일반적인 반도체 포토공정은 한 개의 기판(Substrate)에 여러 층을 쌓아 올리는 모놀리식(Monolithic) 방식으로 진행한다. 반면 Multilithic은 여러 개의 기판을 연결해 쌓아 올린 뒤 이어 붙이는 방식으로, TSV(Through Silicon Via)가 대표적인 예다. 일괄 공정이 가능한 모놀리식 방식을 이용할 경우, 증착-포토-식각으로 이어지는 공정 절차가 복잡해진다. 모놀리식 방식을 가능케 한 포토공정은 코팅>감광>현상이 핵심 절차인데, 이러한 절차는 넓은 범위의 증착>포토>식각 공정과 닮았다. 큰 나무의 모습이 작은 나뭇잎 속에 투영돼 있는 것처럼 말이다. 감광은 외부적 형태 변화를 일으키기 위한 준비단계로, 감광이 어떻게 진행됐느냐에 따라 웨이퍼의 성패가 갈리게 된다. 반도체 탐구 영역, 여덟 번째 시험 주제는 ‘포토공정’이다. 반도체 주요 공정 중 하나인 포토공정에 대해 얼마나 알고 있는지 문제를 풀며 확인해 보자.
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▶ 1. ②, ④ 2. ① 3. ② 4. ④
[해설]
1. 광원을 출발한 빛(UV파)은 사방으로 퍼지므로, 이를 수십 개의 렌즈를 통해 모아줄 필요가 있다. 이후 빛은 포토마스크(레티클) 패턴을 통과하는 과정에서 회절 현상에 의해 다시 퍼지게 된다. 이때 빛을 다시 렌즈로 모아준 후, 정밀하게 초점을 맞춰 웨이퍼 위 박막 표면에 이미지를 내려놓는다. 그럼으로써 포토마스크의 미세형상이 웨이퍼 표면에 옮겨진다. 이때 위에 있는 광원, 포토마스크, 렌즈와 맨 아래의 웨이퍼가 정확하게 일치하는 것이 중요한데, 이를 정렬(Alignment)이라고 한다. 포토마스크 정렬은 마스크 회로 패턴과 웨이퍼 표면의 회로 패턴의 위치가 정확하게 일치될 수 있도록 노광장치를 기계적으로 조정하는 것을 의미한다.
2. 웨이퍼의 두께는 물론 박막의 두께, 감광물질의 빛에 대한 민감도, 현상 시 사용하는 화학물질 등 각종 물리적/화학적 인자와 오차들이 해상도와 DoF(Depth of Focus, 초점심도)에 직간접적으로 영향을 끼친다. 이를 공정계수라 하며, 해상도(K1)와 DoF(K2)에 끼치는 영향의 정도 및 인자들이 각각 다르다. 해상도와 DoF는 트레이드오프(Trade Off) 관계라고 볼 수 있다.
3. 투영전사(轉寫) 방식은 마스크의 형상이 대략 4분의 1 정도의 크기로 작아지면서 웨이퍼 표면에 정확하게 안착하도록 50~60여 개의 렌즈(수직렌즈 20여 개, 수평렌즈 40여 개)를 사용해 초점을 맞추는 방식이다. 이 방식은 간격이 커질수록 빛의 회절현상과 초점 불안정 문제가 근접방식보다 더 심해지기 때문에, 포토마스크를 통과한 빛을 여러 렌즈로 모아줘야 한다. 따라서 노광에서는 렌즈의 역할이 매우 중요하다. 렌즈의 성능 중에서도 특히 해상도와 초점-심도라는 초점을 맞추는 물리적 요소가 핵심이다. 대표적인 노광장비로는 스테퍼(Stepper)와 스캐너(Scanner) 타입이 있는데, 150nm 테크놀로지 이하에서는 모두 스캐너를 사용한다.
4. 노광이 완료된 웨이퍼는 노광기에서 트랙장비로 옮겨, 추가 베이크(Bake)를 진행하는데, 이를 PEB(Post Exposure Bake)라 한다. PEB의 목적은 감광액(PR) 속에 있는 PAC를 활성화시켜 감광액의 표면을 평탄하게 만들고, 정재파(Standing wave)를 줄이기 위함이다. 정재파란 노광 시 빛의 간섭(증폭과 감쇄)에 의해 감광 계면에 결이 발생한 것을 의미한다. PEB를 건너뛰고 현상(Develope)을 진행할 경우, 감광막 내의 경계 단면에 발생한 굴곡으로 인해 향후 식각공정에서 정확한 CD로 식각하기가 더욱 어려워진다.