포토마스크와 펠리클, 회로 원판과 먼지 덮개의 역할

필름 카메라 시절 사진관에서는 원판 필름 한 장으로 사진을 수십 장씩 뽑았습니다. 원판에 먼지 한 톨이 붙으면 뽑는 사진마다 같은 자리에 흰 점이 찍혔죠. 그래서 사진사들은 원판을 덮개에 넣어 다루며 먼지가 표면에 직접 닿지 않게 신경 썼습니다.

반도체 노광에서 이 원판 역할을 하는 것이 포토마스크이고, 먼지 덮개 역할을 하는 것이 펠리클입니다. 이 글에서는 포토마스크와 펠리클이 각각 무엇이고 어떻게 만들어지는지, 그리고 EUV 시대에 어떤 과제를 안고 있는지 정리합니다.

포토마스크란 무엇인가

포토마스크(Photomask)는 회로 한 층의 패턴을 담은 유리 원판입니다. 노광 장비는 빛을 포토마스크에 통과시키거나 반사시켜 그 패턴을 축소해 웨이퍼 위 포토레지스트에 옮기죠. 칩 하나를 만들려면 층마다 다른 마스크가 필요해서, 첨단 칩에는 수십 장의 마스크가 한 세트로 쓰입니다.

현장에서는 레티클(Reticle)이라는 말도 같은 뜻으로 많이 씁니다. 본래 포토마스크는 웨이퍼 전체를 한 번에 1:1로 찍던 원판을, 레티클은 스테퍼나 스캐너가 축소해 여러 번 나눠 찍는 원판을 가리켰죠. 오늘날 첨단 노광은 대부분 4배 축소 방식이라 두 말이 사실상 같은 대상을 부릅니다.

포토마스크의 구조와 블랭크마스크

포토마스크는 블랭크마스크(Blank Mask)에서 출발합니다. 블랭크마스크는 아직 회로가 새겨지지 않은 원재료로, 기판 위에 빛을 막거나 조절하는 막과 레지스트가 입혀진 상태죠.

DUV 노광용 마스크는 빛이 잘 통과하는 석영 기판 위에 크롬 차광막을 입힌 구조가 기본입니다. 더 미세한 패턴에는 몰리브덴 실리사이드(MoSi) 막으로 빛의 위상을 뒤집어 패턴 경계를 또렷하게 만드는 위상 반전 마스크(PSM, Phase Shift Mask)도 쓰이죠.

EUV 마스크는 구조가 완전히 다릅니다. EUV 빛은 거의 모든 물질에 흡수되기 때문에 빛을 통과시키는 대신 반사시키죠. 열팽창이 매우 작은 유리 기판 위에 몰리브덴과 실리콘을 수십 쌍 번갈아 쌓은 다층 반사막을 만들고, 그 위에 빛을 흡수하는 막을 올려 패턴을 새깁니다.

포토마스크를 만드는 공정 흐름

블랭크마스크가 포토마스크가 되기까지는 웨이퍼 공정의 축소판 같은 과정을 거칩니다.

첫 단계의 보정을 광 근접 보정(OPC, Optical Proximity Correction)이라고 합니다. 패턴이 빛의 파장보다 작아지면 모서리가 둥글어지고 선 끝이 짧아지기 때문에, 마스크에는 일부러 모서리에 작은 돌기나 보조 패턴을 붙여 웨이퍼 위 결과가 설계와 같아지도록 만들죠.

묘화에는 빛 대신 전자빔을 씁니다. 전자빔은 데이터대로 직접 그릴 수 있어 정밀하지만 속도가 느리죠. OPC로 패턴이 복잡해질수록 묘화 시간이 길어져서, 여러 개의 빔을 동시에 쓰는 멀티빔 묘화 장비도 쓰이고 있습니다.

마스크 패턴은 웨이퍼에 4분의 1로 줄어 찍히므로 마스크의 선폭 오차도 함께 줄어듭니다. 하지만 마스크의 결함은 그 마스크로 찍는 모든 웨이퍼, 모든 샷에 반복되죠. 마스크 한 장의 품질이 수많은 칩의 수율과 바로 이어지는 이유입니다.

펠리클이 결함을 막는 원리

노광 현장에서 포토마스크와 펠리클은 한 몸처럼 다뤄집니다. 펠리클(Pellicle)은 포토마스크 패턴 면에서 몇 mm 떨어뜨려 씌우는 얇은 투명 막으로, 프레임에 팽팽하게 붙인 막이 마스크 표면을 덮어 공기 중 입자가 패턴 위에 직접 내려앉지 못하게 막죠.

핵심은 초점입니다. 노광 장비는 마스크의 패턴 면에 정확히 초점을 맞추기 때문에, 몇 mm 떨어진 펠리클 위에 앉은 입자는 초점에서 크게 벗어나 웨이퍼에 상으로 맺히지 않죠.

펠리클이 먼지를 걸러 없앤다는 생각과 달리, 펠리클은 입자가 붙어도 상관없는 위치로 입자를 밀어내는 장치에 가깝습니다. 덕분에 마스크를 자주 씻지 않아도 되고, 세정 때마다 패턴이 조금씩 손상되는 일도 줄어 마스크 수명이 늘어나죠. 다만 펠리클 자체도 빛이 지나가는 광학 부품이라 투과율과 두께 균일도가 엄격하게 관리됩니다.

EUV 펠리클이 어려운 이유

DUV용 펠리클은 오래전부터 쓰인 성숙한 기술입니다. 문제는 EUV인데, EUV 빛은 거의 모든 물질에 잘 흡수되기 때문에 막이 아주 얇아도 빛을 적지 않게 빼앗죠. 게다가 반사형 마스크라서 빛이 펠리클을 들어갈 때 한 번, 반사되어 나올 때 한 번, 모두 두 번 지나갑니다.

그래서 EUV 펠리클은 투과율, 내열성, 기계적 강도를 한꺼번에 만족해야 합니다. 흡수된 빛은 열이 되어 진공 속 얇은 막을 수백 °C까지 달구고, 막은 수십 nm 두께로도 처지거나 찢어지지 않아야 하죠. 폴리실리콘, 금속 실리사이드 계열, 탄소 나노튜브 막 등 여러 소재가 개발되고 연구되어 왔습니다.

펠리클이 빛을 빼앗으면 같은 시간에 처리하는 웨이퍼 수가 줄어듭니다. 이 때문에 층과 공정에 따라 펠리클 없이 노광하고 대신 마스크 검사를 강화하는 운영도 함께 쓰여 왔죠. 펠리클을 쓸지 말지는 결함 위험과 생산성 사이의 저울질인 셈입니다.

DUV와 EUV의 포토마스크와 펠리클 비교 표

구분	DUV (투과형)	EUV (반사형)
마스크 기판	석영	열팽창이 매우 작은 유리
패턴 막	크롬 차광막, MoSi 위상 반전막	Mo/Si 다층 반사막 위의 흡수막
빛의 경로	마스크를 통과	마스크에서 반사
펠리클 소재	고분자 박막	폴리실리콘, 금속 실리사이드, 탄소 나노튜브 계열 등
빛이 펠리클을 지나는 횟수	한 번	두 번
주요 과제	미세 패턴의 위상과 선폭 제어	결함 없는 반사막, 펠리클 투과율과 내열성

핵심 정리

포토마스크와 펠리클은 노광 공정의 원판과 덮개입니다. 포토마스크는 블랭크마스크에 OPC로 보정한 패턴을 전자빔으로 새겨 만들고, 펠리클은 입자를 초점 밖으로 밀어내 마스크 위 결함이 웨이퍼마다 반복되는 것을 막죠.

사진관 원판에 붙은 먼지 한 톨이 모든 사진에 흰 점을 남기듯, 마스크 위 결함 하나는 모든 웨이퍼에 같은 불량을 남깁니다. EUV로 넘어오며 마스크는 반사형으로, 펠리클은 빛과 열을 견디는 초박막으로 바뀌었다는 흐름을 기억해 두면 노광 공정 전체가 한층 잘 보입니다.

면접 대비 질문