[NCS 강의] 반도체 전공정 집중 과정_단위공정_Photolithograpty

NCS 반도체 전공정 집중 과정
반도체 및 소자 관련 기초 (10~12강)

 

 

3. Photolithograpty

패턴이 형성된 마스크에 빛을 조사하여, 감광제를 도포한 웨이퍼 상에 설계된 패턴을 구현하는 기술

3-1. 기초

▶ Photo 공정의 필수 구성 요소

• 빛 : 특정 파장대 (자외선 중의 특정 값)
• Mask
• 감광제 (PR) : 빛에 반응해 분자 구조가 바꾸어서(Polymer → Monomer, ∴ 염기성 용액에 녹음) 현상 공정을 거쳐 패턴이 형성됨
  • Solvent
  • Polymer : 현상 후 남아있는 실체
  • Sensitizer : 빛에 반응하는 물질 → Positive (해상도 좋아 많이 사용) or Negative PR 결정

 

▶ Yellow Room

Photo 공정은 Yellow Room에서 진행

이유: 단파장에서 PR 반응 → 단파장의 빛 제거 → 그 중 노란색 빛을 선택하여 광학적 영향 ↓

 

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3-2. Photolithograpty Process

▶ 준비 - Cleaning

• 웨이퍼 표면 세정하여 균일한 PR 도포 가능

 

▶ Pre-Bake (건조)

• 웨이퍼 표면의 용매 및 물을 제거하여 균일한 PR 도포 가능

 

▶ Wafer prime 

1. HDMS로 표면 처리
2. 친수성 or 소수성인 표면이 100% 소수성으로 변함
3. 웨이퍼 (소수성) - PR (소수성) 간의 점착력 ↑
4. PR 잘 부착되어 있음

 

▶ Spin Coating

• PR를 웨이퍼에 분사한 후, 웨이퍼를 회전시켜 균일하게 도포
• 조건 : 일반적으로 3000~6000rpm, 15s 이상 회전 → 필요양만 남음 (+ PR내 solvent 제거)

 

# 단계

rpm 증가함에 따라, [ 분사 → PR Cover → 과도 PR 제거 → 균일 도포 ]

 

# 발생 가능한 Defect

1. Edge Bead

• 표면장력에 의한 현상
• 균일도를 위해 제거가 필요함 (유기용매 / 빛 노광 사용) 

2. artifacts

• Comets : 웨이퍼의 Particle, Bubble에 따라 불균일한 형태
• Striations : Solvent 불균일한 증발로 단차 발생 → 줄무늬 형태

# 실제 공정

 

▶ Soft bake

• Solvent를 제거하며 액체인 PR을 고체로 경화
• 온도 ↑ → Resist 밀도 ↑ (두께 25% 감소) → 용해도 ↓ → 현상률 ↓ → 찌꺼기 잔존
• 목적
  • N2/열에 의한 Bubbling 방지, dark erosion (노광 X 부분 현상) 방지
  • Mask 오염 최소화

 

# 실제 공정

 

▶ Exposure 

#1. 정렬 (Alignment)

• 둘 이상의 패턴을 overlap 시키거나, 정확한 위치가 요구될 때
• 최소 2개 이상의 Align Key를 이용하여 정렬

#2. 노광

• PR에 선택적으로 빛 조사 → 웨이퍼 표면에 패턴 형성
• 노광 조건 : 빛의 양인 Dose (= Power * 노광 시간) 조절

# 실제 공정

 

 

▶ Post-exposure bake (PEB)

• 열을 가해 Pattern 정확도 상승 (수직 형상 유지)
• 정재파(=정상파) 노광에 의한 물결무늬 생성 감소

# 실제 공정

 

▶ Development

• 원원하는 Pattern의 형상으로 PR을 남기는 단계
• 실제로 Pattern이 만들어지는 시기

 

# 현상 시간별 Pattern

incomplete: 매우 짧은 현상 시간 or 노광량 부족

 

# 실제 공정

 

▶ Hard Bake

• 열로 Solvent/Developer 잔여물 제거 및 Resist 경화하여 Pattern의 안정성을 높이는 단계
• 후공정 (wet/dry etch, ion implantation)을 위해 PR 저항력 ↑ → damage ↓
• 온도: 유리전이온도 이상 

• 온도 및 시간이 과하면 failure
  • PR reflow → PR 가장자리 부분 늘어짐
  • or 식각 후 PR 제거 어려움

 

▶ Inspection

• 후속 공정 전 마지막 검사: Pattern 관측
• 실패 시 PR 제거 후 Re-Work
  • " Defect, Particles, Step height, Critical Dimension " 의 issue

 

▶ PR Strip (포토 공정의 후속 공정)

필요 없어진 PR 제거

 

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3-3. 장비

▶ Photo 공정 장비의 구성

PR Track (AD unit: HDMS Vapor Prime)

• 노광 단계 이외 : PR Track
• 노광 단계 : Mask Aligner (Contact / Proximity) / Stepper, Scanner (Projection)

 

▶ 노광 method의 분류

Mask 위치, 빛의 이동 방향에 따라 세 가지 분류

↓

method별 노광 설비 비교

 

▶ Mask Aligner

 

Contact 분류

• 강도에 따라 나뉨
• Vaccum, Hard, Soft
• Vaccum으로 갈수록 RES 개선

 

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3-4. 주요 Factor (in Projection type)

▶ 해상도 (RES)

X/Y 분리 가능한 해상도 능력

미세패턴 구현 O

 

▶ 초점 심도 (DOF)

z값

공정 여유도 확보

 

▶ 해상도 (RES)와 초점 심도 (DOF) 간의 Trade-off