특허 개요
본 특허는 반도체 플라즈마 공정 중 액체금속 액적을 이동시켜 필요한 위치의 플라즈마를 조절하는 능동 플라즈마 제어 장치 및 방법입니다. 포커스링 내부 또는 삽입형 채널에서 갈륨계 액체금속 액적과 수송유체를 교대 수송하고, 액적이 전극에 접촉할 때 발생하는 국부 전기장 분포 변화를 이용해 플라즈마의 이온화, 밀도 및 세기를 제어합니다. 모세관수(capillary number)와 액체금속·수송유체 유량비로 액적의 길이와 간격을 설정하며, 카메라 영상데이터로 제어 결과를 획득·표시합니다.
- 핵심 기능
전자장치가 액체금속 액적과 수송유체의 유량, 유량비, 모세관수 및 전기장 조건을 설정해 채널 내 액적 길이와 간격을 제어합니다. 수송된 액적이 전극에 접촉하면 주변 전기장 분포가 바뀌고, 이에 따라 국부 플라즈마 이온화와 밀도·세기가 변화하며 카메라가 그 변화를 영상으로 획득합니다.
- 차별 강점
기존 플라즈마 제어는 공정 설계 단계에서 균일도를 확보하거나 장비 내부에 별도 기계장치를 추가하는 방식이어서, 공정 중 발생하는 공간 불균일도에 능동적으로 대응하기 어렵거나 장비·운영 비용이 증가할 수 있었습니다. 본 특허는 포커스링 채널 내 유동 전도체인 액체금속 액적을 전극과 접촉시키는 방식으로 국부 전기장을 조절해, 추가 기계장치 설치를 최소화하면서 공정 중 플라즈마 제어를 수행하는 점이 차별점입니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 반도체 플라즈마 식각, 플라즈마 세정, 플라즈마 활성화, 이온 주입 및 스퍼터링 공정의 국부 플라즈마 제어와 균일도 연구에 활용 가능하며, 웨이퍼 가장자리 공정 조건 최적화로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 식각·증착 장비용 포커스링 부품, 플라즈마 공정 모니터링 모듈, 공정 제어 소프트웨어 및 반도체 장비 개조 솔루션으로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
서로 다른 수송유체에서 유량비에 따른 액체금속 액적 길이와 생성주기를 확인하고, 액적의 전극 접촉에 따라 플라즈마 반응이 변화하는 원리를 제시했습니다. 실제 반도체 양산 장비에서의 대면적 웨이퍼 균일도, 장기 내구성, 공정 재현성 및 수율은 추가 검증이 필요합니다.
- 수송유체: ethylene glycol, propylene glycol, glycerol 및 평균분자량이 다른 polyethylene glycol
- 비교 조건: 유량비 0.5와 1.0, 액체금속 수송 없음과 수송 시
- 유동 조건: 수송유체 유량 1～5ml/min, 액체금속 액적 유량 대 수송유체 유량비 0.01～2.5
현재 성과
액체금속 액적이 전극에 닿으면 주변 전기장 분포가 변하고 플라즈마 이온화가 증대되어 플라즈마 밀도와 세기가 증가하는 방식입니다. 액적 위치, 길이, 간격 및 전극 위치·전기장 형태를 조합해 국부 제어 위치와 조건을 조절할 수 있습니다.
서로 다른 수송유체 조건에서 유량비 0.1 이상일 때 액체금속 액적 길이의 무차원 관계 기울기 α가 0.35로 제시되었습니다. 동일 유량비에서는 수송유체 유량과 관계없이 거의 동일한 액적 길이와 액적 생성주기가 확인되어, 유량비를 중심으로 한 액적 형성 제어 근거를 제공합니다.
기존 방식은 설계 단계의 균일도 확보 또는 별도 기계장치 추가에 의존하는 반면, 본 기술은 포커스링 내부 또는 삽입형 채널에서 액체금속 액적을 수송해 공정 중 국부 전기장을 조절합니다. 액적과 수송유체의 유량비 및 모세관수를 활용해 액적 형상과 수송을 제어하고, 영상데이터로 결과를 표시하는 구성이 핵심 차별점입니다.
상용화까지 남은 부분
실제 반도체 양산 장비에서 대면적 웨이퍼의 플라즈마 균일도 개선 효과 검증
반복 수송 환경에서 액체금속·수송유체·채널·전극의 장기 수명 및 내구성 검증
공정별 레시피에 대한 재현성, 오염 관리 및 수율 영향 검증
기술 이전 형태·도입 과정
도입은 이렇게 진행됩니다.
검토 미팅
귀사 상황·데이터 구조 기준으로 적합성을 논의합니다. 자료 검토만으로 끝나도 됩니다.
PoC 공동 검증
연구팀 동행 하에 귀사 데이터 기준 재학습·성능을 확인합니다.
라이센싱 계약
PoC 결과를 기반으로 희망 형태(실시권·공동연구 등)를 협의합니다.
기술지도·후속
도입 초기 기술지도, 필요 시 후속 공동연구·정부과제 연계까지 진행합니다.
특허 정보
액체금속을 이용하여 플라즈마를 제어하는 장치 및 방법
10-2024-0115840 (2024.08.28)
1020250172277 (2025.12.09)
1029085820000 (2026.01.02)
김형수 (한국과학기술원), 송기현 (한국과학기술원), 박상후 (한국과학기술원), 최지원 (한국과학기술원)
한국과학기술원
한국과학기술원