3.3.1 포토리소그래피 (Photolithography)
> 반도체 구조물을 만들기 위해서는 쌓고(Deposition) 깎는(Etching)것을 반복하게 된다.
> 원하는 구조물의 모양을 만들기 위해서는 선택적으로 깎아야 하는데 이 때 사용되는 것이 포토리소그래피다.
> 빛을 이용해서 빛을 받은 부분은 깎이고 안 받은 부분을 깎일 수 있게한다. (반대도 가능)
> 포토리소그래피는 사진 인화하는 방식과 매우 유사하다.
a. HDMS Coating
> 포토리소그래피를 하기 위해서는 먼저 HDMS를 Spit Coater로 균일하게 발라준다.
> Si 웨이퍼를 Spin Coater에 고정시키고 액체를 도포 후 웨이퍼를 Spin을 해주면 웨이퍼 전체적으로 균일한 두께로 액체가 발린다.
> HDMS는 Si의 표면을 소수성으로 만들어줘서 소수성인 포토레지스트와 접착력을 좋아지게 만든다.
b. Spin Coat (PR)
> 포토레지스트는(Photoresist; PR) 폴리머이며 빛에 반응해서 선택적으로 남을 수 있게 하는 물질이다.
> PR은 폴리머, 빛에 반응할 수 있는 감광 물질 그리고 폴리머를 액체화할 수 있는 용매로 구성되어 있다.
> HMDS 코팅 후 동일하게 PR을 Spin Coater로 코팅한다.
c. Soft Bake
> 그 다음 90도 정도에서 Baking을 해줘서 고체 폴리머만 남도록 용매를 날려준다.
d. Exposure
> 그 후 원하는 패턴을 만들어주기 위해 빛을 광 마스크(Photo Mask)를 통해 PR에 쏴준다(노광).
> Photo Mask는 빛이 투과되고 안 되는 영역을 만들어서 우리가 원하는 패턴에만 빛을 쏴주도록 한다.
> 노광 후 빛을 받은 PR 부분은 감광제 물질로 인해 화학작용이 바뀌게 된다.
> PR은 Positive냐 Negative냐에 따라 화학작용이 다르다.
> Positive는 빛을 받은 부분은 날라가고 Negative는 빛을 받은 부분은 남는다.
e. Develop
> (Positive기준으로) 빛을 받은 포토레지스터 부분은 현상액(Developer)을 통해서 씻겨 나가게 된다.
f. Hard Bake
> 현상 후 Bake를 해줘서 남은 용매를 날려주고 PR을 단단하게 한다.
> 우리가 제거하고 싶은 막을 노출된 PR 막 위에 용액(Etchant)나 Dry Etch를 통해 제거해 준다.
g. Strip
> Patterned 된 PR 사이로 충분히 막이 제거가 되었으면 불 필요해진 PR을 제거(Strip)한다.
> Strip은 화하 용액을 이용해서 제거하는 방법이 있고 산소 플라즈마나 UV 오존 시스템을 이용한 물리적으로 Ashing 하는 방법이 있다.
그림 1. Photolithography
3.3.2 습식 리소그래피 (Immersion Lithography)
> 반도체가 점점 미세화됨에 따라 포토리소그래피도의 Resolution이 매우 높아져야 한다.
> Resolution은 Pattern을 얼마나 작게 만들 수 있는 능력이다.
> Resolution은 파장(λ)에 비례하고 개구수(NA : Numerical Aperture)에 반비례 한다.
> 개구수는 쉽게 렌즈의 크기라고 생각하면되고 개구수는 굴절률(n)에 비례한다. (k1은 공정 상수)
> Resolution을 좋게하려면 파장을 작게 하면 되지만, Focus가 안 좋아진다.
> DOF(Depth Of Focus)는 파장에 비례하고 NA^2에 반비례한다. (K2는 공정 상수)
> DOF가 낮아지면 초점 거리가 줄게되고 초점이 안 맞게 되면 노광 시 충분한 빛의 에너지가 전달되지 않게 되어 PR이 노광이 제대로 되지 않는다.
> DOF가 높으면 Focus Margin이 생기는 방향이므로 높을수록 좋다.
> DOF를 손해를 안 보면서 Resolution을 좋게 만드는 방법은 NA를 크게 만드는 방법이다.
> NA는 굴절률에 비례한다.
> 공기 굴절률은 1이고 물은 1.43이다.
> 포토 렌즈와 마스크 사이 물을 채워 넣으면 굴절률이 높아져서 Resolution을 작게 만들 수 있다.
> 이 방식을 습식 리소그래피라고 한다.
3.3.3 전자 리소그래피 (Electron Beam Lithography)
> 전자 현미경이 광학 현미경보다 더 좋은 해상도를 갖고 있듯이
> 포토리소그래피 보다 전자 리소그래피의 해상도가 더 좋다.
> 초점이 맞춰진 전자 레지스트에 전자를 쏴줘서 레지스트가 감광되는 원리이다.
> 전자 빔을 조정하기 위해 마스크는 사용되지 않고 직접 움직이면서 Pattern을 형성한다.
> 일일이 전자를 쏴주어야 하기 때문에 Throughput이 안 좋다.
> 대량 생산에선 부적합하며 공장에선 대부분 포토 리소그래피를 사용한다.
3.3.4 나노임프린트(Nanoimprint)
> 고해상도의 광학과 전자의 리소그래피는 매우 고가이다.
> 저렴한 방법을 고안한 방법이 도장을 만들어서 매번 미세 패턴을 찍어내는 방식이다.
> 전자 리소그래피로 미세 패턴을 도장에 세기고 미세 패턴의 자국(Imprint)을 Si 웨이퍼 위에 압착 시킨다.
> 압착 되면서 웨이퍼 표면 위에 미세 패턴이 코팅이 되며 반복적으로 사용될 수 있다.
3.3.1 Photolithography
> To create semiconductor structures, deposition and etching processes are repeated.
> To create the desired structure shape, selective etching is necessary, and photolithography is used for this purpose.
> Photolithography utilizes light to selectively etch the exposed or unexposed areas of the material (the opposite is also possible).
> Photolithography is quite similar to developing photographs.
a. HDMS Coating
> For photolithography, HDMS is first evenly applied using a spit coater.
> The Si wafer is fixed onto a spin coater, and liquid is dispensed over it.
> Spinning results in an even liquid layer covering the entire wafer.
> HDMS renders the Si surface hydrophobic, improving adhesion with the hydrophobic photoresist.
b. Spin Coat (PR)
> Photoresist (PR) is a polymer that reacts to light, allowing selective retention.
> PR consists of a polymer, photosensitive substance for reacting to light, and a solvent to liquefy the polymer.
> After HDMS coating, PR is also applied using a spin coater.
c. Soft Bake
> Baking at around 90 degrees is done to evaporate the solvent, leaving only solid polymer.
d. Exposure
> Light is directed onto the PR through a photo mask to create the desired pattern (photolithography).
> The photo mask creates areas that allow or block light transmission, illuminating only the desired pattern.
> Exposed PR undergoes a chemical change due to the photosensitive material.
> The chemical reaction varies depending on whether it's positive or negative PR.
> In positive PR, the exposed part is dissolved; in negative PR, the exposed part remains.
e. Develop
> In the case of positive PR, the exposed resist is removed using a developer solution.
f. Hard Bake
> After development, baking is done to evaporate the remaining solvent and harden the PR.
> Unwanted material can be removed by exposing the exposed PR layer to an etchant or performing dry etching.
g. Strip
> If the material between the patterned PR is sufficiently removed, unnecessary PR is stripped.
> Stripping can be done using a chemical solution or physically by using oxygen plasma or UV ozone systems.
Figure 1. Photolithography
3.3.2 Immersion Lithography
> As semiconductors become more miniaturized, photolithography must achieve higher resolution.
> Resolution refers to the ability to create smaller patterns.
> Resolution is proportional to wavelength (λ) and inversely proportional to Numerical Aperture (NA).
> NA is analogous to the lens size and is proportional to the refractive index (n) (k1 is the process constant).
> To improve resolution, one could use a shorter wavelength, but this compromises focus.
> Depth of Focus (DOF) is proportional to wavelength and inversely proportional to NA^2 (K2 is the process constant).
> Lower DOF reduces focus distance, risking misalignment during exposure.
> Higher DOF provides a focus margin. T
> To maintain DOF without sacrificing resolution, increase NA.
> NA is proportional to refractive index.
> The refractive index of air is 1, and water is 1.43.
> Filling the space between the photomask and the wafer with water increases refractive index, thus reducing resolution.
> This is immersion lithography.
3.3.3 Electron Beam Lithography
> Similar to how electron microscopes offer better resolution than optical microscopes,
> electron beam lithography achieves superior resolution compared to photolithography.
> Electrons are directed at a focused resist, causing it to react photosensitively.
> Unlike photolithography, no mask is used; instead, electrons directly form the pattern by their movement.
> Since each electron must be targeted individually, throughput is low.
> For mass production, photolithography is more suitable, while research and development might employ electron beam lithography.
3.3.4 Nanoimprint
> Optical and electron lithography are costly for high-resolution applications.
> Nanoimprint uses a stamp to replicate patterns inexpensively.
> The stamp is created using electron lithography and imprinted onto a wafer's surface, leaving the pattern on it.
> This process can be repeated and is cost-effective for mass production.
Reference
-. Chenming Calvin Hu, Modern Semiconductor Devices for Integrated Circuits, PEARSON(2013)
