반도체 8대공정 2편(4. 식각 공정)

오늘은 "반도체 8대 공정 2편으로, 4번째 식각 공정에 대하여 이 이야기하겠다. 1편을 못 보신 분이라면, 1편을 읽고 오시면, 도움이 될 듯싶다.

시작하기 전에, 파운드리의 목표는 크게 2가지로 나뉠 수 있는데, 미세공정과 수율이다. 얼마나 높은 미세공정으로 높은 수율을 가지고, 생산하는가 이다.이 부분에 초점을 두면, 파운드리에 대한, 전반적인 이해하기 쉬울 것이다.  

본격적인 식각 공정을 설명하기 앞서, 1편의 세 번째 "포토 공정" 중 노광 공정에서 새겨진 패턴을 더욱 명확히 구분하기 위해 현상(Development)을 하였다. 이 현상된 부분, 즉 산화막이 없는 부분을 더욱 깊숙이 깎아주는 공정을 식각 공정이라 한다.

식각의 원리

 

4. 식각 공정(Etching, 에칭)

식각이란 말처럼, 불필요한 부분을 선택적으로, 부식 시키거나, 깎아내는 작업을 "식각 공정"이라 한다. 식각의 방법에 따라 건식 식각(Dry Etching)과 습식 식각(Wet Etching)으로 나뉜다. 습식 식각은 용액을 이용한 화학반응을 통해 식각을 한다. 식각 속도(Etch rate)가 빠르게 진행되고, 저가 장비 활용(Bath)이 가능하며, 일정 시간 내, 처리량 인, Through put이 높아, 경제성이 좋다, 원치 않는 비등방성(Under Cut), 있어, 미세 패턴을 그리기 매우 어렵다. 여기서 비등방성이란 뜻은, 원하는 만큼 보다, 산화 막 안쪽으로, 더 많은 식각이 이루어 진다는 것이다. 반면, 건식 식각은, 가스(이온, 라디칼)나 플라스마를 이용하여, 화학적 반응과 물리적 반응을 같이 활용하는 방식이다. 건식 식각은 플라스마 식각으로도 불리며, 식각 속도(Etch rate)가 느리고, 다소 비싼 장비인, 챔버(Chamber)가 사용되고, 일정 시간내 처리량인, Through put가 낮아, 경제성이 좋지 않다. 반면, 정밀성이 좋아, 미세 패턴을 그리기 매우 좋아, 고급 공정인, 미세 공정에 사용된다.건식 식각은 플라스마를 발생시키는 방법에 따라 RF, DC 등의 방법이 있으나, 일반적으로, RF 플라스마 방식을 주로 사용한다.

이 RF플라스마 방식은, 플라스마 소스(Plasma source)의 구동 방식에 따라 CCP와 ICP의 방식으로 나뉘는데, CCP는 Oxide 식각에 주로 사용되고, ICP는 Silicon Oxide(Sio2) 식각을 중심으로만 적용되고 있다. 깊이 있는 공부는 각자 더 하도록 하자.

그렇다면 플라스마는 무엇일까? 플라스마는 고체, 기체, 액체를 넘어선, 제4의 물질로, 보통 이온화된 기체를 말한다. 이온화된 전자가 연쇄 반응을 일으켜서, 기하급수적으로 증가되는 것을 플라스마 상태라고 말한다. 휘발성이 강하여 산화막이 잘 떨어진다. 이것을 이용하여 식각을 하는 것이 건식 식각, 플라스마 식각이다.

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일렉트로이드와 링 1

 투자자의 관점에서 접근하면, 식각 공정에 필요한 주요 소모품으로는 일렉트로이드(Electrode)와 링(Ring)을 들 수 있다. 일렉트로이드는, 플라스마를 균일하게 분사시켜주어, 균일하게 식각 할 수 있도록 한다. 링은 웨이퍼를 잡아주어, 균일한 식각을 도와준다. 관련 기업으론 티씨케이(Sic-Ring)와 하나 머트리얼즈를 들 수 있다.

일렉트로이드와 링 2

건식 식각 국내 장비 기업으로는,  APTC, 테스를 들 수 있고 세계 1위 기업인 램리서치가 있다. 사실상 건식 식각 장비는 Lam Research, TEL(도쿄 일렉트로닉), Applied Materials의 글로벌 업체들이 86% 독점하고 있는 시장이다. 건식 식각 장비로는 크게 유전체 식각과, 전도체 식각이 있다. 현재는, 반도체의 층수가 높아져서 유전체 식각이 부각되고 있다.

앞에서 말했듯이, 반도체의 목표는 미세공정과 수율이다. 이것을 위해서는 앞으로 건식 식각의 중요성이 더욱 커질 것으로 생각된다. 노광 공정의 EUV처럼 말이다.

여기서 식각에 주로 사용되는 것이 불화수소인데, 이 불화수소는 웨이퍼의 주재료인 규소, 실리콘 산화물과 반응을 잘하기 때문이다. 또한 끓는점이 19.5도로 낮아, 쉽게 가스화되기에 편리성도 좋다. 몇 년 전 있었던 일본 무역제재 품목 중 초고순도 불화수소가 있었다. 다행히 1년도 안되어 국산화를 성공하였다. 우려와는 달리, 국내 반도체 산업에 큰 피해를 주진 못했다. 당시, 일본에서 제재했던 초고순도 불화수소는, 순도, 99.999(5N, 파이브 나인)으로, 당시 일본에서만 생산되었다. 순도 높은 불화수소는 불량률을 낮추고, 수율을 올려주기에 수익성과 직결된다. 4N이라 불리는, 고순도 불화수소는 순도 99.99%로, 5N보다 10배의 불순물이 들어있기에, 산술적으로 보면, 불량률이 10배가 된다. 그래서, 미세공정에는 5N 불화수소가 반드시 필요한 것이다. 하지만, 현재, 우리나라 기업인, 솔 블레인은, 12N(액체) 불화수소를 개발하여, 생산하고 있다. 최 최고 순도 불화수소이다. 진정 우리나라 기업의 기술력은 참으로 대단하다는 생각이 든다. 초고순도 불화수소 생산기업은, 솔브레인, 램테크놀로지, SK머트리얼즈 등을 들 수 있고, 불화수소의 원재료인 무수 불산은 후성이라는 국내 기업에서 생산한다. 더욱 깊이 있는 공부는 각자 하기로 하자.