포토리소그래피(포토 공정)란? 칩의 패턴은 어떻게 ‘찍어’ 낼까

포토리소그래피(photolithography)는 빛을 이용해 칩의 회로 패턴을 웨이퍼에 ‘찍는’ 단계다. 업계에서는 흔히 줄여서 포토라고 하며, 대만 팹에서는 말 그대로 ‘노란 빛’이라 부른다. 방법은 예전에 암실에서 사진을 인화하던 것과 매우 비슷하다. 먼저 웨이퍼에 빛에 반응하는 막을 바르고, 회로가 그려진 ‘필름’을 통해 빛을 비춘 다음, 빛을 받은 부분(또는 받지 않은 부분)을 씻어 내면 패턴이 남는다. 칩 위의 선 하나하나, 스위치 하나하나의 위치가 모두 이렇게 한 층씩 찍혀 나온다.

왜 ‘찍는’ 방식을 쓸까?

휴대폰 칩 하나에는 백억 개가 넘는 스위치가 있고, 가장 가는 선은 머리카락보다 천 배 이상 가늘다. 이런 것은 한 줄씩 그릴 수 없고, 통째로 한꺼번에 만들 수밖에 없으며, 웨이퍼마다 똑같이 만들어야 한다.

빛이 바로 그 일을 해낸다. 사진을 찍을 때 셔터를 누르면 장면 전체가 한 번에 필름에 남는 것과 같다. 영어 lithography는 원래 ‘석판 인쇄’를 뜻하고(litho는 그리스어로 ‘돌’), 앞에 photo(빛)를 붙이면 ‘빛으로 찍는다’는 뜻이 된다.

어떤 세 가지를 준비해야 할까?

• 포토레지스트(PR): 빛에 반응하는 막으로, 빛을 받은 곳은 성질이 바뀐다. 필름의 감광층과 같다.
• 포토마스크: 노광에 쓰는 ‘필름’이다. 아주 평평한 유리판(대개 석영) 위에 빛을 막는 얇은 막이 회로 모양으로 그려져 있다. 막이 있는 곳은 빛을 막고, 없는 곳은 빛을 통과시킨다. 칩의 층마다 각자의 포토마스크를 쓴다.
• 노광 장비: 빛이 포토마스크를 지나 웨이퍼에 닿게 하는 장비다.

포토레지스트가 반응하는 것은 청색광과 자외선이어서, 이 일을 하는 구역의 조명은 노란색이다. 왜 노란색인지는 ‘포토 구역은 왜 노란색일까?’에 썼으니 여기서는 다시 다루지 않는다.

포토리소그래피의 단계는?

1. 포토레지스트 도포: 웨이퍼 중심에 포토레지스트를 조금 떨어뜨리고 웨이퍼를 고속으로 회전시키면, 남는 것은 밖으로 날아가고 얇고 균일한 층만 남는다. 두께는 약 1μm 또는 그보다 얇아, 머리카락 굵기의 수십분의 1 이하다. 도포 후에는 먼저 한 번 구워 안의 용제를 날려 보내야 막이 안정된다.
2. 노광: 노광 장비가 빛을 포토마스크에 통과시켜 비춘다. 빛이 통과하는 곳에서는 빛을 받은 포토레지스트의 성질이 바뀌고, 빛이 막힌 곳은 그대로다. 이때는 아직 패턴이 보이지 않는다. 찍기만 하고 아직 인화하지 않은 필름과 같다.
3. 현상: 먼저 핫플레이트에서 한 번 더 굽고(노광 후 베이크, PEB) 포토레지스트 안의 반응을 마무리한 다음, 약액으로 씻어 낸다. 빛을 받은 곳이 씻겨 나가는 포토레지스트도 있고, 반대로 빛을 받은 곳만 남는 것도 있다. 웨이퍼 위에 남은 포토레지스트가 곧 패턴이다. 이 단계를 현상이라 한다.
4. 검사: 선이 얼마나 넓게 찍혔는지(선폭), 아래층과 얼마나 정확히 맞는지, 결함은 없는지 측정한다.
5. 식각으로 넘기기: 포토레지스트가 덮은 곳은 보호되고, 덮이지 않은 곳은 식각으로 재료를 깎아 낸다. 식각이 끝나면 남은 포토레지스트를 제거하고, 이로써 이 층의 패턴이 실제로 웨이퍼에 새겨진다. 식각이 아니라 이온 주입으로 넘기는 층도 있다. 포토레지스트가 막은 곳에는 원자가 들어가지 못하고, 열린 곳에만 주입된다. 식각이 무엇을 하는지는 ‘식각이란?’, 다른 구역은 ‘반도체 공장의 7개 공정 구역은 각각 무슨 일을 할까?’를 참고하자.

포토레지스트 도포, 베이크, 현상은 보통 한 대의 트랙(코터·디벨로퍼)에서 한다. 트랙은 노광 장비와 연결되어 있어, 웨이퍼가 두 장비 사이를 알아서 오간다.

노광 장비는 어떻게 찍을까? 축소판 도장 찍기

포토마스크의 패턴은 보통 실제의 4배 크기로 그린다. 노광 장비는 렌즈 한 세트로 이를 축소해 웨이퍼에 투영하므로, 포토마스크의 작은 오차도 함께 축소된다.

노광 장비는 한 번에 작은 칸 하나만 찍는데, 이 칸을 샷(노광 영역)이라 한다. 한 변이 2~3cm 정도이며, 그 안에 칩이 하나 또는 여러 개 들어 있다. 한 칸을 찍으면 웨이퍼가 조금 움직이고 다음 칸을 찍는다. 같은 도장 하나로 종이에 한 칸씩 빈틈없이 찍어 나가는 것과 같다.

같은 ‘도장’이기 때문에, 포토마스크에 얼룩이 하나만 있어도 모든 샷의 같은 위치에 같은 점이 찍혀, 웨이퍼 한 장의 많은 칩이 한꺼번에 불량이 될 수 있다. 그래서 포토마스크는 정기적으로 검사하고, 그 위에 투명한 보호막(펠리클)도 붙인다. 먼지가 보호막 위에 떨어지면 패턴에서 몇 mm 떨어져 있어 초점이 맞지 않으므로, 대부분 찍히지 않는다.

왜 한 층씩 수십 번 되풀이할까?

칩은 한 번에 만들어지지 않는다. 건물을 짓는 것과 비슷하다. 맨 아래는 트랜지스터, 즉 스위치이고, 그 위로 금속 배선이 한 층씩 올라가 스위치들을 연결한다. 건물 층마다 지나가는 배관과 같다. 스위치가 무엇인지는 ‘트랜지스터란?’에서 읽을 수 있다.

층마다 모양이 다르므로, 층마다 먼저 재료를 한 층 입히고, 포토 공정으로 그 층의 패턴을 찍은 다음, 그대로 깎아 낸다. 단순한 칩은 10층 안팎, 복잡한 칩은 수십 층이며, 층마다 각자의 포토마스크를 쓴다. 웨이퍼 한 장은 완성되기 전까지 포토 구역에 수십 번 돌아온다.

층마다 정렬해야 한다: 오버레이란?

컬러 인쇄를 떠올려 보자. 색마다 한 번씩 찍는데, 한 번이라도 비뚤어지면 색이 테두리 밖으로 삐져나간다. 칩은 더 엄격하다. 위층의 배선이 아래층의 스위치에 정확히 닿아야 한다. 조금만 어긋나도 이어져야 할 곳은 이어지지 않고, 닿으면 안 될 곳끼리 닿는다.

이번 층이 아래층과 얼마나 정확히 맞는지를 오버레이라 한다. 노광 전에 노광 장비는 먼저 웨이퍼에 앞선 층들이 남긴 정렬 마크를 찾아, 웨이퍼 전체가 얼마나 밀렸고 얼마나 회전했는지 계산한 다음 샷마다 어디에 찍을지 정한다. 허용되는 어긋남은 회로에서 가장 가는 선 폭의 몇 분의 1에 불과하다. 로트마다 노광을 마치면 오버레이를 측정하고, 어긋난 것이 측정되면 노광 장비를 조정해 다음 로트에서 보정한다.

얼마나 가늘게 찍을 수 있는지는 무엇에 달렸을까?

주로 빛의 파장에 달려 있다. 빛을 펜이라고 생각하면 된다. 파장이 짧을수록 펜촉이 가늘어 더 가는 선을 그릴 수 있다. 그래서 수십 년 동안 노광에 쓰는 빛은 계속 짧은 쪽으로 바뀌어 왔다. 청자색 빛, 자외선을 거쳐 지금 흔히 쓰는 심자외선은 파장이 193nm다. 여기에 더 좋은 렌즈와 여러 기법을 더하면 폭이 수십 nm에 불과한 선을 찍을 수 있다.

가장 앞선 것은 극자외선으로, 파장이 13.5nm에 불과해 공기마저 이 빛을 흡수한다. 그것은 전혀 다른 종류의 장비다(‘EUV란?’ 참고). 뉴스에 나오는 ‘몇 nm’가 무슨 뜻인지는 뉴스에서 말하는 ‘2나노’에서 읽을 수 있다.

잘못 찍으면 다시 할 수 있을까?

할 수 있다. 이것이 포토 공정이 다른 공정과 가장 다른 점이다. 현상한 뒤에도 패턴은 아직 포토레지스트에만 있고, 그 아래 재료는 조금도 건드리지 않은 상태다. 이때 선폭이 틀리거나, 오버레이가 규격을 벗어나거나, 결함이 보이면 포토레지스트를 통째로 벗겨 내고 다시 도포하고, 다시 노광하고, 다시 현상한다. 이를 리워크라 한다.

일단 식각에 들어가 재료가 깎여 나가면 되돌릴 수 없다. 그래서 포토 공정 직후의 계측은 라인 전체에서 가장 중요한 관문 중 하나다. 리워크에도 대가가 있다. 웨이퍼가 한 번 더 돌아야 하고, 몇 시간을 더 기다려야 한다.

fab24hr에서는

fab24hr에서 ‘출근’을 누르고 ‘직장인의 하루’를 고른 뒤, ‘오늘 나는’ 카드에서 포토 쪽 역할을 고를 수 있다. 포토 엔지니어(양산 팹 › 공정 › 포토)로 플레이하면, 오전 근무에는 한 로트의 오버레이가 규격을 벗어났는데 다음 공정이 바로 식각이라, 리워크할지 그대로 진행할지 정해야 한다. 오후 근무에는 트랙 장비의 PM이 끝난 뒤 나온 웨이퍼의 선폭이 한쪽은 넓고 한쪽은 좁아, 어느 웨이퍼를 리워크할지 골라야 한다. 저녁 근무에는 현상 후 검사에서 사진 한 장이 올라온다. 모든 샷의 같은 위치에 같은 점이 있다. 포토마스크 문제다. 노광 장비를 멈추고 마스크를 바꿀지, 일단 표시해 두고 오늘 밤 로트를 끝까지 돌릴지 정해야 한다.

같은 구역에는 포토 장비 엔지니어도 있어, 한밤중에 노광 장비가 정렬 마크를 찾지 못해 멈춘다. 마스크 엔지니어는 팹의 포토마스크를 돌본다. 입고, 검사, 펠리클, 세정 의뢰까지 맡는다. R&D 라인의 포토 개발 공정 엔지니어는 새 층의 노광 포커스(빛이 한 점으로 모이는 곳)와 노광량(빛을 얼마나 비추는지)를 찾아낸다. 이 역할들에는 모두 Beta 표시가 붙어 있다. 게임 속 회사, 인물, 장비 번호, 숫자는 모두 가상이다. 포토리소그래피가 무엇을 하는지, 왜 정렬해야 하는지, 왜 리워크할 수 있는지는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼다. 다른 전문 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.