ALD 진공배기와 가스 퍼지를 구별한 미국 특허판결

원자층 증착장비의 배기방식을 바꾸는 개발과제를 생각해 보겠습니다. 전구체 공급 후 진공펌프로 압력을 낮추던 공정을 불활성가스를 계속 흘려 잔류물을 밀어내는 방식으로 변경합니다. 최종 박막의 두께와 균일도가 비슷하더라도 이를 같은 공정으로 보아야 할까요?

미국 연방순회항소법원이 2005년 3월 16일 선고한 ASM America v. Genus, 사건번호 04-1211 판결은 이 질문을 구체적으로 검토했습니다. 법원은 기능이 비슷하다는 사실보다 **특허의 배기 단계와 반응공간 정의, 실제 장비의 매니폴드·밸브 구조**를 중요하게 보고 비침해 약식판결을 유지했습니다. 이 사건은 최근 특허의 효력을 논하는 것이 아니라 공정개발과 청구항 해석의 관계를 보여주는 판례입니다.

1. ALD의 가스 제거는 왜 공정 성능을 좌우할까요?

ALD(Atomic Layer Deposition)는 전구체 A를 표면에 흡착시킨 뒤 잔류 반응물을 제거하고 다른 반응물 B를 공급해 표면반응을 반복하는 증착방법입니다. 반응물 사이를 충분히 분리하지 못하면 기상에서 조기 반응이 일어나거나 막의 성장형태와 입자 오염이 달라질 수 있습니다. 자기 제한적 표면반응을 유지하려면 반응물 공급과 잔류 제거의 순서가 중요합니다.

가스를 제거하는 대표적인 방법으로는 진공펌프를 이용해 반응공간의 압력을 낮추는 진공배기(evacuation)와 N₂·Ar 등의 흐름으로 잔류 반응물을 대체하는 불활성가스 퍼지(purge)가 있습니다. 두 방법이 모두 다음 전구체 공급 전에 잔류분압을 줄이더라도 압력·유량 이력과 배출에 사용되는 구간이 같다는 뜻은 아닙니다. 실제 ALD 장비에는 펌프와 가스공급라인이 동시에 존재할 수 있으므로 기능명만으로 실시여부를 단정하기 어렵습니다.

2. US6,015,590은 진공배기와 불활성가스 주입을 별도 단계로 요구했습니다

첫 번째 분쟁대상인 US6,015,590 방법 독립항 1은 서로 다른 기상 반응물을 반응공간에 교대로 공급하고 표면에 박막을 형성하는 공정에서, 연속 펄스 사이에 반응공간을 펌프에 연결해 잔류 반응물을 1% 미만 수준으로 제거하는 단계를 규정했습니다. 동시에 그 배기 단계에서 불활성가스를 반응공간에 공급하는 단계도 요구했습니다.

원고 ASM은 불활성가스가 반응물을 밀어내는 것 역시 넓은 의미에서 evacuation이라고 주장했습니다. 그러나 법원은 명세서와 출원심사 과정의 설명을 고려해, 이 사건에서 evacuation은 진공펌프를 이용해 반응물을 빨아내는 동작이고 불활성가스 주입은 이를 보조하는 별도의 단계라고 해석했습니다. 따라서 이 특허를 '불활성가스를 쓰지 않는 진공배기 특허'라고 부르는 것은 오히려 청구항과 반대됩니다. 불활성가스 공급 자체가 독립항 1의 필수요소이기 때문입니다.

법원이 실제로 확인한 것은 결과만이 아닙니다. 특허에 적힌 'pump'가 어떤 종류의 펌프를 의미하는지, 명세서가 반응공간을 어디까지 포함한다고 정의했는지, 출원인이 선행기술과 구별하면서 충분한 진공과 초고진공을 어떻게 설명했는지가 함께 고려됐습니다. 이는 일반적인 미국 특허 해석원칙을 그대로 한국 사건에 적용한다는 뜻이 아니라, 기술용어의 정확한 범위를 법적으로 확정하는 방법을 보여줍니다.

3. Genus 장비의 핵심은 OR-4와 가스 매니폴드였습니다

법원은 반응공간(reaction space)이 웨이퍼가 놓인 챔버에 한정되지 않고 챔버와 직접 통하는 유입·유출 채널 및 연속 펄스 사이에 배기해야 할 전체 체적을 포함한다고 해석했습니다. 실제 Genus 장비에는 전구체와 불활성가스가 각각 주입되는 매니폴드가 있었고, 그 매니폴드와 반응챔버 사이에 OR-4라는 choked orifice(유동 제한부)가 존재했습니다.

판결에 따르면 OR-4를 지나는 흐름은 매니폴드 쪽 압력에 의해 결정되고 챔버 쪽 압력에 좌우되지 않았습니다. 그 때문에 매니폴드 내부의 가스는 챔버 측 펌프에 의해 빨려 나가는 대신 불활성가스 흐름에 밀려 이동했습니다. 청구항상 반응공간에 매니폴드가 포함되는 이상 해당 공간 전체가 진공펌프로 배기된다고 볼 수 없었고, 이것이 US6,015,590의 문언침해를 부정한 결정적인 사실관계였습니다.

이 가스 유로와 압력제어의 차이를 이해하기 위해 본 사건과 무관한 별도 등록특허의 원공보 도면을 참고할 수 있습니다. 2026년 KOKUSAI ELECTRIC의 US12701936B2 Fig. 1에는 가스 공급라인(232·241·243), 공정챔버(201), 배기라인(231)과 압력제어장치·배기부(244·246)가 구분돼 있습니다. 아래 그림은 2005년 Genus 장비의 실제 단면이 아니라, ALD 장비의 공간과 가스 경로를 읽기 위한 기술 참고자료입니다.

위 도면에서 펌프가 배기라인에 연결돼 있다는 사실만으로 모든 유입배관과 매니폴드가 진공배기되는지 판단할 수 없습니다. 제한부의 컨덕턴스와 양단 압력, 밸브의 개폐상태 및 시간순서가 실제 배기를 결정합니다. 결국 장비의 부품 목록보다 청구항이 요구하는 공간에서 실제 어떤 가스이동이 이루어졌는지가 중요한 증거가 됩니다.

4. US5,916,365도 반복되는 ‘챔버 배기’를 구체적으로 해석했습니다

두 번째 분쟁대상인 US5,916,365의 독립방법항 1과 16은 순차 증착공정에서 반응챔버의 가스를 evacuate하는 단계를 반복적으로 기재했습니다. 특히 청구항 1에는 첫 전구체가 들어오기 이전에도 챔버를 배기하는 단계가 있습니다. 따라서 이 용어를 사용 후 남은 '반응물만' 제거하는 것으로 한정해서 이해하면 문언상 첫 단계와 맞지 않습니다.

법원은 당시 발명자의 연구노트와 기술자료에서도 진공배기식과 불활성가스 치환식을 구별한 점을 검토했습니다. 불활성가스의 흐름으로 반응물을 밀어내는 방식을 진공펌프로 챔버의 가스를 배기하는 것으로 볼 수 없다는 해석 아래, 미국 연방순회항소법원은 두 관련 특허에 대한 비침해 약식판결을 유지했습니다.

두 특허는 1990년대 출원·등록된 역사적 권리이며 특허 검색서비스에는 현재 존속기간 만료로 표시돼 있습니다. 이 사건은 공정구성의 해석을 배우기 위한 사례이지, 위 특허가 2026년 현재 존속한다거나 다른 현대 ALD 특허도 동일하게 해석된다는 근거는 아닙니다. 또한 특정 공정에 진공펌프가 전혀 없다는 것이 모든 사건에서 비침해의 필요조건이라는 뜻도 아닙니다.

5. 설계변경을 입증할 자료는 레시피 화면만이 아닙니다

실제 장비의 recipe 화면에 ‘Purge’나 ‘Pump’가 표시돼 있다는 사실만으로 어떤 물리적 제거작용이 발생했는지 확정하기는 어렵습니다. 매니폴드·가스라인·챔버가 어떻게 연결되는지, 전구체 공급 시점과 불활성가스 흐름, 챔버압력과 매니폴드압력, 펌프 및 APC 밸브의 운전상태를 함께 확인해야 합니다. 배기구 하나가 연결돼 있어도 유로 제한부가 어느 부분의 압력변화를 차단하는지에 따라 동작이 달라질 수 있습니다.

현대 ALD 장비의 위 제어계통에서 확인할 수 있듯, 유량·압력·밸브 개도는 각각 다른 기록입니다. 공정 변경에 따른 침해위험과 실제 성능을 판단하려면 그 기록이 동일한 wafer ID와 시간축에 대응하는지부터 확인해야 합니다. 압력변화와 잔류 전구체 분압이 함께 기록되면 동일한 제거결과에 도달하더라도 경로가 어떻게 달랐는지를 설명할 수 있습니다.

물론 가스제거 방식을 바꾸는 데는 기술적 대가가 따릅니다. 긴 퍼지시간과 높은 캐리어가스 유량은 반응물 잔류를 줄일 수 있지만 ALD 사이클 시간·가스 비용·에너지 사용에 영향을 줍니다. 유로와 밸브를 바꾸면 농도 구배, 막 두께 균일도, 파티클 및 재현성도 달라질 수 있습니다. 특허의 일부 필수구성을 달리하는 설계가 곧 양산에서 더 좋은 설계라는 의미는 아닙니다.

6. INTLAW는 장비의 구조와 작동조건을 함께 검토합니다

INTLAW는 SK하이닉스 협력사 기술보호 컨설팅을 수행하며 반도체 장비·부품의 기술구조와 경쟁특허를 비교해 왔습니다. 또한 공정가스 측정, 박막·재료와 제조조건 관련 기술을 분석하면서 장비의 물리적 구성과 공정순서가 특허 보호범위, 개발대안 및 제조조건에 미치는 영향을 검토해 왔습니다.

ASM–Genus 판결에서 드러난 판단 방식은 ALD 장비의 설계변경을 검토할 때에도 유용합니다. 소프트웨어 레시피의 명칭만 비교하기보다 가스 유로, 밸브 개폐순서, MFC 유량, 챔버와 매니폴드의 압력기록을 실제 작동구간별로 확인해야 합니다. 이러한 자료를 청구항의 반응공간·배기단계와 대응시키면 경쟁특허의 쟁점과 설계변경이 공정 성능에 미치는 영향을 함께 판단할 수 있습니다.

마치며 — 공정을 바꾸기 전에 던져야 할 질문

이 판결에서 진공배기와 불활성가스 퍼지는 잔류 반응물을 없앤다는 목적을 공유했습니다. 그러나 법원은 목적의 동일성보다 청구항의 정의, 반응공간에 포함되는 실제 체적, 매니폴드 제한부 때문에 펌프가 어떤 구간을 배기할 수 있는지를 확인했습니다.

반도체 장비기업이 배기방식을 변경할 때에는 가스 유로의 경계, 시간별 압력·유량의 실측자료, 변경 전후의 막질과 공정시간을 한 장의 검토표에 모아야 합니다. 특허팀이 권리범위와 실시구조의 차이를 판단할 수 있어야 하고, 공정개발팀은 동일한 변경이 성능과 생산성에 어떤 영향을 줬는지 설명할 수 있어야 합니다.

같은 결과를 얻는다고 같은 특허구성이 되는 것도, 다른 이름의 공정을 쓴다고 언제나 침해를 피하는 것도 아닙니다. 기술개발의 다음 선택은 실제 장비가 청구된 구성과 어떤 점에서 다르게 작동하는지 확인하는 데서 시작해야 합니다.