[반도체 제조 공정 #4] 포토(Photo) 공정

포토(Photo) 공정

포토 공정은  웨이퍼 위에 반도체 회로를 그려 넣는 공정이며, 포토 리소그래피(Photo Lithography) 공정을 줄여서 부르는 말입니다. 이 공정은 회로 패턴을 그려넣은 마스크와 빛을 이용하여 웨이퍼 위에 회로를 그리는데, 이 방식이 흑백 사진을 만들 때 필름에 형성된 상을 인화지에 인화하는 과정과 비슷하기 때문에 붙여진 이름입니다.

반도체의 집적도가 증가할수록 칩을 구성하는 단위 소자 역시 미세 공정을 사용하여 작게 만들어야 합니다. 미세 회로 패턴의 구현 또한 필연적으로 미세화되어야 하며, 이는 전적으로 포토 공정에 의해 결정됩니다. 따라서 반도체의 집적도가 높아질수록 포토 공정 기술 또한 세심하고 높은 수준의 기술을 요하게 됩니다.

 

포토 공정의 시퀀스

1. 포토 공정 준비 단계: 회로 패턴(Pattern)과 포토 마스크(Photo Mask) 제작

CAD(Computer-aided Design)와 같은 컴퓨터 시스템을 이용하여 웨이퍼에 그려 넣을 회로를 설계합니다. 전자회로 패턴으로 설계되는 이 도면에 엔지니어들이 설계한 정밀회로를 담으며, 그 정밀도가 반도체의 집적도를 결정합니다.
순도 높은 석영(Quartz)으로 만들어진 기판 위에 크롬(Cr)으로 설계된 회로 패턴이 새겨지게 되면, Reticle이라고도 불리는 포토 마스크가 만들어지게 됩니다. 회로 패턴이 새겨진 포토 마스크는 사진기로 찍은 형상이 담겨있는 필름에 비유할 수 있습니다. 포토 마스크는 보다 세밀한 패터닝(Patterning)을 위해 반도체 회로보다 크게 제작되며, 렌즈를 이용하 빛을 축소해 조사하게 됩니다.

 

2. 감광액(PR, Photo Resist) 도포

감광액이란, 빛을 조사하면 화학적 변화를 일으키는 감광성(Light-sensitive) 고분자물질을 말합니다. 일반적으로 소량의 감광액을 분사하면서 웨이퍼를 고속으로 회전시키는 스핀 코팅(Spin coating) 기술을 이용하여 웨이퍼 표면에 얇은 감광액 막을 만들게 됩니다. 고품질의 미세한 회로 패턴을 그리기 위해서는 얇고 균일한 감광액 막을 만들어야 하며, 스핀 코딩의 회전 속도를 조절하거나 Thinner를 섞어줌으로써 감광액 막 두께를 제어할 수 있습니다. 감광액은 크게 양성 감광액(Positive PR)과 음성 감광액(Negative PR)로 나눌 수 있습니다. 양성 감광액은 빛에 노출된 부분의 분자간 결합이 약해져 결합력이 감소하여 현상액에 의해 용해되며, 빛을 조사한 부분이 제거됨으로써 마스크와 동일한 패턴이 형성됩니다. 반대로, 음성 감광액은 노광된 부분이 빛 에너지를 화학 에너지로 변환시키며 결합력이 강해지게 되고, 현상 후에는 마스크와 반대되는 패턴이 형성되게 됩니다. 양성 감광액은 해상도(Resolution)가 좋아 미세 패턴 형성에 유리하여 대부분의 공정에서 사용되며, 구조 상의 이유 등으로 일부 공정에서는 음성 감광액을 사용하기도 합니다. 감광액이 도포된 웨이퍼는 사진기로 찍은 형상을 인화할 인화지에 비유할 수 있습니다.

3. 노광(Exposure)

표면에 감광액 막이 형성된 웨이퍼에 설계된 회로 패턴을 그리기 위해 Stepper라고 하는 노광 장비를 사용하여 회로 패턴이 그려진 마스크에 선택적으로 빛을 통과시키는 과정입니다. 이렇게 통과된 빛에 노출된 감광액은 화학적 반응을 일으키게 되고, 현상액에 의해 용해가 되며 설계된 회로 패턴이 웨이퍼 위에 그려지게 됩니다. Stepper는 웨이퍼 위에서 포토 마스크와 아주 정밀하게 정렬되어야지만 웨이퍼에 회로 패턴이 정확하게 전사될 수 있으며, 고해상도 렌즈를 이용하여 포토 마스크에 그려진 패턴의 크기를 축소시킴으로써 최종적으로 웨이퍼에 그려지는 회로 패턴의 정확도와 해상도를 높일 수 있습니다.

4. 현상(Develop)

포토 공정의 마지막 과정인 현상은 감광액의 종류에 따라 빛에 노출된 부분과 노출되지 않은 부분이 선택적으로 감광액에 의해 용해되어 제거됩니다. 일반적으로 노광된 웨이퍼를 현상액에 담그거나, 현상액을 웨이퍼에 뿌리는 방법을 사용합니다. 현상액은 웨이퍼 위의 감광액을 선택적으로 제거하여, 웨이퍼 위에 남아 있는 부분이 원하는 패턴을 형성하게 됩니다. 현상액의 농도, 온도 및 담금 시간 등을 제어하여 정확하고 신뢰할 수 있는 회로 패턴을 형성할 수 있습니다.

현상 공정까지 마치게 되면 모든 포토 공정이 끝나게 됩니다. 그 후에는 각종 측정 장비와 광학 현미경 등을 통해 패턴이 잘 그려졌는지 꼼꼼하게 검사를 하고, 이를 통과한 웨이퍼만이 다음 공정으로 넘어가게 됩니다.