㈜한백 - LabVIEW와 PXI를 이용한 MOCVD Process Automation

Author(s):
기헌 남 - (주)한백 R&D센터

Industry:
Semiconductor

Products:
FieldPoint, LabVIEW, PXI/CompactPCI

The Challenge:
GaN(Gallium Nitride)용 MOCVD를 생산하고있는 한백은 MOCVD process automation을 위해 기존의 경쟁업체에서 사용하고있는 PLC-based system보다 경제적이고, 유연하며, 보다 빠른 개발시간을 위해 PC-based system을 채택했다.

The Solution:
MXI-3는 기존의 어떤 serial link 나 field bus보다 빠른 속도로 DAQ board(PXI system)와 메인PC를 연결해 주었으며, 이로 인해 PXI system에 별도의 embedded controller를 장착하지 않고도 process automation 임무를 훌륭히 수행할 수 있었다.

Why NI?
GaN(Gallium Nitride)용 MOCVD를 생산하고있는 한백은 MOCVD process automation을 위해 기존의 경쟁업체에서 사용하고있는 PLC-based system보다 경제적이고, 유연하며, 보다 빠른 개발시간을 위해 PC-based system을 채택했다. 그러나, 초기에 선택한 system은 산업용컴퓨터에 slot type의 data acquisition 및 digital I/O board를 사용했기 때문에 MOCVD system의 control rack에 모니터 및 산업용컴퓨터를 장착해야 했다. 이로 인해 유독성 원료(toxic gas)를 사용하는 MOCVD system에서의 안전성 문제가 제기 됐으며, system operating중 operator가 유관으로 직접 전체system을 감시할 때의 시야확보 문제, operator GUI의 시인성 확보를 위한 모니터 크기제한 등의 단점이 부각되었다.
이를 해결하기 위한 가장 적합한 system이 MXI-3를 사용한 PXI system 이었다. MXI-3는 기존의 어떤 serial link 나 field bus보다 빠른 속도로 DAQ board(PXI system)와 메인PC를 연결해 주었으며, 이로 인해 PXI system에 별도의 embedded controller를 장착하지 않고도 process automation 임무를 훌륭히 수행할 수 있었다.

MOCVD System 개요
CVD(Chemical Vapor Deposition)라는 것은 반응성이 강한 기체 상태의 화합물을 반응 장치 안에 주입하여 이를 빛, 열, 플라즈마, 마이크로파, x-ray, 전기장 등을 이용하여 박막을 형성하는 기술을 말한다. 이는 박막화의 용이도, step coverage, 수율 면에서 뛰어나, 고집적화가 요구되는 반도체 공정에서는 필수적인 기술이다. 이 중에서도 metal organic source(금속 유기 원료)를 이용하여 막을 형성시키는 방법을 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)라 한다.
MOCVD system 중에서도 공정 압력이나 활성화 에너지 종류, 공정 온도 등에 따라 APCVD/LPCVD/PECVD/PCVD/Theraml CVD/LTCVD/HTCVD 등으로 분류되기도 한다.
MOCVD 기술의 장점으로는 성막 속도가 빨라 공정 시간을 단축시킬 수 있고, source 및 운송 gas의 온도와 유량을 조절하여 막조성이나 성막속도를 제어할 수 있다는 것이다.

MOCVD system PM(Process Module)을 구성하는 요소 및 이들이 가져야 할 조건들에 대해 정리하면 다음과 같다.

1) Reactor

Showerhead
- 넓은 면적에 대해 source & gas를 균일하게 분포시겨야 함
- Particle 발생이 없어야 함
- Source가 흡착되어서는 안됨
Substrate heater
- 넓은 면적에 대해 균일한 온도 분포를 가져야 함
- 온도 상승 및 냉각 속도가 빨라야 함
Temperature controller
- 설정온도에 대해 정확한 제어가 가능해야함
- 공정의 재현성 확보, paticle 발생 억제, 장비의 신뢰도, COO(Cost of Ownership)를 위해 reactor wall, source & gas delivery line, vacuum line에 설치
Reactor 내의 흐름 제어 장치
- Reactor 크기, showerhead hole 형태, showerhead와 wafer 간의 간격 등을 고려한 최적의 design을 가져야 함
- 공정의 재현성 확보, particle 발생 억제, 균일한 박막 두께 형성, 막질 등을 실현키 위한 장치

2) Source & gas delivery module
- 막 조성과 성막 속도 제어 및 공정의 재현성 확보를 위해 source & gas의 정확한 유량 조절이 가능해야 함

3) Vacuum module
- Precursor 흡착 방지, 부산물 제거 등에 의해 장비의 신뢰성이 확보되어야 함

4) PM controller(hardware & software)
- 사용자와 친숙해야 하고, 신뢰도, 가변성, 최적합성이 있어야함

MOCVD system에 요구되는 조건들로는 장비의 신뢰도와 재현성, 막질과 throughput의 최적성, particle 발생의 최소화, 낮은 COO(Cost of Ownership) 등이다. 위에 서술한 MOCVD system PM 구성 요소들은 각각 이러한 조건들에 모두 만족되어야 한다.

시스템 구성

Main Operation GUI-I

Main Operation GUI-II

Hanvac MOCVD System ‘SOLOMON’

결론
User에 따라 System의 Spec.변경이 잦은 상황에서 프로그램 도구로서 NI의 LabVIEW를 채택한 것은 우리에게는 성공적 이었다. 우리는 NI의 PXI, MXI-3, FieldPoint등을 사용하여 시간과 성능의 두 마리 토끼를 모두 잡을 수 있었다. 여러분도 NI의 PXI와 LabVIEW의 매력에 빠져보기를 적극 추천한다.

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기헌 남
(주)한백 R&D센터

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