[반도체 공정] Photolithography 공정, 노광 공정 그리고 PhotoResist(PR)에 대하여 & EUV 장비는 무엇인가?

반도체 8대 공정을 쭉 나열해보고 그 중에 가장 중요한 공정이 무엇인가 굳이 꼽으라면 아마 노광 공정(Photo Lithography)공정을 꼽는 사람이 많을겁니다. 증착(Deposition)을 하고 또 박막을 깎아내는 식각(Etching)을 반복하면서 결국 만들어야하는 것은 결국 설계한 패턴 마스크를 구현하기 위한 반복 공정이죠. 결국 미세한 반도체 소자를 만들기 위해서는 무엇보다 우수한 노광 장비가 필요합니다. 제한 된 Wafer 공간 위에 더 많은 Transistor와 같은 소자들을 집적하여 생산능력과 전력 효율을 높이기 위해서는 결국 극도로 미세한 회로를 새겨 넣는 노광 공정이 굉장히 중요하기 때문이죠.

Photolithography 장비의 발전

Photolithography 노광 장비는 결국 매우 짧은 단파장을 가지는 빛을 쏘아서 패턴을 새기는 과정이라고 일축해서 말할 수 있습니다. 그리고 박막 위에는 PR(Photo Resist)라는 빛에 민감한 화학물질을 도포하여 빛에 노출된 영역이 제거되거나 혹은 오히려 결합력이 강해져 제거되지 않도록 만들 수 있죠. 결국 빛을 쏘아서 원하는 마스크 패턴을 옯겨는 Tranfering 과정이기 때문에 더 짧은 파장의 빛을 사용하는 방향으로 노광 장비의 발전이 이루어져오고 있습니다. 

UV Wavelength [nm]	Wavelength Name	UV Emission Source
436	g-line	Mercury arc lamp
405	h-line	Mercury arc lamp
365	i-line	Mercury arc lamp
248	Deep UV (DUV)	KrF excimer laser
193	Depp UV (DUV)	ArF excimer laser
193	Depp UV (DUV)	ArF immersion
13.5	Extreme UV (EUV)

최근에는 알다시피 EUV라는 노광 장비가 그 어느때보다 각광받고 있는 요즘입니다. 
기존에 사용을 하고 있던 불화아르곤(ArF) 광원보다도 파장이 훨씬 더 짧기 때문에 굉장히 미세한 효과를 패터닝하는데 뛰어나죠. 기존에는 ArF의 노광 장비를 활용하면서 더 미세한 패터닝을 하기 위해서 SDP, QDP와 같은 공정 방식을 사용하여 여 미세 패터닝 작업을 해왔었는데 그만큼 수없이 많은 공정을 거쳐야한다는 의미기 때문에 EUV의 도입은 굉장한 공정 시간 단축을 가져오기도 했죠. 

삼성전자, TSMC, SK Hynix 와 같은 반도체 회사들이 EUV 장비를 선점하기 위해 경쟁하는 것도 EUV 자체가 가져오는 공정적인 이점이 너무나도 크기 때문입니다. 실제로 TSMC는 삼성전자보다 2배 이상 많은 EUV 장비를 가지고 있고 있다고 알려져 있고 2024년기준으로 TSMC의 EUV 장비 보유량은 160대가 넘을거라는 예측이 있습니다. 삼성전자는 40~50대에 그치죠. EUV 장비의 가격도 사실 만만치가 않습니다. 한 대당 가격이 5,000억이 넘기도 하고 제조 업체인 ASML의 연간 생산 대수가 5대에 불과하기 때문이죠. 회사들의 EUV 장비 확보를 위한 경쟁을 눈여겨 보는 것도 꽤나 흥미로운 뉴스거리입니다. 

Lithography 공정 단계

Lithography 공정은 워낙 잘 알려져 있고 반도체를 전공하시는 분들이라면 익히 잘 알고 계실거기 때문에 간략하게만 소개하도록 하겠습니다. 

PR Spin Coating → Soft Bake → Alignment & Exposure → PEB(Post Exposure Bake) → Development → Hard Bake  

정도의 순서라고 볼 수 있습니다.

과정은 조금 변할 수 있지만, PR을 도포하고 노광을 하고 Develop을 하는 메인 순서만 기억하고 계시면 될 것 같습니다.
그 이후의 과정은 Etching을 하거나 Deposition을 하거나 Ion Implantation 등과 같은 후속 공정들이 이어지면서 원하는 패턴과 구조물을 쌓아가는 과정을 반복해서 거치게 됩니다. 

PR의 종류와 원리

PR에는 2가지 종류가 있습니다.
빛을 받았을 때, 제거 되는 Positive PR
빛을 받았을 때, 오히려 단단해지는 Negative PR

느낌 상, negative가 빛을 받으면 제거 될 것 같지만 오히려 그 반대이기 때문에 저는 positive가 빛을 받으면 제거 될 것 같지만~ 사실은 그 반대로 결합이 강해져서 제거되지 않는다! 라고 외웠던 것 같습니다.

PR은 3가지 정도의 물질로 이루어져 있습니다. 사실은 더 많겠지만, PR의 화학적인 특성을 갖게 하는 메인 3 요소에 대해서만 설명을 드리겠습니다. 

Polymer
: Radiation에 노출되면 구조를 바꿈

Sensitizer
: polymer phase에서 photochemical reaction을 조절함 (UV 빛과 반응)

Solvent
: wafer 표면에 thin layer로 도포 될 수 있도록 용액화 시켜 줌

그러면, Positive PR과 Negative PR이 어떻게 반응을 하여 두 가지의 다른 화학적인 반응을 하게 되는지 알아보겠습니다. 

Positive PR ( 빛을 받으면 제거 )

Positive PR은 Novolak이 용매에 혼합 된 상태로 존재를 합니다. 그리고 강력한 용해 억제제로 작용하는 광활성 화합물인 DNQ(Diazonaphthoquinone)이 추가가 되어있죠. 이때, Positive PR이 노광되게 된다면 DNQ가 광화학적으로 분해되면서 Carboxylic acid를 형성하게 됩니다. 이때 생성된 Carboxylic acid가 novolak의 용해를 촉진하여, 노출된 영역에서 레지스트가 현상액에 용해되게 됩니다. 

결과적으로 Positive PR은 노출된 영역이 용해되어 사라지는 것이죠.

Negative PR ( 빛을 받으면 견고해짐 ) 

Negative PR은 Polystyrene rubber Polymer가 용매에 혼합된 상태로 존재되어 있습니다. 이때, 노광되게 되면 Photoactive sensitizer가 N2(질소)를 방출하게 됩니다. 이때 방출된 질소가 Radical을 형성하게 되는데, 이 Radical이 rubber polymer를 교차 결합시켜 resist를 경화시키게 됩니다. 

결과적으로 Negative PR은 노출된 영역이 견고해져서 Develop 단계에서 용해되지 않게 됩니다. 그 외의 영역이 용해되는 것이죠.