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포토리소그래피
포토리소그래피(Photolithography)는 반도체 웨이퍼 위에 감광 성질이 있는 포토레지스트(Photoresist)를 얇게 바른 후, 원하는 마스크 패턴을 올려놓고 빛을 가해 사진을 찍는 것과 같은 방법으로 회로를 형성하는 것이다. 매우 정밀한 수준의 장비가 요구되기 때문에 리소그래피 장비를 자체 제작할 수 있는 기업은 그리 많지 않다.
목차
개요
포토리소그래피는 집적 회로 제조에 사용되는 프로세스이다. 여기에는 빛을 사용하여 기판(일반적으로 실리콘 웨이퍼)에 패턴을 전사하는 작업이 포함된다.
이 공정은 포토레지스트라고 불리는 감광성 물질을 기판에 도포하는 것으로 시작된다. 그런 다음 원하는 패턴이 포함된 포토마스크를 포토레지스트 위에 놓는다. 포토마스크를 통해 빛이 조사되어 특정 영역의 포토레지스트가 노출된다. 노출된 영역은 화학적 변화를 거쳐 현상액에 용해되거나 불용성으로 변한다. 현상 후 패턴은 에칭, 화학적 기상증착 또는 이온 주입 공정을 통해 기판에 전사된다.
일반적으로 자외선(UV)이 사용된다.
포토리소그래피 공정은 사용되는 빛의 종류에 따라 자외선 리소그래피, 심자외선 리소그래피, EUVL(극자외선 리소그래피), X선 리소그래피 등으로 분류될 수 있다. 사용되는 빛의 파장에 따라 포토레지스트에 형성될 수 있는 최소 형상 크기가 결정된다.
포토리소그래피는 솔리드 스테이트 메모리 및 마이크로프로세서와 같은 집적 회로("IC" 또는 "칩")의 반도체 제조를 위한 가장 일반적인 방법이다. 크기가 수 나노미터에 이르는 매우 작은 패턴을 만들 수 있다. 생성되는 객체의 모양과 크기를 정밀하게 제어할 수 있다. 단일 단계로 전체 웨이퍼에 패턴을 신속하고 상대적으로 저렴한 비용으로 생성할 수 있다. 복잡한 집적 회로에서 웨이퍼는 포토리소그래피 사이클을 최대 50회까지 거칠 수 있다. 이는 또한 미세 전자 기계 시스템의 제조와 같은 일반적인 미세 가공에 중요한 기술이기도 하다. 그러나 완벽하게 평평하지 않은 표면에 마스크를 생성하는 데는 포토리소그래피를 사용할 수 없다. 그리고 모든 칩 제조 공정과 마찬가지로 매우 깨끗한 작동 조건이 필요하다.
포토리소그래피는 패턴화된 박막을 생성하는 프로세스의 일반적인 용어인 마이크로리소그래피의 하위 부문이다. 이 광범위한 종류의 다른 기술에는 조종 가능한 전자빔의 사용이 포함되며, 드물게는 나노임프린팅, 간섭, 자기장 또는 스캐닝 프로브가 포함된다. 더 넓은 수준에서는 마이크로 및 나노 구조의 직접 자기 조립과 경쟁할 수 있다.
포토리소그래피는 렌즈를 통해 직접 투영하거나 접촉 인쇄처럼 기판 위에 직접 배치된 마스크를 조명하여 포토레지스트의 패턴이 빛에 노출되어 생성된다는 점에서 사진술과 몇 가지 기본 원리를 공유한다. 이 기술은 인쇄 회로 기판을 만드는 데 사용되는 방법의 고정밀 버전으로도 볼 수 있다. 이 이름은 종이에 석판 인쇄용 판을 생산하는 전통적인 사진 방법과의 느슨한 비유에서 유래되었다. 그러나 공정의 후속 단계는 전통적인 리소그래피보다 에칭과 더 많은 공통점을 가지고 있다.
기존의 포토레지스트는 일반적으로 수지, 증감제, 용매의 세 가지 구성 요소로 구성된다.
어원
포토 리소그래피 명칭은 석판화 기법인 리소그래피(lithography)에서 따왔다. 공정 자체가 석판화 기법과 비슷하기 때문이다.
기존의 판화가 도장처럼 양각과 음각을 이용하는 것과 달리, 리소그래피는 요철 없이 물과 기름이 서로 반발해 섞이지 않는 원리를 이용해 만드는 평판화 기술이다. 일종의 선택적 인쇄 방식으로, 기존 판화보다 섬세한 표현을 할 수 있었다.
이후 1955년 미국 벨 연구소에서 빛에 노출된 부위와 그림자 부위를 선택적으로 반응시켜 마치 사진과 같이 정교한 회로를 그릴 수 있다는 것을 발견하였고, 이를 포토 리소그래피라 명명하면서 현재의 포토 리소그래피 명칭이 탄생하였다. 그리고 이 기술을 통해 세밀한 회로를 작은 칩에 집적할 수 있게 되면서 반도체 기술은 크게 발전하게 되었다.
특징
포토리소그래피가 빛을 이용하는 원리이기 때문에 미세한 회로 패턴을 만들려면 빛의 파장이 짧을수록 유리하다.
반도체 개발 초기에는 통상적인 빛인 가시광선의 파장이 수백 나노미터에 불과해 가시광선만 사용해도 마이크로미터 크기의 선폭을 구현하는 것은 문제가 없었다.
하지만 시간이 지날수록 고성능 반도체 수요가 늘어나기 시작해 나노미터 단위의 더 미세한 회로가 필요해지면서 가시광선보다 훨씬 더 짧은 파장이 요구되었다. 이를 위해 최신 반도체 개발에는 ASML이 개발한 최신 포토리소그래피 장비인 극자외선(EUV) 기기를 사용하게 되었는데, 이 기기의 극자외선 파장은 13.5나노미터에 불과하다. 이 극자외선 기술 도입으로 반도체 업계는 3나노급 반도체 생산에 돌입하게 되었다.
패턴화
포토 공정으로 설계 도면을 구현하는 것을 "Patterning"이라고 한다. 해당 작업의 완성도가 높을수록 작업 결과물의 해상도가 높다고 표현하는데, 이는 즉 정교한 패턴이 잘 그려졌다는 것을 뜻한다.
미세공정을 사용하면서 이러한 Patterning의 퀄리티 유지에도 어려움이 생겼는데, 이에 따라 같은 공정을 2회 반복하여 패턴을 정교하게 만드는 "Double Patterning" 같은 기술 등이 사용되고 있다.
최소 선폭
Minimum Line Width. 선폭이란 MOSFET에서 게이트의 길이를 뜻한다. 최소 구현 가능한 최소 길이를 뜻하는 단어다. 이 길이가 작을수록 높은 해상도(resolution)의 패턴을 그릴 수 있음을 의미한다.
Depth of Focus
상의 깊이를 뜻한다. 클수록 더 섬세한 작업이 가능하므로 좋다.
인쇄적성
포토 공정의 결과가 제대로 잘 나오는 정도를 말한다. 영어로는 Printability.
보통 장비의 렌즈 개수 (NA), 포커스, 웨이퍼 공정 조건, 마스크 패턴 결함의 크기, 종류, 위치 등이 연관된다.
과정
MASK 생성
설계가 완료된 도면(Layout)을 마스크(MASK) 형태로 변환하는 작업을 말한다. 이는 장비에서 Design 파일 그 자체로는 인식하지 못하기 때문이다. 인식하는 Format이 다 달라서 장비에 맞게 변환해주어야 하는 점도 있다.
또한 Design 파일을 그대로 사용하면 문제가 되기도 해서 공정 미세화에 따라 OPC와 같은 추가 작업이 진행되기도 한다.
마스크는 크롬이 칠해진 석영유리판에 만드는데, 빛 (가시광선, 자외선, X선 등)을 이용하여 패턴을 생성한다. 또한 마스크는 1개의 설계도면에 대해 여러 장을 만드는데, 이는 포토 공정용 장비가 워낙 흑백 인식성이 강하여 겹치는 부분에 대한 인식이 취약하기 때문이다. 때문에 마스크 패턴을 한장씩 완성시켜나가는 방식으로 공정이 진행되게 된다.
- 결함 (Defect)
마스크를 생성할 때에 발생하는 오류 부분을 말한다. 디스플레이쪽 용어로도 사용된다.
- OPC
Optical Proximity Correction. 마스크 패턴의 변형 오류를 예상하여 설계 도면을 보정하는 작업을 말한다.OPC 설명
마스크 패턴을 생성할 때 설계 도면의 사각형을 그대로 마스크로 찍어내면 빛의 굴절 때문에 사각형보다 더 안쪽이 깎이면서 도형이 원형으로 깎이게 된다.
감광액 도포
빛에 민감한 물질인 감광액 (Photo Resist, PR)을 도포하는 과정이다. 장비로 진행하면 웨이퍼 위에 로션 같은 물질이 뿌려지고, 장비가 웨이퍼를 짧게 스핀시켜 감광액을 전체 표면에 빠르게 퍼뜨린다.(Spin Coating) 주위로 PR이 튀는 모양새가 좀 그로테스크하기도 하다.
- 감광액
PR은 종류에 따라 2종류로 나뉜다.
- Positive PR : 빛을 받은 부분이 삭제
N* egative PR : 빛을 받은 부분이 보존
보통은 Positive PR이 많이 사용되지만, 공정상 부득이한 경우 Negative PR이 사용되는 경우도 있다.
Soft Bake
베이킹의 그 Bake가 맞다. 웨이퍼를 굽는 것이 빵 굽는 것과 같다는 의미에서 유래했다.
감광액의 접착력 향상을 위해 건조하는 과정이다. 90도 ~ 100도 정도의 열을 가하는 과정이다.
Convention, Infrared (IR), Hot Plate 방식 등이 있다.
Alignment
마스크를 웨이퍼 패턴에 정확히 배열하는 공정이다.
노광을 하려면 마스크와 웨이퍼의 수직 위치가 일치해야 하기 때문이다.
보통 마스크와 웨이퍼에 Align Key 표시해두고 이를 이용하여 위치를 맞춘다.
노광 작업
영어로는 Expose.
웨이퍼 위에 Align 된 마스크를 두고, 그 위에서 빛을 쪼아주는 과정이다. 이에 따라 마스크 패턴을 통과한 빛이 웨이퍼의 노광액과 반응하게 된다. 노광장비인 Stepper가 이용된다.
- 노광 방법
- 접촉인쇄(contact printing) : MASK와 웨이퍼를 접촉시켜 노광하는 것으로, 해상도가 높으나 분진에 의해 마스크가 손상될수 있으며, 감광제가 마스크와 부착될 수 있다.
- 근접인쇄(proximity printing) : MASK와 웨이퍼를 일정한 간격(20㎛정도) 띄워 노광하는 것으로, 근접인쇄의 단점을 보완하나 회절현상에 의해 해상도가 떨어진다.
- 투사인쇄(projection printing) : MASK와 웨이퍼를 띄운 상태에서 MASK의 일부를 노출시켜 해상도를 올린 방법
- 스탭퍼(Stepper) : 이미지를 축소하여 투광한다.
현상
영어로는 Develop.
노광이 끝난 웨이퍼에 현상액을 뿌리면 감광액의 종류에 따라 물질이 삭제되면서 패턴이 생성된다. 이 과정을 현상한다 (Develop)고 표현한다. 참고로 필름을 현상한다는 때에도 동일한 용어를 쓴다.
Hard Bake
노광과 현상이 끝난 후 감광제를 모두 굳히기 위해 120~150도에서 20~30분 정도 건조하는 과정이다.
이 과정을 거쳐야 PR이 모두 굳어서 PR을 식각하기 용이해진다.
PR 제거
모두 굳은 감광제를 아세톤 등의 용액으로 제거하는 과정이다. 이후 웨이퍼를 Cleaning 한 뒤 말리고 빼낸다.
공정의 종류와 발전
나노 임프린트 리소그래피
Nano Imprint Lithography (NIL)
나노 크기의 패턴을 가지는 요철 형태의 기판을 폴리머 resin에 전사하는 방법이다. 고가의 장비가 불필요하여, 이전의 공정보다 작은 스케일의 패턴이 가능하다.
경화 방식에 따라 2가지로 나뉜다. 열을 가하는 Thermal-NIL과 UV 광원을 이용하는 UV-NIL.
작업 방식은 다음과 같다.
- resin이 도포된 기판 표면 박막에 압력을 가하여 나노 구조의 스탬프를 임프린트한다. 이 과정에서 스탬프의 패턴은 resin에 복제된다. 임프린트 스탬프를 제작하기 위해서는 Positive resist를 이용한 주기적인 패턴 제작, 주기적인 metal 나노 구조물 제작, 나노 패턴 형성을 위한 식각 기술이 필요하다.
- 방향성 식각을 통하여 패턴을 전사한다.
나노 임프린트 resin 패턴의 잔여 층이 존재할 경우, 향후 식각 공정에서 pattern을 형성하고 유지하는데 영향을 미치고, pattern 전체가 뭉개지는 현상이 발생한다. 따라서 이온 식각(Reactive Ion Etch) 장비를 이용하여 잔류하던 잔여 층을 제거해야 한다. 금속 박막 층의 노출로 산화물 stamp, 제작이 이루어져야 하기 때문에 식각 가스로 금속과 산화 반응을 하는 산소 가스를 사용한다. 잔여 층이 약 20 mm 정도로 얇게 형성되기 때문에 40W의 낮은 플라즈마 power로 진행하여야 한다.
열 NIL
스탬프와 고분자가 코팅되어 있는 기판을 접촉시켜 고분자의 유동성이 높은 유리 전이온도 이상에서 적절한 압력을 주어 고분자 폴리머들이 스탬프의 패턴 사이로 채워져 resin에 패턴 전사가 이루어지게 된다. 연속적으로 유리 전이온도 이하로 냉각한 뒤 스탬프를 고분자 패턴에서 제거하여 하부에 존재하는 resin 잔류 층을 시각 또는 물리적, 화학적 방법으로 제거하여 열 임프린트 공정을 이용하여 나노 패턴을 형성하게 된다.
보통 임프린트 온도는 폴리머의 유리전이 온도보다 높은 90℃ 이상에서 수행한다. 이 온도에서 고분자 물질이 유동성을 가져 스탬프 패턴 사이로 채워질 수 있다. PMMA의 경우 약 200℃에서 임프린트를 수행할 수 있지만 높은 온도로 인해 스탬프와 기판의 열팽창 및 불일치 그리고 가열 후 냉각의 문제점이 있다. 보다 균일한 패턴을 형성하기 위해서는 임프린트 resin의 낮은 점도가 요구되며, 이는 낮은 압력에서 쉽게, 균일하게 퍼지고, 임프린트 후 패턴 내 잔류 층의 두께를 최소화하여 잔류 층을 없애는 건식 에칭 공정을 간소화 할 수도 있다. 또한, 낮은 점도의 resin 제조는 임프린트 공정의 중요한 기술이며, 높은 해상도의 나노 패턴 형성과 함께 잔류 층의 제거를 보다 쉽게 할 수 있음을 나타낸다.
공정은 spin coating → soft baking → heating → molding → relaxation time → cooling → demolding 순서로 진행된다.
UV-NIL
1996년 Haisma 등이 처음으로 제안한 방법.
기판 위에 자외선 경화용 resin을 도포한 뒤 자외선 광원이 투명한 몰드를 통해서 resin을 감광시키면 경화가 일어나면서 단단해지게 된다. 이 공정은 상온에서 낮은 압력으로 임프린팅이 가능하지만, 투명한 몰드의 제작에 어려움이 있다. 전자 빔(Electron beam)을 통한 나노 패터닝 제작시 석영기판이 비전도성이기 때문에 나타는 전자의 축적효과(Charging effect)로 인해 전자빔의 왜곡을 일으키게 된다. 이 같은 특성은 석영을 식각하는 건식식각에서 해결되어야 하는 문제점으로 전자빔의 왜곡을 방지하기 위해 석영 위에 크롬을 얇게 증착하고 전자빔을 이용한 패터닝을 수행하는 연구가 발표되었다. 이때, 크롬 막은 도체이므로 전자가 축적되는 것을 해결해주며, 식각시 마스크로 이용할 수 있다. 또한 전도성을 가지는 산화막(Indium Tin Oxide)을 석영이나 유리 위에 증착해서 산화 막에 패터닝하여 전자 축적 효과의 문제를 해결하는 방법이 발표되었다.
전자빔
전자빔 리소그래피는 전자의 높은 분해능 때문에 포토리소그래피보다 미세 패턴을 만드는 것 자체는 더 용이하다. 그러나 빛을 몇 초 가량 찰칵 노광하는 기존의 방식과는 달리 전자를 총처럼 하나하나 조사하는 방식이기 때문에 시간이 엄청 오래 걸린다. 따라서 반도체 공정용으로는 사용하지 않고 Cr위에 포토리소그래프용 마스크 패턴을 만들 때 사용된다.
EUV lithography
차세대 리소그래피 기술로는 EUV(극자외선) 리소그래피가 쓰이기 시작하고 있다. 파장이 짧은 레이저를 사용할수록 정밀한 패턴을 형성할 수 있지만 파장을 줄이는 것이 쉽지 않기 때문에 기술 개발에 오랜 시간이 걸렸다. 이로 인해 파운드리 3사인 TSMC, 삼성전자, 인텔은 ASML의 공동투자 프로그램에 참여하며 EUV 개발을 지원했고 7nm부터 도입이 본격화되고 있다.
자외선이라고는 하지만 거의 X선에 가까운 13nm근처의 파장 대역을 가지고 있다. 광선이 공기를 포함한 대부분의 물질에 흡수돼버리기 때문에 광선이 지나는 경로 전체를 진공으로 유지해야 하고 집광을 위해 렌즈가 아닌 거울을 사용해야 하는 등 까다로운 점이 많다.
2022년 기준 TSMC가 EUV장비 전체 출하량의 절반 이상을 차지하고 있는것으로 알려져 있다. 그 외 나머지를 삼성전자, 인텔 파운드리 등의 파운드리 업체가 보유하고 있다. 메모리 분야도 HBM, 300단대 NAND 등의 분야에서 필요성이 대두되며 마이크론, SK하이닉스 등이 본격적인 발주를 시작했다.
Quantum lithography
Quantum lithography, 즉 양자 리소그래피는 양자 얽힘과 같은 빛의 비고전적인 특성을 이용하여 기존의 리소그래피 기술보다 향상된 효과를 얻을 수 있는 새로운 리소그래피 기술이다.
참고자료
같이 보기
