안녕하세요 이번시간에는 Photo lithography 가 무엇인지 간략히 정리하려고 합니다.
Photo lithography를 알아보기에 앞서, Litho graphy가 뭔지 알아보도록 해요.
Lithography는 라틴어로 Litho(돌) graphein(쓰다)에서 유래되었다고 해요. 즉 석판화를 의미하는데요.
이런식으로 압력을 가해 물리적으로 찍어내는 석판기술 입니다.
그렇다면 Photo lithography는 뭘까요?
Photo lithography는 빛을 이용해서 기판 위에 마스크의 패턴을 그대로 전사하는 공정입니다. Lithography와 비슷하기 때문에 Photo lithography라는 이름이 붙여졌어요.
잘 이해가 안되실 수도 있으니 프로세스 순서를 보면서 설명하도록 할게요.
처음의 Mask와 마지막의 Wafer를 보시면, 9개의 과정을 통해 Mask의 패턴이 Wafer에 옮겨진 것을 보실 수 있는데요.
4번 과정에서 빛을 이용하는 것 보이시죠? 이처럼 빛을 이용해서 패턴을 형성하는 공정이 Photo lithography 입니다. (엄밀히 따지면 8번 9번 과정은 Photo lithography가 아니니 오해 하시면 안됩니다.)
각 step은 추후에 차례대로 설명하도록 하겠습니다.
그러면!! Photo lithography 공정을 진행하기 위해서 필요한 요소들은 무엇이 있을까요? 대략 3가지가 있어요.
1. Mask
웨이퍼 위에 패턴을 전사하기 위해선 원본 패턴이 그려져 있는 Mask가 필요하겠죠?
이런 마스크는 대부분 고순도의 석영(Quarts)를 사용합니다. 여기서 석영(Quarts)란 고순도의 SiO2를 말해요. 빛이 손실 없이 통과되기 위해서는 투과율이 매우 높은 물질이 필요하고 이러한 조건을 만족시키는 물질이 바로 석영(Quarts)입니다.
2. Photo Resist/PR (감광제)
이 감광제라는 물질은 빛을 받으면 용해도가 바뀌는 물질이에요. 위 4번을 보면 빛을 받은 영역이 빨갛게 변한게 보이시나요? 빛을 받아서 용해도가 변한거에요. 6번 과정에서 develop이란 과정을 거치는데 이 때 빛을 받은 부분이 남거나, 없어지거나 함으로써 패턴이 형성돼요.
PR은 Negative / Positive 로 나눠집니다.
Positive는 빛을 받으면 용해도가 증가하는 PR을 말해요. 반대로 Negative는 빛을 받으면 용해도가 떨어지는 PR을 의미해요. 아래 그림을 보시면 더 이해가 쉬울거에요.
PR을 구성하는 요소는 Resin(Polymer), PAC, Solvent가 있는데 너무 복잡해지니까 생략하도록 할게요. 기회가 된다면 추후 설명하도록 하겠습니다.
3. 빛
빛을 이용하는 공정이니까 당연히 빛이 필요하겠죠? 그렇지만 아무런 빛이나 사용할 수는 없어요. 소자의 사이즈가 점차 작아짐에 따라 더 미세한 패턴을 형성해야 합니다.
n은 매질의 굴절률을 의미합니다.
F는 Minium feature size를 나타냅니다. 즉 작아질수록 더 미세한 패턴을 형성할 수 있어요. F를 줄이는 방법은 파장이 짧은 빛을 사용하거나 NA를 줄이거나 k1을 줄여야 합니다. 그러나 k1은 공정상수이기 때문에 그렇게 큰 의미를 갖지는 않아요. 생각할 것은 파장과 NA입니다.
과거에는 g-line(436nm), i-line(365nm) 등의 광원을 사용했습니다. 그러나 소자가 점차 작아지면서 이 두 광원으로는 원하는 패턴을 형성할 수 없었고, 더 짧은 파장의 DUV나 193, 157등을 사용하면서 패턴이 미세해졌는데요. 최근에는 TSMC에서 3nm 공정 테스트를 진행하는 등 엄청나게 작아지면서 더 짧은 파장의 빛이 요구되었고 최근에는 EUV라는 굉장히 짧은 파장의 광원을 사용하기도 합니다.(물론 상용화되지는 않았습니다. 장비값이 대략 2000억원으로 어마어마하게 비싸다네요.)
하지만, 무조건 짧은 파장이 빛이 좋은 것은 아닙니다. 카메라에 관심이 많으신 분들은 한번쯤 들어보셨을텐데요. 바로 DOF(Depth Of Focus) 입니다.
자세히 설명하지는 않았지만, 아래 그림을 보시면 조금 이해가 쉽게 되실거에요.
그림에서 마스크를 통과한 빛이 렌즈에 의해 모여져서 웨이퍼에 들어가는 것을 확인하실 수 있어요. 이 때 패턴이 제대로 형성되기 위해서는 DF(=DOF)라는 영역 내에 웨이퍼가 존재해야 해요. 만약 웨이퍼가 이 영역을 벗어나게 되면 패턴이 제대로 형성되지 않아요. 일종의 Margin인 셈이죠. Margin은 크면 클수록 좋습니다.
DOF는 위 식과 같이 정의됩니다. 뭔가 눈치 채셨나요? 분명 F는 작아야하고 DOF는 커야 하는데 lambda를 줄이자니 DOF가 감소하고 DOF를 키우자니 F가 증가하게 돼요. 이런 것을 Trade off라고 부릅니다. 이 두 파라미터를 적절히 조율해서 공정을 진행해야 합니다. 최근 공정은 DOF를 조금 포기하고 F를 줄이는 방향으로 진행된다고 합니다.
지금까지 설명했듯이 PR은 빛에 굉장히 민감한 물질이에요. 즉, 외부 빛의 영향을 받을 수 있다는 말입니다. 형광등 아래서 공정을 진행하게 되면 PR의 용해도가 변할 수 있기 때문에 Yellow Room이라는 공간에서 공정을 진행합니다.
빨간색이 더 파장이 긴데(즉 에너지가 더 낮은데) 왜 노란색을 사용하죠? 라고 질문하실 수도 있는데.. 빨간 빛 아래에서 하루종일 일한다고 생각해보세요 ㅎ.ㅎ 정서적, 심리적으로 좋지 않기 때문에 노란 빛을 사용합니다.
최대한 간단하게 설명하려고 했는데 내용이 뭔가 복잡해진 것 같습니다.
앞으로 더욱 자세하게 설명드릴 예정이니 참고만 해주시면 감사하겠습니다. 다음은 각 Step에 대해서 천천히 알아보겠습니다.
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