포토공정에 대하여 (1) overview

이번에는 포토공정에 대해 자세히 알아보겠습니다. 진짜 할 얘기가 많아서 몇 번 나눠서 설명드릴게요. 이번 글에서는 포토공정의 전체적인 순서에 대해 설명드리겠습니다.

 

- 포토공정 순서

포토공정을 크게 나눠보면 감광제(PR, PhotoResist)를 코팅하고, Mask를 사용해 자외선을 비춘 뒤, 현상(Develop)을 통해 필요하지 않은 PR을 날리는 과정으로 이루어져 있습니다. 그럼 각각의 과정을 자세히 알아볼까요??

 

1. 표면처리(Surface preparation)

Wafer cleaning을 끝내고 포토공정을 위해 PR을 도포하기 전, wafer 표면을 소수성으로 바꿔줘야합니다. 왜냐하면 PR이 소수성이기 때문인데요, wafer를 소수성으로 바꿔줌으로써 PR의 접착력을 향상할 수 있습니다. 이 처리는 HMDS(HexaMethylDiSilazane) 증기에 노출시켜 할 수 있습니다.

 

 

2. Spin coating

< 출처 : 키엔스코리아 >

PR은 스핀코팅(Spin Coating)방식으로 도포합니다. 처음에는 저속으로 회전하여 웨이퍼 전체에 PR이 덮이도록 하고, 고속으로 회전하여 PR이 원하는 두께가 되도록 조절합니다. 공정을 안 한 지 1년이 지났는데, 제 기억에 저는 500 rpm으로 20초, 5000 rpm으로 40초 돌렸던 걸로 기억하네요.

 

3. Soft Bake

PR 코팅 후 PR에 포함된 유기용매(Solvent)를 제거하기 위해 baking을 합니다. PR을 약갼 경화시키는 건데요, 이렇게 함으로써 후속 노광공정(UV-exposure)에서 solvent가 증발하여 Mask나 노광장비에 악영향을 줄 수 있고 노광공정의 민감도를 떨어뜨릴 수 있거든요.

저는 Hot plate에서 120도로 2분간 baking을 했습니다. 그 이유는 이후에 baking이 더 있는데 공정 레시피를 편의상 통일시켰어요. 제 경험상 Soft Bake는 resolution에 그렇게 크게 영향을 주진 않았던 것으로 기억합니다.(물론 저는 nm급 공정이 아니고 5um 패턴을 써서 그랬던 걸 수도 있어요!!)

 

4. Align & Exposure

Soft Bake 후 노광공정을 진행합니다. 노광공정 시 사용하는 빛은 자외선인데요, 이는 PR이 자외선과 반응하기 때문입니다. 방송에서 반도체 이야기를 할 때 사람들이 노란 불이 켜져있는 방에서 일하고 있는 이유가 바로 이것인데요, 노광공정 이외의 단계에서 PR이 반응하는 것을 방지하기 위해 포토공정을 할 때는 노란 불빛만 사용합니다(옐로우룸). 그래서 저희도 형광등에 노란 셀로판지를 붙였어요.

 

잠깐 다른 얘기로 샛는데요, 노광공정을 진행하기 전에 우선 Align이라는 것을 먼저 합니다. 한번 칩을 만들 때 포토공정을 20 ~ 25번 정도 한다고 해요. 패터닝하고 증착하고, 패터닝하고 증착하고, 이걸 반복해야 원하는 회로대로 칩을 만들 수 있는 거죠. 그러면 그때마다 각 층의 위치를 정확하게 맞춰야 하겠죠?? 이 과정이 Align 작업입니다. 대부분 특정 위치에 Align key가 있어서 그걸 보고 위치를 맞춥니다.

 

< 출처 : www.halbleiter.org >

Align이 끝나면 UV Exposure가 됩니다. 이에 대한 자세한 내용은 추후에 설명드릴께요.

 

5. PEB(Post Exposure Bake)

앞에서 ‘제 경험상’ Soft Bake는 포토공정 resolution에 크게 영향을 주지는 않는 것 같다고 했는데 PEB는 정말 중요합니다. Soft Bake보다 높은 온도(110~120도)에서 진행하는데요, PR 패턴을 균일하게 만들기 위해 진행합니다. UV-Exposure과정에서 PR에 산(acid)이 발생하는데요, 이 산을 PR 전체적으로 확산시켜 패턴을 안정화합니다.

이때는 온도를 정확히 조절해야 해서 온도를 바꿔가면서 패턴 모양을 일일이 확인했는데 120도 2분이 가장 패턴이 잘 나와서 PEB, Soft Bake 120도 2분 Baking으로 레시피를 설정했었습니다.

2023.07.30 - [etc./반도체 공정] - 포토공정 Post-expose baking(PEB)

 

6. 현상(Develop)

지금까지는 웨이퍼 전체적으로 PR이 코팅된 상태입니다. Mask를 사용해 노광을 했으니 PR에 빛이 비췬 부분과 비취지 않은 부분이 있을 텐데요, Developer라는 용액을 통해 패터닝을 하게 됩니다. 이때 빛이 비췬 부분이 날아가는지 안 비췬 부분이 날아가는지에 따라 PR 종류가 달라지는데요, 이는 추후에 설명하도록 하겠습니다.

현상이 끝나면 웨이퍼 위에는 사용자가 원하는 패턴이 만들어지게 되고 DI(Deionized water)로 씻고 말리면 됩니다.

 

7. Hard Bake

이제 포토공정의 마지막 단계입니다. Hard Bake는 110~130도에서 진행하는데요, PR의 잔여 Solvent와 수분을 날려 PR의 경도를 강화하고 기판과 PR의 접착력을 높입니다.

저는 120도에서 5분 레시피를 사용했습니다.

 

이로써 포토공정의 전체적인 과정을 살펴보았습니다. 더 자세한 이야기는 차근차근 풀어볼게요.