압박 속에서도 정밀하게: 반도체 가치사슬의 모든 단계에서 소재를 관리하는 방법

반도체 시장은 AI, 데이터센터, 자동차 전동화, 사물인터넷(IoT), 가전제품 등 산업 전반의 변화를 이끄는 요인에 힘입어 2030년까지 1조 달러를 넘어설 것으로 전망됩니다.

제조업체에는 기회인 동시에 위협이기도 합니다. 늘어나는 수요에 대응하지 못하면 경쟁에서 뒤처질 수 있기 때문입니다.

앞으로는 수율을 유지하면서 소재 품질과 공정을 안정적으로 관리하고, 생산량까지 확대할 수 있는 기업이 시장을 선도하게 될 것입니다.

그렇다면 원료 분말부터 웨이퍼와 박막, 첨단 패키징에 이르기까지 각 생산 단계에서는 어떤 분석 기술이 필요할까요?

전구체 소재의 균일한 품질 확보

반도체 제조에서 가장 먼저 마주하는 과제 중 하나는 화학기상증착(CVD), 원자층증착(ALD), 물리기상증착(PVD) 등의 증착 공정에 사용되는 전구체 소재를 안정적으로 생산하는 것입니다. 전구체 생산 과정에서는 분말이 원료로 자주 사용되며, 경우에 따라 분말 자체가 최종 제품이 되기도 합니다.

안정적이고 재현성 높은 박막 증착을 위해서는 분말의 크기와 형상, 결정상 및 원소 순도, 표면 특성이 일정해야 합니다. 입자 형상이나 표면적이 조금만 달라져도 반응성과 박막 형성이 달라질 수 있으며, 이러한 차이는 후속 공정의 편차와 비용 증가로 이어질 수 있습니다.

따라서 제조업체와 공급업체는 여러 분석 기술을 함께 활용해 배치 간 품질을 일정하게 유지해야 합니다. 대표적으로 다음과 같은 장비를 활용할 수 있습니다.

• Mastersizer와 Morphologi 4는 각각 레이저 회절과 이미지 분석을 이용해 입자의 크기와 형상을 분석합니다.
• 3Flex 와 TriStar는 가스 흡착법으로 비표면적과 기공 크기를 측정합니다.
• Empyrean과 Aeris 등의 XRD 장비는 소재의 결정상을 확인하는 데 사용됩니다.
• Zetium과 Epsilon 4 등의 XRF 장비는 원소 조성과 순도를 분석합니다.

첨단 웨이퍼의 결정 방향 정밀 관리

웨이퍼 단계에서는 결정 방향을 정확하게 관리해야 합니다. 특히 반도체 소재가 기존의 실리콘에서 SiC, GaN, InP, Ga₂O₃ 등의 와이드 밴드갭 소재로 확대되면서 결정 방향 측정의 중요성이 더욱 커지고 있습니다.

잉곳과 불(boule), 웨이퍼의 결정격자 방향은 연삭과 절단부터 이온 주입에 이르기까지 여러 후속 공정에 영향을 줍니다. 결정 방향을 정밀하게 관리하지 않으면 수율이 떨어지거나 최종 제품의 품질이 저하될 수 있습니다.

말번 파날리티칼의 XRD 결정 방향 측정 시스템은 결정 방향을 빠르고 정밀하게 측정해, 웨이퍼가 첨단 반도체 소자에 필요한 구조적 정확성을 갖출 수 있도록 지원합니다.

원자 단위로 박막 특성 관리

박막 공정은 또 다른 차원의 복잡한 과제를 안고 있습니다. 다층 박막 구조가 복잡해질수록 두께와 밀도, 조성에서 발생하는 원자 단위의 작은 차이도 전기적 특성과 장기 신뢰성에 큰 영향을 줄 수 있습니다.

높은 정밀도와 분해능을 갖춘 분석 장비, 특히 첨단 XRF 및 XRD 시스템은 박막의 두께와 조성 균일도를 모니터링하고, 내부 응력을 측정하며, 계면 품질을 평가하고, 공정 안정성을 유지하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 많은 반도체 팹에서 이러한 분석 결과는 첨단 공정 노드의 수율을 높이고 개발 기간을 단축하는 데 중요한 자료로 활용됩니다.

공정 단계마다 표면 평탄도를 확보하고 일정하게 유지하는 것도 중요합니다. 하지만 화학적 기계적 연마(CMP)에 사용되는 슬러리와 패드 자체에서도 편차가 발생할 수 있습니다. 슬러리의 안정성을 평가하는 Zetasizer와 패드의 기공 구조를 분석하는 AutoPore를 활용하면 연마율을 일정하게 유지하고, 공정 후반에 가서야 발견될 수 있는 결함을 미리 방지할 수 있습니다.

첨단 패키징 및 조립 공정의 신뢰성 확보

마지막으로 2.5D 구조, 3D 적층, 칩렛, 고밀도 인터커넥트 등 첨단 패키징 기술이 확대되면서 소재 관리에도 새로운 과제가 생기고 있습니다. 범프 하부 금속층(UBM)의 균일도부터 필러와 에폭시의 균일성에 이르기까지 다양한 요소가 기계적 강도와 열 성능은 물론, 복잡한 패키지 조립의 신뢰성에도 직접적인 영향을 미칩니다.

XRF, Mastersizer, FT4 분체 유동성 분석기, AccuPyc 등의 분석 장비와 기술은 패키지의 구조적 안정성과 신뢰성을 유지하면서 패키징 및 조립 기술을 발전시키는 데 필요한 정밀한 공정 관리 역량을 제공합니다.

원재료부터 반도체 패키징까지 아우르는 분석 솔루션

반도체 생산 과정에서 발생한 소재 문제는 해당 공정에만 머무르지 않고 이후 단계까지 연쇄적으로 영향을 미칠 수 있습니다. 적절한 분석 기술을 활용하면 작은 이상도 조기에 발견해 더 큰 문제로 이어지기 전에 대응할 수 있습니다.

말번파날리티칼과 마이크로메리틱스는 복잡한 반도체 제조 공정을 정확하게 이해하고 관리할 수 있도록 다양한 분석 솔루션을 제공합니다.

저희의 정밀한 분석 기술과 전문적인 기술 지원은 소재를 최적화하고 공정 편차를 줄여, 차세대 반도체 소자를 더욱 안정적으로 개발하고 생산할 수 있도록 지원합니다.

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