빛으로 회로를 그리다: 포토 공정과 EUV

빛의 회절과 간섭 원리에서 출발해 포토 공정이 웨이퍼 위에 회로 패턴을 만드는 과정을 설명합니다. 이어서 미세화의 한계를 EUV와 High-NA EUV로 넘어서는 흐름과, SK하이닉스의 D램 적용 사례를 정리합니다.

⏱ 00:00빛은 일상에서 가장 익숙한 에너지이지만, 미시 세계에서는 광자라는 입자 단위로 에너지를 주고받습니다. 광자는 질량이 없는 대신 에너지를 지니며, 빛은 상황에 따라 파동처럼 퍼지거나 물질에 입자 형태로 에너지를 전달합니다.

빛의 중요한 성질 가운데 하나는 회절입니다. 좁은 틈을 만나면 빛은 직진만 하지 않고 뒤쪽으로 휘어져 퍼지며, 여러 방향의 회절광으로 나뉩니다. 이 회절광들이 다시 만나면 마루와 마루가 겹치는 보강간섭으로 밝아지고, 마루와 골이 겹치는 상쇄간섭으로 어두워져 명암 패턴이 만들어집니다.

⏱ 01:06포토 공정은 실리콘 웨이퍼 위에 회로를 그리는 단계로, 먼저 빛에 반응하는 감광액(PR)을 웨이퍼 표면에 얇게 바르는 것에서 시작합니다. 회로 설계도가 담긴 포토마스크에 빛을 비추면, 마스크의 미세 패턴을 지난 빛이 회절하고 투영렌즈가 이 빛을 모아 웨이퍼 위에 축소된 패턴 이미지를 만듭니다.

감광액은 종류에 따라 반응이 반대입니다. Positive PR은 빛을 받은 부분이 현상 과정에서 제거되고, Negative PR은 빛을 받은 부분이 남습니다. 이렇게 노광과 현상을 거치면 빛이 닿은 영역과 닿지 않은 영역의 차이로 정교한 패턴이 드러나며, 이것이 이후 식각과 증착 공정으로 회로를 쌓아 가는 출발점이 됩니다.

⏱ 02:03AI 시대에는 대용량 데이터를 빠르게 처리하기 위해 하나의 칩에 더 많은 소자와 메모리 셀을 넣어야 하고, 그만큼 초미세 패턴 확보가 필수가 되었습니다. 그러나 패턴 간격이 좁아질수록 패턴 정보를 담은 회절광은 더 넓게 퍼지고, 빛끼리 겹치면서 인접 패턴의 경계가 흐려집니다. 일부 회절광은 렌즈 범위를 벗어나 웨이퍼에 전달되지 않으며, 그 결과 패턴이 뭉개지거나 제대로 형성되지 않습니다.

기존 ArF 광원으로는 이 문제를 해결하기 위해 하나의 패턴을 둘로 나누어 두 번 노광하는 멀티 패터닝을 써야 했습니다. 공정 단계가 늘어나 전체 공정이 훨씬 복잡해졌습니다.

⏱ 02:59해상도는 가까운 두 점을 구분할 수 있는 최소 거리를 뜻하며, 이 값이 작을수록 더 정밀한 회로를 그릴 수 있습니다. 노광 공정의 해상도는 레일리 공식 R = k₁ · λ/NA로 표현되는데, 여기서 λ는 빛의 파장이고 NA는 광학계의 개구수입니다. 광학계 성능을 키우거나 공정 변수를 개선하는 데에는 근본적인 한계가 있어, 파장을 짧게 만드는 것이 효과적인 방법으로 꼽힙니다.

EUV는 기존 ArF보다 약 14배 짧은 13.5나노미터 파장을 사용해 미세 회로를 한 번에 구현하며, 멀티 패터닝에 대한 의존도를 크게 낮췄습니다.

⏱ 03:52SK하이닉스는 2021년 D램에 EUV를 처음 도입한 뒤, 2024년 세계 최초로 개발한 10나노급 6세대 1c DDR5를 거쳐, 올해 세계 최초로 인증을 마친 1c LPDDR6까지 공정 최적화를 이어 오며 D램 미세화의 한계를 계속 넘어서고 있습니다.

EUV 이후에도 미세 패터닝은 멈추지 않으며, 그 중심에 High-NA EUV가 있습니다. 개구수를 높이면 빛을 더 정밀하게 모을 수 있어 수 나노미터급 공정 구현이 가능해지고, SK하이닉스는 이 기술을 메모리 업계 최초로 도입했습니다. 이러한 기술은 더 많은 데이터를 저장하고 처리하는 고집적 메모리의 기반이 됩니다.