[반도체 8대공정/미세화공정] Photo Lithography 공정

[ Photo 공정 Overview ]

Photo공정이란 반도체 8대 공정에서도 어려운 공정 중에 하나입니다.

말 그대로 사진을 찍어 웨이퍼에 원하는 패턴을 형성하는 것이라고 생각하시면 이해하시기 쉽습니다.

왜냐하면 현재 반도체의 공정기술은 nm 수준으로 내려왔기 때문에, 금속을 정밀하게 깎아 패턴을 형성해야만 합니다.

 과정은 아래와 같습니다. ( 붉은색 글씨로 된 부분이 Photo공정과정입니다 )

[ Photo Resist 용액 ]

 반도체에 회로를 형성하기 위하여 금속에 패턴(Pattern)을 형성해야합니다. 이때, Mask와 빛을 이용하여 깎아낼 부분을 선택할 수 있습니다. 이러한 방법을 돕기위하여 Photo Resist용액을 이용합니다. 앞으로 줄여서 PR용액이라고 부르도록 하겠습니다.

 즉, PR용액은 빛을 받아 화학적인 특성이 변하게 됩니다. 그 말은 PR용액의 종류에 따라 빛을 받으면 해당 부분이 더 단단해 질 수 있는 반면, 약해질 수도 있습니다. 이러한 성질을 이용하여 반도체에 패턴을 형성할 부분에 PR용액을 도포하여 판화와 같이 웨이퍼를 깎아낼 수 있습니다.

 PR용액을 도포하는 방법은 일반적으로 아래 그림과 같은 과정을 거치게 됩니다.

아무런 처리가 되어있지 않은 웨이퍼를 한 방향으로 회전시킵니다. 그리고 이때, PR용액을 웨이퍼에 뿌려주게 되면 원심력에 의하여 PR용액이 웨이퍼에 골고루 퍼지게 되며 도포되게됩니다. 이 상태에서 빛을 쬐어주어 마스크에 패턴에 따라 웨이퍼에도 동일한 패턴대로 공정을 진행하게 됩니다.

 

1. Positive PR용액

Positive PR용액은 빛을 받은 부분이 처리해주는 용액에 녹기 쉬운 형태로 화학적 성질이 변화합니다. 따라서 해당부분을 제외한 부분은 처리해주는 용액에 녹지 않고, 그 자리에 유지됩니다.

2. Negative PR용액

Negative PR용액은 빛을 받지 않은 부분이 처리해주는 용액에 녹기 쉬운 형태로 화학적 성질이 변화합니다. 따라서 해당부분을 제외한 부분은 처리해주는 용액에 녹는 형태로 패턴이 남게됩니다.

 

[ 노광(Exposure) 과정 ]

노광이란 말 그대로 '빛에 물질을 노출시킨다'라는 뜻입니다. 즉, 사진 촬영을 하기위해 카메라에 셔터를 열어 외부빛을 이용하여 필름에 상이 맺히게 하는 원리와 유사합니다. 노광과정은 웨이퍼에 패턴을 형성시킬 때 사용하며, PR용액을 바른 후 빛을 쪼아주어 Postive PR, Negative PR 특징을 이용하여 패턴을 형성합니다.

 현대 반도체는 nm의 공정을 이용하기 때문에, 패턴의 정밀도를 높이는 것이 매우 중요합니다. 따라서 파장이 짧은 자외선(UV)광선을 광원으로 사용하게 됩니다. 

 

[ 현상(Develpoment) 과정 ]

 현상 과정은 사진을 찍는 과정 중 사진을 현상하는것과 매우 유사한 방식으로 진행됩니다.

 위에서 설명드린 PR용액을 도포하고, 노광과정을 통해 PR에 특정 패턴의 빛을 쪼게되면 PR이 현상용액에 녹기쉬운 구조로 화학적 성질이 변합니다.(Positive PR의 경우)

 이때, 현상용액을 웨이퍼에 담구거나 분사하는 등의 방법을 이용해서 원하는 패턴에 맞게 PR용액을 제거하는 과정이 바로 현상과정입니다.

 

 

[ Mask Pattern 형성 과정 ]

 아래 그림을 이용하여 Mask에 Pattern을 형성하는 방법을 보여드리겠습니다.

Postive PR이 도포된 웨이퍼에 '숫자 5'가 새겨진 마스크를 대고 빛에 노출시켜주었습니다. 그렇게 되면, 5라는 패턴이 웨이퍼 위에 형성되게 되고, 웨이퍼 상 '숫자 5'라는 부분은 현상용액에 녹기 쉬운 상태로 화학적 성질이 변화하게 됩니다. 그리고 이때, 현상 과정을 통해 현상용액에 담가주었을 때, 남는 부분은 PR로 도포된  '숫자 5' 라는 패턴만 남게됩니다.

그리고 표면을 식각하여 주면, 나머지 PR용액이 깎여나가고, 웨이퍼의 모습은 아래와 같이 '숫자 5'부분은 증착된 부분이 깎여져 있고, 나머지 부분은 증착된 금속이 계속 붙어있는 모습을 나타냅니다.