1. 서론
반도체 소자의 집적도가 높아지고 회로 패턴이 초미세화됨에 따라, 식각(Etching) 공정의 중요성이 점점 더 커지고 있습니다. 식각 공정은 웨이퍼 표면에 형성된 포토레지스트 패턴을 마스크 삼아, 불필요한 박막을 선택적으로 제거함으로써 원하는 미세 구조를 구현하는 핵심 단계입니다.
최근에는 10nm 이하의 초미세 패터닝과 3차원 구조(3D NAND, FinFET 등) 소자 개발이 본격화되면서, 식각 기술의 정밀 제어, 고종횡비(High Aspect Ratio) 구조 구현, 결함 최소화가 반도체 제조 경쟁력의 핵심 요소로 부상하고 있습니다.
본 글에서는 식각 공정의 원리와 종류, 첨단 미세 패터닝 기술, 그리고 최신 장비 및 미래 전망까지 체계적으로 살펴보고자 합니다.
아래 그림은 식각 공정을 과자를 만든다고 가정을 했을 때의 그림입니다. 생각보다 식각이 어떤 공정인지 이해하기 쉽겠죠?
2. 식각 공정의 기본 원리
2.1 식각의 정의와 목적
식각(Etching)은 반도체 웨이퍼 표면에 형성된 박막(산화막, 금속막 등) 중에서 필요 없는 부분을 선택적으로 제거하는 공정입니다. 포토리소그래피로 형성된 포토레지스트 패턴을 마스크로 삼아, 회로의 미세 패턴을 웨이퍼에 전사하는 역할을 합니다. 식각의 목적은 정밀한 패턴 구현, 불필요한 재료 제거, 소자 특성 확보에 있습니다.
2.2 식각 공정의 주요 용어 및 개념
- 식각 선택비(Selectivity): 마스크와 식각 대상 물질 간의 식각 속도 비율. 선택비가 높을수록 원하는 패턴만 남기기 용이함.
- 식각 속도(Etch Rate): 단위 시간당 제거되는 두께(예: nm/min). 생산성과 공정 제어에 중요한 변수.
- 애니소트로피(Anisotropy): 식각이 수직 방향으로 얼마나 잘 진행되는지의 척도. 수직성이 높을수록 미세하고 깊은 패턴 구현에 유리함.
- 언더컷(Undercut): 식각 시 마스크 아래쪽이 과도하게 깎여 나가는 현상. 미세 패턴에서는 결함으로 작용.
이러한 개념들은 식각 공정의 품질과 미세 패터닝의 한계를 결정짓는 핵심 요소입니다.
3. 식각 공정의 분류
3.1 습식 식각(Wet Etching)
습식 식각은 화학 용액(에천트, Etchant)에 웨이퍼를 침지하여 원하는 박막을 용해·제거하는 방식입니다.
- 원리: 식각 대상 물질과 선택적으로 반응하는 화학 용액을 사용
- 장점: 공정이 단순하고 대면적 처리에 유리
- 한계: 식각 방향성이 약해 미세 패턴 구현에 한계(주로 아이소트로픽 식각)
대표적으로 산화막(HF), 금속(알루미늄: 인산, 텅스텐: 과산화수소 등) 식각에 활용됩니다.
3.2 건식 식각(Dry Etching)
건식 식각은 플라즈마, 이온, 반응성 가스 등을 이용해 웨이퍼 표면을 기상(氣相)에서 식각하는 방식입니다.
- 플라즈마 식각(Plasma Etching): 플라즈마 내의 활성종이 표면과 화학 반응을 일으켜 식각
- 반응성 이온 식각(RIE, Reactive Ion Etching): 플라즈마와 이온의 물리적 충격을 동시에 이용해 수직성이 우수한 미세 패턴 구현
- 이온 빔 식각(IBE, Ion Beam Etching): 가속된 이온 빔으로 표면을 직접 물리적으로 깎아내는 방식
건식 식각은 애니소트로피(수직성)가 뛰어나 초미세 패터닝과 3D 구조 구현에 필수적입니다.
4. 미세 패터닝을 위한 첨단 식각 기술
4.1 애니소트로픽(Anisotropic) 식각과 아이소트로픽(Isotropic) 식각
애니소트로픽 식각은 특정 방향으로만 식각이 진행되어, 수직 벽면과 같은 정밀한 미세 구조를 만들 수 있습니다. 반면, 아이소트로픽 식각은 모든 방향으로 균일하게 식각되어, 부드러운 곡면이나 둥근 형태의 패턴을 형성합니다. 미세 패터닝에서는 애니소트로픽 식각이 주로 사용되며, 건식 식각 방식이 대표적입니다.
4.2 고종횡비(High Aspect Ratio) 식각
고종횡비 식각은 깊이에 비해 폭이 매우 좁은 구조를 형성하는 기술로, 3D NAND, FinFET 등 최신 소자에서 필수적입니다. 이를 위해 식각 공정은 높은 수직성, 낮은 언더컷, 균일한 식각 속도를 유지해야 하며, 플라즈마 조건과 가스 조성의 최적화가 중요합니다.
4.3 ALE(Atomic Layer Etching) 등 신기술
원자층 식각(ALE, Atomic Layer Etching)은 원자 단위로 매우 정밀하게 식각하는 기술로, 초박막 제어와 고품질 표면 형성이 가능합니다. ALE는 화학적 및 물리적 식각 단계를 교대로 수행하여, 기존 식각 방식보다 훨씬 높은 정밀도와 균일성을 제공합니다. 차세대 미세 패터닝과 3D 구조 구현에 핵심 기술로 주목받고 있습니다.
5. 식각 공정의 공정 제어와 결함 관리
5.1 식각 선택비(Selectivity)와 식각 속도
식각 선택비는 마스크와 식각 대상 물질 간의 식각 속도 비율로, 원하는 패턴만 남기고 다른 부분은 최소한으로 손상시키는 데 필수적인 지표입니다.
식각 속도는 생산성과 공정 제어에 직결되며, 공정 조건(플라즈마 파워, 가스 조성, 압력 등)에 따라 정밀하게 조정됩니다. 높은 선택비와 균일한 식각 속도 확보가 미세 패터닝의 품질을 좌우합니다.
5.2 식각 균일성 및 CD(Control Dimension) 제어
식각 균일성은 웨이퍼 전체에 걸쳐 동일한 깊이와 폭으로 식각이 이루어지는 정도를 의미합니다.
CD(Control Dimension) 제어는 패턴의 목표 치수와 실제 식각된 치수의 오차를 최소화하는 것으로, 고해상도 계측(SEM, CD-SEM 등)과 실시간 공정 피드백이 필수적입니다.
균일성 저하와 CD 편차는 소자 성능 저하 및 수율 감소로 이어질 수 있습니다.
5.3 식각 결함(Undercut, Microloading 등)과 결함 분석
언더컷(Undercut)은 마스크 아래쪽이 과도하게 깎여 나가는 현상으로, 미세 패턴 붕괴나 회로 단선의 원인이 됩니다.
마이크로로딩(Microloading)은 패턴 밀도에 따라 식각 속도가 달라지는 현상으로, 패턴 간 불균일성을 유발합니다.
결함 분석을 위해 SEM, TEM, 표면 분석기 등 첨단 계측 장비가 활용되며, 결함 원인 파악과 공정 개선을 통해 수율 향상과 품질 확보가 이루어집니다.
6. 식각 장비의 발전과 자동화
6.1 최신 식각 장비의 구조와 특징
최신 식각 장비는 고정밀 플라즈마 발생기, 정밀 가스 공급 시스템, 고속 이온 빔 제어 기술 등을 탑재하여 미세 패턴 형성에 최적화되어 있습니다.
다중 챔버 구조와 자동 웨이퍼 이송 시스템을 통해 공정 간 오염을 최소화하며, 고종횡비 구조 구현과 균일한 식각을 지원합니다.
6.2 공정 자동화 및 실시간 모니터링 기술
공정 자동화는 반복성과 신뢰성을 높이고, 생산성을 극대화하기 위해 필수적입니다.
실시간 공정 모니터링 기술은 플라즈마 상태, 식각 속도, 가스 농도 등을 센서로 감지하여 공정 변동을 즉시 보정합니다.
AI 및 머신러닝을 활용한 공정 최적화와 예측 유지보수도 점차 도입되어, 고품질 식각 공정 구현에 기여하고 있습니다.
7. 차세대 식각 공정과 미래 전망
7.1 3D NAND, FinFET 등 첨단 소자용 식각 기술
3D NAND와 FinFET 등 첨단 반도체 소자는 고종횡비, 복잡한 3차원 구조를 필요로 하며, 이에 맞는 식각 기술의 발전이 필수적입니다.
초고정밀 플라즈마 제어, 원자층 식각(ALE), 새로운 가스 조성 등의 기술이 도입되어, 수직성·균일성·결함 제어를 동시에 만족시키고 있습니다.
7.2 친환경 식각 공정 및 신소재 대응 전략
환경 규제가 강화되면서, 친환경 식각 가스와 폐가스 처리 기술의 개발이 활발히 이루어지고 있습니다.
또한, 신소재(예: SiGe, SiC, 다양한 금속 등)에 대한 선택적 식각 공정과 저손상 식각 기술이 반도체 산업의 경쟁력 확보에 중요한 역할을 하고 있습니다.
8. 결론
식각(Etching) 공정은 반도체 미세 패터닝과 첨단 소자 제조에서 없어서는 안 될 핵심 기술입니다. 습식과 건식, 그리고 원자층 식각(ALE) 등 다양한 식각 방식과 첨단 장비의 발전은 미세화와 3D 구조 구현을 가능하게 하였으며, 식각 선택비, 균일성, 결함 관리 등 공정 제어 기술은 반도체 소자의 성능과 수율을 좌우합니다.
앞으로도 친환경 공정, 신소재 대응, AI 기반 자동화 등 혁신이 지속될 것이며, 식각 기술의 진보가 곧 반도체 산업의 미래 경쟁력을 결정짓는 중요한 열쇠가 될 것입니다.