[반도체 공정] 3. 포토공정(Photolithography)

 

 

포토공정(Photolithography)의 개요

 

포토공정(Photolithography)이란 웨이퍼에 반도체 회로를 그리는 작업으로, 패터닝(patterning)이라고 생각하면 된다.

 

이는 반도체 회로를 본격적으로 그리기 시작하는 과정으로, 준비된 웨이퍼(wafer)위에 빛에 반응하는 감광성 고분자물질인 PR(Photo Resist) 또는 LOR(Lift Off Resist)을 얇게 코팅한 후 원하는 패턴의 마스크(mask) 올려놓고 빛을 쪼여 원하는 패턴을 형성하는 과정이다.

 

 

이때 감광성이란 빛에 반응하여 분자구조가 바뀐다는 것을 의미한다.

 

고분자 물질인 PR에는 두가지 종류가 있는데, Positive PR과 Negative PR이다.

 

Positive PR은 빛을 받으면 polymer간의 결합이 끊어지며 Negative PR은 빛을 받으면 반대로 polymer가 뭉쳐진다. 이는 후에 설명할 Develop이라는 과정에서 차이가 나타나므로 후에 같이 설명하도록 하겠다.

 

포토공정(Photolithography)

 

 

 

 

1. Clean Wafer (Wafer preparation)

 

포토공정에 앞서 Wafer Cleaning / Dehydration Baking / Wafer Prime의 3가지 공정을 진행한다.

 

이중 Dehyration Baking은 기판표면에 남아있는 잔여 수분을 제거하기 위해 진행한다. Substrate 위에 수분이 남아 있으면 기름 성분인 PR과 기판간의 접착을 방해하기 때문에 이를 제거하는 baking 과정이 필요한 것이다.

 

Wafer Prime은 PR과 기판의 접착성을 향상시키기 위해 계면활성제를 도포해주는 과정이다. (Spin Coating으로 진행함)

 

 

2. Deposit

 

Deposit 단계는 준비된 기판위에 패턴을 형성하고 싶은 물질을 올려주는 과정이다. 패턴을 형성하기 위해 쓰이는 물질에는 SiO2나 metal등이 대표적이며 자세한 공정 다시 다루도록 하겠다.

 

 

3. Coat with PR (or LOR)

 

감광제(PR 또는 LOR)을 도포하는 과정은 Spin Coating으로 이루어진다. 이는 포토공정에 필요한 두께의 PR을 실리콘 웨이퍼 기판 전체에 균일하게 형성하는 과정이다.

 

 

이런 Spin Coating에는 몇가지 단점이 존재하는데 첫번째는 Edge Bead라는 현상이다. Edge Bead란 Spin하는 원심력에 의해 웨이퍼 가장 자리에 PR이 뭉치는 현상을 말한다. Edge Bead가 존재할 경우 균일하지 않은 표면 때문에 Mask를 부착하는등의 공정에 방해가 될 수 있으므로 Edge Bead removal 공정을 통해 이를 없애는 과정 또한 필요하다.

 

 

두번째는 Streak라는 현상이다. 웨이퍼 위에 Particle 입자나 불규칙적이 구멍이 있으면 Spinning 과정에서 PR이 퍼져나가며 결함이 발생하게된다. Streak는 철저한 wafer cleaning 과정을 통해서 방지 할 수 있다.

 

 

 

4. Soft Bake (pre-bake)

 

Soft Bake 과정은 도포한 PR과 함께 남아있는 Solvent를 제거하고 기판과의 접착을 강화하기 위함이다. 여기에는 크게 2가지 방식이 있는데, Oven 방식과 Hot Plate 방식이 있다. (일반적으로 90-100°C)

 

 

 

열의 균일성과 baking time 및 비용등을 모두 고려하였을 때 Hot Plate를 쓰는 방식이 전반적으로 우수하기 때문에 특별한 경우를 제외하고 Hot plate를 더 많이 이용한다.

 

 

 

5. Align Masks

 

Alignment는 Mask의 패턴을 소자의 정확한 위치에 맞추는 작업이다. 이는 복잡한 패턴을 형성하거나 포토 공정을 여러번 해야하는 경우에 필수적인 공정이다. 이 과정에서 정렬이 어긋나면 소자가 오작동하거나 전기적 결함이 발생 할 가능성이 매우 크다.

 

 

정렬이 잘된 Alignment(왼쪽)와 정렬이 어긋난 Alignment(오른쪽)

 

6. Expose Pattern (Exposure)

 

Exposure은 PR (LOR)에 빛(UV - ultra violet)을 발사하여 패턴이 형성되도록 하기 위한 과정이다. 원하는 패턴의 Mask를 기판과 Align한 후 빛을 발사함으로써 Mask 패턴 모양에 따라 기판 위에 패턴이 형성된다.

 

 

 

Exposure은 크게 3가지 종류가 있다. ① Contact ② Proximity(Non-Contact) ③ Projection 

 

 

 (a) Contact Aligner (b) Proximity (Non-Contact) Aligner

 

Contact mode는 mask와 기판을 말그대로 매우 가깝게 닿게 하고 exposure을 하는 경우이다. PR층과 mask가 가까워 빛의 회절에 의한 영향을 적게 받는다. 때문에 작은 패턴을 만드는데 유리하다. (high resolution) 하지만 mask와 PR이 닿아 있기 때문에 mask를 교체하는데 번거로우며 defect가 생길 수 있다.

 

 

Proximity mode (Non-contact)의 경우 mask와 기판 사이에 간격을 두고 exposure을 진행한다. Mask와 PR이 닿음으로써 생기는 defect이 적고 mask의 교체가 유리하지만 빛의 회절의 영향으로 작은 패턴을 형성하는데에는 어려움이 있으며 기판과 mask 사이의 간격이 일정하지 못하면 . 주로 큰 패턴을 만드는데 사용한다.

 

 

 

Projection mode는 광학현미경과 같이 광원과 wafer사이에 condenser lens 및 objective lens를 삽입하여 mask pattern을 축소하여 더욱 작은 기판에 형성할 수 있도록 하는 mode이다. 높은 해상도를 보인다. Stepper printing이라고도 한다.

 

 

 

 

7. Develop

 

Develop이란 developer라는 현상액을 이용하여 일정 부위의 PR을 제거하여 패턴을 형성하는 과정이다. PR에는 positive PR과 negative PR의 두종류가 있다. 

 

Positive PR의 경우 UV를 받은 부분의 고분자 결합이 끊어져 developer에 의해 사라지게 되고 mask로 막혀 UV를 받지 않은 부분만 남아 패턴을 형성한다. 

 

반대로 Negative PR은 UV를 받는 부분의 고분자들이 뭉치게 되어 mask로 막혀 UV를 받지 않은 부분이 developer에 의해 제거된다.

 

           

 

 

 

즉, 그림과 같이 Positive PR은 mask와 같은 모양의 패턴이, Negative PR은 mask와 반대 모양의 패턴이 나타난다고 생각하면 된다.

 

8. Hard Bake

 

 

Hard Bake는 develop후에 남아있는 수분과 solvent 등을 제거하여 PR을 다시 건조시키기 위해 진행한다. 

 

더불어 PR 내 기포를 제거하여 안정화와 결합력(cross linking)을 증가시켜주는 공정이다. 마찬가지로 hot plate를 주로 이용한다. (>100ºC)

 

 

9. Etching

 

형성된 PR(LOR) pattern 모양대로 SiO2나 metal을 깎아주는 과정으로(식각) 해당 공정 포스팅에서 자세하게 설명하겠다.

 

10. Remove PR

 

SiO2나 metal을 원하는 패턴으로 만든 후 남아 있는 PR(LOR)을 제거하여 패터닝을 완성하는 작업이다. 잔여 PR은 Acetone등에 의해서 제거되며 잔여 LOR은 developer등에 의하여 제거된다.