OPC란? 포토마스크의 패턴은 왜 칩의 패턴과 다를까

OPC는 광학 근접 보정(optical proximity correction)의 줄임말이다. 포토마스크를 만들기 전에 마스크 위의 패턴을 일부러 설계도와 다르게 고쳐 두면, 빛을 비춰 웨이퍼에 찍힌 패턴이 오히려 설계에 가까워진다. 칩의 선이 노광에 쓰는 빛의 파장보다 가늘어서, 빛이 패턴을 ‘둥글게 뭉개’ 버리기 때문이다. OPC는 이 뭉개짐을 미리 계산에 넣는 것이다. 광학 근접 효과 보정이라고도 한다.

포토마스크가 어떻게 패턴을 웨이퍼에 찍는지는 ‘포토리소그래피(포토 공정)란?’, 포토마스크 자체는 ‘포토마스크란?’을 참고하자. 이 글은 포토마스크의 패턴을 왜 미리 고쳐야 하는지만 다룬다.

설계도대로 마스크를 그리면 되지 않나?

그렇게는 안 된다. 노광 장비가 지금 흔히 쓰는 심자외선은 파장이 193nm인데, 칩에서 가장 가는 선은 폭이 수십 nm에 불과해 빛의 파장보다 가늘다.

빛은 아주 좁은 틈을 지나면 퍼지는데, 이를 회절이라 한다(‘EUV란?’에서 다뤘다). 틈이 좁을수록 더 넓게 퍼진다. 노광 장비의 렌즈는 퍼진 빛의 일부만 받아들일 수 있고, 가장 넓게 퍼진 빛은 받지 못한다. 그런데 패턴의 가장 미세한 부분은 하필 그 빛에 담겨 있다.

그래서 찍힌 패턴은 굵은 펜으로 아주 섬세한 그림을 따라 그린 것과 같다. 대략적인 모양은 남지만, 뾰족한 곳은 둥글어지고 가는 곳은 흐릿해진다.

찍히면 어떤 모양이 될까?

• 모서리가 둥글어진다: 설계도의 직각이 찍히면 둥근 모서리가 된다.
• 선 끝이 짧아진다: 가는 선의 끝부분이 설계보다 한 토막 짧게 찍힌다. 양쪽 모서리가 둥글어지면서 끝이 안쪽으로 물러나기 때문이다.
• 촘촘한 곳과 홀로 떨어진 곳이 다르게 찍힌다: 같은 폭으로 그린 선이라도 옆에 다른 선이 빽빽한 경우와 옆이 텅 빈 경우에 찍힌 선폭이 다르다.

세 번째가 ‘근접’이라는 말을 가장 잘 설명한다. 선 하나가 어떻게 찍히는지는 그 선만이 아니라 주변에 무엇이 있는지에도 달려 있다. 주변 패턴에서 퍼진 빛이 이쪽으로 비쳐 와 겹치기 때문이다. 이를 광학 근접 효과라 하며, OPC가 바로잡는 것이 이것이다.

보정하지 않으면 어떻게 될까? 선 끝이 너무 짧아지면 위아래 층 사이를 잇는 작은 구멍에 닿지 못해 회로가 끊길 수 있다. 같은 종류의 선이 위치마다 넓거나 좁으면, 원래 똑같아야 할 스위치가 빠르거나 느리게 만들어질 수 있다.

OPC는 어떻게 ‘미리 비틀어’ 그릴까?

활을 쏠 때 바람이 오른쪽으로 분다는 것을 알면 왼쪽을 조금 겨냥하는 것과 같은 이치다. 빛이 패턴을 어떻게 뭉갤지 알기 때문에, 미리 반대 방향으로 고쳐 둔다. 흔히 쓰는 방법은 다음과 같다.

• 모서리에 작은 사각형 붙이기: 튀어나온 모서리 바깥에 작은 조각을 덧붙이면 모서리가 덜 둥글어진다(그래도 조금은 둥글다).
• 선 끝 늘리기: 선의 끝을 조금 더 길고 넓게 그려 작은 망치 모양으로 만들면, 줄어든 뒤에 딱 맞는 위치에 온다.
• 주변에 따라 선폭 조정하기: 홀로 떨어진 선과 촘촘한 선을 마스크 위에서 서로 다른 폭으로 그려야 찍힌 결과가 같아진다.
• 옆에 찍히지 않는 가는 선 더하기: 홀로 떨어진 패턴 옆에 아주 가는 선을 몇 개 더한다. 너무 가늘어서 그 자체는 찍히지 않고, 빛이 촘촘한 패턴 속에 있을 때처럼 행동하게 만들 뿐이다. 너무 굵게 그리면 그 선까지 찍히므로 정확하게 계산해야 한다.

OPC는 단계별로 어떻게 할까?

1단계: 설계도를 받아 목표로 삼는다

칩 설계가 끝나 테이프아웃되면, 층마다 패턴이 마스크를 만드는 쪽으로 넘어온다. 이 그림이 곧 ‘웨이퍼 위에 최종적으로 이렇게 나와야 한다’는 목표이고, 이후 모든 단계가 이것과 비교한다. 이 그림대로 바로 마스크를 만들면, 찍힌 결과는 앞 절에서 본 것처럼 모서리가 둥글고 선이 짧고 촘촘함에 따라 들쑥날쑥한 모양이 된다.

2단계: 컴퓨터로 ‘비추면 어떻게 찍힐지’ 계산한다

컴퓨터는 이 그림을 마스크로 보고, 빛이 마스크를 지나 렌즈를 거쳐 포토레지스트에 닿고 현상된 뒤 어떤 패턴이 남는지 계산한다. 실제로 마스크를 만들고 웨이퍼를 찍어 측정하면 비싸고 느리지만, 컴퓨터는 층 전체를 먼저 한 번 계산해 볼 수 있다. 계산 규칙(모델이라 한다)은 먼저 웨이퍼에 테스트 패턴을 잔뜩 찍고 전자 현미경으로 측정한 뒤, 실제와 맞도록 조정해 둔 것이다. 모델이 정확하지 않으면 뒤에서 아무리 많이 고쳐도 정확하게 고칠 수 없다.

3단계: 목표와 비교해 다른 곳의 마스크 패턴을 고친다

패턴의 가장자리(엣지)를 작은 구간으로 잘게 나눠 한 구간씩 비교한다. 찍힌 결과가 안쪽으로 줄었으면 마스크의 그 구간을 조금 바깥으로 밀고, 바깥으로 튀어나왔으면 조금 안쪽으로 당긴다. 모서리의 작은 사각형, 선 끝의 작은 망치도 이 단계에서 덧붙인다. 옆의 가는 선은 이 단계에서, 또는 그보다 앞서 넣는다. 고치지 않으면 모서리가 둥글어지고 선 끝이 짧아져 위아래 층 사이를 잇는 작은 구멍과 맞지 않을 수 있다.

4단계: 다시 계산하고, 충분히 가까워질 때까지 반복한다

고친 그림을 다시 계산해 구간마다 목표와 얼마나 차이 나는지 본다. 한 구간을 밀면 옆의 몇 구간도 찍히는 모양이 따라 변하므로, 여러 번 오가며 모든 구간이 허용 범위 안에 들어올 때까지 반복해야 한다. 한 번만 고치면 어떤 곳은 지나치게 고쳐지고 어떤 곳은 아직 모자라는 경우가 많다.

5단계: 검사: 두 선이 붙지는 않을까

층 전체를 다시 계산하는데, 가장 이상적인 포커스(초점)와 노광량만이 아니라 조금 벗어난 조건에서도 계산한다. 두 선이 너무 가까워 붙어 버리는 곳(단락), 선이 너무 가늘게 깎여 끊어지기 직전인 곳, 보조로 넣은 가는 선 자체가 찍혀 나오는 곳을 찾는다. 노광 장비의 상태는 매일 조금씩 틀어지므로, 가장 이상적인 조건에서만 맞으면 양산에서 문제가 생길 수 있다. 마스크를 만든 뒤에야 발견하면 한 장을 다시 만들어야 한다.

6단계: 마스크 숍에 넘겨 마스크를 만든다

검사를 통과한 그림은 마스크 제작 장비가 읽을 수 있는 파일로 변환해 마스크 숍에 보낸다. 고친 그림에는 작은 사각형과 작은 구간이 많이 더해져 데이터가 원래보다 훨씬 커지고, 마스크를 만드는 데도 더 오래 걸리고 더 비싸진다. 마스크가 완성되면 그 위의 패턴은 더 이상 고쳐 그릴 수 없고, 고치려면 한 장을 다시 만드는 수밖에 없다.

왜 그렇게 많은 컴퓨터로 계산해야 할까?

양이 너무 많기 때문이다. 마스크 한 층의 패턴은 셀 수 없이 많고, 가장자리마다 여러 구간으로 나눠 구간마다 빛을 계산해야 한다. 한 구간을 밀면 옆에도 영향을 주니 여러 번 계산해야 하고, 마지막에는 여러 가지 포커스와 노광량 조건에서 다시 검사해야 한다. 칩 하나에는 수십 개 층이 있고, 가장 미세한 층들은 모두 이렇게 해야 하므로 많은 컴퓨터가 함께 계산한다.

초기의 방법은 표를 찾아보는 쪽에 가까웠다. 선이 얼마나 넓고 옆에 빈 공간이 얼마나 있으면 얼마만큼 더한다는 식이다. 패턴이 복잡해지자 표로는 다 적을 수 없어, 구간마다 시뮬레이션으로 계산하는 방식으로 바뀌었다. 1990년대 말 무렵 선이 빛의 파장보다 가늘어지기 시작했고, 칩 전체에 OPC를 적용하는 것도 그때부터 쓰이기 시작했다.

OPC만으로 해결할까?

아니다. 노광 쪽에도 방법이 있다. 렌즈와 웨이퍼 사이에 물을 한 층 넣거나(액침 노광), 너무 촘촘한 패턴을 두세 번에 나눠 찍거나(멀티 패터닝), 파장이 훨씬 짧은 극자외선으로 바꾸는 것이다(‘포토리소그래피(포토 공정)란?’, ‘EUV란?’ 참고). 이 방법들은 흔히 OPC와 함께 쓰이며, 극자외선을 써도 OPC는 여전히 해야 한다.

fab24hr에서는

‘출근’을 누르고 ‘직장인의 하루’를 고른 뒤, ‘오늘 나는’ 카드에서 ‘개발 라인’을 누르고 좌우로 넘겨 개발 공정 엔지니어로 간 다음, 이름 아래의 ‘포토’를 누르면 포토 개발 공정 엔지니어가 된다(Beta 표시). 네 근무 중 어느 근무를 하게 될지는 게임을 연 시간에 따라 정해지며, 오후 근무 ‘두 개의 윈도우’가 바로 이 글의 이야기다. 콘택트 층의 다음 버전 마스크가 다음 주에 확정된다. 지난번 노광 조건을 찾을 때는 밀집된 구멍만 측정했는데, 칩의 다른 영역에는 고립된 구멍이 있다. 두 구멍을 함께 측정하면 고립된 구멍은 쓸 수 있는 범위가 더 좁아서, 둘 다 딱 맞는 곳은 아주 작은 영역만 남는다. 4시 마스크 회의에서 포토의 의견을 말해야 한다. 고립된 구멍 옆에 보조 패턴을 넣으면 마스크 데이터를 한 번 더 돌려야 해서 이틀 늦어진다. 넣지 않으면 마스크는 원래 일정대로 나오지만, 양산 팹은 근무조마다 모니터 웨이퍼를 한 장씩 더 재며 포커스를 지켜봐야 한다.

마스크 패턴의 보정 가운데 게임에서 결정하는 것은 보조 패턴뿐이다. 용어 카드 ‘보조 패턴’의 ‘조금 더 알아보기’에서는 이것이 광학 근접 보정의 일부라고 설명하지만, 컴퓨터가 구간마다 계산하며 패턴을 고치는 과정은 게임에 나오지 않는다. 메인 스토리 ‘칩의 일생’의 프롤로그 ‘테이프아웃’에서 Glowmere의 설계가 팹으로 넘어가 포토마스크 한 세트가 된다. 게임 속 회사, 인물, 장비, 숫자는 모두 가상이다. OPC가 무엇을 하는지, 왜 하는지는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼다. 다른 전문 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.