Photolithography0. Photolithography리소그래피는 포토레지스트를 도포하는 공정으로 시작해 노광, 현상, 에칭, 포토레지스트 제거에 이르는 일련의 프로세스이다. 현상까지를 레지스트 처리공정으로 하며, 에칭 공정과 분리해서 생각할 수도 있다. 현재, 패턴 노광은 레티클이라 불리는 마스크 기판에 의해 축소 투영 전사시킴으로써 행해지고 있다. 이 공정은 모든 프로세스 기술의 중심이며, 반도체 공장에서도 가장 많은 금액의 투자를 필요로 하는 장치이다. 패턴 형성 후에는 반드시 에칭 공정이 수반되며 현성된 포토레지스트 패턴을 마스크로 하여 처리할 수 있다.1. Phothlithography 과정. clean wafers세정은 리소그래피를 처음으로 하는 각 공정 사이에서 반드시 행해야 하는 것으로, 표면 청정화를위한 공정이다. 또한 열처리,산화 등의 공정전에 행하여지는 것으로 "후처리","전처리"라 불리기도 한다. 이공정은 여전히 약액을 사용하는 웨트처리가 중심으로 ,RCA 세정의 경우는 H2SO4,HCI,NH4OH,HF,H2O2 등의 약액 조합에의해 처리된다. 웨이퍼 세척과 반도체 공정에 전반적으로 사용되는 중요한 화합물이 Di water이다. Di water는 이온, 입자, 박테이라 같은 오염물질을 제거한 매우 순수한 물이다. 이론적으로 순수한 물의 저항은 25℃에서 18.3 Mohm-cm이다. 일반적인 Di water 시스템은 0.25um보다 큰 입자가 없고, 밀리미터당 박테리아 수가 1.2보다 적으면서 저항이 18 Mohm-cm이 되어야 한다.가. Deposit barrier layer SiO2, Si3N4, metal세척 후, 실리콘 웨이퍼에 장벽층으로 사용할 물질들을 도포한다. 가장 일반적인 물질은 SiO2이다. 각각의 장벽물질로부분에 Si3N4, 다결정 Si, 금속을 사용한다. 초기 실리콘 웨이퍼는 금속성 회색을 띤다. 여기에 실리콘 산화막층이 형성되면 표면은 실리콘 산화막층 두께에 따라 다른 색깔을 띠게 된다. 공정을 다 마친 웨이퍼inating 공정을 통해 PR을 coating 한다다. Soft bake감광제의 용제를 제거하고, 접합을 향상시키는 데 사용된다. 오븐의 온도는 60~100℃로 공기나 질소 가스 분위기에서 5~10분 정도 건조시킨다.라. Align masks포토마스크는 한쪽 asu이 감광 유제나 금속막으로 패턴이 되어 있는 사각형의 유리판이다. 각각의 마스크는 전 공정에 따라 웨이퍼의 패턴에 조심스럽게 배열되어야만 한다.마. Expose pattern노광이란 photo mask를 통해 자외선 영역의 빛을 조사(照射)함으로서 mask상에 형성된 미세회로 형상(pattern)을 coating된 PR에 전사(轉寫)하는 과정을 말한다. Mask의 pattern은 얇은 Cr 막으로 형성되어 있으며 Cr pattern 위에 조사된 빛은 반사되어 PR을 감광시키지 못하며 Cr이 없는 부분은 투과하여 PR을 감광시킴으로서 coating된 PR에 미세회로 형상을 전사시킨다. PR의 종류에 따라 mask 또한 negative 혹은 positive로 분류되며 positive PR에 positive mask를 사용하거나 negative PR에 negative mask를 사용하면 PR에는 원상(original image)이, 그 외의 경우에는 역상(reverse image)이 형성된다. 노광과정에는 mask aligner라고 하는 노광장비가 사용되는데, aligner라고 부르는 이유는 미세회로 형상의 위치를 정밀하게 제어하는 것이 중요하기 때문이다바. Develop현상이란 노광 과정을 통해 상대적으로 결합이 약해져 있는 부분의 PR을 용제를 사용하여 녹여내는 과정을 말하며 이러한 과정을 통해 형성된 PR의 형상을 PR pattern이라 한다. Positive PR의 경우 감광 작용에 의해 풀어진 고분자 사슬 부분이, negative PR의 경우 감광 작용에 의해 결합이 강해진 부분에 비해 상대적으로 결합이 약한 부분(노광되지 않은 부분)이 녹아 없어진다. 현상액으로는 크게 염기성의 수용액과 sol 하여 식각하는 것을, 비선택적 etching은 기타 다른 layer와도 반응하여 여러 layer를 동시에 식각하는 것을 말한다. Wet etching에서의 선택적 etching은 특정 물질에만 반응하도록 몇몇 화학약품을 조합하여 etchant를 만들어 사용함으로서 가능하며 dry etching의 경우 특정 물질에만 반응하는 반응성 gas를 주입함으로서 가능해 진다. 특히 dry etching의 경우 ion 가속만을 이용하는 IBE(ion beam etching)나 sputtering과 같이 magnetron을 이용하는 sputtering etching이 비선택적 etching이며, ion 가속에 반응성 gas(reactive gas)를 사용하는 RIE(reactive ion etching)는 선택적 etching이다. 이상과 같은 일반적인 etching 외에 etching을 사용하지 않고 patterning하는 경우가 있는데, 대표적인 것이 lift off 공정이다.Lift off란 film deposition 이전에 PR patterning을 하고 그 위에 film deposition을 한 후 PR을 제거함으로서 pattern을 형성시키는 방법을 말한다. PR을 용제(solvent)에 녹이는 과정에서 PR 위에 deposition된 film은 제거되고 substrate 위에 deposition된 film 만이 남게 되는 것이다.* Pattern plating : thin film HIC 등과 같이 film을 비교적 두껍게 올려야 하는 경우 주로 사용하는 patterning 방식이다. 보통의 경우 deposition(thin&thick) → photolithography → etching의 순으로 patterning을 하는데 반해 pattern plating은 seed layer deposition(thin)→photolithography→deposition(plating)→etching의 순으로 공정이 진행된다. 이 공정의 장점은 오직 seed layer 로 집적회로의 다이 패턴을 조사하기 위헤 1×또는 10×대물렌즈가 있는 주사 장치를 사용하기 때문에 단계별 축소 마스크는 사용하지 않는다. 패턴을 배열한 후에 각각의 다이에 노광시킨다.4. 웨이퍼의 노광은 스텝퍼(stepper)라 불리는 step and repeat 시스템에서 다이(die)마다 이루어진다. 그 이름이 암시하듯이, 자외선은 하나의 다이 위치마다 레티클을 통해 선택적으로 비춰진다. 노광이 행해진 후에 웨이퍼는 정밀하게 제어되는 x-y 평형 조작대(translation stage) 위에서 다음 다이 위치로 기계적으로 움직여져 다시 노광된다. 레티클상의 패턴을 웨이퍼상에 있는 기존의 패턴과 연계하여 정밀하게 정렬할 수 있는 능력은 매우 중요하다. 그리고 이것이 바로 이 기계가 가끔 마스크 정렬기(mask aligner)로 알려진 이유이기도 하다. 이런 스텝퍼 투영(projection) 시스템의 이점은 웨이퍼 전반에 걸친 표면 평탄도의 미소 변화에 대처하기 위해 재초점화(re-focusing)와 재정렬화(realignment)가 가능하다는 것이다. 이것은 매우 큰 웨이퍼에 초소형 선폭을 찍을 때에 특히 중요하다. 현대의 IC 제조공정은 깊은 자외선광(deep ultra violet light) 소스, 정밀한 광학적 투영시스템, 각각의 마스크 층 사이의 정렬기재(registration)에 대한 기술, 그리고 스텝퍼 디자인에서 지금까지 쌓여온 수많은 기술향상 때문에 성공했다. (식각과 함께) 사진석판공정이 그렇게 결정적이게 된 이유는 그것이 개개의 소자(즉, 트랜지스터)가 얼마나 작고 정밀하게 집적되도록 만들 수 있는지를 분명하게 결정한다는 사실에 있다. 우리는 더 작은 소자가 보다 고속이고 보다 적은 전력 소비를 이루는 데에서 더 잘 동작한다는 것을 알게 될 것이다. 현대의 사진석판 기술을 그렇게 어렵게 한 이유는 패턴의 크기가 그것에 사용되는 빛의 파장과 비슷하다는 사실에 있다. 이런 환경하에서는 간단한 기하학적인 광선광학을 사용해서 빛의 전파를 취급할든다. 따라서 우리는 제조과정에 CMP(chemical mechanical polishing)를 사용해 표면을 평면화하는 단계를 첨가해야 한다. 이 이름이 암시하듯이 평면화(planarizing)공정은 부분적으로는 본질적으로 (염기성 용액을 사용하는)화학적 작용이고 부분적으로는 연마할 수 있는 현탁액을 사용하여 층을 기계적으로 연마하는 작용이다. CMP는 NaOH 용액에서 미세한 SiO2 입자의 현탁액을 사용해서 이루어진다. 회절에 의해 제한된 기하구조에 대한 표현식은 왜 X-ray와 전자빔을 사용한 사진석판공정에 그렇게 많은 관심이 있는지를 설명한다. 드브로이(de Broglie) 정리는 입자의 파장은 그것의 운동량과 역비례한다는 사실을 말해준다.λ=h/p따라서 더 큰 질량을 갖는 입자나 에너지가 높은 광자는 더 짧은 파장을 이룰 수 있다고 생각하는 것은 타당하다. 이러한 응용에 사용할 만한 후보들에는 전자, 이온, 또는 X-ray가 있다. 예를 들어, 전자빔은 쉽게 발생되고 초점이 맞춰지며 편향된다. 이러한 과정을 위한 기본 기술이 전자 현미경을 주사(scanning) 방법에 대해 수년간에 걸쳐 개발되었다. 10-keV 전자는 약 0.1A의 파장을 가지기 때문에, 선폭은 초점이 맞춰진 빔의 크기와 포토레지스트층과 빔의 상호작용에 의해 제한된다. 웨이퍼 포토레지스트상에 직접 전자빔을 사용해 씀(writing)으로써 9.1um의 선폭이 달성될 수 있다. 더 나아가 컴퓨터로 제어되는 전자빔 노광은 마스크를 필요로 하지 않는다. 이러한 능력은 칩 위에 극도로 조밀한 회로를 구성할 수 있게 하지만, 복잡한 패턴을 직접 쓰는 작업은 느리다. 전자빔을 사용한 웨이퍼의 노광에 요구되는 시간 때문에, 레티클을 만들기 위해서만 전자빔을 사용하고 나머지는 광자를 사용해 웨이퍼의 포토레지스트를 노광시키는 방법을 사용하는 것이 일반적으로 더 유리하다. 앞에서 언급된 깊은 자외선 원천에서의 발전과 더불어 X-ray는 앞으로 훨씬 더 작은 크기를 만들 수 있게 할 것이다. 예를 들어다.
Vacuum Gauges0. The measurement of low pressures진공의 정도는 일반적으로 vacuum chamber내에 남아 있는 기체의 압력으로 표현되는데, 압력을 직접 측정하는 경우와, 기체가 지닌 다른 물리적 특성(열, 전기적 성질 등)을 이용하여 간접적으로 측정하는 방법이 있다. 대부분의 진공 gauge는 기체가 가진 열 또는 전기적 특성을 이용하고 있다. 이들 물리량은 나중에 보정과정(calibration)을 통하여 압력으로 변환된다. 하지만 이러한 물리적 특성이 기체마다 다르므로 대부분의 경우 질소에 대한 압력으로 눈금이 보정되어 있다. 따라서 종류가 다른 기체를 사용하거나 혼합된 기체를 사용할 때는 따로 보정값을 찾아 그 기체의 압력으로 변환하든지 하여야 올바른 기압을 측정할 수 있다.1. 진공 gauge의 분류진공 gauge는 그 기능별로 여러 가지로 분류가 가능하다. 여러 가지로 개선된 gauge가 개발되고 있지만 대기압에서 초고진공까지를 측정할 수 있는 진공 gauge는 아직 없다. 따라서 진공 펌프의 경우처럼 진공 영역에 따라 2~3개의 gauge를 병용해 사용해야 한다.. 측정 기체의 구분 여부에 따라0) 전압 측정(total pressure measurement) : 대부분의 gauge가 이에 해당하는데 압력을 발생시킨 기체의 종류에 대한 정보는 알지 못한다.1) 분압 측정(partial pressure measurement) : 기체의 구성원소별 압력 또는 밀도를 측정한다.가. 측정한 물리량이 압력인지 아니면 압력으로 변환 가능한 다른 물리량인가에 따라0) 직접 측정(direct measurement) : 측정값이 압력인 경우이다.1) 간접 측정(indirect measurement) : 다른 물리적 특성을 측정하여 압력으로 환산해야 하는데 기체에 따라 측정한 물리적 특성이 다르므로 주의가 필요하다. 진공작업에서 사용하는 대부분이 이에 속한다. 열전도성, 이온화 정도, 전기전도성 등을 측정한다.나. 작동 압력의 범고는 진공분야에서는 거의 사용하지 않는다.1) McLeod gaugeFigure 4. McLeod Gauge.Mercury Manometer와 유사하나 더 낮은 압력에서 측정이 가능하도록 수은 기둥을 이용하여 기체를 압축 시키는 기능이 다르다. 1에서 10-6 Torr 까지 측정이 가능한데 측정하고자 하는 기체는 Boyle's Law를 만족시켜야 하고 또한 압축에 의한 액화 현상이 없어야 한다. 비교적 정확하며 직접 압력을 측정하므로 간접 측정 gauge(indirect gauge)들을 calibration하는데 사용될 수 있다.가. Solid-Wall Gauges0) Bourdon GaugesFigure 5. Bourdon Gauge.Bourdon gauge는 상대압력을 잰다. 그림과 같이 한쪽을 봉한 elliptical shaped tube를 vacuum chamber에 연결하여 사용한다. 배기가 진행됨에 따라 tube내외의 압력차에 의하여 tube의 곡률반경이 변화한다. 이때 tube의 탄성 변형이 압력에 비례하므로 이를 이용하여 압력을 측정한다. 이 휘는 운동을 적절히 눈금으로 표시한다. 비교적 튼튼하고 사용이 쉬우나 정확도는 종류에 따라 수 Torr에서 수십 Torr까지 변할 수 있다. 대기압보다 낮은 압력은 물론 이보다 높은 압력도 잴 수 있지만, 공업용으로 사용되고 있는 것은 대기압에서 약 0.1 torr까지 측정가능하다. 낮은 압력 끝부분에서는 감도가 그리 좋지 않다. 실제로 1 ~ 0.1 torr 근방에서는 needle이 멈추어 버린다.1) Diaphragm gaugesFigure 6. Diaphragm Gauge.) strain gauge diaphragm gauge는 압력에 민감한 얇은 박막의 탄성변형을 이용한다. 진공용기가 얇은 탄성체 박막으로 격리되어 있을때 박막의 양쪽에 압력차가 생기면 변형이 생긴다. 이러한 박막의 선형 편향을 기계적으로 지시침의 각 편향으로 바꾸어 압력을 측정한다.가) capacitance diaphragm gaug력에 비례한다는 사실에 착안하여 개발된 gauge가 thermal conductivity gauge이다. 고온영역에서 저온 영역으로 열을 전달할 수 있는 방법에는 전도(conduction), 대류(convection), 방사(radiation)이 있는데 다음의 gauge들은 이들 특성을 각각 이용한 것이다. Thermal conductivity gauge는 사용하기에 간편하고, 가벼우며, 가격도 비교적 저렴한 장점이 있다. 반면에 출력이 압력에 대하여 직선적이지 못하고, filament와 기체 분자 사이의 열적응계수가 filament의 표면 상 태에 따라 변하므로 그 결과 감도도 변하며, 또 열도율이 기체의 종류에 따라 다르므로 Thermal conductivity gauge는 기체의 종류에 따라 감도 가 달라지는 등 많은 결점을 안고 있다. 이와 같은 장단점에 비추어 볼 때 Thermal conductivity gauge는 는 결코 정밀 측정에는 적합하지 않다. 그럼에도 불구하고 이 gauge가 대부분의 진공 시스템 fore line에서 압력을 모니터하는데 계속 쓰이고 있으며 가까운 장래에 이러한 상황에 큰 변화가 올 가능성이 거의 없는 것은, 통상적으로 fore line 압력이 별로 달라진게 없다는 사실을 아는 것만으로도 충분하기 때문이다.0) Pirani gaugesfilament가 한 요소로 들어가는 Wheatstone bridge를 사용하고 그 반응 속도가 매우 빠르다. 충분히 낮은 압력에서 bridge를 평형이 되게 한 후, 압력이 올라가면 기체 분자들과 필라멘트의 충돌이 증가함에 따라 filament의 온도가 변하고 이 온도에 비례하여 저항이 변하므로 브리지의 평형이 깨진다. 이 비평형상태를 검출하여 압력을 측정한다. 압력측정 방법에는 filament에 일정한 전류를 흘려주는 정전류형, 일정한 전압을 가해주는 정전압형, 필라멘트의 온도가 일정하게 전력을 제어하는 정온도형 등의 다양한 기법이 있다. 정전류형에서 측정 가능한 압력범위는 10-3-10 고 thermocouple이 접촉이 되어 그 온도를 측정한다. 이 gauge가 진공 용기 속에 놓이게 되면 기체분자들이 filament와 충돌하면서 열을 빼앗게 된다. 이 때 변한 온도를 thermocouple이 감지하게 되는데, 기체의 양이 많을수록 온도가 떨어지게 되므로 간접적으로 압력을 측정하게 된다. 보통 공기나 질소로 calibration이 되어 있는데 기체에 따라 열용량과 열전도성이 다르므로 기체의 종류에 따라 보정을 하여 사용하여야 한다.Figure 10. Thermocouple Gauge.Figure 11. Calibration Curves for Thermocouple Gauge.가. Ionization gauge진공용기 속의 압력이 저하되면 직접 압력을 측정하는 방법이나 열 특성을 이용하는 방법은 그 민감도가 떨어져 사용이 불가능하게 된다. 이 때 사용하는 방법은 기체를 이온화시켜 그 이온 전류를 증폭하여 측정하는 방법인데 기압이 높을수록 이온전류가 증가하게 된다. 전반적으로 이온화 gauge 사용시 주의할 점은 이 이온화 gauge가 기체방출(outgassing)을 하거나 자체가 적은 양이지만 배기를 하여 진공 용기 내부의 정확한 압력을 아는데 한계를 주는 것이다. 보통 30%정도의 오차는 염두에 두는 것이 좋다. 기체는 그 종류에 따라 이온화 에너지가 다른데 대부분 10~25eV 정도이다. 이온화시키는 방법은 대부분 hot filament를 이용한 열전자의 방출과 이 전자와 기체분자와의 충돌로 이루어진다.0) Hot cathode ionization gauge) Triode hot cathode ionization gaugesFigure 12. Alternate Triode Connection.Triode hot cathode ionization gauge는 hot filament가 열전자를 방출하여 기체분자들과 충돌하여 이온화시킨다. 이 열전자와 이온화하면서 떨어져 나온 전자들은 나선형의 전자 콜렉터(그리드)에 수집이 되어 전류로 변한다filament의 산화가 급격히 일어나므로 gauge의 수명이 단축된다. UHV 등에서는 이온 gauge에 묻어 있던 분자들이 떨어져 나와 압력 증가 및 오염의 원인이 될 수 있으므로 venting을 시켰다거나 가스에 노출시켰을 경우에는 충분한 표면 기체 제거를 해 둘 필요가 있다. hot filament를 사용하는 이온 gauge들은 그 온도가 1,000~1700℃ 정도인데 측정하고자 하는 공간의 기체를 분해하므로 실험에 오차를 줄 수도 있고 이온 콜렉터가 이온을 제거함으로 약간의 배기 기능도 갖고 있으므로 gauge 주변의 압력이 진공용기 쪽보다 낮을 수 있기에 진공 용기의 부피가 작은 경우에는 이온 gauge만으로 압력의 변화를 초래할 수도 있다.가) Bayard-Alpert hot-cathode ionization gaugesFigure 13. Bayard-Alpert Hot Cathode Ionization Gauge보통 ‘BA'gauge라 부르는데 두 제작자의 이름을 땄다. 앞의 이온gauge의 측정 하한선이 soft X-ray에 의해 제한을 받게 되었는데 디자인을 바꿔 그 영향을 최소화하였다. filament가 바깥쪽에 위치하게 되고 이온 콜렉터가 가느다란 선으로 바뀌었다. 이온 콜렉터가 가늘어짐에 따라 soft X-ray를 맞을 확률이 줄어들어 10-10Torr까지 측정이 가능하다.Figure 14. Nude ionization gauge튜브형과 누드형으로 나뉘어 지는데, 튜브형은 누드형에 비해 투명한 유리 튜브로 감싸져 있는 것이 다르다. 튜브형은 filament를 포함한 전극들이 유리튜브 속에 갇혀 있고 또한 그 단자가 유리에 접합이 되어있기 때문에 filament가 끊어지면 교체가 불가능하다.(보통 예비 filament를 붙여놓았다). 반면 누드형은 filament의 교체가 용이하고 감도가 좋으나 진공 용기 내부의 환경에 직접적으로 노출이 되어 있기 때문에 오염이 되거나 다칠 염려가 있다.나) Schulz-Phelps Gauge이 역시 디자
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