반도체 장비 부품 ESC(Electro-Static Chuck) 정전척이란 무엇인가?
반도체 공정 장비에서 ESC(Electro-Static Chuck, 정전척)는 반도체 웨이퍼를 고정하는 핵심 부품입니다. ESC의 역할, Mono-polar와 Bi-polar 방식, He 가스 홈, 사용 소재, 공정 중요성, 그리고 국내 기업의 기술력을 함께 알아봅니다.
1. ESC(Electro-Static Chuck)란 무엇인가?
ESC는 Electro-Static Chuck의 약자로, 정전력을 이용해 반도체 웨이퍼를 고정하는 장치입니다. 반도체 제조 공정은 플라즈마 환경에서 높은 정밀도가 요구되기 때문에 ESC는 웨이퍼를 안전하고 견고하게 고정하는 역할을 합니다. 특히 식각(etching), 증착(deposition), 및 이온 주입(implantation) 공정에서 필수적으로 사용됩니다.
ESC는 전기장을 형성해 발생하는 정전력을 사용하여 진공 흡착 방식보다 안정적이고 균일한 접촉력을 제공할 수 있어 공정의 품질을 높입니다.
# 자 쉽게 생각해봅시다.
실리콘 웨이퍼를 챔버 안에 로딩을 시켜야하죠.
간단히 웨이퍼 집게로 집어서 로딩해보는 상상을 해보겠습니다.. Lab sacle 정도의 3, 4 inch 웨이퍼는 괜찮을 지도 몰라요.
근데 대면적의 양산용 웨이퍼를 집게로 집는다?
지금 모든 기술이 같은 면적 대비 어떻게든 수율을 올리는데 매진을 하고 있습니다.. 그 집은 부위는 아마 불량이 나겠죠. 오염이 되었으니까요.
현재는 웨이퍼 엣지쪽을 어떻게든 더 살려보려는 기술이 도입되고 있는 마당에 엣지를 죽이는 짓은 바보같은 일이죠.
2. ESC의 종류
ESC는 전기장을 이용해 웨이퍼를 고정하는 방식으로 Mono-polar와 Bi-polar 두 가지 방식이 있습니다. 각각의 방식은 전극의 구조와 전기장의 생성 방식에 따라 구분됩니다.
2-1. Mono-polar 방식
Mono-polar 방식은 ESC에 단일 전극이 배치되어 있으며, 웨이퍼 하부와 전극 사이에 유전 물질(절연층)이 위치합니다. 단일 전극에서 생성된 전기장이 웨이퍼에 정전기를 발생시키고, 이를 통해 고정력을 제공합니다. 이 방식은 구조가 간단하고 제작이 용이하지만, 웨이퍼 고정력이 상대적으로 낮은 단점이 있습니다.
2-2. Bi-polar 방식
Bi-polar 방식은 ESC 내에 양극과 음극의 두 개의 전극이 배치되어 있습니다. 두 전극 사이에서 전기장이 생성되며, 웨이퍼를 안정적으로 고정하는 데 사용됩니다. Bi-polar 방식은 Mono-polar 방식에 비해 고정력이 뛰어나며, 고정 균일성이 높은 장점이 있어 최근 선호되고 있습니다. 초미세 공정과 같은 고정밀 작업에서 Bi-polar 방식이 주로 사용됩니다.
3. ESC의 He 가스 흐름 홈
ESC에는 웨이퍼와 접촉하는 면에 수많은 He(헬륨) 가스가 흐를 수 있는 홈이 파여져 있습니다. He 가스는 공정 중 웨이퍼의 온도를 조절하는 데 중요한 역할을 합니다.
반도체 공정은 고온 환경에서 진행되며, 웨이퍼 전체의 온도를 균일하게 유지해야만 안정적인 결과를 얻을 수 있습니다. 이때 ESC 표면의 홈을 통해 He 가스를 균일하게 분포시키고, 웨이퍼의 열을 효과적으로 전달하거나 제거합니다. He 가스는 열전도율이 높기 때문에 열을 빠르게 전달하여 웨이퍼의 과열을 방지하고, 공정의 정밀도를 유지할 수 있도록 돕습니다.
He 가스 흐름 설계는 ESC의 성능을 좌우하는 중요한 요소 중 하나로, 홈의 깊이와 패턴이 웨이퍼의 온도 제어에 큰 영향을 미칩니다.
플라즈마 공정에서는 기판의 온도가 상당히 올라가게 됩니다.
그렇기 때문에 기판을 냉각해주기 위해서 He를 흘려주죠. 이를 정밀하게 제어를 해야만 우리가 원하는 만큼의 결과를 얻을 수 있죠.
4. ESC에 사용되는 주요 소재
ESC에 사용되는 소재는 고온, 플라즈마, 화학적 환경 등 극한의 공정 조건을 견딜 수 있어야 합니다. 따라서 세라믹 기반 소재가 주로 사용되며, 각 소재는 공정 환경과 요구되는 특성에 따라 선택됩니다.
4-1. 산화알루미늄(Al₂O₃)
산화알루미늄은 ESC 제작에 널리 사용되는 소재 중 하나입니다. 이 소재는 내구성이 뛰어나고, 고온 안정성과 화학적 저항성이 우수합니다. 또한, 정밀한 가공이 가능해 웨이퍼와의 평탄성을 유지하기에 적합합니다. 식각 공정과 같은 플라즈마 환경에서도 안정성을 유지할 수 있어 대표적인 ESC 소재로 자리 잡고 있습니다.
4-2. 산화이트륨(Y₂O₃)
산화이트륨은 화학적 안정성이 높아 플라즈마 환경에서도 뛰어난 내구성을 보입니다. 특히, 플루오르계 플라즈마에서 발생하는 부식에 강하기 때문에 고도로 민감한 공정 환경에서 사용됩니다. Y₂O₃ 소재는 웨이퍼 보호에 효과적이며, 최근에는 초미세 공정에서의 수요가 증가하고 있습니다.
4-3. 질화알루미늄(AlN)
질화알루미늄은 높은 열전도성을 제공하는 소재로, 고온 공정에서 웨이퍼의 온도를 균일하게 유지하는 데 도움을 줍니다. 이는 공정의 정밀도와 효율성을 높이는 데 중요한 역할을 합니다. 또한, AlN은 강한 기계적 특성을 가지고 있어 장기간의 반복 사용에도 성능이 유지됩니다.
5. ESC가 잘못되었을 때 발생하는 공정 이슈
ESC가 제대로 작동하지 않으면 반도체 공정에서 심각한 문제가 발생할 수 있습니다:
- 웨이퍼 파손: 정전력이 불균일하면 웨이퍼가 흔들리거나 깨질 수 있습니다.
- 공정 불량: 웨이퍼의 미세한 이동은 식각 및 증착 공정에서 패턴 정렬 불량을 초래합니다.
- 온도 불균형: ESC가 열을 제대로 전달하지 못하면 웨이퍼의 온도가 균일하지 않아 공정 품질이 저하됩니다.
6. 국내 ESC 제작 선두 기업
국내에서도 ESC 제작 기술을 보유한 선도 기업들이 존재합니다. 이들 기업은 고도화된 반도체 공정에 적합한 ESC를 개발하며 글로벌 시장에서 경쟁력을 갖추고 있습니다:
- 미코 세라믹스
- SKC 솔믹스
7. 결론
ESC(Electro-Static Chuck)는 반도체 공정에서 웨이퍼를 안정적으로 고정하는 핵심 부품으로, Mono-polar와 Bi-polar 방식, He 가스 흐름 홈과 같은 설계가 반도체 공정 품질에 직접적인 영향을 미칩니다. 고순도 세라믹과 같은 첨단 소재는 ESC의 내구성과 정밀도를 높이는 데 중요한 역할을 하며, 국내 기업들은 이를 기반으로 글로벌 경쟁력을 확대하고 있습니다.