1. What is Lithography process?
회로가 그려진 photomask를 이용해서 wafer에 pattern을 만드는 공정.
Photo : through light(빛을 통해서)
Litho : stone (웨이퍼에)
Graphy : writing (patterning)
이 공정을 그림으로 보면 훨씬 쉽기 때문에 그려봤습니다!
Litho 공정은 앞에 노광(exposure), 현상(develop)까지의 과정으로 photoresist를 원하는 모양으로 patterning 하는 공정입니다.
photoresist(PR)에 빛을 쏴주게 되면 물질의 성질이 바뀝니다.
약해지거나(positive PR)
단단해집니다.(negative PR)
위의 그림은 develop했을 때 빛을 받은 부분이 사라졌기 때문에 positive PR을 사용한 것입니다.
Photo lithography 공정 이후에는 patterning 된 부분을 이용해
새로운 물질을 증착하거나(deposition)
물질은 깎는 etching 공정을 진행할 수 있습니다.
2. Light Energy
소자(transistor)의 크기가 작아지면서 더 정교한 patterning 기술이 필요하게 됩니다.
이때 바꿀 수 있는 것이 Exposure에서 사용한 광원입니다.
파장이 짧은 광원을 사용할 수록 더 정교한 patterning이 가능해집니다.
ex)
wavelength(파장) of KrF : 248nm
wavelength(파장) of ArF : 193nm
...
이런식으로 광원을 바꿉니다.
하지만 에너지는 파장이 짧아질수록 커집니다.
따라서 파장이 짧아짐에 따라 강해지는 에너지를 감당할 PR이 개발되어야 합니다.
따라서 정교한 patterning을 위해 공정방법이 바뀝니다.
3. Lithography processes
1) immersion Process
쉽게 말하면 렌즈와 PR 사이에 물을 넣어 굴절률을 이용해 정교한 patterning을 하는 것입니다.
다음과 같이 아래(물을 사용한 경우)를 보면
빛을 더 잘 모으기도 하고 정교한 patterning도 가능한 것을 확인할 수 있습니다.
2) LELE(Litho-Etch-Litho-Etch)
정교한 패터닝을 만드는 방법입니다.
만일 5um의 patterning을 만들어야 하는데 PR 사이 간격을 10um까지밖에 patterning 할 수 있는 상황이라면
이 방법을 사용할 수 있습니다.
Hard mask를 사용하는 방법으로
말 그대로 litho와 etching을 두 번 하는 공정입니다.
그림으로 보면 더 이해하기 쉽습니다!
3) EUV(Extremely Ultra Violet)
네덜란드 ASML만 만들 수 있는 장비입니다!
x-ray에 가깝게 파장이 13-14nm 입니다!
렌즈를 통한 빛의 굴절(refraction)을 이용하지 않고 반사(reflection)를 이용한다는 것이 특징입니다.
4. Patterning Process(Etching)
1) Subtractive
증착할 물질을 먼저 깔고 원하지 않는 부분을 Photo Litho와 Etch 공정으로 제거
2) Lift-off
PR로 증착할 부분을 만들어 놓고 증착하는 공정
하지만 이 공정은 나중에 증착하기 때문에 위쪽이 좁은 사다리꼴 형태가 만들어집니다.
positive PR의 경우 분리공정이 잘 이루어지지 않기 때문에
lift off 공정은 negative PR을 사용합니다.
노란색이 photo mask인데 negative PR 이기 때문에 빛을 더 많이 받은 윗부분이 더 많이 남는 사다리꼴 형태가 됩니다.
여기서 증착을 진행하면 증착된 초록색 물질은 반대의 사다리꼴 형태가 나옵니다.
또한 lift off 공정은 에칭이 잘 안 되는 금속물질에서 사용하기 때문에
빨간 화살표처럼 끊겨있어 주면 나머지 부분 제거가 용이한 것입니다.
5. Resolution & DOF(Depth Of Focus)
Photo Lithography 공정을 진행할 때 중요한 파라미터입니다.
Resolution은 두 개의 pattern을 얼마나 좁고 얇게 만들 수 있는지를 나타냅니다.
따라서 작을수록 좋습니다.
Depth of Focus는 초점심도로 DOF가 클수록 초점을 맞출 수 있는 margin이 크다는 것을 의미합니다.
즉 DOF는 클 수록 좋습니다.
각각을 식으로 나타내면 다음과 같습니다.
(NA는 얼마나 빛을 잘 모아서 한 곳에 focus 할 수 있는 지를 나타냅니다.)
하지만 두 식을 보면 Resolution은 large NA & small wavelength 여야 좋고,
DoF는 반대이기 때문에
trade-off 관계임을 알 수 있습니다.
따라서 엔지니어링 적으로 생각해서 설계해야 합니다.
오늘은 여기까지입니다!
Photo Litography 공정에 관한 내용은 매우 많지만 간략하게 정리해 봤습니다!
모두 행복한 하루 보내세요:)
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