건식 식각

식각은 패턴대로 막을 깎아 내어 회로 모양을 만드는 공정이다. 식각이 제대로 되지 않으면 설계한 모양이 나오지 않아 소자 성능이 떨어진다. 그중 건식 식각은 액체 화학물질 대신 플라즈마를 써서 미세한 패턴을 수직에 가깝게 깎을 수 있다. 원하는 부분만 선택적으로 제거하고 나머지는 남기는 것이 핵심이다.

건식 식각은 진공 챔버 안에서 기체에 고주파(RF) 전력을 걸어 만든 플라즈마로 웨이퍼 표면을 깎는 공정이다. 플라즈마에는 이온, 전자, 반응성이 큰 라디칼이 섞여 있다. 라디칼은 표면과 화학 반응을 일으켜 물질을 휘발성 기체로 바꾸고, 이온은 웨이퍼를 향해 가속되어 표면을 때려 반응을 돕거나 물질을 직접 깎아 낸다. 이 화학 작용과 물리 작용이 함께 일어나 정밀한 식각이 가능하다.

조각할 때 칼날로 파면 방향을 정할 수 있지만 약품으로 녹이면 사방으로 퍼진다. 건식 식각은 이온이 위에서 아래로 내리꽂히므로 칼날처럼 아래 방향(수직)으로 잘 깎인다. 그 위에 라디칼의 화학 반응이 더해져 원하는 물질만 골라 깎는다. 다만 이 비유는 단순화한 것으로, 실제로는 측벽을 보호하는 막이 생기는 등 더 복잡한 과정이 일어난다.

건식 식각의 결과는 식각 깊이, 식각 속도, 식각 선택비, 그리고 단면 모양(프로파일)으로 평가한다. 식각 깊이는 단차 측정기(프로파일러)나 주사 전자 현미경(SEM) 단면으로 잰다.

식각 선택비는 깎아야 할 물질과 남겨야 할 물질(마스크 또는 아래층)의 식각 속도 비율이다.

$$ S = \frac{R_A}{R_B} $$

• $S$: 식각 선택비
• $R_A$: 식각할 물질의 식각 속도
• $R_B$: 보호할 물질(마스크나 하부막)의 식각 속도

선택비가 클수록 마스크나 아래층이 덜 깎여, 식각을 끝낼 때까지 패턴을 보호할 수 있다.

식각은 크게 화학적 식각과 물리적 식각의 균형으로 이해한다. 화학적 성분이 크면 선택비는 높지만 사방으로 깎이는 등방성이 되고, 물리적 성분이 크면 수직으로 잘 깎이지만 선택비가 낮고 손상이 커진다. RIE는 이 둘을 섞어 쓴다.

• 선택비와 수직성의 맞교환: 이온을 세게 때려 수직성을 높이면 마스크와 하부막도 많이 깎여 선택비가 떨어진다. 반대로 화학적 성분을 늘려 선택비를 높이면 옆으로 파고드는 언더컷이 생긴다.
• 언더컷과 측벽 형상: 마스크 아래가 둥글게 파이거나 벽이 기울어지면 패턴 폭이 설계와 달라진다.
• 마이크로 로딩: 패턴이 촘촘한 곳과 성긴 곳에서 식각 속도가 달라진다.
• 잔여물과 손상: 식각 부산물(폴리머)이 남거나 이온에 의해 하부 막이 손상될 수 있다.

• 가스 조성 조정: 측벽에 보호 폴리머를 만드는 가스를 섞어 수직성을 유지하면서 선택비를 확보한다.
• 압력·전력 조정: 압력을 낮추고 바이어스를 높이면 수직성이 좋아지고, 반대로 하면 선택비와 손상이 개선된다. 둘의 균형점을 찾는다.
• 종점 검출(EPD): 플라즈마 발광 신호 등으로 식각이 끝나는 시점을 감지해 과도한 식각을 막는다.
• 실시간 모니터링과 피드백 제어: 장비 상태를 관찰하면서 조건을 보정해 일관성을 높인다.

• 건식 식각은 플라즈마의 라디칼(화학)과 이온(물리)으로 깎는다.
• 장점은 이온의 방향성 덕분에 수직하고 미세한 패턴이 가능한 것이다.
• 선택비 $S = R_A/R_B$: 클수록 마스크·하부막이 잘 남는다.
• 바이어스(이온 에너지)가 크면 수직성은 좋아지지만 선택비는 떨어진다.
• 소스 전력은 식각 속도, 바이어스는 이온 에너지, 압력은 방향성에 영향을 준다.