반도체 식각 공정에서의 완충된 불화수소

키워드: 화학 평형, 르샤틀리에 원리, 완충용액

 

식각 공정이란 이전의 포토 공정에서 그려진 회로의 패턴중 필요한 부분은 남겨 놓고, 필요 없는 부분은 깍아내는 작업을 한다. 이러한 식각 공정은 크게 습식 식각 공정과 건식 식각 공정으로 나뉜다. 

 

 

습식 식각 공정은 용액를 통해 식각 공정을 진행하는 것이다. 습식 식각 공정은 적당한 용액을 사용하면 목표 금속이나 물질만을 부식, 용해 시키는 약품을 사용해 식각하는 공정이다. 반도체에서 규소 웨이퍼를  깍아내는 데는 플루오린화 수소 (불화수소) 가 필요하다. 

 

플루오린화 수소는 특이한 반응으로 인하여 진한 용액에서는 강산이지만, 연한 용액에서는 약산으로 작용한다. 그 이유로는 플루오린화 수소는 아주 높은 농도에서는 자동 이온화가 일어난다. 

반응식은 다음과 같다. 

 

이 반응이 일어나게 되면 특이한 음이온인 HF2-가 하나 생기게 된다. 이때 이 음이온이 다른 플루오린화 수소 분자와 반응하여 생성물을 제거해버린다. 그러면 르 샤틀리에 원리에 의하여 위 반응이 거의 오른쪽으로 치우치게 된다. 이때 H2F+ 이온을 잠깐 생각해보면 H3O+이온과 마찬가지로 산성을 나타내는 양성자라는 것을 알 수 있다.이는 용액이 매우 강한 산성이 된다는 뜻이다. 실제로 무수 플루오린화 수소 용액은 pH 함수가 아닌 Hammett Acidity Function을 통해 산도를 계산하고, H0 =-11정도 된다는 것을 알 수 있다. 

 

불산의 생물학적 특징으로는 다른 산 보다 인체에 훨씬 더 위험하다는 것이다. 이는 플루오린의 전기 음성도가 매우 커서 생체 분자들에 매우 잘 침투 하기 때문이다. 그래서 구미 불산가스 누출 사고, 삼성전자 반도체공장 화성사업장 불산 누출 사고 등에서 여러 사람들이 불의의 사고를 당했던 것이다.

 

다시 본론으로 돌아와 습식 식각 과정에서 플루오린화 수소는 실리콘 웨이퍼의 산화 규소를 벗겨내는 역할을 한다. 앞에서 소개한 내용과 같이 플루오린화 수소는 매우 높은 반응성을 갖고 있기 때문에 산화 규소의 산소를 쉽게 때어내버린다. 그리고 플루오린이 산화 규소의 산소 자리에 대신 들어가 플루오린화 규소를 만든다. 

 

 

그런데 이대로 반응 시켜도 문제가 하나 있다. 플루오린화 수소의 반응성이 너무 높아 반응이 제대로 조절되지 않는다는 점이다. 그래서 실제 식각 공정에서는 완충된 플루오린화 수소를 사용한다. 

HF와 NH4F의 혼합물인 Buffer Oxide Etchant(BOE)를 에칭제로 많이 사용하고 있다. 이 BOE 용액에서 NH4F는 HF가 SiO2를 식각함에 따라 불소이온의 감소로 식각균일도가 떨어지는 점을 보완해줘 안정된 식각을 할 수 있게 해준다. 이러한 식각균일도는 기판에 인쇄되는 회로의 불량률을 감소시키고 제품의 신뢰성을 향상 시킨다.

 

 

습식 식각 공정은 더 간단하고 과정의 개수가 적기 때문에 더 저렴하지만 초고집적 회로를 식각하기 어렵다. 

건식 식각 공정은 진공 상태에서 가스를 주입하여 식각한다. 

 

요약을 하자면 습식 식각은 플루오린화 수소 등의 약품으로 식각하는 방식으로, 싸고 빠르지만 정밀도가 낮다. 건식 식각은 물리적 방법으로 식각하는 방식으로, 정밀하지만 가격적 부담이 있다. 플루오린화 수소는 고농도에서 강산이 되는 약산으로 신체 접촉시 매우 위험한 산이다.