식각장비

식각장비(Etching Equipment)는 반도체 제조 공정에서 사용되는 장비로, 웨이퍼의 표면을 정밀하게 식각하는 역할을 한다. 다양한 형태와 원리의 장비들이 있으며, 각각의 장비는 특정한 식각 방식과 목적에 맞추어 설계되어 있다.

플라즈마를 이용해서 식각을 공정을 할 수 있는 건식 장비를 만드는 회사로는 전 세계 1등 램리서치가 있고 한국 업체로는 에이피티씨가 있다. 액체를 이용해서 식각공정을 할 수 있는 습식 장비를 만드는 회사로는 DMS가 있다

건식식각 장비

CCP 플라즈마 에칭 장비

CCP는 'Capacitively Coupled Plasma Etching Equipment'의 약칭이다. 전극 사이에 전압을 걸어 플라즈마를 생성하고, 이를 이용해 식각을 진행한다.

그림에서와 같이 전극판 두 개를 마주 보게 하여 방전을 일으켜 저밀도의 Plasma를 발생시키는 특성을 가지고 있는 Plasma 형성 방식을 말한다. Plasma의 밀도가 낮기 때문에 Plasma Sheath가 약하게 형성되기 때문에 이온을 이용한 물리적인 충격 효과는 작다. 따라서 Low Density Plasma 방식으로는 Wafer를 접지 전극 상에 위치하여 반응성 라디칼만 이용해 식각을 진행한다.

이때 반응성 라디칼은 방향성 없이 식각을 진행하게 되기 때문에 습식 식각과 같이 등방성 식각으로 이루어진다. 때문에 Low Density Plasma를 이용하게 되면 습식 식각의 가장 큰 문제인 Under-cut 현상이 발생하게 된다는 단점이 있다.

ICP/TCP 플라즈마 반응기

ICP와 TCP 플라즈마 반응기는 고주파 전력을 사용하여 플라즈마를 생성하는 장비이다. 이러한 반응기는 RF (Radio Frequency) 전력을 사용하여 가스를 이온화하고, 플라즈마를 생성하는데에 사용된다. ICP와 TCP는 주로 균일한 플라즈마를 형성하고, 고이온 밀도를 유지하는데 특화되어 있다.

반응성 이온 에칭 장비 (Reactive Ion Etching, RIE)

플라즈마와 화학 반응을 결합하여 기판 표면의 물질을 제거한다. 고해상도 패턴 형성에 적합하다.

RIE는 이온의 충격을 이용한 물리적인 식각 방식과 반응성 라디칼을 이용한 화학적 식각을 동시에 활용해 식각을 진행하는 방법이다.

이렇게 물리적인 식각과 화학적인 식각을 동시에 사용하게 되면, 이온이 화학 반응은 일으키지 않고 물리적인 충격을 통해 기판 물질의 결합을 약하게 만들게 된다. 이 상태에서 반응성 라디칼이 기판 물질과 화학 반응을 일으켜 휘발성 반응물을 형성한다.

• 반응성 화학공정과 물리적 이온 충격을 이용
• 웨이퍼가 놓이는 전극에 RF 전압 인가
• 공정압력을 낮게 유지
• 플라즈마 내부의 양이온이 Plasma sheath를 통해 가속

이를 통해 식각률, 즉 식각 속도를 향상시킬 수 있게 된다.

ECR플라즈마 에칭 장비

전자 사이클로트론 공명(ECR)을 이용해 고밀도 플라즈마를 생성하고, 이를 통해 식각을 진행한다.

MERIE 반응기

MERIE는 자기장을 형성하여 전자를 Wafer 주변에 가두어서 고밀도 Plasma를 형성함으로써 RIE의 효율을 강화시킨 방법을 말한다.

MERIE에서는 RIE와 유사하게 Chamber 벽으로부터 떨어져서 Plasma를 고정시키는 자기장이 존재하며, 고밀도 Plasma를 생성하기 위해 Wafer 근처에서 전자와 이온의 농도를 증가시키게 된다.

자기장은 쌍극자 원형 자석 시스템에 의해 물리적으로 회전하거나 3상 교류 전원 공급에 의해 전기적으로 회전할 수 있게 된다.

이에 의해 자기장을 갖는 Plasma는 고밀도 Plasma를 생성하고 낮은 압력에서도 동작이 가능하며, 특히 높은 aspect ratio(종횡비) 특성을 갖는 식각인 경우에 식각의 방향성과 균일성을 효과적으로 유지하게 해준다.

반도체 소자배선 박막 식각장비

poly-crystalline Si 박막은 다결정 구조이므로 결정사이의 결합이 불완전(단결정 덩어리들의 집합)하기에 플라즈마에서 생성된 반응성 이온들이 상대적으로 낮은 이온가속도를 나타내어도 쉽게 박막들과 화학 반응을 일으킬 수 있다. 따라서 회로배선 박막 식각기술은 챔버 설계 시 높은 플라즈마 이온밀도를 구현하는 것이 빠른 식각속도를 획득할 수 있다. 대표적으로 ICP(Inductively Coupled Plasma) source를 이용한 금속막 식각장비 구성이 있다.

습식식각 장비

습식식각 장비는 액체 상태의 화학 물질을 사용하여 반도체 웨이퍼 표면의 물질을 제거하는 장비이다. 주요 습식 에칭 장비에는 다음과 같은 것들이 있다.

화학적 습식 에칭 장비 (Chemical Wet Etching Equipment)

• RCA 세정 장비: RCA 방식은 반도체 웨이퍼 표면의 유기물, 금속 불순물, 자연 산화막 등을 제거하는 데 사용됩니다. 주로 SC1 (암모니아와 과산화수소 혼합 용액)과 SC2 (염산과 과산화수소 혼합 용액) 방식이 있다.
• 전기화학적 에칭 장비 (Electrochemical Etching Equipment): 전기적 방법을 사용하여 기판 표면의 물질을 선택적으로 제거합니다. 높은 정밀도를 제공하지만, 공정이 복잡하고 비용이 높습니다1.

액체 플루오린화 수소 (HF) 에칭 장비

• HF 용액을 사용하여 실리콘 산화물을 제거하는 데 사용된다. 이 방법은 주로 실리콘 웨이퍼의 표면을 깨끗하게 처리하는 데 사용된다.

산성 및 알칼리성 에칭 장비

다양한 산성 또는 알칼리성 용액을 사용하여 기판 표면의 물질을 화학적으로 부식시킨다. 이 방법은 비교적 간단하고 비용이 저렴하지만, 정밀도가 낮고 화학물질 오염의 위험이 있다.

참고자료

• 장현민 PD, 〈TEL 신형 하이브리드 식각장비, 차세대 낸드 공정에 전면 도입〉, 《와이일렉》, 2024-04-08
• JCH, 〈<반도체 공정> 식각 공정, 식각장비〉, 《네이버 블로그》, 2024-04-27
• donbuller, 〈반도체 제조공정 배우기(식각공정/식각공정 장비 및 부품 회사 정리)〉, 《티스토리》, 2023-03-13

같이 보기

• 식각
• 건식식각
• 습식식각
• 웨이퍼

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• 승싱융, 〈반도체 공정 개념 5-3. 건식 식각〉, 《네이버 블로그》, 2022-03-31