식각(Etching) 공정은 포토공정에서 형성된 PR 패턴을 기준으로 불필요한 부분을 제거하는 반도체 핵심 공정입니다. 습식식각과 건식식각의 차이, 식각 원리와 역할에 대해 알아보겠습니다.
포토공정이 끝났다면 이제 회로를 만들 차례
포토(Photo Lithography) 공정을 통해 웨이퍼 위에는 포토레지스트(PR) 패턴이 형성되었습니다.
하지만 아직 실제 반도체 회로가 만들어진 것은 아닙니다.
PR은 어디를 가공해야 하는지를 알려주는 ‘설계도’ 역할만 할 뿐입니다.
이제는 이 패턴을 기준으로 필요 없는 부분을 제거하여 실제 구조를 만드는 과정이 필요하며, 이 공정이 바로 식각(Etching) 입니다.
식각공정은 PR이 덮여 있는 부분은 그대로 보호하고, 노출된 부분만 선택적으로 제거하여 원하는 회로 패턴을 웨이퍼 위에 형성하는 핵심 공정입니다.
즉, 포토공정이 회로를 ‘그리는’ 과정이라면, 식각공정은 그 회로를 실제로 깎아 만드는 과정이라고 할 수 있습니다.
왜 Etching 공정이 필요할까?
반도체는 전기가 흐를 길과 흐르지 않아야 할 영역을 매우 정밀하게 구분해야 합니다.
이를 위해서는 원하는 부분만 선택적으로 제거하여 회로의 형태를 만들어야 합니다.
Etching 공정은 바로 이러한 역할을 수행합니다.
예를 들어 산화막 위에 포토공정을 통해 PR 패턴을 형성한 뒤 식각을 수행하면, PR이 없는 부분의 산화막만 제거되고 나머지 부분은 그대로 유지됩니다.
이 과정을 반복하면서 트랜지스터, 배선, 콘택홀(Contact Hole) 등 다양한 반도체 구조가 만들어집니다.
즉, 식각공정은 회로를 설계도대로 구현하는 조각 작업이라고 이해하면 가장 쉽습니다.
비유로 이해하기
포토공정이 나무에 연필로 도안을 그리는 과정이라면, 식각공정은 그 도안을 따라 조각칼로 나무를 깎아 실제 작품을 만드는 과정과 같습니다.
아무리 도안을 정확하게 그렸더라도 식각이 정확하지 않으면 원하는 모양을 만들 수 없습니다.
현직 엔지니어의 한마디
식각공정에서는 단순히 ‘얼마나 많이 제거했는가’보다 ‘원하는 부분만 정확하게 제거했는가’가 훨씬 중요합니다.
필요한 부분까지 함께 제거되거나(PR 언더컷, 과식각 등), 반대로 제거가 충분하지 않으면 이후 공정에서 불량으로 이어질 수 있습니다.
따라서 식각은 반도체 제조에서 정밀도와 재현성이 매우 중요한 공정 가운데 하나입니다.
식각 방식은 크게 두 가지로 나뉜다
반도체 식각공정은 사용하는 방식에 따라 크게 습식식각(Wet Etching) 과 건식식각(Dry Etching) 으로 구분됩니다.
두 방식 모두 필요 없는 부분을 제거한다는 목적은 같지만, 사용하는 재료와 제거 방식, 그리고 적용되는 공정에는 차이가 있습니다.
공정의 목적과 가공하려는 구조에 따라 적절한 식각 방식을 선택하게 됩니다.
① 습식식각(Wet Etching)
Wet Etching은 화학약품(Etchant)을 이용하여 웨이퍼 표면의 재료를 화학적으로 녹여 제거하는 방식입니다.
식각액에 웨이퍼를 담그거나 약품을 분사하여 원하는 재료를 제거하며, 비교적 공정이 단순하고 식각 속도가 빠르다는 장점이 있습니다.
특히 넓은 면적을 균일하게 Etching해야 하는 공정에서 많이 사용됩니다.
하지만 화학약품이 모든 방향으로 반응하기 때문에, 원하는 부분뿐 아니라 옆 방향으로도 함께 식각이 진행될 수 있습니다.
이를 등방성 식각(Isotropic Etching) 이라고 합니다.
쉽게 이해해보기
각설탕을 물에 넣으면 위아래뿐 아니라 사방으로 천천히 녹아내립니다.
습식식각도 이와 비슷하게 여러 방향으로 식각이 진행되는 특성을 가지고 있습니다.
② 건식식각(Dry Etching)
Dry Ethcing은 액체 대신 플라즈마(Plasma)를 이용하여 재료를 제거하는 방식입니다.
플라즈마 속 활성 입자가 웨이퍼 표면과 반응하면서 필요한 부분만 정밀하게 식각할 수 있기 때문에, 현재의 첨단 반도체 제조에서는 가장 널리 사용되는 방식입니다.
건식식각은 원하는 방향으로 Etching을 집중시킬 수 있어 매우 미세한 회로를 구현하는 데 적합합니다.
이러한 특성을 이방성 식각(Anisotropic Etching) 이라고 합니다.
최근 수십 나노미터 이하의 미세공정에서는 대부분 건식식각 기술이 적용되고 있습니다.
쉽게 이해해보기
습식식각이 얼음을 물에 녹이는 과정과 비슷하다면,
건식식각은 정교한 조각칼로 필요한 부분만 깎아내는 작업에 가깝습니다.
원하는 위치를 더욱 정확하게 가공할 수 있기 때문에 미세한 반도체 회로 제작에 적합합니다.
Wet Etching과 Dry Etching 비교
| 구분 | 습식식각(Wet Etching) | 건식식각(Dry Etching) |
|---|---|---|
| 식각 방식 | 화학약품을 이용 | 플라즈마를 이용 |
| 식각 방향 | 등방성(Isotropic) | 이방성(Anisotropic) |
| 정밀도 | 비교적 낮음 | 매우 높음 |
| 식각 속도 | 빠름 | 상대적으로 느림 |
| 주요 특징 | 넓은 영역을 균일하게 식각 | 미세 패턴을 정밀하게 구현 |
두 방식은 어느 하나가 절대적으로 우수한 것이 아니라, 가공 대상과 공정 목적에 따라 적절하게 선택됩니다.
식각이 끝난 웨이퍼는 어떻게 변할까?
식각공정이 완료되면 웨이퍼 위에는 포토공정에서 형성한 PR 패턴과 동일한 형태의 미세 구조가 만들어집니다.
즉, PR이 덮여 있던 부분은 그대로 남고, 노출되어 있던 부분만 제거되면서 웨이퍼 표면에 높낮이가 있는 구조가 형성됩니다.
이러한 미세 구조는 이후 증착, 이온주입, 금속배선 등의 공정이 진행될 수 있는 기반이 됩니다.
PR(Photoresist)는 언제 제거할까?
식각이 완료된 후에는 더 이상 PR이 필요하지 않습니다.
PR은 식각 과정에서 필요한 부분을 보호하기 위한 임시 마스크 역할을 수행했기 때문입니다.
따라서 식각이 끝나면 PR 제거(PR Strip) 공정을 통해 남아 있는 PR을 제거합니다.
PR이 완전히 제거되어야 다음 공정에서 새로운 박막을 형성하거나, 불순물을 주입하는 등의 작업을 안정적으로 진행할 수 있습니다.
즉, PR은 최종 제품의 일부가 아니라 공정을 위한 임시 재료라고 이해하면 됩니다.
식각공정이 반도체 성능에 미치는 영향
반도체는 수십억 개의 미세한 구조가 정확하게 형성되어야 정상적으로 동작합니다.
만약 식각이 목표보다 부족하게 이루어지면 필요한 부분이 완전히 제거되지 않을 수 있고, 반대로 과도하게 식각되면 보호되어야 할 영역까지 손상될 수 있습니다.
이처럼 아주 작은 오차도 회로의 크기와 형태를 변화시키며, 결국 반도체의 성능과 수율에 영향을 줄 수 있습니다.
따라서 식각공정은 단순히 재료를 제거하는 작업이 아니라, 설계된 회로를 정확하게 구현하는 정밀 가공 기술이라고 할 수 있습니다.
비유로 이해하기
조각가가 밑그림을 따라 돌을 깎아 작품을 완성하듯, 식각공정도 포토공정에서 만든 PR 패턴을 기준으로 필요한 부분만 정밀하게 제거하여 실제 반도체 구조를 만들어 갑니다.
한 번 너무 많이 깎아낸 부분은 다시 되돌릴 수 없기 때문에, 식각공정에서는 정확한 제어가 무엇보다 중요합니다.
현직 엔지니어의 한마디
실제 FAB에서는 식각 속도만큼이나 균일성(Uniformity) 과 재현성(Reproducibility) 을 중요하게 관리합니다.
동일한 공정 조건에서도 웨이퍼마다 식각 결과가 달라진다면 안정적인 양산이 어렵기 때문입니다.
결국 Ethcing의 목표는 단순히 재료를 제거하는 것이 아니라, 모든 웨이퍼에서 동일한 결과를 반복적으로 구현하는 것입니다.
핵심 정리
식각(Etching) 공정은 포토공정에서 형성한 PR 패턴을 기준으로 불필요한 부분을 제거하여 실제 반도체 구조를 만드는 핵심 공정입니다.
식각 방식은 크게 Wet Etching과 Dry Etching으로 구분되며, 공정 목적과 요구되는 정밀도에 따라 적절한 방법이 선택됩니다.
식각이 완료되면 PR은 제거되고, 웨이퍼에는 다음 공정을 위한 미세 구조가 형성됩니다.
이처럼 식각공정은 단순히 재료를 제거하는 과정이 아니라, 설계된 회로를 실제 형태로 구현하는 중요한 단계라고 할 수 있습니다.
다음 글 예고
식각공정을 통해 웨이퍼 위에 원하는 구조가 형성되었습니다.
다음 단계에서는 웨이퍼 위에 새로운 절연막이나 금속막을 얇게 형성하는 증착(Deposition) 공정을 알아보겠습니다.
