장비: CCP·ICP와 챔버

반응기의 계보: 배럴에서 ICP·이중 주파수 CCP까지

플라즈마 식각은 1960년대 중반에 IC 제조에 들어오기 시작해 1970년대 초에 널리 쓰였다. 습식 식각보다 폐액이 적고, 약액으로는 얻기 어려운 선택비를 낼 수 있었기 때문이다. 그 뒤 Si, Al, SiO₂를 수직으로 깎는 이방성 플라즈마 식각이 약 40년 동안 소자를 줄여 온 돌파구가 되었다. 그동안 반응기의 모양은 여러 번 바뀌었다. 그런데 바뀔 때마다 풀려던 문제는 거의 같았다. 웨이퍼로 오는 이온의 양과 이온이 부딪히는 세기를 어떻게 따로 정할 것인가, 그리고 그것을 웨이퍼 전체에서 어떻게 고르게 할 것인가다. 플라즈마 속 전자와 라디칼의 물리는 3장(플라즈마의 기초)에서, 웨이퍼 앞 Sheath가 이온을 가속하는 원리는 4장(Sheath와 이온 에너지)에서 보았다. 이 절은 그 물리를 담는 그릇이 어떻게 진화했는지 본다.

배럴과 다운스트림. 처음 널리 쓰인 것은 1장(식각이 하는 일)에서 만난 배럴 식각기(Barrel etcher)다. 석영관 바깥에 전극을 두고, 관 안에 웨이퍼 여러 장을 세운다. 관 안쪽의 구멍 뚫린 차폐가 웨이퍼를 빛나는 플라즈마에서 떼어 놓으므로 웨이퍼에는 이온이 거의 오지 않고 라디칼만 닿는다. 그래서 식각은 순수하게 화학적이고 등방성이며, PR을 태워 없애는 애싱처럼 모양이 중요하지 않은 단계에 쓰였다. 1970년대의 배럴 식각기는 약 1 Torr에서 돌았고 주로 PR 제거에 쓰였다. 플라즈마를 웨이퍼에서 떨어진 곳에서 만들어 라디칼만 보내는 생각은 지금의 다운스트림 플라즈마(Downstream plasma) Strip 장비로 이어진다. 국내 PSK는 SUPRA 제품군이 마이크로파 소스로 플라즈마 손상 없는 Strip을 한다고 소개한다(회사 설명).

평행판: 플라즈마 모드와 RIE 모드. 패턴을 수직으로 깎으려면 이온이 웨이퍼에 수직으로 부딪혀야 한다. 1974년 Hosokawa 등이 휘발성 생성물을 만드는 기체와 높은 이온 에너지를 합치면서 이방성 플라즈마 식각이 시작되었고, 1975년 한 해에만 RIE 특허가 십여 건 출원되었다. 구조는 마주 보는 두 평판 전극이다. 웨이퍼를 어느 전극에 두느냐에 따라 성격이 갈린다. 두 전극 넓이가 같거나 웨이퍼를 접지된 넓은 전극에 두는 플라즈마 모드(Plasma mode)에서는 Sheath 전압이 10–100 eV 정도로 낮아 화학 성분이 강하고, 꽤 등방적이며 선택적이다. 웨이퍼를 작은 RF 전극에 올리는 RIE 모드(Reactive Ion Etching)에서는 Sheath 전압이 100–700 eV로 높고, 10–100 mTorr의 낮은 압력과 합쳐 방향성이 커지는 대신 선택비가 낮아진다. 작은 전극도 같은 RF 전류를 실어야 하므로 전류 밀도가 크고, 그만큼 그 앞의 전기장이 세다. 작은 전극에 음의 Self-bias가 서는 이유는 4장(RF Sheath와 Self-bias)에서 다뤘다. 이름과 달리 RIE에서 막을 깎는 주인공은 '반응성 이온'이 아니다. 이온 충돌이 거든 화학 반응이다.

배치에서 매엽으로, 그리고 자기장. 1980년대 식각기는 웨이퍼 여러 장을 한 번에 넣는 평행판 장비와 육각 기둥 모양 음극을 쓴 Hexode 장비가 많았다. Applied Materials가 1988년에 출원한 특허는 당시 상용 식각기를 셋으로 나눈다. 접지 양극에 웨이퍼를 두고 100 mTorr에서 수 Torr로 운전하는 다중 웨이퍼 평행판 플라즈마 식각기, RF 음극에 웨이퍼를 두고 1–100 mTorr로 운전하는 평행판 RIE, 같은 낮은 압력에서 도는 육각 음극 배치 RIE다. 같은 특허는 웨이퍼를 한 장씩 처리하는 단일 웨이퍼 RIE가 쓸 만한 식각 속도를 내려면 보통 200 mT 넘게 운전해야 했고, 그러면 방향성과 선택비가 떨어졌다고 적는다. 낮은 압력의 RIE가 대부분 배치 장비였던 이유다. 배치 RIE의 대표 조건은 50 mTorr, 5 kW/m²였다.

이 특허가 내놓은 해법이 MERIE(Magnetically Enhanced RIE, 자기장 강화 RIE)다. 음극 면을 따라 자기장을 걸면 전기장과 자기장이 교차하며 생기는 E×B 표류가 전자를 음극 근처에 가둔다. 전자가 오래 머물며 기체를 더 이온화하므로 단일 웨이퍼로도 빠르고 고르게 깎는다. 다만 자기장 자체가 불균일을 만들어서, 이 특허는 자기장을 웨이퍼 둘레로 2–5 s에 한 바퀴씩 천천히 돌렸다. Lam Research는 1989년 특허에서 MERIE에 필요한 크고 균일한 자기장은 유지하기가 매우 어렵다고 적었고, 센 자기장이 만든 불균일한 플라즈마는 얇은 게이트 산화막을 손상시키는 옆 방향 전류를 낼 수 있다.

세 세대. Lieberman은 식각 반응기를 세 세대로 정리한다. ① RF 소스 하나, 다중 웨이퍼, 낮은 밀도. ② 소스 둘, 단일 웨이퍼, 높은 밀도. ③ 절연막 식각용으로 여러 주파수를 쓰는 단일 웨이퍼, 중간 밀도. 2세대의 대표가 코일로 플라즈마를 만드는 ICP다. Lam Research의 평면 코일 특허는 1989년에 출원되었고, 회사는 첫 TCP(Transformer Coupled Plasma) 제품이 1992년 말에 나왔다고 적는다. Hitachi는 마이크로파와 자기장을 쓰는 ECR 쪽으로 갔다. Hitachi 중앙연구소의 1977년 논문은 마이크로파 방전으로 5×10⁻⁴ Torr에서 Si에 1 µm 패턴을 언더컷 없이 1 µm 깊이로 팠다. 3세대는 전극에 서로 다른 두 주파수를 거는 CCP다. Lam은 1995년에 첫 DFC(Dual Frequency Confined) 절연막 식각 제품을 냈다고 적는다.

방식마다 다루는 압력과 밀도가 다르다. 아래 표는 이 장에서 읽은 자료가 밝힌 범위를 모은 것이다. 같은 방식이라도 회사와 공정에 따라 실제 운전 조건은 다르다.

1995년 이후의 큰 사건을 연대순으로 이어 보면 다음과 같다. 장비사가 스스로 밝힌 '처음'은 회사 주장이므로 그대로 옮기고 표시했다.

이 계보를 하나로 꿰는 줄은 '이온의 양과 세기를 나누기'다. 배럴은 이온을 아예 막았고, RIE는 이온을 세게 썼지만 양과 세기를 함께 움직였으며, MERIE는 자기장으로 양을 늘렸다. ICP와 이중 주파수 CCP는 전원을 둘로 나눠 양과 세기에 각각 손잡이를 달았다. 다음 절에서는 장비 한 대를 열어 이 일을 하는 부품을 차례로 본다.

식각 장비 한 대를 흐름으로 보기

웨이퍼가 장비 안을 지나는 길은 증착 장비와 같다. FOUP에서 나온 웨이퍼는 대기 로봇, 로드락, 진공 트랜스퍼 챔버의 로봇을 거쳐 공정 챔버에 들어간다. 이 길은 CVD 책의 장비 장에서 자세히 보았다. 식각 플랫폼은 공정 챔버를 몇 개 붙이느냐로 구별된다. Applied Materials는 Centris Sym3가 식각 챔버 6개와 플라즈마 세정 챔버 2개를 붙인다고 소개했고, TEL은 Tactras에 챔버를 최대 6개, Episode UL에 마주 보는 두 줄로 4–12개를 붙인다고 소개한다. Hitachi High-Tech의 9000 Series는 300 mm 챔버를 최대 9개 붙인다.

공정 챔버 하나를 떼어 보면 기체가 지나는 흐름이 하나 보인다. 가스 박스 → MFC → 가스 분배(샤워헤드나 인젝터) → 플라즈마 소스 → Sheath와 Bias → 웨이퍼와 ESC → 배기·APC 밸브 → 진공 펌프. 기체가 들어와 플라즈마가 되고, 웨이퍼를 깎은 뒤 생성물과 함께 빠져나간다. 여기에 두 줄기가 더 붙는다. RF 전력이 발생기와 정합기를 거쳐 코일이나 전극으로 들어가는 줄기, 그리고 웨이퍼를 붙잡고 온도를 맞추는 줄기(정전척, 뒷면 He, 히터와 냉각수)다. 부품 이름을 외우기보다, 부품마다 다음 다섯 가지 가운데 무엇을 바꾸는지 물어보면 정리가 쉽다. 반응종의 양, 이온 에너지, 웨이퍼 온도, 기체가 챔버에 머무는 시간, 부산물을 내보내는 능력이다(원리에서 나온 정리).

Lam Research 엔지니어의 대학 강의 자료는 최신 식각 챔버의 손잡이를 이렇게 꼽는다. 웨이퍼와 위 전극의 온도, 압력, 약 20가지 기체 가운데 고른 조합과 그 비율·유량, 총 RF 전력, 최대 3대의 RF 발생기, RF와 기체의 펄스, 그리고 여러 균일도 손잡이다. 레시피 한 줄은 이 손잡이들의 값이다. 아래 그림에서 부품을 하나씩 눌러 보자. CCP와 ICP를 바꾸면 챔버 위쪽 구조가 달라진다.

근거: 가스 박스와 MFC, 창에 박은 다영역 가스 인젝터, 실리콘 위 전극·가둠 링·Edge ring, 코일과 창, 별도 Bias, E 모드와 창 물질의 벽 침착, 정합기, 정전척과 리프트 핀, 뒷면 He, 다영역 온도, Focus ring, 벽 코팅과 벽 상태, OES, 반송 밸브, 진자 밸브, 터보 펌프.

그림의 설명을 표 하나로 모으면 다음과 같다. 가운데 열은 그 부품이 닳거나 고장 났을 때 공정에 나타나는 일이고, 오른쪽 열은 그 변화를 가장 먼저 보여 주는 장비 데이터다. 뒤의 절에서 하나씩 깊이 들어간다.

레시피의 칸은 부품의 값이다

레시피의 칸 하나가 어느 부품의 값인지, 그리고 그 값을 바꾸면 무엇이 먼저 바뀌는지 짝지어 보자. 표의 '먼저 바뀌는 것'은 첫 번째로 떠올릴 물리이고, 실제로는 거의 모든 칸이 다른 결과도 함께 움직인다. Source는 플라즈마 밀도를, Bias는 이온 에너지를 주로 정하고, 압력은 이온이 충돌 없이 날아가는 거리를 바꾸며, 웨이퍼 온도의 작은 차이가 CD를 바꿀 수 있다.

칸끼리 서로 영향을 주기 때문에, 한 번에 손잡이 하나만 바꾸는 실험만으로는 상호작용을 놓치기 쉽다. 4장에서 본 Source와 Bias의 결합이 대표적인 예다. 여러 손잡이를 함께 바꾸며 주효과와 상호작용을 나눠 보는 실험계획법(DOE)이 쓰이는 이유다(원리에서 나온 해석).

CCP와 ICP: 플라즈마를 만드는 두 방법

1장(식각이 하는 일)에서 식각 장비가 플라즈마를 만드는 방식에 따라 CCP와 ICP로 나뉜다는 것을 보았다. 이 절은 두 방식을 하드웨어 쪽에서 더 깊이 본다.

CCP: 두 전극 사이의 전기장

CCP(Capacitively Coupled Plasma, 용량 결합 플라즈마)는 마주 보는 두 전극 사이에 RF 전압을 걸고, 그 전기장으로 전자를 데워 플라즈마를 만든다. Lieberman이 정리한 대표 값은 중성 기체 10¹⁴–10¹⁶ cm⁻³, 전극 간격 1–10 cm, 플라즈마 밀도 10⁹–10¹⁰ cm⁻³, 전자 온도 2–4 V, RF 전압 100–1000 V, 전력 50–500 W, 이온 에너지 50–500 V다. 구조가 단순한 대신 약점이 하나 있다. 같은 RF 전압이 플라즈마도 만들고 Sheath도 만들기 때문에 이온 플럭스와 이온 에너지를 따로 바꿀 수 없다. Lieberman과 Gottscho는 이것을 진공관 다이오드에서 전압과 전류를 따로 정할 수 없는 것에 비유했다. Oxford Instruments도 RIE를 RF 소스 하나가 이온 밀도와 에너지를 함께 정하는 단순하고 경제적인 방식으로 소개한다(회사 설명).

이중 주파수 CCP. 해법은 전원을 주파수로 나누는 것이다. 이중 주파수 CCP(Dual-frequency CCP)에서 높은 주파수(HF)는 이온 플럭스, 곧 밀도를 정하고 낮은 주파수(LF)는 이온 에너지를 정한다. Lieberman이 든 절연막 식각 장비의 설계 범위는 전극 반지름 15–30 cm, 간격 1–3 cm, 압력 30–300 mTorr, C₄F₈/O₂/Ar 기체, HF 27.1–160 MHz에 50–200 V, LF 2–13.56 MHz에 500–1500 V, 흡수 전력 500–3000 W다. 두 손잡이가 갈리는 이유는 두 식에 있다.

예를 들어 HF 60 MHz에 100 V, LF 2 MHz에 1000 V를 걸면 \(\omega_h^2/\omega_l^2 = 900\), \(V_l/V_h = 10\)이라 조건을 잘 만족하고, 이온 에너지는 약 0.41 × 1100 ≈ 450 eV다(계산). 이 조건이 깨지면 두 손잡이는 다시 묶인다. PIC 계산은 이온 플럭스와 에너지를 따로 조절하려면 두 주파수의 비가 충분히 커야 하고, 압력이나 형상은 그보다 덜 중요하다는 것을 보였다. Lam의 1995년 특허도 위 전극의 고주파 전원이 Sheath 두께를 바꿔 아래 전극의 Bias에 영향을 줄 수 있다고 스스로 적는다. 그래서 「Source는 양, Bias는 세기」라는 문장은 첫 그림으로는 좋지만 완전한 분리는 아니다. 4장(Sheath와 이온 에너지)에서 이 결합을 Sheath의 물리로 보았다.

가두기. 같은 특허는 두 전극 사이 공간을 슬롯이 있는 석영 고리 묶음으로 둘러쌌다. 슬롯을 지나는 대전 입자는 벽에 부딪혀 중화되므로 플라즈마는 웨이퍼 위에 갇히고, 벽에 원치 않는 증착이 덜 생긴다. 아래 전극에는 이온 통과 주파수(약 3.5 MHz)보다 낮은 2 MHz를 걸어 이온 에너지를, 위 전극에는 흔한 13.56 MHz의 두 배인 27.12 MHz를 걸어 밀도를 정했다. 이렇게 슬롯 고리로 플라즈마를 가두는 부품을 가둠 링(Confinement ring)이라 한다. 뒤의 Lam 특허는 2, 27, 60 MHz를 함께 걸며, 2 MHz만 쓰면 이온 에너지는 높고 밀도와 분해는 낮으며 60 MHz만 쓰면 반대이고, 주파수가 높을수록 해리가 커진다고 정리했다. 오늘날 Lam은 Flex 제품군을 '다중 주파수·작은 부피·가둔 플라즈마' 설계로 소개하고(회사 설명), 계열사 Silfex는 고른 플라즈마 분포를 위한 실리콘 슬롯 링과 정밀 가스 구멍을 뚫은 실리콘 전극을 만든다. CCP가 절연막 식각에서 살아남은 이유를 Lieberman은 세 가지로 든다. 플라즈마가 닿는 면적이 작아 싸고, F/CF_x 화학을 안정하게 제어할 수 있으며, 넓은 압력 범위에서 균일도가 튼튼하다.

ICP: 코일과 유전체 창

ICP(Inductively Coupled Plasma, 유도 결합 플라즈마)는 코일에 흐르는 RF 전류로 플라즈마를 만든다. Lam Research는 이를 TCP(Transformer Coupled Plasma)라고 부른다. 1989년 Ogle 특허의 배경은 이렇다. 웨이퍼에 수직한 전기장으로 전자를 가속하는 방식은 약 0.1 Torr 아래에서 비효율적이고, 전자 에너지의 많은 부분이 벽과 웨이퍼로 빠져 웨이퍼를 데운다. 그래서 보통 석영인 유전체 창 바깥에 평면 나선 코일을 두고 정합 회로를 거친 13.56 MHz 전류를 흘린다. 코일 전류가 만든 자기장이 창 아래에 웨이퍼와 나란히 도는 전기장을 유도하고, 이 전기장이 전자를 돌리며 데운다. 특허의 코일 예는 지름 13–18 cm, 5–8회, 1.2–3.5 µH였다. 웨이퍼 받침에는 두 번째 RF 발생기(예 400 kHz)를 따로 달아, 코일 전력으로는 이온 플럭스를, 받침 전력으로는 이온이 웨이퍼로 향하는 속도를 따로 조절했다.

코일이 낸 파는 고밀도 플라즈마 속에서 약 1–2 cm의 표피 깊이(Skin depth) 안에서 줄어들고, 평면 코일의 전력은 축 위가 아닌 고리 모양 영역에 흡수된다. Hopwood의 총설은 0.5–28 MHz 유도 결합으로 1 mTorr 아래에서도 10¹² cm⁻³이 넘는 이온 밀도를 얻는다고 정리했고, 학부 강의 자료는 ICP·ECR 같은 고밀도 식각기가 1–10 mTorr에서 10¹¹–10¹² cm⁻³ 밀도로 높은 식각 속도와 방향성을 낮은 이온 에너지로 얻는다고 요약한다. Oxford Instruments는 Cobra ICP 소스가 10¹¹ cm⁻³ 넘는 이온 밀도를 내고 별도 RF 발생기가 기판 DC Bias를 독립 제어한다고 소개한다(회사 설명).

E 모드와 H 모드. 코일 전류가 어느 값보다 작으면 유도 결합이 성립하지 않고, 코일이 용량 결합으로만 약한 플라즈마를 만든다. Lieberman의 아르곤 예에서는 약 100 W 위에서 유도 방전이 되어 밀도가 흡수 전력에 비례했고, 그 아래에서는 약한 용량 결합 방전만 있었다. 미국 NIST의 GEC 기준 셀에 붙인 ICP에서는 Ar·Cl₂·N₂ 모두 어두운 모드와 밝은 모드가 이력을 그리며 나타났다. N₂ 2.67 Pa 예에서 밝은 모드는 플라즈마로 들어간 전력이 어두운 모드의 약 5배, 빛 신호는 18.6배였고, 입력 175–200 W 사이에는 안정한 운전점이 없었다. Source 전력이 낮은 단계에서 플라즈마가 갑자기 어두워지거나 밝아진다면 이 모드 전환을 먼저 의심하고, 코일 전압·전류와 OES 세기를 함께 본다(원리에서 나온 해석).

창은 소모되는 부품이다. 코일과 플라즈마 사이에는 용량 결합도 일부 남는데, Oxford는 정전 차폐가 이를 없애 소자의 전기적 손상과 챔버 파티클을 줄인다고 설명한다(회사 설명). 창은 플라즈마에 그대로 드러난다. Lieberman과 Gottscho는 고밀도 소스에서 창의 열화와 증착이 재현성을 해치고 세정 비용을 늘린다고 지적했고, GEC ICP 실험에서는 높은 전력으로 오래 돌린 Cl₂ 셀에서 RF 창에서 스퍼터된 실리카가 전극과 벽에 쌓여 플라즈마 거동이 바뀌었다. 극저온 SF₆/O₂ 식각에서는 용융 석영 돔이 부식되며 산소를 내놓을 수 있어 피하고, 알루미나 돔이 비활성이라는 지침도 있다.

ECR: 마이크로파와 자기장

Hitachi High-Tech는 ECR(Electron Cyclotron Resonance, 전자 사이클로트론 공명) 방식을 쓴다. 자기장 속 전자는 일정한 진동수로 원운동(사이클로트론 운동)을 하는데, 같은 진동수의 마이크로파를 넣으면 공명으로 에너지를 효율적으로 받는다. 회사 해설은 2.45 GHz 마이크로파에 대응하는 공명 자기장이 875 Gauss라고 적는다.

Hitachi는 ECR 챔버가 0.1 Pa 미만의 매우 낮은 압력에서 안정한 고밀도 플라즈마를 만든다고 소개하고, 300 mm 도체 식각 플랫폼 9000 Series와 비휘발성 재료용 EMCP 챔버를 함께 내놓는다. Lam의 1989년 특허는 경쟁 방식으로서 ECR이 0.0001–0.1 Torr에서 유효하지만 자기장 제어가 어렵다고 적었다.

처음 공부할 때 기억할 비교를 표로 정리한다. 마지막 줄의 주의가 이 표에서 가장 중요하다.

RF 전달: 발생기, 정합기, 반사 전력

플라즈마에 들어가는 전력은 RF 발생기에서 나온다. 식각 장비 한 대에는 Source용과 Bias용으로 두 대 이상이 붙고, 최신 챔버에는 RF 발생기가 최대 3대까지 쓰인다. 전원 회사들이 공개한 제품 사양을 보면 주파수와 전력의 범위를 가늠할 수 있다. 아래 숫자는 모두 회사가 밝힌 값이다.

정합기가 하는 일

RF 전력은 50 Ω 동축 케이블로 보내고, 발생기의 출력 임피던스도 50 Ω이다. 그런데 플라즈마의 임피던스는 압력, 전력, 기체, 챔버 상태에 따라 계속 바뀐다. 그래서 발생기와 챔버 사이에 정합기(Matching network, Match)를 두어, 발생기에서 본 부하가 리액턴스 없는 50 Ω(50 + j0 Ω)이 되도록 계속 바꿔 준다. 그래야 전력이 가장 많이 넘어간다. 임피던스가 맞지 않으면 보낸 전력의 일부가 되돌아온다. 되돌아오는 정도를 반사 계수(Reflection coefficient, Γ)로 나타내고, 현장 장비 화면에는 반사 전력이나 VSWR(Voltage Standing Wave Ratio, 정재파비)로 나온다.

계산해 보자. 50 Ω 선로 끝에 순수 저항 25 Ω이나 100 Ω을 달면 |Γ| = 1/3, 반사 전력은 11.1%, VSWR은 2다. 10 Ω이면 |Γ| = 2/3, 반사 44%, VSWR 5다(계산, 엔진의 ET.reflection). 커패시터나 인덕터처럼 리액턴스만 있는 부하는 |Γ| = 1이라 전력을 하나도 받아들이지 못한다.

정합기 속. 한 특허는 직렬 가변 커패시터, 접지로 가는 병렬(Shunt) 가변 커패시터, 직렬 인덕터로 이루어진 L형 정합기를 기술한다. 주된 튜닝 소자는 동심 금속 고리를 기계적으로 움직여 용량을 바꾸는 진공 가변 커패시터(Vacuum Variable Capacitor, VVC)다. 임피던스가 빠르고 자주 바뀌는 공정에서는 이 잦은 움직임이 부담이 되어 고장 나기 쉽고, 종래 정합기는 튜닝에 1–2초가 걸리는데 짧은 공정 단계는 5–6초밖에 안 된다. 특허는 스위치로 묶은 전자식 가변 커패시터로 이를 줄이자고 제안한다. Advanced Energy는 정합기의 핵심 부품인 진공 커패시터의 남은 수명을 예측하는 기능을 따로 판다(회사 설명). 커패시터를 움직이지 않고 발생기 주파수를 조금 바꿔 맞추는 방법도 있다. MKS는 KEINOS의 동적 주파수 튜닝이 플라즈마 안정화 시간을 줄인다고, AE는 eVerest가 모델 기반 주파수 튜닝을 한다고 소개한다.

Lieberman의 강의 자료에는 ICP 코일을 정합하는 예가 있다. 플라즈마가 켜진 코일을 변압기로 보면 코일 쪽에서 본 임피던스가 약 23.5 Ω과 2.2 µH의 직렬이고, 손실 없는 L형 회로로 50 Ω에 맞추려면 두 커패시터가 71 pF와 249 pF여야 한다. 엔진의 ET.lMatch로 같은 부하(23.5 + j187 Ω, 13.56 MHz)를 넣어 계산하면 직렬 약 72 pF, 병렬 약 249 pF가 나온다(계산). 아래 시뮬레이터는 같은 꼴의 L형 정합기로, 플라즈마 임피던스가 바뀔 때 자동 정합이 두 커패시터를 어떻게 따라 움직이는지 보여 준다.

근거: L형 구성과 1–2초 튜닝 시간, Γ와 전력 관계.

반사 전력을 읽는 법

장비 화면의 정방향 전력과 반사 전력은 방향성 결합기가 잰 값이다. 결합기는 정방향파와 반사파가 각각 50 Ω에서 끝난다고 보고 두 파의 전력을 따로 보고한다. Advanced Energy의 기술 백서는 여기서 두 가지 오해를 짚는다. 발생기가 정방향 전력을 실제로 '만드는' 것도, 반사 전력을 '흡수'하는 것도 아니며, 부하에 실제로 들어간 전력은 둘의 차라는 것이다. 그래도 발생기에는 최대 반사 전력 정격이 있다. 어긋난 부하는 발생기가 낼 수 있는 것보다 큰 전압이나 전류를 요구할 수 있기 때문이다. 정합이 어긋난 선로에는 정재파가 서고, 그 전압 봉우리에서는 아크가 날 수 있다.

정합기는 센서이기도 하다. AE는 Navigator II 정합기의 입력 VI 센서와 출력 Z'Scan II 센서가 RF 데이터를 모아 플라즈마 점화나 잘못 맞춘 정합 같은 장비 문제의 다변량 지표로 쓴다고 소개한다(회사 설명). Applied의 특허는 정합기를 통해 RF 주파수, V_DC, V_pp, 정방향·반사 전력을 감시하다가, 레시피 단계별 과거 추세에서 V_DC가 벗어나면 아킹을, RF 주파수가 벗어나면 기판 깨짐을 의심한다. 그래서 같은 레시피의 Match 위치는 챔버 상태의 지문처럼 쓰인다.

펄스를 위한 하드웨어

RF를 켰다 껐다 하는 펄스 플라즈마는 Source 펄스, Bias 펄스, 둘을 맞춘 동기 펄스로 나뉘며, 이온 플럭스와 라디칼 플럭스를 따로 조절할 수 있게 해 준다. 보고된 이점은 식각 속도와 균일도 향상, 손상 감소, Notching·Bowing·Microtrenching·ARDE 감소다. 펄스는 하드웨어에 새 짐을 지운다. 플라즈마 임피던스가 펄스마다 뛰므로 정합이 따라가야 한다. MKS는 낮은 상태를 0이 아닌 값으로 두는 다단 펄스가 플라즈마 임피던스 변화를 줄인다고 설명하고, AE는 고른 수의 펄스 상태만 맞추는 튜닝이 RF 켜짐 시간이 짧은 공정의 반사 전력을 줄인다고 주장한다. 장비사들도 펄스를 앞세운다. Lam은 Akara의 고체 상태(solid-state) 플라즈마 소스 DirectDrive®가 이전 소스보다 100배 넘게 빨리 반응한다고 하고, Applied는 Sym3 Z의 펄스 전압 기술(PVT)이 RF의 밀리초 펄스와 달리 마이크로초 단위로 이온을 다룬다고 한다. Hitachi는 TM(Time Modulation) Bias를 쓴다. 모두 회사 주장이다. 펄스가 고종횡비 식각에서 어떻게 쓰이는지는 10장(고종횡비 식각과 원자층 식각)에서 다룬다.

웨이퍼를 잡고 식히기: ESC, 뒷면 He, 온도 영역, 리프트 핀

플라즈마는 이온 충돌과 표면 반응으로 웨이퍼에 열을 쏟는다. 그런데 웨이퍼는 진공 속에 있다. 진공에는 열을 실어 나를 공기가 없다. 웨이퍼를 붙잡는 일과 식히는 일이 한 부품에 몰려 있는 이유다.

클램프 링에서 정전척으로

1981년 Fujitsu의 특허는 식각에서 웨이퍼를 잡는 방법으로 기계식 척, 진공 척, 정전 척을 들고, 진공에서 처리하는 시료에는 정전 척이 낫다고 적었다. 이 특허의 척은 한 쌍의 평면 전극 사이에 1000–5000 V를 거는 쌍극형이었다. 1988년 Applied의 MERIE는 아직 기계식이었다. 리프트 핀과 함께 움직이는 클램프 링(Clamp ring)이 웨이퍼 가장자리를 눌러 돔 모양 음극에 휘어 붙이고, 그 뒤에 약 4 torr의 He를 넣어 20–30 °C의 수냉 음극으로 열을 빼 웨이퍼를 약 60 °C 이하로 두었다(특허 예). 클램프 링은 웨이퍼 가장자리를 가리고 그 자체가 플라즈마에 닿는다. 정전기로 웨이퍼 전체를 잡는 정전척(Electrostatic Chuck, ESC)이 자리를 잡은 이유다(원리에서 나온 해석).

Coulomb형과 J-R형

ESC는 금속 전극을 얇은 유전층 아래에 묻은 판이다. 전극에 고전압을 걸면 유전층 위 웨이퍼에 반대 전하가 유도되어 둘이 끌어당긴다. 유전층의 전기 저항에 따라 두 종류로 나뉜다. Coulomb형(Coulomb-type ESC)은 체적 저항률이 10¹⁴ Ω·cm보다 큰 절연층을 써서 두 판 커패시터처럼 표면 전하가 힘을 낸다. J-R형(Johnsen–Rahbek-type ESC)은 10¹⁰–10¹² Ω·cm의 반도체성 층을 쓴다. 전하가 층을 지나 거친 접촉면까지 와서 아주 강한 전기장을 만들므로 더 낮은 전압에서도 세게 잡고 아크도 덜 나지만, 누설 전류가 웨이퍼 위 막을 손상시킬 수 있고 전하가 오래 남는다. Toto의 특허는 세라믹 저항률이 온도가 오르면 떨어지므로, 그렇게 설계하지 않은 J-R 척은 누설 전류가 전원 용량을 넘어 좁은 온도 범위에서만 동작한다고 적는다.

전극 배치로도 나뉜다. 쌍극형은 묻은 두 전극에 고전압을 반씩 나눠 걸고, 더 흔히 쓰는 단극형은 전극 하나와 접지된 챔버 사이에 건다. 단극형은 충전·방전 전류가 플라즈마를 지나므로 리프트 핀을 들기 전 플라즈마를 켠 채 디척한다. AE의 Trek 645 구동기는 크기가 같고 극성이 반대인 두 출력을 0~±2 kV로 낸다. 유전층 재료로는 알루미나와 AlN 세라믹이 쓰이고, 1990년대 Applied 특허에는 알루미늄 받침 위에 플라즈마 용사한 알루미나(또는 알루미나/티타니아)와 75 µm 폴리이미드 두 층으로 전극을 감싼 구조가 나온다.

Coulomb형의 흡착력은 커패시터 식으로 어림할 수 있다. Shim과 Sugai는 이 식으로 200 mm 알루미나 척을 계산해 36.9 N을 얻었고, He 압력을 올려 웨이퍼가 떨어지는 순간으로 잰 힘은 약 40 N이었다.

같은 실험 척의 윗면에는 높이 50 µm, 2×2 mm²의 돌기(엠보스(Emboss))가 있어 웨이퍼는 그 위에만 닿고, 돌기 사이 틈을 He가 채운다. 접촉 면적은 60%였다. 실제 척은 이런 틈과 돌기 때문에 이상적인 식이 힘을 과대평가할 수 있다(원리에서 나온 해석).

뒷면 He: 진공 속 열의 다리

웨이퍼와 척 사이 틈에 기체를 넣으면 기체 분자가 둘 사이를 오가며 열을 나른다. 이것이 뒷면 He 냉각(Backside helium cooling)이다. Varian의 1982년 특허는 그 물리를 이렇게 적는다. 낮은 압력에서는 분자의 평균 자유 행로가 틈보다 길어 분자가 웨이퍼와 받침 사이를 곧장 오가므로 열전달이 압력에 비례해 오른다. 더 높은 압력에서는 기체가 열전도율이 압력과 무관한 유체처럼 굴어, 그때부터는 틈을 줄여야만 나아진다. 또 고정하지 않은 100 mm 웨이퍼는 약 1 Torr에서 크게 휘므로, 웨이퍼를 붙잡지 않으면 기체 압력을 약 2 Torr 위로 올릴 수 없다. 정전척이 He 냉각의 짝인 이유가 여기에 있다.

Applied의 1992년 특허는 Bias를 건 고밀도 플라즈마 응용에서 냉각 기체로 He를 쓰며 필요한 압력이 보통 5–30 torr라고 적는다. 챔버는 mTorr인데 척은 그보다 수천 배 높은 압력을 웨이퍼 뒤에 붙잡아 두어야 하고, 챔버로 새는 기체도 줄여야 한다. 앞의 흡착 압력과 비교하면 긴장이 보인다. 이상적인 Coulomb 척이 1 kV에서 내는 흡착 압력이 약 8.8 Torr였다(계산). He 압력이 흡착 압력에 다가가면 웨이퍼는 뜨고, He는 새고, 열은 빠지지 않는다. He 압력을 올리려면 척 전압을 올리거나 더 세게 잡는 척이 필요하다(원리에서 나온 해석). He가 지나는 구멍과 홈은 그 자체가 위험한 자리이기도 하다. 같은 특허는 척 표면의 구멍과 홈이 전기장을 왜곡해 냉각 기체의 아크·글로 방전을 일으키기 쉽게 만든다고 적고, He 홈을 유전층 안에 두며 리프트 핀 구멍은 터보 펌프에 이어 압력을 낮게 두는 설계를 제시한다.

척 설정 온도는 웨이퍼 온도가 아니다

레시피의 척 온도는 척(정확히는 척 받침이나 그 속 센서)의 온도다. 웨이퍼는 플라즈마에서 열을 받고, 그 열은 엠보스 접촉과 He를 거쳐서만 척으로 간다. 그래서 웨이퍼는 척보다 뜨겁고, 얼마나 뜨거운지는 He 압력, 접촉 상태, 웨이퍼 휨, 플라즈마가 쏟는 열에 따라 달라진다(원리에서 나온 해석, 물리는 앞의 두 특허). 웨이퍼 온도는 중요하다. Lam의 다영역 히터 특허는 CD 균일도를 위해 웨이퍼 온도를 반지름과 둘레 방향으로 제어해야 하며, 작은 온도 차도 CD를 받아들일 수 없을 만큼 바꿀 수 있다고 적는다. 그 특허의 예는 정전척 전극, 가열판, 온도를 조절하는 받침판을 쌓고, 가열판에 다이 크기 정도의 독립 히터 영역을 100–400개 두는 구조다(특허 예). Lam 엔지니어의 강의 자료도 다영역 ESC 온도 제어로 식각 속도 분포를 맞춘다고 소개한다.

장비사들은 이 영역 제어를 제품 이름으로 내세운다. Lam은 Kiyo 제품군에 업계를 이끄는 정전척 기술과, 들어오는 패턴의 CD 변동에 맞춰 보정하는 Hydra®가 있다고 소개하고, Applied는 Sym3 Y의 새 정전척이 다이 사이 변동을 줄인다고 소개한다. 모두 회사 설명이다. 웨이퍼 온도 자체를 재는 수단으로 AE는 식각·증착용 광섬유 온도 측정(−200~450 °C)을 내놓는다. 아래 시뮬레이터로 척 전압, He 압력, 열 부하가 웨이퍼 온도를 어떻게 정하는지 보자.

근거: 흡착력 식과 실험 척 상수, 기체 전도 열전달의 두 영역, He 5–30 torr.

디척과 리프트 핀

공정이 끝나면 웨이퍼를 척에서 떼어 리프트 핀(Lift pin)으로 들어 올려 로봇에 넘긴다. Applied의 1994년 특허에서 리프트 핀은 바람직하게 4개(적어도 3개)이고, 웨이퍼를 척 위 2–5 cm까지 들어 로봇 블레이드에 넘기며, 척킹 전압은 약 +2000 V였다(특허 예). 문제는 전압을 끈 뒤에도 전하가 남는다는 것이다. 종래 방법으로는 전하가 다 빠지지 않아 남은 힘을 이기려면 큰 기계적 힘이 필요했고, 그때 웨이퍼가 깨지거나 손상되거나 예측 없이 튀어 올랐다. 특허는 같은 극성이면서 크기를 맞춘 디척(Dechuck) 전압으로 남은 힘을 없애자고 제안한다.

잔류 전하는 척의 종류에 따라 다르게 남는다. Shim과 Sugai의 실험에서 알루미나 Coulomb 척은 전압을 끄자 시상수 0.14 ms로 지수적으로 방전했지만, AlN J-R 척은 약 1000 ms에 걸쳐 비지수적으로 방전했다(39, 260, 580 ms 세 시상수로 맞춤). 저자들은 J-R 척의 느린 디척을 고치려면 틈(표면 거칠기)을 키우거나 층의 저항률을 낮추되 누설 손상과 전원 용량과의 절충을 따져야 한다고 적는다. 척 표면에 쌓인 막도 전하를 붙잡는다. TEL의 특허는 척 표면에 생긴 AlF_xO_y 층과 웨이퍼 뒷면의 SiO₂가 잔류 전하를 붙잡아, 척 전압 500 V 이상에서는 전하가 다 빠지지 않아 웨이퍼가 튀고 깨지는 일이 생긴다고 적는다(특허 예). AE의 응용 노트는 잔류 전하가 해제 시간 증가, 정전기 방전(ESD) 손상, 정전기 인력에 따른 미세 오염 증가를 부른다고 정리하고, 진동하는 꼬리를 단 구동 파형으로 전하를 중화하거나 약 10 V 교류를 겹쳐 '웨이퍼 없음·있지만 안 붙음·붙음'을 정전 용량으로 판정하는 방법을 소개한다.

근거: 두 척의 방전 시상수, 잔류 전하가 부르는 깨짐과 튐, 같은 극성 디척 전압.

이제 He 누설을 생각해 보자. 실제 장비는 보통 He 압력을 설정값으로 지키고, 그 압력을 지키는 데 든 유량을 기록한다(원리에서 나온 설명). 그러면 웨이퍼 밑에서 He가 새는 일이 생기면 무엇이 먼저 보일까?

가장자리: Focus ring과 소모품

웨이퍼 가운데에서는 아래로 웨이퍼가, 위로 플라즈마가 끝없이 이어지는 것처럼 보인다. 가장자리에서는 다르다. 웨이퍼가 끝나는 곳에서 재질, 높이, 전기적 성질이 한꺼번에 바뀐다. 유한한 웨이퍼 크기가 가장자리에 전기적·화학적 불연속을 만든다는 것이다. 그런데 웨이퍼 가장자리에도 칩이 있다. 앞선 공정은 웨이퍼 가장자리 3 mm 안까지 깊이와 CD를 3σ 1 nm 아래 수준으로 요구하고, 고종횡비 식각의 목표로는 웨이퍼 전체 플럭스 균일도 1% 이내와 수 keV 이온의 각도를 수직에서 1° 이내로 맞추는 것이 거론된다.

그래서 웨이퍼 둘레에 고리 모양 부품을 둔다. Focus ring(Edge ring, 포커스 링)은 웨이퍼를 둘러싸 반응종 플럭스와 이온의 에너지·각도 분포를 웨이퍼 가장자리까지 매끄럽게 이어 주어, 쓰지 못하는 가장자리 띠(Edge exclusion(가장자리 제외 영역))를 줄인다. 2 mm Edge exclusion을 지키려 Edge ring을 자주 바꾸며, 전력·온도를 조절하는 Edge ring과 진공 속 로봇 교체가 대응책으로 나왔다.

왜 가장자리 이온이 기우나. 미시간 대학 Kushner 그룹의 모의 계산은 이렇게 설명한다. 링과 그 아래 구조의 직렬 정전 용량은 웨이퍼 쪽보다 작아서 링이 빨리 대전된다. 그러면 링 위의 Sheath 전압이 낮아지고 Sheath가 얇아진다. 웨이퍼 위와 링 위의 Sheath 두께가 다르니 그 경계에서 Sheath가 휘고, 이온은 휜 Sheath 경계에 수직으로 가속되므로 가장자리에서 기울어 들어온다. CCP 계산에서 웨이퍼–링 경계의 이온 각도 분포는 최대 15°까지 기울었다. 링의 유전율이 클수록 가장자리 기울어짐은 줄었지만 링에 닿는 이온의 에너지가 커져(유전율 2에서 30–180 eV, 100에서 120–380 eV) 링 침식은 늘었다. ICP에서 Bias 주파수를 250 kHz–5 MHz로 바꾼 계산은 가장자리 기울어짐이 일차적으로 링 대전에서 오며, Bias 주파수가 낮을수록 심하다는 것을 보였다. 고종횡비 식각에 낮은 주파수 Bias를 쓰는 흐름과 정면으로 부딪히는 결과다.

링이 닳으면. 링도 플라즈마에 깎이는 소모품(Consumable part)이다. 링 윗면이 깎여 낮아지면 가장자리 Sheath 모양이 바뀐다. 한 실험은 300 mm CCP(13.56 MHz, Ar 65 / C₄F₈ 5 sccm, 30 mTorr, 300 W)에서 웨이퍼와 전극 사이에 단차를 두어 링 침식을 흉내 냈다. 단차가 0.6 mm 이하일 때 가장자리 식각 기울기는 2.5° 이하였고, 단차가 클수록 커졌다. 저자들은 고종횡비 식각에서 2° 기울기가 불량이 될 수 있으므로 단차가 0.6 mm가 되기 전에 링을 바꿔야 한다고 결론지었다. 이것은 이 실험의 결론이지 업계의 공통 기준이 아니다. TEL의 특허는 닳지 않은 링에서는 Sheath가 웨이퍼와 링 위에서 나란하지만 링이 닳으면 이온이 기울어 들어와 가장자리 구멍이 기운다고 설명하고, 미래 전망 논문은 링 높이가 소모로 낮아져 가장자리 Sheath가 변형되면 메모리 홀이 어긋난다고 적는다. Lam의 특허는 링 안쪽 윗면이 닳으면 플라즈마가 웨이퍼 바깥 가장자리를 더 빨리 깎는 경향이 생긴다고 적는다.

대책. 가장 단순한 것은 링을 바꾸는 것이다. 그러나 링을 바꾸려면 보통 챔버를 열어야 하고, 링은 비싼 소모품이라 교체 주기가 짧으면 소모품 비용(COC)이 오른다. 그래서 여러 방법이 나왔다. Lam의 특허는 구동기로 링을 올려 침식을 보정하고, 기울여 좌우 비대칭을 고치며, 들어 올려 챔버를 열지 않고 로봇이 바꾸게 한다. TEL의 특허는 링 소모량과 Self-bias로 정한 오프셋을 더한 DC 전압을 링에 걸어 Sheath를 다시 편다. 다른 TEL 특허는 링을 올리는 대신 웨이퍼 가장자리를 휘게 해 기울기를 허용 범위 안에 둔다. 링 속에 보조 전극을 넣어 따로 RF를 거는 동적 대책은 가장자리까지 이온 분포를 고르게 했지만 비용과 복잡성, 링 침식 증가가 따른다. 장비사는 이를 제품 기능으로 판다. Lam은 Kiyo의 Corvus®를 가장자리 다이 수율을 위한 플라즈마 Sheath 조정으로, Applied는 Sym3 Y의 능동 가장자리 제어로 소개한다(회사 설명). 링 재료로는 Silfex의 실리콘 Edge ring과 국내 티씨케이의 SiC 코팅·CVD SiC 부품이 있다.

근거: 단차와 기울기 실험, 링 대전과 최대 15° 기울어짐, 낮은 Bias 주파수에서 심해짐, 링 올리기, 2 mm Edge exclusion.

베벨도 장비가 다룬다. 웨이퍼 가장자리의 비스듬한 면(베벨)에 남은 마스크, 잔여물, 막은 벗겨져 소자로 떨어질 수 있다. Lam은 Coronus® 제품군이 이를 지우고, 플라즈마 식각·증착 중 아킹을 막으려 금속막을 없애며, 아주 긴 3D NAND 식각 동안 베벨을 보호한다고 소개한다(회사 설명). 국내 PSK도 가장자리 수율을 위한 웨이퍼 가장자리 세정 장비 PRECIA를 낸다.

가스와 압력: 샤워헤드, 다영역 가스, APC 밸브, 터보 펌프

기체를 보내고 나누기

기체는 가스 박스에서 고르고 차단한 뒤 MFC(Mass Flow Controller, 질량 유량 제어기)로 양을 맞춰 챔버로 보낸다. 열식 MFC는 흐름의 일부를 옆길로 흘려 그 기체가 실어 가는 열로 질량 유량을 재고, 되먹임 제어 밸브로 설정값을 맞춘다. 보통 질소로 교정하고 다른 기체에는 기체 보정 계수를 곱한다. 원리는 CVD 책(원료를 보내는 길)에서 자세히 보았다. 식각 기체에는 위험한 것이 많다. 예를 들어 염소(Cl₂)는 물질안전보건자료에서 흡입하면 치명적(H330)으로 분류되고, 캘리포니아의 8시간 노출 한계는 0.5 ppm이다. 식각 기체의 안전 분류는 6장(막질별 식각 화학)에서 다룬다.

챔버에 들어온 기체는 웨이퍼 위에 고르게 나눠야 한다. Oxford의 RIE 장비는 웨이퍼 전체를 덮는 샤워헤드(Showerhead)로 기체를 고르게 뿌린다고 소개하고, 이중 주파수 CCP에서는 정밀하게 가스 구멍을 뚫은 실리콘 위 전극이 샤워헤드를 겸한다. 고밀도 소스는 사정이 다르다. 샤워헤드 구멍을 웨이퍼 가까이 두려면 챔버 높이를 낮춰야 하는데, 그러면 이온 균일도를 잃을 수 있다. 그래서 인젝터나 가스 링을 쓴다. Lam 연구진의 공개 특허는 ICP 창 가운데에 박은 인젝터에 축 방향 출구와 비스듬한 바깥 출구를 두고 유량을 따로 나눠, 그 비로 게이트·STI 식각의 가운데–가장자리 식각 속도, CD, CD bias, 프로파일을 맞춘다. 이런 손잡이를 다영역 가스 주입(Multi-zone gas injection)이라 한다. CCP에서는 전극 간격도 손잡이다. 이온 제한 영역의 CF₄/Ar 산화막 식각에서 간격을 바꾸자 가운데 빠름과 가장자리 빠름이 뒤바뀐 예가 있다.

압력은 들어오는 양과 나가는 능력의 균형이다

챔버로 들어오는 기체의 양은 MFC가 정하고, 나가는 양은 펌프와 그 앞의 밸브가 정한다. 압력은 두 흐름이 맞아떨어지는 곳에 자리 잡는다. 식각 챔버에서는 배기구에 APC 밸브(Automatic Pressure Control valve)를 두고, 압력계를 보며 밸브를 움직여 압력을 지킨다. 대표적인 것이 진자 밸브(Pendulum valve)다. 원판이 기체 흐름 밖의 축을 중심으로 돌아 챔버와 펌프 사이 흐름 길을 열고 닫는다. VAT는 제어기가 압력계를 읽고 원판 위치로 컨덕턴스를 맞추는 이 방식을 공정 챔버 하류 압력 제어의 표준 해법이라 부르고, 진동과 파티클이 매우 적다고 소개한다(회사 설명). 나비 모양 스로틀 밸브와 정전 용량 압력계를 묶은 하류 압력 제어도 같은 원리다. VAT는 높은 공정 압력·낮은 유량의 부식성 식각 응용에 맞춘 제어 밸브도 따로 내놓는다.

마지막 식이 중요하다. 같은 압력에서도 유량을 늘리고 밸브를 더 열면 체류 시간이 짧아진다. 압력이 같아도 반응종과 부산물이 챔버에 머무는 시간은 다를 수 있다는 뜻이다. Lieberman의 모형 반응기에서 웨이퍼로 오는 중성종과 이온 플럭스의 비는 기체 밀도를 배기 속도로 나눈 값에 비례하고 전력과는 무관하다. 압력과 배기 속도가 화학의 손잡이라는 것이다.

압력을 '높다·낮다'로만 외우지 않는다. 압력을 올리면 기체 밀도가 늘어 이온이 충돌 없이 날아가는 거리가 짧아진다. Ar⁺ 이온의 평균 자유 행로는 약 1/(330 p) cm(p는 Torr)라서, 10 mTorr에서 약 3 mm, 100 mTorr에서 약 0.3 mm다(계산). Sheath 안에서 충돌이 늘면 이온 방향성이 약해질 수 있다. 그러나 같은 변화가 반응종의 농도와 체류 시간, 표면 공급도 함께 바꾼다. 그래서 압력을 올렸을 때 식각 속도가 오를지 내릴지는 막질, 기체, 그 공정이 라디칼에 제한되는지 이온에 제한되는지에 따라 다르다(원리에서 나온 해석, 5장 표면 반응). Lam의 강의 자료는 낮은 압력이 확산을 빠르게 해 마이크로 로딩을 줄이고, Bowing에도 도움이 될 수 있다고 소개한다.

터보 분자 펌프. mTorr 영역의 큰 배기 속도는 터보 분자 펌프(Turbomolecular pump)가 맡는다. 1958년 Pfeiffer의 W. Becker가 발명한 이 펌프는 빠르게 도는 날개가 기체 분자에 운동량을 주어 한쪽으로 밀어낸다. 그래서 분자의 평균 자유 행로가 날개 간격보다 긴 분자 흐름 영역에서만 일하고, 출구 쪽에는 약 10⁻² mbar의 배압을 만들어 줄 다른 펌프가 필요하다. 회전 속도는 최대 1,500 Hz(90,000 rpm)에 이른다. 큰 펌프는 5축 자기 베어링을 쓰는데, 플라즈마 식각처럼 날개 한쪽에 코팅이 생기거나 침식이 일어나 회전체 균형이 깨지는 것에 대응하기 위해서다. 펌프마다 H₂, He, N₂, Ar, CF₄의 최대 기체 부하가 정해져 있고, 무거운 기체는 회전체를 데워 1,000 L/s 넘는 펌프는 회전체 온도를 감시한다.

아래 도전 과제에서 유량과 밸브로 압력과 체류 시간을 함께 맞춰 보자. 마지막 단계에서는 펌프 쪽이 약해진다.

챔버 벽과 코팅, 그리고 장비사

벽은 공정의 일부다

챔버 벽은 반응종을 잃는 곳이기도 하다. 라디칼은 벽에 부딪혀 다시 분자로 합쳐지는데, 그 정도는 벽 표면에 따라 다르다. Cl₂ ICP에서 벽이 시간이 지나며 실리콘 산염화물 막으로 덮이면, 깨끗한 양극산화 알루미늄 벽보다 Cl 재결합이 줄어 Cl 밀도와 Si 식각 속도가 오르고, 식각 속도 분포가 가운데 빠름에서 가장자리 빠름으로 바뀌었다. 모의 계산은 이런 시즈닝(Seasoning, 3장 플라즈마의 기초)이 벽에서 라디칼의 반응성 부착 계수를 바꿔 웨이퍼로 오는 플럭스 조성을 바꾸며, 식각 속도를 센서로 Bias 전압을 조작량으로 쓰면 이 드리프트를 실시간으로 보정할 수 있음을 보였다. Lam의 특허는 깨끗한 챔버의 초기 식각 속도가 컨디셔닝 웨이퍼로 안정될 때까지 낮다고 적고, 웨이퍼 없는 자동 세정 없이 bare Si 5장을 돌린 뒤에는 산화막 식각 속도가 약 27% 올랐다는 예를 든다(특허 예). 시즈닝, First wafer effect, PM 뒤 관리는 11장(종말점·계측·챔버 관리)과 12장(현업 이상 분석)에서 다룬다.

플라즈마를 견디는 코팅

식각 챔버의 벽과 부품은 주로 양극산화한 알루미늄 위에 코팅을 입힌다. 2002년에 출원된 한 미국 특허는 양극산화 Al 부품 위 고순도 Y₂O₃ 코팅이 불소·산소 플라즈마에서 내식·내침식성을 양극산화 표면만 있을 때보다 5배 높인다고 적는다. 99.95% 이트리아를 플라즈마 용사로 입혔고, 흔한 6061 합금의 Mg·Si·Fe 불순물이 석출물을 만들어 양극산화층 안에 균열을 낸다는 점도 지적한다. 그런데 Y₂O₃도 영원하지 않다. Lin 등은 양산 팹에서 Y₂O₃ 내벽의 심한 침식과 파티클 문제가 보고되었다고 적고, Lam 2300 Metal ICP 식각기의 CF₄/O₂ 플라즈마에 Y₂O₃와 YF₃ 코팅을 노출했다. 두 코팅 모두 표면에 옥시플루오라이드 층(Y₂O₃ 5.2 nm, YF₃ 6.8 nm)이 생겼고, Y₂O₃에는 균열이 났다. 웨이퍼에서 잡힌 파티클에 Y·O·F가 들어 있어 Y₂O₃ 코팅이 원천으로 지목되었고, YF₃가 더 견고했다. NF₃ 플라즈마 실험에서는 이트륨 옥시플루오라이드 코팅이 Y₂O₃보다 빨리 깎이면서도 오염 파티클은 65% 적었다. 장비사도 코팅을 내세운다. Applied는 Sym3 Y가 중요한 챔버 부품을 보호하는 새 고유 코팅으로 결함을 줄인다고 소개하고, Kyocera는 300 mm용 플라즈마 저항 세라믹 돔·챔버를 플라즈마 부식, 파티클, 금속 오염 문제와 함께 소개한다.

극저온 식각과 배기 처리

3D NAND의 깊은 채널 홀을 위해 웨이퍼를 아주 차갑게 두고 식각하는 극저온 식각이 양산에 들어왔다. Lam은 2019년에 극저온 식각을 처음 양산에 넣었고, 2024년의 Cryo 3.0이 고전력 가둔 플라즈마 반응기와 0 °C보다 훨씬 낮은 온도로 깊이 10 µm 채널을 위아래 CD 차 0.1% 미만으로 판다고 발표했다. NAND 양산 중인 자사 고종횡비 절연막 챔버 7,500개 이상 가운데 약 1,000개가 극저온 식각을 쓴다고도 밝혔다. TEL은 2023년에 400층 넘는 3D NAND용 극저온 채널 홀 식각으로 10 µm를 33분에 판다고 발표했다. 모두 회사 주장이고, 두 회사 모두 척 온도의 숫자는 밝히지 않았다. 장비 쪽에서 보면 극저온 척은 높은 Bias 전력 아래에서도 설정 온도를 지켜야 하고, 그 온도에서 정전 흡착과 He 전도가 안정해야 한다(원리에서 나온 해석). 극저온 식각의 화학과 펄스는 10장(고종횡비 식각과 원자층 식각)에서 다룬다.

챔버를 떠난 기체도 관리 대상이다. 불화탄소, NF₃, SF₆ 같은 기체는 지구 온난화 기체라 배기에서 분해한다. Applied는 펌프 앞에 두는 플라즈마 배기 처리 장치 Aeris®-G가 CF₄에서 대표적으로 95% 넘게, SF₆·CHF₃·C₃F₈·NF₃·C₄F₈에서 99% 넘게 분해하며 4,000대 넘게 팔렸다고 소개한다(회사 주장).

장비사와 제품

이 절은 세 원칙으로 쓴다. 제품 이름은 회사 공식 페이지에 적힌 그대로 옮긴다. 회사가 스스로 내세우는 말은 '회사 설명'으로 읽는다. 시장 지위는 회사가 미국 증권거래위원회에 낸 연차 보고서(10-K)의 문장만 옮기고, 출처가 확인되지 않은 점유율 숫자는 쓰지 않는다. 국내 장비사 SEMES는 공정 분류에 식각(Oxide, Poly)을 올려 두었지만 이 장에서 읽은 페이지에 식각 제품 이름과 사양은 없었다.

시장 지위를 적은 1차 문서는 이렇다. Lam Research는 2026년 연차 보고서에 식각 시장의 주 경쟁사로 Applied Materials, Hitachi, Tokyo Electron을 적고, 제품표의 식각 항목을 도체 식각(Kiyo, Versys Metal, Akara), 절연막 식각(Flex, Vantex), TSV 식각(Syndion), 선택 식각(Argos, Prevos, Selis)으로 나눈다. 2005년 보고서의 주 경쟁사는 Tokyo Electron과 Applied Materials였다. Tokyo Electron은 제품 목록에서 자사가 건식 식각 장비에서 두 번째로 큰 시장 점유율을 가진다고 적지만 숫자는 밝히지 않는다. Applied Materials의 2025년 보고서는 읽은 범위에서 식각만의 경쟁사나 점유율을 밝히지 않는다. 설치 대수도 회사 주장으로 읽는다. 생산 중인 Kiyo 챔버 30,000개 이상, Sym3 Z 챔버 250개 이상, 고종횡비 절연막 챔버 7,500개 이상이 그 예다.