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1. 얇은 선을 위해서는 더 얇은 붓으로 그리면 돼!

앞선 포스트에서 우리는 포토 공정(노광공정, Photo Lithography)이 마주한 장애물에 대하여 알아 보았는데요. 빛의 성질에 의한 한계를 근본적으로 해결하는 방안은 결국 파장을 줄이는 것이라는 이야기로 마무리 하였었습니다. 이는 파장의 길이에 따라 회절 현상의 정도가 달라지기 때문인데요. 결국 파장이 짧으면 회절로 퍼져나가는 각도를 줄일 수 있어 포토 공정의 한계를 극복할 수 있다는 것입니다. 그림[1]과 같이 얇은 선을 그리기 위해서는 얇은 붓을 사용하면 되는 것처럼 패터닝의 한계는 짧은 파장을 사용하면 해결할 수 있는 것이죠.

그렇기 때문에 포토 공정은 그림[2]와 같이 더 작은 밑그림 즉, 더 작은 패턴을 그리기 위해 빛의 파장을 줄여가며 발전해 왔습니다.

하지만 더 작은 트랜지스터를 향한 수요에 부응하기 위해서는 ArF(193nm)의 파장도 충분히 짧지는 않았습니다. 그래서 EUV(Extreme Ultra Violet)가 등장하게 되었죠.

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2. EUV(Extreme Ultra Violet)의 출사표

파장의 한계를 극복하기 위해 혜성처럼 등장한 해결사 EUV!
EUV의 가장 큰 특징은 짧은 파장입니다. 정밀한 패터닝을 위해 짧은 파장이 필요 했고 그로 인해 도입된 것이 EUV이니까요.

우리는 그림[3]에서 볼 수 있듯 13.5nm의 굉장히 짧은 파장을 가지고 있는 EUV를 사용합니다.

기존에 사용하던 ArF의 파장이 193nm임을 생각한다면 파장이 13.5nm인 EUV는 굉장한 변화라고 볼 수 있죠. 그럼 이 굉장한 변화의 주인공 EUV를 사용하는 포토 공정의 특징을 한번 자세하게 살펴 볼까요?

A. 강력한 플라즈마가 만드는 짧은 파장

위의 그림[3]을 보면 우리에게 익숙한 무지개색의 빛 영역이 있습니다. 거기에서 파장이 짧아지는 쪽으로 가면 우리의 피부를 타게 만드는 자외선, 근육을 뚫고 지나가는 X-ray, 암세포를 죽일 정도로 강력한 감마선이 등장합니다. 즉 빛의 파장이 짧아 질수록 그 빛이 지닌 에너지가 점점 더 강력해지는 것이죠. 이처럼 파장이 짧은 빛은 큰 에너지를 가지고 있기 때문에 더 짧은 파장의 빛을 만들어 낼 때에는 평소보다 많은 에너지가 필요합니다. 홈런을 위해 야구공을 더 멀리, 빠르게 보내고 싶다면 배트를 보다 더 강하게 휘둘러야 하는 것처럼 말이죠. 그러나 기존의 DUV 빛을 만들 때 사용하던 레이저는 우리가 원하는 짧은 파장을 만들기에 에너지가 충분하지 않았죠. 그래서 EUV는 그림[4]처럼 고 에너지 상태인 플라즈마(Plasma,기체가 전자와 이온으로 분리된 상태, 고체/액체/기체 그 다음의 상태로 높은 에너지를 지님)를 이용합니다.

그림[4]처럼 EUV를 만들어 내는 과정에는 꼭 필요한 특별한 기구가 하나 있습니다. 바로 빛을 모아주는 거울입니다! 거울은 EUV를 만들 때 뿐만 아니라 EUV를 사용하는 공정 전반에 걸쳐 사용 되는 매우 중요한 요소 중에 하나 인데요. 이어서 EUV 기술의 핵심인 거울에 대해서 알아 보겠습니다.

B. 반사광학계 – 돋보기가 아닌 거울을 이용.

빛은 파장이 짧을 수록 다른 물질에 쉽게 흡수되어 버린다는 특징이 있습니다. EUV는 파장이 매우 짧아 대기중에서도 흡수가 되어버릴 정도이죠. 이를 방지하기 위해 EUV설비(EUV를 활용하는 포토 공정 장비)는 내부를 진공상태로 만들고 공정을 진행합니다. EUV를 이용해 공정을 진행 할 때 거울을 사용하는 이유도 이러한 빛의 흡수를 줄이기 위해서 인데요. EUV의 파장이 매우 짧아 빛이 렌즈를 통과하는 과정에서 다량의 빛이 렌즈에 흡수되어 버리기 때문입니다. 그래서 기존에 사용하던 렌즈 대신 거울을 활용해 빛이 투과가 아닌 반사 되게 하여 흡수되어 버리는 양을 줄인 것이죠. 흡수를 최소화 하여 그림[5]처럼 빛이 무사히 감광액까지 도달 해야 온전한 패터닝이 이루어 지니까요.

여기서 의문이 하나 생기게 됩니다. 빛을 통과시켜야 하는 마스크는 어떻게 하지? EUV를 활용하는 공정은 마스크 역시 반사를 활용하도록 제작하여 사용합니다. 그림[6] (a)처럼 빛을 막는 영역과 투과되는 영역으로 구성된 기존의 마스크를 (b)와 같이 반사가 되는 영역과 빛이 흡수가 되어버리는 영역으로 구성된 마스크로 바꾼 것이죠.

지금까지 설명한 EUV 포토 공정을 한눈에 볼 수 있게 간략하게 표현한다면 그림[7]과 같습니다.

그리고 EUV를 ArF와 간략하게 비교해 다시 정리해 보자면, 그림[8]과 같습니다.

그림[8]처럼 기존과 완전히 다른 방식의 EUV 포토 공정은 우리가 그려낼 수 없었던 더 작은 것을 그릴 수 있게 하였죠. 하지만 EUV는 단순하게 지금 구현 가능한 크기의 패턴보다 작은 패턴을 그릴 수 있다는 장점에서 끝나지 않습니다.

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3. 그릴 수 없는 것을 그리고, 여러 번에 걸쳐 그리던 것은 한번에 그리고!

앞선 PART1 포스트에서 우리는 파장의 한계를 극복하기 위해 하나의 그림을 여러 번에 나눠 그리는 방식을 활용하였다고 소개하였었습니다. 바로 MPT(Multiple Patterning Technology)인데요. 이 MPT는 작은 패턴을 그릴 수 있다는 장점이 있지만, 그림[9] (a)처럼 마스크도 여러 개 필요하고 공정도 여러 번에 거쳐 진행해야 한다는 단점이 있습니다. 하지만 파장이 짧은 EUV는 (b)처럼 단 하나의 마스크와 단 한번의 포토 공정으로 이 패턴을 그릴 수 있게 하죠.

이러한 변화는 시간과 수율 그리고 비용적 이점을 가져다 주었습니다.

A. 시간 – 공정 진행 소요시간 단축

결과물을 얻는데 필요한 단계가 많아지면 그만큼 시간이 오래 걸리게 됩니다. 아주 간단한 비유를 들어 설명한다면 그림[9]의 (a)가 4시간에 빵을 하나 만드는 공장이라면 (b)는 1시간에 빵을 하나 만드는 공장인 셈이죠. 단계를 줄여 이전 보다 훨씬 빠른 진행이 가능하게 된 것입니다.

B. 수율 – 오염을 줄여 수율 향상

여러 번에 거쳐 진행된다는 것은 오염될 가능성이 여러 번 존재 한다는 말과 같습니다. 여러 번 주무를수록 더러워지는 하얀 점토처럼요. 반도체 공정에서 오염은 수율 하락의 원인으로 작용하기 때문에 EUV는 이러한 수율 하락의 원인을 줄여준 셈이죠.

C. 비용 – MASK 제작 비용 감소

Mask제작에도 비용이 필요합니다. 여러 장 만들던 Mask를 EUV를 활용하며 한 장으로 줄일 수 있었으니, 이에 따라 제작 비용도 감소하게 되었습니다.

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4. 좋은 칼은 실력 좋은 요리사와 함께해야 한다.

이처럼 EUV는 등장과 함께 큰 이점을 가져다 주었고, 이제는 이 훌륭한 도구를 어떻게 더 효과적으로 활용할 수 있을지에 대하여 탐구와 노력이 동반 되어야 할 시기입니다.

다음 포스트에서는 EUV의 능력치를 더욱 끌어 올리기 위한 삼성전자 파운드리 사업부의 활동들에 대하여 알아 보도록 하겠습니다.

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1. 포토공정(노광공정, Photo Lithography)이 무엇인지부터.

반도체 공정하면 가장 먼저 주목을 받는 키워드 중 하나는 포토 공정(노광공정, Photo Lithography) 입니다. EUV도 이 포토 공정을 위한 기술이기 때문에 EUV를 잘 이해하기 위해서 먼저 포토 공정에 대해 파헤쳐 보도록 하겠습니다.

A. 조각을 위한 밑 그림 포토공정.

조각이나 재단을 위해 우리가 가장 먼저 하는 것은 바로 밑그림을 그리기 입니다. 원하는 곳을 정확하게 자르거나 파기 위해 미리 그림을 그려 놓는 것이죠. 포토 공정의 목적은 이 밑그림 그리기와 같습니다. 반도체 공정은 쌓고 깎는 활동의 반복이라고 할 수 있는데, 포토 공정을 통해 우리가 깎고자 하는 곳에 밑그림을 그려 놓는 것입니다.

B. 밑 그림을 찍는다 찰칵

실 생활에서 우리는 밑그림을 그릴 때 보통 팬과 같은 도구를 이용하여 그려 넣습니다. 하지만 포토 공정은 그 이름에 걸맞게 빛으로 필름에 장면을 찍어내는 사진의 방식으로 진행됩니다. [그림1] 처럼 빛을 이용하는 것이죠.

그리고 싶은 모양을 얇은 판으로 제작하고 그 판을 통해 빛을 막거나 투과 시켜 원하는 곳에 밑그림을 현상 시키는 것이죠. 여기서 사용하는 얇은 판을 우리는 마스크 혹은 Reticle이라고 부릅니다.

그러나 종이에 빛을 비춰 그림자를 만든다고 그 그림자가 종이에 그림처럼 새겨지지는 않습니다. 들어온 빛을 그림처럼 남기려면 사진에서의 필름 역할을 할 무언가가 필요하죠. 포토공정에서 빛을 비추기 전 도포하는 PR(Photo Resist,감광액)이 바로 그런 역할을 하게 됩니다. PR은 빛에 반응해 성질이 변화하는 감광액의 일종인데요. 그림[2]처럼 깎고 싶은 물질 위에 PR을 도포한 후 마스크를 통과한 빛을 비추면 빛을 받은 영역의 PR과 받지 않은 영역의 PR간의 성질 차이가 생기게 됩니다. 그리고 이렇게 생긴 성질 차이를 이용해 PR의 두 영역 중 필요한 영역만을 남기고 제거하는 Develop과정을 거치게 됩니다. 최종적으로 마스크에 새겨진 모양이 PR로 남겨지게 되게 되는 것이죠. 이 일련의 과정을 마스크의 모양(Pattern)을 깎고자 하는 물질 위에 현상한다고 해서 패터닝(Patterning) 이라고 합니다.

패터닝을 한 후에는 물질을 깎는 공정인 식각(Etch) 공정을 진행하게 됩니다. 이때 전면을 동시에 깎아내게 되는데 PR이 남아있는 부위는 PR로 인해 하부가 깎이지 않고 남게 되어 원하던 밑그림을 완성하게 됩니다.

지금까지 포토 공정의 기본 역할과 원리에 대하여 설명 드렸습니다. 이렇게 보면 포토공정은 마스크를 통해 빛을 비춰 주기만 하면 되는 간단한 공정처럼 보이는데요. 반도체 산업에서 포토공정의 발전은 어떤 이유로 큰 주목을 받고 있는 것일까요?

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2. 포토 공정 발전은 왜 필요 한가?

공정의 미세화, 즉 보다 작은 트랜지스터를 사용한 반도체를 생산하기위해 우리는 많은 요소에서 한계를 극복해 나가고 있습니다. 그 중 하나가 바로 포토 공정이죠. 그렇다면 포토 공정이 마주하는 장애물은 무엇일까요?

A. 패터닝을 방해하는 빛의 회절과 간섭

빛이 좁은 틈을 지날 때 본래의 진행방향과 다르게 넓게 퍼지는 특성인 회절과, 두개의 빛 파동이 만나 서로 보강되거나 상쇄되는 특성인 간섭은 포토공정의 패터닝을 방해하는 가장 큰 장애물입니다.

그림[3]와 같이 빛은 회절 하는 성질에 따라 좁은 틈을 통과 할 때 직진하지 못하고 그 틈을 중심으로 부채꼴 모양 파동이 되어 퍼져나가게 됩니다. 회절은 틈이 좁거나 파장의 길이가 길수록 더 넓게 퍼지게 하는 특징이 있죠.

더욱이 그림[4]처럼 두개 이상의 틈을 지나며 회절 된 빛은 퍼져나가며 서로 간섭 현상을 일으키게 되는데요. 그림[4]의 (a)처럼 파장 대비 틈의 폭과 틈 간 간격이 충분히 넓다면 문제가 되지 않겠지만, (b)처럼 그 폭이 좁아지고 또 틈과 틈이 가까워진다면 원하는 모양을 PR에 정확하게 현상 할 수 없게 됩니다. 즉 그리고자 하는 밑그림의 선이 얇아지고(틈이 좁고), 빼곡할 수록(틈 간 간격이 좁을수록) 정확하게 그려내기 어려워 진다는 말이죠.

공정 기술의 발전과 함께 트랜지스터의 크기는 점점 작아지고 있습니다. 이에 따라 포토공정이 그려야 하는 선의 폭은 좁아지고, 밀도는 올라가고 있죠. 이는 곧 포토공정의 난이도가 점점 올라가고 있다는 것을 말해 줍니다.

그렇다면 우리는 어떻게 포토 공정이 마주한 이러한 한계점들을 어떻게 극복해 왔을까요?

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3. 조금 돌아 가더라도 목적지에 정확히 도달하자!

포토 공정이 마주한 한계점을 극복하는 방법은 여러가지가 있습니다. 우리는 그중 빛의 회절, 간섭과 관련된 문제점을 간접적으로 극복한 몇가지 사례를 알아 보겠습니다.

A. Multi Patterning Technology – 한번에 그리기 어려우면 두개로 나눠 그리자!

좁은 길을 지나가다 다른 사람과 어깨를 부딪힌 경험이 있으신가요? 각자 조금씩 떨어져 걸었다면 이런 충돌을 피할 수 있었을 것입니다. 빛들이 서로 간섭현상을 일으키는 문제를 해결한 방법도 이와 유사하게 진행되었습니다. 틈 사이 간격을 더 넓혀 빛과 빛 사이의 간섭을 줄이게 만드는 것이죠. 그림[5] (a)처럼 한번에 패터닝하던 좁은 간격의 네 개 틈을 (b)와 (c)로 두 개씩 두 번에 나누어 패터닝을 진행하면서 각 틈 사이의 간격을 넓히고 간섭을 줄이는 것입니다.

이러한 방식을 여러 번 패터닝한다고 하여 Multi Patterning Technology라고 합니다.

B. OPC – 작게 찍히면 크게 만들고, 크게 찍히면 작게 만들자!

양궁에서 과녁을 맞출 때 정가운데를 조준하였지만 다른 곳으로 화살이 날아간다면 우리는 다음 화살을 방향이 틀어진 만큼 반대 방향으로 조준해서 활시위를 당깁니다. 즉, 오차를 고려하여 재계산하는 것이죠. 패터닝시에도 이와 유사하게 오차가 발생했을 때 이를 반영하여 마스크를 만드는 방법을 사용합니다. 바로 OPC(Optical Proximity Correction)입니다. 그림[6]의 과정처럼 결과물로부터 피드백을 받아 마스크를 일부러 왜곡되게 제작하는 방법을 말하죠.

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4. 직접적 해결을 위한 노력.

이외에도 우리는 빛의 성질로 인한 포토공정의 한계를 다양한 방법으로 극복해 왔습니다. 하지만 결국 작아진 Pattern에서 빛의 성질로 인해 발생되는 문제의 근본적인 해결책은 빛의 파장을 줄이는 방법입니다(그림[3] 참조). 따라서 우리는 파장을 줄이기 위해서도 꾸준히 노력을 이어가고 있는데요. 다음 포스트에서 이러한 포토 공정의 발전에 따른 파장 변화 과정과 함께, 최근 가장 주목받고 있는 EUV는 어떤 특징을 가지고 있는지에 대하여 알아보겠습니다.

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