[반도체/8대공정]비전공자와 함께 공부해보는 포토공정 (photo lithography)

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8대 공정

웨이퍼 제조 > 산화 공정 > 포토 공정 > 에칭 공정 ( 식각 공정 ) > 증착 공정 / 이온주입 공정 > 금속배선 공정 > EDS 공정 > 패키징 공정 

 

저도 함께 공부해가기 위해 작성하는 내용으로 틀리거나 보충했으면 좋겠다 하는 내용이 있으시면 지체없이 말씀해주세요!!

 

방문해주셔서 감사합니다.

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1차적으로 생각한 내용

 

포토공정이란?

 

웨이퍼 위에 산화 공정을 통해 산화막을 씌운 뒤 포토 공정을 통해 원하는 회로를 전사시키는 공정

(회로를 기판 위에 찍는 방법이 사진 현상과 유사해서 포토공정이라고 한다.) 

전사: 글이나 그림 따위를 옮기어 베낌

 

why? - 웨이퍼 위에 원하는 형상의 회로를 새겨둬야 반도체 후속 공정을 진행할 수 있기 떄문에 

how? - PR을 이용해 마스크 상의 회로패턴을 웨이퍼 상에 전사시킨다. 

-> PR이 후속공정에서 선택적 보호막 역할을 한다.

 

포토공정의 전반적 흐름

 

 

 

전 세정 및 건조 -> HDMS 처리 -> 감광액 (PR)도포 -> 소프트 베이크 -> 정렬 및 노광 ->노광 후 열처리(PEB) -> 현상(develop) -> 하드베이크 -> 검사 (ADI)

 

 

사용되는 광원의 변화 (단파장화)

 

g-line, i-line (436nm, 365nm) -> 불화아르곤 액침 노광(ArF, 193nm ) , KrF (248nm) -> EUV (13.5nm)

 

 

https://www.youtube.com/watch?v=3GAwysbyHhU

도움받은 유튜브 영상입니다. 

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공부한 내용 정리

 

1. 포토레지스트 ( photoresist, PR)

: 빛을 받았을 댸 화학 반응을 하는 감광성 고분자 물질 

: 용해도에 따라 양성, 음성 PR로 구분

: 사용하는 파장에 따라 사용하는 PR도 구분하여 사용된다.

 

PR의 기본 특성

1) 대조비 : 노광부와 비 노광부의 용해성 차이 , 클수록 패턴 모양 우수, 공정 마진 좋다

2) 광 민감성

3) 식각 내성 : 후에 식각 등의 공정이 진행될때 견뎌야 하기 떄문에 

4) 제거 용이성 : 후속 공정 진행후 PR 제거시 쉽게 제거되야 한다

5) 열적 안정성 : 포토 공정에서는 여러 베이크 단계가 있는데 이떄 열적 안정성이 떨어지면 녹을수 있다

6) 현상 속도

7) 기판 접착력 : 고분자 수지의 분자량이 클수록 접착력 우수 

 

1.1 자외선용 PR

 

양성/ 음성 PR 비교

 

양성 PR

: 빛을 받으면 폴리머의 연결이 끊겨 현상액에 잘 녹아든다

 

음성 PR ( 가교 PR )

: 빛을 받으면 가교에 의한 연결이 강해져 현상액에 녹아들지 않는다.

: 화학적 내성이 우수 -> 내식각성 높다

 

1.2 원자외선용 PR  (KrF)

 

:자외선용 PR을 쓸경우 빛이 흡수되어 버린다. -> 빛 감응도 저하 문제 발생 -> 화학증폭형 감광제 등장(CAR: chemical ampli- fied resist)

 

화학증폭형 감광제 구성

1) 고분자 수지 사슬

2) 산 변성 방지 기능 그룹

3) 광-산 발생제

4) 용매 

 

+ ArF의 경우 COMA,VEMA 등 사용 

+ 원자외성용 PR의 경우 음성 PR 의 사용 빈도가 낮다 (Why? ) 

 

2. 포토 공정의 전반적인 흐름

 

 

 

전 세정 및 건조 -> HDMS 처리 -> 감광액 (PR)도포 -> 소프트 베이크 -> 정렬 및 노광 ->노광 후 열처리(PEB) -> 현상(develop) -> 하드베이크 -> 검사 (ADI)

 

1) 전 세정 및 건조 

: 웨이퍼 표면에 있을 수 있는 여러 불순물들에 의한 오염을 막기 위해서 웨이퍼를 화학적으로 세척하는 공정

 

2) HDMS 처리

: 포토 공정 이전의 웨이퍼는 친수성(물과 친함) 을 띄고 있다. 그런데 포토 레지스트는 소수성의 물질이기 떄문에 표면과 상극이여서 잘 부착되지 않으려고 한다 ( 접착성이 좋지 않다 ) , 따라서 이러한 웨이퍼 표면의 접착성을 높이기 위해 HMDS를 기화 분사해서 웨이퍼를 소수성으로 만들어 접착성을 향상시킨다. 

 

3) 감광액 도포

: 포토레지스트를 도포한다. ( PR = 고분자 수지, 광 감응물질, 유기용매, 첨가제로 구성 ) 

: 방법 : 회전 도포기를 통해 원심력을 이용해 분사한다. 

:진공 척 위에 웨이퍼 고정 후 PR을 웨이퍼 중심에 분사하고 고속 회전을 통해 균일하게 도포 

: 회전 속도, 온도, 습도 등 다양한 조건들을 정밀하게 제어하여야 한다. 

: 회전 도포를 이용할 경우 웨이퍼 가장자리에 PR이 뭉치거나 웨이퍼 넘어서까지 PR 도포되는 문제 생길수 있다

-> EBR, WEE 등의 방법을 통해서 제거해 주어야 한다.

 

EBR : 웨이퍼 가장자리에서 웨이퍼 상하부 면에 용매를 분사해 제거

WEE : 웨이퍼 가장자리만 별도 노광하여 현상 시 제거 

 

4) 소프트 베이크 (pre-bake, soft-bake)

: 90~100도 사이의 가열을 통해 웨이퍼 내에 남은 유기용매를 제거 (4~7% 수준까지 ) 

: 접착력 향상 (응력 완화를 통해)  및 유기용매로 인한 마스크 오염 방지 

 

5) 정렬 및 노광 

: 반도체 포토 공정은 한번에 끝나는 것이 아니고 수십- 수백번을 반복하여 이루어지게 됩니다. 그래서 공정을 반복하면서 웨이퍼가 틀어지면 원하는대로 패턴을 새기지 못하는 등 여러 문제가 생길수 있기 떄문에 정밀한 정렬이 필요합니다.

 

: 정렬 완료 후 빛을 웨이퍼에 조사하는 노광 공정 진행 (조사하는 빛의 양을 조절해서 PR 반응 정도 제어)

 

노광법의 변화 

 

1) 접촉 노광법

: 웨이퍼 위에 바로 마스크를 접촉시켜 육안으로 정렬

: 회절효과 최소화 -> 고해상도 패턴

: 직접 접촉으로 인한 이물질 문제 및 마스크 손상문제 발생

 

2) 근접 노광법

: 마스크와 웨이퍼 간 간격을 약간 띄워서 노광

: 노광 중 PR에서 발생한 가스로 인해 해상도 저하 및 오염 문제 발생 , 회절 현상 심화

 

3) 투사 노광법 

: 반사와 굴절을 이용해서 노광

스태퍼 ( stepper ) 

스캐너 ( scanner ) : 빛을 선의 형태로 노광, 마스크와 다이를 동시에 이동. 스테퍼에 비해 더 정교한 회로 가능

 

6) 노광 후 열처리 ( PEB , Post Exposure Bake ) 

: 필수적은 아니지만 노광 후 다시 베이크 수행하는 경우도 있음. 노광 시 발생한 정상파 효과 감소와 PR의 응력 완화, CAR의 화학반응 활성화 등을 위해 수행된다.

 

7) 현상 (Develop)

: 현상액/ 세척제를 이용해서 다음 공정이 진행될 부분의 PR을 제거하는 단계 

: 현상액과 PR의 상호작용(화학반응)에 의해 제어

: 양성 PR -> 빛이 조사된 부분이 제거 

  음성 PR -> 양성PR과 반대 

 

양성/ 음성 PR 비교

음성 PR	양성 PR
저렴하다 , 처리량이 높다 (광 감응도 높다 )
화학 반응에 대한 내성이 좋다.
팽윤 현상 발생 -> 해상도 문제 발생	해상력이 음성에 비해 월등히 좋다.

 

8) 하드베이크 

:현상 완료 후 고온에서 열처리 하는 공정 

: 내화학성, 내열성 향상 (식각 내성 증가 ) 

: PR내 기포제거, 접착력 향상, 잔여 유기용매 제거 

 

9) 포토 공정 후 검사 (After develop inspection, ADI)

: 임계치수 , 층간 정렬 오차 측정 및 이물질 등과 같은 결함 여부를 검사한다. 

: CD-SEM이용 해서 임계치수 측정 

: DI CD (Develop Inspection) = 포토공정에서 측정 , FI CD (Final Inspection) = 식각 공정 후 측정

: 포토 공정에서 검사가 중요한 이유 = 재검사 ( Rework )가 가능하기 때문에 

-> 즉 여기서는 문제가 발견되면 PR 제거하고 다시 처음부터 진행할 수 있다. 하지만 다음 공정으로 넘어가서 불량이 발생하면 손쓸 방도가 없기 때문에 이 단계에서 문제 있는 부분을 정확히 찾아내는 것이 반도체 수율을 높이는데 중요한것!

 

 

 

 

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노광 공정에서 중요한 파라미터

 

https://news.skhynix.co.kr/1873

 

1) 해상도 ( 분해능 )

: 웨이퍼 상에 전사 가능한 최소 패턴 크기

: 해상도는 그 값이 작을수록 해상도가 양호하다는 의미

: 개선 방안 - 대구경 렌즈 사용

: 파장에 비례 , 개구수에 반비례 

 

2) 초점 심도 (DOF , depth of focus)

: 렌즈의 초점으로부터 선명하다고 볼 수 있는 거리

: 화학적 기계적 연마 (CMP) : 포토 공정 전 웨이퍼 단차 최소화를 통해 DOF 여유도 개선

 

->서로간에 Trade Off 관계를 갖고 있기 때문에 하나를 개선시키면 다른 하나는 성능이 떨어지게 된다. 적절한 지점을 찾는것이 중요할 듯 

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+ 해상도 개선 기술

1) 광원의 단파장화

2) 불화 아르곤 액침 노광 (ArF)

3) 공정 상수 감소

4) 다중 패터닝 

 

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3. EUV 포토 공정 ( 극 자외선 포토 공정 , Extreme Ultra Violet )

: EUV 노광 장비는 현재 ASML이 독점적으로 생산, 판매 중 

: 7nm 이하의 매우 정밀한 공정을 진행하기 위해 필수적으로 필요 

-> 왜 파장이 짧을수록 미세한 회로를 그릴수 있는걸까 ? ( 빛의 회절 문제가 개선되기 때문에 ) 

: 파장이 매우 짧아 렌즈나 공기를 통과하면 흡수되어 사라져 버린다

-> 해결을 위해 기계 안을 대부분 진공으로 유지하면서 렌즈를 통과하는 투사식 방식이 아닌 거울을 활용해 반사 시켜 노광을 진행

 

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정상파 : 입사광과 반사광이 서로 k간섭현상을 k일으켜 PR측벽에 물결무늬를 보이는 것 

-> 유리전이온도 이상의 열처리 , 반사방지코팅(ARC) 이용해서 완화 가능

 

포토 공정을 진행하는 클린룸이 노란색 조명을 사용하는 이유?

-> PR공정이 빛에 반응해 휘발성이 달라지는 점을 이용하는 것이기 때문에 조명( 빛 ) 에 굉장히 민감하다.

-> PR의 경우 500nm 이상의 파장에서는 특성변화 반응이 거의 없기 때문에 그 색이 바로 노란색~ 빨간색