[Photolithography (1) /S.M.T.] 포토리소그래피 용어 정리

포토리소그래피 공정은(이하 포토 공정)

사용자가 원하는 마스크(Mask)상에 설계된 패턴을 웨이퍼(Wafer)상에 구현하는 과정을 뜻한다. 

Photolithography 의 사전적 의미.
Photo + Litho + Graphy 로 나눌 수있으며 그리스 어로 기원을 나누어 보면 
Linght + Stone + Writing 이다.
어원을 직독직해하면 '빛을 이용하여 돌에 글을 쓴다.'이다.
그럼 포토리소그래피 공정이라 함은
빛을 이용하여 Wafer에 원하는 Pattern을 새긴다. 라고 해석 할 수 있다.

실제 포토 공정의 본질은 뒤이어 오는 공정인 이온 주입과 식각 공정에 주로 사용되며 Wafer위에 임시 회로구조를 인쇄하는 것이다. 그리고 포토공정은 빛을 이용해 세밀히 작업을 할 수 있어서 반도체 Chip의 집적화에 큰 기여를 하였다.

학습목표 1. 포토리소그래피의 기본 개념에 대하여 설명 가능하고, Process 개요, CD(Critical dimension) generations, Light spectrum, resolution, Process Latitude 에 대하여 설명할 수 있다. 2. Negative & Positive lithography의 다른 점을 나누어 설명할 수 있다. 3. 포토공정을 8개의 basic steps로 나누어 설명할 수 있다. 4. Wafer의 표면은 포토공정을 위해서 어떻게 준비되는지 설명할 수 있다. 5. Photoresist를 설명하고 물리적 특성에 대하여 설명 할 수 있다. 6. 기존의 i-line photoresist 의 응용 및 화학적 방식을 설명할 수 있다. 7. 화학적으로 증폭된 레지스트를 포함하여 Deep UV(DUV) resists에 대하여 화학적 기능과 장점들을 설명할 수 있다. 8. Wafer manufacturing에 적용된 photoresist를 설명할 수 있다. 9. Soft bake의 목적을 설명할 수 있고,  생산과정에서 어떻게 달성될 수 있는지 설명할 수 있다.

---

1. 서론 (Photolithography 용어 정리)

포토공정은 웨이퍼 포면에 3차원 패턴을 만들어준다. 그러므로 '프린팅'이라고도 불린다.

또한 요즘은 더 세밀한 공정을 하므로 microlithography(마이크로리소그래피)라고도 한다.

Photolithography의 개념

<Wafer Fabrication Process Flow>

위 그림에서 보다시피 'Photo'공정이 이미지의 중앙에 있는 것을 볼 수 있다.

즉 Wafer fabrication에서 Photo 공정은 웨이퍼 제조비용의 상당부분을 포토공정에 사용하고 있다고 생각해도 될 것이다.

 

 -Reticle(레티클)

 

 

Reticle이란 Wafer에 복제되기 위한 Pattern을 포함한 하나의 석영판(SiO2 재질)이다. 

보통 요즘은 Reticle을 Mask고도 쓴다.(실제로 Mask는 1:1을 뜻하고 Reticle은 4:1 등 다양함.) 

이것은 계속적으로 사용이 되며 Wafer위에서 반복적으로 위치를 바꿔가며 작업을 할 수 있다.

결국 Wafer위에 4:1, 5:1, 10:1 등의 Reticle을 올려놓고 빛을 투영시켜 Wafer에 포토공정을 하게 된다.

 

-Critical Dimension Generations (CD = 임계 치수 = 쉽게 '최소 선폭')

가장 작은 선폭이라고 보면 된다. (지름이 될 수도 있고 선이 될 수도 있으나 어쨋든 가장 작은 것)

보통 반도체에서 수직으로 쌓을 때는 Overlay를 보게 되고 수평으로 볼때는 CD를 보게 된다.

일반적으로 Pattern사이의 거리를 뜻하며 Reticle의 Pattern을 노광시켜 Wafer에 그리는 포토 공정을 생각해본다면 Reticle 상의 CD 값은 Wafer상의 CD값에 큰 영향을 준다. CD는 사실 원하는대로 찍혀야되는데 이게 원하는대로 안찍힐 경우 좋지않다. 그래서 이러한 CD의 균일도를 CD Uniformity라고도 한다.

또한 CD가 작을 수록 하나의 Wafer에 들어가는 Die 수들이 더 많아지게 된다. 그러므로 제조비용을 낮추고 이익을 증가시킬 수 있다.

 

-Light Spectrum(광 스펙트럼)

Photoresist를 활성화시키고 Reticle로부터 Pattern을 Wafer상에 전달하기 위해서는 Energy가 요구된다.

보통 이러한 Energy는 UV(자외선)형태로 되어있다. 

추후 설명할 것이지만 빛에 민감한 Photoresist는 사실 특정한 UV파장에 화학적으로 변동이 일어난다.(그렇게 설계 됨.)

 

<Section ofr the Electromagnetic Spectrum>

위 그림에서 보다시피 UV의 영역은 가시광선(Visible)근처에 있으며 UV내부를 자세히 보면 g, h, i , DUV, VUV 등이 있는 것을 확인할 수 있다. 매우 과거에는 g-line uv를 많이 사용하였으나 1µm급에서 i-line을 사용하게 되었고 0.25µm 에서는 DUV 그리고 2010년대부터는 DUV영역을 많이 사용하기 시작하였다.

<365 = i-line, 248 = DUV(KrF), 193 = DUV(ArF) 암기하삼.>

 그렇다면 왜 점점 파장의 길이(nm)가 더 작은 단위(g부터 VUV까지)로 이동하게 되었을까?

사실 저 파장의 길이 자체가 CD와 비례한다고 생각하면된다.... 즉 더 작은 숫자로 갈수록 더 작고 세밀한 공정이 가능해져 점점 VUV까지 가고있다.

현재 EUV(Extreme UV)(soft X-ray라 불리기도 함.)단계로 가면서 13.5nm까지 하고 있다고 한다.

헌데 왜 EUV를 다들 쓰지않고 여러 파장들을 쓸까?

사실 EUV는 다루기 어렵다. 왜냐하면 짧은 파장을 가지는 EUV 까지 내려가게 되면 일반적인 공기중이나 물질을 지나갈때 흡수되어 버리는 성질을 가지기 때문이다. 그래서 장비 내부의 공기나 렌즈를 통과하게 되면 빛의 세기가 약해져서 다루기 어려워지고 진공을 만들고 특수 렌즈를 만들어줘야 그나마 공정이 될 수 있다고 한다. 그래서 장비가 비싸다...

내가 알기로는 ASML의 EUV 노광장비는 대당 2000억정도 하는 것으로 알고 있다. (사실 기계자체는 살텐데... 기술이 비싸당...)

 

-Resolution(레졸루션)

'해상도', '분해능' 라고도 하며 쉽게말하면 Mask Pattern을 노광하였을 때 만들어지는 최소의 크기를 의미한다. 

즉 다시말하면 Wafer 표면에 전사할 수 있는 최소의 크기를 뜻한다. 작을수록 좋다는 뜻이다.

그러므로 Resolution이 좋으면 더 작은 선폭을 구현 하여 더 작은 크기를 만들 수 있다로 해석할 수 있다.

이 Resolution은 공식이 있는데 알아두면 좋으니 설명하겠다~

 

<R = Resolution, K = 상수, NA = Numerical Aperture(개구수), λ = 파장길이)

<NA = Numerical Aperture (렌즈의 개구수)>

 

-Overlay Accuracy (오버레이 정밀도)

Overlay Accuracy는 '수직으로 겹칠 때 얼만큼 정밀히 겹치는가?' 이다.

Overlay Budget이라고 있는데 이 말은 '얼만큼 수직으로 겹치는 오차를 허용할 것이가'이다. 

장비의 진동이 문제를 줄 수도 있고, 각 Step(Etch, Photo, ion-implant 등)을 왔다갔다하면 에러 나올 수도 있음.

 

-Process latitude (공정 허용도)

공정에는 다양한 변수가 존재한다. 예를 들어 장비 세팅, 재료의 유형 , 사람의 능력, 기계의 정렬 상태 등이 있는데 여기서 Process latitude란 결국 Photo공정의 성능을 잘 이끌어내기 위한 요구 사항이다. 

Process latitude 가 크면 목적(우수한 제품의 생산을 가능하도록 일관되게 유지하는 것)달성이 쉬우므로 공정 기술자들을 Process latitude가 크도록 유지하는데 힘을 쓰게 된다. 

또한 Process latitude가 크게 되면 생산 중 발생하는 공정 변동이 있다고 하더라도 기술자가 지정한 CD를 잘 뽑아낼 수 있다.

 

---

 

 

※참고자료: Michael Quirk & Julian Serda, Semiconductor Manufacturing Technology, PEARSON 2001

※참고자료: 나무위키(Photolithography), OLYMPUS, WIKIPEDIA

※Copyright 2011 Prentice Hall. All rights reserved.

※본 게시물 속 내용을 통해 직접적으로 상업적인 목적이 없으며 게시물은 개인 공부 목적 및 지식 간단 연구목적으로 사용되었음을 명시함. 책 및 인터넷 검색을 참고자료로 하여 실습 및 학습을 한 내용을 올림. 참고한 책 및 인터넷 검색물의 저작권을 존중하므로 책 및 인터넷 저작물의 일부 또는 전부를 무단 복제 및 무단 전재 및 재배포하지 않음(일부라 함은 30%이하의 내용 중복은 불포함[30%이하는 다른 저작물로 간주]). 또한 책 또는 매체를 구매하지 않고는 정확한 내용을 알 수 없으며 개인이 따로 공부한 내용도 추가 되어 책과는 내용이 매우 상이할 수 있음.즉 본 게시물 작성자는 이 게시물을 읽는 모든 사람들이 책을 구매거나 인터넷 검색을 더하여 지식을 같이 나누었으면 좋겠음.

※저작권법 제 28조: 공표된 저작물은 보도, 비평, 교육, 연구 등을 위하여는 정당한 범위 안에서 공정한 관행에 합치되게 이를 이용할 수 있다.

※저작권법에 의거 본 게시물은 원저작물에 대한 수요를 대체하지 아니하며 일반적인 관념, 수록형태를 모두 준수함.