정전척(ESC)이란? 진공 장비는 웨이퍼를 어떻게 고정하고, 왜 뒷면에 헬륨을 흘릴까

정전척(ESC)이란?

정전척(electrostatic chuck, 줄여서 ESC, E-chuck이라고도 한다)은 식각, 이온 주입, 증착 같은 진공 장비에서 웨이퍼를 올려놓는 받침이다. 안에 전극이 묻혀 있어 전압을 걸면, 표면의 아주 얇은 절연층 너머로 정전기가 웨이퍼 전체를 평평하게 끌어당겨 붙잡는다. 온도 관리도 함께 맡는다. 웨이퍼 뒷면과 척 사이에 헬륨을 흘려(He 배압) 열을 아래로 전달한다.

진공에서 왜 정전기를 쓰는지, 왜 헬륨인지는 용어 카드에 나와 있다. 이 글은 한 단계 더 들어가 정전기로 어떻게 흡착하는지, 헬륨을 어떻게 지켜보는지, 웨이퍼를 어떻게 붙잡고 어떻게 놓는지를 다룬다.

웨이퍼는 왜 고정해야 하나? 기계식 클램프와 정전척은 무엇이 다른가?

웨이퍼는 챔버 안에 수십 초에서 몇 분 동안 머물며, 그동안 평평하게 놓여 있어야 하고, 위치가 어긋나지 않아야 하며, 온도도 안정되어야 한다. 대기압에서 작동하는 장비, 예를 들어 포토레지스트 코팅, 프로빙, 다이싱 장비는 진공 흡착 척을 쓴다. 아래에서 공기를 빼면 위의 대기가 웨이퍼를 눌러 주는 방식이다. 챔버 안에는 눌러 줄 대기가 없으므로 이 방법은 통하지 않는다.

다른 방법은 기계식 클램프다. 링으로 웨이퍼 가장자리를 앞면에서 눌러 고정한다. 간단하지만 문제가 세 가지 있다.

• 눌린 테두리는 가공되지 않는다: 링에 덮인 부분은 칩이 될 수 없다.
• 앞면에 닿는다: 누르고 뗄 때의 접촉과 마찰로 파티클이 생길 수 있다.
• 가장자리만 누를 수 있다: 가운데는 아무것도 누르지 않으므로, 뒷면에 가스를 흘리면 웨이퍼 전체의 온도를 고르게 맞추기 어렵다.

정전척은 뒷면에만 닿고 전면을 한꺼번에 흡착하므로 웨이퍼가 평평하고 앞면도 깨끗하게 유지된다. 지금은 많은 진공 장비가 정전척을 쓴다.

정전기는 웨이퍼를 어떻게 붙잡나?

금속판 두 장 사이에 절연체를 끼우고 전원에 연결한 모습을 떠올리면 된다. 두 판은 반대 전하를 띠고 서로 끌어당긴다. 척 안의 전극이 한 장, 실리콘 웨이퍼가 다른 한 장이고, 그 사이가 척 표면의 절연층이다.

이 힘은 거리에 매우 민감하다. 가까울수록 세게 끌어당기고, 조금만 멀어져도 힘이 크게 떨어진다. 그래서 절연층은 아주 얇게, 표면은 아주 평평하게 만든다. 웨이퍼가 휘어 있거나 뒷면에 파티클 하나가 끼어 있으면 그 부분은 제대로 흡착되지 않는다.

절연층이 전기를 통하는지에 따라 흔히 쓰는 방식은 두 가지로 나뉜다.

• 쿨롱형: 절연층이 전기를 거의 통하지 않아 전하가 전극과 웨이퍼 양쪽에 머물며 서로 끌어당긴다. 전원을 끄면 웨이퍼가 빨리 떨어진다.
• 존슨-라벡(Johnsen-Rahbek, J-R)형(덴마크 기술자 두 사람의 이름에서 왔다): 절연층이 아주 조금 전기를 통하도록 일부러 만든다. 아주 작은 전류가 웨이퍼와 척이 맞닿은 면까지 흘러 그곳에 전하가 모이므로, 같은 전압에서도 더 강하게 흡착한다. 대신 전원을 끈 뒤에도 그 작은 전류가 한참 동안 멈추지 않아 웨이퍼가 늦게 떨어진다.

이 밖에 전극을 두 개로 나누어 한쪽은 양극, 다른 쪽은 음극으로 하는 방식도 있어, 플라즈마가 켜지기를 기다리지 않고도 흡착할 수 있다.

뒷면에는 왜 헬륨을 흘리나?

플라즈마는 웨이퍼에 계속 에너지를 쏟아붓기 때문에 웨이퍼가 뜨거워진다. 온도가 조금만 달라도 식각되는 모양이 달라진다(‘플라즈마란?’ 참고).

진공에는 열을 실어 나를 공기가 없다(‘반도체 장비는 왜 진공이 필요할까?’ 참고). 웨이퍼가 척 위에 놓여 있어도 확대해 보면 두 면 모두 울퉁불퉁해서, 실제로 맞닿는 곳은 아주 작은 점들뿐이다. 사포 두 장을 겹쳐 놓은 것과 비슷하다. 점과 점 사이의 틈은 진공이라 열이 거의 건너가지 못한다.

그래서 이 틈에 헬륨을 흘린다. 기체 원자가 웨이퍼와 척 사이를 오가며 열을 아래로 실어 나르고, 냉각액이 흐르는 아래쪽 금속 받침에 넘겨준다. 척 표면에는 가는 홈이 새겨져 있어 헬륨이 뒷면 전체에 고루 퍼진다.

헬륨 압력을 조금 높이면 열이 조금 더 잘 전달된다. 그러나 그 압력은 챔버 안의 압력보다 높아서 웨이퍼를 위로 밀어 올린다. 척의 흡착력이 충분해야 웨이퍼를 눌러 둘 수 있다.

헬륨 유량이 올라가면 무엇을 뜻하나?

헬륨은 웨이퍼 가장자리에서 조금씩 챔버로 새어 나가며, 약간 새는 것은 정상이다. 장비는 뒷면 압력을 설정값으로 유지하면서 샌 만큼 채워 넣으므로, 채워 넣는 유량이 곧 새어 나가는 양이다. 유량이 높을수록 많이 새는 것이다. 흔한 원인은 세 가지다.

• 뒷면에 무언가 있다: 파티클 하나만으로도 웨이퍼 일부가 들뜬다. 한 대학 클린룸의 운영 절차서는 헬륨 누출이 너무 많아 장비가 알람을 띄우면 시료 뒷면을 깨끗이 닦고 다시 시도하라고 분명히 적고 있다.
• 웨이퍼가 휘었다: 전체가 평평하게 밀착되기 어려워 뒷면에 틈이 남는다.
• 척이 오래되었다: 표면이 닳고 이물이 붙으면서 흡착력과 밀착이 서서히 나빠진다.

너무 많이 새면 온도를 제어할 수 없다. 그다음 어떻게 되는지는 ‘플라즈마란?’에서 볼 수 있다.

웨이퍼는 어떻게 흡착되고 어떻게 떨어지나? 단계별로 보기

1. 올려놓기: 로봇 암이 웨이퍼를 챔버로 들여오면 척 아래에서 리프트 핀이 올라와 받는다. 암이 빠져나가면 핀이 내려가 웨이퍼를 척 위에 놓는다. 핀이 웨이퍼를 띄워 두어야 암이 아래로 빠져나올 수 있고, 그렇지 않으면 암이 웨이퍼 밑에 끼인다.
2. 전압을 걸어 흡착하기: 전극에 전압을 걸어 웨이퍼를 평평하게 끌어당긴다. 평평하게 붙어야 뒷면이 가스를 가둘 수 있다.
3. 헬륨을 흘려 확인하기: 뒷면 압력이 제대로 올라가는지, 유량이 범위 안에 있는지 본다. ‘정말 흡착되었는가’를 확인하는 단계다. 여기서 통과하지 못하면 장비는 보통 다음 단계로 넘어가지 않고 알람을 띄운다.
4. 공정 진행: 플라즈마를 켜고 식각하는 동안 헬륨 유량을 계속 지켜본다. 온도가 안정되어야 웨이퍼 전체가 고르게 식각된다. 유량이 갑자기 치솟으면 장비가 멈춘다.
5. 헬륨을 멈추고 빼내기: 공정이 끝나면 먼저 헬륨을 멈추고 뒷면에 남은 가스를 뽑아낸다.
6. 방전(디척, dechuck): 전압을 끄고, 플라즈마 안에서 양극과 음극이 번갈아 바뀌는 전압을 잠시 걸어 남은 전하를 중화하기도 한다. 전원을 꺼도 전하가 바로 사라지는 것은 아니며, 특히 J-R형은 시간이 더 걸린다.
7. 들어 올려 넘기기: 리프트 핀이 웨이퍼를 밀어 올리면 로봇 암이 들어와 가져간다. 전하가 다 사라지지 않았으면 웨이퍼가 아직 척에 붙어 있어, 핀이 미는 순간 미끄러지거나 튀거나 심하면 깨질 수 있다.

흡착이 안 되거나 떨어지지 않으면 현장에서는 어떻게 하나?

• 처음부터 흡착이 안 된다: 헬륨 압력이 올라가지 않아 장비가 다음 단계로 넘어가지 않고, ‘웨이퍼가 흡착되지 않았다’는 식의 메시지가 뜬다. 장비가 스스로 막는 인터락이므로 리셋을 계속 눌러도 해결되지 않고, 웨이퍼만 한 번 더 밀린다(‘장비의 알람과 워닝이란?’ 참고). 먼저 확인할 것은 웨이퍼 뒷면이 깨끗한지, 휘지 않았는지, 척의 전원과 누설 전류, 헬륨 배관의 이음쇠다.
• 유량이 날마다 올라간다: 척이 조금씩 닳고 있고, 한 장씩 보면 아직 범위 안이다. 추세를 봐야만 알 수 있다(‘FDC란?’ 참고).
• 척을 교체해야 한다: 챔버 오픈, 부품 교체, 진공 배기, 리크 체크를 거쳐 테스트 런을 통과해야 제품을 흘릴 수 있다(“장비를 고쳤는데, 왜 또 ‘테스트 런’을 해야 할까?” 참고).

fab24hr에서는

‘출근’을 누르고 ‘직장인의 하루’를 고른 뒤, ‘오늘 나는’ 카드에서 ‘양산 팹’을 누르고 좌우로 넘겨 장비 엔지니어를 찾은 다음 이름 아래의 ‘식각’을 누른다.

• 심야 근무 ‘전화 세 통’: 03:40에 공정에서 전화가 걸려 온다. ETCH-03 챔버 A가 02:47에 He 배압 알람을 띄웠다. 집에 있는 나는 야간조가 찍은 장비 뒷면 사진만 볼 수 있다. 챔버 A의 He 유량은 14.2, 챔버 B는 평소 8이지만 이건 결과이고, 찾아야 할 것은 ESC 누설 전류 램프다. 지금 장비사를 불러 아침에 ESC를 가져오게 할지는 내가 정한다.
• 오전 근무 ‘챔버 오픈’: 떼어 낸 기존 ESC는 표면이 닳았고, 아크로 탄 자국도 있다. 7번째 웨이퍼가 아직 챔버에 남아 있을 수 있는데, 수동 모드로 직접 뺄 수도 있다. 먼저 척의 방전이 끝났는지 확인하고, 그다음 리프트 핀을 올린다. 새 ESC는 나사 8개를 대각선 순서로 조여야 척이 평평해진다. 리크 체크에서 ESC 뒷면 He 이음쇠의 오링이 제자리에 앉아 있지 않은 것을 찾을 수도 있다. 리크 체크를 생략하면 테스트 웨이퍼의 He 유량이 경고선을 넘어 챔버를 다시 열어야 한다.

좌우로 넘겨 제조부를 고르면, 심야 근무에 전화하기 전에 리셋을 한 번 눌러 볼 수도 있다. 장비는 같은 알람을 다시 띄우고, 아래에 WAFER NOT CHUCKED 한 줄이 늘어난다.

웨이퍼가 척에 놓이는 모습은 식각 챔버를 열고 웨이퍼 아래의 정전척을 눌러 설명을 읽은 뒤 ‘작동 보기’를 누르면 볼 수 있다. 리프트 핀이 웨이퍼를 척 위에 내려놓고, 공정이 끝나면 다시 들어 올린다.

게임 속 회사, 인물, 장비 번호, 숫자는 모두 가상이며, 정전척과 뒷면 헬륨의 원리는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼다. 다른 업계 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.