[측정원리]반도체용 압력센서(게이지)의 종류

​

반도체 장비에 적용되는 진공 게이지의 종류

반도체 공정의 심장부, 웨이퍼 위에서 나노미터 단위의 정교한 작업이 이루어지기 위해서는 완벽하게 통제된 환경이 필수적입니다. 이 환경을 조성하는 핵심 요소가 바로 '진공'이며, 이 진공 상태를 정확하게 측정하고 제어하는 장치가 오늘 우리가 이야기할 진공 게이지(vacuum gauge)입니다. 진공 게이지는 단순한 측정 도구를 넘어, 공정의 수율과 안정성을 결정짓는 반도체 엔지니어의 가장 중요한 파트너라고 할 수 있습니다

1. 왜 반도체 공정은 진공을 필요로 하는가?

반도체 제조 과정, 특히 증착(Deposition)이나 식각(Etching)과 같은 핵심 공정은 반드시 진공 환경에서 진행됩니다. 그 이유는 공정의 균일도와 순도를 확보하기 위함입니다. 진공 상태에서는 기체 분자들의 평균 자유 이동 거리(Mean Free Path, MFP)가 길어지는데, 이는 반응성 기체 분자들이 웨이퍼 표면에 도달하기 전에 다른 분자들과 충돌할 확률을 낮춥니다. 결과적으로 웨이퍼 전면에 걸쳐 균일한 박막을 형성할 수 있게 됩니다.

또한, 진공은 공정 환경을 오염시키는 수분이나 불순물, 유해 물질의 유입을 근본적으로 차단하는 역할을 합니다. 만약 챔버 내에 미세한 수분이나 산소가 남아 있다면, 이는 곧바로 웨이퍼의 산화나 불필요한 반응을 유발하여 소자의 성능을 저하시키게 됩니다. 따라서 엔지니어는 진공 게이지를 통해 챔버 내부의 압력을 실시간으로 모니터링하고, 설정된 공정 압력(예: 수십 mTorr)을 정확하게 유지함으로써 최적의 공정 조건을 확보하게 됩니다.

2. 진공 게이지의 삼총사: 작동 원리와 특징

진공 게이지는 측정 범위와 원리에 따라 다양하게 분류되지만, 반도체 공정에서 가장 핵심적으로 사용되는 세 가지 종류를 중심으로 살펴보겠습니다. 이 세 가지 게이지는 저진공부터 초고진공까지의 넓은 압력 범위를 커버하며, 각자의 장점을 바탕으로 공정의 다양한 단계에 적용됩니다.

2.1. 정밀함의 대명사: 다이어프램 게이지 (Capacitance Manometer)

다이어프램 게이지, 혹은 캐패시턴스 마노미터는 반도체 공정에서 가장 신뢰받는 게이지 중 하나입니다. 이 게이지는 압력에 따라 변형되는 얇은 금속 다이어프램(격막)을 이용합니다. 다이어프램의 변형은 두 전극 사이의 정전 용량(Capacitance) 변화로 이어지고, 이 변화량을 측정하여 압력을 계산합니다.

이 게이지의 가장 큰 장점은 측정값이 기체의 종류에 영향을 받지 않는다는 점입니다. 이는 공정 중 다양한 반응성 가스가 사용되는 반도체 환경에서 매우 중요합니다. 또한, 정밀도가 매우 높고 안정적이어서, 공정 압력 설정 및 제어의 기준으로 활용됩니다. 주로 저진공에서 중진공(대기압 ~ $10^{-4}$ Torr) 영역에서 사용되며, 특히 화학 물질에 대한 내성이 강해 식각이나 증착 공정의 메인 압력 측정에 필수적입니다.

2.2. 열전도도를 이용한 측정: 피라니 게이지 (Pirani Gauge)

피라니 게이지는 열전도도의 원리를 이용합니다. 게이지 내부에는 전기로 가열되는 필라멘트가 있으며, 주변 기체의 압력이 낮아질수록(진공도가 높아질수록) 기체 분자에 의한 열 손실이 줄어들어 필라멘트의 온도가 상승합니다. 이 온도 변화는 필라멘트의 전기 저항 변화로 측정되며, 이를 통해 압력을 환산합니다.

피라니 게이지는 구조가 비교적 간단하고 내구성이 좋으며, 저진공(대기압 ~ $10^{-3}$ Torr) 영역에서 빠른 응답 속도를 보입니다. 주로 챔버의 초기 배기 과정이나 로드락(Load Lock) 챔버처럼 진공 상태가 자주 변하는 영역에서 사용됩니다. 다만, 측정값이 기체의 열전도도에 따라 달라지기 때문에, 정확한 측정을 위해서는 사용되는 기체의 종류에 맞춰 보정(Calibration)이 필요하다는 특징이 있습니다.

2.3. 초고진공의 감시자: 이온 게이지 (Ionization Gauge)

반도체 공정 중에서도 특히 고진공 또는 초고진공(Ultra-High vacuum, UHV)이 요구되는 영역에서는 이온 게이지가 사용됩니다. 이온 게이지는 기체 분자를 이온화시켜 발생하는 전류의 양을 측정하여 압력을 계산합니다. 압력이 낮을수록(진공도가 높을수록) 이온화되는 분자의 수가 적어지므로 측정되는 전류량도 줄어듭니다.

이온 게이지는 크게 핫 캐소드(Hot Cathode) 방식과 콜드 캐소드(Cold Cathode) 방식으로 나뉩니다. 핫 캐소드 방식은 필라멘트를 가열하여 전자를 방출시키고, 콜드 캐소드 방식은 강한 자기장을 이용하여 전자를 가속시켜 이온화를 유도합니다. 이온 게이지는 $10^{-3}$ Torr 이하의 고진공 영역에서 뛰어난 성능을 발휘하지만, 역시 기체의 종류에 따라 이온화 효율이 달라지므로 보정이 필요하며, 핫 캐소드 방식의 경우 필라멘트의 수명 관리가 중요합니다.

3. 엔지니어의 시각: 진공 게이지 활용 팁

진공 게이지는 단순히 압력을 읽는 장치가 아니라, 공정의 상태를 진단하는 중요한 센서입니다. 현장에서 엔지니어들은 게이지를 설치하고 활용할 때 몇 가지 중요한 원칙을 따릅니다.

첫째, 설치 위치의 선정입니다. 진공 게이지는 챔버 내부의 실제 압력을 가장 잘 반영할 수 있는 위치에 설치되어야 합니다. 일반적으로 챔버와 진공 펌프를 연결하는 배관(포라인, Foreline)의 챔버와 가까운 쪽에 설치하여, 펌핑 과정 중의 압력 변화를 실시간으로 감지합니다.

둘째, 게이지 컨트롤러와의 연동입니다. 대부분의 진공 게이지는 독립적으로 작동하지 않고, 전용 컨트롤러에 연결되어 측정값을 디지털 신호로 변환합니다. 이 신호는 다시 공정 제어 시스템(PLC 또는 PC)으로 전달되어, 스로틀 밸브(Throttle Valve)와 같은 압력 조절 장치와 연동됩니다. 예를 들어, 설정 압력보다 높으면 밸브를 더 열어 펌핑 속도를 높이고, 낮으면 밸브를 닫아 압력을 유지하는 방식으로 정밀한 공정 압력 제어가 이루어집니다.

진공 게이지는 반도체 공정의 '눈'과 같습니다. 이 눈이 정확하게 작동해야만 엔지니어는 웨이퍼 위에서 벌어지는 미세한 화학 반응을 통제하고, 궁극적으로 높은 수율과 안정적인 제품을 생산할 수 있습니다.

간략한 설명 이미지