식각(Etching) 은 웨이퍼 표면에 형성된 여러 물질 중에서 불필요한 부분을 선택적으로 제거하여 원하는 회로 패턴과 구조를 만드는 공정이다.
포토 공정에서 형성한 패턴을 기준으로 필요한 부분만 남기거나 파내어 반도체 소자의 구조를 형성한다.
쉽게 말하면, 웨이퍼 표면에 얇게 쌓인 막에서 필요한 부분은 남기고, 제거할 부분은 정밀하게 깎아 내는 작업이다.
식각 공정이 중요한 이유
- 미세 회로 형성:
- 작은 회로 패턴과 정교한 구조를 만든다.
- 소자 성능 확보:
- 식각 깊이와 폭, 측벽 형태 등이 전기적 특성에 영향을 줄 수 있다.
- 품질 및 수율 관리:
- 과도하거나 부족한 식각, 패턴 불균일성, 잔여물 등은 소자 성능과 수율에 영향을 줄 수 있다.
- 3차원 구조 구현:
- DRAM, 3D NAND, 첨단 트랜지스터 등의 복잡한 구조를 형성하는 데 활용된다.
2. 반도체 제조 공정에서 식각의 위치
① 증착
웨이퍼 표면에 필요한 막 형성
↓
② 포토 공정
제거할 부분과 남길 부분의 패턴 형성
↓
③ 식각 공정
노출된 물질을 선택적으로 제거
↓
④ 포토레지스트 제거 및 세정
불필요한 잔여물 제거 및 후속 공정 준비
※ 이해를 위한 대표적인 흐름이다.
실제 반도체 제조에서는 제품 구조와 공정 모듈에 따라 순서가 달라지며, 포토·식각·세정 공정이 여러 차례 반복된다.
3. 식각 공정의 종류
식각은 사용하는 매질과 물질 제거 방식에 따라 크게 습식 식각(Wet Etching) 과 건식 식각(Dry Etching) 으로 구분한다.
3-1. 습식 식각 (Wet Etching)
액체 화학약품과 재료의 화학 반응을 이용해 특정 물질을 제거한다.
- 장점: 재료에 따라 높은 선택비를 얻을 수 있고, 공정 구성이 비교적 단순할 수 있다.
- 단점: 옆 방향으로도 식각되는 경우가 많아 미세 패턴의 형상 제어가 어려울 수 있다.
- 특징: 등방성 식각이 대표적이지만, 실제 거동은 재료와 화학 조건에 따라 달라진다.
3-2. 건식 식각 (Dry Etching)
기체와 플라즈마 등을 이용해 물질을 제거한다. 미세한 회로와 깊은 구조의 형상을 정밀하게 제어하는 데 널리 활용된다.
- 장점: 수직 방향 식각과 미세 패턴 형상 제어에 유리하다.
- 단점: 가스 조성, 압력, RF 파워, 온도 등의 조건을 정밀하게 관리해야 한다.
- 특징: 화학 반응과 이온 충격을 조합해 물질을 제거할 수 있다.
습식 식각과 건식 식각 비교
| 구분 | 습식 식각 | 건식 식각 |
| 주요 매질 | 액체 화학약품 | 기체 및 플라즈마 등 |
| 제거 방식 | 주로 화학 반응 | 화학 반응 및 물리적 제거 |
| 형상 제어 | 옆 방향 식각에 주의 | 방향성 제어에 유리 |
| 주요 관리 항목 | 약액 농도, 온도, 시간 | 가스 유량, 압력, RF 파워, 온도, 시간 |
| 대표적인 고려사항 | 선택비, 언더컷, 세정, 건조 | 식각 깊이, 프로파일, 선택비, 균일도, 플라즈마 손상 |
4. 건식 식각의 작동 원리
반도체 미세 패턴 형성에 중요한 건식 식각은 일반적으로 다음 원리로 작동한다.
① 반응 가스 공급
식각 대상 물질과 반응할 수 있는 가스를 챔버에 공급한다.
② 플라즈마 생성
RF 에너지 등을 이용해 가스를 활성화한다. 이 과정에서 이온과 라디칼 등 반응성이 높은 입자가 생성된다.
③ 표면 반응 및 물질 제거
라디칼은 표면의 물질과 화학 반응을 일으키고, 이온은 표면에 충격을 가해 반응과 방향성 있는 제거를 돕는다.
④ 반응 부산물 배출
생성된 휘발성 부산물을 배기하여 웨이퍼 표면에서 제거한다.
핵심 원리 두 가지
- 화학적 식각:
- 반응성 입자가 표면 물질과 반응해 제거 가능한 부산물을 만든다.
- 물리적 식각:
- 에너지를 가진 이온이 표면에 충돌해 원자를 떨어뜨린다.
실제 플라즈마 식각에서는 두 방식이 함께 작용하는 경우가 많다. 재료와 공정 조건에 따라 화학 반응과 이온 충격의 비중이 달라진다.
5. 식각 공정에서 관리하는 주요 공정 변수
식각 결과는 장비 조건, 가스 조성, 재료 특성, 패턴 구조 등 다양한 요인의 영향을 받는다.
아래 변수는 건식 식각에서 일반적으로 중요하게 고려되는 항목이다. 실제 관리 기준과 영향 방향은 공정별로 다르다.
| 공정 변수 | 의미 | 품질에 영향을 줄 수 있는 부분 |
| RF Power | 플라즈마 생성 및 이온 에너지와 관련된 전력 조건 | 식각 속도, 방향성, 표면 손상 |
| Gas Flow | 챔버에 공급되는 가스의 유량 | 반응종 공급, 부산물 배출, 식각 속도 |
| Chamber Pressure | 식각 챔버 내부 압력 | 입자 충돌, 플라즈마 특성, 식각 방향성 |
| Temperature | 웨이퍼 또는 챔버의 온도 조건 | 화학 반응, 부산물의 생성·제거, 식각 프로파일 |
| Etch Time | 식각이 진행되는 시간 | 식각 깊이, 과식각 가능성 |
| Gas Composition | 가스 종류와 혼합 비율 | 재료 선택비, 반응성, 측벽 형상 |
| Electrode/Bias Conditions | 전극 및 바이어스 관련 조건 | 이온의 에너지와 웨이퍼 표면 충격 |
QA/QC 관점의 핵심:
공정 변수가 목표 조건에 맞게 유지되었는지만 보는 것이 아니라, 해당 조건에서 실제 식각 결과가 어떻게 나타났는지를 함께 확인해야 한다.
6. 식각 공정의 주요 품질 지표(KPI)
식각 공정의 결과를 평가할 때는 식각 속도뿐 아니라 깊이, 형상, 선택비, 균일도 등을 함께 살펴본다.
| 품질 지표 | 의미 | 관리 목적 |
| 식각 깊이 (Etch Depth) | 식각으로 제거된 깊이 | 목표 깊이 달성 여부 확인 |
| 식각률 (Etch Rate) | 단위 시간당 제거되는 두께 | 공정 속도와 재현성 평가 |
| 균일도 (Uniformity) | 웨이퍼 내 또는 웨이퍼 간 식각 결과의 균일성 | 위치별·웨이퍼별 편차 확인 |
| 선택비 (Selectivity) | 식각 대상 물질과 다른 물질의 식각률 비율 | 목표 물질은 제거하면서 다른 층의 손상을 줄이는 정도 평가 |
| CD (Critical Dimension) | 패턴의 주요 폭 치수 | 회로 패턴의 크기와 치수 관리 |
| Profile | 식각 후 단면 형상 | 수직도, 측벽 각도, 패턴 형상 확인 |
| Defect | 잔여물, 패턴 손상 등 품질 결함 | 불량 및 수율 저하 요인 확인 |
핵심 지표 계산식
① 식각률
예를 들어 식각 깊이가 200 nm이고 식각 시간이 40초라면, 평균 식각률은 5 nm/s이다.
② 식각 전후 산화막 두께 감소량
식각 전 두께가 100 nm이고 식각 후 두께가 70 nm라면, 두께 감소량은 30 nm이다. 단, 산화막 자체를 식각하는 공정인지, 다른 층을 식각하면서 산화막이 보호막으로 남는 공정인지에 따라 해석이 달라진다.
③ 식각 깊이의 평균
웨이퍼의 여러 측정 지점에서 얻은 식각 깊이의 평균을 계산한다.
④ 표준편차(Standard Deviation)
표준편차는 측정값이 평균 주변에서 얼마나 퍼져 있는지 나타낸다. 평균 식각 깊이가 비슷하더라도 표준편차가 크면 측정값의 변동성이 큰 것이다.
⑤ 균일도
균일도는 정의 방식에 따라 계산식이 다르다. 예를 들어 최대값과 최소값의 차이를 평균값으로 나누는 방식은 다음과 같다.
이 값은 범위 기반 편차율이며, 모든 회사나 공정에서 사용하는 단일한 균일도 공식은 아니다. 실제 분석에서는 제공된 데이터의 정의와 사내 기준을 먼저 확인해야 한다.
7. 식각 공정에서 발생할 수 있는 주요 품질 문제
| 품질 문제 | 의미 | 데이터 분석 시 확인할 사항 |
| 과식각 (Over-etch) | 목표보다 지나치게 식각됨 | 식각 깊이, 식각 시간, 잔여막 두께 |
| 미식각 (Under-etch) | 필요한 만큼 제거되지 않음 | 잔여막, 식각 깊이, 공정 시간 |
| 식각 불균일성 | 웨이퍼 내 또는 웨이퍼 간 결과 차이 | 위치별 깊이, 웨이퍼별 평균·표준편차 |
| CD 편차 | 패턴 폭이 목표에서 벗어남 | CD 분포, 공정 조건, 패턴 위치 |
| 측벽 형상 이상 | 수직도나 측벽 모양이 목표와 다름 | 단면 이미지, 프로파일 측정값 |
| 잔여물 및 재증착 | 반응 부산물 등이 표면이나 측벽에 남음 | 결함 검사, 세정 결과, 챔버 이력 |
| 선택비 부족 | 목표 물질과 함께 다른 층도 제거됨 | 층별 두께 변화, 식각률, 표면 손상 |
이러한 현상은 다양한 원인으로 발생할 수 있으므로, 그래프에서 이상 패턴이 발견되었다는 이유만으로 원인을 확정해서는 안 된다. 장비 이력, 공정 조건, 측정 방법 등을 함께 검토해야 한다.
8. QA/QC 직무에서는 식각 공정을 어떻게 관리할까?
품질관리 관점에서는 크게 네 가지 관점으로 나눠 생각할 수 있다.
① 규격 적합성 확인
식각 깊이, 산화막 두께, CD 등 측정값이 목표 규격과 허용 범위에 들어오는지 확인한다.
② 공정 변동 모니터링
평균만 보지 않고 표준편차, 시간에 따른 변화, 웨이퍼 간·웨이퍼 내 편차를 함께 확인한다.
③ 이상 징후 및 원인 후보 탐색
특정 장비, 챔버, 공정 조건, 시간대 또는 웨이퍼에서 품질 차이가 반복되는지 확인한다.
④ 개선 효과 검증
개선 전후의 품질 지표와 변동을 비교하고, 공정이 안정적으로 유지되는지 확인한다.
9. 식각 공정 데이터 분석에 적용하기
현재 진행 중인 프로젝트의 분석 목표와 연결하면 다음과 같다.
| 프로젝트 분석 목표 | 활용할 데이터 | 추천 분석 방법 |
| 식각 공정 데이터 현황 파악 | 웨이퍼 ID, 측정값, 공정 변수 | info(), describe(), 결측치·이상치 확인 |
| 식각 전후 산화막 두께 비교 | 식각 전·후 두께 | 두께 변화량 계산, 히스토그램, 박스플롯 |
| 웨이퍼별 식각 깊이 비교 | 웨이퍼 ID, 식각 깊이 | groupby(), 평균·표준편차, 박스플롯 |
| 웨이퍼 내 위치별 분석 | 웨이퍼 ID, X/Y 좌표 또는 위치 | 위치별 비교, 산점도, 웨이퍼 맵 |
| 주요 공정 측정값 간 관계 분석 | RF 파워, 압력, 유량, 온도, 식각 결과 등 | 상관관계 히트맵, 산점도 |
실무형 분석 예시
가령 분석 결과에서 특정 웨이퍼의 식각 깊이 표준편차가 다른 웨이퍼보다 크다고 가정해 보자.
- 현상 확인:
해당 웨이퍼의 평균과 표준편차를 다른 웨이퍼와 비교한다. - 위치 확인:
웨이퍼 맵이나 좌표별 그래프로 특정 위치에 편차가 집중되는지 확인한다. - 공정 변수 비교:
압력, 가스 유량, RF 파워 등 측정값에 차이가 있는지 확인한다. - 추가 검증:
장비·챔버 이력, 측정 신뢰성, 공정 조건 및 반복 측정 결과를 검토한다. - 결론 작성:
확인된 사실과 원인 후보를 구분하고, 추가 점검이나 실험을 제안한다.
이 과정을 통해 단순히 그래프를 그리는 데서 끝나지 않고, 데이터에서 관찰된 품질 현상을 근거로 후속 분석 방향을 제시하는 것이 중요하다.
10. 핵심 용어 정리
| 용어 | 의미 |
| Wafer | 반도체 회로를 형성하는 얇은 원판 형태의 기판 |
| Etching | 필요하지 않은 물질을 선택적으로 제거하는 공정 |
| Plasma | 이온, 전자, 중성 입자 등이 존재하는 에너지 높은 기체 상태 |
| Radical | 화학 반응성이 높은 원자 또는 분자 종 |
| RIE | Reactive Ion Etching, 반응성 이온 식각 |
| ALE | Atomic Layer Etching, 원자층 단위로 정밀하게 제거하는 식각 기술 |
| Etch Rate | 단위 시간당 식각되는 깊이 또는 두께 |
| Selectivity | 서로 다른 재료의 식각률 비율 |
| CD | Critical Dimension, 패턴의 주요 치수 |
| Uniformity | 측정 위치나 웨이퍼 사이에서 결과가 얼마나 균일한지 나타내는 특성 |
| Over-etch | 목표 깊이 또는 종료 시점을 넘어 진행된 식각 |
| Under-etch | 필요한 만큼 식각되지 않은 상태 |
| Profile | 식각 후 구조의 단면 형상 |
| Yield | 투입된 제품 중 요구 조건을 만족하는 양품의 비율 |
11. 참고 출처
- 삼성반도체 — 식각 용어 설명
- 삼성반도체 — 반도체 8대 공정
- Lam Research — Etch Essentials
- Lam Research — Plasma Etch Basics 및 ALE
- Applied Materials — 선택적 식각 기술
최종 핵심 정리
반도체 식각 공정은 웨이퍼의 물질을 선택적으로 제거하여 미세 회로와 구조를 형성하는 공정이다.
품질관리에서는 식각 깊이, 식각률, 선택비, CD, 균일도 및 결함 등을 통해 공정 결과를 평가한다. 데이터 분석에서는 평균뿐 아니라 변동성, 웨이퍼 내 위치별 패턴, 공정 변수와 품질 결과 간의 관계를 함께 확인해야 한다.
현재 프로젝트에서는 특히 식각 전후 산화막 두께 변화 → 웨이퍼별 식각 깊이 편차 → 위치별 균일성 → 공정 변수와 식각 결과의 관계 순으로 분석하면 공정 이해와 QA/QC 관점을 연결하기 좋다.