반도체 공정에서 사용되는 수많은 소재 중 ‘포토레지스트(Photoresist)’는 미세회로 형성을 가능하게 하는 핵심 감광 소재로, 반도체 회로의 집적도와 해상도를 결정짓는 중요한 역할을 합니다. 반도체 기술이 미세화될수록 포토레지스트의 성능이 회로 형성의 정밀도와 직결되며, 극자외선(EUV) 공정의 도입과 함께 그 중요성은 더욱 커지고 있습니다. 포토레지스트는 단순한 보조 소재가 아닌, 공정의 정밀성과 수율, 나아가 반도체 칩의 전반적 품질에 큰 영향을 미치는 전략 소재로 분류됩니다. 이 글에서는 포토레지스트의 정의와 작동 원리, 종류 및 주요 기술적 특성, 글로벌 공급망과 국산화 동향까지 핵심적으로 살펴봅니다.
포토레지스트란 무엇인가?
포토레지스트는 감광성 고분자 화합물로 구성된 액체 상태의 소재로, 반도체 공정 중 노광(Exposure)과 식각(Etching) 공정에서 웨이퍼에 회로 패턴을 전사하기 위해 사용됩니다. 기본적인 원리는 회로 패턴이 설계된 마스크를 통해 빛을 조사하면, 빛을 받은 부분의 화학 구조가 변화하여 이후에 선택적으로 제거할 수 있는 성질을 갖는다는 것입니다. 이 과정은 반도체 회로의 미세한 선폭을 구현하는 데 필수적이며, 노광 공정의 핵심 단계로 간주됩니다. 포토레지스트는 일반적으로 감광제를 포함한 고분자 수지, 용매 등으로 구성되며, 이들의 조성에 따라 반응성, 해상도, 잔여물 제거 용이성 등이 달라집니다. 노광 후 현상(Developing)을 통해 빛을 받은 부분 혹은 받지 않은 부분을 제거하면서 패턴이 형성되며, 이후 식각 공정을 통해 회로 패턴이 반도체 웨이퍼 표면에 새겨지게 됩니다. 이러한 일련의 과정에서 포토레지스트의 감광 민감도, 화학적 안정성, 내열성 등은 공정 수율과 직결되는 핵심 특성으로 평가됩니다. 최근에는 미세공정의 한계를 극복하기 위해 이중 패터닝, 감광도 제어, 하드마스크 사용 등과 결합되어 고성능 포토레지스트의 개발이 활발히 진행되고 있습니다.
포토레지스트의 종류와 기술 특성
포토레지스트는 공정에 따라 다양한 종류로 나뉘며, 노광에 반응하는 파장의 종류, 반응 방식, 해상도 등에 따라 구분됩니다. 가장 널리 사용되는 구분 기준은 빛의 파장에 따라 G-Line(436nm), I-Line(365nm), KrF(248nm), ArF(193nm), EUV(13.5nm) 등으로 분류하는 방식입니다. 초기에는 G-Line, I-Line 기반의 포토레지스트가 주류를 이루었으나, 기술이 고도화됨에 따라 KrF, ArF, 최근에는 EUV용 포토레지스트가 핵심으로 떠오르고 있습니다. 각 파장대별 포토레지스트는 해상도와 감광성, 공정 안정성에 큰 차이를 보이며, 특히 ArF와 EUV 포토레지스트는 고해상도 구현에 필수적인 소재로 평가받습니다. 또한 포토레지스트는 감광 방식에 따라 네거티브(Negative) 타입과 포지티브(Positive) 타입으로 나뉘는데, 네거티브 타입은 빛을 받은 부분이 화학적으로 경화되어 남고, 포지티브 타입은 빛을 받은 부분이 제거되어 회로 패턴을 형성합니다. 현대 공정에서는 포지티브 타입이 주로 사용되며, 패턴 정밀도가 뛰어나고 공정 제어가 용이합니다. 한편, ArF용 포토레지스트는 액침 공정(Immersion Lithography)과 함께 사용되며, EUV 포토레지스트는 극자외선(EUV)을 견디면서도 높은 해상도를 유지해야 하는 매우 정밀한 소재로, 연구개발 난이도가 높고 제조 과정 역시 복잡합니다. 이처럼 포토레지스트는 단일한 소재가 아니라, 공정 조건과 회로 미세화 요구에 맞춰 끊임없이 진화하는 고성능 정밀 화학소재라 할 수 있습니다.
글로벌 시장과 국산화 과제
포토레지스트는 반도체 핵심 소재 중에서도 대표적인 수입 의존 품목이며, 글로벌 시장은 일본, 미국, 유럽 기업들이 주도하고 있습니다. 특히 일본의 JSR, TOK, 후지필름 등은 ArF 및 EUV 포토레지스트 분야에서 기술력을 보유하고 있으며, 삼성전자, TSMC, 인텔 등 글로벌 반도체 제조사에 안정적으로 공급하고 있습니다. 한국은 메모리 반도체 세계 1위 국가임에도 불구하고, 고해상도 포토레지스트 분야에서는 해외 의존도가 매우 높아, 2019년 일본의 수출 규제 당시 핵심 전략 품목으로 지정되기도 했습니다. 이후 정부와 민간 기업은 국산화에 속도를 높이며, ArF 포토레지스트의 개발과 양산에 일부 성공했고, EUV용 포토레지스트는 여전히 기술 장벽이 높은 과제로 남아 있습니다. EUV 포토레지스트의 경우, 극미량의 불순물 관리, 고흡수율, 균일한 박막 형성 등의 기술적 요구사항이 까다로워 국내 기업의 단독 개발은 상당한 시간과 투자가 필요한 상황입니다. 현재 국내에서는 솔브레인, 동진쎄미켐, 램테크놀로지 등 일부 소재 기업들이 ArF, KrF 포토레지스트 국산화를 진행 중이며, 정부의 소재·부품·장비 지원 정책 하에 연구개발과 생산설비 확대가 병행되고 있습니다. 또한 국내 반도체 대기업들과의 협력 모델을 통해 신뢰성 검증 및 조기 상용화를 추진하고 있으며, 일부 기업은 해외 기업과의 합작을 통해 기술 확보에 나서고 있습니다. 결국 포토레지스트의 국산화는 단순한 수입 대체를 넘어, 장기적인 기술 자립과 반도체 공급망 안정성 확보를 위한 핵심 전략으로 자리잡고 있으며, 관련 기술력 확보 여부가 국가 경쟁력에도 중대한 영향을 미치게 될 것입니다.
결론적으로 포토레지스트는 반도체 회로 형성에 필수적인 감광 소재로서, 미세공정 구현의 정밀도와 수율, 전체 반도체 품질을 좌우하는 핵심적 역할을 담당하고 있습니다. 공정에 따라 다양한 종류와 특성을 가지며, EUV와 같은 차세대 공정에서는 더욱 정교한 기술이 요구되고 있습니다. 글로벌 시장에서는 일본 기업이 강세를 보이는 반면, 한국은 일부 소재에서 국산화 성과를 거두고 있지만 여전히 기술적 도전과 과제가 존재합니다. 향후 반도체 산업의 경쟁력은 고성능 소재 기술의 자립 여부에 달려 있으며, 포토레지스트는 그 중심에 있는 전략 소재임을 인식하고 지속적인 기술 개발과 생태계 강화가 필요합니다.