반도체 공정 - 포토 공정

1. 포토 공정 (Photolithography)

  포토 공정이란 무엇일까요? 웨이퍼에 반도체 회로를 그리는 작업입니다. Patterning이라고 생각하시면 됩니다. 반도체 회로를 웨이퍼에 그리는 것으로 준비된 Wafer위에 빛에 반응하는 감광성 고분자물질인 PR(Photo Resis)를 얇게 코팅한 후 원하는 패턴 mask를 올려 두고 빛을 쪼여 원하는 패턴을 형성하는 과정입니다.

 

고분자 물질인 PR에는 Postive 와 Negative 2가지가 있습니다. Positive PR은 빛을 받으면 POLYMER간의 결합이 끊어지며 Negative PR은 빛을 받으면 반대로 POLYMER가 뭉쳐집니다. 

 

보통 포토 공정진행에 앞서 Wafer Cleaning / Dehydration Baking / Wafer Prime의 3가지 공정을 진행합니다. Dehyration baking 은 기판 표면에 남아 있는 잔여 수분을 제거 하기 위해 진행합니다. Substrate 위에 수분이 남아 있으면 기름 성분인 PR과 기판간의 접착을 방해하기 때문에 이를 제거하는 Baking 과정이 필요합니다.

 

Wafer Prime은 PR과 기판의 접착성을 향상 시키기 위해 계면활성제를 도포해주는 과정입니다. 이는 Spin Coating으로 진행합니다.

 

이후 Deposit는 준비된 기판위에 패턴을 형성하고 싶은 물질을 올려주는 과정입니다. 

 

그리고 PR을 Coating하는 과정이 있습니다. 감광제 PR을 도포하는 과정으로 Spin Coating을 진행합니다. 포토 공정에 필요한 두께의 PR을 실리콘 웨이퍼 기판 전체에 균일하게 형성합니다. 

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이런 Spin Coating을 하면 단점이 있는데 Edge Bead현상이 있을 수 있습니다. Spin하는 원심력에 의해 웨이퍼의 가장 자리에 PR이 뭉치는 현상입니다. 균일하지 않은 표면 때문에 Mask를 부착하는 등의 공정에 방해가 될 수 있으므로 Edge Bead removal  공정을 통해 제가 하는 과정 또한 필요 합니다. 그래서 Solvent 혹은 빛을 이용한 방법으로 Edge를 제거 합니다.

 

두번째는 Steak이라는 현상입니다.웨이퍼 위에 Particle이 있으면 Spining 과정에서 PR이 퍼져나가다가 찢겨지는 현상입니다. 

 

Spin coating 이후에는 Soft bake 공정을 진행합니다. 도포된 PR에 남아 있는 Solvent를 제거하고 기판과의 접착을 강화하기 위해 진행합니다. OVEN, HOT PLATE 2가지 방식이 있습니다. 열의 균일성과  BAKING TIME 및 비용을 모두 교려시 HOT PLATE 방식이 우수합니다.  

 

Alignment는 Mask의 패턴을 소자의 정확한 위치에 맞추는 작업입니다. 복잡한 패턴을 포토 공정을 여러번 해야 하는 경우에 필수적입니다. 

 

Expose Pattern 즉 Exposure은 PR에 UV를 비춰서 패턴을 형성하는 과정입니다. Exposure은 크게 3가지가 있는데 Contact, Proximity(Non-contact), Projection 입니다. Contract은 mask와 기판을 매우 가까이 하고 exposure하는 경우 입니다. 빛의 회절에 의한 영향을 적게 받고 작은 패턴을 만드는 데 좋습니다. (high resolution) 하지만 mask와 PR이 닿아 있으므로 MASK를 교체하는데 번거로우며 Defect이 발생할 수 있습니다

 

Proximity는 mask와 기판 사이에 간격을 두고 exposure을 진행합니다. Mask 교체는 용이하지만 빛의 회절에 영향을 받아 작은 패턴 형성을 하는데 어려움이 있습니다. 주로 큰 패턴 만들 때 사용합니다.

 

Projection은 광학현미경과 같은 광원과 wafer 사이 conenser lens 및 objective lens를 삽입해 mask pattern을 축소하여 더욱 작은 기판에 형성할 수 있도록 합니다. 높은 해상도를 보이며 stepper printing이라고도 합니다.

 

Develop이란 Developer라는 현상액을 이용해 일정 부위 PR을 제거하여 패턴을 형성하는 과정입니다. Positive는 UV를 받은 부분의 고분자 결합이 끊어져 developer에 의해 사라지고 mask로 막혀 uv를 받지 않은 부분만 남아 패턴을 형성합니다. Negative는 반대입니다.