1. 포토리소그래피 공정

포토리소그래피 장비는 반도체 산업의 핵심 장비로, 주로 칩 상에 미세 구조를 제작하는 데 사용됩니다. 이 장비는 포토마스크에 새겨진 패턴을 실리콘 웨이퍼에 투영하고, 웨이퍼 표면에 자외선을 조사하여 미세 구조를 형성합니다.^[1].

리소그래피 장비는 광학 시스템, 기계 시스템, 제어 시스템의 세 가지 주요 모듈로 구성됩니다. 광학 시스템은 노광 광원, 렌즈, 반사경 및 기타 광학 부품을 갖추고 포토마스크에 있는 미세 패턴을 실리콘 웨이퍼 표면에 투영합니다. 기계 시스템은 공작물 스테이지, 모션 제어 시스템, 자동 정렬 시스템 등을 포함하여 실리콘 웨이퍼의 위치와 이동 궤적을 정밀하게 조정합니다. 제어 시스템은 컴퓨터와 제어 소프트웨어로 구성되어 장비 전체의 작동 상태와 노광 공정을 통합적으로 관리합니다. 이 세 가지 모듈 중 광학 시스템은 리소그래피 장비의 핵심 구성 요소입니다. 또한, 노광과 현상은 전체 리소그래피 공정에서 가장 중요한 두 가지 단계입니다.

노광은 광학 시스템을 통해 포토마스크 패턴을 실리콘 웨이퍼에 투영하는 과정을 말합니다. 포토레지스트는 포지티브 타입과 네거티브 타입으로 나뉘는데, 왼쪽은 네거티브 포토레지스트의 개략도이고, 오른쪽은 포지티브 포토레지스트의 개략도입니다.^[1]양성 포토레지스트는 자외선 조사 시 광화학 반응을 일으켜 노출된 영역이 현상액에 의해 용해될 수 있으며, 최종적으로 남는 패턴은 포토마스크의 차광 영역에 해당합니다. 음성 포토레지스트는 자외선 조사 시 가교 반응을 일으켜 노출된 영역이 현상액에 의해 용해되지 않으며, 남는 패턴은 포토마스크의 투명 영역에 해당합니다.

현상은 현상액을 사용하여 포토레지스트를 선택적으로 용해시켜 포토레지스트 필름 상에 목표 패턴을 형성하는 공정입니다. 현상액은 노출된 포토레지스트 표면에 도포되어 포토레지스트의 감광 특성에 따라 해당 영역을 선택적으로 용해시킵니다. 세척 및 건조 과정을 거치면 포토마스크에 맞춰 패턴이 형성된 포토레지스트가 생성됩니다. 후속 에칭 공정에서 포토레지스트는 에칭 장벽 역할을 하여 포토레지스트 보호층이 제거된 기판 필름을 에칭하고, 최종적으로 웨이퍼 표면에 패턴을 전사합니다.

2. 포토레지스트 코팅 방법 및 그로 인한 결함

양성 및 음성 포토레지스트는 리소그래피에서 대체 불가능한 역할을 하므로 포토레지스트 코팅에는 매우 높은 기준이 요구됩니다.

포토레지스트 코팅 방법에는 수동 코팅, 스핀 코팅, 스프레이 코팅, 롤 코팅의 네 가지가 있습니다. 현재 스핀 코팅이 가장 널리 사용되는 코팅 방법인데, 그 주된 이유는 다음과 같은 장점 때문입니다.

1. 코팅 균일성이 우수하며, 액체가 실험 기판의 모세관 기공에 자동으로 침투할 수 있습니다.

2. 코팅 시간이 짧아 시료를 신속하게 대량 준비할 수 있습니다.

3. 얇은 판재에 단층 코팅을 형성할 수 있습니다.

포토레지스트 스핀 코팅은 패턴 노광 전 핵심 전처리 공정입니다. 스핀 코팅된 필름의 균일성은 후속 노광 공정의 실행 효과를 직접적으로 좌우하며, 최종 리소그래피 패턴의 성형 품질에 영향을 미치는 핵심 요소입니다. 표준 스핀 코팅 필름 형성 공정은 세 단계로 구성됩니다. 첫째, 코팅 노즐을 통해 웨이퍼 중앙에 포토레지스트가 정량적으로 분사됩니다. 둘째, 웨이퍼가 고속으로 회전하면서 원심력에 의해 중앙의 포토레지스트가 웨이퍼 가장자리로 퍼져나가 가장자리에 포토레지스트가 볼록하게 솟아오릅니다. 스핀 속도를 높이면 포토레지스트 필름의 두께를 줄일 수 있습니다. 마지막으로, 웨이퍼가 고속으로 계속 회전하면서 필름 내부의 용매가 지속적으로 증발하여 웨이퍼 표면에 균일하고 안정적인 포토레지스트 필름이 형성됩니다.

일반적인 스핀 코팅 공정에서, 웨이퍼 반경을 따라 포토레지스트 두께는 전형적인 '그릇 모양' 분포를 나타냅니다. 웨이퍼 중심부의 필름은 약간 더 두꺼운 반면, 웨이퍼 중앙 부분의 필름은 비교적 균일합니다. 원심력과 표면 장력의 영향으로 웨이퍼 가장자리에는 포토레지스트가 불룩하게 뭉쳐진 부분(에지 비드)이 뚜렷하게 형성되며, 가장자리 필름 두께는 표준 필름 두께보다 훨씬 두껍습니다. 이러한 반경 방향 필름 두께 변동은 후속 리소그래피 노광의 초점 정확도를 직접적으로 저해하고 리소그래피 공정의 안정성에 영향을 미칩니다. 웨이퍼 중심부의 두께 증가는 미미하여 노광 이미지에 거의 부정적인 영향을 미치지 않습니다. 그러나 웨이퍼 가장자리에서의 포토레지스트 축적 문제는 심각하며, 두께가 표준 공정 필름의 수 배에 달합니다. 가장자리에 과도하게 잔류하는 포토레지스트는 웨이퍼 뒷면으로 쉽게 확산되어 웨이퍼를 오염시키고 전체 웨이퍼 공정에 영향을 미칩니다(아래 그림 참조).

웨이퍼 가장자리와 뒷면에 과도하게 형성된 포토레지스트는 코팅 및 현상 장비를 손상시킬 뿐만 아니라 노광 장비에도 영향을 미치고, 심지어 리소그래피 영역 외부의 장비까지 오염시킬 수 있습니다. 이러한 심각한 영향을 방지하기 위해, 리소그래피 공정을 완료하고 생산 장비를 보호하기 위해서는 웨이퍼 가장자리의 과도한 포토레지스트를 제거하는 특수 에지 비드 제거(EBR) 공정이 필요합니다. EBR 공정은 웨이퍼 상의 포토레지스트가 안정적인 막으로 경화된 후에 수행할 수 있습니다.

3. 포토레지스트 엣지 복원

업계에서는 포토레지스트 에지 복구를 위해 두 가지 일반적인 EBR 솔루션을 채택하고 있으며, 각각 장단점이 있습니다.

3.1 화학적 EBR

코팅 및 소프트 베이킹 후, Chemical EBR은 웨이퍼의 전면, 모서리 및 후면 가장자리 영역에 에지 제거 용제(PGMEA 또는 EGMEA)를 분사합니다. 용제가 포토레지스트의 유효 패턴 영역으로 침투하는 것을 방지하기 위해 작업 중 용제 도포 범위를 엄격하게 제어해야 합니다.^[2]이 방법은 용매를 이용하여 에지 필름을 용해시킵니다. 에지 포토레지스트를 제거하는 것 외에도 잔류 반사 방지 코팅 잔여물을 동시에 제거하고, 웨이퍼 전면, 모서리 및 후면에 축적된 포토레지스트를 처리할 수 있으며, 감광도와 관계없이 모든 종류의 포토레지스트와 호환됩니다. 그러나 유체 흐름으로 인해 에지 제거 프로파일이 고르지 않게 되고, 용매가 내부로 침투하여 유효한 패턴을 손상시킬 위험이 있습니다. 용해된 포토레지스트 잔여물은 입자 오염을 쉽게 유발합니다. 또한 고순도 유기 용매를 지속적으로 사용하기 때문에 소모품 및 폐액 처리 비용이 상대적으로 높습니다.

3.2 광학 EBR(웨이퍼 에지 노광, WEE)

광학 EBR(웨이퍼 에지 노광), 또는 WEE(웨이퍼 에지 노광)는 코팅 및 소프트 베이킹 후 메인 패턴 노광 전에 또는 메인 패턴 노광 후에 적용됩니다. 레이저가 웨이퍼 에지 영역에 조사되어 조사된 포토레지스트에서 광화학 반응을 일으키고, 이 반응은 후속 현상 공정에서 노광된 패턴과 동시에 용해됩니다.^[3]광학 EBR은 화학 용매를 필요로 하지 않고, 웨이퍼 표면의 높은 청정도를 유지하며, 균일한 노광 경계를 형성하고, 손상되지 않은 포토레지스트에 대한 액상 침식 위험을 제거하며, 단일 웨이퍼 처리 소모품 비용을 절감합니다. 하지만 광학 EBR의 한계는 감광성 포토레지스트만 처리할 수 있고 비감광성 반사 방지 코팅은 제거할 수 없다는 점입니다.^[4].

4. 광학 웨이퍼 에지 노광 공정

광학 EBR 공정의 안정성은 레이저 시스템에 엄격한 요구 사항을 제시하며, 광원 파장 선택이 매우 중요합니다. 주류 i-라인(365nm) 리소그래피 공정에서는 일반적으로 355nm 자외선 레이저가 사용됩니다. 이 파장은 상용 i-라인 포토레지스트의 광 흡수 특성과 잘 맞아떨어지며, 목표 광화학 반응을 안정적으로 유도할 수 있습니다. 또한, 355nm 레이저는 산업화가 잘 되어 있고, 출력 안정성이 높으며, 광학 부품의 광노화가 적고, 박막 광분해 및 산란광으로 인한 다양한 결함을 줄일 수 있습니다. 266nm 심자외선 레이저는 KrF(248nm) 포토레지스트 시스템에만 사용 가능하며, 표준 g/i-라인 공정에는 사용되지 않습니다. i-라인 포토레지스트와 직접 매칭할 경우 표면층의 과노출과 하부층의 감광성 부족으로 잔류 포토레지스트가 남게 됩니다. 게다가, 이 파장의 레이저는 주파수 배가 변환 효율이 낮고, 광학 부품의 수명이 제한적이며, 전체 공정 윈도우가 좁다는 단점이 있습니다.

광학 EBR의 광원 요구 사항을 충족하기 위해, 리얼라이트 독자적으로 개발했습니다 MCC 시리즈 마이크로칩 레이저그 MCC RealSubns® 마이크로칩 레이저 이상적인 초협대역 펄스 폭과 높은 단일 펄스 에너지를 특징으로 합니다. 수동형 Q 스위칭 다이오드 펌핑 고체 레이저로서, 잔여 펄스가 없는 깨끗한 펄스 파형, 안정적인 단일 펄스 에너지 및 탁월한 빔 품질을 제공합니다. 개략도 및 실제 사진은 아래에 나와 있습니다.

이 레이저는 독자적인 설계에 따라 Nd:YAG 및 Cr:YAG 결정이 접합된 수동형 Q 스위칭 방식을 채택하고 있습니다. 마이크로칩 레이저 기술적 경로 리얼라이트당사는 관련 공정에 대한 심도 있는 기술 축적을 통해 긴 수명, 높은 안정성 및 광범위한 온도 범위에서의 작동을 가능하게 합니다. 레이저 내부에는 열전 냉각기가 내장되어 있어 일정한 내부 작동 온도를 유지하며 고온 및 저온 환경에 모두 적응할 수 있습니다.

그만큼 MCC 시리즈 1064nm, 532nm, 355nm, 266nm, 213nm의 다섯 가지 파장을 포함합니다. 마이크로칩 레이저 ~에서 리얼라이트 내부 및 외부 트리거링을 지원합니다. 외부 트리거 모드 기반의 동기 제어는 웨이퍼 회전 및 위치 지정 시스템과의 연동을 용이하게 합니다. 355nm 및 266nm 레이저는 1kHz, 5kHz, 10kHz 및 20kHz의 반복률을 지원하며, 최대 단일 펄스 에너지는 20μJ, 펄스 폭은 650ps입니다. 기술 매개변수 표는 다음과 같습니다. 마이크로칩 레이저 아래 그림과 같습니다. 한편, 당사는 포토레지스트 복구 용도에 적합한 맞춤형 고반복률 355nm 및 266nm 레이저를 제공하며, 반복률은 최대 20kHz 또는 30kHz입니다.

반도체 공정 노드의 지속적인 발전과 함께 웨이퍼 포토레지스트 에지 수리(EBR)에 대한 시장 수요가 꾸준히 증가하고 있습니다. 높은 신뢰성, 소형 크기 및 저렴한 비용을 특징으로 하는 EBR은 리얼라이트당사의 제품은 웨이퍼 에지 노광(WEE) 기술의 지속적인 발전을 이끌어갈 것입니다. 광학 EBR 기술은 화학 용제로 인한 오염 및 소모품 부담을 완화하고, 웨이퍼 에지에서의 공정 결함을 최적화하며, 리소그래피 공정의 품질을 향상시키고 비용을 절감할 것으로 기대됩니다. 앞으로의 발전을 기대합니다.

리얼라이트 당사는 반도체 레이저의 연구 개발, 생산 및 판매에 주력하는 첨단 기술 기업입니다. 마이크로칩 레이저에르븀 유리 레이저, 고출력 고체 레이저 및 관련 광학 부품을 제조합니다. 독자적인 혁신을 바탕으로 레이더 거리 측정, 분석 기기, 생물 의학, 과학 연구 및 레이저 가공 분야에 고성능, 고신뢰성, 맞춤형 레이저 광원 및 시스템 솔루션을 제공하며, 원스톱 OEM/ODM 맞춤 제작 및 개발 서비스를 지원합니다.

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참고 자료

[1] icguide. 석판 인쇄기 작동 원리에 대한 단계별 가이드 [EB/OL]. 2024-04-12.

[2] Laura Peters. 하드 마스크에 대한 에지 처리가 중요합니다[J]. 집적 회로 응용, 2007(10):29.

[3] 반도체 포토리소그래피 공정의 상세 설명. 전자팬. 2025-11-10.

[4] Wei Yiyi. VLSI를 위한 고급 리소그래피 이론 및 응용. 베이징: 과학출판사, 2016:35-36, 39-40.