[논문]반도체 장비 히터로드 유착 개선에 관한 연구

왕현철; 서화일

문제 정의

기존 공정 온도(~300℃)에서 12개월 사용하던 교체 주기가 고온공정(>500℃) 사용 시 3개월 사이에 히터와 필터 컨넥터 사이 유착이 발생하는 문제가 발생하였고, 히터 로드의 유착 발생 시 고가의 히터를 교체하는 교체비용과 교체 Tool time이 증가하는 문제가 발생하며, 본 연구에서는 고온공정(>500℃)에서 6개월 이상 사용할 수 있는 사용 주기를 목표로 하고 진행하였다.
본 논문에서는 PE-CVD 장비 고온 공정에서 발생할 수 있는 히터-척과 RF Filter 사이의 탄화 및 유착 발생 부분을 트리즈(TRIZ) 기법을 통해 해결안을 제안하고자 하였다.
본 논문에서는 산업현장에서 많은 문제가 되는 고온 공정에 따른 히터-척과 RF Filter 연결부의 탄화 및 유착 문제를 창의적 문제해결 이론인 트리즈(TRIZ) 기법을 통해 문제 현상에 대한 정의와 다양한 분석 기법을 통한 모순 도출, 도출된 모순을 근거로 개선안 도출 과정을 진행하였고 산업체에 바로 실현 가능한 이상에 가까운 해결안 도출, 제안하고자 한다[3].

제안 방법

8. ASIT 기법을 이용한 Solution 제안.
ASIT분석을 통해 승온 시 발열에 의한 열팽창과 접촉 저항의 증가가 컨택부의 탄화나 유착을 발생시키는 것으로 분석되어 접촉저항기(TOS6200, KIKUSU社 )를 이용하여 재료 변경 전/후에 대한 접촉저항 성분을 비교 분석하였다. 기존 BeCu 재질의 소켓과 부싱 구조에서 접촉저항 측정값은 10.
ASIT의 5가지 해결책에 대해 Fig. 7과 같이 그림으로 표현하였고 컨넥터를 제거하고 AC Line을 직접 연결하는 방법이나 전원라인을 AC에서 DC로 교체하는 방법, 소켓 (socket)의 형상을 다중에서 단일구조로 변경, 부싱(busing)의 단면적을 넓혀 표면저항을 낮추는 방법, 컨넥터를 제거하고 전원 케이블을 히터로드에 직접(direct) 연결하는 방법 등은 제안하였고 이상의 ASIT의 5가지 기법은 문제점에 대한 구성요소들을 분석하여 원하는 결과를 도출하기 위한 방법으로 사용되므로 문제의 원리에서 벗어난 사고를 차단하여 범위 내에서만 해결하기 때문에 모든 아이디어가 논지에서 벗어나지 않는 결과만을 도출하게 되는 장점이 있었다.
7. IFR기법을 이용한 Solution 제안.
PE-CVD 기본 구조 및 문제를 도식화 하여 각 요소들 간에 연결 계통을 이해하고 문제점을 시각화 하였다. Fig.
문제에 대한 정확한 분석을 위해 시스템 도식화,기능분석, 시스템분석, 근본원인분석 등을 진행하였고 이를 통해 고온에서 접촉부 열팽창에 의한 접촉 저항 증가로 인한 탄화 및 유착이 발생하는 것을 확인하였고 IFR 및 ASIT 등 트리즈 해결기법을 통해 고온에 사용되는 파트에 대한 열팽창을 개선할 수 있는 방법을 제시하였다.
본 연구에서의 이상해결책은 비용대비 효과를 최대한 고려하여 재질과 구조에 대한 방법으로 제시하였으며 재질의 경우 기존 Cu 재질에 Au 코팅을 하여 컨택(contact)하 는 매질의 경계면을 동일한 재질로 하면서 전도성을 늘리고 접촉저항을 줄일 수 있는 방법을 제안하였고 구조의 경우는 첫째, 2중 구조(socket + busing)를 가지는 컨택 형 태에서 단일 구조로 변경함으로써 (단, rod tension 기능 유지) 접촉 면적을 줄일 수 있는 방법을 제안하였고, 둘째 접합면을 용접하면서 접합부의 열팽창 문제를 근본적으 로 제거하는 방법을 제안하였다.
온도 변화 → Ni 로드 열팽창 → 컨택저항 증가 → 컨택부 발열 → 부싱탄화 → 로드부 유착으로 이어지는 이유에 대해 분석할 수 있었다.
트리즈(TRIZ)에서 사용되는 여러가지 분석 기법 중 ①시스템 도식화(계통도, OZ/OT), ②기능분석(Function Analysis), ③9window matrix, ④ASIS (advanced systematic inventive thinking), ⑤RCA(root cause analysis)을 사용하여 문제에 대한 분석 및 문제에 대한 물리적, 기능적 모순을 도출하였다.

이론/모형

문제의 근본적인 원인에 대한 분석을 위해 5way 기법을 이용하여 히터 로드부 유착에 대한 원인을 구체적으로 분석하였다. 히터 로드부의 유착은 열에 의한 부싱 (busing) 탄화에 의해 발생하고 부팅부 탄화는 컨텍(contact) 부 발열에 의해 발생하고 이러한 컨텍부의 발열은 컨택 저항(contact resistor)의 증가에 의해 발생되며, 컨택저항의 변화는 Ni 성분의 로드가 열팽창에 의해 발생되며, 이러한 열변화, 열팽창의 근본적인 원인은 반복적인 온도 변화에 의한 것이며, 증착 후 Clean 공정 시 히터를 저온으로 변경하였다가 승온(temp.
히터 로드와 필터 컨넥터간의 유착 문제 해결을 위해 ①9window matrix와 ②ASIS 기법을 이용해서 시스템적으로 분석을 진행했다. 첫번째 9window matrix 기법[6]을 통해서 시스템의 과거와 미래의 모습, 원인과 결과, input과 output, 하부 시스템과 상부 시스템에 대해 분석하였고 이 분석을 통해 AC전원 라인에 히팅에 의해 로드와 부싱에 열팽 창이 발생하고 이로 인해 히러 로드가 유착된다는 것을 확인할 수 있었다.

성능/효과

IFR(ideal final result)과 ASI(advanced systematic inventive thinking) 기법을 통해 제안된 해결안 중 비용과 효과를 고려해 검토해본 결과 IFR을 통해 제안된 부싱(busing)의 재질변경 방법을 최종 제안으로 채택하였고 (BeCu → BeCu + Au Coating) 개선 제안에 대한 평가 방법은 ①접촉저항측정과 ②표면온도측정을 통해 개선효과를 검증하였고 마지막으로 ③설비에 장착 실제 사용주기가 개선되었는지를 확인하였다.
개선 제안된 재질 변경 부분을 통해 1.7mΩ의 접촉 저항 개선과 기존 대비 5.5℃ 낮은 표면 온도를 확인할 수 있었다. 이러한 개선 제안된 시스템을 반도체 양산 라인에 구현함으로써 히터 로드부 유착에 의한 장비 교체 주기를 6개월이상, 사용 매수도 기존 대비 26% 이상 개선됨 을 확인할 수 있었다.
기능분석을 통해 각 요소들의 상관관계를 확인할 수 있고 이를 통해 컨넥터(connector)가 단자를 지지하고 단자는 부싱(busing)을 지지하고 부싱은 히터로드와 통전하고 히터로드는 히터 열선과 통전하는 요소들의 기능에 대해 정의할 수 있고 순기능은 통전이고 역기능은 발열 혹은 열팽창이라는 모순 관계에 있는 것을 확인할 수 있었다. 모순은 크게 두 가지로 정의되는데 ①히터 컨넥터는 통전을 위해 있어야 하고 열팽창 때문에 없어야 한다.
ASIT분석을 통해 승온 시 발열에 의한 열팽창과 접촉 저항의 증가가 컨택부의 탄화나 유착을 발생시키는 것으로 분석되어 접촉저항기(TOS6200, KIKUSU社 )를 이용하여 재료 변경 전/후에 대한 접촉저항 성분을 비교 분석하였다. 기존 BeCu 재질의 소켓과 부싱 구조에서 접촉저항 측정값은 10.3mΩ이고 IFR에 의해 개선 제안된 BeCu + Au Coating 재질의 경우 동일한 구조에서 8.6mΩ으로 접촉저항이 1.7mΩ, 12.8% 감소함을 접촉저항 측정 결과 확인할 수 있었다.
첫번째 9window matrix 기법[6]을 통해서 시스템의 과거와 미래의 모습, 원인과 결과, input과 output, 하부 시스템과 상부 시스템에 대해 분석하였고 이 분석을 통해 AC전원 라인에 히팅에 의해 로드와 부싱에 열팽 창이 발생하고 이로 인해 히러 로드가 유착된다는 것을 확인할 수 있었다. 두번째ASIS 기법을 통해 관계변화 (qualitative change)의 원리를 이용하여 원하지 않는 결과와 악화요인과의 인자 영향성을 확인할 수 있었다.
시스템 계통을 도식화함으로써 문제 현상에 대한 개략적인 연결상태와 구조를 파악할 수 있고 OZ/OT를 통해 히터로드(heater rod)와 컨넥터 소켓(connector socket)간의 연결되는 부분과 시기, 열팽창(thermal extension)에 의한 접촉 저항 상승 구간을 확인 할 수 있었다.
5℃ 낮은 표면 온도를 확인할 수 있었다. 이러한 개선 제안된 시스템을 반도체 양산 라인에 구현함으로써 히터 로드부 유착에 의한 장비 교체 주기를 6개월이상, 사용 매수도 기존 대비 26% 이상 개선됨 을 확인할 수 있었다.
접촉저항의 증가에 의한 컨택 표면 온도 상승에 관련 하여 열화상 카메라를 이용하여 각 재질 별 소켓과 부싱이 결합된 상황에서 측정결과 기존 BeCu 재질의 경우 52℃, BeCu + Au Coating 재질의 경우 46.5℃로 표면온도가 5.5℃, 10.6% 감소됨을 확인할 수 있었다.
히터 로드와 필터 컨넥터간의 유착 문제 해결을 위해 ①9window matrix와 ②ASIS 기법을 이용해서 시스템적으로 분석을 진행했다. 첫번째 9window matrix 기법[6]을 통해서 시스템의 과거와 미래의 모습, 원인과 결과, input과 output, 하부 시스템과 상부 시스템에 대해 분석하였고 이 분석을 통해 AC전원 라인에 히팅에 의해 로드와 부싱에 열팽 창이 발생하고 이로 인해 히러 로드가 유착된다는 것을 확인할 수 있었다. 두번째ASIS 기법을 통해 관계변화 (qualitative change)의 원리를 이용하여 원하지 않는 결과와 악화요인과의 인자 영향성을 확인할 수 있었다.
트리즈(TRIZ)를 이용하여 문제에 대한 정의 및 분석을 통해 근본 원인과 모순관계를 확인할 수 있었고 ① IFR(ideal final result)과 ②ASIT(advanced systematic inventive thinking) 기법을 통해 가장 이상적인 해결안을 제안할 수 있다.
문제의 근본적인 원인에 대한 분석을 위해 5way 기법을 이용하여 히터 로드부 유착에 대한 원인을 구체적으로 분석하였다. 히터 로드부의 유착은 열에 의한 부싱 (busing) 탄화에 의해 발생하고 부팅부 탄화는 컨텍(contact) 부 발열에 의해 발생하고 이러한 컨텍부의 발열은 컨택 저항(contact resistor)의 증가에 의해 발생되며, 컨택저항의 변화는 Ni 성분의 로드가 열팽창에 의해 발생되며, 이러한 열변화, 열팽창의 근본적인 원인은 반복적인 온도 변화에 의한 것이며, 증착 후 Clean 공정 시 히터를 저온으로 변경하였다가 승온(temp. up) 하는 과정에서 발생하는 근본원인분석(root cause analysis)을 도출할 수 있었다. 히터의 Ni 성분 로드(rod)의 열팽창율(Thermal extension)은 13.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	트리즈란 무엇인가?	트리즈(TRIZ:Teoriya Reshniya Izobretate-Iskikh Zadatch)는 창의적 문제해결 이론 (Theory of Inventive Problem Solving) 이라는 뜻의 러시아어 약자이다. 트리즈는 일종의 연산형식을 지닌 구체적이고 도식화된 단계를 밝히는 이론으로 현재까지 수많은 문제를 해결해오고 있다. 트리즈는 수십만 건의 특허 및 기술 발전의 역사를 분석하여 문제해결원리를 추출한 것으로 체계화된 연구개발 및 기술혁신이론이다[4].
	VNAD 공정은 무엇을 위해 고온 공정을 사용하는가?	반도체 기술의 발전에 따라 PE-CVD 설비도 기존 사용 공정보다 더 높은 공정 온도에서 진행하고 있다. 특히, VNAD 공정의 경우 다수의 복합막(Multi-layer) 층을 덮고 박막의 특성을 유지하기 위해서 고온 공정을 많이 사용하고 있다.
	TRIZ는 현재 어떤 방법으로 확대되어 오고 있는가?	창의적 문제해결 이론인 트리즈는 현재, 전 세계 주요 대기업에서 아이디어 생성 기법과 문제 해결기법으로 사용되어 오면서 많은 기술자들에 의해서 보완되어 가면서 우수한 결과를 내어오면서 대학 및 산업계의 창의적 설계 교육, 연구 개발, 특허, 개념적 문제 해결 방법으로 확대되어 오고 있다.

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