Write field alignment

전자빔 리소그래피에서는 gun에서 방출된 빔을 레지스트에 조사하여 직접 패터닝을 한다. 이때 빔을 deflector로 편향시키는 방식을 사용하면, gun이나 stage를 물리적으로 이동시키지 않고도 특정 영역 내의 임의 좌표에 빔을 조사할 수 있다.

그러나 deflector로 빔을 편향할 수 있는 각도에는 물리적 한계가 있으며, 편향 거리가 커질수록 수차(aberration)가 급격히 증가하여 빔의 포커스와 위치 정확도가 저하된다. 따라서 stage 이동 없이 단일 deflector 설정으로 패터닝할 수 있는 최대 영역이 자연스럽게 정의되는데, 이를 write field라 한다. 일반적으로 write field의 크기는 수십~수백 µm 수준이다.

전체 웨이퍼나 마스크를 패터닝하려면 stage를 step-and-repeat 방식으로 이동시켜 write field를 이어붙이게 된다. 이때 인접한 write field 간의 경계에서 패턴이 어긋나는 stitching error가 발생할 수 있으며, 이는 E-beam 리소그래피의 대표적인 공정 과제 중 하나이다. Stitching error를 최소화하기 위해 고정밀 레이저 간섭계 기반의 stage 위치 제어와 write field 간 정렬 보정이 필수적으로 요구된다.

(좌) Writefield alignment가 잘 된 경우, (우) Stitch error가 발생한 경우

Write field의 형상 왜곡 (우측 그림)은 deflector의 편향 수차(deflection aberration) 때문에 발생한다. 빔을 중심에서 멀리 편향할수록 전자기장의 비선형성으로 인해 실제 빔 착지 위치가 이상적인 격자점에서 벗어나며, 그 결과 write field의 가장자리와 코너 영역이 안쪽으로 휘어드는 pincushion distortion 형태가 전형적으로 나타난다.

Stitching error의 결과 (우하단 그림)는 이 왜곡된 write field 4개를 이어붙였을 때, 각 field의 경계에서 패턴이 서로 맞닿지 않고 틀어져 불연속이 생기는 현상을 잘 보여준다. 실제 소자 제작에서는 이 경계가 배선이나 게이트 패턴과 겹칠 경우 전기적 단선 또는 단락으로 직결되므로, write field calibration(정렬 보정)이 E-beam 공정의 핵심 절차이다. 좌측 정상 케이스처럼 write field alignment가 잘 된 경우에는 field 경계에서 패턴이 매끄럽게 연결된다.