오늘은 EUV 마스크가 포토 공정에서 어떤 역할을 하는지 알아보는 글을 준비했습니다. 반도체의 포토 리소그래피(Photo Lithography) 공정은 광원의 발전과 함께 이어져 왔습니다. 최근 포토 리소그래피의 발전에 크게 영향을 미치는 것중의 하나가 EUV 광원을 사용하여 미세한 패턴을 만드는 것입니다. EUV 광원과 함께 발전되어온 EUV 마스크는 어떤 특징이 있는지 이 글에서 알아보도록 하겠습니다.
EUV 마스크의 포토공정에서 중요성
반도체 공정중 가장 중요한 공정은 무엇보다도 포토 공정이라고 할 수 있습니다. 포토공정 내에서도 핵심 세부 공정을 찾아보면 바로 노광공정이 중요한 공정이라고 볼 수 있습니다. 노광 공정 의 흐름을 간단히 설명하자면 설계 패턴이 새겨진 금속 마스크(Mask) 원판에 빛을 쪼입니다. 마스크를 통과한 빛은 웨이퍼 위로 도포된 감광액(PR:Photoresist)에 닿아 화학 반응을 일으 킵니다.
빛이 닿은 곳과 닿지 않은 곳이 선택적으로 제거 되는 과정이 진행 됩니다. 우리 주변에서 볼 수 있는 필름 사진을 현상하는 방법이 이와 유사하다고 볼 수 있습니다. 이렇게 포토공정에서 사용되는 금속 마스크는 회로 패턴이 정밀하게 새겨진 필름에 비유할 수 있습니다. 회로 정보를 담고 있는 원본 역할을 하기 때문에 금속 마스크의 정밀성은 매우 중요합니다. 특히 반도체 칩 메이커 회사에서는 아주 미세한 회로 패턴을 활용하기 위하여 EUV Source 의 광원을 사용하고 있습니다. 하지만 이 EUV의 특별한 성질 때문에 EUV 마스크 또한 특별해 질 수 밖에 없습니다.
EUV광원의 특별한 성질은 바로 공기중에서 흡수율이 높아 멀리 나아가지 못한다는 것입니다. 그래서 기존의 DUV 장비에서 활용되던 투과형 렌즈를 사용하는 것이 아닌, 반사형 렌즈를 사용하는 것이 EUV장비의 특징입니다. 그리고 그 장비에서 함께 사용되는 EUV 마스크 또한 반사형 EUV 마스크를 사용해야 하며 이러한 조건을 맞추기 위해서 고도의 첨단 기술이 필요합니다. 현재 EUV 마스크를 제작할 수 있는 회사는 전 세계에 몇개 안되는 것으로 알려져 있습니다.
EUV 마스크와 펠리클
7nm 로직에 극자외선(EUV) 노광 공정이 도입된 이후에서 마스크 제작 단계에서 여러가지 해결해야 할 과제들이 많은 것으로 알려져 있습니다. 대표적인 고질적인 문제중의 하나가 바로 펠리클(Pelicle) 투과율 문제입니다. 펠리클의 역할은 외부의 파티클로부터 마스크를 보호하는 것입니다. 기존 DUV 공정에선 이미 펠리클이 적용되어 있지만 현재 EUV용으로는 제대로 개발이 안 된 상태입니다.
가격이 개당 5~10억원인 EUV 마스크에 파티클이 쌓이거나 달라 붙으면 그 마스크는 더 이상 사용할 수가 없게 됩니다. 하지만 주요 펠리클 제조사가 EUV 사양인 투과율을 달성할 수 없어 현재 시장엔 양산에 쓸 만한 EUV용 펠리클은 없습니다. 그래서 현재 2024년까지도 7나노에선 마스크에 펠리클 없이 위험부담을 감수하면서 공정을 진행 하고 있습니다. 투과율이 낮은 펠리클을 쓸 수 없는 이유는 무엇인지 다음 글에서 알아 보겠습니다. EUV의 특별한 성질 때문이라고 말할 수 있습니다. EUV 빛의 파장은 13.5nm로 굉장히 짧은 편입니다. 파장이 짧아서 보다 미세한 회로를 그릴 수 있습니다.
EUV를 사용하는 장비의 특징
EUV 의 에너지는 대부분의 물질의 내부 전자 결합 에너지와 비슷한 에너지를 가지고 있어 쉽게 흡수 되는 특징이 있습니다. 자연계 모든 물질, 심지어 공기에도 쉽게 흡수되는 특수한 성질을 갖고 있습니다. EUV 바로 전 세대인 불화아르곤(ArF)(Immersion)액침 노광 장비는 DUV 광원이 렌즈를 수직으로 투과해 마스크에 도달하는 구조입니다. EUV는 공기중에서 흡수율이 높아 이러한 구조를 적용할 수가 없습니다. 그래서 EUV는 진공챔버 안에서 측정을 하게 됩니다.
EUV 진공 장비안에는 다층 박막 특수 거울이 곳곳에 배치되어 있어 광원을 여러 차례 반사 시켜 웨이퍼에 닿게 하는 구조로 설계됐습니다. 공기중에 흡수되는 성질을 반영환 광원 손실을 최소화하기 위한 설계 입니다. EUV 광원은 목표 지점에 도달하는 순간 거의 90%이상의 에너지를 잃어버리고 10% 이하의 에너지만 도달하게 됩니다. 만약에 투과율이 90%도 안되는 펠리클을 쓰게 된다면 공정 중에 생기는 광원 손실, 이로 인한 공정 시간 증가까지 생각한다면 현 시점에서 반도체 제조 회사들이 펠리클을 사용하지 않는 이유에 대해서 어느 정도 공감을 하실 것입니다.
이러한 EUV 성질과 기존과는 다른 장비 내 반사 구조는 또 다른 문제를 야기합니다. 듯, ArF 이머전 노광 장비는 광원이 대형 렌즈를 수직으로 통과해 마스크에 닿는 구조 입니다. 반면에 EUV는 반사형 Mirror optic 에 빛이 반사되는 구조입니다. 렌즈에 반사를 시키기 위해 비스듬하게 출발한 EUV 빛은 중간에 마스크에서 반사되어 웨이퍼로 도달합니다. 빛이 비스듬하게 들어오게 되면서 생기는 그림자 효과도 EUV 장비의 특징중의 하나입니다. 이 때문에 마스크 설계 단계에서 부터 이 그림자 효과를 적절히 적용 시켜 제작을 합니다.
EUV 광원이 산란되는 것도 장비의 공정 속도에 영향을 줍니다. 일반적으로 파장이 짧아질수록 이 같은 산란광 문제는 더욱 커지기 때문에 원하지 않는 영역에 빛이 반사돼 들어가는 경우에 마스크 위에 패턴이 제대로 새겨질 수 없습니다.
현재 상용화된 EUV 장비의 NA(개구수) 값은 0.33입니다. NA를 0.5 이상으로 높인 고해상도 EUV 장비가 현재 개발되고 있습니다. 0.33 NA에선 마스크에 새겨진 회로 패턴 크기가 가로 세로 각각 4배 큰 것으로 일정한 비율로 늘어나는데 비해, 0.5 NA에선 가로가 4배로 동일하지만, 세로가 8배로 커집니다.이런 방식은 카메라의 촬영방식 중 Anamorphic 방식으로 알려져 있습니다. 극장에서 영화를 보기 위해서 비율이 1:2로 긴 필름으로 촬영한 후에 실제 영화관에 상영될 때는 1:1 비율로 맞춰서 상영이 되는 원리와 같다고 볼 수 있습니다.