포토공정이란?

포토공정(Photolithography)

반도체 표면에 빛을 이용하여 회로 패턴을 그려 넣는 공정이다. 포토리소그래피는 빛을 나타내는 Photo, 라틴어로 돌을  뜻하는 Litho, 인쇄술을 나타내는 Graphy의 합성어로 빛을 이용해 돌을 찍어내는 기법을 의미한다.

 

포토공정 프로세스

포토공정 프로세스

1. Surface Preparation

본격적인 포토공정 전 웨이퍼 표면을 처리하는 공정이다. 크게 Wafer Cleaning, Dehydration bake, Wafer prime의 세 가지 공정 과정을 거친다.

 

• Wafer Cleaning : 웨이퍼 표면 불순물 제거
• Dehydration Baking : 웨이퍼 표면 수분 제거
• Wafer Prime : 웨이퍼 기판과 PR의 접착성을 향상시키기 위한 과정이다. 친수성 표면을 소수성으로 만드는 작업이다.

 

왜 웨이퍼 표면을 소수성으로 바꿔야하는지?

PR은 대부분 유기용매이다. 따라서 웨이퍼 표면이 소수성일 때 접착력이 더 높아져 웨이퍼 표면 특성을 변경한다.

 

HMDS과 같은 Silazane gas 분사를 통해 Si-O-H 형태의 친수성의 웨이퍼표면을 소수성으로 바꾸어 웨이퍼와 감광제(PR)의 접착력을 향상한다.

 

2. Spin Coating

감광제인 PR을 도포하는 공정이다. PR은 감광성 고분자 물질로 크게 Solvent, Resin, PAC로 구성되어 있다. 

 

• Solvent : 솔벤트는 PR의 97%를 차지할 정도로 많은 부분을 차지하고 있다. 고체인 Resin과 PAC를 용해시켜 스핀 코팅을 용이하게 도와주는 역할을 한다.
• Resin : 레진은 Polymer 결합으로 이루어진 물질로 Positive PR과 Negative PR이 각각 다른 구조를 가지고 있다.
• PAC(Photoactive compound) : PAC는 빛을 받아 Resin과 반응하는 역할을 한다.

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3. Soft Bake

Soft Bake는 PR에 존재하는 Solvent를 증발시켜 제거하기 위한 공정이다. 잔여 Solvent가 있으면 이후 노광공정에 방해가 되기 때문이다. 또한 Wafer 표면과 PR사이의 Adhension을 좋게 하고 PAC(Photo Active Compound)를 활성화한다.

 

Soft Bake는 시간, 온도로 컨트롤이 가능하며, 정교한 작업을 위해 질소가스가 채워진 챔버에서 작업하는 것이 유리하다. Bake 하는 방식에 따라 Oven을 이용하는 방법과 Hot Plate를 이용하는 방법이 존재한다.

 

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4. Alignment & Exposure

Alignment

Mask layer 패턴 위치를 정확하게 잡아주는 작업이다. 패턴 위치를 정확하게 잡는 방법은 Alignment Key를 사용한다.

Alignment Key

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Exposure

RP에 빛을 조사하는 과정이다. 보통 Alignment와 Exposure가 하나의 장비에서 이루어지며, 이런 장비를 Aligner라고 칭한다.

 

Projection Printing이 가장 널리 사용되고 있고, 이는 Stepper 방식과 Scanner 방식으로 나뉜다. 최근 개발되고 있는 미세공정은 대부분 Scanner 방식이다.

Aligner

Stepper 방식

하나의 마스크 패턴을 한 번에 M:1 비율로 노광 하는 방버이다. 미세화, 정밀도, 오버레이의 정확성이 부족하여 현재 필드에서는 많이 사용하지 않는 방식이다.

Scanner 방식

UV선의 형태로 노광 시키며 레티클 혹은 다이를 이동시켜 패턴을 노광하는 방법이다. 하나의 마스크가 지나가면서 한 줄씩 인쇄하는 방법으로 노광 사이즈 크기는 M:1로 대응된다. 초미세 공정에서 사용이 가능하지만, 레이저 범위가 좁아 한줄씩 인쇄해 작업 시간이 오래 소요된다.

Stepper VS Scanner

 

5. PEB (Post Exposure Bake)

현상하기 전에 빛 반응 화합물인 PAC를 확산시켜서 PR 경계면을 매끄럽게 하는 과정이다. 일반적으로 Soft Bake보다 높은 온도에서 작업을 진행한다.

PEB

 

정상파(Standing Wave)

노광과정에서 입사된 빛과 반사된 빛이 간섭하여 정상파를 만들고, 이로 인해 Photoresist 경계면에 물결무늬가 생성되게 된다. 이를 해결하고자 PEB에서 유리전이온도(Glass Transition Temperature) 이상의 온도에서 PR의 열적 반응으로 분자단위의 PR성분들을 재정렬시켜 PR sidewall 표면을 매끈하게 만들어준다. 결과적으로는 Resolution이 향상되는 효과를 보인다.

BARC(Bottom anti-reflective coating)

정상파를 최소화하는 방법에 PEB를 진행하는 방식 외에 다른 방법이 하나 더 존재한다. 바로 BARC(Bottom anti-reflective coating)를 사용하는 방법이다. 

 

PR을 도포하기에 앞서 Reflection을 최소화하는 물질을 얇게 깔아줌으로써 빛이 반사되는 문제를 근원적으로 해결할 수 있다.

 

BARC

 

6. Develop

현상은 현상액(Developer)을 이용하여 필요 없는 부분을 구분하여 PR을 제거하는 공정이다.

Develop

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7. Hard bake & 8. Inspection

Hard bake

잔여 솔벤트를 제거하고 PR을 건조해 기판에 대한 PR 결합력을 강화시키는 공정이다. Polymer 내부에 기포를 제거하여 안정화와 결합력을 증가시킨다.

 

Hard bake는 감광제의 모든 용매를 증발시킬 뿐만 아니라 감광액 중합과 안정화에 영향을 준다.

 

Inspection

노광공정에서 문제가 발견될 시 아세톤으로 잔여 PR을 깨끗이 지우고 처음부터 다시 공정을 진행한다. 즉, 노광공정은 Reversible Process이다.