5.1. Photolithography, Extreme UV Lithography

 

포토리소그래피는 웨이퍼 표면에 특정 패턴을 형성하기 위해 포토레지스트를 사용하여, 노광(Exposure) 후 현상(Development) 및 식각(Etching) 단계를 거치는 과정으로 이루어진다.

 

포토리소그래피 핵심 단계

1) 포토레지스트 코팅(Photoresist Coating)

• 포토레지스트는 스핀 코팅(Sping coating)공정을 통해 웨이퍼 표면에 균일한 두께로 도포된다. 이 과정에서 포토레지스트의 두께, 균일성, 정전기적 결함 등이 중요하다.
• 스핀 코팅(Spin Coating): 고속 회전을 통해 액체 형태의 포토레지스트를 균일하게 웨이퍼에 도포한다. 스핀 속도, 시간, 포토레지스트의 점도는 두께를 결정하는 중요한 파라미터이다.

• 리소그래피 공정에 적합한 두께: 해상도 및 패턴의 요구사항에 맞게 포토레지스트 두께가 결정되며, 일반적으로 고해상도 공정에서는 얇은 층(수십 nm)을 형성한다.

2) 소프트 베이킹(Soft Baking)

• 포토레지스트를 웨이퍼 표면에 균일하게 도포한 후, 잔여 용매를 증발시키기 위해 90~120°C의 낮은 온도에서 가열하는 과정.
• 이 단계는 포토레지스트 층을 안정화하고, 노광 시 패턴 전사가 균일하게 이루어지도록 돕는다.

3) 노광(Exposure)

• 마스크를 통해 자외선(UV)을 포토레지스트에 투사하여 원하는 패턴을 형성하는 과정.
• 포지티브 레지스트는 빛에 노출된 부분이 용해되며, 네거티브 레지스트는 빛에 노출된 부분이 경화되어 남는다.

4) 포스트 베이킹(Post Baking)

• 노광 후, 포토레지스트의 접착력을 강화하고 패턴의 품질을 향상시키기 위해 120~150°C의 온도로 가열하는 과정.
• 이 단계는 잔여 스트레스를 줄이고 패턴 가장자리의 정확도를 높인다.

5) 현상(Development)

노광된 포토레지스트는 현상액을 통해 패턴이 드러난다. 여기선 포지티브와 네거티브 레지스트의 특성에 따라 다른 방식으로 진행된다

 

1)네거티브 포토레지스트

• 네거티브 레지스트: 빛에 노출된 부분이 경화되어 현상 후 제거되지 않고 남는 방식이다. 노광되지 않은 부분은 현상과정에서 제거된다.
• 현상액: 염기성 현상액이 사용되며, TMAH는 대표적인 현상액이다.
• 세척 및 건조: 현상이 완료된 후, 잔여 현상액을 제거하고 DI 물로 세척하여 남아있는 포토레지스트를 제거한다. 이후 질소 또는 공기로 건조
• 장점: 현상 속도가 빠르다며 고강도 패턴을 유지할 수 있다.
• 단점: 해상도가 낮고 정밀도가 포지티브 레지스트에 비해 낮다.

2)포지티브 포토레지스트

• 포지티브 레지스트: 빛에 노출된 부분이 화학적으로 변화하여 현상 후 용해되어 제거되는 방식이다. 노광되지 않은 부분은 현상 과정에서도 그대로 남아 패턴을 형성한다.
• 현상액: 염기성 현상액이 사용되며, TMAH(Tetramethyl Ammonium Hydroxide)가 대표적인 현상액이다.
• 세척 및 건조: 현상이 완료된 후, 잔여 현상액을 제거하고 DI 물(탈이온수)로 세척하여 표면을 깨끗하게 만든다. 이후 질소 또는 공기로 건조한다.
• 장점: 고해상도 패턴을 형성할 수 있어 정밀도가 높다.
• 단점: 현상 속도가 느리고, 패턴 강도가 네거티브 레지스트에 비해 낮을 수 있다.

6) 하드 베이킹(Hard Baking)

• 현상(Develop) 후, 포토레지스트 패턴을 강하게 고정하고 내화학성을 높이기 위해 150~200°C의 높은 온도로 가열하는 과정.
• 이 단계는 식각(Etching) 공정에서 패턴이 손상되지 않도록 보호하며, 잔여 용매를 완전히 제거하여 패턴의 내구성을 강화한다.

7) 식각(Etching)

• 포토레지스트로 보호되지 않은 웨이퍼 표면을 선택적으로 제거하여 원하는 회로 패턴을 형성하는 과정.
• 건식 식각(Dry Etching)은 플라즈마를 이용하며, 습식 식각(Wet Etching)은 화학 용액을 사용한다.
• 이 과정은 웨이퍼 표면을 정확하게 가공하여 반도체 소자의 구조를 형성하는 핵심 단계이다.

차세대 포토리소그래피 기술: 극자외선 리소그래피(EUV;Extreme UV Lithography)

• 기존 DUV보다 훨씬 짧은 파장을 사용해 7nm이하의 고해상도 패터닝을 구현할 수 있는 기술이다.
• 듀얼 파장 레이저 방식을 적용하기 위해서, 주석 방울에 고출력 레이저를 두번 발사하여 효율을 극대화한다.
• 첫번째 레이저는 주석 방울을 납작하게 변형시키고, 두번째 레이저는 이 변형된 방울을 고온 플라즈마로 가열하여 빛을 발생시키는 구조이다. 
• EUV는 출력 제어가 까다롭기때문에 매우 정밀한 광량 제어시스템이 필요하다. 기존의 투과식 렌즈 대신 반사광학을 사용한다. 이는 EUV 파장이 대부분의 물질에 흡수되어 투과되지 않기 때문이다.

• 멀티 레이어 미러(MLM): 반사율을 높이기 위해 몰리브덴과 실리콘층을 교대로 적층하여 반사 거울을 제작한다. 이는 40퍼센트의 반사율을 가지며 여러개의 거울을 배치하여 빛을 웨이퍼 표면으로 집중시킨다.

 

• 마스크 반사체: EUV는 투과 마스크 대신 반사형 마스크를 사용한다. 마스크에 패턴을 형성하는 반사 코팅층을 두어, EUV 빛이 마스크에 반사되며 패턴이 형성된다
• 마스크(반사형 마스크 구조): EUV 마스크는 일반적으로 몰리브덴과 실리콘의 다층막을 사용하여 패턴영역에 선택적으로 반사되는 구조로 이루어져있다. 마스크 패턴 형성은 패턴이 형성될 부분과 반사되지 않을 부분을 나누어 EUV가 원하는 패턴으로 반사되도록 한다.
• 또한 반사가 되지 않아야 할 영역은 흡수층(Absorber,TaN)을 사용하여 빛을 흡수하도록 디자인한다.