적용분야

열 어닐링은 반도체 제조에서 핵심적인 공정으로, 웨이퍼를 고온으로 가열하여 전기적 특성을 변화시키고 실리콘 내부의 응력을 완화하는 과정입니다. 이 공정의 중요한 부분인 급속 열 공정(Rapid Thermal Processing)은 불필요한 확산을 최소화하면서 도펀트 활성화와 결정 구조 복구를 가능하게 하여, 공정 효율을 크게 향상시킵니다.

기존에는 열 어닐링 공정이 주로 불활성 분위기에서 저항 가열 방식의 튜브 퍼니스(furnace)를 사용해 수행되었습니다. 어닐링 공정의 일반적인 온도 범위는 900 °C에서 1100 °C 사이이며, 폴리실리콘 어닐링의 경우 하한 온도가 약 700 °C까지 낮아집니다. 도펀트 활성화와 결정 손상 복구를 위한 퍼니스 어닐링 공정은 900 °C에서 약 30분의 공정 시간이 필요할 수 있습니다.

급속 열 어닐링(Rapid Thermal Annealing, RTA)은 급속 열 공정(Rapid Thermal Processing)이라고도 불리며, 반도체 공정 기술의 중요한 발전을 나타냅니다. 이 공정은 실리콘 웨이퍼를 수 초 동안 1000 °C를 초과하는 온도로 가열한 뒤, 열 충격과 웨이퍼 파손을 방지하기 위해 서서히 냉각합니다. 이러한 정보는 해당 분야에 대한 이해를 높이고 최신 기술 동향을 파악하는 데 도움을 줍니다.

다양한 제조 시설에서는 석영 튜브 램프, 유도가열, 저항 코팅 가열 등 서로 다른 열처리 방식을 사용합니다.

실리콘의 방사율은 온도, 파장, 그리고 표면 특성에 따라 달라지며, 이로 인해 서로 다른 분광 범위에서 복잡한 거동을 보입니다.

유도 가열이나 저항 가열을 사용하는 장비의 경우, 반도체 공정의 공정 중(in-situ) 및 인라인 온도 모니터링은 주로 CTratio 파이로미터를 통해 이루어집니다. 이 장치는 컴팩트한 2분리형 구조와 유연한 광섬유를 갖추고 있어, 좁거나 접근이 어려운 위치에도 설치할 수 있습니다. 또한 최대 315 °C의 주변 온도, 진동, 화학 물질 노출 등 가혹한 환경을 견딜 수 있도록 설계되었습니다.

비율식 측정 기술은 서로 다른 두 파장의 빛 강도를 비교하여 온도를 계산함으로써, 방사율 변화나 광학적 간섭, 또는 광 경로상의 장애물로 인해 발생하는 오차를 줄여 줍니다. 스마트 비율 소프트웨어 모드는 실리콘 방사율 변화에 대응해 보정할 수 있어, 두 파장에서 방사율이 동일하게 변하지 않는 경우에도 정확한 온도 측정을 보장합니다.

이러한 첨단 기술에도 불구하고, 반도체 산업에서는 여전히 열 램프를 사용하거나 웨이퍼를 가열된 열 질량(thermal mass) 근처에 배치하는 방식이 널리 사용되고 있습니다. 석영 튜브 램프를 사용하는 설비는 특정 파장에서 실리콘의 높은 방사율이라는 이점을 활용할 수 있지만, 정확한 온도 측정에는 여러 가지 어려움이 따릅니다. 램프는 약 1 µm 파장대의 에너지를 방출하기 때문에, 적외선 센서가 웨이퍼 대신 석영 튜브를 감지하는 문제가 발생할 수 있습니다.
또한 실리콘은 저온에서는 장파장 적외선에 대해 투명하지만, 고온에서는 불투명해집니다. 이러한 응용 환경에서는 약 1 µm 대역에서 동작하는 파이로미터는 적합하지 않으며, 기존의 장파장 적외선 센서를 사용해야 합니다. 열 균일성 측정을 위해서는 슬릿(slit)을 통해 여러 개의 파이로미터를 배치하거나, 적외선 카메라를 라인 스캐너 모드로 사용하는 방법이 활용될 수 있습니다.

수동형 센싱 헤드를 갖춘 광섬유 방식의 CTratio는 설치 환경이 까다로운 조건에서도 뛰어난 장점을 제공합니다. 전자부를 반응기 내부의 가혹한 환경으로부터 분리함으로써, 이 기술은 높은 내구성과 긴 수명을 보장합니다. 비접촉식 측정 시스템은 공정에 간섭하지 않아 오염 위험을 완전히 제거합니다. 또한 극도로 높은 온도와 잠재적으로 위험한 분위기 조건을 고려할 때, 광섬유 기술은 정확하고 안전한 온도 측정을 유지하는 데 필수적인 요소입니다.

Optris 파이로미터는 신뢰성이 높고 매우 비용 효율적인 솔루션으로, 경쟁 제품 대비 절반 수준의 가격으로도 정확하고 일관된 온도 데이터를 제공합니다. 이를 통해 성능을 타협하지 않으면서도 경제적인 선택이 가능합니다. 또한 적외선 센서의 리드 타임이 짧아 보다 빠른 도입과 개발 주기를 실현할 수 있습니다. Optris의 지속적인 기술 지원은 발생 가능한 문제를 신속하게 해결해 주며, 고객이 공정을 지속적으로 최적화하는 데 전문적인 지원을 제공합니다. 이러한 종합적인 접근 방식은 단기적인 성공을 보장할 뿐만 아니라, 장기적인 파트너십 형성에도 기여합니다.