리소그래피 공정(Lithography Process)은 반도체 제조의 핵심 단계 중 하나로, 웨이퍼 위에 회로 패턴을 형성하는 공정입니다. 이 과정에서는 감광성 물질인 포토레지스트를 도포한 후, 빛을 사용해 원하는 회로 패턴을 전사합니다. 마치 인쇄하듯이 빛으로 회로를 새기는 기술이라고 할 수 있습니다.
리소그래피 공정은 반도체의 해상도와 정렬 정밀도를 결정하며, 회로의 미세화 수준을 좌우합니다. 오늘날 5nm 이하의 첨단 공정이 가능한 것도 고성능 리소그래피 장비의 발전 덕분입니다.
리소그래피 공정이란 무엇인가요?
리소그래피 공정은 웨이퍼 위에 포토레지스트(Photoresist)를 얇게 도포한 후, 마스크(Mask)를 통해 빛을 조사함으로써 특정 패턴을 형성하는 기술입니다. 조사된 빛은 포토레지스트의 화학적 성질을 변화시켜, 노광된 영역과 그렇지 않은 영역을 선택적으로 현상할 수 있도록 합니다.
이후 노출된 포토레지스트를 제거하고, 남은 패턴을 식각이나 증착 공정에 활용하여 반도체 회로 구조를 형성하게 됩니다.
공정의 기본 단계
리소그래피 공정은 다음과 같은 순서로 진행됩니다:
- 포토레지스트 도포: 웨이퍼 표면에 균일하게 감광막을 형성합니다.
- 소프트 베이크: 도포된 감광막의 용매를 증발시켜 안정화합니다.
- 마스크 정렬: 원하는 회로 패턴이 있는 포토마스크를 웨이퍼 위에 정확히 정렬합니다.
- 노광(Exposure): 자외선(UV) 또는 극자외선(EUV)을 조사하여 감광막의 일부에만 빛을 투과시킵니다.
- 현상(Developing): 노광된 영역만 제거되거나 남도록 처리합니다.
- 하드 베이크: 패턴의 내구성을 높이기 위해 열처리를 합니다.
이 과정을 통해 포토레지스트 상에 원하는 회로 패턴이 형성되고, 이후 식각 공정을 통해 웨이퍼에 직접 회로를 구현하게 됩니다.
광원의 종류와 해상도 차이
리소그래피에서 사용되는 빛의 파장은 해상도에 큰 영향을 줍니다. 파장이 짧을수록 미세한 패턴 구현이 가능하며, 현재는 다음과 같은 광원이 사용됩니다:
- i-line (365nm): 초기 리소그래피에서 사용되던 광원으로, 해상도는 제한적입니다.
- KrF (248nm): 0.2μm급 공정까지 구현이 가능합니다.
- ArF (193nm): 90nm 이하 공정에서 사용되며, 해상도 개선을 위해 침지(Immersion) 기술이 함께 사용됩니다.
- EUV (13.5nm): 차세대 리소그래피 광원으로, 5nm 이하의 초미세 공정 구현이 가능합니다.
특히 EUV 리소그래피는 기존 방식보다 해상도가 월등히 뛰어나지만, 비용과 장비 안정성 문제로 인해 일부 공정에서만 적용되고 있습니다.
마스크와 노광 방식의 변화
리소그래피 공정에서 사용하는 마스크는 회로 패턴이 새겨진 투명한 판입니다. 마스크를 통해 특정 패턴만 빛이 통과하게 만들어, 웨이퍼에 해당 패턴을 전사할 수 있게 됩니다.
노광 방식은 크기에 따라 다음과 같이 나뉩니다:
- 콘택트 노광: 마스크가 웨이퍼에 직접 닿는 방식으로, 가장 간단하지만 손상이 발생할 수 있습니다.
- 프로젝션 노광: 마스크와 웨이퍼 사이에 간격을 두고 렌즈를 통해 패턴을 축소해 투사합니다. 현재 주류 방식입니다.
- 침지 리소그래피: 웨이퍼와 렌즈 사이에 액체(물)를 채워 굴절률을 높임으로써 해상도를 향상시킵니다.
각 방식은 목적과 해상도 요구에 따라 선택되며, 최신 공정일수록 정밀한 장비와 기술이 요구됩니다.
리소그래피 공정의 어려움과 한계
리소그래피는 미세 회로를 구현하는 데 가장 중요한 공정이지만, 공정 정렬 오차, 포토레지스트의 한계, 마스크 결함 등 다양한 기술적 문제를 동반합니다. 특히 회로 선폭이 줄어들수록 노광 정밀도와 광학 기술이 극단적으로 요구됩니다.
이러한 한계를 극복하기 위해 다중 패터닝 기술(Multi-Patterning), 극자외선(EUV) 리소그래피, 해상도 향상 기술(RET) 등이 적용되고 있으며, 공정 자동화와 AI 기반 설계 최적화도 병행되고 있습니다.
결론 | 반도체 회로는 결국 빛으로 그립니다
회로를 설계하는 것도 중요하지만, 그걸 실리콘 위에 실제로 옮기는 건 또 다른 이야기입니다. 포토리소그래피는 그 복잡한 회로를 수 나노미터 단위까지 정밀하게 ‘빛’으로 전사하는 기술입니다.
빛의 파장보다 더 작은 선폭을 구현해야 하는 시대가 오면서, 리소 공정은 단순한 인쇄를 넘어 하나의 광학 예술처럼 진화하고 있습니다.
칩이 작아지고, 회로는 더 복잡해질수록 결국 이 작은 ‘노광의 순간’이 전체 성능을 결정짓게 됩니다. 복잡하지만, 그만큼 중요한 공정입니다.