포토마스크
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1. 개요
포토마스크는 집적 회로(IC) 제조 공정에서 사용되는 도구로, 웨이퍼에 회로 패턴을 형성하는 데 사용된다. 1960년대와 1970년대 초반에는 수작업으로 제작되었으나, 기술 발전을 통해 레이저, 전자빔 등을 활용한 정밀 제작이 가능해졌다. 포토마스크는 바이너리 마스크, 위상 천이 마스크 등 다양한 종류가 있으며, 반도체, 평판 디스플레이, 인쇄 회로 기판 등 다양한 분야에서 사용된다. 최근에는 미세화 기술의 발전과 함께 제작 비용이 증가하고 있으며, EUV 노광 기술, 다중 전자빔 기술, 나노 임프린트 리소그래피 등의 기술 개발이 이루어지고 있다. 주요 포토마스크 제조업체로는 다이니폰 인쇄, 토판, 포트로닉스 등이 있으며, 한국의 포토마스크 산업도 발전하고 있다.
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- 리소그래피 - 포토리소그래피
포토리소그래피는 빛을 이용하여 기판 위에 패턴을 형성하는 기술로, 반도체 제조 공정에서 회로 패턴을 형성하는 핵심 기술이며, 석판화에서 유래되어 극자외선 기술까지 발전했다. - 리소그래피 - 석판 인쇄
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| 포토마스크 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
 | |
| 정의 | 반도체 제조 공정의 핵심 도구 중 하나로, 회로 패턴을 웨이퍼에 전사하는 데 사용되는 마스크 |
| 다른 이름 | 레티클 |
| 제조 공정 | |
| 주요 단계 | 설계 (회로 패턴 설계) 제조 (석영 유리 기판 위에 금속 박막 증착 및 패턴 형성) 검사 (패턴 정확도 및 결함 검사) |
| 재료 | |
| 기판 | 석영 유리 |
| 박막 | 금속 (크롬, 몰리브덴 실리사이드 등) |
| 용도 | |
| 주요 활용 | 반도체 웨이퍼 제조 시 빛을 이용한 회로 패턴 형성 (노광 공정) 박막 트랜지스터 액정 디스플레이 (TFT LCD) 제조 유기 발광 다이오드 (OLED) 제조 기타 미세 가공 분야 |
| 기술 발전 | |
| 최신 기술 | 극자외선 (EUV) 리소그래피용 포토마스크 위상 변위 마스크 (PSM) 곡선형 포토마스크 곡선형 포토마스크 관련 기사 |
| 관련 용어 | |
| 연관 기술 | 리소그래피 반도체 노광 |
| 기타 | 레티클 포토마스크 전자선 마스크 기술 |
2. 역사
1960년대와 1970년대 초, 집적회로(IC) 제작 초기에는 투명한 필름에 루비리스 필름을 접합하여 사용했다. 이후 소다 유리, 붕규산염, 융용 실리카 등 다양한 재료가 포토마스크 기판으로 사용되었으며, 크롬과 같은 금속 흡수막이 도입되었다.[4][5][6] 전자빔 리소그래피, 레이저 기반 마스크 라이터 등의 기술 발전으로 컴퓨터 설계 기반의 정밀한 패턴 형성이 가능해졌다.
포토마스크는 빛을 이용하여 회로 패턴을 형성하는 방식에 따라 여러 종류로 나뉜다.
초기에는 접촉식 노광 방식이 사용되었으나, 포토마스크 손상 문제로 인해 투영 포토리소그래피 방식이 도입되었다. 이후 직접 웨이퍼 스테퍼 포토리소그래피가 등장하면서 레티클을 직접 사용하는 방식으로 발전했다.
포토마스크 재료는 시간이 지남에 따라 변했다. 처음에는 소다 유리에 할로겐화은 불투명도를 사용했다.[4] 나중에는 팽창을 제어하기 위해 붕규산염이,[5] 그리고 융용 실리카가 도입되었고, 자외선에 대한 불투명도가 더 좋은 크롬이 도입되었다.[6] 초기의 패턴 생성기는 전자빔 리소그래피와 레이저 기반 마스크 라이터 또는 마스크리스 리소그래피 시스템으로 대체되었으며, 이 시스템은 컴퓨터 설계된 원본에서 레티클을 직접 생성한다.
최소 특징 크기가 150 nm 이하인 경우, 일반적으로 이미지 품질을 향상시키기 위해 위상 천이 마스크가 필요하다. 최첨단 반도체 기능이 축소됨에 따라 포토마스크 기능도 축소되어야 하는데, 흡수체 필름이 얇아져 불투명도가 낮아지는 문제가 발생할 수 있다.[11] IMEC의 2005년 연구에 따르면, 더 얇은 흡수체는 이미지 대비를 저하시켜 선 가장자리 거칠기에 기여한다.[12]
침지 노광의 출현은 포토마스크 요구 사항에 큰 영향을 미친다. 일반적으로 사용되는 감쇠 위상 천이 마스크는 패턴 필름을 통과하는 광 경로가 더 길기 때문에 "초고 NA" 리소그래피에 적용되는 더 높은 입사각에 더 민감하다.[15]
3. 포토마스크의 종류
침지 노광 기술의 발전으로 포토마스크의 요구 사항도 변화하고 있다. 특히, 감쇠 위상 천이 마스크는 "초고 NA" 리소그래피에 적용되는 더 높은 입사각에 더 민감하게 반응한다.[15]
3. 1. 반도체용 포토마스크
반도체 제조 공정에서는 각 층별로 패턴이 필요하며, 소자 구조가 복잡해질수록 더 많은 포토마스크가 필요하다.[31] 고정밀 공정에서는 열팽창률이 낮은 합성 석영 유리가 기판으로 사용된다. 이는 일반 유리에 비해 열팽창에 의한 위치 오차를 줄일 수 있기 때문이다. 또한, 석영 유리는 자외선 영역에서 투과율이 높아 350nm 이하의 파장에서도 사용 가능하다.[31]
마스크의 차광막 패턴은 광학 기술로 제작된다. 고평활하게 연마된 기판 위에 크롬(Cr) 등의 차광막을 스퍼터링으로 형성하고, 그 위에 포토레지스트를 도포하여 광선으로 패턴을 그린다. 패턴 제작에는 레이저를 사용하는 레이저 패턴 제작 장치와 전자빔 노광장치가 사용되며, 이들은 반도체 제조 장치 중에서도 고가의 장비에 속한다. 일반적으로 전자는 처리량이 뛰어나고, 후자는 해상도가 높다.[31] 노광 후에는 현상, 세척, 건조, 포스트 베이크, 디스컴 등의 공정을 거쳐 패턴을 형성한다.[31]
패턴 형성 후에는 검사를 통해 결함을 수정한다. 치수 검사에서 발견된 크기나 위치 불량은 수정이 불가능하지만, 결함 검사에서 발견된 결함은 대부분 결함 수정 장치를 통해 수정할 수 있다. 여분의 부분(흑 결함)은 레이저로 제거하고, 부족한 부분(백 결함)은 이온 빔으로 차광성이 높은 재료를 추가하여 수정한다.[31]
포토마스크는 먼지 등의 오염에 취약하므로, 펠리클(Pellicle)이라는 얇은 막을 부착하여 보호한다. 펠리클은 펠리클 프레임에 지지되어 포토마스크 표면에서 6.3mm 정도 떨어져 설치된다. 이 거리는 먼지가 펠리클 위에 있어도 초점에서 벗어나도록 하여 결상에 영향을 주지 않도록 한다.[31]
집적 회로 설계의 여러 사본이 있는 포토마스크를 사용하면 웨이퍼 전체를 노출하는 데 필요한 스테핑 수를 줄여 생산성을 높일 수 있다.
최첨단 반도체 제조용 고정밀 포토마스크에는 다음과 같은 기술들이 적용된다.[33]
3. 2. 평판 디스플레이(FPD)용 포토마스크
평판 디스플레이(FPD)용 포토마스크는 제작하려는 소자의 각 층과 공정마다 하나씩 필요하다. 따라서 디스플레이 소자의 구조가 복잡해질수록 포토마스크의 매수가 증가한다. 현재 가장 일반적인 평판 디스플레이인 액정 디스플레이(LCD)는 각각 기능이 내장된 두 장의 유리 기판 사이에 액정을 끼워서 형성되는데, 화소의 ON/OFF를 담당하는 TFT(Thin Film Transistor) 기판에는 3~6매, 화소의 색을 제어하는 컬러 필터 기판에는 4~7매의 포토마스크가 사용된다.[1]
반도체용과 달리 대부분의 공정에서는 1:1 노광이 사용된다. 단, 저온 폴리실리콘 액정의 TFT 등 일부 공정에서는 확대, 축소 노광도 사용된다. 노광 방법으로는 포토마스크의 상을 렌즈 또는 프로젝션 미러로 전사하는 프로젝션 방식과 광학계를 사용하지 않고 포토마스크와 전사 대상 기판을 수십~수백 μm 간격으로 근접시켜 전사하는 프로크시미티 방식 모두 사용된다. 전자는 해상도와 전사상의 충실도가 뛰어나 주로 TFT 기판 가공에 사용되고, 후자는 비용과 택트 타임이 뛰어나 비교적 패턴이 큰 컬러 필터 기판에 주로 사용된다. TFT 기판에 프로크시미티 방식을 사용하거나 컬러 필터 기판에 프로젝션 방식을 사용하는 경우도 있다.[1]
액정 디스플레이 제조에서 특징적인 것은, 비용 절감을 목적으로 노광량의 부분적인 제어를 위해 반투과 부분을 가진 마스크가 존재하는 것이다. 전사 후에는 초기 박막 두께에 가까운 레지스트 잔막이 되는 부분, 중간 두께가 되는 부분, 레지스트가 제거되는 부분의 세 가지 상태가 된다. 이에 따라 1회 노광으로 형성한 레지스트 패턴을 사용하여 적층된 두 개의 층에 순차적으로 에칭을 수행할 수 있어 공정 감소, 즉 비용 절감이 가능해진다. 초기에는 한국의 패널 제조업체에서 시작된 기술이지만, 현재는 상당히 일반적으로 사용되고 있다. 포토마스크 상의 반투과 부분 형성에 대해서는 반도체 제조에 비해 낮은 해상도를 역으로 이용하여 미세 패턴을 흐리게 하여 반투과 부분을 만드는 것과 임의의 투과율을 가진 박막을 추가로 적층, 패터닝하여 반투과 부분을 형성하는 것이 사용된다. 전자를 그레이톤 마스크, 슬릿 마스크 등으로 부르고, 후자를 스택드 레이어 마스크, 하프톤 마스크 등으로 부른다. 특허 명세서 등에서는 양자를 포함하여 그레이톤 마스크라고 부르는 예도 있다.[1]
3. 3. 인쇄 회로 기판(PCB)용 포토마스크
인쇄 회로 기판(PCB)은 반도체용 포토마스크처럼 고도로 미세한 가공이 필요하지 않고, 각 층에서 구리 층을 제거하거나 적층하는 비교적 단순한 공정에 사용되기 때문에 포토마스크가 간단하며, 제작 수량도 적다. 스루홀은 드릴로 뚫는 경우가 많지만, 패턴, 비아(바이어홀) 등의 도통(導通) 가공 처리에는 포토마스크를 사용한 공정이 사용된다. 마더보드 용도와는 달리, 주로 패턴이 미세한 소형 프린트 기판, LSI 패키지, 베어칩 등을 탑재하는 인터포저(서브스트레이트) 등의 제조에 사용된다.[1]
4. 주요 기술 및 문제점
포토마스크 제작에는 여러 기술적인 문제점과 과제가 존재한다. 주요 기술과 문제점은 다음과 같다.
- 마스크 오류 증폭 계수 (MEEF): 웨이퍼 상의 패턴 오차가 마스크 패턴 오차보다 커지는 현상을 나타내는 지표이다.[18] 예를 들어, 25 nm 웨이퍼 패턴은 100 nm 마스크 패턴에 해당하지만, 웨이퍼 허용 오차는 1.25 nm(5% 사양)일 수 있으며, 이는 포토마스크에서 5 nm로 변환된다. 전자빔 산란의 변화는 이를 쉽게 초과할 수 있다.[19][20]
- 펠리클: 포토마스크를 오염으로부터 보호하는 얇은 투명 막이다. 니트로셀룰로스나 폴리실리콘 등의 재료로 만들어지며, 마스크 패턴에서 충분히 떨어져 있어 펠리클에 붙은 중간 크기 또는 작은 크기의 입자는 초점이 흐릿하여 인쇄되지 않는다.[21][22]
- 미세화 및 가격 상승: 반도체 미세 공정 기술 발전에 따라 포토마스크 제작 비용이 기하급수적으로 증가하고 있다. 2008년 현재 65nm 세대 레티클 가격은 약 1억엔이며, 45nm 세대는 약 2억엔, 32nm 세대는 약 4억엔으로 증가할 것으로 예상되었다.[28] 이는 1990년대 0.5μm 마스크 세트의 수백만 엔 수준에 비해 크게 증가한 것이다.
- 위상 천이 마스크: 특징이 150 nm 이하인 경우, 이미지 품질을 향상시키기 위해 일반적으로 위상 천이 기술이 필요하다. 감쇠 위상 천이 배경 필름을 사용하거나, 노출된 석영을 에칭하여 에칭된 영역과 에칭되지 않은 영역 사이의 가장자리를 사용한다.
- 흡수체 필름: 최첨단 반도체 기능이 축소됨에 따라 흡수체 필름이 더 얇아지고 불투명도가 낮아지는 문제가 발생한다.[11] IMEC의 2005년 연구에 따르면, 더 얇은 흡수체는 이미지 대비를 저하시키고 선 가장자리 거칠기에 기여한다.[12]
- 침지 노광: 침지 노광 기술은 포토마스크 요구 사항에 큰 영향을 미친다. 감쇠 위상 천이 마스크는 패턴 필름을 통과하는 광 경로가 길어 "초고 NA" 리소그래피에 적용되는 높은 입사각에 더 민감하다.[15]
4. 1. 극복 방안 및 미래 기술
반도체의 미세화에 따라 포토마스크 제작 기술에도 높은 정밀도가 요구되고 있으며, 비용도 증가하고 있다. 1990년대 0.5μm 마스크 세트의 수백만 엔 수준에 비해 기하급수적으로 증가하고 있다.[28]시제품 제작 시 포토마스크 비용 증가를 피하기 위해 1세트의 마스크 세트에 여러 개의 시제품 칩을 탑재하여 비용을 분담하기도 한다.
1990년대 후반부터 일반화된 간섭을 이용한 포토마스크 상의 고안으로 노광 파장보다 미세한 회로 배선을 만들어내는 기술에서는, 포토마스크 검사에 1대당 35억엔~40억엔의 검사 장비가 필요하며, 이 검사만으로 포토마스크 비용의 약 40%를 차지하게 되었다.
향후 22nm 세대에서는 파장을 13.5nm의 극자외선(EUV)으로 노광하는 기술(극자외선 노광)이나, 포토마스크를 사용하지 않고 1만 개 이상의 다수의 전자빔을 병렬적으로 웨이퍼에 조사하여 회로 패턴을 그리는 기술 등의 사용이 연구되고 있다.[34]
5. 주요 포토마스크 제조업체
SPIE 연례 컨퍼런스, 포토마스크 기술 보고서는 SEMATECH 마스크 산업 평가를 포함하며, 여기에는 현재 산업 분석과 연례 포토마스크 제조업체 설문 조사 결과가 포함된다.[23]
2009년 세계 시장 점유율 순으로 주요 포토마스크 제조업체는 다음과 같다.
| 순위 | 기업명 | 비고 |
|---|---|---|
| 1 | 다이니폰 인쇄(Dai Nippon Printing) | |
| 2 | 토판(Toppan) 포토마스크 | |
| 3 | 포트로닉스(Photronics Inc) | |
| 4 | 호야(Hoya Corporation) | |
| 5 | 타이완 마스크 코퍼레이션(Taiwan Mask Corporation) | |
| 6 | 컴퓨그래픽스(Compugraphics) |
인텔(Intel), 글로벌파운드리(Globalfoundries), IBM, NEC(NEC Corporation), TSMC, UMC(United Microelectronics Corporation), 삼성, 마이크론(Micron Technology)과 같은 주요 반도체 제조업체들은 자체적으로 대규모 마스크 제작 시설을 보유하고 있거나 위에 언급된 회사들과 합작 투자를 하고 있다.
2012년 전 세계 포토마스크 시장 규모는 32억달러로 추산되었고,[24] 2013년에는 31억달러였다. 시장의 거의 절반은 자체 마스크 제작 시설(주요 반도체 제조업체의 사내 마스크 제작 시설)에서 차지했다.[25]
참조 소스 및 요약에 따르면, 주요 포토마스크 제조업체는 다음과 같다.
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