여러분들 포토공정을 처음부터 끝까지 한 번 훑어보는 교육을 보고 계십니다. 이번에 다룰 내용은 포토공정을 통해 어떻게 패턴 이미지가 웨이퍼 상에 형성이 되는지 물리적인 지식 내용이 포함되어 있어 조금 어려울 수 있습니다. 하지만 집적도가 높아지면서 우리는 Resolution을 점점 더 작게 만드는 방향으로 기술이 개발되고 있습니다. 이런 History를 이해하시려면 이번 포스팅에 내용은 꼭 필요한 내용임을 말씀드립니다.
[질문 1] 포토공정에서 Resolution에 대해서 설명해주실 수 있나요?
반도체 제조 공정에서 집적도 향상은 포토 공정의 가장 핵심 과제입니다. 공정 집적도를 향상시키는 것은 포토공정에서 Resolution을 작게 만든다는 것입니다. 반도체 공정 기술 로드맵을 살펴보면 우리는 더 작은 패턴을 만들기 위해서 436nm의 G-line 부터 I-line (365nm), KrF (248nm), ArF (193nm) 그리고 현재는 13.5nm의 극자외선 EUV 광원까지 점점 더 단파장의 광원을 사용하는 공정을 개발했습니다.
출처 : 인텔
[꼬리 1.1] Resolution을 수식적으로 설명 해주시겠습니까.
Resolution을 정의하는 식은 Rayleigh Equation (레일리 방정식)으로 Resolution은 파장이 짧아질수록, 설비 내 렌즈의 크기를 나타내는 NA값이 커질수록 작아집니다. 즉, 더욱 미세한 패턴을 형성할 수 있음을 의미합니다. 앞서 말씀 드린 것과 같이 파장은 점점 더 짧은 파장의 광원을 사용하는 공정을 개발하고 있습니다. 또한 렌즈가 포착할 수 있는 최대 회절각으로 크면 클수록 이미지 정보를 포함한 회절광들을 모을 수 있기 때문에 NA가 커지면 커질수록 작은 Resolution을 확보할 수 있습니다. k1은 공정난이도를 나타내는 공정상수로 조명계 (Illumination), OAI (Off-axis Illumination Mode), Mask (OPC, PSM), Multi Patterning 등 다양한 방법을 적용하여 Low k1 Tech를 개발하여 Resolution을 작게 하는 기술들이 개발됐습니다.
[꼬리 1.2] 파장이 짧아지면 왜 Resolution이 작아지죠??
포토공정에서 마스크가 담고 있는 회로정보를 웨이퍼로 전달하는 매개체는 빛입니다. 빛은 파동성을 지니기 때문에 특정 패턴을 만났을 때, 빛의 경로가 틀어지거나 퍼지는 특징을 가집니다. 이것이 바로 빛의 회절현상입니다. 빛의 파장이 짧아질수록 빛이 퍼지는 회절 현상이 최소화 됩니다. 빛의 파동성은 회절 외에도 간섭의 특징을 가집니다. 회절된 두 파형이 만나면 서로 간섭을 일으켜 보강간섭, 상쇄간섭에 의해 주기성을 갖는 위상정보를 전달합니다. 이 정보가 바로 설계한 회로 정보라고 할 수 있습니다. 회절이 커질수록 특정 패턴간의 이미지 정보가 담긴 빛이 간섭에 의해 정보가 손실되면서 Resolution이 저하되는 것입니다. 따라서 단파장의 빛을 사용함으로써 이러한 회절현상을 최소화해 더 작은 Resolution을 확보할 수 있습니다.
[꼬리 1.3] 소자 미세화가 되면서 더 작은 Resolution이 요구 되는 것이죠?
이 또한 앞선 질문에 대한 답변과 유사하게 빛의 파동성에 의한 성질 때문입니다. 일반물리학 시간에 Young의 이중 Slit 실험을 보면 특정 파장을 가지는 파동이 Slit을 만나면서 구면파를 만들면서 퍼져나가게 됩니다. 이러한 현상은 파동의 회절 특성 때문입니다. 이때 Slit의 거리가 작아질수록 Slit을 통과한 파동의 회절현상은 더욱 심화됩니다. 마찬가지로 미세화가 되면서 파동성을 가지는 빛이 마스크 패턴을 지나면서 회절이 일어나게 되고 미세화로 인한 마스크 패턴이 미세해질수록 회절현상이 심해지면서 명확한 패턴을 웨이퍼 상에 전달할 수 없게 됩니다.
