포토레지스트란? 포지티브 PR과 네거티브 PR은 무엇이 다를까

포토레지스트(photoresist, PR. 감광액이라고도 한다)는 웨이퍼 위에 바르는, 빛에 민감한 얇은 막이다. 빛을 받은 곳은 성질이 바뀌고, 약액으로 씻어 내면 회로 패턴이 웨이퍼 위에 남는다. 카메라 필름의 감광층과 같다. 포토레지스트는 두 종류로 나뉜다. 포지티브 포토레지스트는 빛을 받은 곳이 씻겨 나가고, 네거티브 포토레지스트는 정반대로 빛을 받은 곳이 남는다.

포토리소그래피(줄여서 포토) 전체가 어떻게 진행되는지는 ‘포토리소그래피(포토 공정)란?’에, 그 구역의 조명이 왜 노란색인지는 ‘포토 구역은 왜 노란색일까?’에 정리되어 있다. 이 글은 포토레지스트 자체만 다룬다.

포토레지스트는 무엇으로 만들까?

병에 든 포토레지스트는 약간 걸쭉한 액체이며, 주로 세 가지로 이루어진다.

• 수지(resin): 플라스틱 계열의 긴 분자로, 도포한 뒤에는 막의 뼈대가 된다.
• 감광 성분: 빛을 받으면 화학 변화를 일으켜, 그 부분이 녹을지 말지를 결정한다.
• 용제: 포토레지스트를 액체 상태로 만들어 잘 퍼지게 하며, 도포한 뒤 대부분 베이크로 날려 보낸다.

노광 직후에는 아직 패턴이 보이지 않는다. 현상하지 않은 필름과 같아서, 빛을 받은 곳은 현상액에 녹는 속도만 다를 뿐이다.

포지티브 PR과 네거티브 PR은 무엇이 다를까?

	포지티브 PR	네거티브 PR
빛을 받은 곳	잘 녹게 되어 씻겨 나간다	분자끼리 연결되어 잘 녹지 않게 되고 남는다
남는 패턴	포토마스크에서 빛을 가리는 부분과 같다	포토마스크와 반대다
흔히 쓰는 현상액	알칼리성 수용액	구형은 유기 용제
요즘 주로 쓰는 곳	칩 위 미세 패턴 대부분	아주 두꺼운 막, MEMS(미세전자기계시스템)

초기 집적회로에는 주로 네거티브 PR을 썼다. 구형 네거티브 PR은 유기 용제로 현상하는데, 남은 PR이 용제를 빨아들여 부풀어 오르면서 선이 변형되고, 너무 가까운 선끼리는 서로 붙기도 해서 선폭 수 μm에서 한계에 이르렀다. 포지티브 PR은 알칼리성 수용액으로 현상하므로 이렇게 부풀지 않는다. 그래서 패턴이 점점 미세해지면서 대부분 포지티브 PR로 바뀌었고, 네거티브 PR은 요즘 아주 두껍게 도포해야 하는 곳에 많이 쓴다.

빛이 다르면 왜 포토레지스트도 달라야 할까?

포토레지스트는 빛을 흡수해야 반응하지만, 너무 많이 흡수하면 막의 아래쪽까지 빛이 닿지 않는다. 초기의 포토레지스트는 청자색광과 자외선에 맞춰 조정된 것이었다. 더 짧은 심자외선으로 바뀌자 기존 조성은 빛을 너무 많이 흡수해 재료를 바꿔야 했고, 심자외선이 다시 248nm에서 193nm로 바뀌자 재료가 또 너무 불투명해져 한 번 더 바꿨다. 극자외선은 또 다른 이야기다(‘EUV란?’ 참고).

포토레지스트는 도포부터 제거까지 어떤 단계를 거칠까?

도포, 베이크, 현상은 대개 한 대의 트랙 장비(코터·디벨로퍼)에서 하며, 이 장비는 노광 장비와 연결되어 있다.

1단계: 세정, 건조, 프라이밍

• 무엇을: 웨이퍼를 씻고 말린 뒤, 접착력을 높이는 약품(흔히 HMDS라고 한다)의 증기로 표면에 아주 얇은 층을 깐다.
• 왜: 실리콘과 산화막 표면은 물 한 층을 쉽게 붙잡고 있어 포토레지스트가 잘 붙지 않는다. 이 바탕층이 표면을 물이 묻지 않는 상태로 만들어 주어야 포토레지스트가 단단히 붙는다.
• 이렇게 하지 않으면: 현상하거나 약액에 담글 때 물이 포토레지스트 밑으로 스며들어, 가는 선이 들떠 떨어진다.

2단계: 스핀 코팅으로 얇고 평평하게 펴기

• 무엇을: 웨이퍼 가운데에 포토레지스트를 조금 떨어뜨리고, 초당 수십 바퀴 돌려 남는 양을 털어 낸다. 가장자리에 두껍게 쌓인 테두리는 용제로 씻어 낸다.
• 왜: 돌리면서 털어 내는 동안 용제가 증발해, 막이 웨이퍼 전체에서 같은 두께로 굳는다. 빨리 돌릴수록 얇아지지만 정비례하지는 않아서, 회전 속도를 약 4배로 높여야 두께가 절반으로 줄어든다. 포토레지스트가 걸쭉할수록 막이 두꺼워지므로, 두께는 주로 포토레지스트를 골라 정하고 회전 속도로 미세 조정한다.
• 이렇게 하지 않으면: 막이 어떤 곳은 두껍고 어떤 곳은 얇으면, 같은 빛이라도 두꺼운 곳에는 부족하고 얇은 곳에는 넘쳐 선폭이 치우친다. 가장자리 테두리를 씻어 내지 않으면 나중에 벗겨져 파티클이 된다.

3단계: 소프트 베이크로 용제 날려 보내기

• 무엇을: 핫플레이트에 올려 100℃ 안팎에서 1~2분 굽는다.
• 왜: 갓 도포한 막에는 아직 용제가 꽤 남아 있다. 대부분을 날려 보내야 막이 안정되고 단단히 붙는다.
• 이렇게 하지 않으면: 덜 구우면 노광도 현상도 예상대로 되지 않는다. 너무 구우면 감광 성분이 열에 먼저 망가져 포토레지스트가 둔감해진다.

4단계: 노광으로 패턴 새기기

• 무엇을: 빛이 포토마스크를 지나 포토레지스트에 닿고, 빛을 받은 곳에서 화학 변화가 일어난다.
• 왜: 빛을 받은 곳만 변해야 패턴이 구분된다.
• 이렇게 하지 않으면: 빛이 너무 많거나 적으면 선이 너무 넓거나 좁아진다. 아래층과 정렬되지 않으면 위아래가 연결되지 않는다(‘오버레이란?’ 참고).

5단계: 노광 후 베이크로 반응 마무리하기

• 무엇을: 노광이 끝나면 곧바로 핫플레이트로 돌려보내 한 번 더 굽는다. 이를 노광 후 베이크(PEB)라고 한다.
• 왜: 심자외선용 포토레지스트는 대부분 ‘화학 증폭형’이다. 빛은 먼저 아주 적은 양의 산만 만들고, 구울 때 산 하나하나가 연쇄적으로 반응을 여러 번 일으킨다. 그래서 아주 적은 빛으로도 충분하지만, 반응이 얼마나 진행되는지는 온도와 시간에 전적으로 달려 있다.
• 이렇게 하지 않으면: 핫플레이트 온도가 1℃만 달라도 선폭이 몇 nm 달라질 수 있고, 한쪽은 차고 한쪽은 뜨거우면 웨이퍼 전체가 한쪽은 넓고 한쪽은 좁아진다. 노광 후 너무 오래 두었다가 구우면 공기 중의 극미량 알칼리성 기체(예: 암모니아)가 표면의 산을 중화해, 선 위쪽에 씻겨 나가지 않는 ‘뚜껑’이 한 층 생긴다.

6단계: 현상으로 패턴 드러내기

• 무엇을: 현상액을 뿌려 씻겨 나가야 할 부분을 녹이고, 물로 헹군 뒤 돌려서 말린다. 이를 현상이라고 한다.
• 왜: 빛을 받은 곳과 받지 않은 곳은 녹는 속도가 달라서, 헹구고 나면 남은 것이 곧 패턴이다.
• 이렇게 하지 않으면: 온도나 시간이 조금만 달라도 뚫려야 할 곳이 깨끗이 열리지 않거나, 남아야 할 곳이 조금 깎여 선폭이 또 달라진다.

7단계: 하드 베이크와 검사

• 무엇을: 흔히 한 번 더 구워 포토레지스트를 단단하게 만든 뒤, 선폭과 정렬을 재고 결함이 없는지 본다.
• 왜: 포토레지스트는 이제 가림막 역할을 해야 하므로 단단할수록 잘 버틴다. 또 이때가 다시 할 수 있는 마지막 기회다.
• 이렇게 하지 않으면: 너무 뜨겁게 구우면 포토레지스트가 물러져 흐르면서 모서리가 둥글어지고, 나중에 제거하기도 더 어려워진다. 검사하지 않고 넘기면 잘못된 패턴이 그대로 웨이퍼에 새겨진다. 잘못 찍혔으면 벗겨 내고 다시 하는데, 이를 리워크라고 한다.

8단계: 가림막이 되어 식각이나 이온 주입으로 넘기기

• 무엇을: 식각이나 이온 주입으로 보낸다. 포토레지스트가 덮은 곳은 보호되고, 드러난 곳은 깎여 나가거나 원자가 주입된다.
• 왜: 식각과 이온 주입은 웨이퍼 전체에 한꺼번에 하므로, 포토레지스트가 구멍 뚫린 형판 역할을 한다.
• 이렇게 하지 않으면: 포토레지스트가 너무 얇으면 식각이 끝나기 전에 먼저 다 깎여 없어진다. 현상 후 너무 오래 두었다가 보내면 어떤 층은 다시 해야 한다(‘Q-time이란?’ 참고).

9단계: 포토레지스트 제거, 임무 완료

• 무엇을: 건식은 산소 플라즈마로 포토레지스트를 기체로 ‘태워’ 뽑아내는 방식으로, 애싱(ashing)이라고 한다. 습식은 강산에 과산화수소를 섞은 약액 같은 데 담가 녹인다. 두 방법을 이어서 쓰는 경우가 많고, 마지막에 한 번 더 세정한다.
• 왜: 포토레지스트는 임시 형판일 뿐이라서, 남아 있으면 오염물이 된다.
• 이렇게 하지 않으면: 잔여물이 웨이퍼를 따라 다음 공정으로 넘어간다. 이온 주입을 거친 포토레지스트는 표면이 단단한 껍질로 굳어 특히 제거하기 어렵다. 세정은 ‘웨이퍼 세정이란?’에서 다룬다.

fab24hr에서는

fab24hr에서 ‘출근’을 누르고 ‘직장인의 하루’를 고른 뒤, ‘오늘 나는’ 카드에서 ‘양산 팹’을 누르고 좌우로 넘겨 공정 엔지니어로 간 다음 이름 아래의 ‘포토’를 누르면 포토 공정 엔지니어가 된다. 심야 근무에는 트랙 장비 TRK-02의 포토레지스트 병이 거의 비어 간다. 새 포토레지스트는 작은 기포를 품고 있어 몇 시간을 기다려야 한다. 다음 공정이 멈춰 있는 틈에 먼저 바꿀지, 오전 근무에 넘길지 정해야 한다. 오후 근무에는 TRK-01이 번갈아 쓰는 핫플레이트 네 개 가운데 하나의 한쪽이 식어, 그 핫플레이트를 거친 웨이퍼의 선폭이 한쪽은 넓고 한쪽은 좁게 나온다. 어느 웨이퍼를 리워크할지 골라야 한다.

R&D 라인의 포토 공정(카드에서 ‘개발 라인’을 누른다)에서도 심야 근무에 새 병으로 바꾼다. 냉장고에서 꺼낸 지 1시간밖에 되지 않았고 로트 번호도 다르다. 도포해 보니 평소보다 두껍게 올라가, 원래 노광량 그대로 찍으면 한쪽 구멍 바닥에 포토레지스트가 남는다. 메인 스토리 ‘칩의 일생’ 챕터 2 ‘한 공정씩’에서는 직접 포토레지스트를 바르고, 굽고, 노광하고, 현상해 첫 번째 패턴을 찍는다. 게임 속 회사, 인물, 장비 번호는 모두 가상이다. 포토레지스트의 원리와 단계는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼다. 다른 업계 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.