Photolithography 공정 (3) Spin coating, 여러 코팅 방법들

meteor_88 2023. 1. 14. 20:34

안녕하세요! 다시 돌아왔습니다. 저번 시간에는 PR을 코팅하고 HDMS들 도포하는거 까지 공부를 해봤는데요 이제 이어서한번 다시 가보겠습니다!

HDMS가 도포된 웨이퍼 위에 PR이 어떤 방법으로 도포된다고 했죠? 그렇죠 spin coating 방식이였습니다. 이 다음 단계로 나아가기 전에 우리 한번 pr의 성질에 대해서 조금만더 알아볼까요?

PR을 코팅할때 코팅되는 pr의 두께를 결정하는 요인에는 무엇이 있을까요? 당연히 여러가지 요소들이 존재하겠죠?

첫번째로 pr 그 자체에서의 요소 입니다. pr의 구성요소에는 solvent가 존재하는데요 전에도 잠깐 언급했었지만 solvent는 pr의 점도를 결정합니다. 그리고 점도는 pr의 두께를 결정하는 요인이되죠 즉 solvent가 pr의 두께와 연관이 있다는겁니다.

두번째로 코팅하는 과정에서도 요인이 존재합니다. spin coating 과정중에 웨이퍼의 최종 회전속도 즉 RPM이 높을수록 pr의 두께가 낮아지는 것이죠. 이외에도 여러가지 요인들이 존재하지만 이 최종 회전 속도가 가장 중요한 요인이 된다고 합니다!

PR의 두께를 계산하는 수식은 참 여러가지가 있는데요 이 수식은 상당히 아주 복잡합니다. 그래서 제가 보여드리는 수식은 그 복잡한 수식을 간략히 줄인 수식인데요 그래서 변수들과 대략적인 관계만 파악하는데 사용하시면 될것 같습니다!

특히 이 수식에서 가장 중요한 부분은 제가 위에서 말씀드린 회전 속도 즉 각속도(w)입니다.

자 밑에 두 그래프중 왼쪽은 회전속도에 따른 pr의 두께이구요 지수함수처럼 감소하는 형태이죠? 오른쪽 그래프는 코팅시간에 따른 두께 변화입니다. 잘보시면 일정 시간만 지나면 일정해지는 것이 보이시나요? 약 30~40초정도면 어느 일정수준에 다다르는걸 알 수가 있죠. 즉 spin coating을 굳이 60초이상식 오래 할 필요가 없다는 것이고 두께의 공식에서도 시간은 굳이 영향을 끼칠 이유가 없다는 것이 겠죠.

그렇다면 Spin coating에는 어떤 단계들이 존재하는지 한번 알아봅시다. 제가 앞에선 그냥 회전시킨다고 했는데 무작정 빠르게만 회전시킨다고 될까요? 아니죠 정말 재수가 없으면 웨이퍼가 날라가서 파손될 위험이 존재합니다...그러면 너무 아깝겠죠? 이거 한두푼 하는거 아닐텐데 말이죠.. 그런데 이런것을 떠나서 PR자체가 고르게 코팅되지가 않습니다!

자 그렇다면 어떻게 해야 할까요? spin coating은 보통 3단계로 나누어 지는데요

1) 초저속 회전(~10rpm)

PR을 웨이퍼에 뿌리는 공정 이 pr이 점차적으로 웨이퍼의 많은 부분을 도포할 수 있도록 1차적으로 분산 시켜주는 단계입니다.

2) 저속 회전(~500rpm)

앞선 초저속 회전이 웨이퍼의 일부분만 도포했다면 이 과정에선 pr이 웨이퍼 전면을 커버할 수 있도록 해주는 과정입니다.

3)고속회전(3000~6000rpm)

저속회전까지 마쳤다면 이 고속으로 한번 회전시켜줄까요? 이렇게 고속회전을 시킨다면 원하는 두께로 고르게 pr이 도포가 됩니다. 이 고속과정에서 웨이퍼를 한번 급가속 시켜준다면 필요한 만큼의 pr만 남기고 나머지는 밖으로 쫙! 버릴 수 있게됩니다.

허허.. 여기서 한가지 또 문제가 발생합니다... 웨이퍼를 아무리아무리아무리 많이 돌려도요 가운데 면은 고르게 잘 도포가 되는 반면에 엣지 가장자리 부분은 꼭 볼록하게 쌓이게 됩니다.. 그 유명한 표면장력때문에 생기는건데요. 요부분을 우리는 edge bead라고 부른답니다. 요부분을 그냥 놔두게 된다면 추후공정에서 문제가 당연히 발생하겠죠?

그렇다면 이 부분을 어떻게 없애줄수 있을까요?

보통은 이제 pr코팅이 다끝난 이후에 pr 세정에 사용하는 유기용매들을 가장자리에 뿌려주던지 닦아줍니다.

이 edge bead에 대해서 약간의 첨언을 해보자면요 pr spin 과정에서 pr들은 원심력으로 쫙 가장자리로 퍼지는데요 원형 기판일경우 표면장력으로 edge bead가 생긴다고 했죠? 그리고 이 모양은 원형기판일땐 그나마 좀 적게, 균일하게 발생합니다. 그렇다면 다른 모양의 기판들은 어떨까요? 더 많이, 더 불규칙하게 생겨나게 됩니다.허허 그래서 웨이퍼는 원형모양을써야겠죠?

자자 그렇다면 이 edge bead를 제거하는건 둘째 치고 그냥 애초에 좀 적게 만들순 없을까요?

약간의 경우의 수를 한번 따져봐야는데요

1) solvent가 적은 pr인경우(얇게 만들어도 될 경우)

회전가속도를 좀 빠르게 가져가는 것이 효과적인 방법입니다. 대신에 전체적인 두께가 감소할 가능성이 존재하겠죠?

2) solvent가 많은 pr인 경우(두껍게 만들어야하는 경우)

이 경우에는 위의 방법이 통하지 않는데요 이 경우엔 spin coating이 다 끝난 이후에 상온에 방치해줍니다. 코팅한 이후에 soft bake공정이 기다리고 있다는건 기억하시나요? 이 공정 전까지 약간의 delay를 주는겁니다. 그러면 열 공정 중에 점도차이에 의해서 생기는 추가적으로 생기는 edge bead를 방지할 수가 있다고 합니다. 시간을 좀 줘서 pr들이 진정할 수 있게 해준다고 이해하면 쉬울거 같네요!

혹은요!!! 우리가 원하는 두께의 pr을 얻기위해서 multiple 코팅을 하는경우도 존재합니다.

이게 뭐냐면요 예를 들어 3000rpm으로 돌려야만 생기는 pr의 두께가 있다고 합시다. 근데 한번에 만드는 것이 아니라 처음에는 4000으로 돌려서 좀 얇게 만든다음 굽고, 5000으로 또한번 돌려서 또 굽고, 그다음 6000으로 마지막으로 한번 더 돌려내는 방법인데요 이 방법을 쓰면 edge bead가 효과적으로 줄어들 수 있는데 아... 말만들어도 복잡해보이고 공정과정도 오래 걸릴거 같죠? 이런 방법도 있다~ 정도로만 알고 계시면 좋을거 같네요!

많은 노력을 해도 생겨버린 요놈 edge bead!! 우리 한번 요놈을 없애버리는 과정을 봐볼까요? 웨이퍼 가장자리에 pr을 용해시켜주는 solvent를 뿌려주고 빙글빙글 돌리면 없어지는데요 참 안타깝게도 현실에선 두마리 토끼를 잡기는 어렵죠? 이때 edge bead 말고도 정상적인 부분들도 함께 제거가 된답니다.. 그래서 가장자리 부분엔 아예 pr이 없어져서 손해를 보게되는 구역이 존재해요.. 다만! 이 과정은 반드시 필요합니다! 대를 위해서 소를 희생하는것이죠. mask가 오염될 수 있다던지 추후공정에서 여러 문제가 존재하기 때문이죠..

또다른 방법이 있는데요 이 방법은 꽤 귀찮은 방법인데요 가운데 pr 부분을 가려주고 가장자리에만 노광을 시켜주고 현상을 진행하는 것이죠. 그러면 아주 깔끔하게, 정말하게 제거가 되는 장점이 있습니다.

이 두방법 중에서 여러가지 가격계산을 해서 더 이득되는 공정을 진행하게 되겠죠?

정말 안타깝게도 edge bead 말고도 spin coating 하면 생기는 문제점이 더 있습니다.. 정말 세상엔 완벽한 것이란 없나봐요

1) Comets

웨이퍼에 오염 물질들이 존재해 단차가 존재하게 된다면 앞부분에 pr이 쌓이는 정도보다 뒤에 pr이 덜 쌓여서 pr두께의 차이가 너무 클경우 불균일한 형태의 pr coating이 발생하게 될것입니다. 우리는 이런 경우 다른말로 speed boat 라고도 부른답니다.

2)Striations

Comets은 웨이퍼 세정과정에 잘못된 경우가 있었겠지만 우리가 아무리 잘했어도 물결무늬가 생기는 경우가 있는데요 이는 pr이 유체이기 때문에 생깁니다.. pr 안에 solvent가 존재한다고 했죠? pr이 유체이기에 solvent가 균일하게 증발한다는 보장이 없습니다. 보통 이렇게해서 생기는 물결간의 간격은 50~200마이크로 미터 정도로 매우 좁아서요 Striation이 심하지 않다면 보통 무시하는 경우가 많습니다. 하지만 반도체는 점점 미세화 되고 있다고 했죠? 미세공정으로 넘어가면 미세공정에서는 전체 pr 두께가 낮아지는데요 이럴 경우 Striations 들이 균일도 문제에서 상당히 문제를 끼칠 수가 있습니다.

이건 우리가 어쩔 수 없는 부분이기 때문에 공정 마진을 넓게 가져가는 것이 현재까지는 답이라고 합니다. ㅠㅠ

이제는 한번 spin coating 말고 다른 코팅 방식도 알아볼까요?

이 방식은요 PR을 um 단위의 물방울 형태로 분사하는 방식입니다. 이 경우엔 pr이 분사와 동시에 solvent가 증발하게 됩니다. 그래서 일정 수준의 점도를 가진 pr을 사용하는 것이 적합하겠죠? 그렇지 않다면 뿌리는 동시에 쏵 날아가 버릴지도..??

solvent의 증발에는 여러가지가 있겠지만 온도, 떨어지는 속도 Air-solvent saturation이라던지, pr 내의 solvent의 비중 이런것들에 따라서 solvent의 증발률은 조금씩 차이가 존재합니다.

좀전에 spin coating에는 comets가 존재한다고 했죠? spray coating 아무래도 위에서 분사해주는 형태이다 보니 단차가 존재해도 잘 코팅이 가능하답니다. 그래서 우리는 이걸 spray coating이 spin coating 보다 pr의 단자 피복 특성 즉 step coverage가 우수하다! 라고 합니다. 또 한가지 장점이 존재하는데요 spin coating 설명드릴때 버려지는 pr의 양이 상당하다고했죠? spray coating도 많이 버려지기는 하지만 그래도 좀 덜 버려지는 편이랍니다!

다만 물론 장점만 존재하는건 아닐테죠.. 공정과정에서는 여러 변수들이 존재하는데요 이런 변수들이 존재하지 않는다면 상관없지만 pr의 점도가 부족하다던가 점착력이 부족한 경우에는 참.. 골치아픈 상황이 벌어지겠죠? 아 물론 단차가 존재하는 부분에서요!

요녀석은 반도체 공정에서는 사용하진 않구요 OLED라던가 LCD같은 대형 기판들을 이용하는 공정에서 사용하는데요. spin이나 spray는 pr이 나오는 노즐이 점인 반면에 요녀석은 선입니다. 쓰이는건 slurry, 형광체, 점착제, 세라믹 요녀석들은 pr외에도 많이 쓰이는 녀석들인데 우리는 반도체를 배우는 학생이니 가볍게 쓱보고 넘어가 줍시다! 아 참고로 디스플레이에선 얇은 두께의 pr을 별로 사용하지 않기에 사용하는 방식이랍니다.

이외에도 contact 코팅 contact 코팅을 양쪽으로 진해하면 rolling coating이 있는데요 요녀셕들도 대형기판이나 flexible 기판에서 많이 쓰입니다.

제일 무식한 방법은 dip 코팅인데 pr이 잔뜩 담긴 곳에 기판을 넣고 끌어 올리는 속도에 따라서 두께가 정해지는 방법이죠.

말만들어도 섬세하고는 거리가 멀죠? 반대로 너무너무 섬세해야해서 기계로 못돌리는 경우에 손으로 진행할때 쓰이기도 한다고 합니다.