액침 노광

3. 원리

광학 리소그래피에서 식별 가능한 특징은 이미징 장비의 개구수(NA)와 관련이 있으며, 개구수는 빛이 통과하는 매질의 굴절률에 최대 굴절각의 사인을 곱한 값이다. 렌즈와 웨이퍼 사이에 더 높은 굴절률을 가진 액침 매질을 삽입하여 해상도를 높일 수 있다. 예를 들어, 193nm 파장의 자외선을 사용하는 물 액침의 경우 굴절률은 1.44이다. 액침 리소그래피로 인한 해상도 향상은 사용된 재료에 따라 약 30–40%이다.

반도체 회로 제조에서는 스텝퍼의 투영 렌즈를 사용하여 웨이퍼에 도포된 포토레지스트의 감광에 의한 회로 패턴 전사가 이루어진다.

투영 렌즈와 웨이퍼 표면의 레지스트 사이에 굴절률이 높은 액체(일반적으로 초순수)를 삽입하여 빛의 파장을 대기 중보다 짧게 함으로써 해상도를 높이는 기술을 액침 기술이라고 한다. 일반적으로 사용되는 것은 초순수이며, 파장 193 nm의 ArF레이저 광에서 초순수의 굴절률은 1.44이므로, 초순수 내에서 빛의 파장은 134nm로 짧아진다.

일반적으로 반도체는 구성 회로가 미세할수록 고속 동작, 저전력성, 저발열성 등에 유리하다고 여겨진다.^[18] 1990년대 말에는 포스트 ArF 기술로 EUV 노광이 유력하게 여겨졌으며, F2 레이저 개발도 병행하여 진행되었다.^[19][20]

웨이퍼와 투영 렌즈 사이를 액체로 채워 더 미세한 노광을 하는 기술은 광학 현미경의 고배율 관찰에 예전부터 사용되었지만, 반도체 제조에 적용된 것은 기술적인 문제가 해결되었기 때문이다.

2007년 현재 액침 기술에는 초순수 (굴절률 1.33)를 사용한 실용화가 진행되고 있으며, 더욱 고굴절률의 액체 사용도 검토되고 있다.

반도체 노광을 액침으로 할 때 다음과 같은 문제들이 있었다.

• 액체의 온도 변화에 의한 노광에 대한 악영향
• 액체의 순도 유지·보급 및 회수
• 투영 렌즈와 접촉하는 부분만을 액침으로 하는 경우 액체의 추종성
• 웨이퍼에서 액체로의 성분 용해에 따른 악영향
• 액체에 의한 웨이퍼에 대한 영향 · 웨이퍼의 초발수 코팅 개발

4. 기술적 문제 및 해결

포토레지스트-물 접착력 손실(에어 갭 또는 기포) 및 잔류하는 물(워터마크)과 같은 결함 문제로 인해 포토레지스트 위에 직접 탑코트 층을 사용하는 방안이 고려되었다.^[8] 이 탑코트는 액체 매질과 포토레지스트 사이의 화학적 확산에 대한 장벽 역할을 한다.^[8] 또한, 워터마크 감소를 위해 액체와 탑코트 사이의 계면을 최적화하며, 동시에 탑코트 사용으로 인한 결함은 피해야 한다.

2005년 기준으로, 탑코트는 특히 초고 NA(NA>1)의 경우 반사 방지 코팅으로 사용하기 위해 조정되었다.^[9]

2008년까지 액침 리소그래피로 인쇄된 웨이퍼의 결함 수는 제로 수준의 성능에 도달했다.^[10]

5. 편광 영향

2000년 기준으로, 편광 효과는 포토레지스트 내 간섭의 높은 각도로 인해 특징이 40nm에 접근하면서 중요하게 여겨졌다.^[11] 이상적인 라인-스페이스 이미징을 위해 조명원은 일반적으로 극 조명과 일치하도록 방위각 편광이 필요하다.^[12]

6. 처리량(Throughput)

1996년에는 더 높은 스테이지 속도를 통해 처리량이 향상되었으며,^[13][14] 2013년에는 더 높은 출력의 ArF 레이저 펄스 소스에 의해 가능해졌다.^[15] 처리량은 스테이지 속도에 정비례하며, 스테이지 속도는 선량, 직사각형 슬릿 폭, 슬릿 강도에 의해 결정된다. 슬릿 강도는 펄스 출력과 직접 관련이 있다. 슬릿 폭은 선량을 만들기 위한 펄스 수를 레이저 펄스 주파수로 나눈 값에 최대 스캔 속도를 곱하여 결정된다.^[13] 따라서 주어진 선량에서의 처리량은 최대 스테이지 속도를 높이고 펄스 출력을 증가시킴으로써 향상된다.

7. 다중 패터닝(Multiple Patterning)

193nm 파장에서 작동하는 1.35 NA 액침 도구의 해상도 한계는 36nm이다.^[17] 이 한계를 넘어 20nm 이하 노드로 진입하려면 멀티플 패터닝이 필요하다.^[17] 20nm 파운드리 및 메모리 노드 이후부터는, 가장 밀도가 높은 레이어를 위해 액침 리소그래피를 사용하여 더블 패터닝과 트리플 패터닝이 이미 사용되고 있다.

8. 반도체 제조 외 응용

8. 1. 현미경

참조

_[1] 논문 Benefits and limitations of immersion lithography http://nanolithograp[...] 2004-01-01
_[2] 웹사이트 DailyTech - IDF09 Intel Demonstrates First 22nm Chips Discusses Die Shrink Roadmap https://web.archive.[...] 2009-12-07
_[3] 서적 Optical Microlithography XVI SPIE 2003-06-26
_[4] 문서 2002
_[5] 특허 U. S. Patent No. 4,480,910 1984
_[6] 간행물 The future of subhalf-micrometer optical lithography 1987
_[7] 웹사이트 A Whole New World of Chips https://web.archive.[...]
_[8] 서적 Advanced Processes for 193-nm Immersion Lithography SPIE 2009
_[9] 간행물 2005
_[10] 간행물 https://www.research[...] 2008
_[11] 간행물 2000
_[12] 간행물 2004
_[13] 웹사이트 M. A. van den Brink et al., Proc. SPIE 2726, 734 (1996). https://web.archive.[...] 2018-07-16
_[14] 간행물 2012
_[15] 웹사이트 120-W ArFi Laser Makes Higher-Dose Lithography Possible https://www.photonic[...] 2013
_[16] 웹사이트 The ASML NXT:1980Di lithography system https://www.asml.com[...] nd
_[17] 웹사이트 193i Lithography Takes Center Stage...Again https://semiengineer[...] 2023
_[18] 문서 これは一般論である。極端に微細化すると、回路からのリーク電流などが問題となるとされる。
_[19] 웹사이트 福田昭のデバイス通信（85）：「SEMICON West 2016」、半導体露光技術の進化を振り返る（完結編その2） (2/2) - EE Times Japan https://eetimes.itme[...] 2016-08-30
_[20] 웹사이트 話題の技術 : 液浸露光技術 http://www.shmj.or.j[...] 日本半導体歴史館
_[21] 뉴스 日経ビジネス http://it.nikkei.co.[...]
_[22] 웹사이트 量産化に向けた生産技術 : 液浸リソグラフィの開発 http://jpn.nec.com/t[...] NEC
_[23] 웹사이트 オリンパス　生物顕微鏡・バイオイメージング：全反射蛍光顕微鏡システム TIRFM：特長(3) http://www.olympus.c[...] オリンパス
_[24] 문서 イマージョンオイルはキシレンを用いてふき取る必要があり、清掃せずに放置すると固着してレンズを傷める。また、こぼれると揮発性が低いため乾燥せず、除去が厄介である。