증착

증착 공정은 기판 위에 원하는 물질의 얇은 막(박막)을 형성하는 핵심 기술이다. 이는 반도체, 디스플레이, 태양전지 등 다양한 첨단 산업에서 소자의 전기적, 광학적, 기계적 특성을 부여하고 성능을 결정하는 데 필수적인 역할을 한다. 마치 건축에서 건물의 뼈대 위에 벽을 세우고 마감재를 덧입히는 과정처럼, 증착은 소자의 기능적 층을 정밀하게 쌓아 올리는 작업이다.

목차

1. 증착 공정의 개념 및 중요성
2. 증착 기술의 역사와 발전 과정
3. 핵심 증착 기술 및 원리
   1. 물리적 기상 증착(PVD, Physical Vapor Deposition)
   2. 화학적 기상 증착(CVD, Chemical Vapor Deposition)
   3. 원자층 증착(ALD, Atomic Layer Deposition)
4. 주요 활용 사례 및 특이한 응용 분야
5. 증착 공정의 현재 동향
6. 증착 공정의 미래 전망

1. 증착 공정의 개념 및 중요성

증착 공정(Deposition Process)은 웨이퍼나 다른 기판 표면에 분자 또는 원자 단위의 물질을 쌓아 얇고 균일한 막, 즉 박막(Thin Film)을 형성하는 과정을 의미한다. 이 박막은 두께가 1 마이크로미터(μm) 이하인 매우 얇은 막을 지칭하며, 반도체 소자에 전기적 특성을 부여하는 핵심 요소이다. 반도체 제조의 8대 핵심 공정 중 하나인 증착은 소자의 성능과 집적도를 결정짓는 중요한 단계로, 박막의 두께와 균일도가 반도체 소자의 품질과 성능을 좌우하기 때문에 그 중요성이 매우 크다.

마이크로칩은 단일 블록에서 조각되는 것이 아니라, 미세한 고층 빌딩처럼 층층이 쌓아 올려지는 구조를 가진다. 증착은 전도성, 절연성 또는 반도체성 등 이러한 기능성 층 각각을 추가하는 근본적인 구축 공정이다. 예를 들어, 전도성 층은 칩의 배선 역할을 하여 구리(Cu), 알루미늄(Al), 텅스텐(W)과 같은 재료로 증착되어 전기 신호가 흐르는 경로를 만든다. 절연체(유전체) 층은 전기 절연체로, 전도성 층이 서로 분리되도록 하여 단락을 방지하고 신호 간섭을 막는 역할을 한다. 이산화규소(SiO₂)나 High-k 유전체 등이 사용된다. 반도체 층은 트랜지스터의 심장부로서 켜고 끄는 기능을 부여하여 디지털 논리의 1과 0을 나타낸다.

증착된 박막은 전체 웨이퍼에 걸쳐 정확히 동일한 두께를 가져야 하며, 단 몇 개의 원자라도 두께 변동이 발생하면 수십억 개의 트랜지스터가 다르게 작동하여 칩이 실패할 수 있다. 따라서 높은 균일도와 스텝 커버리지(Step Coverage, 기판의 단차를 얼마나 잘 덮는지)는 증착 공정의 핵심적인 품질 지표로 평가된다.

2. 증착 기술의 역사와 발전 과정

증착 기술은 19세기 백열전구의 필라멘트 제조에서 시작되어, 1950년대 이후 전자 재료를 중심으로 물리적 기상 증착(PVD)과 화학적 기상 증착(CVD)이 응용되기 시작하며 비약적인 발전을 이루었다. 초기에는 주로 열 증발법과 같은 기본적인 PVD 방식이 사용되었으나, 반도체 산업의 성장과 함께 더욱 정밀하고 다양한 물질을 증착할 필요성이 대두되었다.

1980년대까지는 증착 변수에 따른 박막의 조직 제어 연구가 활발히 이루어져 조직대 모델(Structure Zone Model; SZM)이 완성되기도 했다. 특히 반도체 미세화가 진행되면서 소자 구조가 복잡해지고 요구되는 박막의 정밀도가 극도로 높아졌다. 과거 산화 공정으로 만들던 게이트 유전막 등도 현재는 증착 공정으로 주로 형성되고 있으며, 이는 더 얇고 균일한 막질을 구현하기 위함이다.

2000년대 이후 나노 기술의 등장과 함께 원자층 증착(ALD)과 같은 초정밀 기술이 개발되며 박막 제조 기술은 더욱 고도화되었다. ALD는 원자 단위로 박막 두께를 제어할 수 있는 혁신적인 기술로, 3D 낸드플래시, FinFET, GAAFET과 같은 복잡한 3D 반도체 구조 구현에 필수적인 기술로 자리매김했다. 이러한 기술 발전은 반도체 소자의 성능 향상과 집적도 증대에 결정적인 기여를 해왔다.

3. 핵심 증착 기술 및 원리

증착 공정은 크게 물리적 기상 증착(PVD), 화학적 기상 증착(CVD), 원자층 증착(ALD) 세 가지 방식으로 나뉜다. 각 방식은 고유한 원리와 장단점을 가지며, 적용되는 분야 또한 다양하다.

3.1. 물리적 기상 증착(PVD, Physical Vapor Deposition)

PVD는 증착하려는 물질을 물리적인 방법(열, 충격, 전자빔 등)으로 기화시켜 기판에 응고시키는 방식이다. 마치 물을 끓여 수증기가 냄비 뚜껑에 이슬처럼 맺히는 것처럼, 고체 상태의 원료 물질을 기화시켜 기판 표면에 박막으로 응축시키는 원리이다. 주로 금속 배선 형성 시 사용되며, 증착 물질의 순도가 높고 다양한 물질에 적용 가능하다는 장점이 있다. 하지만 기판의 복잡한 단차를 균일하게 덮는 능력인 스텝 커버리지(Step Coverage)가 취약할 수 있다는 단점이 있다.

주요 방식으로는 다음과 같다:

• 열 증발법(Thermal Evaporation): 증착할 물질에 직접 열을 가하여 증발시키고, 이 증발된 입자들이 기판에 도달하여 박막을 형성하는 방식이다. 전자빔을 이용하는 E-beam Evaporator는 국소적으로 높은 온도를 가할 수 있어 끓는점이 높은 물질도 증착 가능하다.
• 스퍼터링(Sputtering): 아르곤(Ar)과 같은 불활성 기체를 플라즈마 상태로 만들어 이온화시킨 후, 이를 증착하려는 물질(타겟)에 고속으로 충돌시켜 타겟 물질의 원자를 떼어내 기판에 증착하는 방식이다. 마치 페인트 스프레이처럼 미세한 입자를 분사하여 코팅하는 것과 유사하다. 스퍼터링은 열 증발법보다 다양한 물질에 적용 가능하며, 특히 금속 박막 증착에 주로 사용된다. 반응성 스퍼터링(Reactive Sputtering)은 스퍼터링된 소스 물질이 가스와 반응하여 화합물을 증착하는 방식으로, 예를 들어 Ti를 스퍼터링하면서 N₂를 흘려 TiN을 증착하는 데 사용된다.

3.2. 화학적 기상 증착(CVD, Chemical Vapor Deposition)

CVD는 기체 상태의 반응물(전구체, Precursor)을 챔버에 주입하여 기판 표면에서 화학 반응을 일으켜 박막을 형성하는 방식이다. 마치 표면에 특정 화학 물질을 뿌려 반응을 유도하여 얇은 막을 만드는 것과 유사하다. PVD보다 막질과 스텝 커버리지가 우수하며, 복잡한 3D 구조에도 비교적 균일한 박막을 형성할 수 있다. 하지만 일반적으로 고온 공정이 필요하고, 증착 속도가 느릴 수 있다는 단점이 있다. 또한 반응 부산물이 발생하여 이를 제거해야 한다.

다양한 종류의 CVD가 존재하며, 주로 사용되는 외부 에너지원에 따라 구분된다:

• 열 CVD(Thermal CVD): 기판을 가열하여 전구체 가스가 표면에서 열화학 반응을 일으키도록 하는 가장 기본적인 CVD 방식이다.
• 플라즈마 강화 CVD(PECVD, Plasma Enhanced CVD): 플라즈마 에너지를 이용하여 저온에서도 화학 반응을 유도하여 박막을 형성하는 방식이다. 저온 공정이 가능하여 열에 민감한 기판에도 적용할 수 있으며, 두께 균일도 조절 및 대량 처리가 용이하여 가장 많이 이용되는 방식 중 하나이다.
• 저압 CVD(LPCVD, Low Pressure CVD): 챔버 내부를 저압 상태로 유지하여 기체 분자들의 평균 자유 행로를 늘려, 기판 표면까지의 이동 거리를 확보하고 균일한 증착을 유도하는 방식이다.
• 고밀도 플라즈마 CVD(HDPCVD, High Density Plasma CVD): 고밀도 플라즈마를 사용하여 증착과 동시에 스퍼터링 효과를 일으켜, 박막의 밀도를 높이고 빈 공간(Void) 발생을 줄이는 데 효과적이다.

3.3. 원자층 증착(ALD, Atomic Layer Deposition)

ALD는 CVD의 한 종류로, 전구체를 번갈아 주입하여 기판 표면에 한 원자층씩 순차적으로 박막을 형성하는 기술이다. 마치 레고 블록을 한 층씩 쌓아 올리듯, 원자 단위의 정밀한 두께 제어가 가능하다. ALD는 자가 제한적인 표면 반응을 통해 이루어지므로, 뛰어난 균일도와 스텝 커버리지를 제공하여 복잡한 3D 구조에서도 완벽에 가까운 박막을 형성할 수 있다. 이러한 특성 때문에 첨단 반도체 공정에 필수적인 기술로 부상하였다.

일반적인 ALD 공정은 두 가지 전구체 주기로 구성된다:

1. 첫 번째 전구체 주입: 첫 번째 전구체가 기판 표면에 흡착되고, 자가 제한적으로 단일 원자층을 형성한다.
2. 불활성 가스 퍼지: 반응하지 않은 잔여 전구체와 부산물을 챔버 밖으로 배출한다.
3. 두 번째 반응물 주입: 두 번째 반응물이 기판 표면에 흡착된 첫 번째 전구체와 화학 반응을 일으켜 원하는 박막 물질의 한 층을 완성한다.
4. 불활성 가스 퍼지: 반응하지 않은 잔여 반응물과 부산물을 배출한다.

이러한 4단계 주기를 수백 또는 수천 번 반복하여 원하는 두께의 박막을 형성한다. ALD는 원자 단위로 막을 쌓기 때문에 증착 속도가 느리다는 단점이 있지만, D램의 커패시터와 같이 종횡비(Aspect Ratio)가 높고 고품질의 막질이 필요한 부위에 주로 사용된다. 특히 High-k 유전막 형성에도 ALD 기술이 필수적으로 적용된다.

4. 주요 활용 사례 및 특이한 응용 분야

증착 공정은 현대 첨단 산업 전반에 걸쳐 광범위하게 활용되고 있으며, 그 중요성은 더욱 커지고 있다.

• 반도체 제조: 증착 공정은 반도체 제조의 핵심 단계이다. 트랜지스터의 게이트 유전막, 금속 배선, 소자 간 절연을 위한 층간 절연막(IMD, Inter-Metal Dielectric), 소자 보호를 위한 보호막(Passivation Layer) 형성 등에 광범위하게 사용된다. 특히 3D 낸드플래시, FinFET, GAAFET과 같은 3D 구조 반도체에서는 복잡한 구조 내부에 균일한 박막을 형성하기 위해 ALD와 같은 초정밀 증착 기술이 필수적이다. 또한 멀티 패터닝을 위한 하드 마스크 형성에도 증착 기술이 활용된다.
• 디스플레이 패널: OLED(Organic Light-Emitting Diode) 디스플레이 패널에서 빛과 색을 내는 유기 발광층(RGB 픽셀)을 형성하는 데 증착 공정이 핵심적인 역할을 한다. 진공 상태에서 유기 물질을 증발시켜 기판에 얇은 필름 형태로 증착하며, 이때 미세 금속 마스크(FMM, Fine Metal Mask)를 사용하여 각 픽셀에 정확한 유기물을 배치한다. 이 공정의 정밀도가 OLED 디스플레이의 화질과 수명을 결정한다.
• 태양전지: 박막형 태양전지 제조에 증착 기술이 활용된다. 특히 페로브스카이트 태양전지의 경우, 진공 박막 증착 공정으로 고효율·장수명 전지를 제조하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이는 대량 생산에 유리하다는 장점이 있다. P형, I형, N형 증착 챔버에서 각 불순물이 첨가된 가스를 공급하여 순차적으로 태양전지 층을 형성하는 기술도 개발되었다.
• 광학 코팅: 렌즈나 거울 표면에 반사 방지 코팅, 스크래치 방지 코팅, 특정 파장 선택 필터 등 다양한 광학적 특성을 부여하는 박막을 형성하는 데 증착 기술이 사용된다.
• 내마모성 코팅: 공구의 수명을 늘리거나 부품의 마찰을 줄이기 위해 표면에 단단하고 내마모성이 우수한 박막을 증착한다. TiN(질화티타늄) 코팅 등이 대표적인 예시이다.
• 마이크로전자 부품 제조: MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems) 소자, 센서, 액추에이터 등 다양한 마이크로전자 부품의 기능성 층을 형성하는 데 증착 기술이 필수적으로 적용된다.

5. 증착 공정의 현재 동향

최근 증착 공정은 반도체 소자의 미세화 및 3D 구조(예: 3D 낸드플래시, FinFET, GAAFET) 구현을 위해 더욱 정밀하고 균일한 박막 형성 기술이 요구되고 있다. 반도체 소자의 집적도가 높아질수록 원자 레벨의 증착이 가능한 ALD 기술의 중요성이 더욱 부각되고 있다.

주요 동향은 다음과 같다:

• ALD 기술의 고도화: High-k 유전막, 금속 게이트 등 차세대 소재 적용과 초미세 공정에서 ALD는 핵심 기술로 자리 잡고 있다. 특히 플라즈마 손상을 최소화하는 원거리 플라즈마 ALD(Remote Plasma ALD)와 같은 신기술이 개발되고 있다. 이는 플라즈마 발생 지역과 기판 사이의 간격을 충분히 넓게 확보하여 플라즈마 이온들이 기판에 주는 영향을 최소화함으로써, 박막의 손상을 줄이고 전자 이동도를 향상시키는 기술이다.
• GAAFET 구조 적용 확대: 삼성전자가 3nm 공정에서 GAAFET(Gate-All-Around FET)을 양산하며, GAAFET 구조의 채널을 형성하기 위한 Si/SiGe 박막 증착 공정의 중요성이 커지고 있다. GAAFET은 게이트가 채널의 4면을 둘러싸는 구조로, 채널 제어력을 극대화하여 누설 전류를 줄이고 성능을 향상시킨다.
• 공정 효율성 및 청정도 향상: 반도체 제조 공정에서 분진(Particle)은 수율에 치명적인 영향을 미치므로, 진공 상태에서 분진 없이 대형 기판을 정밀하게 이송하는 등 공정 효율성과 청정도를 높이는 연구도 활발히 진행 중이다.
• 전구체(Precursor) 기술 발전: 고품질의 박막을 안정적으로 증착하기 위한 전구체 화학 소재 및 이를 안정적으로 기화하여 공급하는 기화기 기술 개발도 중요한 동향이다. 특히 High-k 유전막이나 SiGe 증착에 필요한 전구체 수요가 증가하고 있다.

증착 장비 시장은 Applied Materials, Lam Research, TEL 등 상위 3개 업체가 73.2%의 점유율을 차지하며 높은 진입 장벽을 형성하고 있으나, 원자 단위의 증착 정밀도를 요구하는 장비 수요가 증가하면서 향후 진입 장벽은 더욱 높아질 전망이다. 국내 업체들도 ALD 장비 등 난이도 높은 장비 국산화에 성공하며 점유율을 점진적으로 높이고 있다.

6. 증착 공정의 미래 전망

미래 증착 기술은 더욱 고도화된 나노 소자 제작을 위해 원자 단위의 정밀 제어 능력을 향상시키는 방향으로 발전할 것이다. 특히, 리소그래피 및 식각 공정의 한계를 극복하고 제조 효율성을 높일 수 있는 혁신적인 기술들이 주목받고 있다.

주요 미래 전망은 다음과 같다:

• 영역 선택적 원자층 증착(Area-Selective ALD, AS-ALD) 기술: AS-ALD는 리소그래피 및 식각 공정 없이도 원하는 영역에만 박막을 형성하는 기술이다. 이는 기존의 복잡한 “Top-down” 방식 대신 “Bottom-up” 방식으로 재료를 증착하여 초소형 반도체의 대량 생산 효율을 높이고 비용을 절감할 잠재력을 가지고 있다. AS-ALD는 표면 화학의 차이를 활용하여 특정 영역에만 증착이 일어나도록 유도하는 방식으로, 자기 조립 단분자막(SAMs)과 같은 억제제(inhibitor)를 사용하여 비성장 영역의 증착을 방해하는 연구가 활발히 진행 중이다. 이 기술은 5nm 이하의 초미세 공정에서 정렬 오차(Edge Placement Error, EPE) 문제를 해결하고, 자가 정렬(self-aligned) 제조를 가능하게 하여 반도체 산업의 주요 병목 현상을 해결할 것으로 기대된다.
• 초고속 증착 및 저원가 기술 실현: ALD의 느린 증착 속도라는 단점을 극복하기 위한 초고속 ALD 기술 개발과 함께, 전반적인 증착 공정의 비용을 절감하기 위한 연구가 지속될 것이다.
• 에너지 소재 및 친환경 공정 적용: 태양전지, 배터리 등 에너지 관련 소재 분야에서의 고성능 박막 증착 기술 개발이 가속화될 것이며, 친환경 공정 기술 개발을 통해 환경 영향을 최소화하는 방향으로 발전할 것이다.
• 융복합 공정을 통한 기능성 코팅: 다양한 증착 기술을 융합하여 새로운 기능성 박막을 개발하고, 이를 통해 혁신적인 소재 및 소자를 구현하는 연구도 활발히 진행될 전망이다.

증착 기술은 단순히 물질을 쌓는 것을 넘어, 원자 단위의 정밀 제어를 통해 미래 전자 소자의 성능과 기능을 좌우하는 핵심 동력으로 계속해서 진화할 것이다.

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