들어가면서

오랜만에 생업과 밀접한 관련이 있는 특허를 찾아서 읽었다. 먹고살기 바쁘단 핑계로 블로그 포스팅도 소홀하고, 마지막으로 노트북을 언제 열어봤는지도 기억이 안날만큼 오래돼서 포스팅 작성하는게 너무 어색하다. 요즘 AI를 활용하는게 대세더라. 중요한 내용들만 빠르게 훑어보고 전체적인 요약은 AI를 이용하는것도 좋을 것 같다. 제법 많은 시행착오를 겪어야 안정이 될 것 같긴 하지만 이번 특허 읽기부터 한 번 활용해봐야할 것 같다.

ToC는 다음과 같다.

들어가면서
- 고체 전구체 중량 모니터링 시스템, 반응기 시스템, 및 이의 사용 방법
- 읽고난 후 메모

고체 전구체 중량 모니터링 시스템, 반응기 시스템, 및 이의 사용 방법

항목	내용
발명의 명칭	고체 전구체 중량 모니터링 시스템, 반응기 시스템, 및 이의 사용 방법
출원번호	10-2025-0010428
공개번호	10-2025-0117293
출원일자	2025년 01월 23일
공개일자	2025년 08월 04일
출원인	에이에스엠 아이피 홀딩 비.브이. (ASM IP Holding B.V.)
우선권	US 18/423,969 (2024년 01월 26일)
IPC 분류	C23C 16/52, C23C 16/448, C23C 16/455, H01L 21/02, H01L 21/67

이번에 찾아 읽은 ASM 특허는 전구체 관리와 관련된 문제를 해결하기 위한 해법을 제시하고있다. 공급원 용기 내 전구체의 중량을 로드 셀(load cell)로 직접 측정하여, 전구체 소모량을 실시간으로 모니터링하는 시스템이다. 기존에 사용하는 간접적인 측정 방식들과는 다르게 물리적인 중량 측정을 통해 정확도를 높인 점이 특징이다. 흥미로운 점은 고온(100-250℃ 이상) 환경에서 작동하는 로드 셀을 공급원 용기 내부에 배치하여, 진공 오븐과 같은 극한 환경에서도 정확한 측정이 가능하도록 설계했다는 점이다. 개인적인 생각으로는 직접적인 방법과 간접적인 방법 모두 쓰는게 제일 확실할 것 같지만, 비용 측면에서 볼 때 여러개의 로드 셀을 장착하는 것보단 유량계를 통과한 전구체 양을 측정해서 계산하는 방식이 좀 더 싸지 않을까 싶다. 특히 내가 담당한 공정의 경우엔 전구체가 고체다 보니 잔량 관리와 균일한 온도 관리가 매우 중요하다. 온도 조건 변화에 따른 로드 셀의 정확성이 어떨지도 잘 모르겠고, 용기와 연결되어있는 가스 라인들이 중량에 어떻게 영향을 끼칠지도 잘 모르겠어서 더 그렇다. 장비에선 유량계를 통과하는 전구체의 양과 용기에서 소모되고있는 전구체의 잔량과의 상관관계를 수식화하여 모니터링하고, 서브팹에 설치된 전구체 공급장치에선 로드 셀과 같은 것들을 사용해서 잔량을 모니터링해서 두 값을 비교하는 방식이 가능할 것 같기도 하다.

요약

본 특허는 반응기 시스템에서 사용되는 전구체 모니터링 어셈블리에 관한 것이다. 공급원 용기로부터 원재료(고체/액체/기체 전구체)의 가용성을 실시간으로 직접 측정하는 것이 핵심이다.

주요 구성:

센서 어셈블리: 내부 트레이의 바닥 벽과 외벽(공급원 용기의 베이스) 사이 및/또는 공급원 용기 외부에 배치되는 로드 셀(load cell) 형태의 힘 센서
신호 조정 요소: 센서에서 출력되는 전기 신호를 처리
제어기: 신호 조정 요소의 출력 신호를 변환 계수로 처리하여 원재료의 현재 중량 결정

동작 원리:

로드 셀이 공급원 용기와 원재료의 결합 중량을 측정
제어기가 이 중량 데이터를 사용하여 공급원 용기에서 가용한 원재료의 양을 실시간 계산
최소 임계값과 비교하여 리필 필요 여부를 작업자에게 알림

공급원 용기 중량 모니터링 시스템의 개념도

청구범위

총 20항의 청구항으로 구성되어 있다. 주요 청구항을 정리하면 다음과 같다:

[청구항 1] 반응기 시스템의 기본 구성

반응 챔버
공급원 인클로저
공급원 용기
- 내부 트레이: 원재료를 수용하는 오목부를 구비하며 반응 챔버에 유체 결합
- 외벽: 내부 트레이를 수용
센서 어셈블리: 내부 트레이의 바닥면과 외벽 사이에 위치
- 힘 센서: 내부 트레이와 원재료의 결합된 중량을 측정

[청구항 2-10] 센서 및 제어 시스템

청구항 2: 힘 센서가 가해지는 힘을 나타내는 신호 출력
청구항 3: 힘 센서는 약 100℃ 내지 약 250℃의 온도에서 작동하는 로드 셀
청구항 4: 공급원 용기는 덮개 및 덮개 부착 장치 포함
청구항 5: 제어기가 힘 센서 신호를 수신·처리하여 원재료 중량 계산
청구항 6: 제어기가 변환 계수를 적용하여 원재료 중량 계산
청구항 7: 제어기가 중량을 최소 임계값과 비교하여 표시기 생성
청구항 8: 덮개 부착 장치는 벨로즈 또는 코일을 포함하는 입력/출력 라인
청구항 9: 오목부는 고체 전구체를 유지하는 채널 포함
청구항 10: 제어기가 150℃ 초과에서 공급원 용기 온도 제어

[청구항 11-15] 고체 전구체 모니터링 시스템

청구항 11: 공급원 용기 내부 트레이의 바닥 벽과 외벽 사이에 힘 센서 배치
청구항 12-16: 로드 셀의 작동 온도, 덮개 구성, 제어기의 변환 계수 적용 등

[청구항 17-20] 모니터링 방법

청구항 17: 힘 센서로부터 신호 수신 → 제어기가 원재료 중량 계산
청구항 18: 변환 계수 적용 방법
청구항 19: 로드 셀의 작동 온도 범위
청구항 20: 최소 임계값과 비교 → 리필 경보 생성

발명의 설명

기술분야

본 개시는 반도체 제조 방법 및 시스템에 관한 것으로, 특히:

진공을 포함한 넓은 범위의 압력
고온 환경
시스템 공급원 용기 내 저장되는 전구체 또는 기타 원재료 사용

보다 구체적으로는, 공급원 용기 내에서 고체, 액체, 또는 기체 형태의 전구체, 반응물 등과 같은 원재료의 수준 또는 양을 모니터링하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

배경기술

CVD/ALD 공정의 특성:

화학 기상 증착(CVD)과 원자층 증착(ALD)은 기판상에 재료의 박막을 형성하는 주요 공정
고온에서 수행되며, 증착 재료는 고체/액체/기체 공급원을 경유하여 반응 챔버에 제공
전구체는 온도 및 압력 제어된 공급원 용기에 저장 (일부 경우 진공 오븐 내)

현재의 문제점:

직접 모니터링 부재: 일반적인 반응기 시스템은 공급원 용기 내 화학 물질의 가용량을 직접 모니터링하는 방법을 제공하지 않음
간접적 추정의 한계:
- 시스템 작동자는 증착이 관찰되지 않거나 불균일한 증착이 관찰될 때까지 기다려야 함
- 일부 경우 투여량 펄스 기반으로 화학물질 사용량을 계산하지만, 계산 오류로 인한 부정확성 존재
결과적 문제:
- 전구체 고갈 시 기판 간 실행 불균일 또는 특정 기판상 불균일 증착
- 기판 폐기 및 배치 재실행으로 인한 처리량 감소
- 투여량 드리프트 발생 가능성

기술적 필요성: 전구체 소비를 모니터링하고, 특정 수준 미만으로 떨어질 경우 발생할 수 있는 투여량 드리프트를 방지 또는 완화하기 위해 반응기 시스템의 공급원 용기에서 원재료의 가용성을 모니터링하기 위한 직접적인 측정 방법에 대한 요구가 존재한다.

발명의 내용

핵심 아이디어: 공급원 용기로부터 원재료 또는 공정 재료의 가용성을 실시간으로 직접 측정하는 공급원 용기 중량 모니터링 어셈블리

시스템 구성:

센서 어셈블리
- 로드 셀 형태의 복수 센서
- 공급원 용기의 바닥 벽과 지지 요소(예: 진공 오븐의 베이스) 사이에 위치
- 일부 구현예: 용기 지지 플레이트 및 히터 플레이트가 바닥 벽과 센서 사이에 배치
- 용기를 적어도 부분적으로 지지하도록 배치
신호 조정 요소
- 로드 셀로부터의 전기 신호를 조정
- 신호 증폭 기능 포함
제어기
- 신호 조정 요소로부터의 출력 신호를 변환 계수로 처리
- 공급원 용기 및 저장된 공정 재료의 현재 중량 결정
- 공급원 용기 내 가용한 공정 재료/화학물질의 양 계산
- 리필 필요 시 반응기 시스템 작동자에게 알림

로드 셀 배치 구현예:

구현예 1: 세 개의 로드 셀 배치

120도 오프셋으로 원형 패턴 배열
각 로드 셀에 인가된 힘이 실질적으로 동일
공급원 용기 중량의 균등 분산

구현예 2: 히터 내장형

용기 베이스 히터의 외부 표면에 로드 셀 내장
공압식 로드 셀 사용 가능
고온(300℃ 이상) 환경 대응

중량 측정 및 보정:

제어기가 공급원 용기 중량 및 덮개 부착형 하드웨어에 의한 지지력을 처리하기 위해 변환 계수 적용
덮개 부착형 하드웨어: 벨로즈, 코일 기체 라인, 또는 하드 기체 라인 포함하여 덮개에 인가되는 지지력 감소
리필 경보 임계값과의 비교를 통한 GUI 생성

작동 환경:

공급원 인클로저 내부: 150℃ 초과의 작동 온도
일부 경우: 200℃, 250℃, 또는 300℃ 초과
로드 셀 작동 범위: 예상 사용 온도를 충족하거나 초과

발명의 효과

실시간 직접 측정: 간접적인 계산 방식 대비 정확도 향상
사전 예방적 관리: 전구체 고갈 전 리필 경보로 기판 낭비 방지
생산성 향상: 장비 가동 중지 시간 최소화, 배치 재실행 불필요
투여량 드리프트 방지: 전구체 소비를 지속적으로 모니터링하여 증착 불균일 사전 차단
고온·고진공 환경 대응: 극한 환경(100-250℃ 이상, 진공)에서도 안정적 측정
시스템 통합: GUI를 통한 직관적인 모니터링 및 경보 시스템

도면의 간단한 설명

특허 명세서에는 총 12개의 도면이 포함되어 있다.

도면 1 (대표도면)

용기 중량 측정 기반 공급원 가용성 모니터링이 가능한 용기 중량 모니터링 어셈블리를 구비한 반응기 시스템(100)의 기능 블록도

반응 챔버(130)
공급원 용기(120): 공급원 인클로저(110) 내부에 위치
용기 중량 모니터링 어셈블리(150)

도면 2

용기 중량 모니터링 어셈블리의 개략적인 설계 및 작동 원리

센서 어셈블리의 전기적 연결
신호 조정 및 제어 흐름

도면 3

반응기 시스템 일부의 측면 사시도

센서 어셈블리의 구현예 포함
공급원 용기 인클로저 내부 구조

도면 4

반응기 시스템의 개략적인 저면도

용기 바닥 지지 플레이트/프레임(324)의 외부 표면에 대한 세 개의 로드 센서(330, 432, 434) 위치
120도 오프셋 원형 패턴 배치

도면 5

센서 어셈블리에 대한 세 번의 교정 런(calibration run) 그래픽 결과

그래프 510: 히터 라인만 연결된 상태
그래프 520: 모든 하드 라인 연결 상태
그래프 530: 변형된 기체 라인(코일+벨로즈) 연결 상태

도면 6

용기 베이스 히터에 적어도 부분적으로 내장된 센서 어셈블리의 다른 구현예

히터 표면(611) 내부에 로드 셀(620) 포함
공압식 또는 팬형 로드 셀 형태

도면 7

직접 용기 중량 측정 기반 원재료 가용성 모니터링 방법(700) 흐름도

센서 어셈블리 제공 → 신호 수신 → 중량 계산 → 경보 생성

도면 8

내부 트레이 중량 측정 기반 공급원 가용성 모니터링이 가능한 고체 전구체 중량 모니터링 어셈블리를 구비한 반응기 시스템의 기능 블록도

도면 9

본 개시의 구현예에 따른 공급원 용기의 등각도(isometric view)

도면 10

본 개시의 구현예에 따른 공급원 용기 일부의 등각도

내부 트레이 상세 구조

도면 11

본 개시의 구현예에 따른 공급원 용기 일부의 단면도

내부 트레이, 외벽, 센서 배치 관계

도면 12

직접 내부 트레이 중량 측정 기반 원재료 가용성 모니터링 방법의 흐름도

발명을 실시하기 위한 구체적인 내용

센서 어셈블리 상세:

로드 셀 선택 기준
- 수직 간격 제약: 센서 두께 + 장착 패스너 높이 ≈ 15mm
- 고온 작동 범위: 200℃, 250℃, 또는 300℃ 초과
- 예시: 작동 범위 200℃인 30N 로드 센서, 100N 로드 센서
- 진공 오븐 환경에 적합하도록 통신 라인 변형 필요
로드 셀 배치 (도면 4 참조)
- 세 개의 로드 센서(330, 432, 434)
- 플레이트 중심(427)으로부터 등거리 배열
- d_센서는 플레이트 반경 R_바닥과 비교적 근접 (주변 에지 근처)
- 120도 정합 각도(θ)로 반경 방향 분리
- 하중의 균형을 균등하게 맞춤
공압식 로드 셀 (도면 6 참조)
- 용기 베이스 히터(610) 표면 내부에 로드 셀(620) 배치
- 압력 조절기를 통해 챔버로 가압 공기/기체 공급
- 압축력 인가 시 가요성 다이어프램 압축
- 압력 게이지가 공압 결과 측정
- 측정 압력 → 전기 신호 변환 → 제어기 전달 → 중량 계산

교정 및 검증 (도면 5 참조):

세 번의 교정 런을 통한 센서 정확도 검증:

그래프 510: 히터 라인만 연결
- 히터 라인이 결과에 영향을 미치지 않음 확인
그래프 520: 모든 하드 라인 연결
- 하드 라인의 지지력이 측정에 영향
그래프 530: 변형된 기체 라인 (코일+벨로즈)
- 가요성 입력/출력 라인 사용 시 공정 재료 판독 값에 더 근접
- 로드 센서 반복성 및 정확성 수용 가능 수준

→ 결론: 가요성 입력 및 출력 라인 사용이 바람직

제어 시스템:

신호 처리 흐름
- 로드 셀 → 전기 신호 출력
- 신호 조정 요소 → 신호 증폭 및 조정
- 제어기 → 변환 계수 적용
변환 계수 적용
- 공급원 용기 자체 중량 처리
- 덮개 부착형 하드웨어에 의한 지지력 처리
- 실제 원재료 중량 = 총 측정 중량 × 변환 계수
GUI 생성
- 중량 또는 경보를 나타내는 이미지/텍스트
- 리필 경보 임계값과의 비교 결과 표시

모니터링 방법 (도면 7, 12 참조):

방법 700: 직접 용기 중량 측정

공급원 용기 인클로저 내 센서 어셈블리 제공
용기와 지지 요소 사이에 위치한 힘 센서로부터 신호 수신
신호를 중량 측정으로 변환
중량 측정 기반으로 원재료 중량 계산
(선택사항) 리필 경보 설정값과 비교 → 경보 생성

특징:

전구체 부피 결정: 밀도 사용 (부피 = 중량/밀도)
액체 다룰 경우: 용기 내부 온도 및 액체 부피에 따른 액체 밀도 변화 고려 → 증기압 계산에 활용

구현 고려사항:

덮개 부착형 하드웨어
- 입력 라인 및 출력 라인: 벨로즈, 코일 기체 라인 포함
- 목적: 덮개에 인가되는 지지력 감소
- 공압식 라인이 코일 또는 벨로즈 형태 → 용기가 로드 셀에 “떠 있는” 상태 보장
설계 양태
- 히터 케이블: 가요성 확보
- 밸브 플레이트: 용기에 의해 지지되지 않도록 구성
진공 환경 고려
- 챔버 간 기판 이송: 진공 상태 유지
- 센서 통신 라인: 진공 환경 적합성 확보

응용 가능성:

CVD, ALD 등 증착 공정
고체, 액체, 기체 형태 전구체 모두 적용 가능
150℃ 초과, 일부 경우 300℃ 초과 고온 환경
진공 오븐 등 저압 환경

읽고난 후 메모

기술적 관점

1. 문제 정의의 명확성 이 특허는 예전에 일하면서 겪었던 문제와 직접적으로 맞닿아있다. 전구체 고갈은 웨이퍼 스크랩으로 직결되는데, 기존에는 간접적인 방법(투여량 펄스 기반 계산)이나 “증착이 안 될 때까지 기다리기”라는 수동적 방법밖에 없었다. 간접적인 방법 마저도 최초에 제대로 잔량을 입력해놓고 기능을 설정해두지 않으면 잔량이 얼마나 되는지 예측할 방법이 없어진다. 고객과 같이 일하면서 실제로 겪었던 문제들을 직접 측정이라는 직관적인 해법을 해격책으로 제시한 점이 인상적이다. 그런데 전구체 잔량이 줄어들면서 용기 내부 공간이 늘어나서 생기는 문제가 있는데, 그에 따른 온도 보정이나 잔량 알람 같은건 개별 특허로 청구해놔야 하지 않을까 싶다.

2. 고온 환경 대응 고체 전구체를 저장하는 용기는 보통 고온으로 상시 가열해야 하는데, 이 환경에서 작동하는 로드 셀을 선택하고 배치하는 것이 핵심 기술인 것 같다. 특히 공압식 로드 셀을 히터 내부에 내장하는 아이디어(도면 6)는 공간 효율성과 측정 정확도를 모두 고려한 설계로 보인다. 그런데 이 도면만 봐서는 대용량 용기에서도 적용 가능한 내용인지는 확실치가 않다.

3. 교정(Calibration)의 중요성 도면 5의 세 가지 교정 런 결과는 처음에 내가 우려했던 부분에 대해서 어느 정도 답변이 되는 것 같다.

하드 라인 연결 시: 라인이 용기를 지지하는 힘이 측정에 영향
벨로즈/코일 사용 시: 가요성 있는 연결로 지지력 최소화 → 측정 정확도 향상

이는 실제 시스템에서 연결된 가스 라인들이 정확한 무게 측정을 방해하는 경우에도 그 간섭을 최소화할 수 있는 공학적 해결 방법을 제시한 것 같다.

4. 세 개의 로드 셀 배치 120도 간격으로 세 개의 로드 셀을 배치한 것은 직관적으로 봐도 당연한 내용인 것 같다.

세 점이 평면을 결정 → 안정적인 지지
120도 간격 → 하중의 균등 분산
주변 에지 근처 배치 → 모멘트 효과 최소화

증착 공정 관점

1. ALD/CVD와의 연관성

ALD 공정에서의 적용:
- ALD는 전구체를 교번으로 펄싱하는 공정 → 전구체 소모량이 사이클 수에 비례
- 하지만 불완전한 퍼지, 누출 등으로 실제 소모량과 계산값 차이 발생
- 직접 중량 측정으로 실제 소모량 파악 → 공정 안정성 향상
CVD 공정에서의 적용:
- CVD는 연속적으로 전구체를 공급 → 유량 제어가 중요
- 공급원 용기의 전구체 잔량에 따라 증기압 변화 가능
- 실시간 중량 모니터링으로 공급 안정성 확보

2. 써멀 버짓(Thermal Budget) 관리 고온(150℃ 이상)에서 전구체를 보관하면서 정확한 중량을 측정하는 것은

전구체의 증기압 유지 → 안정적인 공급
과도한 가열 방지 → 전구체 분해 최소화
온도 균일성 확보 → 재현성 향상

산업적 관점

1. 생산성 향상

사전 예방적 리필 → 웨이퍼 스크랩 방지
실시간 모니터링 → 장비 가동 중지 시간 최소화
정확한 재고 관리 → 전구체 낭비 방지

2. 비용 절감 반도체 제조에서

웨이퍼 1장 폐기 비용 » 전구체 비용
장비 1시간 가동 중지 비용 »> 웨이퍼 1장 비용
이 시스템에서 ROI를 상당히 높일 수 있을 것으로 예상

의문점과 추가 고민

1. 액체 전구체의 경우 특허에서 “액체 부피에 따른 액체 밀도 변화가 증기압 계산에 사용”된다고 했는데

액체 전구체는 중량이 많이 남아도 증발 속도가 떨어질 수 있음
액면 높이, 온도 분포가 증기 공급에 영향
중량만으로는 부족할 수 있는데, 추가 센서(레벨 센서, 온도 센서)와의 결합이 필요할 듯
앞에서 얘기한 것처럼 고체 전구체도 비슷한 문제가 발생할 수 있으니 그에 대한 해결책과 결합해서 생각해볼 수 있을듯

2. 다중 전구체 시스템 실제 ALD/CVD 장비는 여러 전구체를 동시에 사용:

각 공급원 용기마다 센서 어셈블리 필요
비용과 복잡도 증가
하지만 Critical한 전구체(비싸거나 소모가 빠른)에만 선택적 적용 가능

3. 센서 드리프트 고온·진공 환경에서 장기간 사용 시:

로드 셀의 영점 드리프트 발생 가능
주기적인 재교정(re-calibration) 필요
자동 교정 알고리즘 필요성

향후 발전 방향 예측

1. AI/ML 통합 중량 데이터를 AI로 분석하면

전구체 소모 패턴 학습 → 예측적 유지보수
비정상 패턴 감지 → 조기 경보
최적 리필 타이밍 제안

2. 디지털 트윈 실시간 중량 데이터를 디지털 트윈에 반영

가상 공간에서 공정 시뮬레이션
전구체 소모 예측 → 생산 계획 최적화

3. 자동화 리필 시스템 중량 모니터링 + 로봇 시스템

임계값 도달 시 자동으로 리필 수행
완전 무인 운전(Lights-Out Manufacturing) 가능

반도체 물리/소자 관점에서의 의미

1. 박막 품질과의 연관

전구체 공급 불안정 → 증착 속도 변화 → 박막 두께 불균일
두께 불균일 → 소자 특성 산포 증가 → 수율 저하
실시간 모니터링 → 안정적인 공급 → 박막 품질 향상

2. 계면(Interface) 품질 ALD의 장점은 우수한 계면 품질인데

불안정한 전구체 공급 → 계면에 결함 발생
High-k/Metal Gate 구조에서 치명적
안정적인 모니터링 → 계면 품질 보장

3. 초미세 공정에서의 중요성 3nm, 2nm 노드로 갈수록

박막 두께가 수 원자층 수준
한 사이클의 불균일도 치명적
정밀한 전구체 관리가 더욱 중요

이 특허는 “측정 가능한 것은 관리 가능하다(What gets measured gets managed)”는 원칙을 충실히 따른다. 간단하지만 효과적인 해법으로, 반도체 제조 공정의 안정성과 생산성을 동시에 높일 수 있는 기술이다. 하지만 실무에서 겪었던 문제들을 모두 해결할 수 있는 방법은 아닌 것 같다. 모니터링 결과에 따른 온도 보상 알고리즘 같은 특허도 있을법 한데 나중에 시간되면 한 번 찾아봐야겠다.

특허 읽기: '고체 전구체 중량 모니터링 시스템, 반응기 시스템, 및 이의 사용 방법' (10-2025-0010428)