8대 공정 : 포토공정

 

반도체 8대 공정의 핵심, 포토공정

서론

오늘날 우리가 누리는 스마트폰, 컴퓨터, 인공지능, 자율주행차 등 첨단 기술의 이면에는 바로 '반도체'라는 작은 거인이 존재한다. 쌀알보다 작은 칩 하나에 수십억 개 이상의 트랜지스터를 집적하는 현대 반도체 기술은 인류 문명의 발전을 이끄는 핵심 동력이다. 이러한 반도체를 만들기 위해서는 매우 복잡하고 정교한 여러 단계를 거치는데, 이를 크게 8가지 주요 공정, 즉 '반도체 8대 공정'으로 나눈다.

8대 공정은 웨이퍼 제조, 산화, 포토, 식각, 증착, 금속 배선, EDS(Electrical Die Sorting), 패키징 순서로 진행되며, 각 단계는 반도체의 성능과 수율을 결정하는 중요한 역할을 담당한다. 이 중에서도 포토공정(Photolithography)은 마치 건물을 지을 때 설계도를 바탕으로 뼈대를 세우는 것처럼, 반도체 웨이퍼 위에 미세한 회로 패턴을 그려 넣는 가장 핵심적이고 중요한 공정으로 꼽힌다. 흔히 '반도체 공정의 꽃'이라고 불리는 이유다.

이 글에서는 반도체 8대 공정 중에서도 가장 중요하고 복잡하며 기술적 난이도가 높은 포토공정에 대해 심도 있게 알아본다. 포토공정의 원리부터 세부 단계, 핵심 기술, 그리고 미래 전망까지 상세히 살펴보며 왜 이 공정이 반도체 기술의 핵심인지를 명확히 이해하는 것을 목표로 한다.

포토공정이란 무엇인가?

포토공정(Photolithography)은 단어 그대로 '빛(Photo)'을 이용하여 '돌(Litho)' 위에 '그림(Graphy)'을 새기는 기술이다. 즉, 빛에 반응하는 감광액(Photoresist, PR)을 웨이퍼 위에 도포한 후, 회로 패턴이 새겨진 마스크(Mask 또는 Reticle)를 통과한 빛을 선택적으로 노광(Exposure)시켜 원하는 회로 패턴을 웨이퍼 상에 구현하는 일련의 과정을 의미한다.

쉽게 비유하자면, 필름 카메라로 사진을 찍는 원리와 유사하다. 카메라 필름 역할을 하는 감광액 코팅된 웨이퍼에, 찍고 싶은 대상(회로 패턴)이 그려진 마스크를 통해 빛을 쬐어(노광) 상을 맺히게 하고, 이후 현상(Development) 과정을 통해 원하는 패턴만 남기는 방식이다. 이러한 과정을 통해 웨이퍼 위에는 눈에 보이지 않을 정도로 미세한 회로 선폭들이 정확하게 그려지며, 이는 후속 공정인 식각(Etching) 또는 이온 주입(Ion Implantation) 공정에서 특정 영역을 보호하거나 노출시키는 가이드 역할을 한다.

포토공정의 정밀도는 반도체 칩의 성능과 집적도를 결정하는 가장 중요한 요소다. 얼마나 더 미세하고 정밀하게 회로 패턴을 구현할 수 있느냐가 곧 반도체 기술의 수준을 가늠하는 척도가 되기 때문에, 포토공정 기술 개발은 반도체 산업 발전의 역사와 함께 끊임없이 진행되어 왔다.

포토공정, 단계별로 알아보기

포토공정은 하나의 단위 공정이지만, 그 안에는 여러 세부 단계들이 유기적으로 연결되어 진행된다. 각 단계는 최종 회로 패턴의 품질에 직접적인 영향을 미치므로, 높은 정밀도와 청정 환경 유지가 필수적이다.

1. 표면 처리 (Surface Preparation / Cleaning & HMDS Coating): 본격적인 공정 시작 전, 웨이퍼 표면의 미세 파티클이나 유기물 오염을 제거하고 표면을 깨끗하게 만든다. 이후 감광액(PR)이 웨이퍼 표면에 잘 달라붙도록 접착력을 높여주는 HMDS(Hexamethyldisilazane) 용액을 증기 형태로 도포하여 표면을 소수성(물과 친하지 않은 성질)으로 바꿔준다. 이는 PR이 균일하게 도포되고 후속 공정에서 떨어져 나가지 않도록 하는 중요한 과정이다.
2. 감광액 도포 (Photoresist Coating / Spin Coating): 깨끗하게 처리된 웨이퍼 위에 빛에 반응하는 고분자 물질인 감광액(PR)을 떨어뜨린 후, 고속으로 회전(Spinning)시켜 얇고 균일한 막을 형성한다. PR의 두께는 회전 속도와 시간, PR의 점도 등에 의해 결정되며, 후속 공정 및 목표 해상도에 따라 정밀하게 제어된다.
3. 소프트 베이크 (Soft Bake): PR 코팅 후, 웨이퍼를 일정 온도로 가열하여 PR 내부에 남아있는 용매(Solvent) 성분을 증발시킨다. 이는 PR 막의 접착력을 향상시키고, 노광 공정 시 PR이 균일하게 반응하도록 준비하는 단계다.
4. 노광 (Exposure / Alignment & Exposure): 포토공정의 핵심 단계로, 회로 패턴이 그려진 마스크와 웨이퍼를 정밀하게 정렬(Alignment)시킨 후, 특정 파장의 빛(주로 자외선 UV, 극자외선 EUV)을 마스크에 통과시켜 웨이퍼 위의 PR에 회로 패턴을 전사한다. 빛을 받은 부분과 받지 않은 부분의 PR은 화학적 성질이 변하게 된다.
   * 양성 감광액(Positive PR): 빛을 받은 부분이 화학 구조가 변형되어 현상액에 잘 녹는 성질로 변한다.
   * 음성 감광액(Negative PR): 빛을 받은 부분이 경화되어 현상액에 잘 녹지 않는 성질로 변한다.
   현재는 주로 해상도 구현에 유리한 양성 감광액이 많이 사용된다. 노광 장비(Stepper, Scanner)의 정렬 정확도와 광원의 파장이 패턴의 미세도를 결정하는 핵심 요소다.
5. 노광 후 베이크 (Post Exposure Bake, PEB): 노광 공정 후 웨이퍼를 다시 한번 가열하는 단계다. 이는 노광 시 PR 내부에서 발생한 정상파(Standing Wave) 효과를 완화하고, 빛에 의해 변화된 화학 반응을 촉진시켜 패턴의 선명도와 균일성을 향상시키는 역할을 한다.
6. 현상 (Development): 현상액(Developer)을 이용하여 노광된 PR 패턴을 구현하는 단계다. 양성 PR의 경우 빛을 받은 부분이, 음성 PR의 경우 빛을 받지 않은 부분이 현상액에 의해 선택적으로 제거된다. 이 과정을 통해 마스크의 회로 패턴이 PR 패턴으로 웨이퍼 위에 나타나게 된다.
7. 하드 베이크 (Hard Bake): 현상 공정 후 남은 PR 패턴을 높은 온도에서 구워 단단하게 만드는 과정이다. 이는 후속 공정인 식각이나 이온 주입 과정에서 PR 패턴이 물리적, 화학적 스트레스를 견딜 수 있도록 내성을 강화하는 역할을 한다.
8. 검사 (Inspection): 현상까지 완료된 웨이퍼의 PR 패턴이 설계된 대로 정확하게 형성되었는지, 결함은 없는지 등을 광학 장비나 전자 현미경을 이용하여 검사한다. 이 단계에서 불량이 발견되면 재작업(Rework)을 하거나 해당 웨이퍼를 폐기 처리한다.

이상의 단계를 거쳐 웨이퍼 위에는 특정 회로 패턴 모양의 PR 구조물이 남게 된다. 이 PR 패턴은 다음 공정인 식각 또는 이온 주입 공정에서 마스크 역할을 수행하며, 해당 공정이 끝나면 스트립(Strip) 공정을 통해 제거된다. 하나의 반도체 칩을 만들기 위해 이러한 포토공정은 수십 번 이상 반복된다.

포토공정의 핵심 기술과 장비

반도체 기술의 발전은 곧 포토공정 기술의 발전이라고 해도 과언이 아니다. 더 미세한 회로 패턴을 구현하기 위해 포토공정 기술은 끊임없이 진화해 왔다. 핵심 기술 요소들은 다음과 같다.

1. 광원 (Light Source): 포토공정의 해상도(Resolution)는 사용하는 빛의 파장(λ), 공정 변수(k1), 그리고 렌즈의 개구수(NA, Numerical Aperture)에 의해 결정된다. 해상도를 높이기 위해서는 파장(λ)을 줄이거나, 렌즈 개구수(NA)를 높이거나, 공정 변수(k1)를 개선해야 한다. 반도체 산업은 더 짧은 파장의 빛을 개발하는 방향으로 발전해 왔다. 초기 G-line(436nm), I-line(365nm)에서 KrF(248nm), ArF(193nm)의 심자외선(DUV, Deep UltraViolet)으로 발전했으며, 현재 최첨단 공정에서는 극자외선(EUV, Extreme UltraViolet, 13.5nm)을 사용하고 있다. 파장이 짧을수록 더 미세한 패턴을 구현할 수 있지만, 광원 개발 및 제어 기술의 난이도가 급격히 높아진다.
2. 노광 장비 (Exposure Equipment): 마스크의 패턴을 웨이퍼로 정밀하게 전사하는 장비다. 초기에는 마스크와 웨이퍼를 접촉시키는 방식이었으나, 미세화가 진행되면서 렌즈를 이용해 축소 투영하는 스테퍼(Stepper)와 스캐너(Scanner) 방식이 주류가 되었다. 특히 네덜란드의 ASML은 현재 DUV 및 EUV 노광 장비 시장을 독점하고 있으며, 한 대에 수천억 원에 달하는 EUV 장비는 첨단 반도체 생산의 필수 요소다.
3. 마스크 (Mask / Reticle): 회로 패턴 원판으로, 석영 기판 위에 차광막(주로 크롬)으로 패턴을 형성한 것이다. 마스크의 품질과 청정도는 그대로 웨이퍼 패턴에 영향을 주므로, 극도로 정밀하게 제작되고 관리되어야 한다. 미세화가 진행되면서 마스크 제작 비용과 난이도 또한 크게 증가하고 있다.
4. 해상도 향상 기술 (RET, Resolution Enhancement Technology): 빛의 회절 현상 등으로 인해 발생하는 패턴 왜곡을 보정하고 해상도의 한계를 극복하기 위한 기술이다. 대표적으로 OPC(Optical Proximity Correction, 광 근접 효과 보정), PSM(Phase Shift Mask, 위상 반전 마스크), OAI(Off-Axis Illumination, 축 벗어남 조명) 등이 있으며, ArF 광원을 이용한 액침 노광(Immersion Lithography) 기술은 렌즈와 웨이퍼 사이를 물(초순수)로 채워 굴절률을 높임으로써 NA를 증가시켜 해상도를 향상시키는 혁신적인 기술로 평가받는다.
5. 멀티 패터닝 (Multi-Patterning): 기존 광원과 장비의 해상도 한계를 극복하기 위해 포토-식각 공정을 여러 번 반복하여 미세 패턴을 구현하는 기술이다. LELE(Litho-Etch-Litho-Etch), SADP(Self-Aligned Double Patterning), SAQP(Self-Aligned Quadruple Patterning) 등이 있으며, 공정 단계가 복잡해지고 비용이 증가하는 단점이 있지만 EUV 도입 전후로 미세 회로 구현에 필수적으로 사용된다.

포토공정의 과제와 미래: EUV 시대를 넘어

포토공정 기술은 눈부신 발전을 거듭해 왔지만, 여전히 많은 과제를 안고 있다.

• EUV 기술의 안정화 및 고도화: EUV는 극자외선이라는 매우 짧은 파장을 사용하여 기존 DUV의 한계를 뛰어넘는 해상도를 제공하지만, 광원 출력 확보의 어려움, 고가의 장비 및 마스크 인프라 구축 비용, 펠리클(마스크 보호막) 개발 등 해결해야 할 기술적, 경제적 과제가 산적해 있다. 또한, EUV 공정에서도 미세화가 진행됨에 따라 다시 멀티 패터닝 기술이 요구될 가능성도 존재한다.
• 수율 및 비용 문제: 공정이 미세화되고 복잡해질수록 작은 결함도 치명적인 영향을 미쳐 수율(Yield) 확보가 어려워진다. 또한 EUV 장비 도입, 마스크 제작 비용 증가, 공정 단계 증가 등으로 인해 반도체 생산 비용이 급격히 상승하는 문제도 해결해야 할 과제다.
• 차세대 리소그래피 기술: EUV 이후를 대비한 High-NA EUV, 혹은 Directed Self-Assembly (DSA), Nano Imprint Lithography (NIL) 등 새로운 개념의 차세대 리소그래피 기술에 대한 연구개발도 꾸준히 진행되고 있다.

이러한 과제에도 불구하고, 포토공정 기술은 인공지능, 빅데이터, 사물인터넷 시대를 뒷받침할 고성능, 고집적 반도체 수요 증가에 발맞춰 끊임없이 혁신을 지속할 것이다.

나의 생각

반도체 8대 공정을 살펴보면, 어느 하나 중요하지 않은 공정이 없지만, 포토공정은 그중에서도 단연 핵심적인 위치를 차지한다. 마치 오케스트라의 지휘자처럼, 포토공정의 정밀도와 기술 수준이 전체 반도체 칩의 성능과 미래를 결정한다고 해도 과언이 아니다. 빛이라는 도구를 사용하여 나노미터 수준의 미세한 세계에 복잡한 회로를 그려 넣는 과정은 경이롭기까지 하다.

개인적으로 포토공정에 대해 학습하면서 가장 인상 깊었던 점은, 물리적 한계에 부딪힐 때마다 창의적인 아이디어와 기술 혁신으로 이를 극복해왔다는 사실이다. 빛의 파장을 줄이는 것이 어려워지자 렌즈와 웨이퍼 사이를 물로 채우는 액침 노광 기술을 개발하고, 더 나아가 극자외선이라는 다루기 힘든 빛을 제어하는 EUV 기술을 상용화하기까지의 과정은 인간 지성의 위대한 도전이자 성과라고 생각한다. 또한, 이러한 첨단 기술이 결국 우리가 매일 사용하는 스마트폰과 컴퓨터를 가능하게 하는 기반이 된다는 점에서 기술의 중요성을 다시 한번 실감하게 된다.