반도체 공정 [6] 포토 공정(photolithography) (2) 노광(exposure) 공정

2025.02.10 - [반도체 공부/반도체 공정] - 반도체 공정 [5] 포토 공정(Photolithography) (1) 포토마스크, 포토 공정,감광제

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

 

 

 노광 공정

 

 노광 공정이란 감광막에 빛을 조사하여 패턴이 형성되게 하도록 하는 공정이다. 반복적인 노광을 할때, 이전 노광으로 형성된 회로 패턴과 위치를 맞춘 정렬을 통하여 그 다음 노광을 실시하며 이런 목적으로 사용하는 패턴을 정렬키라고 한다. 빛을 사용하여 노광하는 포토리소그래피 장비의 기본적인 형태는 사용하는 광학계에 따라 나뉘어지며, 크게 '근접 노광 방식'과 '투영 노광 방식'이 있다.

 

 반도체 초창기에는 주로 접촉 노광(Contact printing)과 근접 노광(Proximity Printing) 방식을 사용하는데, 이 두 방식은 마스크와 웨이퍼 사이의 간격으로 구분한다. 

 

 접촉 노광 방식의 경우, 마스크와 감광제가 밀착되어있어 빛의 회절에 대한 영향을 적게 받는다. 그렇기 때문에, 작은 패턴 구현에 유리하지만, 감광제가 마스크에 묻어남에 따라 마스크의 수명이 짧아지는 문제점으로 인해 현재는 학교 연구실 정도에서 사용하는 기술이 되었다

 

 근접 노광의 경우에는 10 마이크로미터 정도의 간격을 가지기 때문에 마스크가 손상되지 않는다. 하지만, 빛이 마스크를 통과하며 생기는 회절 현상으로 인해 정밀도에서의 한계가 존재한다.

 이러한 문제의 극복을 위해 투영 노광 방식을 현재 주로 사용한다. 마스크를 통과한 빛을 적절한 광학계를 이용하여 4:1, 5:1 비율로 축소하는 방식으로, 마스크의 수명이 길고 렌즈를 사용하기 때문에 회절을 완화시킬 수 있다. 대표적으로 Stepper이나 Scanner이 이 투영 노광 방식의 일종이다. 또한, 패턴 미세화에 의한 한계를 극복하기 위해 투영 광학계 렌즈와 웨이퍼 사이에 물을 투입시키는 액침 노광(Immersion Lithography) 방식도 접촉 노광 방식에서 회절 효과를 최소화 하기 위해 사용된다.

 

 

  노광 공정에서 PR의 감광을 위해 사용되는 빛은 자외선을 사용한다. 소자의 크기 별로 노광 장비의 파장이 다양한데, 최초의 광원은 초고압 수은 등을 사용하여 G- line과 i-line을 사용하였으나 소자가 점차 미세화 되면서 현재는 엑스모어 에너지를 사용해서 얻은 KrF나 ArF, EUV를 사용하고 있다..

 

 노광 공정에서 사용하는 빛의 파장이 짧아지는 이유는 무엇일까?

 

 

  노광 공정에서 사용하는 빛의 파장은 점차 짧아지는 경향성을 가지고 있다.

 

 첫번째 이유는 '분해능(resolution)'을 들 수 있다.

 분해능이란, 포토 공정에서 마스크 패턴을 웨이퍼에 전사하는 한계이다. 마스크 패턴을 노광하였을 때 전사할 수 있는 즉, 구분이 가능한 최소 패턴 크기의 척도로 볼 수 있다. 이론적으로 리소그래피에서 구현 할 수 있는 최소 선폭의 한계는 다음 식으로 나타낼 수 있다.

 

d=K1*λ/(NA) (λ : 빛의 파장, NA : 개구값) 

 

  공정 계수는 감광제 특성 향상, 공정 최적화, 포토 마스크 패턴 변경 등을 통해 개선할 수 있으며, 노광 장비의 측면만을 고려한다면 짧은 파장과 높은 NA 광학계( 큰 렌즈 )를 사용하면 보다 작은 패턴을 사용할 수 있다. 하지만, 이뿐만 아니라 마스크 패턴을 웨이퍼 기판 위에 구현하기 위해서는 광학계에서 허용하는 수직 정렬 오차를 나타내는 초점심도(DOF, Depth of Focus)도 함께 고려해야 한다.

 

 초점 심도가 크다는 것은 포토 공정에 Margin(여유)가 있다는 의미로, 돋보기로 햇빛을 모으는 간단한 실험을 통해서도 확인할 수 있다. 돋보기로 햇빛을 모으게 되면 돋보기를 위아래로 움직여도 어느정도 크기 이하로 햇빛을 모은 점의 크기가 바뀌지 않는다. 돋보기가 클수록 이 점의 크기가 작아지는데 NA가 커져서 DOF가 작아지는 것이다..

 

 

 이 초점 심도가 클수록 PR의 두께 변화, 기판의 높이 변화, 웨이퍼의 평탄도 변화 등에 둔감해지며, 해상도를 높이기 위해 λ를 작게하거나, NA를 크게하면(렌즈의 크기를 키우면) DOF가 작아진다. 또한, 렌즈의 크기에는 분명한 한계가 있기 때문에 NA의 증가에는 한계가 있다. 따라서, λ 를 줄이는 (점점 더 짧은 파장의 광원) 방법을 사용함으로 미세패턴을 구현해 오고 있다. 따라서, DOF(초점심도)가 짧아지는 부작용은 CMP 공정을 사용한 웨이퍼 표면의 평탄화와 PR 두께 감소 등의 방법으로 극복하고 있다.