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노광장비
노광장비는 반도체 제조 공정에서 웨이퍼에 미세한 패턴을 형성하는 데 사용되는 중요한 장비이다.
노광장비는 HMDS 분사, PR도포, Soft & Hard Baking(열처리), 현상장치를 포함하고 있는 트랙장비에 현상기술을 위한 노광장비로 구분 한다.
목차
개요
노광장비는 반도체 제조 공정에서 포토리소그래피 공정을 수행하는 장비로, 웨이퍼 표면에 패턴을 형성하는 역할을 한다. 포토리소그래피는 반도체 회로 패턴을 미세하게 구현하기 위해 매우 중요한 단계이며, 노광장비는 이 과정에서 빛을 사용해 포토레지스트에 회로 패턴을 노출시키는 핵심 역할을 담당한다.
우리는 트랜지스터를 계속 작게 만들어야만 원가경쟁에서 살아남을뿐만아니라 반도체 시장의 큰 이익을 취할 수 있게 된다. 따라서, 노광장비는 원가경쟁 우위를 가지게 해주는 핵심 장비 중 하나라고 할 수 있다. 그 중에서도 EUV(극자외선) 장비가 원가경쟁 우위를 지키게 해줄 장비라 할 수 있다. EUV를 적용함에 따라 전체 Mask 수와 공정 Step 수가 획기적으로 줄어들 것으로 추정하고 있다. DRAM 공정을 기준으로 0.33 NA EUV를 적용하면 Critical한 Mask의 수가 60% 수준까지 절감될 것으로 보이며, 총 Process step 또한 70% 수준까지 줄어들 것으로 예상된다.
노광원의 파장 축소의 한계에 따라 적용했던, Phase Shift Mask, Multi Patterning(LELE Double Patterning, Self Aligned Patterning) 등 사용해야하는 Mask 수가 줄어들기 때문이다. 그에따라 공정 단계도 줄어들게 될것 이다.
2023년 말을 기점으로 High-NA EUV가 출시되면 DRAM 기준으로 0.33 NA EUV 장비 대비 60% 수준까지의 Critical Mask 감소 효과와 총 Step 기준 80%까지의 감소가 기대된다.
노광기의 주요 기능 및 원리
포토리소그래피 원리
노광장비는 특정 파장의 빛을 이용해 마스크 또는 레티클에 새겨진 회로 패턴을 웨이퍼 위에 전사한다. 이 과정은 웨이퍼 위에 도포된 포토레지스트라는 감광 물질에 회로 패턴을 노출시키고, 이후 현상 과정을 통해 회로 패턴이 드러나도록 한다.
장비 구성 요소
- 광원(Source): 주로 엑시머 레이저가 사용되며, DUV(Deep Ultraviolet) 또는 EUV(Extreme Ultraviolet) 같은 특정 파장 범위를 갖는 빛을 생성한다. 최근에는 고해상도 구현을 위해 EUV가 많이 사용된다.
- 마스크(레티클): 노광할 회로 패턴이 새겨진 마스크는 빛을 투과하거나 차단해 원하는 패턴을 웨이퍼에 형성한다. 마스크와 웨이퍼의 크기 비율은 4:1 혹은 1:1로 설정된다.
- 투사 시스템(Lens System): 마스크에 새겨진 패턴을 웨이퍼에 정확히 투사하는 역할을 한다. 고해상도 구현을 위해 렌즈의 정밀도가 매우 중요하다.
- 스테이지(Stage): 웨이퍼를 고정하고 이동시키며, 미세 패턴을 형성하기 위해 고도로 정밀한 위치 제어가 요구된다. 스테이지의 움직임에 따라 웨이퍼가 노광되며, 이후 프로세스로 이동한다.
노광 공정
- 웨이퍼 위에 포토레지스트를 도포한 후, 노광장비를 통해 패턴을 전사한다.
- 이후 현상 과정에서 빛에 노출된 부분이 제거되어, 웨이퍼 위에 회로 패턴이 드러난다.
- 이 과정이 반복되며, 반도체 소자의 여러 층이 쌓이게 된다.
노광공정 장비의 종류
- ① 정렬(Align), 음영인쇄(Shadow Printing) 장치
웨이퍼와 마스크의 상호 위치를 보정하여 정확한 패턴으로 노광될 수 있도록 하기 위한 시스템이다. 미정렬 발생 시, 상, 하부 회로배선 간 저항이 증가하는 문제가 발생한다.
- ② 투영전사형(Projection type) 노광 기술 <=> 스테퍼(Stepper), 스캐너(Scanner) 장치
투영전사형 노광 기술은 마스크 패턴을 웨이퍼의 PR에 노출시켜 패턴을 형성하는 노광기술로써 마스크와 웨이퍼간 공간이 있어 PR의 손상은 발생하지 않으며, 해상도를 증가시키기 위해 마스크의 여러 패턴이 동시에 노광되거나, 칩의 전면을 점진적으로 스캔하는 방식으로 노광하는 기술이다.
- ③ 투과형 노광장비(G, I, KrF, ArF, Immersion ArrF)
광원이 마스크를 통과하면서 형성된 패턴 이미지가 다수의 볼록 렌즈를 투과하면서 일정 비율로 축소되어 웨이퍼 표면의 PR에 전사, 소자 배선을 형성하는 방식을 투과형 노광장비라고 한다. 해당 장비는 사용하는 파장대역에 따라 노광장비가 다르게 분류된다. 투과형 노광장비는 공정부, 반송부 및 제어부로 분류된다.
- ④ DUV(DUV Lithography)
- DUV 장비는 193nm 파장의 엑시머 레이저를 사용한다.
- 주로 10nm급 공정에서 사용되었으며, 현재는 7nm 공정까지도 지원하고 있다.
- Immersion DUV(액침 DUV)는 고해상도를 위해 물을 렌즈와 웨이퍼 사이에 삽입해 굴절률을 높여 패턴의 해상도를 증가시킨다.
- ⑤EUV(EUV Lithography)
- EUV 장비는 13.5nm의 매우 짧은 파장을 사용해 더욱 미세한 패턴을 구현할 수 있다.
- 5nm 이하의 첨단 공정에서 필수적이며, 높은 해상도를 제공하지만, 시스템이 복잡하고 유지 비용이 높다.
- ⓺노광 후 열처리(Post Exposure Bake, PEB) 장치
노광공정에 의한 광반응 PR내 산의 양을 증가시켜 후속 현상 공정 특성을 향상시키기 위한 기술로 웨이퍼를 열처리하는 bake 장치, 온도 및 시간 제어장치, 국소배기장치 등으로 구성된다.
Track 장비
Track 장비란 노광기와 직접 연결되어 노광을 제외한 PR 코팅, Baking, 현상 등 대부분의 과정이 진행되는 장비이다. Track 장비는 PR 도포 과정에서 회전속도의 정교한 제어를 통해 PR의 두께와 균일도를 충족시킬 뿐만 아니라, 흘려보내는 PR의 소모를 최소화 해야한다. 또한 노광 전후 Bake 공정과 현상 과정 중에 정교한 기계적 열적제어가 수반되는 정밀 장비이다.
노광기와 밀접한 기기임에도 불구하고, Track 장비 시장은 ASML이 아닌 TEL이 사실상 독점적 지위를 점유하고 있다.
- ① HMDS(Hexa Methylene Disilanzane)분사 장치
웨이퍼 표면에 PR의 접착력을 향상시키위 위해 웨이퍼 표면처리 하는 장치로 N2 기포화 탱크를 포함하는 공급장치부, 웨이퍼 뒷면 진공방식으로지지 고정부, 휘발성 HMDS 배기용 국소배기장치부, HMDS 잔류물 회수 장치부로 구성된다.
- ② 고속회전 도포(Spin Coating) 장치
회전 도포 장치는 N2가압 방식의 PR 공급장치부, 웨이퍼를 모서리 그립 또는 진공 흡착방식으로 지지하면서 고속 회전하여 원심력으로 PR을 분산할 수 있는 회전부, 액상의 PR 공급제어장치가 포함된 노즐부, 이외 PR이 가진 유기용제 가스를 외부로 배기시키기 위한 국소배기장치부, PR 잔류물 회수 장치부로 구성된다.
- ③ Edge Bead Removal(EBR) 장치
모서리 비드는 액상의 PR이 가지는 표면장력에 의해 모서리 및 사면 영역에 두께게 형성되는 PR로 정의된다. 이는 후속공정에서 오염원으로 작용하고 희석제와 같은 액상 용제를 이용하여 제거해야한다. EBR장치는 웨이퍼를 지지하면서 고속 회정하는 회전부, PR 제거용 희석제 공급부, 제거된 PR 및 희석제 등을 분리, 폐 처리하는 유틸리티부로 구성된다.
- ④ 저온 열처리(Soft Bake) 장치
회전 도포후 잔류하는 유기용제를 제거할 필요가 있다. 저온 열처리 장치는 웨이퍼를 고온 플레이트(Hot plate)에서 열처리 하는 bake 장치가 필요하며, 열에 민감한 PR 용융을 방지하기 위한 실시간 온도 및 시간 제어장치가 존재한다.
Overlay 장비
Overlay 장비란 Metrology 장비의 일종으로 반도체 공정상 회로패턴이 적층 되는 과정에서 하부 패턴과 상부 패턴 간의 수직방향의 정렬상태를 계측하는 장비이다. Patterning을 할 때마다 Overlay 계측을 통해 나노미터 단위로 오차를 파악하여 노광기의 노출 위치를 보정하는 역할을 한다. 반도체의 공적은 최소 수십 Layer가 반복적으로 적층 되기 때문에 초기 정렬이 틀어지면 Layer가 누적될수록 오차가 기하급수적으로 늘어나게 된다.
Overlay 시장은 연평균 15% 성장을 보이고 있으며, 2021년 yoy +52% 달성한 이유는 EUV 적용으로 판단된다. Metrology 전 분야를 50% 이상 과점하고 있는 KLA가 Overlay 분야에서도 68% 차지하고 있으나, Track 장비와 마찬가지로 노광기와 밀접하게 연동되어야 하는 특성을 가지고 있다. 이 때문에 ASML의 점유율도 30%대에 달한다. 하지만 ASML이 자사 Track 장비에 Overlay 기능을 내재화하고 있으나, Track 장비 분야에서의 점유율이 낮기 때문에 Overlay에서도 높은 점유율을 보이지 않는 것으로 판단된다.
주요 제조업체
- ASML : 네덜란드에 본사를 둔 세계적인 노광장비 제조업체이다. EUV 기술의 선두주자로, 주요 반도체 제조사에 장비를 공급한다. 2024년 High NA EUV 장비 EXE:5200을 공개하였다. 추후 EXE:5400과 EXE:5600을 향후 몇년에 걸쳐서 출시할 예정이다.
- 니콘(Nikon)과 캐논(Canon): 노광장비 시장에서 그나마 경쟁사라고 할 수 있는 기업들로는 캐논과 니콘이 있다. 우선 니콘은 위에 나온 멀티플 패터닝 장비를 출하하는데 주 고객사들이 EUV 장비로 갈아타는 추세다. 굳이 EUV 장비가 아닌 DUV 시장에서도 니콘은 ASML에게 완패하고 있는 것이 현실이다. 캐논의 경우, 2023년 시점에서 'NIL(나노 임프린트 리소그래피)방식의 초미세공법'을 상용화하였다. UV 감광액을 실리콘 웨이퍼에 코팅한 후 패턴이 그려진 스탬프를 이용하여 압력을 가하면 패턴이 형성되고 이를 UV로 쪼아주면 굳어서 회로가 만들어지는 것을 이용한 공법이다.
- 미국 주도로 서방의 제재를 받고 있는 중국의 경우, SMEE가 이제서야 28nm DUV 노광장비 개발을 하고 있을 정도로 ASML이 독점하고 있는 EUV 노광장비 시장은 중국 반도체 자립화에 있어서 가장 큰 약점으로 뽑히는 분야다. 반면 ArF 레이저에서 안정제 역할을 하는 네온 등 희귀 가스 공급망에 있어서는 강세를 띄고 있다. 2024년부터 7nm는 물론 14nm급 이상의 DUV 노광장비 수출도 중단되었기 때문에, 향후 중국이 자급자족으로 7nm 이하급 반도체를 양산할 수 있을 지에 대한 관심이 쏠려 있는 상황이다.
노광기 산업 동향
2021년 기준 글로벌 반도체 노광기 시장 규모는 약 160억달러이다. 네덜란드의 ASML 외 여러 기업들이 노광기를 생산하고 있으나, 2021년 기준으로 노광장비 시장에서 91%(니콘 6%, 캐논 3%)의 점유율로 업계 선두를 지키고 있다.
2010년대 후반부터 7nm 이하 미세공정을 위해 EUV 장비의 필요성이 높아졌는데, EUV 장비를 제작할 수 있는 회사는 전 세계에서 ASML 한 곳뿐이다. EUV 부문 평균판매단가는 1억 7,000만 유로를 족히 넘는 초고가 장비이고 공급량도 제한되어 있다. 연간 생산량이 50대 내외 수준이라 받으려면 줄을 서서 기다려야 한다. 생산량이 매우 적고 대기 물량이 많다는 점으로 인해 슈퍼 을 기업으로 불리며 영향력이 매우 높아졌다.
이런 거액을 지불할 여력이 되는 반도체 기업이 전 세계에 삼성전자, TSMC, 인텔을 포함해서 한 손으로 꼽을 정도라 고객사가 상당히 한정되어 있다. 덕분에 TSMC나 삼성 등이 신규 공장 증설 등의 대규모 투자 계획을 발표할 때마다 주가가 오르는 대표적인 기업이다. 2023년 기준 국가별 매출로는 로직 위탁생산이 강한 대만이 30%, DUV 최대 고객국인 중국 29%, 메모리 반도체 IDM 업체가 있는 대한민국 20%를 차지하고 있다. 세 곳의 국가에 매출 절대다수를 의존하는 형국이기 때문에 특정 국가 의존도가 매우 높다는 점은 단점으로 뽑히기도 한다. 이들의 팹 신설과 확장에 따라 ASML의 매출도 덩달아 증감하기 때문이다.
동영상
참고자료
- "ASML", 《나무위키》
- SEMICIRCUIT , 〈<반도체 공정> 노광 공정, 노광 장비〉, 《티스토리》, 2024-05-16
- 칠산날다람쥐, 〈반도체 - 노광 장비 3/5〉, 《네이버 블로그》, 2022-08-16
같이 보기
