1. 반도체 노광 장치란?
반도체 노광 장치는 반도체 제조 공정 중 실리콘 웨이퍼에 회로 패턴을 묘사하기 위한 장치가 됩니다. 회로 패턴의 원형이 되는 포토마스크에 강력한 자외광을 투과시켜 포토레지스트를 도포한 실리콘 웨이퍼에 회로 패턴을 전사합니다. 최근에는 미세한 회로 패턴을 미세화하기 위해 EUV라는 파장이 13nm인 레이저를 사용하는 장치도 있습니다. 위치결정 등이 매우 고정밀도로 요구되기 때문에 장치의 가격이 비쌉니다.
2. 반도체 노광 장치의 사용 용도
반도체 노광 장치는 MOS(금속 산화물 반도체)-FET(전계 효과 트랜지스터) 등의 반도체 소자를 포함한 IC(집적 회로)의 제조 공정에 있어서의 노광 공정에 사용됩니다.
IC의 제조 공정에서는 실리콘 웨이퍼 상에서 포토리소그래피 및 에칭 사이클을 순차적으로 반복하여 실리콘 산화물이나 금속 등의 층을 소정의 패턴으로 적층 및 가공하는 과정에서 반도체 소자로서 필요한 특성 와 같은 처리가 이루어집니다. 일례로서 n형 MOS(NMOS)의 경우, p형의 실리콘 기판 상의 게이트 영역에 실리콘의 산화막과 그 위에 게이트 금속을 형성하고, 드레인 및 소스 영역에는 고농도의 불순물을 이온 주입하는 것 n형(n+형)의 MOS를 형성합니다.
3. 반도체 노광 장치의 원리
반도체 노광 장치는 광원, 콘덴서 렌즈, 포토마스크, 투영 렌즈, 스테이지로 구성되어 있습니다. 광원에서 발생한 자외선은 콘덴서 렌즈에 의해 같은 방향을 향하도록 조정됩니다. 그 후, 회로 패턴을 구성하는 1 층의 원형이 되는 포토 마스크를 자외광이 통과하여 투영 렌즈로 광이 축소되고, 실리콘 웨이퍼 상에 반도체 소자의 회로 패턴 (1 층)을 전사합니다. 스테퍼와 같은 노광 장치에서는 한 번 전사가 끝나면 스테이지에 의해 실리콘 웨이퍼가 이동하여 실리콘 웨이퍼의 다른 위치로 동일한 회로 패턴을 전사합니다. 포토마스크를 교체하면 반도체 소자의 회로 패턴의 다른 레이어를 전사할 수 있습니다.
광원에는 248nm 파장의 KrF 엑시머 레이저, 193nm 파장의 ArF 엑시머 레이저, 13nm 파장의 EUV 광원 등이 사용됩니다.
최신의 반도체 제조 공정의 디자인 룰(최소 가공 치수)은, 3~5nm 정도까지 미세화가 진행되고 있으므로, 콘덴서 렌즈나 포토 마스크, 투영 렌즈, 스테이지 모두, 나노 단위의 고정밀도가 요구되고 있습니다. 또한, 적층화도 진행되고 있기 때문에, 노광은 회로 패턴을 바꾸어 하나의 반도체가 생기기까지 여러 번 행해집니다.
4. 반도체 노광장치의 시장규모와 점유율
세계의 전자기기 시장은 계속 확대되고 있으며, 이를 지원하는 반도체 산업의 중요성은 점점 더 중요해지고 있습니다. 세계 반도체 시장은 2019년 마이너스 성장이 되었지만, 과거에도 리먼 쇼크 등을 경험하면서도 확대를 계속하고 있습니다. 최근 메모리는 미세화에서 3D화로 기술 개발이 변화하고 있어 에칭 기술의 중요성이 높아지고 있습니다.
5. EUV 노광 장치에 대하여
EUV(Extreme Ultraviolet의 약자) 노광 장치는 극단 자외선이라고 불리는 매우 짧은 파장의 빛을 이용한 반도체 노광 장치입니다. 종래의 ArF 엑시머 레이저광을 이용한 노광장치에서는 가공이 어려운 보다 미세한 치수의 가공이 가능해집니다. 반도체의 미세화는 무어의 법칙(반도체 집적 회로는 3년에 4배의 고집적화, 고기능화가 실현된다)에 따라 미세화되어 왔습니다. 지금까지도 스테퍼라고 불리는 축소 투영 노광 기술이나 노광 파장의 단파장화나 액침 노광 기술의 개발에 의해 해상도를 비약적으로 향상해 왔습니다.
미세화는 웨이퍼에 베이킹할 수 있는 최소 가공 치수가 작아지는 것이며, 그 최소 가공 치수 R은 이하의 레일리의 식으로 표현됩니다.
[ R=k·λ/NA ※k는 비례 정수, λ는 노광 파장, NA는 노광 광학계의 개구수]
지금까지도 다양한 기술 개발에 의해, k를 작게 하거나 λ를 작게 하거나 NA를 크게 하는 것으로, 미세화를 실현해 왔습니다. EUV 노광 장치는, 노광 파장의 단파장화에 의해 지금까지의 한계를 돌파할 수 있는 기술로 되어, 최근 양산화가 되고 있습니다.
6. 반도체 노광 장치의 가격에 대해
반도체 노광장치는 현재 반도체를 효율적으로 양산하는데 빠뜨릴 수 없는 장치이지만, 사상 가장 정밀한 기계라고 알려져 있으며 가격은 비쌉니다. 반도체 노광 장치에서 이용하는 광원 파장이 짧을수록 미세한 패턴을 형성할 수 있고, 노광 장치의 가격도 높아진다고 합니다.
회로가 미세해질수록 신호전달의 고속화나 에너지 절약화 등을 도모할 수 있습니다만, 최근 반도체 노광장치의 가격도 포함해 미세화에 의한 프로세스 코스트의 증대를 무시할 수 없게 되어 왔습니다.
또한 반도체 노광 장치에 요구되는 성능으로서 반도체 제조하는 비용면에서 반도체 노광 장치의 처리량도 중요한 지표가 됩니다. 처리량이란 회로 패턴을 얼마나 빠르게 노출할 수 있는지를 보여주는 성능으로, 처리량이 상승하면 실리콘 다이 1장당 제조 비용(런닝 비용)이 저하되므로 반도체 칩의 양산시 중요시됩니다.
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