이번 글에서는 제가 석사 과정 중에 포토 공정을 하면서 있었던 이슈들에 대해 설명하도록 하겠습니다, 크게 PEB(Post-expose baking)와 Lift off 관련 이슈입니다.
PEB(Post-expose baking)
Expose 후 Develop 전에 baking 처리를 하는데 이를 PEB이라고 합니다. 포토 공정 과정 중에 있는 3번의 baking 중에 제 경험상 PEB가 가장 민감했는데 그 이유는 PR profile에 영향을 주기 때문입니다.
위 사진은 포토 공정 후 Profile을 SEM으로 찍은 사진입니다. 왼쪽의 경우 패터닝 된 1㎛ PR 위에 TiN 60nm를 증착한 사진입니다. 벽면이 매우 불규칙한 것을 확인할 수 있는데요, 여러 가지 원인이 있지만 그중 하나가 PR 벽면이 안정하지 않았기 때문입니다.
오른쪽 사진은 PEB 처리를 제대로 하지 않았을 때의 PR Profile입니다. 굉장히 울퉁불퉁한데요, 그 이유는 standing wave 때문입니다.
Standing wave (정상파 효과)
파동이 중첩될 때 보강 간섭, 또는 상쇄 간섭이 일어납니다.
- 보강 간섭: 두 파동의 위상이 같을 때 진폭이 커지는 간섭
- 상쇄 간섭: 두 파동의 위상이 반대일 때 진폭이 줄어드는 간섭
빛 또한 파동의 성질을 가지고 있기 때문에 진행하다가 반사되어 나오면 진행하는 빛과 반사되어 나오는 빛이 간섭현상을 일으킵니다. 그 결과, 파동이 제자리에서 진동하는 것처럼 보이는 현상을 나타내는데 이를 정상파라고 합니다.
위 그림에서 볼 수 있듯이 상쇄 간섭이 일어나는 Node의 경우 다른 지점보다 진폭의 차이가 큰 것을 알 수 있습니다. PR 입장에서 자외선이 웨이퍼에 반사되어 이러한 정상파 현상이 일어나면 Develop 후에 물결무늬처럼 울퉁불퉁한 profile이 형성됩니다. PEB는 정상파 효과로 인해 PR 내부에 고르게 반응되지 못한 PAC(Photo Active Compound)를 PR 전체적으로 고르게 확산시키는 작업입니다.
물론 저희는 이후에 설명할 Lift-off 방식을 쓰는데, PR 두께가 1㎛이고 증착하는 박막은 10~50nm밖에 안 돼서 PR profile이 크게 문제가 되지 않을 겁니다. 하지만 정상적인 공정 환경이 아니기 때문에 레시피를 최적화하기로 했습니다.
원래 사용하던 PEB 공정 레시피는 100도에서 2분 동안 baking을 했는데 120도로 온도를 올리니 standing wave 현상을 완화할 수 있었습니다.
ARC (Anti Reflective Coating)
포토 공정 중의 standing wave 현상은 자외선이 웨이퍼에 반사되기 때문에 발생합니다. PEB 외에 standing wave를 최소화하는 방법이 있는데 바로 반사방지막을 코팅하는 겁니다(ARC). 포토 공정 전에 CVD 방법으로 SiON 같은 반사방지막을 증착하여 standing wave 현상을 방지할 수 있습니다.
Lift-off
Lift-off 공정은 다음과 같은 순서로 진행됩니다.
- 포토 공정을 통한 패터닝
- 패터닝 된 substrate 위에 증착
- PR 제거 (lift-off)
저희는 증착까지 완료된 substrate를 아세톤 용액에 담가 PR을 날리는 방식을 lift-off를 진행했습니다. Lift-off 과정에서는 Negative PR을 사용하는 것이 좋은데요, 그 이유는 PR profile 때문입니다.
그러면 이 방식으로 패터닝을 할 때 profile에 어떤 문제가 발생할 수 있는지 알아보겠습니다.
Lift-off issue
먼저 아래 그림을 볼까요?
아세톤으로 PR을 날리기 전 상황인데요, PR의 종류에 따라 포토 공정 후 위와 같은 profile을 보입니다. Positive PR의 경우 PR 벽면에도 증착이 되어 실제 wafer 위에 증착된 박막과 연결되어 PR이 제거될 때 문제가 생깁니다.
위의 사진을 보시면 Negative PR을 사용했을 때(정확히는 Positive PR을 쓰고 Flood-Exposure 과정을 거쳤습니다) PR profile을 확인할 수 있습니다. 하지만 여전히 PR 벽면에 박막이 증착되어 substrate까지 이어진 것을 확인할 수 있습니다. 이러한 경우 PR을 떼어내면 박막의 edge에서 이슈가 발생합니다.
위 사진은 lift-off 공정을 마친 후 박막을 AFM(atomic force microscopy)을 non contact mode로 설정하고 찍은 사진입니다. 박막이 좌우로 길게 line 형태로 증착된 상황인데요, edge 부분이 문제가 많아 보이죠?? SEM에서도 확인할 수 있습니다.
이런 공정은 사용할 수 없겠죠,,,,, 그래서 LOR 이라고 하는 chemical을 사용합니다.
LOR 코팅
LOR은 PR 코팅 전에 웨이퍼 위에 코팅하는 방식으로 사용하는데요, wafer와 PR의 gap을 만들어주는 역할을 합니다.
위 사진을 보시면 1.5㎛ 두께의 PR 밑에 200nm 층이 있는 것을 알 수 있는데요, 이것이 LOR 입니다. PR은 자외선을 비춰서 성질을 바꾸고 developer에 녹거나 녹지 않는 부분으로 나눠지는데요, LOR은 자외선에 영향을 받지 않고 developer에 녹습니다. 그래서 제거되지 않는 PR 밑으로도 developer가 침투하여 LOR이 lateral 하게 etch 되는 겁니다.
주의할 점은 LOR을 사용할 때는 develop time을 정확하게 지켜야 한다는 겁니다. 너무 오래 developer에 담그면 LOR이 너무 많이 etch 되어 PR이 기울어지고, 무너지기도 합니다. 또한 LOR이 200nm밖에 되지 않아서(물론 스핀 코팅 할 때 rpm에 따라 달라지지만) 그 이상 증착하는 경우는 LOR을 쓰는 의미가 없습니다.
참고: SK hynix 반도체 특강
