Photolithography 공정 (6) 현상(Exposure), Hard bake
드디어 pr에 우리가 원하는 패턴을 박아넣는 노광과 PEB공정까지 끝이 났군요. 패턴을 쏘아줬다면 이제는 패턴을 형성해봐야겠죠? 그 과정이 담긴 현상 공정에 대해서 한번 들어가 봅시다!
일단 먼저 현상공정이란 무엇인지 간단히 설명을 해드릴까요? 한마디로 설명하자면 PR의 일부 영역을 제거하여 패턴의 형상으로 pr을 남기는 공정을 뜻합니다. 이 현상공정에서 우리가 원하는 패턴이 드디어 만들어 진다는 것이죠.
그렇다면 어떻게 하는 걸까요? positive pr을 예로 들겠습니다. 빛을 받아서 화학적 반응을 일으킨 부분이 존재할텐데요 pr에 용액을 뿌리거나 용액에 담가준다면 빛을 받아서 화학적으로 반응한 부분만이 없어지겠죠? 일종의 선택적 wet etching이라고 할 수 있겠네요. 그래서 우리가 이 용액을 developer라고 부릅니다.
현상 공정의 종류는 크게 3가지정도가 있습니다
1) Immersion 공정
이 방법 같은 경우엔 주로 연구실 정도의 레벨에서 주로 쓰이는데요. 매우 간단한 방법이기 때문입니다. 용액이 담긴 탱크에 그냥 웨이퍼를 수직이든 수평이든 넣어주는 것입니다. 그리고 용액들도 수차례 재사용이 가능하고 수평으로 기판들을 넣어준다면 한번에 여러개의 기판들을 현상도 가능합니다.
다만 왜 연구실에서만 쓰이는 공정방법일까요? 안쓰이는데는 이유가 분명 존재하죠. 탱크를 사용하기에 하나의 기판을 현상을 할때도 다량의 developer가 필요합니다. 또한 현상액을 재사용한다고 했기에 developer가 오염될 것이고 그렇다면 일정한 공정이 어렵겠죠? 또한 developer의 대류로 인해서 윗부분과 아랫부분이 불균일하게 현상되는 경우도 생긴답니다. 즉 Uniformity가 떨어진다는 것이죠.
그렇기에 생겨난 공정들이 Spray 공정과 Puddle 공정인데요. 두 공정모두 기판을 회전시키면서 위에서 developer를 뿌려주는 것인데요. 약간의 차이점들이 존재합니다.
2) Spray 공정 VS Puddle 공정
Spray : (~1000rpm)저속 회전시키면서 developer를 스프레이처럼 뿌려줍니다.
Puddle : (~10rpm) 초저속 회전시키면서 현상액을 수도꼭지처럼 뿌린뒤 표면장력을 이용해 현상합니다.
두공정이 가지는 장점은 상당히 비슷한데요.아무래도 위에서 뿌려주다보니까 wafer 한장당 소량의 developer만 소모하겠죠? 또 항상 새 용액을 사용하기에 깨끗하겠네요? 또한 immersion 공정보다 정확한 패턴의 형성이 가능합니다.
단점도 물론 존재하죠. 고가의 설비가 필요하다는 단점이 있는데요 그런데 이것은 단점이자 장점이 되겠네요? 고가의 설비가 필요하다는 것은 Track system 구현이 가능하다는 것이니까요. 반대도 immersion 공정은 system 구현이 쉽지가 않습니다.
둘다 웨이퍼 한장씩 현상하다 보니까 throughput이 낮다는 단점도 존재하겠네요.
한가지 더 첨언하자면 Spray 공정같은 경우 developer를 뿌릴때 압력과 온도를 정해서 Vapor롤 뿌리던 하겠죠? 이렇때 온도 control이 어려울 경우 현상에 영향을 줄 수 있는데요 특히 positive pr의 현상에 영향을 준다고 합니다.
반면 Puddle 공정은 Spray 공정 대비 온도조절이 용이하다는군요. 그렇기에 현재는 Spray 공정과 Immersion 공정의 사이인 Puddle 공정을 많이 쓴다고 하네요.
현상 공정에는 어떤 parameter들이 존재하고 어떻게 조절을 해야 할까요?
현상 공정에도 참 여러가지 변수들이 존재하는데요 1) PR 자체(종류, 두께), 2) 현상액(develop strength, pH) 3)공정 변수(온도, 노광량) 4) 외부요인(외부습도) 등등 존재하겠네요. 뭐 이런것들을 다 조절했다고 해서 끝이 아닙니다. 제일 중요한 parameter가 남아 있는데요 바로 process time 입니다. 이 시간에 따라서 nomal, under, over development가 구분이 되기때문이죠. nomal, under, over 말고 한가지 incomplete development도 있는데 주로 현상 시간이 너무 짧았거나 노광량이 충분하지 않았을때 발생하는데요. 그래서 노광량만 충분하다면 pr의 형상은 nomal, under, over로 구분할 수 있겠습니다.
nomal이란 우리가 원하듯이 수직적으로 잘 나온것이고 under는 위에는 잘 됐지만 아래가 현상이 좀 덜된것, over는 이미 현상이 충분한데 더 되서 윗부분이 좀더 날아간 것이라고 보시면 되겠네요.
이런 여러 parameter들 중 몇가지만 선정해서 그래프로 보여드리겠습니다.
자 첫번째는 developer와 물의 함량 비율에 따른 그래피인데요 당연히 현상액은 원액+물로 만들어지겠죠? 이때 물의 비율
이 많아질 수록 현상 rate이 줄어들겠죠?
두번째는 developer의 온도에 따른 그래프인데요. 온도같은 경우는 developer마다 별 차이가 없을 수도 있을 수도 있어서 어떠한 경향성을 갖는다고 쉽게 얘기하기엔 어렵지만 요 그래프의 boundary를 벋어나면 온도가 높을 수록 현상 속도가 높다는 것이 정설입니다.
세번째는 노광량인데요. 노광량이 부족하면 왼쪽 부분처럼 incomplement development가 생기구요 다만 일정 노광량을 넘어서면 일직선의 그래프(complete)를 띄고 있죠?
네번째는PR의 polymer 함량에 따른 것인데요 polymer의 함량이 많고 반응해서 생기는 물질들의 비율에 따라서도 현상 rate가 달라진다고 얘기 할 수 있겠네요.
전에 pr을 설명하면서 positive/negative에 대해서 간단히 설명한적이 있는데요. 기억나시나요? 엄밀히 말하면 postive/negative tone이라고 했죠. 이런 tone positive/negative pr이냐에 따라서만 결정된다고 하긴 무리가좀 있다고도 한적이 있었죠. 극성과 무극성에 대해서 설명하면서요. 그래도 보통 positve tone은 positive pr로 만들고 negative tone은 negative pr로 만든다고 하니 이 둘의 차이점에 대해서 한번 알아보죠.
1) Positive PR
developer로 NaOH, KOH, TMAH 같은 알칼리 용액을 사용합니다.
이 현상액을 씻어내는 Rinser로는 DI Water를 쓰구요. 같은 극성으로 씻어 내는 것이죠.
Positive pr의 특징으로는요
1.빛이 조사된 부분이 현상액에 녹습니다.
2.Dose, PR 두께에 따라 현상 속도가 변하는데요 현상이 조건에 따라서 민감하죠?
3.현상 시간이 현상액 농도에 민감합니다.
4.조사하지 않은 부분에는 현상액이 침투하지 않기 때문에 정밀한 패턴의 형성이 가능합니다.
5.Spray,Puddle,Immersion 공정 다 가능합니다.
2)Negative PR
developer로 유기 용제(Xylene)을 사용합니다.
Rinser로는 같은 무극성인 N-butylacetate로 씻어냅니다.
특징으로는요
1.빛이 조사되지 않은 부분이 현상액에 녹습니다.
2.Dose 부족할 시 막 두께는 얇아지지만 상 크기는 불변합니다. 크게 공정에 영향이 없다는 것인데요 빛을 받은 부분의 경화정도가 달라질 뿐 용해되야는 부분은 그대로 잖아요?
3.전 영역에 현상액이 침투하는 치명적인 단점인 Swelling이 발생합니다. 그렇게에 2um 이상의 패턴 형성에 적합한데요 즉 미세 패턴 형성이 불가능하다는 것이죠.
4.Spray 공정을 주로 사용합니다.
현상이 다 끝났으면 Hard bake에 들어가는데요. 그런데 Hard bake 전에 패턴이 제대로 형성되었는지 1차적으로 검사를 합니다. Hard bake를 진행하게 되면 pr이 안정화가 되기때문에 깔끔한 PR 제거가 어렵기 때문이죠.
검사는 어떻게 진행할까요? um 단위에서는 주로 광학 현미경을 사용하구요 그 이하로는 주사 현미경(CD-SEM)을 이용합니다.
검사를 진행하고 나서 패턴이 제대로 형성되지 않았다면 다시 현상을 진행해야겠죠? 이것을 RE-work라고 부릅니다. 그런데 경우에 따라서 RE-work가 가능 할 수도 불가능 할 수도 있습니다. 어떤 부분에서 그럴까요? 표로 보여 드리겠습니다.
