첨단세라믹스   반도체

반도체 제조 프로세스를 뒷받침하는 파인세라믹스

外谷榮一 Toshiba Ceramics co.,Ltd

1. 들어가며
최근 반도체 집적회로는 미세화에 의한 고집적화, 처리속도의 고속화, 소비전력의 절감 등을 목적으로 새로운 기술이 속속 개발되며 제조 프로세스가 크게 변모하고 있다. 한편, 제조 가격 절감을 목적으로 실리콘 웨이퍼의 12인치화도 급속하게 확대되고 있다. 그 결과, 반도체 제조 프로세스에 이용되는 세라믹스 재료도 지금까지 이상으로 고순도, 고정도, 대형화가 요구되며, 특히 실리콘 웨이퍼와 직접 접촉하는 표면상태의 제어가 중요해지고 있다. 그림 1에 반도체용 실리콘 웨이퍼의 사이즈별 생산량 추이를 나타내었다. 또 표 1에 2005년 1월 시점에서의 지역별 반도체 전(前)공정 공장의 새 증설계획 일람을 나타내었다.
2004년 말에는 8인치 이하 실리콘 웨이퍼의 생산량이 감소했음에도 불구하고 계획적인 장치도입의 결과, 12인치 실리콘 웨이퍼는 여전히 증산을 유지하고 있다. 따라서 2005년 초의 반도체용 세라믹 제품의 수요가 전체적으로는 하강경향에 있으면서도 12인치 실리콘 웨이퍼 처리장치용 세라믹스 제품은 호조로 추이하고 있다. 즉, 작금의 반도체 제조장치 출하 대수는 12인치 실리콘 웨이퍼용 장치에 의해 유지되고 있다고 해도 과언이 아니다.
반도체 제조 프로세스에 이용되는 세라믹스 재료는 그 구조나 기능면에서 크게 변모하고 있다.
①실리콘 웨이퍼의 대구경화(大口徑化)에 따른 세라믹스 제품의 대형화
②반도체 집적회로의 미세화에 의한 세라믹스 제품의 고순도화, 고정도화(특히 표층제어)
③반도체 제품의 품질향상과 생산능률의 향상을 목적으로 한 제조 프로세스의 혁신에 따른 세라믹스 구성 재료의 변화
위의 세 가지를 고려하면서 이하에서 반도체 제조 프로세스를 뒷받침하는 각종 세라믹스 재료의 근황을 소개하겠다.

2. 석영유리
가. 석영 도가니
12인치 실리콘 웨이퍼에 대응한 CZ 견인용 석영 도가니는 구경 28~32인치로 대형화되고 있다. 그림 2에 구경 32인치 석영 도가니의 외관을 실었다.
석영 도가니는 실리콘 단결정(실리콘 웨이퍼로 절단하기 전의 원주형 인고트)을 성장시키는 공정에서 사용된다. 석영 도가니 속에 실리콘 원료를 투입하고 실리콘 융액 계면에서 실리콘 단결정을 성장시킨다. 실리콘 단결정 견인용 석영 도가니는 실리콘 융액에 접촉하는 내표면이 1mm정도인 투명층으로 형성되고 그 외주의 대부분은 도가니의 변형을 제어하기 위해 석영 유리 조직 속에 무수한 미포(微泡)를 포함하는, 유백색의 불투명한 석영유리층으로 구성되어 있다. 이 단면구조를 그림 3에 나타내었다. 8인치 세대부터 화제였던 실리콘 융액면의 진동은 12인치 세대에서도 견인 환경에 의해 지속되고 있다. 석영유리 내표면의 실리콘 융액과의 젖음 방식의 비균일이 진동발생원이 되어 실리콘 융액 표면에 파도를 일으켜, 실리콘 인고트 제조 시의 액면 갈라짐 등, 원료 대비 완제품 비율에 현저하게 악영향을 준다. 이에 대해 젖음 상태가 안정되도록 석영 도가니 내표면의 유리 조직을 개량하거나, 석영 도가니 내표면의 형상을 연구하여 실리콘 융액의 진동파형을 완화하는 등의 검토가 이루어지고 있다.
또한 석영 도가니의 대형화, 중량 증가에 따라 석영 도가니가 변형하는 등, 종래 해결이 끝났던 문제가 재연되었다. 그 해결책으로서 인고트 견인장치 마다에 석영 도가니의 형상조정을 세심하게 검토하거나, 석영유리의 내열특성향상을 목적으로 인고트 견인 중인 석영유리를 크리스트 바라이트로 결정화시키는 등의 시도가 이루어지고 있다. 이것은 석영유리가 미량의 불순물 존재 하에서 결정화된다는 것을 이용한 것으로 첨가물은 반도체 제조 프로세스에서 영향이 적은 물질을 원료 속에 첨가하거나 또는 석영 도가니 표면에 도포하고 있다. 한편, 반도체 집적회로의 미세화에 따른 새로운 움직임으로써 실리콘 인고트 결정성장과정에서 실리콘 융액에 녹아나온 석영유리 속의 거품의 휩쓸림 제어가 있다. 실리콘 융액과 석영유리가 직접 접촉하는 도가니 내표면의 석영유리 조직 속에서는 철저한 무포화(無泡化)가 필요하며 따라서 석영원료분체의 순도·이물관리의 강화와 석영 도가니 제조공정의 쇄신이 시도되고 있다.

나. 반도체 제조장치용 고순도 석영유리
석영유리는 고순도로 열팽창이 작고, 가공이 손쉽다는 점 때문에 반도체 제조 공정에서 많이 이용되고 있다. 대표적인 제품 예로서는 산화와 확산, CVD프로세스 등에 사용되는 로심관(爐心管), 보트, 단열부품 등의 열처리 부재와 드라이에칭프로세스에서 사용되는 에처용 지그, 세정 프로세스에서 사용되는 세정조(洗淨槽)가 있다.
최근의 동향으로서는 실리콘 웨이퍼의 대형화에 따라 석영유리 제품도 대형화되고 있고, 또한 고정도 가공, 고순도화의 요구가 강하다.
또한 집적회로를 노광할 때에 이용되는 포토마스크와 렌즈 등 자외선 광학부재가 있으며, ArF엑시머레이저(파장 193nm)조사 시의 투과율, 굴절률의 안정성이 요구되고 있다.

1)고순도화
반도체 제조 공정에서는 집적회로의 미세화에 따라 제조장치 주변부재로부터의 불순물 오염을 한층 더 줄여야 할 필요가 있다. 예를 들면 반도체 열처리 공정의 저온화로 불순물 확산을 억제하고자 하는 공정 개혁이 이루어졌고 그 결과, 불순물 확산이 억제되었을 뿐 아니라 석영유리 제품의 수명을 길게 하는 등의 이점이 있었다.
그러나 반면에 집적회로의 다양화로 고온의 공정도 여전히 필요하기 때문에 석영유리 재료의 고순도화에 대한 요망도 강해지고 있다. 따라서 일부의 공정에서는 합성석영유리로의 이행도 강해지고 있는데, 반도체 제품의 원가절감 요구 때문에 천연 석영원료를 사용하고 제조기술개혁으로 제품을 고순도화하고자 하는 요구가 강하다. 표 2에 석영유리의 품종별 대표 순도를 나타내었다. 또 천연원료를 사용하여 고순도 관리 하에서 제조한 석영유리 제품의 퍼포먼스를 그림 4에 나타내었다. 공정평가에 있어 고순도 관리 하에서 제조된 이 천연 석영유리는 합성 석영유리만큼의 고순도는 아니지만 표층순도가 현저하게 개선되었다는 점에서 반도체 양산공정에 있어 석영유리 제품 투입 초기의 출발이 빨라, 장기간에 걸친 집적회로의 원료 대비 완성품의 비율 안정에 성과를 가져왔다.

2)석영유리 제품의 복합화
에칭 공정에서 이용되고 있는 석영유리의 새로운 동향으로 프라즈마 내성과 불소 내성을 향상시킬 목적으로 석영유리 표면을 이트리아로 용사 또는 코팅하는 등의 새로운 석영유리 재료가 제안되고 있다. 이때 문제가 되는 이트리아 막과 석영유리 기재와의 내부 응력의 발생, 즉 열팽창의 차이에 의한 이트리아 막의 갈라짐과 박리를 표면형태에 요철을 덧붙이는 등의 연구로 안정화하고자 하는 방법이 취해지고 있다.
최근 석영유리와 카본재의 융합에 의한 신제품도 나왔다. 반도체 제조 프로세스 가운데 열처리 공정에서 사용되고 있는 확산로는 실리콘 웨이퍼의 산화, 확산, 아닐, CVD성막 등에 사용되고 있는 반도체 주요 장치이다. 지금까지 이 열원으로 규화 몰리브덴 등의 금속 히터가 사용되었다. 신형 히터는 고순도 처리한 C/C콤포지트 와이어를 석영유리관에 봉입한 구조로, 대부분의 부품이 세라믹스 재료로 구성되어 있으며, 히터로부터의 금속오염을 방지할 수 있다. 또한 히터 표면이 고순도 석영유리로 되어있기 때문에 반응실 내에 직접 히터를 넣을 수 있어 열처리 시간의 단축과 멀티 프로세스 대응 등, 온도관리에 대한 응답속도의 향상에 기여하고 있다. 이 히터 예를 그림 5에 나타내었다.

3. 탄화규소
탄화규소 제품은 석영유리제품보다 고온에서 안정적이라는 점에서 반도체 열처리 공정에서 널리 이용되고 있다. 또 최근에는 금속보다도 고강성이며 열팽창이 적다는 등의 이유로 실리콘 웨이퍼를 이재(移載)하는 스테이지 등에 응용하고 있다.
반도체 열처리 프로세스에서 이용되는 탄화규소 재료는 고순도가 필수이다. 따라서 일반적으로는 순화처리된 탄화규소 분말을 이용하여 반응소결체를 얻은 후에 고순도 실리콘을 융합함침하여 만들어진다. 또한 표층부의 고순도를 유지할 목적으로 탄화규소 전체를 CVD법에 의한 SiC코팅막으로 감싸는 것이 일반적이다. 그림 6에 반도체 제조용 탄화규소 재료의 단면 사진을 실었다. 본고에서 말하는 탄화규소 제품이란 조직 내부에 실리콘이 함침되어 있는 것을 가리킨다.
최근 새로운 탄화규소 재료의 제조법도 소개되고 있다. 실리케이트 화합물과 유기수지계 재료를 반응시키고 또 핫프레스로 치밀화한 제품으로 고강도, 고순도 등의 특징을 갖는다. 이들 제품은 다미웨이퍼나 실리콘 웨이퍼를 지지하기 위한 링 형상 부품 등으로 응용분야를 넓히려고 하고 있다.
가. 탄화규소 제품의 대형화
반도체 열처리 프로세스에서 사용되는 탄화규소 제품은 균열성 향상과 불순물 침입을 차단하기 위한 라이너 튜브, 또한 실리콘 웨이퍼를 지지하기 위한 보트 등이 주류이다. 실리콘 웨이퍼의 대구경화에 따라 제품형상이 대형화되고 있음에도 불구하고 실리콘 웨이퍼 이재 정도(精度)와 품질의 균일화를 위해서 치수 정도가 점점 더 엄격해지고 있다. 따라서 탄화규소 재를 절삭하기 위한 가공장치는 단순히 대형화되고 있을 뿐 아니라 정밀도 요구도 엄격해지고 있다. 또한 지난 2, 3년 동안 절삭공구로 인한 금속오염을 방지하기 위한 순화처리방법의 개량이 비약적으로 추진되었다.

나. 반도체 집적회로의 미세화에 따른
    탄화규소 제품의 동향
12인치 실리콘웨이퍼는 반도체 집적회로를 노광할 때의 초점정도를 향상시킬 목적으로 표리 양면을 거울연마(DSP:Double Side Polish)하고 있다. 그러나 실리콘 웨이퍼의 품질을 중시해도 반도체 제조 프로세스에서 발생하는 미소한 먼지가 실리콘 웨이퍼 표면에 부착하면 노광 시에 집적회로의 결락까지도 일으키게 된다. 특히 실리콘 웨이퍼의 이면 지지부에 손상을 가하는 일은 초점 정도를 악화시킬 뿐 아니라 손상부분에서 먼지가 발생하게 되어 원료대비 완성품의 비율을 크게 저하시키는 요인이 된다. 또한 12인치 실리콘 웨이퍼 1장 당 먼지 관리 수준은 최첨단에 대한 요구가 엄격한 프로세스에서는 0.09㎛이하의 사이즈가 약 200개 이하라고 한다. 각 디바이스 메이커에 따라 그 관리 레벨은 다르다. 또한 2004년에는 실리콘 웨이퍼 이면의 먼지 관리 레벨까지 검토되었다.
탄화규소 재료는 앞에 기술한 것과 같이 내열성이 우수할 뿐 아니라 이 먼지발생문제에 대해서도 석영유리 재료에 비교해서 이점이 있다. 이것은 석영유리의 열팽창이 실리콘에 비해서 한 자릿수 작은 데 대해 탄화규소의 열팽창은 실리콘에 가깝기 때문으로, 마찰에 의한 먼지발생을 줄일 수 있다. 또한 확산로에서 성막하는 질화규소막이나 실리콘 막 등과도 열팽창이 근사하기 때문에 부착물이 잘 박리되지 않고 먼지 발생이 적다는 등의 이점도 있다. 게다가 탄화규소 재료는 습식세정 시에 사용되는 각종 약품에 대한 내성도 우수하기 때문에 먼지 억제에 효과가 있다. 그러나 그 반면, 탄화규소 재료는 단단하기 때문에 실리콘 웨이퍼 이면에 손상을 주기 쉬워 대구경화에 따른 증량 증가로 웨이퍼의 변형 양이 증가, 이면 지지부와의 마찰손상 문제가 일었다.
그 대책으로 탄화규소 제품 표면에 코팅되어 있는 SiC막의 돌기부를 평평하게 하고, 가장자리 부분을 깎아내는 등 기계가공방법의 쇄신이 이루어졌다. 또한 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 설계단계부터 웨이퍼 유지 형상이나 위치의 최적화를 검토, 현재에는 그림 7에서 볼 수 있는 제품형상으로 발전하고 있다.
탄소제품은 실리콘 인고트 견인 공정에서 석영유리제 도가니를 지지하기 위한 카본 도가니와 핫존 가열용 히터 등의 주변 부재, 이온 임플란테이션 장치의 부재 등에 많이 사용되고 있다. 도 실리콘 웨이퍼 표면에 특성을 변화시킨 실리콘 등축 결정막을 형성하기 위한 에피탁셜 성장공정에서 실리콘 웨이퍼를 유지하기 위한 서셉터로서 이용되고 있다.
서셉터는 특수탄소기재 표면에 웨이퍼를 유지하기 위한 오목형 포켓을 가공하여 순화한 후에 SiC막을 코팅하여 만들어진다. 서셉터 제품 형상은 팬케이크 타입과 배럴 타입, 인쇄용지 타입 등 여러 가지로, 처리능력이나 품질에 따라서 나뉘어 사용되고 있다.
최근 자동차용 전자부품의 발전이 급속하게 진행되며, 큰 전력량을 필요로 하는 파워 디바이스에 대한 요구가 강하다. 따라서 에피탁셜 성장공정에서의 실리콘 막후 형성기술이 필요 불가결해져 결정 결함이 적은 성막기술의 개발이 진행되었다. 한편 실리콘 웨이퍼의 대구경화에 따라 에피탁셜 성장 면에 직선상의 결정 단차(段差)가 생기는 슬립 등 많은 결정 결함 문제가 부상했다. 결정결함 발생 원인의 하나로서 서셉터와 웨이퍼의 접촉상태에 기인한 웨이퍼 표면의 온도 불안정을 들 수 있다. 예를 들면 온도 불안정으로 웨이퍼 면 안에서의 성막속도가 일정치 않을 뿐 아니라 웨이퍼가 뒤집히는 현상이 발생하여 이를 억제하기 위해 서셉터 형상과 웨이퍼와의 표면접촉상태를 검토하는 등 최근에는 시뮬레이션을 이용하는 등 다방면에서 개선이 이루어지고 있다.
이를 위해 탄소기재에 대한 SiC코팅 방법의 개선을 물론 에피탁셜 성장공정의 용도에 따른 서셉터 표면의 설계를 실시하고 있다.

4. 맺음말
반도체 제조 공정에 이용되는 세라믹스 재료는 실리콘 웨이퍼 대구경화와 반도체 집적회로의 미세화, 반도체 제품의 품질 및 슬루풋 향상 등의 요구에 대해 대형이며 동시에 고순도, 고정도의 길로 발전하고 있다. 또 반도체 제조 공정의 혁신에 따른 세라믹스 구성 재료의 변화에서는 복수의 세라믹스 재료를 복합화한 제품도 등장하고 있다.  
앞으로 더욱더 진행될 12인치화로의 움직임에 대해 고객의 생생한 목소리를 통해서 진정으로 요구하고 있는 요구 품질을 반영, 세라믹 제품의 부품특성에 반영시켜 나갈 필요가 있다. 이런 의미에서도 세라믹스 재료 메이커와 장치 메이커, 디바이스 메이커 등 세 메이커의 기술협력체제가 점점 더 중요해지리라 생각된다.                          (Ceramics Japan)

그림 1. 지역별 반도체 전(前)공정 공장의 증설계획  (단위:억 엔)
그림 2. 실리콘 웨이퍼의 사이즈별 생산량 추이
그림 3. 구경 32인치 석영 도가니의 외관
그림 4. 석영 도가니의 단면 구조
그림 5. 석영 유리의 품종별 대표 순도
그림 6. 고순도 관리 하에서 제조한 천연 석영유리의 퍼포먼스
그림 7.  석영유리관에 봉입한 신형 히터
그림 8. 반도체 제조용 탄화규소 재료의 단면 사진
그림 9. 탄화규소 제품의 실리콘 웨이퍼 지지부