반도체 - 식각 장비 부품 구성, Si 및 쿼츠 제작법

반도체 산업분석 - 깎이지 않는 부품, 꺾이지 않는 실적 : 네이버 증권 (naver.com)

반도체 산업분석 - 깎이지 않는 부품, 꺾이지 않는 실적 : 네이버 증권

 

1) 식각장비 부품 구성

식각챔버 내부는 Electrode, Ring, Plate, ESC, Windows 등 다양한 부품으로 구성되어 있 다. 이 중 대다수의 매출을 차지하는 주요 부품은 Electrode, Ring, ESC이다.

 

Electrode는 Shower Head 혹은 Cathode라고도 불리는데 Shower Head라는 이름처럼 웨이퍼 상부에 위치하여 미세 구멍 틈으로 가스를 통과시킴으로써 웨이퍼 표면에 플라즈마를 균일하게 분 사시키는 역할을 한다.

 

ESC는 웨이퍼를 수평으로 고정시켜주는 부품이다. 웨이퍼를 물리적으로 붙잡아두는 것이 아닌 정전기의 힘만으로 하부전극에 탈착시키며 헬륨에 의한 냉각 온도를 균일하게 유지한다. 챔버 내 부품 중 국산화가 가장 더디며 현재 95% 이상이 해외 수입을 통해 조달되고 있다.

 

Ring은 쓰이는 용도에 따라 Upper Ring, Hot Edge Ring, Focus Ring, Guide Ring 등으로 구분된다. 이 중 반도체 제조 수율과 가장 밀접하게 관련 이 있는 제품은 Focus Ring이다. Focus Ring은 ESC 측면에 장착되어 웨이퍼와 직접 맞닿아 엣지 부분까지 균일하게 플라즈마가 분사될 수 있도록 웨이퍼를 고정시킨다. 플라즈마의 방향과 밀도를 일정하게 유지할수록 식각률이 향상되며 이는 반도체 제조 수율을 높이는 데 기여한다.

 

Focus Ring는 웨이퍼와 맞닿아 있기에 플라즈마 가스의 타격을 직접적으로 받게 된다. 이에 가격은 Electrode와 ESC 대비 저렴하나 빠르게 마모되어 교체 주기가 짧다. Si 소재 기준 Electrode와 Focus Ring의 교체 주기는 약 2배 가량의 차이가 존재하는 것으로 추정된 다. Q 측면에서 짧은 교체 주기는 부품 업체들의 매출 향상에 기여한다. 식각 공정이 가혹해지며 높아진 High RF Power의 사용 비중은 마모 속도를 가속화시켜 교체 주기를 더욱 짧게 하고 있다. Focus Ring의 교체 주기 또한 약 15-20% 단축되며 동일한 기간 동안 소모 되는 부품의 수가 증가하는 추세이다.

 

ㅁ 식각장비 부품 구성

  - 식각 챔버 내 주요 부품:

    1) 상부에서 플라즈마 가스를 분사하는 Electrode

    2) 웨이퍼를 고정시켜 플라즈마가 정확하게 분사될 수 있도록 돕는 Focus Ring

 

 

2) 식각장비 부품 소재별 제조공정

Si 소재 부품은 폴리실리콘을 녹여 고순도의 실리콘 잉곳(Ingot)을 뽑아낸 뒤 이를 가공하여 생산된다. 잉곳을 더 저렴하게 조달하거나 Slicing을 통해 분리된 제품의 수가 더 많을수록 원가가 절감된다. 쿼츠 소재도 Si와 유사하다. 다만 Si의 경우 일반적으로 쵸크랄스 기법을 사용하기에 원통형 잉곳이 제작되나 쿼츠는 제조 방식이 다양하여 디스크형, 실린더형 등 여 러 모재가 존재한다. 모재의 차이는 가공 단가에도 영향을 미친다. 일례로 Ring류의 제품은 가운데가 비어있는 큰 고리 형태로 제품을 가공해야 한다. 이에 원통형 모재를 가공하여 부품을 제작할 시 Block coring 과정에서 실린더형 모재 대비 시간과 비용이 많이 소모된다.

 

ㅁ Si 부품의 제조공정

 

ㅁ 쿼츠 웨어 제조 공정

SiC는 다양한 공법을 통해 제조할 수 있으나 가장 보편적으로 사용되는 방법은 CVD 공법이다. SiC-CVD의 제조 공정을 간단하게 정리하자면 CVD 챔버에서 Graphite(고순도 흑연) 모재에 SiC 가스를 10~100㎛ 두께로 얇게 증착하는 것이다. 타 공법들은 소결재를 필요로 하여 보론(B)이나 알루미늄(Al) 같은 파티클을 챔버 내에 잔존시킬 수 있으며 이는 반도체 제조에 치명적인 불량을 야기할 수 있다. 반면 CVD 공법은 소결과정을 거치지 않고 Si 및 C를 포함시킨 가스로부터 직접 고체를 형성하므로 파티클 이슈를 발생시킬 수 잇는 소결재의 첨가 없이 치밀한 SiC를 생산할 수 있다. CVD 공법을 사용하면 고순도의 SiC를 얻을 수 있다는 장점이 있으나 제조 비용이 비쌀 뿐더러 기술 난이도도 높다. 이에 소결법으로 SiC 의 생산이 가능한 기업은 SKC솔믹스, 원익QnC 등 여러 업체가 있으나 식각 주요 부품에 사용되는 SiC-CVD 벌크의 경우 생산 가능 업체의 수가 많지 않다.