반도체 제조 과정 중 Mass Flow Controller가 사용되는 식각(Etching)과정과 건식 식각(Dry Etching)


가스와 같은 기체의 유량을 측정하고 제어하는데 사용되는 질량 유량계(Mass Flow Meter / Controller - MFM / MFC)는 다양한 어플리케이션에서 사용되고 있습니다.


지난 시간에는 반도체 제조 공정 중, MFC가 사용되는 박막 증착 과정에 대해 알아보았습니다.


반도체 제조 과정 중 MFC가 사용되는 박막 증착 과정(Thin Film Deposition)과 화학적 증착 방법에 대한 글을 보시려면 클릭하세요.



이번 시간에는 반도체 제조 공정 중 역시 MFC가 사용되는 식각(Etching) 과정과 건식 식각(Dry Etching)에 대해 알아보겠습니다.

 

식각(Etching) 과정


식각(Etching)이란 부식작용을 이용해 표면을 깎아내는 기법으로, 우리는 미술 시간에 금속판에 부식액을 바르고 금속이 부식되는 성질을 이용해 그림을 그린 판화로 익숙한 과정입니다.


반도체 제조 과정 중 식각 과정은 회로가 그려진 웨이퍼에서 필요한 패턴만 남기고, 불필요한 부분은 갂아내는 작업을 말합니다.


식각 과정의 전 단계인 포토(Photo) 과정에서는 웨이퍼에 회로를 그리는데, 이 과정에서 포토레지스트(Photoresist)가 웨이퍼 위에 덮힙니다.


포토레지스트는 빛과 반응해 물리적이나 화학적 변화를 일으키는 감광액이라고 불리는 물질의 일종인인데, 이 물질이 빛을 받으면 응고해 요철을 만들어냅니다.


이 원리를 이용해 포토레지스트가 발라진 웨이퍼 위에 회로도 모양으로 빛을 쏘여 주면, 웨이퍼 위에 요철로 그려지는 회로가 만들어지고, 부식을 일으키는 재료를 이용해 포토레지스트로 보호되는 곳을 제외한 부분을 깎아내는 것입니다.


깎아내기 위한 부식 재료는 액체와 기체, 그리고 플라즈마 등이 이용되며, 재료에 따라 습식과 건식 식각으로 나뉩니다.


식각(etching)의 예

출처 : Wikipedia

https://en.wikipedia.org/wiki/Etching_(microfabrication)



습식 식각(Wet Etching)

습식 식각은 액상 상태의 화학 용액을 이용한 방법으로, 대기 상태에서 이뤄지며 용액이 담길 베스에서 작업이 이뤄집니다.


습식 식각은 비용이 저렴하고 공정이 단순해 빠르게 작업이 진행되기 때문에 높은 생산성을 가지고 있는 장점이 있습니다.

하지만 용액의 사용으로 인한 오염 문제가 발생할 수 있고 식각 정확도가 낮은 단점이 있습니다.


습식 식각의 낮은 정확도는 모든 방향의 식각 속도가 같은 등방성 때문입니다.

이 등방성으로 인해 모든 방향으로 둘글게 부식이 진행되고, 부식시지키 않아야 하는 포토레지스트 아랫 부분까지 부식시키는 현상이 일어납니다.




건식 식각(Dry Etching)

건식 식각은 반응성 기체나 이온(Ion) 등을 이용하며, 진공 상태의 챔버(Chamber)에서 작업이 이뤄집니다.


비용이 높고 과정이 어렵기 때문에 습식 식각과 비교해 생산량이 낮은 단점이 있습니다.

하지만 정확성이 높고 극미세 회로를 식각할 수 있다는 장점이 있습니다.


최근에는 수율 증대 및 극미세 회로 식각의 이유로 습식 식각 보다는 건식 식각이 더 널리 사용되고 있습니다.

 

건식 식각(Dry Etching)


건식 식각(Dry Etching)은 플라즈마(Plasma)식각이라고도 불립니다.

플라즈마는 흔히 우리가 알고 있는 물질의 3가지 상태인 고체와 액체, 그리고 기체의 상태가 아닌 4번째 상태를 말합니다.


플라즈마는 우주에 존재하는 물질의 99%를 차지하는 상태로 전기전도도를 가지는 전하를 띤 입자들의 집합체입니다.

플라즈마는 원자핵과 자유전자, 이온 등이 따로 돌아다니는 상태로, 자유전하로 인해 높은 전기전도도를 가지고, 전자기장에 대해 매우 큰 반응성을 갖습니다.


건식 식각은 일반 대기압보다 낮은 진공 상태에서 이뤄지기 때문에 압력을 낮춘 챔버 내에서 작업이 이뤄집니다.


진공 상태의 챔버 내부에 MFC를 이용해 일정량의 가스를 주입한 후, 전기 에너지를 공급해 플라즈마를 발생시킵니다.


진공 상태의 챔버에 전기 에너지를 공급하면 자기장이 생기고 이 자기장은 자유전자에 영향을 줍니다.

높은 에너지를 가진 자유전자들은 주변의 중성 원자나 분자와 충돌하고 다시 여기서 나온 자유전자가 다른 중성의 원자나 분자와 충돌해 연쇄적인 이온화 반응이 플라즈마 상태를 만들어냅니다.


플라즈마 상태에서 떨어져 나온 반응성 원자(Radical Atom)가 웨이퍼 표면의 원자들가 만나 강한 휘발성을 띠며 표면에서 분리됩니다.


이 과정에서 포토레지스트에 보호되지 않는 부분이 깎여나가는 것입니다.

 

식각(Etching)과 MFC(Mass Flow Controller)


위에 언급한 것처럼 반도체 제조 공정 중, 건식 식각 공정에서는 Mass Flow Controller가 사용됩니다.


프로세스의 균일성과 반복성이 높은 MFC는 공정 챔버 내부로 주입되는 기체의 양을 제어하는데 중요한 역할을 합니다.


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참고


https://en.wikipedia.org/wiki/Etching_(microfabrication)

https://en.wikipedia.org/wiki/Plasma_(physics)

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