포토리소그래피(Photo-lithography) 공정이란?
Litho(Stone) + graphia(write). 석판화 또는 우리에게 친숙한 고무판화 처럼, 그려놓은 그림을 계속 찍어내는 프린팅 기술입니다. 반도체 공정에서는 회로를 그려놓은 마스크(Mask)로 웨이퍼에 회로밑그림을 찍어냅니다. 판화는 잉크로 찍어내는데, 반도체 공정에서는 빛으로 찍어내서 포토리소그래피라고 부릅니다.
포토레지스트(Photoresist)란?
판화에서 잉크와 비슷한 것이 반도체에서는 포토레지스트 입니다. 포토레지스트는 빛에 의해 화학적 특성이 변하게 됩니다. 웨이퍼에 포토레지스트를 코팅한 다음, 빛을 조사해주면 아래와 같은 변화가 일어납니다. 이런 변화를 통해 웨이퍼에 원하는 밑그림을 그릴 수 있게해주는 소재입니다.
Positive tone resist : 빛을 조사받은 부분 → developer에 용해됨
Negative tone resist : 빛을 조사받은 부분 → developer에 용해되지 않음
리소그래피 공정의 간략한 소개
1. Coating → 웨이퍼에 포토레지스트를 코팅합니다.
리소그래피 공정에서는 빛과 포토레지스트를 이용해서 웨이퍼에 회로를 그려야 되는데요. 이 과정을 간략하게 설명드리겠습니다.
먼저 사진과 같이 웨이퍼에 포토레지스트를 코팅해줍니다. 포토레지스트의 구성성분은 아래와 같은데요. 구성성분에 따른 chemistry는 다음에 정리하도록 하고, 오늘은 대략적으로만 말씀 드리겠습니다.
Photoresist 조성
polymer : resist의 물성을 결정하는 뼈대. etch resistance, thickness 등에 영향을 미침
PAG : UV를 받아 acid source를 생성
Base : CAR system에서 diffusion rate 결정함
Solvent : Material을 균일하게 녹여주는 역할.
2. Expose → UV를 통해 밑그림을 그려준다.
포토레지스트가 코팅된 상태에서 빛으로 회로의 밑그림을 그려야 되는데요. 이 부분을 비유적으로 설명하기 위해 "별 스티커"를 준비했습니다.
저는 웨이퍼에 '별 모양'을 그리고 싶어서 스티커를 준비했습니다. 이 스티커를 포토레지스트가 코팅된 웨이퍼에 붙여주고 UV로 노광하겠습니다.
※포토레지스트는 posite tone으로 가정하겠습니다. 그리고 마스크 패턴을 지났을 때 빛의 간섭은 무시했습니다
포토레지스트는 빛을 받으면 화학적으로 뭔가가 변합니다. Positive resist는 빛을 받은 부분이 현상액에 용해도가 높아지게 변합니다. 아래 그림에서 '별 스티커'가 붙어있는 부분은 빛을 못 받았을 거고, 나머지 부분은 빛을 충분히 받았습니다.
4. Develope - photoresist를 벗겨냅니다.
이제 별 스티커를 떼고 develope 해보겠습니다. Positive resist는 빛을 받은 부분이 현상액(Developer)에 잘 녹게됩니다. TMAH developer를 사용했을 때, 빛을 받은 부분과 받지 않은 부분은 아래와 같은 차이가 있습니다.
1. 빛을 받은 부분 : TMAH에 대한 용해도가 높아짐, TMAH에 녹아서 벗겨짐
2. 빛을 받지 않은 부분(가려진 부분) : TMAH에 대한 용해도가 낮아 녹아나지 않음, Wafer에 남아있음
저는 웨이퍼에 별 모양을 그리고 싶었고, 리소그래피 공정을 통해 웨이퍼에 별 모양을 웨이퍼에 그렸습니다. 사실 여기서 끝이 아니라, 에치(etch)를 통해서 별 모양을 웨이퍼에 새겨줘야 됩니다.
5. 나머지는 etch로 ...
리소그래피에서 열심히 그린 회로는, 회로의 '밑그림'입니다. 밑그림에 맞게 회로를 만들려면 etch 공정을 통해 wafer를 깎아서 모양을 만들어 줘야됩니다.
etch 후 마지막으로 남아있는 포토레지스트를 제거해주면, 별 모양 그리기를 완성했습니다.
Wafer의 초기 상태와 나중 상태는 위의 그림처럼 변했습니다. 아무것도 없던 웨이퍼에 리소그래피로 밑그림을 그리고, etch로 그림을 완성했습니다. 오늘 예시로 설명드린 '별 모양'은 굉장히 쉬운 그림입니다. 그러나 실제 반도체 공정에서는 굉장히 복잡한 회로가 그려진 마스크를 사용합니다. 그래서 웨이퍼에 밑그림을 그리는 것부터 etch로 회로를 만드는 난이도가 훨씬 높아지죠. 게다가 이외에도 반도체의 전기적 특성 구현을 위한 공정이 추가적으로 있어서 반도체 제작난이도가 높은 이유입니다.
반도체 공정에서는 복잡한 회로를 그려야 되고, 회로의 폭은 점점 좁아지고 있습니다. 반도체 기술에서 항상 손에 꼽히는 것이 리소그래피 기술입니다. 얼마나 미세한 회로를 만들 수 있는지에 많은 영향을 미치기 때문입니다.
다음번에는 알고나면 더 재미있어지는 리소그래피의 chemistry에 대해서 포스팅해보겠습니다.
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