습식 식각 (Wet Etch)

습식 식각의 위치

습식 식각은 건식 식각의 그늘에 있는 듯하지만, 양산 라인에서 끊임없이 사용된다. ‘작고 정밀한 패턴 형성’은 건식이 맡지만, ‘이미 만들어진 박막을 통째로 벗겨 내거나’, ‘잔류 박막을 깨끗이 없애는’ 일은 습식이 압도적으로 잘한다.

또 디스플레이·MEMS 같은 응용에서는 패턴 식각도 여전히 습식이 큰 비중을 차지한다.

KOH 실리콘 습식 식각용 wet bench · 이미지 출처: NIST

약액과 화학 반응

대표적인 약액과 반응을 보면 화학이 한눈에 들어온다.

HF(불산)는 SiO₂와 반응해 SiF4·H2O를 만들어 산화막을 녹인다.

농도와 첨가제(NH4F를 섞어 BHF를 만듦)에 따라 식각률이 바뀐다.

인산(H3PO4)은 고온에서 Si3N4를 SiO₂보다 훨씬 빨리 녹여, 질화막 일괄 제거에 표준으로 사용된다.

KOH나 TMAH는 실리콘을 결정 방향에 따라 다른 속도로 깎는데, <100>은 빨리 <111>은 느리게 깎여 V자형 홈을 만든다.

메탈 박리에는 황산·과산화수소(SPM), 황산·인산·아세트산(알루미늄용) 같은 혼합액이 쓰인다.

SC1(NH4OH+H2O2+H2O), SC2(HCl+H2O2+H2O), SPM은 사실상 ‘세정과 식각의 경계’에 있는 약액이다.

베스식·매엽식·스프레이식 장비

장비 종류는 ‘웨이퍼를 어떻게 약액에 노출시키느냐’로 갈린다.

베스(bath)식은 약액 통에 카세트째 담갔다 빼는 전통 방식이다.

처리량은 좋지만 최근 첨단 라인에서는 입자 관리와 약액 교차오염 문제로 쓰임이 줄었다.

매엽식(single wafer wet etch/clean)은 웨이퍼 한 장씩 챔버에 넣고 회전시키며 약액과 헹굼수를 정밀하게 분사한다.

약액 사용량이 적고 입자 관리가 쉬워 첨단 라인의 표준이다.

스프레이식은 매엽식의 변형으로, 노즐이 약액을 분사하며 균일도를 끌어올린다.

등방성과 결정 방향성

등방성과 결정 방향성도 흥미롭다.

HF가 SiO₂를 식각하면 사실상 모든 방향으로 같은 속도로 깎이는 등방성이라, 측벽이 둥근 컵 모양으로 들어간다.

반면 KOH가 실리콘을 깎으면 결정 방향에 따라 식각률이 달라, 미리 패턴된 마스크 아래로 정확한 V홈이 파인다.

MEMS 가속도계, 잉크젯 노즐, 적외선 센서 등 ‘기하학적 형상’이 중요한 응용에서 KOH·TMAH 식각이 핵심 역할을 한다.

응용: 잔류 제거·박리·MEMS

응용은 광범위하다.

첫째, 잔류 산화막·질화막의 정확한 제거.

둘째, 메탈 시드층(예: TiN, Ta) 박리.

셋째, 베벨(웨이퍼 가장자리) 식각으로 입자 결함을 줄인다.

넷째, 후공정에서 ‘디캡(decap)’할 때 패키지의 몰드를 약액으로 녹여 칩을 노출시키는 작업에도 습식 식각의 변형이 사용된다.

다섯째, 디스플레이의 ITO 패턴, 마이크로LED·MEMS의 마이크로 구조 형성.

여섯째, 첨단 노드의 EUV 후속 단계에서 미세 결함을 제거하기 위한 ‘웨트 트림’이다.

폐액과 환경 관리

습식 식각은 폐액과 환경 관리가 매우 중요하다.

HF는 인체 접촉 시 피부를 통해 흡수돼 매우 위험하고, 혼합 약액은 발열·기체 발생 위험이 있다.

폐액은 종류별로 분리·중화·처리되어야 하고, 라인 가동률만큼이나 안전 인터록과 비상 대응 계획이 핵심이다.

한국에서는 솔브레인·동진쎄미켐·이엔에프테크놀로지·램테크놀로지 등이 습식 약액·세정액을 공급하고, 세메스·아이씨디·테스 같은 회사가 매엽식·습식 장비를 만든다.