자 이제 노광 설비들을 하나 하나씩 자세히 알아볼까요?
1) Mask Aligner
저번 시간에 말씀들렸듯이 웨이퍼와 1:1 비율의 mask를 사용해 mask의 pattern을 그대로 wafer에 전사하는 설비이죠.
Mask Aligner는 노광계 / 구동부 / Wafer stage 로 구성되는데요, 모든 노광 설비들이 이렇게 구성됩니다.
다만 Stepper와 Scanner 같은 설비들과 다른점은 Stepper의 경우 노광계의 구조가 Mask Aligner에 비해 상당히 복잡한데요. 이 이야기는 조금 뒤에 해보죠.
아래 그림을 보시면 Mask Aligner의 구조 모식도가 있는데요. 가운데가 1)Wafer stage 그 위가 2)노광계 그리고 나머지가 3)구동부라고 생각하시면 됩니다.
3)구동부에선 구동부에 존재하는 조이스특으로 Wafer chuck의 위치와 현미경의 위치까지 조절이 가능합니다.
이때 그림에 보이시면 microscope objection 즉 현미경은 노광계와는 상관이 없는데요, 모니터에 보이는 화면을 얻어내기 위해서 사용하는 현미경입니다.
Spacing Setting이라는 부분도 보이실 텐데요 이는 Mask-to-Wafer gap을 조절하는 부분입니다. 위에서 말씀드린 조이스틱은 X,Y축과 Θ를 조절한다면, 이 부분은 Z축을 조적한다고 생각하시면 되겠습니다.
노광시엔 Dose량도 중요한 부분이라 했었죠?
Dose량을 조절할 때는 Exposure Timer를 사용하는데요 Dose = power x time 인데, 이때 일반적으론 power값은 고정 시켜 놓기 때문에 time을 조절해서 Dose량을 조절한다고 합니다.
아래 보시면 Mask Aligner의 노광계 모식도도 보이실 텐데요 상당히 복잡해 보이시죠?
그런데 이건 stepper나 scanner에 대비 간단한 겁니다.ㅋㅋ 기능은 별로 안중요하다고 하기에 그냥 이 정도면 간단하다라는 것만 알고 계시면 될 것 같습니다.
아래 Mask Aligner의 Wafer stage 모식도를 보시면 마스크와 웨이퍼 사이에 약간의 틈이 있는거 보이시나요?
이 틈은 보통 0~25um 정도 되는데요. 이틈의 거리에 따라서 해상도가 차이가 나는데요. 해상도가 좀 낮아도 되는 공정에서는 70um까지 벌리기도 합니다.
그렇기에 Mask Aligner에서는 앞서 설명드렸던 1)contact mode, 2) proximity mode 둘다 사용할 수 있다는 것이겠죠?
또한 Mask Aligner는 실제 노광을 진행할때 wafer를 한번에 한장씩 loading하는 것을 알 수 있습니다.
그런데 뒤에 보여드리겠지만 Stepper나 Scanner 같은경우 웨이퍼를 이렇게 direct하게 하나씩 넣는게 아니라 Wafer loader가 따로 있어서 카세트처럼 25매 정도의 wafer를 대기시키면 한매씩 들어가 공정들 진행시킵니다.
그렇다면 Mask Aligner를 가지고 공정을 어떻게 진행을 할까요?
공정 순서만 간단하게 설명드리자면
1) Wafer loading --> 2) 정렬 --> 3) 노광 --> 4) Wafer unlaoding 이런 순서입니다.
1)Wafer loading
그냥 Wafer를 stage에 가져다 놓는거 아니야? 라고 쉽게 생각하실 수 있는데요. 이보다는 좀 더 중요한 과정입니다.
Wafer를 Wafer stage에 놓는거 뿐만아니라 공정 진행을 위해 고정을 하는 단계인데요, 그런데 고정하는 방법이 4가지나 됩니다. (Vacuum, Hard, Soft, Proximity gap)
Vacuum, Hard, Soft 방법은 contact를 위한 방법이고 Proximity gap은 proximity 방법을 위한 방법이겠죠.
방금 말씀드린 순서대로 웨이퍼와 마스크 사이의 간격이 점점 넓어 집니다. 즉 해상도에서 조금씩 차이가 있겠죠?
1) Vacuum contact는 말 그대로 웨이퍼와 마스크 사이를 Vacuum 상태로 만들어 버리는데요, 밑에서 N2와 Mechanical pressure로 밀어주고 마스크를 밑으로 Vacuum을 걸어줘서 sealing을 해버립니다.
2) Hard contact는 이거보다 조금 약한데 Vacuum을 풀어 준 상태입니다.
3) Soft contact는 웨이퍼를 오히려 밑으로 Vacuum을 잡아주고 mechanical pressure로만 밀어올립니다.
이때 웨이퍼를 Vacuum으로 밑으로 땡겨주기 때문에 그나마 좀 마스크에 웨이퍼가 덜 닿습니다.
웨이퍼 표면에 pr이 진공이 잡히는 형태에 따라서 마스크와 웨이퍼가 접촉을 하는데요, 완전히 균일하게 접촉하지는 못합니다.
이런 균일하지 못한 상태에서 노광을 그대로 해버리면 Fringe가 생겨버립니다. 이 Fringe도 Vacuum contact에서 제일 많이 생기구요 Hard, soft순서 입니다.
이런 단점들이 존재함에도 contact를 진행하는 이유는 해상도를 보면 알수 있습니다.
신기하게도 Vacuum, Hard, Soft 모두 gap 0인 contact이지만 이들 사이에서도 해상도의 차이가 존재합니다.
2) 정렬
Wafer loading이 끝나면 정렬로 넘어갑니다.
이 정렬 공정은 Mask 상의 pattern을 Wafer 위에 원하는 위치에 구현하기 위해서 위치를 조정하는 공정입니다.
틀어지는 부분이 없도록 3방향 (X,Y,Θ) 조절을 하는데요. 현미경을 면저 3방향 조절을 해서 Mask alignment mark에 가져다 놓은 다음에 현미경을 모니터링 하면서 Wafer를 3방향 조절을 하며 Wafer alignment Mark를 Mask alignment Mark에 맞추는 것입니다.
한개의 웨이퍼에 한개의 Mask layer만 정렬하는게 아니라 웨이퍼에 여러개의 Mark가 존재하기 때문에 여러개의 Mask layer를 한 웨이퍼에 정렬 시키게 됩니다.
Align key는 주로 x, y축을 확연히 볼 수 있기에 십자 모양을 사용하는데요, 조금더 세밀하게 정렬을 진행 하려면 이런 Target alignment 대신에 Vermier Alignment( Vermier key )를 사용하기도 합니다.
2) Stepper
stepper와 scanner는 작동방식이 유사한데요 stepper에서 몇가지 보완을 한것이 scanner이기때문이죠.
그렇기에 이 둘의 구조는 한번에 소개시켜드릴 예정인데 우선 Scanner를 알려면 Stepper를 먼저 알아야겠죠?
먼저 한가지 새로운 명칭이 발생하는데요, Reticle이란 여러변 반복적으로 위치를 바꿀 수 있도록 만든 Mask인데 Stepper는 pattern을 step별로 도장 찍듯이 전사하는 방식이기에 Reticle을 사용하겠네요. 다만 요즘은 Mask, Reticle이 두말을 혼용해서 사용한다고 합니다. 그냥 두 단어 모두 같은거라고 이해하셔도 될 것 같습니다.
Stepper는 축소 mask를 사용한다고 했죠? 그렇기에 Stepper는 lens를 통해 빛을 응집시켜서 Wafer에 조사합니다.
lens는 Stepper와 Scanner에서 빼놓고 이야기 할 수 없는데 이 이야기는 조금만 미뤄 둡시다.
아래 그림을 보시면 i-line stepper 노광계 모식도가 보이시나요? 이 모식도에 대해 간단히 설명 해드리겠습니다.
주로 Stepper는 i/g-line을 주로 사용하는데 이는 빛의 파장에 따른 빛의 종류를 의미합니다.
이 두 line의 light source로는 주로 수은 램프(Hg lamp)를 사용합니다. 광원에서 발생한 빛은 shutter와 filter를 거치고 condenser lens를 거친다음 빛을 받아서 2번째 condenser lens를 거치고 다시 반사를 합니다. 그다음 마지막으로 projection lens에 도달해서 축소를 통해 wafer에 도달합니다.
그럼 이젠 Stepper의 설비 구조를 하나하나 떼어서 자세히 봐보도록 하죠.
1) Light source
일명 광원이죠. 노광하는 energy source를 의미합니다.
우리가 사용하고자 하는 빛의 파장 대역에 따라서 다른 source를 사용하는데요 일반적으로 우리는 노광을 진행할때 단파장을 원합니다. 이때의 '단'은 짧을 단이 아니라 홑 단 입니다. 여러개의 파장이 존재하면 각 파장마다의 공정을 따로 따로 잡아줘야하기에 다파장을 사용한는 것은 공정 컨트롤이 쉽지 않기 때문이죠. 그래서 일반적으로 단파장을 원합니다.
그래서 특정 파장을 얻을 수 있는 방법이 source마다 다른 것입니다.
source는 수은 램프 뿐만 아니라 laser source도 있습니다.
수은 램프의 경우는 주로 1.5~2.5kw의 방전을 사용해서 빛을 내는데 수은램프의 단점은 Broad-band light입니다. 즉 다파장이라는 것이죠.
수은 램프를 사용해서 i-line(365nm), g-line(438nm)의 파장을 얻어낼 수 있다고 했는데, 다파장에서 어떻게 선별적으로 뽑아낼까요? 원리는 프리즘의 원리 즉 빛의 굴절되는 정도에 따라서 얻어낼 수 있습니다.
수은 램프는 계속 빛이 켜저 있는데 우리가 dose를 결정할때 power가 있다고 했잖아요?
이때 power는 빛의 intensity를 가지고 결정합니다. 단 high intensity일 경우 uniformity가 저하 될 수 있다는 단점이 존재합니다.
참고로 수은 램프는 다파장이기에 넓은 범위를 커버할 수 있기에 Stepper, Scanner 뿐만 아니라 Mask Aligner에서도 사용합니다.
DUV(KrF, ArF)라는 것도 있죠? DUV를 얻어내는 방식은 아예 다른데요. 이때는 특정 파장만 나오도록 설계가 되어 있습니다.
광원은 Laser source 사용하고 이를 통해 빛을 내는데요. ArF혹은 KrF가 필요하다하면 ArF, KrF 물질에 laser를 쏘면 ArF(193nm),KrF(248nm) 파장의 빛만 나옵니다.
이 laser source를 사용할때 power는 광원의 Pulse로 결정되는데 Pulse를 주는 속도에 따라서 power가 달라집니다.
DUV 광원으로 특정 파장만을 발생시킨다고는 하지만 DUV도 필터가 필요합니다. 앞서 말한 i/g-line을 얻을때는 당연히 필터가 필요하겠죠?
일단 부가적인 구조들에 대해서 간단히 설명을 해드리겠습니다.
먼저 Shutter는 광원으로부터 방출된 빛을 비노광 시간동안 차단하는 역할을 합니다. 즉 막아주는 역할이죠
Filter는 광원에서 발생한 다파장을 프리즘의 원리를 이용하여 파장별로 분리하고 얻고자하는 단일 파장만 통과시키는 역할을 합니다.
먼저 i/g-line 광원일 경우(수은 램프) 수은 램프가 항상 켜져 있다고 했기에 비노광 시간동안은 항상 shutter가 장착되어 있고 노광할 때만 open을 합니다.
수은 램프는 항상 켜져있기에 20000h~25000h가 지나면 수은 램프의 수명이 다 돼서 갈아줘야하고 shutter도 장기간 사용시 damage가 발생하기 때문에 주기적으로 교환이 필요합니다.
또한 수은 램프는 다파장이 나오기때문에 mask aligner처럼 broad-band light을 사용하지 않기에 각각의 사용 하고자하는 파장에 맞는 필터를 사용해서 선택적으로 통과시키죠.
DUV 광원일 경우 노광이 필요할 경우에 광원에 pulse를 통한 power를 인가해서 laser를 발생시키고 비노광시에는 power를 off 시키기 때문에 별도의 shutter가 필요가 없습니다.
DUV광원을 통해서 필요한 특정 파장만을 얻었지만 Etalon Filter를 사용해서 좀더 샤프한, 파장 사이의 간격이 0.8pm 범위를 갖도록 하는데요, 이때 filter는 필수적이지는 않지만 우리의 욕심때문에 사용한다고 보시면 되겠습니다.
이제 원하는 파장만을 얻었다면 여러개의 렌즈를 거쳐서 웨이퍼에 도달 해야겠습니다.
이때 lens가 위치한 자리에 따라서 역할들이 다른데요 1)Condense lens는 광원에서 방출된 빛을 모아주는, 응집시키는 역할을 합니다.
2)colimator lens의 같은 경우는 좌우 상을 바꿔주는 역할을 하고, 3)projection lens는 웨이퍼에 빛을 직접 조사시켜주는 역할을 해줍니다.
그렇다면 이 렌즈들 중 핵심적인 렌즈들의 역할들에 대해서 한번 자세히 알아보도록 하죠.
1) Condenser lens
광원에서 방출된 빛을 응집시키는 역할을 한다고 했죠? condenser lens는 1st 와 2nd가 있습니다.
먼저 광원에서 방출된 빛은 사방으로 퍼지면서 방출되기 때문에 광원 주위에 거울이 존재해 반사시켜줍니다. 이때 반사시켜준 빛들이 균일하게 가지는 않을겁니다.
일부분으로 빠져나온 빛들은 거울에 반사되어 condenser lens의 edge 부분에 들어가게되고 몇부분은 center로 들어가게 될겁니다.
만약 광원이 전 방향으로 똑같은 power를 낼 수 있다면 lens가 필요하지 않을거지만 빛은 일반적으로 방향마다 power가 다르게 나오기 때문에 이 빛들을 condenser lens를 거쳐서 섞어줄 필요가 있습니다.
2) Fly's eye lens
condenser lens를 거친 빛들은 Fly's eye lens를 거치는데 condenser lens가 각각의 영역으로 보내놓은 빛들을 다시 모아주는 역할을 하는 lens입니다.
한점으로 모였던 광원들을 모았다가 다시 분산을 시켜줘서 빛의 균일도를 상승시켜주는 역할을 하고 이후 2nd condenser lens로 보내줍니다.
3) 2nd condenser lens
이 lens의 역할은 Fly's eye lens에서 뿌려준 빛을 균일하게 널리널리 뿌려줍니다.
즉 이 세개의 렌즈를 거친 빛들은 처음 광원에서 나온 여러 방향의 빛들을 잘 섞어줘 상당히 좋은 균일도를 가진 빛이 됩니다.
4) Reduction lens
말그대로 줄이는 렌즈인데 일명 projection lens라고 합니다. 이 lens의 성능에 따라서 Reticle 대 Wafer의 비율을 결정하고 최종단에 위치하며 장치 성능을 판단하는 가장 큰 요인을 차지하는 lens입니다.
지금까지 노광계의 구조를 알아봤는데요 다음은 Wafer stage입니다.
Stepper의 경우 카세트로 웨이퍼를 loading을 하는데 robot arm이 웨이퍼를 잡아서 pin up, pin down 과정을 겪어서 웨이퍼를 놓아줍니다. 역시 wafer stage 뒤에서도 진공을 잡아줍니다.
Stepper의 wafer stage의 구조르 보면 우리가 아는 X,Y,Θ stage 말고도 여러 stage가 있는데요.
Z stage 같은경우 우리가 마음대로 움직일 수 있지만 일반적으론 한 값에 고정시켜 놓고 자유롭게 움직이지는 않는다고 합니다.
한 Z축으로 고정을 해놓으면 각 die들 마다 같은 기본적인 값을 갖도록 한다는 것입니다. 일명 lens-wafer gap을 고정해놓는다는 것이죠
다만 wafer가 평평하게 생겼을까요? 웨이퍼는 공정에 따라서 위로 휘는 convex, 아래로 휘는 concave인 경우가 있습니다. 아무리 진공을 잘 잡아줘도 정확히 네모나게 안된다는 것이죠.
예를 들어 웨이퍼가 convex일 경우 Z축을 조절을 안하면 웨이퍼의 중앙면과 edge 부분에선느 서로 초점거리가 달라진다는 의미인데 그러면 웨이퍼의 center는 패턴이 잘나오지만 edge 부분은 잘안나오게 된다는 것이죠.
그렇기에 전면이 패턴이 잘 나오게 될려면 Z 위치를 자동으로 바꿔나가야 합니다.
그런 system이 Auto focus system 입니다.
wafer가 기준위치에서 수직방향으로 벗어난 거리를 측정하여 wafer를 원래의 위치로 되돌릴 수 있도록 위치정보를 구하는 system이죠. 즉 lens-wafer 거리를 전면에서 일정하게 유지 시켜준다는 것이죠.
이 system은 어떻게 구현해야 하나요?
어떤 평면을 우리가 위에서 쳐다보면 Z축은 안보이게 됩니다. 그래서 side에서 비스듬하게 beam을 쏴서 반대편 side에서 beam을 얻어내는 방식을 택했습니다.
Z축이 움직이면서 이 beam이 반사되는 위치는 달라지겠죠. 이렇게 달리지는 수치들과 beam의 입사각(최대한 90도에 가깝지만 다른 렌즈들에 영향이 가지 않을 정도)을 이용해서 이 system을 구현합니다.
X축과 Y축에 보시면 간섭 mirror가 있는 것을 보실 수 있는데요.
이제 wafer stage가 이동을 할텐데 그 wafer stage의 이동량을 측정을 해야는데 이 간섭 mirror로 신호를 받아서 stage driver에 feed back을 해주면 wafer stage의 이동 제어가 가능해집니다.
그러면 다시 이동을하고 mirror가 신호를 받고 이런식으로 feed back을 계속해서 주는 역할을 합니다.
이게 있기에 우리가 wafer stage가 자유롭게 이동하는 것을 구현할 수가 있습니다.
lamp 노광량 monitor는 말그대로 lamp의 dose정도를 확인하는 용도로 쓰입니다.
조도 unifomity sensor 같은 경우는 wafer field내의 조도가 균일하냐를 측정합니다.
3) Scanner
지금까지가 Stepper의 구조에 대한 설명이였는데요.
Scanner가 Stepper와 구조가 특별하게 다르다곤 할 순 없습니다. 다만 Scanner의 경우 Stepper에서 말로 들으면 단순하지만 구현하기가 상당히 어려운 부분을들을 수정했는데요. 2가지 정도가 있습니다.
1) Wafer stage의 움직임
2) Reticle stage의 움직임
Stepper의 경우 Wafer stage만 움직이고 노광계는 움직이지 않은 상태로 빛을 조사합니다.
그런데 Scanner는 Reticle stage 또한 Wafer stage위를 교차하면서 움직이기에 균일도가 더 높아지게 됩니다. 그리고 Stepper보다 사용가능한 Reticle의 field size도 커집니다.
Scanner의 노광 원리에 대한 사진을 한법 보실까요? 보시면 Reticle은 우측으로 움직이고 Wafer는 좌측으로 움직이는 것을 보실 수 있습니다. 또한 빛은 Slit에 따라 조절되고 있구요.
Stepper의 경우는 그림들 중에서 slit이 다 열리고 Wafer와 Reticle이 정중앙에 위치한 과정만을 반복한다고 할 수 있겠네요.
Stepper와 Scanner의 공정방법을 크게 보면 비슷하다고 했을때 이 설비들을 이용해서 공정은 어떻게 진행을 할까요.
노광이라던가 Wafer 이동이라던지는 그냥 갖다놓고 찍으면 되는데 그렇다면 정렬은 어떻게 할까요?
mask aligner의 경우는 우리가 Wafer직접 align key를 심어놓고 맞췄습니다.
그런데 Stepper와 Scanner에서의 align key는 조금 다릅니다.
먼저 Wafer에 align key를 각 Die 마다 박아놓고 먼저 Global alignment를 진행하는데요. 가장 바깥쪽에 해당하는 mask align key를 찾아서 읽어서 단차를 확인하고 센터점을 확인합니다.
한마디로 첫 wafer의 align key는 단차가 있어야합니다.
<투명한 물질도 가능한데요, 다만 인식하는데 오래걸리기는 합니다. Mask aligner의 경우는 투명한 물질이면 거의 안보입니다.>
Global alignment를 진행하고 나서 각 Die 혹은 일정 Die를 발췌하여서 미세 정렬을 진행합니다.
크게 먼저 정렬해주고 조금 틀어져 있을 수 있는 부분을 마지막으로 한번더 확인 한다는 것이죠.
여기까지가 포토 공정 설비에 관한 이야기였습니다. 워낙 복잡하고 어려운 이야기가 많아서 저도 공부하는게 공정 보다 어려웠습니다;;; 진짜 양이 많네요... 그래도 나름 유익했던 시간이였던거 같습니다!
혹여나 사실과 다른 부분의 설명이 존재하면 댓글로 알려주시면 감사하겠습니다!
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