[포토공정] 훈련 4 : "Resolution에 대해서 공식으로 설명해보세요"

반도체사관학교 병장 교육생 단계

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Rayleigh 1st criteria 를 설명하지 못 한다면 면접관을 100% 설득시킬 수 없다.

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[질문 1]. 포토공정에서 Resolution 에 대한 공식에 대해서 설명해보시고, Resolution 에 영향을 끼치는 변수에 대해서 설명해주세요.

• Keyword : [Rayleigh 1st criteria, k1, NA, Resolution, EUV, 설비, low k1-technology]

해상도(Resolution)는 유효렌즈 크기 (NA)가 클수록, 규격화된 광원의 파장(λ)이 단파장일수록 해상도는 향상됩니다.
Resolution의 변화를 가장 빠르게 얻을 수 있는 방법은 바로 '단파장'의 광을 사용하는 것입니다. 해상도를 향상시키기 위해 I-line (365 nm), KrF (248 nm), ArF (193 nm), 그리고 EUV (13.4nm) 순으로 포토공정은 단파장의 광원기술을 채택해왔습니다. 그리고 유효렌즈 크기가 클수록 렌즈에 회절광이 최대한 많이 들어올 수 있기 때문에 해상도를 향상시킬 수 있습니다.

[세부설명, 'Rayleigh 1st critera'] : 'Resolution, R = k1 λ / NA'
1. Resolution, R : 해상도는 두 점을 찍었을 때 구분할 수 있는 가장 짧은 거리를 의미함. 작을수록 더 미세하고 복잡한 패턴을 구현할 수 있으므로, Resolution을 작게 만드는 기술들이 개발됨. '해상도가 향상된다고 값도 높아야 한다는 오류를 범하지 말 것!'

[꼬리 1-1]. 그럼 k1은 무엇인가.

단파장일수록, 그리고 유효렌즈크기가 클수록 해상도는 향상됩니다. 하지만 파장과 렌즈의 크기가 결정이 되면, k1 공정상수 값에 따라 resolution이 결정됩니다. 이는 다시 말하면, "어떤 스캐너 설비를 갖고 있느냐에 따라 해상력이 결정된다는 것입니다." 예를 들어, OPC, PSM, ArF-immersion, ARC or BARC, resist reflow, DPT, QPT 등 k1 공정상수를 낮추기 위한 기술 개발이 활발히 연구되고 있습니다.

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[질문 2]. Low k1 techonology에 대해서 아는대로 이야기해보세요.

• Keyword : [OPC, P-SM, ArF-i, ARC or BARC, DPT, QPT]

k1을 낮추는 기술에 대해서 3가지 범주로 나누어 설명드리겠습니다. 첫 번째, 광원입니다. off-axis로 광원을 입사하거나, 마스크를 투과한 빛의 회절과 산란으로 빛의 Uniformity가 떨어지는 것을 개선하기 위해 복잡한 조명계를 사용하여 빛의 모양을 수정해주는 방법입니다. 두 번째, 마스크입니다. 마스크의 edge 부분에서 왜곡이 일어나는 이슈를 개선시키기 위해 가장자리 패턴을 보정해주는 OPC 기술이 있습니다. 그리고 패턴을 투과하는 빛의 경로차를 조정하여 상쇄간섭을 유도시켜 깨끗한 패턴이미지를 얻는 PSM 기술이 있습니다. 세 번째는 Resist에 도달한 빛이 하부 박막에 반사돼서, 불균일한 감광프로파일을 야기하는 이슈를 개선하기 위해, SiON이나 nitride 박막을 코팅함으로써 반사를 억제하는 BARC (Bottom Anti-Reflection Coating)이나 Resist reflow(열처리) 기술이 도입되었습니다.

[세부셜명, 'low k1 technology] : k1의 값이 작을수록 resolution은 향상됩니다. k1의 값을 줄이기 위한 '고난이도 기술'들이 출현했습니다. 다시 말하면, k1의 작을수록 해상도는 향상되지만 그만큼 엔지니어의 관점에서는 점점 더 높은 난이도의 공정이라고 할 수 있습니다. 그래서 EUV 공정이 차세대 노광공정으로 추앙받는 이유는 바로 k1 값이 0.6의 높은 값을 가지는 것입니다. DPT 공정의 k1 값이 0.15-0.20 인 것을 감안하면, EUV 공정은 좀 더 쉬운 공정으로, 미세패턴을 구현할 수 있다는 점입니다.

[꼬리 2-1]. 자네 k1 공정상수를 낮추는 기술이 그게 전부인가 !?

아닙니다. 앞서 말씀드린 내용은 어디까지나 정해진 스펙의 설비에서 k1을 낮추는 기술이었습니다. k1의 이론적인 수치값 (0.25) 한계를 극복하기 위해서 ArF-immersion, DPT (Double Patterning Tech), Qudruple Patterning Tech)와 같은 공정이 출현하였습니다.

[꼬리 2-2]. ArF-immersion 공정에 대해서 간단하게 설명하세요. [공정마진 교육 후 상세히 다루겠습니다.]

ArF는 193 nm의 광원을 사용합니다. 하지만 ArF를 사용한 스캐너 설비에 디자인 룰은 스펙업에 한계에 봉착했습니다. 그래서 렌즈와 웨이퍼 사이에 굴절율이 높은 물을 넣음으로써 해상도를 향상시킬 수 있게 됐습니다. 193 nm의 동일한 광원을 사용하여 134 nm의 단파장을 만들어내는 효과를 얻었습니다. 뿐만 아니라 기존 설비의 공기 매질(n=1)보다 굴절율이 높은 물(n=1.44) 사용했을 때, 수직공정마진의 여유도가 증가하는 장점을 가지고 있습니다.

[세부설명] 'Numerical Aperture, NA'
NA (Numerical Aperture)는 'NA=nsinθ'의 식을 따릅니다. NA는 보통 '렌즈의 크기'를 나타낸다고 했습니다. 정확히 말하자면, 렌즈의 유효한 부분을 재현하는 Aperture의 size를 수치화한 개념으로 '렌즈가 포착할 수 있는 최대 회절각'을 의미합니다. NA가 커질수록 Resolution이 향상되는데 NA는 무한정 커질 수 없습니다. 그것은 바로 'Depth of Focus (DoF)'라는 수직공정마진이 Resolution과 'trade off' 관계에 있기 때문입니다.

DoF에 대해서는 '공정마진' 파트에서 자세히 다루겠습니다. 여기서는 '굴절율이 높은 매질을 사용함으로써, 수직공정마진의 여유도가 증가하면서 NA 값을 더 크게 취할 수 있어 해상도를 향상시킬 수 있다' 정도로만 이해하시면 될 것 같습니다.

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반드시 자신의 언어로 만들어야 합니다.
제 언어력으로 모든 내용을 설득시키지 못 하는 점 양해부탁드리겠습니다.
하지만 이해가 되지 않거나 어려운 부분은
댓글을 통해 꼭 이야기 해주세요.