포토가 하는 일

빛으로 가공할 자리를 정한다

노광을 막 마친 웨이퍼를 떠올려 보자. 표면에는 아직 회로 모양의 홈이 없다. 달라진 것은 빛을 받은 자리와 받지 않은 자리의 화학 상태뿐이다. 웨이퍼에 바른 막은 빛에 반응하는 재료, 곧 감광막(Photoresist, PR)이다. PR은 고분자 수지, 액체로 바를 수 있게 하는 용매, 빛에 반응하는 감광제로 이루어진다. 흔한 Positive PR에서 감광제는 노광 전에는 현상액에 녹는 것을 늦추고 노광 뒤에는 빨리 녹게 만든다. 그래서 웨이퍼를 현상액에 담그는 현상(Develop)을 하면 빛을 받은 자리만 녹아 나가고, 그때서야 높이가 있는 무늬가 생긴다. 빛의 분포를 재료의 반응으로, 반응의 차이를 다시 형상으로 바꾸는 이 과정 전체를 포토 리소그래피(Photolithography, 현장에서는 '포토')라 하고, 그 가운데 빛을 쬐는 단계를 노광(Exposure)이라 한다.

빛이 어디에 닿을지는 회로 무늬를 담은 원판이 정한다. 석영판 위에 크롬 같은 차광막으로 무늬를 그린 이 원판을 Reticle(레티클, 포토마스크)이라 한다. 노광 장비는 Reticle의 무늬를 렌즈로 줄여 웨이퍼에 비춘다. 렌즈를 만드는 ZEISS는 DUV 노광 장비를 '거꾸로 놓은 슬라이드 영사기'에 빗대어, Reticle의 무늬를 네 배 줄여 비춘다고 설명한다. 한 번에 찍는 넓이는 웨이퍼 위에서 최대 26 × 33 mm이고, 장비는 웨이퍼를 옮겨 가며 같은 무늬를 백 군데 가까이 되풀이해 찍는다. 한 번 찍는 단위를 Shot(Exposure field, 노광 영역)이라 하고, Shot 하나에는 칩이 될 Die(다이)가 하나 이상 들어간다. Nikon은 300 mm 웨이퍼 한 장에 96 Shot을 찍는 조건으로 처리량을 적는다.

현상 뒤 남은 PR 무늬는 그 자체로는 회로가 아니다. 다음 공정이 가공할 자리를 알려 주는 임시 가리개다. 식각은 PR이 열어 둔 자리를 따라 아래 막을 깎아 무늬를 옮기고, 이온 주입은 PR이 덮은 자리에서 이온을 막고 열린 자리에만 도펀트를 넣는다. 이온 주입은 상온 근처에서 하므로 PR 같은 마스크를 쓸 수 있는데, 이 점이 고온에서 하는 확산과 다른 장점이다. 식각이나 이온 주입이 끝나면 PR과 그 잔여물을 걷어 낸다. 이것을 PR Strip(감광막 제거)이라 한다. 그림 1이 이 흐름이다. 식각은 이 시리즈의 ETCH 책에서, PR이 이온을 다 막으려면 얼마나 두꺼워야 하는지는 IMP 책 3장에서 다룬다.

PR의 두 이름표: 무엇이 남는가, 어떻게 바뀌는가

PR은 두 가지 이름표로 나눈다. 첫째는 현상 뒤 어느 쪽이 남는가다. 빛을 받은 자리가 녹아 나가면 Positive PR(양성 감광막), 빛을 받은 자리가 남으면 Negative PR(음성 감광막)이다. Positive에서 막이 끝까지 녹아 나가는 기준 노광량을 Clearing dose \(E_0\), Negative에서 막이 남기 시작하는 기준을 Gel dose라 부른다. 빛의 양은 단위 넓이당 에너지로 재고 Dose(노광량, mJ/cm²)라 한다.

둘째는 빛이 용해도를 바꾸는 방식이다. g-line·i-line용 PR은 대부분 Novolak 수지에 감광제 DNQ를 섞은 것이다. 그런데 더 짧은 DUV 빛에서는 Novolak이 빛을 너무 많이 흡수해 막의 바닥까지 노광되지 않는다. 게다가 기존 PR은 빛이 일으키는 화학 변화의 효율이 1보다 훨씬 작아, 세기가 약했던 당시의 DUV 광원으로는 부족했다. 그래서 빛이 만든 산 하나가 열을 받아 수백 번의 반응을 일으키는 화학 증폭형 레지스트(Chemically Amplified Resist, CAR)가 나왔다. 1979년 IBM에서 시작된 이 연구는 2013년 일본국제상을 받았고, CAR는 오늘날 거의 모든 마이크로프로세서와 메모리 칩을 만드는 데 쓰인다.

두 이름표는 서로 독립이다. 보통의 Positive ArF 레지스트도 알칼리 수용액 대신 유기 용매로 현상하면 빛 받은 자리가 남는 Negative 상이 된다. 그러니 'Positive냐 Negative냐'는 무엇이 남는지를, 'DNQ냐 CAR냐'는 빛이 무엇을 어떻게 바꾸는지를 말한다(자료에서 나온 해석). 재료 이름 하나만으로 굽는 조건이나 최종 단면을 정할 수 없는 이유다. PR의 화학은 2장에서 깊이 본다. 아래 시뮬레이터에서 같은 Reticle을 두 종류의 PR로 찍고, 그 무늬를 식각이나 이온 주입으로 옮겨 보자.

근거: KrF 248 nm·NA 0.80은 ASML NXT:870B의 사양 조합이다. 실제 PR은 깊이에 따라 빛이 줄고 아래 막에서 반사된 빛이 겹쳐 문턱 하나로 끝나지 않는다. Dose와 문턱의 관계는 5장, 깊이 방향의 노광은 2장에서 다룬다.

PR 무늬와 최종 무늬는 다르다

PR 무늬가 늘 아래 막으로 곧장 옮겨지는 것은 아니다. 깊은 식각이나 아주 작은 무늬에서는 PR 아래에 여러 막을 깔고, PR 무늬를 먼저 그 막으로 옮긴 뒤 그 막을 다시 마스크로 쓴다. IBM의 이중 패터닝 공정은 PR 100 nm 아래에 반사 방지막 35 nm와 유기 평탄화막(OPL) 200 nm를 쌓은 3층 구조를 썼다. 옮기는 동안 마스크가 닳고 모양이 바뀌므로 현상 뒤 PR의 선폭과 마지막 막의 선폭은 다르다. 같은 연구에서 노광 뒤 40 nm였던 바닥 선폭이 식각 뒤 18 nm가 되었다. 그래서 현장에서는 두 값을 다른 이름으로 부르고 따로 잰다(3절).

층마다 다시: 포토는 몇 번 오는가

포토는 한 번으로 끝나지 않는다. 칩은 트랜지스터 위에 콘택, 배선, 다시 배선을 쌓아 만드는데, 층마다 새 Reticle로 무늬를 찍는다. MIT의 공정 실습은 가장 단순한 트랜지스터를 마스크 네 장으로 만든다. CMOS는 n채널과 p채널 트랜지스터를 한 웨이퍼에 만들기 때문에, 한쪽을 PR로 가리고 다른 쪽에 이온을 넣는 일을 여러 번 되풀이한다. Nikon은 칩 하나를 만드는 동안 마스크를 수십 번 바꿔 끼운다고 적고, ZEISS는 칩 하나에 마스크가 100장까지 필요할 수 있다고 설명한다.

가장 촘촘한 층은 한 번에 찍지 못해 여러 장으로 나눠 찍기도 한다. 삼성전자는 EUV가 마스크 한 장으로 만드는 층에 ArF는 최대 네 장이 필요할 수 있어, EUV를 쓴 7 nm 공정(7LPP)의 전체 마스크 수가 EUV를 쓰지 않는 공정보다 약 20% 줄었다고 발표했다. 포토 한 번은 대개 노광 장비 한 번, Track 한 바퀴, 계측 한 번을 뜻하므로(원리에서 나온 해석), 마스크 수는 곧 공장의 노광 부담이다. 아래 지도에서 포토가 공정 흐름의 어디에 다시 오는지 눌러 보자.

근거: 이온 주입 단계마다 한쪽을 PR로 가리는 CMOS 흐름은 IMP 책 1장, 식각 단계는 ETCH 책 1장, 촘촘한 층의 마스크 수는 삼성전자 발표를 따랐다.

웨이퍼가 지나는 길: Track과 Scanner

포토 한 번은 장비 두 대가 나눠 한다. PR을 바르고 굽고 현상하는 Track(코터/디벨로퍼, Coater/Developer)과 빛을 비추는 Scanner(노광 장비)다. 둘은 보통 한 줄로 붙어 있다. TEL의 특허가 그리는 전형적인 코터/디벨로퍼는 웨이퍼 운반 용기(FOUP)를 받는 캐리어 블록, 처리 블록, 인터페이스 블록이 일렬로 놓이고, 인터페이스 블록에 노광 장비가 이어진다. 웨이퍼는 캐리어 → 반사 방지막 코팅·굽기 → PR 코팅·굽기 → 인터페이스 → 노광 → 인터페이스 → PEB·현상 → 캐리어의 길을 간다. 노광 전 단계는 빛을 받을 막을 준비하고, 노광 뒤 단계는 빛이 남긴 화학적 차이를 형상으로 바꾼다. 그림 2와 표 1에 단계마다 하는 일을 정리했다.

표 1. 포토 한 번의 단계. 공개 자료의 예는 특정 PR·장비·특허의 조건이며 일반 규격이 아니다.

Track 안에는 같은 일을 하는 모듈이 여러 개 있다. 앞의 TEL 특허는 반사 방지막, PR, PEB·현상을 맡는 단위 블록을 각각 둘씩 두고 웨이퍼가 그중 하나를 지나게 한다. 처리량을 늘리는 구조지만, 같은 Recipe로 처리한 웨이퍼라도 서로 다른 가열판과 현상 컵을 지났을 수 있다는 뜻이기도 하다. 그래서 같은 특허는 여러 영역으로 나뉜 가열판에 영역별 보정값을 두어, 모듈 사이에서도 웨이퍼가 받는 열의 총량이 같아지게 맞춘다(특허의 예). Scanner도 마찬가지다. ASML의 TWINSCAN은 Wafer table이 둘이라, 한 Table의 웨이퍼를 노광하는 동안 다른 Table에서 다음 웨이퍼를 싣고 정렬하고 높이 지도를 잰 뒤 교대한다. 노광 장비 안에서 표면의 높이를 재고 기울기를 맞춰 초점 범위에 두는 일을 Leveling(레벨링)이라 한다. 아래 애니메이션에서 웨이퍼가 어떤 모듈을 지나는지, 그때 막의 단면이 어떻게 바뀌는지 보자.

근거: 블록 구성과 웨이퍼 경로, 같은 단위 블록을 둘씩 두는 구조, PEB 온도에 대한 CD 민감도 대략 1~10 nm/°C와 정적 민감도 1~5 nm/°C, 두 Table의 측정·노광 병렬 처리.

Track은 Scanner를 기다리게 해서는 안 된다. TEL은 CLEAN TRACK LITHIUS Pro Z가 Scanner와 연결한 상태에서 시간당 300장, Pro DICE가 440장을 처리한다고 적고, ArF 액침 Scanner NXT:2150i의 처리량은 시간당 310장 이상이다(모두 제조사 사양). 비싼 노광 장비가 쉬지 않도록 Track은 모듈 수를 늘려 그보다 빨리 돌 수 있게 짠다(원리에서 나온 해석). PEB가 CD를 얼마나 바꾸는지도 숫자로 알려져 있다. DUV용 CAR인 APEX-E는 PEB 온도 1 °C에 선폭이 16.2 nm 움직였고, TEL의 특허는 정적 PEB 민감도를 대략 1~5 nm/°C로 적는다. 한 연구는 PEB가 웨이퍼 안 게이트 CD 변동의 주된 원인이 되고 있다고 정리했다.

포토가 답할 세 질문: 크기, 자리, 결함

현상이 끝난 웨이퍼에 무늬가 생겼다. 이 무늬는 쓸 만한가? 이 책은 포토의 결과를 세 질문으로 나눠 판정한다. 크기가 맞는가, 자리가 맞는가, 결함이 없는가. 셋은 서로 다른 원인에서 오고, 다른 장비로 재며, 고치는 손잡이도 다르다. 그래서 '선이 넓어졌다'와 '선이 옆으로 옮겨 갔다'는 비슷해 보여도 전혀 다른 문제다.

① 크기: CD

CD(Critical Dimension, 임계 치수)는 관리 대상인 패턴의 크기다. 선이라면 폭, 구멍이라면 지름이나 정한 방향의 길이다. 같은 선도 윗부분과 바닥의 폭이 다르므로 어느 높이에서 잰 폭인지까지 정해야 한다. SEMI 표준(P19)은 선폭을 아래층과의 계면에서 지정한 높이의 단면 경계 사이 거리로 정의한다. 재는 방법도 값을 바꾼다. NIST의 모사 연구는 전자현미경 신호에서 50% 문턱 같은 관행 기준으로 가장자리를 정하면 선폭이 수 nm까지 틀릴 수 있음을 보였다.

같은 종류의 패턴이 되풀이되는 간격은 Pitch(피치)다. 이웃한 두 선의 중심 사이 거리로 재므로, 선이 굵어져도 중심이 그대로면 Pitch는 변하지 않는다(정의에서 나온 해석). CD가 얼마나 고른지는 CDU(CD Uniformity, CD 균일도)로 말한다. 반도체 기술 로드맵 IRDS의 CD control은 Field 안, 웨이퍼 안, 웨이퍼 사이, Lot 사이 변동을 모두 담고, 2022년 로직 금속 배선에 3σ 1.8 nm를 요구했다.

② 자리: Overlay

칩은 층을 쌓아 만들므로, 새로 찍는 무늬는 아래층의 정해진 자리에 떨어져야 한다. 두 층 무늬의 상대 위치 차이를 Overlay(오버레이, 층간 위치 오차)라 한다. IRDS는 Overlay를 웨이퍼 모든 점에서 정의되는 X·Y 벡터, 곧 아래 패턴의 위치와 그 위 패턴 대응점의 위치 차로 정의하고, 웨이퍼 위 값들의 표준편차 세 배(3σ)로 적는다. 2022년의 요구는 로직 2.4 nm, DRAM 3.4 nm였다.

비슷한 말인 Alignment(정렬)와 Overlay는 다르다. Alignment는 노광 전에 웨이퍼의 기준 마크를 재서 Reticle의 대응점에 맞추는 일이고, Overlay는 찍고 난 뒤 두 층의 위치 차를 잰 결과다. SEMI 표준도 둘을 이렇게 나눠 정의한다. 정렬이 정상이어도 Overlay는 틀릴 수 있다. Overlay는 정렬 광학의 오차, 렌즈 왜곡·배율·Reticle 회전 같은 노광 영역의 오차, 웨이퍼의 팽창과 수축, 마스크 오차, 고온과 막 응력이 만든 비선형 변형에서 오기 때문이다. 그렇다면 얼마나 맞아야 할까? AMD 연구진이 인용한 경험 규칙은 한 점의 최대 위치 편차가 최소 간격의 1/3을 넘지 않아야 회로들이 충분히 겹친다는 것이다.

③ 결함

크기와 자리가 다 맞아도 무늬에 흠이 있으면 회로는 실패한다. 떨어져 있어야 할 선이 붙은 Bridge, 녹아 나가야 할 바닥에 막이 남은 Residue(Scum), 선이 휘거나 쓰러진 Collapse, 열려야 할 구멍이 열리지 않은 Missing contact가 대표적이다(그림 4). 이 이름들은 모양을 말할 뿐 원인을 정하지 않는다. 쓰러짐은 현상 뒤 린스액이 마를 때 표면 장력이 좁은 간격의 선을 끌어당겨 생기고, 윗면이 녹지 않는 결함은 앞의 공기 중 염기에서, 바닥에 PR이 끌리듯 남는 Footing은 질소가 든 기판이 산을 붙잡아 생길 수 있다.

결함이 어디서 왔는지에 따라 웨이퍼 지도의 모양도 다르다. Reticle의 결함 하나는 모든 Shot의 같은 자리, 곧 모든 칩에 찍힐 수 있다. 반면 웨이퍼를 붙잡는 받침(Chuck)이 더러우면 그 부근만 초점이 어긋나는 Focus spot이 생길 수 있다. Canon은 노광 장비의 선택 사양으로 'Focus Spot 자동 Chuck 세정'을 둔다. 지도를 어떤 좌표로 겹쳐 보는지는 10장에서 다룬다.

세 질문은 같은 가장자리에서 만난다

세 질문은 따로 놀지 않는다. 무늬의 가장자리가 원래 있어야 할 자리에서 벗어난 양을 EPE(Edge Placement Error, 가장자리 위치 오차)라 하는데, IRDS는 EPE를 국소 변동(선 가장자리의 거칠기, 국소 CDU)과 전역 변동(Overlay)의 합으로 정의하고, 수치 모사 연구를 인용해 Overlay가 EPE 예산의 40%, 선 가장자리 거칠기가 25%를 차지한다고 적는다. 크기의 오차와 자리의 오차가 같은 가장자리 하나에서 더해진다는 뜻이다. 아래에서 크기는 맞는데 자리가 어긋난 콘택이 어떻게 되는지 먼저 예측해 보자.

근거: Overlay의 정의와 3σ 표기, 최대 위치 편차가 최소 간격의 1/3을 넘지 않아야 한다는 경험 규칙. 겹친 넓이는 원과 띠의 기하로 계산한 값이다.

더 작게: 파장과 NA가 걸어온 길

Reticle의 무늬를 그대로 줄여 비추기만 하면 얼마든지 작게 찍을 수 있을 것 같다. 그런데 무늬가 빛의 파장에 가까워지면 빛은 무늬를 지나며 여러 갈래로 갈라지고(회절), 렌즈는 그 가운데 일부만 받는다. Mack은 대물 렌즈가 하는 일을 마스크가 만든 회절 무늬의 일부를 받아 웨이퍼 위에 상으로 투영하는 것이라고 정리한다. 렌즈가 놓친 빛에 실린 정보는 웨이퍼에 오지 못하므로, 찍을 수 있는 크기는 빛의 파장과 렌즈가 받아들이는 각도에 묶인다. 그 각도의 척도가 NA(Numerical Aperture, 개구수)다. 렌즈가 받는 빛의 최대 반각 θ와 렌즈와 웨이퍼 사이 매질의 굴절률 n으로 NA = n·sinθ라 정의한다. 원리는 4장에서 회절 차수로 풀고, 여기서는 결과 식을 맛본다.

식은 해상도를 줄이는 세 길을 보여 준다. 파장을 줄이거나, NA를 키우거나, k₁을 낮추는 것이다. 대가도 함께 보인다. NA를 키우면 해상도는 NA에 반비례해 좋아지지만, 상이 쓸 만하게 남는 높이의 범위인 초점 심도(Depth of Focus, DOF)는 NA의 제곱에 반비례해 줄어든다. EUV의 NA를 0.33에서 0.55로 올리면 Rayleigh DOF가 64% 준다. 웨이퍼 표면이 그만큼 더 평평하고 초점이 더 정확해야 한다는 뜻이다. 초점과 Dose의 여유는 5장에서 다룬다.

k₁은 조명, 마스크, PR, 공정이 얼마나 잘 짜였는지를 한데 담은 계수다. ASML은 k₁이 칩 제조 공정의 여러 요소에 달려 있고, 노광의 물리적 한계가 k₁ = 0.25라고 설명한다. 선과 공간이 1:1인 조밀한 무늬를 한 번의 노광으로 찍을 때의 이론적 한계가 0.25다. k₁이 0.6보다 크면 상이 마스크를 거의 그대로 닮지만, 작아질수록 모서리가 둥글어지고 선 끝이 줄어들며 같은 선도 주변 무늬에 따라 다르게 찍힌다. 1993년의 리뷰는 k₁이 보통 0.4~0.9로 인용된다고 적었는데, 오늘날의 ArF 액침 장비는 공식 사양으로 계산하면 0.27 근처에서 일한다(표 2).

파장은 이렇게 줄어 왔다. 첫 노광 장비는 수은 램프의 g-line(436 nm)으로 약 1 µm를 찍었고, i-line(365 nm)은 1 µm 아래로 내려가 220 nm까지 갔다. 1980년대 중반부터는 기체의 종류가 파장을 정하는 엑시머 레이저(Excimer laser)가 들어왔다. KrF(248 nm)는 i-line의 한계였던 280 nm를 150 nm로 줄였고 지금은 80 nm까지, ArF(193 nm)는 38 nm까지 찍는다. EUV는 13.5 nm로 DUV보다 14배 넘게 짧다. 1999년의 Stanford 강의 자료는 i-line이 0.5·0.35 µm 세대를, KrF가 0.25 µm 세대를 맡고 선폭이 3년마다 0.7배씩 줄어든다고 적었다.

NA도 커졌다. 노광 렌즈의 NA는 1978년 0.28, 1985년 0.38에서 1998년 무렵 약 0.65가 되었다. 공기 중에서는 sinθ가 1을 넘을 수 없으니 NA도 1보다 작고, 건식 장비의 공식 사양에서 가장 큰 NA는 0.93이다. 렌즈와 웨이퍼 사이를 물로 채우면 n이 커진다. 193 nm에서 물의 굴절률은 1.437이고, ASML은 2003년에 개발한 액침으로 NA 1.35에 이르렀다고 설명한다. 이것이 액침 노광(Immersion lithography)이다. EUV는 반대로 공기를 포함한 모든 물질에 흡수되므로 렌즈 대신 거울을 쓰고 빛이 지나는 길 전체를 진공으로 만든다. EUV의 NA는 0.33에서 출발해 High-NA 장비에서 0.55가 되었다. 공식 사양으로 이 길을 정리하면 표 2와 같다.

표 2. 파장과 NA의 사다리. k₁ = 해상도 × NA ÷ 파장으로 계산했다. DUV 장비는 ArF·KrF 레이저와 i-line 수은 램프를 쓰고, EUV는 CO₂ 레이저로 주석 방울을 때려 만든 플라즈마의 빛을 쓴다. 장비사의 '해상도'는 초점 심도 조건 없이 적은 한 숫자라 계산한 k₁은 참고값이다. Mack은 해상도를 '정해진 초점 심도로 찍을 수 있는 가장 작은 패턴'으로 정의하자고 제안했다.

파장이 짧아지면 빛 알갱이(광자) 하나의 에너지는 커진다. E = hc/λ로 계산하면 i-line 3.40 eV, KrF 5.00 eV, ArF 6.42 eV, EUV 91.8 eV다(계산). 같은 Dose라면 EUV의 광자 수는 ArF의 약 14분의 1이다(계산). 그래서 작은 구멍 하나에 떨어지는 광자 수가 흔들리는 것 자체가 결함이 될 수 있는데, 이것이 8장의 주제다.

k₁을 0.25 아래로 내려야 하는 무늬는 한 번의 노광으로 찍을 수 없다. 그래서 노광과 식각을 여러 번 나눠 하는 멀티 패터닝을 쓴다. 193 nm 물 액침의 해상 한계는 약 40 nm 하프 피치여서, 20 nm 아래의 선에는 Pitch를 셋·넷으로 나누는 기법이 필요했다. EUV가 들어온 뒤에도 IRDS는 EUV가 멀티 패터닝을 대체하지 않으며 두 기술을 함께 쓴다고 적는다. 멀티 패터닝은 9장에서 다룬다. 아래 도전에서 공식 장비 사양을 직접 맞혀 보자.

근거: Rayleigh 식과 k₁ = 0.25, 문제의 해상도·파장·NA는 각 장비의 공식 사양, k₂ = 0.5로 쓴 DOF 예, 물 액침 NA 1.35.

장비: Track, Scanner, 계측

포토 한 번에 필요한 장비는 크게 셋이다. PR을 다루는 Track, 빛을 비추는 Scanner, 결과를 재는 계측 장비다. 셋은 한 줄로 이어져 하나의 셀처럼 돈다. ASML의 YieldStar 같은 회절 기반 계측 장비는 Track 안에 들어가, 잰 값을 노광 장비로 되돌려 보내기도 한다. 그림 5에 Track과 Scanner를 붙여 놓은 셀을 위에서 본 모습으로 그렸다.

Track. TEL은 자사 투자자 자료에서 2025년 코터/디벨로퍼의 세계 점유율을 91%로 제시한다(Gartner 자료를 바탕으로 한 회사 집계). TEL의 CLEAN TRACK LITHIUS 제품군은 i-line부터 EUV까지의 공정을 지원하고, 그 가운데 Pro DICE에는 High-NA EUV를 위한 결함 제어 기술을 넣었다고 설명한다. SCREEN의 DT-3000(SOKUDO DUO)은 처리 줄 두 개를 나란히 둔 Dual track으로 시간당 450장 이상을 내세우고, 국내 SEMES는 제품 페이지의 포토 공정 아래에 KrF·i-line용 장비 분류를 올려 두었다.

Scanner. 노광 장비는 ASML, Nikon, Canon이 만든다. ASML의 2025년 연차 보고서는 ASML이 현재 세계에서 유일한 EUV 장비 제조사이고 DUV에서는 주로 Canon·Nikon과 경쟁한다고 적는다. 2025년에 노광 장비 327대를 팔았고 그중 EUV가 48대였으며, 렌즈·거울·조명계 같은 핵심 광학은 Carl Zeiss SMT가 유일하게 공급한다. Nikon의 ArF 액침 Scanner NSR-S636E는 NA 1.35에 96 Shot 기준 시간당 280장 이상을 적고, Canon은 KrF·i-line 장비와 함께 빛으로 비추지 않고 도장처럼 눌러 무늬를 옮기는 나노임프린트 장비 FPA-1200NZ2C를 내놓았다.

계측. 재는 장비는 질문마다 다르다. CD는 전자빔으로 웨이퍼를 훑어 나오는 2차 전자로 영상을 만드는 CD-SEM(CD 측정용 주사 전자현미경)으로 잰다. 전자빔은 해상도가 높지만 느리다. Hitachi High-Tech의 GT2000은 High-NA EUV의 얇은 PR이 덜 상하도록 100 V의 아주 낮은 가속 전압을 쓴다고 설명한다. Overlay는 두 층에 만든 전용 마크를 광학 영상으로 비교하거나(KLA Archer) 겹친 격자에서 나온 회절광으로 잰다(ASML YieldStar). 결함은 광학 검사 장비가 찾고 전자빔 장비가 다시 들여다본다. KLA는 연약한 PR 층을 낮은 광량으로 검사하는 장비를 EUV의 ADI에 쓴다고 적는다. 계측은 10장에서 다룬다.

표 3. 포토 셀의 대표 장비. 제품군은 바뀌므로 회사의 현재 공식 페이지를 기준으로 했다(2026-10-09 확인). 처리량은 각 회사가 정한 조건의 값이라 서로 바로 견줄 수 없다.

처리량을 시간으로 바꿔 보자. 시간당 295장(NXT:2100i)이면 웨이퍼 한 장에 약 12.2초이고, Shot이 96개라면 Shot 하나에 다음 자리로 옮기는 시간까지 합쳐 약 0.13초다(계산). 1999년의 Stanford 강의 자료는 투영 Stepper가 시간당 약 50장을 찍고 한 대에 500만~1,000만 달러이며, 노광이 웨이퍼 제조 원가의 약 35%를 차지한다고 적었다. 지금의 장비 값은 공식 자료에 대당 가격으로 나오지 않는다. 다만 ASML의 2025년 매출이 327억 유로였고 그해 판 노광 장비가 327대였다는 숫자에서 규모를 짐작할 수 있다. 매출에는 장비 판매 말고도 다른 항목이 섞일 수 있으므로 둘을 나눈 값을 대당 가격으로 읽지는 않는다.

포토 엔지니어의 일

양산의 포토는 좋은 무늬를 한 번 찍는 데서 끝나지 않는다. 같은 무늬를 날마다 수많은 웨이퍼에, 여러 대의 장비로, 같은 품질로 되풀이해야 한다. 그래서 포토 엔지니어의 하루는 데이터에서 시작한다. ASML은 노광 장비 한 대가 센서로만 주당 최대 31 TB의 데이터를 만든다고 적는다.

가장 기본은 되먹임 보정이다. 한 Lot을 찍고 Overlay와 CD를 잰 뒤, 그 결과로 다음 Lot의 노광 설정을 고친다. 이것을 Run-to-run 제어(R2R, 런투런 제어)라 한다. 관리도로 이상을 걸러 내는 통계적 공정 관리(SPC)가 공정이 그대로라고 보는 것과 달리, R2R은 공정이 천천히 흐르거나 계단처럼 바뀐다고 보고 적극적으로 보정한다. AMD의 양산 사례에서 자동 Overlay 제어는 수동 대비 측정점의 최대 오차를 43% 줄였고, Overlay를 맞추려고 따로 돌리던 시험 웨이퍼를 사실상 없앴다. 같은 기록은 여러 노광 장비 가운데 아무 장비나 Lot을 처리하는 Mix-and-match 양산이 Overlay 제어에 가장 어려운 환경이며, 장비 정비와 Matching 검증이 배율에 큰 계단을 세 번 만들었다고 적는다.

Lot을 다음 공정으로 보낼지 정하는 것도 엔지니어의 일이다. 계측 결과가 허용 범위를 벗어난 Lot은 PR을 벗기고, 원래 처리의 계측 데이터로 새 설정을 계산해 다시 처리하는 자동 Rework 흐름이 특허로 나와 있다. Overlay 데이터는 Lot의 처분(통과, 불합격, Rework)과 다음 Lot의 보정값 계산이라는 두 가지 쓰임을 갖는다. 장비를 여러 대 쓰면 장비 사이의 차이도 관리한다. Nikon은 한 장비 안에서 겹친 Overlay를 SMO(Single Machine Overlay), 서로 다른 장비 사이의 Overlay를 MMO(Mix and Match Overlay)로 나눠 사양을 적는다. 광학에서 말하는 SMO(Source-Mask Optimization)와 약자가 같으니 문맥을 확인한다.

포토 일을 하는 엔지니어는 흔히 공정과 장비 두 갈래로 나눠 부른다. 회사마다 이름과 경계가 다르니 아래 표는 이 책이 쓰는 구분일 뿐이다. 공정 엔지니어는 "이 무늬를 원하는 크기·자리·모양으로 찍으려면 어떤 조건이 필요한가"를 묻고, 장비 엔지니어는 "장비가 그 조건을 모든 모듈과 Table에서 똑같이 구현하는가"를 묻는다. 두 질문은 결국 같은 웨이퍼 지도 위에서 만난다.

표 4. 이 책이 쓰는 공정·장비 엔지니어의 구분. 실제 회사의 조직과는 다를 수 있다.

이 책의 지도

이 장에서 꺼낸 질문들은 다음 장들에서 하나씩 답을 찾는다. 2~5장은 PR의 화학, Track의 공정, 회절과 해상도, Dose와 Focus라는 원리를, 6~8장은 Reticle, Scanner, EUV라는 장비를, 9~10장은 Overlay와 멀티 패터닝, 계측을, 11장은 현업의 이상 분석을 다룬다. 카드마다 그 장이 답하는 질문과, 이 장에서 그 질문이 처음 나온 곳을 적었다.

처음 읽는다면 2~5장을 차례로 읽어 무늬가 생기는 원리를 잡은 뒤, 관심 있는 장비나 계측으로 건너뛰어도 좋다. 포토가 그린 무늬를 받아 막을 깎는 쪽은 이 시리즈의 ETCH 책, 그 무늬로 도펀트를 넣는 쪽은 IMP 책, 무늬를 새길 막을 쌓는 쪽은 CVD 책에서 이어진다.