반도체공정04-사진공정

1. 사진공정이란 무엇이고 왜 중요한가
   사진공정은 마스크(레티클)에 있는 회로 패턴을 빛으로 웨이퍼 위 포토레지스트(PR)에 “전사”해서, 이후 식각/이온주입/증착 패턴의 기준을 만드는 공정이다. 반도체 미세화는 결국 원하는 패턴을 더 작고 정확하게 찍어내는 싸움이라 사진공정의 품질이 소자 성능과 수율을 크게 좌우한다.
2. 사진공정의 전체 흐름(큰 그림)
   일반적인 공정 흐름은 다음 순서로 이해하면 깔끔하다.
   Surface preparation → PR spin coating → Soft bake → Align & exposure → (옵션) PEB → Develop → (옵션) Hard bake/PDB → Inspection/측정 → PR strip

또한 공정은 대부분 옐로룸(노란 조명 환경)에서 진행한다. PR이 특정 파장(주로 자외선)에 민감해서, 불필요한 노광을 막기 위한 환경이다. 광원 파장은 g-line, i-line, KrF, ArF, EUV 등으로 갈수록 파장이 짧아지고 미세 패턴에 유리해진다.

 

3.핵심 성능지표: 해상도, 초점심도, 콘트라스트(MTF)
사진공정 성능은 보통 3가지로 요약된다.

해상도(Resolution)
얼마나 작은 선폭/간격을 구분해서 찍을 수 있는지. 파장이 짧을수록, NA가 클수록 유리하다. 다만 패턴이 파장에 가까워질수록 회절로 인해 이미지가 퍼져 선폭이 뭉개지는 문제가 커진다.

초점심도(DOF)
포커스가 약간 흔들려도 패턴이 유지되는 허용 범위. 일반적으로 NA를 키우면 해상도는 좋아지지만 DOF는 줄어드는 트레이드오프가 생긴다(공정 윈도우가 좁아짐).

MTF(명암 전달 특성)
광학계가 패턴의 명암 대비를 얼마나 잘 전달하는지. 대비가 낮아지면 PR에서 패턴 경계가 흐려지고 CD 변동이 커진다.

1. 공정 단계별 핵심 포인트

4-1. Surface preparation: HMDS(접착력 향상)
웨이퍼 표면에 HMDS를 처리하면 표면이 친수성에서 소수성 쪽으로 바뀌며 PR과의 접착이 좋아진다.
목표는 “PR이 들뜨지 않게” 만드는 것이라, 이후 현상/식각에서 패턴이 날아가는 문제를 줄이는 데 중요하다.

 

4-2. PR(Photoresist) 구성과 종류(Positive vs Negative)
PR은 대략 다음으로 구성된다.
Solvent(점도/도포성, 베이크로 제거)
Base resin(뼈대 역할)
Photo active component(빛에 반응해 용해도 변화 유도)

Positive PR
노광된 부분이 현상액에 더 잘 녹아서 제거된다. 미세 패턴에 유리한 경우가 많지만 공정 조건 관리가 중요하다.

Negative PR
노광된 부분이 가교(경화)되어 현상액에 안 녹고 남는다. 상황에 따라 swelling 같은 현상으로 패턴 품질에 영향을 줄 수 있다.

 

4-3. Spin coating: PR 도포(두께/균일도/결함 관리)
스핀코팅은 웨이퍼 중심에서 바깥으로 PR이 퍼지며 균일막을 형성한다.
핵심 관리 포인트는 3가지다.
두께(thickness): 목표 두께가 공정 창에 맞는지
균일도(uniformity): 웨이퍼 전 영역에서 두께 편차 최소화
결함: 파티클, 스트릭(streak), 가장자리 비드(edge bead) 등

EBR(Edge Bead Removal)
가장자리 두꺼운 비드를 제거해, 후속 노광/현상/식각 균일도를 확보한다.

 

4-4. Soft bake(Pre-bake)
PR에 남아 있는 용매를 제거하고 막을 안정화한다.
용매가 남아 있으면 접착/현상 균일도/패턴 변형에 영향을 주고, 후속 공정에서 결함이 생기기 쉽다.
보통 핫플레이트나 오븐으로 저온 베이크를 수행한다.

 

4-5. 마스크 제작과 정렬(Align)
마스크 제작은 설계(CAD) → 마스크 패턴 형성 → 검사 등의 흐름으로 이해하면 된다.
정렬은 레이어를 쌓는 공정에서 필수이며, Align key(정렬 마크)를 이용해 웨이퍼의 이전 레이어와 현재 마스크 패턴을 맞춘다.
정렬 오차는 단순 이동(X/Y shift)뿐 아니라 회전(rotate), 확대/축소(magnification), 렌즈 왜곡(distortion)까지 포함해서 관리한다.

 

4-6. 노광(Exposure): 방식과 특징
노광은 마스크를 통해 빛을 선택적으로 통과시켜 PR의 화학 반응을 유도하는 단계다.

Contact exposure
마스크가 웨이퍼에 거의 붙어 노광. 구조가 단순하지만 마스크 손상/오염, 미세화 한계가 있다.

Proximity exposure
미세 갭을 두고 노광. 접촉 문제는 줄지만 회절 영향으로 해상도 한계가 생긴다.

Projection exposure(스테퍼/스캐너)
렌즈로 축소 투영해 한 다이씩(스테퍼) 또는 스캔(스캐너)하며 노광한다. 미세화에 가장 핵심인 방식이다.

OPC(Optical Proximity Correction)
회절/근접효과 때문에 웨이퍼에 찍히는 모양이 설계와 달라지므로, 마스크 패턴을 일부러 왜곡해 최종 웨이퍼 형상이 목표에 가깝게 나오도록 보정한다.

 

4-7. PEB(Post Exposure Bake)
노광 후 열처리로 화학 반응을 진행/안정화시키고 패턴 품질을 개선한다.
대표적으로 standing wave(반사로 인한 주기적 줄무늬) 같은 문제를 완화하는 데 도움이 된다.

 

4-8. 현상(Develop)
노광으로 용해도가 바뀐 PR을 현상액으로 선택적으로 제거해 패턴을 만든다.
현상액 예로 알칼리 계열이 많이 등장하며, 공정에 따라 사용 약품이 달라진다.
현상 방식은 크게 딥(dip), 스프레이(spray), 퍼들(puddle) 같은 형태로 이해하면 된다.
현상 후에는 DI water 린스와 건조로 잔류물을 제거한다.

 

4-9. Hard bake / PDB(Post Develop Bake)
옵션 공정으로, 남은 PR을 더 단단하게 만들어 후속 식각/이온주입에서 패턴이 버티도록 돕는다.
다만 과도한 베이크는 CD 변화나 PR 성질 변화를 유발할 수 있어 조건 최적화가 필요하다.

 

4-10. PR 제거(PR Strip)
패턴 공정이 끝난 뒤 PR을 제거하는 단계다.

습식 스트립
산/과산화수소 같은 용액으로 PR을 제거하는 방식이 있다(공정 호환성과 안전 관리 중요).

건식 스트립(애싱, O2 플라즈마)
플라즈마로 유기물을 태워 제거한다. 특히 이온주입 등으로 PR이 단단해졌을 때 건식이 유리한 경우가 많다.

 

5.검사/계측: 공정이 “잘 됐는지” 확인하는 법

5-1. CD(Critical Dimension) 검사
라인폭, 간격 같은 핵심 치수를 확인한다. 대표적으로 CD-SEM을 사용한다.
노광/현상 조건이 맞지 않으면 under/over 노광으로 CD가 틀어지거나 패턴이 무너지기도 한다(패턴 collapse).

5-2. 두께 검사
PR이나 박막 두께는 프로파일러, 알파스텝 같은 장비로 측정한다.
두께는 노광 조건, 현상 특성, 식각 마진과 직결되므로 사진공정에서도 중요하다.

5-3. Overlay 검사
다층 공정에서 레이어 간 정렬 정확도를 보는 검사다.
오차는 단순 이동뿐 아니라 회전, 확대/축소, 렌즈 왜곡 형태로도 나타나므로 분해해서 관리한다.

1. 해상도 향상/미세화 기술 한 번에 정리

Immersion lithography(액침)
렌즈와 웨이퍼 사이 매질로 굴절률을 키워 실효 NA를 높여 해상도를 개선한다.

ARC(반사방지막)
기판 반사로 생기는 standing wave, 노칭 같은 문제를 줄여 패턴 품질을 안정화한다.

PSM(위상 쉬프트 마스크)
위상 차를 이용해 간섭을 유도, 이미지 콘트라스트를 높여 미세화에 도움을 준다.

OAI(오프축 조명)
조명 조건을 바꿔 고주파 성분 전달을 개선하고 해상도/공정 윈도우를 확장한다.

Multiple patterning
한 번의 노광으로 한계가 오면 여러 번 나눠서 피치를 쪼갠다.
LELE: 노광-식각을 두 번 반복(정렬 부담이 커질 수 있음)
SADP: 스페이서 기반으로 자가정렬을 활용(정렬 민감도가 완화되는 장점)

차세대/대안 노광
EUV: 매우 짧은 파장으로 미세화에 강점, 장비/공정 난이도와 비용 이슈 동반
EBL: 마스크리스로 고해상도 가능하지만 생산성이 낮음
X-ray, Ion beam: 개념적 장단점이 있으나 적용성과 장비 난이도가 관건