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포토 마스크 관련

출처 : meinster.egloos.com

2007년 01월 11일 포토마스크 제조기술 핸드북연료전지 핸드북 번역을 마치고 곧장 이 책의 번역을 시작했습니다. 31챕터 650페이지 규모여서 올해 내로 끝낼 수 있을까 걱정되기는 하지만, 내용이 참 재미있습니다. 이 분야 전공자들께서는 즐겁게 읽어보시기 바랍니다.

포토마스크 제조기술 핸드북

Handbook of

Photomask Manufacturing Technology

Edited by Syed Rizvi

장인배 역

목차

 

단원 1 서론

1장 마스크 제조의 소개

 

단원 2 마스크 묘화

2장 데이터 준비

3장 마스크 묘화장치:개괄

4장 E-빔 마스크 묘화장치

5장 레이저 마스크 묘화장치

 

단원 3 광학식 마스크

6장 광학식 마스크:개괄

7장 일반 광학식 마스크

8장 진보된 광학식 마스크

 

단원 4 NGL 마스크

9장 NGL 마스크:개괄

10장 전자빔 투사 리소그래피용 마스크

11장 극자외선 리소그래피용 마스크

12장 이온 투사 리소그래피용 마스크

13장 X-선 근접 리소그래피용 마스크

단원 5 마스크 공정, 소재 및 펠리클

14장 마스크 기질

15장 마스크 제조용 방식제

16장 방식제 충진 및 가열

17장 마스크 공정

18장 마스크 소재:광학적 특성

19장 박막

 

단원 6 마스크 계측, 검사, 평가 및 수리

20장 포토마스크 형상계측

21장 광 임계치수 계측

22장 주사전자현미경을 사용한 포토마스크의 광 임계치수 계측

23장 원자현미경(SPM)을 사용한 기하학적 특성화

24장 이미지 배치의 계측

25장 포토마스크용 광학적 박막 계측

26장 위상천이 측정(PSM)용 위상측정 도구

27장 마스크 검사:이론과 원리

28장 검사마스크를 위한 도구:Lasertec MD 2500

29장 마스크 이미지 평가를 위한 도구들

30장 마스크 수리

 

단원7 모델링과 시뮬레이션

31장 모델링과 시뮬레이션

 

 

단원 1

 

서 론

1

____

마스크 제조의 소개

 

Andrew G. Zanzal

 

목차

1.1 서언

1.2 마스크 제조방법

1.2.1 데이터 준비

1.2.1.1 변환

1.2.1.2 추가

1.2.1.3 검증

1.2.2 전공정

1.2.2.1 마스크 묘화

1.2.2.2 프로세스

1.2.3 후공정

1.2.3.1 결함검사

1.2.3.2 결함수리

1.2.3.3 펠리클 도포

1.3 마스크 기술의 역사

1.3.1 접촉 프린트 시대

1.3.2 1×투사 시대

1.3.3 웨이퍼 스테퍼 시대

1.3.4 파장이하 시대

1.4 마스크의 미래

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1.1 서언

마스크를 가장 간단하게 정의한다면 기층 소재상에 패턴형상이 성형되어 패턴 전사체(pattern transfer artifact)라고 말할 수 있다. 패턴이 성형된 표면을 전사하여 패턴 이미지를 수광 기층 상에 형성하며, 궁극적으로는 전자, 전자기계, 또는 기계장치로 제작한다. 대부분의 경우, 전사 인공 기층은 패턴 전사용 변환매체(보통 빛)에 대해서 고도의 투명성을 갖는 반면에 마스크 기층상의 패턴매질은 변환매체에 대해서 덜 투명하거나 불투명하다. 전송된 이미지는 1:1 또는 축소용 렌즈를 통과하거나, 직접 투사되어 수광 기층상에 프린트된다(Figure 1.1). 반도체 산업계에서 과거 25!30년 간 전형적으로 사용되어왔던 전형적인 마스크는 유리나 용융 실리카 상에 박막(80~100nm) 크롬을 입히는 방식을 사용해 왔다. 크롬의 에칭에 저항성을 갖는 감광성 수지막(photoresist)이라고 알려진 감광성 소재를 코팅하여 크롬의 패턴형상을 제작한다. 선택적 에너지 감광 후에 감광성 수지막을 화학적으로 현상하면, 원치 않는 크롬을 제거하기 위해서 에칭액이 가해질 공동부분이 남는다.

 

Figure 1.1 마스크를 사용한 웨이퍼 감광방법의 개략도

 

반도체 및 반도체 제조방법을 사용하는 관련 산업에서 사용되는 것처럼, 마스크는 전통적인 프린팅 및 리소그래피에 기원을 두고 있다. 이 책에서 마스크는 앞서 논의한 것처럼, 마이크로전자, 또는 그와 유사한 마이크로 장치들의 제조에 사용되는 패턴 전사체를 의미한다. 이런 분야에서는 또한, 마스크를 일반적으로 포토마스크나 레티클(reticle:패턴원판)이라고 부른다. 전통적으로, 마스크나 포토마스크는, 광학적 축소 없이 단 한번의 감광을 통해서 프린트할 수 있는, 반도체 웨이퍼 전체의 한 층에 대한 완벽한 패턴을 가지고 있는 패턴 전사체였다. 레티클 또한 한 층의 패턴 데이터를 가지고 있지만, 웨이퍼의 작은 부분만에 대한 것이다. 축소, 또는 축소 없이 웨이퍼의 작은 부분상에 레티클 이미지를 투사할 수 있다(Figure 1.2). 레티클 패턴을 사용해서 웨이퍼의 여러 위치에 프린트작업을 수행하기 위해서, 감광을 통해서 이 단일 이미지를 생성한 다음, 스테이지 상에서 웨이퍼를 이동시킨 다음 다시 이미지를 프린트 한다. 반도체와 관련산업 분야는 다년간에 걸쳐서 거의 레티클을 사용하게 되었지만, 레티클, 포토마스크, 그리고 마스크라는 용어를 혼용하므로 서 전통적인 구분이 희미해지게 되었다.

 

Figure 1.2 전형적인 투사/축소 리소그래피 시스템

 

패턴 전사체 부문에서, 마스크는 다양한 방법으로 사용될 수 있다. 이들은 광대역이나 단일파장 광(방사)원과 함께 사용할 수 있다. 이들은 투과 및 반사 기층을 가질 수 있다. 투과성 매체의 경우 패턴매체는 완벽한 불투명이거나 부분투과성을 가질 수 있고, 반사마스크의 경우 광 흡수성을 갖는다. 방사파장의 위상을 변화시키기 위해서 기층과 매질을 이런 방식으로 가공 및 처리할 수 있다. 기층은 강체 연속매질이나 불연속 박막 맴브레인으로 만들어진다. 마스크는 직접접촉 방식으로 사용하거나 펠리클(pellicle:일종의 보호막)이라고 알려진 입자가 없는 “국소배기환경(mini-environment)"에서 사용된다. 이 분야와 여타 옵션들에 대해서는 다음 장에서 살펴보기로 한다.

오늘날 사용되는 가장 일반적인 마스크는 용융 실리카 기층상에 스퍼터(sputter) 된 크롬을 이미지 매체로 사용한다. 크롬은 방사파장(일반적으로 248nm 또는 193nm)에 대해서 고도로 불투명한 반면에 용융 실리카는 고도로 투명하다. 마스크는 대부분의 경우, 반복노광 방식으로 다중 필드를 프린트 하는 도구로 사용된다. 마스크는 매질이 코팅된 표면에 부착된 펠리클이 사용된다. 펠리클은 금속 프레임에 의해서 장력을 받는 투명한 맴브레인으로 접착제를 사용해서 마스크에 접착된다. 이 펠리클은 불순물 입자들이 마스크 패턴을 오염시키는 것을 막아주며, 프린팅 초점평면으로부터 적절한 거리 이내에 이러한 입자들이 침범하는 것을 막아준다. 이 단락에서 묘사된 마스크는 이진강도 마스크(BIM:Binary Intensity Mask) 또는 유리상 크롬(COG:Chrome-on-Glass)라고 부른다.

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1.2 마스크 제조방법

1960년대 이래로 마스크의 제작에 다양한 방법이 사용되었으며, 그들 중 일부에 대해서는 이 장의 후반부에서 역사적 동향을 살펴보기로 한다. 그런데, 이 절에서 설명되는 공정순서는 오늘날 이진강도 마스크(BIM)의 생산에 사용되는 전형적인 공정이다. 이 공정의 상세한 내용은 보통, 업체가 소유권을 가지고 있기 때문에 이 단원에서 세밀한 사안들은 생략되어 있다. 오늘날 사용되고 있거나 앞으로 계획되어 있는, 더욱 더 복잡한 마스크들을 생산하기 위한 더 복잡한 공정순서들에 대해서는 다음 장에서 설명되어 있다.

 

Figure 1.3 단순화된 마스크 제조공정 흐름도

오늘날의 마스크 패턴들은 컴퓨터 자동설계(CAD) 시스템에 탑재되어 있는 전기적 설계자동화(EDA) 소프트웨어 도구들을 사용해서 정의한다. 이 조작은 거의 대부분이 마스크 영역 밖에서 수행되기 때문에, 설계작업의 결과물은 마스크 제조의 시작에 불과하다. 제작공정은 제조작업에 따라서 세 개의 큰 범주로 나눌 수 있다: 데이터 준비, 전공정(FEOL:front end of line), 후공정(BEOL:back end of line). Figure 1.3은 고도로 단순화된 공정흐름도이며, 사용된 일반적인 단계들을 개략적으로 보여주고 있다. 실제의 공정은 흐름도 내의 많은 단계들에 대한 루프나 반복을 포함할 수 있다는 점을 명심해야 한다.

 

1.2.1 데이터 준비

일단 회로 설계자로부터 마스크 데이터 파일들을 받고나면, 데이터 준비과정은 세 개의 큰 공정단계들로 이루어진다. 이 공정단계들은 크게 변환, 첨가 및 검증 등으로 분류할 수 있다.

 

1.2.1.1 변환

회로설계자로부터 마스크 데이터를 받으면 직접 전공정(FEOL) 단계로 넘기거나 몇 번의 데이터 파일 조작단계를 수행할 수도 있다. 이 조작들에는 데이터의 입력포맷에서부터 전공정(FEOL)에서 사용되는 마스크 묘화장치에서 사용할 수 있는 포맷으로 변환하는 공정이 포함된다. 일반적으로 이 변환공정을 분할(fracturing)이라고 부르며, 마스크 공정과 원하는 최종 웨이퍼 결과물 사이의 분할크기상의 차이를 선형적으로 보상하기 위한 추가적인 편향공정을 포함할 수도, 포함하지 않을 수도 있다. 진보된 마스크는 국부적인 패턴특성에 기초하여 보상이 수행되는 차등편향을 필요로 하기도 한다. 변환공정에는 마스크 묘화를 위한 데이터 준비와 더불어서, 완성된 마스크를 검사하기 위한 데이터파일도 포함된다.

 

1.2.1.2 추가(augmentation)

데이터 준비단계에서는 또한, 광학근접보정(OPC:optical proximity correction)기능의 추가와 함께, 기계식 판독을 위한 바코드, 사람이 식별할 수 있는 라벨, 조준마크, 그리고 검사용 셀 등의 표준 마스크 패턴의 추가가 포함된다. 또한, 이 단계에는 다중 마스크 파일들을 마스크 상의 어느 곳에 위치시켜야 하는가를 마스크 묘화자에게 지시하기 위한 작업 지시판(job deck)이라고 알려진 일련의 지령들을 포함하고 있다.

 

1.2.1.3 검증

프로젝트의 복잡성과 수요자의 요구조건을 기반으로 하는 난이도의 변화에 따라서, 자동 및 수동 방식의 검증이 수행된다. 이 단계는 전공정(FEOL)과 후공정(BEOL) 내의 더 비싼 공정들을 순환시키기 위해서 다시 제작해야만 하는 마스크의 숫자를 최소화시키기 위해서 수행된다. 이 공정들 중 일부는 분할 데이터와 입력파일 사이의 자동비교과정과 함께, 마스크 제조장비의 수요자에 의한 국지적, 또는 원격 스크린 감시가 포함된다. 많은 검증공정들에 대한 자동화가 과거 수년간에 걸쳐서 뚜렷한 추세이다.

 

1.2.2 전공정

전공정은 마스크 묘화단계, 화학적 처리공정, 및 계측공정 등이 포함된다. 계측 또는 측정공정은 공정 흐름내에 투입되어, 최종 결과물을 확실하게 보장해주고, 마스크상의 작업 수행을 통해서 불필요한 비용이 추가되는 것을 피하기 위해서 공정흐름 내에서 가능한 한 빨리 결함을 감지하게 해 준다.

 

1.2.2.1 마스크 묘화

오늘날의 마스크는 일반적으로 두 가지 유형의 묘화장치 중 하나를 사용해서 묘화한다. 전자빔(e-빔) 묘화 장치는 간섭계 제어방식의 스테이지를 사용해서 전자의 투사위치를 조절하면서, 초점이 맞춰진 전자의 흐름을 마스크 기층상에 정교하게 인도한다. 레이저 묘화장치는 본질적으로는 앞서와 동일한 기능을 수행하지만, 음으로 하전된 전자 대신에 레이저에서 생성된 광량자 에너지를 사용한다. 이 전자나 광량자들을 기층 표면으로 전달하기 위한 광학 및 기계적 방식들은 사실상, 산업계에서 사용되는 모든 묘화 장치들 마다 명확한 차이를 갖고 있다. 이러한 차이는 다음 장에서 논의할 예정이다.

 

1.2.2.2 프로세스

크롬 표면상의 코팅과 반응시키기 위해서 마스크 묘화장치를 사용해서 기층 표면으로 에너지를 조사한다. 일반적으로 레지스트(방식제)라고 부르는 코팅은 e-빔이나 레이저 노광에 민감하게 반응하도록 처리된 것이다. 레지스트는 설계된 광학적 파장 방사에 노출되면 분자단위에서 교차 결합되는 화학적 폴리머이다.

 

1.2.2.2.1 현상

국지적으로 교차 결합된 분자들은 묘화과정 후의 처리단계에 따라서, 화학적 현상액에 대해서 민감하거나 둔감하게 반응하게 된다. 현상단계에서 노광된 레지스트를 제거한다면 이를 양성처리라고 부르며, 노광된 레지스트만 남는다면 음성처리라고 부른다.

 

1.2.2.2.2 에칭

현상이 끝나면 나면 마스크를 에칭 단계로 이동시킨다. 이 처리공정에서는, 마스크상에 레지스트에 의해서 덮여져 있지 않은 표면들이 에칭용 화학제에 노출된다. 레지스트는 에칭공정에 견딜 수 있도록 설계되었으며, 에칭용 화학제에 대해서 최소한 하부에 위치한 크롬의 제거비율에 비해서 더 견딜 수 있다. 액체(습식)나 플라즈마(건식) 화학 작용제를 사용해서 에칭을 수행할 수 있다. 에칭을 통해서 원치 않는 부위의 크롬의 제거를 완료하고 나면, 마스크에서 남아있는 레지스트들을 모두 벗겨낸다.

 

1.2.2.2.3 계측

제조공정 전반에 걸쳐서 마스크에 대해 측정을 수행하지만, 현상후와 에칭후의 단계에서 가장 엄밀하게 시행한다. 현상공정이 원하는 최종 임계치수에 비해서 과다 또는 과소하게 촬영되지 않았는가를 확인하기 위해서, 임계치수(CD)들에 대한 현상후 측정이 수행된다. 많은 경우, 반복적인 현상공정을 통해서 사양에 맞는 최종 임계치수를 구현할 가능성을 높일 수 있다. 반복적 에칭공정 역시 사용되지만, 일반적이지는 않다. 일단 샘플이 에칭 후의 임계치수에 대한 원하는 최종 결과물 범위 내에 들어오게 되면, 일반적으로 수요자 시방에 따른 샘플링 계획을 사용해서 사양이 충족됨을 보증한다. 자주 사용되는 또 다른 유형의 계측은 registration metrology or position metrology이다. 이 계측방법은 마스크의 요소들이 여타의 수요자-검증용 특징에 대해서 상대적으로 의도한 장소에 위치하는가를 확인하기 위해서 사용된다.

 

1.2.3 후공정

후공정(BEOL)은 출고되는 마스크의 품질을 보증하고, 사용자에게 전달되는 과정과 마스크의 사용수명 기간동안 입자들로부터 마스크를 보호하기 위해서 일반적으로 수행된다. 이 단계는 결함검사, 결함수리, 그리고 펠리클 도포 등을 포함하고 있다. 각각의 검사와 수리과정 전후에 세척 사이클이 수행되며, 펠리클 도포 직전에 엄중한 최종세척이 시행되기 때문에, 세척공정의 영향을 무시하거나 과소평가하지 말아야 한다.

 

1.2.3.1 결함검사

마스크 표면을 스캔하면서 지속적으로 울리적인 마스크 형상을 기준 이미지와 비교하는, 자동장비를 사용해서 마스크에 대한 결함검사를 시행한다. 미리 지정된 한계내의 마스크와 기준 이미지 사이의 차이는 결함 가능위치로 경고하며, 그 위치를 기록하여, 차후에 검사요원에 의해서 재검증 및 분류한다. 기준 이미지는 다이 간 검사에서와 같이, 마스크의 다른 영역들 에서와 동일한 패턴으로 만들거나, 또는 데이터 준비단계의 변환과정에서 준비된 디지털 표식을 의도적으로 마스크 이미지상에 표시할 수도 있다.

 

1.2.3.2 결함수리

프린트되기에 충분한 크기의 결함이 발견되면, 이를 수리해야 한다. 리소그래피 시뮬레이션을 통한 프린트 가능성에 대한 평가는 실무적으로는 널리 받아들여지지 않고 있으므로, 산업현장에서는 감지된 모든 결함을 수리하는 경향이다. 수리는 집속 이온빔(focused ion beam)이나 주사원자현미경(AFM)을 사용한 나노 가공기술 등을 사용하는 진보된 마스크 국소 수리도구 상에서 수행된다. 레이저 장비를 사용해서 더 낡은 마스크들도 여전히 수리한다.

 

1.2.3.3 펠리클 도포

엄중한 최종 세척과 검사를 통해서 오염입자나 화학적 얼룩이 없다고 확인이 되면, 마스크 표면을 마스크의 배송 및 마스크의 가용수명 기간동안 후속적인 오염으로부터 마스크를 보호하기 위해서 펠리클을 부착한다. 펠리클 하부 영역에 펠리클 도포과정에서 결함과 오염물이 유입되지 않았는가를 확인하기 위해서 반사 및 투과검사를 통해서 마스크를 검사한다.

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1.3 마스크 기술의 역사

반도체 웨이퍼를 프린트하기 위해 마스크를 사용한 것은 이 산업이 형성되기 시작하던 초창기로 거슬러 올라간다. 수십년 전부터, 마스크 산업은 반도체를 생산하는 고객들의 수요를 충족시켜주기 위해서 지속적으로 제품을 변형시켜왔다. 일반적으로 웨이퍼 리소그래피 기술의 개발에 의해서 마스크 제품의 변화가 유발되었다. 산업계는 1×투사를 통한 접촉식 1× 리소그래피에서부터 축사 리소그래피로 진보해 왔다. 1999년에 시작된 가장 최근의 시대에는, 마스크와 마스크를 지원하는 리소그래피 공정이 프린트되는 선폭이 이들의 프린트에 사용되는 빛의 파장에 비해서 훨씬 더 작은, 파장이하(subwavelength)의 영역으로 들어서게 되었다.

1.3.1 접촉 프린트 시대

반도체 산업의 초창기에, 마스크는 거의 접촉 프린트 방식으로만 사용되었다. 이 방식으로 사용되는 마스크는 웨이퍼와 밀착된 후에 자외선 광원에 노출된다. 밀착과정에서 마스크 상에 결함영역이 발생되어 웨이퍼상에 프린트될 우려가 있다. 마스크 소재의 열 안정성과 시각에 의존하거나, 또는 수동방식을 사용해야만 하는 정렬방식 등에 의해서 유발되는 이전 층들과의 정렬에도 문제가 있다.

이 시기의 최초의 마스크는 사실상, 우리가 오늘날 알고 있는 강체 유리기층이 아니라, 루비리스(rubylith)라고 부르는 소재나 사진용 필름이었다. 루비리스는 투명한 폴리머 기층상에 빛을 차단하는 적색 필름이 적층된 폴리머 기반의 2층 소재이다. 루비리스 소재는 그래픽 아트에 광범위하게 사용되어 왔으며, 접촉 프린트시기에, 새로운 반도체 산업에 쉽게 적용되었다. 단단한 투명층에 손상을 주지 않으면서, 연한 적색층을 칼로 잘라낼 수 있다. 절단 후에, 원하지 않는 적색 영역을 벗겨내면 투명한 영역과 불투명한 영역으로 이루어진 마스크가 만들어진다. 루비리스 소재를 사용해서 등배나 축사하여 직접 웨이퍼상에 프린트하거나, 또는 필름에 전사할 수 있다. 이 방법은 생산수량에 관계없이 장점이 많지 않지만, 초기 R&D 단계에서는 개념의 규명을 위한 적절한 방안이다.

 

Figure 1.4 루비리스 도판 절단작업 광경(Photograph courtesy of Intel Corp)

 

마스크의 정밀도를 높이고 제조수량을 증가시키기 위해서 산업계는 루비리스를 계속 사용하면서도 소재내에 회로를 고배율(보통 200배)로 절단하는 기법을 개발했다. 회로의 결과적인 표현방식을 “도판(artwork)"이라고 불렀다. 이 도판은 유리기층상의 에멀션에 축사(보통 20:1)되어 10× 레티클이 만들어진다. 그 당시의 계측기술은 강철 자와 루페를 사용해서 루비리스 형상크기를 측정하는 정도였다. 이 시기동안, 루비리스가 부착되는 효과적인 발광테이블을 갖춘 좌표독취기(coordinatograph)라고 부르는 장비(Figure 1.4)의 개발을 통해서 루비리스 절단 정밀도와 오차율은 크게 진보했다. 이 장비는 절단 길이와 방향을 정밀하게 인도하는 좌표를 지정해 주는는, X 및 Y 방향으로의 기계식 멈춤장치를 갖추고 있다. 좌표독취기의 후기 버전은 더 복잡한 도판을 만들기 위한 정밀한 절단을 위해서 원시적인 컴퓨터의 수치제어를 사용하였다.

마스크 이미지를 사진용 에멀션이 코팅된 유리기층상에 동시에, 원하는 최종 크기로 축사하는 포토리피터(photorepeater)라고 부르는 장비에서는 사진 축사 도판을 사용해서 생산한 10× 레티클이 사용되었다. 이 “카메라”는 노광 후 다음 위치로 이동하며, 마스크가 완성될 때까지 이 공정을 되풀이한다. 또한 이 포토리피터는 옮겨찍기 카메라(step and repeat camera)로 알려지게 되었으며, 오늘날 대부분의 반도체 제조기법에서 사용되는 웨이퍼 스테퍼의 선조가 되었다. 포토리피터에서 만들어진 마스크는 마스크 원판이 되며, 이로부터 많은 복제가 만들어진다.

이 시기에, 마스크 소재는 초기의 루비리스나 사진용 에멀션을 사용하는 마일러 기반 필름에서 사진용 에멀션이 입혀진 소다라임 유리기층으로 바뀌게 되었다. 처음에 사용되었던 웨이퍼 접촉 프린트 방식에서는 마스크 수명이 짧았으며, 대량생산 라인을 지원하기 위해서 다량의 복제를 제작했다; 그런데, 에멀션 코팅은 상대적으로 연하며 접촉 프린팅에 대해서 장기간 견딜 수 없었다. 프린트를 시행할 때마다 마스크에 결함이 추가되며, 때로는 단지 몇 장의 웨이퍼 프린트 후에 못쓰게 되어버리기도 한다.

이 결함문제를 해결하기 위해서, 산업계는 점차로 적절한 광학적 성질들을 갖추고 반복적으로 세척이 가능한 스퍼터 또는 증기증착 된 금속 필름으로 이루어진, 소위 경질표면 소재로 옮겨가게 되었다. 비록 시간이 지남에 따라서 결함이 늘어나는 것을 완벽하게 방지할 수는 없지만, 경질표면 포토마스크는 에멀션 마스크에 비해서 접촉프린트 공정에 의해 손상을 덜 입으며, 입자를 세척할 수 있다. 산업계가 선정한 두 가지 필름은 산화철과 크롬이었다. 산화철은 가시광 파장에 대해서는 투명하지만 노광용 파장에 대해서는 불투명하므로, 사용자가 이를 관통해서 관찰하면서 이전의 층들과 정렬을 맞출 수 있다는 이점을 가지고 있다. 산화철의 단점은 소재의 가공성이 나빠서, 과도한 결함이 발생하기 쉬웠고, 가공결과도 불균일하며, 반도체 사양의 빠른 진보는 이 소재의 가용성을 앞질러버렸다. 크롬은 훨씬 더 균일한 결과를 제공해 주며, 오늘날 까지도 마스크 제조의 주 소재로 남아있다.

1960년대에서 1970년대 초반까지의 시기동안 가장 중요한 기술적 발전은 경질표면 포토마스크의 개발과 정착이었다. 하지만 더 중요한 사안은 광학 도형발생기(optical pattern generator)라고 부르는 장비의 개발이었다(Figure 1.5). David Mann 주식회사나 Electromask 등과 같은 회사들에 의해서 개발되어진 이런 부류의 장비들은 에멀션 유리기층상에 10× 레티클을 직접 생성할 수 있으므로, 도판을 제작하는 수단으로서 루비리스를 효과적으로 대체시켜 주었다. 이 장비는 기층을 X 및 Y 방향으로 이동시킬 수 있는 컴퓨터 제어 스테이지를 갖추고 있다. 광학 경로상의 개구부는 다양한 높이 및 폭을 갖는 가변형상 슬릿을 사용할 수 있다. 광학계와 개구부는 터릿에 장착되어 0.1° 증분으로 회전시킬 수 있어, 기울인 형상도 구현할 수 있다. 이런 장비는 1960년대 후반에 등장하였으며, 첨단 소자의 복잡성이 조작자의 루비리스 절단능력을 넘어서게 된 1970년대 중반에 들어 완전히 범용화 되었다. 이런 장비들은 산업계로 하여금 루비리스에 의해서 유발되었던, 물리적인 마스크 용량 한계와 그에 따른 검증의 한계를 넘어설 수 있게 해 주었다.

Figure 1.5 Mann 3000 도형발생기(Photo courtesy of the University of Notre Dame)

 

1.3.2 1× 투사 시대

1970년대 중반, 더 긴 수명을 갖는 마스크에 대한 수요가 산업계에서 뚜렷이 나타나게 되었다. 생산라인에서 다량의 접촉식 프린트 마스크를 사용하는 것은 관리가 어려울 뿐만 아니라, 더 심각한 점은 접촉 프린트시 마스크 상의 결함이 웨이퍼상에 프린트됨에 따른 수율손실과 웨이퍼와의 접촉이 마스크를 손상시킨다는 것이다. 이 시기에, Perkin-Elmer 주식회사는 Micralign 투사정렬장치를 개발하였으며, 이 개발을 통해서 오늘날까지도 계속되고 있는 마스크 제조사업의 몇 가지 심대한 변화를 촉발시켰으며, 이들 중 많은 부분이 후속 장 들에서 논의될 예정이다.

Micralign은 마스크 이미지를 웨이퍼상에 투사하기 위해서 반사경과 렌즈 시스템을 사용함으로 서 접촉프린트 방식을 배제하였다. 마스크는 결코 웨이퍼와 접촉하지 않으므로, 접촉프린트에 따르는 결함문제를 없앨 수 있었다. Micralign의 또 다른 특징은 특수하게 설계 및 설치된 정렬마스크를 사용하므로 서, 이전에 프린트 된 층과 자동적으로 정렬을 맞출 수 있는 기능이다.

이 시기에, 산업계에서는 기층소재의 몇 가지 변화가 일어났다. 마스크를 자주 세척하지 않아도 되기 때문에, 이들은 다수의 웨이퍼 노광에 사용되면서, 마스크 평면상에서의 온도 상승이 초래되었다. 시간이 경과함에 따라서, 소다라임 유리의 열특성이 정렬문제를 유발하였으며, 그에 따라서 산업계는 열팽창 계수가 낮은 유리 기층소재로 옮겨갈 수밖에 없었다. 산업계는 열특성이 실리콘 웨이퍼와 유사한 붕규산염(borosilicate) 유리를 사용하게 되었다. 1× 투사시대 말기에, 웨이퍼 노출파장은 365nm에 근접하게 되어, 붕규산염 유리보다 더 높은 전도특성을 갖는 기층이 필요하게 되었다. 산업계는 193nm까지 매우 높은 전도특성과, 현저한 열 안정성을 갖는 합성 석영이나 용융 실리카로 전환하였다. 용융 실리카는 오늘날 까지도 첨단 마스크 기술의 기층으로 선정되는 소재이다.

이 시기에 일어난 기술적 진보에는 자동화 된 결함검사, 레이저 수리, 및 펠리클 보호 등이 포함된다. 최초의 자동화 된 결함검사 장비가 1978년에 출현하였다. KLA 인스트루먼트에 의해서 개발된 KLA 100 장비(Figure 1.6)는 동일해야만 하는 포토마스크상의 인접필드에 대한 스캐닝과 비교를 통해서 결함을 검사한다. 검사된 두 필드 사이의 불일치성이 감지되면, 장비 조작자에 의한 후속적인 검토 및 분류를 위해서 그 위치가 기록 및 저장된다. 이 자동화는 조작자가 온종일 현미경을 통해서 마스크를 스캐닝하면서 결함을 세야만 하는, 지루한 시각적 검사방법을 대체해 준다. 지루함을 줄여준다는 이점 외에도, 표본검사를 100% 검사로 대체해주며, 결함저감시험의 결과를 빠르게 수집해주기 때문에 공정개선의 도구로 사용될 수 있다.

Figure 1.6 KLA 101 다이간 자동 결함감지 시스템(Photo courtesy of KLA-Tencor)

 

물론, 결함의 감지는 이야기의 절반에 불과하다. 결함이 없는 마스크에 대한 요구는 수리장비의 사용을 통해서만이 적절한 수율로 구현할 수 있다. 최초의 레이저 수리장비는 Quantronix와 Florod 등과 같은 회사에 의해서 1970년대 후반에 출시되었다. 이 시스템들은 원하지 않는 크롬 반점들을 마스크에서 제거하기 위해서 레이저 펄스를 사용했다. 레이저 버전은 레이저의 도움을 받는 화학적 증기증착을 통해서 크롬 내의 공동을 수리하는 능력도 갖추고 있다. 비록 현재의 시각으로 본다면 원시적이지만, 이 장비들은 산업계에 빠르게 보급되었으며, 오늘날에도 저급 마스크의 제작에 계속해서 사용되고 있다.

일단 결함을 발견해서 수리하고 나면, 결함이 없거나 소수인 조건을 유지하는 것이 그 다음 관심사가 된다. 또다시, 산업체는 펠리클(pellicle:일종의 보호막)이라고 부르는 하드웨어를 마스크에 덧붙이는 방법을 개발하므로 서 이에 화답하였다. 펠리클은 본질적으로 금속 프레임에 의해서 인장을 받고 있는 얇고 투명한 맴브레인이다. 그 목적은 마스크의 표면을 티끌들이 침입하지 못하도록 효과적으로 밀봉하는 것이다. 프레임의 높이는 맴브레인 표면에 내려앉은 티끌들이 노광 시스템의 초점평면에서 벗어나도록 설계되므로, 티끌들이 웨이퍼 표면에 프린트되는 것을 막아준다. Advanced Semiconductor Products(ASP), 미쓰이, 그리고 Micro Lithography Incorporated(MLI) 등과 같은 회사들은 1980년대 전반에 펠리클을 상업적으로 도입하였다. 펠리클은 포토마스크의 일부분으로 자리잡게 되었으며, 오늘날의 마스크들은 펠리클 없이는 거의 사용되지 않는다.

이 시기에 소자의 복잡성이 지속적으로 증가하여, 1× 투사 마스크 제작용 10× 레티클을 만들기 위해서 사용되었던 광학도형 발생기가 집적도의 증가를 따라잡을 수 없는 상황에 이르게 되었다. 곧이어 도형 발생 파일들을 수십만회 노출시키고, 레티클의 노출에만 48시간이 소요되었다. 이 개발을 지원하기 위해서는 이 레티클을 묘화하는 더 빠른 방법이 필요하게 되었다. 그 해답은 e-빔 묘화장치를 개발하는 것으로, 벨 연구소에서 창안되었고 1970년대 후반에 ETEC 주식회사에 의해서 상용화되었다(Figure 1.7). 제조 전자빔 노광장치(MEBES:Manufacturing Electron Beam Exposure System)라고 이름을 붙인, 이 장비는 포토리피터용 레티클상에 광학도형 발생기가 낼 수 있는 것보다 훨씬 빠른 속도의 묘화능력을 구현하였다. 이 장비의 더 좋은 점은 포토리피터 레티클 제작용보다 훨씬 높은 수준으로 설계되었으며, 데이터 파일로부터 1× 마스크를 직접 제작하는 데에 사용할 수 있다는 것이다. 이를 통해서 포토 리피터의 렌즈 영역에 구애를 받지 않을 뿐만 아니라 필요하다면 반복 형태를 갖지 않는, 다이 크기의 마스크를 제작할 수 있게 되었다. 초기 제조 전자빔 노광장치(MEBES)의 분해능과 유연성, 그리고 그 후속장비들이 거의 1990년대 중반까지 산업계서 플랫폼으로 사용되었다. 이 장비들이 첨단 소자의 1× 마스크를 제작할 수 있기 때문에, 이들의 본질적인 능력은, 산업체 내부자들이 “마스크 제작자들의 휴일” 또는 “5× 휴일”이라고도 부르는 다음시대의 도래에 기여하였다.

 

Figure 1.7 MEBES-III 콘솔에 앉은 조작자(Photo courtesy of Photonics Inc.)

 

1.3.3 웨이퍼 스테퍼 시대

1× 투사시기의 후반을 통해서, 반도체 업계는 빠른 속도로, GCA, 니콘 및 캐논 등과 같은 회사의 웨이퍼 스테퍼를 리소그래피 공정에 적용하게 되었다. 웨이퍼 스테퍼를 적용하게 된 이유 중 대부분은 1× 투사 정렬장치를 사용해서는 1㎛ 및 그 이하 영역의 프린트가 어렵기 때문이다. 축사 스테퍼의 경우, 이 치수를 광폭 공정시창 및 높은 수율과 더불어 이 치수를 구현할 수 있었다. 또 다른 장점은, 1× 마스크 생산에 적응한 시절임에도, 현존하는 마스크 제조기반상에서 무결함 마스크를 손쉽게 구현할 수 있다는 점이다. 초창기 웨이퍼 스테퍼는 10× 장비였으므로, 리소그래피를 지원하기 위한 레티클은 분해능과 임계치수(CD)제어의 관점에서 제조하기가 10배나 손쉬웠다. 나중에, 웨이퍼 스테퍼가 5×까지 변해도, 1×에서부터 확대 배율의 변화에 따른 사양기준의 여유는 여전히 많이 남아있었다. 주어진 가공설비들은 사용자가 필요로 하는 것보다 훨씬 더 정밀했기에, 마스크 업계는 공정시간의 절감, 결함저감, 마스크 데이터 취급 및 전송방법 개선, 그리고 품질개선 시스템의 구현 등을 포함하는 사업의 서비스 측면에 주안점을 두었다.

비록 소위 휴일이라고 부르는 기간동안에도 마스크 산업계의 인수합병과 전용장비의 쟁탈전은 치열했다. 1× 광학식 마스크의 제조에 일반적으로 2주가 소요되었던 주기시간은 정상적인 경우 3~4일, 지급인 경우 24시간으로 단축되었다. 마스크의 주문시, 더 이상 자기 테이프를 마스크 제조업체에 배송할 필요 없이, 전용 전화선을 사용했으며, 나중에는 인터넷을 통해서 전송하는 것으로 변화되었다. 수요자의 성원에 힘입어, 마스크 제조업체들은 ISO 9000과 같은 통계학적 공정제어와 품질관리 시스템을 채용하게 되었다.

산업계는 또한 공급자 기반으로 새로운 혁신을 이루었으며, 이들 중 많은 부분들에 대해서 나중에 상세히 다룰 예정이다. 나중에 Micronic Laser Systems가 된 Ateq사와 같은 회사의 높은 생산성을 갖는 레이저 마스크 묘화장치는, 가장 기술적으로 진보적인 요구조건을 수용하기 위해서, 많은 제조 전자빔 노광장치(MEBES)를 대체하였다. KLA사는 마스크를 데이터 파일과 비교하여 반복 패턴이 없는 마스크상의 결함을 감지할 수 있는 검사 시스템을 소개하였다. 위치 정확도를 계측하기 위해서 니콘 및 라이카(Leica)사의 간섭계를 기반으로 하는 계측장비가 개발되었으며, 마스크 제조업체로 하여금 서로 다른 마스크 묘화장치에서 만들어진 마스크들을 성공적으로 매칭시킬 수 있는 능력을 부여해 주었다. 세이코 인스트루먼트나 Micrion과 같은 회사에서 제작된 이온빔 수리장비의 경우에는 레이저 수리시스템을 갖추고 있다. 이 장비들은 마스크에 손상을 훨씬 덜 입히며, 미소한 결함들을 훨씬 정밀하게 수리할 수 있다.

앞에서 논의한 것처럼, 5× 휴일이 결코 진정한 휴일이 아니었지만, 이 시기는 산업계로 하여금 납기 문제, 후공정(BEOL) 검사와 계측, 품질관리 시스템의 구현, 그리고 신설합병 등과 같은 문제들에 관심을 갖을 수 있는 기회를 제공해 주었다. 이 시대의 말기(대략 1994년)에는 인수합병 등으로 인해 세계적으로 상업적 마스크 공급업체들의 숫자가 줄어들었으며, 4대 메이저 업체들과 대 여섯 개의 군소업체들로 정리되었다. 1990년대 후반 산업계가 파장이하 시대로 들어감에 따라서, 적절한 자본투자를 유치하기 위한 임계질량에 도달하기 위해서 이러한 선도 업체들의 팽창이 수행되었다.

 

1.3.4 파장이하 시대

현재 마스크 업계는 파장이하의 시대에 들어와 있으며, 최소한 21세기 초반 10년간은 이 영역 내에 머물러 있을 것이다. 이 시대는 사용자가 웨이퍼 노광 시스템에 사용하는 상대적인 파장길이와 웨이퍼 상에 프린트 되는 형상크기의 비교를 통해서 정의된다. 웨이퍼 스테포가 도입된 후 수년간, 스테퍼의 노광 파장은 초기의 436nm에서 365nm, 248nm 로 꾸준히 감소하여 오늘날에는 193nm 노광 시스템이 사용되고 있다. 일단 형상크기가 파장길이 이하로 내려감에 따라서, 리소그래피 장비가 웨이퍼의 특성을 구현하기 위한 형상화 기능을 갖출 필요가 생겼다. 이 기법들 중 일부는 특수한 포토레지스트와 무광코팅 등과 같이, 스테퍼의 웨이퍼측에 적용할 수 있는 반면에, 다른 측면에서는 비축(off axis) 또는 쌍극성 광원과 같이, 스테퍼의 광원에 적용할 수 있다. 프린트 된 웨이퍼를 개선하기 위해서 레티클 평면에서, 마스크를 강화시킬 수 있다. 분해능 강화기법(RET)이라고 통칭하는 이러한 레티클 처리에서는 빛의 위상을 천이시키기 위해서 다양한 기법(위상천이 마스크(PSM)와 광학근접보정(OPC), 다음 장에서 상세히 논의) 이 사용되며, 축사과정에서 특징 형상의 손실을 보정하기 위해서 많은 기법들이 사용된다.

반도체 산업계에서 큰 어려움 없이 365nm 스테퍼로의 전환이 이루어젺시 때문에 436nm에서 분해능 강화기법(RET)은 거의 필요치 않았다. 북미지역에서 248nm 파장을 사용하기 이전에 365nm와 함께, 분해능 강화기법(RET)이 최첨단 반도체를 구현하기 위한 수단으로서 사용되었다. 그런데, 일본에서는 365nm에서 분해능 강화기법(RET)이 웨이퍼 스테퍼의 가용수명을 연장시키기 위한 수단으로서 오랜 기간동안 사용되었다. 248nm 노광 시스템의 도입과 후속 193nm 시스템의 실용화 지연에 따라서, 분해능 강화기법(RET)은 첨단 반도체 소자용 마스크의 거의 모든 임계층에서 필수적인 요구조건이 되었다.

반도체 업계의 단기 로드맵에 따르면 193nm와 결과적으로는 157nm가 최소한 현재 10년간 사용될 파장대역이므로, 레티클이 리소그래피 공정에서 가장 중요한 부분이 되었으며, 앞으로도 그럴 것이다. 2007년에는 선폭이 거의 파장길이의 1/3에 이르며, 마스크의 집적도와 복잡성은 더욱 증가할 것으로 예상된다. 현재와 장래에 예상되는 도전적인 마스크를 제조하기 위한 신뢰성 높고 가격경쟁력을 갖춘 방법은 엄청난 R&D 투자와 수억달러 이상이 소요되는 장비들을 필요로 한다. 다수의 소규모 독립적인 전문 마스크 제조기관1)들의 글로벌 합병을 이끌어낸, 주로 Photonics와 듀퐁 포토마스크와 같은 업체들, 그리고 부수적으로는 다이니폰과 Toppan등과 같은 업체들에 의한, 통찰력있는 경영의 혜택을 산업계들이 누린다는 것은 명확하다. 이와 같이 더 큰 조직들이 진보된 마스크 기술에 필요한 재원을 조달하기가 더 용이하다.

파장이하 시대의 마스크 제조는 매우 다양한 분해능 강화기법(RET)을 구현하기 위해서 마스크 제조업체가 다양한 제품을 공급할 수 있어야 하며, 일련의 광범위한 핵심기술과 새로운 장비들 역시 필요하다는 것을 추축할 수 있다. 진보된 임계층 마스크용 묘화장치는 현재, 대부분이 가변형상 빔과 벡터 스캐닝 위치결정 시스템을 갖춘 고전압 e-빔 시스템으로 구성된다. 마스크 전체를 스캔했던, 초기 래스터 주사(raster scan) 시스템과는 달리, 이 시스템들은 마스크상의 노출이 필요한 부분만을 겨냥하고 묘화한다. 복잡한 소프트웨어와 알고리즘을 사용해서 노출의 크기, 형상 및 에너지를 조절한다. 적절한 마스크에 대해서 고도로 엄밀한 광학근접보정(OPC)을 구현하기 위해서는 형상제어가 필수적이다. 이런 장비의 속도를 높이기 위해서 화학적으로 증폭된 양성 및 음성 레지스트들이 광범위하게 사용된다. 이와같이 새로운 고전압 벡터스캔 가변형상 e-빔에 대해서는 다음 장에서 보다 상세하게 논의할 예정이다. 마스크 제조업체들은 또한, 다중레벨 노광에 필요한 위상천이를 위해서 정밀한 광학적 성질을 갖춘 새로운 소재와, 이전 시대에 사용했던 방법들과는 다른, 새로운 에칭기술을 사용하는 시대로 접어들게 되었다. 마스크 개발조직들은 새로운 소재와 더불어서, 리소그래피 장비와 공정, 지식과 경쟁, 시뮬레이션 등이 그 어느때 보다도 더 복잡한 분해능 강화기법(RET)을 따르고 견실하게 구현하기 위해서는 절대적이라는 점을 더 깊이 인식하게 되었다. 오늘날의 반도체 경제에 있어서, 마스크는 더 이상 부품이 아니라, 전체 시스템의 통합된 부분으로 인식되고 있다.

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1.4 마스크의 미래

193nm 파장, 또는 아마도 157nm 파장 이후의 리소그래피에 대한 생산성이 아직 규명되지 못했기 때문에, 2010년 이후의 미래에 마스크 제조가 발전할 방향은 분명치 않다. 광학방식 이후의 시대를 위한 리소그래피 시스템 개발에 있어서 선택의 폭은 많은 후보기술들 중에서 매우 제한되기 때문에, 개발에 많은 노력이 필요하다는 점은 확실하지만, 폐기되었다고 생각했던 방식이 다음 번 고찰단계에서 다시 살아나는 것은 자주 있는 일이다. 광학이후, 또는 차세대 리소그래피(NGL) 방식에는 극자외선(EUV), 전자빔 투사 리소그래피(EPL), 이온빔 투사 리소그래피(IPL), 근접 x-선 리소그래피(PXL), 나노 임프린트, 그리고 직접묘화 등을 거론할 수 있다. 마지막 방법을 제외하고는, 다른 모든 기법들은 오늘날에 사용되는 마스크와는 많은 점에서 근본적으로 다르며, 나노 임프린트(최근에 선택 가능한 방법으로 추가되었다)를 제외한 다른 모든 방법들에 대해서는 다음 장에서 상세하게 논의할 예정이다. 비록 극자외선(EUV)과전자빔 투사 리소그래피(EPL) 기술에 지속적으로 많은 노력을 투자하고 있지만, 각각의 기술세계를 지탱하는 저변에는 함정들이 숨어있다. 비록, 광학식 리소그래피가 그랬던 것처럼 이 기술들이 지배적이 될 것이라고 속단하기에는 너무 이르지만, 접촉구멍들을 위한 근접 x-선 리소그래피(PXL)나 전자빔 투사 리소그래피(EPL)처럼, 가장 적합한 분야에서 최소한 짜맞춤 방식으로 적용될 것이라는 점을 예상하는 것은 어렵지 않다.

마스크를 사용치 않는 직접묘화 리소그래피 후보기술로 나타났지만, 생산성과 균일성 문제 때문에 이 기술은 ASIC 소자와 같이 소량생산 분야로 국한될 것이다. 마스크가 처음으로 사용되었던 때부터 지금까지 본질적으로 가지고 있는 장점은 엄청난 수량의 소자들을 동시에 노광할 수 있으며, 이를 웨이퍼마다 반복하여 수행할 수 있다는 것이다. 반도체 산업은 경제성을 갖춘 대안이 나타나기 전 까지는 이 방법을 계속 사용할 것이다.

 

단원 2

 

마스크 묘화

2

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데이터 준비

 

Paul J. M. van Adrichem과 Christian K. Kalus

 

목차

2.1 서언

2.2 마스크 데이터 준비 순서

2.2.1 레이아웃 호환포맷

2.2.2 부울 마스크 연산

2.2.3 광학근접보정(OPC)과 위상천이 마스크(PSM)의 적용

2.2.4 마스크 데이터의 생성

2.2.5 마스크 주문정보의 전달

2.2.6 측정 셋업파일의 생성

2.2.7 마스크 데이터 준비의 소유권

2.3 jobdeck의 개념

2.4 마스크 묘화의 원리

2.4.1 래스터 스캐닝 묘화의 원리

2.4.2 벡터 스캐닝 묘화의 원리

2.4.3 가변형상 빔 묘화의 원리

2.5 마스크 기술의 경향

2.6 분할된 데이터의 패턴 정밀성과 품질

2.6.1 그리드 스냅핑

2.6.2 데이터 분할의 함수인 선폭 정확도

2.6.3 스캔필드 접합

2.6.4 비직교 모서리의 근사

2.6.5 레이저 근접효과

2.6.6 전자빔 근접효과

2.6.7 광학근접보정(OPC) 모델의 교정

2.6.8 부하효과의 보정

2.7 마스크 데이터처리 실행시간

참고문헌

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2.1 서언

집적회로(IC) 설계가 성공적으로 완료되고 나면, 집적회로의 생산단계를 시작할 수 있다. 집적회로의 생산을 가능케 하기 위해서는, 웨이퍼의 포토리소그래피 이미지 프로세스를 위해서 마스크가 필요하다. 일반적인 순서를 살펴본 다음에, 이 분야에서 관찰할 수 있는 경향들에 대해서 살펴본다. 최종적인 마스크상의 마스크 데이터의 품질효과에 대해서 다른 절에서 논의한다.

마스크 묘화장비는 입력 데이터를 필요로 하며, 이 입력 데이터 포맷은 일반적으로 디자인 공정에서 나온 포맷과는 동일하지 않다. 설계 레이아웃 출력포맷은 일반적으로 기계에 의존적인 포맷이 아니라 호환포맷을 사용한다. 높은 단계부터는 마스크 데이터 준비(MDP)단계의 목적은 이 호환포맷을 기계에 의존적인 포맷으로 변환시키는 것이다. 다양한 마스크 묘화장비들이 있으며, 이 장비들 중 대부분은 자체적인 포맷을 가지고 있다. 더욱이, 마스크 검사장비와 마스크 측정장비들 역시, 마스크 데이터에 의존적인 셋업 파일을 필요로 한다.

단지 설계데이터 보다 더 많은 데이터들을 마스크상에 묘화할 필요가 있다. 실제 집적회로들 사이의 공간은 이들을 개별적인 다이들로 분할하는 웨이퍼 절단을 위해서 사용된다. 웨이퍼 펩(feb)들은 일반적으로 이 절단선 영역에 웨이퍼 공정을 모니터하기 위한 테스트 패턴을 삽입하므로, 이 절단라인 패턴들을 마스크상에 생성 및 묘화할 필요가 있으며, 더욱이, 이전의 웨이퍼 이미징 단계에 대해 상대적으로 패턴들을 정렬시키기 위해서 웨이퍼상의 정렬패턴이 필요하다.

일반적으로, 디자인 데이터들의 변환과는 별개로, 이 절단라인에는 정렬패턴, 바코드, 및 여타의 패턴들을 생성할 필요가 있다. 이 마스크 패턴 합성은 일반적으로 프레임 생성이라고 부르며 소위 마스크 잡덱(jobdeck)이 만들어진다.

호환포맷으로부터 기계에 의존적인 데이터 또는 분할(fracturing)을 통한 변환과정에서, 설계 데이터로부터 웨이퍼상의 이미지로의 전체적인 이미지 전달과정중의 어디엔가에서 발생되는 수많은 계통오차(systematic error)들에 대해서 데이터를 보상할 수 있다. 이 오차들은 묘화공정, 마스크 현상 및 에칭공정, 그리고 웨이퍼 이미징 공정 등에서 발생되는 왜곡에 의해서 유발될 수 있다. 계통오차에 대한 데이터의 보상이 최근들어 많은 고나심을 받고있다. 이는 데이터 조작시간과, 많은 경우 데이터량 증가를 대가로 최종 마스크 품질을 향상시켜준다.

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2.2 마스크 데이터 준비 순서

비록 마스크 데이터 준비(MDP)에 어떤 것들이 포함되는가에 대한 공식적인 정의는 없으며 서로 다른 설명들이 존재하지만, 이를 집적회로 설계와 마스크 제작 사이의 데이터 링크라고 간주할 수 있다. 일반적으로 설계규칙검사(design rule check: DRC)와 레이아웃과 설계도 비교(LVS)가 성공적으로 수행되면 종료되는, 설계가 완료되고 나면, 필요한 모든 검증과 측정용 표식을 포함하고 있는, 하나 또는 그 이상의 마스크를 제조할 수 있는 데이터를 생성해야 한다. 최신기술 공정에서 사용되는 마스크의 총 숫자는 30개를 가볍게 넘는다.

Figure 2.1에서는 집적회로 설계 후에 마스크 데이터의 총체적인 흐름을 보여주고 있다. 일부의 경우, 항상 이 단계들을 구분할 수는 없으며, 때로는 하나의 단계로 합쳐진다. 이런 경우, 이론보다는 경험에 의존하여 전체적인 마스크 데이터 준비(MDP) 작업을 분할한다.

마스크 데이터 준비(MDP)에 사용되는 대부분의 입력 데이터들은 특정 레이아웃 호환포맷으로 표현된다. 출력 파일은 특정 층에 사용되는 마스크 묘화장비 전용의 기계 의존적 포맷이다. 각각의 기계마다 그 능력이 다를 뿐만 아니라, 각 층마다 필요한 사양도 다르기 때문에, 한 세트의 마스크들 모두를 동일한 장비로 묘화하는 일은 결코 없다. 따라서 마스크의 각 층마다 서로 다른 포맷을 생성해야 할 필요가 있다.

 

Figure 2.1 단순화 된 데이터 준비와 마스크 제조공정. 때로는 이 데이터 흐름도의 일부 단계들이 서로 결합되거나, 일부 단계들의 순서가 뒤바뀔 수도 있다.

 

2.2.1 레이아웃 호환포맷

IC 레이아웃을 생성하기 위해서는 일반적으로 전용 CAD 환경이 사용된다. 이런 설계단계에서의 출력은 IC의 레이아웃이며, 일반적으로 특정 레이아웃 호환포맷을 사용해서 작성된다. 이 포맷은 레이아웃들을 사각형과 다각형 등의 기하학적 요소들로 나타낸다.

1970년대 중반, Calma사는 “Calma 스트림”포맷으로 알려진 표준 GDS2 스트림 포맷으로 만들어진 데이터를 송출하는, Graphic Design System II(GDS2)라는 CAD 시스템을 판매했다[1]. 이것은 오늘날, 일반적인 IC 레이아웃 도안과 호환을 위한 실질적(de facto) 산업표준으로 사용되고 있다. GDS2 포맷은 2진 파일포맷이므로, 텍스트 에디터로는 직접 로딩이 불가능하다. GDS2 포맷을 (FTP를 통해서) 전송할 때에는 2진 파일 전송모드를 선택해야만 하며, 그렇지 않은 경우에는 파일이 완전히 손상되어버린다.

GDS2 포맷의 특징은 레이아웃 도안시 계층(hierarchy)구조를 사용할 수 있다는 점이다. GDS2에서는 셀을 나타내기 위해서 개별적인 모든 사각형과 다각형들을 표시하는 대신에, Figure 2.2에서와 같이, 여타의 셀 들에서 단일 레퍼런스나 어레이 레퍼런스를 사용해서 이 셀을 인용할 수가 있다. 이 셀들은 단일 장치나 그 일부분, 또는 NAND 게이트, 메모리 셀 등과 같은 기능적 셀들로 이루어질 수 있다. 이 기능은 메모리와 같이 고도의 반복성을 갖는 설계에서 명확한 장점을 갖는다.

2002년에, SEMI에 의해서 “개방 아트웍 시스템 호환 표준”(OASIS)라는 이름의 새로운 IC용 레이이웃 호환포맷이 제안되었다[2]. 이 포맷은 GDS2 스트림 포맷의 대체를 목적으로 하고 있다. 이 포맷의 주목적은 레이아웃 도안파일을 더 콤팩트하게 만들며, GDS2 포맷의 여타 단점들을 극복하는 데에 있다. 이 두가지 포맷은 많은 유사성을 가지고 있다. 두 포맷 모두 계층, 서로 다른 레이어 및 데이터 유형들을 다룰 수 있다. OASIS가 GDS2에 비해서 갖고 있는 가장 큰 차이점들은 다음과 같다:

 

 OASIS는 훨씬 더 콤팩트하므로 파일 사이즈가 작다.

 OASIS 포맷은 장래에 포맷의 확장을 위한 여유가 넉넉하다.

 

이 두 가지 포맷과는 별개로, 매우 특수한 용도로, 몇몇 별개의 포맷들이 가끔씩 사용되고 있다. 디자인 레이아웃의 대부분은 여전히, 전체적인 데이터 준비과정에서의 기본 입력 포맷이며 앞에서 정의되었던, GDS2 스트림 포맷을 사용해서 하나의 패키지에서 다른 쪽으로 전환된다.

 

2.2.2 부울 마스크 연산

마스크 데이터 준비(MDP)과정에서 구분할 수 있는 첫 번째 단계는 물리적인 마스크 데이터를 얻기 위해서 설계된 층(layer)들을 조합 및 조작하는 작업이다. 더 진보된 공정의 경우, 이 층들을 추출하는 단계에서 수행하는 작업이 더 까다로워지는 경향이 있다. 또한, 비휘발성 메모리처럼, 내장형 프로세스 옵션을 포함하고 있는 공정의 경우에는 표준화된 공정보다 더 많은 층들이 사용되는 경향이 있다.

이러한 레이어 추출작업에는 일반적으로 다음 항목들이 포함된다:

 

 층간의 부울대수 AND, OR, MINUS 및 XOR 등과 같은 2진수 패턴 연산자.

 형상면적, 크기, 형태 등과 같은 특정 원칙을 기반으로 설계 데이터를 선정한다. 때로는 이를 단일체 패턴 연산자라고 부른다. 데이터의 사이즈 변환 역시 단일체 패턴 연산자로 간주한다.

 

직접 설계하는 대신에 마스크 데이터를 추출하는 데에는 다양한 이유가 있다. 한가지 이유는, 추출된 층에 대한 검사가 어려울 수 있으므로, 마스크 데이터의 단순한 검사와 추출을 선호한다. 일부의 경우, 마스크 데이터 층들이 서로 보완적인 관계를 가지고 있을 수 있으며, 동일한 설계 레이어를 사용해서 두 개의 마스크 층들이 만들 수도 있다. 많은 경우, 이전 공정을 기반으로 새로운 공정이 만들어지므로, 이러한 레이어 추출과정에 있어서 새로운 스크래치파일을 만들기 보다는 이전 것을 이어받거나 연장하여 사용하게 된다. 항상, 가능한 한 많은 설계방법들과 공정들을 그대로 유지하는 것을 선호한다. 스크래치 파일로부터 다시 설계하는 대신에, 이전에 설계된 셀과 블록들을 재사용하는 것을 선호한다. 이런 설계를 창조하는 것은 복잡하고도 많은 시간이 소요되는 공정이라는 점을 인식해야만 한다. 여기에는 매우 많은 비용이 소요되며, 이러한 셀들은 이런 투자를 절감해 줄 수 있다. 다시 말해서, 레이어 추출 단계는 설계와 설계 빌딩블록의 재사용을 가능케 해 준다. 또한, 재설계를 피하기 위해서 기존의 회로설계를 다른(즉, 새로운) 공정으로 전송해야만 할 때, 레이어 추출이 매우 유용하다.

주어진, 어떤 레이어 조작과 어떤 레이아웃 상세도에 대해서, 미소한 노치, 스파이크, 가는 선, 또는 공간 등이 생성될 수 있다. 마스크의 제작에 있어서, 이런 미소 형상들은 적절치 못하다. 그런데, 만약 마스크 제작공정에서 이런 형상들을 해결하지 못한다면, 마스크 검사단계는 매우 많은 문제들을 일으킬 것이며, 심지어는 마스크 제작비용을 상승시키고 수율을 낮출 수도 있다. 일반적으로, 만약 이런 미소한 형상들을 회피할 수 있다면, 마스크 검사과정을 배제할 수도 있다. 데이터의 미소한 대형화(upsize)와 그에 이은 소형화(downsize)를 통해서, 이런 미소한 간극이나 스파이크 등을 제거할 수 있다. Figure 2.3에서와 같이, 이런 조작과정에서는 공통적으로 조직통합(de-slivering)을 수행한다. 조직통합 작업은 레이어 추출단계에서 아주 일반적으로 사용된다. 대형화 및 소형화의 양을 세심하게 선정하지 않으면 데이터가 손상을 입을 우려가 있다는 점은 명확하다.

일반적으로 비 직교성 모서리들을 지나치기 쉬우며, 따라서 가장 많은 문제가 야기되는 영역이다.

Figure 2.3 이 사례에서, 레이어 A와 레이어 B 사이의 OR 논리는 마스크 검사에서 추출할 수 없을 정도로 작은 간극을 생성한다. 미소한 대형화 및 소형화를 통해서 데이터를 “정리”할 수 있다.

 

2.2.3 광학근접보정(OPC)과 위상천이 마스크(PSM)의 적용

레이어 추출이 완료되면, 한배 또는 그 이상의 분해능 강화기법(RET)을 사용해서 레이어들 중 일부를 광학 근사효과(OPE)에 대해서 보정한다. 개발된 수많은 분해능 강화기법들 중에서 다음 방법들이 가장 일반적으로 사용된다:

 

 광학 근접보정(OPC)

 분해능 이하 보조형상

 희석된(그레이) 위상천이 마스크(PSM)

 교번식(도트식) 위상천이 마스크(PSM)

 

분해능 강화기법(RET)의 상세한 기술적 내용들에 대해서는 8장을 참조하기 바란다. 이 절에서는 광학 근접보정(OPC)이 마스크 데이터 준비(MDP)에 끼치는 영향에 대해서만 살펴보기로 한다.

소수의 교점을 갖는 직선 데이터 요소들로 구성된 광학 근접보정(OPC) 단계의 결과물들은 수많은 교점과 선분들로 이루어진 데이터로 변환된다. 이런 교점과 굴곡들이 추가됨으로서, 데이터 량의 어마어마한 증가가 초래된다(Figure 2.4 참조). 광학근접보정(OPC) 인자들의 적극성에 따라서는 파일 사이즈가 10배 증가하는 것도 결코 드믄 일이 아니다. 광학근접보정(OPC)의 수행과정에서, 일반적으로, 다수의 레이어들을 입력으로 사용한다. 예를 들면, 다결정 실리콘 마스크 데이터에 광학 근접보정(OPC)을 적용할 때, 게이트 영역(폴리 데이터와 능동 데이터의 AND 논리)은 남아있는 폴리 데이터와는 다른 광학 근접보정(OPC) 데이터를 받을 수도 있다. 이는 두 폴리영역에 대해서 서로 다른 기준과 사양이 적용되었기 때문이다.

Figure 2.4 광학근접보정(OPC)의 효용성을 증대와 더불어서 교점의 엄청난 증가가 관찰된다. 이 과정에서, 이미 용량이 큰 파일의 파일 사이즈가 더욱 증가된다는 것은 명백하다. 배경 이미지는 어떠한 광학 근접보정(OPC)도 적용되지 않은 경우의 기준 이미지이다.

 

단일 마스크를 구축하기 위해서 많은 층들이 필요하기 때문에, 위상천이 마스크(PSM)는 복잡성을 증가시킨다. 그러므로 이는 분해능 강화기법(RET) 보정단계에 다수의 입력 레이어를 필요로 할 뿐만 아니라, 이와 동시에, 다중 출력 레이어를 생성한다. 위상천이마스크(PSM)에서는 거의 항상 광학근접보정(OPC)단계가 수반되므로, 이들 두 출력 레이어들에 대해서도 마찬가지로 OPC 보정이 수행된다.

광학 근접보정(OPC) 도구에 비교적 복잡하고 거의 항상 반복작업이 수반되는 알고리즘이 추가되기 때문에, 광학근접보정(OPC)의 작업시간은 아주 오래 걸린다. 때로는 여기에 소요되는 시간이 실제적인 묘화와 검사시간보다 오래 걸릴수도 있다. 다음 기법들이 하드웨어 및 소프트웨어적인 광학근접보정(OPC) 작업시간을 감소시켜준다:

 

 병렬처리(분산처리와 멀티쓰레딩)

 광학근접보정(OPC) 작업의 간소화

 데이터 내에서 기존의 계층을 사용하거나 새로운 계층을 만들어낸다.

 

광학근접보정(OPC) 작업의 가속화를 위해서는 도구와 데이터에 대한 지식이 필요하다. 모든 접근방식들이 모든 광학근접보정(OPC) 도구들에 동일하게 잘 적용되는 것은 아니다. 또한, 광학 근접보정(OPC) 작업에 계층구조의 적용 가능성여부는 광학근접보정(OPC) 도구와 데이터 모두에 의존한다.

 

2.2.4 마스크 데이터의 생성

광학근접보정(OPC)이 수행되고 나면, 마스크 묘화장비와 검사장비가 읽어들일 수 있는 포맷으로 데이터를 생성할 필요가 있다. 이 포맷들은 전혀 표준화되어있지 않으며, 기본적으로, 모든 묘화장비들이 자신만의 포맷을 가지고 있다. 그 이유는 부분적으로, 이 장비들은 작동방식이 서로 크게 다르기 때문이다. 일반적으로 해당 장비들의 작동방식에 따라서 이런 포맷의 데이터 편성방식이 결정된다. 또한, 분할(fracture)단계에서, 다음과 같은 방법을 사용해서 데이터의 조작을 시행할 수도 있다:

 

 크기조정(scaling)

 데이터의 정립(sizing)

 데이터의 회전

 패턴 반사

 색상 반전

 

크기조정은 노광 시스템의 렌즈 내에서 축사계수의 보상을 위해서 사용될 수도 있다. 주로 두 가지 이유에서 데이터의 크기조정이 필요하다: 마스크 공정의 편향 보정; 웨이퍼 공정의 편향보정. 부울 연산 과정에서도 크기조정 작업이 수행될 수 있다.

마스크의 묘화작업은 마스크의 윗면인 크롬측에서 수행되며, 패턴 반사가 필요하며, 마스크의 노광은 크롬측 하부에서 수행되기 때문이다. Figure 2.5에서는 가장 일반적인 단일층 작업의 사례를 보여주고 있다.

광학근접보정(OPC)이 거대한 파일들을 생성한다는 사실에 입각한다면, 분할(fracture)장비는 이런 거대한 파일을 다룰 수 있어야만 하며, 많은 경우, 작업시간이 가장 중요한 고려사항이다.

분할(fracture)단계에서, 마스크 묘화나 공정단계에서 발생할 수 있는 전자빔 근사효과, 또는 여타의 체계적 오차의 보정을 위해서 데이터를 수정한다. 전자빔 근사효과에 대한 상세한 내용은 2.6절에서 논의되어 있다. 이런 보상은 체계적인 마스크 묘화오차를 보정하기 위해서 수행되므로, 검사장비에서 사용되는 데이터는, 포맷의 차이와는 별개로, 묘화용 데이터와는 근본적으로 다를 수밖에 없다.

Figure 2.5 물리적인 마스크 데이터 생성과정에서 시행되는 조작들. (a) 원 데이터로부터 시작하여 (b) 데이터의 정립, (c) 회전, (d) 크기조정, (e) 색상반전, 그리고 (e) 반사

 

2.2.5 마스크 주문정보의 전달

물리적인 마스크 데이터가 생성되면, 일반적으로 마스크 제작을 담당하는 또 다른 그룹으로 데이터가 전달된다. 마스크 데이터와 함께, 추가적인 주문정보 및 지침 등이 전달된다. 이 정보들 속에는 패턴의 파일명과 품질규격 등의 납품정보도 포함될 수 있다. 이런 주문정보에 대한 오인을 피하기 위해서 표준이 개발되었다. SEMI-P10[3] 전자주문 포맷에는, 특정 주문 내에 나열되어야만 하는, 잘 정의된 키워드들이 포함되어 있다. 이 SEMI-P10 주문에는 마스크상의 패턴 배치파일 이외의 레이아웃 정보를 포함하고 있지 않다. SEMI-P10은 이러한 주문파일의 규정된 포맷 때문에, 자동화된 주문처리에 적합하다.

 

2.2.6 측정 셋업파일의 생성

데이터 준비의 마지막 단계는 측정 셋업파일의 생성이다. 최근 몇 년 동안, 마스크 표면상의 측정 위치수의 빠른 증가가 관찰되어왔다. 고급 마스크의 경우, 100개소 이상의 측정은 드믄 일이 아니다. 이토록 많은 숫자의 측정위치들 때문에, 단지 장비에 설치된 현미경을 통한 관찰만으로 모두 인도하는 것이 불가능하게 되었다.

마스크상에서 시행되는 측정에는 주로 두 가지 유형이 있다:

 

 치수제어 측정은 일반적으로 임계치수(CD) 제어 측정이라고 알려져 있다.

 배치 정확도 또는 레지스트레이션(registration) 측정

 

측정 셋업파일의 생성과 함께, 수동, 자동 및 그 조합으로 측정할 필요가 있는 형상들의 위치를 파악할 수 있다. 이 작업의 결과물은 마스크에 따라서 측정장비에 로딩될 수 있는 장비 지향적 셋업파일이다. 일반적으로, 이런 측정 셋업파일은 단지, 좌표값과 측정명령만을 담고있는 텍스트파일이다. 때로는 이 셋업파일이 실제 측적 직전에 위치 정렬을 위해 사용되는 이미지를 포함하고 있을 수도 있다.

 

2.2.7 마스크 데이터 준비의 소유권

이 절에서는, 마스크 데이터 준비(MDP) 공정에 대해서 상세히 다루고 있다. 하지만, 어떤 그룹들이 일반적으로 이 단계를 수행하는가를 지정하는 것은 아니다. 사실, 접근 방법에 많은 차이가 관찰된다. 어떤 경우에는 광학 근접보정(OPC) 단계에 단 하나의 그룹만이 관여하는 반면에, 또다른 경우에는 이 장에서 설명하는 거의 모든 공정 대부분을 단일 그룹이 책임지기도 한다. 단순한 역사적 사실들이나 회사의 조직체계 등과는 별개로, 특정한 업무를 특정 그룹에 배정할 때에는 일반적으로, 다음과 같은 사안들에 대해서 고려한다:

 

 데이터의 완벽성

 마스크 데이터의 품질

 사이클 시간

 마스크 가격과 묘화시간

 묘화장비에 따른 유연성

 

외주업체를 통해서 마스크를 제작할 때에는 “납품” 장소를 어디로 정할 것인가가 더 중요해 진다. 공정 전체를 고려하며, 한가지 측면에 집착히지 않고, 앞서 나열한 리스트들로부터 관련된 모든 사안들을 검토하는 것이 중요하다.

 

_________

2.3 잡덱(jobdeck)의 개념

마스크상의 패턴들이 항상 독특한 것은 아니다. 사실, 대부분의 경우, 마스크 상에서 마스크 패턴들이 독립적으로, 또는 배열되어 여러 차례 사용된다. 이런 반복횟수가 충분히 많고, 이 패턴들의 데이터 양이 비교적 크다면, Figure 2.6에서 설명하고 있는 잡덱(jobdeck)의 주요 개념인, 일종의 계층구조를 만들 가치가 있다. 잡덱 파일은 패턴 파일을 한 번 또는 그 이상 인용하여, 단일 좌표점 또는 배열방식으로 정보를 배치한다는 개념에 불과하다. 서로 다른 묘화장치들을 위한 잡덱 포맷은 동일하지 않다. 다음에서는 MEBES 잡덱의 사례를 보여주고 있다:

 

SLICE EDIT,17, $TED/DEMO.JB

* JOBDECK WRITTEN BY CATS: (NULL) AT WED NOV 07 15:32:05 2002

*!

*!GROUP COMMANDS

*!

SCALE 0.25

*!

*!ALPHA, RETICLE, REPEAT AND SIZING COMMANDS

*!

*!OPTION COMMANDS

OPTION AA¼0.25

*!

*!TITLE AND ORIENT COMMANDS

*!

*!

*!

*!CHIP AND ROWS COMMANDS

*!

CHIP N1,

$ (A, BIRD$$$-$$-50)

ROWS 24200/62700,6,6000

ROWS 32200/44700,6,6000

ROWS 32200/86700,4,6000

ROWS 120200/44700,11,6000

ROWS 128200/62700,6,6000

*!

CHIP N2,

$ (A, BIRDREV-$$-50)

ROWS 32200/80700

ROWS 60200/77700

ROWS 80200/38700

ROWS 80200,2,8000/56700,5,6000

ROWS 80200/116700

ROWS 112200/74700

*!

END

Figure 2.6 대부분의 마스크에서 패턴이 한 번 이상 사용된다. 이는 계층구조 사용의 가능성을 열어주며, 데이터의 관점에서 마스크 전체를 나타내는 더 콤팩트하고 효율적인 방안이다.

 

패턴의 배치와는 별개로, 잡덱은 패턴 데이터의 반사와 크기조정, 보정계수, 빔 셋업 매개변수, 부분체(subfield)나 스캔필(scanfield)드 배치정보 등과 같은, 마스크 묘화장비를 위한 다양한 매개변수와 명령들도 포함하고 있다.

잡덱의 과정에서 패턴을 묘화하는 묘화장비의 경우, 서로에 영향을 끼치지 않으면서 개별적인 패턴을 묘화할 수 있다고 가정한다. 예를 들면, 패턴의 묘화를 위해서 e-빔을 사용할 때에는, 하나의 패턴을 묘화하면서, 묘화공정에서 산란된 전자들이 인접 패턴 영역에 도달하여 패턴 엄밀성(fidelity) 오차를 유발하게 된다.

최적의 잡덱을 셋업하기 위해서는 마스크 묘화시 사용되는 묘화장비에 대한 지식이 필요하다는 것은 명확하다. 더욱이, 잘못된 위치에 놓인 잡덱은 묘화시간을 지연시킬 뿐만 아니라 패턴 엄밀성에 영향을 끼쳐 마스크 품질을 저하시킨다.

잡덱에서 상이한 패턴들을 다시 병합시키는, 또 다른 그룹의 묘화장비가 있다. 잡덱에서 더 효율적인 데이터 표현상의 이점을 지속적으로 누리기 위해서, 마스크상의 실제 묘화과정에서 이러한 국지적이고 일시적인 평활화(flattening) 공정이 일반적으로 시행된다.

잡덱 내에서 분해능은 패턴 파일들마다 서로 다를 수 있기 때문에, 잡덱의 실제 묘화과정에서 그리드 스내핑이 약간 발생할 수 있다. 일부 장비들은 고정된 스팟 사이즈를 가지고 있으므로, 단일 패턴의 묘화시 조차도, 스내핑이 발생할 수 있다. 엄밀성의 측면에서 매우 엄격한 사양을 갖고있는 마스크에서 조차도, 이 스내핑이 총 오차할당중에서 큰 부분을 차지할 수 있다.

_________

2.4 마스크 묘화의 원리

마스크의 품질을 최적화시키기 위해서는 묘화장비에 대한 사전지식이 필요하다. 실제 데이터 포맷과의 차이는 별개로 하더라도, 서로 다른 마스크 묘화 시스템들에서 사용되는 노광 시스템들 사이에는 큰 차이가 있다. 또한, 실제 데이터 포맷과는 별개로, 한 가지 묘화장비에 대해서 최적화 된 데이터가 다른 장비에 대해서는 전혀 들어맞지 않을 수도 있다. 웨이퍼에 대한 전체적인 이미지 처리에 있어서, 전체적인 마스크 품질이 매우 결정적인 인자로 작용하기 때문에, 마스크 품질에 대한 중요도가 증가하고 있다. 임계 데이터들의 세부항목에 대한 지식은 특정 묘화장비와/또는 묘화기법에 도움이 될 수 있다.

관찰이 가능한 묘화장비들 간의 가장 큰 차이점 중 하나는 실제 노광시 레이저 또는 e-빔중 어느 것을 사용하는 가이다. e-빔은 훨씬 파장길이가 짧으며 레이저에서와 같이 근원적인 파장길이의 한계가 없다는 점에서 명백한 장점을 가지고 있다. 그런데, e-빔 시스템은 진공시스템 내에서 작동해야만 하므로, 더 복잡한 시스템이 구축된다.

이 절에서는 다양한 마스크 묘화 시스템에 사용되는 서로 다른 묘화기법들에 대해서 논의하고 있다.

 

2.4.1 래스터 스캐닝 묘화의 원리

래스터 스캐닝 마스크 묘화장비는 마스크 영역 전체를 스캔하면서 TV의 작동원리와 유사하게 빔을 “켜”고 “꺼”서 이미지를 픽셀 패턴으로 만든다.

이 패턴은 픽셀로 변환되므로, 데이터가 블록으로 분할되는 방식에 따라서 최종적인 픽셀의 형태가 영향을 받지 않는다. 그러므로 패턴들을 조각내는 방법이 마스크의 품질에 영향을 끼치지 않는다. 선폭조절이나 임계치수 조절의 관점에서 마스크의 품질은 전적으로 속도와 빔 스위치의 재현성 등과 같은 기계의 특성에 의존한다.

대부분의 래스터 스캐닝 장비들에서, 스테이지 이동과 빔 편향의 조합을 통해서 마스크 전면에 대한 묘화가 이루어지므로, 래스터 스캐닝 원리를 사용해서는 작은 사각형 블록의 데이터가 묘화된다. 일반적으로 이 사각형 블록들을 스캔필드 혹은 주-필드라고 부른다. Figure 2.7에서는 스캔필드로 분할된 데이터의 사례를 보여주고 있다. 이 스캔필드들이 실제 데이터들과 겹쳐지는 방식은 장비들마다 서로 다르다. 일부 시스템에서는 스캔필드의 위치를 조절할 수 있는 반면에, 다른 경우에는 하드웨어에 의해서 결정된다. 스캔필드의 경계면 상의 정위치에 패턴을 위치시킬 수도 있다. 이 경우, 패턴은 두 개의 서로 다른 스캔필드로 분할된 두 개의 개별적인 부분들로 묘화되므로 나중에 분리되어버린다. 이는 선폭의 정확도(임계치수 조절)과 같은 패턴의 엄밀성을 수반하며, 스캔필드 접합 정확도에 심하게 의존한다. 따라서 중요한 형상들이 스캔필드 경계면을 가로지르지 않도록 배치하는 것을 원하게 된다. 비록, 마스크 묘화에 있어서 이 방법이 마스크의 품질을 개선하기 위한 현실적인 접근방식이 될 수는 없지만, 특정 경우에 대해서는 유용할 수도 있다.

래스터 스캐닝 접근방법을 사용하는 경우의 묘화시간을 살펴보면, 픽셀 크기가 가장 큰 영향을 끼치는 인자이다. 래스터 스캔에서 픽셀의 크기는 빔 크기를 정의하는 방식과는 다르다는 점을 명심해야 한다.

Figure 2.7 래스터 스캐닝 마스크 묘화장비용 데이터는 블록으로 분할된다. 소위 스캔필드에 의해서 패턴이 분할되므로, 패턴은 서로 다른 스캔필드들 속에 기록된다. 이 때문에 선폭 변화가 초래될 수도 있다.

 

2.4.2 벡터 스캐닝 묘화의 원리

벡터 스캐닝 묘화장비는 래스터 스캐닝 장비와 매우 유사하다. 마스크 묘화영역 전체를 여전히 사각형 스캔필드로 분할한다. 하지만 여기에서는, 스캔필드 영역 전체에 대한 래스터스캐닝을 수행하는 대신에, 실제 데이터 블록들(사각형과 사다리꼴)만이 노광된다.

마스크 묘화과정에서, 최종적으로는 여전히 픽셀로 만든다. 래스터 스캐닝 원리와 유사하게, 스캔필드 내에서 데이터를 분할하는 방법은 최종적인 픽셀 할당에 영향을 끼치지 않으며, 따라서 선폭 조절도 영향을 받지 않는다. 스캔필드 접합의 관점에서는 벡터스캐닝과 래스터 스캐닝 기법은 서로 동일한 방식을 사용한다. 이는 두 가지 유형의 묘화장비에 있어서 고려할 사항이다.

래스터 스캐닝 장비에 비해서 벡터 스캐닝 장비는 일반적으로 픽셀 크기 감소에 따라서 묘화시간이 크게 증가하지 않는다. 래스터 스캐닝 장비의 묘화시간은 픽셀 크기에 반비례하는 반면에, 벡터 장비의 묘화시간은 묘화영역의 면적에 비례하며 픽셀 크기에 반비례한다. 벡터 스캐닝 장비의 스캐닝 특성 때문에, 데이터를 분할하는 방식은 묘화와 마스크 제작공정이 완료된 후의 최종 결과물에 거의 영향을 끼치지 못한다.

 

2.4.3 가변형상 빔 묘화의 원리

가변형상 장비는 최종적인 데이터 요소들이 마스크 상에 노광되는 방식에 있어서 벡터스캐닝 장비와는 다르다. 벡터 스캐닝과 래스터 스캐닝 장비는 요소를 스캐닝하는 반면에, 가변형상 장비는 한 번의 노출을 통해서 데이터 전체를 노광할 수 있다. 이런 요소블록들은 일반적으로 사각형과 삼각형 또는 사다리꼴이다. 전체적인 데이터 패턴은 이들 요소 블록으로 분할해 준다. 이 원리를 사용하는 장비들은 데이터들이 어떻게 편제되고 분할되는가에 따라서 차이를 보이게 된다. 예를 들면, (사각형 및 사다리꼴)요소 데이터 블록들의 숫자와 묘화시간은 일반적으로 정비례한다.

데이터를 분할하는 방법은 묘화시간 뿐만 아니라 치수 정확도에도 영향을 끼친다. 요소블록의 크기는 특정한 비선형성을 갖고 있으며, 임계치수의 불균일성에 부정적 영향을 끼칠 수 있다. 이러한 비선형성 문제 때문에, 이런 유형의 마스크 묘화장비를 사용할 때에는 좁은 영역에 대한 노광을 피해야만 한다.

_________

2.5 마스크 기술의 경향

마이크로 전자공학 산업 전반이 빠르게 변하는 것과 마찬가지로 마스크 제조 산업도 빠르게 변하고 있다. 이 마이크로 전자공학 산업의 발전이 마스크 산업의 트렌드를 주도하며, 따라서 마스크 데이터 준비(MDP) 또는 “분할(fracturing)" 업계도 이 영향을 받고 있다[3]. 분할(fracturing)이라는 용어는 마스크 상에 프린트 할 수 있도록 데이터를 평활화 시켜서 단일 데이터 단위(대부분 사각형)로 기록하는 공정에 유래한다.

와의 물리적 접촉을 통해서 이루어졌다(1× 마스크). 따라서 이 1× 마스크 상의 이미지는 웨이퍼상의 것과 동일한 치수를 갖는다. 웨이퍼 스테퍼의 도입과 더불어서, 패턴 전사에 축사 렌즈가 도입되었으며, 그에 따라서 마스크 상의 패턴은 축소가 되었다.

웨이퍼 스테퍼의 관점에서는 공식적으로 마스크 대신에 레티클이라는 용어를 사용한다. 그런데, “작업장”에서는 레티클과 마스크 모두에 대해서 일반적으로 “마스크”라고 부른다. 따라서 이 책에서는 단순히 관습을 따르기로 한다.

웨이퍼 스테퍼의 도입은 이 시스템에서 사용되는 렌즈 때문에 마스크 형상의 확대를 초래하였다. 일반적인 배율은 4× 및 5×이나, 2.5×와 10×도 사용된다. 축사 시스템 도입의 결과들 중 하나는 축사 성질에 의해서 최종적으로 프린트 된 웨이퍼 이미지에 마스크 결함이 끼치는 영향이 감소되었다는 점이다. 이 결과, 마스크는 훌륭한 상품이 되었으며, 납기와 단가만이 문제가 되었다. 그런데, 그 이후, 고품질 반도체 장치들에서의 지속적인 형상크기 감소는 동일한 공간 내에서의 웨이퍼 오차할당의 여지를 축소시켰다. 웨이퍼 오차할당의 축소에 의해서 마스크의 오차할당도 함께 줄어들게 되었다. 더 진보된 공정의 경우, 마스크 오차가 이미 총 오차할당 중 많은 부분을 차지하고 있으며, 마스크 제조기술 능력의 한계를 넘나들고 있다. 이러한 기술적 도전은 품질등급의 증가와 더불어서 마스크 제조비용의 급격한 증가를 초래하였다.

 

Figure 2.8 파장길이보다 짧은 치수를 갖는 형상을 프린트하면 이미지 왜곡(OPE)이 발생하므로 이를 보정할 필요가 있다.

Figure 2.9 광학근접보정(OPC)은 들쭉날쭉한 형상을 많이 수반하므로

마스크 제조와 데이터 처리의 어려움을 증가시킨다.

 

마스크 오차할당의 축소와는 별개로, 광학근접보정(OPC)은 마스크 제조와 마스크 데이터 준비(MDP)과정 모두에 대해서 또 다른 중요한 도전과제이다. 광학 근접보정(OPC)의 분해능 강화에 대해서는 8장에서 상세하게 다루고 있다. 웨이퍼상에 프린트되는 형상의 크기가 Figure 2.8에서와 같이 파장길이보다 작아지게 되면서 광학근접보정(OPC)의 필요성이 대두되었다. 이는 노광과정에서 모서리 라운딩과 여타 이미지 왜곡을 초래한다. 일반적으로 이 왜곡을 광학 근사효과(OPE)라고 부른다. 이 효과는 모델을 통해서 용이하게 예측할 수 있으므로, 광학 근사효과(OPE)에 대해서 데이터를 보정하는 것이 가능하며, 이를 본질적으로 광학근접보정(OPC)이라고 부른다. 광학근접보정(OPC)은 설계와 분할 사이의 데이터 저작과정이다. Figure 2.9에서는 광학근접보정(OPC) 작업의 일례를 보여주고 있다. 모서리의 숫자를 증가시키면 마스크 제작과 특히 마스크 검사가 더 복잡해진다. 데이터 준비의 관점에서는 이 광학근접보정(OPC) 작업이 데이터양을 급격하게 증가시키는 원인이 된다. 보정의 정도와 그에 따른 모서리와 들쭉날쭉한 형상의 숫자는 명백히, 광학 근사효과(OPE)의 심각성의 척도이며, 따라서 노광 파장 길이와 프린트 되는 형상크기 사이의 비율의 함수이다. 마스크 데이터 준비(MDP) 과정에서 광학 근접보정은 다음과 같은 결과를 초래한다:

 

 패턴 복잡성의 증가

 데이터양의 증가

 마스크 제조성에 대한 판단을 어렵게 한다.

 

다른 방식의 분해능 강화기법(RET)에서는 위상천이가 다르게 발생하므로, 데이터 준비공정을 복잡하게 만든다. 이 방법들은 마스크 상의 단일 구조를 만들기 위해서 다중 데이터 파일을 필요로 할때도 있다.

과거에, MEBES 포맷은 마스크 데이터의 실질적 표준이었다. 이 장비들은 레이저나 e-빔을 사용해서 패턴 데이터를 래스터 스캔 하였다. 마스크 내의 오차들은 배치오차와 기계의 스위치속도 한계에 의해서 유발되었다. 특정한 다각형이나 일련의 다각형들을 분할할 때에는, MEBES 포맷이 출력으로 사용하는 특유의 형태가 존재한다. 가변형상 빔(VSB)을 사용하는 마스크 묘화장비의 경우, 분학 이후의 결과물은 다르게 보일수도 있다. 사각형과 사다리꼴로 이루어진 특정한 형상이 다른 것들보다 더 정확한 결과를 만들어낼 수 있다. 이런 분할품질은 데이터뿐만 아니라 묘화장비에도 의존한다. 마스크 품질은 웨이퍼 이미지 공정에서 중요한 역할을 하기 때문에, 분할의 품질은 최종적인 웨이퍼 이미지 품질에 직접적으로 영향을 끼친다.

_________

2.6 분할(fractured) 데이터의 패턴 정밀성과 품질

앞서 언급한 것처럼, 마스크의 일반적인 품질은 최종적인 웨이퍼 이미지 엄밀성에 큰 영향을 끼친다. 첨단공정의 경우, 마스크 오차가 최종적인 웨이퍼 이미지 오차에 끼치는 영향에 대한 관심이 증가되고 있다. 패턴의 엄밀성에 영향을 끼치는 모든 인자들 중에서 가장 중요한 것들은 다음과 같다:

 

 일반적으로 임계치수 조절이라고 부르는 선폭조절

 패턴 배치 정밀도

 

마스크 데이터를 준비하고 배치하는 방법이 이러한 인자들과 그에 따른 마스크 품질에 영향을 끼칠 수 있다. 이 절에서는 일반적으로 마스크 품질에 영향을 끼칠 수 있는 마스크 데이터 준비(MDP) 항목들에 대해서 논의한다.

 

2.6.1 그리드 스냅핑

마스크 품질에 심대한 영향을 끼치는, 가장 중요한 마스크 데이터 준비(MDP, 또는 분할) 인자들은 그리드와 그리드 라운딩(그리드 스내핑)이다. 그리드 스내핑에 의해서 원래 설계된 선폭과의 차이가 유발될 수 있으며, 심지어는 마스크를 물리적으로 묘화하기 전에 임계치수 오차를 유발한다. 그리드 스내핑은 데이터 준비와 마스크 묘화의 다양한 단계들에서 발생할 수 있다.

처음부터 입력 데이터 자체에 그리드를 벗어나는 점들이 포함되어 있을 수 있다. 많은 경우, 마스크 데이터 준비(MDP) 과정의 시작점인 그래픽 디자인 시스템(GDS) 데이터는 궁극적으로 다각형과 경로에 대한 정의들로 구성되어 있다. 다각형의 좌표점들이 모두 특정 그리드상에 위치한다면, 이 그리드를 최종적인 분할 그리드로 사용하므로 서, 그리드 스내핑을 손쉽게 피할 수 있다. 경로에 대한 정의는 일련의 중심선 좌표들과 특정한 선폭으로 구성된다. 이런 구조에서 그리드 스내핑을 피하기 위해서는 중심선 좌표들이 그리드상에 위치해야 할뿐만 아니라, 경로의 폭이 그리드 두 개의 등배(또는 경로폭의 절반이 그리드의 등배)이어야만 한다. 이런 조건들을 통해서 어떤 구조물을 특정 그리드상에 위치시킬 수 있다. 그런데, 만일 경로상에 비 직교성 영역이 존재한다면, 이 기울어진 영역 근방은 결코 그리드와 정확히 일치되지 못한다(Figure 2.10). 다시 말해서, 그래픽 디자인 시스템(GDS) 내의 비 직교성 경로에 대한 정의의 경우, 비 직교성 모서리 부근에서는 그리드 스내핑이 필연적으로 발생한다.

Figure 2.10 경로에 대한 기본적인 정의는 일련의 중심선 좌표계들과 경로폭(PW)들로 구성된다.

 

마스크 묘화장비가 고정된 주소단위를 가지고 있으며, 데이터가 이 그리드에 대해서 분할되지 않았거나 이 그리드의 등배가 아닌 경우에, 마스크 묘화과정에서 명확치 않은 원인에 의한 그리드 스내핑이 발생할 수도 있다.

데이터 조작과정에서, 때로는 데이터 영역의 미소한 크기조절이 시행된다. 비 직교성 모서리에 대해서 이런 크기조절을 수행하는 경우에는 그리드를 벗어나는 상황이 발생할 수도 있기 때문에 세심한 주의가 필요하다. 어떠한 경우에도 그리드 스냅 또는 라운딩 특성을 조절해야 한다. 일반적으로, 그리드 스내핑은 독자적으로, 또는 크기조절과 결합되어 마스크 데이터 준비(MDP) 과정에서 가장 큰 오차의 원인으로 작용한다.

사선이 다수의 스캔필드를 가로지르는 경우가 있을 수 있다. 이런 경우, 대부분의 포맷들은 스캔필드 경계에서 이 사선이 분할 그리드상에 위치해야만 한다. 이 그리드 스내핑에 의해서 직선이 거의 180°의 각도로 경계에서 연결되는 분리된 선들로 변질되는 결과를 낳는다. 만약 이런 선들을 포함한 데이터에 대한 여러 번의 재입력 및 재분할을 수행해야 한다면 스캔필드 경계에서의 배치에 대한 데이터들에 대해서 세심한 주의를 기울여야 한다.

 

2.6.2 데이터 분할의 함수인 선폭 정확도

어떤 데이터 포맷에서는 입력 데이터를 요소 블록으로 분할하는 방식이 유일하지 않다. 다시 말한다면, 이런 포맷에서는 여러 가지 방식을 사용해서 입력 데이터를 분할한다. 장비의 묘화방식에 따라서, 분할방식의 차이는 실제 선폭 정확도의 차이를 유발할 수도 있다. 만약 사각형이 두 개의 요소로 분할된다면, 데이터가 분리된 경우와는 총 선폭오차가 다를 수 있다(Figure 2.11 참조). 마스크상의 선폭오차의 관점에서 실제로 발생하는 차이는 여러 원인에 의존한다. 만약 마지막에 데이터가 래스터 스캔 된다면, 전혀 차이가 없을 것이다. 최고의 데이터 구조를 구현하기 위해서는 마스크 묘화장비와 데이터에 대한 충분한 이해가 필요하다. 원래 설계의도를 파악한다면 어떻게 분할하는가에 따라서도 차이를 만들어낼 수 있다. 만약 특정한 형산을 분할하는 것이 선폭 정확도에 부정적인 영향을 끼친다는 것을 알고 있다면, 가장 민감한 영역 밖으로 분할선을 위치시키려 할 것이다. 때로는 데이터가 없는 곳을 노광하고 음영 레지스트를 사용하는 것이 선폭 조절에 유리한 경우도 있다. 만약, 선을 둘러싼 주변을 프린트하여 선을 형성한다면, 최종적인 선폭 조절은 선 자체를 프린트하는 것과는 다를 것이다. 음영 레지스트를 사용하기 위해서는 정력용 키, 바코드, 텍스트 등의 모든 데이터를 역전시켜야 한다는 점에 유의해야 한다.

Figure 2.11 입력데이터에 대한 서로 다른 방식의 분할은 묘화된 마스크상에 서로 다른 선폭 오차를 유발할 수 있다.

 

Figure 2.12 스캔필드가 데이터 구조를 가로지르는 경우, 이 구조가 분할되어 두 개의 개별적인 패턴으로 묘화될 수도 있다. 이러한 데이터의 분할은 구조의 치수조절에 부정적인 형향을 끼치게 된다.

 

2.6.3 스캔필드 접합

거의 대부분의 묘화장비들에서, 총 노광변적은 일반적으로 스캔필드라고 부르는 사각형들로 나누어진다. 스캔필드의 크기는 수 미크론에서 수천 미크론까지 다양하다. 이 스캔필드를 사용하는 대부분의 포맷들은 스테이지의 이송과 빔 회절의 조합을 통해서 전체 노광면적을 사정안에 둘 수 있다. 스테이지는 마스크를 이동시켜서 올바른 스캔필드를 노광영역에 위치시키며, 빔 회절을 통해서 스캔필드의 내용들을 “묘화”한다.

만약 데이터 구조가 스캔필드 경계상에 정확히 위치한다면, Figure 2.12에서와 같이, 이 구조를 별개의 두 단계를 통해서 묘화할 수 있다. 스캔필드 접합은 많은 마스크 묘화장비에서 당면하는 문제를 유발한다. 주어진 사양에 대해서 일반적으로 장비의 위치결정 정확도의 함수인 유발오차에 스캔필드 접합의 의존도를 판단하기 위해서는 측정값들을 분석해야만 한다. 스캔필드 접합이 최종적인 패턴의 엄밀성에 끼치는 영향을 감소시키기 위해서 사용할 수 있는 측정방법에는 다음과 같은 것들이 포함된다:

 

 스캔필드들이 서로 겹쳐서 겹침양과 같거나 작은 크기의 형상이 분리되는 것을 피할 수 있다. 부분적으로 겹침영역에 위치한 형상은 인접 스캔필드 내에서 완벽하게 묘화된다.

 스캔필드가 서로 겹쳐지는 경우, 겹침영역에서는 50%만 노광하여 형상을 묘화할 수 있다. 인접 스캔필드의 묘화시에 이 형상에 대해서 다시 50%의 노출을 시행한다. 이 방법은 스캔필드 접합성을 개선해 주지만, 스캔필드간의 상대적인 위치결정 정확도를 개선해 주지는 못한다.

 임계영역 밖에 스캔필드를 위치시킴으로서, 스캔필드 접합이 끼치는 영향도 함께 회피한다. 마스크 묘화시 이 방법을 항상 사용할 수는 없지만, 작은 패턴의 묘화시, 이 방법은 스캔필드 접합문제를 극복할 수 있는 간단하고도 유용한 기술이다.

 

일부 묘화장비에서는 스캔필드의 크기가 고정되어 전혀 변경이 불가능한 반면에, 여타의 포맷들에서는 크기와 위치 모두를 조작할 수 있다.

일부 주사 레이저 마스크 묘화장비들은 마스크 전체를 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝까지 주사한다. 이런 노출기법을 사용하는 경우, 스캔필드 접합운 개별적인 스트립들 사이의 경계에서만 발생된다.

 

2.6.4 비직교 모서리의 근사

앞서 논의한 바와 같이, 비 직교성 경로 조각들이 인접한 경사 모서리들과 그리드 스내핑을 유발할 수 있다. 또한, 마스크 데이터 포맷의 변환과정에서, 경사 모서리의 또다른 변형이 발생될 수 있다. 이러한 변형은 장비에 심하게 의존적이며, 따라서 데이터 포맷에 의존적이다. 일부 장비들에서는 비 직교성 모서리들을 단순히 픽셀로 근사화시킨다(Figure 2.13) 만약 이 픽셀 크기가 크다면, 마스크 프린트 과정에서 발견될 수 있을 정도로 이 단계가 큰 영향을 끼친다. 더 작은 픽셀들을 사용하므로서, 이 문제를 해결할 수 있지만, 일반적으로 더 작은 크기의 픽셀을 사용함에 따라서 묘화시간을 희생시켜야 한다.

Figure 2.13 일부 마스크 묘화장비에서는 경사선을 근사화 시킨다. 계단의 크기는 시스템의 픽셀 크기와 동일하다.

 

일부 가변형상 묘화장비들에서는 직교와 45° 모서리만을 묘화할 수 있다. 45°가 아닌 형상의 경우, 모서리는 45° 조각과 직교성 조각들을 조합하여 경사 모서리와 가능한 한 유사하도록 근사화 시킬 수 있다.

 

2.6.5 레이저 근접효과

실제 노광에는 레이저나 e-빔이 사용된다. 이 노광방법들 모두 단점을 가지고 있으며 그에 따라서 최종적임 패턴의 엄밀성이 영향을 받는다. 레이저의 주요 단점들 중 하나는 광학적 분해능이 제한된다는 것이다(Figure 2.14). 400~200nm의 범위를 갖는 레이저 파장을 마스크의 노광에 사용한다. 파장길이보다 작거나 동일한 차수를 갖는 형상들은 마스크 묘화과정에서 어느 정도 변현된다. 이러한 이미지 변형들 중 가장 대표적인 현상은 모서리 라운딩이다. 마스크 데이터의 모서리 라운딩은 웨이퍼에서 발생되는 모서리 라운딩 현상과 유사하다. 마스크 배율의 경우, 마스크 상의 모든 치수들이 이 양보다 커야만 한다.

이와 같은 마스크상의 광학적 근접성을 보상하기 위해 취할 수 있는 방안들 중 하나는 웨이퍼 상의 광학 근접보정과 유사한 방식을 사용하는 것이다. 예를 들면, 모서리 형상의 엄밀성을 개선하기 위해서 묘화작업 전에 세리프(serif)를 사용해서 마스크 데이터를 보정하는 것이다. 당연히, 마스크 검사과정에서는 보정되지 않은 정상적인 데이터를 사용해야 한다.

 

Figure 2.14 레이저 분해능 한계는 전형적으로, e-빔 마스크에 비해서 더 두드러진 모서리 라운딩을 유발한다.

 

2.6.6 전자빔 근접효과

마스크 묘화에 e-빔을 사용하면 묘화공정 자체는 더이상 분해능에 제한을 받지 않게된다. 그런데, e-빔을 생성하기 위해 사용되는 높은 가속전압이 전자들에 높은 운동에너지를 부가하하므로, 레지스트와 그 아래에 위치한 소재의 원자들과 함께 산란된다. 이 현상은 일반적으로 e-빔 근접효과라고 알려져 있다[4]. 인입점에서 전자가 도달할 수 있는 거리는 초기 운동에너지에 강하게 의존하는 함수이며, 따라서 가속전압에 심하게 의존적이다. 또한 전자가 주사되는 필름적층 전체의 조성은 분산영역에 영향을 끼친다. Figure 2.15에서 도시된 것과 같이, 50~100kV의 가속전압에 대해서 근접범위는 수십 마이크론 내외이다.

Figure 2.15 e-빔 산란특성은 초기 운동에너지에 강하게 의존한다.

 

e-빔 근접은 두 가우시안 함수의 가중 합으로 모델링할 수 있다.

이 근접함수에서, 가우시안 곡선 중 하나는 상대적으로 좁고 높으며, 소위 전방 산란을 모델링한 것인 반면에, 두 번째 것은 낮으며, 훨씬 넓은 영역을 차지하며, 후방산란되는 전자를 모델링한다. 가중치 는 0에서 1 사이의 값을 갖으며, 두 가우시안 곡선 사이의 비율을 결정한다.

이 대신으로는 경험적으로 결정된 근접함수가 사용된다. 이 함수들은 일반적인 측정이나 몬테카를로 전자궤적 시뮬레이터를 사용해서 결정할 수 있다.

레지스트 층 내로 주사되는 실제 조사량은 데이터를 포함한 근접함수의 중합(convolution)을 통해 계산할 수 있다.

이 함수를 선회시키면, e-빔 근사 데이터에 대한 보정이 가능하다. e-빔 근접보정(EBPC) 과정에서 중합식은 일반적으로 퓨리에 변환을 사용해서 주파수 영역에서의 곱셈 연산을 통해서 풀린다[5]. e-빔 근사 데이터를 보정하는 가장 일반적인 방법은 Figure 2.16에 도시된 것처럼, 후방산란에 의한 조사량 변화를 보상하기 위해서 실제 묘화시 사용하는 조사량을 변화시키는 것이다. 높은 패턴밀도를 갖는 영역은 상대적으로 낮은 조사량이 부가되며, 상대적으로 더 고립되고 작은 형상들은 비교적 높은 조사량이 부가된다. 대안으로는, e-빔 근사효과를 보상하기 위해서 형상의 모서리들을 수정할 수도 있다.

Figure 2.16 후방산란은 유효 조사량을 패턴밀도의 함수로 만든다. 고립된 작은 선에 대한 보정조사는 작은 선들의 어레이나 광폭 선에 대한 과도조사를 유발한다.

 

e-빔 근접보정(EBPC)은 CPU-집약적인 작업이다. 더욱이, 출력파일 크기의 증가가 필연적으로 수반된다. e-빔 근사효과가 미치는 범위가 상대적으로 길기 때문에, 상대적으로 많은 양의 데이터들에 대해서 고려해야만 한다. 예를 들면 패턴들을 결합시키기 위해서 잡덱이 사용된 경우처럼, 비록, e-빔 근사영역 이내에 위치한 데이터 패턴들의 경우라도, 서로 다른 파일에 물리적으로 저장된 것이라면, 동일하게 적용된다. e-빔 근접보정(EBPC)을 하나의 파일에 적용할 때, 여타 패턴 데이터들의 존재를 고려해야만 한다. 파일들 간의 상호작용을 다루는 가장 간단한 방법은, 비록 파일 크기의 증가를 초래한다고 할지라도, 단순히 이들을 하나로 합치는 것이다. 조사량 조절의 또 다른 약점은 비록, 기계에 따라서 끼치는 영향이 다르겠지만, 조사량 가변폭이 큰 경우 묘화공정이 느려질 수 있다는 점이다. CPU 소요시간을 줄이기 위해서는 레이아웃 내의 계층을 사용하는 것이다[6, 7]. 전자가 입계를 통과하면서 산란된다는 사실에도 불구하고 계층을 사용하는 방법들이 개발되어 왔다.

근접보정을 적용하는 덜 계산적인 방법은 두 번째 경로 통과시 묘화되는 배경조사를 통해서 후방산란 전자들을 보상하는 것이다. 이 기법은 GHOST라고 알려져 있다[8]. 이 방법에서는 초점이 맞춰지지 않은 빔을 사용해서 묘화작업을 수행하는, 두 번째 묘화 경로에서 반전된 묘화 데이터를 사용한다. 이 광폭 빔은 첫 번째 묘화 경로상에서 후방 산란된 조사량의 반대값을 갖는 조사량에 해당하는 반전 이미지를 조사한다. 그러므로, GHOST 기법은 패턴 밀도의 반전값에 비례하는 추가적인 배경조사를 통해서 후방산란된 전자의 영향을 보상한다. 이 기법의 약점은 두 번째 묘화과정을 필요로 한다는 점이다.

 

2.6.7 광학근접보정(OPC) 모델의 교정

마스크 데이터에 대해 광학 근접보정(OPC)을 적용할 때, 보정을 적용하고 나중에 보정에 대한 검증을 위해서 모델이 일반적으로 사용된다. 이런 광학근접보정 모델들은 일반적으로 반경험적이며, 즉, 모델이 수학적인 모델과 더불어서 모델 교정이라고 부르는 조절 메커니즘이 가미된 모델을 기반으로 한다[9]. 이런 모델교정 과정에서 시험패턴들을 프린트하고 측정한다. 모델교정의 목적은 Figure 2.17에서 도시된 것과 같이 웨이퍼 전체에 대한 패턴 공정상의 거동을 포착하기 위한 것이다. 시험 패턴을 웨이퍼상에 전사히기 위해서 마스크가 사용되므로, 모서리 라운딩과 근접효과 등, 마스크 상의 체계적 오차가 교정공정을 통해서 포착된다. 마스크 형상 엄밀성에 영향을 끼치는 마스크 공정 내의 어떠한 변화도 모델의 정확도에 영향을 끼친다. 따라서 마스크 공정 내에서의 이러한 변화는, 변화 자체가 마스크 패턴의 엄밀성을 개선시켜 준다고 할지라도, 광학근접보정의 정확도를 훼손한다.

웨이퍼 스테퍼에서 일반적으로 사용하는 축사렌즈 때문에, 웨이퍼상에서 총체적인 모서리 라운딩에 마스크 모서리 라운딩이 끼치는 영향은 일반적으로 미미하다. 모든 유형의 마스크와 특히, 광학근접보정을 통해서 교정된 층에 대해서는 마스크 제작공정 내에서의 어떠한 변경도 세심한 주의를 필요로 한다.

 

Figure 2.17 광학근접보정은 반경험적 공정모델을 사용한다. 마스크 제작공정은 이 교정과정의 일부분이며 일단 교정하고 나면 변경할 수 없다.

 

2.6.8 부하효과의 보정

엄격한 임계치수(CD) 사양을 충족시키기 위해서 모든 체계적 오차들에 대해서 연속적인 조사를 수행한다. 보정방법을 찾아내기 위해서, 상대적인 크기 때문에 과거에는 무시했던 사항들이 임계치수에 끼치는 영향들이 이제는 조사와 모델링되고 있다.

패턴 엄밀성의 개선과 공정제어를 위해서 건식에칭이 마스크 제작에 도입되어왔다. 건식 에칭에서 발생되는 현상들 중 하나는 에칭율이 에칭 플라즈마에 노출된 에칭 가능한 표면의 양에 의존한다는 것이다. 에칭 할 소재가 많을수록, 더 많은 에칭 플라즈마가 소요되며, 따라서 에칭율의 저하, 즉, 에칭 부하효과가 발생된다[10-13].

이 건식에칭 부하효과에 대해서 관찰한 결과, 선폭이 패턴밀도의 함수로 변화한다. 이 영향은 e-빔 근접효과와 필적할 만하지만, 일반적으로 범위는 훨씬 크다. 이 에칭 부하효과를 묘사하기 위해서 일반적으로 사용되는 커널(kernel)함수는 2차원 가우시안이다:

데이터와 커널 함수 사이의 중합(convolution)은 편향 파라미터를 도출해 낸다.

에칭 부하효과에 대해서 데이터의 사전보정을 위해서 이 편향 파라미터를 사용할 수 있다.

보정량은 전형적으로 20nm 이하이다. 이 보정은 광학근접보정 이후와 e-빔 근접보정(EBPC) 또는 레이저 근접보정 이전에 수행된다.

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2.7 마스크 데이터처리 실행시간

과거의 공정 개발과정에서, 마스크 데이터처리의 복잡성이 급격하게 증가되어 왔다. 복잡성이 증가한 이유는 다음과 같이 몇가지 이유가 있다:

 

 분해능 강화기법(RET)의 도입

 더욱 더 복잡해지는 레이어 조합(부울대수)

 공정 당 마스크 수의 증가

 서로 다른 마스크 묘화장비

 형상크기의 감소에 따른 데이터량의 증가

 e-빔 근접보정(EBPC)

 체계적인 공정변화를 위한 여타의 보정작업

 

Figure 2.18 마스크 데이터량은 기술노드의 진보에 대해서 지수함수적으로 증가한다.

출처:ITRS 로드맵[3]

 

이 모든 개별적 항목들이 데이터량 증가와, Figure 2.18에서와 같이, 마스크 데이터처리(MDP) 시간의 어마어마한 증가를 초래한다. 현재, 설계규칙검사(DRC)로부터 데이터 묘화에 이르기 까지 소요되는 총 변환시간이 때로는 마스크 제작에 소요되는 총 시간을 초과하기도 한다. 반면에, 마스크 제작과 데이터 프로세싱을 포함하여, 최종 마스크를 위한 총 작동시간의 요구조건이 점점 더 가혹해지게 되어서, 마스크 데이터처리(MDP)에 할애할 수 있는 시간이 줄어들게 되었다. 이 절에서는, 총 마스크 데이터처리(MDP)시간을 가속하기 위한 여러 가지 기법과 방안들에 대해서 논의해 본다. 이 기법들이 얼마나 유용한가는 소프트웨어 패키지와 데이터 자체에 심하게 의존한다.

마스크 데이터처리(MDP)시간을 줄이는 여러 가지 방법이 있지만, 가장 명확한 방법은 더 빠른 컴퓨터를 사용하는 것이다. 데이터 조작을 위한 흐름을 최적화시킴으로 서 작동시간을 줄일 수 있다. 어떤 연산이 다른 것 보다 근원적으로 빠르다. 대용량 임시파일이 생성되고, 어떤 부울(Boolean)연산을 사용해서 또 다른 대용량 파일과 결합하기 위해서 다시 입력된다면, 이런 부울 연산은 CPU 소요시간의 측면에서 매우 중요하다.

저속 연산을 회피하도록 데이터 조작 흐름을 설정할 수 있다면, 총 처리시간을 가속시킬 수 있다.

병렬처리는 데이터 처리시간을 가속시키는 또 다른 방법이다. 이를 구현할 수 있는 방법이 몇 가지 있다. 그중 하나는 단일 기기에 다수의 CPU를 내장하는 것이다. 또 다른 접근방법은 단순히 전체 업무를 분할하여 클러스터 내의 다수의 기기에 부과하는 방법이다. 이 두가지 방법의 조합조차도 가능하다[14, 15].

서로 다른 데이터 처리장비들 내의 구성방식은 서로 크게 다를 수 있으며, 또한 일부 데이터 조작단계들은 다른 방법 보다는 병렬화에 더 적합할 수도 있다. 병렬처리를 통한 성능개선은 고도로 장비, 기계 및 데이터에 의존적이라는 점은 명확하다.

셀(cell)들이 다수가 배치되는 것처럼, 데이터 내에 많은 반복이 있다면, 데이터를 계층적 방법으로 다루는 것이 유리하므로, 데이터의 계층구조를 고려치 않고 레이아웃 전체를 스캐닝하는 것보다 셀 단위로 스캐닝이 수행된다. 계층적 데이터 조작방법이 유리한가의 여부는 많은 조건들에 의존한다. 장비 자체와는 별개로, 데이터 파일 내에서 계층구조가 차지하는 양이 큰 영향을 끼친다는 점은 명확하다. 더욱이, 데이터 파일 내에는 많은 계층구조가 존재항 수 있지만, 이 계층구조 들이 항상 유용한 것은 아니다. 예를 들면, 비록 명확하기는 하지만, 셀들이 다른 데이터와 겹쳐져 있다면, 동일한 셀들로 취급할 수 없다.

광학식이나 e-빔에 대한 근접효과 보정에 있어서 보정량은 주변조건의 함수이다. 따라서 만약 하나의 셀이 두 개의 서로 다른 환경 하에 놓여있다면 계층적 보정이 항상 가능하지는 않거나, 최소한 계층구조를 수정할 필요가 있다. 근접보정은 데이터 내에서 계층량을 감소시키는 경향이 있다. e-빔은 근접효과의 범위가 훨씬 크기 때문에, 계층구조의 축소는 계층적 e-빔 근접보정(EBPC)에서 훨씬 나쁘게 작용하여, e-빔 근접보정(EBPC)에서는 계층적 접근법이 별 도움이 되지 못한다.

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참고문헌

1. http://www.vsi.org/resources/techdocs/contech/gdsii.pdf.

2. http://www.semi.org.

3. 2001 International Technology Roadmap for Semiconductors, http://public.itrs.net.

4. T.H.P. Chang, Proximity effect in electron beam lithography, J. Vac. Sci. Technol. B., 12, 1271-1275 (1975).

5. H. Eisenmann, T. Waas, and H. Hartmann, PROXECCO - proximity effect correction by convolution, J. Vac. Sci. Technol. B., 11 (6), 2741-2745 (1993).

6. A. Rosenbusch, C.K. Kalus, H. Endo, Y. Kimura, and A. Endo, On the way to the 1 gigabit: demonstration of e-beam proximity effect correction for mask making, Proc. SPIE, 3236 (1998).

7. C.K. Kalus, W. Rӧbl, U. Schnitker, and M. Simecek, Generic hierarchical engine for mask data preparation, Proc. SPIE, 4754 (2002).

8. M. Gesley and M.A. McCord, 100 kV GHOST electron beam proximity correction on tungsten x-ray masks, J. Vac. Sci. Technol. B., 12 (6), 3478-3482 (1994).

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10. H.J. Kwon, D.S. Min, P.J. Jang, B.S. Chang, B.Y. Choi, K.H. Park, and S.H. Jeong, Dry etching of Cr layer and its loading effect, in: H. Kawahira (ed.), Photomask and Next-Generation Lithography Mask Technology VIII, Proc. SPIE, 4409, 382-389 (2001).

11. J.Y. Lee, S.Y. Cho, C.H. Kim, S.W. Lee, S.W. Choi, W.S. Han, and J.M. Sohn, Analysis of dry etch loading effect in mask fabrication, in: G.T. Dao and B.J. Grenon (eds.), 21st Annual BACUS Symposium on Photomask Technology, Proc. SPIE, 4562, 609-615 (2002).

12. Y. Granik, Correction for etch proximity: new models and applications, in: C.J. Progler (ed.), Optical Microlithography XIV, Proc. SPIE, 4346, 98-112 (2001).

13. H.J. Kwon, D.S. Min, P.J. Jang, B.S. Chang, B.Y. Choi, and S.H. Jeong, Loading effect parameters at dry etcher system and their analysis at mask-to-mask loading and within-mask loading, in: G.T. Dao and B. Grenon (eds.), 21st Annual BACUS Symposium on Photomask Technology, Proc. SPIE, 4562, 79-87 (2002).

14. G.M. Amdahl, Validity of single-processor approach to achieving large-scale computing capability, in Proceedings of AFIPS Conference, Reston, VA, 1967, pp. 483-485.

15. Gustafson, J.L., Reevaluating Amdahl's law, Commun. ACM, 31 (5), 532-533 (1988).

 

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마스크 묘화장치:개괄

 

Sergey Babin

 

목차

3.1 서언

3.2 래스터스캔 시스템

3.3 벡터스캔 시스템

3.4 가변형상 빔 시스템

3.5 래스터-형상 시스템

3.6 셀-투영 시스템

3.7 e-빔 시스템의 새로운 개념들

3.7.1 마이크로칼럼

3.7.2 임의형상 빔 시스템

3.7.3 래스터 다중빔 시스템

3.7.4 다중칼럼 셀 리소그래피 시스템

3.7.5 DiVa

3.7.6 다중칼럼 다중빔 시스템

3.7.7 MAPPER

3.7.8 DEAL

3.8 e-빔 마스크 묘화 시스템의 비교평가

3.8.1 정확도

3.8.1.1 빔 테두리

3.8.1.2 버팅(Butting)오차

3.8.1.3 근접효과 보정

3.8.1.4 레지스트 가열

3.8.1.5 Fogging, Charging, 모재가열

3.8.2 생산성

3.8.2.1 정착시간

3.8.2.2 대각선

3.8.2.3 빔 전류한계

3.9 레이저 패턴 발생기

3.9.1 래스터 스캔 LPG

3.9.2 매트릭스 노광 LPG

참고문헌

 

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3.1 서언

이 장에서는 오늘날 사용되는 마스크 묘화장비에 대해서 개괄적으로 살펴본다. 이 장에서는 또한 초기 개발단계에 와 있는 마스크 묘화장비의 기술들에 대해서도 다루고 있다. 일반적으로 사용되는 시스템에 대한 보다 상세한 특징과 설명은 이 책의 3장과 4장에서 논의되어 있다.

현대적인 마스크제작 시스템에서는 광마스크상에 패턴을 생성하기 위해서 집속 전자빔(focused electron beam) 또는 레이저 빔을 사용하고 있다. 마스크 묘화장치는 다양한 면에서 서로 다를 수 있다: 빔의 숫자; 빔의 형상, 에너지, 또는 파장; 묘화방식. 서로 다른 시스템들의 기본 작동원리들에 대해서 구분하며, 이들을 정확도와 처리속도의 측면에서 서로 비교해 본다.

반도체 제조 초창기에는 확대된 패턴을 손으로 그려서 광마스크를 제작하였다; 패턴 이미지는 원하는 크기로 축사하였으며 이를 에멀젼 유리판에 전사하여 광마스크로 사용하였다. 나중에, 컴퓨터 기술의 발전과 더불어서, 컴퓨터 제어공정이 제도를 대신하였다. 불투명 폴리머 필름위에서 패턴을 절단하기 위해서 컴퓨터로 제어되는 칼날을 사용했다. 그런 다음 핀셋으로 불필요한 필름조각을 벗겨낸다. 광학식 카메라를 사용해서 이 대형 패턴을 축사하면 원하는 크기의 패턴을 에멀젼 판에 전사할 수 있다.

크롬층을 사용한 마스크가 에멀젼 마스크보다 웨이퍼와의 접촉 프린트 과정에서 덜 손상을 받기 때문에, 에멀젼 패턴은 나중에 크롬층으로 대체되었다. 접촉식 웨이퍼 프린트 방법은 스테퍼가 개발되기 이전부터 제조에 사용되어 왔다. 에멀젼 마스크에 비해서, 크롬 마스크르 사용하면서 마스크에 손상이 발생할 때 까지, 훨씬 더 많은 수량의 웨이퍼를 생산할 수 있었다. 시간이 지남에 따라서, 에멀젼 패턴을 사용하는 중간단계를 거치지 않고 크롬에 직접 패턴을 생성하는 기술이 개발되었다.

광학 및 전자빔(e-빔) 마스크 발생기가 사용되기 시작하면서 절단방식의 마스크 제조공정을 대체하게 되었다. 광선을 사용해서 묘화할 때, 수은등에서 발생된 빛의 크기와 형상은 컴퓨터 제어를 통해서 기계적으로 조절되는 개구부 블레이드에 의해서 만들어진다. 플레이트 상의 올바른 위치에 형상이 노광되도록, 움직임이 개구부 블레이드와 동기화 되어있는 스테이지에 마스크 모재를 거치한다. 최근 들어, 더 높은 에너지 밀도를 갖고 기계적으로 제어되는 광학 시스템보다 더 정확한 패턴생성이 가능한 레이저 빔 시스템이 개발되었다.

1970년대 후반에 MEBESⓇ 시스템이 제작되면서 전자 빔 리소그래피(EBL)가 마스크 제작에 사용되기 시작했다. 이 시스템들은 원래 AT&T에서 개발되었다. 집속 전자빔이 전자 민감성 폴리머의 원하는 영역에 조사되면 필요한 패턴이 생성된다. 수십년간, 전자빔 시스템의 독특한 성질들-손쉽게 프로그램 되는 컴퓨터 제어방식, 높은 정확도, 비교적 높은 생산성 등- 때문에 이 시스템들은 주요 마스크 제조를 위한 핵심 장비의 위치를 차지해 왔다.

마스크 제작은 더 작은 형상, 더 많은 형상들을 마스크 상에 배치, 더 높은 정확도로 제조 등과 같은 마이크로전자 산업의 일반적인 수요에 따라서 조종되었다. 무어(Moore)의 법칙에 따르면, 마이크로회로상의 트랜지스터 집적도는 2년마다 두 배로 증가한다. 이러한 경향을 충족시키기 위해서 새로운 마스크 제작원리들이 발명되고, 점차로 발전하여 새로운 마스크 제작기술이 나오게 된다.

유일한 예외는 1980년 후반으로, 마스크 제작기술 산업이 몇 년간의 개발수요 중단을 맞게 되었다. 그 이유는 1:10 배율을 갖는 웨이퍼 스테퍼를 상업적으로 적용했기 때문이었다. 이 배율의 마스크는 1:1 또는 1:5 배율의 마스크보다 제작하기가 훨씬 쉬웠다. 더 큰 패턴 덕에 형상 크기나 마스크 상의 결함에 대한 공차가 더 많이 허용되었다. 마스크 제작용 장비의 요건이 낮아지게 되어, 장비 제작업체들은 폐업위기에 몰렸다.

마스크 패턴 발생기의 핵심 요소들은 데이터 경로, 제어용 전자장비, 정밀한 스테이지, 그리고 빔 전달 시스템(e-빔 칼럼 또는 레이저 빔 시스템) 등이다. 여기서는 묘화방법과 이것이 시스템 성능에 끼치는 영향에 대해서 살펴보기로 한다; 그리고, 다양한 시스템들의 비교평가를 수행한다. 마스크 패턴 발생기의 두 가지 주요 인자들인 묘화된 패턴의 정확도와 시스템 생산성에 대해서는 상세히 살펴보기로 한다.

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3.2 래스터스캔 시스템

MEBES 및 Exara 등(둘 다 응용소재 업체인 Etec Systems사의 제품)과 같은 래스터 스캔 시스템들은 패턴 묘화를 위해서 단일 가우시안 빔을 사용한다. e-빔은 TV 스크린 상에서 빔이 움직이는 것과 같은 래스터 방식으로 마스크 모재 위를 이동한다. 이 시스템은 Figure 3.1a에서와 같이, 프로그램에 의해서 노출, 또는 차단할 부분을 선택적으로 조절한다.

 

Figure 3.1 래스터 스캔, 벡터스캔, 및 가변형상 노광 시스템의 특징. 래스터 묘화를 위해서는 500회의 플래시, 벡터 스캔을 위해서는 132회, 그리고 가변형상에서는 4회의 플래시가 필요하다.

 

래스터 e-빔 시스템에서, 빔은 단선으로 반복 주사되는 반면에, 마스크 모재를 고정한 스테이지는 빔 아래에서 연속적으로 움직인다. 그러므로 형상 스트립은 래스터 스캔된 선들로 이루어진다. 이 스트립들이 마스크 패턴을 형성한다.

원리의 단순성 때문에, 이 시스템은 많은 장점들을 가지고 있다. 교정 및 시험 작업이 1차원적이기 때문에 이 시스템은 손쉽게 교정 및 시험할 수 있다. 스캔 비선형성 등과 같은 오차들을 높은 정밀도로 교정할 수 있다. 주사선이 비교적 길어져도(~1mm) 여전히 높은 정밀도를 갖는다. 시스템을 위한 데이터 준비도 비교적 쉽다: 평범한 비트맵 포맷을 사용해서 각 스캔 내 패턴형상의 테두리를 나타낼 수 있다. MEBES 데이터 포맷이라고 부르는 이 포맷이 산업표준들 중 하나로 자리잡게 되었다.

래스터 시스템의 생산성은 차단(blanking)주파수와 빔 어드레스 크기 등에 의존한다. 총체적인 생성에 소요되는 목표 묘화시간은 최고의 품질로 마스크 당 6시간이다. 두 빔 스팟 사이의 거리인 어드레스 크기는 패턴 설계그리드에 의존한다. 패턴에서 필요로 하는 정확도가 높아질수록 더 작은 어드레스 크기가 필요하다. 여러 세대의 래스터 시스템을 거치면서 차단 주파수와 빔 전류의 증가와 더불어서 어드레스 크기가 감소해 왔다. 현대적인 상용 시스템에서, 차단 속도는 전형적으로 320MHz이다.

차단 속도의 증가가 어떤 점에 이르러서는 기술적인 도전이 된다. 10nm 이하의 어드레스 그리드에 대해서 생산성 조건을 충족시키기 위해서, 래스터 기법을 그레이 스케일 다중통과 묘화기법으로 수정하게 되었다. 그레이 스케일 묘화를 사용하면서 빔의 어드레스 크기를 줄이지 않고도 더 작은 패턴의 그리드 크기가 구현되었다[1]. 빔에 의해서 조사량의 일부만이 형상 테두리 근처에 전달된다. 이 때문에, 형상의 경계는 빔 어드레스 크기의 일부분만큼만 편이된다. 게다가, 다중통과(multipass) 묘화를 사용하면, 4회 통과 묘화과정 동안 각 통과를 어드레스 크기의 절반만큼 편이시킬 수 있어, 생산성의 저하 없이 최소 그리드 크기를 더욱 더 감소시킬 수 있다.

모서리 거스름을 개선하고 가공 가능한 그리드 크기를 더욱 감소시키기 위해서, 빔의 픽셀 당 편향기법이 개발되었다. 단일 픽셀에 대한 노출기간동안, 형상의 모서리 방향과 같이, 빔을 원하는 방향으로 편향시킬 수 있다. 픽셀 당 편향은 애초에, 단일 픽셀에 대해서 노출하는 동안 빔이 움직임에 따라서 스캔하는 방향으로 발생되는 빔의 번짐을 줄이기 위해서 개발되었다. 비록 노출시간이 3ns에 불과할 정도로 짧지만, 빔은 현저한 거리를 이동하면서 수 나노미터의 테두리 번짐을 발생시킨다. 픽셀 당 편향을 역행시켜서 노출기간동안 빔의 위치를 고정시킴으로 서 그리드 크기를 줄일 수 있다.

래스터 시스템의 생산성은 레지스트의 민감도에 영향을 받지 않는다. 일반적으로, 가우시안 빔 시스템은 적절한 레지스트 민감도에 대해서 충분한 전류를 공급할 수 있다. 모든 전류는 스팟 속으로 전해진다. 이것이, 매 플래시 마다 빔 전류가 최대 크기의 플래시에 분산되며 그 중 일부만이 사용되는, 가변형상 빔(VSB)이나 셀 투사 시스템과는 다른 점이다.

생산성 역시 패턴에 무관하다. 패턴이 차지하고 있는 영역에 무관하게 빔은 마스크 전체 영역을 훑고 지난다.

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3.3 벡터스캔 시스템

벡터스캔 기법을 사용하는 시스템은 패턴 형상들 사이의 면적에 대한 불필요한 스캔을 피하기 위해서 설계되었다. 빔은 형상의 테두리에서부터 묘화를 시작한다; 스캐닝은 형상의 경계선 이내에서만 시행된다[2]. 노광이 완료되면, Figure 3.1b에서와 같이, 빔은 차단되며 다음 형상의 테두리까지 곧바로 편향된 후, 공정이 재개된다.

단일 형상의 묘화를 위해서는 빔의 차단이 필요치 않다; 그러므로, 스캐닝 속도는 매우 높다: AT&T와 Lepton Inc.에서 개발된 상용 전자빔 노광장치(EBES)의 경우 500MHz의 묘화속도가 사용되었다. 이 방법은 패턴이 산재된 경우에 생산성의 측면에서 장점을 갖는다. 그런데, 패턴밀도가 비교적 높은 경우, 이런 장점은 크게 감소된다. 생산성과 정확도의 특면에서 벡터스캔 시스템과 여타 시스템들 간의 상세한 비교는 다음 절에서 수행된다.

벡터스캔 시스템이 R&D에서 널리 사용되는 반면에 마스크 제작에 일반적으로 사용되지는 않는다. 벡터스캔 시스템의 사례는 Leica Microsystems사의 VB-6와 Jeol의 JBX-9300 등이다.

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3.4 가변형상 빔 시스템

앞서 논의했던 시스템들은 초점이 맞춰진 작은 스팟을 사용해서 스캔함으로 서 노출해야 하는 패턴 형상을 채웠다. 가변형상 빔 시스템(VBS)은 가우시안 스팟보다 크기가 큰, 형상을 갖춘 빔을 만들어서 마스크 전체 또는 형상의 중요한 부분을 한번에 노출시킨다.

형상 빔의 개념은 IBM에서 처음으로 개발되었다[3]. 이 시스템에서, 광원에서 나온 빔은 최초로 사각형 개구부를 통과하면서 사각형상의 빔으로 만들어진다. 이 빔은 두 번째 사각형 개구부를 통과한다. 이들 두 개구부 사이에서는 빔을 x 및 y 축으로 움직이기 위해서 편향장치가 사용되므로, 빔의 일부분이 두 번째 개구부에 의해서 가로막히게 된다. 이를 통해서 Figure 3.1c에서와 같이 필요한 형상과 크기의 빔을 간단히 만들 수 있다.

일단 빔 크기와 형상이 만들어지고 나면, 마스크 모재상의 원하는 위치에 빔을 보내기 위해서 가변형상 빔 시스템 내에서는 두 단계의 빔 제어방법이 사용된다:

 

 별도의 편향기에 의해서 서브필드 내에 빔이 위치한다; 서브필드의 크기는 전형적으로 24~80㎛이다.

 일반적으로 마그네틱 방식인 서브필드 편향기를 사용해서 서브필드 자체를 주 필드 내에 위치시킨다; 주 필드의 크기는 약 1~2mm이다.

 

그러므로 시스템 교정을 위해서는 각각이 2차원인 3단계의 편향이 필요하다.

가변형상 빔 시스템에서, 스테이지는 주 필드에 따라서 연속 또는 단속묘화 모드로 움직일 수 있다. 연속이송 스테이지는 경상비가 낮기 때문에 더 높은 생산성을 갖는다.

가변형상 빔의 경우 맨해튼 형 패턴의 묘화가 용이한 반면에, 대각선 형상의 묘화를 위해서는 형상을 사각형으로 분해할 필요가 있다. 사각형의 최소 사이즈는 패턴의 테두리 허용 거칠기와 유사한 수준이다. 이 문제로 인해서 시스템 생산성이 현저히 저하될 수 있다: 형상들 중 3%가 대각선인 패턴의 묘화에 대각선이 없는 경우보다 두 배의 시간이 소요된다. 더욱이, 광학 근접보정(OPC)이 시행된 마스크는 엄청난 숫자의 소형 사각형들을 묘화할 필요가 있으므로, 이 또한 시스템의 속도를 저하시킨다. 가변형상 빔 시스템을 사용해서 첨단 설계된 하나의 마스크를 묘화하는 데에 20~30시간이 소요되는 것이 결코 드물지 않다.

가변형상 빔(VSB) 시스템에서 정체시간을 매 플래시 마다 조절할 수 있다. 이를 통해서 각 플래시 마다 조사량을 변화시킴으로 서 근사효과를 보정할 수 있다. 근접보정을 위한 조사는 기하학적 수정방식의 보정과는 달리 데이터양을 증가시키지 않는다. 래스터 시스템에서 사용되었던 GHOST 보정과 비교해서, 조사량 보정과 형상보정 방식 모두 이미지의 대비를 더 높여주는 효과가 있다.

벡터 시스템과 관련된 문제들 중 하나는 레지스트의 가열이다. 국부적인 노출영역의 온도 증가는 레지스트의 민감도를 변화시키며 임계치수의 왜곡을 초래한다. 20~100kV 에너지 하에서 가변형상 빔(VSB) 내의 서브필드 영역은 열전달 영역과 유사하므로, 국부 영역 내에서 고온이 발생될 수 있다. 레지스트 가열은 가변형상 빔 시스템의 생산성이 제한되는 주요 이유들 중 하나이다.

가변형상 빔 시스템의 사례로는 IBM에서 개발된 EL-4, NuFl(이전에 도시바의 자회사)의 EBM-4000, Jeol의 JBX-9000, Etec Systems의 AEBEL, 히타치의 HL-7000, 그리고 Leica Microsystems사의 SB-350 등이다.

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3.5 래스터-형상 시스템

Etec Systems사에 의해서 가변형상 빔과 래스터 시스템의 원리를 결합시킨 시스템이 개발되었다[4]. 가변형상 빔의 경우처럼, 여기서는 두 개의 개구부와 그 사이에 위치한 편향기를 사용해서 빔을 성형한다. 그리고 빔은 스테이지 이동과 직각 방향으로 편향된다. 차단과 빔 성형은 묘화할 패턴에 따라서 수행된다. 이 방식에서, 빔은 여전히 영역에 무관하게 패턴 전체를 스쳐 지나야 하지만, 가우시안 빔을 사용하는 래스터 시스템과는 달리, 이 경우에는 한 번의 노출을 통해서 더 많은 픽셀들을 노광시킬 수 있다. 따라서 래스터 형상 시스템의 생산성은 기존 래스터 시스템에 비해서 현저히 높아진다. 속도 증가의 척도는 N/F로, N은 최대 크기를 갖는 단일 가변형상 빔 시스템의 픽셀 수, F는 주파수 인자로, 래스터 시스템에 비해서 래스터 형상 시스템이 빔 차단속도를 얼마나 낮출 수 있는가를 나타낸다. 최대 빔 크기는 마스크 상의 최소 형상크기와 유사해야만 한다; 이것이 한계가 존재하지 않는 가변형상 빔 시스템과는 다른 점이다.

래스터 시스템의 교정은 가변형상 빔 시스템에 비해서 상대적으로 단순하다-여기서는 하나의 좌표계에 대한 편향과 서브필드의 편향을 제외한다. 추가적인 모든 편향 스텝은 나중에서 논의할 버팅(butting)오차를 초래한다.

래스터 형상 시스템은 가변형상 빔 시스템에 비해서 레지스트 가열의 측면에서 또 다른 커다란 장점을 가지고 있다. 스캔이 길기 때문에 e-빔이 인접위치를 다시 지나기 까지 열이 확산할 시간이 있으므로 가변형상 빔에 비해서 국부 온도가 낮게 유지된다.

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3.6 셀-투영 시스템

셀 투영 시스템은 한번의 노광시 여러 패턴형상들을 사용한다는 점을 제외하고는 가변형상 빔 시스템과 유사하다[5]. DRAM과 같은 패턴에서, 패턴요소들은 수백만 번 반복된다. 다중 반복 요소들을 그룹으로 묶을 수 있다. 개구부를 이 그룹의 패턴을 갖는 스텐실 마스크로 제작한다. 광폭 e-빔이 셀 패턴을 통과해 지나면, 그에 따릍 형상의 e-빔이 만들어진다. 패턴의 다중 요소들을 한번의 노출로 노광시킬 수 있다.

묘화과정에서의 선택을 통해서 다수의 다양한 그룹들을 하나 또는 동일한 개구부로 제작할 수 있다. 이 방식을 통해서, 패턴의 특정 요소들에 대한 노출이 가속화된다. 사실, 마스크 패턴에는 비 반복적 형상들이 넓은 면적을 차지한다. 이들은 가변형상 빔 시스템에서 사용하는 것과 정확히 같은 방법을 사용하는 시스템으로 묘화된다. 그런데, 빔 전류가 전체 면적에 대해서 다량이 가해지므로, 가변형상 빔 모드에서 묘화속도는 현저하게 늦어진다. 생산성 측면에서는 특정한 패턴에 국한해서만 장점을 갖는다. 이 시스템은 널리 사용되지 않는다; 이들 중 일부는 메모리 장치의 프로토타입을 웨이퍼에 직접 묘화할 때에 사용된다.

여기서 레지스트 가열은 심각한 문제가 될 가능성이 있다. 블록 내에서 조사량과 형상의 수정 없이 단일 블록으로 노출되는 영역이 대략 5×5㎛이am로, 근사효과 보정은 저급에서만 가능하다.

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3.7 e-빔 시스템의 새로운 개념들

현재까지 논의된 시스템들과 더불어서, 개발의 초기단계에 있는 다양한 시스템들이 마스크 제작과 직접묘화 부분에서 장래의 기술적 진보를 약속하고 있다. 나중에 설명할 몇 가지 개념들은 최근에 개발되었다. 이들 중에서 다중 빔이 관심을 받는다. 기존 e-빔 시스템에서 빔의 총 전류와 그에 따른 생산성은 빔의 번짐을 유발하여 분해능과 임계치수 조절특성 저하를 유발하는, 빔 경로 내에서의 확률론적인 쿨롱 작용에 의해서 제한된다. 이 문제를 극복하는 유일한 방법은 공통의 교차점을 갖지 않는 다중빔을 만들어서 이를 조절하는 것이다. 다중 빔 시스템은 개별적으로 어드레스 된 평행 빔들을 사용해서 패턴을 묘화한다는 장점을 가지고 있다; 이런 묘화방식을 통해서 단일 빔 시스템에 비해서 생산성을 현저히 증가시킬 수 있다.

 

3.7.1 마이크로칼럼

마이크로 칼럼 시스템의 개념은 IBM에서 발명되었으며 나중에 Etec Systems에서 개발되었다[6]. 이 시스템은 각각이 인접하여 배치된 쇼트키(Shottky) 필드 이미터를 갖는 칼럼 어레이들로 구성된다. 패턴은 병렬로 묘화된다. 각 칼럼은 래스터 모드로 작동하며 약 100㎛ 폭의 스트립으로 형성된 빔을 편향시킨다. 칼럼들 사이의 거리는 2cm로 제작되었다. 이 개념은 마이크로 칼럼을 웨이퍼 전 영역에 배치할 수 있을 정도로 스케일을 크게 할 수 있다.

정전 렌즈, 개구부 및 편향기 등을 MEMS 기술로 제작한다. 1~2kV의 낮은 전압에서 작동하도록 마이크로칼럼이 설계된다. 레지스트는 상부 이미지 층과 하부 버퍼층으로 이루어진 이중층 레지스트를 사용한다.

 

Figure 3.2 웨이퍼상의 패턴(a)과 광학 근접보정 후의 그에 따른 이상적인 형상(b) 및 적절한 형상(c). 이를 마스크에 프린트하기 위한 임의형상 빔 시스템은 여타 시스템들에 비해서 플래시 횟수가 현저히 작다(d-f): 래스터 플래시는 500회, 가변형상 빔은 21회, 그리고 임의형상 빔은 8회이다. 쪼한, 임의형상 빔을 사용한 패턴의 정확도는 이상적인 광학근접보정 형상을 제작할 수 있다는 능력과 함께 여타에 비해서 훨씬 높다.

 

3.7.2 임의형상 빔 시스템

가변형상 빔 시스템은 대각선이나 다중 광학근접보정(OPC) 형상을 갖는 패턴의 묘화시 생산성 측면에서의 장점을 잃어버린다. 임의형상 빔(ASB)의 개념은 사각형이나 삼각형 등으로 형상이 제약을 받지 않는 임의형상으로 만들어진 빔을 사용한다. 복잡한 패턴의 묘화시 임의형상 플래시를 통해서 노출빈도를 낮추어 묘화시간을 줄일 수 있다.

이 개념이 Figure 3.2에서 설명되어 있다. 원래 설계된 패턴(Figure 3.2a)을 웨이퍼상에 제대로 프린트하기 위해서는 광학근접보정을 사용해서 수정해야만 한다. 마스크 묘화장비는 “이상적“인 광학 근접보정 형상을 프린트할 수 없기 때문에, 보정패턴의 이상적인 형상(Figure 3.2b)은 일반적으로 단순화 된 맨해튼 형 다각형으로 대체(Figure 3.2c)된다. 단순화 된 형상들로 분할하여 노광하는 작업은 다수의 노출을 필요로 한다; 그러므로 프린트에는 오랜 시간이 소요된다. 가변형상 빔 시스템(Figure 3.2d), 래스터 형상 시스템(Figure 3.2e) 및 임의형상 빔(ASB) 시스템(Figure 3.2f) 등에서의 분할사례가 도시되어 있다. 임의형상 빔 시스템에서 패턴을 프린트하기 위한 플래시 수가 현저히 줄어들며, 광학근접보정 패턴의 정확도 역시 ”이상“적인 형태에 근접할 정도로 개선된다.

임의형상 빔(ASB) 시스템의 빔 형상화 모듈은 네 개의 개구부를 사용하며, 각각은 광폭 빔을 특정한 각도와 위치에서 절단한다[7]. 빔 형상화 모듈 내의 전기적 편향장치는 가변형상 빔의 경우와 유사하다; 개구부는 원형이거나 다각형이다. 이 시스템은 젋은 편향영역 내에서 낮은 광차를 확보하기 위해서, 빔 형상 편향장치나 개구부 조립체 내에서 자기장을 사용할 수 있다.

 

3.7.3 래스터 다중빔 시스템

래스터 다중빔 시스템을 제작하기 위한 Etec Systems 사의 접근방법에서는 광음극판 위에 패턴을 생성하기 위해서 다중 레이저 빔이 사용되었다[8]. 이들은 래스터 모드에서 레이저 패턴 발생기에서와 유사한 방법을 사용하여 스캔하였다. 광음극에 의해서 발생된 전자는 레지스트 평면상의 소조사선(beamlet) 어레이를 형성하기 위해서 집속, 가속 및 축사된다.

이 시스템은 다중 레이저빔을 사용하므로 서 빠른 패턴생성의 장점을 갖고 있으며, 동시에 e-빔에서 구현할 수 있는 높은 정확도와 분해능을 갖는다. 이 시스템에서 정확도는 빛의 회절에 의해서 제한받지 않는다.

이 시스템의 레이저 패턴 발생 양상과 데이터 경로는 상용 ALTA 레이저 패턴 발생기의 것을 사용할 수 있다.

 

3.7.4 다중칼럼 셀 리소그래피 시스템

Advantest사에서 개발중인 다중칼럼 셀 시스템에서는 병렬묘화를 위해서 가변형상 빔(VSB)이 채용되었다[9]. 각 빔은 여섯 개의 전자기 렌즈에 의해서 성형된다. 빔의 숫자에 따라서 개구부 어레이마다 렌즈가 설치된다. 빔간 거리는 25mm이며, 현재 버전에서 빔의 숫자는 16개이다. 칼럼간의 간섭을 방지하기 위해서 정전전극들 사이에는 실드가 사용된다.

 

3.7.5 DiVa(분산형 가변형상 빔)

IBM에서 창출된 개념에서는 분산형 가변형상 빔(DiVa)이 사용된다[10]. 이 시스템은 다중빔을 형성하기 위해서 평면형 음극이나 광이미터를 사용한다. 이 빔들은 성형용 개구부나 편향기를 사용해서 원하는 크기로 개별 성형된다. 공통으로 사용되는 균일한 축방향 자기장이 모든 빔의 이미지를 1:1의 배율로 모재에 전송해 준다. 성형된 모든 빔들은 평행하게 편향되는 반면에 차단은 개별적으로 시행된다.

 

3.7.6 다중칼럼 다중빔 시스템

Ion Diagnostics사에 의해서 개발된 시스템은 다중칼럼 방식과 다중빔을 결합한 소위 M×M이다[11]. 이 시스템은 웨이퍼나 마스크상의 전체 면적을 포괄하는 숫자의 칼럼들을 사용한다. 각 칼럼에서 다중빔들은 동시에 묘화작업을 수행한다. 이 방법에서, 생산성은 웨이퍼 크기와는 무관하다. 300mm 웨이퍼를 120초 이내에 묘화하기 위해서 각각이 32개의 빔을 갖고 있는 201개의 칼럼들로 구성된 설계가 제안되었다. 빔의 전송을 위해서 미세 가공된 냉전계 이미터 어레이와 집속렌즈들이 사용된다.

 

3.7.7 MAPPER(다중공동 픽셀단위 분해능강화)

MAPPER Lithography, BV사에 의해서 다중공동 픽셀단위 분해능강화(MAPPER)의 개념이 개발되었다. 이 방식은 시간당 최다 20 웨이퍼를 직접묘화할 수 있는 높은 속도를 목표로 하고있다[12]. 이 대규모 병렬 전자빔 리소그래피(EBL)는 13000개의 빔을 사용한다. 모든 빔들은 하나의 공통 편향기를 사용해서 웨이퍼 상에 주사된다. 빔들 각각은 개별 데이터스트림에 따라서 독자적으로 차단된다. e-빔들은 가우시안 분포를 갖고 있으며 각각은 좁은 줄무늬 형태로 패턴을 묘화시켜서 전체적인 칩 패턴을 형성한다.

빔 집속과 차단을 위한 서브시스템들은 미세가공기술(MEMS)을 사용해서 제작된다. 래스터화 된 패턴 데이터들을 각 채널에 공급하기 위해서 현대적인 고속 데이터 전송 시스템들이 사용된다.

 

3.7.8 DEAL(정전기적으로 집속된 디지털 e-빔 어레이 리소그래피)

정전기적으로 집속된 디지털 e-빔 어레이 리소그래피(DEAL)는 Oak Ridge National Laboratory에서 개발중에 있다[13]. 이 방법은 웨이퍼상에 구현된 논리와 제어회로들 속에 접근 가능한 필드 방사 어레이들을 집속해 넣는 것이다. 전자 방사장치로 탄소 나노파이버가 사용된다. 미리 제조된 레이어들을 적층하여 정전기 집속렌즈, 차단기 및 가속전극 등을 이미터와 함께 동일한 웨이퍼상에 집속시킨다. 설계목표는 1㎠의 면적에 3백만개의 빔을 구현하는 것이며, 이를 통해서 시간 당 수십개의 웨이퍼를 마스크 없이 묘화할 수 있을 것이다.

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3.8 e-빔 마스크 묘화 시스템의 비교평가

마스크 제작기법의 발전단계에서, 래스터 스캔 시스템이 처음으로 개발되었으며, 벡터스캔 시스템이 그 뒤를 이었다; 그리고는 가변형상 빔과 셀 투영 시스템이 뒤따랐다. 하여간, 1990년대 후반까지 20년간은 제조 전자빔 노광장치(MEBES) 시스템이 핵심 마스크들을 제작하기 위한 주 제작장비로 사용되었다. 이 분야의 많은 전문가들의 입장에서는, “명백한 장점”을 갖고있는 가변형상 및 셀 투영 시스템이 그토록 오랜 기간동안 래스터스캔 시스템과 심한 경쟁을 치루지 않았는가에 대해서 설명하기 어려운 것이 사실이다.

다음 절들에서는 정확도와 생산성의 측면에서 각 시스템들의 주요 개념들을 논의해 본다.

 

3.8.1 정확도

3.8.1.1 빔 테두리

래스터 스캔 시스템에 비해서 고전압 가변형상 빔(VSB)시스템의 주요 장점은 날카로운 테두리선을 갖는 전자빔을 만들 수 있다는 점이다. 테두리 번짐은 임계치수 변화에 직접적인 영향을 준다.

래스터 시스템은 원리상 빔 테두리 번짐량과 비슷한 수준의 세밀한 빔을 사용할 수 있다. 그런데, 어드레스 크기도 그에 따라서 감소되어야만 하므로, 이는 비현실적으로 긴 묘화시간을 초래한다. 예를 들면, VB-6(Leica Microsystems)와 같이 폭이 좁은 빔을 사용하는 벡터스캔 시스템은 이례적으로 고품질 패턴을 묘화할 수 있다; 그런데, 생산성이 낮기 때문에 마스크 제작에는 사용치 않는다.

다중통과 묘화에 기인한 모든 종류의 오차를 평균화 시킴으로서 래스터 시스템의 높은 정확도가 확보된다. (래스터 형상 및 가변형상)벡터스캔 시스템에서도 다중통과 기법을 사용할 수 있다; 그런데, 벡터묘화에 기인한 정착시간과 같은 부수적인 인자들 때문에 묘화시간의 현저한 증가가 초래된다.

 

3.8.1.2 버팅(Butting) 오차

패턴형상이 서브필드나 스트라이프(stripe) 등의 경계선상에서 나뉘는 영역에서 버팅오차가 발생된다.

래스터 스캔 시스템에서는 스트라이프의 버팅에 해당하는 주파수에서 오차가 발생될 수 있다; 오차는 한 방향으로 발생된다. 벡터스캔 시스템에서, 버팅오차는 일정한 값으로 발생한다;

 

 주필드(major field)에서는 1~2mm

 부필드(minor field)에서는 24~80㎛

 서브부필드(subminor field)에서는 일부의 경우, 2~5㎛

 가변형상 빔 플래시의 경우 약 0.5㎛이며, 선 테두리 거칠기에 추가된다.

 

벡터 시스템에서 모든 오차들은 2차원적으로 발생된다.

Figure 3.3에서는 공간주파수의 함수로 버팅오차를 도시하고 있다. 래스터 시스템은 버팅오차에 훨씬 덜 영향을 받는다. 또한, 래스터 스캔 시스템들은 벡터 시스템보다 스캔에 관계된 모든 오차에 대해서 교정 및 보정이 용이하다. 다중통과 묘화의 경우, 스트라이프와 서브필드를 겹침으로서 버팅오차를 감소시킬 수 있다.

 

Figure 3.3 래스터 스캔, 벡터 및 래스터 형상 기법 등에서 다양한 공간주파수에 대한 버팅오차들. 가변형상 빔 리소그래피의 경우, 주필드, 부필드, (존재한다면)서브부필드과 플래시 레벨 상에서 버팅이 발생한다. 래스터스캔의 경우, 스트라이프의 버팅만이 중요성을 갖는다.

 

3.8.1.3 근접효과 보정

전자 산란에 기인한 근접효과는 국부적인 패턴 밀도에 의존적인 임계치수(CD) 변화를 초래한다. 래스터 시스템에서, 많은 시간을 소모하는 데이터 준비과정 없이 근접보정을 시행할 수 있다. GHOST 기법을 사용할 때, 초점이 맞춰지지 않은 e-빔을 사용해서 추가적인 묘화를 수행한다. 이 통과시 사용된 묘화 데이터는 동일하나 색상이 반전된 것이다. 이를 통해서 패턴 전체에 후방산란(backscatter)된 조사량을 고르게 만들어준다. 만약 4회통과로 묘화가 수행되면, 근접보정을 위해서 한 번 더 통과해야 하고, 이는 총 노출시간의 20%에 해당된다.

벡터스캔 시스템은 묘화된 모든 형상들에 대해서 조사량 보정을 사용한다. 조사량 보정은 일반적으로 GHOST 보정보다 정교하며 공간 이미지 대비(contrast)를 감소시키지 않는다; 그런데, 방법에 따라서, 묘화해야 하는 형상의 숫자의 열 배 이상 증가와 그에 따른 묘화시간의 증가가 초래될 수 있다.

 

3.8.1.4 레지스트 가열

레지스트 가열은 오차할당의 주요 원인들 중 하나이다. 레지스트 내의 국부적인 온도상승에 따라서 이 효과가 일어나며, 레지스트 민감도의 변화와 그에 따른 임계치수 변화를 초래한다. 특히 고전압 및 중간전압 가변형상 빔 시스템(>10keV)이 이 분제를 겪는다. 50keV인 경우 전형적으로 열이 축적되는 영역은 30~100㎛ 정도로, 대략 가변형상 빔 시스템에서 서브필드 영역에 해당된다. AEBLE 시스템은 10~100A/㎠의 빔 전류밀도 하에서 묘화가 가능하다; 그런데, 레지스트 가열 때문에 최소값으로 사용된다. 가열 때문에, 역사적으로, 최대 플래시 크기는 초기 시스템의 경우 10㎛에서 5㎛과 2.5㎛을 거쳐서 1㎛으로 감소되어 왔다. 다중통과 묘화 역시 가열의 저감에 도움이 된다. 이 방법들 모두는 시스템의 생산성을 저감시킨다. 화학적으로 증폭된 양성 레지스트는 높은 민감도와 열에 대한 비교적 낮은 응답성 때문에 레지스트 가열시 장점을 갖는다. 가열에 대한 보정방법은 아직깨지 개발된 것이 없다.

래스터 시스템에서는, 이 문제가 열 배 이상 줄어든다. 이는 스캔시간이 길기 때문이다; 스캔 기간동안 열이 방출될 시간이 충분하다.

 

3.8.1.5 포깅(Fogging), 충전(Charging), 모재가열

이 영향들은 특정 묘화기법 보다는 서브시스템의 특정 방식에 기인한다. 포깅(Fogging)은 대물렌즈 바닥에서 발생되는 전자들에 의하여 레지스트에 가해지는 추가방사효과이다. 이들은 3세대 전자이다: 주 전자는 마스크로부터 후방산란 전자를 생성한다; 이들이 대물렌즈의 바닥에 도달하면 레지스트로 되돌아오는 새로운 전자를 생성하며 수 밀리미터의 영역에 걸쳐서 원치않는 추가적인 노출이 발생한다. 레지스트 충전은 주로 레지스트의 성질과 전자 에너지의 함수이다. 모재 가열에 기인한 위치선정 오차는 스테이지상의 레티클 장착에 크게 의존한다.

 

3.8.2 생산성

래스터 스캔과 래스터 형상 시스템의 생산성은 묘화할 패턴과 무관하다. 패턴의 묘화시간은 어드레스 크기의 함수일 뿐이다. 과거의 경향에 따르면 아무리 새로운 세대의 마스크일지라도 래스터 시스템의 묘화 시간을 6시간 이내로 유지해야만 했었다.

벡터스캔, 가변형상 및 셀 투영과 같은 벡터 방식을 사용하는 시스템의 생산성은 패턴과 묘화와 관련된 오버헤드들에 크게 의존한다.

 

3.8.2.1 정착시간

묘화에 따른 오버헤드들에는 후속 플래시까지의 정착시간(settling time), 서브필드들 사이 및 주필드들 사이의 이송에 소요되는 정착시간 등이 있다. 플래시는 새로운 모든 패턴형상들 사이의 서로다른 간격을 이동해야 하는 반면에, 빔의 정확한 위치결정을 위해서 정착시간이 필요하다. 래스터 스캔과 래스터 형상 시스템에서는 반복성이 심하고 이동거리가 짧기 때문에 정착시간이 짧다. 여타의 시스템에서는 상황이 다르다. 벡터스캔 시스템의 경우, 정착시간은 정지시간(dwell time)에 비해서 훨씬 길다. 만약 플래시 횟수가 충분히 많다면, 래스터스캔 시스템이 벡터스캔 시스템에 비해서 우수한 성능을 갖을 것이다.

교정시간, 마스크 모재의 설치시간, 그리고 만약 시스템이 데이터 처리속도에 의해서 제한을 받는다면, 데이터 전송시간 등 역시 오버헤드에 속한다. 이러한 오버헤드 시간들은 대략적으로 시스템 마다 일정한 값을 갖고있다. 벡터스캔 시스템에서 묘화시간은 패턴 성형에 사용되는 e-빔 플래시 횟수의 함수이다. 플래시 횟수는 패턴마다 크게 다르다: 가변형상 빔 시스템의 경우, 접촉층은 1시간 이내에 묘화할 수 있는 반면에 내부접촉층의 묘화에는 30시간이 소요된다.

 

3.8.2.2 대각선

중요한 인자들 중 하나는 패턴을 플래시들로 분해하는 것이다. 패턴의 대각선을 근사화시키기 위해서 일반적으로 사각형 플래시가 사용된다. 가변형상 빔 시스템의 경우, 이 때문에 엄청난 횟수의 플래시가 발생된다. 만약 패턴의 13%가 대각선이라면, 플래시 횟수는 두 배가 되어버린다.

광학근접보정(OPC)과 같은 작은 형상들은 시스템이 더 작은 크기의 플래시를 사용하도록 만들며, 플래시 횟수와 묘화시간의 현저한 증가를 초래한다. 가변형상 빔, 래스터 형상 및 임의형상 빔 시스템에서의 데이터 분할의 예가 Figure 3.2.d~f에 도시되어 있다.

래스터 스캔과 형상 스캔 시스템의 경우에는 대각선이 문제가 되지 않는다; 임의형상 빔 시스템의 경우에도 마찬가지로 중요한 문제가 유발되지 않는다.

 

3.8.2.3 빔 전류한계

묘화시간은 레지스트 민감도에도 의존한다. 빔의 총 전류는 시스템 내에 가해지는 최대 플래시 영역 전체에 고르게 분산된다. 가변형상 빔의 경우, 노출된 가변형상은 최대 허용 노출 크기의 일부분일 뿐이다. 그러므로 이런 시스템의 경우, 전류의 활용도가 떨어지게 된다. 이는 불류칙한 형상을 묘화하는 셀 투영 시스템에서 더 악화된다. 셀 투영 시스템의 경우, 최대 플래시 면적은 가변형상 빔의 경우보다 훨씬 크므로, 셀 투영 시스템이 메모리층과 같이 규칙적인 형상을 묘화하는 경우를 제외하고는, 셀 투영 시스템의 생산성은 가변형상 빔의 경우에 비해서 낮다.

래스터 스캔과 벡터스캔 시스템의 경우, 빔을 단일 가우시안 스팟으로 투사하기 때문에, 전류한계는 문제가 되지 않는다.

Figure 3.4에서는 다양한 패턴 점유율에 대해서 빔 전류밀도의 함수로 가변형상 빔의 생산성을 나타내고 있다. 특정한 묘화시간과 대각선의 숫자가 가정되었다. 빔 전류가 높은 경우, 묘화시간은 오버헤드 시간에 근접하게 된다; 빔 전류가 낮은 경우, 대부분의 시간이 실제적인 레지스트 노출에 할애된다.

나중에 논의하겠지만, 레이저 시스템의 생산성은 일반적으로 e-빔 시스템보다 높다. 그런데, e-빔 시스템을 사용한 마스크의 품질은 레이저 시스템을 사용한 경우보다 일반적으로 높다. 최근 현장에서는 고품질 마스크의 소량생산을 위해서 e-빔 시스템을 사용하며, 저품질 마스크의 대량생산을 위해서 레이저 시스템을 사용한다.

 

Figure 3.4 빔 전류밀도와 패턴 점유율의 함수로 나타낸 가변형상 시스템의 묘화시간. 대각선의 백분율로 나타낸 묘화면적과 레지스트 민감도는 고정되었다. 래스터 스캔과 래스터 형상 시스템에서 묘화시간은 이 파라미터들에 의존하지 않으며 첨단 마스크의 경우, 약 6시간이 소요된다.

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3.9 레이저 패턴 발생기

지난 수십년 간 마스크의 제조에 e-빔 묘화기가 광범위하게 사용되어 왔지만, 생산성이 항상 문제시 되어왔다. 1990년대 중반에, 레이저 패턴발생기(LPG)가 소개되었다; 현재 이들은 세계적으로 마스크 제작장비로 널리 사용되고 있다.

레이저 패턴 발생기(LPG)는 단일 또는 다중 레이저 빔을 사용하며 마스크 상에 패턴을 묘화하기 위해서 래스터 메커니즘을 사용한다. 이러한 관점에서, 이들은 e-빔 래스터 스캔 시스템과 유사하지만, e-빔 시스템과는 달리, 레이저 패턴 발생기는 작동을 위해서 진공을 필요로 하지 않는다. 더욱이, 전자 빔 리소그래피(EBL)와 관련된 근접보정과 전하를 방전하기 위한 모재 접지 등이 필요치 않다. 레이저 패턴 발생기(LPG)용 마스크 제조공정은 원래 웨이퍼 생산을 위해서 개발된 고분해능, 고대비(contrast) 포토레지스트의 발달에 의해서 도움을 받았다.

일반적으로, e-빔 시스템에 비해서 레이저 시스템의 생산성과 신뢰성이 더 높으며, 장비가격이 낮은 반면에 e-빔 시스템이 더 높은 분해능을 제공한다. 또한, 디스플레이 산업이나 특수분야 등에서 더 큰 크기의 광마스크를 생산하기 위해서 레이저 패턴 발생기가 사용될 수 있다.

 

3.9.1 래스터 스캔 레이저 패턴발생기(LPG)

레이저 패턴발생기는 연속파장 레이저 빔을 사용하며 스테이지가 일정한 속도로 움직이며 빔은 스테이지 이동방향과 직각으로 주사된다. 회전 다각형 반사경이나 음향광학 편이기(AOD)를 통해서 스캐닝이 수행된다. 따라서, 주사각도는 마스크 모재상에서 공간 변위로 변환되며, 패턴 스트라이프가 묘화된다. 음향광학 편이기를 통해 라디오 주파수를 변화시킴으로서 빔의 변조를 조절한다. 전자빔 리소그래피(EBL)와 유사하게, 스트라이프들을 줄맞춰 생성함으로 서 전체적인 마스크 패턴을 생성한다.

레이저 단일 빔 시스템의 사례들로는 Micronic LPG, 와 Heidelberg Instruments DWL 시스템 등이 있다. 다중 빔 레이저 패턴 발생기의 사례로는 ALTA, Etec Systems사의 커스텀 광학 레티클 조각기(CORE), 그리고 Micronic Laser Systems 사의 Omega 등이 있다. 개별 차단이 가능한 다섯 개의 병렬 레이저 빔이 Omega에서 사용된다. AOM에서는 디지털 및 아날로그 변조를 결합시켜서 미세한 어드레스 그리드를 갖는 묘화장치를 구현하였다. Omega에서는 모든 빔에 음향광학 편이(AOD)를 사용한다. GDSII 파일로부터의 직접 묘화를 포함하는 데이터 경로의 유연성과 실시간 보정기능이 Omega 시스템의 매력적인 기능이다.

Etec Systems사의 CORE 레이저 패턴 발생기에서는 여덟 개의 빔을 병렬로 사용한다. 이 시스템은 나중에 더 많은 숫자의 빔을 사용하는 ALTA 시스템으로 재설계 되었으며, 24면 다각형 회전반사경에 의한 편향으로 빔이 브러시처럼 주사하도록 만든다. 4회통과 및 8회통과 묘화기법이 사용된다. 체계적 오차를 평균화시키기 위해서, 각 통과시마다 다각형의 서로 다른 면과 렌즈 필드의 서로 다른 영역에 의해서 형상이 프린트된다. 다중통과 과정에서 각 픽셀들은 그레이 레벨로 노출될 뿐만 아니라 묘화 그리드가 옵셋 되므로, 세밀한 패턴 어드레스 그리드와 테두리 배치가 가능해 진다. 더 낳은 임계치수 관리를 위해서 습도 보상형 집속 시스템은 묘화기간동안 포토레지스트의 습도를 일정한 수준으로 유지시켜 준다. 포토마스크의 전형적인 묘화시간은 2시간이다. 마스크 제조업계에서는 마스크 제작에 ALTA 시스템이 가장 널리 사용된다.

신세대 레이저 패턴발생기(LPG)의 레이저 광원은 더 높은 분해능에 대한 수요를 충족시키기 위해서 점차로 더 단파장을 갖는 광원으로 대체되고 있다. 래스터 레이저 패턴 발생기 구조에서는 연속파장 레이저를 사용하기 때문에, 광학식 스테퍼 용으로 개발된 전형적인 펄스형(1~10kHz) 엑시머 레이저는 레이저 패턴 발생기에 사용할 수 없다. 레이저 패턴발생기 전용의 목적으로 더 짧은 파장을 갖는 레이저가 개발되고 있다.

더 짧은 파장을 사용함으로 서 분해능의 현저한 개선이 이루어졌다. 예를 들면, 363.8nm의 파장을 갖는 알곤-이온 자외선(UV) 레이저가 ALTA 3500에서 사용되었으며, 이를 통해서 마스크 모재에 270nm의 FWHM 직경을 갖는 가우시안 스팟이 만들어졌다. ALTA 4000에서, 원자외선(deep UV) 257nm 빔을 사용하는 알곤-이온 레이저를 통해서 최종적인 스팟 크기를 50% 감소시켰다. 이는 마스크 상에 1/4마이크론 이하의 형상이나 세리프를 묘화하기에 충분할 정도로 작은 크기이다.

 

3.9.2 매트릭스 노광 레이저 패턴발생기(LPG)

Micronic Laser Systems 사에 의해서 새로운 노광방식이 개발되고 있다[15]. 이 Sigma 시스템에서, 공간 광변조기(SLM)는 마이크로 반사경 어레이를 기반으로 한다. 각 반사경들은 개별적으로 기울기를 변화시키면서 패턴 데이터에 따라서 빔을 변조시킨다; 산란된 빛은 개구부에 의해서 차단된다. 하나의 반사경 블록은 백만개의 빔을 동시에 변조시킬 수 있다. 이 공간 광변조기(SLM)는 실제적으로 마이크로 스테퍼 내의 컴퓨터로 제어되는 레티클의 역할을 수행한다. 원자외선(DUV) 레이저 광은 공간 광변조기에 의해서 반사되며 수많은 개구부를 갖는 대물렌즈를 통해서 마스크 모재에 집속된다.

이 시스템은 펄스화 된 레이저 광원을 사용한다. 공간 광변조기는 레이저 펄스 사이의 지연기간 동안 새로운 패턴 데이터를 로딩한다. 노출 또는 어레이들은 연속적으로 이동하는 스테이지와 연동된다.

이 시스템은 매우 높은 생산성을 구현할 가능성이 있다. 또한 원리상으로 매트릭스 노출방식의 레이저 패턴 발생기는 광학식 스테퍼와 유사하기 때문에, 광학식 스테퍼를 위해서 개발된 기술들 중 일부를 사용하여 높은 분해능을 구현할 수도 있다. 광학 근접보정에서와 같은 분해능 강화기법, 고출력 펄스형 단파장 레이저 광원, 그리고 레지스트 기술 등 웨이퍼 스테퍼에서 개발된 기술들이 이러한 유형의 마스크 묘화 시스템에 직접 적용될 수도 있다.

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