노광 - HMDS 표면처리 + 친수성과 소수성이란
이번엔 노광 과정의 세부 항목 중 HMDS (Hexa Methy Di Silazane) 이라는 표면처리 방식에 대해서 알아 볼 것이다.
HMDS 표면처리 공정은 앞서 알아본 PR 이라는 감광제를 도포하기 전. PR이 더 얇고 균질하게, 또 잘 붙어 코팅될 수 있도록 표면을 친수성에서 소수성으로 바꾸어주는 과정을 말한다.
공정 원리에 대해 알아보기 전. 친수성과 소수성이라는 말의 뜻과 이론을 잘 알아둬야 할 필요가 있다.
- 친수성과 소수성
물이 무언가의 표면에 떨어지게 되면 접시같은 그릇에서 평평하게 퍼지거나, 혹은 기능성 외투나 바람막이에 동글동글하게 방울 형태로 모이게 되는것을 볼 수 있다.
여기서 넓고 평평하게 퍼져 물에 대한 특별한 친화도를 가지는 특징을 친수성.
표면에서 물에 반발하여 구처럼 방울모양을 형성하는 성질은 소수성이라고 부른다.
(물의 분자구조는 극성을 띄고 있는데, 극성은 극성끼리, 무극성은 무극성끼리 잘 붙는 특징을 가진다. 즉 물과 친한 친수성의 물질은 분자구조가 극성을 띄고 있는 물질이고, 소수성의 물질을 분자구조가 고루 퍼져있는 무극성 물질이다.)
이렇게 구분은 해 놓았지만 넓게 퍼진것과 동글동글하게 뭉친 것을 정확히 구분해 낼 기준이 애매하다.
그래서 친수성과 소수성을 구분하는 방법으로 물방울과 접촉한 물체의 표면과의 '접촉각'을 이용한다.
접촉각은 쉽게 말하자면 물방울이 얼마나 퍼지는지를 각도로 표현한 것이라고 할 수 있다.
위의 그림과 같이 접촉각이 큰 물체는 물에 잘 젖지 않는다는 것이고. 물방울이 동글동글하게 뭉치는 것을 볼 수 있다.
그 왼쪽의 사진은 접촉각이 작아 물에 잘 젖고(퍼지고) 물방울이 납작한 모양을 하고 있는것을 볼 수 있다.
여기서 기준을 접촉각 90˚로 잡아 90˚이하의 접촉각은 친수성, 90˚이상의 접촉각은 소수성 물질로 부른다.
- HMDS와 PR
다시 본론으로 돌아와서 HMDS의 궁극적인 목적은 PR을 더 잘 웨이퍼에 코팅하기 위해서라고 했다.
말그대로 HMDS는 웨이퍼와 PR 사이의 계면활성제의 역할을 하는 것이다.
PR은 Resin, PAC, Solvent로 이루어진 일종의 유기액체이고, 기름이라고 생각하면 된다.
따라서 물과 친한 성질을 가진 친수성의 웨이퍼와는 잘 섞이지 않고. 그것을 잘 섞어주기 위한 것이라고 생각하면 된다.
그렇다면 PR이 소수성, 친수성인지를 판단하고 PR과 잘 붙을 수 있도록 웨이퍼 표면을 맞추어 변화시켜주어야 한다.
PR은 기본적으로 접촉각이 90˚이상인 소수성 물질에 속한다.
그러나 웨이퍼 표면은 접촉각이 90˚ 이하인 친수성 물질이다.
이렇게 두 표면의 성질이 다르므로(표면에너지가 다르므로) 같은 성질로 만들어 주어야 PR이 웨이퍼 위에 잘 도포가 될 것이다.
이 때 웨이퍼 표면을 친수성에서 소수성의 성질을 띈 물질로 바꾸어 주는 것이 HMDS이다.
HMDS의 도포할 땐 증기의 형태로 웨이퍼 위에 분사하거나, N2가스를 이용해 일정한 압력으로 웨이퍼 위에 HDMS를 불어넣어 강제로 막 위에 퍼지게 하는 방법을 이용한다.
위의 사진에서 볼 수 있듯이. 처음 친수성을 띄고 있는 웨이퍼(O-H 공유결합)는 극성 액체인 물과 잘 달라붙을 수 있는 친수성의 형태를 띄어 접촉각이 낮은것을 볼 수 있다.
그러한 표면에 HMDS 물질을 반응을 시켜 표면을 처리해준 결과로 C-H라는 안정적인 무극성 결합을 할 수 있게되어 물과 같은 극성 액체와 잘 달라붙지 않는 소수성의 성질을 가지게 할 수 있다.
이렇게 소수성의 PR과 같은 성질로 웨이퍼 표면 성질을 맞춰주어 PR을 코팅할 때 더 잘 붙고, 얇고, 균일하게 코팅해낼 수 있도록 하는 공정을 HMDS 전처리 공정이라고 한다.