포토리소그래피

3. 역사

1820년대에 프랑스의 니세포르 니엡스(Nicéphore Niépce)는 최초의 감광제로 천연 아스팔트인 유대 아스팔트(Bitumen of Judea)를 사용하는 사진 공정을 발명했다. 금속, 유리 또는 돌판에 얇게 코팅된 유대 아스팔트는 빛에 노출된 부분에서 용해도가 낮아졌다. 노출되지 않은 부분은 적절한 용매로 씻어낼 수 있었고, 아래의 재료가 드러났으며, 이후 산욕조에서 화학적으로 에칭하여 인쇄판을 제작했다.^[3] 유대 아스팔트의 감광도는 매우 낮아 매우 긴 노출 시간이 필요했지만, 나중에 더 민감한 대안이 도입되었음에도 불구하고, 저렴한 비용과 강산에 대한 뛰어난 내성으로 인해 20세기 초까지 상업적으로 사용되었다.

1940년, 오스카르 쥐스(Oskar Süß)는 디아조나프토퀴논을 사용하여 반대 방식으로 작동하는 '양성' 감광제를 만들었다. 이 코팅은 처음에는 불용성이었지만, 빛에 노출되면 용해성이 되었다.^[3] 1954년, 루이 플람벡 주니어(Louis Plambeck Jr.)는 제판 공정을 가속화한 다이크릴(Dycryl) 폴리머 활자 인쇄판을 개발했다.^[4]

1952년, 미국 군부는 전자 회로의 크기를 줄이는 방법을 찾는 임무를 국립표준기술연구소(National Bureau of Standards)의 제이 더블유 라스롭(Jay W. Lathrop)과 제임스 R. 낼(James R. Nall)에게 맡겼다. 이는 근접 신관(proximity fuze) 내부의 제한된 공간에 필요한 회로를 더 잘 맞추기 위한 것이었다.^[8] 감광제의 적용에서 영감을 받은 낼은 비슷한 공정을 사용하여 트랜지스터의 게르마늄을 보호하고 빛으로 표면에 패턴을 만들 수 있다고 판단했다. 개발 과정에서 라스롭과 낼은 이 기술을 사용하여 트랜지스터가 있는 2차원 소형 하이브리드 집적 회로를 성공적으로 만들었다.^[8] 1958년, 워싱턴 D.C.에서 열린 전자소자 전문가 그룹(IRE Professional Group on Electron Devices, PGED) 회의에서 그들은 사진 기술을 사용하여 트랜지스터를 제작하는 방법을 설명하는 최초의 논문을 발표하고, 이 공정을 설명하기 위해 "포토리소그래피"라는 용어를 채택했다.^[9][10]

라스롭과 낼은 "포토에칭"보다 "포토리소그래피"라는 용어를 선택했는데, 그 이유는 전자가 "첨단 기술"처럼 들렸기 때문이다.^[8] 1959년 6월 9일, 라스롭과 낼의 포토리소그래피 특허가 공식적으로 승인되었다.^[11]

4. 반도체 제조 공정

집적회로 제조에서 포토리소그래피는 반도체 웨이퍼 위에 '''포토레지스트'''라고 불리는 감광성 유기물질을 도포하고, '''스테퍼'''라고 불리는 노광 장치를 사용하여 '''레티클'''(포토마스크)에 그려진 소자·회로 패턴을 노광하여 진행하는 공정이다.

4. 1. 준비

4. 2. 포토레지스트 도포

4. 3. 노광

4. 4. 현상 및 린스

4. 5. 후처리

4. 6. 식각 (Etching)

4. 7. 포토레지스트 제거

5. 노광 시스템

노광 시스템은 포토마스크를 사용하여 웨이퍼에 이미지를 생성한다. 포토마스크는 특정 영역의 빛을 차단하고 다른 영역은 통과시키는 역할을 한다. 마스크 없는 리소그래피는 마스크를 사용하지 않고 정밀한 빔을 웨이퍼에 직접 투사하는 방식이지만, 상업적 공정에는 널리 사용되지 않는다.

5. 1. 접촉 및 근접 노광

5. 2. 투영 노광

6. 포토마스크

마스크 이미지는 컴퓨터 데이터 파일에서 생성된다. 이 데이터 파일은 일련의 다각형으로 변환되어, 융용 실리카 기판 위에 크롬 층을 코팅한 정사각형 기판에 포토리소그래피 공정을 사용하여 기록된다. 레이저 빔(레이저 라이터) 또는 전자빔(e-빔 라이터)을 사용하여 데이터 파일에서 정의된 패턴을 노출시키고, 벡터 또는 래스터 스캔 방식으로 기판 표면을 따라 이동한다. 마스크의 포토레지스트가 노출된 부분에서는 크롬을 식각하여, 스테퍼/스캐너 시스템의 조명이 통과할 수 있는 투명한 경로를 남긴다.^[1]

7. 해상도

웨이퍼에 작은 특징의 선명한 이미지를 투영하는 능력은 사용되는 빛의 파장과 조명된 마스크에서 충분한 회절 차수를 포착하는 축소 렌즈 시스템의 능력에 의해 제한된다.^[41] 투영 시스템이 인쇄할 수 있는 최소 특징 크기는 다음과 같이 근사적으로 나타낼 수 있다.

:$CD\; =\; k\_1\; \backslash cdot\backslash frac\{\backslash lambda\}\{NA\}$

여기서

• $\backslash ,CD$는 '''최소 특징 크기''' (또는 '''임계 치수''', '''목표 설계 규칙''', 또는 "'''반 피치'''")
• $\backslash ,\backslash lambda$는 사용되는 빛의 파장
• $\backslash ,NA$는 웨이퍼에서 본 렌즈의 수치적 조리개
• $\backslash ,k\_1$(일반적으로 'k1 계수'라고 함)은 공정 관련 요소를 포함하는 계수이며, 일반적으로 생산에서는 0.4와 같다. ($\backslash ,k\_1$은 실제로 레티클에 대한 입사광의 각도 및 입사광 강도 분포와 같은 공정 요소의 함수이며, 공정마다 고정된다.)^[41]

• $\backslash ,F$ 는 최소 선폭 (일반적으로 '''목표 설계 규칙'''이라고 함).
• $\backslash ,k$ (일반적으로 '''k1 팩터'''라고 함)는 공정과 관련된 요소를 나타내는 계수 (일반적으로 0.5로 근사됨)
• $\backslash ,\backslash lambda$ 는 광원의 파장
• $\backslash ,N\_A$ 는 웨이퍼에 대한 개구수

8. 광원

역사적으로, 포토리소그래피는 가스 방전 램프에서 나오는 자외선을 사용해 왔는데, 때로는 수은과 비활성 기체(예: 크세논)를 함께 사용했다. 이러한 램프는 자외선 영역에서 여러 강력한 피크를 가진 넓은 스펙트럼에 걸쳐 빛을 생성하며, 이 스펙트럼은 단일 스펙트럼 선을 선택하기 위해 필터링된다. 1960년대 초부터 1980년대 중반까지, 수은 램프는 436 nm("g-선"), 405 nm("h-선"), 365 nm("i-선")의 스펙트럼 선을 위해 리소그래피에 사용되었다. 그러나 반도체 산업에서 더 높은 해상도(더 조밀하고 빠른 칩 생산)와 더 높은 처리량(낮은 비용)에 대한 요구가 증가함에 따라 램프 기반 리소그래피 장비는 더 이상 업계의 최첨단 요구 사항을 충족할 수 없게 되었다.

이러한 과제는 1982년 Kanti Jain이 IBM에서 엑시머 레이저 리소그래피를 제안하고 시연하면서 극복되었다.^{[63][64][65][66]} 엑시머 레이저 리소그래피 장비(스테퍼 및 스캐너)는 마이크로 전자 제품 생산의 주요 도구가 되었으며, 1990년 800나노미터에서 2018년 7나노미터까지 칩 제조의 최소 기능 크기를 축소할 수 있게 했다.^[67][68] 더 넓은 과학적, 기술적 관점에서 볼 때, 1960년 최초 시연 이후 50년간의 레이저 역사에서 엑시머 레이저 리소그래피의 발명과 개발은 주요 이정표로 인정받고 있다.^[69][70][71]

리소그래피 시스템에서 일반적으로 사용되는 심자외선 엑시머 레이저는 248 nm 파장의 크립톤 플루오라이드(KrF) 레이저와 193 nm 파장의 아르곤 플루오라이드 레이저(ArF) 레이저이다. 1980년대 엑시머 레이저 광원의 주요 제조업체는 Lambda Physik(현재 Coherent, Inc.의 일부)과 Lumonics였다. 1990년대 중반 이후로 Cymer Inc.는 기가포톤(Gigaphoton Inc.)을 가장 가까운 경쟁사로 두고 리소그래피 장비 제조업체에 엑시머 레이저 광원을 공급하는 주요 업체가 되었다. 일반적으로 엑시머 레이저는 특정 가스 혼합물로 작동하도록 설계되었기 때문에 파장을 변경하는 것은 간단한 문제가 아니다. 새로운 파장을 생성하는 방법이 완전히 다르고 재료의 흡수 특성이 변하기 때문이다. 예를 들어, 공기는 193 nm 파장에서 상당히 흡수되기 시작한다. 193 nm 미만의 파장으로 이동하려면 리소그래피 장비에 진공 펌프 및 퍼지 장비를 설치해야 하는데, 이는 상당한 과제이다. 때로는 진공 대신 불활성 가스 분위기를 사용하여 배관 작업을 피할 수 있다. 또한, 이산화규소와 같은 절연 재료는 띠 간격보다 큰 에너지를 가진 광자에 노출되면 자유 전자와 정공을 방출하여 역방향 충전을 일으킨다.

광학 리소그래피는 193 nm ArF 엑시머 레이저와 액체 침지 기술을 사용하여 50 nm 미만의 피처 크기로 확장되었다. 침지 리소그래피라고도 하는 이 기술을 통해 1.0을 초과하는 수치적 조리개를 가진 광학 장치를 사용할 수 있다. 사용되는 액체는 일반적으로 초순수, 탈이온수이며, 렌즈와 웨이퍼 표면 사이의 일반적인 공기 갭보다 높은 굴절률을 제공한다. 열로 인한 왜곡을 제거하기 위해 물이 지속적으로 순환된다. 물은 최대 ~1.4의 NA만 허용하지만, 더 높은 굴절률을 가진 유체는 유효 NA를 더욱 높일 수 있다.

현재 노광 시스템과 유사한 방식으로 F2 엑시머 레이저의 157 nm 파장을 사용하는 실험 도구가 제작되었다. 이들은 한때 65 nm 피처 크기 노드에서 193 nm 리소그래피를 계승할 것으로 예상되었지만, 침지 리소그래피의 도입으로 거의 사라졌다. 이는 157 nm 기술의 지속적인 기술적 문제와 193 nm 엑시머 레이저 리소그래피 기술의 지속적인 사용에 대한 강력한 인센티브를 제공하는 경제적 고려 사항 때문이다. 고굴절률 침지 리소그래피는 193 nm 리소그래피의 최신 확장 기술로 간주된다. 2006년 IBM은 이 기술을 사용하여 30 nm 미만의 피처를 시연했다.^[72] 이 시스템은 CaF₂(플루오르화칼슘) 렌즈를 사용했다.^[73][74] 157 nm에서의 침지 리소그래피가 연구되었다.^[75]

UV 엑시머 레이저는 약 126 nm(Ar₂*의 경우)까지 시연되었다. 수은 아크 램프는 50~150볼트의 안정적인 직류 전류를 유지하도록 설계되었지만, 엑시머 레이저는 더 높은 해상도를 가진다. 엑시머 레이저는 일반적으로 전기장에 의해 충전되는 불활성 및 할라이드 가스(Kr, Ar, Xe, F 및 Cl)로 채워진 가스 기반 광 시스템이다. 주파수가 높을수록 이미지의 해상도가 높아진다. KrF 레이저는 4 kHz의 주파수로 작동할 수 있다. 더 높은 주파수로 작동하는 것 외에도 엑시머 레이저는 수은 아크 램프보다 더 고급 기계와 호환된다. 또한 더 먼 거리(최대 25미터)에서 작동할 수 있으며 여러 개의 미러와 반사 방지 코팅 렌즈를 사용하여 정확도를 유지할 수 있다. 여러 개의 레이저와 미러를 설치함으로써 에너지 손실량을 최소화하고, 렌즈에 반사 방지 재료가 코팅되어 있기 때문에 레이저를 떠난 시점부터 웨이퍼에 도달하는 시점까지 광 강도가 거의 동일하게 유지된다.^[76]

극자외선 리소그래피를 위해 13.5 nm에서 비결맞는 극자외선(EUV) 광을 간접적으로 생성하는 데 레이저가 사용되었다. EUV 광은 레이저에 의해 방출되는 것이 아니라, 엑시머 또는 이산화탄소 레이저에 의해 여기된 주석 또는 크세논 플라즈마에 의해 방출된다.^[77] 이 기술에는 싱크로트론이 필요하지 않으며, EUV 광원은 결맞는 빛을 생성하지 않는다. 그러나 진공 시스템과 여러 가지 새로운 기술(현재 생성되는 것보다 훨씬 더 높은 EUV 에너지 포함)은 X선 스펙트럼의 가장자리(10 nm에서 시작)에서 UV로 작업하는 데 필요하다. 2020년 현재 EUV는 TSMC 및 삼성과 같은 선도적인 파운드리에서 대량 생산에 사용되고 있다.

이론적으로, 포토리소그래피의 대체 광원은 자유전자 레이저(또는 X선 장치의 경우 xaser라고 할 수 있음)이다. 자유전자 레이저는 임의의 파장에서 고품질 빔을 생성할 수 있다.

가시광선 및 적외선 펨토초 레이저도 리소그래피에 적용되었다. 이 경우 다광자 흡수에 의해 광화학 반응이 시작된다. 이러한 광원의 사용은 진정한 3D 물체를 제조하고 탁월한 광학 탄성을 가진 비광감작(순수) 유리와 같은 재료를 가공할 수 있는 가능성을 포함하여 많은 이점을 제공한다.^[78]

9. 실험적 방법

포토리소그래피는 수년 동안 그 종말을 예측하는 것을 계속해서 벗어나고 있다. 예를 들어, 1980년대 초반에는 반도체 산업의 많은 사람들이 1마이크로미터보다 작은 특징은 광학적으로 인쇄할 수 없다고 믿었다. 엑시머 레이저 리소그래피를 사용하는 최신 기술은 이미 사용된 빛의 파장보다 훨씬 작은 크기의 특징을 인쇄하는데, 이는 놀라운 광학적 성과이다. 액침 노광 기술, 이중 색조 레지스트 및 다중 패터닝과 같은 새로운 기술은 193nm 리소그래피의 해상도를 계속 향상시키고 있다. 한편, 현재 연구는 전자빔 노광 기술, X선 노광 기술, 극자외선 노광 기술 및 이온 투영 노광 기술과 같은 기존 UV의 대안을 탐구하고 있다. 2018년 삼성이 극자외선 노광 기술을 양산에 도입했으며^[79] 다른 제조업체들도 이에 따랐다.

대규모 병렬 전자빔 노광 기술은 포토리소그래피의 대안으로 연구되었으며 TSMC에서 테스트되었지만 성공하지 못했고, 이 기술의 주요 개발업체인 MAPPER의 기술은 ASML에 인수되었다. 하지만 전자빔 노광 기술은 한때 IBM이 칩 생산에 사용한 적이 있다.^[80][81] 전자빔 노광 기술은 포토마스크 생산과 같은 특정 분야에서만 사용된다.^{[82][83][84][85][86]}

10. 경제

2001년 NIST 발행 자료에 따르면, 포토리소그래피 공정이 웨이퍼 처리 비용의 약 35%를 차지했다.^[87] 2021년, 포토리소그래피 산업의 가치는 80억달러를 넘었다.^[88]

11. 인쇄판의 제조

감광성 물질을 도포한 기판을 패턴 노광하여 현상하고 불필요한 부분을 제거함으로써 플렉소판, 평판, 무수평판 등의 인쇄판 원판을 제작할 수 있다. 판면을 편집하는 컴퓨터와 노광 장치를 연결하여 직접 인쇄판 원판을 제작하는 것을 컴퓨터 투 플레이트(computer to plate, CTP)라고 한다. 또한, 평판 인쇄판 제작에 사용되는, 미리 감광성 물질을 도포한 알루미늄 판을 '''PS판'''(pre-sensitised plate)이라고 한다. 사진이나 그림 등 원고 또는 전자 매체로부터의 제판 공정이 용이하기 때문에 PS판은 널리 보급되어 있다.

12. 이름의 유래

어근 “photo”, “litho”, “graphy”는 모두 그리스어 기원으로, 각각 ‘빛’, ‘돌’, ‘기술’을 의미한다. 이들 어근의 합성어인 “photolithography”는 빛을 이용해 패턴을 새기는 기술을 뜻한다. 이는 원래 석회석 인쇄판을 사용하는 방식에서 유래했다.^[8]

포토리소그래피는 사진 기술을 이용하여 기판에 패턴을 새기는 기법이다. 일본에서는 "사진 식각(蝕刻)" 기술로 번역되기도 하며, "광(光) 리소그래피"로도 불린다. 인쇄 분야에서는 사진 이미지를 인쇄하기 위해 이 기술을 사용하므로 "사진 제판"이라고 오해하기 쉽지만, 정확하게는 "사진 기술을 이용하여 제판하는(인쇄판을 만드는)" 기술을 의미한다. 이는 1851년 프랑스 과학자 알퐁스 루이 푸아트뱅(Alphonse Louis Poitevin)이 개발한 사진식자 기술에 유래한다.

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