포토 공정의 해상도(Resolution), 초점심도(DOF, Depth of Focus)

해상도, Resolution(Res): Mask 패턴을 노광하였을 때, 전사될 수 있는 최소 크기

즉, 해상도는 구현할 수 있는 최소 선폭의 한계를 의미한다.

Resolution이 작다 = 해상도가 좋다 = 최소 선폭이 작다 = 미세 공정 구현하기 좋다.​

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반도체에서 해상도가 중요한 이유는 단가 때문이다.

해상도가 좋으면, 구현할 수 있는 패턴 간의 간격이 좁아진다고 했다.​

 

 

해상도와 단가 간 관계

해상도가 나쁠 때, 웨이퍼 1장 당 들어갈 수 있는 패턴 크기가 커지고 CHIP의 개수가 적어진다.

(노란색 영역 밖의 칩은 온전한 칩이 아니라서 수율 CHIP 개수로 넣지 않는다.)

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즉, 패턴 크기가 작아지면 만들 수 있는 Chip(칩)이 작아지고, 한 웨이퍼에 들어갈 수 있는 칩이 많아진다.

같은 포토 공정을 진행한다고 했을 때, 동일 비용에서 해상도가 좋으면 칩 당 생산 단가가 더 떨어지고, 판매 개수가 더 많아지게 되어 더 많이 돈을 벌 수 있다는 말이다. (포토공정이 반도체의 꽃인 이유!)

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해상도를 구하는 식

K1 상수, 빛의 파장, NA는 개구 수이다. 광원의 파장에 비례하고 렌즈의 개구수(NA)와 반비례하는 관계이다.

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n은 빛이 통과하는 매질의 굴절률이다.

(공기는 굴절률이 1이다. nair = 1)

sin 값은 렌즈의 굴절 각이다.

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즉, 해상도는 NA와 반비례하므로 굴절각이 커지면 커질수록 해상도가 작아진다. = 패턴 해상도가 커진다

(굴절각을 크게 하려면 렌즈를 크게 만들면 된다 )

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그러면 굴절각을 계속 크게 하면 해상도가 좋아지지 않나요?

> 아니다.

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굴절각이 계속해서 커지면 생기는 문제는 초점을 맞추기가 어려워진다. 이런 지표를 초점 심도 (DOF, Depth of Focus)라고 한다.

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초점 심도란?

노광 과정에서 패턴을 웨이퍼에 구현하기 위해 Mask, Lense, Wafer를 정렬(Align) 하여 초점을 맞추는데 목표하는 해상도를 갖출 수 있도록 허용 가능한 렌즈의 수직 정렬 오차한계의 척도.

 

쉽게 말하자면, 제대로 초점을 맞추어 상이 선명하게 맺힌다고 할 때의 렌즈의 상하 이동 마진으로 초점을 맞추는 난이도가 낮은지 높은지를 나타내는 척도이다.

 

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초점 심도가 클수록 렌즈의 수직이동 마진이 큰 것​​이고, 렌즈가 상하로 많이 움직여도 초점이 잘 맞는다.

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초점 심도가 작으면 렌즈가 아주 조금이라도 움직이면 초점이 틀어져서 초점이 잘 맞지 않는다.

 

이런 초점심도는, 노광 설비의 양산 성과 직접적인 관계가 있다. (마진이 작을수록 공정 난이도가 올라가고 불량률이 커진다.)

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초점 심도 공식

 

초점심도의 공식에서 볼 수 있듯이 렌즈뿐만 아니라 파장이 작을수록 DOF 값이 작아지게 되어 초점을 맞추기 어렵다.

 

Resolution과 DOF는 노광기술의 핵심 원리이다.

포토 공정에서 광원의 파장과 렌즈의 굴절률은 매우 중요한 기술의 변수가 되지만,

이 두 가지 특성은 Trade off의 관계이다.

(하나가 좋아지면, 하나가 나빠지는 관계)

 

DOF는 NA의 제곱에 반비례하기 때문에 렌즈를 이용하는 방법에는 한계가 있기 때문에, 광원의 파장을 줄이는 기술이 더욱 중요하다고 할 수 있다.

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다음에는 광원의 파장 변화에 따른 노광 설비에 대해서 말해보고자 한다. (i-Line, krF, ArF, i-Arf, EUV 등등)