식각 (蝕刻, etching)은 화학약품의 부식작용을 응용한 소형 (塑型)이나 표면가공의 방법으로, 사용하는 소재에서 필요한 부위만 방식(防蝕) 처리를 한 후 다른 부분은 부식시켜서 불필요한 부분을 제거하여 원하는 모양을 얻는다.
화학적 또는 물리적 수단을 이용하고 제어되어 정밀한 패턴으로 기판 표면의 층(Layer)을 제거하는 기술로서 반도체, OLED 제조 등 전자산업에서 원하는 회로 패턴, 구조 또는 표면 특성을 얻기 위해 수행한다.
강산과 강알칼리 등 화학물질을 이용한 습식 식각과 플라스마 또는 이온빔을 이용한 건식 식각이 있으며, 습식과 건식 식각 공정은 작동 방식이 달라 운전, 정비 때 발생하는 유해·위험 요인 특성이 다르게 나타난다. 식각 기법은 불산 액체를 사용하는 습식식각 (wet etching)과 4불화메탄 (tetrafluoromethane) 가스를 사용하는 건식식각 (dry etching)이 있다.
Product image & Sensitive analysis technology
동판에 의한 인쇄기술로 발전하여 구리나 아연같은 금속가공으로 사용되지만 부식성만 있다면 다양한 소재의 소형, 표면가공에 응응이 가능하다. 특히 반도체 분야에서는 웨이퍼의 반도체 박막을 형상 가공하는 기술에 응용되고 있다. 즉, 반도체 웨이퍼에 산화박막을 형성해서 포토레지스트로 패턴을 형성한 후 식각으로 불필요한 박막을 제거한다.
Resonac은 식각 가스 제조 분야에서 다양한 고순도 식각 가스들을 반도체 웨이퍼 에칭 공정을 포함한 많은 industry에 공급하고 있다.
RESONAC; Separation and Purification: Technology that separates and purifies target substances and compounds
Plant for synthesizing fluorine compounds
아울러 TEL (Tokyo Electron Limited)은 Memory Channel Hole Etch Technology을 개발하여 극저온 식각 장비에 사용되는 식각 가스로 불화탄소 (CF) 대신 불화수소 (HF)를 이용한다. 이는 극저온에서 식각 공정 진행시 passivation layer가 탄소없이도 생성되기 때문이다. 이 passivation layer는 채널홀 측면의 화학반응을 막아 균일한 식각 공정이 진행되게끔 유도하는 역할을 한다.
기존 식각 장비의 식각 공정온도는 0~30도 수준이었지만 극저온 식각 장비의 공정온도는 -70도 수준이다. 극저온 식각 장비의 가장 큰 특징은 기존 장비 대비 채널홀 식각 속도가 3배 이상 개선되었고 논문에 따르면 33분만에 10-µm-deep Etching이 가능하다고 한다.
Cross section SEM image of memory channel hole pattern after etching, and FIB cut image at the hole bottom.
아울러 식각가스를 불화수소로 사용함에 따라 기존 불화탄소를 사용하는 식각공정 대비, 탄소배출을 최대 84% 줄일 수 있다고 한다.
이러한 식각 속도 개선 및 탄소 배출 절감의 장점으로 반도체 산업에서는 이러한 극저온 식각 장비에 많은 관심을 가지고 있으며 장비가격이 높긴 하지만 기후 위기시대에 방향성은 맞는 듯 하다.
SK 머티리얼즈에서도 정밀한 식각 능력이 있는 모노플루오르메탄(CH3F), 육불화부타디엔(C4F6), 디플루오르메탄(CH2F2) 등을 생산하고 있다. 식각가스는 반도체의 회로를 형성하기 전, 회로를 위한 공간의 모양을 식각하는데 사용되며 특히 3D 구조의 보다 정밀한 가공을 위해 그 수요는 증가하고 있다.
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식각 가스
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특징
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헥사플로오로에탄 (C2F6)
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반도체 웨이퍼 제조에서 film deposition chamber의 cleaning을 위해 사용
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모노플루오르메탄 (CH3F)
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3D NAND Flash 의 질화막 (nitride film) 식각에 사용되는 가스로 3D NAND 확산에 따라 그 사용량이 증가하고 있음. HFC 가스중 global warming potential이 상대적으로 낮음.
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육불화부타디엔 (C4F6)
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미세화되는 DRAM 의 산화막 (oxide film) 미세 식각과 3D NAND Flash 의 산화막 식각에 사용되어 그 수요량이 증가하고 있음. 다른 식각 가스에 비해 global warming potential이 상대적으로 낮음
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디플루오르메탄 (CH2F2)
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CH3F 와 함께 NAND Flash 의 질화막 (nitride film) 식각에 사용되는 가스임.
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브로멘화수소 (HBr)
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반도체 제조시 conductor etching에 사용되며 폴리실리콘 식각에 적절하고 leading-edge logic semiconductor의 선택적 식각을 위해 선택됨.
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다음은 식각 공정의 정비 작업시 안전사고와 관련된 내용으로 안전보건공단 산업안전보건연구원의 자료를 활용하였다. 식각 설비 정비 작업에서 발생할 수 있는 공통적인 잠재적 안전사고와 유해·위험 요인은 다음과 같다.
(가) 습식 식각
화학물질 노출 위험: 습식 탱크 정비 중 부식성과 독성이 강한 화학물질을 직접 취급할 때 피부나 눈에 닿거나 흡입할 위험이 있다.
화학물질 유출 또는 누출 위험: 식각에 쓰이는 화학물질을 교체, 이동, 폐기할 때 화학물질이 유출되거나 누출될 위험이 있다.
화재 또는 폭발 위험: 정비, 세정용 화학물질을 잘못 보관하면 우발적인 노출, 화재, 폭발로 이어질 수 있다.
부상 위험: 설비 내 노출된 기계, 부품, 돌출물 등에 베일 수 있다.
인체공학적 위험: 설비 내 교체해야 할 기계·부품 등의 이동, 제한된 공간에서 정비·세정 작업 등에 따른 근골격계 질환 위험이 있다.
넘어짐, 추락 위험: 일정 높이에서 습식 탱크 정비 작업을 하는 경우 넘어지거나 추락할 위험이 있다.
공정 설비 발판 위 작업 중 또는 후에 넘어짐
(나) 건식 식각
가스, 먼지 등 노출 위험: 건식 식각 공정에서는 독성, 부식성 등이 있는 유해가스를 사용하는 경우가 많다. 정비 작업할 때 챔버나 가스 전달 시스템에 남은 유해가스와 먼지에 노출될 위험이 있다.
급격한 압력 변화 위험: 건식 식각 챔버는 진공상태에서 작동한다. 챔버를 열기 전에 진공을 제대로 해제하지 않으면 급격한 압력 변화가 발생하여 부상이나 장비 손상을 초래할 위험이 있다.
화학 잔류물 노출 위험: 건식 식각 챔버 안에는 웨이퍼에서 식각되고 화학반응을 일으킨 물질 등이 남아 있다. 정비 작업 중에 이들 물질에 노출될 위험이 있다.
전기적 위험: 유지보수 중에 전기 시스템을 적절히 차단하지 않으면 감전이나 화상의 위험이 있다.
화재 또는 폭발 위험: 정비, 세정용 화학물질을 잘못 보관하면 우발적인 노출, 화재, 폭발로 이어질 수 있다.
부상 위험: 설비 내 노출된 기계, 부품, 돌출물 등에 베일 수 있다.
인체공학적 위험: 설비 내 교체해야 할 기계·부품 등의 이동, 제한된 공간에서 정비·세정 작업 등에 따른 근골격계 질환 위험이 있다.
넘어짐, 추락 위험: 일정 높이에서 건식 챔버 정비 작업을 하는 경우 넘어지거 나 추락할 위험이 있다.
식각 챔버를 열기 전 (정비 작업을 시작하기 전) 챔버가 정비 작업을 할 수 있을 정도로 안전한 온도와 압력에 도달했는지, 유해 물질이 충분히 제거되었는지 환기하고 확인한다.
공정 설비가 정비 작업이 가능할 정도로 충분한 배기 등 퍼지(purge)가 이루졌는지 확인
챔버를 열 때 공정에서 사용된 각종 반응성 가스, 독성가스, 미세입자 등이 챔버 안에 남아 있다가 순간적으로 나올 수 있으므로 보안경과 호흡보호구를 착용하고 일정 거리를 둔다.
공정 설비가 충분한 배기 등 퍼지(purge)가 이루어지지 않을 경우 화학물질 누출, 높은 열 발산 등 순간 노출 등이 이루어짐
정비 작업 중 설비 안에 남아 있거나 생성되는 가스상 물질, 입자상 물질 등을 제거하기 위해 배기 장치를 사용한다. 배기 덕트는 스크러버로 연결하는 것이 바람직하며, 어려울 경우 공기정화장치를 붙인다.
공정 설비 정비 작업 중 지속적 배기를 통한 환기
정비 작업 중 에어건은 최소한으로 사용하고, 사용해야 한다면 배기 장치를 함께 사용해 먼지의 공기 중 분산을 최소한으로 한다.
공정 설비 정비 작업 중 에어건 사용 가능한한 최소화
공정 설비 정비 작업 중 에어건 사용 시 배기 덕트 병행해서 사용
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