웨이퍼에 회로를 그려 넣는 포토공정

흑백사진 인화와 비슷한 포토공정

흔히 포토 리소그래피(Photo Lithography)를 줄여서 포토공정이라고 합니다. 이 공정은 웨이퍼 위에 회로 패턴이 담긴 마스크 상을 빛을 이용해 비춰 회로를 그리기 때문에 붙여진 이름이다. 여기서 패턴을 형성하는 방법은 흑백 사진을 만들 때 필름에 형성된 상을 인화지에 인화하는 것과 유사하다.

 

반도체는 집적도가 증가할수록 칩을 구성하는 단위 소자 역시 미세 공정을 사용해 작게 만들어야 하는데 미세 회로 패턴 구현 역시 전적으로 포토 공정에 의해 결정되기 때문에 집적도가 높아질수록 포토 공정 기술 또한 세심하고 높은 수준의 기술을 요하게 된다.

 

웨이퍼에 회로 패턴을 만드는 준비 단계

그럼 본격적으로 포토공정이 어떻게 이루어지는지 알아보자. 먼저 컴퓨터 시스템(CAD, computer-aided design)을 이용해 웨이퍼에 그려 넣을 회로를 설계합니다. 전자회로 패턴(Pattern)으로 설계되는 이 도면에 엔지니어들이 설계한 정밀회로를 담으며, 그 정밀도가 반도체의 집적도를 결정한다.

 

사진 원한 역할을 하는 포토마스트 만들기

포토마스크(Photo Mask)

설계된 회로 패턴은 순도가 높은 석영(Quartz)을 가공해서 만든 기판 위에 크롬(Cr)으로 미세회로를 형상화해 포토 마스크(Photo Mask)로 재탄생하게 된다. 마스크(Mask)는 Reticle이라고도 부르는데, 이것은 회로 패턴을 고스란히 담은 필름으로 사진 원판의 기능을 하게 되는데 마스크는 보다 세밀한 패터닝(Patterning)을 위해 반도체 회로보다 크게 제작되며, 렌즈를 이용하여 빛을 축소해 조사하게 된다.

 

본격 포토공정, 웨이퍼를 인화지로 만드는 감광액 도포

이제 웨이퍼에 그림을 그릴 준비가 완료되었다. 다음 단계는 웨이퍼 표면에 빛에 민감한 물질인 감광액(PR, Photo Resist)을 골고루 바르는 작업이다. 이 작업이 사진을 현상하는 것과 같이 웨이퍼를 인화지로 만들어줍니다. 보다 고품질의 미세한 회로 패턴을 얻기 위해서는 감광액 막이 얇고 균일해야 하며 빛에 대한 감도가 높아야 한다.

 

빛을 통해 웨이퍼에 회로를 그려 넣는 노광

감광액(PR) 막을 형성해 웨이퍼를 사진 인화지와 비슷한 상태로 만든 후에 노광 장비를 사용해 회로 패턴이 담긴 마스크에 빛을 통과시켜 웨이퍼에 회로를 찍어냅니다. 이 과정을 노광(Stepper Exposure)이라고 한다. 반도체 공정에서의 노광은 빛을 선택적으로 좌하는 과정을 말한다.

 

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반도체 관련 뉴스를 보다보면 나오는 노광장비 업체 ASML이 바로 이 노광에 필요한 장비를 제작한다.

삼성과 TSMC를 애태우는 '슈퍼 을', ASML의 기술은? - Byline Network

 

회로 패턴을 형성하는 현상 공정

포토공정의 마지막 단계는 현상(Develop)으로 일반 사진을 현상하는 과정과 동일하다. 이 과정에서 패턴의 형상이 결정되기 때문에 매우 중요하다. 현상 공정은 웨이퍼에 현상액을 뿌려 가며 노광 된 영역과 노광 되지 않은 영역을 선택적으로 제거해 회로 패턴을 형성하는 공정이다.

 

웨이퍼 위에 균일하게 입혀진 감광액은 빛에 어떻게 반응하는가에 따라 양성(Positive) 혹은 음성(Negative)으로 분류된다. 양성 감광액의 경우 노광 되지 않은 영역을 남기고 음성 감광액의 경우 노광된 영역만 남겨 사용하게 된다.

 

현상 공정까지 마치게 되면 모든 포토고정이 마무리 된 것이다. 각종 측정 장비와 광학 현미경 등을 통해 패턴이 잘 그려졌는지 꼼꼼하게 검사한 후, 이를 통과한 웨이퍼만이 다음 공정으로 넘어간다.

 

출처

[반도체 8대 공정] 4탄, 웨이퍼에 회로를 그려 넣는 포토공정