반도체 제조는 미세한 회로를 실리콘 웨이퍼 위에 ‘그려 넣는’ 작업의 연속이다.
그 중심에는 **노광(Lithography)**이라는 핵심 공정이 있다.
노광은 반도체 집적도를 결정짓는 가장 중요한 단계이며, 나노 단위의 해상도 구현을 위해 광학, 기계, 재료, 정밀제어 기술이 융합된 최첨단 공정이다.
이번 글에서는 노광 공정의 기본 원리, 핵심 장비, 사용 기술, 한계와 극복 전략까지 종합적으로 정리한다.
1. 노광 공정이란?
노광(Lithography)은 빛을 이용해 감광막(포토레지스트)에 회로 패턴을 전사하는 공정이다.
빛의 간섭 없이 정밀한 패턴을 웨이퍼 표면에 정확히 ‘인쇄’해야 하기 때문에, 고도로 정밀한 광학 시스템이 필요하다.
2. 노광 공정의 기본 흐름
- 포토레지스트 도포: 웨이퍼 위에 감광성 물질(PR)을 균일하게 바름
- 노광(Exposure): 마스크(회로 설계 패턴)를 통해 빛(UV 등)을 투과시킴
- 현상(Development): 빛에 노출된 부분만 화학적으로 제거
- 식각 또는 이온주입: 드러난 회로 영역을 기반으로 가공 수행
- 포토레지스트 제거(Strip): 불필요한 PR 제거 후 다음 공정 진행
3. 사용되는 빛의 종류와 분해능
노광의 해상도는 빛의 파장(λ)과 수차 제어 능력에 따라 결정된다.
빛 종류파장사용 기술
| G-line | 436nm | 구형 패턴, 대형 회로용 |
| I-line | 365nm | 범용 CMOS, 초기 노광용 |
| KrF (ArF) | 248nm / 193nm | 미세 회로(90~45nm) |
| EUV | 13.5nm | 초미세 공정 (7nm 이하) |
특히, 7nm 이하의 초미세 회로에서는 **극자외선(EUV, Extreme Ultraviolet)**이 필수로 사용된다.
기존 광원의 물리적 한계를 뛰어넘기 위한 전략으로 도입되었다.
4. 핵심 장비: 스테퍼(Stepper) & 스캐너(Scanner)
- 스테퍼: 웨이퍼를 정지시킨 상태에서 부분별로 한 장면씩 노광
- 스캐너: 마스크와 웨이퍼를 동기 이동시켜 대면적 연속 노광
- 해상도 향상, 수율 개선, 속도 확보를 위한 필수 장비
대표적인 장비 제조사:
- ASML (EUV 및 고급 ArF 노광장비 세계 점유율 90% 이상)
- Nikon, Canon 등도 일부 시장 점유
5. 노광 공정의 기술적 한계
- 회절 한계(Diffraction Limit)
- 빛의 파장이 긴 경우, 미세 패턴을 형성하는 데 물리적 한계 존재
- 193nm ArF 사용 시 10nm 이하 회로 구현 어려움
- 마스크 정렬 정확도
- 회로가 수십 겹 쌓이기 때문에 마스크 오차 누적 발생
- 1nm 이하 정렬 정밀도 필요
- 열 및 진동 제어
- 수나노미터 단위의 이동 → 미세한 진동/온도 변화도 품질에 영향
6. 한계 극복 기술
- 위상 이동 마스크(Phase Shift Mask, PSM): 마스크 간 위상차를 활용한 해상도 개선
- 다중 패터닝(Multiple Patterning): 동일 층에 여러 번 노광해 고밀도 구현
- EUV 노광(EUV Lithography): 파장 축소로 고해상도 확보
- AI 기반 패턴 최적화: 공정 시뮬레이션 및 패턴 왜곡 자동 보정
7. 마무리하며
노광 공정은 반도체의 집적도, 성능, 소비전력 등 모든 특성을 결정짓는 가장 중요한 공정 중 하나다.
물리적 한계를 극복하기 위한 기술적 진화가 가장 빠르게 일어나는 분야이며, 글로벌 경쟁의 핵심이기도 하다.
삼성전자, TSMC 등 선두 기업들이 대규모 투자를 집중하는 이유는, 결국 노광 기술력 확보가 반도체 경쟁력의 근간이기 때문이다.
다음 편에서는 노광 후 이어지는 공정인 **식각(Etching)**의 원리와 기술을 다룬다.