이전 기사에서는 포토마스크를 사용하여 포토레지스트가 코팅된 웨이퍼 표면에 설계된 회로 패턴을 투영하는 포토리소그래피 공정을 소개했습니다. 다음 단계는 웨이퍼에 에칭 공정을 수행하여 불필요한 물질을 제거하고 원하는 패턴만 유지하는 것입니다.

에칭: 그 자체로 예술 형식

미술 수업을 들으면서 나무, 금속 또는 돌 표면에 모양을 그린 다음 잉크나 페인트를 바르고 이를 종이나 천에 눌러 만든 예술 작품의 일종인 "인쇄물"을 만들어 본 적이 있을 것입니다. 반도체 식각 공정은 이 판화 기술과 유사한 원리를 공유합니다.

판화에서는 금속판에 부식방지제를 바르고, 날카로운 도구를 사용해 판에 원하는 문양을 새겨 넣는다. 이후 질산 등 부식성 물질에 판을 담그고 부식 정도를 조절해 원하는 패턴을 형성한다.

마찬가지로, 반도체 제조에서 에칭 공정에서는 원하는 회로 패턴이 웨이퍼 표면에 남을 때까지 원하지 않는 물질을 선택적으로 제거하기 위해 액체 또는 가스 에칭제를 사용합니다. 포토레지스트가 없는 영역의 물질은 에칭액에 의해 제거되어 웨이퍼에 회로 패턴을 형성합니다. 에칭 공정이 완료되면 포토레지스트를 제거합니다. 이러한 단계는 서로 다른 레이어에서 여러 번 반복되어야 합니다.

에칭 공정에 사용되는 건식 에칭은 두 가지 유형으로 분류할 수 있습니다. 건식 에칭과 습식 에칭, 사용된 재료에 따라 다릅니다. 건식 에칭은 반응성 가스와 이온을 사용하여 원하지 않는 물질을 선택적으로 제거하는 반면, 습식 에칭은 화학 용액을 사용합니다.

습식 에칭에 비해 건식 에칭은 비용이 더 많이 들고 더 복잡합니다. 그러나 나노스케일 반도체 기술의 발전으로 인해 회로는 더욱 미세하게 복잡해지고 있습니다. 따라서 건식 에칭이 더 광범위하게 적용되고 수율(완제품의 비율을 나타냄)이 더 높습니다.

플라즈마 에칭이라고도 알려진 건식 에칭은 불필요한 기판 재료를 제거하는 데 사용됩니다.
플라즈마는 대기압보다 낮은 압력의 진공챔버에 가스를 주입한 후 전기에너지를 공급함으로써 생성됩니다. 플라즈마는 다수의 자유 전자, 이온, 중성 입자 또는 이온화된 기체로 구성된 물질 상태(고체, 액체 및 기체와 유사)입니다. 물질이 이온화된다는 것은 중성자나 분자가 전자를 잃거나 얻어서 전하 상태가 변경되었음을 의미합니다.

전기 에너지에 의해 생성된 충분히 강한 자기장이 가스에 적용되어 가스 분자가 충돌하여 이온화되면 플라즈마가 형성됩니다. 즉, 자유전자는 자기장에 의해 가속되고, 그에 따른 고에너지 전자는 중성자나 분자와 충돌하여 이온화됩니다.

눈사태 효과로 알려진 이러한 이온화 폭포는 이온 수를 기하급수적으로 증가시킵니다. 이것이 우리가 "플라즈마 상태"라고 부르는 것입니다. 자유 라디칼 원자는 이 플라즈마 상태에서 분리되어 웨이퍼 표면에서 증발하여 이전에 포토레지스트 코팅으로 보호되지 않았던 표면 물질을 제거합니다.

건식 에칭 공정에는 몇 가지 주의할 점이 있습니다.

첫째, 통일성. 균일성은 전체 웨이퍼 표면에 걸쳐 에칭 속도의 일관성을 나타냅니다. 웨이퍼의 다양한 영역에서 에칭 속도가 일관되지 않으면 에칭 깊이가 달라져 칩 오류가 발생할 수 있습니다.

둘째, 식각율. 이는 주어진 시간에 제거된 표면 물질의 양을 나타냅니다. 에칭 속도는 반응성 원자 및 이온의 수는 물론 표면 반응을 일으키는 이온이 운반하는 에너지에 따라 달라질 수 있습니다. 즉, 전반적인 수율을 높이려면 이러한 요소를 엄격하게 제어해야 합니다.

또한, 선택성(타겟 물질의 식각률과 다른 물질의 식각률의 비율)과 식각 프로파일 역시 건식 식각에서 중요한 요소로 간주된다.

이제 반도체 회로 패턴을 구성하기 위한 식각 공정에 대해 더 잘 이해하게 되었습니다. 반도체는 집적회로 기술의 전형으로, 실리콘 기판 위에 원하는 재료를 증착하고, 보호층을 도포하고, 불필요한 부분을 선택적으로 식각하는 작업을 반복해 제조됩니다. 전체 과정은 안전을 염두에 두고 설계된 장비에서 수행됩니다.

다음 기사에서는 이러한 기술을 통해 웨이퍼에 전기적 특성을 부여하는 증착 및 이온 주입 공정을 소개하겠습니다.