포토마스크 (Photomask)

포토마스크의 구조

포토마스크는 ‘회로 패턴이 새겨진 작은 유리판’이지만, 그 가치는 평범한 유리판과 비교가 안 된다.

DUV용 마스크는 보통 6인치(152mm) 크기의 석영(QZ) 기판 위에, 크롬(Cr)과 산화크롬(CrO) 박막으로 패턴이 그려져 있다.

빛은 크롬이 없는 부분만 통과하고, 노광기 광학계가 이 패턴을 4배 축소해 웨이퍼에 투영한다.

EUV 마스크는 구조가 다르다.

빛(13.5nm)이 거의 모든 물질에 흡수되기 때문에, 투과식이 아닌 ‘반사식’ 마스크가 사용된다.

마스크는 다층 미러(Mo/Si 약 40~50쌍)가 코팅된 기판에 탄탈 기반 흡수체 패턴이 얹힌 구조다.

빛이 다층 미러에서 반사될 때 흡수체가 있는 곳은 흡수돼 사라지고, 없는 곳만 반사된다.

전자빔 리소그래피 시스템 · 이미지 출처: NIST

DUV 마스크 vs EUV 마스크

마스크 한 세트는 한 노드의 한 칩에 들어가는 모든 층을 합친 것이다.

첨단 로직은 한 칩에 5080매, 마스크당 가격이 수억 원수십억 원이라 한 세트 비용이 100억~수백억 원에 달한다.

마스크는 작은 회사가 만들기 어려운 분야다.

패턴 생성기(라이터, e-beam writer), 마스크 클린, 마스크 검사(인스펙션), 결함 복원(repair) 같은 전 과정이 첨단 장비와 노하우를 요구한다.

마스크 제작 흐름

마스크 제작 흐름은 ‘블랭크(blank) 마스크 입고 → e-beam writer로 패턴 노광 → 현상 → 크롬 식각 → 인스펙션 → 결함 복원 → 클린 → 펠리클 부착 → 출하’ 순서다.

블랭크 마스크는 마스크 회사가 사 와서 가공하는 ‘원판’이다.

일본 호야(HOYA)와 신에츠가 사실상 양분하고 있고, 한국 SKE(에스앤에스텍·에스케이엔터프라이즈 등)가 일부 점유한다.

패턴 라이터는 NuFlare(일본)·IMS Nanofabrication(오스트리아) 등 세계적으로 몇 개 회사만 만든다.

OPC와 ILT

OPC(Optical Proximity Correction)는 ‘마스크에 그리는 패턴을 일부러 비틀어, 웨이퍼에 정확한 형태가 나오게 만드는’ 데이터 처리 기술이다.

빛은 회절 때문에 마스크 패턴 그대로 웨이퍼에 그려지지 않는다.

가까운 패턴끼리 영향을 받아 모서리가 둥글어지거나, 짧은 패턴이 더 짧아진다.

OPC는 이를 보정해, 마스크 패턴을 미리 ‘찌그러뜨려’ 결과적으로 웨이퍼에 사양대로 패턴이 나오게 한다.

첨단 노드에서는 단순 OPC를 넘어, 컴퓨터가 빛 시뮬레이션을 통해 ‘이 결과를 만들기 위한 마스크 패턴’을 역산하는 ILT(Inverse Lithography Technology)가 점차 도입된다.

마스크 결함과 펠리클

마스크 결함은 회로 결함으로 직결된다.

한 매의 마스크가 양산 라인에서 수천~수만 매 웨이퍼를 노광하기 때문에, 마스크의 작은 결함이 모든 웨이퍼에 같은 위치의 불량으로 옮겨진다.

그래서 마스크 인스펙션(KLA·LASERTEC·NuFlare)·결함 복원(예: 일렉트로 빔으로 흡수체 제거 또는 추가)이 매우 중요하다.

EUV 마스크는 펠리클(pellicle)이라는 얇은 막을 부착해, 노광 중 떨어지는 입자가 마스크 패턴 위에 직접 떨어지지 않게 한다.

펠리클은 EUV 광 투과율과 내열성이 모두 요구되어, 신소재(다결정 실리콘 + CNT 등) 개발이 활발하다.

한국 마스크 산업

한국 마스크 산업은 일부 영역에서 자리잡았다.

블랭크 마스크는 에스앤에스텍이 EUV 블랭크 마스크 양산 진입을 시도하며 호야 의존도를 낮추려 노력하고 있고, 마스크 가공은 PKL(피케이엘)·LG디스플레이 자회사 같은 회사가 디스플레이·반도체용 마스크를 다룬다.

일본 의존도가 매우 높은 영역이라 자립화가 산업 정책 차원에서 강조된다.