칼피셔 전량법을 이용한 반도체 건식 식각 가스 내 초미량 수분 분석

Trace moisture analysis in semiconductor dry etching gases using Karl Fischer Coulometry

반도체 제조 공정 중 플라즈마 건식 식각(Plasma Dry Etching) 공정에서 사용되는 가스 내에 존재하는 극미량의 수분은 장비의 부식, 파티클 생성, 표면 반응 간섭 등을 유발하여 소자 수율 저하의 주요 원인이 될 수 있다. 그러나 기존의 Fourier-Transform Infrared Spectroscopy (FTIR)이나 Non-Dispersive Infrared Spectroscopy (NDIR)과 같은 분광학적 분석법은 가스 성분 간 복잡한 스펙트럼 중첩이 발생되면 수분 정량이 어렵다는 한계가 있다. 본 연구에서는 분광학적 분석법으로 수분 검출이 어려운 식각용 가스에 대해, Karl Fischer Coulometric method을 적용하여 극미량 수분을 정량적으로 분석할 수 있는 방법을 개발하였다. 한국표준과학연구원에서 인증한 10 µmol/mol 수분 표준가스를 사용하여 반도체 식각용 가스와 혼합 주입한 후, 다양한 유량조건에서 수분 함량을 측정하고 보정곡선(Calibration curve)을 도출하였다. 이후 표준가스만 단독 주입한 직선의 절편의 변화(Intercept variation)를 기준으로 검출한계(Detection Limit, D.L.)를 산정하였다. 분석결과, CHF₃ 및 C₄F₈ 가스 모두에서 µmol/mol 수준의 수분이 검출되었으며, 가스 유량이 증가할수록 측정 정밀도와 재현성이 향상되는 경향을 보였다. 이는 Karl Fischer 전량법이 기존 분광학적 기법의 한계를 보완하고, 반도체용 고순도 가스의 극미량 수분 측정에 효과적인 대안이 될 수 있음을 시사한다. 본 연구는 식각 가스의 수분 관리 정확도를 향상시켜 공정 안정성과 수율 개선에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

In the Plasma Dry Etching process used in semiconductor manufacturing, trace amounts of moisture in process gases can cause equipment corrosion, and interference with surface reactions, becoming a major factor in reducing device yield. However, spectroscopic methods such as Fourier-Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Non-Dispersive Infrared Spectroscopy (NDIR) have the limitation that accurate quantification of moisture becomes difficult when complex spectral overlaps occur among gas components. In this study for etching gases in which moisture detection is difficult using spectroscopic analysis methods, a technique was developed to quantitatively analyze trace amounts of moisture by applying the Karl Fischer Coulometric method. 10 µmol/mol moisture standard gas certified by the Korea Research Institute of Standards and Science was mixed and injected with semiconductor etching gases, after which the moisture content was measured under various flow rate conditions to derive a calibration curve. Subsequently, the detection limit (D.L.) was determined based on the intercept variation of the straight line obtained from injecting only standard gas. As a result, moisture at the µmol/mol level was detected in CHF₃ and C₄F₈ gases, and it was observed that the measurement precision and reproducibility tended to improve as the gas flow rate increased. This suggests that the Karl Fischer Coulometric method can complement the limitations of conventional spectroscopic techniques and serve as an effective alternative for measuring trace moisture in high-purity semiconductor gases applications. This study is expected to contribute to improving process stability and yield by enhancing the accuracy of moisture control in etching gases.