’​​​​[반도체·디스플레이 공정 체험기] ⓵증착 공정​은?​’​​​​​의 다음 글입니다.

[녹색경제신문 = 이선행 기자] 증착 공정이 끝난 후 이어지는 과정은 포토 공정입니다. 빛을 사용해 기판 위에 회로를 새기는 과정으로, 클린룸 안의 별도 공간인 ‘옐로우 룸’에서 진행됩니다.

말 그대로, 노란빛으로 가득 채워져 있는 공간입니다. 감광액(PR; Photoresist)의 성질 변화를 최소화하는 색인 노란색 빛 전등을 형광등 대신 사용합니다.  

포토 공정은 크게 감광액 코팅(PR coating), 노광(Exposure), 현상(Develop), 식각(Etch), 박리(Strip)의 5단계로 나뉩니다. 

실습에는 티타늄을 증착한 기판이 활용됐습니다. 기판 위에 감광액을 코팅하고(PR 코팅) 빛을 쪼이며 패턴을 색긴 후에(노광), 현상을 통해 모습이 드러나게 합니다. 티타늄 증착막을 사라지게(식각) 한 다음, 쓰임을 다한 감광액을 없애는(박리) 과정입니다. 

이날 실습에서는 박리 단계를 제외한 앞의 네 단계가 진행됐습니다. 

감광액(PR)은 양성과 음성의 두 종류로 나뉩니다. 양성 감광액(Positive PR)은 포토 마스크에 가려져 빛을 받지 못한 부분만이 패턴으로 남게 되고, 음성 감광액(Negative PR)은 포토 마스크로 가려진 부분을 제외한, 빛을 받은 부분만이 패턴으로 남게 됩니다. 

실습에서는 양성 감광액이 사용되었습니다. 현장에서는 용도, 사용된 물질 등에 따라 감광액의 종류를 결정합니다. 

이후 가볍게 열처리(소프트 베이크)해 경화시킨 기판은 노광 공정을 통해 포토 마스크에 새겨진 패턴을 입게 됩니다. 포토 마스크란 회로의 패턴이 그려진 투명한 기판을 말합니다.

노광 공정에서는 정렬을 맞추는 것이 무엇보다 중요합니다. 여러 기판이 쌓이는 최종 결과물에서, 층별 패턴이 다 다르기 때문입니다.

올바른 정렬을 통해 각 층별로 정확하게 소자를 제작할 수 있고 기존에 설계했던 대로 동작을 구현해낼 수 있습니다.

노광의 방법은 크게 두 가지입니다. 포토 마스크를 기판에 직접 접촉시키는 방법(접촉 노광법)과 가까이 가져가는 방법(근접 노광법)입니다.

전자는 정확하게 패턴을 만들어 낼 수 있고 오차범위를 줄일 수 있다는 장점이 있습니다. 포토 마스크가 감광액이 코팅된 기판에 직접 닿아 오염될 수 있다는 점은 단점입니다.  

후자는 기판과 포토 마스크의 간격을 살짝 띄워 빛을 쪼이는 방법입니다. 하지만 포토마스크의 패턴이 그대로 옮겨지지는 않고, 약간의 왜곡이 있다는 단점이 있습니다. 

이후 열처리(포스트 베이크)를 통해 빛을 받은 부분과 받지 않은 부분이 더욱 확실하게 구분됩니다. 

빛을 통해 기판에 새겨진 패턴은 현상 과정을 거쳐야 우리 눈에 또렷이 보이게 됩니다. 현상 용액(디벨로퍼)에 담그면 티타늄 증착막 위에 새겨진 패턴을 확인할 수 있습니다. 실험에는 양성 감광액이 사용돼, 빛이 쪼여진 감광층이 씻겨져 나간 모습입니다.

아세톤, 이소프로필알코올(IPA), 증류수를 활용해 세정 과정을 거친 기판은 최종 열처리(하드 베이크)를 합니다. 감광액을 경화시킴으로써 새겨진 패턴들을 보호하기 위함입니다.

현상 전 마치 배경처럼 깔려 있던 티타늄 증착막이 사라지고, 식각을 통해 패턴만이 남은 모습입니다.

실습에서는 습식 식각(Wet Etching) 방법이 사용됐습니다. 속도가 빠른 대신, 어느 방향으로나 같은 비율로 깎인다는 등방성을 갖는다는 점이 특징입니다. 

다른 하나는 건식 식각(Dry Etching)인 비등방성을 띱니다. 방향별 다른 비율로 깎아낼 수 있습니다.

“반도체는 인류가 만든 최고의 예술 작품입니다. 환상이죠.”

실습이 끝나고 이종환 상명대학교 시스템반도체공학과 교수님의 말씀에 더욱 공감할 수 있었습니다. 1 나노미터는 머리카락의 10만분의 일에 해당합니다. 인간의 힘으로 이 작고 미세한 단위를 제어합니다. 그리고 그 작은 것은 세상을 움직이는 거대한 축으로 자리잡았습니다.  

끝으로 전 세계가 혈안이 되어 있는 ‘반도체 전쟁’ 그 일선에 계신 분들을 기억하고 싶습니다. 높은 압력과 갑갑한 방진복 속에서 매일을 보내고 계실 클린룸 관계자분들입니다. 우리가 클린룸에 머물렀던 시간은 세 시간 남짓, 실제 클린룸에서 일하시는 분들이 머무르는 시간에 비하면 짧은 시간이 분명합니다. 방진복 속의 모두는 땀으로 젖어 있었습니다. [끝]