반도체 수율 핵심 '플라즈마' 실시간 측정...표준연, 세계 최초 기술 개발

글자 작게 글자 크게 인쇄하기

가동장비 멈추지 않고 사용
성능평가-제품 수율 향상 기대

한국표준과학연구원(원장 박현민)은 반도체·디스플레이 공정에 사용되는 플라즈마 양을 실시간 측정하는 센서를 세계 최초로 개발했다고 31일 밝혔다. 가동 장비를 멈추지 않고도 사용할 수 있어 장비 성능평가 및 제품 수율 향상에 도움이 될 전망이다.

반도체 플라즈마 공정은 반도체 회로 패턴에서 불필요한 부분을 깎아내는 식각공정에 쓰인다. 반도체 소자 저전력화, 선폭 초미세화, 3차원 구조화로 난도가 높아지고 있다.

이는 수율과 직결된다. 잘못된 공정으로 회로가 끊기거나 균일하지 않으면 생산 반도체 칩에 오류가 생긴다.

실시간 플라즈마 밀도 측정기술의 원리
<실시간 플라즈마 밀도 측정기술의 원리>

지금까지는 공정 중 웨이퍼의 플라즈마 변수를 직접 측정할 수 있는 센서가 없었다. 외산 센서도 웨이퍼 온도, 전압 균일도를 측정하는 간접 측정 센서다. 이는 공정을 멈추고 센서를 삽입·측정하는 비실시간 방식으로 실시간 감지가 어렵다. 투입 후 공정 정상화에 시간이 걸려 수율을 떨어뜨린다.

표준연 첨단측정장비연구소 반도체측정장비팀 소속 이효창 선임연구원, 김정형 책임연구원이 플라즈마 변수를 직접 측정하는 밀도측정 기술을 처음으로 개발했다. 웨이퍼 공정결과에 직접 영향을 주는 플라즈마 밀도값과 균일도를 실시간으로 측정할 수 있다. 측정 불확도는 2% 이내, 세계 최고 수준이다.

연구팀은 바(Bar)타입 평판형 센서를 최적 구조로 도출했다. 평면형 프로브 실험, 전자기장 시뮬레이션, 회로 모델 개발을 거쳐 센서 측정 신뢰성을 종합 평가했다.

이번 기술은 우리나라 원천 특허 등록에 이어 미국·유럽·중국·일본 특허 출원도 완료됐다. 개발 센서를 내장한 '지능형 식각공정 장비' 개발도 추진할 예정이다. 외산에 독점화된 반도체 장비 시장에서 기술혁신을 이룰 것으로 전망된다.

표준연의 이효창 선임연구원(사진 왼쪽)이 플라즈마 실험을 진행하고 있다.
<표준연의 이효창 선임연구원(사진 왼쪽)이 플라즈마 실험을 진행하고 있다.>

이효창 선임연구원은 “개발 센서는 웨이퍼 바닥 부분을 비롯해 원하는 모든 부분에 설치할 수 있어 실용적”이라며 “향후 관련 기술 표준 시험 절차 확립을 통해 반도체·디스플레이 소재 부품 장비 성능을 검증할 수 있는 플라즈마 측정 기준 장비로 활용할 전망”이라고 말했다.

한편 이번 연구결과는 플라즈마 과학 분야 세계적 학술지인 플라즈마 소스 사이언스 테크놀로지에 게재됐다. 이효창 선임연구원은 최근 플라즈마 측정과학 연구 공로를 인정받아 1년에 1명에만 수여하는 유럽물리학회 플라즈마 신진과학자상을 수상했으며, 플라즈마 소스 사이언스 테크놀로지 저널의 '에디셔널 보드(Editorial Board)'에 선임됐다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com