EUV 마스크 3D 효과, 비스듬한 입사각이 만드는 섀도잉

해가 머리 꼭대기에 떠 있는 한낮에는 고층 빌딩 아래에 그림자가 거의 생기지 않습니다. 하지만 해가 기울기 시작하면 빌딩 높이만큼 옆 골목으로 긴 그림자가 드리워지죠. 게다가 동서로 뻗은 도로와 남북으로 뻗은 도로 중 어느 쪽이냐에 따라 그늘이 지는 폭도 완전히 달라집니다.

극자외선 노광 공정에서도 빛을 비스듬히 쏘아 반사시키다 보니 마스크 위에서 이와 똑같은 일이 벌어집니다. 오늘은 나노미터 회로의 치수 정밀도를 위협하는 EUV 마스크 3D 효과와 그림자(섀도잉) 문제의 원리, 그리고 이를 극복하기 위한 소재·설계 해법을 짚어 보겠습니다.

6도 기울어진 입사각과 두꺼운 흡수체가 만드는 그림자

EUV 노광기는 거울로 빛을 반사해 회로를 찍는 반사형 광학계를 씁니다. 만약 마스크에 빛을 수직(0도)으로 쏘면 어떻게 될까요. 마스크에서 정반사된 빛이 원래 빛이 들어오던 조명 거울 쪽으로 똑바로 되돌아가 버려, 웨이퍼 쪽 투영 광학계로 빛을 보낼 수가 없습니다.

이처럼 입사광과 반사광의 경로가 서로 부딪히지 않게 분리하려고, EUV 노광기는 마스크 법선(수직선) 기준으로 주광선 각도(CRA, Chief Ray Angle)를 약 6도 기울여 비스듬히 입사시킵니다. 흔히 마스크 위의 회로 패턴은 두께를 무시할 수 있는 납작한 2차원 평면 그림이라고 생각하기 쉽지만, 파장이 13.5nm로 짧아진 세상에서는 약 50~70nm 두께의 탄탈륨(Ta) 계열 흡수체가 파장보다 4~5배나 높은 거대한 절벽처럼 작용합니다.

여기에 빛을 반사하는 Mo/Si 다층 반사막(40~50쌍, 총 두께 약 280nm)까지 합치면, 빛은 단순히 마스크 표면에서 튕겨 나오는 것이 아니라 다층막 내부 깊숙한 곳까지 비스듬히 들어갔다 나오는 입체적인 경로를 밟게 됩니다. 이렇게 비스듬한 입사각과 마스크 패턴의 입체적 높이가 맞물려 일으키는 일련의 광학 왜곡을 통틀어 마스크 3D 효과(M3D, Mask 3D Effect)라고 부릅니다. 앞서 든 빌딩 숲의 햇빛 비유가 직진하는 가시광선이 만드는 단순 그림자라면, 노광 공정에서는 흡수체 내부를 통과한 빛과 다층막에서 반사된 빛 사이의 위상 간섭과 회절 비대칭까지 겹치는 파동광학 현상이라는 점이 다릅니다.

EUV 마스크 3D 효과로 나타나는 3가지 광학 왜곡

6도 기울어진 빛이 높은 흡수체 담장을 넘나들 때 가장 먼저 나타나는 현상은 바로 섀도잉 효과(Shadowing Effect)입니다. 흡수체 벽면에 가려져 빛이 다층 반사막에 닿지 못하거나, 반사되어 나오던 빛이 반대편 흡수체 옆구리에 다시 막히면서 반사 영역이 실제 설계 폭보다 좁아지는 현상이죠.

특히 세 번째인 최적 초점 이동과 보스통(Bossung) 곡선 기울어짐은 엔지니어들을 가장 괴롭히는 문제입니다. 0차 회절광과 1차 회절광이 비스듬한 흡수체 벽을 지나며 서로 다른 위상 지연을 겪기 때문에, 웨이퍼의 높낮이(Defocus)가 조금만 바뀌어도 패턴이 단순히 흐려지는 데 그치지 않고 옆으로 비스듬히 미끄러지며 위치까지 틀어져 버립니다.

방향에 따라 달라지는 수평·수직(H-V) 패턴 편차

섀도잉 문제는 모든 배선에 똑같이 나타나지 않는다는 점에서 더 까다롭습니다. 빛이 들어오는 방향(입사 평면)과 배선이 뻗어 있는 방향이 어떤 각도를 이루느냐에 따라 그림자 유무가 극명하게 갈리기 때문입니다.

빛이 마스크의 아래에서 위쪽 방향(Y축 스캔 방향)으로 6도 기울어져 들어온다고 해 봅시다. 세로로 길게 뻗은 수직 배선(Vertical Line)은 빛이 배선과 나란한 골짜기 방향을 따라 흘러가므로 흡수체 벽에 가로막히지 않아 그림자가 거의 생기지 않습니다.

반면 가로로 놓인 수평 배선(Horizontal Line)은 기울어져 들어오는 빛의 정면을 긴 담장처럼 가로막고 서 있는 격이라, 흡수체 앞뒤로 진한 그림자가 드리워집니다. 그 결과 마스크 위에 똑같은 굵기로 수평선과 수직선을 그려 놓아도, 웨이퍼 위에서는 수평선이 훨씬 굵게 찍히고 위치도 밀리는 수평·수직 선폭 편차(H-V CD Bias)가 발생합니다. 이를 맞추려면 처음부터 마스크 도면에서 수평 패턴의 흡수체 폭을 수직 패턴보다 미리 깎아 내고 위치도 반대로 당겨 놓는 비대칭 3차원 광학 근접 보정(M3D OPC)을 적용해야 합니다.

흡수체 박막화(Low-n)와 High-NA 시대의 극복 전략

보정 소프트웨어로 그림자를 달래는 데도 한계가 있습니다. 렌즈 개구수를 0.33에서 0.55로 키운 차세대 고개구수 극자외선(High-NA EUV) 노광기로 넘어가면 광학계가 커지면서 마스크 입사각이 6도보다 더 가팔라져 섀도잉이 한층 심해지기 때문입니다. 이에 맞서 업계는 크게 두 갈래로 돌파구를 찾았습니다.

첫째는 High-NA EUV에 도입된 비대칭 축소 투영(Anamorphic Magnification)입니다. 기존 노광기는 가로와 세로를 똑같이 4대 1(4×)로 줄였지만, High-NA에서는 그림자가 심하게 생기는 스캔 방향(수평 배선 쪽)만 8대 1(8×)로 축소 배율을 두 배 키웠습니다. 마스크 위 패턴 크기를 2배로 넓혀 놓으면 흡수체 높이에 비해 골목 폭이 훨씬 넓어지는 셈이어서, 입사각이 커져도 그림자가 차지하는 비율을 기존 수준 이하로 묶어 둘 수 있습니다.

둘째는 담장 높이 자체를 낮추는 흡수체 소재 혁신입니다. 기존 탄탈륨(Ta) 계열 흡수체를 무작정 얇게 만들면 빛이 다 흡수되지 않고 뚫고 나와 버립니다. 그래서 등장한 대안이 13.5nm에서 굴절률(n)이 진공(1.0)과 더 크게 차이 나는 루테늄(Ru), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni) 합금 등을 쓰는 저굴절률 위상 반전 흡수체(Low-n Attenuated PSM)입니다. 흡수체 두께를 30~40nm 이하로 얇게 줄이되, 흡수체를 살짝 뚫고 나온 약한 빛이 다층막 반사광과 180도 반대 위상을 갖게 설계해 EUV 마스크 3D 효과를 줄이면서 동시에 경계 명암 대비(NILS)까지 끌어올리는 일석이조 해법입니다.

기존 탄탈륨(Ta) 흡수체와 차세대 박막 흡수체 비교

구분	기존 탄탈륨(TaBN/TaBO) 흡수체	차세대 박막 흡수체 (High-k / Low-n 소재)
일반적인 흡수체 두께	약 50~70nm (파장의 4~5배 높이)	약 30~45nm 이하로 박막화
주요 작동 메커니즘	두께를 통해 입사된 EUV 빛을 대부분 흡수·차단	강한 흡수(High-k) 또는 180° 위상 반전 상쇄 간섭(Low-n)
섀도잉 및 M3D 영향	두꺼운 단차로 인해 H-V 편차와 초점 이동이 크게 나타남	단차 감소로 그림자 폭 축소, 수평·수직 편차 및 초점 왜곡 완화
공정 상의 난점	식각 및 세정 공정이 검증되어 양산 안정성이 높음	신규 금속 합금의 정밀 식각 및 캡핑층 무손상 선택비 확보 필요

핵심 정리

기울어진 햇빛이 빌딩 숲에 방향별 그림자를 드리우듯, EUV 마스크 3D 효과는 약 6도의 비스듬한 입사각과 수십 나노미터 높이의 흡수체 및 다층 반사막이 만나 섀도잉, 수평·수직 선폭 편차, 초점 이동을 일으키는 현상입니다. 이를 제어하기 위해 비대칭 보정(M3D OPC)과 박막 Low-n 흡수체, 그리고 High-NA의 4×/8× 비대칭 축소 광학계가 함께 동원되고 있습니다.

결국 나노미터 시대의 포토마스크는 단순한 2차원 도면이 아니라, 빛이 드나드는 각도와 박막의 높이까지 설계에 반영해야 하는 정밀한 3차원 광학 구조물입니다.

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