습식 에칭과 건식 에칭의 차이점

반도체 제조 및 마이크로 일렉트로닉스의 세계에서 에칭은 다양한 재료에 복잡한 패턴과 구조를 만드는 데 중요한 역할을 합니다.  습식 에칭과 건식 에칭의 차이점에 대해 알아보겠습니다.

 

습식 에칭과 건식 에칭을 비교할 때 "더 강하다"는 것이 반드시 더 좋은 것은 아니라는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 각 방법에는 장점이 있으며 다양한 응용 분야에 더 적합합니다.

각 방법의 "강도"는 관련된 재료, 원하는 형상 크기 및 필요한 정밀도 수준을 포함하여 에칭 공정의 특정 요구 사항에 따라 다릅니다.

 

 

1. 습식 에칭

습식 에칭은 화학 용액 또는 에칭액을 사용하여 기판에서 재료 층을 선택적으로 제거하는 재료 제거 기술입니다. 이는 다양한 산업, 특히 미세 가공 및 반도체 제조에서 일반적인 공정입니다.

습식 에칭은 일반적으로 더 높은 에칭 속도와 더 나은 선택성을 제공하며, 이는 서로 다른 층 사이에서 재료를 더 빠르고 더 정밀하게 제거할 수 있음을 의미합니다. 따라서 대규모 에칭과 에칭 선택성이 높은 재료로 작업할 때 특히 효과적입니다.

 

 

 

 

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1) 습식 에칭의 종류

• 등방성 에칭: 이 유형은 모든 방향으로 균일하게 에칭되어 둥근 프로파일을 만듭니다.
• 비등방성 에칭: 이 유형의 에칭은 한 방향으로 우선적으로 에칭되어 보다 수직적인 프로파일을 만듭니다.

 

습식 에칭은 액체 에칭액을 사용하여 기판에서 재료를 제거하는 화학 공정입니다.

 

2) 습식 에칭의 단계

습식 에칭의 기본 단계는 다음과 같습니다.

1. 기판 준비: 습식 에칭의 첫 번째 단계는 에칭 공정을 위해 기판을 준비하는 것입니다. 여기에는 일반적으로 에칭 공정을 방해할 수 있는 오염 물질을 제거하기 위해 기판을 청소하는 것이 포함됩니다. 일반적인 세척 방법에는 솔벤트 세척, 알칼리성 세척 및 산성 세척이 포함됩니다.
2. 마스킹(Masking): 종종 포토레지스트(photoresist)라고 하는 보호층이 기판에 적용되어 에칭해서는 안 되는 영역을 정의합니다. 포토레지스트는 리소그래피 공정을 사용하여 패터닝되어 에칭을 위해 원하는 영역을 노출시킵니다.
3. 에칭트 선택: 에칭액의 선택은 에칭할 재료와 원하는 에칭 속도 및 선택성에 따라 달라집니다. 일반적인 식각액에는 불화수소산(HF), 수산화칼륨(KOH) 및 질산(HNO3)이 포함됩니다.
4. 에칭 공정: 기판을 에칭 용액에 담그거나 분무합니다. 노출된 부분은 에칭액과 반응하여 용해됩니다. 에칭 속도는 온도, 에칭액의 농도 및 교반과 같은 요소를 조정하여 제어할 수 있습니다.
5. 헹굼 및 건조: 원하는 에칭 깊이에 도달하면 기판을 탈이온수로 헹구어 잔류 에칭액을 제거합니다. 그런 다음 종종 탈수 건조기를 사용하여 건조합니다.
6. 마스크 제거: 에칭 공정이 완료된 후 보호 마스크를 제거하여 기판에 원하는 에칭 패턴을 남깁니다. 마스크는 스트리핑 용액을 사용하거나 플라즈마 애싱으로 제거할 수 있습니다.

 

 

 

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3) 습식 에칭에 사용되는 에칭액 

• 이산화규소(SiO2)용 불화수소산(HF)
• 알루미늄용 인산(H3PO4)
• 구리용 질산(HNO3)
• 실리콘용 수산화칼륨(KOH)

에칭액의 선택은 에칭되는 재료와 원하는 에칭 특성에 따라 다릅니다.

 

4) 습식 에칭의 기능

습식 에칭은 몇 가지 주요 특징이 있습니다.

 

• 등방성 에칭 

습식 에칭은 일반적으로 모든 방향에서 동일하게 진행되어 둥글거나 언더컷된 프로파일이 생성됩니다. 이 특성은 종종 등방성 에칭이라고 합니다. 이는 특정 응용 분야에서 유용할 수 있지만 수직 측벽이 있는 높은 종횡비 구조를 만드는 능력을 제한할 수도 있습니다.

 

• 높은 선택성 

습식 에칭액은 한 재료를 다른 재료보다 훨씬 빠르게 에칭할 수 있도록 신중하게 선택할 수 있으므로 서로 다른 층 간에 높은 선택성을 얻을 수 있습니다. 이러한 선택성은 다른 재료를 보존하면서 한 가지 재료를 제거해야 하는 응용 분야에서 매우 중요합니다.

 

• 높은 에칭 속도 

습식 에칭은 일반적으로 건식 에칭 기술에 비해 재료 제거율이 더 빠릅니다. 이는 빠른 에칭이 필요한 응용 분야에서 유리할 수 있습니다.

 

• 화학 반응 기반 

습식 에칭의 에칭 공정은 에칭 용액과 대상 물질 사이의 화학 반응에 의존합니다. 에칭액의 선택과 에칭이 수행되는 조건에 따라 공정의 속도와 선택성이 결정됩니다.

 

• 온도 

습식 에칭의 에칭 속도와 선택성은 에칭 용액의 온도를 조정하여 제어할 수 있습니다. 온도가 높을수록 에칭 속도가 증가하는 경우가 많고, 온도가 낮으면 선택성이 향상될 수 있습니다.

 

• 배치 프로세싱(Batch Processing) 

습식 에칭은 단일 배스에서 여러 웨이퍼를 동시에 에칭할 수 있는 배치 공정에 매우 적합합니다. 이를 통해 높은 처리량이 가능하며 대규모 생산에 비용 효율적일 수 있습니다.

 

 

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5) 장점

• 습식 에칭의 화학적 특성은 일반적으로 건식 에칭에 비해 표면 손상이 적고 결함이 적습니다.
• 습식 에칭액은 특정 재료를 에칭하고 다른 재료는 그대로 두어 정확한 층별 에칭을 할 수 있습니다.
• 습식 에칭은 재료를 빠르게 제거할 수 있어 후막 제거 및 대면적 에칭에 적합합니다.
• 이 방법은 광전자 공학에서 중요한 GaAs 및 InP와 같은 재료와 잘 작동합니다.
• 에칭 속도는 에칭 농도, 온도 및 교반을 조정하여 제어할 수 있습니다.

 

6) 단점

• 에칭 속도는 에칭되는 형상의 밀도에 따라 달라질 수 있으며, 이로 인해 웨이퍼 전체에 걸쳐 불균일한 에칭이 발생할 수 있습니다.
• 습식 에칭 공정은 화학 물질 및 기판을 수동으로 처리해야 하기 때문에 완전히 자동화하기 어려울 수 있습니다.

 

 

 

 

2. 건식 에칭

드라이 에칭은 플라즈마 또는 화학적 반응성 가스를 사용하여 기판에서 재료 층을 선택적으로 제거하는 재료 제거 기술입니다. 화학 용액을 사용하는 습식 에칭과 달리 건식 에칭은 기체상 공정입니다.

건식 에칭은 더 나은 비등방성(방향성 에칭)과 피처 크기에 대한 더 미세한 제어를 제공합니다. 따라서 더 작고 정밀한 구조를 만드는 데 더 적합하며, 이는 고급 마이크로 일렉트로닉스 생산에 매우 중요합니다.

 

 

 

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1) 드라이 에칭의 종류

• 플라즈마 에칭: 플라즈마를 사용하여 기판을 에칭합니다. 이는 플라즈마 에칭과 이온 충격을 결합한 Reactive Ion Etching과 유도 코일에 의해 생성된 고밀도 플라즈마를 사용하는 inductive coupled plasma Etching으로 더 분류할 수 있습니다.
• 스퍼터 에칭: 이온이 기판 쪽으로 가속되어 재료가 배출되는 물리적 충격 공정을 사용합니다.

 

2) 드라이 에칭의 단계

드라이 에칭은 가스 또는 플라즈마를 사용하여 기판에서 재료를 제거하는 물리화학적 공정입니다. 드라이 에칭의 기본 단계는 다음과 같습니다.

1. 기판 준비: 습식 에칭과 유사하게, 기판은 에칭 공정을 위한 깨끗한 표면을 보장하기 위해 세척되고 준비됩니다. 여기에는 용매 세척, 알칼리성 세척 또는 기타 적절한 방법이 포함될 수 있습니다.
2. 마스킹(Masking): 종종 포토레지스트와 같은 보호층이 기판에 적용되어 에칭해서는 안 되는 영역을 정의합니다. 포토레지스트는 리소그래피 공정을 사용하여 패터닝됩니다.
3. 챔버 로딩(Chamber Loading): 기판이 진공 챔버에 로드되어 저압 환경을 조성합니다.
4. 가스 도입: 에칭 가스가 챔버로 유입됩니다. 가스의 선택은 에칭할 재료와 원하는 에칭 특성에 따라 다릅니다. 일반적인 가스에는 CF4, SF6, Cl2 및 O2가 포함됩니다.
5. 플라즈마 생성: 플라즈마 기반 건식 에칭 기술에서는 가스에 전기장이 가해져 가스를 이온화하고 플라즈마를 생성합니다. 플라즈마는 하전 입자(이온과 전자)의 집합으로 구성됩니다.
6. 에칭 공정: 플라즈마의 반응성 종(이온 및 라디칼)은 노출된 기판 표면과 상호 작용하여 재료가 제거되도록 합니다. 이것은 화학 반응이나 물리적 충격을 통해 발생할 수 있습니다.
7. 부산물 제거: 에칭 가스 및 반응 생성물과 같은 에칭 공정의 휘발성 부산물은 깨끗한 에칭 환경을 유지하기 위해 챔버 밖으로 지속적으로 펌핑됩니다.
8. Process Termination: 원하는 에칭 깊이에 도달하면 에칭 공정이 중지됩니다. 이는 에칭 프로세스를 모니터링하고 원하는 깊이에 도달했을 때 신호를 보내는 엔드포인트 감지 시스템을 사용하여 결정할 수 있습니다.
9. 챔버 퍼지 및 기판 언로딩: 에칭 공정이 완료된 후 챔버를 불활성 가스로 퍼지하여 잔류 반응성 종을 제거합니다. 그런 다음 기판을 챔버에서 언로드합니다.
10. 마스크 제거: 보호 마스크는 일반적으로 플라즈마 애싱 또는 화학적 스트리핑 용액과 같은 별도의 프로세스를 사용하여 제거합니다. 이 단계는 기판에 에칭된 패턴을 드러내는 데 필요합니다.

 

 

 

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3) 드라이 에칭의 기능

드라이 에칭은 몇 가지 주요 특징이 있습니다.

 

• 비등방성 에칭 

건식 에칭은 특히 방향성이 높은 에칭 프로파일을 생성하는 데 능숙하며, 종종 수직 측벽과 깊은 트렌치를 생성합니다. 이 기능은 마이크로 일렉트로닉스 및 MEMS 장치에서 볼 수 있는 것과 같은 높은 종횡비 구조를 제조하는 데 매우 중요합니다.

 

• 플라즈마 기반 

대부분의 건식 에칭 기술은 하전 입자 집합으로 구성된 고에너지 상태인 플라즈마를 사용합니다. 플라즈마는 가스에 전기 방전을 가하여 생성되어 다양한 재료를 에칭할 수 있는 반응성 환경을 만듭니다.

 

• 저압 

드라이 에칭 공정은 일반적으로 진공 상태에서 작동하며, 압력 범위는 수 밀리토르에서 수백 밀리토르에 이릅니다. 이 저압 환경은 깨끗한 에칭 환경을 유지하고 플라즈마의 반응성을 제어하는 데 도움이 됩니다.

 

• 다양한 재료 

건식 에칭은 습식 화학적 방법을 사용하여 에칭하기 어려운 재료를 포함하여 다양한 재료에 사용할 수 있는 다재다능한 기술입니다. 이러한 다양성은 다양한 재료에 적합한 에칭 가스와 플라즈마 조건을 선택할 수 있기 때문입니다.

 

• In-Situ 모니터링 

많은 드라이 에칭 시스템에는 현장 모니터링 기능이 통합되어 있어 에칭 공정을 실시간으로 관찰할 수 있습니다. 광학 방출 분광법(optical emission spectroscopy)과 같은 기술을 사용하여 플라즈마 상태와 식각 속도를 모니터링할 수 있습니다.

 

• 정밀한 제어 

건식 에칭은 다양한 매개변수의 조정을 통해 에칭 공정을 정밀하게 제어할 수 있습니다. 가스 유량, 챔버 압력, RF 전력 및 기타 요소를 미세 조정하여 에칭 속도, 선택성 및 균일성과 같은 원하는 에칭 특성을 얻을 수 있습니다.

 

• 클린 프로세스 

습식 에칭과 비교하여 건식 에칭은 일반적으로 화학 폐기물을 덜 생성합니다. 이는 에칭 공정이 기체 상태에서 발생하여 액체 폐기물의 생성을 줄이기 때문입니다. 결과적으로 드라이 에칭은 종종 더 깨끗하고 환경 친화적인 공정으로 간주됩니다.

 

 

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4) 드라이 에칭의 장점

• 공정 파라미터를 미세하게 조정할 수 있는 기능을 통해 에칭 속도, 선택성 및 프로파일을 정밀하게 제어할 수 있습니다.
• 많은 드라이 에칭 시스템을 사용하면 에칭 공정을 실시간으로 모니터링할 수 있어 에칭 깊이를 정밀하게 제어할 수 있습니다.
• 건식 에칭은 반도체 제조에서 다른 진공 기반 제조 단계와 쉽게 통합될 수 있습니다.
• 건식 에칭의 비등방성 특성은 마스크의 언더커팅을 최소화하여 보다 정확한 패턴 전달을 가능하게 합니다.
• 건식 에칭은 습식 에칭에 비해 웨이퍼 전체에 걸쳐 더 나은 균일성을 제공하는 경우가 많으며, 특히 작은 형상의 경우 더욱 그렇습니다.

 

5)  드라이 에칭의 단점

• 건식 에칭 시스템은 일반적으로 습식 에칭 설정보다 비용이 많이 들고 복잡합니다.
• 습식 에칭과 비교했을 때, 건식 에칭은 서로 다른 재료 간의 선택성이 낮은 경우가 많습니다.

 

 

 

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3. 습식 에칭과 건식 에칭의 차이점

두 가지 에칭 기술의 차이점을 요약하면 다음과 같습니다. 

항목	습식 에칭	건식 에칭
에칭 메커니즘	화학 반응	물리적 충격 및/또는 화학 반응
방향성	대부분 등방성	매우 비등방성일 수 있음
피처 크기 제한	일반적으로 >1 μm	nm 스케일까지
에칭 속도	높다	보통에서 낮음
선택성	높다	보통에서 낮음
재료 호환성	제한	광범위
장비 비용	낮다	높다
공정 제어	보통	높다
고름	균일하지 않을 수 있습니다.	일반적으로 균일
기판 손상	낮다	중요할 수 있음
폐기물	액체 화학 폐기물	기체 부산물
처리량	높음(일괄 처리)	더 낮은(종종 단일 웨이퍼)

 

 

습식 및 건식 에칭은 모두 현대 반도체 제조 및 마이크로일렉트로닉스 제조에서 중요한 역할을 합니다. 습식 에칭은 선택성이 높은 응용 분야와 넓은 면적의 재료 제거에 탁월한 반면, 건식 에칭은 미세한 형상과 높은 종횡비 구조를 만드는 데 필수적입니다.