박막공학 [24] Photolithography(2)

 

박막공학 [23] Photolithography (1)

 

 

 박막 공학의 photo 공정과정과 그 내용에 대해 알아보았다. 마지막으로, 정렬 오차와 같이 포토 공정에서 중요한 내용들을 다시 한번 알아보자.

 

 

1. 정렬오차

정렬 오차의 예를 설명한 그림

정렬 오차를 알기 위해서는 Alignment Mark를 이용하여 정렬상태를 측정할 수 있어야 한다.

 

그 중, 첫 번째 방법은 CD-SEM을 통한 방식이다.

2번째 방법은 CD-Scatterometry 방법으로, 정렬 오차의 평균치를 구하는 방법이다. 분석이 빠르고, 재현성이 우수하지만, 패턴 모양을 육안으로 확인이 불가하다는 단점이 있다.

 

1-1. Test Structure

실제 정렬 정확도 확인을 위해, 각 chip 간 scribing 영역에 test pattern 삽입하는 것

 

2. Optics의 기본 이론

2-1.Young's Single Slit Experiment

빛의 회절 현상과 간섭 무늬를 설명하는 대표적인 고전 광학 실험

 

빛의 파장이 silt의 크기에 근접하면 diffraction(간섭)이 일어나며, 파동의 경로차이가 lambda/2 일 경우 완전 소멸 간섭한다.

 

2-2. Airy Disk와 회절 한계

빛이 렌즈를 통과해 초점에 모일 때 생기는 회절 패턴

 

중심 최대 밝기 크기는 수식으로 나타낼 수 있는데, 다음과 같다.

 

 이 수식은 빛이 퍼지는 정도를 나타내며, 중심 최대 밝기의 크기를 줄이기 위해서는 짧은 파장을 만들고(λ를 줄이고) NA를 키워 고성능 렌즈를 만들어야 한다.

 

2-3. Resolution (해상도)

두 개의 인접한 패턴이나 선을 광학적으로 구분할 수 있는 최소 거리

 

 

해상도는 λ가 작고, NA가 클수록 좋아지기 때문에 이를 잘 응용해야 한다.

 

 

2-4. 광원의 발전

 최근에는 EUV가 사용되고 있으며, 최신식 장비일 수록 파장이 짧다.(수은 램프 (g/h/i-line) → Excimer Laser (KrF, ArF) → EUV)

 

 

2-4-1. Immersion Lithography

굴절률 n=1인 공기 대신 물(n= 1.44)을 렌즈와 웨이퍼 사이에 주입하여 파장이 짧아지는 효과를 노려 해상도를 개선하는 방법도 있다.

 

 

2-5. Depth of Focus (초점 심도)

광학계에서 허용 가능한 초점 거리의 범위로 웨이퍼가 렌즈의 정확한 초점 면에서 약간 위아래로 움직여도 여전히 선명힌 패턴이 형성될 수 있는 범위

 

	DOF에 미치는 영향	해상도에 미치는 영향
λ 감소	↓ (심도 얕아짐)	↑ (해상도 개선)
NA 증가	↓ (심도 얕아짐)	↑ (해상도 개선)

 

Wafer가 평탄하지 않고 단차가 존재하면 광학 경로가 달라져 이미지가 왜곡되기 때문에 평탄화 공정을 통해 Wafer를 평평하게 만든다.

 

2-6. Reflection에 의한 Standing Wave 문제

금속이 맨 위에 있을 때 금속은 반사율이 높아 reflection wave가 강해 standing wave(정제파)가 만들어지는데, 정제파는 PR의 두께 방향으로 강도 변화를 유발해 현상 후 두께 방향의 주기적인 물결 무늬가 만들어진다.

 

pattern의 size가 작을 경우 standing wave는 PR 내부에 수직방향의 패턴이나 불규칙적인 에칭을 초래한다.

 

이러한 정제파 문제를 해결하기 위한 해결방안으로는 크게 3가지가 있다.

 

해결 방법

1. PR에 첨가물을 넣어 반사율을 감소

2. ARC

반사율이 높은 금속 층(예: Al, TiN 등) 위에 얇게 코팅되는 층으로 이 층에서 광선을 흡수하거나 반사 위상을 제어

3. PR spin coating 전 유기 antiflective 막 도포

 

3. Resolution을 증가시키는 기술

 박막 공학에서 가장 중요한 개념중 하나인 Resolution을 증가시키기 위한 노력들이 부단히 이뤄지고있다.

 

3-1. Phase Shift Mask

일반 마스크는 빛을 단순히 차단/ 통과하지만, Phase Shift Mask는 빛의 위상을 조절하여 간섭 현상을 유도하는 것.

 

cf. Attenuated Phase Shift Mask

100% 빛 차단이 아닌, 약간의 투과를 허용하여 패턴 간 경계를 더 날카롭게 만드는 기술

 

3-2. Multi patterning 기술

ArF 광원(193 nm)의 해상도 한계를 극복하기 위해 도입 – 45nm 이하 공정에서 사용

 공정 수 증가를 통해 해상도를 극복하여 LELE, SADP 등의 공정을 활용하는 가장 핫한 기술이다. 다만 Multi-라는 특성상 공정의 시간이 많이 소요되며 정밀도가 많이 필요하다는 특징이 있다.

 

 

 

이상으로 박막 공학에 대한 강의를 마치도록 하겠다.