1-10 photolithography(포토리소그래피) 공정_Pellicle, PR소재

1-10 photolithography(포토리소그래피) 공정_Pellicle, Photoresist(포토레지스트) 소재

 

이제 포토공정과정은 한 번씩 훑었으니 그동안 못 다뤄봤던 주제들을 다뤄보려고 합니다.

*제가 전자과 전공이므로 화학, 소재 쪽인 PR 소재는 많이 부족합니다. 얕게 알아가실 분들만 보시는 걸 추천드립니다.

Photoresist(포토레지스트) 소재

앞의 글에서는 Positive PR(양성 PR), Negative PR(음성 PR)만을 구분했습니다. 실제로는 사용하는 광원에 따라 PR 소재가 달라집니다.

UV(Ultra Violet : 자외선) : g-line(436nm) - i-line(356nm)

DUV(Deep UV) : KrF(248nm) - ArF(193nm)

 

UV용 Photoresist

g-line(436nm), i-line(356nm)

양성PR : 빛을 받으면 폴리머의 연결이 끊겨 현상액에 용해

음성 PR : 빛을 받으면 가교(Cross Link)에 의해 연결이 강해져 용해되지 않음

 

양성 Photoresist 구성

1) 노볼락 수지(Polymer)

2) Sensitizer(감광제)로는 DNQ(Diazonaphtaquinone compound)가 광활성 화합물(PAC : Photo Active Compound)로 작용.

3) Solvent(용제)

*Novolak(노볼락) type : 페놀수지(phenolic resin)를 의미, 포놀을 과량으로 사용해서 페놀수지를 만드면 노볼락, 포름알데히드를 과량으로 페놀수지를 만들면 레졸이라고 합니다.

*감광제 : 빛을 받으면 화학적 변화를 일으키는 물질.

Novolac Phenolic Resin

 

양성 PR이 어떻게 해서 빛(UV)을 받은 부분이 Develop(현상) 용액에 잘 용해가 되는 걸까요? 아래에서 알아보겠습니다.

 

양성 Photoresist의 광반응 원리

노볼락 수지는 대체로 염기성 수용액에 잘 용해되지만 DNQ와 혼합 시 염기성 현생액에 대한 용해도가 낮아짐

->하지만 DNQ가 자외선(UV)을 받으면 질소가 분리

->그 빈자리에 카보닐기가 들어가 Wolff 재배열

->H2O와 반응하여 카르복실산으로 바뀜

->이는 산성이므로 염기성 현상액에 용해가 잘 됨(주로 TMAH 같은 염기성 현상액을 사용한다고 합니다)

위와 같이 빛을 받은 부분이 산성으로 변해 염기성 현상액에 잘 용해되도록 성질이 바뀌는 원리입니다.

 

음성 Photoresist 구성

1) 고분자 수지(Polymer)

2) PAC

3) Solvent

 

음성 Photoresist의 광반응 원리

빛을 받으면 가교 결합에 의해 분자량 커짐

-> 빛을 받지 않은 부분 날아감

음성 PR이 양성 PR보다 Etch에서 더 잘 버티는 성질을 지닌다고 전 글에서 배웠습니다. 그 이유가 여기 가교 결합에 의해 빛을 받은 부분이 결합에 의해 내성이 우수해진다고 이해하시면 될 것 같습니다.

 

DUV용 PR

KrF(248nm)

KrF 빛은 에너지가 크기 때문에 일반 UV용 PR을 사용하게 되면 흡수돼버립니다. 흡수란 걸 이해하기 위해 아래와 같은 공식을 보고 오겠습니다.

E는 에너지, h는 플랑크 상수, c는 빛의 속도, 분모에 있는 란다는 빛의 파장을 의미합니다.

즉 위 공식에서 알 수 있듯이 빛의 파장이 줄어들면 에너지가 커집니다. 각 물질마다 고유의 에너지 준위가 있는데, 그 에너지 갭보다 큰 에너지의 빛이 들어오면 그 빛은 물질에 흡수되는 원리입니다.

따라서 소재를 UV용 PR에서 DUV용 PR로 변경이 필요했습니다.

그 결과 화학증폭형 PR(CAR : Chemical Amplificaion Resist)이 개발되었습니다.

 

화학증폭형 PR(CAR) 원리

 

CAR의 핵심 역할은 PAG(Photo Acid Generator)입니다.

화학증폭형 PR에 빛을 가하면 PAG에서 소수의 산 발생

->그 후 열처리하며 다시 산이 발생(열처리는 PEB에서 한다고 이해하시면 됩니다)

->산의 증폭 작용

이로 인해 빛을 받은 부분에 산의 증폭으로 염기성 수용액에 용해되는 원리입니다.

 

*ArF용 PR은 정보가 부족해 생략하겠습니다.

 

Pellicle

펠리클이란 Mask 표면을 대기 중 오염으로부터 보호해주는 보호막입니다. 만약 Mask표면에 오염물질이 묻는다면 노광 시 빛의 진행방향을 방해하여 노광 불량이 발생할 수 있습니다. 이를 방지하고자 Mask 겉에 보호막을 씌우는 것이 펠리클입니다.