Photolithography 심화 (1) 빛
정말 길고 길었던 포토 공정과 공정설비가 끝이 났습니다.. 겨우 8대 공정중 하나의 공정일 뿐인데 정말 기네요.
근데 여러분 이게 끝이 아닙니다. 아직 포토공정은 무궁무진하게 많이 남았다구요.
이번부터는 포토공정을 이해하기 위해선 필수적으로 이해야하는 부분들이 많은데요. 그중 몇가지를 잡아서 깊게 파볼 생각입니다.
1. 빛
포토 공정을 이야기하는데 빛에 대해서 모르면 말이 안되겠죠?
빛은 여러분도 아시다시피 파동의 성질을 띄고 있습니다. 먼저 파동에 대해서 한번 알아보죠.
파동: 매질을 통해 운동이나 에너지가 전달되는 현상
어떤 입자가 에너지를 가지고 직접 이동하는게 아니라 매질에다가 에너지를 전달을 해준다는 것이죠
이 파동의 종류는 1)점 파원에서 퍼져 나오는 파, 파면이 구면인 구면파, 2) 파면이 평면인 평면파로 나뉠 수 있습니다.
파동의 변위란 시간과 위치에 의존하는 물제의 변화량인데요 '변위 = 크기(진폭) + 위상' 이라고 말할 수 있겠네요.
회절
파동은 회절을 하는데요 회절이란 파동이 장애물을 만나거나 좁은 틈을 통과할 때, 장애물 뒤쪽까지 넓게 퍼져 전달되는 현상을 의미합니다.
<입자의 경우는 직진성 때문에 장애물이 존재하면 그 뒤까지 도달하지 못하게 된다는거 아시죠? >
이 회절의 정도는 1) 슬릿의 틈이 같을때는 파장이 길수록 회절이 잘 일어나고(단 슬릿과 같아질 때까지만) 2) 파장이 같을때는 슬릿의 폭이 작을수록 (단 파장과 같아 질때까지만) 회절이 잘 일어납니다.
아래 예시를 보시면 슬릿의 폭이 파장의 폭 λ 보다 2배인 경우엔 Diffraction angle이 30도 정도 됩니다. 1.4배 정도되면 45.5도, 그러다가 서로 같게되면 90도까지 회절이 일어납니다.
그런데 슬릿의 폭보다 파장이 클 경우엔 슬릿에 구멍이 있다고 해도 파동이 슬릿을 통과하지 못합니다. 이럴경우 회절이 없다고 할 수 있겠네요.
간섭
두 개 이상의 파가 동시에 한점에 도달했을 때 그점에서 발생하는 진폭의 공간적인 보강과 상쇄 현상을 의미합니다.
간섭에는 보강간섭과 상쇄간섭이 있는데 보강간섭은 두파원 S1, S2로부터의 거리가 반파장의 짝수배일때 발생하고 상쇄간섭은 두 파원 S1, S2 로부터의 거리가 반파장의 홀수배면 발생합니다.
이중슬릿 간섭 실험
1800년대 Thomas Young이 간섭을 이용하여서 가시광선의 파장을 측정한 최초의 실험인데요. 만약 빛이 입자였다면 단일 슬릿만을 통과하고 이중 슬릿을은 통과하지 못해서 스크린에 간섭 무늬가 발생하지 않았을 것입니다.
하지만 가시광선은 이중 슬릿을 통과해서 상쇄간섭이 일어난 곳은 어두운 무늬, 보강간섭이 일어난 곳은 밝은 무늬가 생기는 간섭무늬를 형성했습니다.
이 간섭무늬의 간격은 가시광선의 파장에 따라서 달라지는데요. 파장이 짧을 수록 간섭무늬의 간격도 좁아졌습니다.
단일 슬릿에 의한 회절 무늬는 가운데에서 가장 큰 힘을 가지고 가장자리로 퍼지는 형태를 가집니다.
이중 슬릿에 의한 회절은 단일 슬릿에 의한 회절 무늬와 두 슬릿에 의한 간섭 무늬를 곱해서 나타나는데요
<이중 슬릿에 의한 회절 무늬: 단일 슬릿에 의한 회절 무늬 X 두 슬릿에 의한 간섭 무늬>
그렇다면 다중 슬릿에 의한 회절 무늬는 똑같이 단일 슬릿에 의한 회절 무늬 X 다중 슬릿에 의한 간섭 무늬 형태로 나타납니다. 슬릿 수가 증가할 수록 조금더 피크하게 무늬가 나타납니다.
정상파
정상파란 진폭, 파장, 진동수가 같은 두 파동이 서로 반대방향으로 진행하여 중첩할 경우 생기는 파동인데요 파동이 전파되지 않고 제자리에서 진동하는 것처럼 보이는 현상입니다.
이때 정상파에서 변위가 가장 큰 곳을 '배' 라고 하고 정사파에서 진동하지 않는 곳을 '마디' 라고 합니다.
정상파의 진폭은 중첩되기 전의 두파동의 진폭의 합과 같고 파장도 각 파동의 파장과 같습니다.
빛의 굴절
빛은 서로 다른 매질에서 빛의 진행속도가 다를 때, 진행방향이 변경되는데 이를 굴절이라고 합니다. 빛의 속도는 매질의 밀도에 따라서 달라지는데 매질의 밀도가 증가할 수록 빛의 진행속도가 감소합니다.
빛은 진공에서 가장 빠르고 굴절률이 가장 낮습니다. 이때의 굴절률을 1로 놓고 다른 물질들의 굴절률을 계산하는 것을 절대 굴절률이라 하구요 매질의 굴절률이 클수록 빛의 속도가 낮아지고 즉 매질의 밀도가 높다는 뜻이겠죠.
빛이 굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 진행할 때 입사각을 서서히 증가하여 굴절각이 90도가 되는 순간의 입사각의 각도를 임계각이라고 하는데요. 이 임계각은 전반사를 설명할때 쓰입니다.
전바사란 두매질의 경계면에서 빛이 전부 반사되는 현상인데요 전반사가 일어나기 위해선 두가지 조건이 필요합니다.
1) 빛이 굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 진행할 때 발생.
2) 입사각이 임계각보다 커야한다.
박막에서의 간섭
우리가 박막을 쳐다볼때 무지개 무늬가 형성되는 것을 확인할 수 있습니다.
이런 현상은 박막을 항한 빛의 일부는 반사를 하고 일부는 박막을 투과하고 굴절 후 반사를 하는데 이 두 빛들이 서로 간섭을 일으켜서 무지개 같은 현상을 생성합니다.
심지어 이 두빛은 파장또한 바뀌어서 나오는데요. 이는 빛의 입사/반사되는 매질의 밀도에 따라 결정되는 고정단/자유단 반사와 관련이 있습니다.
1) 고정단 반사: 입사 매질의 밀도> 반사/투과 매질의 밀도 --> 반사파의 위상의 변화가 없다 (유리에서 공기)
2) 자유단 반사: 입사 매질의 밀도< 반사/투과 매질의 밀도 --> 반사파의 위상이 180도 변화한다, 파장이 변한다 (공기에서 유리)
이를 보면 박막을 향한 빛들중 반사를 한 빛들은 자유단 반사를 해서 위상이 180도 바뀌어서 나오게 되고 박막을 투과하고 굴절해서 반사를 한 빛들은 고정단 반사를 해서 변화가 없이 나오게 됩니다.
그래서 이 두빛들이 서로 일부분에서 상쇄 간섭을 일으켜서 무지개 무늬가 생기는 겁니다.
그렇다면 이렇게 두개의 물질 말고 여러개의 물질에서는 어떻게 될까요?
이때는 각 매질들이 존재하는 순서에 따라서 보강 간섭 조건과 상쇄 간섭 조건이 서로 교차되면서 달라지고 보강 간섭과 상쇄 간섭이 서로 반파장 만큼의 차이를 보입니다.
Lamp spectrum
빛은 파동인데 연속적인 파장의 합으로 이루어져 있습니다. Broad-band line으로 온다는 것인데 우리가 반도체 포토공정에서는 공정 control의 용의성을 위해서 단일 파장만을 사용합니다.
광원의 한가지 예시로 수은 Lamp를 들수 있는데요. 쉽게 제작이 가능하고 가격이 싸기 때문에 범용적으로 사용하는 광원입니다.
그런데 수은 Lamp로 얻는 빛도 Broad-band입니다. 그렇기에 특수한 filter를 이용해서 필요한 line만 뽑아서 쓰게 됩니다.
그런데 우리가 수은 Lamp로 뽑아 쓸 수 있는 단파장에는 한계가 있는데요. 우리는 더 낮은 파장의 빛을 원하는데요.
파장마다 빛을 생성하는 방법은 다릅니다.
1)먼저 i/g-/line은 Arc 방전을 이용한 수은 Lamp를 사용합니다.
2)Deep UV (DUV)는 Excimer laser를 사용하는데 수은 램프와 원리는 비슷한데 안에 들어있는 물질이 수은 대신 KrF, Arf 같은 물질들이 들어 있습니다.
KrF, ArF 물질을 사용하면 수은 Lamp와는 좀 다른 방식으로 빛을 발생시키는데요.
Noble gas (Ar), Halogen (F)가 있는 상태에서 Energy를 인가하면 둘은 반응해서 결합을 할텐데요 단 오직 들뜬 상태에서만 결합을 진행합니다.
결합을 하면서 Ground 상태로 내려오면서 들뜬 에너지가 특정 파장의 빛으로 방출 되는 것이죠. 이런 방식을 Eximer laser라고 하는 것이죠. Pulse 인가를 반복하면서 광원을 제조하는 것이죠.
몇가지 예시를 보시면 이해가 조금 가실 겁니다.
이떄 많이 사용하는 물질로는 XeCl2(308nm), KrF(193nm), F2(157nm)등을 많이 사용하는데요 이때 F2는 파장이 굉장히 짧죠? F2의 가장 큰 단점은 공기와 렌즈 물질( Quartz )가 F2를 흡수해 버린다는 것 입니다. 그렇기에 이때는 우리가 렌즈물질을 CaF2같은 것을 쓰는데 그런데 이것은 Quartz보다 훨씬 더높은 열팽창 계수를 가지고 있어서 F2 laser를 사용하는 건 쉬지만은 않다고 합니다.
그냥 수은 Lamp쓰지 왜 Excimer laser를 고집하는 걸까요?
high energy를 가지고 있고 기존 파장 대비 빛의 intensity도 커서 포토공정의 광원으로 쓰기 적합하기 때문입니다.
또한 이 광원은 순간적으로 pulse를 주면서 점등하기 때문에 예열이 필요가 없죠. 그래서 energy loss가 적습니다.
