노광공정은 어떻게 나노미터 단위의 회로를 새겨넣나요?

Question

반도체 공정에서 빛을 이용해 회로 패턴을 그리는 포토리소그래피가 있다고 배우는데, 극자외선 같은 기술이 어떻게 이렇게 미세한 회로 패턴을 정확히 새길 수 있는지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 박재화 박사입니다.

노광공정은 반도체 웨이퍼 위에 빛에 반응하는 감광막을 바른 뒤, 회로 모양이 담긴 마스크를 이용해 필요한 부분만 빛에 노출시키는 방식을 말합니다.

일반적으로 보면 빛보다 파장이 짧을수록 더 작은 무늬를 만들 수 있는데, EUV는 극 자외선으로 13.5nm 수준의 매우 짧은 파장을 사용합니다. 이 빛은 일반적인 렌즈가 통과하기 어렵기 때문에 특수한 다층 반사거울과 반사형 마스크를 이용해 회로 패턴을 웨이퍼에 투영합니다. 빛을 받은 감광막은 화학적 성질이 변하게되고, 현상 공정을 거치면 필요한 부분만 남거나 제거되어 미세한 회로 모양이 만들어지게 됩니다.

그 다음으로 식각이나 증착 공정을 이용해 이 패턴을 실제 실리콘과 금속층에 옮기면서 회로를 형성하게 되는 것입니다. 결국에는 나노미터급 회로는 짧은 파장의 EUV, 정밀한 광학장치, 감광막, 위치 제어 기술을 함께 사용해 만들어 진다고 보면 되겠습니다.

Answer 2

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

노광은 원리만 보면 사진 인화와 같아요. 웨이퍼 위에 빛에 반응하는 감광액을 얇게 바르고, 회로 도면이 새겨진 마스크를 통해 빛을 쏘면 빛 맞은 부분만 화학 성질이 변해요. 그 부분을 씻어내면 도면이 웨이퍼 위에 그대로 전사되는 거예요. 이 위에 식각과 증착을 반복해 층을 쌓으면 회로가 되고요.

문제는 빛의 파장이에요. 빛은 자기 파장보다 작은 무늬를 또렷하게 그리지 못해요. 굵은 붓으로 세밀화를 못 그리는 것과 같아요. 그래서 반도체 역사는 파장을 줄여온 역사예요. 가시광선에서 자외선으로, 193nm 심자외선으로 내려왔고, 여기서 한계에 부딪혀 렌즈와 웨이퍼 사이에 물을 채워 해상도를 높이는 액침 기술과 한 층을 여러 번 나눠 찍는 다중 패터닝으로 버텼어요. 그러다 나온 게 파장 13.5nm의 극자외선, EUV예요. 기존 빛보다 파장이 14분의 1이라 단번에 훨씬 가는 선을 그릴 수 있어요.

EUV 장비가 유독 어려운 건 이 빛이 거의 모든 물질에 흡수되기 때문이에요. 공기조차 흡수해서 장비 내부를 진공으로 만들고, 렌즈도 못 쓰니 거울 여러 장으로 빛을 접어 보내요. 이 거울은 원자 수준으로 매끈하게 연마된 다층막이고, 빛 자체는 주석 방울을 레이저로 초당 5만 번 때려 플라즈마로 만들어 얻어요. 장비 한 대가 수천억 원이고 네덜란드 ASML 한 곳만 만드는 이유예요.

여기에 파장보다 더 작은 패턴을 새기는 요령이 더해져요. 마스크 도면을 일부러 미리 왜곡해 빛이 번지는 걸 상쇄하는 보정, 빛의 간섭을 이용해 경계를 날카롭게 만드는 광학 기법, 감광액 자체의 분자 설계까지 동원되죠. 그래서 파장 13.5nm 빛으로 그보다 작은 회로를 그리는 게 가능한 거예요. 3나노, 2나노 같은 이름은 이제 물리적 선폭이라기보다 세대를 뜻하는 이름에 가까워서, 실제 선폭은 그보다 크지만 그만큼 빛의 한계를 온갖 기술로 밀어붙여 왔다는 뜻으로 보시면 돼요 :)

Answer 3

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

노광공정은 빛의 파장이 짧을수록 더 미세한 회로를 그릴 수 있는 회절 한계 원리를 이용해 파장이 13.5nm에 불과한 극자외선을광원으로 사용함으로써 나노 단위의 선폭을 구현합니다 회로 설계도가 그려진 포토마스크에 EUV 빛을 쏘아 통과시킨 뒤 초정밀 반사경 시스템으로 빛을 집속·축소하여 감광액이 도포된 웨이퍼 표면에 돋보기처럼 아주 작게 투사합니다 이때 빛을 받은 부분의 감광액 성질이 화학적으로 변화하며 이어진 현상 및 식각 과정을 거쳐 실리콘 웨이퍼 위에 초미세 회로 패턴만 정교하게 남게 됩니다 이처럼 극도로 짧은 빛의 파장 정밀 렌즈 및 반사경을 통한 빛의 축소 투사 그리고 빛에 반응하는 화학 물질의 삼박자가 결합하여 나노미터 크기의 회로를 정확히 새겨넣을 수 있습니다