포토 공정 (Photolithography)

포토 공정의 한 사이클

포토 공정은 반도체 미세화의 ‘심장’이다.

모든 회로 패턴의 출발이 여기서 이뤄진다.

흐름은 단순하다.

웨이퍼에 PR(포토레지스트, photoresist)을 균일하게 도포하고, 마스크의 패턴을 광학계로 축소해 PR에 빛을 쪼인다.

빛에 노출된 PR(또는 안 된 PR)이 현상액(developer)에 녹아 사라지고, 남은 PR이 후속 식각·이온주입의 마스크 역할을 한다.

그 다음 PR을 제거하면, 웨이퍼 위에는 마스크 패턴이 나노미터 단위로 새겨진 회로가 남는다.

한 칩에 메탈층·비아·트랜지스터층이 모두 다른 마스크를 쓰기 때문에, 같은 웨이퍼가 포토 라인을 수십~수백 회 들락날락한다.

사용 빛의 진화: i-line → ArF → EUV

빛의 진화는 미세화 자체를 가능하게 만들었다. 1990년대까지는 i-line(365nm)·DUV의 KrF(248nm)가 주력이었다. 2000년대 이후 ArF(193nm)가 등장했고, 2006년 전후로 ‘액체로 굴절률을 키우는’ ArF 이멀전이 나오며 NA(개구수)를 1.0 이상으로 끌어올렸다.

그래도 22nm 이하에서는 회절 한계로 단일 노광이 어려워, 한 층을 여러 마스크로 쪼개 그리는 멀티 패터닝(LELE, SADP, SAQP)이 도입됐다.

마침내 2019년경부터 EUV(13.5nm)가 양산에 들어와, 한 번의 노광으로 그릴 수 있는 패턴 한계를 다시 끌어올렸다.

CD·오버레이·DOF 같은 핵심 지표

핵심 지표는 CD(Critical Dimension), 오버레이(Overlay), DOF(Depth of Focus), 라인 엣지 러프니스(LER) 등이다.

CD는 한 패턴의 폭이 얼마나 사양에 맞고 균일한지를 나타낸다.

오버레이는 새로 그린 층이 아래층과 얼마나 잘 정렬됐는지를 나노미터 단위로 측정한다.

첨단 노드는 오버레이 사양이 1nm 수준까지 내려간다.

DOF는 ‘초점이 맞는 두께 범위’이고, NA가 클수록 DOF가 작아지는 트레이드오프가 있다.

LER은 패턴 가장자리의 거칠기로, 노이즈와 변동성에 직접 영향을 준다.

멀티 패터닝과 EUV의 역할 분담

멀티 패터닝과 EUV는 ‘완전한 대체’가 아니라 함께 쓰이는 관계다.

EUV가 들어와도 모든 층을 EUV로 그리지는 않는다.

가장 미세한 패턴(트랜지스터 핀, 좁은 메탈 피치)에 EUV를 쓰고, 비교적 여유 있는 층은 ArF 이멀전 또는 KrF로 처리한다.

이는 마스크 비용·노광기 캐파·생산성을 종합적으로 고려한 결과다.

멀티 패터닝은 마스크 수가 늘어 비용·정합 부담이 크기 때문에, EUV가 도입되면서 일부 멀티 패터닝 단계는 단순화됐다.

트랙 장비와 스캐너

하드웨어 측면에서 포토 라인은 ‘트랙 장비(코트/디벨롭)’와 ‘스캐너(노광)’가 한 클러스터를 이룬다.

트랙은 PR 도포(스핀 코팅), 소프트 베이크, 노광 후 노광 후 베이크(PEB), 현상, 하드 베이크를 처리하고, 그 사이에 ASML 스캐너로 노광이 들어간다.

트랙은 도쿄일렉트론(TEL)이 글로벌 1위, 세메스가 한국에서 큰 점유율을 가진다.

스캐너는 ASML이 EUV를 독점하고 DUV에서도 점유율 1위를 차지하며, 캐논·니콘이 일부 시장에서 경쟁한다.

ASML EUV 스캐너(NXE 시리즈) 외관 · 이미지 출처: ASML

결함 종류와 인스펙션

결함 종류는 매우 다양하다.

PR 잔류(scum), 컨택홀 미식각, 엣지 풀백, 브리지(인접 패턴이 붙음), 미스얼라인, 파티클 결함, 핫스팟 등이 있다.

이런 결함은 광학 검사(macro/micro inspection)와 SEM 인스펙션으로 잡고, 수율과 직접 연결된다.

그래서 포토 공정은 단순한 ‘노광 + 현상’이 아니라, 사전 표면 처리·HMDS 흡착·트랙 환경(온도·습도·가스)·베이크 균일도·노광 광학계 보정·마스크 결함 관리까지 결합된 거대한 시스템이다.