지금까지 쌓은 막들은 모두 기판 전면을 덮은 상태입니다. 이대로는 회로가 아니라 그냥 판입니다. 이제 이 막에 회로 모양을 그려 넣어야 합니다. 그 일을 하는 것이 포토(포토리소그래피) 공정이며, 원리는 놀랍도록 단순합니다 — 사진과 똑같습니다.
사진을 찍듯이
필름 카메라를 떠올려 보세요. 빛에 반응하는 감광 물질(필름)에 빛을 쬐면, 빛을 받은 부분과 받지 않은 부분의 화학적 성질이 달라집니다. 이것을 현상액에 담그면 차이가 눈에 보이는 상(像)으로 드러납니다.
포토 공정은 이 원리를 그대로 씁니다. 기판에 감광액(PR, Photoresist)을 바르고, 회로 모양이 새겨진 마스크를 통해 자외선을 쬐고, 현상액으로 씻어내면 — 기판 위에 회로 모양의 PR 패턴이 남습니다. 이 PR이 다음 공정(식각)에서 덮개 역할을 합니다. 덮인 곳은 살아남고 드러난 곳은 깎여 나가는 것입니다.
사진과 다른 점이 하나 있다면, 포토 공정에서 만들어지는 상은 보기 위한 그림이 아니라 다음 공정을 위한 도구라는 것입니다. 예쁘게 나올 필요는 없지만, 단면이 정확한 각도로 서 있어야 하고, 약품과 플라즈마를 견뎌야 하며, 다 쓰고 나면 흔적 없이 벗겨져야 합니다. 이 세 가지 요구가 감광액이라는 물질의 설계를 전부 결정합니다.
감광액이라는 물질
PR은 크게 세 가지로 구성됩니다.
- 수지(레진) — 막을 이루는 뼈대입니다. 노볼락 계열이 대표적입니다.
- 감광제(PAC, Photo Active Compound) — 빛에 실제로 반응하는 성분입니다. 이것의 농도가 감도를 좌우합니다.
- 용매 — 도포를 위한 운반체입니다. 코팅 후에는 오히려 방해가 되므로 빼내야 합니다(2·3편의 PI 이야기와 똑같은 구조입니다).
PR을 고를 때 보는 성질은 한둘이 아닙니다 — 감도(빛에 얼마나 민감한가), 해상력(얼마나 작은 패턴을 만들 수 있는가), 콘트라스트(노광부와 비노광부의 용해도 차이), 내열성(플라즈마·이온 주입을 견디는가), 밀착력(하부 막에 잘 붙는가), 내화학성(식각액에 견디는가), 프로파일 형상, 그리고 보관 수명까지. 한 가지를 좋게 하면 다른 것이 나빠지는 경우가 많아, 층마다 다른 PR을 씁니다.
빛이 닿으면 왜 녹게 되는가 — 감광제의 화학
「빛을 받으면 녹는다」는 설명은 결과일 뿐, 이유가 아닙니다. 주류 감광막인 DNQ-노볼락 계에서 실제로 일어나는 일은 두 단계의 극성 변화입니다(Diazonaphthoquinone).
노볼락 수지는 페놀 골격을 가진 산성 고분자라서 원래 알칼리 수용액에 잘 녹습니다. 그런데 여기에 감광제인 DNQ를 몇 %만 섞으면 용해가 거의 멈춥니다. DNQ 분자가 수지 사슬 사이에 끼어 알칼리 이온이 접근하는 길을 막고, 수지의 페놀기와 수소 결합을 이루어 사슬을 서로 붙들어 두기 때문입니다. 이 역할을 용해 억제제(dissolution inhibitor)라고 부릅니다.
자외선이 들어오면 DNQ는 질소 분자 하나를 잃고 골격이 재배열되어, 물과 반응한 뒤 인덴카르복실산이 됩니다. 억제제였던 분자가 산(酸)으로 바뀌는 것입니다. 알칼리 현상액 안에서 이 산은 곧바로 이온화하며 물을 끌어들이고, 막히던 통로가 열려 노광부의 용해 속도가 급격히 올라갑니다. 즉 같은 한 분자가 노광 전에는 브레이크, 노광 후에는 액셀로 작동합니다. g선·i선용 DNQ-노볼락 감광막의 노광 전후 용해 속도 차이는 실험적으로 두 자릿수 이상으로 보고되어 있습니다(참고 자료의 JVST B 1989 특성 평가).
포지티브와 네거티브
PR은 빛에 대한 반응 방향에 따라 두 종류로 나뉩니다(Photoresist).
- 포지티브 PR (광 분해형) — 빛을 받은 부분이 분해되어 현상액에 녹습니다. 마스크의 투명한 부분이 그대로 뚫린 모양으로 남으므로 '포지티브'입니다. 알칼리 수용액에 잘 녹고, 해상력이 좋으며, 폐액 처리도 상대적으로 수월해 반도체·디스플레이의 주류로 쓰입니다.
- 네거티브 PR (가교형) — 빛을 받은 부분의 분자가 서로 얽혀(가교) 굳습니다. 마스크와 반대 모양이 남으므로 '네거티브'입니다. 해상력은 상대적으로 낮지만, PR 자체를 하나의 막으로 남겨 쓰는 공정(격벽·스페이서 등)에 유용합니다.
| 항목 | 포지티브 PR | 네거티브 PR |
|---|---|---|
| 빛의 작용 | 결합을 끊어 용해 억제를 해제 | 사슬을 가교시켜 굳힘 |
| 남는 모양 | 마스크의 불투명부 | 마스크의 투명부 |
| 현상액 | 알칼리 수용액(TMAH) | 유기 용제 또는 알칼리 수용액 |
| 현상 시 막 변화 | 비노광부 팽윤 적음 | 가교부 팽윤으로 미세선 뒤틀림 |
| 해상력 | 상대적으로 유리 | 상대적으로 불리 |
| 주 용도 | 식각 마스크 — 쓰고 벗겨냄 | 영구막 — 격벽·스페이서·평탄화층 |
표의 마지막 줄이 실제 선택 기준입니다. 벗겨낼 막이면 포지티브, 남길 막이면 네거티브가 기본값입니다. 백플레인의 배선·반도체층 패터닝은 거의 전부 앞쪽이고, 화소를 나누는 격벽처럼 소자의 일부로 남는 층이 뒤쪽입니다.
두께는 회전수가 정한다 — 코팅의 물리
PR 두께는 눈대중으로 정하는 값이 아닙니다. 회전 원판 위에 놓인 점성 액막이 어떻게 얇아지는지는 1958년에 이미 유체역학적으로 정리되었습니다. 원심력과 점성이 균형을 이루며 막이 퍼질 때, 시간 t가 지난 뒤의 두께는 다음 형태로 수렴합니다.
h = √( 3μ / (4ρω²t) ) — μ: 점도, ρ: 밀도, ω: 각속도, t: 시간
여기서 읽어야 할 핵심은 두께가 회전수의 제곱근에 반비례한다는 것입니다. 뒤이어 1978년에는 용매 증발까지 포함한 모형이 제시되어(D. Meyerhofer, "Characteristics of resist films produced by spinning," J. Appl. Phys. 49(7), 3993 (1978)), 실제 감광막에서도 같은 지수 관계가 유지된다는 점이 확인되었습니다. 1,000rpm에서 1.50μm가 나오는 조건을 기준으로 회전수만 바꾸면 두께는 이렇게 움직입니다.
| 회전수 | 계산 두께 | 1,000rpm 대비 |
|---|---|---|
| 500 rpm | 2.12 μm | 1.41배 |
| 1,000 rpm | 1.50 μm | 기준 |
| 1,500 rpm | 1.22 μm | 0.82배 |
| 2,000 rpm | 1.06 μm | 0.71배 |
| 3,000 rpm | 0.87 μm | 0.58배 |
| 4,000 rpm | 0.75 μm | 0.50배 |
표의 값은 위 식의 회전수 항만으로 직접 계산한 것입니다. 두께를 절반으로 줄이려면 회전수를 네 배로 올려야 한다는 뜻이고, 반대로 말하면 회전수를 5% 틀려도 두께는 2.5%밖에 안 틀린다는 뜻이기도 합니다. 회전 코팅이 오래 살아남은 이유가 이 둔감함에 있습니다.
그런데 디스플레이 기판은 이 방식을 쓸 수 없습니다. 2.2m × 2.5m급 유리를 1,000rpm으로 돌리면 대각선 끝(중심에서 1.67m)의 원주 속도는 초속 174m, 원심 가속도는 약 18,300m/s²(중력의 1,860배)가 됩니다. 500rpm으로 낮춰도 465배입니다. 유리가 견디지 못하고, 견딘다 해도 회전축에서 멀어질수록 조건이 달라져 두께가 균일할 수 없습니다. 그래서 대면적 공정은 회전 대신 슬릿 코팅을 씁니다 — 긴 노즐이 기판 위를 한 번 지나가며 액을 깔아 두는 방식입니다.
재료 효율도 결정적입니다. 지름 300mm 원판에 1.5μm 막을 남기는 데 실제로 필요한 액은 부피로 0.11mL뿐이고(π × 0.15² × 1.5μm), 나머지는 전부 원심력에 날려 버려집니다. 반면 슬릿 코팅은 필요한 양만 내려놓으므로, 면적이 78배인 5.5m² 기판에 같은 두께를 만드는 데 8.25mL 남짓이면 됩니다.
감광막을 숫자로 표현하다 — 딜 파라미터와 콘트라스트
감광막을 정량적으로 다루려면 「잘 반응한다」 같은 말로는 부족합니다. 1975년에 제안되어 지금도 표준으로 쓰이는 방법은 감광막을 세 개의 숫자로 기술하는 것입니다.
| 기호 | 이름 | 물리적 의미 | 커지면 |
|---|---|---|---|
| A | 표백성 흡수 | 감광제가 빛을 흡수하는 몫 — 노광이 진행되면 사라짐 | 노광 전후 투과율 차이가 커짐 |
| B | 비표백성 흡수 | 수지·염료 등 끝까지 남는 흡수 | 막 아래쪽까지 빛이 못 감 |
| C | 노광 속도 상수 | 단위 노광량당 감광제가 분해되는 비율 | 적은 빛으로도 반응(고감도) |
남아 있는 감광제의 비율 M은 노광량 E에 대해 M = exp(−C·E)로 줄어듭니다. 지수 함수이므로 감광제가 완전히 0이 되는 노광량은 존재하지 않고, 「99%를 분해하는 노광량」처럼 목표를 정해 이야기하게 됩니다. A가 큰 막은 노광이 진행될수록 스스로 투명해져(표백) 아래쪽까지 빛이 도달하고, B가 큰 막은 아무리 쬐어도 바닥이 어두워 단면이 기울어집니다. 단면 각도는 감광막의 흡수 설계에서 이미 절반이 정해집니다.
실무에서 더 자주 쓰는 한 개의 숫자는 콘트라스트 γ입니다. 막이 전혀 남지 않기 시작하는 노광량 D0과 완전히 제거되는 노광량 D100의 비로 정의합니다.
γ = 1 / log₁₀(D100 / D0)
두 노광량이 2배 차이면 γ = 1/log₁₀2 = 3.32, 3배 차이면 2.10, 1.5배까지 좁히면 5.68입니다. γ가 클수록 「조금만 더 쬐면 확 녹는다」는 뜻이고, 그것이 곧 수직에 가까운 단면과 좁은 선폭 산포로 이어집니다. 마스크의 흐릿한 경계를 선명한 패턴으로 바꿔 주는 것이 바로 이 비선형성입니다.
화학증폭형 — 광자 한 개를 여러 번 쓰는 법
DNQ-노볼락에는 원리적 한계가 있습니다. 광자 하나가 감광제 분자 하나를 바꾸므로, 반응 효율(양자 수율)이 1을 넘을 수 없습니다. 파장이 짧아질수록 광원에서 얻을 수 있는 광자 수가 줄어드는데 필요한 분자 수는 그대로이니, 노광 시간이 감당할 수 없게 길어집니다.
1983년에 제안된 해법이 화학증폭(chemical amplification)입니다. 빛은 감광막을 직접 바꾸지 않고 산을 하나 만들어 낼 뿐이고, 그 산이 촉매로 작동하며 수지에 붙은 보호기를 잇달아 떼어냅니다. 산은 반응 후에도 소모되지 않으므로 광자 하나가 수십에서 수백 번의 화학 반응을 유발합니다. 감도를 원리적으로 끌어올린 이 개념은 1985년 특허로 정리되었고(US 4,491,628), 이후 심자외선 이하 모든 리소그래피의 표준이 되었습니다.
그렇다면 디스플레이는 왜 여전히 DNQ-노볼락을 주로 쓸까요. 화학증폭형은 산이 확산해야 작동하므로 노광 후 베이크 온도·시간에 극도로 민감하고, 공기 중 미량의 염기(암모니아 등)에 표면의 산이 중화되면 패턴 상단이 뭉개집니다. 수 μm 선폭이면 충분한 백플레인에서 그 관리 비용을 치를 이유가 없습니다. 필요한 해상력이 요구하는 만큼만 정교한 재료를 쓰는 것이 설계입니다.
세 번의 베이크, 세 가지 목적
포토 공정에는 굽는 단계가 세 번 나옵니다. 이름이 비슷해 헷갈리지만 목적이 전혀 다릅니다.
① 탈수 베이크와 프라이밍 — 붙게 만들기
PR은 물을 싫어하는 소수성 물질입니다. 그런데 기판 표면은 공기 중 수분을 머금어 친수성인 경우가 많습니다. 성질이 반대이니 잘 붙지 않습니다. 그래서 먼저 기판을 130~150℃ 정도로 구워 습기를 날립니다(탈수 베이크).
그것만으로 부족하면 HMDS라는 화학 물질을 증기 상태로 뿌립니다. HMDS는 기판 표면의 친수성 그룹과 반응해 표면을 소수성으로 바꿔 줍니다 — PR과 성질을 맞춰 주는 것입니다. 위키백과는 이를 두고 HMDS가 "표면을 소수성으로 만들어 포토레지스트 접착을 촉진하는 접착 촉진제"라고 정리합니다(HMDS). 패턴이 작거나 고립된 형태가 많은 층일수록 이 준비가 중요해집니다.
② 소프트 베이크 — 굳히되 과하지 않게
코팅 후 PR 안에는 아직 용매가 남아 있습니다. 이 상태로는 무르고, 현상·식각 약품에 쉽게 무너집니다. 그래서 100~120℃의 비교적 낮은 온도로 구워 용매를 밀어내고 막을 단단하게 만듭니다.
여기서 절묘한 균형이 필요합니다. 과하게 구우면 노광·현상 특성이 급격히 나빠집니다 — 감광제가 열로 손상되기 때문입니다. 그래서 "부드럽게(soft)" 굽는다는 이름이 붙었습니다. 앞서 본 딜 파라미터로 말하면, 과베이크는 반응할 감광제를 미리 없애 A를 깎고 B를 키우는 방향이며, 그 결과가 낮아진 콘트라스트와 기울어진 단면으로 나타납니다.
덧붙여, 3편에서 본 감압 건조가 여기서도 등장합니다. 용매를 열로만 빼면 표면부터 굳어 안쪽에 용매가 갇히고 얼룩이 생기므로, 진공에서 먼저 상당량을 빼낸 뒤 베이크하는 방식이 쓰입니다. "액막은 열풍이 아니라 감압으로 말린다"는 원칙이 공정을 가로질러 반복됩니다.
③ 하드 베이크 — 마지막 굳히기
현상까지 끝나 패턴이 완성되면, 130~150℃로 한 번 더 굽습니다. 소프트 베이크보다 온도가 높아 '하드'입니다. 목적은 패턴을 최종적으로 단단히 만들어 식각을 견디게 하는 것입니다.
그런데 여기에 숨은 효과가 있습니다. 온도가 높으면 PR이 살짝 녹아 흐르면서 패턴 측벽의 각도(프로파일)가 완만해집니다. 그리고 이 프로파일이 다음 식각 결과를 바꿉니다 — 16편에서 볼 웻 식각의 프로파일 제어가 바로 이 하드 베이크 조건과 맞물립니다. 포토와 식각은 별개의 공정이 아니라 이어진 하나의 설계인 셈입니다.
가장자리를 지운다 — EBR
대면적 코팅에는 고질적인 문제가 있습니다. 기판 가장자리에 PR이 두껍게 쌓이는 현상입니다. 표면 장력 때문에 가장자리에서 용매가 먼저 증발하며 PR이 몰리는 것입니다. 뒷면에도 일부 묻습니다.
이 두꺼운 테두리는 이후 공정에서 파티클의 원천이 되고, 기판을 잡는 장비와 간섭하며, 정렬 키 인식을 방해합니다. 그래서 코팅 직후 시너를 분사하고 즉시 흡입해 가장자리와 뒷면의 PR을 지웁니다 — 이것이 EBR(Edge Bead Removal)입니다. 작아 보이는 단계지만, 빠뜨리면 라인 전체에 파티클을 뿌리게 됩니다.
현상 — 차이를 상으로 바꾸다
노광된 기판을 현상액에 노출시키면 용해도 차이가 실제 패턴으로 드러납니다. 포지티브 PR의 현상액은 알칼리 수용액이며, 반도체·디스플레이 공정에서는 TMAH(수산화테트라메틸암모늄)가 표준입니다. 금속 이온을 포함하지 않아 오염 위험이 낮기 때문입니다.
농도는 대개 2.38% 근처로 맞춥니다. 0.26 N 에 해당하는 이 값이 업계에서 사실상 표준으로 굳어져 있습니다(Tetramethylammonium hydroxide). 두 표기가 같은 값이라는 것은 직접 확인할 수 있습니다 — TMAH의 분자량은 91.15g/mol이므로, 물 1L에 23.8g이 녹아 있으면 23.8 ÷ 91.15 = 0.261mol/L이 되어 0.26N과 일치합니다.
현상이 진행되는 방식도 단순한 「녹음」이 아닙니다. 1987년에 정리된 용해 속도 모형은, 남아 있는 감광제 비율 M이 줄어들수록 용해 속도가 완만하게 시작해 급격히 치솟다가 다시 포화되는 S자 곡선을 그린다고 봅니다. 이 곡선의 기울기가 가파를수록 앞서 본 콘트라스트 γ가 커집니다. 노광량을 조금 올렸는데 선폭이 크게 변했다면, 그 지점이 바로 S자 곡선의 급경사 구간에 걸쳐 있다는 뜻입니다.
현상액 관리에는 함정이 하나 있습니다. TMAH는 공기 중 이산화탄소를 흡수해 탄산염을 만들며 pH가 변합니다. 농도가 달라지면 현상 속도가 달라지고, 그것이 곧 선폭 변화로 나타납니다. 그래서 밀폐·순환·농도 모니터링이 필수입니다. 현상 방식도 여러 가지입니다 — 노즐로 뿌리는 스프레이, 조에 담그는 딥, 표면 장력으로 액을 얹어 두는 퍼들 등이 있고, 각각 약액 소모량과 균일도가 다릅니다.
흔한 오해 세 가지
- "감광막이 두꺼울수록 안전하다" — 식각 내성만 보면 맞지만, 두꺼운 막은 아래쪽까지 빛을 보내기 어렵고(비표백성 흡수 B의 누적), 현상 시간이 길어져 위쪽이 과도하게 깎입니다. 그 결과가 기울어진 단면과 넓어진 선폭입니다. 두께는 「필요한 내성의 최소치」로 정하는 값입니다.
- "노광량을 늘리면 선명해진다" — 콘트라스트는 재료와 현상 조건이 정하는 성질이지 노광량이 정하는 성질이 아닙니다. 노광량을 늘리면 곡선 위의 동작점이 옮겨갈 뿐이며, 과하면 비노광부까지 손상되어 오히려 선폭이 무너집니다.
무엇이 왜 중요한가 — 관리 포인트 3
- 선폭(CD) — 설계한 폭대로 그려졌는가. 노광량·현상 조건·PR 두께가 모두 이 하나의 숫자로 수렴합니다. 현상 직후의 값이 그 층의 출발점이 됩니다.
- 밀착과 결손 — PR이 떨어지거나(리프팅) 가는 선이 끊기지 않았는가. 프라이밍과 베이크 조건이 여기에 직결됩니다.
- 현상액 상태 — 농도·온도·금속 이온·파티클. 액이 늙으면 선폭이 조용히 밀립니다.
다음 편(13편)에서는 이 공정의 심장인 노광 장비로 들어갑니다 — 마스크의 상을 어떻게 기판에 옮기는지, 왜 디스플레이는 반도체와 정반대의 렌즈 설계를 택하는지, 그리고 하프톤 마스크로 어떻게 한 번에 두 높이를 만드는지를 다룹니다.
참고 자료
- F. H. Dill et al., "Characterization of positive photoresist," IEEE Trans. Electron Devices 22(7), 445 (1975) : 감광막을 A·B·C 세 파라미터로 기술하는 표준 모형의 원전
- C. A. Mack, "Development of Positive Photoresists," J. Electrochem. Soc. 134(1), 148 (1987) : 남은 감광제 비율에 따른 S자 용해 속도 모형 — 본문 현상 곡선 설명의 근거
- A. G. Emslie, F. T. Bonner, L. G. Peck, "Flow of a Viscous Liquid on a Rotating Disk," J. Appl. Phys. 29(5), 858 (1958) : 회전 도포 막 두께가 회전수의 제곱근에 반비례한다는 유체역학 해 — 본문 두께 표의 계산식
- D. Meyerhofer, "Characteristics of resist films produced by spinning," J. Appl. Phys. 49(7), 3993 (1978) : 용매 증발을 포함해도 같은 지수 관계가 유지됨을 보인 감광막 코팅 모형
- "Characterization of diazonaphthoquinone–novolac resin-type positive photoresist for g-line and i-line," J. Vac. Sci. Technol. B 7(3), 565 (1989) : DNQ-노볼락 감광막의 노광 전후 용해 특성 실측
- H. Ito, C. G. Willson, "Chemical amplification in the design of dry developing resist materials," Polym. Eng. Sci. 23(18), 1012 (1983) : 광자 하나가 다수의 화학 반응을 유발하는 화학증폭 개념의 제안
- US 4,491,628 — Positive- and negative-working resist compositions with acid generating photoinitiator and polymer with acid labile groups pendant from polymer backbone : 화학증폭형 레지스트를 조성물로 정리한 특허
- Photoresist — Wikipedia : 포지티브·네거티브 감광액의 원리와 구성
- Diazonaphthoquinone — Wikipedia : 용해 억제제가 광반응으로 인덴카르복실산이 되는 경로
- Tetramethylammonium hydroxide — Wikipedia : TMAH 의 성질과 알칼리 현상액으로서의 용도
- Bis(trimethylsilyl)amine (HMDS) — Wikipedia : 표면을 소수성으로 바꾸는 접착 촉진제
- ※ 위 목록 가운데 Wikipedia 문서에서 인용한 부분은 CC BY-SA 4.0 라이선스를 따릅니다.