코드 디스크 제조 공정
노광: 패턴을 코드 디스크에 '찍어 내다'
노광은 포토리소그래피의 핵심 단계로, 자외선이 포토마스크를 통과해 코드 디스크 패턴을 포토레지스트에 ‘찍어 낸다’. 이 글은 밀착 노광과 근접 노광의 차이, 노광량이 왜 딱 맞아야 하는지, 갭과 파장이 찍을 수 있는 가장 가는 선을 어떻게 제한하는지, 그리고 정렬은 무엇에 맞추는지를 설명한다.
옛날 사진관에서는 필름을 인화지에 눌러 대고 불을 잠깐 켜서 사진을 뽑았다. 필름의 상이 인화지에 ‘찍혀’ 나오는 것이다. 코드 디스크의 노광도 원리는 거의 같다. 필름이 포토마스크로, 인화지가 포토레지스트를 바른 크롬 막 유리로, 전등이 자외선으로 바뀌었을 뿐이다. 다른 점은 여기서 찍어야 할 선이 겨우 몇 마이크로미터 폭일 수도 있다는 것이다.
노광에 필요한 세 가지
- 포토마스크: 투명 유리 위에 크롬으로 코드 디스크 패턴을 만든 것으로 ‘필름’에 해당한다. 코드 디스크처럼 1:1로 복제하는 패턴은 마스크가 코드 디스크와 같은 크기다.
- 자외선: 흔히 수은 램프의 자외선 휘선, 예컨대 365 nm의 i선을 쓰며 자외선 LED를 쓰기도 한다. 빛은 최대한 평행하고 조도가 균일해야 한다.
- 포토레지스트: 자외선과 단파장 빛에만 감광하므로 리소그래피실은 황색등으로 조명한다.
흔히 쓰는 포지티브 레지스트는 빛을 받은 부분이 현상액에 녹는다. 마스크 위의 차광 크롬이 빛을 막은 곳은 레지스트가 남고, 그 아래 크롬도 눈금선으로 남는다. 따라서 포지티브 레지스트를 쓰면 마스크의 흑백과 코드 디스크의 흑백이 일치한다.
밀착식과 근접식
그림 1 참조. 밀착 노광은 마스크를 레지스트 면에 직접 눌러 대는 방식으로, 빛이 개구부에서 곧장 내려가 거의 퍼지지 않고 에지가 선명하다. 대가는 마스크가 레지스트와 반복해서 접촉해 쉽게 마모되고 레지스트나 파티클이 묻는다는 것이다. 파티클 하나가 이후 모든 기판에 결함을 찍어 낼 수도 있다.
근접 노광은 마스크와 레지스트 사이에 작은 갭 g를 두는 방식으로, 마스크가 레지스트에 닿지 않아 수명이 길고 결함이 적다. 그러나 빛이 개구부를 지난 뒤 회절해 에지가 흐려지고, 일부 빛은 크롬 선 아래로 ‘새어 들어가’, 그림 1 오른쪽의 노광량 곡선은 더 이상 가파른 사각형이 아니다.
노광량: 딱 맞아야 한다
노광량 = 조도 × 시간. 레지스트 표면 한 점의 누적 노광량이 임계값을 넘어야 그 점의 레지스트가 현상 때 녹는다.
- 노광 부족: 개구부가 완전히 열리지 않거나 바닥에 얇은 잔류 레지스트가 남아, 에칭 후 잔류 크롬이 생기고 투광 슬릿이 좁아진다.
- 노광 과다: 에지에서 새어 든 빛도 임계값 이상으로 누적되어 개구부가 넓어지고 크롬 선이 가늘어진다.
그림 1 오른쪽은 단순화한 회절 모델로 이를 보여 준다. 같은 마스크 개구부에서 노광 부족이면 레지스트 개구부가 마스크 개구부의 약 79%에 그치고, 적정이면 거의 같은 폭, 과다이면 약 119%에 이른다. 밀착 노광은 에지가 가팔라 같은 노광량 변화로 생기는 선폭 변화가 훨씬 작다.
램프 조도는 사용 시간에 따라 떨어지므로 조도계로 정기적으로 측정해 시간을 조정해야 한다. 조도가 10% 떨어지면 노광 시간을 약 11%(1 ÷ 0.9 ≈ 1.11) 늘려야 노광량이 유지된다.
해상도를 제한하는 것
근접 노광으로 선명하게 찍을 수 있는 가장 가는 선은 대략 √(λ × g)로 추정할 수 있다. λ = 0.365 μm로 하면:
| 갭 g | 추정 해상 선폭 |
|---|---|
| 10 μm | 약 1.9 μm |
| 50 μm | 약 4.3 μm |
| 100 μm | 약 6.0 μm |
듀티비 1:1 코드 디스크와 비교하면, 반경 20 mm에 2500라인이면 선폭은 약 25 μm로 갭에 여유가 많다. 반경 5 mm에 10000라인이면 선폭은 약 1.6 μm에 불과해 갭을 몇 마이크로미터까지 줄여야 하며, 사실상 밀착 노광밖에 없다(그림 2 참조).
또한 빛의 평행도가 부족해도 에지가 흐려진다. 광선이 1° 기울면 30 μm 갭을 지난 뒤 옆으로 약 0.5 μm 벗어난다. 밀착 노광은 갭이 없지만 레지스트 두께와 마스크·기판의 밀착 균일성의 영향을 받는다.
정렬: 패턴을 어디에 둘 것인가
코드 디스크 패턴은 보통 한 층뿐이어서, 정렬은 주로 패턴이 기판의 올바른 위치에 오도록 하는 것이며, 마스크의 센터링 링과 마크와 함께 이후 절단과 조립의 기준이 된다. 양면이나 다층 패턴은 현미경으로 마스크 마크와 기판 마크를 맞춰야 한다. 마스크와 기판은 평행해야 하고 갭이 어디서나 같아야 하며, 그렇지 않으면 한 장 안에서 선폭이 달라진다.
요약
노광은 마스크의 패턴을 레지스트에 복제한다. 밀착식은 선명하지만 마스크를 상하게 하고, 근접식은 마스크를 보호하지만 흐려진다. 노광량은 개구부의 폭을, 갭과 파장은 얼마나 가늘게 찍을 수 있는지를 결정한다. 선이 가는 코드 디스크일수록 노광에 대한 요구가 까다롭다.
중국어 원문 기사 번역 (0024). ENC7 코드 디스크 제조사 (문의) · 기술 자료 · https://enc7.com
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