Photolithography Lab. for Micro Electro Mechanical Systems, Dept. of Mechanical Engineering

Photolithography Clean wafer Deposit barrier layer SiO2, Si3N4, metal Coat with photoresist Soft bake Align masks Lab. for Micro Electro Mechanical Systems, Dept. of Mechanical Engineering

Expose pattern Develop photoresist Hard bake Etch windows in barrier layer Remove photoresist Lab. for Micro Electro Mechanical Systems, Dept. of Mechanical Engineering

Photolithography Si wafer cleaning procedure Solvent removal Removal of residual organic/ionic contamination Hydrous oxide removal Heavy metal clean Class#: Number of 0.5µm particles per ft3 Lab. for Micro Electro Mechanical Systems, Dept. of Mechanical Engineering

Photolithography Barrier layer formation The most common material:SiO2 Si3N4, polysilicon, photoresist and metals are used at different points in a process flow Thermal oxidation, CVD, sputtering and vacuum evaporation Lab. for Micro Electro Mechanical Systems, Dept. of Mechanical Engineering

Processing Equipments Metal Evaporator Lab. for Micro Electro Mechanical Systems, Dept. of Mechanical Engineering

Photolithography Photoresist application Surface must be clean and dry for adhesion A liquid adhesion promoter is often applied To make 2.5 to 0.5 µm thick layer, 1000 to 5000 rpm for 30 to 60 sec The actual thickness  viscosity  1/(spinning speed)0.5 Lab. for Micro Electro Mechanical Systems, Dept. of Mechanical Engineering

Photolithography Soft baking (Pre-baking) Hard baking To improve adhesion & remove solvent from PR 10 to 30min. in an oven at 80 to 90 ºC Manufacturer’s data sheets Hard baking To harden the PR and improve adhesion to the substrate 20 to 30 min. at 120 to 180 ºC Lab. for Micro Electro Mechanical Systems, Dept. of Mechanical Engineering

Photolithography Mask alignment Square glass plate with a patterned emulsion or metal film is placed 25 to 125µm over the wafer With manual alignment, the wafer is held on a vacuum chuck and carefully moved into position Computer-controlled alignment equipment achieves high precision alignment Alignment marks are introduced to align each new mask level to one of the previous levels Lab. for Micro Electro Mechanical Systems, Dept. of Mechanical Engineering

Various printing techniques Ultraviolet light source Lens Mask SiO2 Photoresist Wafer Space Lens I Lens II (b) (a) (a) Contact printing (b) Proximity printing (c) Projection printing (c) Lab. for Micro Electro Mechanical Systems, Dept. of Mechanical Engineering

Processing Equipments Wafer aligner and exposure tool Lab. for Micro Electro Mechanical Systems, Dept. of Mechanical Engineering

Photolithography PR exposure and development The photoresist is exposed through the mask with a proper light The photoresist is developed with a developer supplied by the manufacturer A positive resist and a negative resist The positive resist yields better process control in small-geometry structures Lab. for Micro Electro Mechanical Systems, Dept. of Mechanical Engineering

Photolithography Etching techniques Wet chemical etching Dry etching Plasma, sputter, RIE, CAIBE, ECR Photoresist removal Liquid resist strippers cause the resist to swell and lose adhesion to the substrate Resist ashing: oxidizing(burning) it in an oxygen plasma system Lab. for Micro Electro Mechanical Systems, Dept. of Mechanical Engineering

Processing Equipments Plasma etcher Lab. for Micro Electro Mechanical Systems, Dept. of Mechanical Engineering

Outline Introduction Photoresist Fabrications Exposure Baking Development Mask Lab. for Micro Electro Mechanical Systems, Dept. of Mechanical Engineering

Introduction What is Photolithography? 마스크상에 설계된 패턴을 공정제어 규격 하에 웨이퍼 상에 구현하는 기술 패턴이 형성된 마스크를 이용하여 특정한 파장을 갖는 빛을 통하여 광 감응제가 도포되어 있는 웨이퍼 상에 노광시킴 특정한 파장에 의해 광화학 반응 유도 이후 현상공정을 통해 화학반응에 의해 패턴 형성 형성된 감광막 패턴은 후속공정인 식각 혹은 이온 주입시 barrier 역할을 하게 된다. Lab. for Micro Electro Mechanical Systems, Dept. of Mechanical Engineering

Fabrication Procedure Wafer Inspection 육안 검사, 웨이퍼 상태 점검 Wafer Cleaning 웨이퍼 세척 및 Rinse Spin Coating Photoresist 도포 Soft Baking UV Exposure 마스크를 이용한 노광 Hard Baking Developing 현상을 통한 필요없는 Photoresist 영역 제거 Etching Photoresist removal Lab. for Micro Electro Mechanical Systems, Dept. of Mechanical Engineering

Photoresist (PR) Photoresist 구성 용제(Solvent) 다중체(Polymer) 감광제가 기판에 도포되어 사용될 때까지 액상 유지 다중체(Polymer) 결합체로 사용되어 막의 기계적 성질(두께, 유동성, 접착도, 열에 의한 유동)을 결정 감응제(Photoactive agent) 빛을 받아 광화학 반응을 일으켜서 Pattern 형성에 기여 Lab. for Micro Electro Mechanical Systems, Dept. of Mechanical Engineering

Photoresist (PR) Photoresist의 종류 Component Light Source 광반응 구조별 Pattern polarity Positive type : 노광 영역 현상  미노광 영역의 패턴 남음 Negative type: 미노광 영역 현상  노광 영역 패턴 남음 Component 1 Component : 한 성분이 감광과 Mask 작용 2 Component : 감광작용의 Sensitizer (PAC) + Image 작용의 Polymer (Resin) 3 Component : 강산발생의 PAC + Polymer + 촉매 Light Source UV Photoresist : 일반적으로 많이 사용 Deep UV Photoresist : SU-8 등 X-ray Photoresist : PMMA (LIGA 공정) E-Beam Photoresist : Cr Mask 제작시  fine pattern (submicron 공정) 광반응 구조별 용해 억제형 : Resin + PAC 구조 . g/I line용 화학 증폭형 : Resin + PAC + Crosslink, Deep-UV용 Lab. for Micro Electro Mechanical Systems, Dept. of Mechanical Engineering

Lab. for Micro Electro Mechanical Systems, Dept Lab. for Micro Electro Mechanical Systems, Dept. of Mechanical Engineering

Fabrication Technologies (I) Antireflective Coating (ARC) 웨이퍼의 난반사를 줄이기 위한 기법 Multilayer resist process 표면층은 2층 혹은 3층 구조로 패턴 형성, 아래층은 건식 식각 등을 통한 수직 벽 형성용 등으로 사용 Contrast Enhancement Lithography (CEL) 얇은 CEL 층을 사용하여, Contrast mask가 있는 것과 같은 효과 얻음 광반응 폴리머 고온에 견디는 Polyimide의 특성을 살려 영구 감광막으로 사용 Lab. for Micro Electro Mechanical Systems, Dept. of Mechanical Engineering

Fabrication Technologies (II) Adhesion Enhancement 웨이퍼와 P.R.의 접착력을 높이기 위해 HMDS 용액으로 표면처리 P.R.과 접착력이 용이하지 않은 표면 SiO2, PSG, Poly-Si 등 Spin Coating 필요한 두께의 감광막을 웨이퍼 전체에 균일하게 형성하는 공정 두께에 영향을 주는 요인 점성계수, 다중체 함량, 최종 스핀속도와 가속도, 웨이퍼 크기 등 두께와 여러 변수들과의 관계 t=Ks[v/(wR^2)] K : 상수 , s : 다중체 함량 , v : 점성계수 , w : 각속도 , R : 웨이퍼 반경 Lab. for Micro Electro Mechanical Systems, Dept. of Mechanical Engineering

Baking (I) Soft Bake 목적 : 용제를 증발시켜 P.R.을 건조시키고, 접착도를 향상시키며, 열에 의한 Annealing 효과로 응력 완화 공정변수 및 범위 70 ∼ 95℃ , 4-30 min 적당하지 못한 Soft bake 온도의 경우 과소 : 마스크 접착 (용제의 부족 휘발) 과대 : 열 다중화에 의한 scum 발생 Baking 장비 Convection oven : 10 – 30 min  모든 웨이퍼에 동일한 온도 유지 가능 IR oven : 3-4 min  웨이퍼 종류에 따른 반사, 흡수의 차이로 동일온도 유지 힘듦 Hot plate : 0.5 – 1 min  진공흡착 및 자동 Wafer 처리장치 필요 Lab. for Micro Electro Mechanical Systems, Dept. of Mechanical Engineering

Baking (II) Hard Bake 목적 : 잔류 용제를 제거하여 감광막을 건조시키며 기 판에 대한 감광막의 접착도 증가 목적 : 잔류 용제를 제거하여 감광막을 건조시키며 기 판에 대한 감광막의 접착도 증가 공정변수 및 범위 100 ∼ 150℃ , 10-20 min 적당하지 못한 Hard bake 온도의 경우 과대할 경우 Pudding  감광막이 오므라드는 현상 식각후 감광막 제거 힘듦 Baking 장비 Soft bake와 같은 장비 사용 Lab. for Micro Electro Mechanical Systems, Dept. of Mechanical Engineering

Exposure (노광) Alignment 목적 : 집적 회로 제작시 인접한 Layer간의 패턴의 정확 한 위치 선정 Overlay accuracy O.A.란 device process step이 진행됨에 따라 전 Step 및 후 step간의 정렬상태를 나타내는 지수로써 device 고집적화로 resolution limit 이 device process에 중요한 변수가 되고 있다. O.A.에 영향을 미치는 요인 Mask error(보정 불가) 및 System Error(보정 가능) 일반적으로 Overlay accuracy control range는 device 최소 선폭의 20-30%정도로 함 Lab. for Micro Electro Mechanical Systems, Dept. of Mechanical Engineering

Lab. for Micro Electro Mechanical Systems, Dept Lab. for Micro Electro Mechanical Systems, Dept. of Mechanical Engineering

UV Exposure Light Source Exposed Energy Light Spectrum High pressure mercury arc lamp  UV Mercury/Xenon lamp  UV Excimer laser (KrF, ArF)  DUV (KrF : 248 nm) Electron beams X-ray Exposed Energy Energy(mJ) = Light intensity(mW) * time(s) Light Spectrum i line : 365 nm g line : 436 nm h line : 405 nm Lab. for Micro Electro Mechanical Systems, Dept. of Mechanical Engineering

Development (현상) Development 목적 : 식각(Etch)되어야 할 부분에 존재하는 감광막 제거 현상액 및 세척액 Positive P.R. : NaOH, KOH or Organic bases H2O Negative P.R. : Xylene, n-butyl aceton 방법 Spray법 : Spin 500 – 1,000 rpm. Positive P.R.의 경우 현상이 온도에 민감하므로 피하는 것이 보통 Immersion법 : 현상액과 세척액에 순차적으로 담그는 방법 현상시 양성과 음성 감광막의 차이 Positive P.R. : 빛이 쪼여진 부분이 현상액에 녹으므로 노출 차이와 막 두께에 따라 현상 속도 변화. 현상 시간이 현상액 농도에 민감하나 현상액이 빛을 쪼이지 않은 부분은 스며들지 아니하여 좀 더 정밀한 크기의 패턴 형성이 가능함. Negative P.R. : 빛이 쪼여지지 않은 얇은 부분이 현상액에 녹으므로 과소 노출시 막 두께는 얇아지나 상 크기는 불변. 빛을 쪼인 부분에 관계없이 현상액이 스며들어 Swelling 이 일어나 보통 2mm 이상의 패턴 형성에 적당함. Lab. for Micro Electro Mechanical Systems, Dept. of Mechanical Engineering

Mask & Printing Printing Method Contact Printing Proximity Printing Contact force : 0.05 – 0.3 atm Wavelength : 400nm 근처 Line width : 1um 이하 가능 Mask는 종류에 따라 5-25번 공정 후 교체 Proximity Printing Longer mask life Mask와 Wafer 사이 간격 : 2.0-25um Resolution : 10-15um 간격시  Feature size(2-3um) Projection Printing N.C. Lab. for Micro Electro Mechanical Systems, Dept. of Mechanical Engineering

Mask Design Selection of Mask Type Device Design Pattern Design Film mask  저가, 낮은 해상도(200um 이상) 공정 Test용 Emulsion Mask  중저가, 낮은 해상도(50um 이상) 공정 Test, 일회성 공정용 Cr Mask  고가, 높은 해상도(0.6um 이상) Working Mask, 정밀 공정, 다수 Printing용 Device Design Pattern Design Process Design Drawing your mask pattern Feature size 결정(최소 선폭, 간격) Pattern은 균일하게 정렬함 Positive/Negative P.R.에 따라 결정 Align mark/key Bonding 여부 결정 Lab. for Micro Electro Mechanical Systems, Dept. of Mechanical Engineering

Fabrication Result Test pattern 사진 Device 부위 사진 Test 패턴 Lab. for Micro Electro Mechanical Systems, Dept. of Mechanical Engineering