(포토리소그래피) Manufacturing Processes - Photolithography

1. 포토리소그래피의 개요

포토리소그래피(Photolithography)는 원하는 회로설계를 유리판 위에 금속패턴으로 만들어 놓은 마스크(mask)라는 원판에 빛을 쬐어 생기는 그림자를 웨이퍼 상에 전사시켜 복사하는 기술이며, 반도체의 제조 공정에서 설계된 패턴을 웨이퍼 상에 형성하는 가장 중요한 공정이다. 본래 리소그래피는 석판화 기술로서 인쇄기술로 쓰이다가 현재는 반도체 노광공정 기술을 통칭하는 이름으로 쓰이고 있으며, 반도체 소자의 고직접화에 가장 핵심적인 역할을 하고 있다.

그림에서 보듯이 3차원 구조물인 꽃가루를 반도체 소자는 3차원 구조물이지만 CAD 등의 software로 복잡한 구조를 각각의 높이에 따라 2차원적인 레이어로 나누어 회로설계가 가능하다. 이러한 2차원 회로를 펜으로 일일이 그린다면 아주 많은 시간이 소요되겠지만, 그림에서 삽화로 표현했듯이 마스크라는 하나의 원판을 정확하게 제작한 후 빛을 사용하여 같은 모양의 패턴을 반복하여 복사하면 짧은 시간에 소자의 대량 생산이 가능하다. 물론 포토리소그래피 공정만으로 차원 구조가 만들어지는 것이 아니라 박막증착과 식각 등 여타 단위공정과 조합하여야 가능하며, 리소그래피 공정을 통해서는 선택적인 보호막을 형성하여 부분적인 식각이 가능하게 한다.

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1980년대 중반 이후 포토 리소그래피는 머지않아 한계에 부딪히게 될 것이라고 예상되어 왔으나, 새로운 기술의 개발로 그 한계를 극복해 왔다. 회로 패터닝에 있어 근본적으로 부딪히게 되는 제한요인은 리소그래피에 사용되는 빛의 파장으로, 0.8㎛ 이상의 선폭을 갖는 회로의 경우에는 수은램프(파장=365nm)를 사용하였으나, 그 이하의 선폭을 패터닝하기 위해서는 새로운 광원이 필요하게 된다.

- KrF (Kripton Fluoride) 엑시머 레이저(파장=248nm)를 이용하여 0.13㎛ 공정이 가능해졌으며, 90nm이하의 공정이 필요해짐에 따라 ArF (Argon Fluoride) 엑시머 레이저(파장=193nm)가 사용되었다.

- ArF 엑시머 레이저보다 더 짧은 파장을 이용하기 위해서는 불소 엑시머 레이저 (파장=157nm)를 사용하여야 하나, 렌즈 시스템의 개구수(numerical aperture)1)가 낮아지는 등의 다양한 문제가 발생하였다.