칩 제조 공정: 포토리소그래피

⏱ 00:07포토리소그래피는 자외선 감광 레지스트에 마스크 패턴을 옮기는 칩 제조 공정이다. 세정·건조·접착 촉진 후 스핀 코팅과 굽기로 균일한 막을 만든다. 마스크를 정렬해 노광하고 염기성 현상액으로 노출부 레지스트를 제거한 뒤 세정·질소 건조·경화를 거친다. 열린 영역의 증착·이온 주입·식각을 위해 층마다 반복한다. 클린룸·진공 핀셋으로 오염을 막고 자외선 보호안경을 착용한다.

⏱ 00:07포토리소그래피(photolithography)는 칩, 즉 집적회로를 만드는 데 사용되는 기본 공정입니다. 마스크의 패턴을 웨이퍼 표면으로 옮겨 칩을 이루는 각 층을 만듭니다. 이를 위해 자외선에 반응하는 감광성 레지스트를 사용하며, 자세한 내용은 잠시 뒤 살펴보겠습니다. 칩을 구성하는 트랜지스터의 크기가 점점 작아지면서 이 기술에는 더욱 정밀한 작업이 요구되므로, 환경을 통제하는 클린룸이 필요합니다. 이러한 환경 관리는 먼지처럼 원치 않는 입자의 유입을 막는 데 매우 중요합니다. 먼지 입자가 칩의 일부 구성 요소보다 클 수도 있기 때문입니다. 여기 보이는 웨이퍼는 단결정 실리콘으로 이루어진 얇은 원판입니다. 탄화규소(SiC)나 질화갈륨(GaN) 같은 다른 재료도 사용할 수 있습니다. 웨이퍼는 일반적으로 원형입니다. 포토리소그래피에는 여러 방식이 있으며, 형성하려는 미세 구조의 크기에 따라 사용 방식이 달라집니다. 여기서는 가장 흔한 사례 중 하나를 보여드리겠습니다.

⏱ 01:19첫 단계는 포토레지스트를 바르기 전에 웨이퍼 표면을 최적의 상태로 준비하는 것입니다. 이를 위해 웨이퍼를 세정하고 오븐에 넣어 고온으로 구워 건조합니다. 다음으로 접착 촉진제가 들어 있는 장치에 웨이퍼를 넣어 표면의 접착력을 높입니다. 이 단계에서는 액상 화학물질이 섞인 증기에 웨이퍼를 노출합니다. 그러면 웨이퍼 표면에 레지스트가 잘 달라붙도록 돕는 매우 얇은 층이 형성됩니다. 이제 웨이퍼에 포토레지스트를 도포할 준비가 되었습니다.

⏱ 01:57다음 단계는 스핀 코팅(spin coating)입니다. 웨이퍼를 장치에 넣고 공정 조건을 조정하면 준비가 끝납니다. 웨이퍼 표면에 포토레지스트를 떨어뜨립니다. 장치 안에서 웨이퍼가 회전하면 포토레지스트가 고르게 퍼지면서 균일한 층을 형성합니다. 그런 다음 웨이퍼를 다시 오븐에 넣어 굽습니다. 포토레지스트 층이 치밀해지도록 몇 분 동안 구워야 합니다.

⏱ 02:25굽는 과정이 끝나기를 기다리는 동안, 칩 가공에서 아마 가장 중요한 요소인 마스크를 살펴보겠습니다. 마스크는 특정 영역에만 선택적으로 빛을 통과시키는 정사각형 유리 조각입니다. 이를 통해 설계한 패턴을 웨이퍼 표면에 도포된 포토레지스트로 옮깁니다. 이 중요한 단계는 뒤이어 진행할 층 증착, 이온 주입 또는 식각 공정을 위한 바탕이 됩니다. 이러한 후속 공정은 노출된 영역에서만 이루어집니다. 각각의 포토리소그래피 공정에는 해당 층을 위한 별도의 마스크를 사용하며, 마스크들을 정확히 정렬해야 합니다.

⏱ 03:01이어서 진행할 매우 중요한 단계는 마스크의 설계 패턴을 웨이퍼로 옮기는 것입니다. 이 웨이퍼에는 이전에 노광한 패턴이 없으므로, 이번이 제조 공정에서의 첫 노광입니다. 마스크 작업에는 플래시가 달린 카메라와 비슷한 장치인 마스크 정렬기(mask aligner)를 사용합니다. 이 핵심 장치를 이용해 원하는 이미지를 웨이퍼에 노광합니다. 보호안경을 잊지 마세요. 여기서 사용하는 플래시는 자외선이므로 눈을 손상시킬 수 있습니다!

⏱ 03:33가공 중인 웨이퍼가 아무 패턴도 없는 상태가 아닐 수도 있습니다. 앞선 제조 공정에서 이미 가공한 웨이퍼일 수 있다는 뜻입니다. 이 경우 다른 영역을 노광하기 전에 장비를 이용해 마스크를 정렬하여 겹침 오차를 방지해야 합니다. 관찰창을 들여다보면서 조이스틱을 사용해 두 개의 십자 표시가 정확히 겹치도록 조심스럽게 맞춥니다. 정렬이 끝나면 노광을 진행합니다. 이제 새로운 형상이 만들어지는 모습을 볼 수 있습니다. 형상이 선명하게 형성되도록 이 단계들을 주의 깊게 따라야 합니다.

⏱ 04:13첫 노광을 하는 웨이퍼이든 이전에 가공한 웨이퍼이든, 이후의 절차는 같습니다. 굽는 단계를 거친 웨이퍼는 표면에 이미 형상이 생겨 더 이상 매끈한 상태가 아닙니다. 이제 아날로그 사진과 비슷한 현상 공정을 진행하여 자외선에 노출된 영역의 레지스트를 제거합니다. 먼저 웨이퍼를 염기성 현상액에 담급니다. 그런 다음 초순수 탈이온수로 헹굽니다. 마지막으로 웨이퍼를 건조합니다. 이때 초고순도 질소 건을 사용합니다. 질소를 몇 차례 분사하면 끝납니다. 이제 웨이퍼에 큰 변화가 생긴 것을 볼 수 있습니다.

⏱ 05:07마지막으로 레지스트를 경화해야 합니다. 웨이퍼는 취급 중 오염되지 않도록 진공 핀셋으로 집어야 하며, 이는 모든 가공 단계에서 지키는 방법입니다. 이렇게 하면 자외선에 노출되었던 영역을 제외한 나머지 부분이 경화된 레지스트 층으로 덮인 웨이퍼가 완성됩니다! 지금까지 포토리소그래피 공정 전체를 살펴보았습니다. 이제 패턴이 형성된 레지스트를 가진 웨이퍼는 후속 이온 주입, 층 증착 또는 식각 공정을 진행할 준비가 되었습니다. 이러한 공정은 노출된 영역에만 영향을 줍니다. 또한 재료의 각 층마다 포토리소그래피 공정을 수행합니다. 이 모든 작업은 클린룸 안에서 이루어집니다.