노광공정(Photo공정)은 웨이퍼 위에 원하는 반도체 설계회로를 그려 넣는 공정이다.
노광 공정의 능력이 반도체 제조 능력의 척도가 되는만큼 반도체를 이해함에 있어 가장 중요한 공정이라고 할 수 있겠다.
노광공정은 아래와 같은 순서로 진행된다.
- 감광액 도포
웨이퍼 표면에 빛에 민감한 물질인 감광액(PR, Photo Resist)을 골고루 바른다. 감광액은 빛을 받으면 경화되는 성질을 가지고 있어서, 빛이 조사된 패턴영역과 조사되지 않은 나머지 영역을 구분짓는 패턴 형성의 역할을 한다.
일반적으로 도포 과정에서는 웨이퍼 전면의 균일한 도포를 위해 스피너라는 장비를 통한 스핀코팅 방식을 이용한다. - 노광
웨이퍼 위에 마스크를 올려놓고, 마스크에 있는 패턴에 빛을 통과시킨다. 빛을 받은 부분의 감광액은 경화되고, 빛을 받지 않은 부분은 녹아 없어진다. 직접적으로 패턴을 만드는 공정이라고 볼 수 있으며, OPC와 Overlay align 등 다양한 요소를 고려해서 정확한 패턴을 구현하는것이 중요하다. - 현상
녹아 없어진 감광액을 제거한다. 이 과정에서 경화된 감광액은 그대로 남아 회로 패턴을 형성한다. 경화되지 않은(빛이 조사되지 않은) 나머지 PR은 현상액이라는 특수한 물질을 통해 세정된다. - 에칭
웨이퍼 표면의 불필요한 부분을 제거한다. 이 과정에서 회로 패턴이 있는 부분은 남아 있고, 회로 패턴이 없는 부분은 제거된다. (이부분은 나중에 Dry ETCH에서 자세히 다뤄보도록 하자) - 세척
노광공정이 끝난 뒤 웨이퍼 표면의 불순물을 제거한다.
노광 공정의 변화
노광공정의 발전 방향은 다음과 같다.
- 빛의 파장 단축: 빛의 파장이 짧을수록 더 좁은 선폭을 구현할 수 있기에 노광기술은 빛의 파장을 단축시키는 방향으로 발전
- 노광 장비의 고도화: 노광 장비의 성능을 향상시키기 위해 빛의 조사 방식, 감광액의 성능, 노광 마스크의 정밀도 등이 개선 및 장비의 자동화 진행
이중에서도 빛의 파장이 단축됨에 따른 발전은 반도체의 역사라고 봐도 과언이 아니라고 볼 수 있다.
노광기술의 발전은 반도체의 선폭을 지속적으로 줄여 왔는데, 1970년대에는 선폭이 10마이크로미터(㎛)였던 반도체가 2023년에는 선폭이 3나노미터(㎚) 이하로 줄어들었다. 이렇게 선폭이 좁아지면 더 많은 트랜지스터를 웨이퍼에 집적할 수 있기 때문에, 반도체의 성능과 집적도가 크게 향상되고 있는 추세다. 더 가볍고 빠른 기계들이 계속 등장한다는 것.
최근에는 EUV 노광 기술이 개발되면서 선폭 10나노 이하의 반도체 제조가 가능해졌고, 이전에는 DUV방식을 주로 이용했는데 둘의 차이점을 위주로 노광공정 변화를 서술해볼 수 있겠다.
DUV(Deep Ultra Violet)
기본적으로 노광에는 자외선이 사용된다. 파장이 짧을수록 작은 선폭을 구현하기가 수월하기 때문인데, 그중에서도 193nm 이하의 짧은 파장의 자외선 영역을 사용하기에 DUV라고 불린다.
DUV 노광 기술은 현재 반도체 제조에 가장 널리 사용되고 있는 노광 기술이며 1990년대에 상용화되었다.
그중에서도 가장 많이 사용되는 기술은 광원 레이저 source를 ArF(Argon Fluoride)로 사용하는 ArF DUV 장비이며, 선단공정에서도 상당부분 사용하는 추세이다.
EUV(Extreme Ultra Violet)
점점 공정이 미세화되면서 기술이 수요를 따라가지 못하자 DUV보다도 작은 선폭을 구현할 신기술이 필요하게 되어 EUV 설비가 등장했다. EUV는 파장이 13.5nm 이하인 DUV보다도 더 짧은 파장의 자외선을 사용하여 노광을 진행한다. 이는 DUV에 비해 더 좁은 선폭을 구현할 수 있다는 장점으로 이어지는데, EUV 노광 기술은 2010년대에 상용화되었으며 현재는 선단공정 전반에서 핵심적인 패턴들을 형성하는데 사용되고있다.
파장이 짧아서 DUV와 같이 빛의 포커스를 맞추는데 렌즈를 사용하면 렌즈에 빛이 흡수되기에 거울을 통해서 포커스를 맞추는 방식을 사용한다.
노광장비는 현재 ASML이라는 네덜란드계 회사에서 주로 제공한다.
특히 EUV 설비에 있어서는 압도적인 기술력으로 EUV 설비 공급을 독점하고있기에 수많은 기업들과의 관계에 있어 '슈퍼을'을 자처한다.
아무래도 반도체 제조사의 경쟁에 있어서 눈치를 안 볼 수 없는 입장이다.
혹시라도 EUV 제공을 멈추겠다고 하면 큰일이니까.
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