반도체 산업은 나노미터 단위의 정밀성을 요구하는 대표적인 첨단 제조 산업입니다. 회로 선폭이 5nm 이하까지 도달하고, 3D 구조 및 다층화 기술이 확대됨에 따라 공정 상에서의 '초정밀 가공 기술'은 반도체 성능과 수율을 좌우하는 핵심 기술로 부상하고 있습니다. 초정밀 가공이란 단순한 미세 가공을 넘어, 수 나노미터 단위의 균일도, 평탄도, 깊이 제어, 형상 유지 등을 구현하는 기술로, 식각(Etching), 증착(Deposition), CMP(화학기계연마), 리소그래피 등의 전공정 단계와 밀접하게 연관되어 있습니다. 이 글에서는 반도체 제조에 적용되는 초정밀 가공 기술의 주요 방식, 장비, 공정 간 융합 기술, 그리고 미래 기술 발전 방향에 대해 상세히 설명합니다.
리소그래피 및 식각 기반의 정밀 가공 기술
초정밀 가공의 출발점은 리소그래피를 통한 패턴 형성입니다. 리소그래피는 감광막에 회로 패턴을 노광하여 전사하는 과정으로, 회로 선폭을 결정짓는 핵심 기술입니다. 극자외선 리소그래피(EUV)는 약 13.5nm 파장의 광원을 사용해 단일 노광으로 7nm 이하 패턴을 구현할 수 있게 해주며, 이전 세대 대비 마스크 설계, 포토레지스트 반응성, 노광 정밀도가 비약적으로 향상되었습니다. 하지만 패턴을 완성하기 위해서는 이후 공정에서 식각 기술이 정밀하게 따라줘야 합니다. 식각 공정은 플라즈마 또는 화학 용액을 이용해 노출된 부분의 박막을 제거하는 방식으로 진행되며, 식각 깊이, 측면 경사각(에치 프로파일), 선택비(Selectivity) 등의 정밀한 제어가 필요합니다. 특히 FinFET, GAA 트랜지스터처럼 수직구조가 복잡한 소자의 경우, 고이방성 식각 기술이 필수적이며, 이는 식각 가스를 정밀하게 제어하고, 반응 부산물을 효과적으로 제거하는 기술과 직결됩니다. 최근에는 Atomic Layer Etching(ALE)처럼 한 층씩 원자 단위로 식각하는 공정이 도입되면서, 초정밀 가공의 한계를 더욱 확장하고 있습니다.
증착과 CMP 공정의 초정밀 제어 기술
반도체 소자의 층간 구조를 형성하는 데에는 증착 기술이 필수적이며, 증착 품질은 이후 공정의 정밀도와 수율에 큰 영향을 미칩니다. 원자층증착(ALD, Atomic Layer Deposition)은 원자 한 층씩 증착할 수 있는 기술로, 박막 두께의 정밀 제어와 균일한 커버리지를 제공하여 3D NAND, DRAM 셀 구조 등에 광범위하게 활용됩니다. 기존 CVD(화학기상증착)나 PVD(물리기상증착)보다 두께 오차가 적고, 울퉁불퉁한 구조에서도 뛰어난 적층 성능을 보이는 것이 특징입니다. 한편 CMP(Chemical Mechanical Polishing)는 증착된 박막이나 식각 후의 불균일한 표면을 연마하여 평탄화하는 공정으로, 초정밀 공정의 핵심 중 하나입니다. CMP는 연마 슬러리, 패드, 압력, 속도, 온도 등 다양한 요소의 정밀한 조절이 요구되며, 미세 잔여물, 스크래치, 오염 등을 최소화해야 하는 고난도 기술입니다. 최근에는 고이방성 CMP, 듀얼 슬러리 기술, 인공지능 기반 공정 조정 기술이 접목되면서 CMP의 정밀도와 예측 가능성이 대폭 향상되고 있습니다. 증착과 CMP는 정밀 가공 공정 사이클을 구성하며, 층간 간섭을 최소화하고 패턴 정합성을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다.
하이브리드 가공 및 차세대 기술 동향
반도체 구조가 복잡해지고 집적도가 높아지면서, 기존 단일 공정만으로는 정밀 가공에 한계가 존재합니다. 이에 따라 다양한 공정을 결합한 하이브리드 가공 기술이 주목받고 있습니다. 예를 들어, 리소그래피와 이온 빔 가공을 결합하거나, 식각과 증착을 반복하는 공정(ALE + ALD)을 통해 복잡한 3D 구조를 구현하는 방식이 확대되고 있습니다. 또한 레이저 어닐링을 활용한 국부 열처리 방식, 드라이-습식 식각의 복합 적용, 나노임프린트 기반 패턴 복제 기술 등도 초정밀 공정에 적합한 기술로 부상하고 있습니다. 특히 초정밀 가공 공정의 특성상 공정 간 오차 누적을 방지하기 위한 메타롤로지(정밀 측정 기술)의 중요성이 커지고 있으며, 원자 단위 측정 장비(AFM, XPS, TEM 등)와 실시간 공정 모니터링 장비(OCT, scatterometry 등)의 융합 사용이 확대되고 있습니다. 더 나아가, AI 기반 공정 예측 시스템, 디지털 트윈 기반 시뮬레이션, 공정 데이터 기반 피드백 루프 설계 등을 통해 초정밀 가공의 재현성과 안정성을 확보하려는 시도도 활발히 진행 중입니다. 초정밀 가공 기술은 단순히 제조의 정밀도를 높이는 데 그치지 않고, 전체 반도체 제품의 성능과 수명을 좌우하는 요소로 인식되고 있습니다.
반도체 초정밀 가공 기술은 미세공정의 한계를 극복하고, 고성능·고신뢰성 소자를 구현하기 위한 핵심 기술 분야입니다. 식각, 증착, CMP, 리소그래피, 측정 장비 등의 각 공정이 단독으로가 아닌 유기적으로 결합되어 작동하면서, 전반적인 제조 품질을 결정짓습니다. 앞으로의 반도체 기술이 2nm 이하로 진입하고, 3D 적층 구조와 heterogeneous integration이 확대되면서, 초정밀 가공 기술은 더 높은 정밀도, 낮은 공정 오차, 뛰어난 반복 정합성을 요구받게 될 것입니다. 이에 따라 반도체 제조 기업은 소재, 장비, 공정, 데이터 해석 등 전 분야에 걸친 통합적 접근을 통해 초정밀 가공 역량을 강화해 나가야 합니다. 결국, 초정밀 가공 기술은 반도체 산업의 기술 패권을 결정짓는 핵심 기반 기술로서, 지속적인 기술 고도화와 자동화 시스템 도입이 필수적인 시대가 도래하고 있습니다.