Isotropic Wet Etching

은성·2025년 6월 2일

반도체 공정

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Isotropic과 Anisotropic에 대해 araboja

Isotropic 이란 등방성 식각으로

큰 지오메트리에서 적합하며, 사이드월 경사가 중요하지 않고 마스크 언더컷이 필요한 경우에 가장 적합하다.
측벽은 곡석 또는 경사면이다.
빠르고 간단하며 비용이 저렴하다.

Anisotropic 이란 이방성 식각으로

좁은 간격과 수직에 가까운 측벽이 필요한 경우에 가장 적합하다.
수직 측벽 생성 가능
식각이 주로 수직 방향으로만 일어남
일반적으로 비용이 더 높다.

Sidewall Slope : Isotropic Etching

Isotropic 식각으로도 거의 수직에 가까운 측벽을 만들 수 있다.
그러나 보통은 Anisotropic 식각으로 수직 측벽을 만든다!

Wet vs Dry Etch

주요 내용들을 비교하자면 다음과 같다.

Selectivity ; 선택성
- dry etch : 낮음
- wet etch : 높음

typical etch rate ; 일반적인 식각 속도
- dry etch : 낮음
- wet etch : 높음

control of etch rate ; 식각 속도 제어 용이성
- dry etch : 용이함
- wet etch : 어려움

Directionality ; 방향성
- dry etch : 대부분의 재료에서 방향성 제어 가능
- wet etch : 단결정 재료에서만 방향성 제어 가능

Mask layer adherence ; 마스크 층 접착 중요도
- dry etch : 덜 중요함
- wet etch : 매우 중요함

Operation parameters ; 공정 변수 수
- dry etch : 많음
- wet etch : 적음

Isotropic Wet Etching

모든 방향으로 동일한 속도로 식각된다

결과:
- 날카로운 모서리나 가장자리를 둥글게 만듦
- 거칠기나 손상된 표면을 매끄럽게 정리할 수 있음

적용 가능한 재료

항상 등방성 식각이 가능함
단결정 재료
- 조건에 따라 가능

즉, 등방성 식각은 모든 방향에서 균일하게 식각되며, 표면의 거칠기 제거에 유리하다. 비정질 및 다결정 재료에서는 항상 적용이 가능하며 단결정 재료는 조건에 따라 가능하다.

Etch Parameters in Wet Etching

Etch rate

재료 제거 속도
- 농도, 혼합 상태, 온도의 함수로 결정됨
- 아레니우스 관계식을 따름
  => 일반적으로 식각 속도는 온도 상승 시 지수적으로 증가함
  => 식각 속도 $rate = e^{(-Fa/kgT)}$ 형태이다.

Etch selectivity

식각 속도의 비율로 정의됨
특정 박막에 대한 식각 속도를 마스크, 기판, 다른 박막에 대한 식각 속도와 비교한 비 (ratio)

Etch Geometry(식각 형상)

측벽 기울기 또는 이방성의 정도
- 수직에 가까울수록 이방성임
- 둥글거나 경사진 형태일수록 등방성

Wet etching

이번 포스팅의 핵심인 Wet etching에 대해 araboja

습식 식각의 일반적 특성
- 다양한 재료를 식각할 수 있음 (범용성이 높다)
- 산, 염기, 물의 혼합물로 구성됨

습식 식각의 식각 속도
- 식각 속도 범위가 매우 넓음
  - 사용된 화학물질, 농도, 온도, 혼합 상태에 따라 식각속도가 크게 달라진다.

습식 식각의 식각 선택성
- 일반적으로 매우 높은 선택성을 가진다
  - 원하는 재료만 식각하고, 마스크나 다른 층은 손상시키지 않는다

습식 식각과 요염
- 미세한 이물질, 금속 이온, 용해 불순물 등으로 인해 선택성이 급격히 저하될 수 있다.

습식 식각의 형상
- 일반적으로 등방성 식각
  - 모든 방향에서 균일하게 식각됨 (날카로운 모서리가 둥글게 변함)
- 특수 조건에서는 이방성 식각도 가능하다
  - 결정 방향성과 반응성을 이용하거나 특정 공정조건(온도, 농도, agitation 등을 제어하면 수직 측벽도 가능)

Mechanics of Etching process

식각 공정의 기초 공정 매커니즘 6단계

Etchant Species Generation (식각 종 생성)
- 식각에 필요한 반응성 물질 (ex: 라디칼, 이온 분자 등을 생성하는 단계)
- 예를 들면 플라즈마 내에서 기체가 분해되어 반응성 라디칼을을 생성
Diffuse to Surface (표면으로 확산)
- 생성된 식각종이 식각하려는 웨이퍼 표면까지 이동
- 기체 또는 액체 상태에서 확산을 통해 이동함
Adsorption (흡착)
- 식각종이 웨이퍼 표면에 부착되어 머무는 과정
- 충분한 시간과 에너지를 갖고 표면에 머물러야 이후 반응이 가능
Reavtion (화학 반응)
- 흡착된 식각종이 표면 재료와 반응하여 휘발성 또는 제거 가능한 생성물 생성
- 실제로 재료가 깎이는(제거되는) 본질적인 단계
Desorption (탈착)
- 반응 후 생성된 부산물이 표면에서 떨어져 나오는 과정
- 생성물이 남아 있으면 식각이 멈추므로 효율적인 탈착이 중요함
Diffuse to Bulk
- 탈착된 부산물이 주변 매질(기체나 액체)로 빠져나가 전체 시스템으로 확산됨
- 제대로 제거되지 않으면 오염이나 식각률 저하 유발

=> 이 매커니즘은 습식 및 건식 식각 모두에 적용되며 주로 반응성 이온 식각이나 플라즈마 식각에서는 이 과정을 더 세밀하게 제어한다.

Slowest step dominates

가장 느린 단계가 전체 식각 속도를 결정한다.

그렇다면 각 단계가 가장 느릴 경우엔 어떻게 될까?

Etchant Species Generation (식각 종 생성)
- 전체 식각 속도가 느려질 것이다.
  => 반응성 종이 충분히 생성되지 않기 때문에 공정 전체가 지연된다.

Diffusion to Surface (표면으로의 확산)
- 식각 속도는 혼합에 매우 의존하지만, 온도에는 큰 영향을 받지 않는다
  => 교반이 잘 되어야 하고, 유체 흐름이 중요
- 또한 레이아웃과 기하 구조(lay out 및 geometry)에 따라 식각 속도가 영향을 받는다.(의존한다)
  => ex : 좁은 공간이나 복잡한 패턴에서는 확산이 어렵기 때문이다.
Reaction (화학반응)
- 식각 속도는 온도에 매우 의존하고 혼합이나 레이아웃 및 기하구조에는 의존하지 않는다
  => 온도가 높을수록 반응 속도가 증가한다
- 식각은 매우 균일할 것이다.
  => 반응이 지배적일 경우, 전체적으로 고른 식각 품질을 기대할 수 있음.

Diffusion to Bulk

식각 공정에서 확산이 느릴때 식각 속도에 어떤 영향을 줄까?

Diffusion to Bulk (벌크로의 확산)
- 식각속도는 혼합(mixing)에 매우 의존적이지만 온도에는 의존하지 않음
- 또한 레이아웃 구조와 geometry에 따라 식각 속도가 달라진다.(의존한다)
즉 반응 생성물이 벌크로 빠져나가는 과정이 느리면 식각 반응이 지연된다. 이때는 잘 저어주거나 유동을 만들어주면 개선된다.
Diffusion to Surface & Diffusion to Bulk (표면과 벌크로의 확산)
- 식각 속도 결정 -> 확산 속도에 의해 제한됨
- 젓기가 식각 속도를 증가시킬 수 있다.
```
- 더 낮은 활성화 에너지를 가지고 있음
```
  - 따라서 온도를 높이는 유인이 적다 (온도보다 유동이 더 중요하므로)

확산이 느려서 식각 속도가 제한되는 경우엔, 온도보다도 혼합이나 흐름제어가 더 중요하다는 의미이다.
즉, 온도에 의존하지 않으므로 온도를 올릴 유인이 적다.

Slowest step still Dominates...

You have an etchant that attacks the green material

어느 영역이 가장 많이 식각되었는가?

1번과 3번 영역은 같은 속도로 식각되었다.
2번 영역은 렌즈 형태로 식각되었다.
이는 노출된 면적 차이 때문이다.
식각 속도는 같았지만 모든 영역이 동일한 속도로 식각되었음에도 불구하고 발생한 결과이다.

Etch Rate Variation ; 식각 속도 편차

공정 중 식각 속도가 일정하지 않고 위치나 조건에 따라 달라지는 현상을 말한다.

설정 조건 관련

온도 및 혼합 상태
반응성 물질의 손실, 증발로 인한 액체 손실
인가된 전위, 조명
식각 생설물이 화학물 흐름을 막거나 오염을 유발

식각 대상 재료 관련

재료 내 불순물
미세 구조
박막 응력

레이아웃 및 구조 관련

노출된 표적 레이아웃의 표면 면적 분포 및 비율
구조적 형상

로딩 효과

한 영역에서 더 많은 재료가 식각될 때 식각 속도가 느려지는 현상

더 빨리 제거된다.
로딩 효과로 인해 식각 속도가 감소한다.
- 식각 생성물이 표면에 머물면서 식각 속도를 떨어뜨릴 수 있다.

Challenges with Wet Isotropic Etching

다른 식각 방식들과 마찬가지로, 습식 Isotropic etching도 몇 가지 어려움을 가지고 있다.

높은 정밀도를 위한 적절한 마스크 소재를 찾는 것
식각 속도가 교반에 민감함
식각 속도가 온도 변화에 민감함

Isotropic Etchant ; 등방성 식각제

등방성 식각제는 어떤 식각제 일까?

대부분 산이다. ex. 불산, 질산, 아세트산, 염산, 인산, 황산
둥근 형상을 생성한다.
낮은 온도에서 사용된다
보통 확산 제한 특성을 가진다
선택적 식각은 도펀트 의존 식각을 통해 서로 다른 식각 속도를 만들어낸다.

불산 (Hydrofluoric acid, HF)

민감함 (상온에서도 반응)
- SiO₂는 식각하지만 Si는 식각하지 않음
- 또한 Al, SiₓNᵧ 등도 공격함

식각 속도는 농도에 강하게 의존
- 최대 농도: 49% HF
- 제어된 농도: 5:1 또는 50:1 (물과의 희석 비율)

매우 위험함!
- 강산은 아니지만
- 겉보기엔 물과 비슷해 속이기 쉬움
- 피부를 뚫고 흡수되며, 천천히 반응함
- 뼈를 침투하여 손상시킬 수 있음

식각 형상
- 완전한 등방성 식각 (isotropic etching)
- 주로 언더컷(Undercut) 또는 릴리즈(Release) 용도로 사용됨

인산 (Phosphoric acid, H₃PO₄)

선택적 식각 특성 (상온 기준)
- SiₓNᵧ는 식각하지만 Si, SiO₂는 식각하지 않음
- Al 및 기타 금속도 공격할 수 있음

식각 속도
- 고온(예: 160°C)에서 느린 속도로 식각 (예: 약 0.005 μm/min 수준)

마스크 재료 필요
- PR(포토레지스트)은 고온에서 견디지 못함
- 일반적으로 산화막(Oxide layer)이 마스크로 사용됨

식각 형상
- 완전한 등방성 식각 (Isotropic etching) 특성을 보임

HNA (HF/질산/아세트산 혼합물)

식각 대상
- 실리콘(Si)을 식각하는 데 사용됨

구성 성분 및 작용 메커니즘
- 질산(HNO₃)과 불산(HF)의 혼합물이며, 경우에 따라 아세트산(CH₃COOH)으로 희석
- 질산(HNO₃)은 Si을 산화시켜 SiO₂를 생성하고,
불산(HF)은 생성된 SiO₂를 제거
→ 이 과정을 반복하여 Si이 지속적으로 식각됨

혼합비에 따른 식각 메커니즘 변화
1. HNO₃ : HF 비율이 낮을 경우 → 산화 속도가 느려 식각 속도 제한 요인이 됨
2. HNO₃ : HF 비율이 높을 경우 → 산화는 빠르나 산화막 제거가 느려 식각 속도 제한 요인이 됨
3. 비율이 적절한 구간 → 식각 속도가 최대치에 도달함

희석
- 물(H₂O)이나 아세트산(CH₃COOH)으로 희석하여 식각 특성 조절 가능

식각 형상
- 완전한 등방성 식각 (Fully isotropic etching)

은성

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1개의 댓글

김민서

2025년 6월 11일

인산(Phosphoric acid)은 인은성 家가 가진 뒷산인가요?

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