Photolithography (노광공정)

노광공정은 크게 다음의 과정을 합친것을 총칭한다.

Cleaning wafers → Depositing barrier layer → Coating with photoresist → Soft baking → Aligning masks → Exposing pattern → Developing photoresists → Hard baking → Etching → Removing photoreists(Developing)

이 과정을 하나씩 살펴본다.

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1. Cleaning wafers

기본적으로 Hydrofluoric acid(불산), 혹은 DI Water(증류수)를 이용하여 세척한다.

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2. Depositing barrier layer

SiO2, Si3N4, metal, polysilicon, photoresist등이 barrier layer로 사용된다.

생성방법에는 Thermal oxidation, Sputtering, CVD, Vacuum evaporation 등이 있다.

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3. Coating with Photoresist

Photoresist(감광액, 포토레지스트)는 다음의 성분으로 이루어져 있다.
   - Photoactive agent: 빛을 받아 화학반응을 일으키는 분자 (전체 PR의 5%정도)
   - Polymer: Baking시 굳어서 Barrier 역할을 해준다.
   - Solvent: 감응제와 고분자를 용해한 용액

이 Photoresist는 두개의 종류로 나뉜다.
   - Negative PR: 빛을 받은 부분이 남는다.
   - Positive PR: 빛을 받은 부분이 없어진다.

거의 모든 특성에서 Negative PR이 우세하지만, Minimum Feature의 경우 Positive PR이 우세하기에 VLSI에서는 Positive PR이 자주 쓰인다.

Deposition Process

 

Aligning Masks

- Mercury Lamp (Hg-HgXe)
   DUV(200~300nm)영역에서는 낮은 출력 갖지만, UV(300~400nm)영역에서는 여러개의 강한 peak(313, 365, 405, 436)     갖는다. 이 peak들 중 한개만을 취하기 위해 필터를 출력부에 씌운다. 
   The most common monochomatic selection is 436nm(g-line), 365nm(i-line)

- KrF excimer LASER
   248nm의 peak, 10-20W의 power

- ArF excimer LASER (193nm)

- $F_{2}$ excimer LAER (157nm)

- Extreme UV (13.5nm)

- X-ray (~1nm): 너무 고에너지여서 PR층을 통과하므로 노광에 사용이 불가능하다.

 

STEPPER

Case

1. Mask와 PR이 접촉하는 경우: 빛의 구분이 정확하다, Mask와 PR이 붙어 Mask가 오염될 수 있다.

2. Mask와 PR이 접촉하지 않는 경우: 빛의 회절로 구분이 모호하다.

3. 렌즈를 이용: 비접촉 방법으로, 사이에 렌즈를 삽입하여 회절로 퍼지는 빛을 다시 잡아준다. (현대의 노광시스템)

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Resolution limit

$ F = \cfrac{\lambda}{2NA} $ : NA (= Numerical Aparture) $NA = sin\theta$

$ DF$(=Depth of focus) $ = \kappa\cfrac{\lambda}{(NA)^{2}} $

$ RES = \kappa_{1}\cfrac{\lambda}{NA} $

 

ex) NA = 0.5, F = 100nm, 반도체 기술은 $ \lambda = 100nm $의 광원이 필요하고, 240nm의 DF 갖는다.

NA의 경우 공간적인 제한, 정밀제작 한계로 지속적인 크기 증가가 힘들다. 이로 인해 보통은 단파장에 집중한다.

 

Film Thickness

Elipsometry (Optical Method)

두께, 굴절률 측정에 매우 널리 사용되는 장비로서,  Å의 오차범위를 가지며 비싸다.

Alpha-step (Contact Method)

표면을 긁어나가면서 검사하는 장비로서, nm의 오차범위를 가지며 쉽고 싸다.

 

Lift off

Etching(Substracting)이 아닌 Additive technique

PR development 이후에 metal을 그 위에 쌓고 PR을 제거하면, PR 위에 있던 meta은 같이 없어지며 substrate에 붙어있던 metal만 남는다.

(-) Unwanted parts of metal layer가 붙을 수 있음.

(-) The creation of high edge

(-) Re-deposition

 

Lithography - Removal of Photoresist

Etchin 완료 후 Mask로 사용한 PR을 제거하는 과정이다.

Wet Stripping

1. Nonmetallized Surfaces: Sulfuric Acid(황산), Hydrogen Peroxide(과산화수소)

2. Metallized Surfaces: Acetone, NMP, Alkaline solutions, Commercial Remover

 

Dry Stripping

1. Burning PR in an oxygen plasma system

Wet Stripping과 비교시
   - Fewer disposal problems, Fewer toxic chemcials, Better control than wet stripping
   - Inefficient in case of metal surfaces, Radation damage on circuit

2. Chemical 이용 이후에 Polymer 남아있는 경우에도 사용

 

ADDITIONAL TECHNIQUES

패턴이 미세화 되면서 회절과 산란현상이 원래의 마스크 패턴보다 왜곡된 인쇄현상을 야기한다. 이를 방지하기 위한 방법으로는 아래와 같다.

1. PSM (통과하는 빛의 세기와 위상 조절 가능) 

2. OPC (패터닐 경합 통해 왜곡된 이미지가 나타나는 부분의 패턴을 인위적으로 변조

3. CAI (NA 증가시키면서 DF 증가시키는 광학적 방법)

등 다양한 RES기술이 있다.