코팅·베이크·현상과 Track

Track이 하는 일: 블록과 모듈, 웨이퍼의 길

2장에서 감광막의 화학을 보았다. 바르고, 굽고, 노광하고, 다시 굽고, 녹이는 일이 차례로 이어졌다. 이 가운데 노광만 Scanner가 하고 나머지는 모두 한 장비가 맡는다. 감광막을 바르는(Coat) 일과 현상하는(Develop) 일을 함께 한다고 해서 Track(Coater/Developer, 도포·현상 장비)이라 부른다. Scanner가 빛과 위치를 다룬다면(7장), Track은 감광막이라는 재료와 그 재료가 겪는 열과 약액을 다룬다.

TEL의 특허는 전형적인 Track의 구성을 이렇게 적는다. 캐리어 블록, 처리 블록, 인터페이스 블록이 일직선으로 늘어서고, 노광 장치는 인터페이스 블록에 이어 붙는다. 처리 블록 안에는 단위 블록이 층층이 쌓여 있는데, 첫째 층은 반사 방지막을 바르고 굽고, 둘째 층은 레지스트를 바르고 굽고, 셋째 층은 PEB와 현상을 한다. 종류마다 같은 모듈이 둘씩 있어 웨이퍼는 그중 하나를 지난다. 웨이퍼의 길은 캐리어 → 반사 방지막 층 → 레지스트 층 → 인터페이스 → 노광 → 인터페이스 → PEB·현상 층 → 캐리어다. 한 층 안에서는 반송 기구가 가운데 통로를 따라 움직이며 전달 모듈, 현상 모듈, 가열 모듈 사이로 웨이퍼를 옮기고, 가열 모듈은 격자처럼 쌓여 있다. 냉각판은 가열판 위로 움직여 로봇과 Hot plate 사이에서 웨이퍼를 주고받는다.

그림 1의 단계 가운데 몇 가지는 공정에 따라 달라진다. 액침 노광에서는 레지스트 위에 Topcoat를 더 바르기도 하는데, TMAH 현상액에 녹는 알칼리 가용 Topcoat는 현상할 때 함께 벗겨진다. 현상 뒤의 Hard bake는 패턴을 다음 공정의 열에 견디게 만드는 단계다. 수 J/cm²의 원자외선을 쬐거나 높은 온도로 구우면 표면 근처의 수지가 가교되는데, Mack은 이것을 패터닝 뒤 레지스트를 열에 안정하게 만드는 바탕으로 설명한다. 요즘 레지스트의 Hard bake 조건은 이 책이 확인한 공개 자료에 없다.

Track은 Scanner와 떨어져 있지 않고 Interface block(Track과 노광 장치 사이의 웨이퍼 전달부)으로 바로 이어진다. 붙여 쓰는 이유 하나는 2장에서 본 공기 중 아민이다. 화학 증폭형 레지스트는 유기 염기가 15 ppb만 섞인 공기에 15분만 있어도 성능이 크게 나빠졌고, 해법은 활성탄 필터를 거친 공기 속에서 코팅한 웨이퍼를 보관하고 처리하는 국소 여과였다(2장 6절). TEL은 CLEAN TRACK ACT 12가 DUV 공정을 위해 화학 필터와 고정밀 오븐을 쓴다고 설명한다(장비사 설명). 다른 이유는 처리량이다. TEL은 LITHIUS Pro Z의 인라인 처리량을 시간당 300장으로 적고, ASML은 NXT:2100i를 시간당 295장으로 적는다(둘 다 회사 주장). 붙어서 도는 두 장비가 같은 급의 속도를 내도록 맞춰져 있다는 뜻이다(두 사양을 나란히 놓고 읽은 해석).

한 가지 더 기억할 것이 있다. 같은 역할의 모듈이 여러 대이므로 웨이퍼마다 지나는 모듈이 다르다. 한 Lot의 웨이퍼가 모두 같은 Recipe를 받아도, 3번 웨이퍼는 PEB 1번 판을, 4번 웨이퍼는 PEB 2번 판을 지났을 수 있다. 장비 전체의 평균 CD가 정상이어도 특정 모듈을 지난 웨이퍼만 결과가 다를 수 있다는 뜻이다. 그래서 Track의 결과는 모듈 ID와 처리 시각을 함께 붙여서 읽는다. 아래 표는 모듈마다 결과와 함께 보아야 할 정보를 정리한 것이다.

아래 그림에서 모듈을 하나씩 눌러 하는 일과 망가지면 보이는 증상을 보자. 「웨이퍼 한 장 보내기」를 누르면 웨이퍼 한 장이 그림 1의 순서대로 모듈을 지나간다. 같은 모듈이 두 대씩 있는 곳에서는 웨이퍼마다 다른 쪽을 고르므로, 여러 번 보내며 '이 웨이퍼의 모듈'이 어떻게 바뀌는지 보자.

모듈 설명의 근거: 블록 구성과 웨이퍼의 길, 냉각판의 전달 방식, 열한 영역 판은 TEL 특허, 다섯 영역 판과 Offset은 다른 TEL 특허, 화학 필터는 MacDonald 등의 연구와 TEL의 장비 설명, HMDS 처리 시간과 접촉각은 증기 접착 촉진제 특허, 토출량과 회전 속도는 UT Dallas의 Spin coating 자료, EBR은 Micron 특허, BARC 두께는 Mack 등, Soft bake는 Mack 등의 두 논문, 냉각 시간은 DeWitt 등, 근접 간격과 승온·이송의 영향은 Smith 등, PEB 민감도는 Smith 등과 TEL 특허, Wang 등, 현상 방식과 현상액은 TEL·SCREEN 특허와 MicroChemicals 자료, 처리량은 TEL과 ASML의 제품 페이지에서 왔다.

표면 준비: HMDS와 접촉각

감광막은 웨이퍼에 단단히 붙어 있어야 한다. 현상액에 담긴 채 수십 초를 버티고, 린스의 물살과 회전 건조를 견딘 뒤, 식각이나 이온 주입의 마스크가 되어야 하기 때문이다. 그런데 세정을 막 마친 웨이퍼의 표면에는 물과 Si–OH가 남아 있어 레지스트가 잘 붙지 않는다. 그래서 레지스트를 바르기 전에 HMDS(Hexamethyldisilazane, 헥사메틸다이실라잔)로 표면을 처리한다. HMDS는 물을 없애고 Si–OH를 분해해 표면을 –CH₃로 바꾸어 접착을 높이며, 보통은 증기로 처리한다.

반응을 들여다보면 이렇다. HMDS는 물과 만나면 암모니아와 트라이메틸실란올이 되고, 표면의 OH나 산화막과 반응해 표면을 트라이메틸실록시기(–O–Si(CH₃)₃)로 덮는다. 바깥을 향한 메틸기는 물과 수용액 현상액을 밀어낸다. 반응을 하나의 식으로 쓰면 다음과 같다(두 서술을 원자 수에 맞춰 묶은 식이다).

처리를 건너뛰면 무슨 일이 생길까? 같은 특허는 프라이밍이 없을 때 코팅이 나쁘고, 레지스트가 들뜨며(Lift-off), 현상액이 레지스트 밑으로 파고들어 패턴을 잃는다고 적는다. 여기서 언더컷(Undercut)은 현상액이 극성이 큰 기판 표면을 따라 레지스트와 기판 사이로 스며드는 것이다. 표면이 메틸기로 덮이면 현상액이 계면으로 스며들지 못해 언더컷이 막힌다. 레지스트를 바른 막은 바늘구멍, 가장자리 말림, 방울짐, 들뜸, 언더컷 없이 이어져 있고 고른 것이 좋은 막이다.

처리가 잘 되었는지는 물방울 하나로 확인한다. 각도계로 물방울의 접촉각(Contact angle), 곧 고체 표면과 물방울 가장자리의 접선이 이루는 각을 재면 실릴화가 많이 될수록 각이 커진다. 처리하지 않은 Si는 보통 15° 미만이고, 대부분의 용도에는 65~75°가 알맞다. 같은 특허의 예에서 HMDS만으로 1분 증기 처리하면 47°였고, 68°에 이르는 데 15분이 걸렸다. HMDS와 TMSDEA를 섞은 증기는 1분 만에 75°, TMSDEA만 쓰면 84°였다. Track에 붙은 일반적인 증기 프라이밍은 2분 넘게 걸릴 수 있다고 적는다(특허의 예). 접촉각은 처리 시간과 약품에 따라 달라지는 '결과'이므로 장비의 설정값보다 웨이퍼에서 잰 값을 믿는다.

HMDS의 효과가 접착만은 아니다. Yamamoto 등은 Si 위에서 HMDS와 레지스트가 섞인 층이 반사 방지 역할을 해 정상파 효과를 줄인다고 보고했다. 굴절률 1.41의 HMDS와 1050 nm 레지스트, 3인치 Si로 한 실험이다. 거꾸로 주의할 점도 있다. 위 반응식처럼 HMDS는 암모니아를 내놓는다. 2장에서 본 것처럼 화학 증폭형 레지스트는 염기에 민감하다. 다만 프라이밍에서 나온 암모니아가 실제 Track에서 레지스트에 얼마나 영향을 주는지를 정량한 공개 자료는 이 책이 확인하지 못했다.

먼저 예측해 보자. 세정한 웨이퍼에 HMDS 처리를 하면 물방울은 어떻게 앉을까?

Spin coating: 돌려서 펴는 막의 두께 법칙

코터는 레지스트를 웨이퍼에 떨어뜨린 뒤 웨이퍼를 돌려 얇은 막을 만든다. 이것이 Spin coating(회전 도포)이다. 돌리는 동안 액체는 바깥으로 퍼지며 대부분 웨이퍼 밖으로 날아가고, 남은 막에서는 용매가 증발한다. 그래서 막 두께는 회전 속도 하나로 정해지지 않는다. 레지스트의 점도와 용매, 토출 상태, 회전과 증발이 일어나는 환경이 함께 작용한다. 회전 속도로 두께를 맞추는 관계도 그 재료와 공정 범위 안에서 확인한 것만 믿어야 한다.

물리는 두 단계로 나뉜다. 먼저 원심력이 액체를 바깥으로 밀어 막이 얇아진다. Emslie, Bonner, Peck은 1958년에 회전하는 원판 위 뉴턴 유체의 흐름을 풀어, 처음에 고르던 층은 얇아지면서도 고르게 남고 고르지 않던 층도 고르게 되어 가며, 어떤 두께에 이르는 시간은 각속도와 점도에 달려 있음을 보였다. 막이 얇아질수록 흐름은 급격히 느려지고, 그다음에는 용매 증발이 막을 굳힌다. Meyerhofer는 원심력, 층 안의 선형 전단, 고른 용매 증발을 함께 넣은 모델로, 조심해서 돌리면 막 두께가 고르고 웨이퍼 크기와 무관하다는 것을 보였다. 그 결과가 \(h \propto f^{-2/3}\,\nu_0^{1/3}\,e^{1/3}\)과 \(e \propto f^{1/2}\)이다. 두 식을 합치면 다음을 얻는다.

이 식이 현장의 감각을 정한다. 회전 속도를 두 배로 올리면 두께는 \(1/\sqrt{2}\), 약 0.71배가 된다. 1,500 rpm에서 6,000 rpm으로 네 배 올려야 두께가 겨우 절반이 된다(계산). 반대로 점도는 세제곱근으로 듣기 때문에 두께를 두 배로 바꾸려면 점도를 여덟 배로 바꿔야 한다(계산). 회전 속도로는 두께를 넓게 바꾸기 어렵다는 뜻이다. 그래서 두께를 크게 바꿀 때는 점도(고형분)가 다른 제품을 고르고, 회전 속도는 그 안에서 미세하게 맞추는 데 쓴다(원리에서 나온 해석).

실제 레시피는 몇 단계로 나뉜다. UT Dallas의 장비 자료(Cee 사 자료를 옮긴 것)에 따르면, 정지한 웨이퍼에 떨어뜨리는 정적 토출은 점도와 웨이퍼 크기에 따라 1~10 cc를 쓰고, 약 500 rpm으로 돌리며 떨어뜨리는 동적 토출은 덜 낭비한다. 고속 회전은 흔히 3,000 rpm 안팎이고, 막을 얇게 만드는 단계는 1,500~6,000 rpm에서 10초에서 몇 분까지 돈다. 어떤 공정에서는 처음 몇 초 동안 용매의 50 %가 증발하므로 가속을 어떻게 하느냐도 중요하다. 상대 습도가 몇 % 바뀌어도 두께가 크게 바뀔 수 있어, 닫힌 컵(Bowl)으로 습도와 기류의 영향을 줄인다. 클린룸의 하향 기류는 약 30 m/min이다.

두께는 다음 단계의 거의 모든 것에 영향을 준다. 레지스트 두께가 바뀌면 막 속을 지나는 빛의 조건이 바뀌어 정상파와 Swing curve 위의 자리가 달라진다(5장). 그래서 두께는 Swing curve의 골이나 마루에 맞춰 고르기도 한다. Petersen 등은 248 nm CAR XP-9402를 Swing curve에서 Dose가 가장 작은 자리(E-min)에 해당하는 792.5 nm로 발랐다. 두께는 현상해야 할 양과 패턴의 높이도 정한다. 패턴이 높으면 다음 식각을 견디는 여유가 커지지만, 좁고 높은 패턴은 린스와 건조 중에 쓰러지기 쉽다(7절). 두께를 정하는 일은 다음 단계에서 필요한 모양과 함께 평가해야 한다.

Edge bead와 EBR

돌려 바른 막은 가장자리에서 눈에 띄게 두꺼워진다. 이것을 Edge bead(가장자리 막 솟음)라 한다. 두꺼운 막일수록 심하고, 원심력이 크기를 제한하므로 작은 웨이퍼에서 더 크다. 접촉식 노광에서는 큰 Edge bead가 마스크를 넓은 면적에서 떠 있게 만든다. 그래서 회전 도포 뒤에는 가장자리 막을 없앤다. 용매로 녹이는 EBR(Edge bead removal·Edge bead rinse)은 회전 건조 뒤 노즐로 웨이퍼 가장자리와 옆면에 용매를 뿌리고 다시 돌려 말린다. 다른 방법은 가장자리만 따로 노광해 현상으로 없애는 WEE(Wafer edge exposure)다. 두 방법에는 각각 약점이 있다. WEE와 현상은 가장자리에 수직인 레지스트 벽을 남겨 나중에 올라오는 금속이나 폴리실리콘 막이 벗겨지거나 끊길 수 있고, EBR은 가장자리 단면이 비대칭이 될 수 있다. 가장자리에 남은 레지스트는 뒤 공정을 오염시키고 막이 들뜨는 원인이 된다. EUV용 금속 산화물 레지스트에서는 금속 오염을 막으려고 Edge bead 제거와 뒷면·Bevel 세정이 표준 공정이 되었다.

대부분은 버려진다: 레지스트 소비

Spin coating은 재료를 아끼는 방법이 아니다. 한 특허의 예에서는 고형분 20 %인 레지스트로 200 mm 웨이퍼에 1 µm 막을 만드는 데 0.16 cc면 충분하지만, 실제로는 4~5 cc를 써서 97 %가 버려진다. 레지스트는 반도체 재료비의 약 5 %이고 갤런당 1,000달러 이상일 수 있다고 적는다(특허의 예). 다른 특허는 갤런당 1만 달러까지 갈 수 있다고 쓰며, 레지스트나 반사 방지막보다 먼저 용매를 뿌려(Pre-wet) 표면을 고르게 하고 액체의 표면 장력을 깨는 방법을 낸다. Micron의 특허 예에서는 용매 Pre-wet으로 웨이퍼당 레지스트를 4.5 cc에서 1.4 cc로 최대 68 % 줄였고, EBR에 쓴 용매를 Pre-wet에 다시 쓸 수 있다고 적었다. SCREEN도 RF-200EX/RF-300EX가 도포 중 레지스트 소비를 크게 줄인다고 설명한다(장비사 설명, 수치 없음).

아래 시뮬레이터에서 회전 속도, 점도, 토출량을 바꾸며 막이 퍼지고 얇아지는 과정을 보자. 아래 그래프는 회전 속도에 따른 최종 두께이고, 점도별 곡선이 함께 그려진다.

공식을 손에 익히는 연습을 해 보자. 아래 도전 과제는 모니터 웨이퍼로 몇 번 시험 코팅을 하며 목표 두께를 맞히는 일이다. 회전 속도를 정하고 「시험 코팅」을 누르면 그 조건으로 바른 웨이퍼의 두께가 그래프에 찍힌다. 시험은 공짜가 아니니 식으로 먼저 계산하고 확인용으로 쓰자.

세 문제를 풀고 나면 두 가지가 손에 남는다. 두께의 작은 조정(몇 %)은 회전 속도로 하는데, 두께 1 %를 바꾸려면 회전 속도를 약 2 % 바꿔야 한다. 두께의 큰 이동은 회전 속도로 감당하지 못하므로 점도가 다른 제품으로 넘어간다. 같은 계열의 레지스트를 점도가 다른 여러 제품으로 갖춰 두면 쓸모 있는 이유다(원리에서 나온 해석).

BARC·TARC: 반사를 막는 막

레지스트를 바르기 전에 Track은 한 겹을 더 바른다. 빛이 레지스트를 지나 기판에서 반사되면 내려가는 빛과 올라오는 빛이 겹쳐 정상파가 생기고, 레지스트 두께에 따라 흡수 에너지가 오르내리는 Swing curve가 생긴다. 그 원리와 시뮬레이터는 5장에 있다. 여기서는 그 반사를 줄이는 막을 Track이 어떻게 바르고 무엇으로 고르는지를 본다. 레지스트 아래의 반사 방지막을 BARC(Bottom anti-reflective coating, 하부 반사 방지막), 위의 것을 TARC(Top anti-reflective coating, 상부 반사 방지막)라 한다.

Mack 등은 BARC의 목적을 정상파를 줄이고 막 적층의 변화에 덜 민감하게 만드는 것으로 정리하고, 65 nm 이하 공정에서는 반사율 0.1 % 미만이 자주 요구된다고 적는다. BARC에는 세 손잡이가 있다. 두께, 굴절률의 실수부 n, 허수부 κ(흡수)다. 문제는 두 종류로 나뉜다. 흡수하는 기판(예: Si, 금속) 위에서는 반사율 자체를 줄여야 하고, 산화막처럼 투명한 기판 위에서는 아래 산화막 두께가 바뀌어도 반사율이 덜 변하게 만들어야 한다.

반사가 0이 되는 조건은 레지스트–BARC 경계의 반사와 BARC–기판 경계의 반사가 크기는 같고 위상은 반대가 되는 것이다. 흡수가 없는 막이라면 두께가 \(\lambda/(4n_2)\)이고 굴절률이 \(\sqrt{n_1 n_3}\)인 '4분의 1 파장 막'이 답이지만, 흡수하는 기판이 대부분인 리소그래피에서는 쓸모가 적다. 흡수가 있는 막에서는 n, κ, 두께 가운데 둘만 정하면 나머지가 정해져 해가 하나가 아니라 한 무리로 나온다. 위상 조건에 한 바퀴(2π)를 더하면 더 두꺼운 둘째 최소의 해가 생긴다. 193 nm에서 레지스트 굴절률 1.7 + 0.01536i, Si 0.8831 + 2.778i로 계산한 예에서 첫째 최소의 BARC 해는 두께 약 10~60 nm, 둘째 최소는 약 50~130 nm에 걸친다.

그림 4가 '해의 무리'를 보여 준다. 흡수가 알맞으면 얇은 BARC 한 겹이 빛을 다 먹어 버리고, 흡수가 작으면 두꺼운 BARC의 간섭으로 반사를 지운다. 흡수가 너무 크면 이번에는 BARC 윗면이 거울이 되어 반사가 남는다. 그러니 BARC는 '흡수가 클수록 좋은 막'이 아니다. 레지스트, 기판, 두께를 함께 놓고 고르는 막이다(그림의 계산에서 읽은 해석).

현장에서 BARC를 관리하는 방법도 이 원리에서 나온다. 레지스트를 바른 뒤에는 레지스트가 보는 반사율을 직접 잴 수 없으므로, 각 막의 두께와 굴절률을 따로 재서 반사율을 계산으로 확인한다. 그러니 BARC의 두께와 n, κ가 관리 항목이 된다. Track 안에서 BARC는 레지스트보다 먼저, 따로 마련된 단위 블록에서 도포되고 구워진다.

TARC는 같은 생각을 윗면에 적용한 것이다. 공기–레지스트 경계에 흡수 없는 4분의 1 파장 조건을 적용하면 굴절률 \(n_{TARC} \approx \sqrt{n_{resist}}\), 두께 \(D = \lambda/(4n_{TARC})\)가 된다. 193 nm에서 레지스트 굴절률 1.7이면 약 1.30, 약 37 nm다(Mack 등의 식에서 계산). TARC 재료만을 다룬 공개 자료는 이 책이 확인하지 못했다. 액침 노광의 Topcoat는 반사보다 물과 레지스트를 떼어 놓는 것이 주된 목적이라 다른 막이다(7장).

Soft bake와 PEB: Hot plate가 주는 열 이력

Track 안에 격자처럼 쌓여 있는 가열 모듈의 중심은 뜨거운 판, 곧 Hot plate(가열판)다. 레지스트를 바른 뒤 굽는 Soft bake(PAB, Post-apply bake), 노광 뒤 굽는 PEB(2장), BARC 베이크가 모두 Hot plate에서 일어나고, 굽고 나면 Chill plate(냉각판)가 웨이퍼를 식힌다. 두 베이크는 하는 일이 다르다. Soft bake는 도포 용매를 날려 막을 치밀하고 안정하게 만들고, 그 영향은 현상 때 나타난다. 남은 용매의 양과 깊이 분포, 열분해 산물이 현상 속도를 크게 바꾸기 때문이다. Soft bake는 용매와 Quencher 같은 첨가제의 깊이 분포를 고르지 않게 만들어 노광·PEB·현상 동역학까지 바꾼다. PEB는 노광이 만든 산이 보호기를 떼어 내는 반응을 진행시킨다.

베이크의 조건은 장비에 '설정 온도와 시간'으로 입력한다. 그러나 웨이퍼가 실제로 받은 열은 Hot plate와의 접촉이나 간격, 열 전달, 가열·냉각의 이력에 따라 달라진다. 같은 Recipe를 쓴 두 모듈의 결과가 다르면 설정값이 아니라 실제 온도 이력과 막 상태까지 비교해야 하는 이유다. Mack 등은 Soft bake를 Hot plate 열전달과 용매 확산(농도·온도에 따라 바뀌는 확산 계수)으로 모델링해 웨이퍼의 시간–온도 이력, 용매 분포, 최종 두께를 계산하고, 49점에서 잰 두께와 프리즘 결합기로 잰 두께·굴절률로 확인했다.

웨이퍼 온도는 시간 상수로 따라간다

Smith 등은 근접 Hot plate 위 웨이퍼의 온도를 한 덩어리 열용량 모델로 다룬다. 웨이퍼는 얇은 공기층(간격 δ)을 지나 판에서 열을 받고, 윗면으로는 주변 공기에 열을 잃는다.

이 모델의 핵심은 웨이퍼가 다가가는 온도 \(T^*\)는 판 온도와 거의 같지만, 거기까지 가는 시간 상수 τ는 간격에 민감하다는 것이다. 간격은 흔히 약 0.15 mm인데, 200 mm 웨이퍼의 휨은 0.076 mm에 이를 수 있어 τ를 절반으로 줄이거나(간격이 좁아짐) 1.5배로 늘릴 수 있다. 같은 논문이 쓴 전형적인 세 단계 값은 표 3과 같다.

이 열 이력이 결과를 바꾼다. APEX-E 레지스트의 250 nm 라인/스페이스를 계산한 결과, 이상적인 90 °C·60 s 베이크에서는 15.1 mJ/cm²면 되던 것이 실제 온도 이력에서는 18.0 mJ/cm²로 20 % 더 필요했다. 실제 이력이 열을 덜 주기 때문이다. 승온 시간이 7 s를 넘으면 조밀 라인 바닥에 Scum이 생겼고, 고립 라인은 승온 시간에 거의 비례해 굵어졌다. 이송 지연보다 승온 시간이 더 중요했는데, 탈보호가 시작되기 전의 초반에 산을 잃기 때문이다. 연구진은 웨이퍼 휨이 만들 수 있는 두 배 차이(승온 2.5 s와 5.0 s)로 공정 윈도를 비교하고, 승온의 흔들림이 겹친 초점–노광 윈도를 크게 줄일 수 있다고 결론지었다.

판의 설계도 중요하다. DeWitt 등의 계산에서 23 °C 웨이퍼를 100 °C 판에 올릴 때 데워지는 시간은 계면의 결합이 지배했다. 열확산도가 알루미늄 합금보다 약 60 % 높은 순수 구리로 판을 바꿔도 0.2 mm 근접 간격에서는 거의 도움이 되지 않았고, 측정과 맞추려면 접촉 열저항이 0.00035 m²·K/W 아래여야 했다. 진공 홈(폭 1.42 mm, 깊이 0.71 mm)은 처음 몇 초 동안 1 °C 넘게 국소적으로 온도를 떨어뜨렸고, 폭을 두 배로 하면 2.5 °C를 넘었지만 정상 상태에서는 거의 0이었다. 반면 25 mm 알루미늄 판 속에 20 mm 간격으로 넣은 5 mm 폭 히터는 웨이퍼에 물결 무늬를 남기지 않았다.

Chill plate가 따로 있는 이유도 같은 계산에서 보인다. 100 °C 웨이퍼를 고요한 공기 속에 두면 20 °C까지 거의 250 s가 걸리지만, 12 °C와 16 °C의 근접 냉각판(간격 0.318·0.635 mm)은 50 s 안에 30 °C, 80 s 안에 20 °C까지 식힌다. 같은 논문은 40 s마다 웨이퍼가 들어와 30 s씩 굽는 조건에서 PID 설정(이득 600 (W/m²)/°C, 미분 시간 1 s, 적분 시간 200 s)으로는 웨이퍼마다 같은 이력을 겪지 못해 그 설정이 최적이 아니었다고 적는다. 웨이퍼가 차례로 들어올 때 판이 회복하는 방식까지 결과에 들어간다는 뜻이다.

1 °C는 몇 nm인가

온도의 흔들림이 CD로 얼마나 번지는지를 PEB 민감도(PEB 온도 1 °C당 선폭 변화)라 부른다. 문헌의 값은 레지스트에 따라 열 배 넘게 다르다.

판이 고르게 데워지는 것도 쉽지 않다. 전통적인 Hot plate에 웨이퍼를 처음 올리면 평형에 이르기 전까지 웨이퍼 안 온도 차가 수 °C에 이를 수 있어, KrF·ArF 공정을 위해 PEB 전 과정의 균일도를 노린 Heat pipe 방식의 판이 만들어졌다. 연구용 다영역 열전 소자 판은 승온, 유지, 급랭 전 과정에서 0.1 °C 미만의 불균일도를 보였다. 판이 실제로 어떤지는 무선 센서 웨이퍼로 잰다. Cain 등은 센서 웨이퍼로 판의 공간·시간 균일도를 재고, 두 EUV 레지스트에서 정상 상태 온도, 승온 시간(얇은 폴리이미드 받침으로 바꿈), 베이크 시간에 대한 CD 민감도를 측정했다.

아래 시뮬레이터는 표 3의 세 단계 모델에 근접 간격을 손잡이로 붙인 것이다. 간격을 바꾸면 시간 상수가 바뀌고, 그 열 이력이 탈보호 반응을 얼마나 진행시키는지를 계산해 CD 변화로 옮긴다.

시뮬레이터가 보여 주는 크기에 놀랄 수 있다. APEX-E처럼 민감한 레지스트라면 휨 때문에 간격이 반으로 줄어든 자리와 1.5배로 벌어진 자리 사이에 수십 nm의 차이가 계산된다. 실제 공정이 그렇게 망가지지 않는 것은 민감도가 낮은 레지스트를 쓰고, 휜 웨이퍼를 판에 붙잡거나 휨을 감지해 대응하기 때문이다. 다음 현업 노트가 그 방법이다.

다영역 Hot plate와 웨이퍼 CD 지도

Hot plate 한 장의 온도를 고르게 하는 가장 직접적인 방법은 판을 여러 영역으로 나누고 영역마다 히터를 따로 제어하는 것이다. 그런데 모든 영역에 같은 설정값을 넣어도 웨이퍼 온도는 고르지 않다. 영역마다 열저항이 다르기 때문이다. 그래서 영역마다 설정값을 조금씩 옮기는 영역 Offset(Zone offset, 다영역 Hot plate의 영역별 온도 보정값)을 준다. TEL의 특허는 웨이퍼 안에서 잰 선폭과 Offset 사이의 관계를 모델로 만들어 Offset을 계산한다. 선폭 지도를 X·Y 방향의 기울기와 곡률 성분으로 나누어 다루고, 특허의 예에서 판은 다섯 영역이며, Offset은 Recipe(온도와 레지스트 종류)마다 따로 둘 수 있다.

다른 TEL 특허의 예에서는 판이 열한 영역으로 나뉘고, 두 시점 사이에 각 영역이 웨이퍼에 주는 전체 열량이 같아지도록 Offset을 고른다. 이 맞춤은 한 모듈 안의 영역 사이뿐 아니라 모듈과 모듈 사이에도 적용한다(특허의 예: 약 100 °C의 PEB). 승온 과도기의 불균일이 남기는 CD 불균일을 줄이려고 PEB를 두 단계로 데우는 방법도 있다. 학계에서도 Zhang 등이 무선 온도 센서 웨이퍼와 CD-SEM 지도로 만든 모델로 영역 Offset을 풀어, 모사에서 CD 변동을 크게 줄였다. 이 연구는 Dose 대신 PEB를 웨이퍼 안의 공간 분포를 바꾸는 가장 효과적인 제어 입력으로 본다.

원리는 간단한 선형 근사다. 웨이퍼 위 각 자리의 온도가 기준에서 ΔT(x, y)만큼 벗어나면 그 자리의 CD는 민감도 S만큼 옮겨 간다.

아래 시뮬레이터는 같은 PEB Recipe로 도는 Plate A와 B를 함께 본다. 두 판에는 온도 오차가 있다. 왼쪽 원은 센서 웨이퍼로 잰다면 보일 영역별 온도 차(오차와 Offset의 합)이고, 오른쪽은 그 결과인 CD 지도다. 영역 Offset을 움직여 CD 지도를 평평하게 만들어 보고, 「Dose로 Lot 평균 맞추기」가 무엇을 고치고 무엇을 남기는지 비교하자.

현상·린스·건조와 패턴 쓰러짐

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. 용해 속도의 모델은 2장 7절에서 보았으니, 여기서는 현상액과 현상 방식, 그리고 현상 뒤의 린스와 건조를 본다.

Positive 레지스트의 현상액은 금속 이온이 없는 염기 수용액, TMAH(Tetramethylammonium hydroxide, 수산화 테트라메틸암모늄) 2.38 %가 표준이다. AZ 300 MIF, 326 MIF, 726 MIF, 2026 MIF가 모두 2.38 % TMAH이고, 726 MIF는 잘 적시고 Puddle을 쉽게 만들도록 계면활성제를 더했으며, 2026 MIF는 Scum 제거제를 더해 노광되지 않은 부분도 조금 더 녹인다. 3.00 % TMAH인 AZ 2033 MIF는 "규정도(Normality, N)가 0.26이 아니라 0.33"이라고 적는다. TMAH 현상액은 금속 이온이 없어야 할 때마다 쓰고, 화학 증폭형 Positive·Negative 레지스트에 권장된다. 2.38 %가 0.26 N이 되는 것은 계산으로 확인된다. TMAH의 몰 질량 91.15 g/mol로 1 L에 23.8 g이면 0.261 mol/L다(밀도를 1.00 g/mL로 둔 계산). IBM 특허도 "0.21 N이나 0.26 N 용액을 흔히 쓴다"고 적는다. 하나 더, 현상액은 알루미늄도 녹인다. AZ 2026 MIF는 알루미늄을 약 70 nm/min으로 식각한다. 알루미늄이 드러난 층에서 현상 시간을 늘릴 때 기억할 숫자다.

현상 방식의 주류는 Puddle 현상(Puddle development, 액을 고인 채 두는 정지 현상)이다. TEL의 특허는 긴 Slit을 가진 노즐이 멈춘 웨이퍼 위를 지나며 웨이퍼 전체에 현상액 웅덩이를 만드는 '정지 현상'을 설명하고, 다른 방법으로 노즐 아래에 웅덩이를 만들어 천천히 도는 웨이퍼 위를 반경 방향으로 옮기며 휘저어, 공급 중에 빨리 돌릴 필요가 없어 튐이 적은 방식을 낸다. SCREEN의 특허는 Slit 노즐을 멈춘 웨이퍼 위로 직선 이동해 웅덩이를 만드는 방식이 선폭 균일도를 크게 높였다고 적고, 정해진 시간 뒤 순수를 뿌려 현상을 멈추며, 회전하는 동안 컵이 올라와 튐을 막는다고 설명한다. 웅덩이는 표면 장력으로 웨이퍼 위에 붙들려 있다. 현상액은 제어부의 지시를 받는 펌프와 밸브로 공급된다. 스프레이 현상과 Puddle을 수치로 비교한 공개 자료는 이 책이 찾지 못했다.

현상이 남기는 결함도 있다. Chauhan 등(TEL 공저)은 녹는 영역이 녹지 않는 덩어리를 둘러싸면, 현상이 그 덩어리를 통째로 떼어 내 입자로 만든다고 설명한다. 이 입자는 뭉쳐서 웨이퍼와 장비에 다시 붙을 수 있고, 주기가 길고 진폭이 큰 가장자리 거칠기를 남긴다. 린스 중 pH가 떨어지면 이미 떠 있는 입자의 용해도가 낮아져 재부착이 심해진다. NTD 공정의 예에서는 넓은 레지스트 면 위의 낙하 입자와 넓은 BARC 면 위의 'Blob' 결함이 보였고, 현상을 길게 할수록 Blob과 입자가 늘었다. 깊은 콘택 홀 속에서는 현상액이 잘 돌지 않고 녹은 레지스트가 쌓여 국소적으로 Puddle과 비슷한 조건이 된다. 표면의 젖음도 바뀐다. 매립 차단층을 넣은 193 nm 액침 레지스트의 물 접촉각은 90 °C·60 s PEB 뒤 89°에서 59°로, 0.26 N 현상액에 닿은 뒤 88.7°에서 24.2°로 떨어졌고, 이것이 현상액이 잘 퍼지고 린스가 잘 되게 돕는다.

마르는 순간 쓰러진다

현상을 마친 패턴에는 린스와 건조가 이어진다. 그런데 좁고 높은 라인 사이에서 물이 빠져나가는 동안 라인을 서로 끌어당기는 힘이 생긴다. 라인이 휘거나 서로 붙어 넘어지는 현상을 패턴 쓰러짐(Pattern collapse)이라 한다. Tanaka 등은 린스액 속에서 원자힘 현미경으로 관찰해, 패턴이 액체 속이 아니라 린스액이 마르는 동안 쓰러진다는 것을 밝혔다. 원인은 린스액의 표면 장력(Surface tension, γ)이고, 힘은 스페이스가 좁을수록 커진다. 대책으로 표면 장력이 낮은 린스, 레지스트 위 접촉각이 90°에 가까운 린스, 단단하고 잘 붙는 레지스트를 들었다. Namatsu 등은 물로 린스한 뒤 마르는 동안 높은 종횡비의 Si 라인이 서로를 향해 휘는 것을 보고, 라인 사이 거리가 k × (종횡비)²보다 작으면 일그러진다는 관계를 냈다. k는 Si 표면 상태가 정한다.

힘의 크기는 이렇게 쓴다. 두 라인 사이에 남은 물의 오목한 메니스커스는 그 안의 압력을 대기압보다 \(\Delta P = 2\gamma\cos\theta/S\)만큼 낮추고, 높이 H만큼 젖은 벽에는 단위 길이당 \(F = 2\gamma H\cos\theta/S\)의 모세관 힘(Capillary force)이 걸린다. 라인을 바닥에 박힌 외팔보로 보면 뿌리에 걸리는 최대 응력은 다음과 같다.

공정 쪽에서 본 숫자도 있다. IBM의 특허는 종횡비가 약 3을 넘고 선폭이 150 nm보다 작으면 쓰러짐이 심각해지고, 종횡비 6의 100 nm 라인에서는 "매우 심하다"고 적는다. 대책으로 현상액과 린스 모두에 음이온 계면활성제를 100~10,000 ppm(500~5,000 ppm이 바람직) 넣는다. Jung 등은 ArF 레지스트에서 쓰러짐이 웨이퍼 가장자리에서 먼저 일어났고, 도포 뒤 베이크의 시간과 온도를 늘리면 위치 사이의 차가 줄었으며, 표면 장력이 낮은 계면활성제 린스로 21 % 더 좁은 패턴까지 쓰러지지 않았다고 보고했다. 1:1 라인에서 높이를 그대로 두고 선폭과 스페이스를 함께 21 % 줄이면 위 식의 응력은 약 2.0배가 된다. 그러니 이 결과는 계면활성제 린스가 γcosθ를 대략 절반으로 줄인 효과와 같은 크기다(식에 넣어 본 계산).

모양도 중요하다. Wang 등은 윗부분이 좁아지는 역경사(Re-entrant) 측벽이 스페이스 윗부분을 좁혀 모세관 힘을 키운다고 설명하고, 과노광 쪽에서 마지막까지 서 있는 선폭(쓰러짐 여유)이 측벽 81°에서 47 nm, 90° 가까이에서 60 nm였다고 적는다. 실패의 모양은 세 가지로, 라인 윗부분이 고르지 않게 녹는 Mottling, 탄성 한계를 넘어 부러지는 Line breaking, 바닥이 떨어지는 Adhesion failure다. 선폭이 줄어도 식각 예산 때문에 종횡비는 유지되므로, 바닥의 접착 면적은 줄고 모세관 힘은 커진다. imec 등은 라인 두 개짜리 시험 패턴을 120 nm ArF 액침 레지스트(95 nm BARC 위, Sokudo RF3S Track과 ASML XT:1900Gi)로 찍어 광학 검사기로 쓰러짐을 셌다. 쓰러짐은 무작위였지만 피치에 따라 달랐고, 스페이스가 좁을수록 모세관 힘이 커졌으며, 물결 모양의 흔적은 현상·린스 중 물러나는 액체 경계와 이어졌다. 시작은 휨이거나 완전한 부러짐이었다. 표면 장력 자체를 없애는 방법도 있다. 액체와 기체의 경계가 없는 초임계 CO₂로 말리면 20 nm, 종횡비 7.5의 레지스트 라인을 쓰러짐 없이 만들 수 있었다. 건조 방식 전반은 CLN 책의 린스와 건조 장에서, 매엽 세정 장비의 건조는 ETCH 책의 습식 식각 장비 절에서 볼 수 있다.

아래 애니메이션은 현상, 린스, 건조를 차례로 보여 준다. 스페이스가 하나씩 마르는 동안 라인이 이웃 쪽으로 휘고, 응력이 한계를 넘으면 쓰러진다.

Track 장비사와 Track이 만드는 결함

회사 자료로 보면 Track 시장은 한 회사의 비중이 매우 크다. TEL은 2026년 4월의 실적 발표에서 2025년 기준 Coater/Developer의 세계 점유율을 91 %로 적었다(Gartner 자료를 바탕으로 TEL이 만든 표, 회사 자료). 같은 발표의 질의응답에서 TEL은 Coater/Developer 수요가 EUV 같은 첨단 공정부터 일반 공정까지 리소그래피 전 영역에서 나온다고 설명하고, DRAM 업체의 EUV 도입과 로직 업체의 EUV 멀티 패터닝을 근거로 다음 회계연도 Coater/Developer 매출이 50 % 이상 늘 것으로 내다봤다(회사 전망).

TEL의 현재 주력은 CLEAN TRACK LITHIUS 계열로, 이전의 CLEAN TRACK ACT를 잇는다. 회사는 확장성, 높은 처리량, 작은 설치 면적, 높은 설비 효율, 낮은 운영 비용을 목표로 든다. LITHIUS Pro DICE는 "High NA EUV부터 DUV까지"를 다루는 300 mm 장비로 High NA EUV를 위한 결함 제어 기술과 Pro Z보다 많은 데이터 수집을 내세우고, LITHIUS Pro Z는 "10 nm 노드 이후"를 위한 장비로 액침, 이중·다중 패터닝, EUV를 지원한다고 적는다. ACT 계열도 계속 나온다. ACT 12는 200/300 mm용으로 DUV용 화학 필터와 고정밀 오븐을, ACT 12 SOD는 저산소 고온 Hot plate로 Low-k 막을 바르고 굽고 경화하며, 75~200 mm용 ACT 8Z는 2023년에 나왔고, ACT M은 포토마스크용이다.

SCREEN Semiconductor Solutions는 DT-3000(SOKUDO DUO)을 "시간당 450장 넘게 처리할 수 있는 이중 Track"으로 설명한다. 두 처리 라인이 나란히 있어 한쪽을 정비하는 동안 다른 쪽이 돌고, 같은 처리량을 더 느린 로봇 속도로 낸다고 적는다(회사 주장). RF-200EX/RF-300EX는 300 mm 장비의 단위 기술을 150~200 mm에 옮긴 플랫폼으로 레지스트 소비와 전력을 크게 줄이고, RF-300EX는 약액의 점도(레지스트, 폴리이미드, SOC)에 따라 토출 방식을 고른다고 설명한다(회사 주장). SCREEN의 2026 통합 보고서가 내세우는 'Coater/Developer 세계 1위'는 반도체 Track이 아니라 디스플레이용 장비에 대한 주장이다. 앞 절의 imec 쓰러짐 연구도 Sokudo RF3S Track을 ASML XT:1900Gi에 이어 썼다. 국내에서는 SEMES의 공식 제품 페이지가 포토 공정 장비로 KrF, I-line, H-SOH 분류를 싣고 있다(모델 이름과 사양은 공개하지 않았다).

Track에 계측기가 붙기도 한다. ASML은 YieldStar 375F가 노광 뒤·식각 전에 회절 기반으로 Overlay와 Focus를 재며 Track에 통합한 형태와 단독형이 있다고 설명한다(회사 주장). 현상이 끝나자마자 재서 그 결과를 노광 장비로 되돌리는 구조다. 계측 자체는 10장에서 본다.

Track이 만드는 결함

Track에서 생기는 결함은 이름이 곧 모양이다. 원인과 확인 데이터를 이어 두면 결함 지도를 읽을 때 출발점이 된다. 코팅 결함의 원인 목록은 UT Dallas의 Spin coating 자료가 잘 정리해 두었다.

이 장의 이야기를 한 줄로 줄이면 이렇다. Track은 Scanner가 찍을 막을 준비하고, Scanner가 남긴 잠상을 모양으로 바꾼다. 그 모든 단계에서 결과는 설정값이 아니라 웨이퍼가 실제로 겪은 것(두께, 접촉각, 열 이력, 린스의 힘)이 정하고, 같은 일을 하는 모듈이 여럿이라 결과는 늘 모듈 ID와 함께 읽는다. 이 결과를 재는 법은 10장, 이상을 진단하는 순서는 11장에서 이어진다.