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추광호 하나머티리얼즈 신사업 전무[창간 8주년 특별 기고]

반도체 강국, 엄격한 소재 품질관리 달렸다



화공기술사, 국제기술사, MBA, 저서 : 산업·특수가스 안전관리법 및 산업가스 특수가스 총서
반도체 및 디스플레이 산업이 기하급수적인 기술발전에 따라 산업에 사용되는 특수가스(Electronics Specialty Gases), 전구체(Precursors) 등의 엄격한 품질관리는 고객사들의 까다로운 요구조건(Specification)을 충족하기 위한 필수 조건이다.

DRAM분야에서는 Quadruple Patterning, V-NAND에서는 최대 92단까지 성공함에 따라 반도체공정에서 새로운 물질의 개발뿐만 아니라 기존에 공급되고 있는 소재의 좀 더 정교한 품질관리가 요구되고 있다.

그러나 반도체공정의 효율을 획기적으로 올려주는 물질을 찾는다는 것은 결코 쉬운 일이 아니며 상당히 많은 시간과 노력이 필요하다.

전자부분에 사용되는 물질은 분자가 사용되는 것이 아니고 원자 또는 전자가 사용되는 아주 기본적인 지식이 먼저 필요하다. 예를 들어 식각(Etching) 또는 클리닝(Cleaning) 등에 사용되는 CxFy 계열의 물질은 CxFy 형태의 분자를 사용하는 것이 아니고 C와 F를 분리하여 F라는 물질이 사용되며, 화학증착에 사용되는 N2O(아산화질소)의 경우 N과 O를 분리하여 O라는 원자가 사용된다. 즉, 적은 에너지로 쉽게 분리되고 분리된 원자는 다른 원자와 쉽게 반응을 하여야하는 특징을 가지고 있다. 이러한 특성 때문에 반도체공정에 사용되는 특수가스 또는 전구체물질들이 부식성, 독성, 가연성 등의 위험한 성향이 있는 것이다.

이러한 물질의 품질수준을 한 단계 올리기 위해서는 △확실한 품질관리(Quality Control) △자동화(Automation) △표준화(Standardization) △관리도를 통한 Early Warning 도입 △Gage R&R(반복성·재현성) △미확인 물질 관리(Unknown Impurity Management) 등이 필요하다.


원자·전자 단위 사용, 분리과정 안전 유의해야

품질관리·자동화·표준화 등 통한 품질수준 향상



우선 품질관리 중 수입검사(IQC, Incoming Quality Control)는 원재료뿐만 아니라 부재료, 각종 Utility, 용기, 밸브 등 공정에 투입되기 전에 사용되는 모든 항목에 대한 철저한 검증을 의미한다. 또한 공정품질관리(PQC, Process Quality Control)는 공정 내에서 발생되는 중요한 매개변수(Parameter)에 관리를 의미한다. 예를 들어 온도, 압력, 액위, 진동, 무게 등이 있으며, 이들이 최대한 변동이 발생되지 않도록 관리하는 것을 의미한다. 최종품질검증(OQC, Outgoing Quality Control)은 최종제품이 고객으로 전달되기 전에 모든 관리항목에 대한 검증을 의미하며, 검증항목에 대하여 요구조건을 만족하는 것이 아니고 기존 제품의 산포와 비교하여 같거나 비교우위가 되도록 하여야 한다.

자동화는 운전원으로부터 발생하는 실수를 최소화 할 뿐 아니라 산포를 줄여주고, 이상발생 시 그 원인 규명이 용이해 진다. 여기서 ‘불량은 산포의 합’이라는 점을 꼭 명심해야한다.

표준화는 생산공정을 포함한 모든 활동 즉, 환경안전, 품질, 사용도구 또는 기기 등에 적용되면 산포를 최소화 할 수 있다. 이때 4M(Man, Machine, Material, Method)+ 1E(Environment) 기법이 좋은 도구가 될 수 있다.

관리도를 통한 Early Warning 도입은 관리도를 작성하여 이상 또는 불량이 발생되기 전에 데이터의 변동으로부터 그 원인을 찾아내고 조치하는데 그 목적이 있다. 허용 가능한 산포와 안 되는 산포를 구별하고, 허용할 수 없는 산포의 원인을 규명하고 관리도에 대한 통계적인 이해가 필요하다.

Gage R&R은 관리도 혹은 공정능력 분석을 신뢰하기 위한 사전분석을 의미한다. 이 목적은 △둘 또는 그 이상의 분석 장비 비교 검증 △둘 또는 그 이상의 분석 운전원 비교 검증 △결함이 있다고 추정되는 장비의 검증 △Gage에 의한 변동폭을 결정 하여 실제 공정능력 검증에 있다.

우리는 모든 물질을 정량화할 수는 없으나, 규명되지 않은 물질, 즉 미확인 물질을 관리할 필요가 있다. 가장 큰 이유는 반도체 기술의 발전에 따라 과거에는 공정에 아무런 영향을 주지 않았던 물질이 새로운 불량을 발생시킬 수 있기 때문이다. 이에 새로운 불량이 발생 되었을 때 원인을 규명하고 해결하기 위해서 철저한 관리가 필요하다. 예를 들어 Gas Chromatography의 Shoulder Peak 또는 Unknown Peak, FTIR에서 비교분석(Substration) 등의 관리를 통하여 가능하다.

품질관리는 이러한 소개한 방법 외에도 여러 가지가 있으나, 궁극적인 목표는 △불순물 최소화 △산포 최소화 △Unknown Impurity 검출에 있음을 항상 유의해야 할 것이다.
반도체 구조 및 공정변화
관리도를 통한 Early Warning의 예시
Gage R&R
반도체 미세화에 따른 미확인 물질 관리

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