포토 공정은 반도체 공정 중 가장 중요한 공정 중 하나로, 반도체 미세화 공정에서 회로를 그려 넣는 공정입니다. 흔히 포토 리소그래피(Photo Lithography)를 줄여서 포토 공정이라고 합니다. 이 공정은 웨이퍼 위에 회로 패턴이 담긴 마스크 상을 대로 빛을 비추어 회로를 그려내기 때문에 붙여진 이름입니다. 쉽게 비유하자면, 흑백 사진을 만들 때 필름에 형성된 상을 인화지에 인화하는 것과 유사합니다. 이에 대해서 앞으로 하나씩 알아보도록 합시다.
우선, 웨이퍼에 그려 넣을 회로 패턴을 준비하도록 합니다. 컴퓨터 시스템(CAD)을 이용해 회로를 설계합니다. 전자회로 패턴으로 설계되는 이 도면에 엔지니어들이 설계한 정밀 회로를 담고, 그 정밀도가 반도체의 집적도를 결정하게 됩니다.
설계된 회로 패턴은 ‘포토 마스크’라는 것으로 재탄생하게 됩니다. 위에 보이는 사진이 포토마스크입니다. 우리가 설계한 전자 회로를 직접 손으로 그려 넣는다면 아무래도 정확도가 떨어질 수 있어, '포토 마스크'라는 것을 이용하게 됩니다.
순도가 높은 석영을 가공하여 만든 기판 위에 크롬으로 미세 회로를 형상화하는 과정으로 만들어지게 되는데, 이때 석영 기판 위에 크롬과 크롬 화합물의 금속 박막 필름이 입혀진 것을 블랭크 마스크(Blank Mask)라고 합니다. 이 블랭크 마스크는 포토 마스크의 원재료가 됩니다.
산화막을 씌우는 산화 공정이 끝난 웨이퍼에 ‘감광액’을 도포하는 과정이 필요합니다. 감광액을 도포함으로써 웨이퍼에 그림을 그려 넣을 수 있도록 준비를 해주는 것이죠. 고품질의 미세한 회로 패턴을 얻기 위해서는 감광액 막이 얇고 균일해야 하면서 빛에 대한 감도가 높아야 합니다.
다음에는 ‘노광’ 과정을 거치게 됩니다. 이전에 그려두었던 회로 포토 마스크를 웨이퍼 위에 위치해두고 마스크에 빛을 비추어 그 빛이 마스크를 거치면서 웨이퍼 표면에 도달하게 됩니다. 다시 말해, 노광 과정은 빛을 선택적으로 웨이퍼 표면에 비추는 과정입니다.
포토 공정의 마지막 단계는 ‘현상’ 과정입니다. 이 과정에서 패턴의 형상이 결정되기 때문에 굉장히 중요한 과정입니다. 현상 공정은 웨이퍼에 현상액을 뿌려가며 노광된 영역과 노광되지 않은 영역을 선택적으로 제거하여 회로 패턴을 형성하는 공정입니다.
이때, 빛이 닿은 면적의 조직이 붕괴되어 제거되는 경우는 양성(Positive) PR이고, 반대로 빛을 받은 부분의 조직이 오히려 굳건해져 현상 시에 빛이 닿지 않는 부분이 제거되고 빛을 받은 부분이 남게 되는 PR을 음성(Negative) PR이라고 합니다. 대부분의 공정에서는 양성 PR을 사용하고, 구조상 등의 이유로 일부 공정에서는 음성 PR을 사용하기도 합니다.
이렇게 현상 공정까지 마치면, 포토 공정이 끝나게 됩니다. 최종적으로 각종 장비를 이용해 웨이퍼위에 패턴이 잘 그려졌는지 검사한 후 이를 통과한 웨이퍼만이 다음 공정으로 이동하게 됩니다.
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