반도체에 머리카락보다 작은 회로는 어떻게 그릴까?
노광 공정 쉽게 이해하기
반도체는 아주 작은 실리콘 판인 웨이퍼 위에 수많은 회로를 만들어서 완성됩니다.
그런데 여기서 궁금한 점이 생깁니다.
반도체 회로는 너무 작아서 사람의 손으로 그릴 수 없습니다.
연필로 그릴 수도 없고,
붓으로 칠할 수도 없습니다.
그렇다면 반도체 회사는 어떻게 웨이퍼 위에 그렇게 작은 회로를 만들까요?
정답은 바로 빛입니다.
반도체 제조에서는 빛을 이용해 웨이퍼 위에 아주 작은 회로 모양을 만듭니다.
이 과정을 노광(Photolithography)이라고 합니다.
노광을 한 문장으로 설명하면?
노광은
빛을 이용해 웨이퍼 위에 아주 작은 회로 모양을 옮기는 과정
입니다.
조금 어렵게 들리지만 원리는 의외로 익숙합니다.
옛날 사진을 인화하는 과정과 비슷한 점이 있습니다.
빛을 받은 부분과 받지 않은 부분을 다르게 만들어서 원하는 모양을 남기는 것입니다.
스텐실 그림으로 생각해보자
별 모양이 뚫린 종이가 있다고 생각해보겠습니다.
그 종이를 흰 종이 위에 올리고 색연필이나 스프레이로 색을 칠합니다.
그러면 아래 종이에는 별 모양만 남습니다.
반도체 노광도 비슷합니다.
웨이퍼 위에 회로 모양을 그대로 손으로 그리는 것이 아니라,
회로 모양이 들어 있는 틀과 빛을 이용해 패턴을 옮깁니다.
노광에는 무엇이 필요할까?
노광을 이해하려면 크게 네 가지를 기억하면 됩니다.
웨이퍼
반도체를 만들 바탕입니다.
포토레지스트
빛에 반응하는 특별한 물질입니다.
마스크
회로 모양이 들어 있는 판입니다.
빛
회로 모양을 웨이퍼에 옮기는 역할을 합니다.
이 네 가지가 함께 움직입니다.
1. 웨이퍼 위에 빛에 반응하는 물질을 바른다
먼저 깨끗한 웨이퍼 위에 특별한 물질을 얇게 바릅니다.
이 물질을 포토레지스트(Photoresist)라고 합니다.
이름은 어렵지만 쉽게 말하면
빛을 받으면 성질이 달라지는 재료
입니다.
사진 필름을 떠올리면 이해하기 쉽습니다.
사진 필름도 빛을 받으면 화학적으로 변화합니다.
포토레지스트도 비슷하게 빛을 이용해 원하는 부분과 원하지 않는 부분을 구분할 수 있습니다.
웨이퍼에 포토레지스트를 어떻게 고르게 바를까?
웨이퍼 위에 포토레지스트를 한쪽에 떨어뜨린 뒤 웨이퍼를 매우 빠르게 돌립니다.
그러면 원심력 때문에 액체가 표면 전체에 얇게 퍼집니다.
피자를 돌리면서 소스를 고르게 펴 바르는 모습을 떠올리면 쉽습니다.
이렇게 해서 웨이퍼 전체에 매우 얇고 일정한 두께의 막을 만듭니다.
2. 회로 모양이 들어 있는 마스크를 준비한다
다음에는 마스크(Mask)가 필요합니다.
마스크에는 반도체 회로의 모양이 들어 있습니다.
쉽게 말하면
반도체 회로를 찍어내기 위한 초정밀 도장판
이라고 생각하면 됩니다.
하지만 실제 마스크는 우리가 쓰는 도장보다 훨씬 복잡하고 정밀합니다.
마스크가 왜 필요할까?
빛을 웨이퍼 전체에 그냥 비추기만 하면 아무런 회로 모양도 만들 수 없습니다.
원하는 부분에만 빛이 닿도록 해야 합니다.
그래서 마스크가 필요합니다.
마스크는 빛을 통과시키는 부분과 막는 부분을 구분합니다.
그 결과 회로 모양이 빛의 형태로 웨이퍼에 전달됩니다.
3. 빛을 비춘다
이제 노광 장비에서 빛을 쏩니다.
빛은 마스크를 통과하면서 회로 모양을 갖게 됩니다.
그리고 렌즈를 지나 웨이퍼 위에 도달합니다.
웨이퍼 위의 포토레지스트가 빛에 반응하면서 회로 모양이 기록됩니다.
이 과정을 아주 단순하게 표현하면
마스크의 회로 그림
↓
빛
↓
웨이퍼
라고 볼 수 있습니다.
그런데 왜 렌즈가 필요할까?
여기서 카메라를 생각해보겠습니다.
카메라도 렌즈를 이용해 큰 세상의 모습을 작은 이미지센서에 정확하게 모읍니다.
반도체 노광 장비에서도 아주 정밀한 광학장치를 사용합니다.
회로 모양을 매우 작게 줄이고,
정확한 위치에 맞춰,
웨이퍼 위에 옮겨야 하기 때문입니다.
조금만 어긋나도 회로가 제대로 연결되지 않을 수 있습니다.
4. 빛을 받은 부분을 골라 없앤다
빛을 비췄다고 바로 회로가 완성되는 것은 아닙니다.
포토레지스트 가운데 일부를 제거해야 합니다.
이 과정을 현상(Development)이라고 합니다.
포토레지스트 종류에 따라
빛을 받은 부분이 제거되기도 하고,
빛을 받지 않은 부분이 제거되기도 합니다.
핵심은
빛을 이용해 남길 부분과 없앨 부분을 구분한다
는 것입니다.
도장보다 더 정확한 과정
이 과정을 종이에 도장을 찍는 것과 비교할 수 있습니다.
종이 위에 원하는 모양을 그대로 찍듯이,
웨이퍼 위에도 원하는 회로 패턴을 남깁니다.
다만 반도체에서 만드는 패턴은 매우 작기 때문에 장비가 엄청나게 정밀해야 합니다.
그런데 이것만으로 반도체 회로가 완성될까?
아닙니다.
노광은 회로 모양을 만드는 과정입니다.
실제 구조를 만들려면 그다음 작업이 필요합니다.
대표적인 것이 식각(Etching)입니다.
식각은 노광으로 만든 모양을 기준으로 필요 없는 부분을 깎아내는 과정입니다.
즉,
노광 = 어디를 깎을지 표시하는 과정
식각 = 실제로 그 부분을 깎는 과정
이라고 생각하면 쉽습니다.
쿠키틀로 생각해보자
쿠키 반죽이 있다고 생각해보겠습니다.
별 모양 쿠키틀을 누르면 반죽 위에 별 모양이 생깁니다.
그 모양을 따라 필요 없는 부분을 제거하면 별 모양 쿠키가 만들어집니다.
반도체도 비슷합니다.
노광으로 회로 모양을 만들고,
식각으로 필요 없는 부분을 제거합니다.
이 과정을 한 번만 할까?
아닙니다.
반도체는 여러 층으로 만들어지기 때문에 노광도 여러 번 반복됩니다.
한 층의 회로를 만들고,
다른 물질을 쌓고,
다시 노광하고,
다시 식각합니다.
이 과정을 계속 반복하면서 복잡한 반도체가 만들어집니다.
왜 위치를 정확하게 맞춰야 할까?
첫 번째 층에 회로를 만들고 두 번째 층을 만든다고 생각해보겠습니다.
두 번째 층의 회로가 첫 번째 층보다 살짝 옆으로 밀리면 어떻게 될까요?
전기 신호가 제대로 연결되지 않을 수 있습니다.
그래서 각 층의 위치를 아주 정확하게 맞춰야 합니다.
이것을 정렬(Alignment)이라고 합니다.
반도체 노광장비에서 매우 중요한 능력입니다.
아파트를 층마다 다른 위치에 지으면?
10층짜리 건물을 짓는데
1층은 정확하게 만들고,
2층은 오른쪽으로 1m,
3층은 왼쪽으로 2m
씩 어긋났다고 생각해보겠습니다.
정상적인 건물이 되기 어렵습니다.
반도체도 마찬가지입니다.
각 층의 회로가 아주 정확하게 겹쳐야 합니다.
반도체 회사는 왜 더 작은 회로를 만들려고 할까?
트랜지스터를 더 작게 만들면 같은 면적 안에 더 많은 트랜지스터를 넣을 수 있습니다.
그러면 더 복잡하고 강력한 반도체를 만들 수 있습니다.
그래서 반도체 산업은 오랫동안 회로를 더 작고 정밀하게 만드는 방향으로 발전해왔습니다.
그런데 회로가 작아질수록 문제가 생깁니다.
빛으로 작은 그림을 그리는 것이 점점 어려워집니다.
빛에도 크기와 비슷한 성질이 있다
빛에는 파장(Wavelength)이라는 성질이 있습니다.
파장은 쉽게 말하면 빛의 물결 하나가 얼마나 긴지를 나타냅니다.
바닷가의 파도를 생각해보겠습니다.
파도가 매우 크면 작은 돌 사이를 세밀하게 표현하기 어렵습니다.
반대로 파도가 매우 짧고 촘촘하면 더 세밀한 부분까지 표현하기 쉬워집니다.
빛도 비슷합니다.
일반적으로 더 짧은 파장의 빛을 사용하면 더 작은 회로를 만드는 데 유리합니다.
굵은 붓과 가는 펜의 차이
그림을 그린다고 생각해보겠습니다.
굵은 페인트 롤러로는 큰 벽은 쉽게 칠할 수 있습니다.
하지만 아주 작은 글씨를 쓰기는 어렵습니다.
작은 글씨를 쓰려면 가는 펜이 필요합니다.
노광에서 사용하는 빛도 비슷합니다.
반도체 회로가 점점 작아지면서 더 정밀하게 패턴을 만들 수 있는 빛이 필요해졌습니다.
처음에는 어떤 빛을 사용했을까?
반도체 산업에서는 기술 발전에 따라 여러 종류의 빛을 사용해왔습니다.
회로가 비교적 컸던 시기에는 기존의 자외선 계열 빛으로도 충분했습니다.
하지만 반도체가 점점 미세해지면서 더 짧은 파장의 빛이 필요해졌습니다.
그래서 오랫동안 DUV(Deep Ultraviolet)라는 기술이 사용되었습니다.
DUV란 무엇일까?
DUV는
Deep Ultraviolet
의 약자입니다.
한국어로는 심자외선이라고 부릅니다.
우리 눈에는 보이지 않는 자외선 영역의 빛을 이용합니다.
DUV는 오랫동안 반도체 제조에서 중요한 역할을 했습니다.
지금도 많은 반도체 공정에서 사용됩니다.
그런데 DUV만으로는 한계가 생겼다
반도체 회사들은 더 작은 트랜지스터를 만들려고 했습니다.
하지만 회로가 너무 작아지자 기존의 빛만으로는 원하는 패턴을 한 번에 만들기 어려워졌습니다.
그래서 여러 가지 방법을 사용했습니다.
예를 들어 같은 층의 회로를 한 번에 그리지 않고 여러 번 나눠서 만드는 방식도 사용했습니다.
이를 멀티 패터닝(Multi-patterning)이라고 합니다.
그림을 한 번에 못 그리면 나눠서 그린다
아주 복잡한 무늬가 있다고 생각해보겠습니다.
한 번에 정확하게 그리기 어렵습니다.
그래서
첫 번째 그림을 그리고,
조금 옆에 두 번째 그림을 그리고,
다시 세 번째 그림을 그려
합치는 방식입니다.
반도체에서도 비슷한 방법을 사용했습니다.
하지만 문제가 있습니다.
공정이 많아지면 무엇이 문제일까?
같은 회로를 여러 번 나눠서 만들면
공정이 늘어나고,
시간이 더 걸리고,
비용이 증가하고,
실수가 발생할 가능성도 커질 수 있습니다.
그래서 반도체 산업은
“더 짧은 파장의 빛을 사용하면 한 번에 더 작은 회로를 만들 수 있지 않을까?”
라고 생각했습니다.
그 결과 등장한 매우 중요한 기술이 있습니다.
바로 EUV입니다.
EUV란 무엇일까?
EUV는
Extreme Ultraviolet
의 약자입니다.
우리말로는 극자외선이라고 합니다.
DUV보다 훨씬 짧은 파장의 빛을 이용해 아주 작은 회로를 만드는 기술입니다.
첨단 반도체 제조에서 매우 중요한 기술 중 하나입니다.
EUV가 왜 그렇게 어려울까?
여기서 재미있는 점이 있습니다.
빛의 파장을 짧게 만들었다고 모든 문제가 해결되는 것이 아닙니다.
EUV는 만들기도 어렵고 다루기도 매우 어렵습니다.
일반적인 유리 렌즈를 그냥 통과시키기도 어렵습니다.
공기 속에서도 잘 전달되지 않습니다.
그래서 EUV 장비 내부는 특별한 환경과 구조를 사용해야 합니다.
EUV는 렌즈 대신 거울을 사용한다
일반적인 카메라나 노광 장비에서는 렌즈가 중요합니다.
하지만 EUV는 일반 유리 렌즈를 통과하기 어렵습니다.
그래서 아주 특별한 거울을 사용합니다.
EUV 빛을 여러 개의 초정밀 거울에 반사시키면서 원하는 위치로 보냅니다.
이 거울 역시 만들기가 매우 어렵습니다.
거울이 조금만 틀려도 문제가 된다
화장실 거울 표면에 작은 흠집이 있다고 생각해보겠습니다.
사람이 얼굴을 보는 데는 큰 문제가 없을 수 있습니다.
하지만 반도체 회로는 아주 작습니다.
초정밀 거울에 아주 작은 오차가 있어도 회로 패턴에 영향을 줄 수 있습니다.
그래서 EUV 장비에는 세계 최고 수준의 광학 기술이 필요합니다.
EUV 빛은 어떻게 만들까?
EUV를 만드는 방법도 매우 특이합니다.
아주 간단하게 설명하면 주석(Tin)이라는 금속의 아주 작은 방울을 이용합니다.
장비 안에서 매우 작은 주석 방울을 빠르게 떨어뜨립니다.
그리고 강력한 레이저를 정확하게 맞힙니다.
그러면 매우 뜨거운 플라즈마가 만들어지고,
이 과정에서 EUV 빛이 발생합니다.
움직이는 작은 물방울을 레이저로 맞힌다고?
그렇습니다.
쉽게 비유하면
공중에서 빠르게 움직이는 아주 작은 공을 레이저로 계속 정확하게 맞혀야 하는 것과 비슷합니다.
이런 작업을 매우 빠르게 반복해야 합니다.
그래서 EUV 노광장비는 세계에서 가장 복잡한 기계 중 하나로 평가받습니다.
누가 이런 장비를 만들까?
여기서 반도체 산업에서 매우 중요한 기업이 등장합니다.
바로 네덜란드의 ASML입니다.
ASML은 첨단 노광장비를 만드는 회사입니다.
특히 EUV 노광장비 분야에서 매우 중요한 위치를 가지고 있습니다.
그래서 반도체 뉴스를 보다 보면
삼성전자,
TSMC,
Intel
같은 반도체 제조기업뿐 아니라 ASML이라는 이름도 자주 등장합니다.
왜 반도체 제조기업이 ASML 장비를 필요로 할까?
삼성전자나 TSMC가 아무리 반도체 제조기술이 뛰어나더라도
초미세 회로를 만들 수 있는 노광장비가 없으면 첨단 반도체를 만들기가 어렵습니다.
따라서 반도체 산업에서는
반도체를 직접 만드는 회사뿐 아니라
반도체를 만드는 기계를 만드는 회사
도 매우 중요합니다.
반도체 공급망이 복잡한 이유
반도체 하나를 생각해보겠습니다.
반도체를 설계하는 회사가 있습니다.
웨이퍼를 만드는 회사가 있습니다.
노광장비를 만드는 회사가 있습니다.
특수한 화학재료를 만드는 회사가 있습니다.
실제로 반도체를 제조하는 회사가 있습니다.
패키징하는 회사도 있습니다.
즉 반도체 하나가 완성되기 위해 여러 나라의 수많은 기업이 연결됩니다.
노광장비는 이 공급망에서 매우 중요한 부분입니다.
노광은 반도체 성능과 어떤 관계가 있을까?
노광 기술이 발전하면 더 작은 회로를 만들 수 있습니다.
더 작은 트랜지스터를 만들 수 있는 가능성이 커집니다.
그러면 같은 면적 안에 더 많은 트랜지스터를 배치할 수 있습니다.
이것이
더 높은 성능,
더 낮은 전력 사용,
더 복잡한 기능
등으로 이어질 수 있습니다.
물론 반도체 성능은 노광 하나만으로 결정되지 않습니다.
설계,
트랜지스터 구조,
재료,
패키징
등도 모두 중요합니다.
하지만 노광은 초미세 반도체를 만드는 핵심 기술 중 하나입니다.
7나노·5나노·3나노와도 관계가 있을까?
네.
반도체 회사들이
7나노,
5나노,
3나노,
2나노
같은 첨단 공정을 개발하면서 더욱 정밀한 제조기술이 필요해졌습니다.
EUV가 중요해진 것도 이런 흐름과 관련이 있습니다.
다만 ‘3나노’라는 숫자가 실제 트랜지스터의 어떤 부분이 정확히 3나노라는 뜻은 아닙니다.
오늘날 공정 이름은 여러 기술적·상업적 의미가 섞인 세대 이름에 가깝습니다.
이 내용은 나중에 별도로 자세히 배워보겠습니다.
노광을 전체 과정 속에서 다시 찾아보자
반도체 제조 전체 과정을 생각해보겠습니다.
웨이퍼를 준비합니다.
↓
얇은 물질을 쌓습니다.
↓
포토레지스트를 바릅니다.
↓
노광으로 회로 모양을 만듭니다.
↓
현상합니다.
↓
식각으로 필요 없는 부분을 제거합니다.
↓
다시 다른 물질을 쌓습니다.
↓
다시 노광합니다.
이 과정이 여러 번 반복됩니다.
즉 노광은 반도체 제조 중 한 번만 등장하는 일이 아니라 여러 층을 만들면서 반복되는 핵심 공정입니다.
오늘 내용 한눈에 정리하기
오늘은 여섯 가지를 기억하면 됩니다.
첫째, 노광은 빛을 이용해 웨이퍼 위에 회로 모양을 만드는 과정입니다.
둘째, 웨이퍼 위에는 빛에 반응하는 포토레지스트를 바릅니다.
셋째, 마스크에는 만들고 싶은 회로의 패턴이 들어 있습니다.
넷째, 빛을 마스크와 광학장치를 통해 웨이퍼에 비춰 아주 작은 회로 모양을 만듭니다.
다섯째, 반도체가 작아질수록 더 정밀한 빛과 장비가 필요합니다.
여섯째, 첨단 반도체에서는 EUV라는 매우 짧은 파장의 빛을 사용하는 기술이 중요합니다.
그런데 EUV는 왜 세계적으로 그렇게 중요한 기술일까?
이번 글에서 우리는 노광이 무엇인지 배웠습니다.
그리고 반도체 회로를 더 작게 만들기 위해 DUV보다 훨씬 짧은 파장의 빛을 사용하는 EUV가 등장했다는 것도 알게 되었습니다.
하지만 EUV는 단순히
“빛을 조금 더 작게 만든 기술”
이 아닙니다.
EUV 빛을 만들어내고,
정확하게 반사시키고,
웨이퍼에 회로를 그리는 모든 과정이 매우 어렵습니다.
그래서 첨단 EUV 장비를 만들 수 있는 기업은 극히 제한적입니다.
그리고 이 기술을 가진 회사가 반도체 산업 전체에서 매우 중요한 위치를 차지하게 되었습니다.
다음 글에서는
「EUV란 무엇일까?｜세상에서 가장 정교한 빛으로 반도체를 만드는 방법」
을 통해 EUV가 왜 첨단 반도체의 핵심 기술인지, 그리고 ASML이 왜 그렇게 중요한 회사가 되었는지 자세히 알아보겠습니다.
미세회로를 만드는 실제 공정 흐름
| 단계 | 무엇을 하는가 | 핵심 변수 |
|---|---|---|
| 박막 형성 | 웨이퍼 위에 필요한 물질을 얇게 쌓는다 | 두께와 균일도 |
| 포토 공정 | 빛으로 회로 패턴을 전사한다 | 해상도·정렬 정확도 |
| 식각 | 필요 없는 부분을 선택적으로 제거한다 | 선택비·형상 제어 |
| 측정·검사 | 패턴 오차와 결함을 확인한다 | 공정 변동과 수율 |
작은 회로는 한 번에 그리는 그림이 아니라 박막·노광·식각·측정을 수십~수백 번 반복해 만드는 구조입니다. 선폭 숫자만큼 공정 제어와 검사 능력도 중요합니다.
연결해서 읽을 자료
댓글 0
첫 댓글을 남겨보세요.