세 번째는 포토 공정(Photo Lithography Process)입니다.
반도체 생산 비용 및 시간의 측면에서 매우 중요한 공정으로, 마스크 상에 설계된 패턴을 웨이퍼 상에 구현하는 것이 목적입니다.
설계된 패턴을 정밀하게 플레이트에 새겨내기 위하여 사진을 인화하는 방법과 유사하게 빛을 이용하는데요. 이렇게 빛을 사용하여 회로를 그리기 때문에 포토 리소그래피 공정, 짧게는 포토 공정이라고 말합니다.
이번 글에서는 포토 공정의 기초 내용을 설명해 드리겠습니다.
전자공학 학부만 졸업하고, 반도체 기업에 입사했기 때문에 깊고 섬세한 글이 되지 못하는 점을 참고 부탁드립니다.
1. Photolithography의 기초 (1)
포토 공정의 진행은 필름 카메라 또는 석판 인쇄의 원리를 생각하면 이해하기 수월합니다.
석판 인쇄는 패턴이 새겨진 석판 위에 용액을 바르고, 모양을 찍을 패널 위에 용액이 발린 석판의 모양을 찍는 방법으로 모양을 새기는데요. 이러한 방식은 포토 공정의 근간이 되는 원리이며, 일본의 니콘, 캐논과 같은 광학 기업이 포토 리소그래피 장비를 생산할 수 있는 기술력을 가진 이유입니다.
공정의 관점에서 해석하면 마스크 상에 설계된 패턴을 웨이퍼 상에 구현하는 것인데요. 여기서 마스크는 포토 마스크(Photo Mask)로, 웨이퍼(Wafer)에 형성하고자 하는 패턴을 그린 판입니다.
고순도의 쿼츠(Quartz) 유리판 및 SiO2를 사용하는데, 투명도가 높아서 마스크를 통과할 때 빛 손실이 적기 때문입니다.
현 공정에서는 스테퍼와 스캐너 중 대부분 프로젝션(Projection) 방식을 기반한 스캐너(Scanner)를 사용합니다. 이를 기반으로 요약하면 웨이퍼(Wafer) 상에 마스크의 패턴을 렌즈를 이용하여 축소 조사하는 것입니다.
이러한 패턴을 남기기 위해서는 감광제가 필요한데요. 흔히 PR(Photo Resist)이라고 부르는 용액입니다.
PR은 특정 파장대의 빛과 광학적인 반응을 보이며, 포지티브(Positive)와 네거티브(Negative) 두 가지로 나눌 수 있습니다.
포지티브의 경우에는 현상했을 때 노광 된 패턴이 제거되며, 네거티브의 경우에는 그 반대입니다.
다시 말해, 포지티브 PR은 마스크의 패턴을 새기고, 네거티브 PR은 마스크 반대의 패턴을 남긴다고 생각할 수 있습니다.
1. Photolithography의 기초 (2)
이러한 포토 공정은 클린 룸(Clean Room)에서 진행되는데요.
클린 룸은 온도, 습도, 기압 등 공정에서 변수로 작용할 수 있는 모든 부분을 통제하는 공간입니다.
입자(Particle)의 개수를 기준으로 클래스(Class)를 설정하고, 1 입방 피트 당 파티클의 개수를 기준으로 Class 100,000부터 1 이하까지를 명명합니다.
일반적으로 무균 수술실이 Class 100에 해당하며, 반도체 공정은 Class 100 이하의 매우 섬세한 환경에서 진행됩니다.
포토 공정은 다른 공정보다 파티클 등 다양한 부분에서 엄격한 기준을 가지고 진행됩니다.
렌즈를 통해서 마스크의 패턴을 축소 조사하기 때문에, 아주 작은 파티클 하나라도 노광에 치명적인 역할을 할 수 있기 때문입니다.
또한, 포토 공정은 다른 공정과 다르게 노란색 조명으로 가득 찬 옐로 존(Yellow Zone)에서 진행됩니다. 노광 시 특정 파장에서만 반응하게 만들어야 하므로, 광학적 영향이 가장 적은 파장을 선택한 것입니다.
원칙적으로는 붉은색이 가장 적합하지만, 사람 눈에 피로를 많이 주기 때문에 그보다 한 단계 낮은 파장인 노란색 조명을 선택하게 되었습니다.
포토 리소그래피 공정은 식각 공정과 더불어 반도체 전 공정 중에서 가장 중요한 공정이라고 생각합니다.
반도체 기업으로 입사를 희망하신다면 꼭 깊게 알아두시길 권유드립니다.
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이상, 읽어주셔서 감사드립니다.
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