반도체 공정 [5] 포토 공정(Photolithography) (1) 포토마스크, 포토 공정,감광제

2025.02.10 - [반도체 공부/반도체 공정] - 반도체 공정 [4] 반도체 공정의 기초 (3) 플라즈마

반도체 공정 [4] 반도체 공정의 기초 (3) 플라즈마

 

포토 공정

 

 포토 공정은 원하는 회로 설계를 만들어 놓은 마스크(mask)라는 원판에 빛을 쬐어 생기는 그림자를 웨이퍼 상에 전사시켜 복사하는 기술로, 반도체의 제조공정에서 설계된 패턴을 웨이퍼 위에 형성하는 중요한 공정이다.

 즉, 포토 공정은 포토 마스크(레티클)에 그려진 집적 회로 패턴을 웨이퍼로 옮기는 과정으로,

빛에너지를 이용해 포토 마스크 상에 새겨진 반도체 패턴 회로를 투과 (ArF방식)나 반사(EUV) 방식으로 웨이퍼 상에 도포된 감광제에 expose한 후, 후속 현상 작업 하여 전사하는 방법이다.

 

 '포토 공정'은 소자의 집적도를 향상시키는데 가장 핵심적인 역할을 한 공정으로, 1G의 DRAM을 생산하기 까지 20~25회 정도의 최다진행공정이기도 하다. 대략 메모리 제조 공정 시간의 60%, 총 생산 원가의 30%를 점하는 공정이다.

 

 흔히들 이 포토공정을 사진작업과 비교를 한다.

 

- 사진을 찍고자하는 피사체 = '노광기술에서의 마스크'

- 사진기 = 노광기

- 사진필름 = PR(감광제)가 도포된 웨이퍼

- 필름 현상 = 빛을 받은 감광제를 현상하는 과정

- 현상된 필름을 이용하여 사진 인화를 하는 작업 = 노광 공정 후 진행하는 식각공정과 이온 주입 공정

- 사진을 모아놓은 앨범 =공정 제작이 완료된 반도체 소자

 

라고 할 수 있다.

 

 

포토 마스크

 가장 먼저 포토 공정에서 쓰이는 '포토 마스크'에 대해 알아보자.

 

 '포토 마스크'란 자외선이 잘 통하는 석영 유리판에 자외선을 차단하는 Cr 차단막으로 반도체 회로 패턴을 만들어 놓은 것이다. 석영 위에 Cr 막을 증착한 후 E-beam Resist를 올려 회로 패턴을 올린 다음 노출된 Cr을 식각하고 다시 Resist를 제거하는 과정을 통해 완성된다.

 이때, 포토 마스크용 패턴은 원판이 아닌 CAD 데이터만 있어 Resist 패턴형성 방법이 포토공정과는 차이가 있다. 포토 마스크를 위한 패턴을 만드는 방법은 마치 펜으로 그림을 그리는 것처럼 전자선을 E-beam Resist에 Scanning하는 방식으로 CAD 데이터에서 요구하는 내용을 E-Beam Resist 패턴으로 만들게 된다.

 

 

포토 공정의 순서

 

https://semiconductor.samsung.com/kr/support/tools-resources/fabrication-process/eight-essential-semiconductor-fabrication-processes-part-4-photolithography-laying-the-blueprint/

[반도체 8대 공정] 4탄, 웨이퍼에 회로를 그려 넣는 포토공정 | 삼성반도체

 

https://news.samsungdisplay.com/21553

[디스플레이 용어알기] 40. 포토리소그래피 (Photolithography), 포토 공정

 

삼성 반도체에서 기술을 소개한 글이다. 참고하면 좋을 듯하다.

 

 

 

 

 기본적으로 포토 공정은 감광제(PR)을 사용해 코팅을 한 후, 노광(expose) 후 빛을 받은 부분과 받지 않은 부분을 구분하는 현상(develop) 작업의 3가지 과정으로 크게 구분을 한다. 이외에도 준비과정이나, 후속 처리과정이 더해진다.

 

 

1. 기판 준비 및 표면 처리

 

 웨이퍼 표면을 화학처리하여 친수성인 표면을 소수성 표면으로 바꾸어 감광제의 접착력을 향상 시키는 과정이다. 이 작업에서는 웨이퍼 표면을 HDMS 증기에 노출시켜 Si-O-H 형태의 친수성인 웨이퍼 표면을 Si-O-(CH3)3 형태의 소수성 표면으로 바꿔준다.

 

 PR(감광제)는 보통 소수성 성질을 가지며, 소수- 소수 결합을 통해 웨이퍼와 감광제의 접착력을 향상시킨다.

이후 현상(Develop)공정에서 알칼리 수용액에서 현상을 진행하는데, 빛을 받은 부분과 받지 않은 부분의 용해 속도 차를 증대시키기 위해 감광제는 점점 더 소수성이 커지므로 위 처리는 필수적이다.

 

 

2. Spin 코팅

 

 이후 감광제를 스핀 코팅하는데, 저속 회전 상태에서 감광제를 뿌린 후 특정 회전 수까지 가속하여 PR이 웨이퍼의 표면에 고루 덮이도록 만든 후 최종적으로 3000~6000RPM 까지 수십초간 고속으로 회전시켜 감광제를 원하는 두께로 코딩하는 과정이다. 이때 감광제의 두께는 감광제의 두께와 회전 속도에 의해 결정된다. 속도가 빠를수록 두께가 감소하고, 점도가 클수록 두께가 증가한다.

 

 스핀코팅 작업 시 감광제가 웨이퍼의 가장자리에서 두꺼워지는데, 이를 Edge bead 현상이라고 한다. 이는 후속공정에서 장비 내 오염을 일으켜 파티클 또는 결함의 원인이 될 수 있으므로 제거해주어야한다.

 코팅 최종 단계로의 진입 시 저속 회전하면서 PR을 녹이는 용매를 뿌려주어 웨이퍼 가장자리의 PR을 제거하는 화학적인 방법과 레이저를 이용하여 그 에너지로 제거하는 광학적인 방법이 있다.

 

 

3. Soft Bake 

 

 감광제 코팅 후, 감광제에 포함된 유기용매(Solvent)를 제거하기 위해 낮은 온도에서 진행한다. 스핀 코팅 시 원심력으로 인한 스트레스를 완화하고, 감광제의 반응 특성을 일정하게 유지하여 후속 노광공정에서 발생할 환경 변화에 의한 민감도를 줄이는 역할을 한다.

 

4. Align & Exposure

 

 Soft bake 후에는 노광공정( Exposure )을 진행한다. 대부분의 반도체 제조 공정에서는 포토 공정이 20~25회 정도 반복되는데, 각 층간의 수평 위치를 정확히 맞추어 쌓아야 정확한 반도체 회로를 만들 수 있다. 각 층간의 정확한 위치를 찾는 작업을 포토 정렬이라고 하며, 이러한 정렬 작업은 정렬키를 이용하며 각 층과 층간의 위치 정확도는 Overlay Accuracy라 한다. 

 

5. PEB

 

 노광이 끝나면 다시 bake를 실시하는데 이 과정을 FEB라고 한다. Soft bake보다 높은 온도(110~120)에서 진행하며, 노광공정에서 빛을 받은 부위에서 발생한 산을 확산시켜 불균일한 패턴을 개선하는 효과가 있어 PR 패턴 형성 과정에 중요한 역할을 한다.

 특히, Deep UV PR의 경우 화학 증폭형 감광제를 사용하는 경우가 많은데, 이 경우에는 PEB 과정을 통해 화학 증폭 반응이 일어나며 PR패턴이 형성되므로 PEB 온도를 정확히 조절하는 것이 매우 중요하다.

 

6. Develop

 

 노광과 PEB가 끝난 감광제는 현상 과정을 거쳐 PR 패턴을 노출시킨다. 일반적인 positive PR의 현상액은 대부분 알칼리성 수용액을 사용하고 있으며, 2~5% 정도의 TMAH 수용액을 사용하고 있다. 현상 시간과 감광제의 두께에 따라 PR 패턴의 현상이 덜되거나 과도하게 되어 패턴의 변형이 생길 수 있다. 그렇기 때문에 조건에 맞는 현상 시간이나 조건이 필요하다.

 Puddle 방식을 주로 사용하는데, 현상 초기에 느린 속도로 웨이퍼를 spin하여 약간의 현상액을 뿌려 감광제 표면을 씻어낸 후 정지상태에서 웨이퍼 위에 현상액을 표면장력으로 잡아서 현상하는 방식이다. 이 방식은 현상액의 소모량이 작고 균일도가 우수하다. 현상이 끝나면 DI( deionized water, 순수)로 씻어 잔여 현상액을 제거한 후 건조를 한다.

 

7. Hard Bake

 

 이후 감광제의 변형이 일어나지 않도록 PR의 유리질 천이온도(TG)보다 높고 광반응제(PAC)의 분해 온도보다 낮은 온도인 110~130도에서 Hard Bake를 한다. 이 과정에서는 잔여 Solvent 및 수분이 제거되고 감광제의 Top corner 부위가 살짝 reflow되면서 살짝 둥근 모양이 된다.

 

 

감광제(Photoresist, PR)

 

 감광제란 노광공정을 통해 마스크 원판의 회로 패턴을 웨이퍼로 전사하는 과정에서 빛에 의해 특성이 변하는 매개체를 의미한다. 감광제는 특정 파장의 빛을 조사하면 빛과 반응하여 화학 구조가 바뀌게 되고 빛을 받은 부분이나 받지 않은 부분이 후속처리(현상액)에서 녹는 특성을 가지고있기 때문에, 노광공정 후 현상 처리를 하면 빛을 받은 부분과 그렇지 않은 부분이 선택적으로 제거할 수 있다.

 이때 빛을 받은 부분이 현상액에 녹으면 Positive PR, 빛을 받지 않은 부분이 녹으면 Negative PR이라고 말한다. 반도체 공정에서 미세패턴 형성 측면에서 유리한 Positive PR이 주로 사용된다.

 

 

 감광제는 Resin(레진, 고분자 수지)와 이 레진을 녹여 액체 상태로 만드는 Solvent, 그리고 빛과 반응하여 레진의 분자 구조를 바꾸는 광 반응제(Photo Sensitizer)로 구성되어있다. 이 광 반응제는 PAC(Photoactive compound)나 PAG(Photo acid Generator)라고 부른다.

 

 Deep UV PR인 화학 증폭형 감광제의 빛을 쐰 부분에서 반응이 보이는데, 빛을 쐬면 PAG는 Acid로 바뀌어 PEB공정에서 polymer chain과 반응하여 현상액에 잘 녹을 수 있게 끊어주며 다시 산이 만들어지는 연쇄작용이 일어난다. 이러한 연쇄작용은 노광기의 UV 효율을 높여주며, 노광공정에서 쬔 자외선은 Seed 역할을 하고, 대부분의 Polymer Chain을 자르는 과정은 PEB 공정 중 진행되므로, PEB 공정의 미세한 온도 조절이 중요하다.

 감광제는 일정량의 빛에 반응하여 현상이 되는 것이 매우 중요한데, 이상적인 positive 감광제는 한계 노광량을 넘기면 완전히 현상되고 그 이하에서는 전혀 현상되지 않는 것이다. 빛을 쬔 곳과 그렇지 않은 곳에서의 현상 차이를 용해도 차이라고 하고, 현상을 위해 쬐어주는 빛의 양을 민감도(sensitively)라고 한다.

 이 민감도가 작으면 분해를 위해 많은 빛이 요구되어 공정 속도가 느려지고, 민감도가 커지면 적은 빛이 요구되어 공정 속도는 짧지만 빛의 산란이나 반사 등의 영향을 많이 받고 노광기의 초점 거리에 의해 패턴 변화가 심해지는 등 공정 품질이 나빠질 수 있다.