[ Photolithography 시리즈 ] 2. 포토 공정 (준비부터 PEB까지)

안녕하세요. 이번시간에는 본격적으로 포토 공정의 과정들을 다뤄보려고 합니다.

 

바로 시작하겠습니다

 

준비 단계

우선 포토 공정 관련해서는 Yellow room이 필요합니다.

https://spectrum.ieee.org/euv-lithography

이전 포스팅에서도 다뤘지만, 결국 Photoresist에 특정 에너지 이상의 빛을 조사해 반응시키는 과정을 거쳐야 합니다.

그래서 파장이 비교적 긴 노란대역 조명을 사용해야 합니다. 영향이 적도록 말입니다.

 

그리고 Pre-bake를 해주는데요. wafer 표면을 건조하게 유지합니다.

 

다음으로 Wafer primer를 다뤄보겠습니다.

wafer는 일반적으로 친수성입니다. 소수성일수도 있지만요.

하지만 PR은 소수성이기 때문에, 점착력이 떨어집니다.

 

그래서 HMDS를 미리 도포해서 소수성으로 표면을 처리해줍니다.

 

 

Spin coating

PR을 웨이퍼에 도포하는 방식입니다.

전체 표면에 균일하게 도포해야하기 때문에, wafer를 회전시키는 방식을 택합니다.

이때도, 여러 과정이 있습니다.

 

https://www.researchgate.net/figure/Recommended-resist-spin-coat-cycle-to-obtain-the-desired-uniformly-thin-layer-and-the_fig1_270106010

 

먼저 왼쪽 그래프를 보시면

초반에는 웨이퍼 중앙에 PR을 떨어뜨리는 상황이고, 이때는 비교적 천천히 회전합니다.

이후 점차 속도가 오르며 전면을 커버하게 되고,

고속 회전 구간에서 실제 균일한 도포가 되는 방식입니다.

 

오른쪽 사진은 빠르게 회전할수록 두께가 줄어든다 이해하시면 되고, 어찌보면 당연한 것 같습니다.

 

이때 관련된 이슈가 있다면, 도포 후에도 Edge bead라고, 표면장력에 의한 현상이 있습니다.

https://www.costeffectiveequipment.com/blog-edge-bead-removal-and-backside-rinse-demystified/

 

해결은 유기용매를 써서 지우던지, 해당 영역에 exposure를 더하던지 일 것 같습니다.

-> 보충 필요

 

이 과정에서는 몇몇 문제점이 생길 수 있습니다.

대표적으로 Comets가 있는데, wafer위에 무언가 있다면? spin과정에서 그 뒤로 edge까지 제대로 안퍼지겠죠?

근데 이 형태가 그 무언가로 부터 뒤로 뻗는 형태기 때문에, 혜성같이 생겼습니다.

+) 그 무언가는 particle일 수도 있고, 어떤 기체에 의한 bubble일 수도 있고, 자체 단차가 있을수도 있겠죠

 

다음으로는 Striations인데, coating을 했는데, PR에서 Solvent가 증발을 해버린다면?

그리고 이게 균일하지 않게 증발을 한다면? 줄무늬가 생기게 됩니다.

 

Soft bake

도포된 PR에 열을 가하면, Solvent가 제거됩니다. 이에 따라 Resist의 밀도는 증가하겠죠.

당연히 제거된 Solvent에 따라 두께는 줄어듭니다.

음... 약간 쉽게 말하면 이전에는 완전 액체처럼 출렁거리는 이미지로 생각해보세요.

근데 열을 가해서, 이전보단 단단해지는 느낌으로 이해하시면 쉽습니다.

 

soft bake를 하고나면, 위에서 처럼 Resist의 밀도가 증가, PR 두께가 감소합니다.

그리고 온도를 높게할 수록 현상률이 감소합니다.

 

그럼 이러한 Soft bake를 하는 이유와 그 효용을 살펴보겠습니다.

우선은 Mask에 의한 PR의, 또한 PR에 의한 Mask의 오염을 최소화할 수 있습니다.

쉽게 생각하면, 제형에 따라 묻어나오는 정도가 다르겠다 이해하시면 될 것 같습니다.

 

노광시 발생하는 $N_2$에 의한 bubbling도 방지됩니다.

그리고 Stress 감소로 인해 기판과 점착력이 증가되죠.

 

다음으로는 현상 시 Dark erosion을 방지하는데 목적이 있는데요.

Dark erosion이라는 것은 내가 빛을 쪼이지 않은, 즉 노광을 하지 않은 곳들이

Development가 되는 현상입니다.

 

제 개인적인 비유? 이해로는 빛을 받은 PR이 옆으로 퍼져나가는 그림을 생각합니다.

그런일이 일어나지 않게, bake를 한다 이렇게요.

Exposure

대망의 Exposure 노광 단계입니다.

mask라고도 하고 어떤 책에는 Reticle이라고도 하는데, 여기 Pattern이 그려져 있습니다.

빛을 통과시켜서 PR 도포된 Wafer에 pattern을 그립니다.

 

PR이 반응을 잘 하도록 특정한 파장의 빛을 쓰는데, 이 빛이 UV 즉 자외선에서

DUV (Deep-UV), 등등 발전해 최근 EUV등으로 점점 더 낮은 파장을 사용하게 됩니다.

 

그 이유에 대해서는 장비 관련 포스팅으로 따로 만나보겠습니다.

아마 이 시리즈 후반부가 될 것 같아요!

 

여기서 Mask와 Reticle에 대해 다루자면, 제가 찾아보기로는 이야기가 각각 다른 것 같습니다.

어떤 데서는 Mask는 1판에 1 패턴이고, 이것을 축소해서 4:1 이렇게 여러개 넣은게 Reticle이다,

혹은 wafer에 대고 쓰는 1대1 판은 Mask고, 떨어 뜨려서 쓰면 Reticle이다 등등 설명이 다양한데요.

 

보통은 그냥 동일하게 Mask로 쓰기도 하는 것 같습니다.

저는 Mask라고 그냥 부를게요.

 

노광에서는 Dose, PR에 조사하는 빛의 양이 중요합니다.

이는 노광 시 그 조도, Power 그리고 노광을 얼마나 길게하는지 시간에 대해,

두 factor의 곱으로 나타낼 수 있습니다.

 

Dose를 조절하는 것이 PR의 변화를 조절하는 것이죠.

PR이 두꺼울 수록 필요한 Dose가 증가합니다.

 

노광을 할 때, 패턴을 정확한 위치에 두는 것이 매우 중요합니다.

이를 위해, Mask와 wafer 각각에 삽입되는 표식이 있습니다.

이를 Align key라고 하고, 이 표식끼리 맞춰주면 정렬이 되는 것이죠.

 

PEB (Post-Exposure Bake)

이제 노광까지 한 뒤, 다시 한번 열을 가합니다.

 

왜 하느냐? 다시 물리적 stress를 줄여주는 목적도 있구요.

 

좀 더 중요한 이유로는, Pattern의 수직 형상을 유지하기 위해서 입니다.

결국 빛을 조사해서 패턴을 그린 건데요.

빛이라는게 입자성과 파동성을 모두 갖는다는 것을 아실겁니다.

 

여기서 파동형태, 즉 standing wave 형태의 물결무늬가 벽면에 생기는데요.

이때, 열을 가해주면 이 특성이 완화되면서 비교적 매끈한 형태의 표면이 됩니다.

 

 

그럼 우선 이번 포스팅은 여기서 마무리 하겠습니다.

저희는 지금 포토 공정을 보고 있고,

wafer에 PR이라는 물질을 도포한 후, soft bake 처리를 했습니다.

그 다음 마스크를 대고 빛을 조사해줬고, 다시 열을 가해 표면처리를 해줬습니다.

 

다음 시간 부터는 이제 실제 패턴을 남기는 과정, 그리고 관련해서 어떤 후속 처리들을 하게되는지

다뤄보겠습니다.

 

읽어주셔서 감사합니다!