각 반도체 제품을 제조하려면 수백 개의 공정이 필요합니다. 우리는 전체 제조 공정을 8단계로 나눕니다.웨이퍼가공-산화-포토리소그래피-에칭-박막 증착-에피택셜 성장-확산-이온 주입.
반도체 및 관련 공정에 대한 이해와 인식을 돕기 위해 각 호마다 WeChat 기사를 푸시하여 위의 각 단계를 하나씩 소개하겠습니다.
이전 글에서는 보호를 위해웨이퍼각종 불순물로부터 산화막이 만들어지는 산화과정. 오늘은 산화막이 형성된 웨이퍼 위에 반도체 설계 회로를 사진으로 찍는 '포토리소그래피 공정'에 대해 알아보겠습니다.
포토리소그래피 공정
1. 포토리소그래피 공정이란?
포토리소그래피는 칩 생산에 필요한 회로와 기능 영역을 만드는 작업이다.
포토리소그래피 기계에서 방출된 빛은 패턴이 있는 마스크를 통해 포토레지스트가 코팅된 박막을 노광하는 데 사용됩니다. 포토레지스트는 빛을 본 후 그 특성을 변화시켜 마스크의 패턴이 박막에 복사되어 박막이 전자 회로도의 기능을 갖게 됩니다. 이것이 카메라로 사진을 찍는 것과 유사한 포토리소그래피의 역할이다. 카메라로 촬영한 사진은 필름에 인쇄되는 반면, 포토리소그래피는 사진을 새기는 것이 아니라 회로도와 기타 전자 부품을 새기는 것입니다.
포토리소그래피는 정밀한 미세 가공 기술입니다.
기존의 포토리소그래피는 파장 2000~4500옹스트롬의 자외선을 이미지 정보 매체로 사용하고 포토레지스트를 중간(이미지 기록) 매체로 사용하여 그래픽의 변환, 전사 및 처리를 달성하고 최종적으로 이미지를 전송하는 공정입니다. 정보를 칩(주로 실리콘 칩)이나 유전층에 전달합니다.
포토리소그래피는 현대 반도체, 마이크로일렉트로닉스, 정보산업의 기초라고 할 수 있으며, 포토리소그래피는 이러한 기술의 발전 수준을 직접적으로 결정짓는다고 할 수 있습니다.
1959년 집적회로가 성공적으로 발명된 이후 60여년 동안 그래픽의 선폭은 약 4자릿수로 줄어들었고 회로 통합은 6자릿수 이상 향상되었습니다. 이러한 기술의 급속한 발전은 주로 포토리소그래피의 발전에 기인합니다.
(집적 회로 제조의 다양한 개발 단계에서 포토리소그래피 기술에 대한 요구 사항)
2. 포토리소그래피의 기본 원리
포토리소그래피 재료는 일반적으로 포토리소그래피에서 가장 중요한 기능성 재료인 포토레지스트(포토레지스트라고도 함)를 말합니다. 이러한 유형의 재료는 빛(가시광선, 자외선, 전자빔 등 포함) 반응의 특성을 가지고 있습니다. 광화학 반응 후에는 용해도가 크게 변합니다.
그 중 현상액에 대한 포지티브 포토레지스트의 용해도가 증가하고 획득된 패턴은 마스크와 동일합니다. 네거티브 포토레지스트는 그 반대입니다. 즉, 현상액에 노출된 후 용해도가 감소하거나 심지어 불용성이 되며, 얻은 패턴은 마스크와 반대입니다. 두 가지 유형의 포토레지스트는 적용 분야가 다릅니다. 포지티브 포토레지스트가 더 일반적으로 사용되며 전체의 80% 이상을 차지합니다.
위는 포토리소그래피 공정의 개략도입니다.
(1) 접착:
즉, 실리콘 웨이퍼 위에 두께가 균일하고 접착력이 강하며 결함이 없는 포토레지스트막을 형성하는 것이다. 포토레지스트 필름과 실리콘 웨이퍼 사이의 접착력을 강화하기 위해 먼저 HMDS(헥사메틸디실라잔) 및 TMSDEA(트리메틸실릴디에틸아민)와 같은 물질로 실리콘 웨이퍼 표면을 개질해야 하는 경우가 많습니다. 이후, 스핀코팅을 통해 포토레지스트 필름을 제조한다.
(2) 사전 베이킹:
스핀 코팅 후에도 포토레지스트 필름에는 여전히 일정량의 용매가 포함되어 있습니다. 더 높은 온도에서 베이킹한 후에는 용매를 최대한 적게 제거할 수 있습니다. 사전 베이킹 후 포토레지스트 함량은 약 5%로 감소됩니다.
(3) 노출:
즉, 포토레지스트가 빛에 노출된다. 이때 광반응이 일어나며 조명을 받은 부분과 조명을 받지 않은 부분의 용해도 차이가 발생하게 된다.
(4) 개발 및 강화:
제품이 현상액에 잠겨 있습니다. 이때, 포지티브 포토레지스트의 노광된 부분과 네거티브 포토레지스트의 비노출된 부분은 현상액에 용해되게 됩니다. 이는 3차원 패턴을 나타냅니다. 현상 후 칩이 단단한 필름이 되기 위해서는 고온 처리 공정이 필요하며, 이는 주로 포토레지스트와 기판의 접착력을 더욱 향상시키는 역할을 합니다.
(5) 에칭:
포토레지스트 아래의 재료가 에칭됩니다. 여기에는 액체 습식 에칭과 기체 건식 에칭이 포함됩니다. 예를 들어, 실리콘의 습식 에칭에는 산성 불산 수용액이 사용됩니다. 구리의 습식 식각에는 질산, 황산 등의 강산성 용액을 사용하는 반면, 건식 식각은 플라즈마나 고에너지 이온빔을 이용해 소재 표면을 손상시켜 식각하는 경우가 많다.
(6) 검제거:
마지막으로 렌즈 표면의 포토레지스트를 제거해야 합니다. 이 단계를 검 제거라고 합니다.
모든 반도체 생산에 있어서 안전은 가장 중요한 문제입니다. 칩 리소그래피 공정에서 주요 위험하고 유해한 포토리소그래피 가스는 다음과 같습니다.
1. 과산화수소
과산화수소(H2O2)는 강력한 산화제입니다. 직접적인 접촉은 피부와 눈에 염증과 화상을 일으킬 수 있습니다.
2. 자일렌
자일렌은 네거티브 리소그래피에 사용되는 용매 및 현상액입니다. 가연성이 있고 온도가 27.3℃(대략 실온)에 불과합니다. 공기 중 농도가 1%~7%일 때 폭발성이 있습니다. 자일렌과 반복적으로 접촉하면 피부 염증을 일으킬 수 있습니다. 자일렌 증기는 달콤하며 비행기 압정 냄새와 유사합니다. 자일렌에 노출되면 눈, 코, 목에 염증이 발생할 수 있습니다. 가스를 흡입하면 두통, 현기증, 식욕 부진, 피로를 유발할 수 있습니다.
3. 헥사메틸디실라잔(HMDS)
HMDS(Hexamethyldisilazane)는 제품 표면의 포토레지스트 접착력을 높이기 위한 프라이머 층으로 가장 일반적으로 사용됩니다. 가연성이며 인화점은 6.7°C입니다. 공기 중 농도가 0.8%-16%일 때 폭발성이 있습니다. HMDS는 물, 알코올 및 무기산과 강하게 반응하여 암모니아를 방출합니다.
4. 테트라메틸암모늄하이드록사이드
TMAH(테트라메틸암모늄 하이드록사이드)는 포지티브 리소그래피 현상액으로 널리 사용됩니다. 독성이 있고 부식성이 있습니다. 삼키거나 피부에 직접 닿으면 치명적일 수 있습니다. TMAH 먼지나 미스트와 접촉하면 눈, 피부, 코, 목에 염증이 발생할 수 있습니다. 고농도의 TMAH를 흡입하면 사망에 이를 수 있습니다.
5. 염소와 불소
염소(Cl2)와 불소(F2)는 모두 엑시머 레이저에서 심자외선 및 극자외선(EUV) 광원으로 사용됩니다. 두 가스 모두 독성이 있고 연한 녹색으로 보이며 강한 자극적인 냄새가 납니다. 고농도의 이 가스를 흡입하면 사망에 이를 수 있습니다. 불소 가스는 물과 반응하여 불화수소 가스를 생성할 수 있습니다. 불화수소 가스는 피부, 눈, 호흡기를 자극하는 강산으로 화상, 호흡 곤란 등의 증상을 유발할 수 있습니다. 고농도의 불소는 인체에 중독을 일으켜 두통, 구토, 설사, 혼수상태 등의 증상을 유발할 수 있습니다.
6. 아르곤
아르곤(Ar)은 일반적으로 인체에 직접적인 해를 끼치지 않는 불활성 가스입니다. 정상적인 상황에서 사람들이 호흡하는 공기에는 약 0.93%의 아르곤이 포함되어 있으며 이 농도는 인체에 뚜렷한 영향을 미치지 않습니다. 그러나 어떤 경우에는 아르곤이 인체에 해를 끼칠 수도 있습니다.
가능한 상황은 다음과 같습니다. 밀폐된 공간에서는 아르곤 농도가 증가하여 공기 중 산소 농도가 감소하고 저산소증이 발생할 수 있습니다. 이로 인해 현기증, 피로, 호흡곤란 등의 증상이 나타날 수 있습니다. 또한 아르곤은 불활성 가스이지만 고온이나 고압에서 폭발할 수 있습니다.
7. 네온
네온(Ne)은 호흡 과정에 관여하지 않는 안정하고 무색, 무취의 가스입니다. 네온가스는 인간의 호흡 과정에 관여하지 않으므로 고농도의 네온 가스를 흡입하면 저산소증이 유발됩니다. 장기간 저산소증 상태에 있으면 두통, 메스꺼움, 구토 등의 증상이 나타날 수 있습니다. 또한 네온가스는 고온이나 고압에서 다른 물질과 반응하여 화재나 폭발을 일으킬 수 있습니다.
8. 크세논 가스
크세논 가스(Xe)는 안정적이고 무색, 무취의 가스로 사람의 호흡 과정에 관여하지 않으므로 고농도의 크세논 가스를 흡입하면 저산소증이 유발됩니다. 장기간 저산소증 상태에 있으면 두통, 메스꺼움, 구토 등의 증상이 나타날 수 있습니다. 또한 네온가스는 고온이나 고압에서 다른 물질과 반응하여 화재나 폭발을 일으킬 수 있습니다.
9. 크립톤 가스
크립톤 가스(Kr)는 안정적이고 무색, 무취의 가스로 사람의 호흡 과정에 참여하지 않으므로 고농도의 크립톤 가스를 흡입하면 저산소증이 유발됩니다. 장기간 저산소증 상태에 있으면 두통, 메스꺼움, 구토 등의 증상이 나타날 수 있습니다. 또한 크세논 가스는 고온이나 고압에서 다른 물질과 반응하여 화재나 폭발을 일으킬 수 있습니다. 산소가 부족한 환경에서 호흡하면 저산소증이 발생할 수 있습니다. 장기간 저산소증 상태에 있으면 두통, 메스꺼움, 구토 등의 증상이 나타날 수 있습니다. 또한 크립톤 가스는 고온이나 고압에서 다른 물질과 반응하여 화재나 폭발을 일으킬 수 있습니다.
반도체 산업을 위한 위험 가스 감지 솔루션
반도체 산업에는 가연성, 폭발성, 독성 및 유해 가스의 생산, 제조 및 공정이 포함됩니다. 반도체 제조공장의 가스 사용자로서 모든 직원은 사용하기 전에 다양한 유해가스의 안전 데이터를 이해해야 하며, 가스 누출 시 응급처치 방법을 숙지해야 합니다.
반도체산업의 생산, 제조, 보관에 있어서 이러한 유해가스의 누출로 인한 인명 및 재산상의 손실을 방지하기 위해서는 대상가스를 검지하는 가스검지장치를 설치하는 것이 필요합니다.
가스 감지기는 오늘날 반도체 산업에서 필수적인 환경 모니터링 장비가 되었으며, 가장 직접적인 모니터링 도구이기도 합니다.
Riken Keiki는 항상 사람들을 위한 안전한 작업 환경을 조성한다는 사명으로 반도체 제조 산업의 안전한 발전에 관심을 기울여 왔으며, 반도체 산업에 적합한 가스 센서 개발에 전념해 왔으며, 지속적으로 제품 기능을 업그레이드하고 시스템을 최적화하고 있습니다.
게시 시간: 2024년 7월 16일