Chemical Amplification Resist (CAR)의 의미

Chemical Amplification Resist (CAR)는 포토리소그래피에서 사용되는 감광성 재료의 종류입니다. 

작동 원리

CAR의 작동은 빛에 의해 활성화되는 화학 반응을 증폭시켜 작은 빛의 노출량으로도 강한 패턴 형성을 가능하게 하는 데 기반합니다. 이 과정은 두 가지 주요 구성 요소를 포함합니다:

1. 감광 물질 (Photo Acid Generator, PAG): 빛을 흡수하여 산(Acid)을 생성하는 물질입니다.
2. 폴리머 (Polymer): PAG에 의해 생성된 산이 작용하여 용해도가 변하는 물질로, 노광 후 현상 단계에서 노광된 영역과 노광되지 않은 영역이 구분됩니다.

화학적 증폭 메커니즘

이 메커니즘은 노광 단계에서 발생한 작은 화학적 변화가 후속 공정에서 큰 효과를 내도록 설계되어 있습니다. 화학적 증폭 (Chemical Amplification): 광반응으로 소량의 활성종(예: 강산)을 생성한 뒤, 이를 기반으로 다단계 화학 반응을 유도하여 민감도를 높이는 방식. 이 기술은 특히 193nm DUV와 EUV 리소그래피와 같은 고해상도 공정에서 사용됩니다.

 

1. 노광 단계 (Exposure)

광 노출: UV 또는 EUV 광원이 레지스트를 조사하면, PAG가 광반응을 통해 산을 생성합니다.

 

2. 산 촉매 반응 (Acid Catalysis)

생성된 산은 주변의 Protecting Group과 반응하여 이를 제거합니다.

예: 폴리머에서 t-Butoxycarbonyl (tBOC)와 같은 보호기가 제거되며 친수성으로 전환.

보호기가 제거된 폴리머는 현상액(Developer)과 반응성을 가지게 됩니다.

한 분자의 산은 여러 반응을 촉매하여, 화학적 증폭 효과를 만듭니다.

 

3. 열처리 (Post-Exposure Bake, PEB)

PEB 과정에서 산 반응이 가속화됩니다. 이는 산이 보호기를 제거하는 반응을 반복적으로 유도하며, 노광에서 생성된 산 분자의 효과를 극대화합니다. 산 분자가 제거되지 않고 계속 재활용되므로, 높은 민감도가 가능합니다.

 

4. 현상 (Development)

노광 후 보호기가 제거된 폴리머는 현상액(보통 알칼리성)에 의해 용해되며, 노광되지 않은 영역은 남아 패턴을 형성합니다.

장점

고감도: 적은 양의 빛 노출로도 충분한 반응을 일으켜 빠른 노광이 가능하며, 고비용의 리소그래피 장비에서 처리 속도를 높이는 데 기여합니다.

고해상도: 작은 피처 크기(예: 5nm 이하)를 형성하는 데 적합하여 첨단 공정 노드에서 활용됩니다.

재료 효율성: 연쇄적인 화학 증폭으로 인해 낮은 에너지로도 효과적인 패턴 형성이 가능합니다.

응용

DUV 리소그래피: 193nm ArF 엑시머 레이저 공정에서 주로 사용됩니다.

EUV 리소그래피: 첨단 반도체 공정(7nm 이하)에서 CAR은 EUV 감광제로서 핵심적 역할을 합니다.

제한 사항

공정 안정성: 산이 확산되는 과정에서 발생하는 패턴 변형(Blur)이 고해상도 한계를 제한할 수 있습니다.

환경 민감성: 산 생성과 반응이 주변 환경 조건(예: 온도, 습도)에 민감합니다.

 

CAR은 현재의 반도체 미세화 공정에서 중요한 역할을 하며, 지속적인 연구를 통해 한계를 극복하고 성능을 향상시키고 있습니다.