| 장비 내부에서 증착 상태 관찰 가능
| 박막 소재 농도 및 결정구조 실시간 파악
| 반도체 外 OLED, 전지, 전극소재 등에 사용


박막 증착은 실리콘 웨이퍼 위에 얇은 층 형태의 박막을 단계적으로 겹겹이 쌓아가는 반도체 공정 중 하나다.

박막은 반도체 회로 간의 구분과 연결, 보호 역할을 담당한다. 따라서 반도체 품질은 박막을 최대한 얇고 균일하게 형성할수록 향상된다.

그러나 두께가 1마이크로미터(㎛) 이하로 얇기 때문에 이를 구현하는 것은 기술적 난이도가 높은 공정이며, 이 때문에 박막 형성 상태를 수시로 측정하고 확인하는 작업이 중요하다.

한국생산기술연구원(생기원)이 화학기상증착 장비 내부에서 웨이퍼 위에 박막이 형성되는 전 과정을 실시간으로 관찰하고 측정 및 분석할 수 있는 화학증착소재 실시간 증착막 측정 시스템 개발에 성공했다.

화학기상증착은 가스의 화학 반응을 이용해 수증기 형태로 박막을 쌓는 화학적 증착 방식으로, 반도체 공정에 주로 사용된다.

기존에는 박막이 제대로 증착됐는지 여부를 확인하기 위해 해당 장비에서 박막을 꺼낸 뒤 별도의 분석기기로 검사해야 했다. 하지만 그 과정에서 박막이 대기 중에 존재하는 산소나 수분과의 접촉으로 변질되어 분석결과의 신뢰성이 훼손될 수 있고, 박막에 불량이 발생한 경우 원인 규명이 어렵다는 문제점이 있었다.

생기원 고온에너지시스템그룹 허훈 박사 연구팀은 화학기상증착 장비 내부에 박막 소재의 증착 과정을 측정하고 분석할 수 있는 In-situ(=용기 내에서) 라만 분광(Raman spectroscopy) 장치를 설치해 이 같은 문제점을 해결했다.

설치된 In-situ 라만 분광 장치는 단색광을 기체 또는 투명한 액체 및 고체에 쬐면 산란광 속에 파장이 약간 다른 빛이 생기는 라만 효과를 기반으로 한다.

라만 효과에 의해 발생하는 특수한 빛의 배열인 라만 스펙트럼을 활용하면, 장비 내부에서 바로 박막 소재의 농도나 결정구조, 결정성 등 다양한 물성 정보를 실시간 파악할 수 있다. 또 화학 증착에 필요한 화합물 및 반응가스, 박막 성장 온도나 시간 등 여러 변수를 측정 및 분석해 공정을 최적화할 수 있다.

연구팀은 박막 물성 분석결과를 기반으로 유전율(Permittivity)을 유추할 수 있는 분석기법도 개발했다. 유전율이란 전기장을 가했을 때 전기적 성질을 띤 분자들이 정렬해 물체가 전기를 띠는 현상이 발생하는 정도를 말한다. 유전율 분석결과는 고집적화와 고속화 구현에 유리한 저유전율 특성을 지닌 반도체 물질을 개발하는 데 활용된다.

연구팀은 구축한 시스템을 통해 저 유전율 반도체 물질을 증착시켜 그 과정과 처리조건에 따른 물성변화를 라만 스펙트럼으로 실시간 분석하는 데 성공, 신규 박막 소재의 개발 가능성을 높였다.

허훈 박사는 “기존 Ex-situ(=용기 밖에서) 박막 분석 방식의 한계를 국내 기술력으로 극복해낸 사례인 만큼 관련 소재장비 국산화에 기여할 수 있을 것”이라며, “반도체뿐만 아니라 OLED 소재, 2차 전지 또는 태양전지용 전극소재 등 다양한 분야에도 활용 가능”하다고 말했다.

한편, 생기원은 반도체 소재 기업들과 함께 실시간 증착막 측정 시스템의 상용화를 추진하고 있다.