식각 장비란? 반도체 식각 공정의 원리와 역할 쉽게 정리

식각 장비의 역할

노광 장비가 회로를 그린다면 식각 장비는 그 그림을 실제 반도체 구조로 바꿉니다. 다만 식각을 단순히 웨이퍼를 깎는 작업으로 이해하면 정확하지 않습니다.

반도체 웨이퍼에는 산화막, 질화막, 금속막처럼 성질이 다른 물질이 여러 겹 쌓여 있습니다. 식각 장비는 이 가운데 제거해야 할 물질만 골라 원하는 깊이와 모양으로 가공해야 합니다. 남겨야 할 부분은 최대한 손상시키지 않아야 하며, 웨이퍼 중앙과 가장자리에서도 비슷한 결과를 만들어야 합니다.

따라서 식각 장비의 성능은 얼마나 빠르게 물질을 제거하느냐만으로 판단할 수 없습니다. 선택비, 방향성, 균일도, 프로파일, 표면 손상과 공정 반복성을 함께 봐야 합니다.

• 식각 장비는 노광으로 만든 패턴을 실제 반도체 재료에 옮기는 장비입니다.
• 미세한 구조에서는 목표 물질만 제거하는 선택비와 수직 방향으로 가공하는 능력이 중요합니다.
• 3D NAND에서는 깊고 좁은 채널을 곧게 뚫는 고종횡비 식각 기술이 필요합니다.
• 첨단 로직에서는 여러 재료 중 특정 물질만 골라 제거하는 선택적 식각 기술이 중요합니다.

반도체 식각 공정은 어떻게 진행될까?

웨이퍼 위에는 반도체 소자를 만드는 데 필요한 여러 종류의 박막이 형성됩니다. 그 위에 빛에 반응하는 포토레지스트를 바르고 노광과 현상 공정을 거치면 제거할 영역이 드러납니다.

식각 장비는 포토레지스트나 별도의 마스크로 보호되지 않은 부분을 제거합니다. 이후 남아 있는 마스크를 벗겨내면 원하는 패턴이 실제 박막에 남게 됩니다.

1. 웨이퍼 위에 절연막이나 금속막 등의 박막을 형성합니다.
2. 웨이퍼 표면에 포토레지스트를 도포합니다.
3. 노광 장비로 포토레지스트에 회로 패턴을 전사합니다.
4. 현상 공정을 통해 식각할 영역을 노출합니다.
5. 식각 장비가 노출된 박막을 정해진 깊이만큼 제거합니다.
6. 남아 있는 포토레지스트나 마스크를 제거합니다.
7. 다음 증착, 노광 또는 식각 공정으로 넘어갑니다.

이 과정은 한 번으로 끝나지 않습니다. 트랜지스터, 게이트, 콘택트, 배선과 절연 구조를 만들기 위해 증착과 노광, 식각 공정이 여러 차례 반복됩니다.

노광 장비와 식각 장비의 차이

반도체 공정을 처음 공부할 때 노광과 식각을 같은 패터닝 공정으로 생각하기 쉽습니다. 두 공정은 서로 연결돼 있지만 담당하는 역할은 다릅니다.

구분	노광 장비	식각 장비
주요 역할	회로 패턴을 포토레지스트에 전사	패턴을 아래쪽 박막과 구조에 전달
주요 제어 대상	빛, 렌즈와 미러, 초점, 정렬	가스, 플라즈마, 압력, 전력, 온도
대표 평가 항목	해상도, 오버레이, 초점	선택비, 식각률, 균일도, 프로파일
쉬운 표현	설계선을 그리는 작업	설계선을 따라 재료를 가공하는 작업
오차 발생 시 영향	패턴의 위치와 선폭이 달라짐	깊이, 측벽 모양과 실제 구조가 달라짐

노광은 빛을 이용해 포토레지스트에 패턴을 형성합니다. 식각은 그 패턴을 기준으로 아래쪽에 있는 산화막, 질화막, 금속막 또는 실리콘 등을 제거합니다.

아무리 정교하게 노광해도 식각 과정에서 선폭이 달라지거나 측벽이 무너지면 설계한 반도체 구조를 만들 수 없습니다. 노광과 식각은 경쟁하는 기술이 아니라 패터닝 정밀도를 함께 결정하는 연속 공정입니다.

EUV가 발전하면 식각 장비의 중요성이 줄어들까?

EUV 노광 기술이 발전하면 식각 공정이 줄어들 것이라고 생각할 수 있습니다. 하지만 EUV와 식각은 서로 다른 역할을 담당합니다.

EUV는 기존 노광 기술보다 미세한 패턴을 포토레지스트에 형성하는 기술입니다. 이 패턴을 실제 반도체 재료로 옮기는 일은 여전히 식각 장비가 맡습니다.

오히려 노광으로 만든 패턴이 작아질수록 식각 과정에서 허용되는 오차도 줄어듭니다. 식각 중 선폭이 조금만 달라지거나 측벽이 거칠어져도 소자의 전기적 특성과 수율에 영향을 줄 수 있기 때문입니다.

따라서 EUV와 식각 장비는 대체 관계가 아닙니다. EUV가 더 정밀한 밑그림을 만든다면 식각 장비는 그 밑그림을 손상시키지 않고 실제 구조로 구현해야 합니다.

습식 식각과 건식 식각의 차이

반도체 식각 공정은 사용하는 반응 물질과 제거 방식에 따라 습식 식각과 건식 식각으로 나눌 수 있습니다.

두 방식 가운데 하나가 항상 우수한 것은 아닙니다. 제거하려는 물질, 구조의 크기, 필요한 방향성과 생산성에 따라 적절한 방법이 달라집니다.

구분	습식 식각	건식 식각
반응 매체	액체 화학 용액	반응성 가스와 플라즈마
주요 강점	높은 선택비와 일괄 처리 가능	방향성과 미세 구조 제어에 유리
주의할 점	옆 방향까지 제거되는 언더컷 가능성	장비와 공정 조건이 복잡하고 표면 손상 가능
주요 활용	특정 막 제거, 세정, 희생층 제거	미세 선폭, 트렌치, 콘택트 홀, 채널 홀 형성

습식 식각이란?

습식 식각은 액체 상태의 화학 용액을 이용해 특정 물질을 녹여 제거하는 방식입니다. 제거하려는 물질과 잘 반응하는 화학 용액을 선택하면 다른 물질의 손상을 줄이면서 목표막을 제거할 수 있습니다.

많은 습식 식각 공정에서는 아래쪽뿐 아니라 옆 방향으로도 반응이 진행됩니다. 이를 등방성 식각이라고 합니다. 옆 방향으로 식각이 진행되면 마스크 아래까지 물질이 제거되는 언더컷이 발생할 수 있습니다.

이러한 특성 때문에 깊고 좁은 수직 구조를 만드는 공정에는 한계가 있습니다. 하지만 높은 선택비가 필요하거나 특정 막과 희생층을 제거하는 공정에서는 습식 식각이 계속 활용됩니다.

건식 식각이란?

건식 식각은 기체 상태의 반응 물질과 플라즈마를 이용해 웨이퍼 표면의 물질을 제거하는 방식입니다.

공정 챔버 안에 반응성 가스를 공급하고 고주파 전력을 가하면 가스가 플라즈마 상태로 바뀝니다. 플라즈마 내부에는 전자, 이온, 라디칼과 같은 활성종이 존재합니다.

라디칼은 웨이퍼 표면의 물질과 화학적으로 반응하고, 전기장의 영향을 받는 이온은 웨이퍼 방향으로 이동해 물리적인 에너지를 전달합니다. 이러한 화학 반응과 물리적 작용을 조합하면 옆 방향보다 아래 방향으로 재료를 더 많이 제거할 수 있습니다.

따라서 건식 식각은 미세한 선폭과 수직 구조를 만드는 데 유리합니다. 반응성 이온 식각이라고 부르는 RIE 계열 기술이 첨단 반도체 제조에서 널리 사용되는 이유입니다.

플라즈마 식각은 어떻게 작동할까?

플라즈마 식각을 가스가 웨이퍼를 세게 때려서 깎는 공정으로만 이해하면 정확하지 않습니다.

물리적 충돌만 강하게 만들면 목표막뿐 아니라 포토레지스트나 아래쪽 재료까지 손상될 수 있습니다. 반대로 화학 반응에만 의존하면 옆 방향으로 식각이 퍼져 원하는 수직 구조를 만들기 어려울 수 있습니다.

식각 장비는 다음과 같은 조건을 조절해 화학적 선택성과 물리적 방향성 사이의 균형을 맞춥니다.

• 반응성 가스의 종류와 혼합 비율
• 챔버 내부 압력
• RF 전력과 이온 에너지
• 웨이퍼와 챔버의 온도
• 가스 유량과 반응 시간
• 식각 부산물의 배출 조건

같은 장비를 사용하더라도 이러한 조건을 어떻게 조합하느냐에 따라 식각 속도, 선택비, 측벽 각도, 표면 손상과 웨이퍼 균일도가 달라집니다. 장비 성능뿐 아니라 고객사의 공정 레시피와 양산 경험도 중요한 이유입니다.

식각 장비 성능을 판단하는 5가지 기준

평가 항목	의미	확인할 점
식각률	일정 시간 동안 제거되는 막의 두께	속도가 빨라도 형상과 선택비가 무너지면 불리
선택비	목표막과 보호막 또는 하부막의 식각 속도 차이	제거할 물질과 남길 물질의 조합에 따라 판단
방향성	옆보다 아래 방향으로 제거하는 정도	수직 구조에는 유리하지만 모든 공정에 필요한 것은 아님
균일도	웨이퍼 중앙과 가장자리 결과의 일치 정도	편차가 작을수록 칩 사이의 특성 관리에 유리
프로파일과 손상	측벽 각도, 휨, 거칠기와 표면 손상	다음 공정과 완성된 소자의 전기 특성까지 확인

식각률

식각률은 일정 시간 동안 얼마나 많은 물질을 제거하는지를 나타냅니다. 식각률이 높으면 공정 시간을 줄이고 생산성을 높이는 데 도움이 됩니다.

다만 식각 속도만 높이는 것은 좋은 결과가 아닙니다. 속도를 높이는 과정에서 측벽의 모양이 무너지거나 보호해야 할 하부막까지 제거된다면 수율이 낮아질 수 있습니다.

선택비

선택비는 목표막과 보호해야 할 물질 사이의 식각 속도 차이를 의미합니다.

예를 들어 산화막을 제거하는 동안 아래쪽 실리콘까지 비슷한 속도로 깎인다면 원하는 깊이에서 공정을 멈추기 어렵습니다. 반대로 산화막은 빠르게 제거하고 실리콘은 거의 제거하지 않는다면 공정 여유가 커집니다.

방향성과 프로파일

미세한 반도체 구조에서는 옆 방향보다 아래 방향으로 정확하게 식각하는 능력이 중요합니다. 특히 좁고 깊은 홀이나 트렌치를 만들 때는 측벽이 휘거나 기울지 않도록 관리해야 합니다.

구조의 위쪽과 아래쪽 폭이 달라지거나 중간 부분이 휘면 이후 증착과 배선 연결에 문제가 생길 수 있습니다.

균일도

한 장의 웨이퍼에는 많은 칩이 만들어집니다. 웨이퍼 중앙과 가장자리에서 식각 결과가 크게 달라지면 위치에 따라 칩의 특성과 수율이 달라질 수 있습니다.

따라서 장비는 웨이퍼 전체에서 식각 깊이와 선폭, 측벽 모양을 일정하게 유지해야 합니다.

원자층 식각

최근에는 원자층 식각이라고 부르는 ALE 기술도 활용되고 있습니다. 표면을 반응시키는 단계와 반응한 물질을 제거하는 단계를 반복해 한 번에 매우 얇은 양을 제어하는 방식입니다.

원자층 식각은 기존 식각보다 무조건 빠른 기술이 아닙니다. 처리 속도의 일부를 양보하더라도 과도한 식각과 미세 구조 사이의 깊이 차이를 줄이는 데 목적이 있습니다.

3D NAND에서 식각 장비가 중요한 이유

3D NAND는 메모리 셀을 평면에만 배치하지 않고 수직 방향으로 쌓아 저장 밀도를 높입니다. 여러 층의 절연막과 재료를 쌓은 다음 적층 구조를 관통하는 채널 홀을 만들어야 합니다.

구멍의 폭에 비해 깊이가 큰 구조를 고종횡비 구조라고 합니다. 높은 건물의 옥상에서 지하까지 매우 가느다란 구멍을 수직으로 뚫는 것과 비슷합니다.

문제는 구멍이 깊어질수록 반응성 물질이 바닥까지 도달하기 어려워진다는 점입니다. 식각 과정에서 만들어진 부산물도 좁은 구멍 밖으로 빠져나오기 어려워집니다.

이 과정에서는 다음과 같은 문제가 발생할 수 있습니다.

• 구멍 위쪽과 아래쪽의 지름이 달라질 수 있습니다.
• 채널이 한쪽으로 기울거나 휘어질 수 있습니다.
• 구멍이 깊어지면서 식각 속도가 느려질 수 있습니다.
• 목표 깊이에 도달하기 전에 식각이 멈출 수 있습니다.
• 서로 다른 폭의 구조가 같은 시간에 다른 깊이로 식각될 수 있습니다.
• 깊은 구조 안에서 발생한 부산물을 배출하기 어려울 수 있습니다.

3D NAND의 적층 수가 증가한다는 것은 단순히 식각 시간을 더 늘린다는 의미가 아닙니다. 가스가 이동하는 방식, 이온 에너지, 측벽을 보호하는 반응막, 웨이퍼 온도와 부산물 배출 조건을 다시 설계해야 합니다.

극저온 식각은 왜 개발되고 있을까?

장비 업체들은 3D NAND의 깊고 좁은 채널을 더 빠르고 정확하게 만들기 위해 극저온 식각 기술을 개발하고 있습니다.

Lam Research는 자사의 Cryo 3.0 기술이 400단 이상 3D NAND를 대상으로 하며, 최대 10마이크로미터 깊이의 메모리 채널에서 상단과 하단의 임계치수 편차를 0.1% 미만으로 제어할 수 있다고 발표했습니다.

Tokyo Electron도 400단 이상 3D NAND를 대상으로 10마이크로미터보다 깊은 홀을 가공하고, 기존 방식보다 식각 속도를 2.5배 높인 극저온 식각 기술을 발표했습니다.

다만 이 숫자를 두 회사 장비의 직접적인 성능 비교에 사용해서는 안 됩니다. 각 회사가 서로 다른 공정 조건과 평가 기준으로 발표한 기술 수치이기 때문입니다.

기술 발표가 실제 매출로 이어지는지도 별도로 확인해야 합니다. 고객사의 평가를 통과했는지, 양산 장비로 채택됐는지, 충분한 처리량과 경제성을 확보했는지가 더 중요합니다.

첨단 로직에서는 선택적 식각이 중요하다

식각 기술을 3D NAND의 깊은 채널 홀만으로 이해하면 식각 시장의 절반만 보는 셈입니다.

게이트올어라운드 구조의 나노시트 트랜지스터에서는 여러 얇은 재료층 가운데 특정 층만 제거하고 나머지 층은 남겨야 합니다. 예를 들어 실리콘과 실리콘-게르마늄이 교대로 쌓인 구조에서 실리콘-게르마늄만 선택적으로 제거해야 하는 공정이 필요합니다.

이때 목표 물질을 충분히 제거하면서도 실리콘 표면의 거칠기와 손상을 줄여야 합니다. 제거되지 않은 잔여물이 남아도 문제가 되고, 식각이 지나치게 진행돼 나노시트가 손상돼도 문제가 됩니다.

3D NAND 식각이 깊이와 수직 프로파일을 관리하는 문제라면 첨단 로직 식각은 재료 선택성과 표면 손상을 관리하는 문제에 가깝습니다.

같은 식각 장비 시장 안에서도 고객이 생산하는 반도체의 종류와 적용 공정에 따라 필요한 챔버, 가스 화학과 기술 장벽이 달라집니다.

식각 장비 산업을 분석할 때 확인할 부분

식각 장비 수요는 반도체 구조가 복잡해진다는 이유만으로 매년 일정하게 증가하지 않습니다.

반도체 제조사의 설비투자가 줄거나 NAND 재고 조정이 길어지면 기술 난도가 높아지더라도 신규 장비 발주는 늦어질 수 있습니다. 반대로 전체 웨이퍼 투입량이 크게 늘지 않아도 새로운 구조 때문에 식각 단계가 늘어나면 장비 수요가 증가할 수 있습니다.

따라서 식각 장비 산업을 분석할 때는 반도체 출하량뿐 아니라 웨이퍼 한 장을 생산하는 데 필요한 식각 공정의 횟수와 공정 시간도 살펴봐야 합니다.

장비 회사의 실적에서는 신규 장비 매출과 서비스 매출을 구분할 필요가 있습니다. 설치된 장비가 늘어나면 소모성 부품, 유지보수, 생산성 개선과 기술 업그레이드 수요가 발생합니다.

신규 장비 매출은 고객사의 설비투자에 민감한 반면, 서비스 매출은 설치 장비의 수와 공장 가동률에 더 큰 영향을 받을 수 있습니다.

식각 장비 기업을 볼 때 제가 먼저 확인하는 질문은 다음 세 가지입니다.

1. 반도체의 적층 수와 구조 변화가 실제 식각 단계와 공정 시간을 늘리는가?
2. 새로운 기술이 고객사의 평가를 통과해 양산 장비 매출로 이어지고 있는가?
3. 고객사의 투자 지연과 수출 규제가 기술 발전에 따른 성장 효과를 상쇄하고 있지는 않은가?

식각 난도가 높아진다는 사실과 특정 장비 회사의 이익이 바로 증가한다는 전망은 같은 의미가 아닙니다. 기술 경쟁력뿐 아니라 고객사의 투자 시점, 장비 처리량, 유지 비용과 양산 채택 여부를 함께 확인해야 합니다.

식각 장비 시장의 반대 시나리오와 위험요인

• NAND 가격 약세와 재고 조정이 길어지면 고단화 기술 개발과 별개로 장비 발주가 늦어질 수 있습니다.
• 고객사가 적층 구조를 한 번에 뚫지 않고 여러 번 나눠 만드는 방식을 선택하면 특정 식각 기술의 경제성이 달라질 수 있습니다.
• 식각 정밀도가 높더라도 처리량, 가스 비용, 전력 사용량과 장비 가동 시간이 불리하면 양산 채택이 제한될 수 있습니다.
• 고객사의 자체 공정 최적화나 경쟁 장비의 성능 개선으로 특정 공급사의 점유율이 달라질 수 있습니다.
• 대중국 수출 규제와 고객 집중도는 장비 회사의 기술 경쟁력과 별개로 매출 지역과 성장 속도에 영향을 줄 수 있습니다.
• 불소계 공정가스에 대한 환경 규제와 감축 요구는 가스 조합, 배출 저감 설비와 장비 운영비에 부담을 줄 수 있습니다.

식각 장비 기업을 분석하는 체크리스트

1. 최근 3개 분기의 신규 장비 매출과 서비스 매출은 각각 어떻게 움직였는가?
2. NAND, DRAM, 파운드리와 로직 중 어느 고객사의 투자에 가장 민감한가?
3. 고종횡비 식각, 선택적 식각, 원자층 식각 가운데 실제 매출을 만드는 기술은 무엇인가?
4. 새로운 장비가 고객 평가 단계인지 양산 기준 장비로 채택된 상태인지 확인했는가?
5. 처리량 개선이 선택비와 프로파일 저하 없이 달성됐는가?
6. 설치 장비 증가가 부품, 유지보수와 업그레이드 매출로 이어지고 있는가?
7. 고객 집중도와 수출 규제가 수주와 매출 인식에 어떤 영향을 주고 있는가?
8. 고객사의 설비투자 계획과 메모리 가격, 재고 흐름이 함께 개선되고 있는가?

식각 장비의 역할을 정리하면

식각 장비는 노광으로 만든 회로의 밑그림을 실제 반도체 재료에 옮기기 위해 필요한 물질만 정해진 깊이와 형상으로 제거하는 초정밀 가공 장비입니다.

반도체의 미세화와 3차원화는 식각 공정의 기술 난도를 높이고 있습니다. 3D NAND에서는 깊고 좁은 채널을 곧게 만드는 고종횡비 식각이 중요하고, 첨단 로직에서는 특정 재료만 제거하는 선택적 식각이 중요합니다.

다만 기술 난도의 상승이 곧바로 장비 기업의 실적 증가를 의미하지는 않습니다. 고객사의 양산 채택, 설비투자 회복, 충분한 처리량과 유지 비용이 함께 확인돼야 합니다.

앞으로 식각 장비 산업을 볼 때는 3D NAND의 적층 수만 확인하기보다 한 번에 식각할 수 있는 깊이, 양산 처리량, 신규 장비의 실제 매출 기여 시점과 서비스 매출의 방향을 함께 살펴보는 것이 좋습니다.

식각 장비 관련 자주 묻는 질문

식각 장비는 반도체에서 무슨 일을 하나요?

포토레지스트에 형성된 패턴을 기준으로 노출된 절연막, 금속막과 반도체 재료를 제거합니다. 이를 통해 트랜지스터, 배선, 콘택트 홀과 트렌치 같은 실제 반도체 구조를 만듭니다.

습식 식각과 건식 식각 중 무엇이 더 좋은가요?

목적이 다르기 때문에 한쪽이 항상 우수하지는 않습니다. 습식 식각은 화학 용액을 이용한 선택적 제거에 강점이 있고, 건식 식각은 미세한 수직 구조와 프로파일을 제어하는 데 유리합니다.

플라즈마 식각은 물리적으로 재료를 깎는 공정인가요?

물리적 충돌만 이용하는 공정은 아닙니다. 반응성 라디칼이 만드는 화학 반응과 방향성을 가진 이온의 물리적 작용을 함께 조절해 물질을 제거합니다.

EUV가 발전하면 식각 장비의 중요성이 줄어드나요?

EUV는 포토레지스트에 더 미세한 패턴을 만들고, 식각 장비는 그 패턴을 실제 재료에 전달합니다. 두 장비는 역할이 다르며 패턴이 미세해질수록 식각 오차를 관리하는 일도 까다로워집니다.

3D NAND에서 식각이 어려운 이유는 무엇인가요?

여러 층을 관통하는 깊고 좁은 채널을 만들어야 하기 때문입니다. 구멍의 바닥까지 반응 물질을 전달하고 부산물을 배출하면서 위와 아래의 지름과 수직성을 일정하게 유지해야 합니다.

출처

• Semiconductor Industry Association, Stage 3: Front-end Manufacturing
• ASML, Lithography Principles
• Applied Materials, Etch
• Hitachi High-Tech, What Is an Etch System?
• Lam Research, Tech Brief: All About ALE
• Lam Research, Cryogenic Etching
• Tokyo Electron, Cryogenic Etching
• imec, Entering the Nanosheet Transistor Era
• Lam Research, Customer Support Overview

자료 기준일: 2026년 9월 14일