[딴딴's 속성과외] 포토공정 #03 : 포토레지스트, Photoresist #1편 -기초-

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 [질문 1] Photoresist의 역할에 대해서 설명해주세요.

Photoresist는 빛이 조사되었을 때, 빛에 의해 Resist 물질의 화학적 특성이 변하여 특정 기능을 수행하도록 Design 된 물질입니다. 노광공정에서 Photoresist를 Wafer에 균일하게 Coating 하고 Mask를 이용하여 빛을 조사시킴으로써 빛을 받은 부분과 받지 않은 부분에 대해서 선택적으로 화학적 특성을 변경하여 Wafer 위에 회로 패턴을 형성할  수 있게 됩니다. Photoresist는 대표적으로 Hydrocarbon 베이스의 유기분자이며, Positive Type과 Negative Type이 있습니다.

 [꼬리 1-1] Positive type PR과 Negative type PR의 감광 메커니즘을 설명해주세요.

Positive PR의 경우 빛을 받은 부분이 선택적으로 제거되고, 반대로 Negative PR은 빛을 받지 않은 부분이 제거가 되면서 Wafer 위에 회로 패턴을 형성합니다. Positive PR의 경우, 빛을 받으면 PR 내에서 분자 구조 상 보호기가 제거되면서 Acid(H+)가 발생하게 되고 약알카리성 용액인 Developer 용액과 만나면 산염기 반응에 의해 빛을 받은 부분이 선택적으로 제거가 됩니다. Negative PR의 경우 빛을 받은 부분이 Polymer들간의 Cross-link 결합에 의해 물질 자체가 경화되면서 용해되지 않고 Wafer 위에 남게 됩니다. 

정리하자면, Positive PR은  Exposure 이후 화학적 반응성을 높여 쉽게 용해될 수 있고, Negative PR은 Exposure 이후 Cross-linking에 의해 경화되어 반응성이 낮아지면서 쉽게 용해될 수 없는 메커니즘을 가집니다.

 [꼬리 1-2] Positive type PR과 Negative type PR 물질 특성을 설명해주세요.

일반적으로 Positive PR의 경우 Negative PR 대비 Resolution이 우수하여 반도체 제조 공정에서 주로 사용됩니다. Resolution이 우수하다는 것은 더 미세한 회로 패턴을 형성할 수 있다는 것이며, 반도체 집적도 향상에 있어서 큰 강점을 가지고 있습니다. Negative PR의 경우, 단가가 상대적으로 저렴하고 패키징이나 PCB 같이 높은 Resolution이 요구되지 않는 공정에서 주로 Negative PR이 사용되고 있습니다. 

 [꼬리 1-3] Negative type PR이 해상도가 낮다고 하셨는데 이유를 설명해주세요.

Negative PR의 가장 큰 단점은 Resolution이 낮다는 점입니다. 그 이유는 Negative PR을 구성하는 Polymer가 Develop 과정에서 Solvent를 흡수하게 되면서 PR이 부풀어 오르는 Swelling 현상 때문입니다. Negative PR의 감광 메커니즘은 노광 이후 Cross-linking 메커니즘이기에, Cross-linking 된 Polymer 사이 사이에 Solvent 침투가 일어나게 되면서 Swelling 되게 되면 우리가 원하는 미세 패턴을 구현하는데 큰 제약이 됩니다.

 [꼬리 1-4] Photoresist의 개발 로드맵을 간단하게 설명해주세요.

PR의 개발 과정에 있어 핵심 Key Factor는 바로 '광원의 파장'입니다. Resolution을 향상시키기 위해 단파장의 광원 개발이 요구되었으며, 광원의 변화에 따라 공정기술, 설비 개발에 맞춰 PR 역시 다양하게 개발되었습니다. I-line (365nm)의 경우, 노보락(Novolac) Resist가 주로 사용되었으며, KrF (248nm) 파장 부터는 CAR (Chemical Amplified Resist) type의 Resist가 도입되었습니다.

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 [질문 2] Photoresist 개발을 위한 요구사항에 대해서 설명해주세요.

Photoresist 개발을 위해서는 Resolution, Sensitivity, Robustness 3가지의 Key Factor가 있습니다. Resolution은 모두가 아시다시피 '얼마나 미세한 패턴을 형성할 수 있는가' 입니다. Sensitivity는 '얼마나 적은 에너지 (Exposure Dose)로 패턴을 형성할 수 있는가', Robustness는 포토공정 이후 '후속공정인 Etch 시 Ion bombardment 혹은 이온주입 공정에 대한 Resistance를 가지고 있는가' 입니다.   

 [꼬리 2-1] Sensitivity, 감도에 대해서 설명해주시죠.

PR의 Sensitivity 특성은 단파장의 광원을 사용하게 되면서 더욱 중요한 특성으로 자리매김했습니다. Sensitivity는 감광에 필요한 Threshold Energy와 연관되며, 생산성과도 직결 됩니다. g-line, l-line과 같이 Lamp 형태의 광원을 사용할 경우, 빛의 광량 자체가 크기 때문에 적은 Exposure Dose로도 패턴 형성이 용이했습니다. 하지만 KrF, ArF 단파장 광원이 도입이 되면서 엑시머 레이저(Eximer Laser) 기술로 광을 추출하는 기술이 도입 되었습니다. Lamp 형식의 광원보다 파장은 짧지만 광량이 매우 적기 때문에, 약한 빛의 세기로도 생산성을 확보하면서 정확한 패턴을 형성하기 위해서는 고감도의 PR이 요구됐습니다. 그러기 위해서 화학증폭형의 CAR Type의 PR이 개발된 것이죠. 

 [꼬리 2-2] Resolution, 해상도에 대해서 설명해주시죠.

Resolution은 앞서 말씀드린 것과 같이 얼마나 미세한 선폭을 구현할 수 있는가. 최소 선폭에 대한 Spec.입니다. 이는 파장과 연관됩니다. 우리가 Target한 광원 파장의 빛을 흡수하여 감광 메커니즘에 따라 정확한 패턴을 구현할 수 있는지에 대한 지표입니다. KrF 광원부터 CAR Type의 PR이 도입이 되었으며, Target 광원의 파장에 최적화된 PR 물질이 지속 개발되고 있습니다. KrF의 경우 폴리 하이드록시 스틸렌(Poly-hydroxy Stryrene), ArF의 경우, 아크릴레이트 (Acrylate Resist) 계열의 PR이 사용되고 있습니다.  

 [꼬리 2-3] 마지막으로 Robustness에 대해서 설명해주시죠.

Photoresist를 구성하는 요소로는 빛에 반응하는 감광 물질인 PAG 뿐만 아니라, 공정을 용이하게 하기 위한 각각의 목적의 구성 요소들이 존재합니다. 에를 들어 Coating 특성을 용이하게 하기 위한 Solution이 포함되고요, 특히 후속 공정의 Etch Resistance, 이온주입 공정시 PR이 Blocking Mask 역할을 수행하기 위해서 화학적, 물리적으로 안정적인 특성을 주기 위해 강한 결합의 Polmer 성분들이 포함되어 있습니다. 이러한 요소들이 PR의 Robustness 특성을 향상시킬 수 있습니다.