도와 처리량을 높이는 방식이다. 플라즈마를 쓰는 ALD 반응기는 라디칼만 보내는 방식, 웨이퍼 위에 직접 플라즈마를 만드는 방식, 떨어진 곳에서 만든 플라즈마를 보내는 방식으로 나뉘며, 플라즈마는 공정 선택지를 넓히는 대신 단차 피복을 떨어뜨리거나 손상을 줄 수 있다.

교차점이 생기는 이유는 두 장비의 시간 구성이 다르기 때문이다. 매엽은 고정 시간이 짧은 대신 사이클 시간에 챔버 수만큼만 웨이퍼가 따라간다. 배치는 고정 시간이 길지만 한 사이클에 100장이 함께 자란다. 막이 얇으면 고정 시간이 전체를 지배하고, 막이 두꺼우면 사이클 시간이 지배한다. 장비를 고를 때는 처리량 말고도 막질, 두께 균일도, 한 Lot을 빨리 돌려야 하는지(TAT), 한 번의 실수가 몇 장에 퍼지는지를 함께 본다. 배치에서 레시피가 틀리면 한 번에 100장이 함께 틀린다(원리에서 나온 해석).

세정, 시즈닝, 배기: 챔버를 처음 상태로 되돌리기

왜 세정하나. 막은 웨이퍼에만 쌓이지 않는다. 남은 기체와 반응 생성물은 배기 기체가 닿는 부품마다 원치 않는 막을 남긴다. 특허 US 5,558,717은 이 막이 두꺼워져 벗겨지기 전에 주기적으로 세정해야 하며, 그렇지 않으면 떨어진 조각이 웨이퍼를 오염시킨다고 적는다. MKS도 증착 부산물이 챔버 벽에 붙어 공정과 제품을 오염시킬 수 있다고 설명하고, NF₃와 불소 계열 기체로 CVD, PVD, PE-ALD, ALD 챔버를 세정하는 원격 플라즈마 소스를 내놓는다. 이런 건식 세정은 웨이퍼마다 또는 n장마다 한다.

왜 원격 플라즈마인가. 원격 플라즈마 소스(Remote plasma source, RPS)는 챔버와 떨어진 곳에서 NF₃ 같은 불소 계열 기체를 플라즈마로 분해한 뒤, 분해된 기체를 챔버로 보내 쌓인 막을 지운다. Raoux 등은 CVD 챔버 세정이 반도체 팹에서 쓰는 과불화 화합물(PFC)의 보통 50~70%를 차지하고, 평행판 RF 플라즈마로 세정하면 기체를 다 쓰지 못해 반응하지 않은 기체가 많이 배출된다고 보고했다. 이들이 만든 마이크로파 원격 플라즈마 소스는 NF₃ 이용·제거 효율을 최대 99.9%까지 올리고 세정 효율과 처리량도 높였다. 세정이 언제 끝났는지는 플라즈마의 발광 스펙트럼(OES)이나 배기 기체의 질량 분석(QMS)으로 판단한다. You 등은 PECVD 챔버의 현장 건식 세정을 OES와 QMS로 감시해 종료점을 찾고, 챔버 벽에 붙인 실리콘 시편으로 벽에 남은 막을 분석했다.

세정 뒤에는 시즈닝. 불소로 세정하면 불소가 벽과 세라믹 라이너에 흡수되거나 갇혔다가, 다음 증착에서 빠져나와 막에 섞인다. 그래서 세정 뒤에 얇은 막을 챔버 안쪽에 먼저 입혀 남은 불소를 덮는다. 이것이 시즈닝(Seasoning)이다. 시즈닝한 챔버로 1~n장을 처리한 뒤 다시 세정하고 시즈닝한다. 그런데 시즈닝 막 안에 느슨하게 묶인 불소가 있으면 세정 뒤 첫 장의 막에 불소가 더 많이 들어간다. Applied Materials의 특허는 낮은 주파수 RF 전력을 높여 이온 충돌을 늘린 시즈닝 막에서 안정한 Si–F 결합이 생겨 이 문제가 줄어든다고 기술한다. 시즈닝 막의 종류도 세정 주기를 바꾼다. 다른 특허의 HDP-CVD 실험에서는 0.16 µm보다 큰 입자가 30개 넘게 더해지면 안 된다는 규격(일부 제조사의 규격으로 소개)을 지키며 14,000 Å FSG를 쌓을 수 있는 횟수가 SiO₂ 시즈닝에서는 두 번이었다. 세 번째에는 약 50개가 더해졌다. Si 시즈닝에서는 다섯 번까지 가능해 세정 횟수가 줄고 처리량이 늘었다. 디스플레이용 대면적 기판 PECVD에서는 SiN을 3장 또는 5장 쌓을 때마다 얇은 a-Si 시즈닝을 끼워 넣어 두께의 런 간 균일도를 높이고, 전체 세정 전까지 처리 장수를 적어도 약 15~40장으로 늘린 사례가 특허에 있다. 다만 그 특허는 메커니즘을 아직 완전히 이해하지 못했다고 적는다.

배기와 처리. 챔버를 떠난 기체가 끝이 아니다. 펌프 뒤의 배기에는 반응하지 않은 실레인, 반응 생성물, 세정 기체가 섞여 있다. Edwards의 특허는 실레인 계열 배기를 공기와 섞어 태우는 Burn box를 써 왔지만, 실레인이 타면 실리카 가루가 많이 생겨 반응부와 입구, 하류 배관을 빠르게 막아 잦은 세정과 정지가 필요하다고 적는다. 펌프 뒤에서 불이 붙지 않게 질소로 희석(흔히 1% 미만을 권고)하면 이번에는 태우는 장치가 소용없어진다. 장비사들은 챔버와 펌프 사이에서 배기를 처리하는 장치도 내놓는다. Applied Materials는 Aeris-S가 챔버와 러핑 펌프 사이에 놓여, 증착 중에는 트랩에 고체를 모으고 챔버 세정 때 이를 제거한다고 소개한다.

이제 세정 주기와 시즈닝을 직접 정해 보자. 세정을 자주 하면 처리량이 떨어지고, 드물게 하면 파티클이 늘어난다. 시즈닝을 길게 하면 첫 장이 안정되지만 그만큼 시간이 든다.