반도체 노광 장비란?
반도체 노광기는 반도체 제조 공정 중 실리콘 웨이퍼에 회로 패턴을 묘사하기 위한 장비입니다. 회로 패턴의 원형이 되는 포토마스크에 강력한 자외선을 투과시켜 포토레지스트를 도포한 실리콘 웨이퍼에 회로 패턴을 전사합니다. 최근에는 미세한 회로 패턴을 미세화하기 위해 EUV라고 불리는 13nm 파장의 레이저를 사용하는 장비도 있습니다. 위치 결정 등이 매우 높은 정밀도를 요구하기 때문에 장비 가격이 비싼 편입니다.
반도체 노광장치의 사용 용도
반도체 노광기는 MOS(금속산화물반도체)-FET(전계효과 트랜지스터) 등의 반도체 소자를 포함하는 IC(집적회로) 제조 공정의 노광 공정에 사용됩니다.
IC 제조 공정에서는 실리콘 웨이퍼 위에 포토리소그래피와 에칭의 사이클을 순차적으로 반복하여 실리콘 산화물이나 금속 등의 층(레이어)을 정해진 패턴으로 적층 및 가공하는 과정에서 반도체 소자로서의 필요한 특성을 갖도록 처리합니다. 일례로 n형 MOS(NMOS)의 경우, p형 실리콘 기판 위의 게이트 영역에 실리콘 산화물막과 그 위에 게이트 금속을 형성하고, 드레인 및 소스 영역에는 고농도의 불순물을 이온 주입하여 n형(n+형) MOS를 형성합니다. 이러한 일련의 공정에서 포토리소그래피 및 에칭의 각 공정은 그림과 같이 구성됩니다 (성막 공정 S1~레지스트 박리 공정 S6).
이 중 노광공정 (S3)이 반도체 노광장치를 이용하여 이루어지는 공정입니다. 회로 패턴의 치수나 반도체 소자의 정밀도에 따라 노광 장비의 파장이 달라집니다.
반도체 노광장치의 원리
반도체 노광기는 광원, 커패시터 렌즈, 포토마스크, 프로젝션 렌즈, 스테이지로 구성됩니다. 광원에서 발생한 자외선은 커패시터 렌즈에 의해 같은 방향을 향하도록 조정됩니다. 이후 회로 패턴을 구성하는 한 층의 원형이 되는 포토마스크를 통과한 자외선이 프로젝션 렌즈를 통해 빛이 축소되어 실리콘 웨이퍼 위에 반도체 소자의 회로 패턴(한 층)을 전사합니다. 스테퍼와 같은 노광 장치에서는 한 번 전사가 끝나면 스테이지에 의해 실리콘 웨이퍼가 이동하여 실리콘 웨이퍼의 다른 위치에 동일한 회로 패턴을 전사합니다. 포토마스크를 교체하면 반도체 소자의 회로 패턴의 또 다른 층을 전사할 수 있습니다.
광원으로는 248nm 파장의 KrF 엑시머 레이저, 193nm 파장의 ArF 엑시머 레이저, 13nm 파장의 EUV 광원 등이 사용됩니다.
최신 반도체 제조 공정의 디자인 룰(최소 가공 치수)은 3~5nm 정도까지 미세화가 진행되어 커패시터 렌즈, 포토마스크, 프로젝션 렌즈, 스테이지 모두에 나노 단위의 높은 정밀도가 요구되고 있습니다. 또한, 적층화가 진행되면서 하나의 반도체를 만들기 위해 회로 패턴을 바꿔가며 여러 번 노광을 하게 됩니다.
반도체 노광장비 시장 규모와 점유율
세계 전자기기 시장은 지속적으로 확대되고 있으며, 이를 뒷받침하는 반도체 산업의 중요성은 점점 더 커지고 있습니다. 세계 반도체 시장은 2019년 마이너스 성장을 기록했지만, 과거에도 리먼 쇼크 등을 겪으면서도 지속적으로 성장하고 있습니다. 최근 메모리는 미세화에서 3D화로 기술 개발이 변화하고 있어 에칭 기술의 중요성이 높아지고 있습니다.
반도체 노광장비의 시장 규모는 2018년 기준 1조 852억 엔입니다.
소비 지역별 점유율은 1위 한국 36%, 2위 대만 19%, 3위 중국 18%, 4위 미국 14%, 5위 일본 7% 순입니다. 반도체 노광장비 벤더 국적별 점유율(2018년 기준)은 유럽(84%), 일본(14%), 미국(2%)으로 유럽과 일본이 거의 과점하고 있습니다.
EUV 노광장비에 대하여
EUV(Extreme Ultraviolet의 약자) 노광기는 극자외선이라고 불리는 매우 짧은 파장의 빛을 이용한 반도체 노광 장치입니다. 기존의 ArF 엑시머레이저 빛을 이용한 노광장비로는 가공이 어려운 미세한 치수의 가공이 가능합니다.
반도체의 미세화는 무어의 법칙 (반도체 집적회로는 1년에 두 배씩 고집적화, 고기능화가 실현된다)에 따라 미세화되어 왔습니다. 그동안 스테퍼라고 불리는 축소 투영 노광 기술과 노광 파장의 단파장화, 침지 노광 기술의 개발로 해상도를 비약적으로 향상시켜 왔습니다.
미세화는 웨이퍼에 구울 수 있는 최소 가공 치수가 작아지는 것을 의미하며, 그 최소 가공 치수 R은 다음과 같은 레이리의 공식으로 표현됩니다.
R＝k・λ/NA ※k는 비례상수, λ는 노광 파장, N.A.는 노광 광학계의 개구수
지금까지 다양한 기술 개발을 통해 k를 작게 하거나 λ를 작게 하거나 NA를 크게 하여 미세화를 실현해 왔습니다.EUV 노광장치는 노광 파장의 단파장화를 통해 지금까지의 한계를 돌파할 수 있는 기술로 평가받고 있으며, 최근 양산화가 이루어지고 있습니다.
반도체 노광장비의 가격
반도체 노광기는 현재 반도체를 효율적으로 양산하는 데 없어서는 안 될 장비이지만, 역사상 가장 정밀한 기계로 꼽히는 만큼 가격이 높습니다..
반도체 노광장치에서 사용하는 광원 파장이 짧을수록 미세한 패턴을 형성할 수 있고, 노광장치의 가격도 높아진다고 합니다. 파장별로 i선이 약 4억엔, KrF가 약 13억엔, ArF 드라이가 약 20억엔, ArF 침지가 약 60억엔, EUV가 약 200억엔 규모라고 합니다.
회로가 미세화될수록 신호 전달의 고속화, 에너지 절약 등을 도모할 수 있지만, 최근 반도체 노광장비의 가격도 포함해서 미세화에 따른 공정 비용의 증가를 무시할 수 없게 되었습니다.
또한, 반도체 노광장비에 요구되는 성능으로 반도체 제조 비용 측면에서 반도체 노광장비의 처리량도 중요한 지표가 됩니다. 처리량이란 회로 패턴을 얼마나 빠르게 노광할 수 있는지를 나타내는 성능으로, 처리량이 높아지면 실리콘 다이 한 장당 제조비용(런닝 비용)은 낮아집니다. 반도체 칩을 대량 생산할 때 중요하게 여겨집니다.