오늘은 반도체에서 증착하는 방법중 하나인 ALD를 깊게 파보려고합니다. ALD의 개념은 다른 게시물에서 설명을 하고 이 포스팅에서는 ALD의 장비를 직접 보여드리려고요!
먼저 ALD 기기가 워낙 커서 일부분 먼저 보여드릴게요.
저희가 쓰는 ALD 기기는 '다양한 기기들 중에서도 Plasma를 이용하는' Plasma Enhanced ALD입니다. 일명 PEALD라고 부르죠. 다른 ALD 기기들과의 차이점은 플라즈마를 사용하기때문에 작동 온도가 상대적으로 낮고 plasma상태로 만들어주는 전기기계가 추가되었다는 점이에요.
전체적인 구조 사진에서 왼쪽에 보시면 엄청 큰 통이 있는데 Main chamber입니다. 메인 챔버는 실제 공정이 일어나는 곳으로, 항상 무조건! 진공으로 유지되고 있습니다. 메인 챔버로 precursor 가스가 들어가기도 하고 purge 가스가 들어가기도 합니다. 또한 이 안에서 가스가 플라즈마 상태로 만들어져서 빠르게 반응이 일어나죠.
한마디로 모든 공정이 이 안에서 일어납니다. 그렇기에 'Main' chamber 라고 불려요.
기기가 작동하면 오른쪽 사진처럼 위와 아래에서 판(뚜껑)이 내려와 가스와 함께 wafer를 가둡니다. 마지막부분 그림에서 더 설명해드릴게용.
오른쪽을 보시면 또 다른 큰 통이 있는데 Load lock chamber라고 불러요. 로드락챔버는 Wafer가 메인챔버로 들어가기전 대기하는 공간인데요. 샘플을 넣고 진공을으로 만든 상태에서 메인챔버로 넣어야 메인챔버의 진공이 안깨지겟겠죠! 메인챔버와 나뉘어져있는 이유는 우주선과 비슷합니다. 우주에서 우주선에 사람이 들어가면 우주선에 바로 들어가는 것이 아니라 들어가기전 공기가 주입되는 방이 따로 있습니다. 그 이유는 우주선의 문을 바로 열어버릴경우 우주선 내부의 공기가 빠져나가서 공기가 부족해지기때문이에요.
로드락 챔버는 메인챔버의 진공을 유지하며 샘플을 안에 넣기 위해서, 샘플을 넣고 진공펌프로 공기를 빼주는 곳입니다.
메인챔버를 바로 열고 샘플을 넣으면, 진공펌프로 공기를 빼낸다해도 공기가 전부 빠지지 않을 수 있기 때문에 희생양으로 로드락 챔버를 씁니다.
로드락 챔버 안에는 이렇게 막 쓰는 Wafer가 있어요. 이 Wafer는 라면받침대 같은 느낌입니다. 학교 연구소에서는 Wafer로 실험하기보다 chip(작은 조각)으로 실험을 하는데요. 이렇게 막 만든 Wafer조차 20만원이 넘기 때문에 chip으로 잘라 여러번 실험하는거에요. 근데 Chip을 올릴 곳이 필요하기 때문에 보통 막 쓰는 Wafer위에 올려둬요.
Wafer위에 원하는 샘플을 넣고 진공을 잡아줍니다. 진공 펌프로 모든 공기를 빼내는 것을 '진공을 잡아준다' 라고 표현을 하는데 진공을 잡아준 뒤에는 대기압과의 기압차이 때문에 로드락 챔버가 열리지 않아요.
아무리 힘줘도 열리지 않는 로드락챔버의 모습입니다. 아무리 힘을줘도 사람의 힘으로는 열수가 없어요. 위에서 설명드렸다시피 기압차가 너무나도 심해서!
로드락 챔버 오른쪽에는 챔버 내의 Wafer를 옮길 수 있는 팔이 있는데요. 이 팔은 Gate를 통해 main chamber로 들어가는 역할을 합니다.
팔을 움직이면 로드락 안에 있는 Wafer가 움직이는 모습이에요! 지금은 게이트가 닫혀있어서 안들어가지만 게이트를 열어준다면 웨이퍼가 쏙 하고 들어간답니다.
가운데 파랑색 원은 Gate인데요. 로드락 챔버에 샘플을 넣고 이 샘플을 메인 챔버러 옮길 때 Gate의 문을 엽니다. Gate의 문은 대부분의 시간동안 닫혀있기 때문에 메인 챔버의 진공이 잘 유지돼요.
Gate의 문을 열고 샘플을 빼는 동영상을 보여드릴게요.
게이트 안에 Wafer를 넣었다가 다시 빼는 모습인데 한번에 팍 빼면 Wafer가 떨어질 수 있기 때문에 천천히 빼요.
Wafer를 메인 챔버 안으로 넣은 뒤 팔만 빼주면 이렇게 밑판이 나와요 ㅋㅋㅋ 밑판 가운데가 뻥 뚫려 있기 때문에 작은 chip만 넣을수는 없고 Wafer를 받침대로 쓴답니다.
메인 챔버 안에 Wafer를 놔두는 법은 간단합니다. 일단 팔이 gate를 지나 메인 챔버 안으로 들어가요.
그러면 Wafer 밑에는 3개의 핀이 있어요. 이 핀이 올라와서 Wafer를 들어줍니다. 들어주면 Wafer는 팔과 떨어지게 되죠. 공중에 뜨는 느낌이에요. 그 상태에서 팔을 빼면 Wafer는 핀 위에 있으니 빠지지 않고 팔만 쏙 빠집니다.
그 뒤에 Gate를 닫아주면 메인 챔버 안에는 Wafer만 있게 됩니다~
뺄 때는 반대의 과정이에요.
정리하자면
0) 로드락 챔버를 진공으로 만들고 게이트 문을 연다.
1) 팔이 Gate를 지나 메인 챔버안으로 들어감
2) 3개의 Pin이 올라와서 웨이퍼를 들어줌
3) 웨이퍼가 핀 위에 있으므로 팔을 쭉 빼줌
4) 게이트 문을 닫는다.
위 기기는 Plasma 상태로 만들어주는 기기인데 강력한 전압을 가해줘서 가스들을 Plasma로 만들어줘요.
보통 열로 결합을 끊어 반응성이 좋은 상태로 만드는데, 열로 결합을 끊으려면 너무 높은 열에너지(온도)가 필요하기 때문에 대체제로 전기를 씁니다. 대체로 600~700도까지 올라가요.
전기에너지를 가하면 열에너지가 그만큼 적게 필요해서 효율면에서 더 좋아집니다. 50~250도 정도의 온도를 씁니다.
공중에는 이렇게 파이프들이 많아요. 이 파이프를 통해서 가스들이 공급됩니다. ALD도 precursor나 purge로 전부 가스를 쓰기 때문에 연결되어 있어요.
또한 ALD 기기의 온도를 조절하기 위한 PCW(냉각수) 파이프도 있습니다. 냉각수로 기기가 과열되지 않도록 관리해주기 때문이죠!
그리고 다 쓴 폐가스들을 처리하기 위한 스크러버 라는 장치도 있답니다.
소프트웨어로 보면 이런 모양의 장치에요 ㅎㅎㅎ
진짜 파이프가 엄청 많이 연결되어있고, 오른쪽 아래는 메인챔버입니다. 메인챔버 안쪽에 있는 접시는 Wafer라고 보시면 돼요! 위에서 설명했다시피 실험할땐 메인챔버 안에서 위아래 뚜껑들이 wafer를 닫습니다. 그러면 가스가 여기저기 퍼져있지 않고 Wafer 주위에 갇혀있어서 더 반응이 쉬움!
글로는 한계가 있어서 작동 순서는 영상으로 첨부할게요!
이상으로 ALD 기기의 대략적인 리뷰를 마치겠습니다. 이 리뷰가 도움이 되셨거나 질문이 있으시면 공감 댓글 부탁드려요 ㅎㅎ
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