반도체 공정의 핵심 소재, 포토레지스트(Photoresist)란?

포토레지스트(Photoresist)란 빛에 반응해 화학적 변화를 일으키는 감광액(感光液)의 일종입니다. 감광이란 빛을 받았을 때 물리적, 화학적 변화를 일으키는 현상을 통칭하는데요. 빛이 닿은 부분 또는 닿지 않은 부분만 남기기 때문에, 특정 패턴을 만들 수 있습니다. 사진을 인화하는 과정 역시 이러한 감광 현상을 활용한 것입니다.

하지만 포토레지스트는 사진 현상 등에 쓰이는 묽은 액체 형태인 감광 재료와는 차별화된 특징이 있습니다. 빛을 받은 부분과 받지 않은 부분이 단순히 음영으로 구분되는 것이 아니라 용해 또는 응고하는 변화를 일으키는 것이죠. 이러한 특성때문에 빛의 접촉 여부에 따라 판화처럼 구분되는 요철을 만들 수 있습니다. 포토레지스트는 빛에 어떻게 반응하는지에 따라 빛을 받지 않는 부분이 남는 ‘양성형’과 빛을 받은 부분이 남는 ‘음성형’으로 나뉜다는 점도 기억해 주세요.

웨이퍼에 회로를 인화한다. 반도체 공정 속 포토레지스트

포토레지스트는 포토 공정에서 웨이퍼 위에 얇고 균일하게 도포됩니다. 마치 웨이퍼를 사진 인화지와 비슷한 상태로 만들어 주는 것과 같은데요.. 이 위에, 반도체 회로 패턴이 담긴 마스크를 놓고 그 아래에 빛을 모아주는 렌즈를 위치시킨 다음 웨이퍼를 향해 빛을 쏘면, 마스크에 그려져 있던 회로 패턴이 웨이퍼에도 남게 됩니다. 포토레지스트가 있기에 미세 회로의 밑그림이 웨이퍼 위에 그려지는 것입니다.

한편, 웨이퍼에 회로 패턴이 새겨지면 남은 부분과 용해된 부분을 선택적으로 제거하는 과정을 거쳐 포토 공정이 마무리됩니다. 이렇게 새겨진 웨이퍼의 회로는 식각 공정 등을 거치며 선명해지고 그 외에도 수많은 공정들을 거쳐 반도체가 완성됩니다.

함께 살펴본 것처럼 ‘포토레지스트’는 웨이퍼 위에 회로 패턴을 형성하는데 꼭 필요하다는 점에서 반도체 공정에서는 없어서는 안 될 소재입니다. 이처럼 소재는 반도체 산업에서 매우 중요한 역할을 하는데요, 삼성전자는 첨단 반도체를 계속해서 시장에 소개할 수 있도록 소재 연구와 개발에도 더욱 힘써 나갈 계획입니다.

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지난 시간에 산화공정과 집적회로에 대해 소개해드렸는데요. 이번에는 웨이퍼 위에 반도체 회로를 그려 넣는 포토공정(Photo)에 대해 알아보려 합니다. 포토공정은 필름카메라로 사진을 찍는 원리와 비슷한데요. 어떻게 비슷한 지 알아볼까요?

흑백사진 인화와 비슷한 포토공정

흔히 포토 리소그래피(Photo Lithography)를 줄여서 포토공정(Photo)이라고 하는데요. 이 공정은 웨이퍼 위에 회로 패턴이 담긴 마스크 상을 빛을 이용해 비춰 회로를 그리기 때문에 붙여진 이름입니다. 여기서 패턴을 형성하는 방법은 흑백 사진을 만들 때 필름에 형성된 상을 인화지에 인화하는 것과 유사합니다.

반도체는 집적도가 증가할수록 칩을 구성하는 단위 소자 역시 미세 공정을 사용해 작게 만들어야 하는데요. 미세 회로 패턴 구현 역시 전적으로 포토 공정에 의해 결정되기 때문에 집적도가 높아질수록 포토 공정 기술 또한 세심하고 높은 수준의 기술을 요하게 됩니다.

웨이퍼에 회로 패턴을 만드는 준비 단계

그럼 본격적으로 포토공정이 어떻게 이루어지는지 알아볼까요? 먼저 컴퓨터 시스템(CAD, computer-aided design)을 이용해 웨이퍼에 그려 넣을 회로를 설계합니다. 전자회로 패턴(Pattern)으로 설계되는 이 도면에 엔지니어들이 설계한 정밀회로를 담으며, 그 정밀도가 반도체의 집적도를 결정합니다.

사진 원판의 역할을 하는 포토마스크 만들기

설계된 회로 패턴(Pattern)은 순도가 높은 석영(Quartz)을 가공해서 만든 기판 위에 크롬(Cr)으로 미세 회로를 형상화해 포토마스크(Photo Mask)로 재탄생 하게 됩니다. 마스크(Mask)는 Reticle이라고도 부르는데, 이것은 회로 패턴을 고스란히 담은 필름으로 사진 원판의 기능을 하게 되는데요. 마스크는 보다 세밀한 패터닝(Patterning)을 위해 반도체 회로보다 크게 제작되며, 렌즈를 이용 빛을 축소해 조사하게 됩니다.

포토공정은 감광액 도포, 노광, 현상의 세부 공정으로 다시 나뉩니다. 포토공정을 더 자세히 알아볼까요?

본격 포토공정, 웨이퍼를 인화지로 만드는 감광액 도포

이제 웨이퍼에 그림을 그릴 준비가 됐습니다. 다음 단계는 웨이퍼 표면에 빛에 민감한 물질인 감광액(PR, Photo Resist)을 골고루 바르는 작업인데요. 이 작업이 사진을 현상하는 것과 같이 웨이퍼를 인화지로 만들어줍니다. 보다 고품질의 미세한 회로 패턴을 얻기 위해서는 감광액(PR) 막이 얇고 균일해야 하며 빛에 대한 감도가 높아야 하죠.

빛을 통해 웨이퍼에 회로를 그려 넣는 노광

감광액(PR) 막을 형성해 웨이퍼를 사진 인화지와 비슷한 상태로 만든 후에는 노광장비(Stepper)를 사용해 회로 패턴이 담긴 마스크에 빛을 통과시켜 웨이퍼에 회로를 찍어냅니다. 이 과정을 노광(Stepper Exposure)이라고 하는데요. 반도체 공정에서의 노광은 빛을 선택적으로 조사하는 과정을 말합니다.

회로 패턴을 형성하는 현상 공정

포토공정(Photo)의 마지막 단계는 현상(Develop)으로 일반 사진을 현상하는 과정과 동일합니다. 이 과정에서 패턴의 형상이 결정되기 때문에 매우 중요한데요. 현상(Develop) 공정은 웨이퍼에 현상액을 뿌려 가며 노광된 영역과 노광 되지 않은 영역을 선택적으로 제거해 회로 패턴을 형성하는 공정입니다.

웨이퍼 위에 균일하게 입혀진 감광액(PR)은 빛에 어떻게 반응하는가에 따라 양성(positive) 혹은 음성(negative)로 분류됩니다. 양성 감광액의 경우 노광 되지 않은 영역을 남기고 음성 감광액의 경우 노광된 영역만 남겨 사용하게 되는데요.

현상 공정까지 마치게 되면 모든 포토공정이 끝나는데요. 각종 측정 장비와 광학 현미경 등을 통해 패턴이 잘 그려졌는지 꼼꼼하게 검사한 후, 이를 통과한 웨이퍼만이 다음 공정 단계로 이동합니다.

지금까지 웨이퍼 표면에 세밀한 회로 패턴을 찍는 포토공정에 대해 알아보았는데요. 다음 시간에는 웨이퍼에 회로 패턴을 만들기 위해 필요한 부분을 남기고, 필요 없는 부분을 선택적으로 깎아내는 식각공정에 대해 소개하겠습니다.

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