포토 공정과 리소그래피 이슈에 대해 설명해 보세요.

[포토(Photo)공정]

포토공정(Photo)이란 준비된 웨이퍼 위에 반도체 회로를 그려 넣는 반도체의 대표 공정 중 하나이다. 우리가 흔히 알고 있는 필름 카메라로 사진을 찍어 현상하는 방법과 동일해서 포토 공정이라는 이름이 붙었다.

[포토공정 과정]

① 설계와 마스크 제작(웨이퍼에 그려 넣을 회로 패턴을 만드는 준비 단계)

우선, 컴퓨터 시스템(CAD, computer-aided design)을 이용해 웨이퍼에 그려 넣을 회로를 설계한다. 전자회로 패턴(Pattern)으로 설계되는 이 도면은 50~100m 정도의 큰 크기로 제작되는데, 어마어마한 도면에 세밀한 회로가 복잡하게 그려진다. 도면상 회로가 제대로 연결되었는지 확인하기 위해서는 실제로 도면을 바닥에 펴 놓고 사람이 그 위에 올라가 눈으로 직접 검사를 할 정도니 그 크기와 세밀함이 엄청나다.

도면 검사까지 마친 회로 패턴(Pattern)은 E-Beam이라 일컫는 설비를 통해 순도가 높은 석영을 가공해서 만든 유리판 위에 그려져 MASK(Reticle)로 다시 탄생하게 된다. 포토 마스크(Photo Mask)라고도 하는 이것은 회로 패턴이 고스란히 담긴 네거티브 필름으로 사진용 원판의 구실을 하게 되는 것이다.

그렇다면, 이 마스크를 웨이퍼보다 크게 만드는 이유는 무엇일까? 반도체의 회로는 아주 미세하여 작은 먼지 한 톨도 허용되지 않기 때문이다. 회로 패턴이 담긴 마스크는 축소 촬영법으로 1개의 칩에 회로를 새겨 넣고, 그 후 반복축소 촬영으로 웨이퍼의 전면을 주사한다.

여기서 만약, 웨이퍼와 같은 크기의 마스크를 사용한다면, 마스크에 있던 먼지 크기 그대로 웨이퍼에 노광되어 웨이퍼가 오작동을 일으키게 된다. 그래서 마스크는 웨이퍼보다 크게 만들어 먼지 크기도 함께 축소될 수 있도록 하는 것이다. 이제 웨이퍼 위에 그림을 그릴 준비가 다 되었다.

② 포토 공정(사진 인쇄 기술로 웨이퍼에 회로를 현상)

흔히 포토 리소그래피(Photo Lithography)를 줄여서 포토공정(Photo)이라고 하는데, 이 공정은 빛을 사용하여 회로 패턴이 담긴 마스크 상을 비춰 웨이퍼 위에 회로를 그리기 때문에 붙여진 이름이다. 패턴을 형성하는 방법은 흑백 사진을 만들 때 필름에 형성된 상을 인화지에 인화하는 것과 같다고 볼 수 있다. 특히 반도체는 집적기술인 만큼 집적도가 증가할수록 칩을 구성하는 단위 소자 역시 미세 패턴을 사용하여 작게 만드는 것이 중요하다. 이 때 미세 회로 패턴 구현은 전적으로 포토 공정에 의해 결정되기 때문에, 집적도가 높아질수록 포토 공정 기술 또한 세심하고 높은 수준의 기술을 요하게 된다.

- 웨이퍼를 인화지로 만들어 주는 감광액 도포

웨이퍼 표면에 빛에 민감한 물질인 감광액(PR, Photo Resist)을 골고루 바른다. 웨이퍼 위에 균일하게 입혀진 감광액(PR)은 빛에 어떻게 반응하는가에 따라 양성(positive) 혹은 음성(negative)로 분류 되는데, 양성 감광액의 경우 현상공정을 통해 노광된 영역이 제거되고, 음성 감광액의 경우 노광된 영역만 남게 되어 원하는 패턴을 그릴 수 있게 된다. 보다 고품질의 미세한 회로 패턴을 얻기 위해서는 감광액(PR)막이 얇고 균일해야 하며, 빛에 해당하는 자외선에 대한 감도가 높아야 한다.

- 카메라 셔터를 여는 노광

감광액(PR)막이 형성된 웨이퍼를 사진 인화지와 비슷한 상태로 만들었다면, 노광장비를 사용하여 회로 패턴이 담긴 마스크에 빛을 통과시켜 웨이퍼에 회로를 그려 넣게 되는데, 이 과정을 노광(Stepper Exposure)이라고 한다. 흔히 카메라 셔터로 빛을 주는데 쓰이는 노출(Exposure)과 동의어로 쓰이지만, 반도체 공정에서의 노광은 빛을 선택적으로 조사하는 과정을 말한다.

- 웨이퍼에 회로도를 그리는 현상

포토공정(Photo)의 마지막 단계는 현상(Develop)으로, 일반 사진을 현상하는 과정과 동일하다. 이 공정에서 패턴의 형상이 결정되기 때문에 매우 중요한데, 현상(Develop) 공정은 웨이퍼에 현상액을 뿌려 가며 노광된 영역과 노광되지 않은 영역을 선택적으로 제거해 회로 패턴을 형성하는 공정이다. 현상 공정까지 마치게 되면, 모든 포토공정이 끝나게 되는데, 각종 측정 장비와 광학 현미경, 육안을 통해 패턴이 잘 그려졌는지 세심하고 꼼꼼하게 검사한 한 후, 이를 통과한 웨이퍼만이 다음 공정 단계로 이동하게 된다. 포토공정은 이렇게 마무리된다.

[EUV 리소그래피 및 최신 동향]

이러한 한계를 극복하기 위해 파장 13.5nm의 EUV(Extreme Ultraviolet) 광원을 사용하는 EUV 리소그래피가 도입되었다. ASML의 NXE 시리즈 EUV 장비가 7nm~3nm 공정에서 핵심 노광 장비로 자리잡고 있으며, 1회 EUV 노광으로 기존 여러 회의 ArF 패터닝을 대체하여 공정 단순화와 원가 절감 효과를 가져오고 있다.

최근에는 기존 EUV 장비(개구수 NA 0.33)보다 해상도를 더욱 높인 High-NA EUV 장비(개구수 NA 0.55)가 ASML에 의해 개발되어 2nm 이하 공정의 핵심 장비로 주목받고 있다. 2024년 인텔에 첫 납품이 이루어졌으며, 2025년 TSMC와 삼성전자도 도입할 예정이다. 또한 EUV용 포토레지스트로 CAR(Chemically Amplified Resist) 대신 감도와 패터닝 선명도(LWR)가 우수한 Metal Oxide Resist(MOR)로의 전환 연구도 진행 중이다.