[lithography] 구성요소 (exposure tool, mask, PR)

이번에는 lithography의 구성요소인 노광 툴, 마스크, PR에 관한 기본적인 내용을 다뤄볼거에요 

 

1. Exposure tools

printing 방식에는 3가지로 나뉘는데요 

접촉해서 하는 contact 기법, 일정 gap을 두고 프린팅하는 proximity 기법, projection lens를 이용해 투영하는 projection 기법이 있어요 

[printing method]

1) shadow printing 

 

- contact printing ( resolution ~1um )

문제: contact으로 인한 dust 입자들로 오염, 손상 발생

 

- proximity printing ( resolution ~2-5um )

: gap 보다 큰 입자로 인한 마스크 손상 발생 

: CD (critical dimension) ~ (파장*gap)^0.5 

 

 

 

 

2) projection printing 

: 여기서는 stepper와 scanner 장비가 있어요 

 

1:1 optical system으로 디자인이나 fabricate에 쉬움 

- stepper

: 마스크 전체 한면을 한번에 찍음 

- scanner

: 마스크를 쭉 스캔하면서 크기에 구애받지 않고 wafer에 마스크 이미지를 넓게 구현 가능 

 

 

 

 

 

3) UV lamp and light

파장이 줄어들면서 

- DOF 저하를 최소화하면서 해상도 향상

- G line -> H line -> I line

- DUV: KrF -> ArF -> F2

- immersion lithography

- EUV : 13.5nm

 

여기서 immersion lithography와 EUV에 대해 알아볼게요 

 

immersion 이론은 렌즈와 웨이퍼 사이의 공기가 물로 대체되면,

resist가 도달 가능한 빛의 최대 허용 각도가 증가한다는 것 

=> maximum potential resolution 향상 

 

스넬 법칙

: NA = n0sinx0 = nfsinxf

x0: 공기의 굴절률

xf: immersion fluid의 굴절률 

 

=> immersion lithogrpahy 적용시 해상도와 DOF 개선 가능! 

maximum NA = 1.43(물굴절률) * 0.93(렌즈크기) ~ 1.35 (증가)

 

렌즈와 웨이퍼 사이에 순간적으로 물 채우고 빛을 쪼여 print 하는 방식 

 

 

 

 

EUV 는 extreme ultraviolet 으로 모든물질에 흡수되는 특성이 있기에 

물, 렌즈를 사용하지 않고 HV(고진공)를 사용해요 

 

이를 도입하면서 

- 새로운 광원 (플라즈마 사용)

Tin을 액체로 만들고 high power laser를 쏘면 plasma 형성 -> 플라즈마를 반사경을 통해 우리가 원하는 방향으로 보내줌 

 

- 반사형 마스크, 반사광학계

: 13.5nm를 반사시키기 위해 (13.5/4)nm의 장애물을 만들면 됨 

그래프를 보면 Mo/Si층을 80층 적층시 반사도가 대략 70프로가 됨을 알 수 있음 

=> 그림과 같이 multilayer을 활용해 UV 손실을 방지 , 빛 collect 하는 역할 

 

: 흡수 소재 마스크 : Ta, Ta-화합물 소재 

: advanced mask : 높은 소멸 계수로 구성된 얇아진 흡수소재, EUV phase shift mask 

 

: 보강간섭에 대한 수정된 브래그 법칙 식

 

- 고진공 챔버

 

- nano membrane pelicle

>> pelicle: 마스크의 오염을 방지하는 박막 형태의 보호막으로 이루어진 부품 

요구 특성)

기계적: 수십nm의 얇은 membrane 구조이면서 강해야함

열적: EUV광 흡수에 의한 온도상승을 효과적을 냉각시킬 고방사율 특성 필요

화학적: 수소 라디칼에서 견딜 수 있는 화학적 안정성 

 

- 새로운 resist 

 

 

EUV resist는 resolution, line edge roughness(LER), sensitivity의

3가지 특성을 동시에 개선 불가 

 

*LER: y축의 평평한 기준선을 중심으로 표준편차를 구한 값으로 line에 얼마나 거칠기의 정도인지 정의 

 

 

 

=> EUV는 ArF보다 에너지 14배 높음 = 동일한 dose로 레지스트를 노광하는데 필요한 photon의 개수는 EUV가 14배 적음

 

2. photomask 

1) mask (one exposure) or reticle (step and repeat)

- Cr mask 

: 석영(Quartz) 기판 + 크롬(Chrome) + 감광층(Resist)

: 고해상도 반도체 및 미세 회로 패턴 제작

: 분해능 향상, 대비 향상 / 오래 사용 가능 / 세척 쉬움 

but 비쌈

 

- Emulsion mask, film mask

: 유리 기판 + 감광성 유제(Emulsion)

: 분해능 저하(>3um), 오염 이슈 / 오래 사용 불가능 

but 싸고 간단하고 빠름 

: 대형 패턴 제작에 적합

 

2) layout & mask fabrication

- 레이아웃 툴에 맞춰 패턴 디자인 

: 리쏘그래피에 의해 생성

: 마스크 기판: fused-silica

: clear field / dark field (그림 그려지지 않는 영역)

 

3) mask defects

- 결함 밀도

: 마스크의 주요 문제 

: 수율 = (웨이퍼 당 좋은 칩의 수) / (웨이퍼 당 칩의 전체 수)

 

3. Photoresist

1) 구성물질

- resin(matrix): 기계적, 화학적 특성 결정

- photo active(sensitive) compound (PAC)

: UV 노광으로 특성 변화 

: positive PR은 용해되도록 / negative PR은 용해되지 않도록( cross-linking에 의함)

- solvent

: matrix와 PAC 용해 => PR 스핀 코팅 가능하도록

: 점성 결정 

 

2) photoresist 종류

contrast ratio = (ln(Et/El))^-1 -> 이미지 sharpness 결정

edge 기울기는 회절과 contrast ratio에 의해 결정

 

- positive

: PAC = DNQ

: 재배열, 용해도 향상

- negative

: sensitizer -> 분자 배열 바꾸기 위해 폴리머에 에너지 전달

: 단점) developer solvent 흡수하면서 팽창 -> resolution 제한

 

3) 기본 용어

증착시 가로 길이 = line , 증착 시 두께 = height , 노광+ develop 후 두께 = H', 노광된 부분의 가로 길이 = space 

- pitch = line + space

- duty ratio = line / space

- aspect ratio = height / line 

- PR profile = slope

- PR loss = Dark erosion = H - H'

 

4) 고분해능을 위해선?

- high contrast => thin PR

- coating speed(RPM), time ...

- positive PR

- 짧아진 파장

- 정확한 노광과 현상 과정 

 

이렇게 노광공정의 과정에 대해서 알아보기에 앞서 기본적으로 알아야할 용어와 개념들에 대해서 정리해봤어요 

다음글부터는 본격적으로 process에 대해 다뤄볼게요