1-31. 반도체, 전공정, 사진 식각 및 패터닝

사진 식각 공정(photolithography & etching)은 감광막(photoresist)이 도포된 웨이퍼에 마스크를 정렬한 다음 자외선과 같은 빛 에너지를 조사하게 되면(exposure) 자외선에 노출된 감광막의 특성이 변하여 현상(development) 과정에서 선택적으로 패터닝이 됩니다.  다음 단계로 식각(etching)이나 도핑 과정이 진행되는데, 선택적으로 패터닝된 감광막에서 열린 부분에 대해 식각액이나 도핑용 불순물들이 들어갈 수 있어 웨이퍼의 선택적인 식각이나 도핑이 가능해지죠.  이는 마치 필름 사진을 찍을 때 필름 역할을 하는 마스크가 있고 이를 통하여 웨이퍼 위에 사진처럼 형상이 만들어지고, 이 형상을 이용하여 선택적인 식각 등이 일어난다고 하여 이러한 공정을 사진 식각 공정이라고 합니다.

 

사진 식각 공정

 

사진 식각 공정

 

사진 식각 공정은 감광막이 영향을 받지 않는 노란색 조명의 청정실에서 행하여지며, 기본적으로 감광막 도포, 마스크 정렬, 자외선 조사, 현상, 감광막 경화, 그리고 식각 과정으로 진행됩니다.  감광막을 도포하는 방식은 기본적으로 스핀 코팅(spin coating)이 사용되나 이 외에도 분사 코팅(spray coating)이나 노즐을 이용한 슬롯 다이 코팅(slot die coating) 등이 있습니다.  그리고 마스크의 정렬 및 자외선 조사 방식에도 밀착(contact) 방식, 근접(proximity) 방식, 그리고 투사(projection) 방식이 있는데,  정밀도와 함께 패턴의 손상이나 마스크의 수명, 그리고 노광 장비의 성능과 가격 등을 고려하여 선택을 합니다.

 

사진 식각 공정

 

감광제도 자외선 노출(exposure) 후 현상(development) 과정에서 노출 영역이 제거되면 양성(positive), 노출 영역이 남고 노출되지 않은 영역이 제거되면 음성(negative)으로 구분이 됩니다.  고분자 구조에서 보면 양성 감광제에서 제거되는 영역은 열경화성(thermoset)에서 열가소성(thermoplastic)으로 변화되며, 음성 감광제의 경우에는 반대로 되죠.  그리고 현상 과정을 통하여 패터닝된 감광막은 패턴 정밀도를 세밀하게 평가하여 다음 공정에서 문제가 없어야 합니다.

 

사진 식각 공정

 

페터닝된 감광막에 열을 어느 정도 가하여 경화시킨 후 이를 식각 마스크(etching mask)로 하여 감광막 아래 물질에 대한 식각(etching)이 진행됩니다.  식각 공정은 용액과의 화학적 반응을 이용하는 습식 식각(wet etching)과 에너지가 큰 이온성 기체와의 물리적 충돌과 화학적 반응을 수반하는 건식 식각(dry etching)으로 구분됩니다.  습식 식각 방법에는 분사 혹은 분무(spray) 방식과 담금(immersion) 방식 등이 있으며, 건식 식각은 플라즈마나 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching, RIE) 또는 이온 밀링 등을 이용합니다.

 

식각

 

습식 식각의 경우, 공정 장비와 가격 부담이 적고, 식각률이 높으며 물질에 따른 선택도가 우수한 반면, 미세 패턴 제작이 어렵고 용액 사용에 따른 위험성과 환경 유해성 면에서 불리합니다.  건식 식각은 미세 패턴 제작과 패턴 정밀도가 우수한 반면 장비 설치 비용이 상대적으로 높고 시간당 처리량(throughput)이 상대적으로 낮으며 선택도 그리고 전자기 방사에 의한 손상(radiation damage)에 관한 우려도 있죠. 

 

습식 식각과 건식 식각

 

식각 검사

 

 

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