딴딴's 속성과외 포토공정 편 마지막 시간입니다. 오늘은 가장 기본적인 포토공정 프로세스와 불량유형, 그리고 엔지니어 실무에 대해서 간략하게 다루어보겠습니다.
[질문 1] 포토공정에 대해서 일련의 과정을 설명해주시겠어요.
우선, Wafer가 준비되면 Surface Cleaning을 진행합니다. Dehydration Baking을 통해 Si 기판 상에 수분을 제거하고, Resist와 Si의 접착도 향상을 위해 HMDS를 도포합니다. 이후 PR을 Spin Coating을 통해 Wafer 표면에 균일하게 도포합니다. 이후 Soft Baking을 통해 PR내 휘발성 물질을 제거해줍니다. 이후 Wafer는 Stepper(or Scanner) 설비로 이동하여, Mask를 Align 한 후 규격화된 광원으로 노광을 실시해줍니다. 노광 이후에는 후속 열처리인 PEB(Post Exposure Baking), Hard Baking 처리 후 Develop 용액에서 빛을 받지 않은 영역을 제거해줍니다. 이렇게 Pattern이 형성되면, Inspection 단계에서 패턴 불량이나, 이물, Line CD를 평가하고, Overlay 분석장비를 통해 상하부막 간 Align을 평가합니다.
[꼬리 1-1] PR Spin Coating 간 두께에 영향을 미치는 변수에 대해서 설명해주시겠어요.
Wafer 상에 PR을 정확한 두께로 균일하게 Coating하는 것이 Key Factor라고 할 수 있습니다. PR 두께에 영향을 주는 요소로는 물질 자체에 점성 계수, Polymer 함량과 같은 물성적인 측면과 8 inch (or 12 inch) Wafer 구경, Spin Coating간 Spin 속도와 같은 변수들이 Resist의 두께를 결정할 수 있습니다.
[꼬리 1-2] PR Coating 간 발생할 수 있는 불량은 무엇이 있을까요.
PR Coating 시 Si 표면과 PR 사이의 접착도가 낮으면, 현상과정에서 Pattern이 Lifting 되는 문제가 발생할 수 있습니다. 뿐만 아니라 Spin Coating 시 Wafer Edge에서 PR의 두께가 두껍게 형성되면서 Edge 영역의 Pattern 불량이 발생할 수 있습니다. 이와 같은 불량 현상은 Edge Bead 불량이라고 표현하며, EBR(Edge Bead Remove) 진행을 통해 Wafer Edge를 공정적으로 제거함으로써 개선할 수 있습니다. EBR은 Nozzle을 통해 Edge에 특정 용액으로 PR을 제거하는 Solvent 방식과 국소적으로 Edge에 노광을 해줌으로써 Edge Bead 불량을 개선할 수 있습니다.
[꼬리 1-3] Soft Baking은 진행하는 목적과 불량 유형에 대해서 설명하세요.
PR을 Coating한 이후 약 70-100℃의 온도에서 30min. 정도 Soft Baking을 진행해줍니다. PR은 균일한 Coating 성능 확보를 위해 Solvent내 용해되어 액상형태를 가집니다. Soft Baking의 목적은 도포 이후 PR 내 Solvent를 Dry 시킴으로써 하부막과 PR 간의 접착 특성을 향상시키기 위함입니다. Soft Baking이 부족할 경우, 앞서 말씀드린 바와 같이 하부막과 PR의 접착특성 저하로 Pattern Lifting이 발생할 수 있고, 과할 경우 열 다중화에 의한 Scum이 ㅂ발생할 수 있습니다.
※ Tip : Soft Baking 방식 1) Convention Oven : Wafer 400sls/hr, 10-30min, 모든 Wafer에 동일 온도 적용 가능 2) IR 적외선 Oven : 3-4min, 단시간 열처리 가능하나, 반사 및 흡수에 의해 온도 Variation이 큼. 3) Hot Plate : Good Temp. 제어 증력, 0.5~1min, 진공 흡착 및 자동 Wafer 처리 장치가 필요함. 4) Microwave oven 방식.
[꼬리 1-4] Mask Align과 Exposure 방식에 대해서 알고 있나요.
반도체 제조 공정에서 얼마나 정확하게 적층구조를 쌓아가는 것이 반도체 경쟁력의 핵심이라고 할 수 있습니다. 따라서 Wafer가 노광장비에 로딩되면 Mask와 Wafer를 정렬하는 작업을 거치며, X,Y offset/X,Y-Scale/Chip Magnification/Wafer Rotation 등 이전 Step과 이후 Step 간에 정렬도를 나타내는 지수로 엄격하게 관리합니다.
노광 방식은 크게 Contact, Proximity, Projection 3가지 방식이 있습니다. Contact 방식은 Mask와 Wafer를 직접 접착시킨 후 노광을 진행합니다. 접착하는 과정에서 Mask가 손상되거나 감광막이 손상될 수 있습니다. (Contact Printing 방식 : Mask 배율 1 : 1, Resolution : 1um). Proximity 방식은 Contact 방식의 문제인 Mask 과 감광막에 Damage를 개선하기 위해 Mask를 Wafer로부터 10-50um 이격시킨 후 노광공정을 진행합니다. 하지만 작은 Gap에도 회절이 일어나게 되면서 Resolution이 저하됩니다. (Proximity Printing 방식 : Mask 배율 1 : 1, Resolution 2-5um). 다음은 Projection 방식입니다. 사실상 반도체 Scaling에 직접적으로 기여했다고 해도 과언이 아닙니다. 현재 반도체 양산 라인에 있는 모든 노광장비는 Projection Printing 방식입니다. 수많은 Lens로 구성된 광학계를 통해 빛을 집광하고 Step & Repeat 방식(Stepper) 혹은 Scan & Repeat (Scanner) 방식으로 패터닝 공정을 진행합니다.
※ Tip : Stepper vs. Scanner 차이
[꼬리 1-5] PEB 공정은 어떤 기능을 수행하는지 알고 있나요.
PEB(Post Exposure Bake) 공정은 노광 이후 진행하는 열처리 공정입니다. PEB 공정은 두 가지의 기능을 수행합니다. 첫 번째는 DUV 노광공정 부터 화학증폭형 CAR Type PR이 사용되면서, PAG(Photo Acid Generator)가 빛을 받으면 Acid(Proton, H+)을 발생시키는데, PEB 단계에서 Acid의 확산이 일어나면서 화학증폭 반응이 일어나게 됩니다.두 번째는 바로 Standing Wave Effect 현상을 개선하기 위함입니다. 노광시 입사광과 반사광 사이에 간섭이 일어나면서 정상파를 형성하고, 빛의 세기의 불균형이 발생하게 됩니다. 빛의 불균형은 PAG에서 Acid 농도의 불균일을 초래하게 되면서 Pattern Edge가 울어버리는 Profile을 가지게 됩니다. PEB 단계에서 열에너지를 인가하면 Acid의 확산이 일어나게 되면서 Profile을 개선할 수 있습니다.
[꼬리 1-6] Develop 공정에 대해서 간략하게 설명해주세요.
Develop 공정은 노광된 PR 부분의 감광막을 제거해주는 공정입니다. 보통 PR이 빛을 받아 Acid가 발생하게 되면 약알카리성의 Develop 용액과 산-염기 반응이 일어나면서 PR이 제거됩니다. Develop 방식은 보통 3가지로 구분됩니다. 첫 번째는 현상액과 세척액에 순차적으로 Wafer를 담그는 방법인 Immersion 방식이 있습니다. Immersion 방식은 보통 Batch type으로 진행되기에 Throughput이 높은 장점이 있습니다. 두 번째는 Sray 방식으로 500-1,000rpm으로 Wafer를 회전 시킨 후, 현상액을 뿌림으로서 PR을 제거하는 방식입니다. 미세 패턴 공정에 용이하며, 오염 감소, 패턴 균일, 약품 사용량이 작다는 장점이 있습니다. 세 번째는 Immersion 방식의 높은 Throughput과 미세패턴 형성의 용이한 Spray 방식 장점을 취한 Spray Puddle 방식이 있습니다.
[꼬리 1-7] Hard Bake 공정에 대해서 설명해주세요.
Hard Bake 공정은 100~150℃ 온도에서 PR 내에 잔여 Solvent를 Dry 시켜 PR을 단단하게 만들어주고, 하부막 간의 접착도를 향상시켜줍니다. 후속공정인 이온주입 혹은 Etching 공정에서 Blocking Mask 역할을 하는 PR의 Robustness를 향상시켜줍니다. Hard Baking이 과하면, Etching 이후 PR 제거의 어려움이 있기 때문에 공정 조건을 최적화 시킬 필요가 있습니다.
[꼬리 1-8] Inspection 단계에 대해서 설명해주세요.
Inspection 은 검사단계로 노광공정을 마친 후 원하는 Pattern이 제대로 형성됐는지 ADI CD, 오염, Missing 등과 같은 패턴 불량을 검사합니다. 또한 Optic에 의한 Auto-metrology를 이용하여 Box-in-Box, Bar-in-Bar 형태의 측정 Target의 Center로부터 X,Y의 Shift 값을 측정하여 상하부막간의 정렬도를 평가합니다.
※ Tip. 노광공정 불량 유형
[질문 2] 포토공정 직무 공정엔지니어는 어떤 업무를 수행하는지 설명해주세요.
포토공정 엔지니어는 포토공정을 수행하면서 다음과 같은 목표를 달성해야 합니다. 첫 번째는 Uniformity 입니다. Wafer 내에 PR의 FEM Margin 평가 및 Chip 내 Pattern Density에 따른 CD 평가를 통해 Wafer 간에 Variation (OWV, On Wafer Variation)과 반도체 Chip 간의 Variation(OCV, On Chip Variation)을 주기적으로 관리 및 평가해야 합니다.두 번째는 Yield Ramp-up 입니다. 제품 Yield 향상을 위해 CD Uniformity를 개선하고 공정 Step 별 Margin Test를 통해 CD 산포를 관리해야 합니다. 공정 진행 간 Particle을 개선하고, Worst 설비를 평가하여 장비 기인 유의차를 감소시켜야 합니다. 그리고 공정 전문역량을 기반으로 Bridge, Short, Open과 같은 패턴 불량 및 Defect을 개선해야 합니다. 세 번째는 바로 생산성 향상입니다. 공정 RCP를 평가하고 안정성을 검증한 후에 Capa 확장을 위해 설비를 확산 전개 하여 양산성을 확보해야합니다.
[질문 3] 포토공정 직무 설비엔지니어는 어떤 업무를 수행하는지 설명해주세요.
포토공정 설비엔지니어는 직무를 수행하면서 다음과 같은 목표를 달성해야 합니다. 첫 번째는 Uniformity 입니다. 설비의 Input Parameter를 관리하고 Lamp 수명, Flow meter, 진공, 이물 등등 주기적으로 설비를 유지보수하여 Wafer 간 / Chip 간 Variation을 최소화하여 공정 Uniformity를 확보해야 합니다.두 번째는 Yield 개선입니다. 설비의 FDC 관리를 진행하고, 설비의 Particle 관리, PM 주기 점검을 통해 CD관리, Particle 오염에 의한 Yield Loss를 개선해야 합니다. 뿐만 아니라 TTTM 활동, Defect 검사를 통해 Pattern 불량을 줄이고, 설비간 유의차를 감소시켜야 합니다. 세 번째는 생산성 향상입니다. 설비엔지니어는 전문 지식을 기반으로 설비 가동률을 향상시켜 생산성 향상에 앞장서야 합니다.
오늘 포스팅 내용은 기본적이면서도 중요한 본질을 다루었다고 생각합니다. 딴사관 여러분 모두 오늘 하루도 고생 많으셨습니다.
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