[반도체 제조 공정] 포토

사진을 잘 찍는 기술! Lithography

PHOTO는 사전적 의미로 원래는 PHOTO-LITHOGRAPHY에서 따온 것으로 반도체 공정의 가장 핵심공정 이라고 할 수 있다.
Lithography라 함은 독일어 'Lithographie'에서 유래되었는데, 그리스어인 'Lithos(돌)'과 'Graphein(쓰다)'가 합성된 것이다.

즉, 돌에 그림을 새겨 넣는 석판화 기술로 표현되기도 한다.
Lithography Process를 이해하기 위해 우리 주변에서 가장 손쉽게 접할 수 있는 카메라를 생각하면 이해가 쉬울 것이다.
사진을 찍기 위해서 무엇이 필요할까? 가장 중요한 것은 일단 사진을 찍기 위한 도구인 카메라가 있어야 한다.
사진기의 성능을 좌우하는 바디(Body)의 성능(연사능력, 이미지센서 크기, 부가성능..), 렌즈의 성능(색재현성, 빛의 투과율, 왜곡의 정도 등등...), 부가 액세서리(삼각대, 후레쉬, 저장장치 등등)의 활용 정도 그리고 사진작의 창의적인 사고와 열정이 필요하다. 그렇게 될 때 비로소 훌륭한 작가로 거듭나고 사진 한 자으로 많은 사람들에게 작가의 의도와 즈낌 그리고 감동을 전해 줄 수 있다.
사진을 잘 찍은 후 필름을 사진괌에 맡기면 인화를 해 줍니다. 이 인화와 현상 기술에 따라 색감, 느낌 등의 결과물이 달라지게 된다.

이와 비슷하게 반도체의 포토공정은 크게 3가지 공정, 즉 노광(Expose)공정, 현상(Develop)공정, 도포(Coating)공정으로 나뉜다.


세계에서 가장 좋은 사진기 = 노광(Expose) 공정

첫 번째 노광(Expose) 공정은 사진기의 역할을 하는 공정이다.
사진기의 성능이 좋아야 하듯 노광 장비의 성능이 중요하다. 노광 장비는 크게 사용하는 광원에 따라 i-Line장비와 DUV(Deep Ultra Violet)장비로 나뉘어 진다. i-Line은 광원을 램프에서 자외선을 추출해 사용하고, DUV 장비는 광원으로 레이저를 이용한다. 그리고 레이저에는 ArF(파장:193nm), KrF(파장:248nm)를 사용한다. 반도체 회로에 요구되는 선폭은 점점 미세화 되어가고 있기 때문에 미세회로 패턴 작업에 있어서 광원의 파장이 짧아야 빛의 회절현상이 줄어들어 보다 미세한 회로구현이 가능하다. 따라서 파장이 짧은 DUV장비를 사용이 늘어가고 있는 추세이다.

사진기의 성능을 따질 때 여러가지 요소가 있겠지만 특히 빛을 다루는 분야이기에 렌즈의 성능이 매우 중요하다. 그래서 노광 장비를 말할 때 핵심이라고 할 수 있는 렌즈를 빼 놓을 수 없다. 렌즈의 구경이 넓고 빛을 여과없이 투과해서 좋은 렌즈가 된다. 그래야만 얼마나 작은 크기(Size)의 모양(Patter)을 얼마만큼 선명하게 그리느냐가 결정된다.
그래서 고가의 장비에 장착된 렌즈의 값만 100억원 정도 합니다. 특히 ArF Immersion장비는 장비 한대의 가격이 600억원을 호가한다. 이러니 세계에서 가장 비싼 사진기가 아니겠는가? ArF Immersion장비는 물을 이용하여 기존의 ArF자이의 한계인 렌즈의 성능을 극복하게 되었다. 즉 물을 이용해 렌즈의 성능과 역할을 극대화 한 것이다.

그리고 노광(Expose)공정을 촬영 방법에 따라 분류하면 스캐너(Scanner)와 스텦퍼(Stepper0로 분류할 수 있다. 이는 촬영하는 방식이 연속적인 스캐닝 방식인지 아니면 단계별로 하는 스텝 바이 스텝 방식인지 노광 방법에 따른 분류이다.
사진기의 성능에서 렌즈의 성능, 연사능력, 해상도 등등 여러 가지 요소가 있겠지만 스캐너와 스텝퍼는 연사능력에 따른 분류라 하겠다. 특히 웨이퍼 스테이지 위에 웨이퍼가 놓여지게 되고 웨이퍼 스테이지가 움직이면서 촬영을 한다. 예를 들어 레이저가 렌즈와 마스크를 투과한 후 웨이퍼에 상을 맺어 패턴을 만들 때 웨이퍼 1장에는 수 백번을 촬영하게 된다.

그런데 이 오차가 겨우 1~2nm 정도로 콘트롤해야 하고, 수 백 번을 촬영하는데 약 20여 초에 불과하다. 이는 음속으로 나는 제트기 2대가 1~2cm 간격으로 충돌없이 나란히 수십, 수백 km를 비행하는 것과 같은 정도이다.


작 찍은 사진(Expose) 잘 현상해야(Develop) 훌륭한 작품

현상(Develop)공정에 앞서 먼저 도포(Coating) 공정은 웨이퍼에 감광제(PR:Photo Resist)를 분사하여 얇은 감광막을 만드는 공정이다. 이때 사용되는 감광제는 빛에 반응하여, 일반 사진의 인화지의 역할을 하고, 또 후속 공정인 식각(Etch)공정에서 식각 가스에 대한 저항막의 역할을 동시에 수행하는 전재재료용 화학재료이다.

사진을 찍은 후 현상 및 인화를 하는 사진관 암실에서는 빛을 차단하게 되어 있다. 그리고 빛의 영향과 간섭을 최소로 하기 위하여 빨간색 물을 켜 놓는다. 그래서 반도체 라인으 Photo 공정과 Etch공정은 노란색 조명을 사용한다. 원래는 빨간색 조명이 가장 좋으나 빨간색 조명아래 사람이 오랫동안 있으면 정서와 심리에 안 좋은 영향을 미치기에 차선책으로 노란 조명을 사용한다. 그래서 반도체 라인에서 노란 조명이 설치되어 있는 곳은 Photo 또는 Etch 두 공정 중 하나이다.

노광(Expose) 공정을 거쳐서, 현상(Develop) 공정을 진행하게 되는데, 이는 노광 공정이 완료된 웨이퍼에 현상액(Developer)를 분사시켜, 감광제에 빛을 받은 부분과 받지 않은 부분을 화학 작용에 의해 제거하고 최종적인 회로의 모양을 형성하는 공정이다.  이러한 작업이 이루어지는 장비를 트랙시스템(Track System)이라고 지칭하고 있다.

반도체의 핵심 = Lithography

보통으 신문지상에 나오는 반도체의 디자인 룰을 이야기하는 것은 모두 포토공정에서 얼마만큼의 미세한 선폭(CD:Critical Dimension)을 패터닝(Patterning)할 수 있느냐로 귀결될 수 있다. 이런 노광 기술 개발은 실질적인 반도체 공정개발 측면에서 미세회로 구현을 가능하게 하였다. 즉, 포토공정 기술의 발전으로부터 반도체 종합 공정 및 제품 개발이 시작되었다고 해도 과언이 아니다.

반도체 회사가 잘되기 위해서는 기술력과 생산성이 우수해야 한다. 이 두가지를 충족시키지 못하면 낙오되고 도태되기 때문이다. 특히 포토 공정이 회로 선폭을 좌우하는 중요한 역할을 하고 있다. 그래서 포토공정의 기술이야 말로 반도체 공정의 핵심이라 할 수 있을 만큼 화려하고 가장 중요한 공정이라고 할 수 있다.

특히 포토공정이 잘되기 위해서는 포토공정에 일하는 엔지니어뿐만 아니라 마스크 개발, 설계, 소자 등 밀접한 관련이 있는 부서와 한마음이 되어야 한다. 그래야 반도체 제조공정의 스텝(Step)수는 줄어드는 대신 보다 세밀한 회로 선폭의 쨍한 사진을 얻을 수 있고 공정엔지니어들이 만드는 사진 찍는 노하우인 레시피(Recipe)를 잘 만들고, 장비기술 엔지니어가 카메라와 렌즈인 스캐너(Scanner)와 스테퍼(Stepper) 장비 그리고 트랙시스템(Track System)을 효과적으로 유지관리 및 이용할 수 있기 때문이다.

결국 얼마나 미세한 선폭을 웨이퍼 위에 푷ㄴ해 내는가에 따라서 반도체 회로의 특성이 좌우되게 되고 Good Memory가 될지 Bad Memory가 될지 경정되는 것이다.