노광 - Alignment/Exposure 정렬과 노출 (2). 해상도 Resolution
빛과 랜즈를 이용하는 '투사 노광법'은 사진기에 적용되는 기술들과 흡사하다.
카메라의 성능을 나타내는 DoF(Depth of Focus/field)나 Resolution(해상도)같은 것들이 노광장비에서도 동일하다.
여기서는 먼저 Resolution 즉 해상도의 노광공정상에서 의미와 그 값을 작게 할 수 있는 것들을 먼저 알아보겠다.
- Resolution (해상도)
해상도는 말 그대로 '빛을 분해하는 능력'이다.
우리가 흔히 해상도라고 하는 말은 디스플레이가 얼마나 더 고품질 패널인지에 대해서 말할 때 자주 사용한다.
그 디스플레이 패널에서도 해상도가 좋다는 것은, 픽셀이 작아 더 촘촘하게 색을 표현할 수 있다는 의미이다.
노광공정에서의 해상도의 의미도 동일하다.
분해를 더 잘게 할 수 있으면, Wafer 위에 노광할때 더 작은 패턴의 모양까지 그려낼 수 있게 된다.
이는 곧 높은 해상도는 마스크 패턴 이미지를 형성 할 수 있는 최소 크기라고 할 수 있다.
해상도는 위의 그림, 수식과 같이 수학적으로 계산해낼 수 있다.
해상도가 좋다는 것은 Resolution값이 작아 빛을 더 잘게 분해할 수 있다는 것이므로. 작으면 작을수록 좋은 값이다.
해상도 R의 값을 줄이기 위해선. K1이라는 공정상수를 작게하거나, 분모의 NA값을 크게 하거나, 분자의 노광파장 람다를 작게 해야한다.
즉, 공정상수 K1을 개선하거나, 파장이 짧은 단파장을 가진 빛을 사용하거나, 개구값 NA값이 큰 렌즈를 사용해야 한다.
(여기서 개구값 NA는 R/F라는 반지름/초점심도의 비례 값으로, 쉽게 말하면 렌즈의 크기를 말한다.)
- Resolution 개선 1. 공정상수 (ARC / OPC)
공정상수를 개선하는 방법에는 ARC, OPC를 제외하고도 PSM, OAI같은 방법이 존재하지만.
가장 기본적인 ARC, OPC를 이용하여 공정상수를 줄이는 것을 먼저 살펴보겠다.
ARC
공정상수 K1을 최소화 하는 방법으로는 첫번째 ARC(Anti Reflective Coating). 반사 방지막을 도포하는 방법이 있다.
이는 노광시에 사용된 빛이 전부 깔끔하게 Mask의 패턴대로 PR에 흡수되는것을 목적으로 한다.
ARC라는 막을 PR의 상부, 혹은 하부에 도포시켜 PR에 빛이 닿고 나서 정상파 효과 (Standing Wave)를 감소시키고 난반사에 의해 원하지 않는 부분에 빛이 닿는 경우를 최소화 해 준다.
위의 사진에서도 볼 수 있듯이. ARC를 도포해놓지 않으면 Exposure시 닿은 빛이 전부 흡수되지 못하고 반사되어 다른 공정이나 원하지 않는 부분에 영향을 줄 수 있게 된다.
이러한 문제점을 ARC로 극복해 공정상수를 줄일 수 있게 된다.
OPC
두번째 방법은 OPC(Optical Proximity Correction) 이라는 방식으로.
왜곡이 일어날 것이 예상되는 부위에, 그 왜곡을 상쇄시킬 수 있도록 Mask 패턴을 변조시킨 것을 사용하는 방법이다.
즉, PR 패턴을 회로 디자인과 똑같이 형성하기 위해 마스크에 원하는 패턴이 왜곡되는 부분을 수정하는 것이다.
특히 빛의 회절을 가장 중요하게 고려해서 디자인을 진행한다.
위의 사진을 봤을때. OPC를 적용하지 않은 Mask를 사용해서 패터닝을 진행할시 Shrink와 Rounding이 발생한다.
(Shrink : 패턴이 비는곳이 생김 / Rounding : 꺾이는 부분에서 삐져나가거나 뭉뚱그려짐)
이렇게 기존에 원하는 패턴에서 노광공정 이후의 왜곡을 최소한으로 줄여줄 수 있는 Mask를 제작해 공정상수 K1을 줄여나갈 수 있다.
- Resolution 개선 2. 단파장 광원 사용
반도체의 미세화에 발맞추어 가장 먼저 개선되던 변수는 바로 사용되는 광원의 파장이다.
이 람다값이 작으면 작을수록 R의 값이 작아지므로. 단파장의 빛을 사용할수록 Resolution이 좋아진다.
또한 빛의 회절은 슬릿 구멍의 크기(Mask의 구멍 크기)가 작을수록, 파장이 긴 장파장일수록 크게 일어나기 때문에
단파장을 사용하면 회절도 같은 Mask 패턴에 대비해 더 적게 일어난다.
이렇게 점점 단파장을 사용하여 미세화 되는 추세로 발전했고 그 순서는 다음과 같다.
G-line(436nm) - H-line(405nm) - I-line(365nm) - KrF(248nm) - ArF(193nm) + immersion - EUV(13.5nm)
광원 : (수은광) (엑시머 레이저) (플라즈마)
- Resolution 개선 3. NA 개구수
해상도 R 값을 줄이기 위해서는 분모에 들어있는 변수값인 NA. 즉 렌즈의 개구수를 크게 만들어야 한다.
이 때 렌즈의 개구수라는 것은 쉽게 말하자면 렌즈의 크기라고 할 수 있다.
위에서 NA = R/F 라고 했던 식에서. 빛이 통과하는 매질에 대한 식과 그 각에대한 삼각함수 Sin으로 표현하면
이렇게 표현한 이유는. 공정장비 내에서 렌즈의 반지름인 R의 값을 무한정 크게 만들 수 없기 때문에 빛이 입사하는 각도와 초점이 맺히는 거리, 빛이 통과하는 매질의 굴절률을 분석하여 개선시킬 수 있도록 하기 위해서이다.
여기서 n은 매질의 굴절률 이므로. 초점간의 거리를 개선하는 것(렌즈와 PR간의 거리) 이외에 렌즈와 PR사이의 매질을 굴절율이 높은 물질로 바꾸어 주면서 해상도를 개선할 수 있는 여지가 생기는 것이다.
포토공정은 통상적으로 공기 내에서 진행하지만. DI water 에서는 굴절률 1.44, 또한 기름에서는 1.515로 높은 굴절률 값을 가지는 매질을 공기 대신 끼워넣는 것이다.
이렇게 노광시 매질에 공기를 사용하지 않고 다른 액체를 사용하는 방식을 '액침 노광법'이라고 한다.
이 액침 노광법은 ArF의 파장을 사용하는 노광법에서 가장 많이 사용한다.
우리가 쉽게 이용할 수 있는 광원 중 가장 파장이 짧은 단파장일 뿐 아니라, 별도의 특수 용매가 아닌 단순히 물을 이용해서 액침노광을 구현할 수 있기 때문이다.
위의 그림과 같이 기존의 공기를 사용하던 방식은 렌즈의 가장자리에서 입사되는 빛(빨간선)은 Focus에 영향을 주지 못했다. 하지만 액침노광 방식에서는 굴절률을 높여 NA>1의 상태를 만들어 주면서 모든 렌즈에서 들어오는 빛을 Focus로 모아 이용 가능하게 해 초점심도는 유지한 상태에서 Resolution 값만 개선해 주는것이 가능해진다.
BUT,
정성적으로 Resolution의 수식만을 보면 맞는말 같다. 하지만 스넬의 법칙에서부터 다시 살펴보자면.
매질의 종류에 따라 n1, n2로 굴절률이 바뀌게 된다. 위의 그림또한 n1의 굴절률을 가진 물체에서 n2의 굴절률을 가진 물체로 빛이 통과하는 경우를 나타낸 것이다. 그리고 각 입사각에 대한 sin값의 곱은 서로 같다.
이 상황에서 액침노광 방식으로 돌아와서 n이 1에서 1.44의 값으로 증가한 경우를 살펴보자.
n이 1에서 1.44의 값으로 증가시켜 NA의 값을 높이고 Resolution 값을 개선하는 것은 다음의 수식에 기인했다.
그러나 위의 스넬에 법칙에서도 알 수 있듯이. 결국 n1이 n2로 바뀌어도 입사각 Theta가 바뀌면서 총량의 값이 변하지 않는다는 것을 확인했고. 이는 곧 그 총량의 값과 똑같은 NA개구수 또한 변하지 않는다는 것을 알 수 있다.
그렇다면 Resolution을 개선시켜 줄 수 없는데 왜 액침노광 방식을 사용할까?
첫번째. DoF 초점심도의 Margin을 개선시켜 줄 수 있다는 점에서이다.
뒤의 포스트에서도 알아보겠지만. DoF와 Resolution은 서로 trade off 관계에 놓여있는 관계이다.
또한 스넬의 법칙에서도 알 수 있듯이 n의 굴절률이 더 큰 물질로 빛이 진행할 때 입사각 Theta의 값이 줄어든다.
입사각도가 줄어든다는 것은 DoF의 관점에서는 Margin이 증가되는 결과로 이어진다.
두번째. 큰 렌즈를 사용할 수 있다는 점이다.
렌즈를 큰 것을 사용한다는 것은 NA를 결국 크게 만들어 줄 수 있다는 것이다. 그러나 위에서 말했듯이 노광기기에서는 Resolution만이 중요한 것이 아니라 DoF의 Margin값도 중요하다. 서로의 Tarde off 관계에서 합의점을 잘 찾아야 하는데. 무작정 Resolution 값을 좋게 하기 위해 렌즈의 크기를 증가시켜 개구수를 늘린다면. 반대로 DoF의 값은 제곱의 값으로 줄어든다. (수식에 의해)
그러나 액침노광을 사용하면서 입사각 Theta를 개선해 주었기 때문에 조금 더 큰 렌즈를 사용하더라도 원래의 성능과 같은 DoF값을 뽑아낼 수 있게 되었고. 또한 개구수가 늘었기 때문에 Resolution 값 까지도 개선을 할 수 있는 것이다.
결론 : 액침노광은 단순히 수식적인 면에서 굴절률 n의 값을 높여 NA를 크게 하는 것이 아닌. DoF의 trade off 관계에서 서로의 이득을 취할 수 있는 형태이기 때문에 많이 사용된다. (해상도, DoF 둘다 개선)
※ 액침노광의 문제점
언제나 그랬듯. PR과 무언가 다른 이물질이 닿는것은 오염의 위험이 가장 크게 존재한다.
액침노광 방식도 매질로 사용하는 액체와 PR이 직접적으로 맞닿기 때문에 PR이 용매에 녹아버리거나 PR 위에 용매의 작은 방울들이 남아 이후 공정시 Defect를 유발할 수도 있다.