1-5 photolithography(포토리소그래피) 공정_Expose(1)

photolithography(포토리소그래피) 공정_Expose(1)

 

photolithography(포토리소그래피) 공정 순서

HMDS도포(wafer prime) - PR Coating - soft bake - Expose - PEB(Post Exposure Bake) - Develop - hard bake

 

Expose는 Mask를 통과한 빛이 PR위로 전사되어 회로 패턴을 새기는 공정입니다.

Mask 또는 Reticle는 반도체 wafer위에 쌓이는 한 layer에 해당하는 회로 정보를 담고 있습니다. 현재는 Mask를 통과한 빛이 wafer위에 4:1로 축소되어 노광되는 4:1 Mask가 주류를 이루고 있습니다.

*Mask, Reticle : 요즘은 용어 구분 없이 사용하고 있습니다.

회로 설계자가 트랜지스터, 저항, 다이오드 등을 사용하여 회로를 구성하고 그 회로를 소프트웨어 툴을 사용해 Mask상에 평면도(layout) 형태로 변환되어 들어갑니다. 그 회로를 wafer위에 전사시켜야겠죠?

회로를 wafer위에 전사시키고 싶은 부분, 즉 빛이 통과될 부분을 제외한 나머지 부분을 Cr(크롬)으로 막아줍니다.

 

Cr으로 막히지 않은 부분은 빛이 통과되어 wafer위 PR에 전사 -> 빛을 받은 PR을 용액으로 제거(Develop) -> 그 후 PR이 제거된 부분을 Etch라는 공정을 통해 깎아냄(제거되지 않은 PR은 깎아내는 Etch공정에서 보호막 역할을 합니다) -> 남은 PR을 제거

이 과정을 통해 wafer위 깎아내고 싶은 부분만 깎아내 원하는 회로를 wafer위 쌓인 막질 위에 담을 수 있습니다.

이러한 layer가 수십 개가 쌓이고 8대 공정이 반도체 회사에서 정해진 순서에 따라 반복되게 됩니다.

 

 

다음은 Exposure(노광) 장비의 종류에 대해 알아보겠습니다. 노광장비는 Shot단위로 사진 찍듯, 도장 찍듯 찍어내는 Stepper(스태퍼)와 펜으로 그림 그리듯 그리는 Scanner로 구성되어 있습니다.

 

Stepper와 Scanner

 

위에는 wafer의 사진을 가져와 봤습니다. 회로가 새겨져 완성된 wafer의 모습입니다.

*실제로 저렇게 눈에 잘 보이지는 않습니다. 훨씬 작습니다.

빨간색 큰 네모를 Shot이라고 하고 작은 네모를 Chip이라고 합니다. Stepper는 Mask를 통과한 빛을 Shot단위로 찍어가며 공정을 진행합니다. Scanner는 저 회로를 그림 그리듯 회로를 그려가며 노광을 하는 방식이라고 이해하시면 됩니다.

최신 공정은 대부분 Scanner를 사용합니다. 갈수록 미세화되는 공정으로 인해 wafer위에 새겨지는 Pattern의 폭이 매우 얇아졌습니다. 그로인에 수차 문제가 발생하게 되었습니다. 수차는 쉽게 말해 빛의 초점입니다. 카메라 찍을 때 초점이 안 맞으면 흐리게 나오죠? 그와 마찬가지로 더 얇은 패턴을 새기기 위해서는 더 정밀한 수차 Control이 필요합니다.

Stepper는 shot단위로 한 번에 찍는데 반해 Scanner는 그림 그리듯 빛을 쏴줍니다. 빛은 렌즈를 통과하는데 렌즈는 평평할까요? 볼록렌즈를 떠올리시면 아시겠지만 굴곡이 져 있습니다. 여기서 Scanner는 이 렌즈의 두께 차이를 최대한 없는 방향으로 노광 시킬 수 있기 때문에 미세화된 Pattern에는 Scanner가 주로 쓰이게 발전하게 되었습니다.

 

 

 

다음은 노광방법 3가지를 알아보겠습니다.

 

접촉 노광법(Contact Exposure)

초기에 노광장비는 접촉 노광법을 사용했습니다. 위와 같이 Mask와 PR을 붙여서 노광하는 방식을 의미합니다.

빛이 Mask를 통과해 즉시 노광되기 때문에 빛에서 발생할 수 있는 회절과 같은 문제가 최소화되어 고해상도의 패턴을 얻을 수 있었습니다.

단점 : Mask는 매우 값비싼 재료입니다. 저렇게 PR과 붙여서 공정을 진행한다면 PR이 Mask에 묻어 Mask 손상이 일어날 수 있습니다.

 

근접 노광법(Proximity Exposure)

그 후 기술이 발전하여 근접 노광법이 개발되었습니다. Mask와 PR사이 간격을 위와 같이 조금 띄어 노광하는 방식입니다. 이로써 접촉 노광법에서 생긴 PR이물질이 Mask에 묻는 문제는 사라졌습니다.

단점 : 노광중 PR에서 발생한 Gas로 인해 빛이 제 방향으로 진행하지 못해 해상도 저하를 가져왔습니다. 간격도 벌어졌기 때문에 회절 현상도 이 전 방법에 비해 심화되었습니다.

 

투사 노광법(Projection Exposure)

이후 위 그림과 같이 Mask를 여러 렌즈들 사이에 두는 투사 노광법이 개발되었습니다. Mask의 수명이 연장되었고, 더 많은 렌즈, 더 큰 렌즈를 사용하는 방식으로 나아갈 수 있게 되었습니다.

 

 

여기서 왜 더 큰 렌즈를 사용하는 게 좋을까요? 이는 Photolithography를 공부하며 빠질 수 없는 Na에 관한 공식에서 비롯된 것입니다. 이 부분은 다음 글에서 상세하게 적어보겠습니다.