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- 3379
반도체 8대 공정 – 3. 노광공정(Photolithography)
- 작성일
- 2022.06.09
- 수정일
- 2022.10.19
- 작성자
- 반도체과
- 조회수
- 1591
반도체 웨이퍼는 메모리나 CPU같은 반도체 회로를 만들기 위한 실리콘 판입니다. 회로를 웨이퍼에 새기기 위해서는 빛을 이용하게 되는데 먼저 웨이퍼 위에다가 빛에 반응하는 물질(감광액)로 된 얇은 막을 씌워놓고 여기에 회로의 모양을 그리게 되는데 이를 포토 공정이라고 합니다. 마치 그림을 그릴 때 색칠을 하기 전에 연필로 스케치하는 작업이라고 생각하면 이해하기 쉬울 듯합니다. 여기서 감광액 막이 그림을 그릴 때 도화지라고 생각하시면 되겠습니다.
포토 공정(Photolithography)에서 Photo는 빛을 의미하고, Lithography는 인쇄를 뜻하므로 빛을 이용하여 원하는 모양을 인쇄하는 것을 말합니다. 반도체 회로는 손으로 그릴 수 없으므로 컴퓨터를 이용하여 회로를 그려서 설계하고, 이를 빛을 이용하여 설계된 회로와 같은 모양을 웨이퍼 위에 그리게 됩니다. 이렇게 회로를 그리기 위해서는 설계된 회로의 모양에 따라 빛을 가릴 곳은 가리고 보낼 곳은 보내야 하는데 이렇게 하려면 빛과 웨이퍼 사이에 가림막(Mask)이 반드시 필요합니다. 아래 그림에서 보듯이 가림막(Mask)에 빛을 통과시키게 되면 웨이퍼 표면에 설계된 회로와 같은 모양의 빛과 그림자가 생기겠지요?
웨이퍼 위에 감광액이 칠해져 있으므로 아래의 그림처럼 가림막(Mask)과 렌즈를 통해 빛을 쪼이게 되면, 웨이퍼 표면의 감광액이 햇빛을 받는 쪽과 그림자진 쪽의 성질이 달라지게 되고, 이를 현상액을 이용하여 한쪽은 제거하고 다른 한쪽은 남겨서 설계된 회로와 같은 모양의 그림을 웨이퍼 표면에 새길 수 있습니다. 이 과정은 웨이퍼 표면의 감광액을 가공하는 과정으로 밑그림을 그리는 작업이며, 실제 회로를 새기는 작업은 뒤에 남은 공정들에서 이루어집니다.
출처: 삼성반도체이야기-[반도체8대 공정]4탄, 웨이퍼에 회로를 그려 넣는 포토공정
그런데 위의 그림에서 보면 가림막과 웨이퍼 사이에 렌즈가 들어가 있음을 알 수 있습니다. 반도체 회로 설계는 반도체 IC의 특수한 기능을 구현해야 하므로 반도체 설계자가 CAD같은 전용 컴퓨터 프로그램을 이용하여 설계하게 됩니다. 따라서 일반적으로 이 작업은 팹리스나 디자인하우스 같은 설계를 담당하는 회사에서 주로 담당합니다. 이는 지금 이야기하고 있는 반도체를 만드는 8대공정과는 별도의 이야기이므로 다음 번에 따로 다루기로 하겠습니다.
포토 공정에서는 완료된 설계도를 이용하여 웨이퍼에 반도체회로의 본(밑그림)을 뜨기 위해 필요한 가림막(포토마스크)를 만드는데, 포토마스크는 세밀한 선들을 정밀하게 표현하기 위하여 실제 웨이퍼에 만들어질 회로의 크기보다 크게 확대되어 제작됩니다. 따라서 위의 그림에서와 같이 웨이퍼 표면에는 설계된 원래의 크기와 같은 상을 맺히게 해야하므로 렌즈가 들어가게 됩니다.
포토공정은 세부적으로 감광액(포토레지스터)을 웨이퍼 표면에 뿌려 막을 형성하는 감광액도포, 빛을 이용해 웨이퍼에 회로 모양을 감광막에 새기는 노광, 노광을 통해 형성된 회로 모양을 완성하는 현상의 3과정으로 이루어집니다.
(1) 포토레지스터 도포 : 정밀하고 안정된 회로의 형성을 위해 얇고 고르게 웨이퍼 표면에 도포하는 것이 중요하며, 웨이퍼를 돌리면서 감광액을 떨어뜨려서 도포하는 스핀코팅(Spin Coating) 방식이 주로 사용됩니다.
(2) 노광(Stepper Exposure) : 감광막이 형성된 실리콘 웨이퍼 위에 가림막(Mask)을 통해서 빛을 쪼이게 되면 아래 그림에서처럼 빛이 선택적으로 감광막에 닿게 되고 빛이 닿는 감광막은 빛이 닿기 전의 상태와는 물성이 달라지게 됩니다(검은색으로 표현). 이처럼 노광은 말그대로 감광막을 가림막을 통해서 빛에 노출시켜 물성을 변하게 하므로써 설계된 회로의 모양을 웨이퍼 표면에 인쇄하는 공정인 것입니다.
(3) 현상(Develop) : 현상은 노광으로 회로의 모양이 인쇄된 웨이퍼의 표면에 그림에서 보는 것처럼 현상액을 뿌려주게 되면 빛에 의해서 물성이 달라진 부분(검은색)이 현상액에 의해서 제거되게 됩니다.(이와 반대로 노광되지 않은 부분이 깍여나가는 방식도 있습니다.) 따라서 결과적으로 아래의 그림처럼 감광막의 검은 부분이 모두 제거된 형태로 밑그림이 완성되며 포토공정이 끝나게 됩니다.
이 후에 회로 모양이 잘 새겨졌는지를 현미경과 같은 검사장비를 이용하여 양품과 불량품 검사를 진행한 후 양품만 다음 공정으로 넘겨집니다. 다시 말하지만 포토공정에서는 반도체 회로의 밑그림을 그린 것이며, 실제 회로를 웨이퍼에 새기는 공정은 다음 공정에서 이루어지게 됩니다.
지금까지 반도체 8대 공정 중 세번째 포토공정에 대해서 알아보았습니다. 다음에는 실제 회로를 새기는 식각공정에 대해서 알아보도록 하겠습니다. 수고하셨습니다.
참고 : 삼성반도체이야기-[반도체8대 공정]4탄, 웨이퍼에 회로를 그려 넣는 포토공정
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