반도체 장비 - 노광기(Scanner/Stepper)

노광기

노광기는 노광공정 과정에서 웨이퍼를 빛에 직접 노출(Exposure)시키는 장비다. 노출하는 방식에 따라 Stepper 방식과 Scanner 방식으로 나뉜다. 노광기가 미세한 패턴을 형성할 수 있음을 의미하는 해상도는 다음과 같은 식(Rayleigh's Formula of Resolution)에 의해 정의된다. 광원의 파장이 짧을수록, 광학계의 개구수(NA)가 클수록 해상도가 높아진다. 또한, 공정상의 변(K1)에 영향을 받는다.

■ 노광 공정의 구성 요소와 관련 서플라이 체인

■ 파장(𝜆 )

초기 노광기의 광원은 수은(Hg) 램프다. 수은 가스를 방전시켜 발생하는 빛의 파장 중에 436nm(G-line), 405nm(H-line), 365nm(I-line)을 사용하며 이 빛을 사용하면 0.8um(800nm) 선폭까지 Patterning이 가능하다. 이후에는 KrF Excimer Laser를 이용한 248nm 파장을 이용해 130nm Patterning이 가능 해졌으며, ArF Excimer Laser의 193nm 파장을 이용해 90nm 이하 공정이 가능해졌다. 참고로, 광원의 재료가 되는 Ar(아르곤), Kr(크립톤) 가스는 러시아가 주요 생산지인데, 최근 러시아-우크라이나 전쟁으로 수급 안정성이 부각되면서 주목받은 바 있다.

 

ArF 이후 F2 Laser를 광원으로 하는 157nm 파장의 연구개발이 지속되었으나, 광원과 렌즈 등 개발비용의 이슈로 양산 적용은 거의 되지 않았다. ArF가 양산 적용된 지 거의 20년 만에 주석(Sn) 플라스마를 광원으로 하는 13.5nm EUV(Extreme Ultra Violet, 극자외선)로 곧바로 넘어가게 되었다.

■ K1(공정 변수)

193nm ArF 적용 이후 F2 Laser의 도입 실패로 인해 157nm 단계의 부재로 13.5nm EUV가 등장하기까지 약 20년간의 공정 미세화는 렌즈의 크기(NA)를 키우는 방법과 공정 변수(K1)의 개선을 통해 달성되었다. 공정 변수의 개선이란, 사실상 광원 이외에 모든 요소에 대한 엔지니어링적인 시도를 통해서 해상도를 높이는 것을 의미한다.

■ OPC(Optical Proximity Correction)

OPC란 Photomask의 패턴을 인위적으로 변형함으로써 실제 투영 패턴의 해상도를 높이는 기술이다. Photomask를 통과한 빛은 회절 현상을 겪을 뿐만 아니라, 렌즈의 굴곡, PR의 고유 특성 등이 반영되어 패턴의 모습이 실제 모습과 다르게 된다. 따라서, 의도한 패턴이 형성되도록 Photomask의 패턴을 인위적으로 변경하는 방식이다.

■ Phase Shift Mask

Photomask 패턴 자체에 인위적 조작을 통해 패턴을 통과하는 빛의 세기 나 위상을 조절하고, Mask 통과 후 변화된 빛들 간의 소멸 간섭 원리를 이용해 해상도를 높이는 기술이다.

 

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■ Immersion

렌즈와 웨이퍼 사이에 공기 대신 굴절률이 큰 물(H2O)을 주입함으로써 빛의 굴절을 유도, 해상도를 높이는 기술로 193nm 노광기 개발 이후 Nikon에 의해 개발되었다. Immersion 기술 적용에 따라 실질적인 NA가 커지는 효과를 얻을 수 있다.

■ Multi Patterning(멀티 패터닝)

노광기 광원 파장의 축소가 한계에 달함에 따라 노광 이외의 단위공정을 이용하여 Photomask로 구현하기 어려운 미세패턴을 구현하는 방식이다. 멀티 패터닝에는 크게 두 가지 방식이 있다.

■ LELE Double Patterning

본격적인 웨이퍼 박막 Etching 이전에 의도적으로 두 번의 Pattering을 조합해 목표한 패턴의 마스크를 Hardmask로 구현하고 최종적으로 패턴을 Etching 하는 방식이다. 복잡한 패턴을 형성하기에 유리한 장점이 있으나, 노광 횟수가 늘어나는 한계점이 있다.

■ Self Aligned Patterning

한 번의 Patterning으로 의도된 임시 패턴(Mandrel)을 형성하고, Mandrel 주의에 ALD로 Spacer를 증착한 뒤 Spacer를 Mask로 삼아 패터닝 하는 방식이다. Mandrel로는 SiO2를 주로 사용하고, Spacer로는 폴리실리콘을 주로 사용한다. 노광 횟수를 줄 일 수 있다는 장점이 있으나, 복잡한 패턴을 형성하는데 어려움이 있다.

■ NA(Numerical Aperture)

NA는 렌즈의 "개구수"라고 하고 렌즈의 크기에 직접적으로 비례하는 개념이다. 빛이 Photomask를 통과해 이미지를 형성하기 위해서는 최소한 1차 회절광이 렌즈를 통과해야 한다. 이때, 1차 회절광이 렌즈를 통과할 수 있는 최대 각도에 비례하는 값이다. 쉽게 표현해서 해상도를 높이기 위해서는 NA를 높이기 위해서는 렌즈의 크기를 키워야 한다.

 

단일 렌즈로는 렌즈에서 발생하는 수많은 수차(Aberration)를 보정할 수 없기 때문에 다수의 렌즈를 배열한 Achromatic lens를 형성해 정밀하게 초점을 맞추게 되는데, NA를 키우기 위해서는 다수의 렌즈가 전반적으로 커져야 하는 어려움이 동반된다. 이미 렌즈의 크기를 키우는 개선은 한계에 직면 해더 이상 이뤄지지 않고 있다.

 

ArF 노광 시스템에서 NA가 0.93으로 한계에 달했을 때, 렌즈와 웨이퍼 사이에 물(H2O)을 채워 굴절률을 높이는 방식을 통해 실질적 NA를 1.35로 올린 ArF Immersion 방식까지 채용한 것이 현재 노광기의 주류를 이루고 있다. EUV는 렌즈가 아닌 반사경을 사용하게 되는데, 반사경의 크기를 키우는 High-NA EUV로의 진보를 앞두고 있다.