반도체 입문 · 12강
식각: 패턴대로 깎아 내기
포토 공정은 포토레지스트에 패턴을 찍을 뿐, 그 아래 재료는 아직 조금도 건드리지 않았다. 패턴을 실제로 웨이퍼에 새기는 것은 식각이며, 잘못 깎으면 되돌리기 어렵다.
학습 목표
- 식각과 포토 공정의 관계, 즉 포토레지스트가 어떻게 틀 역할을 하는지, 식각이 왜 덮이지 않은 부분만 제거하는지 설명할 수 있다.
- 습식 식각과 건식 식각을 구분하고, 플라즈마가 무엇인지, 플라즈마가 왜 곧게 깎으면서도 재료를 가려 깎는지, 선택비가 무엇인지 말할 수 있다.
- 장비가 막을 다 뚫었음을 어떻게 아는지, 왜 조금 더 식각하는지, 덜 깎거나 더 깎으면 각각 어떻게 되는지, 챔버를 왜 매일 지켜봐야 하는지 설명할 수 있다.
한 단계씩
- 포토레지스트의 구멍 뚫린 틀을 따라, 덮이지 않은 층을 깎아 낸다.
이유포토 공정은 포토레지스트에 패턴을 찍을 뿐 아래 재료는 아직 그대로이며, 식각을 거쳐야 패턴이 실제로 웨이퍼에 새겨진다.
하지 않으면깎아 낸 선폭이 원래 폭과 너무 다르면 이 층의 패턴은 잘못 만들어진 것이다.
- 미세 패턴은 약액에 담그지 않고, 진공 챔버에 넣어 플라즈마로 깎는다.
이유약액은 방향성이 없어서 아래로 깎이는 깊이만큼 옆으로도 파고든다.
하지 않으면선폭이 막 두께와 비슷하면 양쪽이 각각 두께만큼 깎여, 선이 절반 넘게 줄어들거나 아예 없어진다.
- 웨이퍼를 챔버에 넣어 정전척 위에 평평하게 흡착하고, 뒷면에 헬륨을 흘린다.
이유진공 속에서는 공기를 빨아들이는 방식으로 웨이퍼를 붙잡을 수 없고 열도 거의 전달되지 않으므로, 플라즈마가 가져오는 열을 헬륨을 통해 아래의 냉각되는 받침대로 보내야 한다.
하지 않으면식각할수록 웨이퍼가 뜨거워져 형상과 선폭이 틀어진다. 헬륨이 너무 많이 새면 장비가 알람을 띄우고 멈춰, 웨이퍼가 식각 도중에 챔버 안에 갇힐 수 있다.
- 플라즈마의 두 가지 힘, 즉 화학 반응과 아래로 향하는 충돌로 함께 깎는다.
이유충돌은 바로 위에서 내리쳐 측벽에는 거의 닿지 않고, 측벽에는 얇은 보호막까지 있어서 곧게 깎인다. 화학 반응은 재료를 더 가려서, 깎아야 할 층은 빨리, 나머지는 천천히 깎인다.
하지 않으면재료를 충분히 가리지 못하면(선택비가 낮다: 깎을 것과 남길 것이 비슷한 속도로 깎인다) 포토레지스트가 끝까지 버티지 못하고, 몇 초만 더 깎아도 뚫릴 수 있다.
- 식각하면서 플라즈마의 빛을 지켜보고, 빛이 꺾이는 순간을 다 깎인 것으로 본다.
이유지금 깎고 있는 재료 때문에 특정 빛이 강해지고, 아래층이 드러나면 그 빛이 약해진다.
하지 않으면어디까지 깎였는지 모르면 덜 뚫릴 수도 있고, 아래층이 손상될 수도 있다.
- 꺾이는 지점을 본 뒤 조금 더 식각한다(과식각).
이유막 두께가 모든 곳에서 같지 않고 깎이는 속도도 모든 곳에서 같지 않으므로, 모든 홀이 바닥까지 뚫리도록 해야 한다.
하지 않으면너무 짧으면 일부 홀이 뚫리지 않고, 너무 길면 아래층이 손상된다.
게임 fab24hr의 화면이다. 장비, 로트 번호, 인물은 모두 허구다. 게임에서 이 장면 플레이하기 → - 평소에 장비를 안정적으로 관리한다. 정기적으로 PM을 하고, 청소 후에는 더미 웨이퍼 몇 장으로 시즈닝한 다음 테스트 런을 하며, 식각 후 선폭을 측정해 서서히 치우치지 않는지 본다.
이유깎여 나온 물질이 챔버 벽에 쌓여, 같은 설정이라도 식각 속도가 서서히 달라진다.
하지 않으면잘못 깎인 뒤에 발견하면 이미 늦다. 없어진 재료는 되돌릴 수 없고, 심하면 스크랩할 수밖에 없다.
조정하는 것과 조심할 점
- 습식이냐 건식이냐
바뀌는 것습식은 약액에 담그는 방식으로, 단순하고 빠르며 약액조 하나에 여러 장을 동시에 담글 수 있다. 건식은 플라즈마를 써서 아래로 곧게 깎는다.
잘못 조정하면미세 패턴에 습식을 쓰면 선 양쪽이 각각 막 두께만큼 깎여, 선이 절반 넘게 줄어들거나 아예 없어진다.
- 화학 반응과 충돌의 비중
바뀌는 것충돌은 벽을 곧게 깎고, 화학 반응은 재료를 더 가린다. 웨이퍼 아래쪽 전원의 출력을 높이면 이온이 더 세게 부딪치고, 압력을 높이면 화학 반응의 비중이 커진다.
잘못 조정하면충돌에 너무 기대면 재료를 가리지 못해 포토레지스트가 끝까지 버티지 못하고, 몇 초만 더 깎아도 아래층까지 뚫릴 수 있다. 화학 반응에 너무 기대면 옆으로 파고들어 벽이 곧지 않다.
- 과식각 시간
바뀌는 것엔드포인트를 확인한 뒤 조금 더 식각해, 모든 홀이 바닥까지 뚫리게 한다.
잘못 조정하면너무 짧으면 일부 홀이 뚫리지 않고, 너무 길면 아래층이 손상된다.
- 시즈닝 웨이퍼 매수
바뀌는 것챔버를 열어 청소한 뒤, 고객 제품이 아닌 웨이퍼를 먼저 돌려 내벽을 안정된 상태로 되돌린다.
잘못 조정하면부족하면 처음 몇 장이 평소와 다르게 식각된다.
- PM 주기
바뀌는 것정기적으로 챔버를 열어 내벽에 쌓인 물질을 청소하고 마모된 부품을 교체한다.
잘못 조정하면주기를 너무 느슨하게 잡으면 쌓인 물질이 떨어져 파티클이 되고 식각 속도가 서서히 흔들린다. 너무 보수적으로 잡으면 아직 필요 없을 때 장비를 세우게 된다.
핵심 설명
포토 공정은 찍고 식각은 깎는다, 미세 패턴은 약액에 담글 수 없다
포토 공정은 포토레지스트(PR, 빛을 받으면 성질이 바뀌는 막)에 패턴을 찍을 뿐, 그 아래 재료는 아직 조금도 건드리지 않았다. 식각은 이 구멍 뚫린 틀을 따라 덮이지 않은 층을 깎아 내고, 식각이 끝나면 포토레지스트를 제거한다. 그제야 패턴이 실제로 웨이퍼에 만들어진다. 많은 층이 이렇게 한 번 찍고 한 번 깎는 과정을 거치므로, 웨이퍼 한 장은 완성되기까지 식각 장비에 여러 번 들어간다. 가장 단순한 방법은 습식 식각, 즉 약액에 담그는 것이다. 설비가 복잡하지 않고 속도도 빠르지만, 대부분의 약액은 방향성이 없어 아래로 깎이는 깊이만큼 옆으로도 파고들어, 가장자리가 숟가락으로 떠낸 그릇 모양이 된다. 선폭이 막 두께와 비슷하면 선 양쪽이 각각 두께만큼 깎여 나가, 선이 절반 넘게 줄어들거나 아예 없어진다. 오늘날 가장 미세한 선은 폭이 수십 나노미터 이하에 불과하므로, 미세 패턴은 대부분 건식 식각으로 만들고, 습식 식각은 주로 막 전체를 제거하거나 세정하는 데 쓴다.
플라즈마란? 전기로 쪼갠 기체
건식 식각에는 플라즈마를 쓴다. 얼음을 가열하면 물이 되고, 물을 더 가열하면 수증기가 된다. 기체에 에너지를 더 주면 일부 분자는 반응성이 아주 큰 조각으로 쪼개지고, 일부는 전자를 잃고 양전하를 띤 이온이 된다. 이것이 플라즈마이며, 흔히 물질의 ‘제4의 상태’라고 부른다. 형광등이나 네온사인에 전기가 통할 때 관 속의 기체가 바로 플라즈마다. 식각 장비는 웨이퍼를 챔버(밀폐된 공간)에 넣어 정전척 위에 평평하게 흡착하고, 뒷면에 헬륨을 흘려 열을 빼낸다. 이어서 챔버를 아주 낮은 압력까지 배기한 뒤 불소나 염소를 포함한 기체를 넣고 고주파 전력을 건다. 기체가 희박하면 전자가 다음 분자와 부딪치기 전에 가속할 거리가 생겨, 분자를 쪼갤 만한 에너지를 얻기 쉽다. 실제로 이온이 되는 것은 1%가 채 안 되는 경우가 많다. 전자는 매우 빠르게 움직이지만 아주 가벼워서 기체 자체는 뜨겁지 않다. 그래서 웨이퍼를 높은 온도로 굽지 않아도 반응이 일어난다. 뒷면의 헬륨이 빼내는 것은 식각하는 동안 플라즈마가 웨이퍼에 전달하는 열이다.
왜 플라즈마인가: 조각은 반응하고, 이온은 아래로 부딪친다
플라즈마는 두 가지 일을 동시에 한다. 조각은 드러난 재료와 반응해 기체가 되어 배기된다. 전자는 가볍고 빨라서 먼저 웨이퍼에 부딪쳐 표면을 음전하로 대전시키고, 그러면 양전하를 띤 이온이 끌려온다. 웨이퍼 바로 위의 아주 얇은 층에서는 전기장이 웨이퍼를 향해 곧게 뻗어 있어, 이온이 거의 수직으로 내리꽂힌다. 잘 알려진 실험이 있다. 이온만으로, 또는 반응성 기체만으로 실리콘을 식각하면 둘 다 느리지만, 둘을 함께 쓰면 몇 배나 빨라진다. 이온은 바로 아래에만 닿으므로 홀 바닥은 계속 맞고 측벽은 거의 맞지 않는다. 조각은 방향성이 없어 원래대로라면 측벽으로도 파고들기 때문에, 기체에 막을 만드는 성분을 조금 섞어 표면에 아주 얇은 보호막을 입힌다. 홀 바닥은 계속 맞아서 막이 남아나지 못하고 식각이 계속 아래로 진행된다. 측벽은 거의 맞지 않아 막이 남아 조각을 막아 준다. 막이 너무 적으면 측벽이 파이고, 너무 많으면 홀이 깊어질수록 좁아진다. 이렇게 해서 식각이 주로 아래로 진행되어, 곧고 깊은 벽을 깎아 낼 수 있다.
어디서 멈출까: 선택비, 엔드포인트 검출, 과식각
충돌은 곧게 깎지만 재료를 별로 가리지 않는다. 화학 반응은 재료를 더 가린다. 건식 식각이 둘을 함께 쓰는 것은 ‘곧게’와 ‘가려서’를 동시에 얻기 위해서다. 깎아야 할 재료와 깎고 싶지 않은 재료가 깎이는 속도의 비를 선택비라고 한다. 지우개로 연필 글씨를 지우는 것과 같다. 글씨는 빨리 지워지고 종이는 거의 얇아지지 않는다. 어디서 멈출지는 많은 장비가 플라즈마의 빛을 보고 판단한다. 지금 깎고 있는 재료 때문에 특정 색의 빛이 강해지고, 아래층이 드러나면 그 빛이 약해진다. 이것을 엔드포인트 검출이라고 한다. 하지만 막의 두께가 모든 곳에서 같지 않고 깎이는 속도도 다르므로 조금 더 식각하는데, 이를 과식각이라고 한다. 선택비가 높으면 아래층은 아주 조금만 깎이지만, 선택비가 낮으면 몇 초만 더 깎아도 뚫릴 수 있다.
잘못 깎으면 되돌릴 수 없으니, 챔버를 매일 지켜본다
덜 깎였으면 추가 식각으로 보완할 수 있을 때도 있다. 그러나 너무 깎아 아래층까지 손상되면 없어진 재료를 되돌릴 수 없고, 심하면 스크랩할 수밖에 없다. 장비는 설정을 잘못 골랐다는 것을 모르고, 잘못된 설정대로 아주 정확하게 식각을 끝낸다. 그래서 정상 로트는 시스템이 레시피(장비가 따라 실행하는 설정)를 불러오며, 사람이 고르지 않는다. 그런데 같은 레시피라도 식각 결과가 서서히 달라진다. 깎여 나온 물질이 챔버 내벽에 한 겹씩 쌓이기 때문이다. 그래서 식각 후에는 선폭을 측정하고, 로트 하나를 측정할 때마다 관리도에 점을 하나 찍으며, 여러 점이 연속으로 같은 쪽에 치우쳐도 원인을 조사한다. PM(정기 정비)으로 챔버를 청소한 뒤에는 먼저 더미 웨이퍼 몇 장을 돌려(시즈닝) 내벽을 안정시키고, 식각 속도와 파티클을 측정(테스트 런)한 다음에야 생산에 복귀시킨다.
앞뒤 공정과의 연결: 막 두께, 대기 시간, 세정
식각이 잘되는지는 앞 공정에서 넘어온 웨이퍼에도 달려 있다. 한 장 안에서 막 두께가 고르지 않으면 얇은 곳이 먼저 뚫리고 두꺼운 곳은 아직이어서, 식각을 더 할 수밖에 없다. 차이가 클수록 얇은 곳 아래층이 손상되기 쉽다. 막이 평소보다 조금 두껍게 들어왔는데 이번 식각 단계가 엔드포인트를 보지 않고 원래 시간대로 깎는다면, 두 공정 모두 각자 규격 안에 있는데도 일부 작은 홀이 바닥까지 다 뚫리지 않아, 트랜지스터와 그 위 배선을 잇는 콘택트의 저항이 높아진다. 현상을 마친 포토레지스트를 너무 오래 두어도 식각한 선폭이 함께 틀어진다. 식각 후에는 포토레지스트를 제거하는데, 식각 잔류물과 덜 제거된 포토레지스트를 다음 공정으로 가져가면 안 되므로 먼저 깨끗이 세정한다.
흔한 오해
- 흔히 듣는 말식각은 산성 용액으로 재료를 녹이는 것이다.
- 실제로는그것은 습식 식각이다. 습식 식각은 옆으로도 파고들어서, 지금은 주로 막 전체를 제거하거나 세정하는 데 쓴다. 칩의 미세 패턴은 대부분 진공에 가깝게 배기한 챔버 안에서 플라즈마로 깎는 건식 식각으로 만들며, 그래야 곧고 깊은 벽을 깎아 낼 수 있다.
- 흔히 듣는 말너무 많이 깎았으면 나중에 보완하면 된다.
- 실제로는덜 깎았을 때만 추가 식각으로 보완할 수 있는 경우가 있다. 너무 깎아 아래층이 손상되면 없어진 재료를 되돌릴 수 없고, 심하면 스크랩할 수밖에 없다. 그래서 평소에 장비를 안정적으로 관리한다. 정기적으로 PM을 하고, 청소 후에는 시즈닝 웨이퍼 몇 장을 먼저 돌린 다음 테스트 런을 하며, 식각 후에는 선폭을 측정해 관리도에 기록하고 한쪽으로 서서히 치우치지 않는지 살핀다.
살펴보기: 분해해 보는 장비
식각 챔버필독
플레이
챕터 6 ‘그 전화’부터 시작하기: 한밤중, 식각 장비가 멈췄다 →
생각해 보기
- 엔드포인트 검출이 다 깎았다고 알려도 장비는 조금 더 식각한다. 너무 짧으면 일부 홀이 뚫리지 않고, 너무 길면 아래층이 손상된다. 얼마나 더 깎을지 직접 정한다면 어떤 데이터부터 보겠는가?
- 한밤중에 장비에 문제가 생겨 웨이퍼 한 장이 식각 도중에 안에 갇혔다. 정보를 더 모은 뒤 결정하는 것과 먼저 손을 써서 처리하는 것은 각각 어떤 대가를 치르는가? (챕터 6을 플레이한 뒤 생각해 보자)
수업 자료: 슬라이드
이 강의의 핵심, 모식도, 장비, 토론 질문을 슬라이드 한 벌로 만들었다. 그대로 화면에 띄워도 되고, 자신의 강의 자료에 넣어도 된다.
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수업과 비영리 목적이라면 무료로 쓸 수 있다. 출처는 fab24hr로 밝혀 주기 바란다. 판매하거나 자신의 저작물로 바꿔 내놓을 수는 없다. 오류가 있다면 문제 신고
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