Photo lithography basics [Photo lithography process]

Photo lithography 공정이란 무엇인가

photho lithography란..

-설계한 반도체 회로 정보를 포함한 마스크에 규격화된 빛을 이용하여 웨이퍼 위에 이미지 패턴을 전사시키는 과정이다.

-웨이퍼 위에 PR을 도포한 뒤 마스크를 씌운 뒤 UV나 빛을 노광하여 원하는 회로 패턴을 얻는다.

-형성된 감광막 패턴은 Etching 또는 이온 주입시 베리어 역할을 한다.

Photo lithography process

1. surface preperation

• Clean, Dry surface substrate wafer

2. Spin coating on substrate

• Adhesion promoter (접착 촉진)
• Soft baking
• PR 도포

3. Align mask & Exposure

4. Post exposure bake (노광 후 열처리)

5. Develop, Clean & Dry

6. Inspection

7. Descum & Hard bake

• Remove residue & thoughen resist

8. Resist stripping

• After deposition or etching

1. substrate prerperation

Wafer degreasing

본격적인 lithography 과정 전 웨이퍼를 준비하는 과정이 필요함

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Solvent cleansing : Acetone > Methanol > DI > TPA > N2Dry

Removes organics : Piranha / SC1

Removes metal ions : SC2

Removes thin oxide & metal ions : HDF

Removes thick oxide : BOE

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• RCA 도 더 완벽한 반도체 표면 처리를 위해 사용된다 (균일한 산화막)

SPM/SC1 : 유기물 & 파티클 제거 / 얇은 산화막 생성

희석된 HF : 얇은 산화막 제거

SC2 : 금속 제거 / 얇은 이온성 오염 제거

Rinsing & DRY : DI로 세척/ 건조

세정 강도 순서 : Acetone soaking < RCA1< Piranha

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Wafer Priming

-> preparing the wafer for resist coating is essential for good adhesion

왜 priming을 할까?

• 웨이퍼는 원래 친수성 이지만 PR은 소수성이다. 따라서 PR과의 접착력을 높이기 위해선 웨이퍼 표면을 소수성이 되도록 하는 Priming 과정을 거치도록 한다.

이와 관련지어 높은 습도나 세척 과정에서 웨이퍼에 물이 묻게 되면 접착력이 떨어지게 된다. 웨이퍼는 항상 건조된 컨디션을 유지하도록 한다

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PR의 3가지 구성 요소

본격적으로 Spin coating 과정에 들어가기 전에 PR의 구성 요소를 알아야 한다

• Polymer binder( resin ) - 기계적 특성을 가지게 해준다.
• Senitiser ( 감광제 ) - 폴리머 내 화학적 반응을 조절한다. 감광액
• Solvent ( 용매 ) - PR이 액체 상태를 유지하게 한다.

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2. Spin coating - Photo resist Deposition

• 스핀 코팅의 순서

1. 웨이퍼를 진공 척에 고정시킨다
2. PR을 디스펜서를 이용하여 도포한다
3. Slow spin ( 500 rpm ) - 균일 확산 유도
4. Fast spin ( 3000 - 5000 rpm ) - 원심력을 이용해 균일한 확산을 유도, PR이 증발하여 기판에 고착됨

Spin coating의 부작용 - Edge bead > 웨이퍼 가장자리에 bead가 생기는 현상

대표적인 부작용으로는 다음과 같다.

• 접착력에 안좋음
• 패턴이 균일하지 않음. 평탄화 필요

해결 방법은 다음과 같다.

• 웨이퍼 가장자리 바벨링 필요
• 점도 최적화
• 적절한 RPM 및 가속도

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Resist coating 두께 T

레지스트 코팅 두께 T의 결정 조건은 다음과 같다

스핀 속도
용액의 농도
분자량

웨이퍼 패턴 크기는 레지스트 두께의 20 % 이하여야 한다는 점을 꼭 기억하자
(T의 특성 변동이 20%이하여야 한다는 뜻이다 T(feat) ≤ T(pr) * 0.2)

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Soft baking

soft baking의 조건은 다음과 같다

• 온도와 시간은 PR의 종류와 두께에 따라 결정된다
• Hot plate 사용 온도는 60도에서 110도 사이
• 오븐 사용도 가능하나 , skin이 생길 수 있다.

Soft baking의 필요한 이유는 무엇일까?

• Film stress 완화
• PR에서 용매 제거
• 접착력 향상
• BUT 과도한 열은 감광성을 저하시킨다.

그렇다면 왜 Alignment 전에 PR을 Soft Baking을 할까?
= PR이 마스크에 들러붙지 않게 하기 위해서이다.

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3. Alignment & exposure

• Mask image 를 Align 하여 PR이 코팅된 웨이퍼로 전사(Exposure)한다.

이 과정은 PR의 Senitiser을 활성화 시킨다.
이때 노광량은 세기 * 시간으로 계산

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4. Development

1. Develop는 변환된 이미지를 구조적 패턴으로 나타나게 한다
2. PR은 Develop하면 선택적으로 일부가 용해된다 (- PR/ + PR )
   습식 또는 건식 방식이 가능해진다.

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5. Post processing

• oxygen plazma 사용
• PR을 Post bake , Hard bake를 이용하여 제거한다.
  -> 용매 제거
  -> 박막 annealing을 통해 접착력을 증가 (화학적, 플라즈마 환경에서 더 잘 버티도록 만든다.)

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6. Resist Stripping

1. 습식 Stripping

• 유기, 알칼리성 용매 기반.
• 유기 resist 기반 잔류물을 제거함
• 저렵하고 적용이 쉬우나 환경에 나쁘다

2. 건식 Strippimg

• oxygen plazma를 이용한다.
• 독성이 적고 제어가 용이하나 장비가 비싸다

Reactive Ion Etching (RIE)

• 물리적 식각 효과 / 화학적 식각효과
• 이온, 라디칼 둘 다 이용
• 식각 속도 제어 가능. 방향성이 있다

Plasma Etching

• 화학적 식각 효과
• 주로 라디칼을 이용. 이온에 의한 표면 손상이 상대적으로 적다
• 등방성 식각이다.

Down stream Etching

• 화학적 식각 효과
• 라디칼만을 사용 ( 표면 손상이 거의 없음 )
• 등방성 식각이다
• 플리즈마를 생성함_

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Additional opinion

• Difference of Hard baking & Soft baking

  • Soft baking
    ->PR 도포 직후에 사용
    -> 온도는 약 90 ~ 100 정도
    -> UV 조사 전 건식 PR을 제공
  • Hard baking
    -> 이후 etching을 위한 패터닝된 PR을 경화시키는데 사용

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