[반도체 공정] 포토 공정(Photolithography 1)

*포토리소그래피(photolithography)란?

Photo(빛) + lithography(석판 인쇄)의 뜻으로 돌 판에 빛을 이용하여 인쇄한다는 뜻입니다.

다시 말해, 기판 위에 패터닝을 한다는 의미죠. 제가 처음 패터닝(patterning)이라는 말을 들었을 때 그 뜻이 크게 와 닿지 않았습니다. 그래서 뜻을 찾아보니 이해가 빨리 되었죠. Pattern은 ‘무늬’, ‘모양’이라는 뜻 외에도 동사로 쓰여 ‘~에 무늬를 넣다’라는 뜻도 있습니다. 반도체에서 말하는 무늬는 ‘회로’를 의미하죠.

 

*그래서?

 포토 공정은 보통 박막 증착 공정 후에 진행됩니다. 예를 들어 MOSFET의 GATE를 만든다고 해봅시다. 다들 잘 아시다시피 기판 위에 산화막을 증착시켜야 합니다. 그 이유를 다시 한번 생각해보면, GATE의 역할은 전압을 걸어주어 Source와 Drain 사이에 channel을 형성시키는 것입니다. 하지만 만약 GATE에 전류가 흘러 버린다면 MOSFET은 스위치의 역할을 하기 힘들죠. 그뿐만 아니라 우리가 원하는 결과를 얻기 위해 제어하기도 힘들어집니다. 그래서 전류가 흐르지 않게 하도록 산화막을 먼저 증착시키는 것입니다.

SiO2증착

 

위의 그림처럼 박막 증착 공정을 통해 실리콘 기판 위에 산화막을 형성했습니다. 하지만 우리는 저 넓은 기판 위에 있는 산화막을 전부 사용하지는 않을 것입니다. 왜냐하면, 우리가 원하는 것은 GATE 하나만 만들 것이기 때문이죠. 따라서 우리가 사용할 부분만 남기고 나머지는 깎아내야 합니다(Etching). 이러한 공정을 에칭(Eching) 공정이라 하는데 이것에 대해서는 추후 포스팅하겠습니다. 다시 본론으로 돌아와서 나머지를 깎아내야 하는데 어떻게 깎아 낼 것인지가 문제죠. 막말로 자로 대고 칼로 자르는 방법이 제일 먼저 생각나시는 분도 계시겠지만, 현실적으로 그것은 불가능합니다. 그 이유는 기판 위에 있는 SIO2 층의 두께는 수 또는 수십 마이크로미터 크기이기 때문에 자로 대고 칼로 자른다는 것은 불가능하죠. 자 이 문제에 대한 답은 포토공정입니다. 그럼 이제부터 본격적으로 포토공정의 메커니즘과 원리에 대해 알아보겠습니다.

 

*포토공정의 기본 메커니즘

기본적으로 PR Coating – Soft Bake – Exposure – Develop – Hard Bake 순으로 진행됩니다.

1.   PR Coating

PR이란 photoresist의 약자이며 ‘감광제’라는 의미입니다. 감광제는 빛에 반응하는 물질 정도라고 생각해주시면 됩니다. Coating은 그냥 쉽게 생각해서 감광제를 덮어준다고 생각하시면 됩니다. 위 그림처럼 PR을 Coating 하였습니다. PR을 Coating하는 방법은 Spin Coating 방법이 있는 데요. 아래 그림처럼 기판 위에 PR의 일정량을 떨어트리고 기판을 빠르게 회전시켜 PR을 퍼지게 합니다. 아래 그림에 동그란 큰 구멍 안에 검은색 동그란 판 보이시죠? 저게 웨이퍼가 올려져 있는 상태입니다. 이제 밑에 있는 버튼들로 회전 속도, 시간 등을 조절하는 것이죠!

PR Coating

그럼 이제 PR Coating까지 끝난 단면적의 모습을 보시죠.

PR이 코팅된 단면적 모습

2. Soft Bake

 이제 PR을 Coating 함으로써 우리의 도화지가 완성되었습니다. 이제 PR 위를 빛에 노출 시켜 패턴(회로)을 그리면 됩니다! 하지만 그 전에 Soft Bake 순서가 남았는데요. Soft Bake는 한마디로 굽는(bake) 겁니다. 굽는 이유는 PR이 SIO2 층 위에 접착(Adhesion)이 잘 이루어지도록 하기 위함이고 또한 PR에 있는 solvent를 제거하기 위함입니다. Bake 방법에도 여러 가지가 있습니다. 오븐 같은 장치에 넣어서 하는 방법, 뜨거운 판 위에 올려서 하는 방법 등이 있습니다.

3. Exposure

자 이제 본격적으로 도화지 위에 패턴을 그리는 작업입니다. Exposure는 노광을 뜻합니다. 빛을 비춰준다는 이야기죠. 그렇다면 PR 위에 바로 빛을 비춰주느냐. 그것은 아닙니다. 우리는 원하는 패턴을 그리기 위해서는 Mask가 필요합니다. Mask란 보통 네모난 모양의 판인데 그 판에는 우리가 원하는 회로 모양대로 구멍이 뚫려 있습니다. 

 마스크는 위 그림처럼 생겼습니다. 일자로 3개의 줄 보이시죠? 저 부분이 구멍이 뚫린 부분입니다. 기판 위에 위의 마스크를 위에 대고 빛을 위에서 쏴주는 것이죠. 실제 Mask는 훨씬 더 복잡합니다. 이해를 돕기 위해 제가 임의로 그린 것입니다. 이제 저 하얀 부분으로 통과한 빛이 PR에 조사되면서 PR이 반응합니다.

 PR의 종류도 빛을 받아 반응이 일어나는 양성PR과 빛을 받지 않은 부분이 반응이 일어나는 음성PR로 나뉩니다. 각각의 장단점이 있습니다. 양성PR의 경우 '분해능'이 좋습니다. 이 말이 무엇을 의미하냐면, 분해능 = 해상도라고 보시면 됩니다. 내가 원하는 패턴이 얼마나 선명하게 잘 그려졌느냐를 나타내죠. 음성PR의 경우 나중에 현상(Develop)을 하고 나면 PR의 팽창하게 되어 해상도가 떨어지게 됩니다. 한마디로 그림이 번진다는 의미죠. 번지면 그림이 조금씩 달라지는 문제점이 발생합니다. 하지만 음성PR의 장점도 있습니다. 바로 한계 에너지가 낮다는 장점이 있습니다. 여기서 한계 에너지란 PR이 빛을 받아 반응이 일어나게 하기 위한 최소한의 에너지란 뜻이죠. 한계 에너지가 낮다는 것은 그만큼 적은 양의 에너지로도 PR 반응을 일으킬 수 있다는 의미이니, 공정의 속도가 빨라집니다.

 Develop과 포토공정의 추가 내용에 대해서는 다음 포스팅에 올리도록 하겠습니다.