감광막(PR)의 화학

같은 Reticle, 같은 Scanner, 같은 Dose로 찍었다. 그런데 PEB 모듈 한 대를 거친 웨이퍼만 선폭이 몇 nm 다르고, 노광 뒤 오래 기다린 Lot은 라인 윗부분이 모자처럼 넓게 남는다. 노광이 끝난 감광막 속에서는 무슨 일이 계속되고 있었을까? 이 장은 빛이 감광막의 '녹는 정도'를 바꾸는 원리에서 시작한다. 그리고 g·i-line 시대의 DNQ–Novolac, 광자 하나로 수십~수백 번의 반응을 일으키는 화학 증폭형 레지스트(CAR), 온도 1 °C에 CD가 움직이는 PEB, 공기 속 몇 ppb의 염기가 패턴을 망치는 이유, 현상 속도가 단면을 빚는 과정, EUV 시대의 금속 산화물 레지스트까지를 시뮬레이터로 따라간다.

빛이 용해도를 바꾼다: Positive와 Negative

1장에서 감광막(PR) 패턴이 식각과 이온 주입의 마스크가 된다는 것을 보았다. 이 장은 그 패턴이 어떻게 생기는지를 화학으로 들여다본다. 사진 필름처럼 감광막도 빛을 받으면 화학 상태가 바뀐다. 다만 감광막이 기록하는 것은 색이나 밝기가 아니라 현상액에 녹는 정도, 곧 용해도다. 노광은 위치마다 용해도의 차이를 만들고, 현상은 그 차이를 모양으로 바꾼다. 노광 직후의 막은 겉보기에 아무 변화가 없다. 모양이 없는 이 화학적 무늬를 잠상(Latent image)이라 부른다.

감광막은 크게 세 가지로 이루어진다. 막의 몸체가 되는 고체 고분자 수지(Resin), 이것을 액체로 만들어 웨이퍼에 바를 수 있게 하는 용매(Solvent), 그리고 빛에 반응하는 감광제(PAC, Photoactive compound)다. Positive 감광막에서 감광제는 노광 전에는 막이 녹는 것을 늦추고, 노광 뒤에는 오히려 빨리 녹게 만든다. 같은 수지라도 감광제가 무엇이냐에 따라 빛을 받은 곳과 받지 않은 곳의 운명이 갈린다.

그 운명을 부르는 이름이 Tone(패턴의 극성)이다. Positive(Positive tone)에서는 빛을 받은 곳이 현상에서 제거되고, Negative(Negative tone)에서는 빛을 받은 곳이 남는다. 이 구분을 외울 때는 Reticle의 밝고 어두운 부분만 보지 말고, 현상이 끝난 뒤 어느 부분이 웨이퍼 위에 남는지까지 따라가야 한다. 같은 자리에 같은 빛을 주어도 감광막과 현상 방식에 따라 남는 패턴이 정반대가 된다.

Reticle: 가운데 크롬이 빛을 막는다 빛 없음 노광부 노광부 노광 직후: 모양은 그대로이고 화학 상태(잠상)만 다르다 Positive: 빛 받은 곳이 녹는다 DNQ–Novolac, Positive CAR Negative: 빛 받은 곳이 남는다 가교형 Negative, NTD
그림 1. 같은 노광, 반대의 결과. 노광은 막의 화학 상태만 바꾸고 모양은 바꾸지 않는다. 현상에서 Positive는 빛을 받은 곳이 녹아 크롬 아래의 막이 남고, Negative는 빛을 받은 곳이 남는다. 같은 Reticle이라도 Tone이 바뀌면 남는 패턴이 뒤집힌다. 반응의 세부 방식은 재료마다 다르다.

여기서 흔히 헷갈리는 점이 있다. Positive와 Negative는 무엇이 남는가를 말하는 분류이고, 감광막이 어떤 화학으로 반응하는가는 따로 구분한다. 예를 들어 기존의 Negative 상은 빛을 받은 고분자가 서로 엮이는 가교(Cross-linking)로 만들지만, 7절의 NTD(Negative tone development)는 보통 Positive로 쓰는 ArF 레지스트를 그대로 두고 현상액만 유기 용매로 바꿔 노광부를 남긴다. 같은 화학 증폭형 화학을 두 Tone으로 모두 쓸 수도 있다. 거꾸로 Positive 안에도 2절의 DNQ–Novolac처럼 감광제가 용해를 막다가 풀어 주는 재료가 있고, 4절의 화학 증폭형(CAR)처럼 노광이 만든 산이 뒤이은 반응을 일으키는 재료가 있다. 재료 이름만 보고 베이크 조건이나 최종 단면을 정할 수 없는 이유다.

광원파장주된 감광막
수은등 g-line · h-line · i-line436 · 405 · 365 nmNovolak 수지 + DNQ 감광제 + 용매
KrF 엑시머 레이저248 nmt-BOC 등으로 OH를 막은 PHS 수지의 화학 증폭형
ArF 엑시머 레이저(건식·액침)193 nm아다만탄 계열 메타크릴레이트 공중합체의 화학 증폭형(NTD 예)
EUV(레이저 생성 플라즈마)13.5 nm화학 증폭형, 주석 등 금속 산화물 레지스트
표 1. 노광 파장과 감광막의 계열. 파장은 Luo 등의 리뷰가 정리한 값이다. 파장이 짧아질 때마다 감광막의 화학이 바뀐 이유를 2~4절과 8절에서 본다.

대비 곡선: 얼마나 '스위치처럼' 바뀌는가

감광막이 Dose에 얼마나 날카롭게 반응하는지는 간단한 실험으로 잰다. 웨이퍼에 감광막을 바르고 넓은 면적을 Dose를 바꿔 가며 노광한 뒤 현상하고, 남은 두께를 잰다. 남은 두께를 처음 두께로 나눠 Dose의 로그에 대해 그린 것이 대비 곡선(Contrast curve)이다. Positive에서는 Dose가 커질수록 두께가 1에서 0으로 떨어지고, 막이 다 녹아 없어지는 Dose를 Dose-to-clear(Clearing dose, E₀)라 한다. Negative에서는 같은 기준점이 막이 남기 시작하는 Dose이며 Gel dose(겔 Dose)라 부른다.

곡선이 떨어지는 구간의 기울기가 레지스트 대비(Resist contrast, γ)다. 공간상의 대비(4장)와는 다른 양이다. 원래 사진 필름의 H-D 곡선에서 빌려 온 개념으로, Mack은 남은 두께를 ln E에 대해 미분한 기울기를 E₀에서 잰 값으로 정의한다. 강의 자료에서는 녹기 시작하는 Dose와 다 녹는 Dose만으로 쓰는 간단한 꼴을 쓴다.

$$\frac{T}{T_0} = \gamma\,\log_{10}\!\frac{E_0}{E}\quad(E_s \le E \le E_0),\qquad \gamma = \frac{1}{\log_{10}(E_0/E_s)}$$
\(T/T_0\): 현상 뒤 남은 두께의 비율(0~1), \(E\): Dose(mJ/cm²), \(E_0\): Dose-to-clear, \(E_s\): 막이 얇아지기 시작하는 Dose. Negative는 \(\log_{10}(E/E_g)\) 꼴이고 \(E_g\)가 Gel dose다.

γ가 크다는 것은 막이 '녹지 않음'에서 '다 녹음'으로 넘어가는 Dose 구간이 좁다는 뜻이다. γ = 3이면 E₀의 절반만 받아도 막이 거의 그대로 남는다(계산: 10−1/3 ≈ 0.46). Mack은 현상 속도 측정값으로 AZ1350J 레지스트의 γ를 약 3.1(70 °C 프리베이크)과 2.8(100 °C)로 계산했다. 이 값이 왜 중요할까? 렌즈가 만든 공간상은 라인 가장자리에서 계단이 아니라 완만한 비탈이다(4장). γ가 큰 감광막은 이 완만한 빛의 비탈을 가파른 벽으로 바꾼다. 아래 시뮬레이터에서 대비 곡선을 공간상의 위치마다 적용해 보자.

SIMULATOR

대비 곡선이 측벽을 만든다: γ와 Dose

Tone
대비 곡선공간상 위치별 Dose의 범위현상 뒤 남은 막(아래 단면)
곡선이 변하는 Dose 구간—
패턴 가운데 남은 두께—
녹아야 할 곳의 잔막—
측벽 폭 (90→10 %)—
해볼 것: ① 기본값(γ 3, E₀ 100, Dose 250 mJ/cm²)에서 측벽 폭은 약 80 nm다. γ를 10으로 올리면 측벽 폭이 약 30 nm로 줄어 벽이 선다. γ를 1로 내리면 측벽이 눕고 라인 가운데도 30 % 가까이 깎인다. ② γ 3에서 Dose를 150 mJ/cm²로 내려 보자. 스페이스 바닥에 막이 17 %쯤 남는다(잔막). 반대로 700 mJ/cm² 근처까지 올리면 빛이 거의 닿지 않던 라인 가운데마저 깎이기 시작하고, γ가 낮을수록 먼저 무너진다. ③ Negative로 바꾸면 같은 마스크·같은 Dose에서 남는 곳이 뒤집힌다. 위 그래프의 띠가 공간상의 어두운 곳(왼쪽 끝)부터 밝은 곳(오른쪽 끝)까지의 Dose 범위다. (학습용 모델: 공간상은 i-line(365 nm), NA 0.5, σ 0.5, 피치 700 nm 1:1 라인으로 엔진이 계산했다. 대비 곡선을 위치마다 그대로 적용하므로 현상이 옆으로 번지는 효과(7절)와 깊이에 따른 노광 차이(3절)는 넣지 않았다. E₀는 학습용 값이다.)

그런데 γ 하나만 보고 감광막을 고르면 함정에 빠질 수 있다. Mack은 잰 γ가 이론적인 대비와 같아지는 것은 막 두께 방향으로 현상 속도가 일정할 때뿐이라고 지적한다. 또 염료를 넣으면 잰 γ는 낮아지지만 노광 여유는 대개 줄지 않고, 계면활성제를 넣은 현상액은 잰 γ를 크게 올리지만 해상도나 여유는 좋아지지 않는 경우가 많다. 넓은 면적에서 잰 한 숫자보다, 7절에서 볼 '현상 속도가 노광에 얼마나 민감한가'가 더 근본적인 양이다.

① 도포 · Track 수지·감광제·용매 액체 회전으로 얇은 막 ② Soft bake · Track 용매를 날려 막을 굳힘 DNQ는 70 °C 넘으면 분해 ③ 노광 · Scanner DNQ 분해 또는 PAG → 산 모양 없는 화학 잠상 ④ PEB · Track CAR: 산이 보호기를 뗀다 산 확산, 정상파 흐리기 ⑤ 현상 · Track 용해 속도의 차이로 녹을 곳만 녹는다 ⑥ 패턴 ADI 검사를 거쳐 식각·주입의 마스크
그림 2. 감광막이 겪는 화학의 순서. 도포·베이크·현상은 Track이, 노광은 Scanner가 맡는다(장비는 3장과 7장). TEL의 특허는 PEB의 역할을 노광 뒤 정상파를 없애는 일 또는 화학 증폭형 레지스트의 화학 반응을 진행시키는 일로 설명한다. Soft bake 온도의 영향은 2절, PEB의 화학은 5절에서 다룬다. PEB가 필요한지와 세부 순서는 감광막과 공정에 따라 다르다.

g·i-line의 주인공: DNQ–Novolac

g-line과 i-line 시대의 감광막은 대부분 페놀 계열의 Novolak 수지(Novolac resin)에 DNQ(Diazonaphthoquinone, 디아조나프토퀴논) 감광제와 용매를 섞은 것이다. Novolak만 있으면 묽은 염기 현상액에 꽤 잘 녹는다. 그런데 DNQ는 현상액에 잘 녹지 않아서, 수지에 섞어 두면 막 전체가 녹는 속도가 크게 느려진다. DNQ가 용해 억제제(Dissolution inhibitor) 노릇을 하는 것이다.

빛을 받으면 이 억제제가 정반대의 물질로 바뀐다. DNQ는 질소 분자(N₂)를 내놓고 반응성이 큰 중간체(카벤)가 되며, 이것이 곧바로 자리를 옮겨 케텐이 된다. 케텐은 막 속의 물과 반응해 묽은 염기에 잘 녹는 산(인덴 카복실산)이 된다. 강의 자료는 같은 과정을 이렇게 풀어 쓴다. 빛이 N₂를 떼어 내면 여섯 개의 고리 탄소 가운데 하나가 고리 밖으로 나가 오각 고리가 남고, 물과 만나 OH가 붙으며 산이 되고, 이 산은 염기성 현상액에 녹는다.

DNQ 녹는 것을 막는다 카벤 N₂가 빠진 중간체 케텐 오각 고리로 바뀜 카복실산 염기에 잘 녹는다 빛 · N₂↑ Wolff 자리옮김 + H₂O 노광 전 DNQ가 Novolak의 OH를 수소 결합 사슬로 묶어 염기가 스며드는 길을 막는다 노광 뒤 발열 반응의 국소 가열이 사슬을 끊어 길이 열리고 Novolak 본래 속도로 녹는다
그림 3. DNQ–Novolac이 빛으로 녹게 되는 두 가지 그림. 위: 화학 반응의 순서. 아래: Reiser가 제안한 분자 수준의 그림. 위 그림은 '녹는 물질이 새로 생긴다'를, 아래 그림은 '녹는 것을 막던 것이 사라진다'를 강조한다. 분자 구조는 그리지 않은 개념도다.

그런데 녹게 되는 이유를 다르게 보는 연구도 있다. Reiser의 모델에서 염기는 Novolak의 페놀 OH 자리를 징검다리 삼아 막 속으로 스며든다. DNQ는 주변의 OH들을 수소 결합 사슬로 묶어 이 징검다리의 연결을 끊고, 그래서 막이 느리게 녹는다. 빛을 받으면 매우 빠르고 열을 많이 내는 Wolff 자리옮김이 일어나 그 자리의 온도가 순간적으로 200 °C를 넘게 오르고, 이 열이 사슬을 끊는다. 그 결과 노광부의 용해 속도는 순수한 Novolak 수준으로 돌아가며, 새로 생긴 인덴 카복실산이 더하는 효과는 작다는 것이다. 두 설명을 합치면 이렇게 정리할 수 있다. 노광은 용해 억제를 없애고, 동시에 잘 녹는 산물을 만든다. 어느 쪽이 더 크게 작용하는지는 연구자마다 강조점이 다르다.

DNQ 반응에는 중요한 한계가 하나 있다. 광자 하나가 일으키는 변화가 많아야 DNQ 하나다. 실제로 기존 감광막에서 녹지 않는 상태를 녹는 상태로 바꾸는 양자 효율(Quantum yield)은 1보다 훨씬 작다. 감도를 높이려면 그만큼 빛을 많이 쏘아야 한다는 뜻이고, 이것이 4절에서 볼 화학 증폭이 등장한 배경이다.

DNQ는 열에도 민감하다. 도포 뒤의 프리베이크(Soft bake)가 70 °C를 넘으면 DNQ가 빛에 반응하지 않는 물질로 분해되기 시작하고, 이 분해는 시간에 따라 지수적으로 진행하는 1차 반응으로 기술된다. 예를 들어 Kodak 820 레지스트를 95 °C 대류 오븐에서 1시간 구우면 감광제의 15 %가 분해되었다. 프리베이크 온도는 현상 속도의 성질도 바꾼다. AZ1350J에서 프리베이크를 70 °C에서 100 °C로 올리면 다 노광된 막의 용해 속도(rmax)와 선택성(n)이 줄고, 노광되지 않은 막의 용해 속도(rmin)는 커졌다. Soft bake는 단순히 '말리는' 단계가 아니라 감광막의 화학을 미리 정해 두는 단계다.

Novolac은 왜 DUV로 넘어가지 못했나

파장이 248 nm 아래로 짧아지자 Novolak은 빛을 너무 많이 흡수했다. 위쪽에서 빛이 다 먹혀 막의 바닥까지 노광되지 않으니 바닥이 현상되지 않는다. 게다가 당시 원자외선 광원은 세기가 약했고, 양자 효율이 1보다 훨씬 작은 기존 감광막으로는 감도가 모자랐다. 투명도와 감도라는 두 문제를 함께 푼 것이 4절의 화학 증폭형 레지스트다. 막 깊이에 따른 흡수는 바로 다음 절의 Dill 모델로 숫자로 볼 수 있다.

막 속으로 들어가는 빛: Dill의 A·B·C

감광막 윗면이 받은 에너지가 같아도 막 속의 반응은 깊이마다 다르다. 빛이 내려가면서 흡수되어 약해지고, 아래층에서 반사된 빛이 되돌아와 겹치기 때문이다. 그래서 원하는 선폭을 얻으려면 윗면의 공간상, 막 속의 노광 분포, 현상 뒤의 단면을 한 줄로 이어 보아야 한다. 이 절은 흡수만 다룬다. 반사가 만드는 정상파와 Swing curve는 5장에서 본다.

Dill 등은 1975년에 노광을 세 개의 광학 상수 A, B, C로, 현상을 감광제 농도의 함수인 용해 속도 R(M)으로 기술하는 모델을 내놓았다. 지금도 리소그래피 시뮬레이션의 출발점인 이 모델의 노광 부분은 두 줄의 식이다.

$$\alpha = A\,m + B,\qquad \frac{\partial I}{\partial z} = -\alpha\,I$$ $$\frac{\partial m}{\partial t} = -C\,I\,m \;\;\Rightarrow\;\; m = e^{-C\,I\,t}\ \ (\text{세기가 일정할 때})$$
\(m = M/M_0\): 남은 감광제의 비율(처음 1), \(\alpha\): 흡수 계수(µm⁻¹), \(A\): 반응하면 사라지는(표백되는) 흡수(µm⁻¹), \(B\): 반응과 관계없는 흡수(µm⁻¹), \(C\): 단위 Dose당 감광제가 반응하는 빠르기(cm²/mJ), \(I\): 깊이 \(z\)에서의 상대 세기, \(It\): 그 깊이가 받은 Dose.

A와 B는 성분의 흡광 계수로 풀어 쓸 수 있다. \(A = (a_M - a_P)M_0\), \(B = a_P M_0 + a_R R + a_S S\)이며, 아래 첨자 M은 감광제, P는 반응 산물, R은 수지, S는 용매다. 감광제가 산물보다 빛을 더 잘 흡수하면 A가 양수다. 그러면 노광이 진행될수록 막이 투명해지는 표백(Bleaching)이 일어나 아래쪽이 점점 더 많은 빛을 받는다. 깊이에 따른 노광 차이가 줄어드는 셈이다. A가 음수면 반대로 노광될수록 막이 어두워진다.

세 상수는 어떻게 잴까? Dill의 방법은 굴절률을 맞춘 투명 기판에 감광막을 입히고(뒷면에는 반사 방지막) Dose에 따른 투과율을 재는 것이다. 처음 투과율 \(T(0)\)과 다 노광된 뒤의 투과율 \(T(\infty)\)에서 \(A = \tfrac{1}{D}\ln[T(\infty)/T(0)]\), \(B = -\tfrac{1}{D}\ln T(\infty)\)를 얻고(D는 막 두께), C는 처음 투과율이 오르는 기울기에서 구한다. 기판에서 되돌아오는 빛을 없애야 막 자체의 흡수만 남기 때문에 이런 장치가 필요하다.

감광막A (µm⁻¹)B (µm⁻¹)C (cm²/mJ)
TOK THMR-iP3000 (i-line, 측정)0.63~0.690.04~0.120.0068~0.0090
XP-9402 (248 nm CAR, 적정법)——0.035
APEX-E 모델 (248 nm CAR)0.00.3620.0159
PROLITH 일반 CAR−0.100.300.01
표 2. 공개 문헌의 Dill 상수. THMR-iP3000은 기판 네 가지와 해석법 세 가지로 잰 범위이며, 이 가운데 B가 해석법에 따라 가장 많이 흔들렸다.

화학 증폭형 레지스트(CAR)에서는 빛에 반응하는 물질이 감광제 대신 4절의 광산 발생제(PAG)다. 식은 그대로 쓸 수 있어서, 남은 PAG는 \(G = G_0 e^{-CIt}\), 생긴 산은 \(H = G_0[1 - e^{-CIt}]\)이다. 표 2에서 APEX-E 모델의 A가 0인 것은 노광으로 막이 투명해지지 않는다는 뜻이다. 아래 시뮬레이터로 세 감광막의 깊이별 노광을 비교해 보자.

SIMULATOR

깊이별 노광과 표백: Dill A·B·C

감광막
남은 감광제 m(z) (옅은 선: Dose의 25·50·75 %)상대 세기: 노광 처음(점선)과 끝(실선)
바닥 세기 (처음 → 끝)—
윗면 m—
바닥 m—
위아래 차이 Δm—
해볼 것: ① 기본(i-line DNQ, 1 µm, 150 mJ/cm²)에서 바닥 세기는 노광 처음 0.48에서 끝 0.71로 오른다. 막이 표백되며 투명해졌기 때문이다. 바닥 m은 약 0.49다. ② 「표백 끄기」를 켜면 처음 흡수는 같은데 바닥 m이 0.56으로 올라 위아래 차이가 커진다. 막이 두꺼울수록(1.5 µm) 그 차이가 커진다. ③ 「KrF CAR」은 A = 0이라 표백이 없고 노광 내내 세기 분포가 그대로다(그래서 「표백 끄기」가 꺼진다). ④ 「진한 막(가상)」에서 두께를 1 µm 이상으로 하면 바닥 세기가 5 %도 안 되어, Dose를 400까지 올려도 바닥 m이 0.85 근처에 머문다. 바닥이 노광되지 않아 현상 뒤 바닥에 막이 남는다. (모델: 엔진 PH.dillExpose. i-line 상수 A 0.65, B 0.08 µm⁻¹, C 0.008 cm²/mJ는 THMR-iP3000의 측정 범위 안의 값, KrF CAR은 APEX-E 모델 상수다. 진한 막의 B = 3 µm⁻¹은 '빛을 너무 많이 흡수하는 막'을 보이기 위한 학습용 가정이다. 기판 반사와 공기–막 계면의 반사는 넣지 않았다.)

숫자로 정리해 보자. i-line DNQ 상수로 1 µm 막의 바닥은 노광 처음에 윗면 세기의 약 48 %를 받는다(계산: e−0.73). 표백이 없다면 끝까지 그대로지만, 표백이 있으면 노광이 진행되며 70 % 이상으로 오른다(계산). 그래서 g·i-line의 두꺼운 막에서도 바닥까지 노광이 이루어진다. 반대로 흡수가 큰 막은 위쪽이 다 노광된 뒤에도 바닥이 거의 그대로다. 앞 절의 'Novolac은 DUV에서 너무 많이 흡수한다'를 숫자로 본 것이다. 깊이에 따른 노광 차이는 측벽의 기울기로 이어지며, 이것은 7절의 현상 시뮬레이터에서 단면으로 확인한다.

화학 증폭형 레지스트(CAR): 광자 하나가 여러 번 일한다

1980년대 초, 파장을 248 nm 아래로 줄이려던 사람들은 두 벽에 부딪혔다. 하나는 2절에서 본 투명도 문제이고, 다른 하나는 감도였다. 당시 원자외선(250 nm 미만) 광원은 세기가 약했는데, 기존 감광막의 양자 효율은 1보다 훨씬 작아 화학 증폭이 필요했다. Willson은 짧은 파장의 램프는 빛이 적었고 당시 레지스트는 그 파장에서 반응하는 데 몇 시간이 걸려, 몇 자릿수 더 민감한 재료가 필요했다고 회고한다.

해법은 발상의 전환이었다. 광자가 직접 막을 바꾸는 대신, 광자는 촉매만 만들고 실제 일은 그 촉매가 하게 한다. Ito와 Willson의 1983년 논문은 끝을 막은 폴리프탈알데하이드 고분자에 오늄염 광개시제를 섞었다. 빛이 만든 산이 고분자 주사슬을 끊는 반응을 촉매하자 사슬이 통째로 풀려, 노광부가 현상 없이 스스로 기화했다. 저자들은 한 번의 방사선 화학 사건이 엄청나게 많은 후속 반응을 일으킨다고 썼다. 이것이 화학 증폭(Chemical amplification)의 개념이다. Mack은 Ito와 Willson의 1984년 글을 화학 증폭형 레지스트, 아릴 오늄염 광산 발생제, t-BOC 탈보호를 처음 제안한 자료로 정리한다.

이 발명의 무대는 IBM이었다. 일본국제상 재단에 따르면 Willson(당시 IBM San Jose의 관리자)과 Fréchet(오타와 대학에서 안식년을 보내던 방문 연구자)의 협업이 1979년에 시작되었고, 고 Hiroshi Ito와 함께 화학 증폭형 레지스트를 발명했다. Ito는 이 개념이 IBM Research에서 나와 IBM의 DRAM 생산에 빠르게 쓰였고, 300 nm 미만 파장 레지스트의 바탕이 되었다고 정리한다. 텍사스 대학의 소식에 따르면 CAR는 IBM 버몬트주 Burlington 공장에서 생산에 들어갔고 특허는 1990년대 초에 라이선스되었다. 2013년 일본국제상은 Willson과 Fréchet에게 돌아갔다. 재단은 CAR가 거의 모든 마이크로프로세서와 메모리 칩을 만드는 데 쓰이고 EUV와 전자빔 리소그래피의 바탕으로 남아 있다고 설명한다.

재료: PAG와 보호된 고분자

CAR의 감광제는 광산 발생제(PAG, Photoacid generator)다. 트리페닐설포늄염이 널리 쓰이는데, 예를 들어 트리페닐설포늄 트리플루오로아세테이트는 빛을 받아 강한 산인 CF₃COOH를 낸다. 플루오린이 산의 세기를 높인다. PAG를 얼마나 넣는지는 시대와 재료에 따라 다르게 보고된다. 1990년대 중반 DUV 조성은 대개 5~15 wt %(전형 10 %)였고, 2004년의 연구는 현대 CAR의 PAG가 질량비 1~5 % 정도로 작다고 썼으며, Mack은 전형적인 193 nm 레지스트의 예로 3 wt %, 곧 1 nm³에 PAG 0.042개를 든다. 하나의 '정답'이 아니라 재료마다 다른 설계 변수로 읽어야 한다.

수지 쪽을 보자. KrF용 Positive CAR의 대표인 PHS(폴리하이드록시스타이렌)는 OH가 많아 염기 수용액에 잘 녹는다. 이 OH를 t-BOC 같은 보호기(Protecting group, Blocking group)로 막으면 매우 느리게 녹는다. 산과 열이 함께 있으면 t-BOC가 떨어져 나가 다시 OH가 된다. 이것이 탈보호(Deprotection, Deblocking)다. 보호 효과가 매우 커서 막아 둔 자리를 거의 다 풀어야 녹기 때문에, 전형적인 레지스트는 OH의 10~30 %(전형 20 %)만 막는다. PHS 분자량은 3,000~5,000으로 분자 하나에 OH가 20~35개다. 떨어져 나간 t-BOC는 휘발해서 노광부의 막이 줄어드는데, 더 큰 보호기를 쓰면 줄어드는 양을 10 % 아래로 억제할 수 있다.

① 노광 PAG + 빛 → 산(H⁺) ② PEB(열) H⁺ + 보호기 → OH + 떨어진 조각(휘발) ③ 현상 OH가 많은 곳은 염기에 녹는다 H⁺는 소모되지 않고 다음 보호기로 H⁺ 탈보호된 OH 아직 보호된 자리
그림 4. 화학 증폭의 촉매 순환. 노광은 산만 만든다. 열(PEB)이 주어지면 산이 고분자의 보호기를 떼어 OH로 바꾸고, 산 자신은 소모되지 않아 다음 보호기로 옮겨 간다. 산 하나가 이렇게 수백 번 반응할 수 있다. 아래 사슬의 분홍 점은 탈보호된 자리, 보라 점은 아직 보호된 자리를 뜻하는 개념도다.

그림 4의 핵심은 산이 탈보호 반응에 소모되지 않는다는 점이다. 그래서 빛이 만든 산 하나가 여러 보호기를 차례로 떼어 낸다. Mack은 이 수를 '많게는 수백 번'으로, Jones 등은 '수백 번 재생된다는 보고가 있다'로 적는다. DNQ가 광자 하나에 분자 하나를 바꾸던 것과 비교하면, 같은 Dose로 훨씬 많은 화학 변화를 얻는다. 투명한 수지에 소량의 PAG만 넣으면 되니 2절의 흡수 문제도 함께 풀린다.

그 대가도 있다. 촉매는 소모되지 않지만 잃을 수는 있다. 산은 경쟁 반응이나 주변 환경에 의해 사라질 수 있다. 공기 중의 염기, 기판의 질소가 산을 빼앗으면 증폭이 통째로 멈춘다. 그 이야기는 6절에서 한다. 또 하나의 대가는 산이 움직인다는 것이다. Willson은 산 촉매가 막 전체로 퍼져 버릴 것 같았는데 실제로는 제자리 근처에 머물렀고, 그 이유는 나중에야 대학원 연구로 밝혀졌다고 회고한다. 산이 얼마나 멀리 가는지가 5절의 주제다. 아래 애니메이션에서 산 하나하나의 일생을 먼저 보자.

ANIMATION

산 하나가 여러 보호기를 떼어 낸다: 노광 → PEB → 현상

산(H⁺)Quencher보호된 자리탈보호된 자리
단계 · PEB 시간—
생긴 산—
산 하나당 탈보호—
중화된 산—
어두운 쪽 탈보호—
현상 뒤 가장자리—
해볼 것: ① 기본값(확산 3, Quencher 없음)으로 끝까지 지켜보자. 노광 동안 왼쪽(빛을 받은 쪽)에만 산이 생기고, PEB 동안 산 하나가 보호기를 30개 가까이 떼어 낸다. 현상 뒤 가장자리는 마스크 경계(점선)보다 어두운 쪽으로 약 17 nm 밀려 있다. ② 확산을 5로 올리면 산이 어두운 쪽 깊숙이 들어가 어두운 쪽의 4분의 1 가까이가 탈보호되고, 가장자리가 30 nm 넘게 밀린다. 라인이 깎이는 것이다. ③ 확산 5에서 Quencher를 넣으면 산의 4분의 1 정도가 염기에 중화되고, 어두운 쪽 탈보호와 가장자리 이동이 거의 절반으로 준다. ④ 확산을 1로 내리면 산이 제자리만 맴돌아, 빛을 받은 쪽에도 탈보호되지 않은 덩어리가 남는다(현상 뒤 남은 섬). (학습용 모형: 화면 폭 240 nm의 단면 조각, 산과 염기는 무작위로 걷고 가까운 보호기를 확률적으로 떼어 낸다. 산과 염기가 4 nm 안에서 만나면 함께 사라진다. 8×8 nm 칸의 자리 절반 이상이 탈보호되면 녹는 칸이고, 윗면에서 이어진 칸만 녹는다. 산 하나당 탈보호 수는 보기 쉽게 줄인 값이며, 실제로는 수백 번에 이를 수 있다. 같은 결과를 비교할 수 있도록 무작위 수의 씨앗을 고정했다.)

PEB: 반응과 확산의 경주

CAR에서 노광은 산을 만들 뿐이다. 용해도의 차이는 노광 뒤의 열처리, 곧 PEB(Post-exposure bake, 노광 후 베이크) 동안 만들어진다. 노광 에너지를 '감광막을 태워 없애는 양'으로 이해하면 PEB가 왜 필요한지 설명할 수 없다. PEB는 노광이 남긴 산의 분포를 탈보호의 분포로 옮기는 단계이고, 그 동안 반응과 확산이 함께 일어난다.

먼저 반응만 보자. 산이 움직이지 않는다고 하면 Mack의 단순 모델에서 남은 보호기의 비율 m은 PEB 동안 \(dm/dt = -K_{amp}\,m\,h\)를 따라 줄어든다(h는 산 농도를 처음 PAG 농도로 나눈 값). Petersen 등은 여기에 산이 1차 반응으로 사라지는 항을 넣어 다음 식을 썼다.

$$m = \exp\!\Big[-\frac{k_{amp}}{k_{loss}}\,[\mathrm{PAG}]_0\,\big(1 - e^{-C\cdot \mathrm{Dose}}\big)\big(1 - e^{-k_{loss}t}\big)\Big]$$ $$k = A_r \exp\!\Big(-\frac{E_a}{RT}\Big)\quad(k_{amp},\ D,\ k_{loss}\ \text{각각})$$
\(m\): 남은 보호기의 비율, \(k_{amp}\): 탈보호(증폭) 속도 상수(s⁻¹), \(k_{loss}\): 산이 사라지는 속도 상수(s⁻¹), \([\mathrm{PAG}]_0(1 - e^{-C\cdot\mathrm{Dose}})\): 노광이 만든 산, \(t\): PEB 시간, \(D\): 산의 확산 계수(nm²/s), \(E_a\): 활성화 에너지, \(R\): 기체 상수, \(T\): 절대 온도.

세 속도 상수는 모두 온도에 지수적으로 의존한다. Smith, Mack, Petersen은 APEX-E 레지스트의 Dose-to-size와 PEB 온도 민감도 측정값(Kemp 등)에 맞춰 Arrhenius 상수를 정했다. 표 3이 그 값이고, 오른쪽 칸은 이 상수로 계산한 90 °C의 값이다.

과정ln ArEa (kcal/mol)90 °C 값 (계산)+1 °C (계산)
탈보호(증폭) kamp48.09 (s⁻¹)35.680.26 s⁻¹+14 %
산 확산 D53.16 (nm²/s)35.6841 nm²/s+14 %
산 손실 kloss2.986 (s⁻¹)4.9860.020 s⁻¹+2 %
표 3. APEX-E 모델의 PEB 상수. 같은 논문은 상대 Quencher 농도 0.03, Dill C 0.0159 cm²/mJ, 현상 상수(Rmax 134 nm/s, Rmin 0.4 nm/s, mth 0.3, n 5.2)를 함께 쓴다. 90 °C 값과 +1 °C 변화는 이 상수로 계산했다.

표 3의 마지막 칸이 이 절의 핵심이다. 활성화 에너지 35.68 kcal/mol은 90 °C의 열에너지 RT(약 0.72 kcal/mol)의 약 50배라서, 온도가 1 °C만 올라도 탈보호와 확산이 각각 14 %씩 빨라진다(계산). Petersen 등은 XP-9402 레지스트에서 PEB 온도에 따라 세 구간을 구분했다. 약 75 °C까지는 촉매 반응이 거의 일어나지 않고, 75~90 °C는 반응 속도가 지배하며, 100~125 °C에서는 산의 확산이 지배한다. 같은 연구에서 PEB 온도와 시간을 올리면 rmax가 커져 대비가 좋아졌지만, 온도가 레지스트의 유리 전이 온도(Tg)를 넘으면 상이 나빠졌다. 아래 시뮬레이터는 표 3의 상수로 PEB 온도와 시간이 CD를 얼마나 움직이는지 계산한다.

SIMULATOR

PEB 온도 1 °C의 무게: Arrhenius가 CD를 움직인다

남은 보호기 m(x), 지금 온도온도 +1 °C (점선)현상 뒤 남는 라인
kamp · D—
산 확산 길이 √(2Dt)—
라인 CD—
CD 민감도—
해볼 것: ① 기본값 90 °C, 60 s에서 라인 CD는 250 nm다(이 Dose로 맞춰 두었다). CD 민감도는 약 −15 nm/°C로, 온도가 1 °C 오르면 라인이 15 nm 가늘어진다. ② 온도를 89 °C, 91 °C로 바꿔 보자. CD가 약 266 nm, 235 nm가 된다. ③ PEB 시간을 60 s에서 90 s로 늘리면 CD는 약 227 nm다. 시간 30 s를 더한 효과가 온도 1.5 °C 정도다. ④ 끝까지 밀어 보자. 82 °C 아래에서는 스페이스가 열리지 않고(CD = 피치), 온도를 올리면 라인이 점점 빨리 가늘어지다가 100 °C에 이르면 사라진다. (모델: 248 nm, NA 0.6, σ 0.5, 피치 500 nm 1:1 라인의 공간상(엔진 계산), APEX-E의 Dill C와 표 3의 Arrhenius 상수, Quencher 0.03을 노광 직후 빼고, 확산·손실·탈보호를 PEB 동안 정확히 적분한다. 현상은 두께 500 nm를 60 s에 녹이는 속도(Mack 식, 표 3의 현상 상수)를 넘는 곳이 녹는다고 본다. Dose는 90 °C·60 s에서 CD 250 nm가 되도록 맞춘 17.3 mJ/cm²로 고정했다. 두께와 현상 시간, 광학 조건은 학습용 가정이며, 웨이퍼의 실제 승온 이력과 Tg 이상의 변화는 넣지 않았다.)

이 학습 모델로 맞춘 Dose(17.3 mJ/cm²)와 CD 민감도(약 15 nm/°C)는 Smith 등이 보고한 값과 크기가 비슷하다. 그 논문은 이상적인 90 °C·60 s 베이크에 15.1 mJ/cm²가 필요하다고 계산했고, 상수를 맞출 때 쓴 Kemp 등의 측정 민감도는 16.2 nm/°C였다. 비슷한 것이 우연은 아니다. 표 3의 상수가 바로 그 측정에 맞춰 정해졌기 때문이다. 다른 레지스트에서는 값이 다르다. TEL의 특허는 정적 PEB 민감도를 대략 1~5 nm/°C로 적고, 다른 연구는 온도에 따른 CD 변화를 대체로 1~10 nm/°C로 정리하며 PEB가 웨이퍼 안 게이트 CD 변동의 주된 원인이 되어 가고 있다고 지적한다. 또 온도를 올렸을 때 CD가 움직이는 방향과 크기는 산의 손실, 확산, 재료 특성에 따라 달라지므로 모든 감광막에 같은 규칙을 적용하면 안 된다.

산은 얼마나 멀리 가는가: 확산 길이

PEB 동안 산은 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 퍼진다. Mack은 이를 \(\partial H/\partial t = \partial/\partial x\,(D_H\,\partial H/\partial x)\)로 쓰고, 산의 확산 계수 \(D_H\)가 온도(Arrhenius)뿐 아니라 반응이 얼마나 진행되었는지에도 크게 의존한다고 설명한다. 보호기가 떨어져 나가면 고분자 속 빈 부피가 늘어 산이 더 잘 움직이기 때문이다. 퍼진 거리는 DIFF 책 2장에서 본 것처럼 시간의 제곱근을 따르며, 이 장에서는 산 확산 길이(Acid diffusion length)를 \(\sigma = \sqrt{2Dt}\)로 쓴다.

확산은 얼마나 있어야 좋을까? 답은 '너무 적어도, 너무 많아도 안 된다'이다. Mack은 248 nm 일반 CAR를 60 s PEB로 모의 실험해, 정상파가 Dose-to-clear에 주는 영향을 없애려면 확산 계수가 약 10 nm²/s(확산 길이 35 nm)는 되어야 하고, 15~40 nm²/s에서 선폭과 측벽 각이 받아들일 만하며, 더 커지면 초점 여유와 노광 여유를 잃는다는 것을 보였다. 결론은 확산 계수가 일정하다면 확산 길이 40~70 nm가 두 요구를 맞추는 범위이고, 이상적인 것은 노광부에서만 빠르게 확산하는 경우라는 것이다. 한 가지 주의할 점이 있다. 그 논문은 20과 50 nm²/s를 각각 49와 69 nm로 적었는데, \(\sigma = \sqrt{2Dt}\)로 다시 계산하면 50 nm²/s는 77 nm이고 69 nm는 40 nm²/s에 해당한다(계산). 이 장은 \(\sqrt{2Dt}\)로 통일한다.

출처와 조건D (nm²/s)σ = √(2Dt), 60 s
정상파를 지우는 데 필요한 값(248 nm CAR 모의 실험)약 1035 nm
선폭·측벽이 받아들일 만한 범위(같은 모의 실험)15~4042~69 nm (계산)
APEX-E 모델, 90 °C(표 3으로 계산)4170 nm (계산)
SANS로 잰 탈보호 덩어리(모델 레지스트, 90 °C)약 1회전 반경 11 nm
표 4. 산 확산의 크기. 모델에 맞춘 값과 직접 잰 값이 한두 자릿수 다르다. 서로 다른 레지스트와 서로 다른 정의를 쓴 결과이므로, 하나의 '참값' 대신 범위로 읽어야 한다.

직접 잰 값은 훨씬 작다. NIST·IBM·텍사스 대학 연구진은 모델 레지스트(d-PBOCSt와 PFOS PAG, PEB 90 ± 1 °C)에 중성자 소각 산란(SANS)을 써서, 산 하나가 탈보호한 부피의 회전 반경이 11.1 ± 3 nm, 상관 길이가 12 ± 1 nm임을 보였다. 이를 60 s의 확산으로 환산한 유효 계수는 약 1×10⁻¹⁴ cm²/s(1 nm²/s)이고, 덩어리의 경계는 뚜렷하지 않고 흐릿했다. 산의 이동이 Fick 확산을 따르지 않는다는 보고도 있다. 유리 상태 고분자의 탈보호는 2차 산 손실을 동반한 '느려지는 확산'(아확산)에 잘 맞아 처음에는 빠르고 나중에는 느렸으며, PEB 온도를 올리거나 가소제를 넣으면 Fick 거동이 돌아왔다. 실험에서도 PEB 처음 1분쯤 산이 빠르게 퍼지다가 그 뒤 크게 느려졌다.

Quencher: 산을 일부러 없애는 염기

산의 꼬리를 정리하는 방법이 있다. 감광막에 약한 염기를 일부러 조금 넣는 것이다. 산보다 염기성인 물질은 모두 산을 없애는 Quencher(소멸제, 염기 첨가제)가 될 수 있다. 실제로 APEX-E 모델에는 상대 농도 0.03의 Quencher가 들어 있고, NTD용 ArF 레지스트 조성에도 아민 염기가 들어 있다. Quencher는 산이 적은 곳, 곧 어두운 쪽으로 번진 산의 꼬리를 먼저 없앤다.

확산과 Quencher는 가장자리의 거칠기와도 얽혀 있다. Mack 등의 모의 실험에 따르면 산 확산은 높은 주파수의 거칠기를 매끄럽게 만들지만 동시에 탈보호의 기울기를 낮춰 거칠기를 키우므로, 거칠기가 가장 작은 확산 길이가 따로 있다. 또 Quencher를 늘리면 탈보호의 확률적 불확실성은 커지지만 기울기가 더 크게 늘어 거칠기가 줄어든다. 대신 Quencher가 먹는 만큼 산을 더 만들어야 하니 Dose가 늘어난다. Luo 등이 정리한 업계 목표도 해상도, 선폭 거칠기, 감도 세 가지를 함께 적는다. 셋을 동시에 만족시키는 것이 얼마나 어려운지 직접 해 보자.

CHALLENGE

확산 길이와 Quencher로 가장 또렷한 가장자리 만들기

문제 1
문제의 조건을 읽고 σ, Quencher, Dose를 정한 뒤 「판정하기」를 누른다.
남는 라인(위에서 본 모습)흐려진 산 농도라인 가장자리
라인 CD—
LER (3σ)—
Dose (상대)—
끊김·이어짐 (줄)—
점수0 / 0
조건: 라인 CD가 목표 ± 허용 안에, LER(3σ)이 한도 이하, Dose가 한도 이하이고, 라인이 끊기거나 이웃과 이어진 줄이 하나도 없으면 성공이다. 「Dose 맞추기」는 지금의 σ와 Quencher에서 평균 CD가 목표가 되는 Dose를 찾아 준다(현장의 Dose-to-size 맞춤과 같다). 막히면 「힌트」를 누르자. (학습용 모델: 위에서 본 512 nm 길이의 라인. PAG 0.042개/nm³와 두께 40 nm를 가정해 1 nm × 1 nm 칸마다 산과 Quencher의 개수를 Poisson으로 뽑고, 둘을 같은 σ의 Gaussian으로 흐린 뒤 뺀 값이 PAG의 10 %를 넘는 곳이 녹는다고 본다. 공간상은 대비 0.9의 사인 모양이다. Dose는 Quencher 없이 CD가 맞는 값을 1로 둔 상대값이며, 무작위 수의 씨앗을 고정해 같은 설정은 같은 결과를 준다. 광자 산탄 잡음은 따로 넣지 않았다.)

세 문제를 풀고 나면 그림이 보인다. 확산이 너무 적으면 산 개수의 요동이 그대로 가장자리에 새겨지고, 너무 많으면 이웃 라인 사이의 산 농도 차이가 지워져 라인이 끊기거나 이어진다. 피치가 작을수록 그 사이의 창이 좁다. Quencher는 거칠기를 줄이는 손잡이지만 Dose라는 값을 치른다. 이 맞바꿈이 EUV에서 왜 더 아픈지는 8절과 8장에서 다시 본다.

Soft bake와 PEB는 서로 대신할 수 없다

둘 다 Hot plate 위의 베이크이고 둘 다 이상이 생기면 CD로 나타나지만, 하는 일이 다르다. Soft bake는 도포 용매를 날려 막을 치밀하고 안정하게 만든다. 그 영향은 현상에서 나타나는데, 남은 용매의 양과 깊이 분포, 열분해 산물이 현상 속도를 크게 바꾼다. CAR에서는 Soft bake가 용매와 Quencher 같은 첨가제의 깊이 분포를 고르지 않게 만들어 노광·PEB·현상 동역학을 바꾸고, DNQ에서는 70 °C를 넘으면 감광제를 분해한다. PEB는 노광이 만든 화학적 차이를 반응시킨다. 그래서 CD 이상의 원인을 찾을 때 돌아가 볼 처리 시점과 모듈이 다르다. 베이크 장비(Hot plate의 간격, 영역 제어, 승온)는 3장에서 다룬다.

PEB 모듈 한 대를 거친 웨이퍼만 CD가 다르다면

Track에는 같은 PEB 모듈이 여러 대 있고, 웨이퍼는 그중 하나를 지난다. 한 모듈을 거친 웨이퍼만 CD가 다를 때 노광 Dose부터 바꾸면 무엇을 놓칠까? Dose를 바꾸면 Lot의 평균 CD는 맞출 수 있지만 모듈 사이의 차이는 그대로 남는다. 원인이 PEB의 열 이력이라면 Dose는 증상을 가릴 뿐이다. 노광 조건과 감광막, 하부막을 같게 두고 모듈별 CD와 처리 시각, 온도 이력을 이어 보아야 변화가 어느 단계에서 생겼는지 설명할 수 있다.

열 이력은 설정 온도만의 문제가 아니다. Smith 등의 모델에서 실제처럼 웨이퍼가 천천히 데워지는 온도 이력은 이상적인 90 °C·60 s보다 열을 덜 주어 Dose가 20 % 더 필요했고(15.1 → 18.0 mJ/cm²), 승온 시간이 7 s를 넘으면 조밀 라인 바닥에 Scum이 생겼으며 고립 라인은 승온 시간에 거의 비례해 굵어졌다. 탈보호가 시작되기 전의 초반에 산이 잃어지기 때문에, 이송 지연보다 승온 시간이 더 중요했다. 확인할 데이터는 모듈 ID별 CD, 센서 웨이퍼로 잰 온도 이력과 승온 시간, Hot plate의 간격이다. Hot plate 하드웨어와 영역별 보정은 3장에서 이어진다.

이 화학이 일어나는 장비

감광막의 화학은 Track과 Scanner의 모듈 사이를 오가며 진행된다. 아래 표는 이 장에서 본 화학이 어느 장비에서 일어나고, 무엇이 틀어지면 어떤 결과로 나타나는지를 모은 것이다. 모듈의 하드웨어 자체는 3장(Track)과 7장(Scanner)에서 자세히 본다.

장비·모듈이 장의 화학틀어지면
Track 코터수지·PAG·Quencher·용매 혼합액을 얇은 막으로두께가 바뀌면 깊이별 노광(3절)과 현상량이 바뀐다
Soft bake Hot plate용매 제거, DNQ 열분해(70 °C 이상)현상 속도와 감도 변화
ScannerDill C에 따른 감광제 분해·산 생성Dose·Focus 이상(5장)
노광 → PEB 사이의 대기산이 공기 중 염기를 만나는 시간T-top(6절). DUV용 Track은 화학 필터와 고정밀 오븐을 쓴다고 장비사는 설명한다
PEB Hot plate탈보호·산 확산·산 손실(Arrhenius)1 °C에 수~십수 nm의 CD 변화
현상 컵Mack 속도식의 rmax(현상액 온도·농도)CD 이동, 잔막(7절)
표 5. 감광막 화학과 장비의 대응. 레지스트 자체를 재는 장치로는 Dill 상수를 재는 투과율 측정(3절)과 현상 속도 측정기(7절)가 있다.
PEB 온도 1 °C가 CD를 바꾸는 이유

이 절의 핵심을 원인 → 결과 → 확인의 순서로 이어서 설명할 수 있는지 점검해 보자.

  1. 원인. CAR에서 노광은 산만 만들고, 용해도의 차이는 PEB 동안 산이 촉매로 보호기를 떼어 내며 생긴다. 탈보호와 산 확산의 속도 상수는 Arrhenius를 따르며, APEX-E 모델에서 활성화 에너지가 35.68 kcal/mol이다. 이 상수로 계산하면 90 °C 근처에서 1 °C마다 두 속도가 약 14 %씩 빨라진다(계산).
  2. 결과. 같은 Dose에서도 PEB 온도가 오르면 탈보호가 더 진행되고 산이 더 멀리 퍼져, Positive 라인이 가늘어진다. APEX-E에서 측정된 민감도는 16.2 nm/°C였고, 다른 레지스트에서는 1~10 nm/°C 정도가 보고된다. 승온이 느리면 같은 설정 온도에서도 열을 덜 받아 CD와 Scum이 달라진다.
  3. 확인. CD를 PEB 모듈 ID와 처리 시각별로 나눠 보아 특정 모듈에 몰리는지 확인하고, 센서 웨이퍼로 그 모듈의 온도 이력과 승온 시간을 잰다. Dose로 평균을 맞춰도 모듈 사이 차이가 남는다면 원인은 노광이 아니라 열 이력 쪽이다(원리에서 나온 해석).

산을 빼앗는 것들: 공기 중 아민과 질소가 든 기판

CAR의 강점인 촉매 증폭은 그대로 약점이 된다. 산 하나가 수백 번 일하므로, 산 하나를 잃으면 그만큼의 일이 통째로 사라진다. Mack은 산이 사라지는 길을 네 가지로 정리한다. 노광과 PEB 사이에 공기 중의 염기에 오염되는 것(대기 시간에 따른 효과), 작은 산이 윗면에서 증발하는 것, 질소가 든 기판에서 중화되는 것, 막 속에서 1차 반응으로 붙잡히는 것이다. 앞의 둘은 막의 윗면에서, 셋째는 바닥에서 일어난다. 그래서 단면의 위와 아래에 서로 다른 흔적을 남긴다.

공기 중 아민(ppb) 기판의 질소·염기 정상 T-top 윗면에 녹지 않는 Skin Positive CAR Footing
그림 5. 산을 잃은 자리가 단면에 남기는 흔적. 노광 뒤 PEB 전까지 공기 중의 염기가 윗면으로 스며들면 Positive CAR의 윗면이 녹지 않아 모자처럼 남고(T-top), 질소가 든 기판(SiN, TiN, SiON 등)이 바닥의 산을 빼앗으면 바닥이 퍼진다(Footing). 오른쪽 기판의 주황색은 질소가 든 막을 뜻하는 개념도다.

공기 중 아민과 T-top

문제가 처음 드러난 것은 IBM에서였다. MacDonald 등은 t-BOC 보호 고분자와 오늄염 PAG로 만든 CAR가 유기 염기 증기에 심하게 망가진다는 것을 보고했다. 유기 염기가 15 ppb만 섞인 공기에 웨이퍼를 15분만 두어도 효과가 보였다. Negative로 쓸 때는 목표 선폭에 필요한 Dose가 늘었고, Positive로 쓸 때는 레지스트–공기 계면에 녹지 않는 'Skin'이 생겼다. 원인은 빛이 만든 산이 공기 중의 염기에 중화되는 것이었다. 같은 연구진은 ppb 수준의 염기에 몇 분만 있어도 효과가 나타난다고 확인했고, ¹⁴C로 표지한 NMP를 정제 공기 속 10 ppb에서 흡수시켜 그 양을 쟀다.

Mack의 모델은 이 현상을 간단히 그린다. 노광과 PEB 사이의 대기 동안 염기가 윗면에서 스며들어 \(B = B_0\exp[-(z/\sigma)^2]\)의 분포를 이루고, 침투 깊이 σ는 대기 시간의 제곱근에 비례한다. 강한 산은 거기 있는 염기와 모두 반응하므로 남는 산은 \(h^* = h - b\)다. Positive에서는 염기가 충분하면 윗면이 녹지 않게 되어 그 아래의 막까지 현상액이 닿지 못하고, 극단적으로는 패턴이 아예 열리지 않는다. Negative에서는 반대로 라인의 윗부분을 잃는다. 결과를 먼저 예측해 보자.

PREDICT

노광 뒤 아민이 섞인 공기에 15분: 단면은?

KrF용 Positive CAR를 노광한 뒤, PEB 전까지 유기 염기(아민)가 ppb 수준으로 섞인 공기 속에 15분 두었다. 현상 뒤 라인 단면은 어떻게 될까?
답을 고르면 세 경우의 단면이 함께 그려진다.

그림의 근거와 가정: 염기 침투 B = B₀exp[−(z/σ)²]와 h* = h − b는 Mack의 모델, 레지스트 상수는 표 3의 APEX-E 모델이다. 15 ppb·15분이 B₀와 σ의 어떤 값에 해당하는지는 공개 자료로 정할 수 없어, 가운데 그림은 윗면 염기 PAG의 5 %·침투 80 nm, 오른쪽 그림은 10 %·80 nm를 학습용으로 가정했다. 현상은 칸마다 Mack 속도로 녹이는 2차원 모델로 계산했다(7절).

벽에 칠한 페인트가 패턴을 망친다

MacDonald 등은 흔한 재료들이 미량의 휘발성 아민을 내며, 실험실 벽에 새로 칠한 페인트도 그 원인이 될 수 있다고 적었다. 해법은 코팅한 웨이퍼를 특수 고효율 활성탄 필터를 거친 공기 속에서 보관하고 처리하는 것이었고, 이런 국소 여과로 그 레지스트를 양산에서 시간당 웨이퍼 100장으로 돌렸다. 지금의 Track도 같은 문제를 장비 안에서 막는다. TEL은 CLEAN TRACK ACT 12가 DUV 공정을 위해 화학 필터와 고정밀 오븐을 쓴다고 설명한다(장비사 설명). 재료 쪽에서는 공기 중 아민에 대한 노광 후 지연 안정성을 높인 ESCAP 계열 레지스트(예: Shipley UV5)가 개발되었고, 보호 Overcoat, 암모니아 흡착 필터, 안정화 첨가제 같은 대책도 보고되었다.

액침 노광에서는 다른 길로 같은 모양이 생긴다. PAG 같은 레지스트 성분이 물로 빠져나가면 윗면의 탈보호가 모자라 T-top이나 Bridge 결함이 생긴다. 확인할 데이터는 노광–PEB 사이 대기 시간과 CD·단면의 관계(대기를 줄이면 사라지는가), Track 화학 필터의 교체 주기와 공기 중 아민 감시 기록, 그리고 기울여 찍은 단면 SEM이다.

질소가 든 기판과 Footing

바닥에서도 같은 일이 일어난다. TiN이나 Si₃N₄처럼 질소가 든 기판 위에서는 Positive CAR 단면의 바닥이 퍼지는 Footing(발 모양 잔막)이 흔히 생긴다. 질소가 계면의 산을 붙잡아 그곳의 증폭과 용해 속도를 낮추기 때문으로 보이며, Mack은 이를 산과 1:1로 반응하는 기판의 포획 자리로 모델링한다. Siemens의 특허는 반사 방지막으로 쓰는 SiOₓNᵧ(DARC)에서 아민을 포함한 질소 화합물이 레지스트 계면으로 나와 레지스트와 반응하는 'Photoresist poisoning'이 Positive에서는 Footing을, Negative에서는 바닥이 잘록해지는 Pinching을 만든다고 설명한다. 그 사이에 넣는 SiO₂ 덮개막도 N₂O나 N₂로 PECVD하면 그 자체가 질소를 품어 레지스트를 오염시킬 수 있다. 이런 막의 증착은 CVD 책 PECVD 장에서 볼 수 있다.

SiN 위에서만 바닥이 퍼진다면

화학 증폭형은 촉매 반응이라 기판 계면의 산 손실에 매우 민감하다. 같은 레지스트를 맨 실리콘과 SiN·SiON 위에 나란히 찍어 SiN 쪽에서만 Footing이 보이면 기판 쪽을 의심한다. Kaimoto 등은 승온 탈착 분석(TDS)으로 기판에서 나오는 H₂O(질량 18)와 NH₃·OH(질량 17)를 확인했다. BPSG는 270 °C 베이크로 흡착 수분이 줄어 Footing이 사라졌지만 시간이 지나면 다시 수분을 흡수했다. SiON에는 고온 베이크가 듣지 않았고, 하향류 O₂ 처리는 효과가 있었지만 RIE O₂ 처리는 오히려 나빠졌으며, 알맞은 CVD SiON을 고르자 나아졌다. SiN에서는 표면의 질소가 염기로 작용해 산을 중화하는데, O₂ 플라즈마로 얇은 SiO₂를 만들면 나아지지만 지나치게 처리하면 표면 손상으로 다시 Footing이 생겼다.

바닥의 잔막이 모두 기판 탓은 아니다. 5절에서 본 것처럼 PEB의 승온이 느려도 조밀 라인 바닥에 Scum이 생긴다. 기판을 바꿔도 남는지, PEB 모듈을 바꾸면 사라지는지를 나눠 보는 것이 첫걸음이다. Footing·T-top·Scum의 현업 진단 사례는 11장에서 다시 만난다.

현상: 용해 속도가 단면을 빚는다

현상은 위치마다 다른 용해 속도를 이용해 감광막을 녹여 내는 과정이다. 현상액의 농도·온도·접촉 시간과 감광막의 화학 상태가 함께 결과를 정한다. 녹아야 할 곳이 충분히 녹지 않으면 바닥에 잔막이 남으므로, Dose가 충분했는지와 현상 조건이 알맞았는지를 같은 결과에 이어서 보아야 한다. Positive 감광막의 현상액(TMAH 수용액)과 현상 방식(Puddle, 린스)은 3장에서 다루고, 여기서는 '얼마나 빨리 녹는가'의 모델을 본다.

Mack은 현상을 현상액이 막 표면까지 확산해 오는 과정과 표면에서의 반응으로 나누고, 감광제가 바뀐 산물 n개가 현상액과 반응해 수지 분자 하나를 녹인다고 보아 다음 식을 세웠다.

$$r = r_{max}\,\frac{(a+1)(1-m)^n}{a + (1-m)^n} + r_{min},\qquad a = \frac{n+1}{n-1}\,(1-m_{TH})^n$$
\(r\): 용해 속도(nm/s), \(m\): 남은 감광제(또는 보호기)의 비율, \(r_{max}\): 다 노광된 막의 속도, \(r_{min}\): 노광되지 않은 막의 속도(다른 기구로 녹는다고 본다), \(n\): 현상액의 선택성, \(m_{TH}\): 곡선의 변곡점이 되는 문턱 m.

rmax는 현상액 농도에 따라 바뀌지만 n과 mTH는 바뀌지 않으며, 실험에서 얻은 속도 곡선의 변곡점은 m = 0.3~0.7 근처에 있다. n이 클수록 m이 문턱을 넘는 순간 속도가 급하게 바뀐다. 이것이 1절의 γ와 이어진다. Mack은 이론적 대비를 \(\gamma_{th} = d\ln R/d\ln E\)로 정의하고, \(\partial \ln R/\partial x = \gamma_{th}\,\partial \ln I/\partial x\)임을 보였다. 감광막은 공간상의 로그 기울기를 γth배로 '증폭'해 용해 속도의 기울기로 바꾸는 셈이다.

감광막과 조건rmax (nm/s)rmin (nm/s)nmTH
AZ1350J, 70 °C 프리베이크550.1560.61
AZ1350J, 100 °C 프리베이크21250.61
APEX-E 모델(CAR)1340.45.20.3
표 6. Mack 현상 모델의 상수. AZ1350J는 Dill의 측정 자료를 Mack이 맞춘 값이다(rmin과 열의 짝은 표 배치에서 다시 맞춘 것). CAR의 m은 남은 보호기의 비율이다.

실제 감광막은 이 식보다 조금 더 복잡하다. 막 윗면 약 150 nm 안에서는 속도가 막 안쪽보다 느리고(표면 유도 효과), 기판 근처에서도 속도가 떨어진다. 문턱 같은 급한 변화를 하나 더 넣은 5변수 'Notch 모델'은 여러 최신 레지스트를 잘 기술한다. 아래 시뮬레이터는 3절의 노광, 5절의 PEB 위에 Mack 속도식을 올려 2차원 단면을 녹여 낸다.

SIMULATOR

용해 속도에서 단면으로: Mack 현상 모델

감광막
용해 속도 r(m)이 시간에 바닥까지 녹는 속도현상 뒤 단면
바닥 CD—
윗부분 CD—
측벽 각—
라인 높이 손실—
용해 대비 rmax/rmin—
해볼 것: ① 기본(i-line DNQ, n 6, 60 s)에서 바닥 CD는 500 nm, 윗부분은 약 395 nm로 측벽이 86° 기울어 있다. 3절에서 본 것처럼 아래로 갈수록 노광이 약하기 때문이다. ② 선택성 n을 1.5로 내리면 덜 노광된 곳까지 녹아 윗부분이 약 195 nm로 좁아지고 라인 높이도 30 nm 깎인다. n을 12로 올리면 라인이 굵어진다. ③ 현상 시간을 10 s로 줄이면 스페이스 바닥이 열리지 않는다(잔막). 120 s로 늘리면 라인이 더 가늘어진다. ④ 「KrF CAR」로 바꾸면 측벽이 거의 서고(약 87°) 같은 Dose 변화에도 CD가 더 크게 움직인다. Dose를 0.6배로 내리면 스페이스가 열리지 않는다. (모델: 공간상은 엔진 계산(i-line 365 nm, NA 0.5, 피치 1,000 nm, 막 1 µm / KrF 248 nm, NA 0.6, 피치 500 nm, 막 500 nm), DNQ는 Dill 상수(3절의 값)로 노광, CAR는 5절의 APEX-E 모델로 90 °C·60 s PEB. 현상 상수는 표 6이며 n만 바꿀 수 있다. 현상은 칸마다 속도를 정해 윗면에서부터 녹는 시간을 최단 경로로 구하는 2차원 모델이다. 표면 유도 효과, 정상파, 현상액의 고갈은 넣지 않았다. Dose 1은 기본 조건에서 바닥 CD가 피치의 절반이 되도록 맞춘 값이다.)
현상액을 바꿨더니 CD가 움직였다면

rmax는 현상액의 농도와 온도에 따라 달라진다. Maslow 등이 APEX-E를 0.26 N 현상액(Shipley CD-26)으로 잰 결과 rmax는 5 °C에서 53 nm/s, 20 °C에서 116 nm/s, 25 °C에서 146 nm/s, 35 °C에서 200 nm/s였고, 온도 의존성에는 Arrhenius 구간이 두 개 있었다. 규정도를 0.26에서 0.13 N으로 낮추면 특히 높은 Dose에서 용해 속도가 줄고 선택성도 낮아졌다. 5 °C에서 20 °C 사이에 rmax가 두 배 넘게 변하니, 현상액 온도가 몇 도 흔들리면 위 시뮬레이터에서 현상 시간을 바꾼 것과 비슷한 일이 생긴다(원리에서 나온 해석). 확인할 데이터는 현상액 온도 기록과 규정도, 현상 컵별 CD다.

용해 속도는 전용 장치로 잰다. 같은 연구는 Litho Tech Japan의 RDA-790으로 470 nm 반사광 18채널을 동시에 읽어 막이 녹는 속도를 쟀다. 녹는 동안 막 두께가 줄면 반사광의 간섭 무늬가 바뀌는 것을 이용한다. 이렇게 잰 속도 곡선이 시뮬레이터에 들어가는 r(m)이다.

NTD: 같은 레지스트를 반대로 남기기

보통의 ArF CAR는 탈보호된 노광부가 염기 현상액에 녹는 Positive다. 그런데 현상액을 유기 용매로 바꾸면 이야기가 뒤집힌다. 보호된 고분자는 소수성이라 유기 용매에 잘 녹고, 탈보호된 노광부는 친수성이 되어 거의 녹지 않는다. 그래서 노광부가 남는다. 이것이 1절에서 언급한 NTD다.

왜 이런 일을 할까? 콘택 홀이나 좁은 트렌치는 Positive로 찍으려면 대부분을 가린 Dark-field 마스크를 써야 하는데, 이때는 광학 대비를 얻기 매우 어렵다. NTD는 같은 패턴을 Bright-field 마스크로 찍으면서도 충분한 광학 대비를 얻는다. ArF 액침용 NTD는 2007년에 처음 제안되었고, 128 nm 피치의 32 nm 트렌치, 단일 노광의 40 nm 하프 피치 조밀 콘택 홀 등이 시연되었다. NTD 레지스트를 설계하는 원칙은 용해 대비 rmax/rmin을 키우는 것이었고, 용해 대비가 좋을수록 초점 심도가 좋아졌다. 위 시뮬레이터의 「용해 대비」 칸이 바로 그 양이다.

재료와 조건의 예를 보면, 아다만탄 계열 메타크릴레이트 공중합체에 트리아릴설포늄 PAG와 아민 염기를 넣고 Fujifilm 현상액 FN-DP001로 100 nm 막을 23 °C에서 30 s 현상했다. 90 nm 피치 43 nm 트렌치에서 고립 트렌치의 웨이퍼 안 CD 3σ는 NTD 3.3 nm, 기존 Positive 현상 4.0 nm였고 조밀 트렌치에서는 1.6 대 1.4 nm로 큰 차이가 없었다. NTD의 LWR은 4.8 nm로 Positive보다 0.5 nm 작았다.

EUV 레지스트: 광자가 모자라는 세계

EUV(13.5 nm)로 넘어오면 감광막의 사정이 또 바뀐다. 광자 하나의 에너지가 크기 때문이다. Mack의 계산에 따르면 193 nm 광자 하나의 에너지는 1.03×10⁻¹⁸ J이고, Dose-to-clear 10 mJ/cm²라면 1 nm × 1 nm에 광자가 약 97개 들어온다(요동 약 10 %). EUV 광자의 에너지는 1.47×10⁻¹⁷ J로 약 15배이고, EUV 레지스트가 2~4배 더 민감하니 광자는 30~60배 적어 1 nm²에 2~3개, 100 nm²에 약 200개다(요동 약 7 %). 같은 '노광'이라도 개수를 셀 수 있을 만큼 광자가 적은 세계다.

흡수의 방식도 다르다. EUV 광자(92 eV)는 분자를 이온화해 75~82 eV의 전자를 튀어나오게 하고, 이 전자들이 만든 2차 전자가 PAG를 활성화한다. EUV CAR에서는 광자를 PAG가 아니라 고분자가 흡수하고, 광전자와 2차 전자의 연쇄가 산을 만든다. PAG 반응에는 약 5 eV면 되므로 광자 하나가 산 여러 개를 만들 수 있다. 그래도 개수의 요동은 사라지지 않는다. (10 nm)³ 부피의 193 nm 레지스트에는 PAG가 약 42개뿐이라 개수의 요동이 약 15 %이고, 보호된 자리도 1 nm³에 약 1.2개다. 5절의 CHALLENGE에서 본 요동이 바로 이것이다. 양산은 20 mJ/cm² 미만의 저 Dose 레지스트를 원하지만, 40 nm 미만 피치에서는 확률적 결함(Nano-bridge)이 가장 큰 제약이었고 Dose를 높이면 결함이 줄었다. 광자 산탄 잡음과 확률적 결함은 8장에서 자세히 다룬다.

금속 산화물 레지스트

광자가 적다면 더 많이 흡수하는 원소를 쓰면 된다. 주석(Sn)과 산소는 EUV 광자를 탄소보다 각각 10.5배, 1.7배 더 잘 흡수하고, 주석 클러스터와 유기 주석 화합물은 기존 CAR보다 2~3배 더 흡수한다. HfOₓ는 ZrOₓ의 약 두 배를 흡수한다. 이런 금속 산화물 레지스트(MOR, Metal-oxide resist)는 무기물이라 건식 식각에도 강하다. 유기 레지스트가 식각 내성이 낮고 EUV를 적게 흡수하는 것과 대비된다. Inpria 조성으로 검증한 모델은 Dose에 따라 산화 그물 구조가 비선형으로 자라는 것으로 Negative 대비를 설명한다. 산이 확산하는 증폭 대신, 노광된 자리의 구조 자체가 바뀌는 방식이다.

화학 증폭형(CAR)금속 산화물(MOR)
EUV를 흡수하는 것고분자(광전자·2차 전자가 산 생성)주석 등 금속과 산소, CAR의 2~3배
상이 생기는 방식산 촉매 탈보호, PEB 확산산화 그물 구조의 성장(Negative)
식각 내성낮은 편높다
공급사 설명의 예—주석 산화물 핵 클러스터, 흡수가 크고 산 확산이 없다(Inpria 주장)
표 7. EUV용 두 레지스트 계열. 리뷰가 정리한 업계 목표는 해상도 10 nm 미만, LWR 15 % 미만, 감도 20 mJ/cm² 미만이다.

Inpria는 2007년 Oregon State University에서 분사했고 2021년부터 JSR 계열이며, 자사 레지스트를 주석 산화물 핵을 가진 유기 금속 클러스터로 설명한다. 회사는 EUV 흡수가 크고 광자 산탄 잡음의 영향이 적으며 산 확산이 없다고 주장한다. 장비사·재료사의 주장은 독립된 측정과 구분해 읽어야 한다.

레지스트가 노광 장비를 더럽힌다: Outgassing 시험

EUV는 진공 속에서 노광한다. 이때 레지스트에서 나오는 기체(Outgassing(탈기체))가 EUV 광학계를 오염시킬 수 있어, ASML NXE:3100에 쓰려면 레지스트가 ASML의 Outgassing 규격을 먼저 통과해야 했다. 받아들여진 시험법은 광학 부품을 닮은 Witness 시편을 Dose-to-clear로 노광하는 레지스트 옆에 두고, 쌓인 오염의 두께를 분광 타원계로 잰 뒤 수소 라디칼로 씻고, 씻기지 않고 남은 오염을 XPS로 보는 것이다. 잔류 기체 분석(RGA) 결과는 장비와 교정 방식 차이로 시험 기관마다 달랐다. 레지스트를 고를 때 해상도·거칠기·감도만이 아니라 '장비에 무엇을 남기는가'도 따진다는 뜻이다. EUV 장비의 진공과 거울은 8장에서 본다.

이 장에 나온 재료와 공급사

공개 문헌에는 실험에 쓴 레지스트와 현상액의 이름이 함께 적힌다. 아래 표는 이 장이 인용한 자료에 나온 것만 모은 것이다. 공급사별 시장 점유율은 이 책이 확인한 공개 자료가 없어 적지 않는다.

이름종류문헌에 적힌 공급사·출처
THMR-iP3000i-line 레지스트(Dill 상수 측정)TOK
AZ1350J, Kodak 820DNQ–Novolac(현상 모델)Mack 1987
XP-9402, MF-321248 nm CAR, 현상액현상액은 Shipley
APEX-E, CD-26248 nm CAR, 0.26 N 현상액현상액은 Shipley
UV5ESCAP 계열 CARShipley
FN-DP001NTD용 유기 현상액Fujifilm
주석 산화물 클러스터 레지스트EUV 금속 산화물Inpria(JSR 계열)
표 8. 이 장의 자료에 이름이 나온 재료. 제품의 현재 공급 여부는 확인하지 않았다.

마지막으로 거칠기의 크기를 보자. 약 100 nm 패턴의 측벽 거칠기는 1~3 nm였고, 매립 차단층을 넣은 193 nm 액침 레지스트의 47 nm 라인은 LER(3σ) 2.6 nm, LWR(3σ) 3.5 nm였다. 선폭이 20 nm 아래로 내려가면 같은 몇 nm의 거칠기가 선폭의 큰 몫이 된다. 감광막의 화학은 이제 분자 몇 개, 광자 몇 개의 통계를 다루는 일이 되었다. 거칠기를 재는 법은 10장에서 본다.

핵심 정리

  1. 감광막은 수지·용매·감광제로 이루어지고, 노광은 모양 없이 용해도만 바꾼다(잠상). Positive는 빛 받은 곳이 녹고 Negative는 남는다. Tone(무엇이 남는가)과 화학(DNQ인가 CAR인가)은 따로 구분한다.
  2. 대비 곡선은 Dose에 따른 남은 두께이고, Positive의 Dose-to-clear E₀와 Negative의 Gel dose가 기준점이다. γ가 클수록 공간상의 완만한 비탈이 가파른 벽이 된다. 다만 잰 γ 하나로 감광막을 고르면 함정이 있다.
  3. DNQ는 Novolak의 용해를 막다가 빛을 받으면 N₂를 잃고 염기에 녹는 산이 된다. 광자 하나가 바꾸는 것은 분자 하나뿐이고, 70 °C 넘는 베이크에서 분해되며, DUV에서는 Novolak이 너무 많이 흡수한다.
  4. Dill 모델: α = Am + B, dm/dt = −CIm. A > 0이면 표백으로 바닥까지 노광이 고르게 되고, 흡수가 크면 바닥이 노광되지 않는다. 상수는 투과율 측정으로 얻는다.
  5. CAR는 PAG가 만든 산이 PEB 동안 보호기(t-BOC 등)를 떼어 내는 촉매 반응으로, 산 하나가 수백 번 일할 수 있다. 1979년 IBM에서 시작해 DUV 이후 거의 모든 칩 제조의 바탕이 되었다.
  6. PEB의 탈보호·확산은 Arrhenius를 따른다(APEX-E Eₐ 35.68 kcal/mol, 1 °C에 약 14 %). CD 민감도는 레지스트에 따라 1~16 nm/°C 수준이다. 산 확산 길이는 정상파를 지울 만큼 커야 하지만 너무 크면 상이 흐려지고, Quencher는 거칠기를 줄이는 대신 Dose를 늘린다.
  7. 산을 잃으면 증폭이 멈춘다. 공기 중 아민(15 ppb, 15분)은 윗면에 Skin을 만들어 T-top을, 질소가 든 기판(SiN, TiN, SiON)은 Footing을 만든다. 대기 시간, 화학 필터, 기판별 비교, TDS로 확인한다.
  8. 현상은 Mack 속도식(rmax, rmin, n, mTH)으로 기술되고 현상액 온도·농도가 rmax를 바꾼다. NTD는 유기 용매로 노광부를 남기고, EUV에서는 흡수가 큰 금속 산화물 레지스트와 Outgassing 관리가 새 과제다.

확인 퀴즈

1. "Positive CAR"라는 말에 대한 설명으로 옳은 것은?

Tone은 무엇이 남는가, 화학은 어떻게 반응하는가를 말한다. Positive에는 DNQ–Novolac과 CAR가 모두 있고, 같은 CAR 화학을 현상액만 바꿔 Negative로 쓰는 것이 NTD다. 1절 · 7절의 NTD

2. Dill 상수 A가 양수인 i-line 감광막을 노광하면 막 바닥이 받는 세기는 노광이 진행되며 어떻게 될까?

α = Am + B에서 m이 줄면 A가 맡은 흡수가 사라져 아래쪽에 빛이 더 닿는다. 기본값 시뮬레이터에서 1 µm 막의 바닥 세기는 0.48에서 0.71로 오른다. 3절 · 시뮬레이터

3. KrF 시대에 화학 증폭형 레지스트가 필요했던 이유로 가장 알맞은 것은?

당시 원자외선 광원은 세기가 약했고 기존 감광막의 양자 효율은 1보다 훨씬 작아 감도가 모자랐다. Novolak은 DUV를 너무 많이 흡수해 바닥까지 노광되지 않았다. 산 촉매로 한 광자가 여러 반응을 일으키는 CAR가 두 문제를 풀었다. 4절 · 2절

4. PEB 모듈 한 대를 거친 웨이퍼만 라인 CD가 작다. 가장 먼저 할 일로 알맞은 것은?

탈보호와 확산은 Arrhenius를 따라 1 °C에 약 14 %씩 빨라진다(APEX-E 상수로 계산). Dose를 바꾸면 평균은 맞아도 모듈 사이 차이가 남아 원인을 가린다. 승온이 느린 것만으로도 CD와 Scum이 바뀐다. 5절 · 시뮬레이터

5. Positive CAR 라인의 윗부분이 모자처럼 넓게 남았고, 노광 뒤 PEB까지 대기 시간이 길었던 Lot에서만 나타난다. 가장 그럴듯한 원인은?

유기 염기 15 ppb 공기에 15분만 있어도 Positive CAR 윗면에 녹지 않는 Skin이 생긴다. 염기의 침투 깊이는 대기 시간의 제곱근을 따른다. 기판 질소는 바닥의 Footing을 만든다. 6절 · PREDICT

6. 산 확산 길이와 Quencher에 대한 설명으로 옳은 것은?

확산 길이는 √(2Dt)로 시간의 제곱근을 따른다. 거칠기가 가장 작은 확산 길이가 따로 있고, Quencher는 탈보호의 기울기를 키워 거칠기를 줄이지만 Quencher가 먹는 만큼 산을 더 만들어야 한다. 5절 · CHALLENGE