▲ 실시간 플라즈마 밀도 측정기술의 원리

국내 연구진이 플라즈마양을 실시간 측정할 수 있는 센서를 개발해 반도체·디스플레이 장비 성능 및 제품 수율 향상에 기여할 전망이다.

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민)은 반도체·디스플레이 공정에 사용되는 플라즈마 밀도를 가동 장비를 멈추지 않고 실시간으로 측정할 수 있는 센서를 세계최초로 개발했다고 31일 밝혔다.

반도체 소자의 저전력화, 선폭 초미세화, 3차원 구조화에 따라 반도체 플라즈마 공정의 난도가 높아지고 있다. 플라즈마 공정은 반도체 회로 패턴 가운데 필요한 부분만 남기고 불필요한 부분은 깎아내는 작업인 식각 공정에 사용된다.

식각 공정의 안정성은 반도체 생산성·수익성의 척도인 수율로 이어진다. 잘못된 식각 공정으로 회로 부분이 끊기거나 균일하지 않으면 생산된 반도체 칩에 오류가 생기고 원하는 동작을 수행할 수 없다.

지금까지는 공정 중 플라즈마 변수를 직접 측정할 수 있는 센서가 없었다. 해외에서 독점적으로 양산하는 센서가 있지만, 이는 웨이퍼의 온도·전압 균일도를 측정하는 간접 측정 방식이다. 공정을 멈추고 센서를 삽입해 측정하는 방식으로 공정 이상을 실시간으로 감지하기 어렵다. 투입 후에는 공정환경 정상화를 위해 오랜 시간이 필요해 반도체 수율을 떨어뜨리는 경우가 많다.

KRISS 첨단측정장비연구소 반도체측정장비팀 이효창 선임연구원, 김정형 책임연구원은 플라즈마 변수를 직접 측정할 수 있는 밀도측정 기술을 세계최초로 개발했다. 이는 플라즈마 밀도값 및 균일도를 실시간으로 측정할 수 있으며, 측정불확도 2% 이내로 세계최고 수준이다.

KRISS 연구팀은 센서 개발을 위해 point-type, ring-type, bar-type 등의 구조를 선정하고, 신호감도 및 자체 공진특성에 관한 이론계산과 실험을 병행해 bar-type의 평판형 센서를 최적 구조로 도출했다. 이후, 평면형 프로브 실험, 전자기장 시뮬레이션, 회로 모델 개발을 통해 종합적으로 센서의 측정 신뢰성을 평가했다.

이번 기술은 한국 원천 특허 등록을 기반으로 미국·유럽·중국·일본 등 4개국 특허 출원이 완료됐다. KRISS 연구팀은 기기에 센서가 내장된 ‘지능형 식각공정 장비’ 개발을 추진할 예정이며, 외산에 독점화된 반도체 장비 시장에서 기술혁신을 이룰 것으로 전망된다.

이효창 선임연구원은 “이번에 개발한 센서는 웨이퍼 바닥 부분인 정전척, 에지링, 챔버 벽 등 원하는 부분에 설치할 수 있어 실용적”이라며, “향후 관련 기술의 표준 시험 절차 확립을 통해 반도체·디스플레이 소재·부품·장비의 성능을 검증할 수 있는 플라즈마 측정 기준 장비로 활용할 전망”이라고 밝혔다.

이번 연구결과는 플라즈마 과학 분야의 세계적 학술지인 플라즈마 소스 사이언스 테크놀로지(Plasma Sources Science and Technology)에 게재됐다.

한편, 지난 5월 이효창 선임연구원은 플라즈마 측정과학 연구 공로를 인정받아 연간 단 1명에게만 수여하는 유럽물리학회의 플라즈마 신진과학자상(Noah Hershkowitz Early Career Award)을 수상했으며, 플라즈마 소스 사이언스 테크놀로지 저널의 Editorial Board에 선임됐다.