EUV 반사형 마스크, 다층 반사막으로 빛을 되비추는 구조

비누방울이나 몰포나비의 날개를 보면 파란색 물감이 전혀 없는데도 눈부신 푸른빛이 반짝입니다. 아주 얇고 투명한 층이 여러 겹 포개져 있을 때, 각 층의 경계면에서 조금씩 반사된 빛들이 똑같은 박자로 합쳐지며 특정 파장의 빛만 강하게 되돌려 보내는 구조색 현상 덕분이죠.

13.5nm 파장의 극자외선 노광 공정에서도 이와 같은 파동 간섭 원리로 빛을 되비추어 회로를 찍어 냅니다. 오늘은 유리를 통과하지 못하는 빛을 다루기 위해 탄생한 EUV 반사형 마스크와 그 핵심인 다층 반사막의 정교한 구조를 살펴보겠습니다.

투과형 마스크가 불가능한 이유와 Mo/Si 브래그 반사 원리

ArF(193nm)까지의 DUV 노광에서는 투명한 석영(Quartz) 유리판에 빛을 통과시키는 투과형 마스크를 썼습니다. 그러나 파장이 13.5nm인 극자외선은 석영을 비롯한 거의 모든 고체와 기체 원자에 들어가는 즉시 흡수되어 열로 바뀌어 버립니다. 따라서 마스크를 통과시켜 그림자를 만드는 방식은 아예 성립하지 않으며, 빛을 거울처럼 튕겨 내는 반사형 광학계로 틀을 완전히 바꾸어야 했습니다.

문제는 일상에서 쓰는 은(Ag)이나 알루미늄(Al) 같은 단일 금속 거울조차도 13.5nm 파장 앞에서는 굴절률이 거의 1에 가까워 빛을 반사하지 못하고 그냥 흡수해 버린다는 점입니다. 흔히 매끄럽게 연마한 금속판 하나만 코팅하면 EUV 빛도 일반 거울처럼 잘 반사될 것이라고 오해하기 쉽지만, 단일 계면에서 반사되는 EUV 빛은 1%도 채 되지 않습니다.

이 한계를 돌파한 해법이 바로 분산 브래그 반사경(DBR, Distributed Bragg Reflector) 원리를 이용한 몰리브덴/실리콘(Mo/Si) 다층 반사막입니다. 13.5nm 대역에서 굴절률(광학 상수) 차이가 비교적 큰 몰리브덴(Mo)과 실리콘(Si)을 번갈아 쌓으면, 각 층이 만나는 경계면마다 아주 미약한 반사광이 생깁니다. 이때 한 쌍(Mo 1층 + Si 1층)의 두께를 반사광들이 정확히 한 파장(13.5nm) 차이로 맞물려 나오는 파장의 절반(약 6.9~7.0nm, 몰리브덴 약 2.8nm + 실리콘 약 4.1nm)으로 맞추어 40~50쌍을 쌓으면, 수십 개의 작은 반사파가 마루와 마루끼리 합쳐지는 보강 간섭을 일으켜 최대 약 70% 수준의 반사율을 만들어 냅니다. 앞서 든 나비 날개 비유가 수백 나노미터의 가시광선을 반사하는 자연 구조라면, 다층 반사막은 원자 몇 개 두께인 0.1nm 단위의 오차도 허용하지 않는 초정밀 인공 박막이라는 점이 다릅니다.

EUV 반사형 마스크의 층별 단면 구조와 역할

반사율이 약 70%라는 말은, 거꾸로 말하면 입사된 EUV 에너지의 나머지 30%가량은 마스크에 그대로 흡수되어 열로 바뀐다는 뜻입니다. 만약 열을 받은 마스크 기판이 미세하게라도 팽창하면 나노미터 단위의 회로 위치가 틀어지므로, EUV 반사형 마스크는 열팽창이 거의 없는 특수 기판부터 시작해 아래에서 위로 정교한 다층 구조로 쌓아 올립니다.

즉, EUV 반사형 마스크에서는 흡수체가 깎여 나가 루테늄 캡핑층과 다층 반사막이 드러난 바닥이 빛을 되비추는 밝은 영역이 되고, 탄탈륨 흡수체 패턴이 남아 있는 언덕이 빛을 먹어 치우는 어두운 영역이 됩니다.

바닥에서 자라나는 위상 결함(Phase Defect)과 무결점 과제

다층 반사막 구조가 가진 가장 까다로운 난제는 바로 기판 바닥이나 증착 중간에 숨어드는 매립형 위상 결함(Buried Phase Defect)입니다. 만약 LTEM 기판 표면에 단 1~2nm 크기의 아주 작은 먼지 입자(Bump)나 푹 파인 구덩이(Pit)가 하나라도 남아 있는 상태에서 그 위로 Mo/Si 40쌍을 쌓으면 어떻게 될까요.

층이 위로 쌓일수록 아래쪽의 미세한 요철이 물결처럼 그대로 따라 올라가면서 옆으로 퍼져 나갑니다. 그 결과 다층막 내부의 층간 간격과 높낮이가 주변과 어긋나게 되고, 이 지점에서 반사되는 EUV 빛은 정상 영역과 위상(Phase)이 틀어져 상쇄 간섭을 일으킵니다. 표면의 흡수체 패턴은 아무 이상 없이 깨끗한데도, 정작 웨이퍼 위에는 치명적인 검은 점이나 단선 불량이 찍히는 것이죠.

더 큰 문제는 이미 40쌍의 다층막 아래에 묻혀 버린 결함은 나중에 파내어 수리(Repair)할 방법이 사실상 없다는 점입니다. 따라서 무결점 마스크 원판(Mask Blank)을 만드는 일 자체가 극한의 기술 장벽이며, 파장이 같은 13.5nm 광원을 쓰는 파장 일치 검사(Actinic Inspection) 장비로 블랭크 단계에서 결함 위치를 먼저 찾아낸 뒤, 결함이 흡수체 패턴 아래에 가려지도록 설계 도면을 살짝 옮겨 배치하는 기법까지 동원됩니다.

정전 척(ESC) 고정과 극자외선 펠리클의 조건

마스크를 노광기에 장착하고 보호하는 방식도 DUV 때와는 완전히 다릅니다. 투과형 마스크는 테두리만 기계식 클램프로 잡고 가운데로 빛을 통과시켰지만, EUV 반사형 마스크는 빛이 아래쪽에서 비스듬히 들어와 반사되므로 마스크가 자기 무게로 휘어지면 반사 각도가 틀어집니다. 게다가 고진공 환경이라 진공 흡착도 쓸 수 없으므로, 마스크 뒷면 전체를 정전 척(ESC, Electrostatic Chuck)에 정전기 힘으로 평평하게 밀착시켜 고정합니다.

마스크 표면에 먼지가 앉는 것을 막아 주는 얇은 보호막인 펠리클(Pellicle)의 난이도는 더욱 가혹합니다. 반사형 구조에서는 입사된 빛이 펠리클을 한 번 뚫고 들어가 마스크에서 반사된 뒤 다시 펠리클을 뚫고 나와야 하므로, 빛이 펠리클을 총 두 번 통과(Double Pass)합니다.

만약 펠리클 한 번 통과할 때 투과율이 80%밖에 안 된다면 왕복 후에는 빛이 64%(0.8 × 0.8)로 줄어들어 생산성이 크게 떨어집니다. 따라서 EUV 펠리클은 수십 나노미터 두께의 초박막 폴리실리콘이나 탄소나노튜브(CNT) 복합 소재로 만들어 단일 투과율 90% 이상을 확보하면서도, 수백 와트 광원의 고열과 수소 라디칼 환경을 견뎌 내야 하는 핵심 소재 기술로 꼽힙니다.

DUV 투과형 마스크와 EUV 반사형 마스크 비교

구분	DUV 투과형 마스크 (193nm ArF)	EUV 반사형 마스크 (13.5nm)
광학 동작 방식	투명 석영 기판을 빛이 관통하는 투과형	Mo/Si 40~50쌍 다층박막의 브래그 보강 간섭 반사형
기판 및 차광 소재	합성 석영(Quartz) 기판 + 크롬(Cr) 또는 MoSi 막	초저열팽창(LTEM) 기판 + Mo/Si 다층막 + 탄탈륨(Ta)계 흡수체
마스크 고정 방식	가장자리 진공/기계식 클램핑 (수평 장착)	후면 도전층(CrN)을 이용한 정전 척(ESC) 전면 흡착
주요 결함 및 펠리클	표면 크롬 결함 위주, 불소수지 계열 1회 투과 펠리클	다층막 내부 매립 위상 결함(Phase Defect), 고내열 왕복 투과 펠리클

핵심 정리

여러 겹의 얇은 막으로 빛을 모아 반짝이는 나비 날개처럼, EUV 반사형 마스크는 몰리브덴과 실리콘을 약 7nm 주기로 40쌍 이상 정교하게 쌓아 모든 물질에 흡수되는 13.5nm 빛을 약 70%까지 되비추어 냅니다. 열팽창을 억제한 LTEM 기판과 루테늄 캡핑층, 탄탈륨 흡수체가 한 몸으로 어우러진 이 구조는 현대 반도체 미세 공정을 떠받치는 핵심 원판입니다.

이처럼 파장이 짧아진다는 것은 광원 하나만 바뀌는 일이 아니라, 유리를 거울로 바꾸고 나노미터 단위의 숨은 결함까지 다스리는 소재·박막 공학의 전면적인 혁신을 뜻합니다.

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