리소그래피(Lithography)는 반도체 공정에서 회로 패턴을 웨이퍼 위에 형성하기 위한 핵심 공정으로, 회로의 정밀도, 선폭(패턴 너비), 생산 수율에 직접적인 영향을 미치는 기술입니다. 리소그래피는 포토레지스트라는 감광성 물질 위에 빛이나 전자빔을 쏘아 회로 패턴을 전사하는 방식으로 작동하며, 이후 식각과 증착 공정을 통해 실질적인 반도체 회로가 구현됩니다. 기술 발전과 함께 리소그래피 기술도 여러 방식으로 진화해왔으며, 미세화 한계를 돌파하기 위한 첨단 기술이 지속적으로 개발되고 있습니다. 본문에서는 전통적인 광 리소그래피를 포함하여, 고해상도 구현이 가능한 극자외선 리소그래피(EUV), 전자빔 리소그래피, 나노임프린트 리소그래피 등 주요 기술들을 비교 분석합니다.
광 리소그래피 (DUV, Immersion 등)
광 리소그래피는 자외선(UV) 또는 심자외선(DUV: Deep Ultraviolet)을 이용해 회로 패턴을 포토레지스트에 전사하는 방식으로, 현재까지도 가장 널리 쓰이고 있는 리소그래피 기술입니다. 초기에는 365nm I-line, 248nm KrF(Krypton Fluoride) 레이저가 주로 사용되었으나, 미세 공정이 발전함에 따라 193nm ArF(Argon Fluoride) 레이저로 대체되었습니다. 특히, ArF Immersion(액침) 기술은 광원과 웨이퍼 사이에 물을 넣어 굴절률을 높이고 해상도를 향상시키는 방법으로 10nm대 공정까지 실현 가능한 기술입니다. 그러나 파장의 한계로 인해 7nm 이하 공정에서는 멀티 패터닝(이중, 삼중 패터닝) 기술이 필요해 공정 복잡성과 비용이 증가합니다. 이러한 한계는 차세대 리소그래피 기술로의 전환을 가속화시키는 배경이 되었습니다.
극자외선 리소그래피 (EUV Lithography)
극자외선 리소그래피(EUV)는 약 13.5nm 파장의 극자외선을 사용하는 최신 리소그래피 기술로, 기존 ArF Immersion보다 훨씬 더 미세한 패턴을 단일 노광(Single Exposure)만으로 구현할 수 있습니다. EUV는 7nm 이하 공정부터 본격 도입되기 시작했으며, TSMC, 삼성전자, 인텔 등의 주요 파운드리 기업들이 이를 도입하여 5nm, 3nm 공정 기술의 구현에 활용하고 있습니다. 그러나 EUV는 고도의 기술적 과제가 많습니다. 첫째, EUV 광원은 생성 자체가 매우 어렵고, 레이저로 플라즈마를 생성하여 스너(grating)와 반사 거울을 통해 노광하는 복잡한 과정을 거칩니다. 둘째, 13.5nm 파장은 대부분의 재료에 흡수되기 때문에 투명한 렌즈를 사용할 수 없고, 반사경만으로 구성된 브래그 미러(Bragg Mirror)를 이용해야 합니다. 셋째, 포토레지스트 재료 역시 EUV 노광 조건에 맞게 개발되어야 하며, 공정에서 발생하는 차지업, 입자 오염 등에 매우 민감합니다. 이로 인해 장비 단가가 매우 높고, 수율 관리가 어려워 현재까지도 제한된 공정에서만 활용되고 있지만, 미세화 경쟁에서 핵심적인 역할을 수행 중입니다.
전자빔 및 나노임프린트 리소그래피
전자빔 리소그래피(E-beam Lithography)는 빛이 아닌 전자빔을 직접 포토레지스트에 조사하여 패턴을 형성하는 방식입니다. 파장이 극도로 짧기 때문에 1nm 수준의 해상도를 구현할 수 있어, 연구용 시제품 제작, 마스크 제작 등에 활용됩니다. 하지만 한 번에 매우 좁은 영역만 조사할 수 있어 대면적 웨이퍼 노광에는 시간이 오래 걸리며, 생산성 문제로 인해 대량 생산에는 적합하지 않습니다. 그럼에도 불구하고 E-beam 기술은 마스크리스 공정이 가능하다는 장점이 있어 초기 제품 검증이나 커스터마이징 공정에 자주 사용됩니다. 반면 나노임프린트 리소그래피(NIL: Nano Imprint Lithography)는 금속이나 고분자 재질로 제작된 마스터 몰드를 포토레지스트 위에 직접 눌러서 패턴을 전사하는 방식입니다. 이 기술은 광원을 사용하지 않아 장비가 단순하며, 수 나노미터 수준의 정밀 패턴을 저비용으로 구현할 수 있다는 장점이 있습니다. 그러나 몰드 정렬 정밀도, 몰드 내구성, 공정 반복성 등의 문제로 인해 아직 양산 공정에 본격적으로 적용되진 않았지만, 차세대 패턴 기술로서의 가능성은 여전히 활발히 연구되고 있습니다. 특히 디스플레이나 센서, 바이오칩 제조 등 미세 패턴이 요구되는 다양한 산업 분야에서의 활용 가능성도 주목받고 있습니다.
반도체 리소그래피 기술은 공정 미세화의 최전선에 있는 핵심 기술로, 제조 기술의 진보를 좌우하는 요소입니다. 기존 광 리소그래피는 오랜 기술 축적과 생산성에서 강점을 갖고 있으며, 극자외선 리소그래피는 미세 공정 구현의 필수 조건으로 자리잡아가고 있습니다. 전자빔과 나노임프린트 기술은 고해상도 정밀 패턴 형성에 유리하나 생산성 측면에서 개선이 필요합니다. 향후에는 이러한 기술들이 공정에 따라 병행 또는 선택적으로 활용되며, 하이브리드 방식으로 융합될 가능성도 큽니다. 또한 인공지능 기반의 리소그래피 조건 최적화, 디지털 트윈 기반 시뮬레이션, 저감투자형 리소그래피 장비 개발 등 새로운 패러다임도 등장하고 있어, 리소그래피 기술은 단순한 노광 기술을 넘어 반도체 공정의 혁신을 이끄는 중심축이 되고 있습니다.