반도체를 만들 때는 얼마나 정밀하게 가공하느냐만큼, 얼마나 효율적으로 생산하느냐도 중요합니다.
특히 반도체 공정이 미세해질수록 웨이퍼 위에 형성하는 얇은 막, 즉 박막의 두께와 균일도를 정밀하게 제어해야 하는데요.
이때 활용되는 기술 중 하나가 ALD(원자층 증착)입니다.
ALD는 정밀한 박막을 형성하는 데 유리하지만, 공정 시간이 길다는 한계가 있습니다.
그렇다면 ALD 공정의 정밀도를 유지하면서, 장비 구조를 개선해 생산 효율을 높일 수 있을까요?
이젠아카데미 수강생으로 구성된 TEAM 멋은 이러한 고민에서 출발해 'ALD 공정 생산성 향상을 위한 장비 구조 최적화 설계' 프로젝트를 진행했습니다.
웨이퍼의 이동 경로부터 챔버 구조까지, 어떤 부분을 개선하고자 했는지 살펴보겠습니다.
ALD 공정은 왜 정밀하지만 느릴까?
ALD(Atomic Layer Deposition)는 반도체 웨이퍼 표면에 원자층 단위의 얇은 박막을 형성하는 증착 기술입니다.
전구체와 반응체를 순서대로 공급하고, 남아 있는 가스와 부산물을 제거하는 과정을 반복하죠.
덕분에 박막의 두께를 정밀하게 조절할 수 있지만, 이러한 반복 과정 때문에 증착에 시간이 오래 걸립니다.
여기서 한 가지 더 생각해 볼 부분이 있습니다.
실제 반도체 장비에서는 증착 시간뿐 아니라 웨이퍼를 이동시키고 다음 공정을 준비하는 시간도 필요하다는 점입니다.
수강생들은 이 과정에서 발생하는 대기 시간을 줄이는 데 주목했습니다.
이를 위해 웨이퍼의 반입과 반출을 담당하는 EFEM부터 로드락 챔버, 트랜스퍼 챔버, ALD 챔버까지 연결하는 구조를 설계했습니다.
각 장비의 역할을 구분하면서도 웨이퍼가 효율적으로 이동할 수 있도록 구성한 것이죠.
웨이퍼 대기 시간을 줄이는 듀얼 로드락 설계
웨이퍼가 ALD 공정으로 이동하려면 대기압 환경에서 진공 환경으로 전환하는 과정이 필요합니다.
이 역할을 하는 장비가 로드락 챔버(Load Lock Chamber)입니다.
그런데 하나의 챔버에서 웨이퍼를 넣고 빼는 작업을 순서대로 진행하면, 압력 전환과 이송 과정에서 대기 시간이 발생할 수 있습니다.
수강생들은 이를 개선하기 위해 듀얼 로드락(Dual Load Lock) 구조를 적용했습니다.
두 개의 로드락 챔버를 번갈아 사용해 한쪽에서 웨이퍼를 준비하는 동안 다른 쪽에서는 이송 작업을 진행할 수 있도록 설계한 것입니다.
여기에 하나의 챔버에서 두 장의 웨이퍼를 다룰 수 있는 구조도 고려했습니다.
랙 앤 피니언 방식의 2단 그리퍼를 활용해 웨이퍼를 정해진 위치로 이동시키도록 구성했죠.
단순히 장비를 추가하는 것이 아니라, 웨이퍼가 기다리는 시간을 어떻게 줄일 수 있을지 고민한 설계입니다.
로봇 이동 경로까지 고려한 트랜스퍼 챔버
로드락에서 웨이퍼를 준비했다면, 다음은 공정 챔버까지 이동시키는 단계입니다.
여러 공정 챔버가 연결된 장비에서는 로봇의 이동 거리와 회전 동작도 중요한 요소가 됩니다.
수강생들은 이를 고려해 다각형 트랜스퍼 챔버(Polygonal Transfer Chamber)를 설계했습니다.
중앙에 웨이퍼 이송 로봇을 배치하고, 각 면에 공정 챔버와 연결되는 포트를 구성한 방식입니다.
이러한 구조는 로봇의 이동 거리와 회전량을 줄이고, 여러 챔버를 효율적으로 연결하는 데 목적이 있습니다.
물론 이동 경로만 고려한 것은 아닙니다.
웨이퍼가 이동하는 동안 진공 상태가 유지되어야 하므로, 로봇의 동작 범위와 주변 구조물 간 간섭, 진공 시스템의 안정성도 함께 검토했습니다.
효율적인 이동과 안정적인 공정 환경을 모두 고려한 설계인 셈입니다.
CATIA·SOLIDWORKS로 구현한 ALD 장비 설계 포트폴리오
수강생들은 앞서 살펴본 장비 구조를 CATIA와 SOLIDWORKS 등의 3D 설계 도구를 활용해 구체화했습니다.
로드락 챔버와 트랜스퍼 챔버, ALD 챔버를 모델링하고, 각 모듈을 하나의 시스템으로 연결했습니다.
ALD 챔버 내부의 가스 공급과 진공, 온도 제어를 위한 구조도 함께 검토했죠.
또한 부품 도면과 BOM(부품 명세서)을 정리하고, 장비의 동작을 확인하기 위한 구동 시뮬레이션도 제작했습니다.
이 과정은 단순히 장비의 외형을 만드는 작업이 아닙니다.
각 부품이 어떻게 연결되고, 웨이퍼가 어떤 순서로 이동하며, 장비가 어떻게 작동할지를 설계하는 과정입니다.
물론 보완할 점도 남았습니다. 실제 장비 설계에 참고할 자료가 부족했고, 일부 배기라인과 스크러버는 프로젝트 기간 내 구현하지 못했습니다.
고온 운전에 따른 열응력 해석과 진공 시스템의 설계 범위 역시 추가적인 검토가 필요한 부분으로 남았습니다.
이번 프로젝트는 실제 생산성 개선 수치를 검증한 사례라기보다, 공정 효율 개선을 목표로 장비 구조를 설계하고 3D 모델과 시뮬레이션으로 구체화한 포트폴리오입니다.
반도체 장비 설계, 완성된 모델보다 중요한 것은?
이번 ALD 장비 설계 프로젝트는 공정의 생산성 문제에서 출발해 웨이퍼 이송 흐름을 분석하고, 장비 구조를 설계하는 과정을 담았습니다.
반도체 장비 설계 포트폴리오를 준비한다면 완성된 3D 모델뿐 아니라 어떤 문제를 발견하고, 왜 이러한 구조로 설계했는지 눈여겨볼 만합니다. 설계 의도와 해결 과정이 함께 담길 때 프로젝트의 의미도 더 분명해집니다.
이젠아카데미의 반도체 장비 설계 관련 교육과정에서는 EFEM 구조 이해부터 CATIA 기반 3D 설계, 어셈블리·도면화, DMU 시뮬레이션과 해석 검증까지 다룹니다. 반도체 장비 설계 직무를 준비하며 자신의 아이디어를 포트폴리오로 발전시키고 싶다면 관련 교육과정을 살펴보세요.
캠퍼스 위치 확인 하기
#ALD장비설계 #반도체장비설계 #EFEM설계 #ALD공정 #ALD공정최적화 #웨이퍼이송시스템 #듀얼로드락 #트랜스퍼챔버 #반도체설계포트폴리오 #CATIA #SOLIDWORKS #이젠아카데미