반도체 공정, 포토 공정의 흐름(Photolithography Sequence) 공부

*목차*

1. Vapor Prime(Wafer Prime)

2. Spin Coating(PR Coating)

3. Soft Bake

4. Alignment & Exposure

5. PEB

6. Development

7. Hard Bake

8. Inspection

지난 포스팅에서 포토 공정(Photo, Photolithography)에 대해서 정리해봤는데요

이번 포스팅에서는 포토 공정의 흐름을 정리해봤어요.

포토 공정의 흐름은 아래와 같아요.

Vapor Prime(Wafer Prime) → Spin Coating(PR Coating)

→ Soft Bake → Alignment & Exposure → PEB

→ Development → Hard Bake → Inspection

(→ Re-Work)

1. Vapor Prime (Wafer Prime)

-. 노광 공정을 하기 전에 먼저 Wafer 표면의 Particle을 제거하기 위해서 Cleaning을 진행해요. DI Water 또는 Chemical로 세정을 해요.

공정을 하기 전에 Wafer 표면에 Particle과 같은 불순물이 있으면 패턴이 제대로 그려지지 않아요.

다음은 Wafer 표면의 수분을 제거해야 돼요. (Dehydration Baking)

보통 Wafer를 가열해서 건조시켜요.

습식 세정을 하면 아무리 Blowing을 해도 Wafer 표면에 수분이 남아요.

Si Wafer의 경우 '친수성(Hydrophilic)'이기 때문에

그냥 대기 중에 놔둬도 물(H2O)이 잘 달라 붙어요.

그런데 PR은 대부분 유기 용매로 이루어져 있기 때문에

Wafer 표면에 수분이 있으면 Coating이 제대로 되지 않아요.

Wafer의 수분을 잘 제거해도

Si Wafer의 표면은 기본적으로 친수성(Hydrophilic)을 띄기 때문에

소수성(Hydrophobic)을 띄는 PR이 잘 Coating 되지 않아요.

Si Wafer와 PR의 접착력(Adhesion) 문제를 해결하기 위해서

Wafer 표면을 'HMDS(Hexamethydisilazane)'라는 물질로 소수성을 만들어줘요.

HMDS는 '계면활성제' 같은 물질로 물과 기름을 섞이게 해주는 것처럼

친수성 Wafer 표면을 소수성으로 바꿔서 PR과의 Adhesion을 좋게 만들어요.

HMDS를 증기화(Vapor)해서 Wafer 표면에 분사하는 방식으로 처리를 해요.

2. Spin Coating (PR Coating)

-. Spin Coating은 Wafer 위에 PR을 전체적으로 얇고 균일하게 도포하는 것이에요.

Wafer를 Spin Coater에 올리고 Wafer 위에 PR 용액을 떨어트려요.

모터(Motor)를 이용해서 Wafer를 빠르게 회전 시키면

'원심력'에 의해서 PR 용액이 Wafer 전체에 퍼지면서 얇고 균일하게 Coating이 돼요.

Coating은 '회전 속도(RPM)', 'PR의 점도'에 따라 Film 두께가 달라져요.

3. Soft Bake

-. PR Coating이 끝나면 Baking 과정을 거쳐요.

노광을 하기 전에 PR의 Solvent를 제거하는 과정을 'Soft Bake'라고 해요.

PR을 액체 상태로 유지시키는 용매(Solvent)가 제거되니

PR이 Wafer 위에서 흐르지 않고 고정이 돼요.

그런데 Soft Bake를 너무 많이 하면 '감광도(Sensitivity)'가 떨어져요.

(= Over Bake)

반대로 너무 적게 하면 PR의 접착력이 부족해서 Wafer 위에 잘 고정되지 않아요.

(= Under Bake)

PR Layer의 바닥 쪽의 Solvent도 제거가 잘 되도록

Hotplate를 이용해서 Wafer 바닥부터 가열해줘요.

오븐을 사용할 경우에는 위부터 가열이 돼서

PR Layer 바닥 쪽 Solvent의 제거가 안될 수도 있어요.

4. Alignment & Exposure

-. PR에 특정 파장의 빛을 노출하면 화학적 반응을 하면서 용해도가 변해요.

Wafer 위의 회로를 구성하기 위해서는 층마다 패턴을 만들어야 되는데

포토 공정에서 패턴을 만들기 위해서는

PR에 빛을 노출 시킬 영역과 아닌 영역을 구분해야 돼요.

이때 미세 패턴이 그려져 있는 투명한 판을 사용하는데요.

노광 공정을 위해 제작된 판을 'Mask' 또는 'Photo mask', 'Reticle' 이라고 불러요.

'포토마스크'는 빛이 통과하는 투명한 판 위에

빛이 통과하지 못하는 불투명한 필름으로 패턴을 그리며 코팅해요.

PR이 Positive, Negative 종류에 따라 빛을 막을 부분을 잘 정해야 돼요.

하나의 반도체 디바이스를 만들기 위해서 정말 많은 Photo mask가 필요하다고 해요.

'Alignment(정렬)' 과정은

PR이 도포된 Wafer와 Mask를 평행하게 놓고

Wafer의 Pattern과 Mask의 Pattern을 정렬해서 맞추는 단계에요.

미세 패턴을 맞추기 쉽도록 디자인할 때

패턴 외곽 쪽에 상대적으로 큰 크기의 'Align Key'를 그려 넣고

Align할 때 'Key'를 보고 패턴을 맞춰요.

'Exposure(노출)' 과정은

Wafer와 Mask의 정렬이 끝나면 Mask 위에서 특정 파장의 빛을 조사해서

PR에 빛을 노출 시키는 단계에요.

PR에 빛이 노출될 때 PR이 빛에 의해 받는 '에너지 양'이 패턴 형성에 영향을 줘요.

보통 '노출 시간'으로 받는 에너지 양을 조절해요.

빛을 조사 할 때 Mask를 Wafer에 접촉(Contact)하냐, 띄우냐, 렌즈를 사이에 두냐 등

여러가지 방식이 있어요.

5. PEB(Post Exposure Bake)

-. PEB는 Exposure(노출) 후에 'Develop(현상)'을 하기 전에 하는 Bake 단계로

PR 속의 PAC를 확산시켜서 PR의 표면을 평탄화하고

빛의 노출된 영역과 아닌 영역, 패턴 사이사이 계면에 생기는 물결 모양을 매끄럽게 만드는 과정이에요.

**PAC : Photo Active Compound, 빛에 반응하는 감광성 성분 물질로, 빛을 받으면 Resin(Polymer)에 에너지를 전달함.

6. Development

-. 'Develop(현상)' 과정은 노광이 끝난 PR Wafer에 '현상액(Developer)'를 뿌려서

필요 없는 영역의 PR을 제거하고 PR Layer에 패턴이 드러나게 하는 단계에요.

PR 종류에 따라 빛에 노출된 영역이 제거되기도 하고

반대로 노출되지 않은 영역이 제거되기도 해요.

방법으로는

PR Wafer 위에 Developer를 분사하고 Wafer를 회전시켜서 골고루 퍼지도록 하거나

PR Wafer를 Developer에 Dip하는 방식으로 하기도 해요.

PR과 Developer가 접촉하는 시간을 조절하면서 PR Layer에 패턴을 형성해요.

Development를 너무 오래할 경우

패턴 Size가 설계보다 커지거나 PR Layer가 다 살아질 수 있어요. (Over Develop)

반대로 너무 짧게 할 경우

패턴 Size가 설계보다 작거나 PR Layer 바닥까지 안 뚫릴 수 있어요.(Under Develop)

Develop이 완료되면

DI Water로 Wafer를 '린스(Rinse)'해서 현상 찌꺼기와 현상액을 세척해줘요.

그리고 Wafer 회전 또는 N2 Blowing으로 Wafer를 건조시켜줘요.

7. Hard Bake

-. Develop까지 끝난 PR Wafer를 한 번 더 Bake 해주는데요.

Developer Rinse 중에 사용한 DI Water를 말리고

PR Layer의 잔여 Solvent(용매)를 제거하면서 PR의 고분자 구조 결합을 단단히 하고(결속력)

Wafer와 PR의 접착력을 높이기 위해서 진행해요.

앞선 Soft Bake보다 온도가 높아서 Hard Bake라고 불러요.

Hard Bake를 통해서 PR의 결속력이 높아지면

이후 Etch 공정을 하는 중에 PR이 다 제거되지 않고 유지될 수 있어요.

8. Develop Inspection

-. Development까지 마치면 PR Pattern이 제대로 형성이 되었는지 확인해야 돼요,

불량 종류는 아래와 같이

* Under Development

* Over Development

* PR Swelling(부풀어 오름)

* Collapse(무너짐)

* Adhesion 불량

* Bubble

* etc.

Develop이 부족한 경우는 추가로 진행해서 살릴 수 있지만

Develop이 과했을 경우나 Pattern에 불량이 있을 경우에는

'PR Strip'을 통해서 PR Layer를 전부 제거하고 재공정(Re-Work)을 진행해요.

포토 공정은 반도체 전공정 중에서 유일하게 Re-Work이 가능한 공정이에요.

**공부하면서 정리했는데 오류가 있으면 댓글로 알려주세요.