반도체 제품 하나를 제조하는 데에는 수백 가지의 공정이 필요합니다. 전체 제조 공정은 다음과 같은 8단계로 나뉩니다.웨이퍼공정-산화-포토리소그래피-에칭-박막 증착-에피택셜 성장-확산-이온 주입.
반도체 및 관련 공정을 이해하고 인식하는 데 도움이 되도록, 각 호마다 위챗에 위 단계를 하나씩 소개하는 글을 게시할 예정입니다.
이전 글에서 언급했듯이, 보호하기 위해서는웨이퍼다양한 불순물로부터 산화막이 형성되는 산화 공정이 있습니다. 오늘은 산화막이 형성된 웨이퍼 위에 반도체 회로 설계를 사진으로 새기는 "포토리소그래피 공정"에 대해 알아보겠습니다.
포토리소그래피 공정
1. 포토리소그래피 공정이란 무엇인가요?
포토리소그래피는 칩 생산에 필요한 회로 및 기능 영역을 만드는 데 사용됩니다.
포토리소그래피 장비에서 방출되는 빛은 패턴이 새겨진 마스크를 통해 포토레지스트로 코팅된 박막에 조사됩니다. 포토레지스트는 빛을 받으면 성질이 변하여 마스크의 패턴이 박막에 복제되므로, 박막은 전자 회로도를 구현하는 기능을 하게 됩니다. 이것이 포토리소그래피의 원리인데, 카메라로 사진을 찍는 것과 유사합니다. 카메라로 찍은 사진을 필름에 인쇄하는 것과 달리, 포토리소그래피는 사진을 새기는 것이 아니라 회로도나 기타 전자 부품을 새겨 넣는 것입니다.
포토리소그래피는 정밀한 미세 가공 기술입니다.
기존의 포토리소그래피는 2000~4500옹스트롬 파장의 자외선을 이미지 정보 전달체로 사용하고, 포토레지스트를 중간(이미지 기록) 매체로 사용하여 그래픽의 변환, 전송 및 처리를 수행한 후, 최종적으로 이미지 정보를 칩(주로 실리콘 칩) 또는 유전체 층에 전달하는 공정입니다.
포토리소그래피는 현대 반도체, 마이크로일렉트로닉스, 정보 산업의 기반이라고 할 수 있으며, 이러한 기술의 발전 수준을 직접적으로 결정짓는 기술입니다.
1959년 집적 회로가 성공적으로 발명된 이후 60여 년 동안, 집적 회로를 이용한 그래픽의 선폭은 약 4배 정도 줄어들었고, 회로 집적도는 6배 이상 향상되었습니다. 이러한 기술의 급속한 발전은 주로 포토리소그래피 기술의 발전에 기인합니다.
(집적회로 제조의 다양한 개발 단계에서 요구되는 포토리소그래피 기술)
2. 포토리소그래피의 기본 원리
포토리소그래피 재료는 일반적으로 포토레지스트를 지칭하며, 이는 포토리소그래피에서 가장 중요한 기능성 재료입니다. 이 재료는 빛(가시광선, 자외선, 전자빔 등)과 반응하는 특성을 가지고 있습니다. 광화학 반응 후, 그 용해도가 크게 변화합니다.
그중에서 양성 포토레지스트는 현상액에 대한 용해도가 증가하여 마스크와 동일한 패턴을 얻을 수 있는 반면, 음성 포토레지스트는 그 반대로 현상액에 노출된 후 용해도가 감소하거나 불용성이 되어 마스크와 반대되는 패턴을 얻을 수 있습니다. 두 종류의 포토레지스트는 적용 분야가 다르며, 양성 포토레지스트가 더 널리 사용되어 전체의 80% 이상을 차지합니다.
위 그림은 포토리소그래피 공정의 개략도입니다.
(1) 접착:
즉, 실리콘 웨이퍼 상에 균일한 두께와 강력한 접착력을 가지며 결함이 없는 포토레지스트 막을 형성하는 것입니다. 포토레지스트 막과 실리콘 웨이퍼 사이의 접착력을 향상시키기 위해, 실리콘 웨이퍼 표면을 헥사메틸디실라잔(HMDS)이나 트리메틸실릴디에틸아민(TMSDEA)과 같은 물질로 먼저 개질하는 것이 흔히 필요합니다. 그 후, 스핀 코팅을 통해 포토레지스트 막을 형성합니다.
(2) 굽기 전:
스핀 코팅 후, 포토레지스트 필름에는 여전히 일정량의 용매가 남아 있습니다. 고온에서 베이킹을 하면 용매 제거량을 최소화할 수 있습니다. 예비 베이킹 후, 포토레지스트 함량은 약 5%까지 감소합니다.
(3) 노출:
즉, 포토레지스트가 빛에 노출되면 광반응이 일어나고, 빛을 받은 부분과 받지 않은 부분 사이에 용해도 차이가 발생합니다.
(4) 개발 및 경화:
제품을 현상액에 담그면, 양성 포토레지스트의 노출된 부분과 음성 포토레지스트의 노출되지 않은 부분이 현상액에 녹아들어 3차원 패턴이 형성됩니다. 현상 후, 칩은 고온 처리 공정을 거쳐 경화막을 형성하는데, 이는 주로 포토레지스트와 기판 사이의 접착력을 더욱 향상시키는 역할을 합니다.
(5) 에칭:
포토레지스트 아래의 재료를 에칭합니다. 에칭에는 액체 습식 에칭과 기체 건식 에칭이 있습니다. 예를 들어, 실리콘의 습식 에칭에는 불산의 산성 수용액이 사용되고, 구리의 습식 에칭에는 질산이나 황산과 같은 강산 용액이 사용됩니다. 반면 건식 에칭은 플라즈마나 고에너지 이온 빔을 이용하여 재료 표면을 손상시키고 에칭하는 방식입니다.
(6) 탈검:
마지막으로 렌즈 표면에서 포토레지스트를 제거해야 합니다. 이 단계를 탈검(degumming)이라고 합니다.
반도체 생산에서 안전은 가장 중요한 문제입니다. 칩 리소그래피 공정에서 주요하고 위험한 포토리소그래피 가스는 다음과 같습니다.
1. 과산화수소
과산화수소(H2O2)는 강력한 산화제입니다. 직접 접촉하면 피부와 눈에 염증 및 화상을 유발할 수 있습니다.
2. 자일렌
자일렌은 네거티브 리소그래피에 사용되는 용제 및 현상액입니다. 가연성이 있으며, 인화점이 27.3℃(실온과 거의 동일)로 매우 낮습니다. 공기 중 농도가 1~7%일 때 폭발성이 있습니다. 자일렌에 반복적으로 접촉하면 피부 염증을 유발할 수 있습니다. 자일렌 증기는 달콤한 냄새가 나는데, 비행기에서 사용하는 접착제 냄새와 유사합니다. 자일렌에 노출되면 눈, 코, 목에 염증이 생길 수 있습니다. 가스를 흡입하면 두통, 현기증, 식욕 부진, 피로감을 유발할 수 있습니다.
3. 헥사메틸디실라잔(HMDS)
헥사메틸디실라잔(HMDS)은 제품 표면의 포토레지스트 접착력을 높이기 위한 프라이머 층으로 가장 일반적으로 사용됩니다. HMDS는 가연성 물질이며 인화점은 6.7°C입니다. 공기 중 농도가 0.8%~16%일 경우 폭발성이 있습니다. 또한, HMDS는 물, 알코올, 무기산과 강하게 반응하여 암모니아를 발생시킵니다.
4. 테트라메틸암모늄 하이드록사이드
테트라메틸암모늄 하이드록사이드(TMAH)는 포지티브 리소그래피 현상액으로 널리 사용됩니다. 독성이 강하고 부식성이 있으며, 삼키거나 피부에 직접 접촉할 경우 치명적일 수 있습니다. TMAH 분진이나 미스트에 접촉하면 눈, 피부, 코, 목에 염증을 유발할 수 있습니다. 고농도의 TMAH를 흡입하면 사망에 이를 수 있습니다.
5. 염소와 불소
염소(Cl2)와 불소(F2)는 모두 엑시머 레이저에서 심자외선(DUV) 및 극자외선(EUV) 광원으로 사용됩니다. 두 기체 모두 독성이 있으며, 연녹색을 띠고 강한 자극적인 냄새가 납니다. 고농도의 불소 가스를 흡입하면 사망에 이를 수 있습니다. 불소 가스는 물과 반응하여 불화수소 가스를 생성할 수 있습니다. 불화수소 가스는 강산으로 피부, 눈, 호흡기를 자극하여 화상이나 호흡곤란과 같은 증상을 유발할 수 있습니다. 고농도의 불소는 인체에 중독을 일으켜 두통, 구토, 설사, 혼수상태와 같은 증상을 유발할 수 있습니다.
6. 아르곤
아르곤(Ar)은 일반적으로 인체에 직접적인 해를 끼치지 않는 불활성 기체입니다. 정상적인 상황에서 사람들이 호흡하는 공기에는 약 0.93%의 아르곤이 포함되어 있으며, 이 농도는 인체에 뚜렷한 영향을 미치지 않습니다. 그러나 특정 상황에서는 아르곤이 인체에 해를 끼칠 수 있습니다.
다음과 같은 상황이 발생할 수 있습니다. 밀폐된 공간에서는 아르곤 농도가 증가하여 공기 중 산소 농도가 감소하고 저산소증을 유발할 수 있습니다. 이로 인해 어지럼증, 피로, 호흡곤란과 같은 증상이 나타날 수 있습니다. 또한, 아르곤은 비활성 기체이지만 고온 또는 고압 조건에서는 폭발할 수 있습니다.
7. 네온
네온(Ne)은 안정적이고 무색무취의 기체로, 인체의 호흡 과정에 관여하지 않습니다. 따라서 고농도의 네온 가스를 흡입하면 저산소증을 유발할 수 있습니다. 저산소증 상태가 장기간 지속되면 두통, 메스꺼움, 구토 등의 증상이 나타날 수 있습니다. 또한, 네온 가스는 고온 또는 고압 조건에서 다른 물질과 반응하여 화재나 폭발을 일으킬 수 있습니다.
8. 제논 가스
크세논 가스(Xe)는 안정적이고 무색무취의 기체로, 인체의 호흡 과정에 관여하지 않습니다. 따라서 고농도의 크세논 가스를 흡입하면 저산소증을 유발할 수 있습니다. 저산소증 상태가 장시간 지속되면 두통, 메스꺼움, 구토 등의 증상이 나타날 수 있습니다. 또한, 크세논 가스는 고온 또는 고압 조건에서 다른 물질과 반응하여 화재나 폭발을 일으킬 수 있습니다.
9. 크립톤 가스
크립톤 가스(Kr)는 안정적이고 무색무취의 기체로, 인체의 호흡 과정에 관여하지 않습니다. 따라서 고농도의 크립톤 가스를 흡입하면 저산소증을 유발할 수 있습니다. 저산소증 상태가 장시간 지속되면 두통, 메스꺼움, 구토와 같은 증상이 나타날 수 있습니다. 또한, 크립톤 가스는 고온 또는 고압 조건에서 다른 물질과 반응하여 화재나 폭발을 일으킬 수 있습니다. 산소가 부족한 환경에서 흡입하면 저산소증이 발생할 수 있습니다. 저산소증 상태가 장시간 지속되면 두통, 메스꺼움, 구토와 같은 증상이 나타날 수 있습니다. 또한, 크립톤 가스는 고온 또는 고압 조건에서 다른 물질과 반응하여 화재나 폭발을 일으킬 수 있습니다.
반도체 산업을 위한 유해 가스 감지 솔루션
반도체 산업은 가연성, 폭발성, 독성 및 유해 가스의 생산, 제조 및 가공을 포함합니다. 반도체 제조 공장에서 가스를 사용하는 모든 직원은 사용 전에 다양한 위험 가스의 안전 데이터를 숙지해야 하며, 가스 누출 시 비상 절차에 대해 알아야 합니다.
반도체 산업의 생산, 제조 및 보관 과정에서 이러한 유해 가스의 누출로 인한 인명 및 재산 피해를 방지하기 위해서는 목표 가스를 감지하는 가스 감지 장비를 설치하는 것이 필수적입니다.
가스 감지기는 오늘날 반도체 산업에서 필수적인 환경 모니터링 장비가 되었으며, 가장 직접적인 모니터링 도구이기도 합니다.
리켄 케이키는 항상 반도체 제조 산업의 안전한 발전에 관심을 기울여 왔으며, 사람들을 위한 안전한 작업 환경을 조성한다는 사명을 가지고 반도체 산업에 적합한 가스 센서 개발에 전념해 왔습니다. 이를 통해 사용자들이 겪는 다양한 문제에 대한 합리적인 해결책을 제공하고, 제품 기능을 지속적으로 업그레이드하고 시스템을 최적화하고 있습니다.
게시 시간: 2024년 7월 16일