포토리소그래피 공정을 이용한 반도체 생산 기술(2012, 9월모평)*

새 포토리소그래피 공정을 이용해 형성된 미세 구조 및 패턴. [사진제공=카이스트] (이미지 출처, 아시아경제 2015. 3. 25.)

일상생활에서 흔히 사용하는 컴퓨터, 스마트폰 등에는 반도체 소자가 핵심 부품으로 사용되는데 반도체 소자는 수십에서 수백 나노미터 크기의 패턴으로 이루어져 있다. 반도체 소자의 크기는 패턴의 크기에 달려 있기 때문에 패턴의 크기를 줄여 반도체 소자의 집적도를 높이는 것이 반도체 생산 공정에서는 매우 중요하다. 반도체 소자의 집적도는 매년 꾸준하게 증가하였으며 여기에 가장 핵심적인 역할을 한 것이 바로 포토리소그래피이다.

포토리소그래피는 반도체 기판 위에 패턴을 형성하는 기술을 의미하는데 이는 판화를 만들어 내는 과정과 유사성이 있다. 원판으로부터 수없이 많은 판화를 종이 위에 찍어 낼 수 있듯이 포토리소그래피의 경우 마스크라는 하나의 원판을 제작한 후, 빛을 사용하여 같은 모양의 패턴을 기판 위에 반복 복사하여 패턴을 대량으로 만든다. 판화의 원판은 조각칼을 이용하여 만드는 데 비해, 포토리소그래피의 경우 마스크 패턴의 크기가 매우 작기 때문에 레이저를 이용하여 만든다.

포토리소그래피는 아래 그림과 같이 진행된다.

 

먼저 ㉮와 같이 패턴으로 만들 물질이 코팅된 반도체 기판 위에 감광 물질을 고르게 바른다. 감광 물질이란 빛을 받으면 화학적 성질이 변하는 물질을 말한다. 두 번째로, ㉯와 같이 마스크 위에서 빛을 쏘여 준다. 마스크에는 패턴이 새겨져 있는데, 빛은 마스크의 패턴을 제외한 부분만을 통과할 수 있다. 따라서 마스크의 패턴과 동일한 크기와 모양의 그림자가 감광 물질에 드리우게 되며, 이때 빛을 받은 부분의 감광 물질만 화 학적 성질이 변하게 된다. 세 번째로, ㉯에서 빛을 받은 부분만을 현상액으로 제거하면 ㉰와 같이 된다. 이렇게 빛을 받은 부분만을 현상액으로 제거할 때 사용하는 감광 물질을 양성 감광 물질이라 한다. 이와 반대로 빛을 받지 않은 부분만을 현상액으로 제거할 수도 있는데 이때 쓰는 감광 물질을 음성 감광 물질이라고 한다. 네 번째로, ㉰에 남아 있는 감광 물질을 보호층으로 활용하여 감광 물질이 덮여 있지 않은 부분만을 제거하면 ㉱와 같은 모양이 된다. 마지막으로, 더 이상 필요가 없는 감광 물질을 제거하면 반도체 기판에는 ㉲와 같이 마스크에 있던 것과 동일한 패턴이 만들어진다.

한편, 반도체 기판 위에 새길 수 있는 패턴의 크기는 빛의 파장이 짧을수록 작게 만들 수 있기 때문에, ㉠ 짧은 파장의 광원을 포토리소그래피에 이용하려는 노력과 짧은 파장의 광원에 반응하는 새로운 감광 물질을 개발하려는 연구가 진행되고 있다. 이와 더불어 더욱 정교하고 미세하게 마스크에 패턴을 만드는 기술의 개발 또한 진행되고 있다.

18. <보기>의 모든 공정을 수행했을 때, 반도체 기판 위에 형성될 패턴으로 적절한 것은? [3점]

<보기>

양성 감광 물질을 패턴으로 만들 물질 위에 바르고 마스크 A를 이용하여 포토리소그래피 공정을 수행하여 패턴을 얻은 후, 그 위에 음성 감광 물질을 바르고 마스크 B를 이용하여 포토리소그래피 공정을 수행하였다.

[정답 및 해설] <보기>는 양성 감광 물질과 음성 감광 물질을 사용하여 포토리소그래피 공정을 두 번 수행하고 있다. 양성 감광 물질은 빛을 받은 부분만을 현상액으로 제거할 때 사용하는 감광 물질이고, 음성 감광 물질은 반대로 빛을 받지 않은 부분만을 현상액으로 제거할 때 사용하는 감광 물질이다. 사용된 감광 물질의 특성을 고려할 때, 첫 번째 공정은 양성 감광 물질 위에 가운데 부분에만 넓게 패턴이 있는 마스크 A를 놓는 것이므로, 공정이 끝나면 ②의 그림과 같이 빛을 받지 않은 가운데 부분만 남고, 빛을 받은 양쪽 부분은 제거된다. 두 번째 공정은 첫 번째 공정에서 만들어진 반도체 기판 ②에 음성 감광 물질을 바른 후 그 위에 가운데 부분에만 좁게 패턴이 있는 마스크 B를 놓는 것이므로, 공정이 끝나면 빛을 받지 않은 가운데 부분만 사라지고, 빛을 받은 나머지 부분은 남게 된다. 따라서 <보기>의 두 공정을 모두 수행하고 나면, ③의 그림과 같이 반도체 기판 위에 바깥쪽의 양측과 가운데 부분만 제거된 패턴이 형성되게 된다. 정답 ③