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노광
노광(Exposure)은 감광성 물질인 포토레지스트(photoresist)를 PCB 기판에 도포한 후, 특정한 패턴을 빛으로 비추어 주는 과정을 말한다. 이 과정에서 포토레지스트가 빛에 반응하여 화학적 성질이 변화하게 되고, 이후에 개발(Development) 과정을 통해 원하는 회로 패턴이 형성된다.
개요[편집]
노광은 마스크에 빛을 통과시켜 웨이퍼에 회로를 그려 넣는 공정이다.
흔히 카메라 셔터로 빛을 조절하는 노출(exposure)과 동의어로 쓰이지만, 반도체 공정에서의 노광은 빛을 선택적으로 조사하는 과정을 일컫는 용어이다.
반도체 노광 공정은 회로 패턴이 담긴 마스크에 빛을 통과시켜, 감광액 막이 형성된 웨이퍼 표면에 회로 패턴을 그리는 작업이다. 웨이퍼 위에 마스크를 놓고 빛을 쪼아 주면 회로 패턴을 통과한 빛이 웨이퍼에 회로 패턴을 그대로 옮긴다.
이 과정은 노광장비로 불리는 스태퍼(Stepper)를 통해 진행되는데, 스태퍼에 마스크를 넣고 빛을 투과해, 감광액이 칠해진 웨이퍼 위에 미세한 전자회로 그림이 만들어지도록 하는 것이다.
노광 장비는 방식에 따라 스테퍼(Stepper)와 스캐너(Scanner)로 나뉜다. 스테퍼는 카메라로 사진을 찍듯이 해당 영역에 빛을 비추는 방식이며, 스캐너는 문서 스캐너처럼 빛을 일정하게 움직여 패턴을 형성하는 방식이다.
노광 공정[편집]
- ① 표면처리(HMDS 처리)
HMDS 노광액을 일정량 떨어뜨려 웨이퍼 표면에 계면층을 형성. HMDS(Hexamethyldisilazane)는 반도체 노광 공정에서 사용되는 화학 물질이다. 일반적으로 노광 공정에서는 노광액이 웨이퍼 표면에 잘 달라붙도록 표면을 처리하는데, 이때 HMDS가 사용된다. HMDS는 웨이퍼 표면을 수소와 실리콘으로 구성된 계면층을 형성하도록 도와주는 촉매 역할을 한다.
- ②PR 도포(PR Coating)
PR(Photo Resist, 감광막)을 전면에 코딩. PR은 빛에 반응한 PR의 polymer 결합이 끊어지면서 제거되는 Positive type PR과 빛에 반응한 부분의 PR의 고분자 결합이 향상되면서 잔류하는 Negative PR로 구분한다. 소자 회로 배선의 해상도 측면에서 negative PR이 우수하지만 모서리 지역의 패턴이 없는 부분의 PR을 제거하기 위한 Photo 공정이 요구되어 positive type을 주로 사용한다.
- PR코팅(Photolithography Resists Coating) 기술에서는 PR이라는 광감응성 물질을 이용하여 반도체 표면에 패턴을 형성하는데, 이를 위해 다양한 PR 코팅 기술이 사용된다. 그중 스핀코팅은 PR 용액을 반도체 위에 떨어뜨린 후, 고속 회전하는 스핀너를 이용하여 균일하게 코팅하는 기술이다. 스핀코팅은 PR 용액이 균일하게 분산되어 적층되기 때문에 반도체 표면에 균일한 두께로 PR을 코팅할 수 있다.
- ③ 소프트 베이크(Soft Bake)
일반적으로 약 100도의 온도로 웨이퍼를 가열. 마스크에서 패턴을 제거하기 위해서 반도체 웨이의 표면이 평탕해야한다. 소프트 베이크는 노광된 반도체 웨이퍼에 적층된 노광 잔여물을 제거하고, 반도체 웨이퍼 표면을 평평하게 만들어 마스크에서 패턴을 옮기는데 필요한 평탄한 표면을 제공한다.
- ④ 정렬 및 노광(Align&Exposure)
마스크패턴을 웨이퍼의 적절한 위치에 정렬 및 PR노출. 정렬 단계에서는 마스크 상의 패턴과 웨이퍼 상의 패턴을 정확하게 정렬해야 한다. 이를 위해 정렬 마크(Alignment Mark)가 마스크와 웨이퍼에 적용되어 있어야 한다. 이후, 정렬 장비를 사용하여 정렬 마크를 참조하여 마스크와 웨이퍼를 정확하게 정렬한다.
노광 과정에서는 마스크 상의 패턴을 반도체 웨이퍼에 옮겨 형성한다. 이를 위해 노광 장비를 사용한다. 마스크 상의 패턴은 노광장치 상의 레트클(Reticle)에 위치하고 있으며, 이 레트클은 노광장치 상에서 빛을 쏘아 반도체 웨이퍼에 노광한다. 노광 시간과 노광 강도 등 노광 장치의 조건에 따라 형성되는 패턴의 정확도와 깊이 등이 결정된다.
- ⑤ 노광 후 베이크(PEB)
일반적으로 약 110도의 온도로 웨이퍼를 가열. 수분 및 용매를 제거하여 PR의 점성(또는 밀도)을 높이면서 웨이퍼와 결합력을 증가시키고, 환경에 대한 민감도를 감소시킨다.
- ⑥ 현상(Develop)
노광 단계에서 반응한 감광 물질 중 필요치 않는 부분을 녹여서 제거. Develop은 노광 후에 노광된 반도체 위에 남아 있는 광감지 재질을 용해하여 제거하는 과정이다. Develop 후에는 광감지 재질이 제거되고, 반도체 표면에 패턴이 형성된다. 이후에는 후처리 과정이 진행되어, 반도체 위에 형성된 패턴이 안정화되고, 불순물이 제거되는 등의 작업이 수행된다. Develop 과정에서는 용액의 조성, 온도, 처리 시간 등이 중요한 역할을 한다. 이는 광감지 재질을 효과적으로 제거하면서도, 반도체 표면을 손상시키지 않도록 조절되어야 한다.
- ⑦ 하드 베이크(Hard Bake)
일반적으로 약 130도의 온도로 웨이퍼를 가열. 웨이퍼 표면을 초순수(De-ionized Water; DIW)로 충분히 세정하여 PR잔류물을 제거, 건조한 다음, Hot 오븐에서 약 130도에서 열처리를 통해 PR의 경도를 증가시켜 웨이퍼와의 접착성을 증가시킨다.
- ⑧ 현상 후 검사(Inspection)
웨이퍼 표면의 패턴 결함 이상을 검사. 웨이퍼 패턴 불량을 검사하는 단계로써 육안과 광학 현미경을 이용하여 웨이퍼 표면의 패턴 결함 이상을 검사하며, 반도체 소자배선 제조 중 상부 배선(Layer)과 하부 배선(Layer)의 일치 여부를 검사하는 Overlay 측정 기술과 배선선폭을 측정, 검사하는 CD(Critical Dimension) 측정 기술이 있다.
포토마스크 구성 방법[편집]
CAD를 이용한 회로 패턴 디자인 설계 -> CAD로 디자인 된 데이터를 전자빔 리소그래피 시스템에 입력 -> 실리카 기판에 크롬을 증착하고 전자빔에 민감한 감광제를 도포하여 입력된 데이터에 따라 전자빔을 감광제 위에 조사하여 패턴 형성 -> 감광제는 형상액에 그리고 크롬을 건식식각으로 제거 -> 마스크 완성
노광 패턴을 형성하는 파라미터[편집]
- 1. 해상도(Resolution, 최소선폭의 한계)
일반적으로 분해능이 높을수록 해상도도 높아진다. 광학 시스템의 분해능이 높아지면 더 작은 크기의 물체를 구별할 수 있고, 이는 노광 공정에서 더 작은 패턴을 형성할 수 있도록 해상도를 향상시키는 데 기여할 수 있다. (값이 작을수록 높은 해상도)
- 2. 초점심도(DOF, Depth of Focus)
해상도는 단순히 짧은 파장을 사용하고 큰 렌즈를 사용하면 좋은 특성을 가지게 되지만 패턴구현을 위해서는 분해능을 유지할 수 있도록 마스크와 광학계, 웨이퍼를 상대적으로 고려할 때, 허용 가능한 수직 정렬 오차의 척도인 초점심도를 고려해야한다. 초점심도는 패턴을 웨이퍼에 구현하기 위해서 노광하여 상이 맺혔을 때, 선명하다고 할 수 있는 범위를 의미한다. 즉 초점심도가 클수록 일정하게 노광할 수 있는 범위가 커지는 것으로 노광의 정확도가 증가한다.
높은 품질의 노광을 위해 사용되는 기술[편집]
- 1. 위상 변위 마스크(Phase Shift Mask
- PSM) 기술
분해능의 한계를 도달했을 때 왜곡된 상이 맺히는 현상에 대해 통과한 빛의 세기뿐만 아니라 위상까지도 조절이 가능하여 웨이퍼상 원치 않은 회절광을 소멸 간섭 원리를 통해 없애는 기술이다.
- 2. 광학 근점 보정(Optical Proximity Correction
- OPC) 기술
웨이퍼를 구현하기 위해 모든 회절광을 사용하였을 때, 패턴 모서리 부분에 발생하는 왜곡된 이미지에 대해 모서리 부분의 패턴을 인위적으로 변조시켜 왜곡을 개선한다.
- 3. Off-Axis illumination(OAI) 기술
분해능이 아닌 노광공정의 공정 여유도에 의한 해상력을 증가하기 위해 NA를 증가시키면서 DOF 마진을 높이는 광학적인 기술이다.
- 4. 파장(Wavelength) 및 광원(Light Source) 기술
노광기술에서 해상도를 높이기 위해 점점 짧은 파장장의 광원을 사용한다.
검사 기술[편집]
- 1. Overlay 검사기술
패턴의 정확한 정렬(Align) 여부를 검사하는 기술로써 마스크 모서리에 위치한 오버레이 키(overlay key)를 이용, 하부 배선을 외곽 박스(outer box)로 규정하고, 상부 배선을 내부 박스(inner box)로 표시한 상태에서 두 개의 박스를 중첩, 정렬한 상태에서 외부 박스 왼쪽과 오른쪽 간격(gap)을 수치로 측정한다.
- 2. CD 측정기술
웨이퍼 표면에 형성된 PR 패턴이 소자배선 선폭 요구수준을 만족하는지 확인하는 검사 단계로써 SEM(Scanning Electron Microscope, 반사되는 전자의 움직임으로 이미지를 읽는 기술) 장비를 이용하여 DICD(Develop Inspection CD)를 측정한다.
참고자료[편집]
- 〈노광〉, 《삼성반도체》
- 〈디스플레이 용어알기 45. 노광(Exposure)〉, 《삼성디프플레이》
- 한라전자pcb, 〈PCB 제작과정에서 노광이란 무엇이며, 정확도를 높이는 법?〉, 《네이버 블로그》, 2024-08-07
- SEMICIRCUIT , 〈<반도체 공정> 노광 공정, 노광 장비〉, 《티스토리》, 2024-05-16
- 칠산날다람쥐, 〈반도체 - 노광 공정 요약〉, 《네이버 블로그》, 2022-10-02
같이 보기[편집]
