Photolithography - Photo: light, Litho: stone, Graphy: writing Image Transferring - Steps of Photolithography Process

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본임 양
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1 제 9 장 Lithography I 1. Introduction Optical Lithography 기술의발달과정 Year of 1st DRAM Shipment DRAM Bits/Chip 256M 1G 4G 1G 64G 256G Minimum Feature Size nm Isolated Lines (MPU) Dense Lines (DRAM) Contacts ΔL: 3σ (nm) Overlay: 3σ (nm) DRAM 칩크기 (mm 2 ) MPU 칩크기 (mm 2 ) Field Size (mm) 22x22 25x32 25x36 25x40 25x44 25x52 248nm Exposure Technology 248nm 248nm or 193nm 193nm 193nm DUV DUV 193nm DUV DUV DUV DUV Minimum Mask Count 22 22/ /26 26/28 28

2 Photolithography - Photo: light, Litho: stone, Graphy: writing Image Transferring - Steps of Photolithography Process

3 Typical Processes following lithography process Key Topics - Minimum Feature Resolution - Depth of Focus - Overlay Errors - Photoresist Response - E-beam and EUV lithography

4 2. Photoresist Mechanism (1) 기본적인 PR 의전문용어 Mask or Reticle, Developer, Photoresist (PR) (2) PR의구성성분 1 Resin ( 고분자수지 ): Novolac - 결합체 (matrix) - 빛과반응하지않음 - PR의접착력및에칭저항력향상 - 현상액에의해잘용해됨 2 3 PAC or PAG (Photoactive compound or Photo Acid generator) - Diazonaphthaquinones - 빛과반응하는물질 - 빛이쪼여지면 carboxylic acid 로분해되어더이상수지를현상액으로부터보호하지못함 용매 (Solvent) - n-butyl acetate + xylene + cellosolve acetate 로구성 - PR 을액화시키는역할함 4 Additives PR 의기본기능 - precise pattern formation - protection of the substrate during etch

5 (3) PR 의특성 Contrast - 노광부와비노광부의용해성의차이를말한다. 이차이가크면클수록패턴모양이우수하고공정마진도크다. resist contrast (γ) = log = 5 10 * : sensitivity

6 Sensitivity ( 감도 ) - photoresist 가빛에대해반응하는민감도를의미한다. - 감도가작으면분해를위해많은빛이요구되며, 따라서 photospeed 가느려진다. 반면에크게되면 speed 는빨라지나빛의산란, 회절, 반사등의영향을많이받아패턴모양이나빠지며, 노광기의초점거리에의한패턴의변화가심한단점이있다. Photospeed - 현상속도를말한다. 생산성에영향을주는인자이다. 너무빠르면공정마진이줄고 CD 바이어스가크게나옴으로공정자체가불안해진다. * CD 바이어스 = DICD - CD Spec. Resolution ( 해상력 ): PR 간의수준차를보여줌 Thermal Stability - Photo 공정의최종단계에서 hard bake 해준다. 이는 PR 을고온에서가열하여 resin 간의 cross-link( 가교결합 ) 을증가시켜내화학성, 내열성을향상시킨다. 이때 PR 의열적성질이약하면 PR 이녹아흘러공정이망가진다. 따라서 PR 자체의열적특성이좋아야한다. Adhesion ( 접착력 ) - PR 은다양한종류의막에대한접착력이좋아야한다. 접착력은 resin 의분자량이클수록좋아진다. Etching resistance - PR 이강한 etching 조건을잘견디어주어야원하는 etching 패턴을얻을수있다. 이 Etching resistance 는 PR 의열적성질, 접착력, 공정조건에따라좌우된다.

7 (4) Two Types of Resist 1 Negative PR: 노광된영역에서 PR 이남음 2 Positive PR: 노광된영역에서 PR 이제거됨

8 두가지타입 PR의특성비교 현재거의모든공정에서 positive PR이사용되고있음 Positive PR의해상력이 negative PR보다월등히높음 PR은끊임없이변함 : 노광빛의파장에맞추기위하여 Negative PR은단지특수한공정에서만사용되고있음

10 두가지 (Clear vs. Dark) Mask Types

11 (5) PR Processing

12 1 Substrate cleaning 2 Dehydration bake ( 웨이퍼표면습기제거 ) PR 의접착력증가를위해 400 에서 oven bake 3 Priming ( 웨이퍼표면에접착제도포 ) bake 끝나자마자 HMDS 를웨이퍼표면에 spinning 또는 vapor priming 으로 coating * HMDS: hexamethyldisiliazane 4 PR Spin Coating rpm에서 20-30초동안 spinning PR 두께는 spin speed 와 PR 의점성도에의해결정 점성도가온도에민감하므로온도를 ±1 로제어 Spin 동안솔벤트의증발로인하여웨이퍼의온도가하강하고따라서웨이퍼가습기흡수, 이를방지하기위해습도를 50% RH 이하로유지 두께균일도 : ±100A 이내 5 Soft-bake (prebake) PR의솔벤트제거 (20-30% -> 4-7%), 접착력증가및 spin 동안형성된 stress 제거목적 에서 bake Oven type: convection, infrared(ir), hot plate 등 6 Exposure ( 노광 ) 적게하면 scumming, 많이하면 notching 과 pin hole 발생

13 7 Post-Exposure Bake (PEB): optional 정상파효과감소위해사용 Flood exposure, Flood Treatment exposure, reactive gas treatment, vacuum treatment 등이있음 8 Development ( 현상 ) 자외선에너지를흡수하여화학변화를한 PR 을화학적으로에칭 보통, PAC 의광화학반응으로 PR 내에형성된 carboxylic acid 를유지암모늄수용액으로제거 현상결과는노광시간, prebake 온도, 현상액농도, 현상온도 ( 보통 23±0.5 ), 현상시간, agitation 방법등에의해결정 9 Post-bake (hard bake) PR 또는에칭면에잔류한현상액, rinse 액, 세정액등을휘발 제거하여 PR의내식각성 / 접착성을증가시킴 고온일수록효과가크기때문에 PR 이경화하여 flow 하는순간의온도 ( 에서실시 최대온도는 PR 의경사가최소 80 이상이되도록결정 다음공정이과도한에칭공정이기때문에 PR 의내식각성을크게증가시킬필요가있을경우에는 Deep UV Hardening 을실시 Deep UV hardening: deep UV 를쪼여주면서고온에서 ( 보통 까지온도 ramp) 약 60 초동안 bake

14 (6) 패턴크기의불안정의주원인 PR의두께차 tan 빛의산란과반사

15 Swing ratio: R 1 : reflectivity at resist/ air interface R 2 : reflectivity at resist/ substrate interface α: absorption coefficient D: resist thickness 해결책 1 R 1 2 R 2 3 α 4 Δφ ===> TAR (top anti reflector) ===> ARC (anti reflection coating) ===> dyed resist ===> broad band exposure Anti-reflection Coating (ARC) - optimization of ARC optical parameters - highly absorbing (70-85% of radiation penetrating resist)

16 정상파효과 (standing wave effect) 노광시입사광과반사광이서로결합하여정상파를형성함으로말미암아감광막의두께에따라노광하는빛의세기에불균일발생 해결책 : ARC/ TAR, Dyed resist, MLR, Over exposure, PEB

(7) Multilayer Resist (MLR) Processes Substrate에서의 step의높이가선폭보다큰경우에는 step의 top 부근의 resist가 step의 bottom 부근의 resist 보다심각하게얇아 resist의선폭의크기차이및 focusing의문제를야기 => MLR 공정사용 MLR 공정과정 1 step 높이보다두껍게 organic

17 (7) Multilayer Resist (MLR) Processes Substrate에서의 step의높이가선폭보다큰경우에는 step의 top 부근의 resist가 step의 bottom 부근의 resist 보다심각하게얇아 resist의선폭의크기차이및 focusing의문제를야기 => MLR 공정사용 MLR 공정과정 1 step 높이보다두껍게 organic layer 증착 2 pre-baking 3 thin imaging layer 증착 4 imaging layer에 pattern 형성 5 imaging layer의 pattern을두꺼운 bottom layer에전달. 이때, imaging layer는 blanket exposure or etching mask로사용 Example: Organic Tri-layer Processes

18 (8) Image Reversal 공정 1 positive PR을 manazoline으로 doping 2 initial exposure: mask 를사용하여노광 : 빛이통과한영역에서는 manazoline 이 PAC 과반응하여현상액에녹지않는 indene 을형성함 3 flood exposure 4 현상 : indene 이형성되지않은영역만제거됨

19 (9) 차세대 Lithography 를위한 PR 개발 Optical 노광장치의발전동향 1 Hg-Xe lamp Lithography (Xe: Xenon) - g-line (436 nm) - h-line (405 nm) - I-line (365 nm) 2 DUV (Deep Ultra-Violet) Lithography - KrF excimer laser (248 nm): 해상력 = 0.18μm - ArF excimer laser (193 nm): 해상력 = 0.10μm - F 2 excimer laser (157 nm): 해상력 = 0.07μm 3 EUV (extreme Ultra-Violet) Lithography - Discharge-produced Sn Plasma: 13.5 nm - Laser-produced Xe Plasma: 11.4 or 13.5 nm

20 DUV Lithography 용 PR 개발 원자외선노광 (deep UV lithography: 248nm and 193nm) 에서, 기존의감광제들은높은양의원자외선노광을요구하는데, 이때렌즈손상과낮은 throughput 이발생 화학적증폭감광제 (CAR: chemical amplified resist) 개발 화학적증폭감광제는, 1 포토 - 산생성자 (PAG: photo-acid generator) 2 고분자수지 (polymer resin) 3 용매 (solvent) 로구성 - 원자외선조사에매우민감하다. - 현상액에서노광된영역의용해도 >> 노광않된영역의용해도

21 Year of 1st DRAM Shipment DRAM Bits/Chip 256M 1G 4G 1G 64G 256G Minimum Feature Size nm Isolated Lines (MPU) Dense Lines (DRAM) Contacts ΔL: 3σ (nm) Overlay: 3σ (nm) DRAM 칩크기 (mm 2 ) MPU 칩크기 (mm 2 ) Field Size (mm) 22x22 25x32 25x36 25x40 25x44 25x52 Exposure Technology 248nm DUV 248nm DUV 248nm or 193nm 193nm DUV 193nm DUV 193nm DUV DUV Minimum Mask Count 22 22/ /26 26/28 28

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<4D F736F F F696E74202D20352E20C7D1BFEBB1D420B0F8C1A4B1E2C3CAB1B3C0B B3E22031BFF929> Plasma Display Panel 의공정기술 한용규 dbgmaco79@gmail.com Charged Particle Beam & Plasma Lab. / PDP Research Center Department of Electrophysics, Kwangwoon University, Seoul, Korea Contents 1. 개요 2. PDP의구조 3.