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Photo(사진/빛) + lithogrphy(석판 인쇄)의 뜻을 가진 단어로. 직역하면 돌판 위에 빛을 이용하여 인쇄한다는 뜻이다.
반도체 8대 공정 중 포토공정인 Photolithography 공정은 단연코 가장 중요한 공정으로 손꼽힌다.
그 이유는 처음으로 원하는 회로의 모양을 wafer위에 그려넣는 단계이기 때문이다.
반도체의 집적화와 초미세화 등 최신 반도체의 흐름에는 다른 반도체 8대 공정도 영향을 미치지만 '노광 공정'만큼 큰 영향력을 갖고있지는 않다. 왜냐하면 일단 노광공정이 제대로 되지 않는다면 미세한 패턴을 그려넣는 것 부터 실패하기 때문이다. 증착이던 식각이던, 일단 우리가 아주 작게 회로를 그려낼 수 있어야 그 다음 문제로 넘어가는 것이다.
이번 포스트에서는 반도체 8대 공정중 꽃이라고 불리는 Photolithography 공정에 대해 알아볼 것이다.
| Cleaning | HMDS | PR coat. | Soft Bake (Pre Bake) |
Align / Exposure |
열처리 (Post Bake) |
Develop. | Hard Bake | 검사 (ADI) |
- → Photolithography 흐름도
위의 표는 포토공정의 시간순의 흐름도이다. 제일 먼저는 당연하게도 공정에 들어가기 전 세척 작업이 들어가는 부분은 생략하도록 하겠다. 또한 이 과정에서 HMDS라고 하는 표면처리는 PR을 설명하면서 같이 얘기해 보도록 하겠다.
- Photoresist (PR)
포토공정을 제대로 들어가기 전에. 먼저 PR(Photoresist)이라고 불리는 감광제의 종류와 그 역할을 먼저 알아볼 것이다.
| PR | Resin (고분자 물질/PR종류 구분) | PAC (광반응물질) | Solvent (액체 형태를 띄게 해줌/용매) |
PR은 Resin 이라는 고분자 물질, PAC 이라는 광 반응체, 그리고 유기액체의 형태를 갖게 해주는 Solvent로 이루어진다.
옛날에 필름카메라를 현상해 보았거나, 폴라로이드 사진기를 사용해 보았거나, 사진에 관심이 있었다면 '감광제' 라는 녀석의 역할이 무엇인지 쉽게 파악할 수 있을 것이다. (감광성 : 빛에 반응하여 분자구조가 바뀌는 성질)
결론부터 말하자면 PR은 빛에 반응하여 굳거나 혹은 부드러워지는, 즉 빛에 반응하는 고분자 물질이다.
고분자 구조에 따라 Positive/Negative 종류로 나뉘어 지지만, 일단 분자구조에대한 설명은 생략하도록 하겠다.
- Positive PR 과 Negative PR의 특징
감광제 PR은 두가지의 종류인 Positive와 Negative라는 이름으로 나뉘어진다.
Positive PR은 빛을 받은 부분이 반응해 분자구조가 무너지고, Negative PR은 반응한 부분이 더 강하게 결합한다.
위의 사진은 종류에 따라 빛을 받아 반응한 부분이 남는지, 없어지는지에 대한 표현이다.
이러한 특징을 가지고 우리가 원하는 패턴의 모습을 빛을 이용해 wafer 위에 남길 수 있게되고, 그려낼 수 있게 된다.
(이후 반응하거나 반응하지 않은 PR을 제거해내는 과정을 현상공정 Develop 이라고 한다.)
| Positive PR | Negative PR |
| 빛을 받은 부분이 화학반응을 하여 Polymer 결합이 약해진다. | 빛을 받은 부분이 화학반응을 하여 Polymer 결합이 강해진다. |
이렇게 두가지 종류의 PR은 빛을 받는 노광의 단계부터 바로 차이를 보이게 된다.
이런 차이를 보이는 이유는
첫번째. 애초에 노광시 들어오는 빛은 Photo Mask의 틈을 통과해 회절된 빛이다.
두번째. PR에는 PAC라고 불리는 촉매제가 들어있는데. 이 촉매제가 빛이 닿은부분 옆부분으로 퍼져 나가기 때문이다.
따라서 빛을 받게 되는 부분의 주위도 화학 반응을 받게 되고. Mask 위의 Profile이 수직으로 형성되지 않는다.
이 때 빛은 위쪽에서 공통적으로 받게 되기 때문에 위의 사진과 같은 노광/현상의 특징이 발생한다.
| Positive PR | Negative PR |
| 빛을 받은 부분의 위쪽 주위도 화학 결합이 약해짐. | 빛은 받은 부분의 위쪽 주위도 화학 결합이 강해짐. |
이러한 특징으로. Positive PR은 주위의 PR이 추가적으로 없어지게 되고, Negative는 추가적으로 없어지지 않는다.
(의도했던 부분보다 더 많이 없어지고, 없어지지 않는다는 뜻)
자, 이러한 차이가 있다는 걸 알았다면. 각 PR이 어디에서 왜, 어떠한 장점으로 쓰이게 되는지에 대해 알아보아야 한다.
만약 위의 사진과 같이 PR을 너무 높게 coating 했거나, 노광시 빛의 세기가 약해 밑단 끝까지 반응을 하지 않은 경우.
현상공정시에 어떠한 차이점이 있을까? (그냥 보기에는 둘다 현상이 안될 것만 같다.)
하지만 위에서 살펴본 두 PR의 특징을 생각해보면 간단하다.
Positive PR은 반응한 부분이 날라가고, Negative는 남으니, 위의 사진과 같은 모습이 될 것이다.
이 상황에서 반응하고 반응하지 않은 PR을 제거하게 되면 Positive PR은 반응하지 않은 밑둥이 남아있는 모습이다.
이렇게 되면 Positive PR은 후의 Etch (식각 공정) 과정에서 원하는 Layer을 제거할 수 없게 된다.
반면 Negative PR은 주변의 반응한 PR이 반응한채로 남아있으므로. 후의 공정 과정에서 식각이 가능하다.
(공정 특징에 따라서 선택적으로 PR의 종류를 적용)
그러나, 실제 공정에서 에너지 효율이 좋은 Negative PR 보다 Positive PR을 더 많이 사용한다.
그 이유는 Positive PR이 공정의 퀄리티가 더 좋기 때문이다.
여기에는 Negative PR의 특징때문인데, Negative PR에 적용된 Resin 고분자구조는 빛을 받아 분자구조의 형태가 변화될 때 분자구조의 크기가 더 커지는 성질이 있다. 따라서 원하는 만큼의 반응을 Negative PR이 했더라도, 반응하면서 부피 자체가 달라지기 때문에 미세 공정에서는 주로 부피 변화가 적은 Positive PR로 사용하고 있다.
| Positive PR | Negative PR |
| 빛을 받은 부분의 결합이 끊어짐 | 빛을 받은 부분이 결합 (부피 변화) |
| PAC가 반응의 주체 | Resin이 반응의 주체 PAC는 반응의 촉매 → 조사하는 빛의 에너지가 적게 듦 |
| 공정의 퀄리티가 좋음 | 공정의 퀄리티가 상대적으로 낮다. (Resin 결합구조 변화시 부피가 변화하는 특징 때문) |
이러한 원리를 근거로 추측해볼 수 있는 추가적인 부분은.
노광시 사용하는 빛의 파장은 KrF - ArF - EUV 의 단파장으로 변화해 가면서 흡수율이 높은 파장을 사용하기 때문에
미세화 공정으로 가면 갈수록 PR의 두께는 얇아지는 것이 더 좋다는 점도 알 수 있다.
(단 공정상의 다양한 이유로 일부러 PR의 높이를 높게 쌓는 경우도 꽤 많이 존재한다.)
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