193nm 빛으로 어떻게 수십 nm 선을 찍을까? 액침 노광과 멀티 패터닝

193nm 심자외선(DUV)으로 수십 nm 선을 찍을 수 있는 것은 파장 덕분만이 아니다. 네 가지가 더 있다. 렌즈가 얼마나 비스듬한 빛까지 받아들이는가(개구수), 렌즈와 웨이퍼 사이에 물 한 층을 넣는 것(액침 노광), 너무 촘촘한 층을 두세 번에 나눠 찍는 것(멀티 패터닝), 그리고 포토마스크의 패턴을 미리 보정해 두는 것이다. 액침 노광은 이머전 노광이라고도 하며, 영어로는 immersion lithography다. 193nm 빛은 불화아르곤(ArF) 엑시머 레이저에서 나오므로 ArF 액침이라고도 부른다. 멀티 패터닝은 영어로 multiple patterning이며, 다중 패터닝이라고도 한다.

리소그래피의 기본 단계는 ‘포토리소그래피(포토 공정)란?’, 마스크 패턴 보정은 ‘OPC란?’에서 다룬다. 이 글은 나머지 세 가지를 다룬다.

빛이 선보다 굵은데 어떻게 찍을 수 있나?

빛이 포토마스크의 아주 좁은 틈을 지나면 양옆으로 퍼진다. 이를 회절이라 하며, 틈이 좁을수록 더 비스듬하게 퍼진다. 노광 장비의 렌즈는 퍼진 빛을 다시 모아 웨이퍼 위에 패턴을 재구성해야 하는데, 패턴의 가장 미세한 부분은 가장 비스듬하게 퍼진 빛에 담겨 있다.

그래서 파장 외에도 렌즈가 얼마나 비스듬한 빛까지 받아들일 수 있는지가 중요하다. 이를 개구수(NA, numerical aperture)라 하며, 클수록 더 비스듬한 빛을 모은다.

교과서에서는 찍을 수 있는 최소 크기가 대략 ‘계수 × 파장 ÷ 개구수’라고 설명한다. 계수는 공정의 역량(빛을 어떻게 비추는지, 포토레지스트(PR)가 얼마나 좋은지)에 달려 있다. 한 번 노광할 때 이론상 최저치는 0.25이고, 양산에서는 늘 이보다 조금 크다. 여기서 ‘최소 크기’란 선과 빈 공간의 폭이 같고 촘촘히 늘어서 있을 때 선 하나의 폭을 말한다.

렌즈와 웨이퍼 사이가 공기면 왜 부족한가?

기존의 건식(dry) 노광 장비는 렌즈의 마지막 한 장과 웨이퍼 사이가 공기다. 빛이 유리에서 공기로 비스듬히 나갈 때, 어느 각도를 넘으면 빠져나가지 못하고 전부 반사되어 돌아온다. 물속에서 수면을 비스듬히 올려다보면 수면이 거울처럼 보이는 것과 같다. 그래서 공기 중에서는 개구수가 반드시 1보다 작고, 가장 좋은 건식 장비가 약 0.93까지 도달했다.

식에 넣으면 0.25 × 193 ÷ 0.93은 약 52nm로, 건식 노광 한 번의 이론적 한계다.

물 한 층을 넣으면 왜 나아지나?

굴절률은 빛이 어떤 물질 속에서 얼마나 느리게 나아가는지로 생각하면 된다. 공기는 1이고, 193nm 빛에 대해 물은 약 1.44다. 렌즈와 웨이퍼 사이를 물로 채우면, 원래 반사되어 돌아가던 비스듬한 빛이 물속으로 들어가 웨이퍼에 닿을 수 있다. 개구수는 1보다 커질 수 있고, 최고 약 1.35까지 올라간다.

물속에서 빛의 파장은 원래의 1 ÷ 1.44로 줄어들어, 193nm가 약 134nm가 된다. ‘유효 파장’이 짧아진 것이다.

계수가 같을 때 개구수가 0.93에서 1.35로 커지면 찍을 수 있는 선이 약 30% 가늘어진다. 0.25 × 193 ÷ 1.35는 약 36nm다. 양산에서 한 번 노광으로는 40nm 안팎까지 구현한다. 액침 노광은 2000년대 중반부터 양산에 쓰였다.

액침 노광은 단계마다 무엇을 주의해야 하나?

물 덕분에 더 가는 선을 얻었지만, 챙겨야 할 것도 몇 가지 늘었다.

1단계: 포토레지스트 위에 보호막을 먼저 올린다

• 하는 일: 포토레지스트를 도포한 뒤(‘포토레지스트란?’ 참고) 그 위에 아주 얇은 보호막(top coat)을 한 번 더 바르는 경우가 많다. 표면이 스스로 소수성(물을 밀어내는 성질)을 띠게 되는 포토레지스트를 쓰기도 한다.
• 이유: 포토레지스트가 물에 잠기면 안의 성분이 물로 조금 녹아 나오고, 물도 포토레지스트 속으로 스며든다.
• 하지 않으면: 포토레지스트의 감광 특성이 바뀌어 선폭이 따라서 틀어지고, 결함도 늘어날 수 있다.

2단계: 물은 렌즈 아래에만 두고, 공급하면서 회수한다

• 하는 일: 렌즈 아래에 고리 모양의 후드가 있어, 초순수를 렌즈와 웨이퍼 사이의 좁은 틈으로 계속 공급하고 바깥쪽 고리에서 빨아들인다.
• 이유: 노광 중에는 웨이퍼 스테이지가 렌즈 아래를 고속으로 움직이며 한 샷씩 찍는다. 물을 렌즈 아래의 작은 영역에만 머물게 해야 밖으로 튀어 나가지 않는다.
• 하지 않으면: 물이 있어서는 안 될 곳으로 흘러가 웨이퍼와 장비에 물방울과 오염이 남는다.

3단계: 물은 아주 순수하고 안정적이어야 하며, 기포가 없어야 한다

• 하는 일: 용존 가스를 제거한 초순수를 쓰고(‘초순수는 얼마나 순수할까?’ 참고), 온도를 매우 안정적으로 제어한다.
• 이유: 기포와 미립자는 렌즈에 먼지가 묻은 것처럼 빛을 산란시킨다. 또 물의 굴절률은 온도에 따라 변하므로, 온도가 흔들리면 빛이 초점을 맺는 위치도 따라 흔들린다.
• 하지 않으면: 기포의 그림자가 포토레지스트에 찍혀 결함이 된다. 초점(흔히 포커스라고도 한다)이 어긋나면 패턴이 흐려진다.

4단계: 렌즈가 지나간 자리에 물을 남기지 않는다

• 하는 일: 웨이퍼 표면이 물을 아주 잘 밀어내도록 만들고, 후드가 지나간 자리의 물은 남김없이 회수한다.
• 이유: 웨이퍼 스테이지가 빠를수록 뒤로 작은 물방울이 끌려 나오기 쉽다. 표면이 물을 잘 밀어낼수록 물이 스테이지를 잘 따라온다.
• 하지 않으면: 작은 물방울이 마르면서 워터마크를 남기고, 그 자리의 패턴은 망가진다. 표면이 물을 얼마나 잘 밀어내는지는 장비가 낼 수 있는 속도의 한계도 정한다.

한 번 노광으로도 부족하면?

그보다 더 촘촘한 선은 한 번 노광으로는 서로 분리되지 않는다. 그래서 한 층을 여러 번에 나눠 만드는데, 이것이 멀티 패터닝이다. 흔히 쓰는 방식은 두 가지다.

마스크 두 장으로 나눠 두 번 찍는다

너무 촘촘하게 늘어선 선들을 하나 걸러 하나씩 두 장의 마스크에 나눠 담으면, 마스크마다 선 간격(피치)이 두 배로 넓어져 한 번 노광으로 찍을 수 있다. 첫 번째 마스크로 찍고 식각한 다음, 두 번째 마스크로 찍고 다시 식각한다. 두 그룹의 선을 합치면 선 간격이 절반이 된다. 영어로는 흔히 LELE라고 줄여 부른다.

어려운 점은 정렬이다. 두 번째 노광은 첫 번째에 맞춰 정렬해야 하는데, 조금만 어긋나도 선 사이 공간이 한쪽은 넓고 한쪽은 좁아진다(‘오버레이란?’ 참고).

성긴 선을 먼저 만들고, 옆면의 막을 선으로 쓴다(자기 정렬)

1. 성긴 선을 먼저 한 줄 만든다: 선 간격이 최종적으로 필요한 간격의 두 배라서, 한 번의 노광과 식각으로 만들 수 있다.
2. 웨이퍼 전체에 박막을 고르게 입힌다: 선마다 겉옷을 입히는 것과 같다. 막의 두께가 곧 새 선의 폭이 되므로 아주 균일하게 증착해야 한다(증착은 ‘박막 공정이란?’ 참고).
3. 아래로 식각해 위쪽과 바닥의 막을 걷어 낸다: 각 선의 양옆에 붙은 부분만 남긴다. 덜 식각하면 선 사이가 아직 이어져 있고, 너무 식각하면 양옆의 막도 일부 깎여 나간다.
4. 원래의 선을 제거한다: 양옆의 막이 남아 선 하나가 둘이 되고, 선 간격은 절반이 된다. 새 선은 원래 선을 따라 생기므로 다시 정렬할 필요가 없다. 그래서 자기 정렬(SADP)이라 부른다.
5. 절단용 마스크를 한 장 더 찍는다: 만들어진 선은 끝과 끝이 서로 이어진 채 줄지어 있어, 필요 없는 구간을 잘라 내야 한다. 자르지 않으면 이어지면 안 될 곳이 연결된 채로 남는다.

같은 과정을 한 번 더 하면 선 간격은 4분의 1이 된다.

대가는 무엇인가?

• 마스크가 늘어난다: 가장 찍기 어려운 층에는 마스크가 두 장 이상 필요하다(마스크 한 세트가 왜 비싼지는 ‘포토마스크란?’ 참고).
• 공정 단계가 늘어난다: 노광, 식각, 증착이 한 번 늘 때마다 웨이퍼는 몇 공정을 더 거치고, 그만큼 더 기다리며, 잘못될 기회도 한 번 더 생긴다.
• 정렬이 더 엄격해진다: 여러 번에 걸쳐 만든 패턴을 한 층으로 맞춰야 하므로, 허용되는 어긋남이 한 번에 찍을 때보다 작다.
• 패턴을 마음대로 그릴 수 없다: 너무 가까운 두 패턴은 같은 마스크에 둘 수 없고, 자기 정렬 방식은 평행한 선이 줄지어 있는 형태가 가장 좋다.

가장 미세한 층은 이후 어떻게 됐나?

가장 미세한 몇 개 층은 이후 파장 약 13.5nm의 극자외선으로 바뀌었고, 일부 층은 한 번 노광으로 끝낸다(‘극자외선(EUV)이란?’ 참고). 다른 많은 층은 여전히 193nm 액침 노광을 쓴다. 칩 하나에는 수십 개 층이 있고, 모든 층이 그만큼 미세하지는 않다.

fab24hr에서는

‘출근’을 누르고 ‘직장인의 하루’를 고른 뒤, ‘오늘 나는’ 카드에서 ‘양산 팹’을 누르고 좌우로 넘겨 공정 엔지니어로 간 다음, 이름 아래의 ‘포토’를 누르면 포토 공정 엔지니어가 된다. 오전 근무 ‘정렬 규격 초과’에서는 P-3A08의 오버레이가 규격을 벗어나, 리워크할지 그대로 진행할지 정해야 한다.

클린룸 왼쪽의 포토 구역을 누르고 설명 카드에서 ‘분해해 보기’를 누르면 노광 장비 모델이 나온다. 부품 중 ‘액침 후드’에는 “렌즈 맨 아래 한 장과 웨이퍼 사이는 아주 얇은 초순수 한 층으로만 떨어져 있다.”라고 적혀 있다. ‘작동 보기’를 누르면 마스크와 웨이퍼가 서로 반대 방향으로 함께 스캔하며 한 샷씩 찍는 모습을 볼 수 있다. 홈 화면 ‘학습’ 탭의 ‘노광기’도 같은 장비다. 게임에서는 노광 장비의 개구수를 말하지 않고, 멀티 패터닝도 보여 주지 않는다. 장비 모델은 일반적인 예시이며, 게임 속 회사, 인물, 로트 번호, 숫자는 모두 가상이다. 액침 노광과 멀티 패터닝은 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼다. 다른 전문 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.