[엔지닉] 반도체 8대 공정의 첫걸음, 포토 공정

안녕하세요, 동동이입니다😆
엔지닉 반도체 빡공스터디 5일차, 포토 공정입니다.

정리 시작하겠습니다😊

5일차 인증

5일차 인증

포토 공정
- 반도체 회로 정보를 담고 있는 마스크 상의 패턴을 웨이퍼 상에 도포되어 있는 포토레지스트(Photoresist, PR)에 전사시키는 과정
- PR은 후속 식각 및 이온 주입 공정의 차단막 역할을 함
※ 양성 PR : 빛을 받은 부분이 현상 시 현상액에 대해 불용성 → 용해성으로 바뀜
음성 PR : 빛을 받은 부분이 Cross-linking이 형성되어 현상 시 불용해됨.

포토 마스크
- 반도체 회로 정보를 담고 있는 정밀한 원판으로 석영(quartz) 기판 위에 증착된 차광막(Cr)에 전기적 회로를 형성화 한 판
- 원재료 (blank mask, Quartz+Cr)에 PR 도포, layout CAD data를 넣은 E-beam writer로 노광
→ 현상, 크롬 식각 → PR 제거, 측정 및 검사, 수정 → 펠리클 부착 (pellicle, mask 보호)

포토 세부 공정
세정 > HMDS 처리 > PR 도포 > 소프트베이크 > 정렬&노광 > PEB > 현상 > 하드베이크 > 현상 후 검사

1) HMDS 처리(Hexa-Methyl Di-Silazane)
- 웨이퍼 표면에 vaporize 해서 도포함
- 웨이퍼 표면은 친수성, PR은 소수성이기 때문에 접착력 증가를 위해 약 150℃에서 도포함

2) PR 도포
- PR은 고분자수지, 감광제, 용제로 구성됨 → 소수성임.
- 회전 도포기의 노즐로 웨이퍼에 분사함
- 회전속도, 점도 조절로 PR 도포의 두께를 조절함
- 회전도포시 대부분의 용제는 휘발됨

3) 소프트 베이크
- 90~110 ºC Hot Chuck 또는 오븐
- PR 내 잔류 용매를 제거함

4) 정렬 및 노광(Align & Exposure)
- 정렬 : 이전 형성된 층과의 위치 정합성을 맞춤
- 노광 : 마스크에 빛을 조사하여 PR의 화학적 반응을 유도

5) 노광 후 베이크(Post Exposure Bake)
- PR의 화학 작용을 촉진시킴
- 음성 PR의 Cross-linking → UV용 PR의 경우 음성 PR은 빛 조사 만으로 Cross-linking이 되지 않아, PEB를 해줌
- 정재파 현상에 의한 PR 측별 물결 모양을 완화함 → 이 부분을 수직화 해줌
- 화학 증폭형 PR의 Acid 발생 촉진 → PEB가 필수임.

6) 현상(Develop)
- 현상액 분사를 해, 선택적으로 PR을 제거함
- 양성 PR이 미세화에 유리함.

7) 하드 베이크(Hard Bake)
- PR 내 잔류 용매, 현상액 제거
- 후속 공정을 위해 PR을 더욱 견고히 하기 위함
- 100~120 ºC

8) 현상 후 검사
- Critical Dimension / 정렬 오차(Overlay) / 패턴 및 이물질 검사

포토 공정 설비
1) Track 설비
- 정렬 및 노광 공정을 제외한 나머지 공정임
- Bake 과정 후 Chilling 과정을 거치는데, 이는 후속 공정 영향 최소화 및 웨이퍼 열팽창을 방지하기 위함임
- 트랙 + 노광 설비 : Track-Stepper(Scanner) System
- 적층 트랙(Stacked Track) 시스템 : 면적을 줄이고 비용을 낮춘 시스템임

2) 노광 설비
- 노광 시스템 : 접촉 노광(Contact) →근접 노광(Proximity) → 투사 노광(Projection)
- 노광원 : 단 파장화(Short wave-length) → 해상도 개선
- 접촉 노광법(Contact) : 회절을 최소화 →고해상도이나, 웨이퍼나 마스크 손상이 커짐
- 근접 노광법(Proximity) : 마스크 교체가 용이하고, 손상이 적나, 회절로 인한 해상도에 한계가 있음
- 투사 노광법(Projection) : 마스크-웨이퍼 사이 렌즈로 회절된 빛 중 일부를 집속시켜서 노광 → Defect Free, 고해상도 구현이 가능하며 축소 노광이기 때문에 마스크 제작이 용이함.

3) 노광 공정 원리
- 빛의 굴절, 간섭, 반사 특성을 이용하여 마스크 상의 정보를 웨이퍼의 PR에 전달하는 과정이며, 회절된 빛을 얼마나 많이 렌즈로 모을 수 있는가가 관건임
- 회절을 줄이기 위해 단파장을 사용하고, 넓은 Slit 사용이 필요함 (단, 반도체가 미세화짐에 따라 Slit가 좁아져, 단파장을 사용함)
파장을 줄이거나, 렌즈를 크게 만들어야 됨.

노광 공정 파라미터
- 해상도 (분해능, Resolution)
웨이퍼 상에 전사 가능한 최소 패턴의 크기이며, 작을수록 고해상도임.
- 초점 심도(Depth Of Focus, DOF)
최적 초점면의 앞뒤로 선명한 상을 얻을 수 있는 거리며, 클수록 DOF 여유가 좋음을 의미함.
PR 두께가 DOF 안에 들어가야 노광이 잘 됨.

- 해상도를 개선시키기 위해, 고 NA화 - 불화 아르곤 액침 노광(ArF Immersion)
렌즈와 웨이퍼 사이 공기 대신 고 굴절률 매질을 사용.
동일 NA → 굴절률 ↑ → 굴절 각도 ↓ → 해상도 개선이 없음
웨이퍼로 입사되는 빛의 전반사 임계각도 증가 → 대구경 렌즈 사용 가능 → 해상도 개선 가능

1. 노광 공정의 원리를 정리해보세요.
- 노광 공정 : 마스크에 빛을 조사하여 PR의 화학적 반응을 유도하는 공정임.
- 빛의 굴절, 간섭, 반사 특성을 이용하여 마스크 상의 정보를 웨이퍼의 PR에 전달하는 과정이며, 회절된 빛을 얼마나 많이 렌즈로 모을 수 있는가가 관건임
- 회절을 줄이기 위해 단파장을 사용하고, 넓은 Slit 사용이 필요함 (단, 반도체가 미세화짐에 따라 Slit가 좁아져, 단파장을 사용함) 즉, 파장을 줄이거나, 렌즈를 크게 만들어야 됨.

2. 해상도 개선을 위해 레일레이의 공식의 공정 상수를 감소시키는 기술에 대해 정리해보세요.
- 레일레이의 공식 (\(R = k_1\frac{\lambda }{NA}\)) 공정 상수(\(k_1)\)을 줄이기 위해, 크게 4가지 기술이 있음.
1) 비 등축 조명 노광 (Off Axis Illumination / OAI)
- 마스크에 경사지게 빛을 입사시켜 (빛의 사입사) 0차광과 +1 또는 -1차광을 집광시켜 해상도를 개선시킴
2) 위상 반전 마스크 (Phase Shift Mask / PSM)
- 마스크의 석영 부분에 반전 물질(Shifter)를 설치하면, Shifter 부분을 통과한 빛의 위상이 180도 변화하게 됨.
- 진폭이 반전되면 빛의 강도는 진폭의 제곱이며, 빛이 중첩된 부분에서 상쇄 간섭되어 해상도를 개선시킴​
3) 광 근접 보정 (Optical Proximity Correction)
- 의도한 설계 평면도와 유사한 PR 패턴이 형성되도록 설계 평면도상 패턴의 일부를 보정하는 기술임
4) 반사 방지층 코팅 (Anti-Reflective Coatin / ARC)
- 웨이퍼의 하부층은 빛의 반사 및 산란이 일어나 해상도 및 DOF가 열화됨.
- PR 상하부에 TARC, BARC 물질을 사용해 빛의 반사를 최소화 시키거나 흡수하는 기술임.