포토공정2 — Photo 공정 핵심 정리

1) Imaging 기본

• 빛의 파동성/입자성: 파장(λ)↓ → 에너지(E)↑ (Photon, 플랑크 상수로 계산)
• 간섭/중첩: 같은 위상=보강, 반대 위상=상쇄
• 레이저(Laser): 단색성(파장 일정)·가간섭(위상 동일) → 강한 보강 중첩
• sin𝜃<NA → Wafer에 이미징 가능
  • 렌즈 안으로 빛이 들어오게 됨

회절과 해상도

• 회절: λ↑, 틈↓ → 회절각↑ → 해상도↓ (Huygens 원리)
• 해결책: MASK–Wafer 사이 Lens(투영광학) 추가
• 노광 방식: 접촉(Contact) → 근접(Proximity) → 투영(Projection, 주력)

2) Bragg 회절·Pitch·해상도

• Pitch: 패턴 간격(Line/Space)
• Bragg 회절: 0/±1차 회절광 간섭으로 이미지 형성
  • 0차: 수직으로 들어오는 빛 
  • 1차 이상 회절광이 Lens에 들어와야 분해 가능
• Airy Disk & Rayleigh Criterion: 두 광원 구분 가능한 최소 거리
• 해상도 식(개념): Resolution = k1·(λ/NA)
  • 두 점을 찍었을 때 구분할 수 있는 가장 짧은 거리 
  • NA↑ → 해상도↑, λ↓ → 해상도↑
  • NA(Numerical Aperture): 렌즈의 크기, lens가 capture 할 수 있는 최대 회절각
• k1 향상 방법
  • 광원
    • off-axi로 광원을 입사하거나, 마스크를 투과한 빛의 회절과 산란으로 빛의 Uniformity가 떨어지는 것을 개선
    • 복잡한 조명계를 사용하여 빛의 모양을 수정
  • 마스크
    • OPC
    • PSM
  • PR에 도달한 빛이 하부 박막에 반사되어 불균일한 Profile을 야기하는 이슈 해결
    • BARC
    • Resist reflow(열처리)
  • ARF-Immersion
  • DPT(Double Patterning Tech), QPT(Qudruple Patterning Tech)
  • EUV(0.6), DPT(0.15-0.2)
    • EUV가 좀 더 쉬운 공정으로, 미세패턴을 구현할 수 있다는 점

Pupil & 조명(일루미네이션)

• Pupil: 1차광 통과 비율↑ → Contrast 개선
• Off-Axis Illumination(OAI): 사입사로 1차광 포집↑, 불필요 0차광은 차단(필터)
  • Imaging 기여 영역만 통과
  • 레이저를 중앙이 아닌 좌우로 약간 이격된 거리에서 입사시키는 방법

3) Focus & DOF

• Best Focus: 빛이 한 점에 모이는 위치
• DOF(초점심도): Best Focus 주변 허용 범위
  • DOF =k2 λ / NA² (개념)
  • λ↑ → 회절↑ → DOF↓, NA↑ → DOF↓
  • DOF↑ → 공정마진↑
  • Resolution ⬌ DOF: Trade-off
• Out-Focus 시 Blur 발생 → 공정 윈도우 관리 필수
• CMP
  • CMP 공정으로 표면을 평탄화하여 단차를 DOF보다 작게 만들어 초점 여유를 확보
  • 단차가 DOF를 벗어나면, 단차 Edge에서의 빛의 산란 혹은 반사에 의해 PR Profile이 변형될 수 있음
• BARC를 통해서도 개선 가능

4) Dose, CD, EL

• Dose: 단위 면적당 광에너지(예: J/cm²)
• CD(Critical Dimension): 관심 패턴 치수
  • Positive PR: 빛↑ → CD↓, 빛↓ → CD↑
• Exposure Latitude(EL): 타깃 CD 기준 ±10% 범위에서 선형 관계 유지

5) Leveling(웨이퍼 단차 보정)

• 기준 평면 대비 반사 편광 비율 분석 → Leveling Map 산출
• Focus 취약 영역 파악 → 장비 보상 범위 내 자동 보정

6) Overlay(중첩 정렬) — 측정·보정 핵심

서로 다른 레이어의 노광 위치 정렬 품질을 계측/보정

6-1. Alignment(정렬)

• 목적: 웨이퍼 패턴 배열 파악 → 원하는 위치에 노광
• 원리(ASML 예시): Phase Grating 계측(회절 이용)
  • Laser 반사/회절 강도 분석 → 위상 일치 지점 탐색
• 시스템: ATHENA, SPM(홀수차 회절광 누적·Square Wave로 Line/Space 분리), SMASH(Spot ↓, X/Y 동시, 시간 단축)
• 품질 파라미터:
  • WQ: Mark 반사강도 비율
  • MCC: 신호–이상파형 유사도
  • ROPI: Lot 내 잔여 보정 오차
  • RPN: Lot 간 비공통 성분 오차
• 보정 연계: Raw Align Map → Overlay 보정 알고리즘에 투입

6-2. Overlay 계측(IBO/DBO)

• BIB(Box-in-Box): 1st(Outer)·2nd(Inner) 중심 차이 계산(dx, dy)
• IBO(Image-Based): CCD 이미지 Intensity 분석
  • BIB(일반), AIM(정밀), Triple AIM(3공정 동시)
• DBO(Diffraction-Based): ±방향 회절광 위상차 비교

6-3. 신뢰도와 장비 오차

• Accuracy(정확도), Precision(재현성: Static/Dynamic)
• TIS(Tool-Induced Shift): 웨이퍼 0° vs 180° 회전 비교로 장비/광학 이상 진단

6-4. Overlay Control(모델링·피드백)

• 샘플링 계측 기반 → 최적 Feedback 필요
• 데이터 단위: Shot 기반 수집
  • Intra-Field(Shot 내부), Inter-Field(웨이퍼 전체)
• 모델 구분: Modeled(보상 가능) / Residual(보상 불가)
• Linear Model 파라미터(예):
  • Oₓ,Oᵧ(Offset), Wₓ,Wᵧ(Expansion/Mag), Rₓ,Rᵧ(Rotation),
    mₓ,mᵧ(Magnification), srx,sry(Shear)
• LSM(최소자승): Residual 최소화로 파라미터 추정
• 절차: Overlay 측정 → Raw Data → LSM → Linear Model(보정값) → 다음 Lot에 Feedback

⚠️ Mark 위치: 보통 Scribe Lane. Cell 직접 측정 아님 → 대표성/편차 주의

7) Mask(레티클)

• Blank → E-beam 노광 → 현상 → Cr 식각 → PR 제거로 제작
• Binary Mask: Quartz 위 Cr로 투과/차광. 단순 광량 제어
• HTPSM(Half-Tone PSM): MoSi 층(+Cr)로 위상 반전 유도 → 비노광 영역 Intensity 최소화 → 해상도↑
• Pellicle: 투명 박막으로 파티클 차단(초점면 밖)
• PSM(Phase Shift Mask):
  • 빛의 위상(경로차)을 조절하여 웨이퍼 상에 원하지 않는 회절 이미지를 상쇄간섭을 통해 없애는 방법 
  • k1 factor 줄이는 방법 중 하나
  • 마스크 패턴이 점점 복잡해지면서, 난이도가 매우 어려워져 잘 사용하지 않음
  • Alternating PSM: 일부 투과부 위상 반전 → 상쇄 간섭
  • HTPSM: 부분 투과+위상 반전(MoSi+Cr)

8) OPC(Optical Proximity Correction)

• 설계한 마스크 패턴에 최대한 근사하게 전사될 수 있도록 Mask 패턴을 보정해주는 방식
• Proximity Effect(회절/간섭, Etch loading 등)로 Dense/Isolated CD 차이 발생
• 해결: 광학·공정 조건(PR 두께, 렌즈 수차, Reticle, Etch 변형 등) 반영 시뮬레이션 보정

 

 

9) Photoresist(감광제) — 종류·메커니즘

• Positive PR: 노광부 용해 → 제거(홀 패턴), 고해상도
• Negative PR: 노광부 중합·경화 → 잔존(아일랜드), 두꺼운 막/MEMS
• 양산에서 Positive PR 사용하는 이유
  • 해상도↑, Step-coverage↑, 열적안정도↑, Scum↓
  • Negative PR은 현상 과정에서 PR이 부푸는 Swelling 현상으로 인해 해상도가 저하

고려사항

• PR의 용해성, 민감도, 열적 안정성, 접합성
• 용해성↑ → 패턴모양과 공정마진 우수
• 민감도↓ → 현상속도↓
• 민감도↑ → Notching(빛의 산란과 반사로 인해 특정 부분에 빛이 집중), 패턴 변화
  • 적절한 민감도
• 열적안정성↓ → PEB 과정에서 PR이 흘러내림
• 접착력↓ → Spin Coating 과정에서 균일하게 코팅이 안됨
  • PR의 Resin 분자량이 클수록 접착력 우수

변천사

• I-line: Novolac(용해억제형)
  • Novolac Resin + PAC + Solvent
  • 노광부: PAC 보호기 탈리 → 알칼리 현상액 용해
  • 비노광부: Resin–PAC 결합 → 불용성(용해억제형 PR)
• KrF/ArF: CAR(Chemical Amplification Resist)
  • Resin + PAG(Photo Acid Generator) + Solvent
  • 노광 시 빛을 받은 PAG가 산을 생성하고, 산은 PEB 중 Resin과 반응하여 용해성 물질로 전환
    • 산이 또 다른 Resin과 반응하여 증폭됨
  • PEB 지연 시 공기 중 Amine과 중화 → 성능 변동
  • Quencher(염기)로 산 농도 프리셋 → Delay 민감도 저감

10) 반사 억제 코팅

• BARC(Bottom ARC): 하부 반사 억제
  • 빛이 하부막에 반사되어 간섭현상으로 인해 PR 패턴이 울퉁불퉁해지는 것을 방지
  • 반사된 빛이 입사된 빛과 상쇄를 일으켜 반사를 줄어들게 하도록, 막 두께를 최적화
  • Notching/Standing Wave 방지(흡수+위상 반전 상쇄)
  • 일부 NTD용 BARC는 Acid 보충로 Undercut 억제
  • Organic BARC
    • 높은 흡수율로 입사하는 빛을 흡사하여 반사 억제
  • Inorganic BARC
    • 두께 제어하여 상쇄간섭 유도
• TARC(Top ARC, 주로 ArF Immersion): 물 침투/드롭 잔류 방지, Barrier 형성
  • TARC-less PR: Additive Polymer로 상부 Barrier 자체 형성
  • 공정온도가 높아 PR에 영향을 줌

11) Tone & Developer

• Positive Tone(PTD): Dark-Field Mask
• Negative Tone(NTD): Bright-Field Mask
• Developer:
  • Positive용: TMAH, DI-Water Rinse / 저표면장력 Rinse
  • Negative용: nBA, Rinse 미사용(Swelling 억제, BARC 호환 필요)

12) CD 균일화 보조: RELACS

• RELACS(Resist Enhancement Lithography Assisted by Chemical Shrink)
  • PR 패턴 위 추가 코팅으로 CD Uniformity 향상
  • NTD 전용 RELACS: Shrink 양 이슈 대응

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용어 퀵 가이드

• NA: Numerical Aperture, 렌즈 개구수(수광능)
• DOF: Depth of Focus, 초점심도
• CD: Critical Dimension, 중요 치수
• EL: Exposure Latitude, CD-Dose 선형 허용 범위
• IBO/DBO: 이미지 기반/회절 기반 Overlay 계측
• TIS: 장비 유발 시프트(Overlay 장비 자체 오차)
• LSM: Least Squares Method, 최소자승 추정
• BARC/TARC: 하부/상부 반사 억제 코팅
• CAR: Chemical Amplification Resist(화학증폭 PR)
• OPC: Optical Proximity Correction(광근접 보정)