[Photolithography (3.1)/S.M.T.] Wafer Prime / Vapor Prime

1) Vapor prime (=Wafer prime, 증기 및 웨이퍼 도포단계)

Vapor prime 또는 Wafer prime 단계라고 불리우며 Phtolithography의 첫번째 공정 단계이다.

*prime (뜻: to cover the surface of wood with a special paint before the main paint is put on, https://dictionary.cambridge.org/ko/%EC%82%AC%EC%A0%84/%EC%98%81%EC%96%B4/priming)은 상황에 맞추어 도포라고 하는 것이 맞다.

PRIMING | Cambridge English Dictionary에서의 의미

Photolithograpy의 첫번째 단계로서 다음 단계에 Photoreist가 잘 달라 붙고 균일하게 도포되도록 전처리하는 과정이다.

그러므로 Clean(세정), Dehydrate(건조) 단계를 거쳐 Wafer 표면이 깨끗하고 건조되도록 보장되어야 한다.

보통 세정을 할 때는 습식 세정을 하며 DI Water(=Deionized Water, 즉 이온이 제거된 상태의 물)도 이용하게 된다.

세정 후에 남은 DI Water의 성분을 날리기 위하여 필수적으로 탈수, 건조, 굽기 과정을 거치게 된다.

(수분증발로 인해 Bubble(거품끼) 제거)

마지막으로 Wafer는 HMDS를 증기화 하여 Wafer에 분사하여 Wafer surface를 Hydrophilic(친수성)에서 Hydrophobicity(소수성)으로 바꿔주는 역할을 한다. (다른방법으로는 N2가스를 이용하여 일정한 압력으로 불어넣어 강제로 HMDS가 막 위에 얇게 퍼지게 할 수도 있다.)

그리고 HMDS 도포 과정을 하면 이후에 올 PR(Photoresist) Coating과정에서 Adhesion(접착력)문제를 해결할 수 있다.

만약 이 과정 잘못되면 뒷 단계인 Spin coat 단계도 잘못되므로 Re-Work(리웍, 재시작)을 해야할 수도 있다.

※HMDS(Hexa-Methyl-Di-Silazane, =Adhesion promoter) 도포하는 이유 우리가 알고있는 Wafer는 Hydrophilic(친수성)이다. 그리고 PR(Photoresist)은 유기용매가 물질의 대부분을 차지하므로 기름과 같다생각하면된다(=Hydrophobicity(소수성)) 그런데 HMDS는 계면활성제 같은 것이다.(참고: HMDS는 Ploymer(고분자=분자들이 많이 공유결합되어있는 형태)이다.) 계면활성제란? 극성(친수성) 부분과 무극성(친유성/소수성) 부분을 동시에 가지고 있어서 물과 기름은 볼래 잘 섞이지 않아서 경계면을 형성하지만, 계면활성제가 들어가면 이 경계면이 활성화되어 섞이게 된다. 그래서 '계면활성제(界面活性劑)'. HMDS이 Si(실리콘)인 wafer(기판)에 붙어버리면 CH3가 Si와 붙어버려 표면은 비극성 상태(소수성)이 된다. 그래서 PR이 Wafer(기판)에 도포도 잘되게 되고 Adhesion이 잘되게 된다.

 

이제 이 단계에 대하여 단계 별로 설명하도록 하겠다.

 

① Wafer Cleaning (웨이퍼 세정)

원치 않는 Wafer surface의 오염은 금속 불순물, 유기물 오염, 자연 산화막 등이다. 이러한 오염원에는 사람을 포함해서 화학 공정, 장비 공정, 포장과 저장 공정, Wafer 취급 방법, 환경 상태 등이 있다.  또한 이러한 오염들은 사실 검출하기가 쉽지가 않다. 그러므로 Wafer Cleaning 단계가 중요하다. 그리고 특별한 오염들은 Resist에 Pinholes, liftoff 등의 문제를 유발 시킬 수 있다.

또한 Photolithography 공정이 진행되는 동안 Wafer surface 위에 불순물이 있을 경우 추후 진행될 PR(Photoresist) Coating 단계에서 부실한 접착력을 보여주게 된다. 이러한 상태로 공정을 진행하게 되면 Etching이나 Devlop 공정에서 Resist Lifitng(레지스트 리프팅, 즉 들뜨는 현상)이 발생하여 Yields(수율)에 치명적인 타격을 줄 수 있다. 

Resist Lifiting이 일어나면 아래 그림처럼 Etching공정이 진행되는 동안 Layer의 Under cutting(원하지 않는 밑부분 Etching)이 일어날 수 있다. 

※사실 HMDS만 잘 도포해도 이와 같은 현상은 좀 덜 할 수 있다.

<오염물을 제거하지않으면 발생하는 현상(들뜸현상)>

 

② Dehydration Bake (탈수 건조 후 굽기)

Wafer는 기본적으로 Hydrophilic(친수성)이어서 습기를 흡착한다. 계속 놔두면 습윤 상태로 노출되어 Wafer Surface 자체도 Hydrophilic 또는 Hydrate(수산화물) 상태가 된다고 한다. 근데 PR(Photoresist)는 Hydrophobic(소수성)이므로 Wafer에 PR 도포시 잘 붙지 않게 된다. 그러므로 Resist부착을 위해서 Wafer를 건조 시키는 것이 중요하다. 

Hydrophobic인 Wafer를 유지하는 방법은 Wafer에 습기가 흡착하기 전에 바로 PR Coating을 진행하는 방법이랑 50%이하의 상대습도를 가진 Control room에서 공정을 진행하는 것이다.

그리고 건조한 다음 더욱 확실히 할려면 200 ~ 250℃ 에서 60초 동안 Baking해주면 된다 그럼 수분이 거의 증발된다. 그리고 난 뒤 Cool Plate에서 식히기를 진행한다. 이 과정들은 대부분 진공인 상태로 진행하여야 된다. 

 

③ Wafer priming (웨이퍼 프라이밍)

앞 공정에서 탈수 & 건조 & 굽기를 진행하였다면 이제 앞에서 말한대로 PR도포시 Adhesion을 증가시키기 위하여 HMDS를 준비한다. HMDS를 도포한 Wafer는 이제 PR Coating할 준비가 되어있는데 사실 계속 놔두면 다시 Hydrophilic 형태로 돌아가기 때문에 60분 이내에 PR Coating이 진행되어야 된다.

 

 -Priming Techniques (도포 기술)

 HMDS는 Puddle(휘젓기), Spray(스프레이), Vapor(증기) 방법으로 도포 될 수 있다.

보통적으로 Puddle Dispense and Spin(휘젓기 분배와 회전)방법을 많이 쓴다. 회전 공정은 단일 Wafer공정에서 많이 쓰이는데 Temperature(온도)나 Volume(볼륨, 두께라고 봐도 됨.)을 쉽게 제어할 수 있다. 아래의 왼쪽그림이 그렇다. 

아래의 오른쪽 그림을 보다시피 가장자리에 HMDS가 쌓일 수 있으니 제거하는 역할도 하게 된다. 단점이라고는 HMDS를 과소비하게 된다는 것이다.

또 다른 방법은 Spray Dispense and Spin방법으로 HMDS를 안개형식으로 만들어 노즐 스프레이 넣어 뿌리는 형태가 있다. 이 방법의 장점은 노즐에 있는 HMDS를 발사하면 Wafer에 있는 미세입자들이 날려 결함을 줄여줄수 있다는 것이다. 허나 단점으로는 적용 시간이 길고 HMDS를 과소비할 수있다.

마지막으로 또 다른 방법은 Vapor Prime and Dehydration Bake 방법이다.

일반적인 방법 중 하나로 30초 동안 200℃ ~ 250℃ 사이의 온도로 공정을 진행한다. 장점으로는 증발된 기체를 사용함으로 Wafer와의 접촉을 최소한으로 함으로 오염가능성을 낮출수 있다. 또한 HMDS를 최소한으로 소비하여 효율적이다.  또한 Wafer surface의 적절한 Priming(도포)은 Contact Angle meter(접촉각도측정기)를 통하여 확인 가능하다. 

(*Contact Angle meter: 접촉 각도 측정기로서 웨이퍼 표면에 대한 액체의 Adhesion 측정 및 Surface Energies(표면 에너지) 측정 및 Adhesion tension(부착력 장력) 측정 가능)

<단일 Wafer로서 Hot plate(뜨거운 판)위에 wafer를 건조하면서 Vapor priming하는 그림.> 

으위 그림처럼 단일 Wafer로 공정이 가능하며 이때 Wafer를 잡아주는 Holder는 Quartz(석영)으로 구성되어있다. 또한 내부에서 가열이 끝나면 질소가스(N2)를 이용하여 HMDS를 Vapor 형태로 안으로 넣어주게 된다.

다 끝나고 안은 비워지고 질소 가스로 가득 채워놓으면 끝이다.

 

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

※참고및 인용 자료: 나무위키(Photolithography), OLYMPUS, WIKIPEDIA, SKhynix NEWSROOM, CambridgeDictionary

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