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일반적으로 패턴 사이의 거리를 말합니다. 즉 최소 선폭을 뜻하기도 합니다. 레티클(=마스크)의 패턴을 비춰 웨이퍼에 그려내는 노광의 원리를 생각해보면, 레티클 상의 CD 값은 웨이퍼의 CD 값에 즉각적으로 영향을 미칩니다.
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[반도체 공정] 포토 공정(Photolithography 2) – Sweet Engineer
그다음 임계크기 Critical dimension(CD)에 대해 설명해 드리겠습니다. 임계크기(CD)란 패턴의 폭을 말합니다. 즉 위의 그림에서 현상(Develop)된 PR들 …
Source: sweetsangil-3158.tistory.com
Date Published: 9/10/2022
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[반도체공정] critical dimension의 정확한 정의 – 위포트 커뮤니티
포토 공정에서의 Pinhole이란 다양한 원인 (mask 불량, PR내 bubble, 액침노광의 경우 PR 성분의 DI water로의 용출 등)으로 photoresist(PR) 내에 pin …
Source: community.weport.co.kr
Date Published: 4/25/2022
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반도체 제조공정의 Critical Dimension 변동에 대한 통계적 분석
Hence, critical dimension control in a semiconductor wafer fabrication process is … 정은, 식 (1)이 제한(restricted) 혼합모형이란 가정하에 도출된.
Source: www.koreascience.or.kr
Date Published: 3/4/2022
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[Photolithography (1) /S.M.T.] 포토리소그래피 용어 정리
Reticle이란 Wafer에 복제되기 위한 Pattern을 포함한 하나의 석영 … -Critical Dimension Generations (CD = 임계 치수 = 쉽게 ‘최소 선폭’).
Source: lineho.tistory.com
Date Published: 4/30/2022
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[반도체 공정] 식각 공정 (etching) – 나가디’s 공부방
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Source: nagadi.tistory.com
Date Published: 5/2/2022
View: 9771
반도체 8대공정 1탄 : 포토공정(Photolithography) 개념정리
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Source: yeonidoggi.tistory.com
Date Published: 9/16/2021
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[포토공정] 훈련 6 : “포토공정, 공정여유 or 공정마진”
에너지의 양이 많고 적음에 따라 빛이 감광제에 도달하는 양이 달라집니다. 다시 말해, 감광제에 도달하는 빛의 양에 따라 선폭 (Critical Dimension, CD) …
Source: sshmyb.tistory.com
Date Published: 2/19/2022
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- Author: 빠른합격! SD에듀 (시대에듀)
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- Date Published: 2021. 1. 28.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=6pqron76UrE
반도체 노광 공정의 주 이슈! Overlay와 CD
회로를 수직으로 쌓아 올릴 때 고려해야 하는 위치 값이 Overlay라면, CD는 수평적으로 회로들이 얼마나 균일한지를 표현하는 치수입니다. 정확한 뜻은 임계 치수(Critical Dimension)입니다.
일반적으로 패턴 사이의 거리를 말합니다. 즉 최소 선폭을 뜻하기도 합니다. 레티클(=마스크)의 패턴을 비춰 웨이퍼에 그려내는 노광의 원리를 생각해보면, 레티클 상의 CD 값은 웨이퍼의 CD 값에 즉각적으로 영향을 미칩니다.
CD 값은 웨이퍼의 위치에 따라서 달라지면 안됩니다. 하지만 실제로는 그 값이 약간 달라질 수밖에 없는데요. 웨이퍼 중앙과 가장자리 부분에서 측정했을 때 CD 값이 얼마나 균일한지를 ‘CD Uniformity’라는 값으로 표현합니다. CD 값 자체도 작은 것도 중요하지만 위치에 따라 차이가 없어야 하는 것도 그만큼 중요하기 때문입니다.
[반도체 공정] 포토 공정(Photolithography 2)
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지 난번 포토 공정(Photolithography 1)에 이어 노광(Exposure) 후에 과정들을 살펴보겠습니다.
*현상(Develop)
노광이 끝나고 난 다음 순서는 현상(develop)을 할 차례입니다. 현상이란 노광으로 화학적 반응이 일어난 PR을 제거하는 과정입니다. 만약 Positive PR을 사용했다면, Mask(마스크)를 통해 노광된 부분이 제거되는 것이며, Negative PR을 사용했다면, Mask(마스크)에 의해 노광되지 않은(가려진) 부분이 제거되는 것입니다.
현상 후의 단면
*하드 베이크(Hard bake)
Hard bake란 잔여 용제(remaining solvent)를 제거해 주기위해 시행합니다. 또한, 기판과 PR의 접착력을 강화시키고 Pin hole을 제거하기 위함입니다. Pin hole이란 작은 구멍을 말하는 데요, Photo 공정을 거치며 생긴 이 구멍이 Hard bake를 거치면서 열에 의해 구멍이 메꾸어지는 것입니다.
*패턴검사
이제 Photo공정이 끝났습니다. 그러면 패턴이 제대로 그려졌는지 확인을 해야겠죠? 하지만 이러한 패턴은 아주 작기 때문에 육안으로는 자세히 확인하기 어렵습니다. 그냥 눈으로 봤을 때는 무슨 모양이 있구나 정도로만 보일 뿐이죠. 따라서 주사전자현미경(SEM)을 이용하면 관찰할 수 있는데요. SEM의 원리는 간단합니다. 먼저 기판 표면에 전자빔(Electron beam)을 쏴줍니다. 그리고 이 전자빔을 받은 기판 표면의 2차전자들이 반응을 하는 데요. 이것을 감지하여 이미지형태로 우리에게 보여주는 것입니다.
*오버레이(Overlay)와 임계크기(Critical dimension)
Photo 포토 공정에서 중요한 이슈들이 존재합니다. 바로 Overlay(오버레이)와 Critical dimension(임계크기)인데요.
먼저 Overlay 오버레이부터 설명해 드리겠습니다. Overlay 오버레이란 기판의 층들이 위아래로 얼마나 잘 정렬이 되어 있느냐를 말하는데요. 하나의 반도체 device를 만들기 위해서는 여러 층들이 쌓이면서 만들어집니다. 이때 이 각각의 층들이 얼마나 잘 정렬이 되어 있는지가 Overlay(오버레이)입니다. 이를 위해 Mask(마스크) 가장자리에 자세히 보면 십자가 모양의 Align key가 그려져 있습니다. 이 Align key를 이용하여 기판과의 정렬(Alignment)을 맞추는 것이지요.
그다음 임계크기 Critical dimension(CD)에 대해 설명해 드리겠습니다. 임계크기(CD)란 패턴의 폭을 말합니다. 즉 위의 그림에서 현상(Develop)된 PR들 사이의 거리를 의미합니다. 이 CD의 크기가 일정해야 정확하고 미세한 패턴형성이 가능합니다. 또한, 일정할 뿐만 아니라 CD의 크기가 작을 수록 훨씬 더 미세한 패턴 형성이 가능합니다.
오늘은 노광(exposure)과정 후의 현상(develop)과 하드베이크(hard bake)과정에 대해 알아보았습니다. 또한 photo 공정의 중요 이슈와 지표인 Overlay와 CD에 대해서도 알아보았는데요. 다음 포스팅에서는 그려진 PR을 토대로 PR이 없는 SIO2를 깎아내는 에칭(Etching)공정에 대해 알아보도록 하겠습니다.
[Photolithography (1)
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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
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.)
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~
-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 유지 하는 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
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[반도체 공정] 식각 공정 (etching)
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– 건식 식각 -> 플라즈마를 사용
– BARC -> 하드 마스크
– CD (Critical Dimension), Tpr (PR의 두께), Tb (BARC의 두께). Theta (PR 각)
– 각각의 하드 마스크를 식각해내는 etching chemical(etchant)이 존재한다.
– 주입하는 순서는 공정에 따라 다르다. (RCP-레시피)
– Oxide -> 유전 물질 (Dielectric) / 절연체를 etch하는 공정 -> 다른 레이어와의 Isolation을 위해
– Metal – Ti, W, Co / Cu, Al 배선 & 배선 연결
– Parameter
– PR Ashing – PR 제거해주는 공정
– RT (Room Temperature), HT (High temperature)
– SiBr x -> 1,2,3 (종류를 결정하는 화학식) -> 원하는 공정에 따라 달라짐
– Output
– 임계 치수
– 바가 얼마나 잘 형성되었는지
– 이상적이라면 90이겠지만 현실에선 경사가 지게됨 (Side Wall Angle)
– 물결파처럼 패턴이 형성됨 -> 엣지의 변화폭을 정량화해서 표현함 (edge)
– 두께의 변화의 차이를 정량화 (width)
– Patterning technology를 통해 패턴이 끝난다라고 이야기할 수 있음
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반도체 8대공정 1탄 : 포토공정(Photolithography) 개념정리
반도체 8대공정에서 가장 오랜 시간을 차지하고 이에 따라 공정원가도 가장 높은 포토공정에 대해 알아보겠습니다. 포토공정의 흐름을 먼저 간략하게 살펴본 후 상세한 부분들을 설명하도록 하겠습니다. 위 그림을 보시면 첫 번째로 포토레지스트 (PR:Photo Resist)를 웨이퍼(Wafer) 상에 도포 합니다. 하지만 PR 은 소수성이라 웨이퍼 표면에 잘 달라붙지 않습니다. 따라서 PR을 웨이퍼 상에 도포하기 전에 HMDS(Hexa-Methyl-Di-Silazane)이라는 접착제를 미리 웨이퍼 표면에 얇게 도포합니다. HMDS를 도포하는 방법은 N2(질소)가스를 이용하여 밀폐된 좁은 공간에 HMDS를 넣고 일정한 압력으로 N2가스를 넣어서 웨이퍼 막에 HMDS가 얇게 퍼지게 하는 방식으로 도포합니다. 이제 접착제인 HMDS가 도포되었으니 PR을 코팅을 할 수 있습니다. PR은 Track장비에서 Spin Coating 을 통해 코팅하는 방식을 사용합니다. 다음으로 웨이퍼를 낮은 온도에서 구워주고 (Prebake) 노광장비로 들어가서 미세패턴이 새겨진 마스크를 이용하여 웨이퍼 상에 빛을 투사합니다(Exposure). 투사된 빛은 마스크 상에 있는 미세회로패턴을 웨이퍼 상에 그대로 새겨주고 다시 한 번 더 웨이퍼를 구워줍니다(PEB). 다음으로 현상액(Developer)을 사용하여 빛을 받은 PR부분이 날아가게끔 합니다(Development). 마지막으로 회로패턴이 잘 새겨졌는지 검사를 하고(Inspection) 불량 패턴은 PR을 제거하여 Rework를 진행하는 방식입니다.
지금까지 간략하게 포토공정의 흐름에 대해 알아보았습니다. 이제 좀 더 포토공정에 대해 세부적으로 알아보려고 합니다.
– PR(Photo Resist)의 종류와 구성성분
첫 번째로 설명할 내용은 PR에 대한 것입니다. PR은 Development 시 제거되는 타입에 따라 Positive PR 과 Negative PR 로 종류가 나뉩니다. Positive PR은 Development 시 exposed 된 부분이 제거가 되는 반면, Negative PR은 exposed된 부분을 제외한 나머지가 제거가 되는 차이가 있습니다. 현재 대부분 공정에서는 Positive PR을 사용하는 추세입니다. 다음으로 PR을 구성하는 성분에 대해 알아보도록 하겠습니다. Positive PR은 3가지 성분으로 구성되는데 각각 Solvent, PAC(Photo Active Compound), Resin 입니다. Solvent는 PR Spin Coating 시 웨이퍼 에지에 흘러내리는 것(edge bead)를 방지하기 위해 PR 의 점도를 조절하는 역할을 수행합니다. 그리고 PR은 Resin으로 구성되어 있는데 이 Resin은 고분자폴리머 (Polymer)로서 PR이 일정한 파장을 가진 빛을 받으면 PAC라는 것이 활성화가 됩니다. 이 때, PAC 는 빛 에너지를 이용해서 폴리머 분자간의 결합력을 약화시킵니다 . 이러한 원리를 이용하여 exposed된 부분을 Developer로 제거시킬 수 있습니다.
– PR Coating
다음 PR에 대해 소개해드릴 내용은 웨이퍼에 PR을 도포하는 과정입니다. PR을 웨이퍼 상에 도포할 때 코팅되는 두께에 따라 고려해야하는 파라미터들이 있습니다. 바로 PR의 두께가 두꺼울수록 Exposure 시간이 길어지고 그에 따라 etching시 selectivity와 CD(Critical Dimension)의 크기에 영향을 줄 수 있습니다. 또한 깊이에 따라 Ion Implantation시 필요 Energy량이 달라질 수 있습니다. PR의 두께는 결정하는 Spinner의 회전속도와 PR의 점성, 그리고 회전시간과 가속도 를 조절함으로써 두께조절이 가능합니다.
– Prebake(=Soft bake)
PR이 웨이퍼 상에 일정한 두께로 도포되면 Track장비에서 약한 온도로 웨이퍼를 가열합니다. 이 과정을 Prebake, 다른 용어로는 Soft bake라고 합니다. 웨이퍼를 가열해주는 이유는 다음과 같습니다. PR에 남아있는 Solvent로 인해 Exposure 시 영향을 줄 수 있으므로 웨이퍼를 가열해 줌으로써 Solvent 성분을 증발시켜줍니다 . 이 때, 가열해주는 온도에 따라 문제점이 발생할 수 있습니다. 첫 번째, 온도가 너무 낮은 경우 발생하는 문제점은 Solvent가 완벽하게 증발되지 않아서 Development가 깨끗하게 안 되거나 PR이 찢어질 수 있습니다. 두 번째, 온도가 높은 경우 발생하는 문제점은 Negative PR의 경우, 열에 의해서 원하지 않는 부분도 Cross-linking이 발생할 수 있습니다. Positive PR의 경우, 열에 의해서 PAC가 분해되어 빛을 받지 않은 부분도 Development 시 제거될 수 있습니다.
– Exposure
이제 Prebake한 웨이퍼를 노광장비로 이동시켜서 미세회로패턴을 새긴 마스크(=Reticle)와 웨이퍼를 정렬(Alignment)시킨 후 빛을 투사하는 Process를 Exposure이라고 합니다. 이 때, 파장이 짧은 광원을 사용할수록 미세패턴을 웨이퍼 상에 새기는 것이 유리합니다 . 공정의 단위가 낮아질수록 웨이퍼 상에 만들 수 있는 칩의 개수가 늘어나게 되는데 이는 생산성과 단가에 직결되는 부분이므로 이 Process가 중요하다고 할 수 있습니다.
– Exposure 방식 3가지 장단점
Exposure하는 방식으로는 3가지가 있습니다. Contact, Proximity, Projection 순으로 최신공정방식입니다. 첫 번째로 Contact은 미세회로패턴을 새긴 마스크 Layer를 웨이퍼와 접촉 을 시킨 상태에서 빛을 투사하는 방식입니다. 그러므로 난이도가 가장 쉽고 노광장비 또한 가격이 가장 저렴합니다 . 하지만 마스크 layer가 웨이퍼와 직접 맞닿기 때문에 마스크가 마모되거나 PR이 손상될 위험이 있고 Particle(먼지) 가 웨이퍼 상에 많아지게 돼서 단점이 많은 방식입니다.
그래서 Proximity 방식을 도입을 하게 되었습니다. 하지만 이 방식 또한 단점이 다수 발생하였는데요, 투사한 빛이 마스크를 통과하면서 Diffraction(회절)이 발생하게 되어 마스크 형상의 초점(Focus)이 Misalignment가 되는 단점이 있습니다.
이 단점들을 보완한 방식이 바로 Projection 방식입니다. 이 방식은 마스크 형상이 1/4 혹은 1/10 크기로 작아지면서 웨이퍼에 제대로 새겨지도록 마스크와 웨이퍼 사이의 간격을 충분히 확보한 후 렌즈를 활용하여 Focus를 맞추는 방식입니다. 따라서 간격이 멀어질수록 빛의 회절현상이 심화하여 Focus가 불안정해지는 것을 방지하기 위해 볼록렌즈를 달아주어 빛을 다시 한 번 더 모아준 후 웨이퍼 상에 투영하게 됩니다. 노광장비의 종류로는 크게 두 가지가 있습니다. Stepper와 Scanner가 있는데 150나노 이하공정에서는 전부 Scanner 장비를 사용하고 있습니다 . Exposure가 끝난 후 Overlay라는 기능을 활용하여 Misalignment 정도를 확인할 수 있습니다.
– Dry / Wet type
Projection 방식은 렌즈를 활용하여 빛을 웨이퍼 상에 투사하는 방식이라고 설명했습니다. 이 때 렌즈와 웨이퍼 사이의 공간은 공기로 채워져 있는데 이러한 투사방식을 Dry type이라고 합니다. 이와 반대로 렌즈와 웨이퍼 사이에 물을 넣으면 Dry type보다 굴절률이 40% 개선이 되는데 이에 따라서 Resolution(해상도)이 좋아지게 됩니다. 이를 Wet type이라고 합니다. 다른 용어로는 Immersion 방식이라고 합니다.
– Resolution / Depth Of Focus(=DOF)
Resolution이란 분해능 또는 해상도로 표현이 되는 Parameter로 현대 미세공정으로 갈수록 Resolution이 좋아야(값이 작아야) 웨이퍼 상에 마스크형상을 미세하게 가져오기 유리합니다. Resolution의 공식을 살펴보면
입니다.
공정상수 k1, 파장, 그리고 Numerical Aperture(NA:광학상수)가 있습니다. 공정상수는 뒤에서 설명할 PSM(Phase Shift Mask) 기술을 통해 값을 줄일 수 있고 파장은 짧은 것을 쓸수록 Resolution 값이 좋아지는 것을 확인할 수 있습니다. NA는 광학상수로 렌즈가 회절하는 빛을 모아주는 능력을 가늠하는 Parameter입니다. NA는 렌즈의 직경이 클수록, 렌즈와 웨이퍼 사이 간격이 작을수록 값이 커집니다. 다음으로 DOF(Depth Of Focus)에 대해 설명하겠습니다. DOF란 Focus가 잘 맞는 영역, 즉 위아래로 Focus가 어느정도 일정한 범위를 의미합니다. 마스크와 렌즈 그리고 웨이퍼를 노광장비에 설치할 때 렌즈와 웨이퍼 사이의 간격에서 오차가 발생합니다. 이 때 DOF가 클수록 Process를 진행하는데 있어서 유리합니다.
-PEB(Post Exposure Bake)
Exposure Process가 끝난 웨이퍼는 다시 한 번 Track장비로 들어가서 가열을 해줍니다. PEB Process를 해줌으로써 PR에 있는 PAC를 활성화하여 PR표면을 평탄화해주고 Standing Wave를 개선해줍니다 . 이 때, Standing Wave는 Exposure 시 빛의 간섭으로 인해 PR 계면에 결이 생긴 것 을 의미합니다. 만약 PEB를 하지 않은 상태에서 etching이 들어간다면 정확하게 etching이 되지 않고 CD의 균일도를 떨어뜨립니다 . 따라서 신뢰성 이슈를 발생시킬 수 있는 Standing Wave이므로 PEB과정을 거쳐서 개선을 꼭 해줘야 합니다.
– Development
PEB까지 거친 웨이퍼는 Developer를 웨이퍼 상에 Spin Coating하여 exposed된 PR을 제거해줌으로써 웨이퍼 상에 회로패턴을 새기게 됩니다. 이 때, Developed된 찌꺼기들은 린스를 해주고 다시 한 번 더 Bake 해줍니다. 이 때 Bake과정이 바로 Hard Bake Process입니다.
– Hard Bake
Hard Bake를 통해 남아있는 Solvent와 Developer를 제거해줍니다 . 이 때, Hard Bake를 해줌으로써 PR 의 열적 특성을 향상하여 후속 공정에서 PR이 열적으로 변형되지 않게 해주고 결속력을 강화하여 etching이나 Ion Implantation 시 barrier 역할을 하게 만들어 줍니다.
– 최신 사진 공정 기술
– PSM(Phase Shift Mask)
위 그림을 보시면 마스크 패턴을 통과한 빛이 서로 영향을 줘서 제거하면 안되는 부분까지 제거가 되는 현상을 보실 수 있습니다. 이 때, Phase가 Shift된 Mask를 사용하면 서로 영향을 받지 않고 제거할 부분만 제거가 되는 것을 보실 수 있습니다.
[포토공정] 훈련 6 : “포토공정, 공정여유 or 공정마진”
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반도체사관학교 중사 교육생 단계
포토공정의 3가지 목표
이미지 패턴이 “정확한 모양으로, 균일한 크기로, 정확한 위치”에 전사되었는가.
[질문 1]. 포토공정에서 공정의 제어(Control) 단계에 대해서 설명해보세요.Keyword : [Inspection, CD-SEM, Overlay, Critical Dimension, EL, 패턴 결함, 두께 측정]
포토공정은 설계도를 웨이퍼에 대량으로 빠른 시간 안에 전사시키는 기술입니다. 웨이퍼에 설계 회로도가 잘 올라갔는지 검증하는 Inspection 제어 단계가 요구됩니다. 먼저, 포토리소그래피 공정은 3가지의 목표를 가지고 있습니다. 정확한 모양으로, 균일한 크기로, 정확한 위치에 이미지 패턴을 웨이퍼에 전사 시키는 것입니다. 이를 판단하기 위한 것이 바로 Inspection 단계입니다. 측정 방법으로는 CD-SEM을 통해 원하는 패턴이 정확한 모양과 크기로 만들어졌는지 감광막의 두께, 패턴의 결함조사 등 전체적으로 확인하고, Overlay 측정을 통해 패턴이 정확한 위치에 적층되었는지 확인할 수 있습니다.
[꼬리 1-1]. 과잉노광시 (Over-exposure)시 발생하는 이슈는 무엇인가요.에너지의 양이 많고 적음에 따라 빛이 감광제에 도달하는 양이 달라집니다. 다시 말해, 감광제에 도달하는 빛의 양에 따라 선폭 (Critical Dimension, CD)를 조절할 수 있습니다. 에너지의 양이 많아질수록 패턴이 작아지고 적게 받을수록 패턴의 선폭이 두꺼워집니다.
[꼬리 1-2]. 적절한 Exposure dose 이 됐는지 어떻게 알 수 있을까요.적절한 노광이 이루어졌는지 확인하는 방법은 Exposure Latitude (EL) 척도를 확인하는 것입니다 . EL의 척도는 Critical Dimension, CD의 변화의 정도를 측정함으로써 얻을 수 있습니다. CD 변화에 따라 허용되는 Exposure Dose의 범위를 정할 수 있습니다. 예를 들어 CD 변화 정도가 허용되는 범위로는 30nm 선폭 구현이 목적이라 할 때, ±10% 범위로 선정하여 EL로 나타냅니다. 이러한 공정 마진은 Photoresist 선정평가의 기준이 되는 것으로 알고 있습니다.
[세부설명] : Exposure Latitude (EL)은 CD의 변화의 정도를 측정함으로써 얻어집니다. 이는 exposure dose량의 범위를 결정할 수 있으며, 수평공정마진이 결정됩니다. 정리하자면 Photoresist의 exposure dose 범위와 EL로 PR 선정평가를 진행합니다. [질문 2]. 수직공정마진에 대해서 설명하세요.포토공정에서 수직공정마진은 DOF (Depth of Focus)를 의미합니다. DoF 범위 내에 있을 때 원하는 패턴이 잘 형성되지만 그렇지 않으면 감광깊이가 균일하지 않아 패턴이 틀어지게 됩니다. DoF는 수평공정마진 내에서 CD를 유지하는 수직공정마진 or Focus 마진을 의미합니다. DOF가 클수록 수직공정마진이 넓고 패턴이 잘 형성됩니다. EL이 어느 정도인지, DOF가 어느 정도인지에 따라 공정마진이 있다, 없다를 판단하는 기준이 됩니다.
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[질문 3]. Overlay 평가에 대해서 설명하세요Inspection 단계에서 Overlay는 층간중첩도를 나타내는 지표입니다. 첫 번째 패턴에서 만들어진 패턴에 두 번째 패턴을 중첩해서 전사하게 되는데 정확한 위치에 패턴이 형성됐는지 평가할 수 있는 방법 입니다. 포토공정 일련의 과정을 통해서 3차원 적층구조의 소자를 제작합니다. 문제없이 패턴들이 잘 정렬되었는지, Miss align이 발생하게 되면 소자의 불량을 야기합니다. 그래서 Overlay 평가를 통해 원하는 패턴의 align이 잘 되었는지 공정 중간 중간에 Overlay 평가를 수행하여 수율을 개선 합니다.
[꼬리 3-1]. Overlay 평가를 어떻게 진행하는데?Overlay 평가는 마스크의 side 부분에 key pattern을 형성하여 중첩 간에 마진을 계산합니다. 하부막의 key pattern이 상부막 key 허용 오차범위 내에 있으면 잘 정렬되었다고 평가할 수 있습니다.
[요약] CD-SEM / OverlayProcess Control 단계에서 EL, DOF, 층간중첩도는 포토공정에서 가장 중요한 공정마진이 얼마인지를 측정하는 것입니다. CD-SEM과 Overlay로 측정을 수행합니다. 박막의 thickness를 측정할 수 있는 CD-SEM은 Deposition, CMP 등 thin film에 공통적으로 사용되는 측정 장비이지만, Overlay는 오직 포토공정에만 적용됩니다.
Process Control 단계에 대해서 정리하자면, Exposure dose의 양이 증가할수록 패턴이 얇아지고 적을수록 선폭이 두껍습니다. 이때 CD의 변화량을 측정하여 허용하는 오차범위가 EL입니다 . 수평공정마진인 EL을 기준으로 Exposure Dose량을 최적화시킵니다. 수직공정 마진의 지표는 DOF입니다. DOF는 파장이 짧아질수록 Numerical Aperture, NA가 커질수록 수직공정여유도가 작아지고 이는 Resolution과 trade off 관계에 있습니다. 이는 CD-SEM 측정을 통해 평가할 수 있습니다. 그리고 Overlay를 통해 층간중첩도를 측정함으로써, 패턴이 정확한 위치에 전사 됐는지 평가합니다 . 이때는 마스크의 key 패턴간의 거리를 측정하여 공정마진을 계삲랍니다. 포토공정에서는 이 공정마진이 얼마인지가 매우 중요한 key factor로 작용합니다.
포토공정에서 가장 중요한 공정마진에 대해서 교육하였습니다.
공정에 대해서 좀 더 심도있게 교육을 할 수도 있지만, 저희는 직무면접 전선에서
승리하는 것을 목표로 하고 있습니다. 이 정도만 숙지하시더라도 충분히 개인전투력 향상에 도움이 될 것이라고 판단합니다. 추가 질문사항이나 오류가 있으면 댓글로 남겨주시길 바라겠습니다.
여기서 교육을 마치도록 하겠습니다.
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