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감광재
감광재(Photo Active Compound, PAC)는 LCD, OLED, 반도체 등의 기판 및 박막 위에 도포되어 감광막을 형성시키는 재료이다. 반도체 및 디스플레이를 제조하기 위해서는 포토리소그래피(Photo Lithography) 기술을 이용하여 설계된 회로를 기판에 전사하여야 하는데, Photo Lithography 기술에 있어 가장 핵심적인 물질이 감광재이다. 감광재는 노광기에서 나오는 파장에 민감하게 반응하기에, 반도체 및 디스플레이 생산 공정에서 Pattern 형상화를 위한 Photoresist 제품에 사용된다.
일본 JSR과 도쿄오카공업(TOK) 등 일부 일본 업체들은 이미 10nm(나노미터) 이하 반도체에 극자외선(EUV) 감광재를 공급할 수 있는 능력을 갖추고 있다.
상세
감광재는 주로 포토리소그래피(photolithography) 공정에서 빛 에너지에 의하여 내부 구조가 바뀌어, 현상(development)을 통하여 제거되거나 제거되지 않아 원하는 패턴을 얻을 수 있는 소재를 말한다. 지금은 잘 사용하지 않는 필름 카메라에서 사진을 찍고, 현상을 하면 이미지를 볼 수 있었는데 똑같은 원리로, 빛을 쏘이고 현상을 하면 원하는 모양의 구조물이 만들어진다고 생각하면 된다. 아래 그림은 LCD에 사용되는 여러 감광재를 도식화 한 것인데, RGB 색을 넣은 컬러필터용 소재, 빛의 투과 혹은 반사를 방지하기 위한 블랙 매트릭스용 소재, 단차를 덮어주는 over coat용 소재, 상하부 기판 사이의 간격 유지를 위한 column spacer용 소재 등이 있다.
이러한 소재들은 모두 감광재라 통칭하지만, 어떠한 소재는 색을 띄어야 하고, 어떠한 소재는 투명해야 하며, 또 다른 소재는 좁고 높은 구조물을 형성해야 하는 등 요구되는 특성은 그 역할에 따라 다양해지며, 빛을 이용하여 원하는 패턴을 형성한다는 점에서만 공통점이 있다고 할 수 있다.
OLED용으로는 PDL(pixel define layer)라고 하는 감광재가 사용된다. 이는 OLED형성 시, anode 공정 이후 anode 전극의 edge가 드러나지 않도록 하여 상하 전극(anode, cathode) 간의 전기적 단락(short) 방지가 주 목적이다. 이를 위해서는 PDL 패턴 edge에서 매우 낮은 경사각(taper angle)이 요구된다. 또한, 감광재 중 다른 응용 분야와 다르게 아주 중요한 특성이 있는데, 이는 공정이 끝난 이후 OLED소자를 열화시킬 수 있는 성분이 없어야 할 뿐만 아니라, 공정 중 수분을 흡착하지(빨아들여 머금지) 않아야 하는 점이다. 이는 PDL이 OLED를 형성하는 유기소재와 맞닿아 있어 아무리 봉지를 잘하여 외부의 습기 침투를 막는다고 하여도, 내부에 적이 있다면 OLED의 열화를 막을 수 없기 때문이다.
포토레지스트
포토레지스트(photoresist)는 감광성 수지라고도 하며 반도체 원료인 웨이퍼 위에 뿌리는 '감광액'이다. 빛을 받아 반도체 회로를 새기는 특수 고분자물질이다. 400여 개 반도체 공정 가운데 30여 개에 포토레지스트를 사용한다.
반도체를 생산하려면 먼저 실리콘을 성장시켜 막대기 모양의 잉곳으로 만들고, 이를 가로로 썰어 원판 모양의 웨이퍼를 만든다. 리소그래피 공정에 앞서 웨이퍼엔 실리콘 산화막을 발라야 한다. 회로 간 전류 누설을 막는 절연막을 만드는 중요한 공정이다. 다음엔 웨이퍼 위에 포토레지스트를 깔고, 회로 패턴의 원본 격인 유리판 '포토마스크'를 올리고 빛을 가한다. 웨이퍼와 포토마스크를 정확히 포개 위치를 맞추는 기능을 하는 장비 '마스크 얼라이너'도 중요하다.
포토레지스트는 성질에 따라 빛을 가했을 때 빛에 노출된 부분만 사라지거나(포지티브), 반대로 노출된 부분이 남아 있는 경우(네거티브)로 나뉜다. 이 과정은 사진 인화 과정과 비슷해 '현상(development)'이라고 한다.
현상 뒤엔 새겨진 패턴대로 웨이퍼를 깎는 '식각(에칭)' 공정이 이어진다. 일본이 수출을 금지한 불화수소(HF)가 에칭 공정에 사용되는 가스다. 이후 전도능력을 부여하기 위한 불순물(이온) 투입, 화학기상증착(CVD) 등 과정을 거쳐 웨이퍼 절단(칩 제조), 칩 선별과 접착, 몰딩, 검사 등을 끝으로 반도체가 완성된다.
- 반도체 성능 가르는 핵심 소재
포토레지스트 성분은 매우 다양하다. 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 에폭시, 실리케이트, 사이올레인 계열 등이 주로 사용된다. 여러 분자가 체인처럼 복잡하게 맞물려 있다. 약간의 구조변형을 가하거나 첨가제를 넣으면 물성이 달라진다. 극도로 미세한 추가 공정에 따라 반도체가 고성능이 되기도 하고, 저품질이 되기도 한다는 뜻이다.
포토레지스트는 사용하는 노광장비 광원의 파장에 따라 불화크립톤(KrF·248㎚) 불화아르곤(ArF·193㎚) 극자외선(13.5㎚)용으로 구분된다. 파장이 짧을수록 미세 공정에 유리하다. 불화수소, 플루오린폴리이미드와 달리 EUV용 포토레지스트는 국산화가 쉽게 진척되지 않았다.
자외선을 활용한 리소그래피 가운데 범용 기술이 '이머전(immersion) 리소그래피'다. 통상적으로 건조공정인 리소그래피와 달리 습윤공정이다. 포토레지스트 위에 특수 액체를 넣어 빛의 굴절률을 더 높인다. 빛을 더 많이 모을수록 회로 패턴이 더 잘 새겨지기 때문이다. 주로 45㎚ 반도체 공정에 사용됐다.
현재 범용 최신 제품인 10㎚대 반도체를 생산할 때 쓰는 기술이 '아르곤플로라이드(ArF) 이머전리소그래피'다. ArF 가스가 내뿜는 특수광선에 이머전리소그래피를 결합한 것이다. 이 리소그래피를 쓰면 14㎚ 반도체를 생산할 수 있다. 그러나 10㎚ 이하로 만들기는 불가능하다.
10㎚ 이하 반도체는 극자외선(EUV)을 사용해야 한다. ArF 가스광선 파장은 193㎚지만 EUV는 13㎚로, 10분의 1 이하다. 삼성전자가 최근 주력하고 있는 시스템반도체 브랜드 '엑시노스'에 사용되는 공정이 EUV리소그래피다. EUV 장비는 네덜란드 ASML사가 독보적이다.
시스템반도체와 메모리반도체는 리소그래피, 에칭 등 동일한 과정을 거친다. 다만 소자를 특수하게 설계하면서 이들을 통합(integrate)할 때 연산 및 제어 로직을 부여하면 시스템반도체가 된다.
일본이 2019년 6월 금수 조치한 포토레지스트는 이 같은 차세대 시스템반도체 제조에 쓰이는 EUV용 포토레지스트이다. 국내 대표 소부장 업체인 동진쎄미켐이 일본의 수출규제 조치 이후 EUV용 포토레지스트 상용화를 위한 준비를 발 빠르게 해왔다. 2019년 경기 화성 발안 공장에 노광 장비를 구축해 EUV용 포토레지스트의 전 단계인 불화아르곤(ArF) 포토레지스트에 대한 성능평가 역량을 확보했다. 관련 업계에선 동진쎄미켐이 EUV용 포토레지스트 상용화 바로 직전 단계까지 도달한 것으로 보고 있다. 동진쎄미켐이 개발한 EUV용 포토레지스트가 국내 반도체 업체에서 성능 평가를 통과했고, 일부 양산 준비에도 들어갔다는 분석이다.
동영상
참고자료
- 〈감광재〉, 《(주)경인양행》
- 〈<화학개론> 디스플레이 속, 소재의 세계〉, 《LG케미토피아》
- 〈포토레지스트〉, 《한경 경제용어사전》
- 차재복, 〈Photosensitizer, Photoresist 감광제〉, 《KT월드》, 2023-08-02
같이 보기
