포토레지스트 (Photoresist, PR)

포토레지스트의 역할

PR은 포토 공정의 ‘잉크’와 같다.

마스크 패턴이 광학계로 축소돼 PR 위에 그려지면, 빛을 받은 영역과 받지 않은 영역의 화학 구조가 달라진다.

현상액(developer)에 담그면 두 영역 중 한쪽만 녹아, 결과적으로 마스크 패턴이 웨이퍼 위 PR로 옮겨진다.

이 PR이 후속 식각·이온주입의 마스크 역할을 한다.

양성 PR과 음성 PR

양성 PR은 ‘빛을 받은 부분이 현상액에 녹는’ PR이다.

마스크의 빛이 통과하는 영역(투명 영역)이 PR에서 빛을 받아 녹아 사라지고, 마스크의 어두운 영역이 PR에 남는다.

음성 PR은 반대다.

빛을 받은 영역이 가교(crosslink)해 단단해지고 현상액에 녹지 않는다.

첨단 노드의 디지털 회로는 거의 양성 PR이 표준이지만, 일부 응용(LCD, MEMS, 차폐 패턴)에서는 음성 PR이 사용된다.

사용 빛에 따른 PR 진화

사용 빛이 진화하면서 PR도 함께 진화했다. g-line(436nm)·i-line(365nm) PR은 디아조나프토퀴논(DNQ) 기반의 단순 화학이었다.

KrF(248nm)부터는 PHS(폴리히드록시스티렌) 기반의 ‘CAR(화학 증폭 레지스트)’가 등장한다.

ArF(193nm)는 PHS의 흡수가 너무 커서, 메타크릴레이트 기반의 새로운 폴리머와 PAG(광산발생제)가 결합된 새로운 화학이 도입됐다.

ArF 이멀전(193i)은 PR 자체는 비슷하지만 액체와 PR 사이의 표면 장력 관리, 누설(leaching) 방지 코팅이 함께 들어간다.

EUV(13.5nm)는 다시 새로운 화학을 요구한다.

CAR과 산 발생 메커니즘

CAR(Chemically Amplified Resist)의 메커니즘은 첨단 노드 PR의 근간이다.

PR 안에 PAG(Photo Acid Generator)가 들어 있어, 빛을 받으면 산(H+)을 만든다.

그 다음 PEB(Post Exposure Bake)에서 이 산이 PR 폴리머의 보호기를 분해해 폴리머가 현상액에 녹게 된다.

한 광자가 만든 산 한 분자가 여러 폴리머 단위를 변화시킬 수 있어 ‘화학적으로 증폭’된다는 의미가 붙었다.

CAR 덕분에 적은 빛으로도 충분한 화학 변화를 만들 수 있어 노광 시간을 단축하고, 더 높은 해상도를 가능하게 했다.

EUV PR과 메탈 옥사이드 PR

EUV PR은 새로운 도전이다.

EUV 광은 에너지가 높지만 광자 수가 적다(같은 에너지에 광자 수가 더 적음).

그래서 광자 수의 통계적 변동(shot noise)이 커지고, LER이 더 심해진다.

또 EUV는 거의 모든 물질에 흡수되므로 PR 두께가 30~50nm로 매우 얇아야 한다.

기존 화학 증폭 PR로는 한계가 있어, 메탈 옥사이드 PR(Inpria의 SnOx 기반 PR)이 새로운 후보로 등장했다.

메탈 옥사이드 PR은 광 흡수가 강하고 식각 내성이 좋아 매우 얇게도 PR 마스크 역할을 할 수 있다.

일부 EUV 양산에서 점차 도입되고 있다.

포토레지스트 패턴이 하부 박막 식각 마스크로 쓰이는 흐름 · 이미지 출처: Wikimedia Commons

PR 결함과 양산 관리

결함과 양산 관리도 PR의 큰 화두다.

결함 종류는 PR 잔류(scum), 미스얼라인, 풀백, 스컴, 입자, 코트 결함, PR 균열 등이다.

모두 후속 공정의 결함으로 이어지므로 트랙 환경(온도, 습도, 가스), 베이크 균일도, PR 보관 조건이 매우 까다롭게 관리된다.

PR은 빛에 민감해서 ‘옐로룸(노란색 저파장 조명)’에서만 취급되며, 사용 기한이 지난 PR은 폐기된다.

PR 시장은 일본 회사가 주도한다.

JSR, 도쿄오카(TOK), 신에츠 화학, 후지필름이 글로벌 4강이고, 미국 듀폰(Dow Electronic Materials 통합), 독일 머크 일렉트로닉 머티리얼즈 등이 함께 시장을 분할한다.

한국에서는 동진쎄미켐이 KrF·ArF·EUV 일부에서 양산 점유율을 늘려 가고 있고, SKC HiTech & Marketing(현 한솔케미칼 등 일부 사업) 같은 회사가 다양한 PR·하드마스크 소재를 공급한다.

EUV PR은 일본·미국 의존도가 높아, 한국에서도 개발이 산업 정책 차원에서 강조된다.