Photolithography 내용 정리 - 2

안녕하세요 Photo lithography 공정 중 Cleaning, Vapor prime, Spin Coating을 정리하려고 합니다.

전 게시글에서도 봤던 그림을 다시 가져왔어요. Cleaning과 Prebake/Waper Prime(위 그림에는 없네요..ㅎ), 그리고 Spin coating을 알아보겠습니다.

 

1. Cleaning 

먼지의 크기는 굉장히 작습니다. 그러나 반도체 공정에 있어서 이러한 Particle 들은 굉장히 치명적입니다. Yield(수율)을 떨어뜨리는 요인이에요. 이러한 Particle들, 그 외 화학 산화막, 유기물, 이온, 금속등을 제거하기 위해서 Cleaning을 진행합니다. 

위 표는 RCA Cleaning이라는 것입니다. 웨이퍼를 만들고 최초로 진행되는 Cleaning인데요. 보시면 아시겠지만 황산, 불산, 암모니아수, 염산과 같은 강산/강염기를 포함하고 있어요. RCA Cleaning은 Photo lithography 공정 Cleaning에는 적합하지 않아요. 기존 박막등이 손상될 수 있기 때문이에요.

 

따라서 이러한 산/염기가 아닌 유기용매를 이용해서 Cleaning을 진행합니다.

 

Ex) 아세톤 --> 메탄올 --> DI water --> Spin Dry --> N2 blow off

 

아세톤과 메탄올을 이용해 Cleaning을 진행하고 DI water로 Rinse 과정을 거칩니다. 아세톤, 메탄올도 결국 다른 Step에서는 불순물로 작용하기 때문에 DI water를 이용해 Rinse 과정을 거칩니다. 여기서 DI water란 이온이 제거된 물을 말해요. 이온들도 결국 불순물이니까요. Rinse가 끝나면 웨이퍼를 회전시켜 DI water를 날려주고 마지막으로 남아있을 DI water를 확실하게 제거하기 위해 N2 기체를 이용해서 날려줌으로써 Cleaning이 끝나요.

 

또한 플라즈마를 이용해서 불순물을 제거하는 Ashing 과정을 동반하기도 해요.

 

2. Prebake/Wafer Prime

Cleaning이 끝났으면 Prebake/Wafer Prime 과정을 진행해요.

Wafer의 표면은 극성을 띄고 있어요. 즉 OH기를 포함하고 있기 때문에 친수성을 띕니다. 그러나 PR의 경우 소수성이기 때문에 Wafer Prime 과정을 거치지 않고 PR을 코팅하게 되면 떨어져 나갈 수도 있고 결국 패턴형성이 잘 안될 수가 있어요. 따라서 웨이퍼 표면의 수분을 제거하여 건조한 상태로 유지시키는 Prebake 과정과 PR과 Wafer간의 Adhesion(점착력)을 높이는 Prime 과정이 필요합니다.

 

Prebake는 분위기가 통제되는 Convection Oven 내에서 80~90도 온도로 약 15분동안 웨이퍼를 둚으로써 진행됩니다. 어떤 책에서는 Prebake = Softbake라고도 합니다. 맨 위 그림에도 Prebake라고 되어있는데 여기서 말하는 Prebake는 Spin coating 이전에 진행되는 Bake니까 혼동하지 않으셨으면 합니다. 정확한 명칭보다는 Step의 개념을 이해하는게 더 좋을 것 같습니다.

 

Wafer Prime은 위 그림과 같이 진행됩니다. HMDS라는 물질을 기체 형태로 웨이퍼 표면에 도포합니다. 

 

HMDS 처리를 하면 위와 같이 표면이 무극성(소수성)을 띄게 됩니다. 물론 원자층이 하나 더 생기긴 하지만 단원자층이기 때문에 굉장히 얇아 PR 두께에 영향을 미치지 않습니다. 

결과적으로 웨이퍼 표면이 소수성이 되면서 Adhesion(점착력)이 증가하게 됩니다.

 

3. Spin Coating

Cleaning과 Prime 과정을 모두 끝냈다면, PR을 도포해야 합니다. Photo lithography의 아주 중요한 요소죠! 

Spin Coating은 말 그대로 웨이퍼를 회전시키면서 진행됩니다.

가장 먼저, 웨이퍼가 Spin Coater 위에 올려집니다. 이 상태로 바로 회전시키면 웨이퍼가 날아갈 수 있겠죠? 이런 불상사를 막기 위해 Vaccum Chuck을 통해 웨이퍼와 Coater 사이를 진공으로 만들어줌으로써 날아가지 않도록 고정시켜요. 이후 Dispenser를 통해 PR이 뿌려지게 됩니다. 그리고 회전시킴으로써 PR이 고르게 분포돼요.

 

PR의 두께는 PR의 점도나 회전속도 등에 의해 결정돼요. 속도가 빠르면 더더욱 얇게 도포가 될 것이고 점도가 높다면 두껍게 도포되겠죠?

뭐 대충 이런식으로 정의가 된다는데 식을 외우기보단 저런 파라미터들이 두께에 어떠한 영향을 미치는지만 파악하시면 될 것 같습니다.

 

이렇게 코팅을 하고나니.. 몇가지 문제점이 생깁니다. 첫 번째로 Edge Bead라는 현상인데요.

표면 장력으로 인해 가장자리에 PR이 뭉치는 현상이에요. 반드시 제거해줘야 합니다. 그렇지 않으면 패턴이 불균일하게 형성될 수도 있고 제대로 형성되지 않을 수도 있어요.

Edge Bead 부분을 제거하기 위해서 위 그림처럼 유기 용매를 이용해 제거하거나 LED를 이용해 제거해줘야 합니다. 물론 PR이 제거되기 때문에 어느정도 손실은 발생하지만 이로 인해 발생하는 문제점을 생각하면 충분히 감수할만한 하죠.

 

두번째는 Streak 이라는 현상입니다.

Wafer 표면의 불순물에 의해 발생하는 현상인데요. 불순물이 있는 상태에서 Spin coating을 진행하게 되면 위와 같이 불균일한 도포가 형성이 됩니다. 따라서 반드시 불순물을 제거한 상태로 공정이 진행되어야 합니다.

 

마지막으로 Striation 현상입니다.

Spin coating 되면서 PR 내 Solvent 증발이 동시에 이루어지는데요. 이 때 Solvent가 불균일하게 증발하면서 50~200um 간격으로 줄무늬가 발생하게 됩니다. 심하지 않으면 무시해도 괜찮지만 공정이 미세할수록 영향이 커지게 됩니다. 따라서 Spin 속도를 높이고 시간을 길게함으로써 어느정도 완화시킬 수 있습니다.

 

 

 

 

쓰다보니 또 엉망진창이 됐네요. 다음은 Softbake 정리하겠습니다.