Paperis 아티클
칩은 깎아 만드는 게 아니라 인쇄한다 — 파장·개구수·초점심도라는 기본기부터, 파장보다 작게 그리는 네 가지 방법(액침·다중 패터닝·마스크 왜곡·EUV)과 그 하나하나가 청구한 대가까지
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반도체 칩을 떠올릴 때 사람들은 흔히 아주 정밀한 조각을 상상한다. 미세한 끌로 실리콘을 깎아 회로를 새기는 장면 같은 것. 하지만 실제로 벌어지는 일은 조각보다 인쇄에 가깝다. 회로 도면을 유리판에 미리 그려 두고, 그 도면에 빛을 통과시켜 웨이퍼 위 감광막에 상을 맺힌다. 사진을 인화하듯, 판화를 찍듯.
이것은 비유가 아니라 공정의 실제 구조다. 반도체 소자를 만드는 기본 방법은 1990년대부터 지금까지 크게 다르지 않다 — 크롬을 입힌 유리판(포토마스크)에 전자빔으로 패턴을 그린 뒤, 그것을 광학 노광 장치로 실리콘 웨이퍼 위에 재현하는 것이다 (DOI: 10.1093/oso/9780198562832.003.0007). 원판을 한 번 만들어 두면 같은 패턴을 몇 번이고 다시 찍을 수 있다.
왜 굳이 인쇄여야 하는가. 답은 결국 돈이다. 1994년의 한 비용 분석은 리소그래피가 당시 집적회로 제조 비용의 약 3분의 1을 차지하며 설비 투자액이 지수적으로 늘고 있다고 짚으면서, 결국 미세화의 진전을 멈추는 것은 기술적 요인이 아니라 경제적 요인일 것이라고 내다본다. 그래서 결론도 이렇다 — 어떤 리소그래피 공정이든 비용 효율적이어야만 양산에 고려될 수 있다 (DOI: 10.1364/eul.1994.elpm.13). 하나씩 그려서는 값이 맞지 않는다. 그 인쇄가 얼마나 고르게 찍히는지도 숫자로 확인된다. 다중 이중 패터닝으로 25 nm 하프피치의 실리콘 기둥(지름 23.6 nm·높이 114 nm)을 만든 뒤 300 mm 웨이퍼 30개 지점에서 잰 균일도의 3σ는 겨우 1.7 nm였고, 검사한 어느 구역에서도 기둥이 무너지지 않았다 (DOI: 10.1143/jjap.50.04da16).
그래서 리소그래피는 여러 공정 중 하나가 아니라, 얼마나 작게 그릴 수 있느냐가 곧 얼마나 많이 담을 수 있느냐를 결정하는 병목이다. 이 글은 그 인쇄가 어떻게 작동하는지, 그리고 사람들이 가장 궁금해하는 질문 — 어떻게 쓰는 빛의 파장보다 작은 것을 그릴 수 있는가 — 을 처음 보는 사람의 눈높이에서 쌓아 올린다.
공정의 뼈대는 세 걸음이다.
첫째, 감광막을 바른다. 감광막(photoresist)은 빛을 받으면 성질이 바뀌는 얇은 고분자 막이다. 정확히는 현상액에 대한 용해도가 바뀐다. 1993년의 한 개괄은 광리소그래피를 "빛에 노출되면 현상액에서의 용해도가 달라지는 감광막을 패턴에 따라 노광하는 공정"이라 정의한다 (DOI: 10.2533/chimia.1993.387). 빛이 닿은 곳만 씻겨 나가거나, 반대로 빛이 닿은 곳만 남는다.
둘째, 마스크의 상을 감광막에 맺힌다. 투영 광학계가 마스크의 패턴을 축소해 웨이퍼에 비추면 빛이 닿은 감광막만 성질이 바뀌고, 현상하고 나면 감광막 위에 패턴이 남는다.
셋째, 그 패턴을 아래로 옮긴다(식각). 감광막 자체는 회로가 아니다. 감광막은 가림막이다. 그 아래층을 깎아 내되 감광막이 덮은 곳만 남기면 패턴이 실제 재료에 옮겨진다. 한 연구는 전자빔 노광으로 만든 레지스트 마스크로 25 nm 폭·57 nm 높이의 하드마스크를 만든 뒤, 그것을 가림막 삼아 다시 식각해 18 nm 폭·71 nm 높이의 실리콘 구조를 얻는 전 과정을 보고했다 (DOI: 10.35848/1347-4065/adb4ff). 빛으로 그린 그림이 이렇게 단단한 구조가 된다.
여기서 이 글의 중심 명제가 나온다. 해상도가 곧 집적도다. 빛으로 얼마나 잘게 구분해 그릴 수 있느냐가 같은 넓이에 몇 개의 소자를 넣을 수 있느냐를 정한다. 리소그래피의 역사가 "더 잘게"의 역사인 이유다.
그 "더 잘게"를 가로막는 것이 빛의 회절이다. 빛은 파동처럼 퍼지므로, 아무리 마스크에 날카로운 경계를 그려도 웨이퍼에 맺히는 상은 반드시 조금 번진다. 이 번짐의 크기가 그릴 수 있는 가장 작은 것의 한계를 정한다. 그 한계를 정하는 값은 둘이다.
해상도는 파장에 비례하고 개구수에 반비례한다. 파장을 줄이거나 개구수를 키우면 더 작게 그릴 수 있다는 뜻이다. 한 연구는 개구수 0.6인 KrF(248 nm) 노광 장비의 회절 한계를 0.5λ/NA로 계산해 207 nm로 명시한다. 두 값이 정해지면 "여기까지"라는 선이 계산으로 나온다는 뜻이다 — 다만 그 선조차 절대적이지는 않다. 같은 연구는 다중 현상법이라는 레지스트 공정으로 200 nm 피치 격자를 찍어 그 207 nm 선을 넘었고, 이심조명이나 위상이동 마스크 같은 기존 해상도 향상 기법으로는 얻을 수 없던 결과라고 적었다 (DOI: 10.1143/jjap.38.6999).
산업의 대응은 오랫동안 단순했다 — 파장을 줄인다. 1994년의 한 보고는 그 진행을 그대로 적어 두었다. 436 nm → 365 nm → 248 nm → 193 nm. 그리고 193 nm 노광이 0.25 μm 패터닝을 가능하게 하고 0.18 μm에서 주력 양산 기술이 되리라 전망했다 (DOI: 10.1364/eul.1994.elpm.10).
그런데 여기서 가장 중요한 개념 하나가 등장한다. 초점심도(depth of focus, DOF) 다. 사진을 찍어 본 사람은 안다. 조리개를 열면 초점이 맞는 범위가 얇아진다. 리소그래피도 같다. 개구수를 키워 해상도를 얻으면 초점이 맞는 두께가 얇아진다. 웨이퍼는 완벽한 평면이 아니고 감광막에도 두께가 있으므로, 초점 범위가 얇아진다는 건 곧 공정이 예민해진다는 뜻이다.
이 교환은 실측된다. ArF 액침 노광 장비에서 개구수를 바꿔 가며 해상도와 초점심도를 측정한 연구는 둘 사이의 이론적 상충 관계를 실험으로 확인하고, 두 특성을 각각 기술하는 계수를 약 0.288과 0.745로 뽑아냈다. 같은 연구는 마스크 개구율이 커질수록 선폭 거칠기가 늘어나는 문제도 함께 보고하면서, 이 상충을 완화할 여지도 찾아냈다 — 초점심도는 개구수만이 아니라 감광막 두께에도 좌우되므로, 개구수를 고정한 채 목표 층의 선폭·패턴 밀도에 맞춰 감광막 두께를 최적화할 수 있다는 것이다 (DOI: 10.3390/mi13111971). 직관이 뒤집히는 사례도 있다. 248 nm 노광으로 0.3 μm 선/공간 패턴을 다룬 연구의 벡터 모델 시뮬레이션에서는 개구수 0.6보다 0.42가 오히려 초점심도가 컸다. 이 감광막의 대비가 높았기 때문이다 (DOI: 10.1116/1.585149). 개구수를 키우는 것이 언제나 이득은 아니라는 것 — "하나를 얻으면 하나를 내준다"는 이 글의 규칙이 처음 얼굴을 내미는 자리다.
이제 이 글의 핵심이다. 193 nm의 빛으로 파장보다 한참 작은 구조를 찍는 일은 실제로 벌어졌다. 어떻게 가능했나. 크게 네 갈래다.
개구수를 키우는 방법이 하나 더 있다. 렌즈와 웨이퍼 사이의 공간을 공기 대신 굴절률이 높은 액체로 채우는 것이다. 그러면 같은 렌즈로도 유효 개구수가 커진다.
이 아이디어는 파장 경쟁이 한창일 때 나왔다. 157 nm 리소그래피를 다룬 2002년 연구는 "투영 렌즈의 개구수를 개선해 157 nm에서의 해상 능력을 높이기 위해" 액체 액침 간섭 리소그래피가 연구되어 70 nm 미만의 선/공간 패턴을 얻었다고 기록한다 (DOI: 10.1116/1.1520577). 목적이 명시적으로 "개구수를 키우기 위해"다. 이후 액침은 개구수를 1보다 크게 만드는 길을 열었다. 한 논문은 "액침 리소그래피는 더 작은 패턴을 만들기 위해 하이퍼-개구수를 쓴다"고 못 박고 (DOI: 10.1143/jjap.45.9280), 다른 연구는 액침 노광 장비용으로 개구수 1.35의 대물 광학계를 설계해 보였다 (DOI: 10.1364/ao.457833).
물론 대가가 있다. 개구수가 커지면 빛이 기판에 더 비스듬히 들어오고 그만큼 기판 반사율이 높아진다. 그래서 편광을 따로 고려해야 하고, 반사방지막의 두께를 편광 상태별로 다시 최적화해야 한다 (DOI: 10.1143/jjap.45.9280).
두 번째 편법은 발상이 다르다. 한 번에 못 찍겠으면 나눠 찍는다.
2009년의 한 개괄이 상황을 정리했다. 193 nm 노광으로 45 nm, 32 nm, 22 nm 노드의 구조를 찍는 "파장보다 훨씬 작은" 리소그래피가 나노미터 CMOS 미세화의 가장 근본적인 과제이며, 액침부터 계산 리소그래피까지 온갖 기법을 동원해도 단일 노광 193 nm는 22 nm 노드 근처에서 궁극적 한계에 다다른다. 그런데 차세대 후보들은 여전히 "차세대"에 머물러 있었다 (DOI: 10.1145/1862879.1862880). 그 틈을 메운 것이 다중 패터닝이다.
가장 널리 쓰인 방식 하나를 뜯어보자. 자기정렬 이중 패터닝(SADP) 이다. 순서는 이렇다 — 먼저 '맨드럴'이라 불리는 임시 패턴을 만들고, 그 위에 다른 재료를 균일하게 덮은 뒤, 건식 식각으로 옆면(스페이서)만 남긴다. 마지막에 맨드럴을 녹여 없애면 스페이서 두 줄이 남는다. 한 줄이 두 줄이 된 것이다. 장점은 노광 단계가 하나뿐이고 최종 선폭이 노광이 아니라 증착한 막의 두께로 정해진다는 점, 단점은 증착과 식각을 여러 번 연달아 해야 한다는 점이라고 저자들은 정직하게 적는다. 그래서 이 연구 자체가 맨드럴과 스페이서 재료를 새로 골라 그 공정 단계 수를 줄이는 개념 실증을 목표로 삼았다 (DOI: 10.1116/1.4963194). 같은 논리를 반복하면 세 번, 네 번까지 간다.
다중 패터닝의 진짜 청구서는 다른 데서 날아온다. 정합(overlay) 이다. 한 층을 두 번 나눠 찍으면 두 번째 노광이 첫 번째 위에 정확히 겹쳐야 한다. 20 nm 기술에 193 nm 액침 이중 패터닝을 적용한 연구는 정합 제어가 이 기술의 성공적 구현을 위한 핵심 지표 중 하나라고 대놓고 말한다 (DOI: 10.1149/06001.0173ecst). 종합적인 평가는 이렇다 — 다중 패터닝은 광학 리소그래피의 수명을 늘렸지만 선폭 거칠기와 선폭 변동이라는 중대한 문제를 함께 들여왔고, 결국 비용·복잡도·정밀도 사이의 균형을 잡는 일이 되었다. 다만 같은 리뷰가 곧바로 잇는 것은 그 문제를 줄이려는 수단들이다 — 계산 리소그래피, 기계학습 기반 계측, 새 레지스트 재료, 자기정렬 패터닝, 식각 공정 최적화 (DOI: 10.47363/jcbr/icbr2025/2025(79).
세 번째 편법이 가장 반직관적이다. 원하는 모양을 얻기 위해, 마스크에는 원하지 않는 모양을 그린다.
이유는 이렇다. 회절 때문에 상은 반드시 번지고, 그 번짐은 주변 패턴의 배치에 따라 달라진다. 이웃한 선이 가까우면 서로의 빛이 간섭해 선폭이 달라지고, 선의 끝은 짧아지고, 직각 모서리는 둥글어진다. 이것을 광근접효과라 하고, 이를 미리 계산해 마스크를 반대로 비틀어 두는 것을 광근접보정(OPC) 이라 한다.
선의 끝이 짧아지는 것을 막으려 마스크 끝에 망치 머리 모양을 붙이는 방식은 0.25 μm 패턴에서 필드 내 선폭 균일도 20 nm(3σ), 노광 여유 14%, 초점심도 0.8 μm를 얻었다 (DOI: 10.1143/jjap.37.6681). 빛의 위상을 건드리는 방법도 있다. 마스크 일부를 지난 빛의 위상을 뒤집어 이웃한 빛과 상쇄시키면 경계가 날카로워지는데(위상이동 마스크), 이를 광근접보정과 결합해 T자 패턴의 선단 축소를 4.6 nm로 줄이고 초점심도를 200 nm 넘게 확보한 연구가 있다 (DOI: 10.1116/1.2823020).
대가는 계산과 검증의 폭발이다. 광근접보정의 데이터 흐름을 정리한 리뷰는, 모델 교정에 쓰는 데이터는 잘 고르면 적게 유지할 수 있지만 검증 단계에서는 데이터 양이 매우 커진다고 지적한다. 시험 웨이퍼에서 수많은 구조가 공정 창 전체에 걸쳐 제대로 찍혔는지 확인해야 하는데, '핫스팟' 탐지와 짧은 회전시간이 서로 상충한다는 것이다 (DOI: 10.7567/jjap.55.06ga01).
그리고 네 번째. 편법이 아니라 정공법이다. 193 nm에서 한 번에 13.5 nm로 내려가는 것. 극자외선(EUV) 리소그래피다. 숫자만 보면 가장 단순한 해법이다. 파장이 열네 배 짧아지면 회절 번짐도 그만큼 작아진다. 그런데 이 정공법이 실현되기까지 수십 년이 걸렸다.
극자외선 리소그래피의 발전을 서지 데이터로 추적한 한 보고서는 이를 "최근 반도체 산업에서 나온 가장 중요한 기술"로 부르며, 1980년대부터 현재까지 이어진 연구 공동체의 진화와 수십 년에 걸친 상업화 경로를 정리한다 (DOI: 10.51593/20240003). 이 글이 근거로 삼은 문헌 중에도 1994년과 1996년 극자외선 리소그래피 학술대회의 발표가 여럿 있다. 그때 사람들이 무엇을 붙들고 있었는지를 보면 왜 오래 걸렸는지가 보인다. 다만 오래 걸렸다는 것이 전망이 어두웠다는 뜻은 아니다. 2006년의 상황 보고는 지난 몇 해의 진전이 뛰어났고 장비 공급사가 알파 툴을 출하 중이며, 기술·사업적 과제만 풀리면 극자외선이 32·22·16·11 nm 하프피치 노드의 유력 기술이 될 것이라고 적었다 (DOI: 10.1016/j.crhy.2006.10.002). 그리고 그 '과제만 풀리면'이 13년을 잡아먹었다.
첫째, 렌즈를 쓸 수 없다. 극자외선 노광은 기존 광학 리소그래피와 달리 반사형 광학계이며 다층막을 입힌 거울을 쓴다 (DOI: 10.1142/s0219607707000219). 그래서 다층 반사막이 이 기술의 성립 조건 자체가 된다. 그런데 재료가 얼마나 협조하지 않았는지는 구체적인 사례로 남아 있다. 40~70 nm 영역의 수직 입사 반사막을 검토한 연구는, 알루미늄 기반 다층 구조가 이론상 가장 높은 반사율을 주지만 표면 산화막 때문에 실용적 가치가 거의 없다고 결론지으면서, 대신 산화 제어가 더 수월할 실리콘 기반 다층 구조를 대안으로 제시했다 (DOI: 10.1364/eul.1996.rmc173). 종이 위의 최적해와 실제로 만들 수 있는 것 사이의 거리, 그리고 그 거리를 차선책으로 메우는 방식 — 극자외선의 역사 내내 반복된 주제다.
둘째, 마스크 원판이 거의 결함 없이 만들어져야 했다. 극자외선 마스크 블랭크용으로 81층짜리 Mo/Si 다층막을 만든 1996년의 연구는, 결함 밀도를 제곱센티미터당 2×10⁻²까지 낮춰 기존 대비 10만 배 감소를 달성했다고 보고한다 (DOI: 10.1364/eul.1996.r44). 10만 배를 줄여야 겨우 시작선에 선다는 뜻이었다. 원판을 먼지에서 지키는 일도 남았다. 극자외선용 펠리클은 나노미터 두께에서 기계적으로 약한 데다 고온과 수소 라디칼을 견뎌야 한다. 한 연구는 금속 실리사이드 펠리클을 실물 크기로 만들어 투과율 90% 이상을 확보하고, 400 W EUV에 해당하는 오프라인 조건(20 W/cm²)에서 웨이퍼 2만 장 노광에 상당하는 노출 시험을 거쳐 내구성을 검증했다 (DOI: 10.1088/1361-6528/ad902d).
셋째, 그리고 가장 오래 발목을 잡은 것 — 광원이다. 13.5 nm의 빛을 충분히 밝게, 안정적으로, 오래 만들어 내는 일이 문제였다. 2004년의 성적표는 이렇다. 액체 제논 제트를 10 kHz로 동작하는 600 W급 레이저로 때려서 13.5 nm에서 2.2 W의 출력을 얻었다 (DOI: 10.1143/jjap.43.3707). 그리고 2007년의 한 개괄은 그 시점에 요구되던 광원 출력을 115 W 초과로 적으면서, 개발이 2011년 가동을 목표로 가속되고 있다고 썼다 (DOI: 10.1142/s0219607707000219). 실제 양산 투입은 2019년이었다 (DOI: 10.1364/euvxray.2022.ew6a.6). 2004년 연구용 소스의 2.2 W(13.5 nm, 2% 대역폭·2π sr)와 2007년 장비가 요구한 115 W는 측정 조건이 서로 달라 곧바로 나눌 수 있는 숫자가 아니지만, 그 자릿수 차이와 2011년과 2019년 사이의 간격이 이 기술이 왜 그렇게 오래 걸렸는지를 두 줄로 설명한다. 2006년의 상황 보고는 더 솔직하다 — 광원 출력이 사양에 근접하는 수준까지 올라왔지만 그 출력에서 신뢰성 있게 운전된다는 것은 아직 온전히 입증되지 않았다 (DOI: 10.1016/j.crhy.2006.10.002). 게다가 광원은 빛만 내지 않는다. 앞의 2004년 연구는 플라즈마에서 튀어나온 빠른 이온이 Mo/Si 다층 거울을 스퍼터링으로 손상시키는 것이 주된 손상 기구임을 확인했다 (DOI: 10.1143/jjap.43.3707).
넷째, 장비 안이 진공이어야 하고 그 진공조차 순수하지 않다. 극자외선 노광 장비 안에서는 EUV 광자가 배경 기체를 이온화해 수소 플라즈마가 생긴다. 이 플라즈마는 광학계에 탄소가 쌓이는 것을 막아 주는 필수 요소지만, 동시에 장비 안 다른 부품의 성능과 수명에 영향을 줄 수 있다 (DOI: 10.1116/6.0003701). 이롭기도 하고 해롭기도 한 것을 안고 가야 한다는 뜻이다.
이 모든 것을 다 풀고 나서야 극자외선은 공장에 들어갔다. 1996년부터 기초 기술을 연구해 온 한 시설의 2022년 보고는 그 시점을 이렇게 기록한다 — 극자외선 리소그래피는 2019년부터 7 nm 노드 로직 소자에, 2020년부터 5 nm 노드에 양산 적용되기 시작했다 (DOI: 10.1364/euvxray.2022.ew6a.6).
회절 한계가 파장에 비례한다면, 파장을 줄이면 되지 않나. 문제는 파장이 짧아지는 순간 그 파장에서 쓸 수 있는 모든 것이 사라진다는 데 있다. 렌즈 재료, 마스크, 감광막, 광원 — 넷이 전부 새로 필요하다. 157 nm 리소그래피가 이를 잘 보여 준다. 이 파장을 실현하려고 F₂ 레이저, 광학계, 포토마스크, 레지스트가 모두 광범위하게 연구되어야 했고, 개구수 0.85 투영 렌즈의 잔류 수차와 CaF₂의 고유 복굴절이 결상에 미치는 영향까지 따로 평가해야 했다. 그렇게 다 갖추고 나서 저자들은 157 nm 고개구수 광학계로 70 nm 미만 패턴이 가능하며 양산 잠재력도 충분하다고 결론지었다 (DOI: 10.1116/1.1520577) — 그럼에도 산업이 157 nm 대신 다른 길로 갔다는 사실이, 이 판에서 '기술적으로 가능하다'와 '공장에 들어간다'가 얼마나 다른 말인지를 보여 준다. 앞서 본 1994년의 보고는 193 nm에서 투명도 높은 광학 재료를 구할 수 있고 레이저 손상 속도도 충분히 느려 투영 광학계가 10년 상시 운전을 견딜 것이라 확인한 뒤, "큰 장애물은 예상되지 않는다"로 끝맺는다 (DOI: 10.1364/eul.1994.elpm.10). 새 파장이 성공하려면 이런 확인이 항목마다 하나씩 쌓여야 한다는 뜻이다 — 193 nm는 그 확인이 다 떨어진 드문 경우였다.
극자외선에서는 이 문제가 극단으로 간다. 굴절 렌즈 대신 반사경을 써야 하고 (DOI: 10.1142/s0219607707000219), 이론상 최고인 재료가 산화막 때문에 못 쓰이며 (DOI: 10.1364/eul.1996.rmc173), 광원 출력이 요구치에 닿기까지 수십 년이 걸렸다 (DOI: 10.51593/20240003). 감광막 쪽 요구도 만만치 않았다. 2006년의 상황 보고는 극자외선용 감광막이 해상도·선폭 거칠기·감도를 동시에 만족해야 하는데 그 요구를 달성하려면 상당한 노력이 더 필요하다고 적는다 (DOI: 10.1016/j.crhy.2006.10.002).
요컨대 "짧은 파장"은 답이 아니라 문제의 시작이다.
노광 조건을 똑같이 맞추면 같은 결과가 나오리라는 믿음, 이것이 더 뿌리 깊은 오해다. 그렇지 않다. 구조가 작아질수록 그 안에 관여하는 광자와 분자의 개수가 적어지고, 개수가 적어지면 우연이 결과를 흔든다. 이것을 확률적(stochastic) 효과라 부른다.
이 인식은 오래되었다. 2003년의 한 연구는 극자외선으로 50 nm와 80 nm 콘택트홀을 찍는 상황을 모사해, 빛 세기의 요동과 공간적 분포의 요동, 그리고 국소적인 화학 반응의 변덕이 모두 홀의 크기를 바꾼다는 것을 보이고, 이 정도의 정밀도를 얻으려면 감광막의 화학과 공정에 비상한 수준의 제어가 필요하다고 결론지었다 (DOI: 10.1116/1.1629294).
최근 연구는 원인의 비중까지 가른다. 극자외선 감광막의 결함 형성을 확률 시뮬레이션으로 파고든 연구에서 광자 조건의 약 73%가 시행의 60% 이상에서 실패를 낸 반면 재료 쪽 요인은 실패 건수는 많아도 영향이 작았고, 저자들은 광자 샷 노이즈에 기인한 실패는 재료 개선만으로는 완화되지 않는다고 결론짓는다 (DOI: 10.35848/1347-4065/ac5b22). 그 실패가 어떤 모습으로 나타나는지를 열거한 연구도 있다 — 선이 잘록해지거나(pinching), 끊겨야 할 선이 붙거나(bridging), 있어야 할 비아가 통째로 없어진다 (DOI: 10.35848/1347-4065/ac54f5).
같은 뿌리에서 나오는 것이 선폭 거칠기(line edge roughness, LER) 다. 완벽히 곧아야 할 선의 가장자리가 미세하게 물결친다. 결정적인 문제는 이것이다 — 선폭 거칠기는 구조가 작아진다고 함께 작아지지 않는다. 구조가 10 nm일 때 가장자리가 1 nm 흔들리는 것은 100 nm일 때와 전혀 다른 이야기다. 그리고 이 흔들림은 소자로 전이된다. 같은 연구는 선폭 거칠기가 핀펫의 전위와 드레인 전류를 흔들어 성능 열화로 나타나는 과정을 정량화했다 (DOI: 10.3390/mi12121493).
거칠기를 줄이는 정공법은 광자 수를 늘리는 것이다. 실제로 선폭 거칠기는 노광량의 제곱근에 반비례한다. 그런데 어느 지점부터는 노광량을 아무리 올려도 더 줄지 않는다. 한 연구는 몬테카를로 모사로 그 하한의 원인을 파고들어, 노광 중 산 발생제가 소모되는 효과가 지배적 요인임을 밝혔다 (DOI: 10.1143/jjap.51.06fc01). 가장 뜻밖의 기여자는 화학이 아니라 기계다. 선폭 거칠기의 원인을 어골도로 분류한 2025년의 리뷰는 장비의 진동, 열적 불안정, 가스 유량 변동을 충분히 탐구되지 않은 기여 요인으로 지목한다 (DOI: 10.1115/imece2025-167155).
한 가지 더. 극자외선 노광 자체가 이 문제를 구조적으로 안고 있다는 점이다. 주어진 광원 출력에서 쓸 수 있는 광자의 수가 제한되므로 광자 샷 노이즈가 생기고, 그것이 선폭 거칠기 저감과 결함 제거를 동시에 어렵게 만든다 (DOI: 10.1117/1.jmm.25.3.031608). 파장을 줄여 얻은 해상도의 뒷면에, 광자를 적게 쓰게 된다는 대가가 붙어 있다.
세 번째 오해는 앞의 둘을 합친 것이다. 해상도는 이 게임의 점수판 하나일 뿐이다.
이미 본 것부터 세어 보자. 해상도를 올리면 초점심도를 내준다 (DOI: 10.3390/mi13111971). 개구수를 키우면 기판 반사가 늘어 반사방지막을 다시 설계해야 한다 (DOI: 10.1143/jjap.45.9280). 나눠 찍으면 정합이 새로운 병목이 된다 (DOI: 10.1149/06001.0173ecst).
여기에 잘 언급되지 않는 항목이 하나 더 있다. 재는 일이다. 만든 것을 정확히 잴 수 없으면 제어할 수도 없다. 그런데 선폭 거칠기는 계측 자체를 흐린다. 광학식 선폭 계측에서 거칠기의 영향을 해석적으로 다룬 연구는, 굴절률이 높은 격자에서 거칠기가 기여하는 불확도의 상한이 편광에 따라 3.7 nm 또는 1.2 nm에 이른다고 계산하고 이것이 나노미터 이하 계측에서 결정적이라고 짚는다 (DOI: 10.1051/epjconf/202430902011). 거칠기는 소자를 나쁘게 만들 뿐 아니라 얼마나 나쁜지를 아는 것조차 방해한다.
마지막으로 비용이다. 앞서 인용한 1994년 분석의 문장을 다시 보자 — 어떤 리소그래피 공정이든 양산에 고려되려면 먼저 비용 효율적이어야 한다 (DOI: 10.1364/eul.1994.elpm.13). 2006년의 극자외선 보고 역시 웨이퍼 처리량이 결정적인 비용 요인이므로 광원 출력, 감광막 감도, 시스템 설계를 함께 따져야 한다고 적는다 (DOI: 10.1016/j.crhy.2006.10.002). 아무리 작게 그려도 느리고 비싸면 공장에 들어가지 못한다.
고개구수 극자외선. 개구수를 더 키우는 시도가 이어지고 있다. 다만 이 길이 순탄하다고 말하는 문헌은 없다. 2016년, 연구용 고개구수 극자외선 노광 도구로 20 nm 이하 하프피치 패턴을 만들어 몬테카를로 모사와 대조한 연구는, 11 nm 하프피치를 실현하려면 현상 과정의 확률적 효과를 억제하는 일이 중요한 고려사항이 된다고 적었다 (DOI: 10.7567/jjap.55.096501). 앞 절에서 본 그 문제가 다음 세대에서도 그대로 기다린다는 뜻이다.
감광막을 넘어서는 접근. 빛으로 대략의 안내선만 그리고 나머지는 분자가 스스로 정렬하게 두는 유도 자기조립(DSA)이 한 갈래다. 극자외선으로 만든 안내 틀 위에서 블록 공중합체를 자기조립시킨 모사 연구는 선폭 거칠기가 줄고 다리처럼 잘못 이어지는 결함이 사라졌다고 보고한다 (DOI: 10.1117/1.jmm.25.3.031608).
로드맵을 읽는 눈. 2017년의 패터닝 로드맵은 흥미로운 관찰을 남겼다. 극자외선과 나노임프린트라는 두 '차세대' 기술이 동시에 도입될 수 있다는 것은 패터닝 기술이 점점 더 전문화되고 있다는 뜻이며, 이는 전체 비용을 낮추지만 어느 한 기술을 확장하는 속도는 오히려 느려질 수 있다는 것이다 (DOI: 10.1515/aot-2017-0039). 기술 하나가 모든 것을 가져가는 그림이 아니다.
정리하자. 리소그래피는 조각이 아니라 인쇄다. 그릴 수 있는 가장 작은 것의 크기는 파장과 개구수가 정하고, 해상도를 얻으면 초점심도를 내준다. 파장보다 작은 것을 그리는 방법은 네 갈래였다 — 렌즈와 웨이퍼 사이를 액체로 채우고, 한 층을 여러 번 나눠 찍고, 마스크를 일부러 왜곡해 그리고, 끝내 파장 자체를 줄인다. 그리고 어느 것도 공짜가 아니었다. 액침은 반사와 편광을, 다중 패터닝은 정합과 비용을, 마스크 왜곡은 계산과 검증의 폭발을, 극자외선은 반사 광학계와 광원과 진공과 펠리클을 — 무엇보다 확률적 결함이라는 새로운 종류의 문제를 불렀다.
그 마지막 문제는 아직 열려 있다. 광자와 분자의 수가 적어지면 결과가 흔들린다는 것은 공정을 더 잘 다듬어 없앨 수 있는 결함이라기보다, 작은 것을 다루는 일에 따라붙는 성질에 가깝다. 다음에 손안의 기기 안쪽을 상상하게 되거든, 정밀한 조각칼 대신 빛과 확률을 상대로 매번 아슬아슬하게 이겨 온 인쇄기를 떠올려도 좋다.