마스크 엔지니어는 무슨 일을 할까?

팹의 마스크 엔지니어는 공장 안의 모든 포토마스크를 챙긴다. 마스크를 만드는 공장에서 받아들이고, 검사하고, 보관하고, 보호하며, 일정 기간 쓰면 장비에서 내려 다시 검사하고, 오염되거나 손상되면 세정이나 수리를 맡긴다. 포토마스크는 노광에 쓰는 ‘필름 원판’이다. 마스크가 웨이퍼에 패턴을 어떻게 찍는지는 ‘포토리소그래피(포토 공정)란?’에서 다뤘으므로 여기서는 다시 설명하지 않는다.

‘마스크 엔지니어’는 마스크를 전문으로 만드는 공장의 직무를 가리키기도 한다. 이 글이 다루는 것은 그 반대편, 즉 마스크가 팹에 들어온 뒤 그것을 잘 관리하는 사람이다.

마스크는 왜 전담하는 사람이 필요할까?

마스크는 일종의 ‘도장’이기 때문이다. 노광 장비는 같은 마스크로 웨이퍼 위를 한 칸씩 빈틈없이 찍어 나간다. 마스크에 점이 하나만 더 있어도, 모든 칸의 같은 위치에 점이 하나씩 더 생긴다.

게다가 웨이퍼 한 장만 찍는 것이 아니다. 같은 마스크로 오늘은 이 로트를 찍고, 내일은 다음 로트를 찍는다. 점 하나를 발견하지 못하면 로트에서 로트로 계속 찍혀 나가, 수많은 칩이 한꺼번에 불량이 되고 수율도 따라 떨어진다.

마스크는 값도 비싸다. 칩의 층마다 패턴에 적어도 마스크 한 장이 필요하고, 한 세트는 흔히 수십 장에 이른다. 한 장이 망가지면 예비 마스크가 없는 한 그 층은 진행할 수 없다. 그래서 마스크에 작은 문제가 생겼을 때 치르는 대가는 웨이퍼 한 장에 문제가 생길 때보다 훨씬 큰 경우가 많다.

마스크가 팹에 들어올 때는 무엇을 검사할까?

마스크는 마스크 숍에서 전용 케이스에 담겨 배송된다. 입고할 때 마스크 엔지니어는 먼저 세 가지를 확인한다.

• 이 마스크가 맞는지: 마스크의 번호가 맞아야 한다.
• 깨끗한지: 마스크 검사 장비로 전체를 한 번 스캔한다. 검사 장비는 파티클과 패턴 위에 있어서는 안 되는 것을 하나하나 밝은 점으로 표시한다.
• 출하 보고서와 맞는지: 마스크 숍이 출하 전에 검사했어도, 운송 도중에 문제가 생길 수 있다.

공장에 따라서는 테스트 웨이퍼 한 장을 먼저 노광해 선폭을 측정하고 결함을 본 뒤, 문제가 없어야 로트 전체를 올린다. 이를 시험 노광이라고 한다.

펠리클은 무슨 역할을 할까?

마스크 위에는 투명한 얇은 막이 덮여 있는데, 이를 펠리클(pellicle)이라고 한다. 둘레의 프레임이 막을 받쳐, 패턴 위로 몇 밀리미터 떠 있게 한다.

이 몇 밀리미터가 중요하다. 노광 장비의 초점은 패턴에 맞춰져 있다. 먼지가 막 위에 떨어지면 초점에서 너무 멀어서, 찍혀도 흐릿하게 번져 대부분 보이지 않는다. 먼지가 패턴 위에 바로 떨어지면 또렷하게 찍혀 나온다. 펠리클은 먼지가 ‘초점이 맞지 않는 곳’에 떨어지게 하는 장치다. 클린룸이 아무리 깨끗해도 공기 중에는 아주 적은 양의 파티클이 남아 있으므로(‘클린룸은 얼마나 깨끗할까?’), 이 한 겹이 필요하다.

펠리클 자체도 관리해야 한다.

• 매우 얇아서 직접 만져서는 안 된다.
• 노광 빛을 오래 받으면 서서히 열화되므로, 사용량에 상한이 있다.
• 막이 긁히거나 찢어지면 먼지가 패턴 위로 들어갈 수 있으므로, 대개 떼어 내고 새것으로 바꾼다.

극자외선용 마스크는 빛을 반사하는 다른 종류의 마스크로, 펠리클을 만들기가 더 어렵다. 매우 쉽게 흡수되는 빛을 통과시켜야 하고, 빛을 받아 뜨거워지기도 하기 때문이다. ‘극자외선(EUV)이란?’에서 볼 수 있다.

마스크에는 왜 ‘헤이즈’가 생길까?

헤이즈(haze)는 마스크를 일정 기간 쓴 뒤 표면에 아주 미세한 결정이 서서히 자라나, 유리에 김이 서린 것처럼 보이는 것을 말한다.

먼지가 떨어진 것이 아니라 ‘자라난’ 것이다. 흔히 이렇게 설명한다. 마스크 표면에 아주 적은 양의 화학 물질, 예를 들어 세정 때 남은 이온이 남아 있다가, 노광 빛과 공기 중의 수분을 만나 서서히 반응해 결정이 된다. 연구에서 밝혀진 주성분은 황산암모늄이다. 노광을 많이 할수록 빨리 자라고, 노광에 쓰는 빛의 파장이 짧을수록 이 문제가 더 두드러진다.

처음에는 결정이 통과하는 빛을 조금 어둡게 할 뿐이어서, 선폭이 약간 틀어질 수 있다. 결정이 커지면 웨이퍼에 그대로 찍힌다. 그래서 마스크는 평소에 전용 케이스와 보관함에 넣어 되도록 깨끗하고 건조하게 유지해, 결정이 천천히 자라게 한다.

일정 기간 쓴 마스크는 왜 다시 검사할까?

입고할 때 깨끗했다고 해서 계속 깨끗하다는 뜻은 아니기 때문이다. 헤이즈는 서서히 자라고, 옮기거나 장비에 올리고 내릴 때마다 파티클이 묻을 수 있다. 정전기와 전기장조차 마스크 위의 아주 가는 선을 손상시킬 수 있다.

그래서 마스크를 일정 기간 쓰면 장비에서 내려 다시 한 번 스캔한다. 너무 자주 검사하면 마스크를 쓸 수 없는 시간이 늘고, 너무 드물게 검사하면 문제가 커진 뒤에야 발견될 수 있다. 얼마나 자주 검사하는 것이 가장 경제적인지도 연구 대상이다.

웨이퍼 쪽에서도 함께 지켜본다. 현상 후 검사에서 모든 칸의 같은 위치에 같은 점이 있으면 이를 반복 결함이라고 하며, 거의 틀림없이 마스크 문제다. 한 칸에만 나타나는 것은 웨이퍼 위의 파티클일 가능성이 더 크다.

마스크 한 장 한 장에는 이력도 있다. 언제 입고되었는지, 펠리클을 붙인 지 얼마나 되었는지, 얼마나 노광했는지, 검사 때마다 무엇이 보였는지가 기록된다.

마스크가 오염되거나 손상되면 어떻게 할까?

먼저 사용을 멈추고 예비 마스크로 바꾼 뒤 조사한다. 마스크를 장비에서 내리고, 예비가 있으면 바꿔 끼운 다음, 문제의 마스크를 검사 장비에 올려 확대해 본다. 이어서 거슬러 올라가 찾는다. 이 점은 어느 로트부터 있었을까? 해당 로트들은 먼저 홀드하고, 그 로트를 맡은 사람에게 판단을 넘긴다. 아직 식각에 들어가지 않은 로트는 리워크할 수 있다.

처리 방법은 무엇을 발견했느냐에 따라 달라진다.

발견한 것	흔한 처리
펠리클 위의 작은 먼지	대부분 찍히지 않는다: 위치를 기록해 두고 계속 추적한다
펠리클 아래, 패턴 위에 떨어진 파티클	펠리클을 떼고 세정한 뒤 새 펠리클을 붙이고 다시 검사한다
헤이즈	펠리클을 떼고 결정을 씻어 낸 뒤 새 펠리클로 바꾼다. 마스크 숍에 보내 처리하는 경우가 많다
펠리클의 긁힘이나 찢어짐	새 펠리클로 바꾼다
패턴 자체에 한 부분이 더 있거나 빠짐	세정으로는 없앨 수 없다: 마스크 숍에 보내 아주 가는 전자빔, 이온빔 등으로 수리하고, 수리할 수 없으면 새로 만든다

빠뜨려서는 안 되는 것이 두 가지 있다. 첫째, 세정하거나 수리했거나 펠리클을 바꾼 마스크는 반드시 한 번 더 스캔하고, 때로는 시험 노광까지 한 뒤에야 다시 쓴다. 둘째, 마스크는 무한히 세정할 수 없다. 세정할 때마다 마스크 위에 패턴을 이루는 막(펠리클이 아니다)도 조금씩 깎여 나갈 수 있고, 빛이 통과하는 정도도 그만큼 달라진다.

마스크를 보낸 며칠 동안 그 층은 예비 마스크에만 의지해야 한다. 예비가 없으면 그 층의 로트는 기다려야 한다.

fab24hr에서는

‘출근’을 누르고 ‘직장인의 하루’를 고른 뒤, ‘오늘 나는’ 카드에서 ‘양산 팹’을 누르고 좌우로 넘겨 마스크 엔지니어(Beta 표시)를 고르면 바로 이 역할이다. 하루의 대부분을 포토 구역과 내 자리 사이를 오가며 보낸다. 그 구역이 왜 노란색인지는 ‘포토 구역은 왜 노란색일까?’에서 볼 수 있다. 네 근무는 게임을 연 시각에 따라 정해진다.

• 심야 근무 ‘헤이즈’: 이번 주 마스크 온콜은 나다. 03:10, 마스크 검사 장비가 한 마스크에 헤이즈를 보고했고, 다음 로트가 노광 장비 앞에서 그 마스크를 기다리고 있다. 집에서 기록과 이미지를 보고, 계속 잠가 둘지, 예비 마스크로 바꿀지, 일단 장비에 올릴지 정한다. 날이 밝으면 세정 의뢰서를 쓴다.
• 오전 근무 ‘세정에서 돌아온 마스크’: 이틀 전에 세정을 보낸 마스크가 돌아왔고, 출하 보고서에는 깨끗하다고 적혀 있다. 직접 입고 검사를 하며 한 줄씩 대조하다가, 펠리클 아래에 아주 작은 입자 하나가 더 있는 것을 발견한다. 마스크 숍에 사실대로 알릴까? 10:30의 긴급 로트가 이 마스크를 써야 하는데, 먼저 한 장 시험 노광을 해 볼까?
• 오후 근무 ‘펠리클 위의 선 하나’: 한 마스크의 펠리클에 스크래치가 하나 있는데, 이 층에는 예비가 없다. 사광 램프 아래에서 스크래치가 막 위에 있는지 패턴 위에 있는지 가려낸 뒤, 계속 쓸지, 펠리클 교체를 보내고 이 층을 이틀 동안 멈출지 정한다.
• 저녁 근무 ‘같은 위치’: 포토 공정 엔지니어에게서 전화가 온다. 모든 샷의 같은 위치에 같은 점이 있다는 것이다. 포토 쪽에 먼저 예비 마스크로 바꿔 달라고 할까? 마스크를 내려 보니 외부에서 들어온 입자여서, 마스크 숍에 세정을 보내야 하고 왕복 약 이틀이 걸린다. 포장하기 전에 마스크 전체를 한 번 더 스캔하고, 예비 마스크도 확인해 볼까? 마지막으로 이 점이 어느 로트부터 있었는지도 찾아야 한다.

게임 속 회사, 마스크 숍, 인물, 마스크 번호, 로트 번호, 숫자는 모두 가상이다. 마스크 엔지니어가 무엇을 챙기는지, 헤이즈와 펠리클이 무엇인지는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼으며, 실제 업무 분담은 회사마다 다르다. 다른 전문 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.