반도체 공정에서 핵심적인 역할을 하는 화학물질 중 하나는 바로 포토레지스트(Photoresist)입니다. 이 감광성 물질은 반도체의 미세패턴 형성 과정에서 마스크 역할을 하며, 광에 노출되는 부분과 그렇지 않은 부분의 화학반응 차이를 이용하여 정밀한 패턴을 구현할 수 있게 해 줍니다. 본 글에서는 포토레지스트의 종류, 화학 구조, 감광 메커니즘, 최신 기술 동향까지 포괄적으로 살펴보겠습니다.
1. 포토레지스트란 무엇인가?
포토레지스트는 광감응성 고분자 화합물로 구성된 화학물질입니다. 광(紫外선, X-ray 등)에 노출되면 화학 구조가 변하여, 이후 현상액(developer)으로 처리 시 특정 부위만 선택적으로 제거할 수 있는 특성을 지닙니다. 이 과정을 통해 실리콘 웨이퍼 위에 회로 패턴을 정밀하게 전사할 수 있습니다.
✔ 감광 방식에 따른 분류
- 양성 포토레지스트 (Positive PR): 노광 된 부분이 현상액에 의해 제거됩니다.
- 음성 포토레지스트 (Negative PR): 노광된 부분이 경화되어 현상액에 녹지 않습니다.
✔ 공정에 따른 분류
- I-line: 365nm UV 사용
- KrF: 248nm Excimer 레이저 사용
- ArF: 193nm Excimer 레이저 사용 (최신 고해상도 공정에 사용)
2. 포토레지스트의 기본 화학 구조
포토레지스트는 일반적으로 다음과 같은 3가지 성분으로 구성됩니다.
- 베이스 폴리머 (Base Polymer): 감광 후 구조적 안정성 확보
- 감광제 (Photoactive Compound, PAC): 노광 시 반응하여 감광성 발현
- 용매 (Solvent): 균일한 도포 가능성 확보
대표적인 베이스 폴리머로는 노보락(Novolac) 수지, PHS(Polyhydroxystyrene), 그리고 최신 EUV 공정에는 PMMA(Polymethyl methacrylate) 등이 사용됩니다.
3. 포토레지스트의 작용 메커니즘
포토레지스트가 감광성을 갖는 메커니즘은 아래와 같은 화학반응을 기반으로 합니다.
양성 포토레지스트 메커니즘
- 노광 전에 베이스 폴리머는 감광제에 의해 불용성 상태입니다.
- 자외선(UV) 노광 → 감광제가 구조 변화
- 감광제가 분해되어 산(acid) 발생 → 베이스 폴리머의 가용성 증가
- 현상액(NaOH 기반)으로 노광 된 부분 제거
이 반응은 실제로 다음과 같은 반응식으로 표현할 수 있습니다:
Diazonaphthoquinone (DNQ) + hν → Indene carboxylic acid
Indene carboxylic acid + Novolak → 수용성 중합체로 전환
음성 포토레지스트 메커니즘
- 노광 시 베이스 폴리머의 라디칼 생성
- 자유 라디칼 결합 → 고분자 사슬 강화
- 현상액에 대해 불용성으로 경화
대표적인 음성 PR로는 SU-8 수지가 있으며, 고온 또는 UV에 노출 시 에폭시 그룹의 고리 개방 반응을 통해 3차원 구조로 경화됩니다.
4. 최신 기술 트렌드: EUV 포토레지스트
현재 반도체 공정의 미세화가 5nm 이하로 진입하면서, Extreme Ultraviolet (EUV, 파장 13.5nm)을 이용한 노광 기술이 상용화되고 있습니다. EUV에 적합한 포토레지스트는 기존 포토레지스트와는 다른 특수 설계가 요구되며, 대표적으로 금속 옥소 클러스터(Metal-Oxo Cluster) 기반의 Inorganic PR이 주목받고 있습니다.
EUV PR은 다음과 같은 특성을 가져야 합니다:
- 고 흡수율
- 고해상도 구현 (Low Line Edge Roughness)
- Low Outgassing (진공 노광 장비에 영향 없음)
5. 포토레지스트 공정 흐름
포토레지스트는 반도체 패턴 형성 공정에서 아래와 같은 흐름으로 사용됩니다:
- 코팅 (Spin Coating): 웨이퍼에 균일하게 PR 도포
- Soft Bake: 용매 증발 및 초기 경화
- 노광 (Exposure): 마스크를 통해 광 조사
- Post Exposure Bake (PEB): 반응 안정화
- 현상 (Development): 감광된 부분 제거
- Etching or Ion Implantation: PR을 마스크로 활용
- PR 제거 (Strip): PR 제거 후 후속 공정 진행
6. 환경과 안전 이슈
포토레지스트는 유기 용매 및 방출 가스 문제로 인해 작업자 건강 및 환경 영향이 우려됩니다. 특히 DMSO, PGMEA 등의 용매는 흡입 시 신경계에 영향을 줄 수 있으므로, 환기 시스템 및 PPE(개인 보호 장비)가 필수적입니다.
✔ 유해물질 분류
- PGMEA: 유기 용제, 폭발성 있음
- DNQ: 광감응 물질, 독성 있음
따라서 반도체 클린룸에서는 포토레지스트를 취급할 때 엄격한 공정 제어와 작업자 보호 지침이 동반됩니다.
결론
포토레지스트는 반도체 패턴 형성에서 결정적인 역할을 수행하는 고기능성 화학물질입니다. 그 구조는 고분자 수지, 감광제, 용매의 조합으로 이루어져 있으며, 광 노출에 따라 선택적으로 반응해 패턴을 형성합니다. 고해상도 공정이 요구됨에 따라 EUV 노광에 대응한 차세대 포토레지스트 개발도 가속화되고 있습니다.
이러한 화학적 정밀성과 기술 집약성은 포토레지스트가 단순한 소재를 넘어 반도체 산업의 핵심 지식재산으로 여겨지는 이유입니다. 향후 차세대 소자 구현을 위한 포토레지스트의 진화는 지속될 것이며, 화학적 이해 없이 공정의 정밀도 향상은 불가능하다는 점에서, 이 분야의 화학 지식은 앞으로도 높은 가치와 희소성을 지닐 것입니다.