우리가 charged-beam이라 할때 가장 쉽게 생각할 수 있는 것은 전자 beam일 겁니다. Electron-Beam이라고 하겠네요.
Electron Beam Lithography(EBL)
전자빔(E-beam)을 광원으로 이용한 Lithography입니다.
전자는요 입자처럼 직진으로 이동하는 것이 아니라 파동성을 띄고 있죠. 하지만 입자성동 가지고 있기 때문에 전자의 이동경로는 알아내기가 어렵습니다.
그래서 Scattering 효과가생기는 것인데요 부딫치면 자기 멋대로 움직인다는 것이죠. 파장처럼 움지이다가도 부딪치면 입자처럼 튕겨나가듯이요.
아래 그림에도 있듯이 E-beam Lithogarphy 방법으로 노광시 전자가 resist에 처음 맞을때 resist에 퍼지는 Forward Scattering이 발생하고 Substrate에도 퍼지는 Backscattering도 발생합니다.
실질적으로 수만개의 전자로 시뮬레이션을 돌려보면 빛이 들어가서 퍼지는 것이 보인다고 합니다. 이것을 모식도로 보여준개 아래 그림입니다.
또한 E-beam lithography를 이용할때는 mask 없이 Layout을 그대로 E-beam용 Resist에 Computer control을 이용해서 직접 패턴을 그립니다.
그런데 EBL은 Scattering 효과 때문에 Beam spot은 2nm 이지만 일반적으로 해상도는 15nm정도밖에 안됩니다.
E-beam lithography가 가지는 장점과 단점을 한번 알아보죠.
장점으로는 1)직접 writing을 하기 때문에 복잡한 패턴 구현이 용이하고 2)빛을 이용한는 lithography와는 달리 회절, 간섭 문제가 없습니다. 3) 가장중요한 해상도에서는 15nm 수준의 높은 해상도를 가집니다.
단점으로는 1)설비 제작 비용과 공정 비용이 비쌉니다. 2) scattering 효과로 인해 resolution을 손해봅니다.
3) Electron beam으로 하나씩 writing하다보니 throughput이 5wph정도로 굉장히 낮습니다.
그러면 E-beam lithography는 어디에 사용될까요?
아주 높은 해상도가 필요한 특수한 경우의 공정이거나 일반적으로는 Photolithography용 mask를 제작하는데 사용됩니다.
E-beam resist는 다른 PR과는 조금 다른 물질들을 사용하는데요. PMMA라는 물질을 사용하기도하고 ZEP이라는 물질도 사용합니다.
EBL의 Profile은 sharp하게 나오지 않는다는게 정설인데요
사방으로 퍼져나가는 1) Forward scattering으로 인해 여러군데가 반응한다는 이유와 2) scattering된 전자들이 dot과 dot사이 비어있는 구간들이 반응하는 Proximity 효과 때문입니다.
그래서 Positive resist profile을 보면 original 두께와 Developed profile이 조금 차이가 나는게 보이시나요?
이떄 옆면이 파인게 forward scattering에 의해서 빛이 튕겨나가서 생긴 것이고 윗부분 두께가 줄어든 것은 scattering된 녀석들에 의한 proximity 효과 때문입니다.
positive resist 는 항상 undercut profile을 가지고 있기에 Lift-up 공정에 적합하지만 negative resist의 경우 항상 tapered profile을 가지고 있어서 Lift-up 공정에 부적합하다고 알려져 있습니다.
Focused Ion Beam (FIB)
Charged-beam base lithography에서 E-beam말고도 하나더 있는데요 Focused ion Beam을 사용하는 것입니다.
Ion beam은요 EUV, X-ray, E-beam보다도 더 짧은 파장을 가지고 있는데요, 주로 Ga+이온빔을 조사해서 사용하는데 얘도 E-beam lithography과 마찬가지로 mask가 따로 없고 layout에 따라 ion beam을 이용해 writing을 합니다.
FIB가 특이한점은 증착도 되고 식각이 가능합니다.
보통 writing이라 하면 PR을 식각을 해서 파주는 역할을 하는데 FIB는 우리가 원하는 조건에 따라서 패턴을 증착할 수도 있고 식각할 수도 있습니다.
FIB의 장단점을 알아볼까요?
장점으로는 1) 직접 writing을 해서 복접한 패턴 구현이 용이하고 2) Sputtering을 통해서 direct하게 증착/식각을 진행하기에 공정 step이 감소합니다.
그렇지만 단점으로는 1) E-beam과 마찬가지로 Serial writing으로 진행하기에 throughput이 매우 낮아서 양산에 부적합합니다. 2) 그리고 ion의 resist penetration 두께가 매우 낮습니다. 그래서 한곳을 파고 파고 여러번 파줘여 합니다.
3) 이렇게 sputtering해서 생기는 물질들이 re-deposition되는 문제도 발생합니다.
그럼에도 이 설비를 이용하는 곳은 존재하는데요
우리가 E-beam을 이용해서 마스크를 제작한다고 했는데 이렇게 생성된 mask에 defect가 존재할때 진행하는 repair에서 FIB를 이용합니다.
혹은 IC device의 결함을 검출하거나 IC device의 repairing도 FIB로 진행합니다.
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