이번에는 Photolithography(포토 공정)에 대해 자세히 알아보겠습니다. 먼저 공정의 전체적인 순서를 설명하겠습니다.
Photolithography 순서
Photo-lithography 공정을 크게 나눠보면 감광제(PR, photoresist)를 코팅하고, Mask를 사용해 자외선을 비춘 뒤, 현상(Develop)을 통해 필요하지 않은 PR을 날리는 과정으로 이루어져 있습니다. 그럼, 각각의 과정을 자세히 알아볼까요??
표면처리 (Surface preparation)
Wafer cleaning을 끝내고 photo-lithography 공정을 위해 PR을 도포하기 전, wafer 표면을 소수성으로 바꿔줘야 합니다. 왜냐하면 PR이 소수성이기 때문인데요, wafer를 소수성으로 바꿔줌으로써 PR의 접착력을 향상할 수 있습니다. 이 처리는 HMDS(HexaMethylDiSilazane) 증기에 노출해서 진행할 수 있습니다.
스핀 코팅 (Spin coating)
PR은 스핀 코팅(Spin Coating)방식으로 도포합니다. 처음에는 저속으로 회전하여 웨이퍼 (wafer)전체에 PR이 덮이도록 하고, 고속으로 회전하여 PR이 원하는 두께가 되도록 조절합니다. 공정을 안 한 지 1년이 지났는데, 제 기억에 저는 500 rpm으로 20초, 5000 rpm으로 40초 돌렸던 걸로 기억하네요.
Soft Bake
PR 코팅 후 PR에 포함된 유기용매(Solvent)를 제거하기 위해 baking을 합니다. PR을 약간 경화시키는 건데요, 이렇게 함으로써 후속 노광공정(UV-exposure)에서 solvent가 증발하여 Mask나 노광장비에 악영향을 줄 수 있고 노광공정의 민감도를 떨어뜨릴 수 있거든요.
저는 Hot plate에서 120도로 2분간 baking을 했습니다. 그 이유는 이후에 baking이 더 있는데 공정 레시피를 편의상 통일시켰어요. 제 경험상 Soft Bake는 resolution에 그렇게 크게 영향을 주진 않았던 것으로 기억합니다. (물론 저는 nm급 공정이 아니고 5㎛ 패턴을 써서 그랬던 걸 수도 있어요!!)
Align & Exposure
Soft Bake 후 노광공정을 진행합니다. 노광공정 시 사용하는 빛은 자외선인데요, 이는 PR이 자외선과 반응하기 때문입니다. 방송에서 반도체 이야기를 할 때 사람들이 노란불이 켜져 있는 방에서 일하고 있는 이유가 바로 이것인데요, 노광공정 이외의 단계에서 PR이 반응하는 것을 방지하기 위해 포토 공정을 할 때는 노란 불빛만 사용합니다(옐로우룸). 그래서 저희도 형광등에 노란 셀로판지를 붙였어요.
잠깐 다른 얘기로 샜는데요, 노광공정을 진행하기 전에 우선 Align이라는 것을 먼저 합니다. 한번 칩을 만들 때 포토 공정을 20~25번 정도 한다고 해요. 패터닝하고 증착하고, 패터닝하고 증착하고, 이걸 반복해야 원하는 회로대로 칩을 만들 수 있는 거죠. 그러면 그때마다 각 층의 위치를 정확하게 맞춰야 하겠죠?? 이 과정이 Align 작업입니다. 대부분 특정 위치에 Align key가 있어서 그걸 보고 위치를 맞춥니다.
Align이 끝나면 UV Exposure를 진행합니다.
PEB (Post Exposure Bake)
앞에서 ‘제 경험상’ Soft Bake는 포토 공정의 resolution에 크게 영향을 주지는 않는 것 같다고 했는데 PEB는 정말 중요합니다. Soft Bake보다 높은 온도(110~120도)에서 진행하는데요, PR 패턴을 균일하게 만들기 위해 진행합니다. UV-Exposure 과정에서 PR에 산(acid)이 발생하는데요, 이 산을 PR 전체적으로 확산시켜 패턴을 안정화합니다.
이때는 온도를 정확히 조절해야 해서 온도를 바꿔가면서 패턴 모양을 일일이 확인했는데 120도 2분이 가장 패턴이 잘 나와서 PEB, Soft Bake 120도 2분 Baking으로 레시피를 설정했었습니다.
현상 (Develop)
지금까지는 웨이퍼 전체적으로 PR이 코팅된 상태입니다. Mask를 사용해 노광했으니 PR에 빛이 비췬 부분과 비취지 않은 부분이 있을 텐데요, Developer라는 용액을 통해 패터닝을 하게 됩니다. 이때 빛이 비췬 부분이 날아가는지 안 비췬 부분이 날아가는지에 따라 PR 종류가 달라집니다.
현상이 끝나면 웨이퍼 위에는 사용자가 원하는 패턴이 만들어지게 되고 DI(Deionized water)로 씻고 말리면 됩니다.
Hard Bake
이제 포토 공정의 마지막 단계입니다. Hard Bake는 110~130도에서 진행하는데요, PR의 잔여 Solvent와 수분을 날려 PR의 경도를 강화하고 기판과 PR의 접착력을 높입니다. (저는 120도에서 5분 레시피를 사용했습니다.)
Photoresist(PR)의 특징과 종류
Photoresist는 빛에 의해서 화학구조가 바뀌는데 그로 인해서 후속 처리인 Develop 과정에서 빛을 받거나 받지 않은 부분이 녹는 특성을 가지고 있습니다. 이 특성을 이용해서 웨이퍼 위에 선택적으로 증착이나 Etching 등을 할 수 있는 건데요, PR은 크게 2가지 종류가 있습니다. 빛을 쬔 부분이 녹으면 Positive PR, 빛을 쬐지 않은 부분이 녹으면 Negative PR입니다.
Positive PR
Positive PR은 Negative PR에 비해 Resolution이 뛰어나다는 장점이 있습니다. 또한 Baking 시에 온도나 Baking time 설정을 잘못하면 Develop 과정에서 잔여 PR인 Scum이 생성되는데요, Positive PR의 경우 이 Scum이 잘 만들어지지 않습니다. Step coverage, 뛰어난 열적 안정도로 인해 현대 미세패터닝에서 주로 사용되고 있습니다.
다만 산화막과 접착성이 좋지 않고 Negative PR 대비 비용이 비싸다는 단점이 있습니다.
Negative PR
Negative PR은 Positive PR과 반대라고 생각하시면 됩니다. 산화막과 접착성이 적고 비용도 상대적으로 저렴하지만, Resolution이 좋지 않다는 단점이 있습니다. 또한 Develop 단계에서 PR이 부풀어 오르는 Swelling 현상이 일어날 수도 있습니다.
| Positive PR | Negative PR |
|---|---|
| 자외선에 노출된 부분이 제거 Scum x, Steop coverage 좋음 Resolution 좋음 산화막과 접착성 떨어짐 비쌈 | 자외선에 노출되지 않은 부분이 제거 미세패터닝에 적합하지 않음 산화막과 접착성 좋음 저렴 |
| 빛을 받은 부분의 주위 PR 성분 간의 결합이 약해져서 윗부분이 넓은 profile 형성 | 빛을 받은 부분 주위 PR 성분 간의 결합이 강해져서 윗부분이 좁은 profile 형성 |
| |
PR 종류에 따라 다음과 같은 profile의 차이가 있는데요, 저희는 Lift-off 방식으로 공정을 해서 Negative type을 사용했습니다.
UV Exposure
노광 방법
자외선을 사용하는 기본적인 노광 공정 장비에는 크게 세 가지 노광 방법이 있습니다.
- Contact aligner
- Proximity aligner
- Projection aligner
| Contact aligner | Proximity aligner | Projection aligner |
|---|---|---|
| | |
초창기에 사용했던 노광 방법인 Contact aligner와 Proximity aligner는 마스크와 wafer 사이의 간격에 의해 구분됩니다. Contact aligner 방식의 경우, 마스크와 wafer가 가까이 붙어있어 빛의 회절에 영향을 잘 받지 않는다는 장점이 있지만 마스크가 PR에 오염됩니다. 그래서 마스크의 수명이 단축된다는 단점이 있습니다.
이러한 방법은 연구실에서만 사용하는데요, 저희 연구실에서도 Contact aligner 방식으로 노광했습니다. 그래서 매번 마스크를 아세톤이나 에탄올로 세척해야만 했어요,,,,
Proximity aligner의 경우 마스크를 보호할 수 있지만 빛의 회절 현상으로 정밀한 패터닝이 불가합니다. 이 문제를 해결하기 위해 현재 반도체 양산 공정에서는 마스크와 wafer 사이에 렌즈 등의 적절한 광학계를 배치하여 마스크를 보호하고 회절효과를 방지하는 Projection aligner 방법을 사용합니다.
노광 파장
노광공정에서 사용하는 빛은 자외선을 사용합니다. 초기에는 수은을 이용하여 g-line(436nm)과 i-line(365nm)을 사용했지만, 더 정밀한 패터닝 기술이 필요함에 따라 현재는 KrF eximer(248nm), ArF eximer(193nm)를 활용하여 더 짧은 파장의 자외선을 사용합니다. 10nm 이하의 초정밀 패터닝을 하는 파운드리의 경우 EUV(Extreme UltraViolet, 13.5nm)를 사용하기도 합니다.
저희 연구실에서는 i-line(365nm)을 사용하여 패터닝을 했고 장비 스펙상 1㎛까지 패터닝이 가능했습니다.
Resolution
포토 공정에서 가장 중요한 것은 분해능(resolution)이라고 할 수 있습니다. Resoltion은 패터닝 시 구분할 수 있는 최소 패턴 크기라고 할 수 있는데요, 이는 다음과 같은 수식으로 표현할 수 있습니다.
공정 계수는 PR의 특성 개선, 공정 최적화, 마스크 패턴 개선(OPC 등)을 통해 높일 수 있습니다. 수식에서 알 수 있듯이 자외선 파장이 짧아질수록 Res 값이 작아지고, 이는 더 작은 패턴도 구분할 수 있다는 것을 의미합니다. (정밀도 향상)
Depth of Focus (DOF)
광학계(렌즈)를 사용하면 수직 방향으로 오차가 발생하는데, 이를 DOF(Depth of Focus)라고 합니다.
NA(numerical aperture)가 클수록(큰 렌즈), 짧은 파장을 사용할수록 DOF가 작아지고, 이는 PR의 두께나 기판 높이, 평탄도에 민감해진다는 것을 의미합니다.
정리하자면 NA가 큰 렌즈와 짧은 파장의 자외선으로 노광하면 해상도는 높일 수 있지만 DOF도 작아져 수직 오차에 민감해집니다. 이를 해결하기 위해 CMP공정을 통해 기판을 평탄화하거나 PR의 두께를 줄이는 작업을 합니다.
참고: 삼성전자 [반도체 백과사전]
