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1. 개요
식각(蝕刻) 또는 에칭(Etching)은 화학 약품의 부식 작용을 이용하여 웨이퍼상의 특정 물질을 제거하는 공정을 말한다. 반도체 8대 공정 중 하나로 꼽힌다.2. 어원
식각의 영어 명칭 "에칭(Etching)"은 본래 금속 가공기술 및 미술 기법 중 하나인 에칭에서 따온 것이다.본래 에칭은 부식 작용을 이용하여 철이나 구리 등 금속에 무늬를 넣는 기법이다. 갑옷을 비롯한 여러 금속제 제품에 무늬나 색감을 넣고자 흔히 쓰였으며, 중세 말 인쇄 기술이 발전하면서부터는 날카로운 펜으로 동판을 긁어 부식시켜 그 부식된 부위에 잉크가 스며들게 해 종이에 인쇄하는 방식으로 작품을 만들면서 동판화를 비롯한 판각화가 크게 발전하기도 하였다.
이렇게 부식을 활용하는 특징에 따라 이후 의미가 확장되어 반도체 식각 공정에서도 에칭이라는 명칭이 사용되기 시작하였다.
3. 참고 영상
| 삼성전자 반도체 뉴스룸 유튜브 |
| ▲ 식각 공정 |
4. 부식액
식각 공정에서 사용하는 액체 또는 기체의 화학약품을 말한다. 영어로는 etchant.당연하게 인체에도 치명적인데, 대표적인 약품으로는 불산이 있다. 덕분에 식각 공정은 반도체 공정 중에서도 안전사고와 가장 많이 연관된다.
웨이퍼는 규소로 만들기 때문에 염산으로도 부식되지 않기 때문에 불산을 사용하는데, 몸에 닿으면 사망에 이르는 매우 위험한 물질이다. 어느 정도냐면 실험실에서 불산 증기에 살짝 스쳤을 뿐인데 상처가 평생동안 낫지 않는다고 한다.
5. 흄(Fume)
현대에 이르러 가스를 흡입하여 발생하는 인명 재해가 늘면서 관련 기준이 정의되었다. 이때 흄은 한 호흡 안에 들이마시는 가스의 양을 말한다. 용접, 요리, 화학공장 등 여러 곳에서 이 기준이 사용되고 있다.죽음의 미세 입자 '조리흄'..."환기 안 되면 폐암 발병 22.7배"미세공정의 발달에 따라 가스를 사용하는 식각 공정이 자주 사용되다 보니 반도체 분야에서도 해당 용어가 많이 사용되고 있다. 반도체 분야의 흄이란 사실상 대놓고 화학 약품을 들이마시는 일이다 보니 사망 기준이 굉장히 심한데, 보통 1 흄을 제대로 마시면 사망하는 경우가 많다. 살아있게 되더라도 장애가 되는 경우도 있다.
흡입을 방지하기 위해 흄 후드를 이용하며, 안전하게 용액을 사용할 수 있도록 한 공간을 웻 스테이션(Wet station)이라 한다.
삼성의 경우 흄 프리 (Fume Free)를 적용한 공장 설계를 추구하고 있다고는 한다.삼성 반도체 `케미컬 흄 프리 프로세스` 적용… 수율 확대 노력
여담으로 흄은 미립자가 고체인 것을 의미하며, 미립자가 액체이면 미스트(Mist)라고 한다.
6. 과정
식각 공정의 과정은 판화의 동판화 기법과 유사한 원리를 지닌다.7. 종류
7.1. 습식 식각
Wet etching.불산과 같은 액체 화학 약품을 이용하는 방법으로, 물을 용매로 하여 빠르게 식각시키는 방법이다. 비용이 낮은 장점이 있다. 다만 미세공정에 적합하지 못하다.
습식 방식을 이용하면 등방성(Isotropic) 식각이 진행된다. 액체를 이용하기 때문에 액체와 접촉하는 부분부터 일정하게 원형으로 깎여 나가는데, 그로 인해 산화막 양 옆쪽을 침범해서 식각하는 문제가 있다. 또한 원하는 두께만큼 식각하기 어렵다는 단점이 존재한다.
7.2. 건식 식각
Dry etching.기체 형태의 화학 약품을 이용하는 방법으로, 기체를 이용하다 보니 주입과 환기 등 고려할 것이 많아 방법이 까다로운 편이다. 때문에 비용도 비싸다. 그러나 정확도가 굉장히 높기 때문에 현재 반도체 공정에서 주로 사용되는 식각 방법이다.
기체 입자의 충돌을 통해 반응시키는 건식 방식을 이용하면 비등방성(Non-isotropic) 식각이 진행된다. 쉽게 말해 수직에 가깝게 깎아낼 수 있다. 반응성이 약한 기체를 사용하면 속도가 느린 대신 원하는 만큼의 두께를 조절하기도 용이하다.
이전에는 스퍼터(Sputter) 방식이 많이 사용되었으나, 최근에는 기술의 발전으로 보다 빠른 식각이 가능한 플라즈마(Plasma) 방식이나 이온 빔(Ion Beam) 방식이 사용되고 있다.
7.2.1. 플라즈마 식각
Plasma etching.건식 식각의 한 종류로, 가스에 고주파(RF) 전력을 가해 생성된 플라즈마 상태를 활용하여 웨이퍼 상의 특정 물질을 제거하는 공정이다. 과거의 순수 물리적 건식 방식(스퍼터링·이온 빔 밀링 등)을 제치고 플라즈마 식각(특히 반응성 이온 식각, RIE 등)이 표준으로 자리 잡은 이유는 미세 공정이 요구하는 '수직 프로파일(비등방성)'과 '높은 선택비', 그리고 '재료 손상 최소화'를 동시에 만족시킬 수 있는 유일한 방식이기 때문이다.
7.2.1.1. 플라즈마의 생성
챔버(Chamber) 내부를 진공으로 만든 후, 식각하고자 하는 대상 물질에 맞게 불소계(CF₄, SF₆ 등)나 염소계(Cl₂) 등의 공정 가스를 주입한다. 이후 강력한 고주파(RF) 전력을 인가하면 가스 분자가 전자와 이온으로 분리되는 이온화 과정이 일어나며, 이 과정에서 양이온, 자유전자, 그리고 반응성이 매우 뛰어난 중성 라디칼(Radical)이 섞인 플라즈마 상태가 형성된다.7.2.1.2. 식각 메커니즘
플라즈마 식각은 단순히 화학 물질로 녹여내거나 때려 부수는 단일 과정이 아니라, 화학적 반응과 물리적 충돌이 복합적으로 작용하여 진행된다.화학적 식각 (라디칼): 플라즈마 내에서 형성된 중성 라디칼은 사방으로 확산되어 웨이퍼 표면의 막질과 반응한다. 이 과정에서 기체 상태로 증발하기 쉬운 휘발성 부산물(Volatile Byproduct)이 생성되어 날아가면서 물질이 깎여 나간다. 라디칼 자체는 방향성이 없기 때문에 화학적 반응만 진행되면 습식 식각처럼 옆으로 깎이는 등방성(Isotropic) 성향을 띠게 된다.
물리적 식각 (이온): 챔버 하단(웨이퍼가 놓이는 바닥)에 바이어스(Bias) 전압을 가하면, 플라즈마 내부의 양이온들이 웨이퍼 표면을 향해 수직으로 강하게 가속되어 내리꽂힌다. 이 물리적 충돌이 웨이퍼 바닥면의 화학 반응을 촉진하거나 직접 표면을 깎아내며, 측면은 때리지 않으므로 수직 방향으로만 깊게 파 내려가는 비등방성(Anisotropic) 식각을 완성하게 된다.
7.2.1.3. 특징
장점
비등방성(Anisotropic) 구현: 이온의 직진성을 이용해 측면 식각을 최소화하고 수직으로만 깊게 파낼 수 있어, 종합비(Aspect Ratio)가 높은 미세 패턴 형성에 절대적으로 유리하다.
정밀한 제어: 가스의 종류, 유량, 챔버 압력, RF 파워 등을 조절하여 식각 속도와 선택비(Selectivity)를 세밀하게 제어할 수 있다.
단점
설비의 복잡성 및 높은 비용: 진공 시스템, RF 전원 공급 장치, 가스 배관 등 장비 자체가 매우 고가이며 유지보수가 까다롭다.
플라즈마 손상 (Plasma Damage): 고에너지 이온의 직격 충돌이나 챔버 내 자외선(UV), 불필요한 전하 축적(Charge-up) 등으로 인해 웨이퍼의 박막이나 절연막 구조에 물리적·전기적 손상이 생길 수 있다.