반도체공정 05-식각공정

 

1) 식각(Etching)이란?

• 포토 공정으로 만든 PR(포토레지스트) 패턴을 마스크로 써서, 아래의 필름/층을 선택적으로 깎아 원하는 형상을 만드는 공정.
• 크게 습식 식각(Wet Etch), 건식 식각(Dry Etch) 으로 나뉨.

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2) 식각 공정에서 자주 보는 평가 파라미터

• Etching rate(식각속도): 시간당 얼마나 깎이는지(두께 감소/시간).
• Selectivity(선택비): “깎고 싶은 층” 대비 “마스크/다른 층”이 얼마나 덜 깎이는지.
• Etching profile(프로파일): 옆으로도 파먹는지(언더컷), 수직으로 잘 서는지.
  • Isotropic(등방성): 수직/수평 식각이 비슷 → 언더컷 발생 쉬움(주로 습식, 순수 화학반응 중심).
  • Anisotropic(비등방성): 수직 식각이 훨씬 큼 → 옆침식 억제(주로 건식, 이온 보조 효과).
• Etching bias(치수 바이어스): 마스크로 정의한 폭과 실제 식각 후 폭의 차이(치수 오차).
• Uniformity(균일도): 웨이퍼 내 위치에 따라 식각속도가 얼마나 균일한지.

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3) 습식 식각(Wet Etch) 핵심

• 액상 식각액(Etchant) 으로 화학 반응을 일으켜 제거.
• 장점
  • 공정/장비가 비교적 단순, 식각속도 빠른 편, 처리량(Throughput) 좋을 수 있음.
• 단점
  • 언더컷 등 등방성 경향 → 미세패턴(서브마이크론)에서 불리.
  • 패턴 정밀도/형상 제어가 어려워질 수 있음.
• 대표 예시
  • SiO₂에 HF 계열, Si에 KOH(결정면에 따라 비등방성 습식 식각 가능) 등.

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4) 건식 식각(Dry Etch) 큰 그림

건식은 “기체/플라즈마”를 이용하고, 방식이 여러 갈래로 나뉨.

(1) Physical sputtering(물리적 스퍼터 식각)

• 이온으로 때려서(ion milling) 물리적으로 제거.
• 낮은 압력에서 평균자유행로가 길어 방향성이 생길 수 있지만,
• 문제점: 트렌칭(trenching), PR 재증착(redeposition), 차징(charging) 같은 이슈가 생기기 쉬움.

(2) Plasma etching(플라즈마 화학 식각)

• 플라즈마에서 생성된 라디칼(reactive species) 이 표면에 도달 → 흡착/반응 → 휘발성 부산물로 탈착되어 배출.
• 포인트
  • 부산물이 휘발성이어야 잘 빠져나가 공정이 유지됨.
  • 화학 반응 기반이라 선택비가 좋을 수 있지만, 방향성은 상대적으로 약해 등방성 경향이 나오기 쉬움.

(3) RIE(Reactive Ion Etching)

• 화학 반응(라디칼) + 이온 충돌(방향성) 을 동시에 활용.
• 장점: 이방성(수직성) 확보, 미세패턴에 유리.
• 참고: Deep RIE(Bosch) 같은 공정은
  • “식각 → 패시베이션(보호막) → 식각 …”을 반복해서 고종횡비(High aspect ratio) 구조를 만들고,
  • 측벽에 스캘럽(scallop) 같은 흔적이 생길 수 있음.

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5) 플라즈마 기본 개념(건식 식각 이해용)

• 플라즈마 = 전자/이온/중성종이 섞인 상태(전체적으로는 준중성).
• Sheath(쉬스): 플라즈마-전극/표면 경계에서 생기는 전위 구배 영역.
  • 이 영역에서 이온이 가속되어 표면을 수직 방향으로 때리는 효과(= 이방성의 핵심 중 하나).
• Plasma potential / Floating potential
  • 표면이 플라즈마에 노출되면 전자 이동성이 커서 전위가 형성되고, 특정 조건에서 표면 전위가 “떠 있는(floating)” 상태로 정해짐.

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6) DC vs RF, 그리고 CCP vs ICP (장비/구동 방식 감 잡기)

• DC 플라즈마
  • 전극에 DC 전압을 걸어 방전을 유지.
  • 금속 타겟/전극에 주로 적합한 경우가 많고, 절연체가 있으면 제어가 까다로울 수 있음.
• RF 플라즈마(대표 13.56 MHz)
  • 교류로 구동하면서 RF self-bias가 생겨, 웨이퍼 쪽에 유효한 바이어스를 만들 수 있음(이온 에너지 제어에 중요).
• CCP(정전용량 결합, Capacitively Coupled Plasma)
  • 전극 사이 전기장으로 플라즈마 생성.
  • 상대적으로 이온 에너지/방향성(바이어스) 제어에 많이 연결됨(특히 RIE 모드).
• ICP(유도 결합, Inductively Coupled Plasma)
  • 코일로 RF를 넣어 유도 전기장으로 플라즈마 생성.
  • 고밀도 플라즈마 만들기 유리 → 라디칼/이온 밀도 높게 확보 가능.
  • 보통 Source RF(밀도) 와 Bias RF(이온 에너지) 를 분리해 조절하는 그림으로 이해하면 편함.

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7) 습식 vs 건식 한줄 정리

• 습식: 빠르고 간단하지만 형상/미세패턴에 불리(언더컷).
• 건식: 장비/조건이 복잡하지만 미세패턴 + 수직 식각(이방성) + 정밀 제어에 유리.