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제 10 장 Lithography II
1. Mask Technology
(1) 제작 방법
▢ hand-cut or machine cut artwork (rubi lith)
• 보통 250 배율로 만들고 나서 2 단계를 거쳐 사진기 를 이용하여 축소시킴
• 해상력 > 4μm
▢ optical pattern generation
• 직접 사진용 판에 최종 크기로 노광시킴
• 해상력 > 2μm
▢ e-beam pattern generator
• 직접 감광막에 노광시킴.
• 해상력 < 0.5μm
(2) 기본 mask 구조
Glass Blank Plate : chrome, Si, iron oxide
• Issues:
- Blank: 빛의 투과성, 열 팽창, 표면의 평판도 - Plate: 패터닝, 내구성, 결함 농도
▢ Dark Field vs. Clear Field
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2. Mask Aligner Technology
(1) Mask Aligner 종류
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▢ Projection Printing 종류
3. Physical Limitations of Optics
(1) Diffraction (회절)
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(2) Diffraction and Image Formation
▢ Abbe Theory of Image Formation
(3) Resolution
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• Resolution
- Printable Pminimum = sin
∵ The lens has to collect at least the n =1 diffracted beams to show any spatially varying intensity on wafer.
∴ Resolution =
min
sin
- Practically, resolution =
k1: a constant between 0.25 and 1, depending on optics, resist, and process latitude. Typically k1 = 0.6
* Numerical aperture = sinθ
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(4) Depth of Focus
• Depth of Focus
λ
4 = D oF - D oF cos θ = D oF( 1 - cos θ )
여기서, c o s θ = 1 - 2 s in 2 ( θ2 ) ≈ 1 - 2 ( N A2 ) 2
∴ λ
4 = D o F NA 2 2
∴ D o F = ± λ
2 NA 2 실제적으로는, D o F = ± k λ
NA 2
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4. Misalignment Error
• Use special alignment structures boxes within boxes, or crosses within crosses
• New layer aligned within layer below
• Watch for 3 types of errors ① Thermal run-out
② Translational error ③ Rotation errors
▢ Alignment Marks in Mask
• Each level has it own alignment mark
• Generally "plus" sign type
• Two types of alignment mark
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▢ Alignment Marks: Level to level
• Next level must be able to align to level below
• Upper level marks is wider by minimum geometer on each side
• Light field centers upper level in lower
• Dark field centers lower level in upper
• More complicated when mix differ level types
• Total Overlay Tolerance
σi = std. deviation of overlay error for ith masking step
σtotal = std. deviation for total overlay error * Layout design-rule spec. should be > σtotal
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5. Super Resolution Techniques
(1) Phase Shift Mask
(2) OPC(optical proximity correction) - 광학 근접 보정
- 이미지 능력을 향상시키기 위해 인접한 하위 해상도 형상을 변형시킨 모양들을 이용한 기술 (Square의 contact hole은 circle 로 되기 때문에 정확한 square를 만들기 위해 additional geometry를 사용한다)
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(3) Off-Axis Illumination
6. Next Generation Lithography
XRL: X-Ray Lithography
EPL: Electron Projection Lithography IPL: Ion Projection Lithography
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(1) EUV (Extreme Ultra-Violet) Lithography
▢ 특성
- 극자외선 리소그래피는 차세대 기술로써 throughput 손실 없이 최소 선폭을 30nm로 향상시킬 수 있음
- 극자외선 파장 : 10~14nm
▢ 광원
- Discharge-produced Sn Plasma: 13.5 nm - Laser-produced Xe Plasma: 11.4 or 13.5 nm
▢ 노광 시스템
- 극자외선은 렌즈를 통과할 수 없으므로 거울의 반사를 이용하여 상을 축소시키고 또한 이러한 반사율을 극대화 하기 위하여 다층 박막을 이용함. 즉, 극자외선을 마스크 에 반사시켜 웨이퍼 위에 패턴 형성
▢ 극자외선 리소그라피 장치의 개략도
* paraboloid: 포물면, ellipsoid: 원면
▢ 문제점
- 극자외선은 모든 물질에 강하게 흡수가 잘 된다. 따라 서 리소그래피 공정 시 챔버 안은 진공 상태를 유지해야 한다.
- Mask blank는 방출되는 파장 (10~14nm)의 반사도를 최대화하기 위해 다층으로 코팅을 해야만 한다.
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(2) X-Ray Lithography
▢ 특성
• 파장: 5 - 20 Å
• Advantages
- High resolution: 0.1 μm 이내 - Large DoF ( > ±10 μm )
- Wide field size: 50 x 50 mm2 - Single layer resist processes
▢ 노광 장치
① Proximity Exposure System
② Projection Exposure System
▢ 문제점
• Mask fabrication
• Large optical facilities
• High accuracy alignment system
• High sensitivity resist material
▢ Mask Fabrication Processes
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(3) E-Beam Lithography
▢ 특성
• 파장
(e.g. λ = 0.07 Å with 30 KV)
• Advantages
- High resolution ~ 1 nm
organic resist PMMA ~ 7 nm
inorganic resist, b.v. AlF3 ~ 1-2 nm - Large DoF ( > ±10 μm )
- Chip size free - Maskless
• 문제점
- Low throughput -> cell/block exposure - Proximity effect/ charge-up
- High sensitivity/ high resolution resist
▢ Exposure System Schematics
▢ Inter and intra proximity effects in e-beam exposure
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▢ Cell Projection System
(4) Immersion Lithography
• liquid with index of refraction n>1 is introduced between the imaging optics and the wafer
• λliquid = λair /n
• With water, the index of refraction at = 193 nm is 1.44, improving the resolution significantly
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(5) Ion Beam Lithography
• 이온 빔 리소그래피는 광, X-선 또는 전자 빔 리소그래 피 기술보다 고해상도를 갖는다. 왜냐하면 이온은 높은 질량을 가지며 따라서 전자 보다 덜 산란이 된다. 가장 중요한 적용은 광 리소그래피를 위한 마스크의 repair이 다
Trajectories of 60-keV H+ ions traveling through PMMA into Au, Si and PMMA
• ion beam의 산란은 매우 적고 Si의 경우 back scattering이 거의 없다 (Au 경우 아주 적음)
• 그러나 ion beam litho는 ion beam를 broadening하 는 space charge 효과가 생길 수 있다
• 여러 가지 lithography 기술들의 상호 비교