7/16 (토) 1. OT + Photo 장비 운영
0. OT
과정 소개
본 과정은 반도체의 생산을 위한 공정장비, 시설운영, 유지&개선관리뿐 아니라 품질관리 및 생산성 향상 업무에 관한 지식을 습득할 수 있는 과정입니다.
반도체 제조 공정(집적회로(IC, Integrated Circuit)를 만드는 과정)
1. 설계
반도체 미세회로 설계
- 설계엔지니어
- 공정엔지니어
2. FAB 공정: 전공정(Fabrication)
반도체 미세회로 제조(um~nm단위의 선폭)
Fab 공정 -> 공정결과 전자현미경사진 -> FET 완성(Field Effect Transistor)
3. Packaging: 후공정
Wire Bonding, TSV 배선공정, 보호막 등
8대 공정
1. Wafer 제조
2. 산화막 형성
3. Photo 공정
4. Etching 공정
5. 박막증착(CVD, PVD)
6. 금속막(배선)
7. 측정
8. 패키지
Photo Lithography 공정 (10단계)
1. Clean Wafers
2. Deposit Barrier Layer
3. Coat with RP
4. Soft Bake
5. Align Masks
6. Expose Pattern
7. Develop PR
8. Hard Bake
9. Etch Window in Barrier Layer
10. Remove PR
학습대상
- 특성화고 전공학생, 전문대학 전공학생
- 관련기업체 실무자
학습목표
- 반도체의 생산을 위한 공정장비 사용법에 대해 설명할 수 있다.
- 시설운영기술에 대해 설명할 수 있다.
- 측정기술, 품질관리 등의 개요에 대해 설명할 수 있다.
1. Photo 장비 운영
준비하기
반도체 포토공정은 사진과 같이 일반사진 노광 현상작업과 반도체 Photo(노광 현상작업) 공정
IC 회로 패턴에 빛을 통과시키면 회로 패턴이 담긴 마스크에 빛이 통과되어 렌즈를 거쳐 Wafer에 찍어내는 공정을 반도체 포토공정이라 합니다.
Photo 공정에 필요한 장비, 실제 공정 수행 시 유의해야 할 사항에 대해 알아보겠습니다.
학습내용
- Photo 장비의 구성 이해하기
- Photo 장비의 종류와 성능 파악하기
학습목표
- 노광장비 Set-up시 조명계, 웨이퍼와 Reticle Load부 및 Stage부 등 주요 구성부품의 동작 원리를 설명할 수 있다.
- Photo 장비의 종류와 그 성능을 파악하고, 이를 설명할 수 있다.
1. Photo 장비의 구성 이해하기.
1-1. 노광 장비의 구성
노광 장비의 정의
노광(Stepper Exposure)
- 마스크(Reticle)에 빛(Light)을 통과시켜 웨이퍼에 회로를 그려 넣는 공정
- 회로 패턴이 담긴 마스크에 빛을 통과시켜, 감광액 막이 형성된 웨이퍼 표면에 회로 패턴을 그리는 작업
- 웨이퍼 위에 마스크(Reticle)를 놓고 빛을 쪼아 주면 회로 패턴을 통과한 빛이 웨이퍼에 회로 패턴을 그대로 옮겨짐
-> 같은 빛을 노출시켜도 어떤 과정을 거치는 것이 중요하다.
사진을 보시면 빛이 프리즘에 의해 꺾여 빛이 마스크(Reticle)쪽으로 가게 됩니다.
빛은 마스크를 거쳐 Wafer에 패턴이 전사됩니다.
노광 장비의 구성
-> 노광을 하기 위해(빛을 노출시키기 위해) 광원이 필요하다.
1. EUV(극자외선) Plasma Source -> 광원 (삼성전자 또는 하이닉스에서 만드는데 사용되는 EUV 장비는 7nm ~ 13nm로 정밀한 회로를 생산하고 있습니다.)
2. Mask Stage -> 광원이 회로가 있는 마스크로 가야합니다.
3. Projection Optics -> 여러가지 렌즈들을 활용하여 정확한 패턴이 웨이퍼에 전사될 수 있도록 해줍니다.
=> 1, 2, 3번 과정을 거쳐 마스크에 패턴이 전달되게 됩니다.
여기서 부수적으로 필요한 것은 Mask Stage와 Wafer Loading 부가 필요합니다.
노광을 하기위해 적정한 자기자리에 잘 갈 수 있도록 움직여 주는 장치
조명계
반도체 Photo공정에서 원하는 형상을 노광을 통해 구현하기 위한 광원장치와 렌즈들이 어셈블리
노광 장비에서 가장 핵심이 되는 나라는 ASML, 필립스, 히타치, 캐논카메라 -> 반도체용 노광 카메라, 노광 장비 생산
-> 현재는 ASML 노광 장비 대세
조명계의 구성 : 조명계는 3군데 회사에서 만들어 쓰는데 조명계의 구성입니다.
1. Illumination optics(광원)
EUV에서 빛이 발생하게 되면, 처음에는 빛이 사방으로 흩어져 포커싱이 어려워져 노광 공정을 효과적으로 하기가 어렵습니다.
-> 이와같이 여러가지 Optics을 사용하는데 빛을 받는 쪽은 볼록렌즈로 되어있고 빛을 내보내는 쪽은 Flat하게 되어있는데 이는 빛을 모아서 지나갈 때, 평평하게 보낼 수 있도록 합니다.
2. Condenser lens(렌즈 어셈블리)
마찬가지로 Mask에서 회로 패턴을 읽어 Wafer로 전달하는 과정에서도 렌즈 어셈블리가 필요합니다.
-> 이것을 3. 축소 투영 렌즈라고 합니다.
*광원, 렌즈 어셈블리, 축소 투영 렌즈를 조명계라고 합니다.
Alignment부
Reticle과 Wafer의 위치가 일치되도록 조절해주는 부분
Mask에 있는 패턴을 빛을 이용하여 투과하여 똑같은 패턴을 Si Wafer위에 만들어야 하는데 이 위치를 정확하게 하기 위해 Align Key가 필요합니다.
Mask에 Align Key를 심어주고 Wafer에도 Align Key를 심어줍니다. 그 후 Align Key를 일치 시켜주는 것이라 합니다.
1-2. Track 장비의 구성(4가지 기능)
1. PR Coat
- Carrier Station을 통해 운반된 Wafer에 PR을 코팅
-> Spin Coating이라고 돌아가는 척에 Wafer를 올려서 3000RPM으로 속도를 올려 평평하게 PR이 코팅이 될 수 있도록 합니다.
2. Soft Bake (95º)
- PR 코팅한 후 수분제거(Heating 과정)
-> PR은 Wafer 전면에 처음에 잘 퍼지게 하기 위해 수분을 가지는 용액의 형태였는데 그것을 제거해 주는 작업입니다.
후에 1번과 2번이 끝나면 Exposure(노광 공정) 있습니다.
-> Wafer에 패턴을 전사시킵니다.
3. Develop(현상)
- PR코팅, Soft Baking 과정을 한 후 노광공정을 거친 Wafer를 현상액으로 패턴을 현상
-> 노광을 시킨 후 현상을 시켜 패턴을 완성품으로 만드는 과정
4. Hard Bake (110º)
- 완성된 패턴이 변형되지 않게 하기 위해 Hard Baking(Heating 과정)
Wafer 카세트에 담기
Wafer Cleaning
- Wafer를 PR(Photo Resist)코팅, Soft Baking, Exposure(노광), Develop(현상), Hard Baking과정을 하려면 Wafer는 깨끗해야 하기 때문에 Wafer Cleaning과정을 거친다.
1. Wafer를 하얀색 테플론 캐리어에 담습니다.
-> Cleaning을 하기 위해서는 화학물질과 DI Water(순수 물)에 담궈야 하기 때문에 까만 캐리어를 사용하지 않고, 하얀색 캐리어(테플론으로 되어있어 내화학성이 있는 캐리어, 여러가지 화학물질에 담궈도 문제가 없음) 사용해야 합니다.
2. 수직핸들러를 이용하여 Wafer와 흰색 캐리어를 클리닝 배스에 담그고 클리닝을 실시한다.
-> 캐리어를 움직이기 위해 수직핸들러 사용합니다.
3. 클리닝이 끝나면 Wafer를 검은색 캐리어에 옮겨 담는다.
-> 하얀색 캐리어에서 까만색 캐리어로 옮겨 담고, 노광장비로 Loading합니다.
4. Wafer를 노광장비에 Loading한다.
=> 클리닝을 할 때, 하얀색 캐리어를 사용하여 Wafer를 꽂아 클리닝하고, 클리닝을 완료하고 까만색 캐리어로 옮겨 담고, 노광장비에 Loading하면 됩니다.
※ 실습 시 주의사항
Q. Wafer를 테플론 카세트에 담을 때
- 손으로 만지면 Wafer가 오염되므로 진공 트위저(집게)를 사용하여 하여 담도록 합니다.
(300mm Wafer위에 3000개 정도의 회로, (1/100만)m 혹은 (1/1000)mm의 회로가 그려져 있어 손으로 만지면 회로 오염되어 절대로 만지면 안됩니다.)
Q. Wafer를 클리닝할 때 (DI Water, H2SO4(황산) 등 사용)
- 테플론 핸들러를 사용하여 손에 약품이 묻지 않도록 주의!
(H2SO4(황산)과 같이 위험한 물질이 있을 수 있습니다.)
Q. 클리닝이 끝난 후
- 건조기를 이용하여 물기가 완전히 사라질 때까지 건조
(클리닝 후 여러가지 공정에서 남아있는 물기가 화학반응을 일으키거나 할 수 있습니다.)
전문가의 노하우 및 Tip
카세트가 공정하는 장비에 따라 수직으로 놓일 때도, 수평으로 놓일 때도 있습니다.
이러한 과정에서 Wafer가 돌출이 될 수도 있습니다.
- 여러 단계를 거치면서 실습이나 공정을 진행하면 Wafer가 좌우로 흔들려서 정렬이 흐트러져 있습니다.
=>단계마다 캐리어를 세워 정렬하고 진행해야 에러를 사전에 방지 할 수 있습니다.
(정렬을 잘 하고, 공정을 해서 작업을 해야 알 수 없는 불량을 미연에 방지할 수 있습니다. 이런 것들을 간과하면 어디서 불량이 났는지 알 수 없는 불량이 누적되고 못쓰는 Wafer가 늘어나게 됩니다.)
2. Photo 장비의 종류와 성능 파악하기
2-1. 노광장비
Mask Alinger와 Stepper
두가지 모두 노광장비이고, Photo장비에서 가장 핵심이 되는 장비입니다.
1. Mask Aligner
- 마스크에 새겨진 회로를 실리콘 웨이퍼에 전사시켜주는 장비(노광장비)
- 연구용이나 실험용으로 적합
2. Stepper
- 마스크에 새겨진 회로를 실리콘 웨이퍼에 전사시켜주는 장비(노광장비)
- 양산용 설비로 사용되며 대량생산과 초미세 패턴을 웨이퍼에 가공 가능
Track
1. Spin Coater
- Wafer를 스피닝 척에 올려놓고 3000RPM(1분당 회전하는 속도)의 속도로 회전하면서 원심력을 이용하여 PR을 Wafer표면에 도포하는 설비
2. Hot Plate(heating -> Soft Bake, Hard Bake 두가지 기능)
- 반도체 노광 공정 전후에 Wafer에 고온을 가하여 PR의 내부 습기제거와 PR의 경화를 위해 사용되는 장치
(Soft Baking, Hard Baking할 때 사용하여 온도는 95˚~110˚이다)
3. Develop Bath
왼쪽에 하얀캐리어, 오른쪽에 까만캐리어 두가지 캐리어를 이용하여 Wafer에 25장씩 넣어 Develop용액에 담궈 노광된 PR의 형태가 현상이 잘 되도록 하는 장치
- Photo공정에서 PR코팅 및 전처리 후 노광이 끝나면 노광된 PR의 현상을 위한 Bath로 현상용액이 담겨져 있음
※사용 시 주의사항
테플론으로 제작된 캐리어와 핸들러를 사용하여 화학약품이나 현상액이 손에 묻지 않도록 주의
2-2. Aligner를 이용한 패턴노광하기
-> 실험 실습에 대한 내용 및 절차
Mask는 회로가 그려져 있는 1차적 형태
타겟이 되는 Wafer에 2차적으로 패턴을 그림
1. Sample Stage와 Mask Chuck을 이용하여 Wafer와 Mask를 노광위치로 이동한다.
-> 빛을 마스크에 노광하게 되면 Mask에 있는 패턴이 Wafer에 그려집니다.
2. 오른쪽, 왼쪽 대물렌즈를 각각 이동하여 Align Key가 있는 부위로 이미지를 이동한다.
-> Align Key를 이동을 하여 제대로된 위치에 Mask와 Wafer가 일치가 되도록 정렬해줍니다.
3. 오른쪽, 왼쪽 대물렌즈의 초점을 맞춘다.
-> 초점을 맞춰야 정확히 보여 정확한 위치로 찾아가게 할 수 있습니다.
4. Shutter: 접안렌즈로 볼지, 모니터로 display 할지 조정하면서 후 Aling Key를 정확히 일치시킨다.
-> Shutter는 렌즈 사이에 있어 사람이 작동을 할 수도 있고, 모터로 구동을 할 수 있습니다.
Shutter의 ON, OFF의 유무에 따라 OFF일 때 사람이 육안으로 볼 수 있고, ON일 때 모니터를 보면서 공정을 수행할 수 있습니다.
5. 스위치 또는 컴퓨터 상의 버튼을 작동시켜서 노광을 설치한다.
-> 컴퓨터 상의 버튼을 이용하여 노광 ON을 작동하면 램프에 의해 빛이 들어가 Mask에 이미지가 내려올 수 있도록 도와줍니다.
※ 실습 시 유의사항
Q. Photo 장비를 사용하여 노광공정을 실시할 때
- 외부로부터 빛이 침투되지 않도록 유의!
(원하는 자외선이 원하는 패턴을 정확하게 전사할 수 있도록 해야하는데 외부의 빛(노이즈)가 들어가면 회로의 패턴이 잘못될 수 있어 주의를 해야합니다.)
Q. Hot Plate를 사용하여 Soft, Hard Baking을 할 때
- 장갑이 Plate에 닿아 녹지 않도록 주의!
(흔히 할 수 있는 실수가 Wafer를 한장씩 사람 손으로 잡아서 올려놓을 때, 95도에서 110도의 열 때문에 눌러붙어 찌꺼기가 남아있을 수 있는데 이렇게 계속 Wafer를 올려 계속 사용하다 보면 Wafer들이 계속 오염이 되서 불량이 날 수 있습니다.)
전문가의 노하우 및 Tip
사람의 손 대신 트위저(핀셋)를 이용하여 오염이나 불량을 막게 할 수 있습니다.
그래도 오염이 있을 수 있어 근래에는 Vacuum 스위치가 달려있는 진공 트위저를 사용합니다.
- Hot Plate를 사용하여 Soft, Hard Baking을 할 때 장갑이 손상되지 않도록 유의
-> 진공 트위저나 스테인리스 트위저를 꼭 사용!
심화학습
오늘 학습한 내용을 바탕으로 OHP 필름을 활용해서 암실에서의 사진현상공정을 직접 수행해 보려고 합니다.
어떤 순서로 수행해야 할까요?
우리가 직접 암실에서 사진을 현상할 수 없지만, OHP 필름을 활용해서 노광연습을 해 볼 수 있습니다.
1. 유리조각에 PR을 코팅하여 인덕션렌지에 올려 95도로 Baking합니다.
2. OHP 필름에 도형을 그려서 인쇄합니다.
3. OHP 필름에 패턴을 전사해 보면 Baking 온도와 노광 감도에 대한 영향을 파악할 수 있습니다.
4. 노광하여 도형 현상 만들기를 하면 됩니다.
=> 직접 현상을 할 수는 없지만 간접적으로 체험해 볼 수 있습니다.
학습정리
1. Photo 장비의 구성 이해하기
- Photo 장비란 광특성을 이용하여 반도체 회로를 마스크에서 Wafer로 전사하는 장비로써 노광장비라고도 함
- 노광을 하기 위한 전처리를 위하여 Track이라는 장비를 사용함
2. Photo 장비의 종류와 성능 파악하기
- Photo 장비의 핵심인 노광장비는 크게 Alinger와 Stepper로 나누어짐
- Track의 내부 구조는 Carrier Station, Spin Coater, Soft Hard Bake, Develop으로 구성되며, 노광 전후 공정에서 사용됨