반도체 나노 소재 산업: 포토마스크, 레티클, 블랭크 마스크 및 포토레지스트
반도체 산업에서 중요한 역할을 하는 여러 재료 중, 포토마스크, 레티클, 블랭크 마스크와 포토레지스트는 핵심적인 위치를 차지하고 있습니다. 이들 재료는 반도체 소자의 미세한 회로 패턴을 형성하는 과정에서 필수적이며, 지속적인 기술 발전이 요구되는 분야입니다.
포토마스크, 레티클, 블랭크 마스크
포토마스크는 블랭크 마스크를 원재료로 하여 패터닝 공정을 거쳐 제조되는 반도체 설계 회로를 담고 있는 반도체 리소그래피의 핵심 재료입니다. 포토마스크에 Pellicle이 부착된 후 반도체 리소그래피용 노광 장치를 사용하면 포토마스크는 레티클이 되며, 보통 1/4배로 축소 노광 방식을 사용합니다. 따라서 포토마스크는 4x 레티클이 되고, 포토마스크와 레티클은 동일한 개념으로 적용됩니다.
반도체 산업의 발전에 따라 노광 파장의 변화가 발생하면서, 포토마스크 제조공정에서도 광학 패턴 형성기에서 전자빔 패턴 형성기를 사용하여 더욱 미세한 패턴을 형성하고 있습니다. 전자빔 패턴 형성기의 가속전압 변화(예: 10 kV, 20 kV, 50 kV 등)는 지속적인 발전을 이루어왔으며, 현재는 100 kV용 전자빔 패턴 형성기를 사용하여 미세패턴을 형성하고 있습니다. 이와 같은 공정 개발은 반도체 산업의 발전과 연계되어 약 3 ~ 5년의 주기로 계속적인 장비 개발이 요구됩니다.
포토마스크의 원재료인 블랭크 마스크는 크게 두 가지로 나눌 수 있습니다. 첫 번째는 석영 기판 위에 차광막, 반사방지막, 레지스트막이 순차적으로 형성되어 있는 바이너리 인텐시티 블랭크 마스크입니다. 두 번째는 석영기판 위에 위상반전막, 차광막, 반사방지막, 레지스트막이 순차적으로 형성되어 있는 위상반전 블랭크 마스크입니다. 바이너리 인텐시티 블랭크 마스크의 경우, 차광막 및 반사방지막의 두께, 두께 균일성, 반사율, 파티클 크기 및 개수 감소를 위해 기술 개발이 이루어지고 있습니다. 반면, 위상반전 블랭크 마스크는 리소그래피 노광 파장에 적절한 투과율과 위상반전을 만족하기 위해 박막의 물질 및 구조에 대한 기술 개발이 진행되고 있습니다.
포토레지스트
포토레지스트(Photoresist)는 빛에 의한 광화학적 반응을 이용하여 포토마스크에 그려진 미세 패턴을 원하는 기판(주로 실리콘 웨이퍼)에 형상화할 수 있는 화학 약품입니다. 포토레지스트를 특정 파장의 빛에 노광하면, 그 노광된 부위에서 광화학 반응이 일어나 포토레지스트의 화학적 성질, 특히 특정 용매에 대한 용해도가 급격하게 변화합니다. 노광 후 특정 용매로 처리하면, 빛을 받은 부분만 녹거나(positive photoresist), 빛을 받지 않은 부분만 녹아(negative photoresist) 조사된 패턴을 남깁니다.
포토레지스트의 노광기는 여러 개의 렌즈를 이용하여 다양한 배율로 축소된 상을 조사할 수 있으므로, 반도체의 미세한 패턴을 형성하는 데 사용됩니다. 반도체용 포토레지스트는 여러 성분이 녹아 있는 용액 형태로 되어 있으며, 이를 공정에 적용하기 위해 실리콘 웨이퍼 위에 회전 도포(Spin-coating)하여 수백 나노에서 수 마이크론 단위의 얇은 필름을 형성시킵니다. 그런 다음 노광기로 옮겨 사용합니다.
포토레지스트에 일정한 패턴을 형성하는 기술은 마치 사진기로 촬영을 하는 것과 같습니다. 이 과정에서 포토레지스트는 반도체 회로의 미세한 패턴을 형성하는 중요한 역할을 합니다.
반도체 소재 기술의 발전
반도체 회로의 집적도를 향상시키기 위해서는 고해상도를 구현할 수 있는 보다 작은 k1, 더 짧은 λ, 더 큰 NA를 얻기 위해 반도체 및 포토마스크 기술 개발이 계속 이루어지고 있습니다. 블랭크 마스크의 경우도 더 얇은 두께, 우수한 두께 균일성, 투과율, 위상반전을 얻기 위한 기술 개발이 지속적으로 이루어지고 있습니다.
최근에는 더 미세한 최소선폭을 구현하기 위해 Immersion Lithography, Nano-imprint Lithography, EUV Lithography 등의 새로운 Next Generation Lithography 기술이 등장하고 있으며, 이에 대응하기 위한 포토마스크, 레티클, 블랭크 마스크 기술 개발이 활발히 진행되고 있습니다.
반도체 나노 소재 산업은 끊임없는 연구와 기술 개발이 필요한 분야로, 반도체 소자의 성능을 좌우하는 중요한 요소입니다. 나노 기술의 발전과 함께, 차세대 반도체 소자의 개발에 필수적인 역할을 하는 반도체 소재는 앞으로도 중요한 기술적 인자로 남을 것입니다. 반도체 소재 산업의 성장은 국가적 경쟁력 강화에도 중요한 요소가 될 것입니다.