포토리소그래피 핵심 기술과 해상도 극복

 

반도체 제조 기술에서 포토리소그래피(Photolithography)는 집적 회로의 회로 패턴을 웨이퍼 상에 형성하는 핵심 공정이다. 포토리소그래피는 반도체 전체 공정 중에서도 가장 정밀하고 복잡한 기술로 분류되며, 선폭의 한계를 극복하기 위한 기술적 진화가 지속되고 있다. 본 글에서는 포토리소그래피 공정의 원리와 핵심 기술을 정리하고, 해상도의 한계와 이를 극복하기 위한 다양한 기술적 접근을 다룬다.

 

 

 

1. 포토리소그래피 공정의 개요

포토리소그래피는 감광막(photoresist)을 웨이퍼에 도포한 후, 마스크를 통해 빛을 조사하고, 현상과 식각 과정을 거쳐 미세한 패턴을 형성하는 공정이다. 일반적인 공정 순서는 다음과 같다.

1. HMDS 프라이머 도포: 감광막의 접착력을 향상시키기 위해 표면 처리
2. 감광막 도포: 웨이퍼 위에 스핀 코팅 방식으로 균일하게 PR을 도포
3. 소프트 베이크: 도포된 감광막의 용매를 증발시켜 패턴 안정성 확보
4. 노광 (Exposure): 마스크를 통해 자외선을 조사하여 PR에 회로 패턴 노출
5. 현상 (Development): 노광된 영역을 화학적으로 제거하여 패턴 형성
6. 하드 베이크: 감광막을 열처리하여 내열성 확보 및 후공정 대비

이 과정에서 감광막의 종류, 노광 장비의 해상도, 마스크의 정밀도, 공정 조건 등이 모두 회로 품질에 영향을 준다.

 

 

 

2. 감광막(Photoresist)의 종류와 특징

감광막은 자외선(UV)에 노출되면 화학적으로 반응하는 고분자 재료이다. 노광 이후 현상 단계에서 제거되는 방식에 따라 다음 두 종류로 구분된다.

• Positive PR: 노광된 영역이 화학 반응을 통해 분자량이 줄어들고, 현상액에 의해 제거된다. 선명한 해상도를 갖고 있어 고해상도 공정에 적합하다.
• Negative PR: 노광된 부분이 중합되어 화학적으로 더 견고해지며, 비노광 부분이 제거된다. 기계적 강도는 좋지만, 미세 패턴 구현에는 불리하다.

최근에는 극자외선(EUV) 환경에 적합한 화학 증폭형 감광막(Chemically Amplified Resist, CAR)이 도입되며, 감도와 해상도를 동시에 향상시키는 재료 개발이 활발하다.

 

 

 

3. 해상도와 선폭 한계의 이론적 배경

포토리소그래피의 해상도는 회로 선폭 최소화를 위한 이론적 기준을 제시하며, 다음 수식으로 정의된다.

CD = 𝑘₁ × (𝜆 / NA)

여기서
CD (Critical Dimension): 최소 선폭
𝜆: 노광에 사용되는 광원의 파장
NA (Numerical Aperture): 노광 장비의 개구수
𝑘₁: 공정 상수 (공정 조건 및 보정 기술 수준에 따라 결정)

이 수식에 따르면, 더 미세한 패턴을 얻기 위해서는 파장(𝜆)을 줄이고, 개구수(NA)를 높이며, 공정 상수(𝑘₁)를 최소화해야 한다. 그러나 이들 각각에는 물리적 한계가 존재한다. 파장은 193nm 이하로 내려가면서 공정 효율이 급격히 저하되고, NA 역시 광학계의 크기와 굴절률로 인해 한계에 부딪힌다. 따라서 현실적인 기술 발전은 𝑘₁을 낮추고, 새로운 광원을 도입하는 방향으로 진행되고 있다.

 

 

 

4. 해상도 극복 기술의 발전

1) 극자외선 리소그래피(EUV, Extreme Ultraviolet)

EUV는 13.5nm 파장을 사용하는 리소그래피 기술로, 기존 ArF(193nm)보다 훨씬 짧은 파장을 통해 미세 회로를 구현할 수 있다. EUV는 다음과 같은 특징을 갖는다.

• 광원: Sn을 레이저로 플라즈마화하여 13.5nm 파장을 생성
• 광학계: 굴절 렌즈 대신 반사 거울을 사용 (굴절은 짧은 파장에서는 비효율적)
• 마스크: 다층 반사막과 펠리클을 포함한 EUV 전용 구조

EUV는 7nm 이하 공정에서 이미 활용되고 있으며, 현재는 2nm 이하 공정에서도 필수적인 기술로 자리잡고 있다.

2) 다중 패터닝 기술

EUV가 상용화되기 이전에는 Double/Triple Patterning 기법이 널리 사용되었다. 대표적인 방식은 다음과 같다.

• LELE (Litho-Etch-Litho-Etch): 두 번의 노광과 식각을 통해 더 미세한 패턴 구현
• SADP (Self-Aligned Double Patterning): 보조층을 이용한 자기정렬 기반 패터닝

다중 패터닝은 해상도 극복에는 효과적이지만, 공정 복잡성과 비용 상승이라는 단점도 존재한다.

3) 해상도 보정 기술(RET: Resolution Enhancement Techniques)

• OPC (Optical Proximity Correction): 광학 근접 효과를 보정하기 위해 마스크 패턴 수정
• SMO (Source Mask Optimization): 광원 및 마스크 패턴을 동시에 최적화
• Phase Shift Mask: 빛의 간섭 효과를 활용하여 경계가 명확한 패턴 구현

4) 하이 NA EUV

ASML은 NA를 기존 0.33에서 0.55로 높인 High-NA EUV 노광기를 개발 중이다. 이 장비는 2nm 이하 공정에 대응하며, 더 높은 해상도와 패턴 정밀도를 제공한다. 그러나 설비 비용과 마스크 정렬 정밀도 등에서 높은 기술 수준이 요구된다.

5. 마스크 기술의 진화

포토 마스크는 회로 패턴이 전사되는 원본으로서 그 품질이 최종 회로 정밀도에 직접적인 영향을 준다. 특히 EUV에서는 다음 요소들이 중요하다.

• 다층 반사 마스크(Multilayer Mask): Mo/Si 반사층을 수십 개 적층하여 반사 효율 확보
• 마스크 블랭크 결함 검사: 미세 결함이 패턴에 영향을 주지 않도록 고해상도 검사 필요
• 펠리클(Pellicle): 오염 입자 차단용 박막으로, EUV용은 고투과율과 고내열성을 동시에 요구

마스크 제작 공정의 정밀도는 EUV 공정 수율에 결정적 영향을 준다.

 

 

 

6. 최신 동향과 미래 기술

• ASML의 High-NA EUV 상용화 준비
• EUV용 고감도 감광막 소재 개발
• AI 기반 마스크 최적화 및 패턴 보정 기술 도입
• 나노임프린트 리소그래피(NIL) 기술 연구 증가

이러한 기술들은 기존 광학 리소그래피의 한계를 보완하거나 완전히 새로운 방식으로 미세 회로를 구현하려는 시도이다.

 

 

 

나의 생각

포토리소그래피는 단순한 노광 기술이 아닌 반도체 집적도의 진보를 이끄는 핵심 공정이다. 필자는 리소그래피 기술을 ‘빛을 다루는 정밀 공정 예술’이라 생각한다. 특히 EUV의 도입 이후 광학, 재료, 공정기술이 융합되며 산업 전반의 기술 수준을 한 단계 끌어올리고 있다는 점에서 이 기술의 중요성은 더욱 커지고 있다. 앞으로 반도체 공정이 원자 단위 수준으로 정밀해질수록, 포토리소그래피 기술은 더욱 고도화되어야 한다. 이와 더불어 차세대 리소그래피 기술에 대한 지속적인 연구와 투자가 이루어져야 반도체 산업의 경쟁력을 유지할 수 있다고 확신한다.