비 전공자도 쉽게 이해할 수 있는 반도체 노광 공정(Photo Lithography Process)

 

노광 공정(Photo Lithography Process)이란?

노광 공정이란 무엇일까요? 노광 공정이란 반도체 8대 공정 과정에서 가장 중요한 핵심이 되는 공정 중 하나로써 점점 미세해지는 패턴을 웨이퍼에 새기는 핵심 단계를 말합니다. 마치 사진을 찍는 것과 동일하기 때문에 사진 공정이라고도 불립니다. 현재 노광 공정은 나날이 줄어드는 반도체 소자의 크기와 더 높은 집적도를 가능하게 하는 데 기반이 되는 중추 역할을 합니다.

노광 공정은 시간이 지남에 따라 계속 발전해 왔습니다. 1세대 노광 공정부터 ArF 노광 공정을 거쳐, 극자외선(Extreme ultraviolet) 개발에 이르기까지 많은 연구를 해왔습니다. 이는 반도체 소자가 미세화됨에 따라 마스크의 크기를 줄여야 했고, 더 짧은 빛의 파장을 이용하여, 해상도를 높이는 혁신을 만들어야 했기 때문입니다.

그럼 반도체 소자의 미세화가 왜 중요시될까요? 소자의 크기가 미세화될수록 동일한 면적 안에서 높은 효율과 높은 성능을 발현할 수 있고, 낮은 전력 소비를 가능하게 합니다. 또한 동일한 면적 안에서 높은 집적도를 가능하게 하여 더 작고 더 가벼운 전자 제품을 만들어 낼 수 있도록 합니다. 

 

현대의 스마트폰, 노트북, 태블릿 PC, 스마트워치처럼 말입니다. 이러한 반도체 미세화는 지금까지 반도체 산업이 발전할 수 있도록 하는 중심 역할을 하였으며, 지금도 패턴을 더욱 미세하게 만들기 위해서 지속해서 노력하고 있습니다.

 

노광 공정의 장점

반도체 산업에서 노광 공정을 왜 써야 하는지, 왜 중요한지 노광 공정의 장점에 대해 한번 알아보도록 하겠습니다.

 

1) 앞서 말한 것처럼 노광 공정을 통해서 점점 미세해지는 패턴을 웨이퍼에 새길 수 있습니다. 나날이 줄어드는 반도체 소자의 크기와 더 높은 집적도를 가능하게 하는 데 기반이 되는 중추 역할을 합니다.

 

2) 높은 정확도를 가지고 서로 다른 웨이퍼에 똑같은 패턴을 새깁니다. 노광 공정은 소자마다의 균일도가 중요한 반도체 산업에서 동일한 패턴을 웨이퍼에 새겨 소자마다 균일한 동작 특성을 나타내도록 합니다.

 

3) 높은 생산성을 통해 대량 생산을 가능하게 합니다. 생산 속도와 생산량이 중요한 반도체 산업에서 대량 생산이 가능한 것은 가장 큰 장점이라고 할 수 있습니다.

 

4) 저렴한 비용으로 대량 생산이 가능해집니다. 소자를 제조하는 비용을 줄인다는 것은 웨이퍼를 생산하는 기업에 아주 큰 이익을 가져올 수 있게 합니다. 이러한 장점은 현대 반도체 공정에서 노광 공정이 필수적으로 사용되는 이유라고 할 수 있습니다.

 

노광 공정의 단점

이렇게 장점이 많은 노광 공정도 여러 단점은 있습니다.

 

1) 노광 공정에서 사용되는 빛의 파장이 반도체 회로 형성에 영향을 끼칠 수 있는 가능성이 있습니다. 특정한 빛의 파장에서는 패턴을 정확하게 새길 수 있지만, 다른 파장에서는 오히려 패턴에 방해가 될 수 있습니다. 따라서, 빛의 파장 선택이 중요합니다.

 

2) 노광 공정이 진행된 후에는 공정을 진행하기 위해 사용되었던 감광액을 웨이퍼 표면에서 처리해야 합니다. 감광액을 처리하기 위해 추가로 공정이 진행되어, 추가적인 비용이 발생할 가능성이 있으며, 감광액 제거를 위해 불필요한 화학물질을 사용하여 환경적인 측면에서 문제가 생길 가능성이 있습니다.

 

3) 기술의 발전이 있을수록 노광 공정에 투자되는 비용이 커질 수 있습니다. 소자의 패턴이 미세화됨으로써 공정 수가 증가하며, 공정 수 증가에 따른 장비를 운용하는 유지보수 비용이 상당할 수 있습니다. 또한, 공정 개발을 위한 다수의 인력투입이 모두 비용으로 발생할 수 있습니다.

 

4) 높은 정확도로 패턴을 중복으로 전사해야 하는 어려움이 있을 수 있습니다. 앞서 말했듯이 노광 공정의 정확도가 낮으면 소자마다의 균일도가 낮아지고, 동작 특성이 서로 다를 수 있기 때문입니다.

노광 공정의 단점을 개선하기 위한 노력

위와 같은 단점을 개선하기 위해서 여러 기업과 학교에서는 어떤 노력을 하고 있는지 알아보도록 하겠습니다.

 

1) 극자외선(EUV)) 영역의 빛을 사용하여, 패턴을 구현하는 연구를 진행하고 있습니다. 극자외선(EUV)을 사용함으로써 복잡한 공정을 간소화할 수 있고, 단일 패턴의 사용으로 생산성을 높일 수 있습니다. 또한, 빛의 투과력이 좋아 높은 정확도로 패턴을 형성할 수 있습니다.

 

2) 새로운 소재들을 도입하기 위해 각 기관에서는 많은 연구를 진행하고 있습니다. 고품질의 광학 특성을 개발하고 및 더 빠른 화학 반응이 될 수 있도록 하여, 공정의 효율성을 높이고 있습니다.

 

3) 공정 및 설비의 안정성을 위해 많은 연구를 진행하고 있습니다. 수 나노미터의 패턴을 형성하는 장비에서 안정성이 없다면, 소자마다의 균일도에 악영향을 끼칠 수 있습니다. 이를 방지하기 설비의 안정성, 공정의 안정성을 확보하기 위해 노력하고 있습니다.

앞으로도 노광 공정은 반도체 산업에서 가장 중요한 공정일 것입니다. 노광 공정의 혁신에 따라서 반도체 산업에서의 변화는 아주 클 것으로 예상되며, 나뭇가지처럼 연결되어 있는 식각, 산화, 감광액 제거 공정 등의 혁신 또한 기대해 볼 수 있겠습니다.

 

반도체 공정 과정이 궁금하시다면? 아래 링크를 참고해 주세요!

[반도체] 비 전공자도 쉽게 이해하는 식각 공정(Etch Process)

[반도체] 비 전공자도 쉽게 이해하는 산화 공정(Oxidation Process)