반도체 제조의 혁명을 꿈꾸는 JSR

이러한 초기 슈퍼컴퓨터는 기밀 군사 작업, 학술 연구, 고급 엔지니어링 등과 같은 중대한 목적을 위해 구축되었습니다. 80년대에 이러한 기능을 갖춘 컴퓨터는 프로세서가 녹는 것을 방지하기 위해 냉각수 통 안에서 실행되어야 했습니다. 오늘날 우리는 주머니에 쏙 들어가는 더욱 강력한 컴퓨터를 제작할 수 있습니다.

엔지니어들은 수십 년 동안 컴퓨터를 축소하고 더 가볍고 강력한 기능의 기기를 제작해 왔습니다. 인류 역사의 지난 반세기 동안 이룩한 거의 모든 놀라운 과학적, 문화적 업적은 이러한 발전으로 거슬러 올라갑니다.

반도체 산업이 등장한 지 불과 몇 년 후인 1965년, 엔지니어이자 사업가인 Gordon Moore는 한 가지 예측을 했습니다. 그는 단일 칩에 집적된 트랜지스터의 수가 향후 10년 동안 2년마다 두 배로 증가할 것으로 예상한다고 말했습니다.

이 말은 오늘날 양자 컴퓨팅의 개척자들이 말하는 것만큼이나 대담한 주장이자 미래에 대한 비전이었습니다.Moore는 엔지니어들이 10년 동안 5번이나 마술처럼 명쾌한 해답을 내놓을 수 있을 것이라고 믿었습니다. 하지만 그는 1975년 이후로 더 나아가지 못했습니다. 어느 시점에서 마법이 바닥나고 상황이 느려질 것이 분명해 보였습니다.

무어의 법칙으로 알려지게 된 무어의 예측은 10년이 넘게 지속되었습니다. 1960년대 중반 이후 매 2~3년마다 엔지니어들은 마이크로칩의 트랜지스터 밀도를 두 배로 높이는 데 성공했습니다. 1960년대 후반에 양모 섬유(20마이크로미터)만큼 넓었던 트랜지스터는 미세한 크기로 축소되었습니다. 2021년, IBM은 인간 DNA 가닥보다 좁은 폭이 2나노미터에 불과한 가장 작은 구성 요소로 칩을 만들었습니다.

지난 수십 년 동안 무어의 법칙을 유지하기 위해 엔지니어들은 화학적 트릭에 의존해 왔습니다.

1980년대에 IBM 팀은 트랜지스터를 칩에 인쇄하는 새로운 방법을 발견했습니다. 이 팀은 끈 모양의 분지형 분자를 용액에 혼합하고 포토레지스트라고 알려진 이 용액을 빈 칩 표면에 얇은 코팅으로 칠했습니다.

용액이 마르면 분자가 표면에 달라붙습니다. 그런 다음 팀은 패턴이 있는 스크린을 통해 그 표면에 자외선을 비췄습니다. 스크린은 분자 중 일부만 빛에 노출되고 다른 분자는 그림자에 남아 있음을 확인했습니다. 

그 화학 가닥의 가지들은 빛 아래에서 반응했습니다. 반응이 일어날 때 포토레지스트의 작동 방식이 바뀌어 다소 끈적끈적해집니다.연구진은 자외선에 노출된 포토레지스트를 물로 씻어냈습니다. 남은 분자들은 실리콘 웨이퍼에 복잡한 패턴을 형성했습니다.

오늘날 이러한 패턴은 마이크로칩 배선을 위한 가이드 역할을 합니다. 제조업체는 이러한 패턴 위에 트랜지스터를 인쇄하여 이를 미세한 컴퓨팅 구조의 가이드로 사용합니다.

IBM Quantum의 양자 애플리케이션 연구 및 소프트웨어 수석 연구 매니저인 Jeannette Garcia는 "현미경으로 이 패턴을 관찰하면 선명한 가장자리가 있는 선들이 얼마나 깔끔한지 알 수 있습니다."라고 말합니다.

선명도가 중요합니다. 부정확성이 있으면 제조 공정에 오류가 발생하고 쓸모없는 마이크로칩이 발생할 수 있습니다.

IBM은 JSR과 같은 파트너와 긴밀히 협력하여 이 공정을 개선하고 나노미터 규모에서 패턴 모양을 미세하게 제어할 수 있도록 포토레지스트를 설계했습니다.

"정밀한 화학을 통해 포토레지스트 폴리머보다 더 넓지 않은 매우 작은 피처 크기까지 구현할 수 있습니다."라고 Garcia는 말합니다. "이것이 2나노미터 폭의 부품을 만들 수 있었던 방법입니다. 무어의 법칙을 주도하고 있습니다."

오늘날 전체 마이크로칩 제조 산업은 포토레지스트 공정에 의존하고 있습니다.

 "JSR은 세계 최고의 포토레지스트 솔루션 제조업체 중 하나라는 사실에 자부심을 느낍니다."라고 JSR의 최고 기술 책임자인 Hiroaki Tokuhisa는 말합니다. "우리는 21세기 무어의 법칙을 주도하는 화학 물질을 공급하고 있으며, IBM과 같은 파트너와 긴밀히 협력하여 포토레지스트 화학 물질 라이브러리를 지속적으로 개선하고 있습니다."

제조에 도움이 되는 마이크로칩과 마찬가지로 이러한 포토레지스트도 1980년대 초기 실험 이후 훨씬 더 복잡해졌습니다. 화학이 더 미세하고 섬세한 패턴을 지원하도록 발전함에 따라 포토레지스트에 새로운 요소가 추가되어 더욱 정밀한 도구로 변모했습니다. 예를 들어, 연구원들은 광산 발생기(PAG)로 알려진 화학 성분을 용액에 도입했습니다.

Garcia는 PAG가 화학 예인선처럼 작동하여 더 큰 폴리머를 제자리에 밀어 넣는다고 설명합니다. 특정 조건이 충족되면 PAG는 포토레지스트의 폴리머와 상호 작용하는 양성자를 내뿜어 분자를 가용성으로 만들어 씻어낼 수 있도록 합니다. 제조업체는 새로운 마이크로칩을 개발할 때 JSR과 협력하여 원하는 결과를 얻는 데 필요한 정밀한 포토레지스트 솔루션을 결정합니다.

이 프로세스는 시간이 많이 걸리고 비용이 많이 들 수 있습니다.

Hiroaki는 “실험실에서 포토레지스트를 만들고 실제 상황에서 엄격하게 테스트하기 전까지는 새로운 포토레지스트가 어떻게 작동할지 예측하기가 어렵습니다.”라고 말했습니다.

관련된 화학 물질은 세계에서 가장 강력한 슈퍼컴퓨터조차도 효과적으로 시뮬레이션하기에는 너무 복잡합니다.

Hiroaki는 “우리는 상황이 곧 바뀔 것이라고 믿습니다.”라고 말했습니다. “IBM의 오랜 파트너와 함께 우리는 양자 컴퓨터에서 화학 시뮬레이션을 실험하고 있습니다. 이미 우리는 양자 컴퓨터가 포토레지스트의 일부를 모방하는 작은 분자를 시뮬레이션할 수 있다는 것을 보여주었습니다.”

현실 세계는 양자 역학에서 실행되며 양자 컴퓨터는 곧 이를 시뮬레이션하기 위한 최고의 도구가 될 수 있습니다. 현재 IBM Quantum에서 자체적으로 빠른 확장 및 개발 과정을 거치고 있는 이 컴퓨터들은 언젠가 기존 슈퍼컴퓨터도 해결하지 못하는 복잡한 문제를 해결할 수 있을 것입니다. 

JSR은 컴퓨터 화학 시뮬레이션을 통해 새로운 포토레지스트를 더 빠르고 저렴한 비용으로 개발하는 것을 목표로 합니다. 이는 무어의 법칙을 미래로 확장하는 데 있어 잠재적인 이점이 될 것입니다.

IBM과 JSR은 양자 컴퓨터가 필요한 규모와 성능에 도달하면 이러한 종류의 화학 시뮬레이션을 위한 강력한 도구가 될 것으로 기대하고 있습니다. JSR은 현재 IBM Quantum과 협력하여 이러한 미래를 위한 토대를 마련하고 있습니다.

Hiroaki는 “양자 컴퓨터가 더욱 강력해짐에 따라 우리는 양자 컴퓨터를 사용하여 작업을 지원할 준비를 하고 싶습니다.”라고 말했습니다.

최근 JSR-IBM Quantum 공동 연구팀은 PAG와 유사한 거동을 보이는 더 작은 분자를 성공적으로 시뮬레이션했습니다. 이것은 원칙적으로 양자 컴퓨터 규모에 따라 PAG 자체를 시뮬레이션하는 것이 가능해야 함을 보여주었습니다.

이 모든 작업은 양자 중심 슈퍼컴퓨터가 현재 해결이 불가능한 문제를 해결하고 화학 연구에 단기적인 이점을 제공하는 미래를 향해 나아가고 있습니다. JSR의 경우, 이는 더 낮은 비용으로 더 빠르고 더 나은 컴퓨터 칩을 생산할 것으로 예상됩니다. 다른 파트너에게는 신약 개발이나 재료 과학의 발전을 의미할 수 있습니다.

오늘날 IBM Quantum은 규모에 맞게 양자 회로를 실행하기 위한 세계에서 가장 진보된 양자 컴퓨팅 시스템 및 소프트웨어를 호스팅합니다. 귀하의 조직은 IBM Quantum과 제휴하여 연구를 추진하고 양자 기술을 구축할 수 있습니다.

JSR Corporation(ibm.com 외부 링크)은 고분자 소재 개발을 통해 축적된 기술을 바탕으로 반도체 칩 생산에 필수적인 리소그래피 소재, CMP 소재, 공정 소재, 패키징 소재 등 다양한 글로벌 선도 제품을 개발하여 공급하고 있습니다. JSR의 LCD 소재와 차세대 디스플레이 소재는 LCD 및 OLED 디스플레이 생산에 사용됩니다.