Etch: 필요한 부분만 남기다
식각에서 깊이·모양·선택비가 중요한 이유를 이해한다.
오늘 배울 것
식각에서 깊이·모양·선택비가 중요한 이유를 이해한다. 이 개념이 어느 공정에 쓰이고, 어떤 기업의 제품과 연결되는지 함께 살펴봅니다.
30초 핵심 설명
식각은 정해진 부분의 재료를 제거해 홈·구멍·선의 모양을 만드는 공정입니다. 액체를 쓰는 습식과 반응성 가스·플라즈마 등을 쓰는 건식이 있습니다. 많이 깎는 것보다 원하는 재료만 목표 모양으로 깎는 것이 중요합니다.
쉬운 비유로 이해하기
스텐실로 보호한 부분은 남기고, 열린 부분만 정밀하게 조각하는 작업입니다.
비유의 한계 · 실제 식각은 화학 반응과 입자의 작용을 이용합니다. 모든 건식 식각이 수직이고 모든 습식 식각이 같은 모양은 아닙니다.
공정을 단계별로 살펴보기
- 보호할 영역 정하기 · 감광막이나 하드마스크 패턴으로 가공 위치를 구분합니다.
- 제거 반응 만들기 · 대상 막에 맞는 가스·약액과 에너지를 선택합니다.
- 깊이와 옆면 제어 · 홈이 기울거나 옆으로 과하게 퍼지지 않도록 조건을 맞춥니다.
- 목표에서 멈추기 · 아래층 손상을 줄이면서 필요한 재료만 제거합니다.
- 잔사와 형상 확인 · 반응 잔여물을 제거하고 깊이·폭·결함을 검사합니다.
원리를 차근차근 이해하기
무엇을 얼마나 빨리 제거하는지가 첫 질문이다
식각은 정해진 위치의 재료를 제거해 구멍, 홈, 선과 입체 구조를 만드는 공정입니다. 감광막이나 하드마스크로 보호한 부분을 남기고 열린 곳을 가공하는 방식이 대표적입니다. 공정을 평가할 때는 제거 속도만 보지 않습니다. 목표 재료가 얼마나 잘 제거되는지, 옆에 있는 다른 재료가 얼마나 보존되는지, 가공한 옆면과 바닥이 어떤 모양인지가 함께 중요합니다. 같은 깊이까지 갔더라도 폭이 지나치게 넓어졌다면 원하는 구조가 아닙니다.
습식 식각은 액체 약품과 재료의 반응을 이용하고, 건식 식각은 가스와 플라즈마 등을 활용합니다. 플라즈마에는 전하를 띤 입자와 반응성이 큰 중성 입자 등이 있어 화학 반응과 방향성 있는 입자 작용을 결합할 수 있습니다. 다만 건식은 항상 수직으로만 깎이고 습식은 항상 동그랗게 깎인다는 식으로 외우면 안 됩니다. 재료의 결정 방향과 약품, 입자 에너지와 표면 반응에 따라 실제 형태가 달라집니다.
제거된 원자는 공정 공간에서 사라지는 것이 아니라 반응 생성물로 바뀌거나 표면에서 떨어져 나옵니다. 이 생성물이 잘 빠져나가야 반응이 계속 진행됩니다. 깊은 구멍 안에서는 반응할 물질을 바닥까지 보내는 일과 생성물을 밖으로 빼내는 일이 동시에 어려워집니다. 가스와 펌프, 온도와 압력은 장비 주변의 보조 조건처럼 보이지만 실제로 식각 반응과 잔사 형성, 웨이퍼 전체의 균일도에 직접 연결됩니다.
선택비와 방향성은 다른 능력이다
선택비는 두 재료가 깎이는 속도의 비입니다. 목표막이 빠르게 제거되고 보호할 막은 느리게 제거되면 높은 선택비를 얻습니다. 예를 들어 목표막을 없애는 동안 마스크가 먼저 닳아 없어지면 보호해야 할 영역까지 손상되므로 마스크에 대한 선택비가 중요합니다. 아래층을 만난 뒤에도 그 층을 적게 손상시키려면 아래층에 대한 선택비도 중요합니다. 선택비라는 수치에는 반드시 무엇을 무엇과 비교했는지가 붙어야 합니다.
방향성은 어느 방향으로 제거가 많이 일어나는지를 말합니다. 아래로 깊게 깎고 옆으로는 적게 깎으면 좁은 수직 구조를 만드는 데 유리합니다. 플라즈마 식각에서는 반응성 입자의 화학 작용에 더해 전기장으로 가속된 이온의 방향과 에너지를 이용할 수 있습니다. 옆면을 보호하는 막을 형성하면서 바닥에서는 반응을 진행하게 조절하기도 합니다. 높은 선택비를 얻었다고 이런 방향성까지 자동으로 확보되는 것은 아닙니다.
각 조건에는 서로 당기는 요구가 있습니다. 입자 에너지를 높이면 바닥 반응을 돕지만 표면과 아래층을 손상시킬 수 있습니다. 옆면 보호를 강하게 하면 옆으로 깎이는 것을 줄이지만 너무 많은 보호 물질은 입구를 막거나 바닥까지 가는 경로를 좁힙니다. 이 때문에 식각 조건을 좋고 나쁜 한 방향으로만 정렬할 수 없습니다. 재료, 마스크, 목표 깊이와 후속 공정에 맞춰 여러 요구가 동시에 허용 범위에 들어오는 조건을 찾습니다.
좁고 깊을수록 입구와 바닥이 다른 환경이 된다
종횡비는 깊이를 폭으로 나눈 값입니다. 같은 폭에서 더 깊게 가공하거나 같은 깊이에서 폭을 줄이면 종횡비가 커집니다. 좁은 통로의 입구는 반응성 물질을 쉽게 만나지만 바닥은 그렇지 않을 수 있습니다. 들어오는 입자가 옆벽과 충돌하거나 반응하면서 줄어들고 생성물은 긴 길을 거슬러 나와야 합니다. 따라서 넓은 구멍에서 얻은 식각 속도를 좁고 깊은 구멍에 그대로 적용하면 목표 깊이를 잘못 예측할 수 있습니다.
깊이에 따라 구멍이 가늘어지는 테이퍼, 중간이 불룩하게 넓어지는 형태, 옆으로 휘는 구멍, 바닥 잔여막 등이 문제가 됩니다. 겉에서 입구 폭만 보면 정상이어도 아래쪽이 충분히 열리지 않았을 수 있습니다. 주변에 패턴이 얼마나 촘촘한지에 따라서도 반응 물질의 소비가 달라져 가공 속도와 형태가 달라질 수 있습니다. 웨이퍼 중심과 가장자리, 넓은 패턴과 좁은 패턴을 함께 확인해야 하는 이유입니다.
목표막을 완전히 제거하려고 약간 더 가공하는 오버에치는 미처 제거되지 않은 부분을 줄이는 데 쓰일 수 있습니다. 그러나 먼저 아래층이 노출된 부분은 그 추가 시간 동안 더 오래 공격받습니다. 종료 시점 검출은 반응 신호의 변화 등을 이용할 수 있지만 모든 작은 구멍이 동시에 끝났다는 뜻은 아닙니다. 가장 느린 영역까지 충분히 가공하면서 가장 먼저 열린 영역을 과하게 손상시키지 않는 균형이 필요합니다.
정밀 식각과 소모품을 산업의 언어로 읽기
아주 얇은 두께를 정밀하게 제거하기 위해 표면을 반응하기 쉬운 상태로 바꾸는 단계와 그 부분을 제거하는 단계를 나누어 반복하는 원자층 식각, ALE를 활용할 수 있습니다. 각 단계가 적절히 포화되도록 설계하면 제거량과 손상을 더 세밀하게 조절할 여지가 있습니다. 하지만 이름에 원자층이 있다고 언제나 한 번에 정확히 한 원자만 없어지는 것은 아닙니다. 재료와 반응 조건, 방향성 요구와 처리 시간이 맞아야 하며 모든 식각을 대체하는 방법도 아닙니다.
식각 장비 내부의 전극, 링과 보호 부품은 플라즈마 환경과 웨이퍼 주변 조건을 유지하는 데 관여합니다. 사용하면서 표면이 변하거나 마모되면 처음과 다른 반응 환경이 생길 수 있습니다. 장비를 청소하거나 부품을 교체한 뒤에도 조건을 다시 안정화해야 할 수 있습니다. 따라서 소모품 수명은 단순히 깨질 때까지의 시간이 아니라 필요한 균일도와 결함 기준을 유지하는 기간과 연결됩니다. 재료의 내구성과 오염 관리가 함께 중요합니다.
더 높은 종횡비와 더 복잡한 구조는 식각 시간, 장비 정밀도, 가스와 부품에 대한 요구를 높일 수 있습니다. 그러나 공정 난도가 올라갔다는 이유만으로 모든 공급사의 매출이 늘지는 않습니다. 적용되는 장비와 고객, 실제 가동 시간, 교체 주기, 부품 수명 개선과 공급 비중이 달라집니다. 신규 기술 개발, 고객 평가, 양산 공급을 구분하고 제품의 실제 사용 위치를 확인해야 합니다. 기술 뉴스는 필요한 기능을 알려 주는 단서이지 개별 기업의 매출이나 이익을 보장하지 않습니다.
각 단계에서 실제로 일어나는 일
보호할 영역 정하기
- 투입 · 시작 상태
- 제거할 대상 막과 포토 공정으로 만든 위치 정보가 있습니다.
- 작동 · 무엇을 하는가
- 레지스트 또는 하드마스크에 패턴을 형성해 남길 부분과 제거할 부분을 나눕니다.
- 결과 · 무엇이 달라지는가
- 식각 입자와 반응 물질이 접근할 영역이 정해집니다.
- 이 단계가 필요한 이유
- 전체 표면을 없애는 것이 아니라 필요한 위치에만 구조를 만들어야 하기 때문입니다.
- 잘못되면 생기는 문제
- 마스크가 얇거나 선택비가 부족하면 도중에 닳고, 마스크 구멍이 틀리면 식각이 정밀해도 잘못된 모양을 전달합니다.
제거 반응 만들기
- 투입 · 시작 상태
- 대상 재료에 적합한 가스 또는 약품과 온도·압력·에너지 조건을 사용합니다.
- 작동 · 무엇을 하는가
- 표면을 반응시키고 생성물이 제거되도록 하며 건식에서는 필요한 플라즈마와 이온 조건을 제어합니다.
- 결과 · 무엇이 달라지는가
- 열린 영역에서 재료 제거가 진행됩니다.
- 이 단계가 필요한 이유
- 재료마다 반응성과 생성물 특성이 다르므로 같은 조건으로 모든 막을 원하는 속도로 제거할 수 없습니다.
- 잘못되면 생기는 문제
- 생성물이 남거나 반응 물질이 부족하면 잔사가 생기고 속도가 흔들리며, 과한 에너지는 원하지 않는 표면 손상을 만듭니다.
깊이와 옆면 제어
- 투입 · 시작 상태
- 진행 중인 패턴의 폭·깊이와 주변 패턴 밀도를 고려합니다.
- 작동 · 무엇을 하는가
- 입자 방향과 에너지, 반응 물질 공급과 옆면 보호를 조절해 목표 형상을 유지합니다.
- 결과 · 무엇이 달라지는가
- 원하는 깊이와 옆면 각도를 가진 홈 또는 구멍을 얻습니다.
- 이 단계가 필요한 이유
- 전기적 연결과 다음 막의 충전은 바닥뿐 아니라 전체 통로의 형상에 영향을 받습니다.
- 잘못되면 생기는 문제
- 보호가 부족하면 옆벽이 과하게 깎이고 지나치면 입구가 막히거나 아래쪽이 좁아져 연결 불량의 원인이 됩니다.
목표에서 멈추기
- 투입 · 시작 상태
- 대상막의 두께 분포, 제거 속도와 종료 판단에 사용할 신호가 있습니다.
- 작동 · 무엇을 하는가
- 필요한 영역의 제거가 끝나는지 확인하고 최소한의 추가 가공으로 잔여막을 줄이며 아래층을 보호합니다.
- 결과 · 무엇이 달라지는가
- 대상막이 제거되고 아래층 손상은 허용 범위 안에 머무는 결과를 목표로 합니다.
- 이 단계가 필요한 이유
- 덜 깎으면 연결이 막히고 더 깎으면 보호할 소자나 배선을 손상시키기 때문입니다.
- 잘못되면 생기는 문제
- 평균 종료 신호만 믿으면 좁은 구멍에 막이 남을 수 있고 지나친 오버에치는 먼저 노출된 아래층을 과하게 제거합니다.
잔사와 형상 확인
- 투입 · 시작 상태
- 식각을 마친 웨이퍼에 남은 마스크와 반응 부산물, 목표 검사 기준이 있습니다.
- 작동 · 무엇을 하는가
- 적합한 제거·세정 후 깊이와 폭, 옆면·바닥 상태와 결함을 측정하고 다음 공정 적합성을 확인합니다.
- 결과 · 무엇이 달라지는가
- 뒤 공정에서 막을 쌓거나 전기적으로 연결할 수 있는 표면과 품질 정보가 준비됩니다.
- 이 단계가 필요한 이유
- 입구 사진만으로는 깊은 내부의 잔사와 손상을 알 수 없어 구조에 맞는 검사가 필요합니다.
- 잘못되면 생기는 문제
- 잔사가 전기 접촉을 방해하거나 세정이 작은 구조를 손상시키면 식각 깊이가 맞아도 완성 회로가 실패할 수 있습니다.
비교하고, 숫자로 확인하기
식각의 중요한 지표는 서로 대체되지 않는다
| 지표 | 확인하는 질문 | 놓치기 쉬운 한계 |
|---|---|---|
| 식각 속도 | 단위 시간에 목표막을 얼마나 제거하는가 | 빠르기만 하면 손상·형상·균일도가 나쁠 수 있음 |
| 선택비 | 목표막과 보호막의 제거 속도 비는 얼마인가 | 어떤 두 재료의 비인지 명시해야 하며 손상이 0이라는 뜻은 아님 |
| 방향성 | 아래 방향과 옆 방향의 제거가 어떻게 다른가 | 높은 선택비가 수직 옆면을 자동으로 보장하지 않음 |
| 종횡비 | 깊이가 폭의 몇 배인가 | 입구가 정상이어도 깊은 바닥은 덜 가공될 수 있음 |
| 균일도·손상 | 위치별 결과와 표면 상태가 허용 범위인가 | 평균 깊이 하나로 드문 불량과 내부 손상을 알 수 없음 |
높은 선택비에서도 아래층이 닳는 이유
모든 두께와 속도는 가상의 교육용 가정입니다. 목표막 두께는 위치 A에서 900nm, 위치 B에서 1,100nm이고 일정하게 분당 100nm씩 제거됩니다. 노출된 아래층은 분당 5nm씩 제거되며 다른 편차는 없다고 가정합니다. 실제 공정 조건이 아닙니다.
선택비 계산
목표막과 아래층의 식각 속도 비는 100÷5=20입니다. 선택비 20:1이어도 아래층의 제거 속도가 0은 아닙니다.
얇은 곳과 두꺼운 곳의 종료 차이
A는 900÷100=9분에 아래층이 드러나고, B는 1,100÷100=11분에 끝납니다. B가 끝날 때까지 가공하면 A의 아래층은 2분 동안 노출됩니다.
아래층 손실 계산
A에서 아래층은 2×5=10nm 제거됩니다. 모든 위치의 목표막을 없애는 데 성공해도 먼저 열린 위치의 아래층은 손실을 입었습니다.
추가 가공의 대가
여기에 1분을 더 가공하면 A의 아래층 손실은 15nm, B는 5nm가 됩니다. 잔여막 제거 여유를 얻는 대신 아래층 손상이 늘 수 있음을 보여 줍니다.
개선 방향 찾기
선택비를 높이거나 출발 막 두께의 편차를 줄이고, 위치와 구조에 맞는 종료 제어를 개선할 수 있습니다. 실제 공정에서는 깊이와 패턴에 따라 속도가 달라지므로 이 일정 속도 계산만으로 조건을 정할 수는 없습니다.
이 예제로 알 수 있는 것선택비·출발 두께·종료 시점을 함께 봐야 합니다. 고선택비 기술 발표는 보호 능력 개선의 단서이며 모든 위치의 손상이 사라졌거나 실제 제품 수율이 확정됐다는 뜻은 아닙니다.
핵심 용어
플라즈마
전하를 띤 입자와 반응성 입자를 포함하는 기체 상태입니다. 식각 반응을 돕습니다.
선택비
서로 다른 재료가 깎이는 속도의 비율입니다. 보호할 재료를 덜 손상시키는 데 중요합니다.
종횡비
구멍이나 홈의 깊이를 폭으로 나눈 값입니다. 좁고 깊을수록 가공이 어려워집니다.
하드마스크
가공 중 아래 재료를 선택적으로 보호하는 비교적 단단한 막입니다.
공정에서 소부장으로
식각기가 반응 조건과 가공 균일도를 제어합니다.
대상 막에 맞는 식각 가스·약액이 필요합니다.
전극·포커스 링은 플라즈마와 웨이퍼 가장자리 조건을 조절합니다.
- Lam Research · 식각·선택적 식각 장비
- SEMES · 반도체 식각 장비
- 하나머티리얼즈 · 식각용 실리콘 전극·링
- 솔브레인 · 식각액·세정액
특정 고객 공급 여부나 투자 수혜를 확정하는 목록은 아닙니다.
투자자는 무엇을 볼까요?
좁고 깊은 구조는 식각 시간과 부품 부담을 늘릴 수 있습니다. 실제 소모품 매출은 장비 가동률·교체 주기·제품 수명 개선에 따라 달라집니다.
산업 뉴스 읽기
“고종횡비 구조용 식각 기술 개발”
더 깊은 구멍을 뚫는 능력뿐 아니라 옆면 모양, 아래층 손상, 처리 시간과 수율까지 보아야 합니다.
이해를 한 단계 더 깊게
헷갈리기 쉬운 생각을 바로잡기
“선택비가 높으면 어떤 방향으로든 원하는 모양으로 깎인다.”
선택비는 재료 사이의 제거 속도 비이고 방향성은 가공 방향의 차이입니다. 재료를 잘 구별해도 옆으로 너무 깎이면 목표 형상을 얻지 못합니다.
“식각 시간이 길수록 품질이 좋아진다.”
잔여막을 없애는 데 도움이 될 수 있지만 마스크가 닳고 아래층과 옆면 손상이 늘어납니다. 충분한 제거와 과도한 손상을 피하는 범위를 함께 맞춰야 합니다.
“원자층 식각은 모든 재료를 언제나 정확히 한 원자씩 제거한다.”
표면 반응과 제거 단계를 나누어 매우 얇은 제거량을 제어하는 방식입니다. 실제 주기당 제거량과 선택비, 방향성은 재료와 조건에 따라 달라지고 처리량도 검토해야 합니다.
내 말로 설명해 보기
1. 폭이 같은 두 구멍 중 더 깊은 구멍이 느리게 가공될 수 있는 이유는?
바닥까지 반응 물질이 도달하고 생성물이 밖으로 빠져나오는 일이 더 어려워질 수 있기 때문입니다. 옆벽과의 반응과 입자 이동도 달라져 넓고 얕은 구조의 속도를 그대로 사용할 수 없습니다.
2. 목표막 대비 마스크 선택비가 10:1이면 마스크가 전혀 없어지지 않나요?
아닙니다. 같은 시간에 목표막이 제거되는 두께의 약 10분의 1만큼 마스크도 제거된다는 속도 비입니다. 필요한 식각 깊이와 여유를 버틸 마스크 두께가 있어야 합니다.
3. 식각 난도가 높아졌다는 기사에서 소모 부품 업체의 실적을 확인하려면 무엇이 더 필요한가요?
해당 부품이 실제 장비에 채택되어 있는지, 고객 가동 시간과 공정별 사용량, 교체 주기와 제품 수명, 공급 비중과 판매 조건이 필요합니다. 어려운 공정이라는 사실만으로 수익을 확정할 수 없습니다.
1분 요약
- 식각은 재료를 선택적으로 제거한다.
- 깊이뿐 아니라 모양과 선택비도 중요하다.
- 장비·화학 재료·내부 소모 부품이 함께 작동한다.