방향성 자기조립 리소그래피, 고분자가 스스로 줄 서는 원리

물과 기름을 한 병에 넣고 아무리 세게 흔들어도 잠시 뒤면 물은 물끼리, 기름은 기름끼리 위아래 두 층으로 완전히 갈라집니다. 그런데 만약 보이지 않는 아주 짧은 실로 물 분자 한 다발과 기름 분자 한 다발을 꽁꽁 묶어 놓았다면 어떻게 될까요. 서로 밀어내며 떨어지고 싶어도 묶인 실 길이 이상으로는 도망갈 수 없어, 실 길이만큼의 간격으로 물과 기름이 번갈아 줄을 서게 됩니다.

값비싼 노광기로 일일이 빛을 쪼여 그리는 하향식(Top-down) 공정 대신, 분자들이 스스로 열역학적 규칙에 따라 나노미터 간격으로 줄을 서게 만드는 상향식(Bottom-up) 패터닝 기술이 바로 방향성 자기조립 리소그래피입니다.

블록 공중합체(BCP)의 미세 상분리와 나노 패턴 형성

이 기술의 주인공은 성질이 서로 다른 두 종류의 고분자 사슬(A 블록과 B 블록)의 끝단을 공유 결합으로 하나로 이어 붙인 블록 공중합체(BCP, Block Copolymer)입니다. 대표적으로 벤젠 고리를 가진 폴리스티렌(PS) 사슬과 아크릴 계열인 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 사슬을 하나로 묶은 PS-b-PMMA가 가장 널리 연구되어 왔습니다.

이 고분자 용액을 웨이퍼 위에 얇게 펴 바른 뒤 적당한 온도로 열처리(Annealing)해 사슬들이 움직일 수 있게 해 주면, 서로 싫어하는 A 사슬과 B 사슬은 인터페이스를 최소화하려고 같은 종류끼리 뭉치는 미세 상분리(Microphase Separation)를 일으킵니다. 이때 사슬 하나가 가진 중합도(길이, N)와 두 블록 사이의 반발 계수(플로리-허긴스 상호작용 파라미터, χ)에 따라 자연스럽게 10~30nm 수준의 일정한 고유 주기(L0)가 결정됩니다.

또한 전체 사슬에서 A 블록과 B 블록이 차지하는 부피 비율(f)을 조절하면 만들어지는 나노 구조의 모양도 자유자재로 바뀝니다. 두 블록의 비율이 50 대 50으로 비슷하면 수직 판상 구조(Lamellae, 라인 앤 스페이스용)가 만들어지고, 한쪽 비율이 약 70 대 30이면 원기둥 구조(Cylinder, 콘택트 홀 및 비아용)가 만들어집니다. 상분리가 끝난 뒤 자외선이나 산소 플라즈마로 두 블록 중 약한 한쪽(예: PMMA)만 골라 녹여 내면, 남은 블록(PS)이 곧바로 10nm급 초미세 식각 마스크가 됩니다. 앞서 든 물과 기름 비유가 액체 방울의 모임이라면, 실제 공정은 고분자 사슬의 반경(Radius of Gyration)이 곧 회로 선폭을 결정하는 고체 물리적 정렬이라는 점이 다릅니다.

방향성 자기조립을 이끄는 두 가지 가이드 방식

문제는 아무런 기준선이 없는 평평한 웨이퍼 위에 블록 공중합체를 그냥 발라 열처리하면, 고분자들이 방향을 잡지 못해 사람의 지문(Fingerprint)처럼 구불구불하게 엉킨 무작위 무늬를 만든다는 점입니다. 흔히 고분자가 알아서 간격을 맞추니 처음부터 웨이퍼 전체에 반듯한 직선 회로가 저절로 그려질 것이라고 오해하기 쉽지만, 실제로는 기존 광학 리소그래피로 먼저 큰 틀의 이정표(가이드 패턴)를 그려 주어야만 그 안에서 고분자들이 반듯하게 정렬합니다.

이처럼 외부 가이드로 상분리 방향을 한쪽으로 잡아 주는 방향성 자기조립(DSA, Directed Self-Assembly)은 가이드를 주는 방식에 따라 크게 두 갈래로 나뉩니다.

첫 번째 가이드 방식은 그래포에피택시(Graphoepitaxy)로, 기존 노광으로 넓은 골짜기(Trench) 기둥을 세운 뒤 그 홈 안에 고분자를 채워 넣는 물리적 가두기 기법입니다. 골짜기 벽면이 한쪽 블록을 끌어당기면 그 안쪽에서 고분자들이 나란히 줄을 서거나 좁은 구멍(Contact Hole Shrink)을 만드는 데 강점이 있습니다.

두 번째는 케모에피택시(Chemoepitaxy)로, 단차 없이 평평한 바닥 위에 특정 블록(예: PS)과 친한 얇은 화학 줄무늬(Pinning Stripe)와 중성 브러시(Neutral Brush) 층을 번갈아 그려 주는 화학적 유도 기법입니다. 예를 들어 90nm 간격으로 화학 가이드 줄을 하나씩만 그어 놓아도, 그 사이에서 30nm 주기의 블록 공중합체가 스스로 세 줄씩 정렬해 노광 주기를 3배~4배로 단숨에 쪼개는 밀도 증배(Density Multiplication)를 해냅니다.

전위 결함(Dislocation)과 자유로운 회로 설계의 제약

마스크도 없이 나노미터 주기를 쪼개는 마법 같은 원리에도 불구하고, 왜 이 기술은 아직 양산 라인의 주류 노광을 완전히 대체하지 못했을까요. 가장 치명적인 걸림돌은 열역학적 요동에 의해 발생하는 결함 밀도(Defectivity)입니다.

반도체 양산에 쓰이려면 1제곱센티미터(cm²)당 결함 수가 0.01개 미만이어야 합니다. 그러나 고분자 사슬들이 스스로 자리를 찾아가는 과정에서 에너지 장벽에 갇히면, 줄이 중간에 끊기거나 옆 줄과 Y자로 달라붙는 전위 결함(Dislocation)과 브리지 불량이 확률적으로 남게 됩니다. 온도를 높여 오래 열처리하면 결함이 줄어들지만 공정 시간이 길어지고, 눈에 보이지 않는 10nm 이하의 미세 결함을 검사 장비로 전부 찾아내기도 까다롭습니다.

두 번째 한계는 설계 자유도입니다. 고분자 사슬 길이가 정해지면 그 재료는 오직 하나의 고정된 주기(L0)로만 줄을 섭니다. 따라서 한 칩 안에서 넓은 배선과 좁은 배선, 꺾인 모서리를 동시에 그려야 하는 복잡한 2차원 로직 레이아웃을 이 방식만으로 직접 구현하기에는 제약이 큽니다.

EUV 노광 보완재 및 패턴 정류(Rectification)로의 응용

이러한 특성 때문에 최근 업계는 이 기술을 단독 노광 수단이 아니라 EUV 노광의 약점을 메워 주는 보완재(EUV Pattern Rectification)로 새롭게 활용하고 있습니다. EUV 노광에서는 적은 광자 수 때문에 패턴 가장자리가 울퉁불퉁해지는 선단 거칠기(LER)와 구멍 크기가 들쭉날쭉해지는 확률적 결함(Stochastic Defect)이 심하게 나타납니다.

이때 거칠게 찍힌 EUV 가이드 패턴 위에 방향성 자기조립 공정을 덧입히면, 블록 공중합체 특유의 균일한 열역학적 표면장력이 울퉁불퉁했던 EUV 패턴의 선단 거칠기(LER)를 매끄럽게 펴 주는 치유(Healing) 효과를 발휘합니다. 또한 EUV로 넓게 뚫은 구멍 안에 원기둥형 블록 공중합체를 자기조립시켜 구멍 지름을 균일하게 줄이고(Hole Shrink) 선폭 균일도(CDU)를 개선하는 하이브리드 공정으로도 연구가 이어지고 있습니다.

그래포에피택시(Graphoepitaxy)와 케모에피택시(Chemoepitaxy) 비교

구분	그래포에피택시 (Graphoepitaxy)	케모에피택시 (Chemoepitaxy)
정렬 유도 원리	물리적 단차(Trench/Hole 측벽)의 공간 구속 및 인력	평탄한 바닥 위 화학적 친화도(표면 에너지) 패턴
주요 강점	기존 감광액/하드마스크 홈에 바로 적용 가능, 홀 축소에 유리	가이드 패턴 제거가 불필요하며 대면적 라인 밀도 증배에 유리
한계 및 난점	가이드 측벽이 차지하는 면적 손실(Dead Space) 발생	정밀한 중성층(Neutral Layer) 및 가교 표면 처리 공정 필요
주력 응용 분야	미세 콘택트 홀·비아 축소(Shrink) 및 제한 영역 정렬	초고밀도 주기적 라인/스페이스 어레이 및 EUV LER 개선

핵심 정리

짧은 끈으로 묶인 물과 기름이 일정한 간격으로 줄을 서듯, 방향성 자기조립은 블록 공중합체의 미세 상분리 현상을 물리적·화학적 가이드 패턴과 결합해 10nm급 나노 구조를 스스로 정렬시키는 상향식 리소그래피 기술입니다. 비록 열역학적 전위 결함과 고정 주기라는 한계가 있지만, 다중 패터닝 비용을 줄이고 EUV 노광의 거친 패턴을 매끄럽게 다듬는 보완 기술로 독자적인 가치를 지니고 있습니다.

결국 빛으로 깎아 내는 광학 공학의 한계선에서, 분자 스스로의 화학적 에너지를 빌려 오는 나노 소재 공학이 새로운 해법을 제시하고 있는 셈입니다.

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