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Etching 이라고 불리는 식각 공정은 노광공정인 Photolithography 공정 이후 진행되는 공정이다.
웨이퍼의 관점에서 반도체 공정의 전반적인 흐름은 '조각'하는 과정이라고 비유할 수 있다.
조각할 재료를 덮어씌우고, 그 위에 그림을 그리고, 파낼부분, 남겨질 부분을 구분하여 조각하는 과정이 유사하다.
그 중에서도 증착은 재료를 덮어씌우는, 포토는 그림을 그리는 단계라면 이번에 알아볼 식각 Etch 공정은 '파내는' 단계이다.
앞선 노광 공정에서 PR을 코팅하고 그 위에 빛으로 회로의 그림을 그려냈다. 이후 현상의 단계를 거치면서 노광된 부분을 남겨내거나 (Positive) 노광되지 않은 부분을 남겨냈고 (Negative) 이후 철저한 검사까지 마쳤다.
이러한 단계는 모두 PR이 없는 부분의 Layer가 식각 공정에 의해 제거되도록 하기 위한 준비단계를 마친 것이다.
증착 단계에서 Layer가 생성되는 단계를 제외하면. 처음으로 Wafer 위에서 회로 모양으로 Layer가 변하는 단계이다.
즉 식각공정은
" PR 패터닝으로 형성된 하부 막질을 화학적, 물리적으로 식각하여 원하는 회로 패턴으로 형성하는 공정 "
으로 정리할 수 있다.
식각공정 또한 회로선폭의 미세화에 따라 식각 방식이 변화하고, 그에 따라 장비와 공정의 복잡도가 높아졌다.
또한 소자의 구조가 더이상 2D 구조에서 그치지 않고 3D구조까지 나아감에 따라 중요한 핵심 공정으로 부상했다.
- 식각(Etching) 공정의 이해
식각의 공정은 각 종류가 존재하지만. 큰 맥락에서 보았을 때 그 원리를 단계로 나누어 볼 수 있다.
1. 식각할 막질의 경계면을 통하여 반응제 (가스 or 반응체)의 이동
- 식각할 Layer와 반응해 제거될 수 있도록 할 가스나 반응체를 주입
2. 반응가스와 막질의 반응
- 주입된 가스와 제거될 막질이 반응하여 화학적으로 다른 물질로 변화함.
3. 반응 부산물의 배출 및 이동
- 반응되어 생성된 부산물(Product)를 제거시켜 원하는 부분만 남겨냄.
이러한 전체적인 흐름을 따라가는데, 크게 보면 건식식각 / 습식식각 의 두가지 대표적 방식이 존재한다.
- 습식식각 (Wet Etch) 과 건식식각 (Dry Etch)
| 항목 | 건식 식각 (Dry Etch) | 습식 식각 (Wet Etch) |
| 형상 크기 | 小 | 大 |
| 형상 (Etch Profile) | 비등방성 Antisotropic | 등방성 Isotropic |
| 식각제 (Etchant) | 반응 가스, 이온 활성종 (Radicals) | 액상 화학 용액 |
| 식각률 (Etch Rate) | 조절 가능 | 높음 |
| 선택비 (Selectivity) | 조절 가능 | 높음 |
| 장비 가격 (Cost) | 고가 | 상대적 저렴 |
| 생산성 (Thoughout) | 낮음 (Single Wafer Type) | 높음 (배치식, 일괄처리) |
위의 표는 먼저 두가지 식각의 방식이 Parameter 관점에서 어떻게 차이가 나는지 정리한 표이다.
여기서 가장 눈에 띄는 단어는 비등방성 Antisotropic과 등방성 Isotropic 인데.
말을 먼저 설명해보자면 먼저 등방성이란 모든 방향으로 동일하게 작용한다는 의미이고, 비등방성이란 특정 방향으로만 방향성을 가지고 작용한다는 의미이다.
즉 식각의 과정에서 등방성을 가진다는 것은 식각이 모든 방향으로 동일하게 일어난다는 것이고, 비등방성을 가진다는 것은 식각이 특정 방향으로만 일어나게 된다는 것이다.
위의 그림에서 왼쪽이 습식식각이 일어나는 방향, 오른쪽이 건식 식각이 일어나는 방향이다.
습식 식각은 액상 용액이 스며들어 Layer과 반응하는 방식이기 때문에 액상 용액이 닿는 모든 부분에서 식각반응이 일어난다. 즉 등방성을 가지고 식각이 발생하는 것이다. 그러나 기체 형태의 가스나 Plasma를 이용하는 건식식각 방식에서는 반응체가 의도한 방향으로 날아가 그 부분에서 직진성을 가지고 반응하기 때문에 비등방성의 성질을 가지고 식각한다.
(각 공정단계의 세부 원리와 내용은 각각의 포스트에서 다루도록 하겠다.)
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