오늘은 Etching 공정에 관해 배워보겠습니다.
저번에 Lithography에 관한 포스팅을 했는데, 보통 Lithography 다음에 오는 공정입니다.
Photo Lithography process (포토 공정, 리쏘 공정) 쉽게 이해하기, lift-off 공정을 쓰는 이유
1. What is Lithography process?회로가 그려진 photomask를 이용해서 wafer에 pattern을 만드는 공정.Photo : through light(빛을 통해서)Litho : stone (웨이퍼에)Graphy : writing (patterning) 이 공정을 그림으로 보면 훨씬 쉽
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1. What is Etching Process?
일단 Etching은 물질을 깎는 공정입니다.
들어가기 앞서서 헷갈릴 수 있는 부분에 관해 먼저 말씀드리려 합니다.
저번시간에 배운 Lithography에서 Photoresist를 깔고
Exposure, Develop 과정을 통해 patterning 한다고 설명했습니다.
그러면 여기서 develop 과정이 Etch 공정 아닌가?... 라고 생각하실 수 있습니다!
하지만! Lithography 공정은 말 그대로 패턴을 새기는 공정으로 develop까지의 과정은 Litho 공정입니다.
develop까지 과정을 마치고 그 mask를 사용해서 다른 물질을 깎는 것이 etch공정입니다.
쉽게 그림으로 볼게요!
위 그림에서 etching 후에 노란 photoresist까지 없애주면 완성입니다!
그런데!!!!
위 그림처럼 직각사각형으로 반듯하게 깎이면 좋을 것 같지만,
쉽지 않습니다..
예를 들면, 다음과 같습니다.
2. Etch requirements
위와 같이 non-ideal한 경우를 생각해서
etch 공정을 진행할 때 고려해야할 변수들이 있습니다.
1) Anisotropy
비등방성입니다.
즉, 모든 방향이 아닌 한방향을 의미합니다.
위 그림을 보면 vertical(수직)방향과 lateral(수평) 방향으로 Film이 깎인 것을 볼 수 있습니다.
이때 vertical 방향으로만 깎이면 Anisotropy가 높은 것이고
lateral 방향으로 깎인다면 Anisotropy가 낮아집니다.
이를 수식으로 모델링 해보겠습니다.
다음과 같을 때
Degree of Anisotropy :
다음과 같이 나타낼 수 있습니다.
Af = 1 : lateral 방향으로 깎인 부분이 0
즉, 완벽한 수직 에칭입니다.
Af = 0 : lateral과 vertical 방향 에칭 정도가 같음
즉, 수직으로 깎인 만큼 수평으로 같은 양 깎입니다.
Anisotropy는 우리가 조절할 수 있습니다.
다음 포스팅에서 소개하겠지만,
Wet etching과 Dry etching 방식이 있는데 이를 통해 Anisotropy 정도를 조절할 수 있습니다.
실제 문제를 예시로 이해도를 높여봅시다! ㅎㅎ
Consider the structures shown in Fig. 10.6.
A 0.5 μm thick oxide layer is etched to achieve equal structure widths and spacings (Sf).
The etch process produces a degree of anisotropy of 0.8.
If the distance between the mask edges, x, is 0.35 μm, what structure spacings and widths are obtained? Neglect any overetch.
문제에 Anisotropy가 0.8이라고 주어졌습니다.
이때 우리가 아는 수식을 이용하면 될 것 같네요!
다음과 같이 변수를 다 아니까 대입하면 Sf(spacing, width)를 구할 수 있겠네요!
∴ Sf = 0.55um
2) Etch selectivity
이는 내가 깎고자 하는 물질이 mask 대비 얼마나 깎이는지 비율을 나타냅니다.
photoresist 대비 oxide가 얼마나 etch 되는가?
예를 들어, oxide의 ER(Etch rate) = 3/mins
PR의 ER = 1/mins 인 상황이라면,
oxide 두께가 1um 일 때 PR의 두께는 적어도 0.333um가 되어야 합니다.
3) Etch rate
시간당 얼마나 etch 되는지를 나타냅니다!
길이/시간
selectivity를 계산할 때 쓰입니다!
실제 문제를 통해 이해해 볼게요!
A 0.5 μm layer of silicon dioxide on a Si substrate needs to be etched down to the Si. Assume that the nominal oxide etch rate is rox (in μm min-1). There is a +/- 5% variation in the oxide thickness and a +/- 5% variation in the oxide etch rate.
a) How much overetch is required (in % time) in order to ensure that all the oxide is etched?
b) What selectivity of the oxide etch rate to the Si etch rate is required so that a maximum of 5.0 nm of Si is etched? (Assume the overetch calculated in part a is done.)
다음의 그림과 같을 때 oxide 두께와 etch rate이 주어졌는데,
각각이 5% variation이 있다고 하네요.
a) 모든 oxide가 etch 되려면 얼마나 over etch 되어야 하는지 시간의 비율을 구하라고 하네요
일단 ideal case에서는
0.5um/rox를 해주면 etch 된 시간이 나옵니다.
하지만 worst case(가장 오래 걸리는 경우)를 생각해 보면,
길이는 길었을 때, etch rate은 낮았을 때입니다.
즉, 0.5um(1.05)/rox(0.95)를 계산하면 됩니다.
각각이 rox에 관한 식으로 표현되기 때문에 worst case / ideal case를 해주면
overetch를 해줘야 하는 정도가 나옵니다.
10.6% 가 나오네요!
b) overetch 된 상황을 생각했을 때 Si가 최대 5.0nm만 깎인다면 Si의 etch rate을 구하라고 합니다.
일단 길이를 줬기 때문에 시간을 알면 etch rate을 구할 수 있습니다.
이 문제도 최대 5nm 만 깎여야 하니까 worst case를 생각해야 합니다.
SiO2의 어떤 부분은 5% variation으로 인해 매우 느리게 etch 돼서 시간이 오래 걸린다고 가정했을 때
다른 부분에서는 5% variation으로 매우 빠르게 etch 된다면,
(가장 느리게 etch 되는 시간 - 가장 빠르게 etch 되는 시간) 만큼 Si 가 깎이게 됩니다.
a 문제에서 시간이 오래 걸리는 worst case를 구했습니다.
가장 느리게 etch 되는 시간 = 0.5um(1.05)/rox(0.95)
이제 시간이 가장 적게 걸리는 worst case를 구해보겠습니다.
가장 빠르게 etch 되는 시간 = 0.5um(0.95)/rox(1.05)
이 둘을 빼주면 Si가 깎이는 시간(t)이 나오고
결론적으로 5nm / t = Si의 Etch rate입니다.
결과는 0.05 rox입니다!!
즉 oxide가 Si보다 20배 빨리 식각 됩니다!
4) Etch Uniformity
식각 하고자 하는 물질이 두께가 동일하게 깎이는지의 정도.
여러 부분을 식각 하기 때문에
당연히 두께는 동일해야 좋겠죠!
5) Damage to surface and circuit
표면에 damage를 적게 주는 게 좋겠죠!
이런 점들도 고려해줘야 합니다.
나중에 over etch를 하게 되는 상황이 나오는데, over etch를 하게 되면 damage를 입을 수 있습니다.
오늘은 여기까지입니다!
다음 식각공정에서는 wet etching과 dry etchin에 대해 배워보겠습니다!
오늘 하루도 정말 수고 많으셨어요
행복하셨으면 좋겠습니다 :)
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