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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

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▢ Dark Field vs. Clear Field

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2. Mask Aligner Technology

(1) Mask Aligner 종류

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▢ Projection Printing 종류

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3. Physical Limitations of Optics

(1) Diffraction (회절)

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(2) Diffraction and Image Formation

▢ Abbe Theory of Image Formation

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(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 =

minsin

- 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

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• Depth of Focus λ4

= DoF - DoF cos θ = DoF ( 1 - cos θ )

여기서, c o s θ = 1 - 2 s in 2 ( θ2 ) ≈ 1 - 2 (NA2 )

2

∴ λ4

= D oFNA 2

2

∴ D oF = ± λ2 NA 2

실제적으로는, D oF = ± k λNA 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

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▢ 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

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• 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

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(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

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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

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▢ 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 장치① Proximity Exposure System

② Projection Exposure System

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▢ 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

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▢ Inter and intra proximity effects in e-beam exposure

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▢ Cell Projection System

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(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 nmis 1.44, improving the resolution significantly

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(5) Ion Beam Lithography

• 이온 빔 리소그래피는 광, X-선 또는 전자 빔 리소그래피 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 broadening하는 space charge 효과가 생길 수 있다

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• 여러 가지 lithography 기술들의 상호 비교