안녕하세요 오늘은 설 당일입니다. 이 글을 읽으시는 모든 분들 새해 복 많이 받으시길 바랍니다. 블로그를 시작하면서 방학기간에는 적어도 하루에 하나씩은 포스팅하자고 다짐했는데 저도 사람인지라 잘 지켜지지가 않네요;; 그래도 오늘도 화이팅해서 열심히 달려봅시다.
저번 시간까지 Track system과 Photomask에 대해서 공부해봤는데요. 이제는 노광설비에 대해서 알아볼 차례입니다.
노광설비는 정말 포토공정 설비들 중 꽃이자 핵심이 되는 설비이며 포토공정의 성능을 좌우하는 중요한 설비라는 것 다들 알고 계실테죠? 한번 알아봅시다.
lithography를 하는 방법은 노광 시 Mask의 위치와 빛의 이동 방향에 따라 3가지로 분류되는데요 한번 보시죠,
1) Contact
이는 마스크와 웨이퍼가 서로 맞닿은 경우입니다.
2) Proximity
마스크와 웨이퍼 사이에 약간의 갭이 존재하는 경우입니다.
3) Projection
이 방법도 마스크와 웨이퍼 사이가 떨어져 있지만 Proximity와 Contact 방법의 경우는 노광 설비에서 쏴준 빛이 렌즈를 통해 직진해서 웨이퍼에 도달하는 반면에 이 방법은 렌즈를 통한 빛이 마스크를 지나고 또 이 빛이 렌즈를 한번더 거쳐서 서로 반대가 되도록 쏴주는 것입니다.
마치 우리가 사진을 찍는 방식과 유사합니다.
Contact와 Proximity의 방법은 빛이 마스크를 지나고도 직진하기 때문에 상대적으로 수월한 방법인데 비해 Projection은 마스크를 지난 빛이 렌즈로 한번더 모이기 때문에 초점을 맞춰야 한다던지 상당히 복잡합니다.
이 세가지 방법들에는 여러 특징들이 있는데요. 표로 보여드릴 거지만 몇가지 추가 설명을 해보겠습니다.
Magnitude는 우리가 실제 사용할 회로들의 크기와 마스크 패턴사이의 비율을 의미하는데요 contact와 proximity는 1:1의 비율을 가지고 있습니다.
다만 projection은 우리가 렌즈를 통해서 빛을 모을 수 있기 때문에 축소 마스크가 가능합니다. 실제 사용할려는 패턴의 크기보다 마스크의 패턴을 더 작게 만들 수 있다는 것이죠.
각 방법들에 대한 장점들을 한번 소개해드리겠습니다.
contact와 proximity 둘다 빛들이 직진해서 바로 웨이퍼에 도달하기 때문에 우수 높은 throughput을 가지고 있구요.
contact방법은 워낙 정확도가 높아서 우수한 resolution을 가지고 있습니다.
Proximity의 경우는 미세하게 마스크와 웨이퍼 사이의 간격이 존재하기 때문에 오염으로부터 안전하기에 contact 방법에 비해 mask의 수명이 길다는 장점도 존재하겠네요.
Progjection 방법은 워낙 control이 어렵지만 control만 잘된다면 우수한 resolution을 가질 수 있습니다. 왜죠?
축소 마스크를 사용할 수 있기 때문이죠.
단점들도 존재하는데요.
Contact 방법의 경우 mask는 소모품처럼 사용되는데요. mask가 바로 맞닿아 있기때문에 mask의 교체횟수가 많고 즉 mask의 수명이 짧다는 것이죠.
또한 wafer와 같은 크기의 mask가 필요한데 처음 우리가 포토공정을 생각할때 이것은 필요한것이 아니라는 것을 알 수가 있죠. 이부분은 Promixity 방법도 마찬가지 입니다.
그리고 contact은 mask의 defect density가 많은데요. 자체적으로도 defect가 많과 외부 요인으로 부터의 defect도 많습니다. 그렇기에 양산에 부적합합니다.
Proximity 방법도 비슷한데 마스크와 웨이퍼 사이의 갭이 존재하기에 그 갭을 통과하는 빛들이 퍼지면서 해상도를 더 떨어뜨리는 요인이 됩니다.
또한 마스크와 웨이퍼가 조금 떨어져 있기에 웨이퍼에 부착되어 있는 PR film이 극도로 평평해야 합니다.
참고로 contact 방법은 서로 맞닿아 있기에 조금 울퉁불퉁해도 그냥 눌러버리면 되거든요.
Projection의 경우 축소 마스크를 사용하기 때문에 당연히 시간이 오래걸리기에 낮은 throughput을 가지고 있습니다.
그리고 공정 비용이 매우매우 높습니다.
또한 렌즈로 빛을 모아주기 때문에 상당히 많은 계산이 필요하겠죠? 그렇기에 설비도 상당한 고난이도 설비가 필요합니다.
즉 공정 비용, 설비 비용 둘다 어마어마하게 비싸다는 것이죠.
projection 방법으로는 미세패턴을 만들어 내기 때문에 perfect mask가 필요한건 당연하겠네요.
일반적으로 contact와 proximity는 mask aligner라는 설비에서 사용되구요. projection은 scanner, stepper 설비에서 필요로 합니다.
그렇다면 aligner, stepper, scanner 이 설비들을 한번 비교 해볼까요?
사실상 stepper와 scanner는 비슷한 원리를 가지고 있는데요.하나씩 도장찍듯이 찍는 방법은 동일합니다.
다만 stepper에서 기계적 부분을 수정한것이 scanner입니다. 이 부분은 나중에 설멍해드리겠습니다.
1) Aligner
Aligner의 경우 마스크에 실제 패턴들이 존재하는 부분을 field라고 했죠?
이 field size가 웨이퍼와 동일한 사이즈를 가져야 합니다. 웨이퍼보다 작으면 커버할 수 없는 부분이 생겨 버리게 때문이죠. 그렇다 보니 마스크의 사이즈가 6~7 inch 정도로 큽니다.
그런데 현대 반도체 양산 공정에서는 웨이퍼의 크기가 8 inch를 넘어서 12 inch까지 가고 있는데요 이렇게되면 마스크가 너무 비싸지기에 이런건 못 만듭니다.
그래서 최근엔 mask aligner는 여기서부터 손을 떼기로 했습니다. 아니면 아예 대면적으로 가서 해상도가 낮은 곳에 정도에만 쓰지 미세공정에서는 사용하지 않는다고 합니다.
또한 한번에 모든 영역을 노광하기 때문에 Troughput이 우수하지만 넓은 영역을 한번에 노광하기 때문에 균일도에서 좋지 않습니다.
2) Stepper
일종의 Projection방법을 사용하는데 field size가 22 x 22 mm로 일반적으로 고정되어 있습니다.
마스크 사이즈도 5~6 inch인데 stepper의 경우 마스크를 5:1 비율로 축소해서 사용할 수 있습니다.
field size를 줄여놨기 때문에 uniformity가 향상되었구요. Aligner에 비해서 mask error factor도 1/5로 축소되어 반영됩니다.
3) Scanner
Aligner에서 stepper로 넘어오면서 다 좋아졌지만 throughput이 너무 안좋아지다 보니까 구동부를 조금 손을 봐서 만든 것이 Scanner입니다.
그 결과 마스크는 4:1 정도로 축소되지만 실제 field size는 약간 커져서 26 x 33 mm로 형성되었습니다.
즉 stepper에 비해서 scanner가 한번에 찍을 수 있는 양이 커졌다는 것이죠. 그렇기에 throughput이 증가했습니다.
또한 뒤에 말씀드리겠지만 field 내에 slit을 사용하기 때문에 빛이 좀더 각 die에 균일하게 조사가되어서 unifomity도 보다 향상되었죠.
field size가 더 커졌기 때문에 chip size가 조금 커져도 대응이 가능하다는 장점들이 있습니다. 물론 field size보다 더 커지면 안되겠죠.
이번 시간에는 노광 설비에서 사용하는 방법인 contact, proximity, projection에 대해서 정리하고 이 방법들을 사용하는 설비들인 aligner, stepper, scanner에 대해서 간단히 알아봤구요 다음 시간에는 각 설비들에 대해서 세세하게 한번 알아보겠습니다.
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