왜 지금 photoresist가 다시 화두인가
2024년 ASML의 High-NA EUV 장비 EXE:5000이 Intel D1X에 설치되며 2nm 이하 노드의 production lithography 윤곽이 잡히기 시작했다. 그러나 장비보다 먼저 한계를 드러낸 것은 photoresist다. NA가 0.33에서 0.55로 올라가면 광학적 해상도는 좋아지지만 depth of focus가 얕아지고 resist 박막화가 강제된다. 박막은 단위 면적당 흡수 photon 수의 감소를 의미하고, photon shot noise는 √N로 스케일하므로 stochastic defect — random missing/merging contact, bridging, line break — 가 yield의 새 병목으로 부상한다.
2020년대 중반까지의 EUV 양산은 chemically amplified resist(CAR)로 끌어왔지만, 7nm pitch 미만 line/space에서 LER(line edge roughness)과 stochastic open/close 결함을 dose 증가만으로 보상하기 어렵다는 보고가 누적됐다. 이 공백을 메우려는 후보가 metal oxide resist(MOR)이며, JSR의 Inpria 인수, TOK·Shin-Etsu의 MOR 라인업 확장, Lam Research의 dry resist 시스템 출시는 같은 흐름의 산물이다. resist는 이제 EUV scanner와 동등한 위상의 critical path가 됐다.
CAR과 MOR — 두 화학의 실체
CAR의 작동은 비교적 단순하다. EUV 광이 photoacid generator(PAG)를 분해해 산을 만들고, 그 산이 polymer의 보호기(예: t-BOC)를 떼어내 develop 단계에서 노출 영역만 녹아내린다(positive tone). 문제는 EUV 흡수율이다. 탄소·수소 기반 polymer는 13.5nm 파장 흡수 단면이 작고, 한 photon이 만든 산이 다시 확산하면서 acid blur가 contour를 흐리며 LER을 키운다.
MOR은 발상이 다르다. Inpria가 상업화한 organotin oxo cluster는 Sn 케이지(대표적으로 Sn₁₂ oxo hydroxide 계열)에 organic ligand가 결합한 구조로, 주석(Sn) 원자의 EUV 흡수 단면적이 탄소 대비 한 자릿수 이상 크다. 공개된 자료 기준 흡수계수는 polymer CAR 대비 약 2-4배 수준이며, EUV photon이 직접 Sn-C 결합을 끊어 가교·응축을 유발하는 negative tone 거동을 보인다. PAG 확산이라는 중간 단계가 없으므로 acid blur가 사라지고, 동일 dose에서 photon 효율이 크게 올라간다. 일반적으로 보고되는 sensitivity는 20-40 mJ/cm² 범위, 14-16nm half-pitch에서 LER 3nm 후반대의 데이터가 학회·imec 발표를 통해 노출돼 있다. 두께도 CAR 대비 얇게 가져갈 수 있어 pattern collapse 마진이 개선된다.
왜 어려운가 — RLS, outgassing, integration
MOR이 광학적으로 우월해도 양산은 별개의 문제다. 첫째, RLS triangle — Resolution, LER, Sensitivity는 동시에 만족시킬 수 없다. dose를 낮춰 throughput을 끌어올리면 LER이 무너지고, dose를 올리면 wafer 처리량이 떨어지며 ASML의 WPH(wafer per hour) 경제성을 갉아먹는다. EXE:5000의 광원 power가 충분히 따라오지 않는 상황에서 resist sensitivity는 곧 fab의 capex 회수 속도다.
둘째, outgassing. Sn 함유 부산물이 EUV scanner의 광학계로 휘발하면 반사 mirror에 contamination을 남긴다. ASML은 resist의 outgassing spec을 엄격하게 운영하고, qualification 단계의 chamber test가 길어진다. 셋째, underlayer(UL)와 etch chemistry. MOR은 그 자체로 hard mask 성격을 갖지만 wafer 표면과의 adhesion, develop 후 잔류 금속의 cleaning, 이후 Si·SiO₂·SiN etch의 selectivity까지 한 묶음의 integration이다. resist만 바꾸는 작업이 아니라 develop·rinse·etch flow 전체의 재설계에 가깝다.
넷째, High-NA 특유의 문제 — 박막 resist에서 다시 photon 수가 줄어 stochastic defect가 재발한다. MOR의 강한 흡수가 1차 완충재이지만, 20nm 미만 두께에서는 흡수율이 높을수록 표면-바닥 dose 편차가 커지는 역설이 등장한다. 광학·화학·etch가 한 평면에서 충돌하는 문제다.
누가 잘하고 있나
JSR · Inpria는 명백한 선두다. 2021년 JSR이 Oregon 기반의 Inpria를 완전 인수하며 organotin MOR IP를 손에 넣었고, 2024년 JIC(일본 산업혁신투자기구)의 JSR 비공개 인수 이후에도 EUV resist 사업은 별도의 전략 자산으로 유지되고 있다. 공개 보도에 따르면 TSMC와 Samsung 모두 Inpria 계열 MOR을 qualification 풀에 올려 왔다.
Tokyo Ohka Kogyo(TOK)는 자사 MOR 라인업을 가지며 dry deposit 방식 협력에도 참여한다. Shin-Etsu Chemical은 CAR 강자로서 MOR로 진입하는 후발이지만 EUV 매출 비중이 크고, Fujifilm도 EUV CAR/MOR 양쪽을 개발 중이다.
주목할 변수는 Lam Research의 dry resist다. 액상 spin coat 대신 진공 챔버에서 vapor 상태의 organotin 전구체를 wafer에 deposit하는 방식으로, ALD에 가까운 두께 균일도와 낮은 결함 밀도를 노린다. Lam은 ASML·imec과 공동 개발 결과를 수년에 걸쳐 발표해 왔고, 보도 기반으로는 TSMC 평가 라인에 진입했다. 이 방식이 양산에 안착하면 wet track(coater/developer) 시장의 무게중심이 흔들린다.
Korea 시각 — 소부장 자립의 진짜 시험대
한국에서 EUV resist는 오랜 소부장 자립화 과제다. 동진세미켐은 KrF·ArF에서 쌓은 polymer chemistry 자산을 기반으로 EUV CAR을 개발해 왔고, 삼성전자 EUV 라인에서 일부 layer qualification을 통과했다는 보도가 반복적으로 나왔다. SK 트리켐·SK 머티리얼즈퍼포먼스 계열도 EUV resist 전구체와 underlayer 영역에서 활동한다.
그러나 MOR의 핵심인 organotin cluster chemistry IP는 사실상 외산이다. Sn cage 합성·정제·stability 제어는 Inpria 시절부터 축적된 know-how이고, 국내 업체가 동일 화학을 자체 합성하더라도 outgassing·shelf-life·batch 균일도 같은 양산 spec을 맞추는 데 시간이 걸린다. 강점은 고객과의 물리적 거리다. 삼성 파운드리·메모리 EUV 라인이 평택·화성에 있고, qualification turnaround가 일본·미국 업체 대비 빠를 수 있다.
구조적 약점은 R&D 규모와 EUV 평가 인프라다. EUV resist는 ASML scanner 또는 imec급 평가 라인에서 정량적으로 검증해야 하는데, 국내에서 그 자원이 제한적이라는 지적이 반복돼 왔다. 정부 K-Belt·소부장 자립 펀딩이 의미를 가지려면 imec 같은 공용 EUV pilot line 투자가 동반돼야 한다. resist 한 종을 양산 qualify 하는 데 수년이 걸리는 산업 특성상, 평가 인프라가 곧 시간이다.
Watch points — 6-12개월 milestone
다음 1년 동안 의미 있는 신호로 작용할 사건들:
- High-NA EXE:5000 양산 qualification — Intel 18A·14A, TSMC A14 노드에서 어떤 resist가 production POR(process of record)로 선정되는지. Inpria 계열 MOR이 우세할 가능성이 높지만 dose·throughput 데이터가 관건이다.
- Lam dry resist의 customer 진입 — TSMC·Samsung 중 한 곳이라도 양산 layer에 dry MOR을 채택하면 spin coater 진영과 wet chemistry 공급망 전체에 충격이다.
- Inpria 생산 capacity 확장 — Hillsboro 시설의 capacity가 High-NA fab 수요를 따라잡는지. MOR은 합성 batch가 작아 supply tightness가 반복 거론돼 왔다.
- 한국 EUV resist qualification 진척 — 동진세미켐 EUV CAR의 layer 수 확대, MOR 영역으로의 본격 진입 시점.
- Stochastic defect metrology 표준화 — e-beam inspection 진영(ASML/HMI, Applied)의 stochastic 결함 카운팅 방법론이 fab 간 spec으로 수렴할지. 정량 metrology 없이 resist 비교는 불가능하다.
FAQ — 자주 오해되는 지점
MOR이 CAR을 완전히 대체하나? 단기적으로는 아니다. EUV 양산 layer의 다수는 여전히 CAR이고, MOR은 가장 까다로운 critical layer — front-end-of-line의 contact·fin·gate, 그리고 High-NA가 우선 적용될 핵심 metal layer — 부터 진입한다. CAR과 MOR의 dual track이 한동안 공존할 가능성이 높다.
resist만 바꾸면 stochastic defect가 해결되나? 아니다. MOR은 photon 효율을 끌어올려 마진을 만들 뿐, defect의 본질인 photon shot noise는 통계적 한계다. 결국 dose, mask 3D effect 보정(OPC), source-mask co-optimization, 그리고 metrology가 함께 움직여야 한다. resist는 그 중 한 축일 뿐, 단일 silver bullet은 없다는 점이 EUV resist 토론의 출발점이다.