반도체 공정 별 진공 시스템

반도체 산업은 미세한 오염조차 허용하지 않는 고정밀의 세계입니다. 그 속에서 **진공 환경(Vacuum Environment)**은 공정의 성패를 좌우하는 핵심 인프라입니다. 반도체의 제조 공정은 수십~수백 단계에 이르며, 각 단계마다 요구되는 진공 수준과 사용하는 장비의 종류가 다르기 때문에, 그에 맞는 진공 시스템 설계가 필요합니다.

이번 글에서는 반도체 주요 공정별로 어떤 진공 수준이 요구되는지, 어떤 진공 펌프와 시스템이 사용되는지를 자세히 비교해 보겠습니다.

 

1. 왜 반도체 공정에 진공이 필요한가요?

반도체 공정에서는 다양한 가스를 사용하여 증착, 식각, 이온주입 등의 작업을 수행하게 됩니다. 이때 공정이 안정적으로 일어나기 위해서는 외부 공기(산소, 수분, 불순물 등)의 개입을 막고, 반응 가스를 정밀하게 제어할 수 있는 진공 상태가 필수적입니다.

 

진공의 수준은 일반적으로 다음과 같이 분류됩니다.

진공	수준 압력	범위 설명
저진공 (Rough Vacuum)	10³ ~ 1 Torr	대기압에서 기체 제거 시작 단계
중진공 (Medium Vacuum)	1 ~ 10⁻³ Torr	대부분의 기계식 펌프 가능 영역
고진공 (High Vacuum)	10⁻³ ~ 10⁻⁷ Torr	대부분 반도체 공정에서 사용
초고진공 (Ultra High Vacuum)	10⁻⁷ ~ 10⁻¹² Torr	고순도 공정 및 분석장비 전용

 

2. 공정별 진공 시스템 비교

 

(1) CVD (화학기상증착, Chemical Vapor Deposition)

• 역할: 웨이퍼 표면에 박막을 형성하는 증착 공정
• 요구 진공 수준: 10⁻² ~ 10⁻⁴ Torr (중~고진공)
• 주요 사용 장비: CVD 챔버, 진공펌프, 가스 공급 장치
• 사용 펌프: 드라이 펌프 + 터보분자펌프
• 특징: 반응 부산물이 많아 배기라인 히터 및 가스 정화 장치 필요

※ CVD는 기체 반응을 통해 박막을 형성하므로, 일정한 진공 상태와 가스 유량 제어가 중요합니다.

 

(2) PVD (물리기상증착, Physical Vapor Deposition)

• 역할: 금속막을 웨이퍼에 증착 (스퍼터링, 증발 방식 등)
• 요구 진공 수준: 10⁻⁶ ~ 10⁻⁷ Torr (고진공)
• 사용 펌프: 터보분자펌프 + 드라이 펌프
• 특징: 금속 원자 증발을 위해 고진공 필요. 진공 유지 시간이 길어야 함

※ PVD는 기화된 금속이 웨이퍼에 증착되는 방식으로, 산소나 수분이 있으면 필름 품질이 저하됩니다.

 

(3) Etching (식각)

• 역할: 회로 패턴 외의 불필요한 부분을 가스 반응으로 제거
• 요구 진공 수준: 10⁻² ~ 10⁻⁴ Torr (중~고진공)
• 사용 펌프: 드라이 펌프 + 루츠 펌프
• 특징: 플라즈마 반응에 필요한 균일한 진공 유지가 핵심
• 문제점: 반응 부산물, 부식성 가스가 많아 펌프 내식성 중요

※ SF₆, CF₄ 같은 식각 가스는 부식성이 강하기 때문에, 진공펌프에 내식 코팅이 적용되어야 합니다.

 

(4) Ion Implantation (이온 주입)

• 역할: 도핑(Doping) 공정에서 불순물 원자를 웨이퍼에 주입
• 요구 진공 수준: 10⁻⁵ ~ 10⁻⁶ Torr (고진공)
• 사용 펌프: 드라이 펌프 + 터보펌프 또는 크라이오펌프
• 특징: 이온의 이동을 방해하는 분자가 없어야 함. 초고진공이 요구되기도 함

※ 이온이 직선으로 이동해야 하기 때문에, 공기 분자 하나도 궤적에 영향을 줄 수 있습니다.

 

(5) Ashing (애싱, 포토레지스트 제거)

• 역할: 포토공정 후 남은 유기물(PR)을 산소 플라즈마로 제거
• 요구 진공 수준: 10⁻² ~ 10⁻³ Torr (중진공)
• 사용 펌프: 드라이 펌프 + 보조펌프
• 특징: 반응 부산물이 많고, 연속 운전이 많아 유지보수가 중요

※  Ashing은 가스량이 많고 오염이 심해, 내열성과 세정 주기가 중요한 요소입니다.

 

(6) CMP, Wet Process, 검사 공정 등

• 요구 진공 수준: 대체로 저진공 혹은 대기압 상태
• 특징: 액체 공정이나 기계적 연마 단계로, 진공보다는 기계적 제어가 중심입니다. 일부 진공 챔버는 사용되기도 합니다.

 

3. 펌프 구성 예시

공정마다 다르지만 일반적인 반도체 진공시스템은 다음과 같은 조합으로 구성됩니다:

 

구성	내용
1차 펌프(프론트 펌프)	드라이 펌프 (오일 프리, 중진공 영역 확보)
2차 펌프(백업 펌프)	터보분자펌프, 루츠펌프, 크라이오펌프 등
보조 장치	배기 히터, 가스 정화기, 감압 센서, 냉각 장치

 

4. 진공 시스템 설계 시 고려사항

• 공정 가스의 성분: 부식성 가스 여부에 따라 펌프 내식성 여부 결정
• 진공 도달 속도: 생산 효율을 위해 빠르게 진공 도달 필요
• 배기 용량과 연속 운전 여부: 공정 안정성과 수명 확보
• 오염 제어: 클린룸 등급에 맞는 펌프 선택 및 정화 장치 필수

 

마무리: 

반도체 공정에서 진공은 단순히 공기를 제거하는 수준이 아니라, 제품 품질과 수율을 결정짓는 핵심 요인입니다. 각 공정이 요구하는 진공 수준은 다르며, 사용하는 진공 장비와 펌프 역시 그 특성에 맞춰 설계되어야 합니다.

드라이 펌프, 터보펌프, 크라이오펌프 등 다양한 진공 장비들은 적절히 조합되어야만 안정적인 공정 환경을 만들 수 있습니다. 이를 통해 반도체 제조의 정밀도는 더 높아지고, 불량률은 현저히 줄어들게 됩니다.