EUV 리소그래피는 차세대 반도체 제조의 핵심 기술이라 불립니다.
이는 고집적 회로를 구현하는 데 필수적인 공정입니다.
따라서 이번 글에서는 EUV 장비의 작동 원리와 공정 단계를 5단계로 나누어 알아보겠습니다.
EUV 리소그래피란 무엇인가?
포토리소그래피는 반도체 회로 패턴을 웨이퍼 위에 정밀하게 세기는 공정입니다.
이때 회로의 해상도를 결정하는데 빛의 파장이 중요한 요소로 작용합니다.
기존 DUV(Deep Ultraviolet) 공정에서는 약 193nm의 파장을 사용합니다.
하지만 회로 미세화가 진행되면서 더 짧은 파장의 빛을 요구하게 되었습니다.
그 대안으로 등장한 것이 EUV(Extreme Ultraviolet)입니다.
EUV는 약 13.5nm의 극자외선을 이용합니다.
이는 나노미터 수준의 초정밀 회로 패턴을 구현할 수 있도록 합니다.
EUV 장비는 고가의 정밀 시스템으로 현재 ASML이 독점적으로 공급하고 있습니다.
빛의 생성부터 노광에 이르기까지 매우 복잡한 구조를 가집니다.
이제 포토리소그래피 공정에서 EUV 장비가 실제로 사용되는 5단계 과정을 알아보도록 하겠습니다.
단계 1: EUV 광원 생성
극자외선 광원을 생성하는 것이 EUV 장비의 핵심입니다.
이는 고도로 정제된 기술입니다.
그 순서는 아래와 같습니다.
먼저 플라즈마를 생성합니다.
고출력 CO₂ 레이저로 액체 상태의 주석(Sn) 방울을 타격해 플라즈마를 형성합니다.
그 후 EUV를 방출합니다.
플라즈마는 방출된 13.5nm의 극자외선을 수집해 장비 내부로 전달합니다.
이때 수집 거울을 사용합니다.
일반 렌즈는 EUV를 흡수하기 때문에 반사형 집광 거울을 이용해 빛을 전달해야 합니다.
이 모든 과정은 진공 상태에서 진행되어야 합니다.
광원의 안정성과 일관성이 생산성에 큰 영향을 미치기 때문입니다.
단계 2: 마스크(레티클) 투사
EUV 리소그래피에서는 기존 DUV 공정과는 달리 반사형 마스크를 사용해야 합니다.
EUV가 대부분의 재료를 투과하지 못하기 때문입니다.
반사형 마스크 구조는 유리가 아닌 몰리브덴(Mo)과 실리콘(Si)을 교대로 적층한 브래그 반사층으로 구성됩니다.
그 후 마스크를 정렬해야 합니다.
이때 정밀하게 위치를 조정해야 합니다.
나노미터 단위의 오차도 회로 성능에 영향을 줄 수 있기 때문입니다.
다중 패터닝이 감소하는 현상도 신경써야 합니다.
EUV의 높은 해상도로 인해 복잡한 멀티 패터닝 없이도 정밀한 회로를 형성할 수 있습니다.
이 단계에서 오류가 발생하면 전체 웨이퍼에 영향을 미칩니다.
즉 마스크의 클리닝과 보정도 중요합니다.
단계 3: 웨이퍼 노광
EUV 장비는 마스크의 회로 패턴을 웨이퍼에 전사하는 노광 과정을 수행합니다.
이때 사용하는 감광막은 EUV 전용으로 개발된 고감도 레지스트입니다.
이때 정밀하게 정렬하는데 신경써야 합니다.
웨이퍼는 EUV 광선이 정확히 조사되도록 미세하게 조정됩니다.
그 후 EUV는 마스크에서 반사되어 다시 반사경을 통해 웨이퍼로 전사됩니다.
EUV 장비는 고출력 광원입니다.
따라서 이 과정에서 열이 크게 발생합니다.
이에 따라 장비의 냉각 및 진동 제어도 중요합니다.
노광 단계의 정밀도는 제품 수율과 직결됩니다.
따라서 웨이퍼의 위치 제어와 빛의 균일성 관리도 필수적으로 진행해야 합니다.
단계 4: 현상 및 에칭
노광된 웨이퍼는 현상 과정을 거쳐 회로 패턴이 드러납니다.
이때 현상 시에는 노광된 감광막의 일부를 화학적으로 제거하여 패턴을 형성해야 합니다.
그후 에칭 과정을 통해 드러난 회로 패턴에 따라 웨이퍼 표면을 식각합니다.
이때 반도체의 구조가 만들어집니다.
마지막으로 불필요한 감광막을 제거함으로써 깨끗한 표면을 유지합니다.
EUV 공정에서는 감광막의 반응성이 기존 DUV와 크게 차이가 납니다.
따라서 전용 레지스트와 최적화된 현상 조건이 필요합니다.
단계 5: 품질 검사 및 보정
EUV 장비는 수천 개의 회로 패턴을 정밀하게 구현할 수 있습니다.
그에 따라 공정 후의 검사와 보정 작업도 필수입니다.
이때 CD-SEM 검사를 진행합니다.
회로 폭을 나노 단위로 측정해 일관성을 확인하는 방법입니다.
Overlay 검사도 진행할 수 있습니다.
여러 층의 회로가 정확히 정렬되었는지 확인할 수 있는 방법입니다.
Defect 분석 과정을 통해 불량이 발생한 부분을 식별하고 수정하거나 재공정 여부를 판단할 수 있습니다.
최신 EUV 장비에는 인공지능 기반의 자동 보정 기능도 탑재되어 있습니다.
덕분에 반복 공정의 정밀도를 향상시킬 수 있게 되었습니다.
결론
EUV 리소그래피는 반도체 산업의 미래를 이끄는 핵심 기술입니다.
EUV 장비 덕분에 극도로 짧은 파장을 이용해 고집적 회로를 정밀하게 구현할 수 있습니다.
앞서 소개한 5단계 공정을 통해 EUV 장비는 마스크 투사부터 품질 검사까지 일관된 성능을 발휘합니다.
복잡하고 정교한 이 공정은 높은 비용과 유지보수 기술을 요구합니다.
그러나 그만큼 반도체의 성능 향상과 소형화에 크게 기여하고 있습니다.
향후 기술의 고도화 전략과 함께 EUV의 활용도는 더욱 확대될 것으로 전망됩니다.
이러한 EUV 포토리소그래피 장비의 기술이 더욱 발전하여 우리의 삶을 보다 윤택하게 만들어 주길 바랍니다.
오늘 글은 여기까지입니다.
긴 글 읽어주셔서 감사합니다.