반도체 산업에서 사용되는 전기 기계 장치 및 진공의 중요성

서론

반도체 산업은 마이크로칩, 집적 회로, 트랜지스터 및 기타 전자 부품과 같은 전자 장치 제조에 중요한 역할을 합니다. 반도체 장비는 이 산업 내 연구, 개발 및 생산 공정에 필수적입니다. 반도체 제조 도구에 사용되는 전기 기계 장치는 반도체 제조 공정의 특정 요구 사항으로 인해 종종 진공 호환이 필요합니다. 진공 환경을 유지하는 것은 오염 제어, 공정 제어 향상 및 반도체 장치의 품질 향상을 포함하여 여러 가지 이유로 필수적입니다. 이 기사에서는 반도체 장비 제조의 주요 측면과 이러한 전기 기계 장치가 진공 호환이 필요한 이유를 살펴보겠습니다.

1.1 클린룸 환경 및 진공 요구 사항

반도체 장비를 제조하려면 미세한 입자라도 반도체 생산에 악영향을 미칠 수 있으므로 클린룸 환경이 필요합니다. 클린룸 시설은 온도, 습도 및 공기 중 입자에 대한 엄격한 제어를 유지합니다.

 

진공 요구 사항: 진공 펌프는 처리 챔버 내부의 저압 진공 환경을 생성하고 유지하는 데 사용됩니다. 이 진공은 물리적 증기 증착(PVD), 화학적 증기 증착(CVD) 및 식각과 같은 다양한 공정에 필요합니다. 진공이 없으면 이러한 공정 중에 원치 않는 화학 반응과 오염이 발생할 수 있습니다. 오염물질은 반도체 장치의 품질과 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

터보분자 펌프 및 극저온 펌프와 같은 다양한 종류의 진공 펌프가 특정 공정 요구 사항에 따라 사용됩니다. 진공 호환 밸브는 진공 챔버로 들어가거나 나가는 가스 또는 기타 유체의 흐름을 제어하는 데 사용됩니다. 이러한 밸브는 반도체 공정 중 원하는 압력 및 가스 흐름 속도를 유지하는 데 도움이 됩니다. 실리콘과 같은 반도체 재료는 고온에서 산화에 매우 민감합니다. 진공 상태에서 작업하면 산소에 노출되는 것을 최소화하여 산화를 방지하고 처리 중인 재료의 무결성을 보장할 수 있습니다.

1.2 재료 및 구성 요소

고급 세라믹, 특수 금속 및 고순도 가스와 같은 고품질 재료가 반도체 장비의 구성에 필요합니다. 진공 챔버 내의 온도 제어 시스템도 진공 호환이 필요하며, 이는 반도체 공정 중 온도 프로필을 정밀하게 제어하는 데 필수적입니다. 이는 어닐링, 도핑 및 급속 열처리(RTP)와 같은 고온 작업에 중요합니다.

진공 상태에서는 대류열 전달이 없으므로 열 방출은 주로 전도 및 복사에 의해 이루어집니다. 이를 통해 더 나은 열 제어가 가능하며, 민감한 구성 요소의 과열을 방지할 수 있습니다.

장비 유형

• 웨이퍼 처리 장비: 이러한 장비는 증착, 식각, 포토리소그래피 및 화학 기계적 평탄화와 같은 반도체 제조의 다양한 단계에서 사용됩니다.
• 계측 및 검사 도구: 이러한 도구는 반도체 웨이퍼를 측정하고 검사하여 품질과 정확성을 보장하기 위해 설계되었습니다.
• 테스트 및 특성화 장비: 이러한 장비는 반도체 장치의 전기적 및 물리적 특성을 테스트하고 평가하는 데 사용됩니다.
• 포장 및 조립 장비: 이러한 장비는 반도체 부품을 최종 제품으로 포장하고 조립하는 데 사용됩니다.

반도체 공정 및 장비

반도체 제조의 각 공정 및 단계에서 다양한 전기 기계 장치가 사용됩니다. 이제 일부 장비와 공정을 살펴보겠습니다.

 

3.1 이온 주입

이온 주입 도구는 복잡한 전기 기계 시스템을 사용하여 이온을 생성하고 가속화하여 반도체 기판에 정밀하게 주입합니다. 이 반도체 제조의 핵심 공정은 반도체 웨이퍼에 도펀트 원자를 정밀하게 주입하는 데 사용됩니다. 도펀트는 반도체 재료의 전기적 및 광학적 특성을 변경하기 위해 추가되는 특정 유형의 원자입니다. 이 공정은 집적 회로 및 기타 반도체 장치에서 다양한 층과 구성 요소를 생성하는 데 필수적입니다. 전기 기계 장치는 이 공정에서 여러 역할을 수행하며, 기계 스테이지는 종종 고급 로봇 공학을 갖추고 있어 웨이퍼를 여러 방향으로 이동하여 정확한 위치를 보장합니다. 웨이퍼 홀더 또는 척은 이온 주입 과정에서 웨이퍼를 안전하게 고정하고 균일한 도핑을 위해 웨이퍼를 회전하거나 기울일 수 있습니다. 이온이 대기 가스와 반응하거나 흩어지지 않고 기판에 도달하도록 진공 환경이 필요합니다.

3.2 플라즈마 처리

많은 반도체 공정에서 고도로 이온화된 가스인 플라즈마를 사용합니다. 가스 주입 시스템은 전구체 가스와 반응 가스를 공정 챔버에 공급합니다. 플라즈마 공정은 원하는 플라즈마 특성을 유지하고 대기 가스와의 상호 작용을 방지하기 위해 저압 환경이 필요합니다. 플라즈마 식각 및 플라즈마 강화 CVD와 같은 플라즈마 공정에서는 RF 발생기를 사용하여 플라즈마를 생성하고 유지합니다. 이 장치는 라디오 주파수(RF) 에너지를 제공하며, 이러한 프로세스를 용이하게 하기 위해 진공 환경에서 작동하도록 설계되어야 합니다.

플라즈마 처리 장비는 종종 플라즈마와 처리 중인 기판을 제어하고 조작하기 위해 전기 기계 어셈블리를 포함합니다. 로봇 팔, 웨이퍼 취급 로봇 및 컨베이어 시스템과 같은 전기 기계 시스템은 플라즈마 처리 장비 내에서 기판을 운반하고 조작하는 데 사용됩니다. 이러한 시스템은 기판이 처리 단계 동안 정확하게 배치되고 이동되도록 보장합니다.

3.3 화학적 증기 증착

CVD 시스템은 가스 흐름 제어기, 밸브 및 온도 제어 시스템과 같은 전기 기계 구성 요소를 사용하여 웨이퍼에 얇은 재료 층을 증착합니다. LPCVD는 저압 CVD 공정입니다. 전구체 가스는 진공 챔버에 도입되어 기판에 고체 물질을 형성하기 위해 반응합니다. 이 공정은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 및 폴리실리콘과 같은 재료를 증착하는 데 사용됩니다. PECVD(플라즈마 강화 CVD)에서는 플라즈마를 사용하여 전구체 가스의 화학 반응을 촉진하여 더 낮은 공정 온도와 다른 특성을 가진 재료의 증착을 가능하게 합니다.

3.4 물리적 증기 증착

PVD 시스템은 스퍼터링 타겟, 마그네트론 및 셔터 메커니즘과 같은 전기 기계 구성 요소를 사용하여 물리적 프로세스를 통해 얇은 필름을 증착합니다. 진공 챔버에서의 스퍼터링 공정은 고에너지 플라즈마를 사용하여 타겟 물질을 폭격하여 타겟 표면에서 원자 또는 분자가 방출되게 합니다. 이러한 방출된 입자는 기판에 응축되어 얇은 필름을 형성합니다. 진공 조건은 화학적 증기 증착(CVD), 물리적 증기 증착(PVD) 및 플라즈마 식각과 같은 공정을 용이하게 합니다. 진공 상태에서는 가스 충돌이 감소하고 입자의 평균 자유 경로가 증가하여 재료가 더 균일하게 증착되고 더 정밀하게 식각됩니다.

3.5 원자층 증착

ALD 시스템 도구는 원자층의 순차적인 증착을 위해 정밀 밸브 및 공급 시스템에 의존합니다. ALD는 한 번에 한 층씩 원자층을 증착할 수 있어 필름 두께, 조성 및 균일성에 대한 뛰어난 제어를 제공합니다. 이는 얇은 필름의 정확도와 제어가 중요한 응용 분야에 매우 유용한 기술입니다. 진공 챔버는 압력, 온도 및 기타 매개 변수를 정밀하게 조절할 수 있는 제어된 환경을 제공합니다. 이 제어는 반도체 제조에서 일관되고 반복 가능한 결과를 얻는 데 중요합니다. ALD 시스템은 일반적으로 반응 챔버로 전구체 가스와 퍼지 가스를 제어된 방식으로 도입하기 위해 다양한 유형의 밸브를 사용합니다. 이러한 밸브는 전기 기계적으로 작동하여 가스 흐름 속도와 순서를 정확하게 제어할 수 있습니다. 이는 각 ALD 주기 동안 전구체와 퍼지 가스의 제어된 도입을 보장하는 데 중요합니다. 일부 ALD 시스템은 기판이나 웨이퍼를 조작하기 위해 로봇 팔 또는 기타 전기 기계 장치를 사용합니다. 이를 통해 반응 챔버 내에서 기판을 정밀하게 위치시키고 시스템 내부 및 외부로의 기판 이동을 용이하게 할 수 있습니다.

3.6 플라즈마 식각

플라즈마 식각 장비 도구에는 웨이퍼 취급을 위한 기계 구성 요소와 식각 공정을 위한 정밀 가스 흐름 제어 시스템이 포함됩니다. 플라즈마 식각은 반도체 제조 및 다양한 미세 가공 응용 분야에서 기판(일반적으로 실리콘 웨이퍼)에서 재료를 선택적으로 제거하여 복잡한 패턴과 구조를 만드는 데 사용되는 중요한 공정입니다. 이 공정은 이온화된 고에너지 가스인 플라즈마를 사용하여 기판 표면의 재료와 화학적으로 반응하여 제거합니다. 가스 공급 시스템은 진공 챔버에 공정 가스를 공급합니다. 이 시스템은 진공 환경에서 작동하도록 설계되어 가스 흐름 속도와 혼합비를 정밀하게 제어할 수 있도록 합니다. 이러한 시스템의 압력 제어기는 증착 및 식각 공정 동안 진공 챔버 내부의 원하는 가스 압력을 유지하는 데 필수적입니다. 진공 호환 압력 제어기는 공정의 안정성을 유지하는 데 도움이 됩니다.

3.7 포토리소그래피

포토리소그래피는 반도체 장치, 마이크로일렉트로메카니컬 시스템(MEMS) 및 전자 및 기타 산업에서 사용되는 다양한 미세 구조를 제조하는 주요 공정입니다. 포토리소그래피는 실리콘 웨이퍼와 같은 기판에 패턴을 전사하여 집적 회로 및 기타 마이크로 장치에 중요한 도전성 및 절연성 재료의 복잡한 패턴을 만듭니다. 이 공정은 정밀하고 반복 가능한 결과를 달성하기 위해 다양한 전기 기계 장치를 사용합니다. 이러한 장치는 마스크 조작, 웨이퍼 정렬, 감광성 재료 노출 등을 담당합니다.

포토리소그래피는 실리콘 웨이퍼 위에 감광성 재료(포토레지스트)를 마스크나 레티클을 통해 빛에 노출시키는 것을 포함합니다. 노출 시스템은 정밀 광학 및 정렬 장비를 사용할 수 있으며, 일부 경우 이러한 구성 요소는 제어된 대기 조건이 있는 환경에 배치될 수 있습니다. 공기 중 오염물질의 영향을 제거하고 왜곡을 줄이기 위해 일부 광학 요소에 대해 진공 환경을 사용할 수 있습니다.

3.8 웨이퍼 정렬기 및 기타 장비

웨이퍼 정렬기는 반도체 웨이퍼가 처리 챔버에 들어가기 전에 정확하게 정렬되어 정확한 패터닝과 층 증착을 보장합니다. 마스크 정렬기는 포토리소그래피 공정 중 포토마스크와 반도체 웨이퍼를 정확하게 정렬하기 위해 정밀 정렬 단계와 광학 시스템을 사용합니다. 스핀 코터와 디벨로퍼는 모터와 제어 시스템을 사용하여 웨이퍼에 포토레지스트 재료를 회전 코팅하고 높은 정밀도로 패턴을 개발합니다. 이러한 전기 기계 장치는 포토마스크의 패턴이 반도체 웨이퍼에 정확하게 전사되도록 함께 작동합니다. 이들의 정밀도와 신뢰성은 집적 회로 및 기타 마이크로 장치의 성공적인 제조에 필수적입니다.

3.9 반도체 공정 장비

반도체 공정은 종종 고온 작업, 화학 반응 또는 얇은 필름의 증착을 포함합니다. 진공 상태에서 작업하면 대기 가스의 간섭을 방지하여 처리 중인 재료와 반응하거나 오염시킬 수 없습니다.

반도체 제조에서 진공 환경을 유지하는 것은 재료 증착, 식각 속도 및 기타 중요한 공정을 정확하게 제어하는 데 필수적입니다. 이는 오염 방지, 반응 제어 및 일관되고 고품질의 반도체 제품을 보장하는 데 도움이 됩니다.

웨이퍼 검사 및 계측 장비

웨이퍼 검사 및 계측 장비는 반도체 웨이퍼를 검사하고 측정하는 데 사용되며 종종 정밀 단계 및 정확한 측정을 위한 광학 시스템을 포함합니다. 진공 호환 센서 및 검출기는 진공 챔버 내 입자 또는 오염물질의 존재를 모니터링하는 데 사용됩니다. 이러한 센서는 공정 환경의 청결을 유지하는 데 도움을 줍니다. 전자현미경 및 기타 도구에서 진공 환경을 사용하여 반도체 구조를 검사하고 측정합니다. 이를 통해 반도체 재료의 품질, 치수 및 특성을 평가할 수 있습니다.

4.1 원자력 현미경(AFM)

원자력 현미경(AFM)은 웨이퍼 표면의 나노 스케일에서 고해상도 이미징을 위해 사용됩니다. 표면 거칠기, 지형 및 기계적 특성을 감지하고 측정할 수 있습니다. 초고진공(UHV) 조건에서는 가스 분자의 간섭이 최소화되어 전자 빔이 진공을 통해 산란 없이 이동할 수 있으며, 이는 고해상도 이미징을 가능하게 합니다. 이는 샘플의 표면과 구조에 대한 명확하고 상세한 이미지를 얻는 데 필수적입니다.

4.2 혁신적인 신기술

레티클 검사는 반도체 제조와 같은 산업에서 정밀한 정렬과 패턴 배치가 중요한 경우 필수적입니다. 검사 과정에서 레티클을 면밀히 검토하여 입자, 흠집 또는 패턴 편차와 같은 결함이 없는지 확인합니다. 이러한 결함은 사용되는 광학 시스템의 품질과 정밀도에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 레티클 검사는 현재 EUV, 전자 빔 또는 액티닉 방법으로 수행되고 있습니다. 그러나 13nm 이하를 검사해야 하는 필요성을 극복하기 위해 이 분야에서 새로운 기술이 떠오르고 있습니다.

테스트 및 특성화 장비

테스트 및 특성화 장비는 반도체 제조의 필수적인 부분으로, 제조업체가 반도체 장치의 품질, 기능 및 성능을 확인할 수 있게 합니다. 이러한 도구는 공정 제어, 품질 보증 및 연구 개발에 필수적입니다. 반도체 장비는 정확성과 신뢰성을 보장하기 위해 엄격한 테스트와 보정을 거쳐야 합니다.

5.1 주사 전자 현미경(SEM)

주사 전자 현미경(SEM)은 고배율에서 표면을 이미지화하고 분석하기 위해 복잡한 전기 기계 시스템을 사용합니다. 전자 빔 시스템은 전자 광학, 빔 편향기 및 정밀 단계를 사용하여 반도체 기판에 매우 미세한 패턴을 작성합니다. 증발 공정은 진공 상태에서 재료를 가열하여 증기를 생성한 후, 이 증기가 기판에 증착되어 얇은 필름을 형성하는 공정입니다. 이 공정은 금속 증착에 일반적으로 사용됩니다. 전자 빔 리소그래피와 주사 전자 현미경에서 진공 환경은 전자 빔이 가스 분자에 의해 산란되지 않고 경로를 유지하는 데 필요합니다. 이는 사용자가 향상된 해상도를 얻을 수 있게 합니다.

5.2 2차 이온 질량 분광법(SIMS) 및 오제 전자 분광법(AES)

이들은 반도체 장치의 재료와 도펀트의 조성과 깊이 프로파일을 분석하기 위해 사용되는 진공 기반 기술입니다. 특수 전기 피드스루는 전기 전도성 및 분광법을 포함한 다양한 측정을 위해 초고진공 환경 내 샘플에 전기 연결을 제공합니다.

5.3 고정밀 및 정확도

반도체 장비는 미세한 편차라도 반도체 장치의 결함을 초래할 수 있으므로 정밀성과 정확성으로 유명합니다. 웨이퍼 프로빙 시스템과 같은 장비는 테스트 목적으로 반도체 웨이퍼의 작은 본드 패드와 전기적으로 접촉하기 위해 정밀 기계 조작기를 사용합니다. 제조업체는 SEMI 산업 표준에 맞는 엄격한 품질 관리 기준을 준수해야 합니다. 진공 챔버 내부에서 웨이퍼 위치 지정 및 이동을 위한 정밀 단계는 오염을 최소화하고 신뢰성을 향상시키기 위해 진공 호환이 되어야 합니다. 이러한 단계는 리소그래피 및 검사와 같은 공정 중 정확한 웨이퍼 정렬 및 이동을 보장합니다.

5.4 자동화 및 로봇 공학

많은 반도체 장비는 제조 및 테스트 공정에서 효율성을 높이고 인적 오류를 줄이기 위해 자동화 및 로봇 공학을 통합합니다. 로봇 팔과 조작기는 종종 반도체 장비 내에서 웨이퍼 취급 및 운반에 사용됩니다. 처리 챔버에 웨이퍼를 로딩하고 언로딩하는 장비는 진공 호환이 되어야 합니다. 이러한 로봇 시스템은 공정 중 진공 챔버 내부에서 작동하도록 진공 호환이 되어야 하며, 정확한 위치 지정과 오염 위험을 최소화합니다. 대기 공기에 노출되면 웨이퍼 표면에 오염물이 발생할 수 있습니다.

결론

반도체 장비 제조는 반도체 산업의 성장과 혁신을 지원하는 매우 전문화되고 기술적으로 발전된 부문입니다. 이 산업에서 생산되는 장비는 현대 기술을 작동시키는 전자 장치의 개발 및 생산에 필수적입니다. 정밀한 기계 및 전자 구성 요소의 통합은 반도체 제조 공정에서 요구되는 높은 수준의 정확성과 반복성을 달성하는 데 필수적입니다.

 

반도체 제조 도구의 진공 환경은 불순물을 최소화하고 화학 반응을 제어하며 오염 위험을 줄이는 데 도움이 됩니다. 이는 고품질의 결함 없는 반도체 장치를 생산하는 데 매우 중요합니다. 작은 입자나 화학 불순물도 반도체의 성능과 수율에 부정적인 영향을 미칠 수 있기 때문입니다. 따라서 반도체 제조 도구에 사용되는 많은 전기 기계 구성 요소는 이러한 엄격한 요구 사항을 충족하도록 신중하게 진공 호환 설계됩니다.

 

출처: VACGEN