2025년, 열산화 공정은 반도체 제조에서 핵심 단계 중 하나로 뽑힙니다.
이때 열산화 공정은 정밀성과 안정성이 생명입니다.
따라서 이번 글에서는 열산화 공정 중 발생할 수 있는 주요 문제와 주의해야 하는 사항을 알아보도록 하겠습니다.
1. 온도 균일성 확보의 중요성
열산화 공정이란 고온의 환경에서 산소나 수증기를 웨이퍼 표면에 반응시켜 실리콘 산화막(SiO₂)을 형성하는 공정입니다.
이때 온도 균일성이 막 두께의 균일성을 결정하게 됩니다.
만약 웨이퍼 간 혹은 챔버 내 위치에 따라 온도가 미세하게 달라지면 산화막의 두께도 불균일하게 됩니다.
이는 전기적 특성의 편차로도 이어집니다.
따라서 열 분포의 균일성을 철저히 확보하여 챔버를 설계해야 합니다.
또한 필수적으로 정기적인 온도 캘리브레이션을 신경 써줘야 합니다.
2. 수분 및 불순물 관리
열산화 공정에서 사용되는 가스는 크게 두 가지 방식에 의해 나뉩니다.
바로 건조 산화(Dry Oxidation) 방식과 습식 산화(Wet Oxidation) 방식입니다.
특히 습식 산화의 경우, 수증기를 사용합니다.
때문에 수분을 매우 중요하게 관리해야 합니다.
만약 공정 중 수분이 과도하거나 순도가 낮으면 산화막에 결함이 생길 수도 있습니다.
특히 Na이나 Fe와 같은 금속의 오염은 산화막의 절연 특성을 약화시킬 수 있습니다.
이러한 이유로 인하여 필수적으로 고순도의 DIW(초순수)를 사용해야 합니다.
또한 가스 라인과 챔버 내부의 청정도도 필수적으로 청결하게 유지해야 합니다.
3. 웨이퍼 로딩 및 언로딩 시 정전기 방지
열산화 장비는 주로 고온에서 작동합니다.
이러한 환경에서 자동화 로봇 시스템이 웨이퍼를 로딩/언로딩합니다.
만약 이때 정전기(ESD, Electrostatic Discharge)가 발생하면 웨이퍼 표면에 미세한 손상이 생길 수 있습니다.
이를 방지하기 위해 웨이퍼 캐리어와 로봇 암에는 ESD 방지 소재를 사용하해야 합니다.
또한 클린룸 내의 상대 습도를 40~60%로 유지해야 합니다.
작업자도 반드시 ESD 방지 복장을 착용해야 합니다.
4. 산화막 두께 제어와 측정 정확도
디바이스의 특성과 신뢰성은 산화막의 두께에 의하여 직접적인 영향을 받습니다.
특히 2025년, 최신 반도체에서는 수 나노미터 단위의 산화막이 요구되고 있습니다.
때문에 정밀한 두께 제어와 측정을 요구받고 있습니다.
이때 두께 측정에는 일반적으로 엘립소미터(Ellipsometer)가 사용됩니다.
또한 스펙트럼 반사율 분석기도 사용되고 있습니다.
만약 공정 조건만 미세하게 바뀌어도 결과가 달라질 수 있습니다.
따라서 반복적인 실험과 공정 조건의 최적화가 요구됩니다.
특히 이때 두께 목표값에 대한 SPC(Statistical Process Control) 적용이 효과적입니다.
5. 공정 조건의 반복성과 재현성 확보
열산화는 공정 조건이 매우 민감합니다.
따라서 한 번 설정한 조건이 항상 동일하게 유지되어야 합니다.
이를 재현성(Reproducibility)이라고 합니다.
재현성은 대량 생산 시 매우 중요한 요소로 작용합니다.
공정의 반복성과 재현성을 위해서는 장비 상태나 가스 유량, 온도, 시간 등의 모든 파라미터가 철저하게 모니터링되어야 합니다.
특히 가스 공급 시스템에 이중화(Redundancy) 구조를 도입해야 합니다.
또한 장비 유지보수 이력도 체계적으로 관리해야 합니다.
이러한 조건들을 만족시켰을 때 비로소 장기적인 공정 안정성을 확보할 수 있습니다.
결론
반도체 제조 8대 공정 중에서도 열산화 공정은 정밀 제어가 요구되는 단계입니다.
예를 들어 온도, 습도, 정전기, 산화막 두께, 공정 반복성 등 다양한 변수에 주의를 기울여 신경 써야 합니다.
이러한 요소를 공정 사전에 점검하고 관리한다면 고품질의 산화막을 안정적으로 형성할 수 있을 것입니다.
또한 전체 공정의 수율과 제품 신뢰성 또한 대폭 증가할 것입니다.
공정 기술자라면 오늘 소개한 이 5가지 사항을 반드시 숙지하고 있어야 합니다.
그래야 공정 시 어떤 문제가 발생했을 때 철저히 대응할 수 있게 될 것입니다.
오늘 글은 여기까지입니다.
감사합니다.