포토 — 빛으로 회로 패턴을 새긴다

앞뒤의 모든 공정은 “어디를 깎고 어디에 넣을지”를 이미 알고 있다는 전제 위에서 돌아갑니다. 그 위치를 정해 주는 공정이 포토입니다. 회로 도면을 마스크에 담고, 빛으로 그 그림자를 웨이퍼 위 감광막에 옮깁니다. 반도체 미세화의 역사가 사실상 포토의 역사인 이유입니다.

얼마나 가늘게 그릴 수 있는가

빛은 파동이라 아무리 좋은 렌즈를 써도 무한히 가늘게 모을 수 없습니다. 분해할 수 있는 최소 간격은 레일리 식으로 정해집니다.

줄일 수 있는 항은 세 개뿐입니다. 파장 λ를 줄이거나(i-line 365 → KrF 248 → ArF 193 → EUV 13.5 nm), 개구수 NA를 키우거나(렌즈를 키우고, 액침으로 매질의 굴절률을 올려 1을 넘기고), 공정 상수 k₁을 낮추는 것입니다. k₁은 조명 방식과 레지스트, 마스크 보정으로 개선하지만 단일 노광에서는 0.25가 물리적 하한입니다.

노광량과 초점이 선폭을 정한다

해상이 된다고 끝이 아닙니다. 실제 선폭은 노광량과 초점에 따라 달라집니다. 노광량을 올리면 양성 레지스트의 선이 가늘어지고, 초점이 어긋나면 상이 흐려져 선폭이 제곱으로 벌어집니다. 이 관계를 그린 것이 오른쪽의 Bossung 곡선입니다.

현장에서는 이 곡선 위에서 선폭이 허용 범위(보통 ±10%) 안에 머무는 노광량·초점의 영역을 찾습니다. 이 영역이 공정 윈도우이고, 넓을수록 양산이 안정적입니다. 노광량을 바꿔 가며 세 곡선이 허용 띠를 지나는 구간이 어떻게 달라지는지 보세요.

한 번에 못 그리면 나눠 그린다

k₁ 하한에 부딪히면 남은 방법은 여러 번 나눠 그리는 것입니다. 선을 한 칸 걸러 하나씩 두 번에 나눠 노광하거나(LELE), 한 번 그린 선의 양 옆에 막을 붙였다가 원래 선을 없애 두 배 촘촘한 패턴을 만듭니다(SADP·SAQP). 공정 단계와 비용이 크게 늘기 때문에, EUV로 한 번에 그릴 수 있게 되는 것이 그만큼 큰 의미를 가집니다.

• ArF 건식으로 하프피치 40 nm를 그릴 수 있는지 확인해 보세요.
• 같은 조건을 액침(ArF-i)으로 바꾸면 NA를 어디까지 올릴 수 있는지 보세요.
• EUV로 바꾸면 초점심도가 어떻게 되는지, 그리고 그것이 왜 문제가 되는지 생각해 보세요.