반도체 공정(2) – 포토리소그래피의 원리와 응용

반도체 제조에서 가장 핵심적인 공정 중 하나는 **포토리소그래피(Photolithography)**입니다. 이 공정은 웨이퍼 위에 정밀한 미세 회로 패턴을 형성하는 과정으로, 반도체 칩의 성능과 집적도를 결정하는 중요한 기술입니다.

 

반도체 회로가 점점 더 미세화(7nm, 5nm, 3nm)되면서 포토리소그래피 기술의 발전이 필수적이 되었으며, EUV(극자외선) 리소그래피 같은 최첨단 기술이 개발되고 있습니다.

 

이번 글에서는 포토리소그래피 공정의 원리, 주요 기술, 응용 분야 및 최신 트렌드를 자세히 살펴보겠습니다.

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1. 포토리소그래피(Photolithography)란?

포토리소그래피는 빛을 이용하여 웨이퍼 표면에 회로 패턴을 형성하는 공정입니다.

 

🔹 반도체 웨이퍼 위에 **감광제(포토레지스트, Photoresist)**를 도포
🔹 **광원(Excimer Laser, EUV 등)**을 이용해 웨이퍼에 회로 패턴을 노광(Exposure)
🔹 현상(Development) 과정을 통해 필요한 회로 패턴만 남김

 

즉, 빛을 이용해 웨이퍼에 원하는 패턴을 정밀하게 새기는 과정이 포토리소그래피입니다.

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2. 포토리소그래피의 공정 단계

포토리소그래피는 웨이퍼 위에 원하는 회로 패턴을 형성하는 과정으로 다음과 같은 주요 단계를 포함합니다.

1) 포토레지스트 도포 (Coating)

• 웨이퍼 표면에 얇은 감광제(포토레지스트, Photoresist) 층을 균일하게 도포
• 포토레지스트는 빛(자외선, EUV)에 반응하는 물질
• 스핀 코팅(Spin Coating) 방식을 사용하여 균일한 두께로 도포

2) 소프트 베이킹 (Soft Baking)

• 포토레지스트가 제대로 부착되도록 저온에서 건조(Baking)하여 고정
• 이후 노광 공정에서 패턴이 선명하게 형성될 수 있도록 준비

3) 노광 (Exposure)

• 빛(Deep UV, EUV 등)을 사용하여 마스크(Mask) 패턴을 포토레지스트에 노출
• 웨이퍼 위에 마스크(Photomask)를 올려놓고 빛을 투과시켜 특정 영역에만 패턴을 형성
• 사용되는 광원의 종류에 따라 해상도가 결정됨 (DUV, EUV 등)

4) 현상 (Development)

• 노광된 포토레지스트를 현상액(Developer)으로 제거
• 포지티브(Positive) 레지스트: 빛을 받은 부분이 제거됨
• 네거티브(Negative) 레지스트: 빛을 받지 않은 부분이 제거됨

5) 에칭 (Etching)

• 포토레지스트로 보호되지 않은 웨이퍼 부분을 식각(Etching)하여 회로 패턴 형성
• 건식(Dry Etching) 또는 습식(Wet Etching) 방식 사용

6) 포토레지스트 제거 (Strip & Cleaning)

• 더 이상 필요 없는 포토레지스트를 플라즈마(Plasma) 또는 화학 용액으로 제거
• 웨이퍼 세정을 통해 불순물을 제거하고 다음 공정을 준비

이와 같은 단계를 통해 웨이퍼 표면에 초미세 반도체 회로가 형성됩니다.

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3. 포토리소그래피의 주요 기술

포토리소그래피에서 중요한 요소는 광원의 종류, 해상도, 패턴 형성 방식입니다.

1) 광원의 종류

포토리소그래피에서 사용하는 광원은 파장이 짧을수록 더 미세한 패턴을 구현 가능합니다.

광원

파장(㎚)

사용 공정

KrF (불화크립톤 레이저)	248nm	130nm~90nm 공정
ArF (불화아르곤 레이저)	193nm	65nm~28nm 공정
ArF 액침 리소그래피	193nm (액침)	20nm~10nm 공정
EUV (극자외선 리소그래피)	13.5nm	7nm 이하 공정

🔹 193nm ArF 액침 리소그래피: 10nm 이하 패턴 구현 가능
🔹 EUV 리소그래피(Extreme Ultraviolet, 극자외선): 7nm 이하 공정에서 사용되는 최첨단 기술

2) 멀티 패터닝 기술 (Multi-Patterning)

• 단일 리소그래피 공정으로 미세한 회로를 형성하기 어려울 경우, 여러 번 패턴을 겹쳐서 제작하는 기술
• 더블 패터닝(Double Patterning), 쿼드러플 패터닝(Quadruple Patterning) 방식 사용

3) EUV 리소그래피 (Extreme Ultraviolet Lithography)

• 기존 DUV(Deep UV)보다 짧은 13.5nm 파장을 사용하여 더 미세한 공정 가능
• 7nm 이하 반도체 공정에서 필수적인 기술
• 삼성전자, TSMC, 인텔 등이 EUV 공정을 도입하여 최첨단 반도체 생산

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4. 포토리소그래피의 응용 분야

포토리소그래피는 다양한 산업에서 활용되며, 특히 반도체, 디스플레이, 바이오센서 분야에서 중요한 역할을 합니다.

1) 반도체 제조

• CPU, GPU, DRAM, NAND 플래시 등 모든 반도체 칩 제조에 필수적인 공정
• 최신 EUV 리소그래피를 통해 5nm, 3nm 공정 반도체 생산 가능

2) 디스플레이 패널 제조

• OLED, LCD 패널 제작 시 박막 트랜지스터(TFT) 회로 패턴 형성에 활용
• 고해상도 디스플레이 구현을 위한 정밀 공정 필요

3) MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)

• 초소형 센서 및 마이크로 기계 구조체 제작에 사용
• 자율주행차, 스마트폰, IoT 기기에서 활용

4) 바이오센서 및 광학 소자

• 유전자 분석 칩, 광학 센서, 의료용 반도체 제조

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5. 포토리소그래피 기술의 최신 트렌드

🔹 EUV 리소그래피 확대 – 3nm 이하 공정에서 필수적인 기술로 자리 잡음
🔹 하이-NA(High Numerical Aperture) EUV 개발 – 2nm 이하 반도체 공정을 위해 연구 중
🔹 나노임프린트 리소그래피(Nanoimprint Lithography, NIL) 연구 – 차세대 대체 기술로 주목
🔹 3D 반도체 공정 적용 확대 – 포토리소그래피를 활용한 3D 적층 기술 연구

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6. 결론 – 포토리소그래피의 미래와 반도체 공정 혁신

🔹 포토리소그래피는 반도체 공정에서 가장 중요한 핵심 기술
🔹 EUV 리소그래피 도입으로 7nm 이하 초미세 반도체 제조 가능
🔹 AI, 자율주행, 클라우드 컴퓨팅, 5G 등의 발전과 함께 지속적인 기술 혁신이 필요

 

반도체 미세공정이 2nm, 1.5nm 수준까지 진화하면서, 포토리소그래피 기술은 더욱 정밀하고 복잡한 패턴을 구현하는 방향으로 발전할 것입니다.

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