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포토마스크

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포토마스크(Photomask)

포토마스크(Photomask)는 정의된 패턴으로 빛을 비추는 투명한 영역이 있는 불투명 판이다. 포토마스크는 집적 회로(IC 또는 "칩") 생산을 위한 포토리소그래피에서 일반적으로 사용되어 얇은 웨이퍼 재료(일반적으로 규소)에 패턴을 생성한다. 반도체 제조에서는 마스크를 레티클(reticle)이라고도 한다.

포토리소그래피에서는 여러 개의 마스크가 차례로 사용되며 각 마스크는 완성된 디자인의 레이어를 재현하며 함께 마스크 세트(mask set)로 알려져 있다.

개요[편집]

포토마스크란 회로 정보를 담고 있는 아주 정밀하게 제작된 원판이며 투명 석영 기판 위에 빛의 투과를 막는 Cr을 증착시켜 만든다. 포토마스크는 마스크 tone에 따라 다크 필드와 클리어 필드로 나뉜다. 다크 필드는 마스크 전체를 Cr로 제작후 패턴을 석영으로 새긴다. 따라서 다크 필드 마스크에 빛을 입사하면 패턴 부분에서만 빛이 통과한다. 반면 클리어 필드는 마스크 전체를 석영으로 제작 후 Cr로 패턴을 새긴다. 따라서 클리어 필드에서는 패턴이 아닌 영역만 빛이 통과한다.

포토 공정을 진행하는 stepper, scanner 장비에서는 포토마스크와 웨이퍼 사이에 빛을 모아주는 축소렌즈가 존재한다. 따라서 포토마스크의 패턴은 실제로 웨이퍼에 패터닝되는 패턴보다 4~5배 더 크게 제작된다. 또한 마스크 1개 당 여러개의 다이의 패턴으로 구성되어 있으며 이 단위를 shot 또는 field라고 한다.

포토마스크는 외부 스크래치에 의해 쉽게 손상될 수 있으며 particle에 의해 쉽게 오염될 수 있다. 특히 포토마스크가 particle에 오염되면 노광시 웨이퍼에 불량 패턴이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해 포토마스크에는 펠리클(Pellicle)이라는 보호막을 씌워준다. 펠리클은 외부 스크래치로 부터 포토마스크를 보호하는 역할을 하며 particle에 오염되어도 빛의 초점을 조절하여 패터닝 불량이 생기는 것을 방지하여 준다.

역사[편집]

1. 초기 포토마스크의 등장 (1950년대-1960년대)

포토마스크의 역사는 반도체가 처음으로 상업적으로 생산되기 시작한 1950년대 후반으로 거슬러 올라간다. 당시에는 트랜지스터와 같은 단순한 소자를 제작하기 위해 포토마스크가 사용되었으며, 리소그래피 공정에서 포토마스크를 통해 간단한 회로 패턴을 웨이퍼에 전사하는 방식을 활용했다.

  • 1950년대: 실리콘 트랜지스터가 발명되고, 반도체 제조 공정에서 리소그래피를 활용해 기판에 패턴을 형성하는 방법이 사용되기 시작했다. 초기 포토마스크는 상대적으로 단순한 패턴을 형성하기 위한 도구였으며, 주로 손으로 패턴을 설계하거나 광학 장비를 이용해 제작되었다.
  • 1960년대: 집적회로(IC)가 개발되면서 더 복잡한 패턴을 전사하기 위한 포토마스크의 필요성이 대두되었다. 당시에는 크롬 마스크가 널리 사용되기 시작했으며, 포토레지스트를 코팅한 유리 기판 위에 크롬으로 회로 패턴을 그린 형태였다.
2. VLSI 시대와 포토마스크의 발전 (1970년대-1980년대)
  • 1970년대와 1980년대에 들어서면서 반도체 공정은 대규모 집적회로(VLSI, Very-Large-Scale Integration)의 시대로 접어들었다. 회로의 집적도가 높아지고 반도체 소자의 크기가 작아지면서, 포토마스크 기술도 더욱 정밀하고 복잡한 패턴을 전사할 수 있도록 발전해야 했다.
  • 1970년대: 반도체 공정에서 포토마스크는 더욱 높은 해상도를 필요로 하게 되었다. 이 시기부터 전자빔 리소그래피(Electron Beam Lithography)가 도입되었으며, 전자빔을 이용해 포토마스크에 매우 작은 패턴을 직접 그리는 방식이 채택되었다. 이는 미세한 회로 패턴을 전사하는 데 필요한 고해상도의 포토마스크 제작에 기여했다.
  • 1980년대: 반도체 집적도가 지속적으로 증가함에 따라, 광학 리소그래피는 파장을 줄여 더 작은 패턴을 전사할 수 있도록 발전했다. 동시에 포토마스크는 더 높은 정밀도와 결함 관리가 요구되었으며, 이를 위해 더 나은 재료와 공정 기술이 개발되었다.
3. 미세 공정 시대와 위상 변조 마스크의 등장 (1990년대-2000년대)
  • 1990년대에 들어서면서 반도체 제조 공정은 미세 공정 시대로 돌입했다. 130nm 공정 및 90nm 공정 등 더 작은 공정 기술이 도입되었고, 이는 포토마스크의 해상도를 극대화하는 기술적 혁신을 요구했다.
  • 위상 변이 마스크(Phase Shift Mask, PSM): 1990년대 중반부터 위상 변이 마스크 기술이 등장하면서, 빛의 위상(phase)을 변조하여 더 높은 해상도의 패턴을 전사할 수 있게 되었다. 위상 변조 마스크는 전통적인 크롬 마스크보다 더 세밀한 패턴을 웨이퍼에 전사하는 데 도움을 주었으며, 이로 인해 100nm 이하의 미세 공정에서도 고정밀도를 유지할 수 있었다.
  • 복합 위상 변이 마스크: 2000년대 초반에는 더 복잡한 구조의 복합 위상 변이 마스크가 도입되면서, 미세한 패턴 전사에 있어서 높은 정밀도를 보장할 수 있었다. 특히 이 시기부터 미세 공정에서 사용하는 포토마스크는 단순한 패턴 전사가 아닌, 빛의 물리적 특성을 조절하는 고급 기술을 요구하게 되었다.
4. 극자외선 리소그래피(EUV)와 포토마스크의 혁신 (2010년대-현재)
  • 2010년대에 들어서면서 반도체 공정의 미세화는 극한에 다다랐다. 7nm 공정 이하의 매우 작은 공정이 도입되면서 기존의 광학 리소그래피로는 한계가 명확해졌다. 이에 따라 극자외선 리소그래피(EUV, Extreme Ultraviolet Lithography)가 상용화되기 시작했고, EUV 공정에서 사용되는 특수 포토마스크가 등장했다.
  • EUV 마스크: EUV 리소그래피는 13.5nm라는 매우 짧은 파장의 극자외선을 사용하여 7nm 이하의 초미세 패턴을 전사할 수 있는 기술이다. EUV 마스크는 기존 마스크와는 달리, 매우 짧은 파장의 빛을 다루기 위해 특수한 다층 구조(multilayer structure)를 사용한다. 또한, 빛의 반사를 최소화하기 위한 고급 코팅 기술도 적용된다.
  • 포토마스크 결함 관리: EUV 시대에 접어들면서 포토마스크의 결함 관리 기술도 중요해졌다. 미세 공정에서 발생할 수 있는 작은 결함이라도 소자의 성능에 큰 영향을 미칠 수 있기 때문에, 마스크 결함을 실시간으로 감지하고 수정하는 결함 관리 기술이 발전했다.
5. 포토마스크 기술의 미래
  • 현재 반도체 산업은 3nm 이하의 초미세 공정에 도전하고 있으며, 이에 따라 포토마스크 기술도 지속적으로 발전하고 있다. 미래에는 더 짧은 파장의 빛을 이용한 리소그래피 기술이 도입될 가능성이 있으며, 포토마스크의 정밀도와 내구성, 결함 관리 능력은 더욱 중요해질 것으로 예상된다.
  • 또한, 포토마스크 제작에 사용되는 AI 기반 설계 자동화 기술과 나노 구조 기반 마스크 기술도 발전하고 있다. 이러한 기술은 반도체 소자의 성능을 더욱 개선하고, 제조 비용을 절감하는 데 기여할 것으로 보인다.

포토마스크의 기본 구조[편집]

포토마스크는 기본적으로 투명한 석영(quartz) 또는 유리 기판 위에 금속이나 불투명한 물질로 패턴이 형성된 구조를 갖는다. 주요 구성 요소는 다음과 같다:

  • 기판(Substrate): 주로 투명한 석영이나 유리로 만들어지며, 패턴을 형성할 수 있는 평탄하고 매끄러운 표면을 제공한다. 이 기판은 리소그래피에서 사용되는 빛을 통과시키는 역할을 한다.
  • 불투명 패턴(Absorber): 기판 위에 형성된 불투명 물질로, 주로 크롬(Chromium) 또는 그 합금으로 만들어진다. 이 불투명 패턴은 빛을 차단하며, 이를 통해 원하는 회로 패턴을 형성한다. 즉, 패턴이 그려진 부분은 빛이 통과하지 못하게 되어 웨이퍼에 그 부분이 그대로 전사된다.
  • 다층 코팅(Multilayer Coatings): 일부 포토마스크는 빛의 반사를 최소화하기 위해 다양한 특수 코팅이 적용된다. 이는 리소그래피 공정에서 빛의 파장에 맞는 최적의 투과율을 제공하기 위해 설계된 코팅일 수 있다.

포토마스크 제작 방법[편집]

1. 원재료 (블랭크 마스크, blank mask)를 만든다. (보통 삼성이나 하이닉스가 블랭크 마스크를 만들진 않고, 블랭크 마스크 제조업체에서 구입하는 것으로 알려져 있다.)

​보통 블랭크 마스크를 Quartz와 Cr을 사용해서 만드는데 이는 열팽창 계수를 줄일 수 있고, 투과율을 높일수 있기 때문이다. 또한 어느 정도의 기계적, 화학적 안정성을 가지고 있다.

2. 이후 마스크 제작 공정은 포토, 식각 공정과 유사​하다. 마스크의 패턴을 완성시키기 위해 PR을 도포하고, 전자빔을 사용해 노광을 진행한 후 Develop을 진행한다. ( 전자 빔의 경우 회절이 적기 때문에 패턴 왜곡이 적다는 장점이 있지만 굉장히 비싸고, 복잡하기 때문에 마스크 제작에서만 사용된다.)

이후 제거된 PR아래로 Cr을 식각하고 PR을 제거한다.

​3. 완성된 마스크를 측정/검사 및 수정을 진행한다. 마스크의 경우 굉장히 고가이기 때문에 한번만 쓰고 버릴 수는 없다. 따라서 마스크를 보호해 재사용하기 위해 펠리클을 부착한다.

마스크 오류 증폭 계수(MEEF)[편집]

최종 포토마스크(사전 보정된)에서 최종 칩 패턴의 이미지는 4배로 확대된다. 이 확대 계수는 패턴의 이미징 오류에 대한 민감도를 줄이는 데 중요한 이점이 된다. 그러나 기능이 계속 축소됨에 따라 두 가지 경향이 나타난다. 첫째, 마스크 오류 계수가 1을 초과하기 시작한다. 즉, 웨이퍼의 치수 오류가 마스크의 치수 오류의 1/4 이상일 수 있다. 둘째, 마스크 기능이 점점 더 작아지고 치수 공차가 수 나노미터에 가까워진다. 예를 들어, 25nm 웨이퍼 패턴은 100nm 마스크 패턴에 해당해야 하지만, 웨이퍼의 공차는 1.25nm(5% 사양)일 수 있으며, 이는 포토마스크에서 5nm로 변환된다. 포토마스크 패턴을 직접 쓰는 전자빔 산란의 변동은 이보다 훨씬 초과할 수 있다.

이러한 경향은 반도체 제조 공정에서의 높은 정밀도와 정확성을 요구하게 되며, 마스크 설계 및 제작 과정에서 점점 더 많은 기술적 도전 과제를 야기한다. MEEF는 포토마스크 설계와 관련하여 오류를 관리하고 수정하기 위한 중요한 매개변수로, 제조업체가 고해상도의 집적 회로를 안정적으로 생산하는 데 필수적인 요소가 된다.

펠리클 (Pellicles)[편집]

"펠리클"이라는 용어는 "필름", "얇은 필름", 또는 "막"을 의미한다. 1960년대부터 금속 프레임에 얇은 필름을 늘려 만든 펠리클은 광학 기기의 빔 스플리터로 사용되었다. 이 필름은 두께가 얇아 광 경로의 이동 없이 빛의 빔을 분리하는 데 사용되었다. 1978년, IBM의 Shea 등은 "펠리클"을 포토마스크 또는 레티클을 보호하는 먼지 덮개로 사용하는 방법에 대한 특허를 받았다. 이 항목의 맥락에서 "펠리클"은 "포토마스크를 보호하기 위한 얇은 필름 먼지 덮개"를 의미한다.

입자 오염은 반도체 제조에서 중요한 문제로 작용할 수 있다. 포토마스크는 펠리클에 의해 입자로부터 보호된다. 펠리클은 포토마스크 한쪽에 붙여진 프레임에 늘여져 있는 투명한 얇은 필름이다. 펠리클은 마스크 패턴과 충분히 떨어져 있어 중간 크기에서 작은 크기의 입자가 펠리클에 떨어져도 초점이 맞지 않아 인쇄되지 않는다. 입자를 멀리하기 위해 설계되었지만, 펠리클은 이미징 시스템의 일부가 되며, 그 광학적 특성을 고려해야 한다. 펠리클의 재료는 니트로셀룰로오스(Nitrocellulose)로 다양한 전송 파장에 맞춰 제작된다. 현재 펠리클은 폴리실리콘으로 만들어지며, 기업들은 고나노 EUV 및 미래의 칩 제조 공정을 위해 다른 재료를 탐색하고 있다.

관련용어[편집]

  • Photomasks는 일반적으로 광학 리소그래피에 사용되며 웨이퍼 상에 전사될 실제 패턴을 포함한다.
  • Soft masks 는 기판에 도포되고 나중에 원하는 패턴을 드러내기 위해 현상되는 포토레지스트 층을 의미한다.
  • Hard masks 는 더 부드러운 마스크가 가혹한 조건을 견딜 수 없는 에칭 공정에 사용되는 내구성 있는 마스킹 층이다.
  • Photon-based Lithography : 포토마스크를 사용하며 패턴을 전달하기 위해 UV 광을 포함하는 가장 일반적인 형태이다.
  • E-beam Lithography : 전자빔을 이용한 직접적인 기록을 포함하고, 물리적 마스크의 필요성을 부정한다. 전자빔 마스크는 기판 상의 레지스트 층에 패턴을 형성하기 위해 사용될 수도 있다.
  • Ion Beam Lithography : 전자 빔 리소그래피와 유사하지만 집속 이온 빔을 사용하여 직접 필기하거나 마스크를 만듭니다.
  • X-ray Lithography  : 중금속과 같이 X선을 흡수하는 물질로 만들어진 X선 마스크를 사용하여 종횡비가 높은 구조물을 패터닝한다.
  • Contact Printing : 포토마스크가 웨이퍼와 직접 접촉하는 가장 초기 형태의 리소그래피이다.
  • Proximity Printing : 손상을 방지하기 위해 마스크와 웨이퍼 사이에 작은 간격이 있는 접촉(contact) 인쇄보다 진보된 프린팅 기법이다.
  • Projection Printing : 웨이퍼에 마스크 패턴을 투사하기 위해 렌즈 또는 거울을 사용하는 현재의 표준으로, 감소(예: 5배, 4배) 및 더 높은 정밀도를 가지는 최첨단 기법이다.
  • Resolution Enhancement Techniques(RET) : 칩 상의 특징 크기가 감소함에 따라, 원하는 해상도를 달성하기 위해 위상-시프트 마스크 및 광 근접 보정과 같은 RET가 중요해졌다.
  • EUV Lithography : 극자외선 리소그래피는 고반사 마스크와 13.5nm 파장의 빛을 사용하여 10nm 미만의 특성을 구현하는 최첨단 기술이다. 현재 3나노 수준 패터닝이고, 2나노 가네마네 하고 있다.

포토마스크 제조업체[편집]

  • Dai Nippon Printing (DNP): 일본의 주요 인쇄 회사로, 포토마스크 제조 분야에서도 강력한 입지를 가지고 있다.
  • Toppan Photomasks: 또 다른 일본 회사로, 포토마스크 생산에 특화되어 있으며, 전 세계 여러 고객에게 서비스를 제공한다.
  • Photronics Inc: 미국에 본사를 둔 포토마스크 전문 제조업체로, 반도체 및 디스플레이 산업을 위한 고해상도 포토마스크를 제작한다.
  • Hoya Corporation: 일본의 광학 기기 및 전자 제품 제조업체로, 포토마스크와 관련된 기술에서도 두각을 나타내고 있다.
  • Taiwan Mask Corporation (TMC): 대만의 포토마스크 제조업체로, 아시아 시장에서 중요한 역할을 하고 있다.
  • Compugraphics: 주로 저가형 포토마스크를 제공하며, 시장의 다양한 요구를 충족시키기 위해 다양한 서비스를 제공한다.

참고자료[편집]

같이 보기[편집]


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