Photolithograpy 공정 (1) overview와 wafer 세정

오늘부턴 포토공정의 공정과정에 대해서 제대로 시작할려고 한다.

 

 

 

처음은 간단하게 포토공정의 각 단계들을  overview 해보자!

포토공정은 크게 나누면 총 사진에서 볼 수 있듯이 크게 8개의 과정으로 나눌 수 있는데 8번 develop inspect 과정은 추가적인 단계에 가까워 생략이 가능하고 사진엔 없지만 9)번째 단계로 PR strip 단계를 추가 할 수 있다.

 

1) Cleaning& Vapor  prime

정확하게 말하자면 wafer의 priming(준비단계)이라 할 수 있는데 왜 Vapor prime 이라고 할까? 그 이유는 어떤 액상에 압력을가해서 Vapor 상태로 표면처리를 하기 때문이다. Vapor즉 증기인데 우리가 나중에 이야기할 HDMS라는 가스를 의미한다고 보면된다. 즉 웨이퍼에 증기형태의 HDMS 가스를 살포해 표면처리를 하기때문에 Vapor prime 이라고 한다.

 

2) Spin-coating

wafer위에 PR을 도포하는 가장 일반적인 방법이다. 다른 여러 방식들도 존재하지만 반도체에서는 얇게 도포가 가능한 Spin-coating 방법을 선택했다.

 

3) Soft bake 

도포된 액체 상태인 PR을 공정에 용이하도록 경화시키는 공정이다.

 

4) Exposure

고상으로된 PR에 특정 파장의 빛을 조사하는 단계이다. 즉 마스크에  있는 패턴을 심어주는 것이다.

 

5) Post-exposure bake(PEB)

빛을 조사했다면 바로 현상을 진행할 것 같지만 아니다. PR에 생긴 패턴의 정확도를 상승시키기 위해서 열을 가해주는 공정을 한번더 진행한다.

일부 PR은  PEB 공정을 거치지 않으면 패턴이 현상되지 않는 경우도 있다고 한다. 

 

6) Development 

지금까지의 공정까지는 우리눈에 패턴이 보이진 않지만 이 과정을 통해 전명의 PR에서 원하는 패턴을 만들어낸다. 일종의 Wet etching으로 볼 수 있다.

 

7) Hard bake 

패턴이 형성된 상태뒤에도 후속 공정이 용이하기 위해선 한번더 열처리가 필요한데 이 과정에서 진행한다.

 

8) Develop inspect

패턴이 형성된 wafer를 검사하는 과정인데 우린 공정을 중점으로 공부중이기에 이 과정은 과감히 생략한다!

 

9) PR Strip

inspection을 마쳤다면 이제 후속 공정에 들어간다. etching 이라던지 iron implant 라던지.. 그런데 이건 우리가 공부중인 포토공정이 아니다. 다만 필요한 공정이 무엇이냐면 PR Strip! 말그대로 필요 없어진 PR을 제거하는 단계이다.

 

그렇다면 이제 하나하나 세세하게 들어가보자

 

1) Wafer priming (세정공정, pre-bake)

사실 이 단계에서 가장 중요한 것은 wafer에 대한 표면처리인데 이건 조금만 묵혀두자!(좀 복잡복잡하다)

 

Wafer가 오염된 상태라면 반도체 소자에 아주아주 많은 안좋은 영향을 끼칠수 있는데 간단히 표를 보여주겠다.

허허.. 얼마나 wafer 세정이 중요한지 감이 오지 않는가? 이 중에서 가장 우리가 중요하게 여겨야하는 것은 Particle에 대한 wafer의 오염이다. 왜냐면 patterning을 한번 해버린다면 선별적으로 세정하기가 어렵기 때문이다. wafer 맨위 계면의 오염만이 영향을 주는 것이 아니라 일부 공정이 진행된 뒤 SiO2라던지 다른 film간의 계면에도 오염이 있으면 소자 특성에 영향을 줄 수 있다. 그렇기에 cleaning 반드시 해줘야 한다!

 

우리가 wafer를 cleaning 하는 가장 유명한 방법은 RCA  Clean 방법이다. 이 방법은 1970년대 미국의 RCA사가 발표한 세정 공정인데 50년이 넘은 지금까지도 사용되는것을 보면 상당히 완성도가 높은 세정공정이라고 할 수 있겠다! 역시 미국!

다만 유감스럽게도 이 공정은 아무때나 쓸 수 있는 것은 아니다. Wafer가 맨 처음 준비되었을때만 진행할 수 있다. 즉 후속공정으로 인한 오염엔 사용할 수 없다는 것인데 왜그럴까? 이 세정공정에는 황산,염산,불산 같은 강한 산과 강한 염기들이 사용되는데 향후에 다른 film들에 이런 산과 염기들이 영향을 줄 수 있다는 것이다.

 

자자 우리는 wafer를 맨처음 뿐만 아니라 중간중간에도 세정을 해줘야한다고 했는데 그렇다면 어떤 공정에서 오염이 발생하는지 무슨 오염이 발생하는지 한번 차근차근 알아보자! 

 

먼저 cleaning 해줘야할 대상들을 한번 봐보자

1) Solvent, H20(물찌거기), PR&Developer 잔여물(공정중 wafer에 남은 용액들), Sillicone

2) 공기중 부유 먼지

3) Laser scribing(후공정 다이를 자를때) 후 발생한 먼지

4) Lapping(웨이퍼 뒷면을 갈아내는것) / CMP(웨이퍼 표면을 평탄화하기 위해 연마하는 것) 후 발생 입자

5) 박테리아(매우 작기에가장 처리하기 어렵고 물에서 주로 발생하는데 애초에 이를 방지하기 위해 고순도 DI water system이 필요하다)

 

아까 언급했듯이 RCA 세정공정은 산계열의 약액을 이용하기에 처음에만 사용한다고 했는데 그렇기에 일반적으로 웨이퍼를 세정할때는 데미지를 주지않는 유기 용매를 이용해서 cleaning을 진행한다.

한가지 예로는 Acetone->Methanol->DI water/Ultrasonic->Spin dry+ N2 blow off 이런 과정이 있다고 한단다...

 

이러한 wet 공정말고도 Ashing 이라고 부르는 dry 공정또한 존재하는데 주로 유기물질들을 태운다. 이때 O2 plasma를 사용한다.

 

자 드디어 웨이퍼가 다 세정이 끝났다! 굉장히 길다..후....

웨이퍼가 세정이 다끝났다면 이젠 뭘해야 할까? 그렇지! 웨이퍼를 준비해야한다! 엥 웨이퍼 준비는 어떻게하는 걸까?

일단 뭘 준비하는 걸까? 바로 PR을 도포할 준비를 하는 것이다. PR은 일종의 용매인데 표면에 물이 존재하면 불균일하게 도포될 문제가 발생한다. 그래서 세정이 끝난 wafer를 아주아주아주 건조하게 해줄 과정이 필요한데 이것이 바로 pre-bake이다. pre-bake를 하는 방법은 여러가지가 있는데  hot plate에 올리거나 convention oven에 오래놓아둔다거나.. 

 

어허 근데 여기서 끝이 아니다 건조된 wafer에 HMDS를 코팅해줘야는데 이게 뭘까? 바로 PR과 wafer 사이의 접착력을 증가시켜주는 물질이란다! 자세한건  PR coating 과정에서 다뤄 보겠다.

 

후후 이제 wafer는 반도체가 될 준비가 되었다. 그렇다면 이제 PR Coating 과 Soft bake에대해 알아보자!

다음에...

생각보다 분량 조절인 안된다...