반도체 8대 공정 (2) - 포토 공정

반도체에는 소자층부터 여러 단계의 금속배선층까지 수십 개의 층이 필요하므로 노광이 핵심적인 공정이다. 

- 노광은 산화와는 달리 웨이퍼 수십 개를 한 번에 처리할 수 없다.  지름 300mm인 웨이퍼를 한 번에 처리할 수 있는 균일한 광원을 만들 수가 없기 때문이다. 

- 노광기는 작동할 때마다 칩 1~4개 정도의 면적에만 빛을 쪼여줄 수 있다.

- 노광이 끝난 뒤에는 오버레이(Overlay- 노광 과정에서 웨이퍼에 찍어 놓는 작은 마크)를 함께 수행한다. 매번 노광할 때마다 중심은 공유하고, 크기는 변화하는 형태로 오버레이 마크를 새겨 놓으면 노광이 얼마나 어긋났는지, 혹은 웨이퍼가 살짝 돌아갔는지 등을 측정할 수 있다. 다만 오버레이 측정은 정렬 과정과는 달리 모든 웨이퍼에 대해 수행하지는 않는다.

 

포토 공정

포토 공정의 대략적인 순서

1) 감광액(포토레지스트)을 바른다. 이는 빛과 닿은 부분의 성질이 변하는 물질로 포토레지스트를 바른 뒤에는 웨이퍼에 빛(레이저)을 쐬어 줌으로써 감광액의 특정 부분만이 변질하게 만든다.

2) 광원 앞에 원하는 패턴이 그려진 판을 하나 놓는다. 이 판을 포토마스크(Photomask)라고 부른다. 광원을 포토마스크에 통과시킨 뒤 웨이퍼에 쬐어주면, 비로소 우리가 원하는 패턴을 웨이퍼 위에 생성할 수 있다.

3) 패턴이 생성된 뒤에는 현상(Develop) 과정을 거친다. 이 과정에서 빛을 쬐어 변성된 포토레지스트 부분들을 제거해 줌으로써 원하는 패턴을 생성한다. 

 

 

* 포토레지스트  : 빛을 받으면 성질이 변화하는 물질 (현상액에 대한 용해도가 변화)

- 포지티브 포토레지스트 : 빛을 받았을 때 용해도가 올라가는 물질

- 네거티브 포토레지스트 : 빛을 받았을 때 용해도가 내려가는 물질

 

 마스크의 패턴은 곧 반도체의 설계이며 반도체 제조에는 여러 개의 마스크가 필요하다. 마스크를 써서 노광한 후, 그 뒤에 식각, 증착, 산화 등 다양한 처리를 하고 위 과정을 반복해 다음 층을 만들어가며 쌓아 올린다. 결국 설계라는 것은 반도체 칩에 내가 원하는 기능을 부여하기 위해, 반도체 각 층에 새겨야 할 마스크를 만드는 과정이라고도 할 수 있다.

 

노출

-  빛(레이저)을 웨이퍼 위의 칩 하나 크기의 좁은 영역에 비춰준다. 필요한 시간만큼 빛을 비췄다면, 노광기는 웨이퍼 위의 약간 옆 부분으로 이동해 작업을 반복한다.

- 노광기는 떨어져 있는 두 물체를 분리해서 인식할 수 있는 한계가 있는데, 이를 ‘분해능’이라고 한다. 분해능이 크면 가까이 있는 두 물체가 하나로 보이게 되기 때문에 아무리 미세한 패턴이 새겨진 포토마스크를 만들어도 실제 웨이퍼 표면에 새겨지지 않는다. 따라서 분해능을 줄이는 것이 핵심이다. 

* 분해능 :  d=λ/(2NA) (λ : 빛의 파장, NA : 개구값) 

- 레이저의 에너지를 높임으로써 빛의 파장을 줄일 수 있다. EUV 노광기는 DUV 대비 사용하는 파장을 14분의 1로 줄임으로써 더 미세한 패턴을 그릴 수 있는 기계이다. →  High NA EUV 장비

- 개구수(NA)를 높임으로써 분해능을 줄일 수 있다. 개구수는 광원의 렌즈 크기를 키우거나, 굴절률이 높은 매질을 사용해 높일 수 있다. → DUV(ArF immersion) 장비

 

현상 (Develop)

- 포토레지스터에 빛을 쬐고 나면, 빛을 받은 부분의 특성이 변하게 된다. 이후에는 특성이 변한 부분들을 웨이퍼 표면에서 제거한다. (현상) 

- 현상하기 전, 웨이퍼를 포토레지스트의 빛을 받은 부분의 특성 변화를 더욱 강화하기 위해 오븐에 넣고 가열한다.  :  PEB(Post Exposure Bake)

- PEB 과정 후, 현상액(Developer)을 도포해 변화된 영역을 제거하고, 필요한 경우 린스(Rinse) 해준다. 

 

 

 

 

출처 : [반도체 전공정 3편] 반도체 패턴을 만드는 포토 공정 (3/6) (skhynix.co.kr)