by Matt Halsey, Global Product Manager - Dry Pumps

 

 

도전 과제

반도체 제조업체들이 더 작아진 반도체 칩에 더 발전된 컴퓨팅 성능을 담으려 노력함에 따라 새로운 공정과 재료가 점점 더 자주 등장하고 있습니다. 새로운 디바이스 아키텍처, 멀티칩 및 칩렛 통합 방식, 첨단 패키징 기술은 작아지는 칩 크기에 대한 다양한 대안을 제시하고 있습니다. 디바이스 제조업체는 더 이상 미리 정해진 로드맵에 따라 생산하기 힘들고 장비 공급업체는 더 다양해지고 있으며 종종 상충하는 고객 요구 사항을 처리해야 하는 어려움을 겪고 있습니다. 기술 및 상업적 성공을 위한 경로가 다양해지는 환경에서 디바이스 제조업체와 장비 공급업체는 개발 주기를 앞당기고 신제품 출시 기간을 단축하며 주요 애플리케이션에서 신제품을 보다 정확하게 타겟팅하기 위한 긴밀한 협력이 점점 더 중요해질 것입니다.

 

진공 펌프 및 저감 시스템과 같은 필수 시스템이 있는 서브팹도 이와 동일한 압박을 받고 있습니다. 대부분의 반도체 제조 공정은 진공 상태에서 작동하며, 진공이 손실되면 공정 도구의 고장과 마찬가지로 생산이 중단될 수 있습니다. 팹에 새로운 공정과 재료를 도입하려면 도구에서 과도한 가스와 부산물을 제거하는 서브팹의 시스템에 미치는 영향을 신중하게 고려해야 합니다. 이 필수 단계를 무시하면 유지보수가 더 빈번해지고, 서비스 수명이 짧아지고, 신뢰성이 떨어지며, 최악의 경우 예기치 않은 가동 중단이 발생할 수 있습니다. 서브팹의 진공 시스템에 대한 추가적인 과제로는 에너지 비용 증가, 공간 축소, 제조 공정의 지속 가능성에 대한 우려 증가 등이 있습니다.

 

 

새로운 공정 및 재료

첨단 공정 노드의 생산량을 증가시키는 데 드는 자본 비용은 각 노드에서 기하급수적으로 증가하고 있으며 제조업체는 더 많은 제품을 생산하고 판매하여 제조에 드는 비용을 상환해야 한다는 압박을 끊임없이 받고 있습니다. 진공 시스템의 경우 이는 일반적으로 더 높은 유량과 더 큰 펌프의 필요를 의미합니다.

 

더 독한 화학 물질과 더 공격적인 반응을 사용하는 새로운 공정 화학에는 더 탄력적인 펌프가 필요합니다. 펌프는 이러한 화학 물질과 부산물, 그리고 공정 챔버를 청소하는 데 사용되는 독성 가스를 견딜 수 있는 고급 소재와 코팅을 통합해야 합니다.

 

원자층 증착(ALD) 및 화학 기상 증착(CVD)과 같은 중요한 새로운 공정에는 부산물이 배관을 막아 펌프를 느리게 하거나 멈추는 것을 방지하기 위해 더 넓은 온도 범위에서 작동할 수 있는 펌프가 필요합니다. 펌프의 온도 허용치는 매우 엄격하므로 열팽창에 세심한 주의가 필요하며 펌프 씰 등 펌프를 구성하는 부품 모두 높은 온도를 견딜 수 있어야 합니다. 또한 부산물이 쌓이지 않도록 펌프와 전체 진공 경로의 온도 프로파일을 주의 깊게 관리해야 합니다.

 

 

유틸리티 비용 증가

반도체 제조에는 평방 센티미터당 5.4MJ(1.5kWh) 이상의 많은 에너지가 사용됩니다. 전력은 비싸고 또 가격은 지속적으로 상승하고 있습니다. 본래 더 빠른 펌핑 속도와 더 높은 작동 온도에 관심이 많은 장비 제조 업체들도 비용과 탄소 배출을 줄이기 위해 에너지 효율이 높은 시스템을 요구하고 있습니다. 진공 펌프는 기계적인 작업을 수행하며 더 많은 작업을 수행할수록 더 많은 에너지가 필요하지만, 펌프 내부의 부산물이나 무거운 입자 부하로 인한 저항을 극복하기 위해 추가 전력이 필요한 열악한 환경에서는 이 문제가 더욱 악화할 수 있습니다. 지원하는 공정 장비가 유휴 상태일 때 펌프를 저전력 모드로 전환하는 기술로 이러한 문제를 어느 정도 완화할 수 있지만 혹독한 공정에서는 내부 침전물이나 높은 입자 부하로 인해 정지된 펌프를 안정적으로 재가동하기 어려울 수 있습니다.

 

전력 비용에 대한 우려의 정도는 지역마다 다릅니다. 예를 들어 대만에서는 전력 가용성이 심각하게 제한되어 있어 에너지 효율을 최우선으로 고려하고 있고 유럽에서는 최근 지정학적 사건으로 인해 석탄, 석유, 가스와 같은 기존의 전통적인 에너지원을 사용할 수 없게 되면서 에너지 가격이 크게 상승했습니다. 에너지와 관련된 지정학적 긴장은 단기간에 완화 및 해결되기 힘드므로 에너지 효율에 대한 요구가 더욱 커질 것으로 보입니다.

 

 

줄어든 공간

팹 공간의 높은 비용으로 인해 제조업체는 사용 가능한 공간에서 운용될 수 있는 장비의 수를 최대화해야 합니다. 기본적으로 서브팹 또한 위 층의 팹 및 클린룸과 같은 크기의 공간이어야 합니다. 그동안 진공 펌프의 물리적인 크기가 처리 용량을 대변했지만 더 작은 펌프에 대한 요구와 더 높은 용량 및 속도에 대한 요구는 더 늘고 있어 고객의 기대치에 맞추려면 펌프의 크기를 20%~30% 줄여야 합니다. 스태킹 펌프가 어느 정도 도움이 될 수 있지만 안전 및 유지보수 문제로 인해 이러한 접근 방식은 제한될 수 있습니다.

 

                                                                                                                                                                       

그림 1: 클러스터 도구를 기존의 방사형 레이아웃에서 선형 레이아웃으로 재구성. 장비 및 펌프는 공간을 덜 차지하지만 펌핑 용량은 동일하게 유지.

 

 

환경적 지속가능성

과학계에서는 이미 지구의 온난화가 인간 활동, 특히 화석 연료의 채취와 사용으로 인한 결과라는 것을 확신하고 있습니다. 하여 우리는 탄소 배출을 줄이기 위해 가능한 모든 노력을 다해야 할 공동의 의무가 있습니다. 철강이나 콘크리트 생산과 같은 일부 산업에 비해 반도체 제조에서 직접 배출되는 온실가스(GHG)의 양은 많지 않으며 철강이나 콘크리트 생산과 달리 배출량을 줄이기 위해 제조 공정의 근본을 바꿀 필요도 없습니다. 하지만 우리는 엄청난 양의 전력을 소비하고 있고 그 대부분은 화석 연료를 태워서 얻고 있기 때문에 궁극적인 해결책은 전력 생산을 재생 가능한 자원으로 전환하는 것입니다. 반도체 산업은 막대한 재정적, 정치적 영향력을 가진 업계로서 이러한 전환을 지지해야 하며 에너지 효율 개선을 통해 전력 소비를 줄임으로서 온실가스 배출을 줄여나가야 합니다.

 

더 높은 처리량과 온도에 대한 요구는 위에 언급한 지속가능성 목표 중 전력 소비를 줄이는 데 불리하게 작용합니다. 다행히도 비용 절감을 위한 경제적인 노력은 전력 소비를 줄여야 한다는 환경적인 의무와 직접적으로 맞닿아 있으며 반도체 산업은 환경 보호의 원칙을 폭넓게 수용해 왔습니다. Atlas Copco Group의 그룹사로써 Edwards는 지구 온난화를 2°C 미만으로 제한하기 위해 가능한 모든 조치를 취할 것을 약속하는 과학 기반 목표 이니셔티브(SBTi)에 서명했습니다. 반도체 산업의 대표적인 협회인 SEMI(국제반도체장비재료협회)는 반도체 제조업체와 장비 제조업체를 대상으로 에너지 소비량을 측정할 수 있는 근거를 제공하여 비교를 용이하게 하고 효율성을 높일 수 있는 지침인 SEMI S23을 업데이트했습니다.

 

도금 및 화학적 기계 연마(CMP)와 같은 일부 반도체 제조 공정은 진공을 전혀 필요로 하지 않지만, EUV 리소그래피 및 원자층 증착과 같은 공정은 진공 조건에서 챔버 가스를 대량으로 사용해야 합니다. ISMI(International SEMATECH Manufacturing Initiative)의 반도체 팹 및 장비 에너지 연구(그림 2)에서는 화학 기상 증착 도구의 전력 사용량을 조사했습니다. 서브팹의 건식 펌프가 제공하는 챔버 진공에 전력의 41%가, 툴 자체의 로드락(Load Lock) 펌프에 10%가 사용되어 절반 이상의 전력이 진공을 생성하고 유지하는 데 사용된 것으로 밝혀졌습니다. 또 다른 연구에서는 전체 팹 전력 소비의 약 40%가 공정 장비에, 그 중 약 절반(전체 에너지의 약 20%)이 공정 진공 제공에 할당된 것으로 나타났습니다. 이를 통해 진공 시스템의 에너지 효율을 개선하면 에너지 절감에 크게 기여할 수 있다는 것이 분명해졌습니다.

 

일반 대중뿐만이 아닌 특히 투자자들이 지속가능성 목표에 대한 검증 가능한 조치를 점점 더 많이 요구하고 있으며 소비자를 직접 상대하는 다운스트림 기업들 또한 지속가능성을 강화해야 한다는 소비자들의 압력을 받고 있습니다. 이러한 요구는 기업들뿐만이 아닌 공급망을 타고 업계 전반으로 파급되고 있습니다. 자체 제품의 에너지 사용량을 조사한 결과, 제품의 초기 생산부터 최종 폐기까지 투입되는 전력, 물, 냉각, 질소 등의 모든 에너지원을 포함하여 진공 펌프의 수명 기간 내 생하는 모든 온실가스 배출량의 97%가 사용 중에 소비되는 에너지에서 발생한다는 사실을 발견했으며, 따라서 에너지 효율성 개선이 제품 개발팀의 주요 목표가 되고 있습니다.

 

 

서브팹의 유틸리티 소비량

                                                                                                                                                  

그림 2: ISMI 연구에서 나온 이 예시에서는 CVD 공정 툴이 소비하는 전력의 절반 이상이 진공을 생성하는 과정에서 발생됩니다.

 

 

요약

반도체 제조업체와 장비 공급업체는 끊임없이 진화하고 있으며 점점 더 다양해지는 설계 및 개발 우선순위와 종종 상충하는 문제에 직면합니다. 새로운 공정과 재료를 채택하려면 공정 챔버에서 공정 화학 물질과 부산물을 처리하는 서브팹 시스템에 어떤 영향을 미칠지도 신중하게 고려되어야 합니다. 현재 서브팹 진공 시스템 공급업체에 영향을 미치는 트렌드 중에는 더 높은 펌핑 용량과 속도, 더 작은 크기의 제품, 에너지 효율성, 공정 지속 가능성에 대한 더 많은 관심에 대한 요구가 있습니다.

 

이처럼 급변하는 환경에서 반도체 장비 및 장치 제조업체들은 차세대 솔루션의 개발과 나날이 진화하는 과제의 더 깊은 이해를 위해 긴밀히 협력하여 함께 노력하는 것이 그 어느 때보다 중요합니다.

 

 

 

 

 

 

 

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