- 본 문서는 반도체 8대 공정의 세 번째 단계인 '포토 공정'에 대해 다루겠습니다.
- 본 문서는 엔지닉 '반도체 전공면접 합격의 모든 것 - 이론 완성편'을 기반으로 작성하였습니다.
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1. 포토 공정
- 집적회로 제조 과정에서 감공성 고분자 물질(Photoresist, PR)을 이용해, 마스크(Mask) 상의 회로 패턴을 웨이퍼 상에 전사시키는 공정으로, 반도체 8대 공정의 근간이 되는 핵심 공정이다.
- 이렇게 형성된 PR 패턴은 후속에 진행될 식각 공정 및 이온 주입 공정에서 선택적 보호막(Blocking layer)의 역할을 하게 된다.
- 포토 공정의 전반적인 흐름은 전 세정 및 건조 → 표면처리(HDMS) → 감광액(PR) 도포 → 소프트 베이크 → 정렬 및 노광 → 노광 후 열처리(PEB) → 현상 → 하드베이크 → 포토 공정 후 검사(ADI) 순으로 진행된다.
2. 마스크 제작
- 본격적으로 포토 공정에 대해 다루기 전에 포토 공정의 기본 원자재 중 하나인 마스크에 대해 알아보겠다.
- 마스크는 반도체의 회로 정보를 담고 있으며, 석영 기판 위에 크롬 증착된 차광막을 이용하여 전기적 회로를 형상화한 판을 의미한다.
- 이렇게 석영 기판 위에 크롬이 증착된 마스크 원판을 블랭크(Blank) 마스크라 한다.
- 먼저 회로 설계자가 반도체 제품 제작을 위해 다양한 특성의 능동 및 수동 소자를 조합하여 회로도를 설계하게 되고, 이 회로도는 다시 CAD(Computer Aided Design) 소프트웨어 툴을 사용하여 웨이퍼 상에 전사할 수 있는 평면도로 변환되고, 이렇게 설계 정보가 담긴 평면도 데이터를 가지고 포토 마스크를 제작하게 된다.
3. 포토 공정 과정
- 아래 그림은 통상의 포토 공정을 나타낸 것이다.
📌 그림에는 표시되지 않았으나, 표면 처리, 소프트 베이크, 노광, PEB 및 하드 베이크 등과 같이 웨이퍼가 가열되는 단계에서는 반드시 웨이퍼를 냉각하는 단계가 필요하다.
1단계. 웨이퍼 세정 → Optional
- 웨이퍼 표면의 유기물이나 불순물 등으로 인한 오염 문제를 막기 위해 화학적으로 세척하는 단계로, 심각도 및 필요성에 따라 진행 여부는 유동적일 수 있다.
2단계. 표면처리(HDMS 처리)
- 포통 공정 전의 웨이퍼는 표면에 있는 실리콘 및 실리콘 산화막 등이 노출되어 수산기(Hydroxyl)가 형성되면서 친수성을 띠게 된다. 다음 단계에서 웨이퍼에 도포될 포토레지스트 즉, 감광액(PR)은 소수성의 물질로서, 친수성과는 접착성이 좋지 않다.
- HDMS를 기화, 분사하여 웨이퍼 표면을 유기물인 트리메틸실릴 작용기로 치환시킨다. 그러면 웨이퍼는 소수성을 띄게 되고, 감광액과의 접착성이 좋아진다.
3단계. 감광액 도포(PR Coating)
📌 포토레지스트(감광액, PR)
- 포토레지스트는 몸체가 되는 고분자 수지와 빛에 반응하는 광 감응물질, 이 둘을 용해시켜 일정한 점성을 갖게하는 유기용매, 그리고 일부 첨가제로 구성된다.
- PR은 통상 2가지 방법으로 구분한다. 용해도에 따라 양성 PR과 음성 PR로 구분하는 방법과 노광 시 사용하는 광원의 종류에 따라 자외선용, 원자외선용, 극자외선용으로 구분하는 방법이 있다.
- 먼저 액화된 포토레지스트를 웨이퍼에 도포하기 위해 회전 도포기(Spin coater) 장치에 있는 진공척 위에 웨이퍼를 고정시킨다.
- 다음 PR를 웨이퍼 중심에 분사시킨 후 고속으로 회전시켜 원심력에 의해 균일하게 도포한다. 여기서 PR의 두께는 회전 속도와 PR의 점도에 의해 결정된다.
- 이때 PR 내 용매의 70~80%가 제거된다. 특히 점도는 온도에 민감하므로 온도 편차를 정밀히 제어해야 하며, 회전하는 동안 용매의 증발로 인해 웨이퍼 온도 하강뿐만 아니라 습기 흡수도 발생할 수 있으므로, 이를 방지하기 위해 습도 또한 일정 수준 이하로 유지해야 한다.
- 회전 도포를 하면 PR의 표면 장력 효과 및 원심력에 의해, PR이 웨이퍼 가장자리에 뭉치거나 웨이퍼 뒷면까지 퍼질 수 있는데, 후속 공정에서 웨이퍼를 고정시키는 클램프나 웨이퍼 척을 오염시킬 수 있기 때문에 반드시 제거해 주어야 한다.
4단계. 소프트 베이크(Soft bake)
- 소프트 베이크는 프리 베이크(Pre-bake)라고도 불리는데, 이는 약 90~100℃ 정도에서 웨이퍼를 가열함으로써, PR 내에 남은 20~30% 정도의 유기 용매를 4~7%까지 제거하는 단계이다.
- 접착력을 향상시키고 유기 용매로 인한 마스크의 오염을 방지할 수 있으며 PR의 밀도를 높여, 회전하는 동안 형성된 응력을 완화해 접착력을 강화시킬 수 있다.
5단계. 정렬 및 노광(Align & Exposure)
- 정렬은 노광을 진행하기 전에, 노광 장비 내의 마스크를 이전 공정에서 형성된 패턴에 정확하게 배열하는 단계이다.
- 이렇게 정렬이 완료된 후에는 빛을 웨이퍼에 조사하는 노광 공정이 진행되고, 이 공정에서는 조사하는 빛의 양을 조절하여 PR의 반응 정도를 제어한다.
6단계. 노광 후 열처리(PEB) → Optional
- 노광 전 소프트 베이크가 이루어지지만, 노광 이후에 다시 베이크를 수행하는 경우도 있다.
- 노광 후 열처리는 노광 시의 정상파 효과의 감소 및 노광에 의한 PR의 응력 완화, 또 화학 증폭형 PR의 화학 반응 활성화 등이 목적이다.
7단계. 현상(Develop)
- 현상액 및 세척제를 이용하여 후속 공정(식각 or 이온 주입)이 진행될 부분의 PR을 제거하는 단계이다.
- 이 단계에서는 빛 에너지를 흡수한 PR가 화학 변화를 일으킴으로써 제거가 이루어지고, 현상액과 PR의 상호 작용에 의해 PR의 형상과 선폭이 제어되므로 매우 중요한 단계이다.
- 양성 PR의 경우에는 염기성 수용액으로 현상 후, 초순수로 헹군다.
- 음성 PR의 경우에는 현상액으로 유기 용매를 사용하고, 아세트산뷰틸 등으로 헹궈낸다.
8단계. 하드 베이크(Hard Bake)
- 현상 완료 후 고온인 100~150℃에서 열처리를 하는 공정이다.
- 이 과정에서 잔여 현상액 및 유기 용매를 제거하고, PR의 접착력을 올리고, 고분자 수지 간의 가교 결합을 증가시켜 내화학성 및 내열성을 향상시킨다.
- 이로 인해 식각에 대한 내성을 증가시킬 수 있고, PR의 환류를 통해 내부 기포를 제거해 주는 역할도 한다.
9단계. 포토 공정 후 검사(ADI)
- 포토 공정 후 진행되는 검사 과정으로, 주로 가장 작은 크기의 회로 선폭과 회로선 사이의 간격인 임계차수(CD)와 층간 정렬 오차, 그리고 취약 패턴 형성 문제 여부, 이물질, 결함 등을 검사한다.
