포토공정

정의

PR이 도포된 웨이퍼 위에 마스크를 대고 특정 빛을 조사하여 원하는 패턴을 형성하는 공정

• 포토 공정 자체만으로 웨이퍼에 어떠한 영향을 미치는 것이 아니므로 식각공정, 이온 주입 등 후속공정을 수반한다
• 포토 공정은 PR에 영향을 줄 수 있는 파장대 역을 제거한 조명 아래에서 진행 됨 =>옐로룸

Alignment & Overlay

• 정확한 위치에 패턴을 전사하는 것이 중요함
• 최초 포토 공정 시 웨이퍼 상에 align key를 형성하고, 후속 포토 공정의 마스크의 align key와 웨이퍼의 aling key를 맞추는 과정을 alignment라고 합니다.
• 이때 마스크가 얼머나 정렬이 잘 되었는지 수치로 나타낸 척도를 overlay라고 합니다.
• 오버레이는 정확도와 정밀도 두가지를 맞춰야 하며, XY 좌표 차이와 틀어진 각도로 표시합니다.
• 일반적으로 오버레이 문제는 웨이퍼 수평이 맞지 않거나 불순물이 있는 경우에 발생합니다
• 따라서 공정 중 발생하는 스트레스를 감시하고 웨이퍼의 휨 정도를 관리하는 노력이 필요합니다.

포토 공정 순서

HMDS

• 웨이퍼와 PR과의 점착력을 향상시키기 위해 진행한다.
• HMDS는 친수성인 Si 웨이퍼 표면의 Si-OH기를 탈수소 반응을 통해 소수성으로 치환하여 소수성인 PR과 웨이퍼와의 점착력을 향상시킴

PR 도포

• PR을 웨이퍼에 도포하는 과정
• PR을 웨이퍼 위에 뿌린 후 빠른 속도로 회전시켜 균일하게 도포하는 스핀 코팅 방식을 주로 사용

소프트 베이크

• 웨이퍼에 열을 가하여 PR 내 솔벤트를 제거하여 버블링과 같은 문제를 방지하는 과정

노광

• 일반적으로 사용하는 빛은 자외선(UV)임
• 단일 파장의 빛을 사용 (파장이 달라지면 회절이나 간섭 등의 특성도 달라지기 때문에)

PEB

• 노광 후 열처리 과정을 통해 Standing wave 현상을 제거해 resolution을 향상시키는 과정
• PEB를 진행하지 않고 그대로 현상하면 옆면이 우는 현상이 발생

현상

• 현상액에 담가 패턴의 실체를 만드는 공정

하드 베이크

• 열을 가해 솔벤트와 현상액 잔여물을 제거하는 공정
• PR을 단단하게 만들어 후속 공정에 잘 견디도록 내구성을 증가시켜줌

노광 공정에 사용하는 광원에 대해 설명하세요.

• 파장대역에 따라 UV, DUV, EUV로 분류할 수 있습니다.
  • g-line: 436nm
  • i-line: 365nm
  • KrF: 248nm
  • ArF: 193nm
  • EUV: 13.4nm
• g-line과 i-line은 수은 램프에서 발생한 빛을 사용
  • 연속대역의 파장을 발산하기 때문에 원하는 파장을 얻기 위해서는 filter가 필요
• KrF와 ArF는 Eximer laser를 사용하는데, 이는 기체의 들뜬 상태와 바닥 상태 사이에서 발생하는 들뜬 에너지를 이용합니다.
  • 들뜬 에너지는 기체의 종류마다 일정하므로 특정 파장만을 방출
• EUV는 레이저를 주석에 맞춰서 나온 플라즈마가 방출하는 빛을 이용한 것으로 극단파장을 이용하므로 공기에 흡수되는 양이 많습니다.

엑시머 레이저 광원의 생성 원리에 대해 설명하시오

• 들뜬 상태의 이합체인 엑시머는 정상 상태에서는 분자를 이루지 못하나, 순간적으로 많은 에너지를 가하면 엑시머가 급속히 분리되었다가 일시적으로 들뜬 상태에서 결합합니다.
• 들뜬 상태에서 다시 바닥 상태로 돌아올 때 고유한 파장을 방출하며 이 빛을 사용합니다.

UV 광원

• 수은 램프에서 발생한 빛을 사용

• 연속대역의 파장을 발산하므로 원하는 파장을 제외한 나머지 빛을 제거하는 필터를 사용해야 함
• 램프를 켜고 빛이 안정하게 나올때까지 걸리는 시간이 있어 DOSE를 조절하기 위해 Shutter가 필수적임

DUV 광원

• DUV 광원인 KrF와 ArF는 엑시머 레이저를 사용
• 주로 불활성 기체와 할로겐 기체의 이합체를 엑시머라 하며, 대표적으로 KrF와 ArF가 있음
• 수은 램프와 달리 에너지를 주는 시간동안에만 빛이 방출됨
  • 광량의 미세한 조절이 가능

PR의 역할은 무엇이고 종류는 어떤 것이 있는지 설명하세요.

• resin, PAC, 용매로 구성된 PR은 빛을 받았을 때 물리적,화학적 성질이 변하는 물질이며 이러한 특성을 바탕으로 패턴을 정의할 때 사용됩니다.
• Positive PR은 PR 내의 PAC가 빛을 받아 분자 구조가 바뀌며 특정 용매에 용해됩니다.
  • 일반적으로 빛을 받으면 수산화기를 가져 염기성 용액에 반응성이 좋습니다
• Negative PR은 빛을 받으면 PAC가 반응을 하면서 고분자 수지들끼리 Cross linking하여, 빛을 받지 않은 부분만 제거 됩니다.
• Positive PR이 resolution이 더 좋으며 negative PR은 swelling같은 문제점이 발생해 positive를 주로 사용합니다.
• PR은 사용하는 빛의 파장에 따라서도 구분이 가능
• DUV는 UV에 비해 빛의 세기가 감소하여, 이를 위해 적은 세기에도 패턴을 형성할 수 있는 CAR PR을 사용합니다.
  • CAR은 PAG를 가지고 있으며 PAG는 노광 후 PEB과정에서 산을 내놓아 레진을 변형시킵니다. 이때 레진이 변형되면서 다시 산을 내놓게 되고, 이 과정이 반복 증폭됩니다.

PR의 열 안정성이 중요한 이유를 설명하세요

• PR은 열에 따라서 쉽게 변성되기 때문에 열안정성이 중요합니다.
• 특히 CAR의 경우 노광 후 PEB 과정에서 열을 받아 PAG가 변형되는데, 열 안정성이 낮은 경우 부분별로 PAG의 변형도가 달라질 수 있기 때문이다.

Novolac-DNQ : UV용 PR

• g-line, i-line 용 PR로 사용하는 물질
• Novolac은 OH기로 인해 염기성 현상액에 잘 용해되나 DNQ와 결합할 경우 OH기를 DNQ가 대체하여 용해가 잘 되지 않음
• 빛을 쐬며 DNQ가 떨어져 나가 다시 염기성 현상액에 잘 녹게 됨

CAR(Chemical Amplification resist) PR: DUV용 PR

• UV에 비해 빛의 세기가 감소하여 이를 극복하기 위해 낮은 세기에도 패턴을 형성할 수 있는 CAR PR을 사용
• CAR은 PAG를 가지고 있으며 PAG는 노광 후 PEB과정에서 산을 내놓아 레진을 변형시킵니다. 이때 레진이 변형되면서 다시 산을 내놓게 되고, 이 과정이 반복 증폭됩니다.
• PAG가 없을 경우 감응성이 매우 낮지만, PAG를 통해 1000배 가까이 증폭시킬 수 있음

EUV용 PR

CAR 방식

• DUV용은 PAG가 광자에 직접 반응하여 산을 생성하고, 생성된 산이 레진의 보호기를 제거해 다시 산을 생성하는 방식
• EUV용은 폴리머를 먼저 반응시키고, 폴리머가 분해되면서 생성되는 2차전자가 PAG를 반응시키는 방식
• DUV는 acid가 빛의 입사와 동시에 생성되지만, EUV는 2차 전자 생성이란 전단계가 수반되므로 효율이 떨어짐
• EUV는 광자의 수가 너무 적으며 이 때문에 샷 노이즈 문제가 발생

포토 공정에서 발생하는 패터닝 불량에 대해 설명하세요

포토 공정의 원리와 파라미터에 대해 설명하세요

• 노광 공정에서 가장 중요한 파라미터는 resolution과 DOF입니다. resolution은 웨이퍼 상에 전사 가능한 최소 선폭을 의미합니다. DOF는 렌즈의 초점으로부터 상하로 얼마까지 움직여도 노광이 가능한지 그 범위를 나타냅니다. 이 범위 안에 PR의 전 영역이 들어와야 노광 공정을 진행할 수 있습니다. 따라서 resolution은 작을수록, dof는 클수록 우수한 성질입니다.

• 현재 양산에서 사용하고 있는 노광방식은 렌즈를 이용해 축소 노광을 하는 projection type입니다. projection type에서는 해상도가 렌즈의 개구수, 빛의 파장, 매질의 굴절률에 따라 결정되며, 이를 나타낸 식을 rayleigh 방정식이라고 합니다. dof도 해상도와 유사한 수식을 가지므로 따라서 이 둘은 동시에 개선하기는 어려운 trade-off 관계를 가집니다.

• 이를 개선하는 방법은 빛이 통과하는 매질을 공기보다 굴절률이 높은 것으로 바꾸는 것입니다. 이 경우 둘 다 개선이 가능하며 실제로 액침 고광이 이러한 방법을 사용하고 있습니다.

Immersion lithography

• 렌즈와 PR 사이에 액체를 매질로 사용하는 방식입니다.
• 공기보다 굴절률이 큰 액체를 사용하게 되면 입사하는 빛이 굴절되면서 더 잘 모여 DOF를 향상시킵니다.
• 또한, 공기 중에서는 전반사 때문에 사용하지 못하는 큰 렌즈를 사용하여 해상도를 개선할 수 있습니다.
• PR이 물과 맞닿아 용해될 수 있으며 PR 표면에 미세 방울이 잔존하여 결함을 유발하는 단점이 있습니다.=> PR의 소수성을 강화하고 물과 PR의 상호작용 방지를 위해 Top coat 도입

해상도 개선 방법(공정 상수 감소)

Off Axis Illumination

• 0차광을 경사지게 입사시키는 기법
• 마스크에 의한 회절 각도가 커지더라도 +1 또는 -1차광이 렌즈 내로 안정적으로 들어가 해상도를 개선할 수 있음

PSM

• 마스크 내의 인접한 패턴의 위상을 180도 바꿔서 만든 마스크
• 서로 인접한 패턴에서 나오는 빛의 소멸 간섭 효과가 발생하여 해상도를 개선할 수 있음
• Phase shift 물질을 바르는 식으로 제작

OPC(Optical proximity Correction)

• 마스크 내 패턴이 최대한 근사하게 웨이퍼에 전사될 수 있도록 왜곡이 예상되는 부분의 패턴을 인위적으로 변조한 마스크

ARC(Anti-reflective Coating)

• PR 상부 혹은 하부에 도포하는 얇은 반사 방지막
• ARC 막은 웨이퍼에 조사한 빛이 반사될 때 반사광을 최소화함으로써 standing wave effect를 감소시켜 해상도를 개선

DOF와 CMP의 관계

공정이 미세화되면서 해상도를 향상시키기 위해 계속해서 더 짧은 파장의 빛을 이용하고 있습니다. 따라서 DOF는 점점 작아지고 있으며, 단차가 DOF의 범위를 벗어나는 경우 패턴을 형성할 수 없는 이슈가 발생합니다. 이를 해결하기 위해 평탄도를 최적화하는 CMP 공정 도입

멀티 패터닝에 대해 설명하세요.

• 단일패터닝의 한계: 공정이 점점 미세화되면서 단일패터닝으로는 미세 패턴을 형성하기 어려워졌습니다. ArFi 공정으로 가능한 pitch는 80nm 수준입니다. 이보다 작은 패턴을 구현하기 위해선 패턴을 두 번 이상으로 나눠 진행하는 멀티 패터닝이 필요하며 대표적으로 LELE와 SADP가 있습니다.

• LELE 방식은 패턴의 간격을 넓게 띄어놓은 2장의 마스크로 각각 포토 및 식각 공정을 진행합니다.

• SADP 방식은 스페이서를 이용해 Etch back 공정으로 패턴을 만드는 기법입니다. 포토 공정을 한 번으로 끝낼 수 있다는 장점이 있습니다.

• 멀티 패터닝은 미세 패턴을 형성할 수 있다는 장점을 가지고 있으나 공정 스텝이 증가한다는 단점도 존재합니다.

EUV에 대해 설명하고 장점이 무엇인지 설명하세요.

• 해상도를 향상시키기 위해 멀티패터닝과 같은 공정적 기법이 시도되었으나 이는 공정 원가 상승 및 제조 시간이 증가하는 문제를 발생시켰습니다. 그 대안으로 출현한 것이 EUV입니다.
• EUV는 13.5nm의 극단파장의 고에너지의 빛을 사용하여 해상도를 향상시키는 차세대 노광기술입니다. EUV 광원은 액체 상태의 주석 방울에 출력이 높은 CO2 레이저를 조사하여 만듭니다. 이 과정에서 주석 원자의 Excited된 전자가 바닥 상태로 가면서 방출하는 빛이 EUV입니다.
• EUV는 매우 고에너지를 가지므로 공기 중에 빛이 흡수됩니다. 이를 막기 위해 진공의 챔버에서 조사를 진행해야 하며, 렌즈와 마스크에도 EUV가 잘 흡수되므로 기존의 투과형 렌즈와 마스크를 사용할 수 없습니다. 따라서 Si과 몰리브덴 멀티 레이어의 렌즈와 마스크를 써야만 공정이 가능합니다.

현재 EUV에서 개선하고 있는 항목에는 무엇이 있는지 설명하세요.

• 아직 EUV 파장에 맞는 최적의 PR이 무엇인지 결정되지 않아, PR개발에 매진하고 있음
• 광학계 역시 지속적인 개발이 필요합니다. 현재 양산에 보급된 NA 수치가 매우 낮아 High NA가 개발에 매진하고 있음

EUV 장점

• 공정 스텝 수가 감소하여 생산성이 증가합니다. 비용보다는 스텝 수 감소에 의한 납기 단축에서 우수한 평가를 받습니다.
• 초미세 공정의 경우, EUV 설비의 NA가 낮아 EUV로도 멀티 패터닝을 하는 경우가 있음
  • 이를 개선하기 위해 High-NA 개발이 필요한 상황입니다.

EUV 광원

• 액화시킨 주석 방울을 떨어뜨리고, 여기에 co2레이저를 입사하여 플라즈마를 형성시킴
• 플라즈마 속에는 주석 이온과 전자들이 존재하며, excitation된 후 이완된 전자로부터 방출되는 에너지가 바로 13.4nm의 파장
• 생성된 빛은 collecor로 모아 광학게로 전달합니다.
• 양산에 도입된 EUV 설비는 레이저에 의해 플라즈마화 되고 그 과정 중에 EUV를 방출하는 Laser Produced Plasma(LPP) 방식으로 광원을 만들고 있음

EUV 광학계

• EUV는 파장이 짧아 매질에 잘 흡수됨

• 기존의 렌즈를 사용하여 빛을 투과하거나 굴절시키는 Projection type으로는 사용할 수 없으며, 반사경을 사용하여 빛을 반사시키는 기법을 사용함

• 효율적인 빛으 전달을 위해 다층박막 반사경을 이용하며 다층박막 반사경에서 극자외선이 반사되는 원리는 Bragg 법칙으로 설명할 수 있습니다.
  

• 반사경에는 Mo와 Si가 가장 많이 쓰이고 있으며, 반사경의 반사 효율은 70% 정도밖에 되지 않음

• 반사도 개선을 위해 표면 거칠기를 줄이고 결함을 없애는 것이 중요

EUV 마스크

• 기존의 쿼츠에 크롬을 이용한 투과형을 사용하면 에너지 손실이 매우 크기 때문에 사용할 수 없고, 반사형 마스크를 사용함
• 마스크에서 반사되는 영역과 흡수되는 영역의 패턴을 만들면 웨이퍼에는 반사되는 패턴의 극자외선만 전사되게 되어 PR과 광화학적 반응을 하게 됨
• EUV 마스크의 기판은 마스크에 흡수되는 에너지에 의해 변형되는 것을 방지하기 위해 열팽창계수가 작은 물질을 사용하고 있음

EUV 펠리클

• 펠리클은 입자와 먼지로부터 마스클을 보호해주는 고분자 초박막 필름 형태의 소재

• 펠리클을 사용하게 되면 반사율이 저하되므로 이를 최소화하기 위해 펠리클의 투과율과 안정성을 극대화시켜야 합니다.