건식식각 vs 습식식각, 플라즈마 활용성 비교

반도체와 디스플레이, MEMS 등 첨단 산업에서 식각 기술은 미세 구조를 형성하는 핵심 공정입니다. 식각 방식은 크게 습식식각(wet etching)과 건식식각(dry etching)으로 나뉘며, 이 중 건식식각은 플라즈마를 활용한 고정밀 공정으로 각광받고 있습니다. 반면, 습식식각은 공정이 간단하고 비용이 저렴해 여전히 널리 사용되고 있습니다. 이 글에서는 건식식각과 습식식각의 원리, 장단점, 적용 사례를 비교하고, 플라즈마가 이 두 공정에서 어떻게 활용되는지 집중적으로 살펴봅니다.

식각 방식의 원리 및 차이

건식식각과 습식식각의 가장 큰 차이는 반응이 일어나는 환경과 메커니즘에 있습니다. 습식식각은 액체 상태의 화학용액을 사용하여 재료를 녹이거나 반응시켜 제거하는 방식으로, 공정이 비교적 단순하고 빠릅니다. 예를 들어, 산화막(SiO₂)은 HF(불산)으로, 알루미늄은 인산(Phosphoric Acid)으로 쉽게 식각할 수 있습니다. 습식식각은 주로 수직 방향과 수평 방향 모두 식각이 진행되는 ‘등방성(isotropic)’ 특성을 가지며, 이는 간단한 패턴 형성에는 효과적이지만 미세한 구조나 수직 벽면을 정밀하게 구현하는 데는 한계가 있습니다. 반면 건식식각은 기체 상태의 반응 가스를 진공 챔버 내에서 플라즈마 상태로 이온화시켜, 이온과 라디칼을 이용해 재료를 식각하는 방식입니다. 대표적으로 CF₄, SF₆, Cl₂, O₂ 등의 가스가 사용되며, RF 전원으로 플라즈마를 생성하여 고에너지 입자들을 표면에 충돌시킴으로써 재료를 제거합니다. 건식식각은 ‘이방성(anisotropic)’ 특성이 강해 수직 방향으로만 식각이 진행되도록 제어할 수 있으며, 이는 고해상도 미세패턴과 깊은 트렌치(Trench) 구조를 형성하는 데 필수적입니다. 즉, 습식식각은 빠르고 비용이 저렴하지만 정밀성이 떨어지고, 건식식각은 정밀도가 높고 나노미터 단위의 가공이 가능하나 장비와 운용비용이 높습니다. 이 두 방식은 적용 목적과 제품 특성에 따라 선택되며, 특히 플라즈마 기반의 건식식각은 점점 더 많은 첨단 공정에서 필수 기술로 자리 잡고 있습니다.

플라즈마의 활용성 및 공정 장점

플라즈마는 건식식각에서 핵심적인 역할을 수행합니다. 플라즈마는 고에너지 상태의 이온, 전자, 중성 라디칼 등을 포함한 이온화된 가스로서, 반응성이 뛰어나 식각 재료와 정밀하게 반응할 수 있습니다. 플라즈마 기반 식각에서는 반응성 라디칼이 표면과 화학반응을 일으켜 부산물을 만들고, 동시에 이온이 표면을 때리면서 이 부산물을 제거하는 ‘화학적 + 물리적’ 복합 메커니즘으로 식각이 이루어집니다. 이 덕분에 식각 속도와 방향성을 동시에 제어할 수 있습니다. 예를 들어, SF₆ 플라즈마는 실리콘을 빠르게 식각할 수 있으며, O₂ 플라즈마는 유기물을 제거하거나 레지스트를 태워 제거하는 데 매우 유용합니다. 또한 플라즈마의 조건(가스 조성, RF 파워, 압력, 온도 등)을 미세하게 조절함으로써 식각 깊이, 균일도, 벽면의 수직도 등을 정밀하게 제어할 수 있어, 플라즈마 식각은 반도체 소자의 스케일 다운에 필수적인 공정으로 자리 잡았습니다. 이외에도 플라즈마 식각은 금속, 절연체, 고분자 등 다양한 재료에 적용 가능하며, 플라즈마 종류(RIE, ICP, DRIE 등)에 따라 가공 특성을 다양하게 조정할 수 있습니다. 특히 DRIE(Deep Reactive Ion Etching)는 고종횡비 구조를 정밀하게 구현할 수 있어 MEMS 공정이나 이미지 센서 제작 등에 필수입니다. 이처럼 플라즈마의 활용은 단순한 가공을 넘어, 공정의 정밀도와 재현성을 크게 향상시키는 핵심 기술로 진화하고 있습니다.

실제 적용 사례 및 선택 기준

습식식각과 건식식각은 실제 산업 현장에서 각기 다른 방식으로 활용됩니다. 습식식각은 여전히 유리기판, LCD 제조, PCB 공정 등 대면적, 대량 생산이 필요한 공정에 주로 사용되며, 공정 시간이 짧고 장비가 단순하다는 이유로 비용 경쟁력이 뛰어납니다. 또한 부품 교체가 적고 유지보수가 용이해 중소형 제조업체에서 많이 사용됩니다. 반면, 건식식각은 반도체의 트랜지스터 구조, FinFET, 게이트 패턴 등 미세한 전자 소자를 제작하는 데 사용됩니다. 수 나노미터 단위의 구조를 구현해야 하는 공정에서는 건식식각의 높은 수직성과 식각 선택성이 절대적으로 필요합니다. 또한 3D NAND, DRAM, 이미지 센서와 같이 고집적 패턴이 요구되는 첨단 공정에는 건식식각이 없으면 사실상 구현이 불가능합니다. 플라즈마를 활용한 건식식각은 특히 공정 조건을 정밀하게 제어할 수 있기 때문에 반복성과 공정 안정성이 매우 중요시되는 환경에서 강점을 발휘합니다. 물론 플라즈마 장비는 가격이 높고 운용이 까다롭지만, 소자의 집적도가 높아지는 산업 흐름에 따라 건식식각의 비중은 점차 증가하고 있는 추세입니다. 선택 기준은 가공 정밀도, 생산량, 비용, 장비 유지 조건 등을 종합적으로 고려해야 하며, 최근에는 하이브리드 방식(습식+건식)의 공정도 병행하여 사용하는 사례가 늘고 있습니다.

건식식각과 습식식각은 각각 고유의 장점과 한계를 가진 기술이며, 플라즈마는 이 중 건식식각을 정밀하게 구현하기 위한 핵심 에너지원으로 활용됩니다. 습식식각은 간편하고 비용 효율적이며, 건식식각은 정밀성과 제어력이 뛰어난 기술로, 반도체 등 고난이도 공정에 적합합니다. 기술의 선택은 제품 요구사항과 공정 특성에 따라 달라지며, 플라즈마 기술의 활용 여부는 고품질 가공을 위한 중요한 결정 요소가 됩니다. 여러분의 공정 설계에도 본 글의 비교 내용을 참고하여 최적의 식각 방식을 선택해보시기 바랍니다.