실리콘 웨이퍼에 회로 패턴을 형성하는 공정. 리소그래피 공정은 반도체 전공정 중에서도 핵심이고 관련 장비 시장 규모가 가장 크다. 한편, 향후 반도체의 고집적화 성공 여부를 결정짓는 공정이기도 하다. 이 공정은 여러 단계의 공정들로 다시 세분화 되며 세정공정과 같이 각 공정들이 계속 반복되어 공정수가 제일 많다.
주요 공정
Silazane gas 분사→ PR(감광액) 도포 → 소프트 Bake → 정렬 → 회로 패턴 노광 (포토마스크를 통과한 빛이 투과되면 감광액이 변화됨.) → PR 현상 (현상액을 통해 현상) → 하드 Bake (감광액을 건조시킴) → Etching(원하는 부분을 형성하기 위해 불필요한 부분을 깎아냄) → PR 제거 (PR을 웨이퍼에서 제거) → 세정 [1]
Silazane gas 분사
대표적인 예로는 HexaMethylDiSilazane (HMDS)가 있다.
웨이퍼 표면에 Silazane gas 분사를 통하여 Si-O-H 형태의 친수성인 웨이퍼 표면을 소수성으로 바꾸어 주어 웨이퍼와 감광제의 접착력을 향상시킨다. 패턴이 미세해질수록 수용성 알칼리 현상액(developer)에 대 한 용해 속도 차를 증대시키기 위하여 감광제를 점점 더 소수 성으로 개발하는 경우가 많아지므로 극성 반발로 인한 coating 불량을 막기 위해 HMDS 처리는 필수 공정으로 자리 잡았다.
감광제 코팅
HMDS 처리 후 spin coating 방식을 이용하여 감광제를 코팅한다. 코팅의 일반적인 순서는 저속 회전 상태에서 감광제를 뿌린 후 특정 회전수까지 가속한 후 고속으로 회전시켜 PR을 원하는 두께로 조절하며 최종 단계에 저속회전으로 PR 주변의 잔여물을 제거하게 된다.
Soft bake
Coating 공정 후 감광제에 남아있는 유기 용매를 제거하기 위하여 낮은 온도에서 soft bake를 실시한다. 잔류 용매로 인한 노광설비 및 마스크 오염을 방지하고 감광제 반응 특성을 일정하게 유지하기 위함인데 일반적으로 90~110도 정도로 가열하여 용매를 제거하고 PR의 밀도를 높여서 환경 변화에 대한 민감도를 줄이게 된다.
노광
露光, exposure
2015년 현재, 1Gb DRAM에서 칩이 완성될 때까지 걸리는 총 생산원가의 35%, 총 시간의 60%를 노광 공정이 차지한다. 노광 장비의 핵심은 미세한 회로 패턴을 그리는 것이고, 이를 위해서는 사용하는 빛의 파장이 짧든지 개구수 (NA; Numerical Aperture)가 높은 렌즈를 사용해야 한다. 그 외에도 회절과 산란으로 인한 간섭을 줄여야 한다. 최첨단 장비이기 때문에 세계적으로도 몇 군데 회사 이외는 만들 수 없다. 그 중에서도 2017년 2월 현재 네덜란드 ASML이 78%로 시장을 사실상 독점하고 있다.
EUV
Extreme Ultra Violet, 극자외선
13.5nm의 파장을 가지는 빛을 노광 공정에 써보고자 한다. 2015년 현재 이 장비를 개발하고 있는 업체는 네덜란드의 ASML이 유일하며, 이 회사가 반도체 노광 시장에서 1위를 지키고 있다.
EUV는 기체를 포함한 모든 물질에 흡수되는 독특한 성질을 가지고 있기 때문에 활용이 극히 어려웠다. 그래서 장비 내부를 진공 상태로 만들었다. 기존장비에는 투과형 렌즈를 사용했으나 EUV lithography는 렌즈에 흡수 문제가 생기므로 사용할 수 없다. 그래서 렌즈 대신 박막 거울을 사용한다. 그런데 Mo-Si 다층 박막 거울의 반사 효율은 최대 70% 수준이어서 손실이 너무 심하고 공정 시간이 지연된다. 이 때문에 EUV 리소그래피가 실용화되는 데는 굉장히 오랜 시간이 걸렸다.
삼성전자는 2017년 1분기부터 시험 양산될 모바일 애플리케이션 프로세서 (AP) 생산에 EUV를 활용한 공정을 시험 도입하기로 했고, 2018년부터 시스템반도체 라인 7나노 공정에 EUV 노광장비를 도입하기로 했다.