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1.포토공정이란?

웨이퍼위에 밑그림(회로도)을 그리는 것을 뜻한다. 포토리소그래피 / 포토공정

반도체 산업은 트랜지스터가 작아지는 쪽으로 발전하고 있기 때문에 트랜지스터를 작게 만들려면 회로도 역시 작아져야 한다. 필름카메라로 눈앞의 큰 풍경을 아주 작은 필름에 담았던 것처럼, 카메라의 원리를 이용해 큰 회로도를 작은 사이즈로 웨이퍼에 옮기는 것이다.

2. 포토공정에 필요한 준비물

필름, 감광제, 카메라, 풍경의 역할 => 웨이퍼, 감광층, 노광장비, 포토마스크

1) 웨이퍼와 감광액 PR / Photoresist

웨이퍼는 필름의 역할을 한다. 필름에 빛에 반응하는 감광제가 발라져있듯이, 웨이퍼에도 빛에 반응하는 감광층을 만들어줘야 한다. 감광층은 감광액을 얇게 바른 것인데, 감광액은 은빛에 반응하는 감광제 PAG Photo-Acid-Generator, PAC Photo-Active-Compound , 부착력과 에칭 저항력을 위한 폴리머수지 Polymer Resin, 첨가제 등의 여러 화학물질들이 섞여있는 용액이다. 이 감광액을 웨이퍼에 바르고 추가적인 처리를 하면 웨이퍼는 빛을 기록할 수 있는 상태가 된다. 참고로 2020년 일본의 반도체 수출규제 품목 중 하나였던 포토레지스트 가 바로 PR, 감광액이다.

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2)노광장비

카메라의 역할을 하는 노광장비. 노광장비는 반도체공정에서만 활용할 수 있는 아주 정밀한 카메라로 노광장비 안에는 빛을 모으고 초점을 조절하며, 영역의 크기를 축소하기 기위한 렌즈들이 있다. 노광장비는 크기부터 어마어마하다. 집채만한 크기에 무게도 100톤이 넘어간다. 가격은 더 놀랍다. 한 대에 무려 1,500억원을 호가한다. 이처럼, 노광장비는 포토공정에서 핵심적인 역할을 한다. 장비에 들어가는 부품 하나하나가 없어서는 안될 중요한 것들이지만, 가장 핵심적인 영역인 광원 /광학계를 살펴보겠다.

• 광원 : 광원은 노광장비에서 사용하는 빛을 말한다. 빛의 파장이 짧을수록 더 미세한 회로를 웨이퍼에 전사(Transfer)할 수 있다. 이러한 이유로, 포토공정은 파장이 짧은 광원을 사용하는 방향으로 발전해왔다. 아래 그림 참고.

이와같이 발전함에 따라, 빛의 파장이 확 줄어든 13.5nm의 극자외선 EUV Extreme UV 광원이 등장하게 된다. 지금은 최소 선폭 3nm가 양산되고 있고 그보다 작은 2nm 이하 선폭에 대한 기술 개발이 진행되고 있는데, 이는 모두 EUV 광원 덕에 가능한 것이다.

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• 광학계 (Optical Syste) : 렌즈가 여러 개 모여 있는 시스템을 말한다. 카메라의 광학계는 빛을 모아 축소시키고, 이 과정에서 발생하는 광학적 오차(수치와 왜곡)를 보완하며, 초점을 조절해 CIS로 빛을 전달해주는 역할을 한다. 포토공정 역시 빛을 다뤄야 하는 공정인 만큼 노광 장비에 들어가는 광학계를 얼마나 잘 설계하고 제작했는지에 따라 공정결과물이 판이하게 달라진다.

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3)포토마스크

포토공정에 필요한 마지막 구성요소. 포토마스크에는 회로도가 그려져있다. 노광장비로 포토마스크에 있는 회로도를 웨이퍼에 작은 사이즈로 전사하게 된다. (필름카메라로 풍경을 찍어 필름에 작은 사이즈로 옮긴것처럼..)

포토마스크를 만들때 필요한 재료는 블랭크마스크 와 펠리클 이다. 블랭크마스크는 도화지라고 생각하면 된다. 포토마스크의 토대가 되는 기판(보통 쿼츠 글래스)에 빛을 차단하는 차광막이 코팅되어 있다. 포토공정과 비슷한 전자빔노광공정을 이용해 블랭크 마스크에 회로 패턴을 새기면 면 포토마스크가 완성된다. 그리고, 먼지 하나만 있어도 빛이 가려져 포토마스크의 패턴이 제대로 전사되지 않기때문에 차광막에 펠리클이라 부르는 투명한 오염방지막을 씌우고 있다.

포토마스크는 투과식과 반사식이 있다. 위 그림과 같이 ArF 광원까지는 빛이 잘 투과하는 쿼츠 글래스에 빛을 잘 막는 차광막(주로 크로뮴 Cr 합금)으로 회로 패턴을 그려 넣은 투과식포토마스크 를 사용했다. 차광막이 있는 부분은 빛이 투과하지 못하고, 차광막이 없어 투명한 부분만 빛이 투과하여 감광층에 도달할 수 있는 것이다. 하지만, EUV광원은 빛 에너지가 너무 강해 물질에 쉽게 흡수되기 때문에 기존의 투과식포토마스크와 다른 방식의 포토마스크가 필요하다.

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그래서 나온것이 바로 반사식포토마스크 이다. 아래 그림과 같이 쿼츠 글래스 전면에 EUV를 반사시키는 반사막이 코팅되어 있고, 그 위에 흡수체가 위치해있다. 아래에서 위로 비을 쏘면 흡수체에 닿은 빛은 그대로 흡수가 되고, 반사막에 닿은 빛은 반사되어 웨이퍼에 전사되는 구조이다.

3. 포토공정 진행 과정

포토공정에는 총 8개의 세부단계가 있다. 이 중 감광층 코팅부터 살펴보겠다.

1) 감광층코팅

웨이퍼가 빛을 기록할 수 있도록 감광층을 코팅해준다. 감광층코팅 전, 웨이퍼 표면은 먼지 하나 없이 깨끗해야 하며, 스핀코팅 공정을 통해 감광층이 웨이퍼 전면에 균일한 두께로 코팅된다. 감광액은 양성과 음성 두가지로 나뉜다. 뒤에 설명 예정

2) 노광과정

노광장비로 포토마스크에 빛을 쏴주면 포토마스크에 있는 회로 패턴이 노광장비의 렌즈를 통과하면서 더 작은 사이즈로 축소되어 감광층이 코팅된 웨이퍼에 전사된다. 이 과정을 반복하면 웨이퍼에 미세한 회로패턴을 원하는만큼 새길 수 있다. 뒤에서 다룰 현상과정을 거쳐야 비로소 감광층에 새겨진 회로를 확인할 수 있다.

• 접촉노광법 : 위의 그림과 같이 웨이퍼에 포토마스크를 붙여서 노광하는 방법이다. 포토마스크와 감광층 사이에 여유 공간이 없기 때문에 빛의 회절이나 간섭과 같은 현상이 최소화된다. 작업이 간단하면서도 노광 품질이 좋은 가장 효율적인 방법이다. 그러나, 포토마스크가 웨이퍼의 감광층에 직접 닿아 오염될 수 있다는 단점이 있다.

• 근접노광법 : 앞서말한, 접촉노광법의 단점을 보완하기 위해 근접노광법이 개발되었다. 포토마스크와 감광층이 코팅된 웨이퍼 사이 간격을 살짝 띄워 포토마스크의 오염을 줄이는 방식이다. 하지만 그림에서 볼 수 수있듯이 포토마스크와 웨이퍼 사이 공간이 생기면서 빛의 회절이 일어나 차광막을 통과한 빛이 웨이퍼에 그대로 전사되지 않고 조금 더 넓게 전사되는 문제가 있다. 이후 광학 기술이 발전하고, 더 작은 크기의 반도체가 요구되면서 아래 그림과 같은 투사노광법 이 개발되었다.

포토마스크와 감광층을 코팅한 웨이퍼 사이 공간에 렌즈를 배치해 가장 높은 해상도로 회로 패턴을 전사하는 방법이다. 앞의 두 방법과 달리 렌즈를 통해 포토마스크에 그려져 있는 패턴을 축소해서 웨이퍼로 전사할 수 있다. 덕분에 더 작게 회로도를 새겨넣는 것이 가능하다.

• EUV포토공정은 투사노광법으로 진행된다. 오목한 반사경으로 계속 반사시키면서 노광한다는 점에서 KrF, ArF 파장의 빛을 을사용하는 기존의 노광방식과 차이가 있다. 광원으로부터 나온 EUV는 오목한 반사경에서 반사될 때마다 비치는 면적이 점차 축소된다. 반사된 EUV가 포토마스크에 입사되면 포토마스크에 새겨진 패턴 정보를 갖게 되고, 이 패턴 정보가 웨이퍼 위의 감광층으로 전사되면서 노광이 이루어진다.

3) 현상과정

필름에 기록된 빛은 현상 용액에 담그는 현상과정을 거쳐야 비로소 그 모습이 나타난다. 감광층이 코팅된 웨이퍼도 마찬가지. 그림과 같이 노광 후 현상과정까지 거쳐야 포토마스크에 그려진 큰 회로 패턴이 웨이퍼 위에 작은 크기로 나타난다. 현상할 때 감광층이 남는 모습은 감광액의 종류에 따라 두 가지로 나뉜다.

• 양성감광층 PositivePR : 노광부위의 감광층이 현상 용액에 씻겨 나가고 노광되지 않은 부분의 감광층만 남는 경우와 = 빛을 맞은 부분이 씻겨 나가는게 양성감광층. 현장에서는 주로 양성감광층을 사용한다.
• 음성감광층 NegativePR : 노광되지 않은 부위의 감광층이 이현상 용액에 씻겨 나가고, 노광 부위의 감광층만 남는 경우이다. =빛을 맞지 않은 부분이 씻겨 나가는게 음성감광층