안녕하세요, 송송입니다. 이번엔 반도체 8대 공정 중 3번째 이야기. 포토 공정(Photolithography)에 관하여 알아보겠습니다. 사실 반도체 공정 중 포토 공정은 핵샘 공정 중 하나입니다. 이 공정을 거쳐야 우리가 원하는 회로가 완성되기 때문입니다. 최대 규모의 글로벌 장비 기업인 ASML 아시나요? 이 장비 회사는 노광 장비가 유명합니다. 어느 정도냐.. 이 업체의 장비를 받기 위해 막대한 돈을 쓴다고 합니다. 장비당 가격은 무려 1조... 그러나 지불할 돈이 있다 해도, 수 많은 반도체 기업들이 줄을 서서 대기하고 있기 때문에 경쟁이 치열하다고 하네요.
1. 포토 공정(Photolithography)
- 흔히 포토 레지스트(Photo resist)라고 부르는 것을 웨이퍼 위에 도포시킵니다. 포토 레지스트가 도포된 웨이퍼 위에 마스크(Mask)를 대고 특정한 빛을 조사하여 만들고자 하는 회로 패턴을 형성시키는 공정입니다.
포토 공정의 경우 노란 조명(Yellow room)에서 진행되고 있으며, 이유는 포토 레지스트가 강한 에너지인 흰빛에 반응하기 때문입니다. 그래서 반도체 공정이 진행되는 클린룸에 경우 주황빛?에 가까운 조명이 들어갑니다. 이곳에서 하루 종일 방진복을 입고 돌아가는 기계 소리를 듣고 있을때면 살짝 기분이 오묘해 지는것을 느낄겁니다. 저는 살짝 멀미 나는듯한 느낌을 받았습니다.
* 마스크(Mask)란? : 반도체 회로 정보를 담고 있음 / Reticle이라고도 불림
2. 포토 레지스트(Photo resist)
- 포토 레지스트를 웨이퍼에 도포한다고 했지만, 사실 포토 레지스트는 소수성이라 실리콘 웨이퍼 표면에 잘 붙지 않습니다. 그렇기 때문에 웨이퍼 위 도포 전 HMDS(Hexa-Methyl-Di-Silazane)이라는 접착제를 이용하고 있습니다.
포토 레지스트는 두가지 종류로 나뉩니다.
1) Positive PR
- 빛을 받은 PR의 고분자 결합이 끊어져 빛에 노출된 부분이 제거 됨
2) Negative PR
- 빛을 받은 부분을 제외한 부분이 제거 됨
→ 흠.. 빛을 받아서 제거되는 물질? 대체 모야
3. 포토 레지스트 성분
- Solvent, PAC(Photo active compound), Resin
- Solvent는 PR은 스핀코팅 방식으로 도포되는데, 이때 웨이퍼 모서리(Edge) 부근에 bead를 방지하기 위해 PR의 점도를 조절하는 역할을 해줍니다.
- PR은 레진으로 구성되어 있으며, 레진은 Polymer(고분자)입니다. 따라서, PR은 일정한 파장을 가진 빛을 받으면 PAC가 활성화 되어 폴리머 분자간의 결합력을 약화시키게 됩니다.
이와 같은 원리로 빛에 노출되었을 때 PR이 제거가 되는 것입니다.
포토 공정 순서에 대해 SK 하이닉스 뉴스룸에 잘 소개가 되어 있어 가져와보았습니다.
4. 베이크(Bake)
- 웨이퍼 위 PR을 도포했다면, 웨이퍼를 가열시켜 줍니다. 가열시키는 이유는 PR에 남아있는 잔류 Solvent를 완전히 제거하기 위함입니다. 가열 온도가 너무 낮은 경우는 Solvent가 완전히 날라가지 않아 빛에 조사되었을 때 PR이 찢어지거나, 우리가 원하는 패턴대로 현상되지 않을 수 있습니다. 반대로, 온도가 너무 높을 경우는 고온 환경에서 우리가 원하지 않은 부분까지 분해되어 빛에 조사되지 않은 부분도 제거되는 문제가 발생됩니다.
베이크 방법은 모두 상상할 수 있듯 간단합니다. 오븐에 넣고 가열하냐, Hot plate에 올려 가열하냐 입니다.
Oven 가열의 경우 1 batch에 여려장을 넣을 수 있기 때문에 시간적 절약이 되고, 온도 균일성이 높습니다만! Edge 부분부터 온도가 상승되게 때문에 중앙 부분에 잔여 Solvent가 존재할 수 있습니다.
Hot plate의 경우 대량의 용량을 소화하지 못하지만, Oven보다 더 높은 온도 균일성과 빠른 온도 상승이 가능하여 전반적으로는 Hot plate 방식의 가열을 많이 사용합니다.
고로, PR의 종류와 특성에 따라 알맞은 가열 온도에서 알맞은 시간으로 Bake 해주는 것이 가장 중요합니다.
이런 공정 조건 또한, 그들만의 노하우가 있겠죠? @ (90 ~ 100 ℃ 사이)
5. 노광
- 웨이퍼에 빛을 조사하는 공정. 만들고자 하는 특정 패턴이 형성된 마스크를 위에 빛을 쏘아 PR을 제거합니다.
- 빛의 파장이 짧을수록 미세패턴 형성에 유리합니다. →ASML 노광장비 어마무시한 기술력이겠죠?
ASML의 EUV 노광장비는 은 극자외선(EUV) 광원을 이용하여 초미세패턴(나노스케일) 회로를 구현해 낼 수 있습니다.
빛을 저렇게 반사하여 웨이퍼 위에 조사하는 원리입니다.
빛을 조사하는데는 방법이 3가지가 있습니다.
1) Contact mode
- 마스크(Mask)와 기판을 접촉(Contact)하여 exposure하는 방법이다. PR층과 마스크가 가깝기 때문에 빛의 회절에 대한 영향을 적게 받기 때문에 미세 패턴을 만드는데 유리합니다.
- 단점으로는, PR과 마스크가 접촉되어 있어 마스크를 교체해야하기 때문에 교체시 유저에 따라 오염 및 결함이 생기는 문제가 있습니다.
2) Proximity mode(Non-contact mode)
- 마스크와 기판 사이의 거리가 좀 있는 상태로 exposure하는 방법이다. 이는 Contact mode에서 접촉에 의해 발생되는 단점을 보완하고 있다. 그러나, 마스크와 기판 사이의 거리가 존재하다 보니 빛의 회절에 영향을 받기 때문에 미세 패턴 형성에 어려움이 있다.
3) Projection mode
- 이 방법의 경우 앞서 2가지 방법에서 발생하는 문제점을 보완한 방식으로 마스크와 웨이퍼 사이에 간격을 충분히 벌린 후 이 사이에 렌즈를 이용하여 초점을 맞추는 방식입니다.
- 간격이 멀어질수록 빛의 회절현상이 심해지기 때문에 Focus가 불안정해지게 되면 볼록 렌즈를 달아 빛을 모아줍니다.
- 노광 장비는 Stepper 방식과 Scanner 방식이 존재합니다. Stepper 방식은 한번에 노광하는 방식으로 렌즈 전체 영역이 사용되며, 렌즈 외곽부분에 품질이 다소 떨어지는 문제점이 있습니다. Scanner 방식의 경우 빛을 선 형태로 노광하여 마스크와 다이를 동시에 이동시키는 방식으로 Slit을 사용해 렌즈의 모서리를 제외한 영역을 이용하여 균일도가 높고, 왜곡되는 부분이 적다는 장점이 있습니다.
5. 현상(Develop)
- 현상액(Developer)를 이용하여 일정 부위의 PR을 제거하여 패턴을 형성시키는 과정입니다.
- 현상 과정이 끝나면 원하는 패턴이 형성되어 있죠.
6. Hard Bake
- 현상 후 남아있는 수분 및 Solvent를 다시 제거하기 위해 가열해줍니다. @ 100 ~ 180 ℃
- 이는 PR 내 존재하는 기포를 제거하여 안정화시키고 결합력을 증가시키는 역할을 합니다. → 다음 공정들(식각, 이온주입 등)이 하드 하기 때문에 내구성을 증가시킬 필요가 있음
이렇게 포토 공정이 끝난 웨이퍼는 제대로 패턴이 형성되었는지 검사를 진행합니다. 다른 공정에서의 불량은 폐기입니다만, 포토 공정에서는 다른 공정들과는 달리 RE-work할 수 있기 때문에 검사 과정에서 발견한 불량품들의 PR을 제거하고 다시 포토 공정에 넣을 수 있습니다.
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현재 반도체 업계에서는 나노 스케일의 초미세화 경쟁이 치열합니다. 당장 삼성과 TSMC, SK hynix 등 수 나노 공정을 진행하고 있는데, 웨이퍼 위에 초미세 패턴을 그려 넣는 포토 공정에 대한 중요성이 점차 부각되는거 같습니다.
그렇기 때문에 EUV 공정 도입 및 고가의 장비를 사용하기 위한 기업들의 노력이 계속되어 오고있습니다.