015. 화학반응공학 실험 보고서_패터닝 예비 보고서_200412_R0

 제가 직접 작성했었던 인하대학교 화학반응공학 실험 과목의 패터닝 예비 보고서입니다.

이를 참고하고 다른 자료를 덧붙여서 더 좋은 보고서를 작성하시는데 도움이 되었으면 좋겠습니다.

 

1. Title

Patterning and treatment of SiO2 thin films

 

2. Summary

- Pattern the silicon dioxide (SiO2) layer using PR(Photoresist).

- Determine the optimal etch parameters and etching gas, then etch SiO2 layer using – Reactive Ion Etching(RIE)

- Observe the color change of the etched SiO2, measure the thickness of the thin films and observe the patterns of etched films.

 

3. Experimental objective

Understand the process by which the patterns made by masks are engraved on the thin films, examine the film surface and measure the change in thickness before and after etching.

 

4. Experimental details

(1) 산화막(SiO2)의 패터닝(patterning) - Lithography 공정 (조교가 수행)

(2) 패턴된 산화막의 표면 색깔과 패턴 모양 관찰 - 광학 현미경 사용

(3) 패턴된 산화막을 반응성 이온 식각장치를 사용하여 적절한 식각가스와 파워를 선택하여 식각 실험을 진행한다.

(4) 식각된 산화막의 표면의 색깔과 패턴 모양 관찰 - 광학 현미경 사용

(5) 마스크 패턴의 제거 (O2 plasma ashing) - 플라즈마 애싱장치를 이용하여 산소 플라즈마를 발생시켜서 적절한 조건에서 마스크 패턴을 제거한다.

(6) 마스크 패턴을 제거한 산화막의 표면 색깔과 패턴 모양 관찰 - 광학 현미경 사용

(7) 패턴의 높이를 측정하여, 식각 속도 및 식각 선택도 계산

 

5. Theoretical background

(1) 플라즈마 (Plasma) 란?

플라즈마(Plasma)란 집단적 거동을 보이는 준중성 기체이다. 이는 이온화된 기체로서 중성원소와 전하입자로 구성되어 있다. 또한 ‘고체, 액체, 기체’에 이은 물질의 4번째 상이다. 기체 입자에서 에너지가 충분히 가해질 때, 입자의 최외곽전자가 궤도를 이탈함으로써 양전하를 띄게 됨과 동시에 원자와 음전하를 가지는 전자가 생성된다. 이 때의 입자들이 상호작용을 함으로써 독특한 빛을 방출하게 되고 입자들의 활발한 운동으로 높은 반응성을 가지게 된다.

이는 전기적으로 중성이지만, 이온과 자유전자가 많이 존재하기 때문에 전류를 흘릴 수 있는 성질을 가지게 된다. 여기서 온도의 변화에 따라 플라즈마 입자의 운동 상태가 직접적으로 변하기 때문에 온도와 전도도 증가에 영향을 미친다.

플라즈마는 내부에 활성화된 이온과 자유전자가 존재하기 때문에 다른 물질들을 전리 시킬수 있게 된다. 플라즈마 내부의 전자와 이온들에게 자계를 걸어줄 경우 자계와 직각으로 원 운동을 하게 된다. 이를 이용해 플라즈마의 밀도를 원하는 곳에 집중해 전압의 상승 없이 고밀도의 플라즈마를 얻을 수 있게 된다.

 

(2) 반도체 제조 공정과 정의 (각각의 단일 공정을 개략적으로)

반도체의 제조 공정은 크게 ① Wafer(웨이퍼) 제조 및 회로설계 ② Wafer 가공 ③ 조립 및 검사 ④ 포장의 4가지 공정으로 나누고 세부 내용은 다음과 같다

 

1) Wafer(웨이퍼) 제조 및 회로설계

① 단결정 성장(Crystal Growing)

고순도의 다결정 실리콘이 단결정 성장로(爐) 속에서 단결정봉으로 변형된다. 고진공 상태에서 1400℃ 이상의 고온에 녹은 다결정 실리콘은 정밀하게 조절되는 조건하에서 큰 직경을 가진 단결정봉으로 성장한다. 성장과정이 끝나면, 단결정봉은 실내온도로 식혀지고 각각의 단결정봉을 평가한 후, 부분별로 가공하여 정확한 직경을 갖추도록 만든다.

※ Czochralski method

다결정을 도가니 속에서 융해하여 고체의 종 결정과 접촉시켜 서서히 인상시키면서 종 결정 밑에 단결정을 성장시킨다. 육성 조건의 제어가 쉽고 균질이어서, 단결정을 육성하는 데 좋다.

② 규소봉 절단(Shaping)

성장된 단결정봉을 균일한 두께의 얇은 Wafer로 잘라낸다. 절삭작업을 거치는 동안 Wafer의 가장자리 부분은 매우 날카롭고 깨지기 쉽기 때문에 세척과정을 거친 후 정확한 모양과 치수로 가공하여 손상을 줄일 수 있도록 한다.

③ Wafer 표면연마(Polishing)

Wafer의 한쪽 면을 연마하여 거울 면처럼 만들어 주며, 면에 회로 패턴을 그려 넣는다.

④ 회로 설계

CAD(Computer Aided Design)시스템을 사용하여 전자회로와 실제 Wafer 위에 그려질 회로 패턴을 설계한다.

⑤ 마스크 제작

광 사진식각 공정을 하기위해 마스크가 필요한데, 마스크는 크롬이나 산화철 같은 물질이 박막으로 씌워진 얇은 유리판으로 만들어진다. 컴퓨터를 이용하여 설계된 데이터를 전자선 패턴 형성기에 입력하고 이 데이터에 따라 전자선을 감광막이 씌워진 크롬 유리판에 주사한다. 그러면 투명 혹은 불투명 패턴이 유리판에 형성되는데, 이것을 ‘reticle(망선)’이라 한다. 이 ‘reticle’로 반복적인 패턴형성을 하여 광 사진식각에 사용 될 마스크 판을 얻게 된다. 이 마스크 판을 이용하여 Wafer에 패턴을 전사한다.

마스크는 투명 영역(clear field)마스크와 불투명 영역(opaque) 마스크로 구분된다. 투명영역 마스크는 회로패턴이 있는 부분이 어둡고 나머지 부분이 밝은 것이다. 투명 영역 마스크는 마스크 대부분이 밝아 정의된 패턴 부분을 정확히 식별할 수 있으므로 연속적인 마스크 사이의 정렬이 용이하여 많이 이용되고 있다.

반면 불투명영역 마스크는 이와 반대로 대부분이 어두운 반면 회로패턴이 있는 부분이 밝은 것이다.

 

2) Wafer 가공

① 산화(Oxidation) 공정

고온(800~1200℃)에서 산소나 수증기를 실리콘 Wafer 표면과 화학반응을 일으켜 얇고 균일한 실리콘 산화막(SiO2)을 형성시킨다. 이 산화막은 불순물 확산에 대한 보호막, 표면의 보호 및 안정화, 전기적인 절연과 유전체, 소자 사이의 격리 역할을 한다.

② Photo Lithography

Photo Lithography는 마스크 상의 패턴을 Wafer 위에 옮기는 공정이며, Photo Lithography를 여러 번 반복함으로서 집적회로 칩을 완성하게 된다. 사진식각에 필요한 네 가지 주요 요소는 마스크(mask), 감광막(photoresist), 자외선(UV), 식각(etching)이다. 실리콘 Wafer 위에 불순물을 선택확산 또는 선택적인 이온주입을 위하여 감광물질을 Wafer위에 도포하고, 자외선을 이용한 노광 기술로 마스크에 설계된 패턴을 부착한 후, 현상 공정으로 도포된 감광 물질을 처리하면 패턴 주위에 마스크 모양이 형성된다.

ⓐ 노광(Exposure) : 포토 마스크를 Wafer 위에 얹은 다음, 조준을 맞추고 강한 자외선을 통과 시킨다. 자외선 빛은 마스크 위의 회로 패턴을 Wafer에 그려준다.

ⓑ 현상(Development) : 현상액을 Wafer에 뿌리면 노광 과정에서 빛을 받은 부분과 받지 않은 부분으로 나뉘는데, 빛을 받은 부분의 현상액은 날아가고 빛을 받지 않은 부분은 그대로 남는다.

ⓒ 식각(Etching) : Wafer에 회로 패턴을 만들어 주기 위해 화공약품(습식) 이나 부식성 가스(건식)를 이용해 필요 없는 부분을 선택적으로 없앤다. 현상액이 남아있는 부분을 남겨 둔 채 나머지 부분은 부식시킨다. 식각이 끝나면 감광액도 황산용액으로 제거 한다.

③ Ion Implantation

회로패턴과 연결된 부분에 불순물을미세한 가스입자 형태로 가속하여 Wafer의 내부에 침투시킴으로써 전자 소자의 특성을 만들어주는 이러한 불순물주입은 고온의 전기로 속에서 불순물입자를 Wafer 내부로 확산시켜 주입하는 확산 공정에 의해서도 이루어진다. 이온 주입이란 원자 이온에 목표물인 고체 표면을 뚫고 들어갈 만큼의 큰 에너지를 공급하여 이온을 고체 내에 주입하는 것을 말한다. 반도체 소자를 제작할 때 실리콘의 불순물 주입 공정에 많이 사용된다.

④ Chemical Vapor Deposition(화학 기상 증착법)

CVD는 유전체나 도체로 작용하는 층을 기체 상태의 화합물로 분해한 후 화학적 반응에 의하여 기판 위에 적층하는 기술이다. CVD 공정은 증착 될 물질원자를 포함한 화학물질이 반응실로 들어가 가스 상태의 화학물질이 다른 가스와 반응하여 원하는 물질이 만들어져 기판에 적층된다.

⑤ Metalization

개별 소자의 제작이 끝나면 이들을 상호 접속하여 원하는 회로 기능을 갖도록 배선하는 기술이 금속화 공정인데, 금속 배선을 위한 방법은 진공증착 방법공정이 주로 사용된다. 이는 기판온도를 자유롭게 조절할 수 있고 화학반응 보다는 물리적인 제어만으로 증착하는 것이다.

 

3) 조립 및 검사

① Wafer 자동선별 : Wafer에 형성된 IC칩들의 전기적 동작여부를 검사하여 불량품을 자동 선별한다.

② Wafer 절단 : Wafer상의 칩들을 분리하기 위해 다이아몬드 톱을 사용, Wafer를 절단한다.

③ Wafer 표면연마 : Wafer의 한쪽 면을 연마하여 거울 면처럼 만들어 주며, 이 면에 회로 패턴을 그려 넣는다.

④ 금속 연결 : 칩 내부와 외부의 연결단자인 Lead frame을 가는 금선으로 연결한다.

⑤ 성형(molding) : 칩과 연결된 금선부분을 보호하기 위해 화학수지로 밀봉한다.

⑥ 최종검사 : 성형된 칩의 전기적 특성 및 기능을 컴퓨터로 최종 검사하는 공정으로 최종 합격된 제품들은 제품명 과 회사명을 인쇄한 후 입고검사를 거쳐 사용자에게 판매한다.

 

4) 포장(Packaging process)

포장 공정은 실제 소자 제조과정인 전 공정에 대하여 후 공정으로 불린다. 패키지는 칩과 시스템과의 물리적 ․ 전기적 접속은 물론 섬세하게 설계 제조된 고립적, 고속회로를 외부환경 으로부터 잘 보호해야 한다. 또한 내부 회로와 외부 회로와의 안정된 연결, 칩 동작 시 발생하는 온도에 대한 보호 등을 통하여 집적회로의 신뢰성과 성능을 유지시켜주는 특성을 갖는다. 패키징 기술은 반도체가 기능을 충실히 수행할 수 있도록 하기 위하여 설계 과정을 마무리하는 단계이며, 칩의 크기, 가격 및 성능을 결정해주는 중요한 기술이므로 시스템 전체의 크기, 가격, 및 성능에도 큰 영향을 주게 된다.다는 물리적인 제어만으로 증착하는 것이다.

 

(3) Lithography 란?

Lithography는 patterning을 하는 공정명칭으로서 최근에는 가장 널리 사용되고 있는 Photo lithography를 지칭한다. 즉, 빛을 이용하여 Patterning 하는 기술을 일컫는 말로서, 이때 필요한 물질은 Photoresist(감광제, PR)이다. Photo lithography의 공정을 간략히 설명하면 다음과 같다.

① 실리콘 기판 위에 patterning 하고 싶은 물질을 박막으로 증착한 후에, PR을 그 위에 증착한다.

② 패턴이 새겨진 마스크로 실리콘 기판을 가린 후 빛을 쏘여주게 되면 마스크에서 빛이 통과할 수 있는 부분으로만 빛이 통과하여 실리콘 기판 위의 포토레지스트와 반응하게 된다. 즉, 포토레지스트로 잠재적으로 마스크의 패턴이 전달되게 된다.

③ 빛을 받은 부분 또는 빛을 받지 않은 부분만을 선택적으로 용해시킬 수 있는 에칭 용액으로 PR을 에칭하게 되면, 마스크에 있던 패턴 모양대로 PR이 patterning 된다.

④ 다시 PR 밑에 증착했던 박막을 에칭하게 되면, PR이 남겨진 부분은 포토레지스트가 남겨지지 않은 부분에 비해 에칭이 덜되기 때문에 원하는 형태를 얻을 수 있다.

 

(4) 식각(etching)의 종류와 정의 (식각 장비의 종류와 원리를 중점적으로)

식각 공정이란 노광 공정을 통해 형성된 감광제 패턴들을 마스크로 하고 마스크 아래에 있는 부분과 외부로 노출된 부분들 사이에 화학 반응을 다르게 함으로써 마스크로 보호되지 않는 부분들을 떨어져 나가게 하는 것을 말한다. 식각 공정은 습식식각과 건식식각으로 분류할 수 있고, 이로 인해 이온 주입될 영역이 결정되며 도선들의 연결 작업이 이뤄진다. 습식식각 공정의 경우 식각시키고자 하는 물질 표면으로 반응 물질이 공급되어 표면에서 화학반응이 일어난 후 생성 물질이 떨어져 나오며 이뤄지고 등방향성을 띤다. 한편 건식식각의 경우 웨이퍼 표면에서 물리 및 화학적 작용이 동시에 일어나 식각이 진행되는 과정으로 공정제어가 어렵고 식각 선폭이 제한적인 습식식각의 단점을 극복할 수 있고, 이는 이온빔 식각, 스퍼터 식각, RF 식각 등으로 분류할 수 있다. 이 중 반응 건식식각은 플라즈마가 반응 기체로 이뤄지거나 주입되는 이온이나 전자 혹은 방사되는 광자들의 작용으로 반응기체가 웨이퍼 표면에서 식각 목표물과 화학 작용을 일으켜 식각이 일어나는 것이다.

 

(5) P-N 접합이란?

반도체 내부의 P-Type 영역과 N-Type 영역이 접해있는 부분을 말한다. P-Type의 경우 정공이 발생한다. 정공이란 전자 1개가 부족한 전자의 구멍을 말하며, 4가의 Si 결정에 3가의 B를 첨가함으로써 정공이 나타나게 된다. 이 정공 때문에 P형 반도체 내의 전자는 자유롭지 못하다. 하지만 N-Type의 경우에는 Si 결정에 5가의 불순물을 넣어 공유결합을 제외한 여분의 전자 1개가 발생한다. 이 때 전자는 불순물과 매우 약하게 결합되어 있어, 자유롭게 움직일 수 있다. 이러한 다른 성질의 P형과 N형 반도체를 붙일 경우 자유 전자와 정공을 움직일 수 있게 된다. 자유전자와 정공은 서로를 향해 움직여 쉽게 재결합이 이루어지게 된다. 접합면을 기준으로 자유전자와 정공이 결합하여 없어진 영역을 공핍층(Depletion Layer) 또는 공간전하영역(Space Change Layer)이라고 한다. N형 측의 접합부 근처에는 양전하를 띄는 Donor 이온이 남게되고 P형 측에는 음전하를 띄는 Accepter 이온이 남게 되어 접합부를 끼고 에너지장벽이 형성되어 전자와 양공의 유입이 저지되어 열평형 상태가 된다. 이렇게 열평형이 이뤄진 상태에서 외부에서 N형 영역에 +)전위, P형 영역에 (-)전위를 걸면 내부 전위는 더욱 강해져 P형 영역 양공의 N형 영역으로의 확산 이동과 N형 영역 전자의 P형 영역으로의 확산 이동이 억제됨으로써 전류는 거의 흐르지 않게 된다. 반대로 전위를 바꿔서 걸면 P형 영역에서 N형 영역 방향으로 전류가 흐르게 된다. 이처럼 P-N접합은 정류작용을 하는 특성을 나타낸다.

 

(6) 박막의 식각 및 증착 공정을 활용한 소자들에 대한 원리와 구조

OLED(Organic Light Emitting Diode, 유기 발광 다이오드)는 자체 발광형 디스플레이 소자로서, 유기물 박막에 양극과 음

극을 통해 주입된 전자와 정공이 재결합하여 여기상태(Exciton)을 형성하고, 형성된 여기상태의 에너지로부터 특정한 파장의 빛이 발생하는 형상을 이용한 것이다.

OLED 디스플레이는 유리 기판 위에 양극, 3층의 유기막 (홀 수송 층, 발광 층, 전자 수송 층), 음극을 순서대로 적층하여 구성되어 있다. 유기 분자는 여기 상태 (에너지를 받은 상태) 에서 기저상태 (원래의 상태)로 돌아오려는 성질을 가지고 있으며 이때 받은 에너지를 빛에너지로서 방출하려고 한다. 유기EL소자의 경우, 전압을 걸어주게 되면 양극으로부터 주입된 홀과 음극으로부터 주입된 전자가 발광층 내에서 재결합해서 유기분자를 여기함으로써 발광한다. 발광원리의 경우 전압을 가하면 유기물이 빛을 내는 특성을 이용하며, 유기물에 따라 RGB 색상을 나타내는 특성을 이용해 모든 색상을 구현하는 것이다. 자발광소자로써 휘도와 색순도 특성이 뛰어나다.

 

(7) 화학공학전공자가 반도체 산업에서 필요한 이유

반도체 산업은 다양한 분야의 최첨단 기술들이 모여 이루어진 산업이다. 따라서 다양한 기술들을 필요로 한다. 일차원 적으로 생각할 경우 화학공학전공자와는 관련이 없을 것 같지만, 반도체의 경우 이번 실험의 내용을 비롯해 많은 화학 반응이 필요한 공정으로 이루어져 있다. 반도체 자체의 경우로 볼 때 보고서에 서술했던 패터닝과 식각 등에서 이루어진 화학 반응을 예로 들 수 있고, 전체 공정으로 확대를 해서 효율성의 측면과 생산 공정의 경우를 살펴보아도 화학 공학이 반드시 필요한 부분이다. 높은 순도를 얻기 위해 다양한 화학 반응을 연구하고, 효율적으로 제어하기 위해 화학공학 전공자가 필요하다.

 

6. References

(1) 정용성, 『알기쉬운 반도체공학』, 도서출판정일, pp.94-124

(2) Alfred Grill, 『공정 플라스마 기초와 응용』, 청문각, 정진욱 역, 2003

(3) 한국공업화학회, 『무기공업화학』, 청문각, 2013

(4) 황호정, 『반도체공학』, 생능출판, 2014