화학반응공학 실험 보고서_패터닝 예비 보고서_Ver 2_200412_R0

1. 실험 제목 : 패터닝 실험

 

2. Summary

- PR을 사용한 산화막의 패턴.

- 최적의 식각 파라미터와 식각 가스를 알아내고, SiO2층을 RIE를 사용하여 식각하라.

- 식각된 SiO2의 색 변화를 관찰하고, 박막의 두께를 측정하고 식각된 박막의 패턴을 관찰하라.

 

3. 실험 목적

마스크에 의하여 형성된 패턴을 박막 위로 전달하는 공정에 대하여 이해하고, 식각 전후에 박막의 표면을 검사하고 두께의 변화를 측정한다.

 

4. 실험 과정

(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 애슁장치를 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. 실험 기본지식

(1) 플라즈마(Plasma)

a. 플라즈마의 정의

플라즈마는 고체ㆍ액체ㆍ기체와 더불어 제4의 물질 상태로 불려지고 있다. 플라즈마는 이온화된 기체로 중성원소, 전자, 이온, 광자 등으로 이루어져 있다. 플라즈마 내에는 전자의 밀도와 이온의 밀도가 거의 같은 상태로 존재하게 된다. 따라서 이 플라즈마는 전체적으로는 중성이나, 전자이온이 존재하여 내부에 존재하는 전기장에 따라 전하가 이동을 함으로 전기가 통하는 전도성 기체이기도 하다.

실제로 보자면 우리가 많이 보는 형광등이나 네온사인들이 플라즈마이다. 이 형광등이나 네온사인 내부에는 가한 전기장에 의해 생성된 이온과 전자가 존재하며, 전자가 내부에 가한 전기장에 의해 가속되어 중성원자를 이온화 시킨다. 그리고 또한 여기시키며 이온화되어 발생된 이온과 전자는 다시 벽으로 확산해서 중성화되고 여기된 원자나 분자는 기저상태로 돌아가면서 빛을 내게 됨으로써 일정한 전자 혹은 이온밀도를 유지하는 플라즈마 상태를 갖는다.

 

b. 플라즈마의 특성

- 플라즈마의 전기적 중성 : 전체적으로는 중성이지만 10-6~10-2 정도의 중성원소가 부분적으로 이온화되어 존재하므로 전기장에 의해 전류를 흘릴 수 있는 특성을 갖는다. 특히 플라즈마의 온도는 입자의 운동상태와 직접적으로 연관되기 때문에 전도도 증가와도 관련된다.

- 화학적 특성 : 플라즈마 내 서로 인접한 전자와 이온은 정전기적 상호작용에 의해 서로 당겨서 중성화 될 것 같으나 한 전자를 보았을 때 주변 각 방향에 다른 이온들도 존재하여 이들 이온으로 인한 정전기적 힘도 존재하게 되고 이들 서로간의 정전기적 힘이 서로 상쇄되므로 인해서 플라즈마 내에 있는 전자나 이온은 중성원소와 마찬가지로 주변으로부터의 정전기적인 힘이 없는 자유입자와 같이 거동하게 된다. 또한 플라즈마 내에서는 전자와 원자나 부자의 충돌로 인하여 여기되고 이완됨으로 인하여 광자가 방출되어 빛을 발하게 된다.

- 플라즈마의 진동 : 플라즈마는 플라즈마의 한 부분이 전기장 등의 효과로 인해 순간적으로 중성으로부터 벗어날 때 플라즈마의 특성인 중성을 회복하기 위해 복원력이 발생되게 된다. 복원력에 의해 한 지역의 순전하가 0이 되어 중성이 회복되었다고 할 때 이 복원력을 머물게 할 수가 없게 되어 지나침 현상이 일어나고 다시 반대복원력이 생기게 된다. 이 반대복원력에 의해 다시 중성이 회복되나 또다시 지나침현상이 반대방향으로 일어나 결과적으로 플라즈마 진동 현상이 발생하게 된다. 이는 시계추를 평형위치에서 벗어나게 하면 좌우로 계속 왕복운동하는 현상과 같은 상황이다.

- 디바이 쉴딩 : 플라즈마가 갖는 또 하나의 특성으로 디바이 쉴딩이 있다. 플라즈마 내 어떤 이유로 인한 전위의 변화가 있을 때 이 전위의 변화를 지수적으로 감소시켜 그 전위의 변화를 차단하는 현상을 디바이 쉴딩이라고 한다.

 

(2) 반도체 제조 공정과 정의

a. 웨이퍼 제조

- 다결정 상태의 순수한 규소 -> 폴리 실리콘을 결정 성장법을 이용하여 잉곳으로 제조 -> 잉곳을 다이아몬드 톱을 사용하여 얇은 판으로 제조 -> 표면을 깨끗하고 매끈하게 가공

b. 산화 공정 : 실리콘 웨이퍼 표면을 산화시키는 공정

- 실리콘을 고온에서 산소 분위기 노출 -> 실리콘이 산화되어 산화막이 생성

c. 확산 공정 : 불순물들을 실리콘에 주입시키는 공정

- 원하는 불순물을 실리콘 표면을 보호하는 장벽층 위에 높은 농도로 퇴적

d. 광 리소그래피 : 마스크 상의 패턴을 웨이퍼 위에 옮기는 공정

- 웨이퍼 위에 감광막을 얇게 코팅 -> 미리 제작한 마스크를 웨이퍼 위에 올려놓고 빛에 노출

-> 감광막으로 마스크의 패턴이 옮겨지면 이 감광막 패턴을 이용하여 현상

e. 식각 공정 : 감광막 밑에 증착된 박막들을 공정 목적에 따라 부분적으로 제거하는 기술

- 감광물질을 웨이퍼 표면에 도포하여 건조 -> 도포된 웨이퍼 위에 마스크를 올려놓고 선택 확산 하고자 하는 부분을 검게 칠한 다음 자외선에 노출 -> 자외선이 쪼여지지 않는 부분을 현상액을 넣어 용해시켜 제거 -> 이것을 HF용액에 넣으면 용해된 부분의 산화막이 제거돼 식각공정이 완료

f. 패키징 공정

- 웨이퍼로부터 칩을 절단 (Dicing) -> 칩을 리드 프레임에 장착 (Mount) -> 칩의 전극 패드와

리드 프레임의 지정된 리드와 미세선으로 결선 (Bonding) -> 봉입과 마킹

 

(3) Lithography 란?

웨이퍼의 표면에 규정된 영역에서 박막의 선택적인 제거, 절연체의 패터닝, IC를 형성하는 데 요구되는 금속들은 Lithography라 불리는 과정에서 얻을 수 있다.

Lithography 공정은 광에 의하여 마스크상의 패턴들을 반도체 웨이퍼의 표면에 도포되어 있는 얇은 감광재료에 옮겨놓는 것을 말한다. 노광기술은 크게 자외선에 의한 광노광기술, X-선이나 전자빔 혹은 이온빔 등에 의한 방사노광기술, 담금펜이나 나노각인에 의한 비광노광기술 등으로 나눌 수 있다.

 

- 광학 리소그래피

광학 리소그래피 공정은 세가지 주요 단계인 감광제 코팅, 노출, 현상과정으로 이루어져 있다. 또한 높은 해상도를 위해서 광학 리소그래피에는 많은 굽기(baking)와 식히기(chilling) 단계가 있다. 모든 과정의 기술을 정리하면, 광학 리소그래피 공정은 웨이퍼 세척, 선굽기(Prebake), 초벌 스핀코팅과 감광제 코팅, 소프트 베이크(soft bake), 정령과 노출, 현상, 패턴검사와 하드 베이크(hard bake)의 8단계로 진행된다. 만약 웨이퍼가 점검사항을 통과하지 못하게 되면, 하드 베이크 단계 이후에 감광제 벗기기를 다시 해야 되고, 검사에 통과될 때까지 전 과정을 다시 수행해야한다.

 

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

식각은 지정된 영역에서 선택적으로 물질을 제거하여, 기판 위의 감광제 또는 하드마스크를 통하여 패턴을 전사하는 것이다. 식각공정은 집적회로 칩을 만드는데 가장 빈번히 사용되는 공정 중의 하나이다. 예를 들어, 다결정 실리콘 식각은 얕은 트렌치 고립 구조를 형성하기 위해 사용되고 있으며, 다결정 실리콘 식각은 게이트와 국부적인 상호접속에 이용되고 있다. 식각의 목적은 두 가지로 나누어 생각할 수 있다. 첫째는 웨이퍼 표면을 청정화하는 데 있다. 연마나 절삭 등의 기계적 가공으로 생긴 변형층을 제거하거나 여러 단위 공정 중에 표면의 세정이나 불필요한 막을 제거할 목적으로 행하는 식각 공정이 그 예이다. 둘째는 결정 결함의 평가에 있다. 이들의 목적을 위해서는 여러 가지 식각용 화학약품이나 가스가 사용된다. 식각 방법은 건식방식과 습식방식으로 나누어진다.

 

- 습식식각

습식 식각은 웨이퍼에 식각 용액을 닿게하여 화학적으로 식각하는 방법이다. 일반적으로 매우 우수한 선택도와 높은 식각률을 제공하며, 식각액의 혼도와 조성을 제어할 수 있다. 예를 들어, HF는 실리콘 산화물을 매우 빠르게 식각하지만, 실리콘에 대하서는 식각이 잘 이루어지지 않는다. 따라서 HF를 사용하기 위해서는 실리콘 기판에 매우 높은 선택도를 가지는 실리콘 산화물을 성장시켜야 한다. 습식 식각은 건식 식각과 비교해 진공 및 가스운반 시스템이 필요하지 않기 때문에 장치가 간단하고 비용이 적게 든다는 장점이 있다. 그러나 습식 식각은 보통 등방성 식각이 되므로 수직 방향뿐 아니라 수평 방향으로도 식각이 이루어진다. 식각 깊이가 일정 이상일 경우 수평 방향으로도 같은 길이만큼 식각되므로 세밀한 패턴의 경우 원하는 패턴과 큰 차이가 나게된다. 습식 식각 공정으로 3 μm 이하의 선폭에서 치밀한 패턴을 구성하는 것은 불가능하다. 따라서 1980년 이후로 건식 식각이 점진적으로 습식 식각을 대체하고 있지만, 화학적-기계적 연마와 전기-화학적 증착과 같은 발전된 집적회로 공정에서 다시 습식 식각공정이 사용되고 있다.

 

- 건식식각

건식 식각공정은 식각할 재료와 가스 상태의 식각제의 반응을 이용하며, 휘발성의 부산물을 만들어 기판 표면으로부터 제거하는 것이다. 건식 식각공정에서는 플라즈마로부터 자유로운 라디칼이 생성되어 웨이퍼 표면과의 화학적 반응으로 화학 반응률을 증가시켜 화학적 식각을 촉진시킨다. 더불어 플라즈마는 웨이퍼 표면에 이온 충돌을 일으킨다. 이온 충격에 의해 표면으로부터 물질이 물리적으로 제거되고, 표면과 원자사이의 화학적 결합이 깨져 화학적 반응률이 가속되어 식각이 일어나게 된다. 이온 타격에 의한 식각 속도는 물질별로 차이가 거의 없어 선택성 특성이 나쁘다. 따라서 보통은 화학적으로 기판과 잘 반응하는 가스를 사용하고 이온 타격에 의해 식각이 더 잘 일어나도록 하는 반응성 이온 식각 방법을 사용한다. 플라즈마내의 이온이 기판위로 거의 수직으로 가속되기 때문에 수직방향으로 식각이 잘 일어나게 된다. 비등방성 식각 특성은 세밀한 패턴을 형셩하는 데 꼭 필요하므로, 이 때에는 거의 건식 식각을 사용하게 된다.

 

(5) P-N 접합이란?

P형 반도체와 N형 반도체를 서로 접합시킨 것을 P-N 접합이라 한다. P-N 접합 자체로서도 여러 가지 유용한 기능을 가지고 있다. 가장 중요한 기능은 순방향으로만 전류를 흘려주는 성질을 이용한 정류 및 검파 작용이지만, 역방향 바이어스에서 전압에 따라 커패시턴스가 바뀌는 특성을 이용하는 버랙터, 항복 현상이 일어나면 전류가 바뀌어도 전압이 거의 변하지 않는 특성을 이용하는 제너 다이오드, 도핑을 높게 할 때 발생하는 터널링을 이용하는 터널 다이오드, 빛을 전류로 바꾸거나 거꾸로 전류를 빛으로 바꾸는 수광 및 발광 다이오드등 그 응용이 광범위하다. 뿐만 아니라 P-N접합은 바이폴라 트랜지스터, MOS트랜지스터, SCR 등 모든 반도체의 기본 구성 요소가 된다.

P-N 접합의 이해를 돕기 위하여 균일하게 도핑된 P형 반도체와 N형 반도체를 서로 붙이는 가상 실험을 생각해 보자. 붙이기 전에 P형 반도체와 N형 반도체는 각각 전기적으로 중성 상태에 있다고 가정한다. P형 반도체와 N형 반도체가 붙게 되면 금속학적 접합을 경계로 캐리어의 농도가 현격한 차이를 보이게 되어 캐리어의 확산이 일어나게 된다. 즉, 정공은 P형으로부터 N형 쪽으로 확산하게 되며, 정공이 떠난 곳은 움직일 수 없는 억셉터 음이온이 남게 된다. 반대로 전자는 N 영역으로부터 P 영역으로 확산하며, N 영역에 도너 이온을 남긴다. 그 결과 금속 접합 주변에는 캐리어가 거의 없고, 움직일 수 없는 이온으로 형성된 공간 전하 영역 혹은 공핍 영역이 형성된다. 이 공간 전하 영역에 의하여 금속 접합 주변에 전기장이 형성되며 이 전기장은 확산 방향과 반대 방향으로 캐리어를 이동시켜 확산에 의한 캐리어의 이동을 상쇄하는 작용을 한다. 이러한 상쇄 작용으로 금속 접합으로부터 멀리 떨어지는 영역은 거의 중성 상태를 유지할 수 있게 된다.

 

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

- OLED

OLED(유기발광다이오드)는 유기물 박막에 전압을 인가하면 유기물질이 스스로 발광하며 다양한 색상의 문자나 영상을 표현하는 디스플레이를 의미한다. OLED는 유리기판에 형광물질의 역할을 하는 유기화합물을 발라 전류를 가하여 유기물 내의 전자의 움직임을 조절하여 자체 발광시키는 전류 구동방식이다. 즉, OLED는 불활성기체가 전자의 충격으로 플라즈마 상태로 바뀌면서 발생하는 자외선이 형광물질을 때려 발광하는 원리이다.

OLED의 역사를 살펴보면 1960년대에 분자 반도체 단결정에서 전계발광 현상이 측정되면서 비롯되었으며, 1970년대에 들어 박막증착, LB막 등을 통한 박막 개념의 소자호가 시도되었으나 효율과 안정성 면에서 미흡하였다. 그러던 중 1987년 미국의 Eastman Kodak사가 다층구조의 소자를 개발하여 효율과 안정성을 획기적으로 향상시킴으로써 개발을 촉진시키는 계기가 되었다.

 

- OLED의 구조 및 원리

OLED의 구조는 다음과 같다. OLED는 유기물층의 재료에 따라 저분자형과 고분자형으로 구분된다. 일반적인 구조로서 저분자 유기 전계발광 소자는 유기물 4층 기본구조를 사용하고 있으며 고분자의 경우는 유기물 2층 구조를 사용하고 있다. 저분자형 발광재료는 개발이 쉽고 조기양산이 가능하며 순도가 높은 장점이 있으나, 수명이 짧고 발광효율이 낮아 대화면 적용에 어려운 점이 있다. 고분자형 발광재료는 저분자형 발광재료에 비하여 역적안정성, 기계적 강도가 우수하고 대화면 적용이 가능하나 고순도의 재료를 얻기가 어려운 단점이 있다.

OLED의 기본적인 동작원리는 상,하 두 전극에 교류를 인가하여 절연층 사이에 강한 전계가 걸리면 절연층과 발광층 사이의 계면주위에 포획된 전자들이 방출되어 외부전계에 의해 가속되어 발광중심의 최외각 전자들이 직접 충돌하여 여기상태가 되어 기저상태로 천이하면서 발광하게 되는 원리이다. 이때 높은 에너지를 가진 전자의 일부는 발광모체와 충돌하여 이온화시켜 2차전자를 방출하고 발광중심에서 에너지를 잃은 전자들과 충돌하지 않은 일부 1차전자, 2차전자들은 다시 높은 에너지를 갖게 되어 발광중심을 여기시키고 다시 외부전압의 극성이 바뀌면 같은 과정을 반복하게 된다.

 

(7) 화학공학전공자가 반도체 산업에서 필요한 이유

반도체라고 하면 단순히 전지 전자 공학 출신들만이 관계된 분야라고 생각하기 쉽다. 물론 반도체 회로의 설계는 전기 전자 공학 출신들이 하지만 이 설계를 받아 반도체를 제조하는 과정에서는 화학공학 엔지니어들이 필요한 과정이 많다. 반도체 공정에서 아주 중요한 공정 중 하나인 리소그래피 공정이나 식각, 박막형성 공정 같은 경우가 바로 화학공학이 필요한 공정들이다. 이러한 공정들에 대해서 실제 엔지니어링을 하는 부분들이 화학공학자가 필요한 이유라고 할 수 있다.

 

6. References

- 플라즈마 식각기술, 염근영, 도서출판 미래컴, 2006

- 반도체 공학, 황호정, 생능출판, 2014

- 반도체 공학, 류장렬 외 2인, 형설출판사, 2003

- 직접회로 제조를 위한 반도체공정 및 장치기술, 이형옥, 상학당, 2006

- 집적회로 설계를 위한 반도체 소자 및 공정, 정항근 외 2인 공저, 홍릉과학출판사, 1999

- 나노 집적회로 공정기술, 윤영섭, 홍릉과학출판사, 2005

- 반도체 공정 개론, Richard C. Jaeger, 교보문고, 2002

- 디스플레이 공학, 엄금용, 기전연구사, 2008