식각이란? 건식 식각과 습식 식각은 무엇이 다를까

식각(etching)은 포토 공정에서 포토레지스트(PR)에 찍은 패턴대로, 웨이퍼 위에서 포토레지스트로 덮이지 않은 층의 재료를 깎아 내는 공정이다. 포토레지스트는 웨이퍼 위에 붙인, 구멍 뚫린 형판과 같다. 덮인 곳은 남고, 드러난 곳은 깎여 나간다. 식각을 마친 뒤 포토레지스트를 제거하면 회로 패턴이 실제로 웨이퍼에 새겨진다.

식각과 포토 공정은 어떤 관계일까?

포토 공정은 ‘찍는’ 일을, 식각은 ‘깎는’ 일을 맡는다. 포토 공정은 패턴을 포토레지스트에 찍을 뿐, 그 아래의 재료는 아직 조금도 건드리지 않는다. 어떻게 찍는지는 ‘포토리소그래피(포토 공정)란?’에 정리되어 있다. 그다음 식각이 드러난 재료를 실제로 없앤다.

칩은 층층이 쌓아 만들며, 많은 층이 ‘재료 한 층 쌓기 → 포토 공정으로 패턴 찍기 → 식각으로 깎아 내기’를 한 번씩 거친다. 그래서 웨이퍼 한 장은 완성되기까지 식각 장비에 여러 번 들어간다.

습식 식각이란?

습식 식각은 약액에 담그는 방식이다. 특정 재료를 녹이는 약액에 웨이퍼를 담그거나 약액을 뿌리면, 드러난 층이 서서히 녹아 없어진다. 예를 들어 불산은 유리의 주성분인 이산화규소를 녹인다.

장점은 간단하다는 것이다. 장비가 복잡하지 않고 식각이 빠르며, 약액 한 조에 여러 장을 동시에 담글 수 있다. 약액은 대개 재료를 매우 ‘가려서’ 녹여야 할 층만 녹인다.

문제는 방향이다. 대부분의 약액은 방향을 가리지 않아서 아래로 깎아 들어가는 동시에 옆으로도 깎아, 포토레지스트 가장자리 밑을 안쪽으로 파고든다. 아래로 깎인 깊이만큼 옆으로도 대략 그만큼 파고들어 깎인 가장자리가 둥글게 되는데, 숟가락으로 떠낸 그릇 모양과 같다.

미세 패턴에는 왜 습식 식각을 쓸 수 없을까?

선을 하나 깎아 낸다고 하자. 선의 폭은 이 층의 두께와 비슷하다. 습식 식각으로 아래까지 뚫는 동안 선의 양옆도 각각 두께만큼 깎여 나가니, 이 선은 절반 넘게 줄어들거나 아예 통째로 사라진다.

패턴이 클 때는 가장자리가 조금 더 깎여도 상관없다. 어느 대학 강의 노트에는 습식 식각이 대략 수 마이크로미터 이상의 패턴에만 적합하다고 적혀 있다(막 두께에 따라 다르다). 오늘날 칩에서 가장 가는 선은 수십 나노미터, 또는 그보다 더 가늘어서 수십 배 이상 작다. 그래서 미세 패턴은 대부분 건식 식각에 맡기고, 습식 식각은 주로 패턴대로 깎을 필요가 없는 곳, 예를 들어 한 층 전체를 걷어 내거나 표면을 깨끗이 씻는 데 쓴다.

건식 식각이란? ‘플라즈마’는 또 무엇일까?

건식 식각은 약액 대신 기체를 쓴다. 웨이퍼를 진공에 가깝게 배기한 밀폐 공간, 즉 챔버에 넣고 특정 기체를 흘려 넣은 뒤, 고주파 전기로 기체를 플라즈마로 만든다.

플라즈마는 기체가 전기로 ‘쪼개진’ 상태다. 기체의 일부는 전자를 빼앗겨 전하를 띤 입자가 되고, 적지 않은 양이 매우 활발해서 반응하기 쉬운 조각으로 쪼개진다. 대부분은 사실 원래의 기체 그대로다. 네온사인에서 빛을 내는 것이 플라즈마이며, 식각 장비의 챔버 안에서도 한 덩어리의 빛이 켜진다.

플라즈마는 두 가지 힘을 함께 써서 깎는다.

• 화학 작용: 반응성이 강한 조각이 표면의 재료와 반응해 기체가 되고, 배기로 빠져나간다.
• 충돌: 전하를 띤 입자가 전기장에 끌려 아래로 내려가 웨이퍼에 곧장 부딪혀, 표면을 헐겁게 하거나 떼어 낸다. 진공 속에서 하는 샌드블라스트와 비슷하다.

입자가 바로 위에서 내리꽂히므로 구멍의 바닥은 계속 맞지만 옆벽은 거의 맞지 않는다. 많은 식각 공정은 옆벽에 얇은 보호막이 생기게 해서, 이리저리 파고드는 조각을 막기도 한다(플라즈마란? 참고). 그래서 건식 식각은 주로 아래로 진행되어 곧고 깊은 벽을 깎아 낼 수 있다. 그 대가로 장비가 훨씬 복잡하고 관리해야 할 조건도 많다.

비교	습식 식각	건식 식각
무엇으로 깎나	약액	플라즈마
어느 방향으로 깎나	대개 사방으로 함께 깎인다	주로 아래로 깎인다
깎인 가장자리	둥글다, 그릇 모양	곧다
주로 쓰는 곳	큰 패턴, 한 층 전체 제거, 세정	미세 패턴

얼마나 넓게, 얼마나 곧게, 어디서 멈출까?

식각에서 신경 쓰는 것은 대략 세 가지다. 깎아 낸 선폭이 포토 공정에서 찍은 것과 같아야 한다. 옆벽이 곧아야 하고, 아래가 파여서는 안 된다. 이 층은 완전히 뚫되, 그 아래 층은 손상시키지 않아야 한다.

장비는 다 뚫었다는 것을 어떻게 알까? 많은 장비는 식각하면서 플라즈마의 빛을 지켜본다. 깎이고 있는 재료가 떨어져 나와 플라즈마에 섞이면 특정 몇 가지 색의 빛이 강해진다. 이 층을 다 깎아 아래 재료가 드러나면 그 빛이 약해진다. 이 변화를 보면 다 깎았다는 것을 알 수 있는데, 이를 엔드포인트 검출(endpoint detection)이라고 한다.

하지만 이때 모든 곳이 다 뚫린 것은 아니다. 같은 웨이퍼라도 막 두께가 곳곳마다 같지 않고, 식각 속도도 곳곳마다 같지 않다. 그래서 모든 구멍이 바닥까지 닿도록 조금 더 깎는데, 이를 과식각이라고 한다. 너무 길면 아래 층이 손상되고, 너무 짧으면 일부 구멍이 뚫리지 않는다. 구멍이 가늘고 깊을수록 가늠하기가 더 어렵다.

선택비란?

지우개로 연필 글씨를 지우는 장면을 떠올려 보자. 글씨는 금방 지워지지만 종이는 거의 얇아지지 않는다. 식각도 이렇게 되기를 바란다. 깎아야 할 층은 빨리 깎이고, 깎고 싶지 않은 층은 아주 천천히 깎이는 것이다. 두 재료가 깎이는 속도의 비를 선택비라고 한다.

선택비가 높으면 과식각으로 더 깎는 동안 아래 층은 아주 조금만 깎인다. 선택비가 낮으면 몇 초만 더 깎아도 아래 층이 뚫릴 수 있다. 포토레지스트 자신도 깎이므로, 선택비가 부족하면 포토레지스트가 끝까지 버티지 못하고 먼저 다 깎여 버린다. 일반적으로 화학 반응으로 깎으면 재료를 더 ‘가리고’, 충돌에만 의존하면 덜 가린다. 건식 식각이 두 힘을 함께 쓰는 것은 ‘곧게’와 ‘가려서’를 동시에 얻기 위해서다.

잘못 깎으면 다시 할 수 있을까?

어렵다. 포토 공정에서 잘못 찍었더라도 아직 식각에 들어가기 전이라면 포토레지스트를 씻어 내고 다시 찍을 수 있는데, 이를 리워크라고 한다. 식각으로 없앤 재료는 되돌릴 수 없다. 덜 깎였으면 추가로 깎을 수 있는 경우도 있지만, 지나치게 깎아 아래 층까지 손상되면 되돌릴 수 없고, 심하면 스크랩할 수밖에 없다.

식각 장비는 왜 매일 누군가 지켜봐야 할까?

챔버 안의 상태가 서서히 변하기 때문이다. 한 장을 깎을 때마다 깎여 나온 물질의 일부가 챔버 내벽에 달라붙어 서서히 한 층으로 쌓인다. 이 층이 플라즈마 속 성분을 흡수하거나 내놓으면서 식각 속도도 따라 변한다. 같은 레시피(장비가 따라 실행하는 설정)라도 이번 달과 다음 달의 결과가 다를 수 있다. 그래서 정해진 절차에 따라 관리한다.

1. 정기 PM(예방 정비): 챔버를 열어 깨끗이 닦고, 마모된 부품을 교체한다.
2. 닦은 직후에는 챔버 벽이 너무 깨끗해서 처음 몇 장은 오히려 평소와 다르게 깎인다. 그래서 고객 제품이 아닌 웨이퍼를 몇 장 먼저 돌려 내벽을 안정된 상태로 되돌리는데, 이를 시즈닝이라고 한다.
3. 이어서 테스트용 웨이퍼를 돌려 식각 속도를 측정하고 파티클이 몇 개 늘었는지 센다. 규격 안에 들어야 생산에 돌려보내는데, 이를 테스트 런이라고 한다.
4. 평소에도 식각 후 선폭을 측정해 관리도에 그리고, 한쪽으로 서서히 치우치지 않는지 본다.

장비에 이상이 생기면 불이 켜지는데, 그 불빛을 읽는 법은 ‘장비의 빨간불·노란불·초록불은 무슨 뜻일까?’에서 읽을 수 있다. 만들어진 결과는 누가 맡고 장비는 누가 맡는지는 ‘공정 엔지니어와 장비 엔지니어는 무엇이 다를까?’에 정리되어 있다.

fab24hr에서는

fab24hr에서 식각은 주인공 가운데 하나다. ‘출근’을 누르고 ‘직장인의 하루’를 고른 뒤, ‘오늘 나는’ 카드에서 ‘양산 팹’을 누르고 좌우로 넘겨 공정 엔지니어를 찾아 이름 아래의 ‘식각’을 누르면 식각 공정 엔지니어가 된다. 심야 근무, 02:47에 전화가 울린다. ETCH-03의 챔버 A에 알람이 떴고, 웨이퍼 한 장이 식각 도중에 안에 걸려 있다. 오전 근무에는 챔버 오픈을 마친 장비에서 시즈닝을 몇 장 돌릴지, 진공 배기하며 베이크를 얼마나 할지 정해 식각 속도와 파티클을 모두 규격 안으로 되돌려야 한다. 오후 근무에는 추가 식각으로 덜 깎인 그 웨이퍼를 마저 깎아야 하는데, 수동 투입 화면을 열자 전체 선택이 되어 있다. 내가 잘못 누르지 않으면, 사고는 옆 ETCH-05의 신입 쪽에서 난다. 저녁 근무에는 ETCH-03의 헬륨 유량이 조금씩 올라가 노란불이 켜진다.

메인 스토리 ‘칩의 일생’ 챕터 6~9가 바로 이 공정 엔지니어의 하루다. 챕터 5 ‘마지막 한 칸’은 R&D 라인에서 펼쳐지며, 식각 개발 공정 엔지니어는 양산 팹에 넘기기 전에 헬륨 유량의 알람 상한을 정해야 한다. 게임 속 회사, 인물, 장비 번호, 숫자는 모두 가상이다. 식각을 어떻게 하고 왜 지켜봐야 하는지는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼다. 다른 업계 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.