반도체 회로를 그릴 때 사용하는 감광액은 빛을 받으면 분자 구조가 변해 용해도가 달라집니다. 노광 공정에서 일어나는 유기 고분자의 화학적 변화를 설명해주세요.

Question

반도체 회로를 그릴 때 사용하는 감광액은 빛을 받으면 분자 구조가 변해 용해도가 달라집니다. 노광 공정에서 일어나는 유기 고분자의 화학적 변화를 설명해주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

노광 공정에서 감광액의 화학적 변화는 빛 에너지가 유기 고분자의 결합 상태를 물리적으로 재구성하는 과정입니다. 감광액은 크게 두 종류로 나뉘는데, 현대 미세 공정에서 주력으로 쓰이는 방식은 빛을 받은 부위의 결합이 약해지거나 용해도가 높아지는 형태입니다. 이 과정에서 핵심 역할을 하는 것은 광산발생제라는 물질입니다. 노광 장비에서 특정 파장의 빛이 조사되면 이 물질이 반응하여 산성 이온을 배출하게 됩니다.

​이후 가열 과정을 거치면 생성된 산성 이온들이 고분자 사슬 주위를 돌아다니며 촉매 역할을 수행합니다. 이때 고분자 사슬에 붙어 있던 보호기가 산과 반응하여 떨어져 나가게 되는데, 보호기가 사라진 고분자는 성질이 변하여 알칼리성 현상액에 쉽게 녹을 수 있는 상태가 됩니다. 반면 빛을 받지 않은 부분은 고분자 구조가 그대로 유지되어 현상액에 녹지 않고 기판 위에 남아 정교한 회로 패턴을 형성하게 됩니다.

​반대로 빛을 받은 부분이 더 단단하게 결합하는 방식도 존재합니다. 이 경우에는 빛 에너지가 분자 사이의 가교 결합을 유도하여 사슬들을 그물망처럼 촘촘하게 연결합니다. 결과적으로 분자량이 급격히 커진 고분자 덩어리가 형성되어 화학적 내성이 강해집니다. 이처럼 감광액의 변화는 분자 수준에서의 작용기 탈락이나 사슬 간의 결합을 정밀하게 제어하여 나노미터 단위의 회로를 실체화하는 화학적 설계의 산물이라 할 수 있습니다.

Answer 2

안녕하세요.

반도체 제조 공정에서 회로 패턴을 웨이퍼 위에 형성할 때 사용하는 감광액은 포토레지스트라고 부르는데요, 이는 빛에 반응하는 유기 분자와 고분자 수지, 그리고 감광제를 포함하는 매우 정교한 화학 시스템입니다. 이 물질의 핵심 원리는 특정 파장의 빛을 받았을 때 분자 구조가 화학적으로 변하면서 현상액에 대한 용해도가 달라지는 것이며, 이 성질을 이용해 빛이 닿은 부분과 닿지 않은 부분을 선택적으로 제거하여 초미세 회로 패턴을 만듭니다. 포토레지스트에는 크게 양성 포토레지스트와 음성 포토레지스트가 있으며, 두 경우는 유기 고분자의 구조 변화가 일어나지만 방향이 다릅니다.

우선 양성 포토레지스트부터 보면, 빛이 조사된 부분이 더 잘 녹게 됩니다. 일반적으로 유기 고분자 수지와 함께 광산 발생제가 포함되어 있는데요, PAG는 평소에는 안정하지만 자외선이나 극자외선을 흡수하면 분해되어 산을 생성합니다. 이렇게 생성된 산은 고분자 사슬에 붙어 있는 보호기 제거 반응을 유발하는데요, 소수성 보호기가 떨어져 나가면, 원래 물이나 알칼리 현상액에 잘 녹지 않던 고분자가 극성 작용기를 드러내게 됩니다. 그러면 수산화물 기반 현상액과 상호작용이 쉬워져 용해도가 증가합니다. 반대로 음성 포토레지스트는 빛을 받은 부분이 더 안 녹고, 빛을 받으면 활성 라디칼이나 반응성 중간체가 생성되고, 이것이 인접한 고분자 사슬끼리 가교결합을 형성하게 만들어 줍니다. 가교결합이 형성되면 원래 따로 움직이던 고분자 사슬들이 거대한 3차원 네트워크로 연결됩니다. 이렇게 되면 분자량이 사실상 매우 커지고, 현상액이 내부로 침투하기 어려워져 용해도가 크게 감소하기 때문에 빛을 받은 부분이 남고, 빛을 받지 않은 부분만 제거됩니다. 감사합니다.