# Photo 공정
[1] 정의 : Mask 위에 새겨놓은 회로 패턴을 wafer에 형성하는 과정
[2] 구성: 빛, mask, PR
- 빛 : 특정 파장의 빛
- mask : reticle이라고도 함.
ㄴ Quartz : 자외선 투과, Cr(크롬) : 자외선 반사
- PR : 빛에 의해 화학구조가 바뀌는 물질 -> 노광 후 선택적 제거 가능
ㄴ 자세한 내용은 [4]에서 다룸
[3] 7단계 프로세스 :
HMDS 도포 ->PR 도포(Spin coating) -> Soft bake -> Exposure -> PEB -> Develop -> Hard bake
1. HMDS 도포
목적 : 소수성 PR과 wafer의 접착력을 향상시키기 위함, wafer를 친수성>소수성으로 바꾸기
방법 : wafer를 HMDS 증기에 노출
2. Spin Coating
목적 : wafer에 PR을 도포
방법 : wafer를 spin coater 위에 올리고 저속 회전(3000~6000RPM)
추가 개념 :
Edge Bead : wafer의 가장 자리에 PR이 뭉치는 현상
ㄴ 장비 오염, Particle, defect의 원인으로 번져 제거 필수
ㄴ 제거 방법 : wafer 가장 자리에 용매 뿌리기, 가장 자리 노광
3. Soft Bake
목적 : PR 속 solvent 제거(spin coating시 원심력에 의한 PR stress 완화, PR 특성 일정 유지)
방법 : 낮은 온도(90~110도)에서 wafer를 굽기
4. Align & Exposure
4.1) Align : 이전 노광으로 형성된 회로 패턴과 위치를 맞추는 과정
방법 : Align key를 이용하여 mask의 정확한 위치 찾기
추가 개념 :
Overlay : Mask의 각 층간 위치 정확도
4.2) Exposure : PR에 빛을 조사하여 패턴 형성
방법 :
1) Contact(접촉) : mask와 PR을 밀착하는 방식
ㄴ 장점 : 회절 적어서 미세 패턴 구현
ㄴ 단점 : mask 오염으로 인해 mask 수명이 짧음
2) Proximity(근접) : mask와 PR을 ~10um 떼어서 노광
ㄴ 장점 : mask과 PR이 접촉하지 않아 mask 손상 적음
ㄴ 단점 : 회절 발생, 미세 패턴 구현 어려움
3) Projection(투영) : 렌즈를 사용하여 4:1, 5:1 축소 노광(Stepper, Scanner 방식)
ㄴ 장점 : mask 오염이 없어 긴 수명, 렌즈를 사용하여 회절 효과 완화
ㄴ 단점 : 책에 안나옴
5. PEB
목적 : 노광 부위에 발생한 산(acid)를 확산시켜 불균일한 패턴 개선, DUV에서 사용하는 CAR PR에서 화학 증폭 반응 발생
방법 : Soft bake 보다 높은 온도 110~120도 굽기
6. Develop
목적 : PR을 선택적으로 제거해 실제 pattern 만들기
방법 : 대표적으로 puddle 방식
ㄴ 초반 : 느린 속도로 wafer spin하여 현상액 도포
ㄴ 후반 : 정지 상태에서 현상액의 표면장력을 이용해 wafer를 현상액에 노출
ㄴ 장점 : 현상액 사용량 적음, 균일도 좋음
7. Hard Bake
목적 : wafer 위에 패턴이 된 PR이 후속 공정에서 변형되는 것을 방지(잔여 solvent, 수분 제거)
방법 : “유리질 천이온도(TG) < 낮은 온도(110~130도) < PAC 분해 온도” 에서 굽기
추가 개념 :
Hard Bake 이후 형상 : Top Corner 부위가 reflow 되어 둥근 모양이 됨
* reflow : 열로 인해 물질이 녹아서 원래 패턴이 흐려지거나 둥글어지는 현상
8. PR Strip
목적 : 후속 공정 이후 PR 제거
방법 : 산소 플라즈마로 제거
[4] PR
구성 : Resin + Solvent + Sensitizer
- Resin : 고분자 수지, 실질적으로 노광 후 PR 구성
- Solvent : PR을 액체 상태로 유지해주는 용매제
- Sensitizer : 빛과 반응하여 Resin의 분자 구조를 바꿈
ㄴ 종류 : PAC(photoactive compound), PAG(photo acid generator)
종류 : Positive PR, Negative PR
- Positive PR : 빛을 받은 부분이 현상액에 녹음
- Negative PR : 빛을 받은 부분이 현상액에 녹지X
광원에 따른 PR의 종류
- DUV : 화학 증폭형 PR (CAR)
매커니즘 :
1) Exposure : PAG -> 산(acid)으로 바뀜 (Seed 역할)
2) PEB : 산(acid)은 polymer chain과 반응하여 현상액에 잘 녹을 수 있도록 끊어줌
ㄴ 이 과정에서 산(acid)을 재방출 (연쇄작용)
- 산(acid)이 열 확산할 수 있는 거리까지 Polymer chain을 끊음
- EUV :
[5] 빛 : 우리가 볼 수 있는 가시광선이 아니라 자외선을 사용
1) UV : g-line(436nm), i-line(365nm)
광 발생 원리 : 수은 램프 사용
2) DUV : KrF(248nm), Arf(193nm)
광 발생 원리 : Excimer laser 사용
3) EUV : 극 자외선(13.5nm)
광 발생 원리 : 주석 액체에 CO2 레이저를 쏨
[6] 주요 파라미터
1) 분해능 (resolution) : 마스크 패턴을 노광할 때 전사될 수 있는(구분 가능한) 최소 패턴 크기
Res=k1NA
: 광원의 파장, NA : 광학계의 개구수(numerical aperture),
k : 공정계수(설비, PR, 공정 최적화로 개선, ex. OPC)
2) 초점심도(DoF, Depth of Focus) : 수직 정렬 오차
DoF=k2NA2
DoF가 크다 = 공정 마진(여유)이 생김, PR의 두께/기판 높이/wafer 평탄도 변화에 둔감
- NA : 무한정 키울 수 x - 설비 공간, 렌즈 정밀도 등의 한계
- : 파장이 짧은 광원을 사용해 미세 패턴 구현
ㄴ 파장이 짧은 광원을 사용해 미세 패턴 구현에 성공했지만 DoF 부작용 발생
: CMP(평탄화), PR 두께 감소로 극복
=> 두 파라미터는 trade-off 관계 :
미세 패턴 구현을 위해서는 Resolution는 작게, 공정 마진을 위해서 DoF는 크게
[7] RET : Resolution Enhancement Technology(포토공정 분해능 향상 기술)
소자가 미세화되면서 파장이 짧은 광원을 선택해 미세 패턴을 구현해왔음 : 한계
빛의 특성 : 회절에 의한 패턴 왜곡
ㄴ 빛을 포함한 모든 파동은 좁은 간극을 통과하면 회절 발생
ㄴ 회절된 파동이 서로 간섭을 일으켜 wafer에 마스크 패턴과 다르게 왜곡되어 전사
ㄴ 패턴의 크기가 파장의 길이보다 작을 수록 더 심해짐
1) ArFi : ArF immersion(액침) 기술, NA 향상
ㄴ 렌즈와 wafer 표면 사이 간극에 DI water를 채워 NA 향상(매질의 굴절률 높임)
ㄴ PR 의 성분이 용해되지 않도록 DI water 사용
ㄴ wafer 표면의 오염을 방지하기 위해 한쪽에서 물 공급 -> 다른 한쪽에서 물 회수
2) OAI : off-axis-illumination, 비등축 조명, 공정 factor k 개선
ㄴ 수직 입사 성분을 제거하고 경사지게 입사하여 0차항, 1차, -1차 항까지 렌즈에 집광하여 패턴 정확도를 높이는 방법
3) PSM : phase shift mask, 위상변위마스크, 공정 factor k 개선
ㄴ 빛의 위상을 조절해 wafer 상에 원치 않는 잘못된 회절 이미지를 상쇄간섭의 원리로 제거
ㄴ 해상도 높이는데 효과적, 복잡도, 높은 제작 비용
4) OPC : optical proximity correction, 근접효과보정, 공정 factor k 개선
ㄴ 빛의 회절에 의해 마스크 패턴과 다르게 wafer 상에 전사되는데 마스크 패턴 모양을 미리 변형시켜 원하는 패턴을 얻는 기술
[8] Multiple Patterning
1) 더블 패터닝(Double Patterning(LE2), Triple Patterning(LE3))
노광과 식각 단계를 두 번씩 반복하는 공법, align 중요
ㄴ 원래 만들고자 했던 패턴을 두 개의 패턴으로 분할하여 두 개의 마스크를 만듦
2) 자기정렬 스페이서(SADP, Self-Aligned Spacer Double Patterning), SQDP
포토 패턴 측면부에 spacer 형성, 이를 후속 식각 공정을 위한 마스크로 사용하는 공법
#1 Line/Spacer로 구성된 패턴에 얇은 박막 증착 -> 식각 -> Line 양옆에 Spacer 형성
#2 Line 제거 -> Spacer만 남게 됨
: 패턴 수 2배 증가, Pitch는 절반
[9] EUV 공정
극자외선 노광 : 13.5nm, 반사 광학계, 진공 챔버 안에 위치, 7nm부터 사용
1) EUV 광 발생 원리 : LPP 방식 (Laser Produced Plasma)
Sn(주석)에 CO2 레이저 발사 -> Sn(주석)의 플라즈마화 -> 여기/이완 과정에서 방출된 빛
2) 반사 광학계
파장이 짧아 매질에 잘 흡수 -> 렌즈를 사용하여 빛을 투과/굴절시키는 projection 사용 불가
반사경을 사용하여 빛을 반사시켜 wafer에 마스크의 패턴 정보를 전사
Mo(반사)/Si(spacer)의 다층 박막 구조, 6~7nm의 두 층이 40층 이상 : Bragg 법칙으로 설명
최대 반사 효율이 70% 정도이기 때문에 10개의 반사경을 사용한 경우 쵀대 2.8% 효율
3) EUV 마스크
반사경 표면에 마스크에서 반사되는 영역(Mo/Si)과 흡수되는 영역(Absorber)의 패턴 존재
Multilayer coating + Capping layer + Buffer layer + Absorber pattern
Multilayer : Mo/Si 반사경
Capping layer : SiO2, 마스크 보호용 박막
Buffer layer : Ru
Absorber pattern : Cr, TaN 사용
- 신뢰성 : EUV Pellicle
Pellicle : 반복적으로 사용할 Mask를 외부의 이물질로부터 보호하는 기능
EUV 공정에서 Pellicle 이슈가 발생한 이유 :
- 반사율 저하 : Si을 50nm 수준의 얇은 막으로 사용한다고 해도 투과율이 92%, 그런데 반사경이기 때문에 두 번을 톡화하면 투과도가 84%
- 얇은 두께
Mask 패턴 상부에서 견고하게 막의 형태로 존재해야 하지만 매우 얇아 아래로 처짐
- 노광시 높은 에너지(열)를 견딜 수 있어야 함.
=> 반사율 저하, 얇은 두께, 높은 온도 에서 견딜 수 있어야하는데 이를 만족시키기 매우 어려움
