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[반도체공정] feat.jaeger, Chapter 2 노광기술 - Lithography가 뭐야? 본문
[반도체공정] feat.jaeger, Chapter 2 노광기술 - Lithography가 뭐야?
milron 2024. 7. 4. 00:05반도체 8대 공정
1. 실리콘 웨이퍼 제조 공정
2. 산화공정(Oxidation)
3. 포토공정(Photo)
4. 식각공정(Etching)
5. 증착공정(Deposition)
6. 금속배선공정(Metalliztion)
7. EDS 공정(Electrical Die Sorting)
8. 패키지공정(Package)
바깥의 빛이 film에 전사되어 빛의 흔적이 남은 결과가 바로 아날로그 사진입니다.
이 공정 또한 비슷한 원리이기에 사진(Photo)이라는 이름이 붙여진 겁니다.
이번에 알아볼 jaeger Chapter 2의 반도체 공정은 포토공정.
Lthography(노광기술)입니다.
이 노광기술이란 간단히 말해서 웨이퍼에 회로를 그리는 기술이라 이해하면 쉽습니다.
Lithography 공정 과정
1. Clean Wafers, 웨이퍼를 세척한다.
2. Deposit barrier layer SiO2, Si3N4, metal : 산화 규소, 질화규소, 금속 등으로 이루어진 박막의 베리어 층을 성장한다.
3. Coat with photoresist : 감광제로 회로를 도포한다.
4. Soft bake : 웨이퍼를 약하게 구워 단단하게 만든다.
5. Align masks
6. Expose pattern
7. Develop photoresist
8. Hard bake : 웨이퍼를 강하게 굽는다.
9. Etch windows in barrier layer
10. Remove photoresist
figure 2.2
딱 봐도 뭔가 많이 복잡합니다.
그러나 조금만 살펴보다 보면 전혀 어렵지 않음을 깨달으실 수 있을 것입니다.
천천히 살펴보도록 하겠습니다.
Lithography
모든 기술에는 종류가 존재합니다. 노광기술에도 여러 가지가 존재합니다.
또한 환경에 따라 사용되는 장비도 달라집니다.
그렇다면 장비의 성능은 어떻게 판단할까요?
1. 종류
크게 3가지의 노광기술이 존재합니다.
- 광노광기술
- 전자빔 노광기술
- X-선 노광기술
전부 알아볼 수는 없으므로 그중 가장 일반적인 광노광기술에 대해서 알아보겠습니다.
광노광기술 : UV(자외선)를 이용해 photoresist(감광막)을 lithography(노광)하는 기술입니다.
자외선을 사용하는 이유는 파장이 짧아 높은 분해능을 가지기 때문입니다.
= 이는 작은 패턴 형성을 가능하게 해 줍니다!
2. 장비의 분류와 성능 기준
노광 장치는 다음과 같이 불립니다.
소규모일 경우 - aligner
대규모일 경우 - stepper
stepper라고 부르는 이유는 왼쪽 그림과 같이 마스크의 상을 축소하여 웨이퍼에 노광을 하고 stepping(다음 지역으로 이동)하여 반복적으로 찍어가 전체 웨이퍼를 노광 하기 때문입니다.
lithography는 more! 작은 패턴!
더 더 작은 패턴을 정상적으로 많이 그릴 수 있어야 좋은 겁니다.
즉
- resolution(분해능이 높은가?)
- registration(인쇄정합) : 순서대로 잘 작동하는가?
- throughput(높은 생산력) : 수율이 좋은가?
의 특성에 따라 장치 성능이 결정됩니다.
Photoresist(감광제)
그렇다면 그 작은 웨이퍼에 실질적으로 어떻게 회로를 그리게 할까요?
원리는 간단합니다.
빛에 닿으면 녹거나 녹지 않는 물질을 사용하여 회로를 그릴 수 있습니다.
이것을 photoresist(감광제)라고 부릅니다.
2 가지의 감광제가 존재합니다.
- positive PR(양성 감광제) : 빛이 닿은 부분의 고분자 체인 연결이 끊어지고 약해져 developer(현상액)에 융해되어 버리는 감광제입니다.
- negative PR(음성 감광제) : 빛을 닿은 부분이 단단해져 현상액에 녹지 않는 감광제입니다.
Mask
사용할 빛을 골랐으면 이제 마스크를 준비해야 합니다.
마스크는 빛을 집적시켜 작은 회로에 지도를 그릴 수 있게 하는 돋보기이며 유리판에 Cr 선의 패턴이 있는 것으로 reticle 이라고도 합니다.
과정은 다음과 같습니다.
간단한 집적 회뢰를 구성하는 그래픽을 제작합니다.
이제 회로를 본뜬 금속을 제작합니다.
이 과정을 반복하여 수많은 복제본을 복사하는 작업을 진행합니다.
광노출방법(printing)
제대로 된 장비를 보유하고 있다면 이제 기판에 노광 시켜야 합니다.
노광 시키는 방법에도 여러 종류가 존재합니다.
소규모에서 사용하는 aligner를 이용하는 방법
- shadow printing(음영인쇄법)
- (a) contact printing(접촉인쇄법)
- (b) proximity printing(근접인쇄법)
대규모에서 사용하는 stepper를 이용하는 방법
- (c) projection printing(투사형 인쇄법)
(a) contact printing(접촉인쇄법)
웨이퍼에 mask 가 직접 접촉하여 노광을 하 는 방법입니다.
높은 분해능이 있지만, 마스크 손상 및 접촉압력에 의한 감광막 모양 변형이 일어날 수 있습니다.
(b) proximity printing(근접인쇄법)
분해능은 다음 식을 따릅니다.
λ : 빛의 파장
g : (감광막의 두께 + 웨이퍼 두께)의 Mask와의 사이 간격
접촉인쇄법의 분해능을 높이는 법은 간격(g)과 빛의 파장을 줄이는 것입니다.
proximity printing은 웨이퍼와 마스크 사이가 약 10-50 ㎛ 정도 떨어져 있어 마스크 손상 및 감광막 모양 변형이 방지될 수 있으나 마스크와 웨이퍼사이의 회절현상에 의하여 분해능이 낮아집니다.
(c) projection printing(투사형 인쇄법)
굴절형, 반사형으로 나뉩니다.
높은 분해능을 가지며 마스크 손상이 방지되나 복잡한 고가의 장비입니다.
l_m : minimum feature size(최소 물체크기)
N_A : numericalaperture(수치동공 : 빛을 모으는 능력의 정도)
n : 매질의 굴절율(공기의 경우 n=1)
l_m 이내로 상이 맺혀야 초점이 맞습니다.
따라서 다음과 같이 초점 심도를 근사할 수 있습니다.
Δz : depth of focus(초점심도)
θ값 이 작을 때는 sinθ ≈ tanθ 로 근사가 가능합니다.
만약 웨이퍼가 평탄하지 않으면 초점이 엇나가 노광 공정에 차질이 생길 것입니다.
*누설전류가 생기기라도 하면 모든 공정을 중지해야 합니다. ㄷㄷㄷ
(d) 위상이동 마스크 (phase shift mask) 기술
이 과정들은 꽤나 비쌉니다. 그래서 예외적으로 꼼수를 사용합니다.
근접한 빛의 두 패턴 간의 180도 위상 이동을 일으키는 phase shifter를 붙이고 상쇄간섭에 의해 분해능을 향상합니다.
광원
장비도 알았고 원리에 대해서도 간략하게 살펴보았습니다.
노광기술은 파장에 따라 결과가 달라짐을 알 수 있습니다. 그렇다면 어떤 빛을 사용해야 할까요?
수은램프를 UV 광원으로 사용합니다.
수은램프에는 여러 가지 파장의 UV 선이 있습니다.
436 nm = G-line
405 nm = H-line
254 nm, 313 nm, 365 nm = I-line
측정한 UV 선을 필터링하여 stepper 나 aligner의 광원으로 사용합니다.
예를 들어 365 nm의 UV 파장을 쓰는 stepper을 I-line stepper라고 합니다.
예전에는 g-line을 주로 썼는데 요즘은 집적도가 높아져서 i-line을 주로 쓴다고 합니다.
자외선은 유리가 잘 흡수하기 때문에 못씁니다. 석영렌즈로 바꿔야 하는 데, 이 석영렌즈가 만들기 비싸고 어려워서 광학계가 복잡해집니다.
긴 글 읽어주셔서 감사합니다.
- 저자
- jaeger
- 출판
- 피어슨 에듀케이션
- 출판일
- 2013.08.30