EUV 펠리클, 소재와 왕복 투과율 한계를 넘는 박막 기술

카메라 렌즈 바로 위에 작은 먼지가 붙으면 사진마다 검은 얼룩이 찍히지만, 렌즈 앞쪽에 투명한 보호 필터를 끼워 두면 필터 위에 앉은 작은 먼지는 초점 거리에서 벗어나 사진에 거의 나타나지 않습니다. 다만 그 보호 필터가 선글라스처럼 어두운 유리라면 사진이 너무 어두워져 셔터 속도를 한참 늦춰야 하겠죠.

반도체 포토마스크 위를 덮어 먼지가 초점면(마스크 표면)에 내려앉지 못하게 막아 주는 얇은 막을 펠리클이라고 부릅니다. 오늘 다룰 EUV 펠리클은 모든 물질에 흡수되는 극자외선을 상대하면서 고열까지 견뎌야 하는 극한 박막 기술입니다.

초점 밖으로 먼지를 밀어내는 원리와 왕복 투과의 벽

포토마스크 표면에 나노미터 크기의 이물질이 하나라도 떨어지면, 그 그림자가 웨이퍼 위 모든 칩(Die)에 똑같이 찍히는 치명적 반복 결함(Killer Repeating Defect)이 발생합니다. 이를 막기 위해 마스크 표면에서 약 2~6mm 떨어진 높이에 알루미늄이나 실리콘 프레임으로 얇은 투명 막을 팽팽하게 띄워 놓는데, 이것이 바로 펠리클(Pellicle)입니다. 먼지가 펠리클 위에 앉더라도 노광 렌즈의 초점 심도(DOF) 바깥에 놓이므로 웨이퍼에는 상이 맺히지 않고 흐릿하게 흩어집니다.

ArF(193nm) 같은 심자외선(DUV) 공정에서는 불소수지(Fluoropolymer) 계열의 유기 고분자 막으로도 99% 이상의 높은 투과율을 쉽게 얻을 수 있었습니다. 그러나 파장이 13.5nm인 극자외선(EUV)에서는 기존 유기 고분자 막이 빛을 거의 다 흡수할 뿐 아니라 강한 광자 에너지에 사슬이 끊어져 금세 찢어지고 맙니다.

더구나 EUV 노광은 반사형 마스크를 쓰기 때문에, 조명계에서 온 빛이 펠리클을 한 번 뚫고 들어가 마스크에서 반사된 뒤 다시 펠리클을 뚫고 나오는 왕복 통과(Double Pass) 경로를 거칩니다. 흔히 단일 투과율이 80% 정도만 되어도 노광에 큰 지장이 없을 것이라고 생각하기 쉽지만, 두 번 통과하고 나면 실제 살아남는 빛의 비율은 투과율의 제곱인 64%(0.8 × 0.8)로 뚝 떨어집니다. 사라진 36%만큼 노광 시간이 길어져 시간당 웨이퍼 생산량(WPH)이 급감하므로, 업계에서는 단일 투과율 최소 90%(왕복 약 81%) 이상을 양산의 기본 문턱으로 삼습니다. 앞서 든 카메라 필터 비유가 가시광선 투과율만 따진다면, 노광 공정에서는 흡수된 에너지가 고스란히 박막을 녹이는 열원으로 바뀐다는 점이 다릅니다.

EUV 펠리클이 견뎌야 하는 고열과 수소 라디칼 환경

13.5nm 빛을 90% 이상 통과시키려면 펠리클 막의 두께를 머리카락 굵기의 수천분의 일인 수십 나노미터(약 20~50nm) 이하로 극도로 얇게 만들어야 합니다. 가로세로 10cm가 넘는 넓은 면적을 원자 수백 개 두께의 프리스탠딩(Free-standing, 바닥 지지대 없이 공중에 떠 있는) 박막으로 펼쳐 놓아야 하는 셈이죠.

이 얇은 막이 견뎌야 하는 노광기 내부 환경은 말 그대로 극한입니다. 광원 출력이 수백 와트(W)로 높아지면서, 펠리클이 흡수하는 약 5~10%의 EUV 에너지만으로도 박막 온도가 순식간에 수백 도(600~1,000°C 안팎)까지 치솟습니다. 고진공 환경이라 공기를 통한 대류 냉각이 전혀 일어나지 않고, 오직 열복사(Thermal Emissivity)로만 열을 식혀야 하기 때문입니다.

특히 노광기 안에는 거울 오염을 막기 위한 수소 가스가 들어 있어, EUV 빛과 만나 강력한 수소 라디칼(H*)과 수소 이온을 만듭니다. 이 활성 수소가 수십 나노미터 두께의 펠리클 표면을 조금씩 깎아 내면 막이 얇아지다 결국 구멍이 뚫리므로, 코어 막 위아래에 수 나노미터 두께의 보호 캡핑층을 씌우는 다층 박막 설계가 필수적입니다.

폴리실리콘에서 탄소나노튜브(CNT)까지 소재의 진화

지금까지 양산 현장에서 가장 먼저 쓰인 1세대 소재는 다결정 실리콘(p-Si, Polysilicon) 기반 박막입니다. 실리콘이 13.5nm 파장에서 비교적 흡수 계수가 낮다는 점을 이용해 약 40~50nm 두께의 얇은 실리콘 막을 만들고, 그 위아래에 열방사율과 내산화성을 높이는 루테늄(Ru)이나 질화실리콘(SiNx), 탄화규소(SiC) 계열의 초박막 캡핑층을 입힌 구조입니다. 다만 실리콘 계열은 단일 투과율이 80%대 중후반~90% 초입에 머물고 고출력 광원에서 열변형 한계가 뚜렷했습니다.

이를 넘어 단일 투과율 90% 이상과 고출력 내열성을 동시에 노리는 2세대 소재로는 금속 실리사이드(MoSi2, ZrSi2 등)와 탄화규소(SiC) 복합 박막이 개발되었습니다. 실리콘보다 열복사 능력과 기계적 강도가 뛰어나 박막 두께를 더 줄이면서도 수백 와트급 광원을 버틸 수 있도록 개량한 방식입니다.

나아가 차세대(High-NA 포함) 주력 후보로 가장 주목받는 소재는 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nanotube) 펠리클입니다. 수 나노미터 굵기의 탄소나노튜브 섬유들을 거미줄 같은 그물망(Network) 구조로 얇게 엮어 만들면, 막 내부의 대부분이 빈 공간(기공)으로 채워져 단일 투과율을 92~97% 이상까지 끌어올릴 수 있습니다. 또한 탄소 결합 특유의 뛰어난 인장 강도와 열전도율 덕분에 고출력 노광에서도 잘 찢어지지 않으며, 미세 그물망 코팅을 통해 수소 라디칼 저항성과 이물질 포집력을 함께 확보하는 연구가 활발히 이어지고 있습니다.

무펠리클 노광의 위험성과 양산 수율의 경제학

펠리클을 씌우면 왕복 투과 손실 때문에 노광기 생산성(WPH)이 10~20%가량 줄어드는데, 차라리 펠리클 없이 노광하면 안 될까요. 실제로 EUV 도입 초기에는 펠리클 투과율과 내구성이 부족해 펠리클을 쓰지 않고(Pellicle-less) 깨끗한 챔버 관리와 잦은 마스크 검사로 버티는 전략도 쓰였습니다.

그러나 고가의 마스크 한 장에 단 하나의 입자만 떨어져도 수백 장의 웨이퍼가 불량으로 폐기되고, 마스크를 노광기에서 꺼내 세정·재검사하는 동안 노광 라인 전체가 멈추는 가동 중단 손실이 훨씬 더 컸습니다. 특히 다중 패터닝을 줄이고 단일 노광 비중을 높인 최선단 로직과 D램 공정에서는, 투과율이 높고 수명이 긴 EUV 펠리클을 장착해 예측 가능한 수율과 장비 가동률을 확보하는 것이 양산 경제성의 핵심 기준으로 자리 잡았습니다.

DUV 불소수지 펠리클과 EUV 차세대 펠리클 비교

구분	DUV 펠리클 (193nm ArF)	1세대 EUV 펠리클 (p-Si 계열)	차세대 EUV 펠리클 (CNT / 실리사이드)
핵심 소재 및 구조	유기 불소수지 (약 300~800nm 두께)	다결정 실리콘(p-Si) + 금속/세라믹 캡핑층	탄소나노튜브(CNT) 나노 그물망 또는 금속 실리사이드
빛 통과 횟수 및 투과율	1회 투과 (단일 투과율 99% 이상)	2회 왕복 투과 (단일 약 88~90% 수준)	2회 왕복 투과 (단일 92~97% 이상 목표)
주요 열화 원인	자외선 장기 노출에 따른 광화학적 열화	흡수열에 의한 고온 응력 파손 및 수소 식각	CNT 그물망의 수소 라디칼 침식 및 산란 억제 필요
냉각 메커니즘	주변 기체(공기/질소) 대류 냉각 가능	고진공 환경으로 표면 열복사(Emissivity)에만 의존	높은 열방사 코팅 및 낮은 광흡수로 열부하 최소화

핵심 정리

렌즈 앞의 보호 필터가 먼지를 초점 밖으로 밀어내듯, EUV 펠리클은 수십 나노미터 두께의 초박막으로 반사형 마스크를 지켜 반복 결함을 막아 줍니다. 빛이 두 번 왕복하며 생기는 투과 손실과 고진공 속 수백 도의 고열, 수소 라디칼 침식을 이겨 내기 위해 소재 기술은 폴리실리콘을 넘어 금속 실리사이드와 탄소나노튜브(CNT)로 빠르게 진화하고 있습니다.

결국 눈에 보이지도 않을 만큼 얇은 이 보호막 한 장이 수천억 원대 노광 장비의 시간당 생산량과 최선단 칩의 최종 수율을 동시에 쥐고 있는 셈입니다.

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