감광액

감광액(感光液, photoresist)

감광액(感光液, photoresist)은 빛에 노출되면 화학적 성질이 변하는 액체이다. 영어 발음에 따라 포토레지스트라고도 부른다. 감광액은 설계된 반도체 회로를 웨이퍼 위에 전사시킬 때 빛의 조사여부에 따라 달리 감응함으로서 미세회로 패턴을 형성할 수 있도록 하는 노광공정용 감광재료로 반도체와 TFT-LCD 등에 사용된다.

일본 산케이신문에 따르면 전 세계 감광액 수요의 90%를 신에쓰화학, JSR, 스미토모 등 일본 업체들이 생산하고 있다.

개요

감광액은 반도체 제조 시 원판 표면 위에 미세한 회로를 그리기 위하여 빛을 이용하는 광학 공정에 사용되는 액체이다. 웨이퍼 위에 균일하게 입혀진 감광액은 빛에 노출되면 화학적 성질이 변하게 되는데, 그 부분만을 제거함으로써 웨이퍼 위에 원하는 감광액 패턴만을 남길 수 있다. 감광액은 빛에 노출된 부분이 제거되느냐, 노출되지 않는 부분이 제거되느냐에 따라 포지티브(positive) 및 네거티브(negative) 형으로 분류된다. 미세한 회로 패턴을 얻기 위해서는 막이 얇고 균일하며, 자외선 등에 대한 감도가 좋아야 한다.

감광액의 구성

감광액은 일반적으로 다음과 같은 주요 구성 요소로 이루어져 있다:

폴리머 (Polymer)

감광액의 주 성분은 고분자 물질로, 일반적으로 감광성 고분자가 사용된다. 이 고분자는 빛에 노출될 때 화학 구조가 변화하여, 노출된 영역과 노출되지 않은 영역 간의 화학적 성질 차이가 발생하게 된다.

광개시제 (Photoinitiator)

광개시제는 감광액이 빛에 노출될 때 화학 반응을 촉진하는 물질이다. UV(자외선) 빛에 노출되면 활성화되어, 고분자와 반응하여 경화 또는 분해를 일으키는 역할을 한다. 이는 감광액의 노출된 부분이 다른 물리적 성질을 갖도록 변환시키는 데 필수적이다.

용매 (Solvent)

감광액은 일반적으로 용매와 혼합되어 사용된다. 용매는 감광액의 점도와 유동성을 조절하여, 균일한 도포가 가능하도록 도와준다. 감광액이 사용 후 경화된 후, 잔여 용매는 제거되어야 한다.

첨가제 (Additives)

감광액에는 필요한 물성을 조절하기 위해 여러 가지 첨가제가 포함될 수 있다. 예를 들어, 안정성을 높이기 위한 안정제, 경화 속도를 조절하기 위한 가속제 등이 있을 수 있다.

감광액의 종류

감광액은 주로 두 가지 주요 유형으로 나뉜다:

양성 감광액 (Positive Photoresist)

양성 감광액은 빛에 노출된 부분이 화학적으로 변하여 용해되는 성질을 가지고 있다. 즉, 노출된 영역은 후속 세척 공정에서 제거되고, 노출되지 않은 부분은 남아 패턴을 형성하게 된다. 이 방식은 높은 해상도를 유지하면서도 비교적 간단한 프로세스를 가능하게 한다.

음성 감광액 (Negative Photoresist)

음성 감광액은 노출된 부분이 경화되어 제거되지 않고, 노출되지 않은 부분이 용해되는 성질을 가진다. 즉, 노출된 영역이 경화되어 후속 공정에서도 남아 있게 된다. 이는 더 높은 내식성을 제공하지만, 처리 과정이 다소 복잡할 수 있다.

감광액의 제조 및 공정

감광액의 제조와 사용 과정은 다음과 같이 이루어진다.

제조 과정

감광액의 제조는 일반적으로 고분자 합성 및 조합 과정을 포함한다. 기본적인 제조 단계는 다음과 같다.

• 고분자 합성: 감광성 고분자를 합성하고, 필요에 따라 수정한다.
• 광개시제와 혼합: 적절한 광개시제를 선택하고, 원하는 특성을 고려하여 조합한다.
• 용매 혼합: 적절한 용매를 사용하여 최종 감광액을 제조한다.

도포 (Coating)

감광액은 웨이퍼 표면에 균일하게 도포되어야 한다. 이 과정은 주로 스핀 코팅(Spin Coating) 방식을 사용한다. 웨이퍼를 고속으로 회전시키며 감광액을 중앙에 떨어뜨려, 원심력으로 균일하게 도포한다.

노출 (Exposure)

도포된 감광액은 UV 빛에 노출된다. 이때 마스크를 통해 특정 패턴이 감광액에 인쇄된다. 노출되는 동안 빛의 파장, 세기 및 노출 시간은 매우 중요하며, 최적의 조건을 찾아야 한다.

현상 (Development)

노출 후, 웨이퍼는 현상 용액에 담가져서 노출된 부분 또는 노출되지 않은 부분이 제거된다. 이 과정에서 각 감광액의 성질에 따라 남겨질 패턴이 결정ㅚㄴ다.

경화 (Baking)

현상 후 웨이퍼는 열처리 과정을 거쳐 경화된다. 이는 감광액의 강도를 높이고, 이후의 공정에서 감광액이 안정적으로 유지되도록 도와준다.

감광액의 응용

감광액은 다양한 응용 분야에서 필수적으로 사용된다. 특히 반도체 제조 공정에서 그 중요성이 더욱 두드러진다.

반도체 제조

감광액은 반도체 칩의 미세 패턴을 형성하는 데 사용된다. 포토리소그래피 공정에서 감광액은 회로 패턴을 웨이퍼에 인쇄하여, 반도체 소자의 전기적 특성을 구현하는 데 중요한 역할을 한다.

MEMS (미세 전자 기계 시스템)

MEMS 기기의 제조에서도 감광액이 활용된다. 미세 구조를 형성하고 조작하는 데 필요한 정밀한 패턴을 생성하기 위해 감광액이 사용된다. MEMS 기술은 센서, 액추에이터 및 마이크로기계 장치 등 다양한 분야에 응용된다.

PCB(인쇄 회로 기판) 제조

PCB의 제조 과정에서도 감광액이 사용된다. 회로 패턴을 형성하는 데 필요한 레이아웃을 만들어 주며, 전자 기기의 기초적인 구조를 형성하는 데 필수적이다.

홀로그래피 및 광학 장치

감광액은 홀로그래피 및 다양한 광학 장치의 제조에도 사용된다. 특정 패턴을 형성하여, 광학적 특성을 조절하고 개선하는 데 기여한다.

감광액의 장점과 단점

감광액은 반도체 및 기타 분야에서 많은 장점을 가지고 있지만, 동시에 몇 가지 단점도 존재합니다.

장점

• 정밀성: 감광액은 매우 미세한 패턴을 형성할 수 있어, 고해상도의 제조가 가능하다.
• 유연성: 다양한 응용 분야에 맞춰 감광액의 종류를 조절할 수 있어 유연한 적용이 가능하다.
• 비용 효율성: 대량 생산에 적합한 프로세스를 통해 제조 비용을 절감할 수 있다.

단점

• 환경 문제: 감광액의 구성 성분 중 일부는 환경에 해로울 수 있으며, 적절한 폐기 및 처리 방법이 필요하다.
• 복잡한 공정: 감광액의 도포 및 현상 과정은 복잡할 수 있으며, 높은 수준의 기술이 요구된다.
• 제한된 내열성: 감광액은 고온 환경에서 물리적 성질이 변할 수 있으므로, 높은 온도에서의 안정성이 문제 될 수 있다.

감광액의 미래 방향

감광액의 기술은 끊임없이 발전하고 있으며, 앞으로도 더 나은 성능을 가진 감광액이 개발될 것으로 기대된다. 다음은 감광액의 발전 방향과 연구 주제이다.

• 친환경 감광액 개발 : 환경 문제 해결을 위해 유해 성분을 최소화한 친환경 감광액 개발이 중요하다. 이러한 연구는 지속 가능한 제조 공정을 위한 필수적인 요소이다.
• 고해상도 패턴 형성 : 더 미세한 회로를 형성하기 위해 고해상도 감광액의 연구가 활발히 진행되고 있다. 이를 통해 반도체 기술의 발전을 이끌어낼 수 있을 것이다.
• 신기술과의 융합 : 인공지능(AI), 나노기술 등과의 융합을 통해 새로운 응용 분야를 개척할 수 있다. 특히, 나노기술과의 결합은 더 정밀한 구조와 특성을 가진 소자를 제조할 수 있는 가능성을 열어줄 것이다.

참고자료

• 〈감광액〉, 《IT용어사전》
• 〈감광액〉, 《한경 경제용어사전》
• 진종문 교수, 〈포토(Photo) 공정 上편 - 감광액(PR) 도포하기〉, 《SK하이닉스》, 2019-01-09
• 이완 기자, 〈반도체 백혈병 논란 10년…끊이지 않는 ‘1급 발암물질’ 감광액 유출〉, 《한겨레》, 2017-11-27
• 강해령 기자, 〈'탈일본' 러시 불붙었다…日 스미토모, 한국서 반도체 EUV 포토레지스트 첫 출하〉, 《서울경제》, 2022-06-04

같이 보기

• 웨이퍼
• 광학
• 폴리머
• 용매
• 첨가제
• 도포

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