반도체 제조에서는 기판이나 기판 위에 형성된 박막을 가공하는 과정에서 '에칭(etching)'이라는 기술이 있다. 에칭 기술의 발전은 1965년 인텔 창업자인 고든 무어(Gordon Moore)가 “트랜지스터 집적도는 1.5~2년 안에 2배가 될 것”이라는 예측(통칭 “무어의 법칙”)을 실현하는 데 한몫했다.
에칭은 증착이나 접착과 같은 "추가" 공정이 아니라 "감산" 공정입니다. 또한, 다양한 긁는 방법에 따라 '습식 에칭'과 '건식 에칭'이라는 두 가지 범주로 구분됩니다. 쉽게 말하면 전자는 용해방식이고 후자는 굴착방식이다.
이번 글에서는 각각의 에칭 기술인 습식 에칭과 건식 에칭의 특징과 차이점, 그리고 각각이 적합한 적용 분야에 대해 간략하게 설명하겠습니다.
에칭 공정 개요
에칭 기술은 15세기 중반 유럽에서 시작되었다고 합니다. 이때, 조각된 동판에 산을 부어 순동을 부식시켜 음각을 형성하였다. 부식 효과를 활용하는 표면 처리 기술은 "에칭"으로 널리 알려져 있습니다.
반도체 제조에서 에칭 공정의 목적은 도면에 따라 기판이나 기판 위의 필름을 절단하는 것입니다. 성막, 포토리소그래피, 에칭의 준비 단계를 반복함으로써 평면 구조가 3차원 구조로 가공됩니다.
습식 에칭과 건식 에칭의 차이점
포토리소그래피 공정 후 노출된 기판은 식각 공정을 통해 습식 또는 건식 식각됩니다.
습식 에칭은 용액을 사용하여 표면을 에칭하고 긁어냅니다. 이 방법은 빠르고 저렴하게 처리할 수 있지만 처리 정확도가 약간 떨어지는 단점이 있습니다. 그래서 1970년경에 드라이에칭이 탄생했습니다. 드라이에칭은 용액을 사용하지 않고, 가스를 이용해 기판 표면을 때려 스크래치를 내는 방식으로 가공 정밀도가 높은 것이 특징입니다.
“등방성”과 “이방성”
습식 에칭과 건식 에칭의 차이점을 소개할 때 필수 단어는 "등방성"과 "이방성"입니다. 등방성(Isotropy)은 물질과 공간의 물리적 성질이 방향에 따라 변하지 않는다는 뜻이고, 이방성(Anisotropy)은 물질과 공간의 물리적 성질이 방향에 따라 달라지는 것을 의미한다.
등방성 에칭은 특정 지점을 중심으로 동일한 양만큼 에칭이 진행되는 것을 의미하고, 이방성 에칭은 특정 지점을 중심으로 서로 다른 방향으로 에칭이 진행되는 것을 의미한다. 예를 들어, 반도체 제조 중 에칭에서는 대상 방향만 긁어내고 다른 방향은 그대로 유지하도록 이방성 에칭을 선택하는 경우가 많습니다.
"등방성 에칭" 및 "이방성 에칭" 이미지
화학물질을 이용한 습식 에칭.
습식 에칭은 화학 물질과 기판 사이의 화학 반응을 활용합니다. 이 방법을 사용하면 이방성 식각이 불가능한 것은 아니지만 등방성 식각에 비해 훨씬 어렵습니다. 용액과 재료의 조합에는 많은 제약이 있으며, 기판 온도, 용액 농도, 첨가량 등의 조건을 엄격하게 제어해야 합니다.
아무리 조건을 미세하게 조정해도 Wet Etching에서는 1μm 이하의 미세 가공이 어렵습니다. 이에 대한 한 가지 이유는 측면 에칭을 제어할 필요가 있기 때문입니다.
언더커팅은 언더커팅이라고도 알려진 현상입니다. Wet Etching으로 수직방향(깊이방향)으로만 물질이 용해되기를 기대하더라도 용액이 측면에 부딪히는 것을 완전히 방지하는 것은 불가능하므로 필연적으로 평행방향의 물질의 용해가 진행되게 된다. . 이러한 현상으로 인해 습식 에칭에서는 목표 너비보다 좁은 단면이 무작위로 생성됩니다. 이와 같이 정밀한 전류 제어가 필요한 제품을 가공할 때 재현성이 낮고 정확도를 신뢰할 수 없습니다.
습식 에칭에서 발생할 수 있는 실패의 예
건식 에칭이 미세 가공에 적합한 이유
고정밀 가공이 요구되는 반도체 제조 공정에서는 이방성 에칭에 적합한 드라이 에칭이 사용된다. 건식 식각은 종종 반응성 이온 식각(RIE)이라고도 하며 넓은 의미에서는 플라즈마 식각과 스퍼터 식각도 포함될 수 있지만 이 기사에서는 RIE에 중점을 둘 것입니다.
건식 에칭을 사용하면 이방성 에칭이 더 쉬운 이유를 설명하기 위해 RIE 프로세스를 자세히 살펴보겠습니다. 건식에칭과 기판을 긁어내는 과정을 '화학적 에칭'과 '물리적 에칭'의 두 가지로 나누어 보면 이해하기 쉽습니다.
화학적 에칭은 세 단계로 진행됩니다. 첫째, 반응성 가스가 표면에 흡착됩니다. 반응 가스와 기판 물질로부터 반응 생성물이 형성되고, 최종적으로 반응 생성물이 탈착됩니다. 이어지는 물리적 식각에서는 기판에 수직 방향으로 아르곤 가스를 가해 기판을 수직 방향으로 하향 식각한다.
화학적 에칭은 등방성으로 발생하는 반면, 물리적 에칭은 가스 적용 방향을 제어하여 이방성으로 발생할 수 있습니다. 이러한 물리적 에칭으로 인해 건식 에칭은 습식 에칭보다 에칭 방향을 더 잘 제어할 수 있습니다.
건식 및 습식 에칭도 습식 에칭과 마찬가지로 엄격한 조건이 필요하지만 습식 에칭에 비해 재현성이 높고 제어하기 쉬운 항목이 많습니다. 따라서 건식 에칭이 산업 생산에 더 도움이 된다는 것은 의심의 여지가 없습니다.
습식 에칭이 여전히 필요한 이유
겉으로 보기에 전능해 보이는 건식 에칭을 이해하고 나면 왜 아직도 습식 에칭이 존재하는지 궁금할 것입니다. 그러나 이유는 간단합니다. 습식 에칭을 하면 제품 가격이 저렴해지기 때문입니다.
건식 에칭과 습식 에칭의 주요 차이점은 비용입니다. 습식 에칭에 사용되는 약품은 그다지 비싸지 않으며, 장비 자체의 가격도 건식 에칭 장비의 1/10 정도라고 합니다. 또한, 처리 시간이 짧고 여러 기판을 동시에 처리할 수 있어 생산 비용이 절감됩니다. 결과적으로 우리는 제품 비용을 낮게 유지하여 경쟁사보다 우위를 점할 수 있습니다. 가공 정확도에 대한 요구 사항이 높지 않은 경우 많은 기업에서는 거친 대량 생산을 위해 습식 에칭을 선택합니다.
에칭 공정은 미세 가공 기술에서 중요한 역할을 하는 공정으로 도입됐다. 에칭공정은 크게 습식에칭과 건식에칭으로 나누어진다. 비용이 중요하다면 전자가 더 좋고, 1μm 이하의 미세 가공이 필요한 경우 후자가 더 좋습니다. 이상적으로는 어떤 공정이 더 나은지보다는 생산할 제품과 비용을 기준으로 공정을 선택할 수 있습니다.
게시 시간: 2024년 4월 16일