포토마스크란? 어떻게 만들고, 한 세트는 왜 그렇게 비쌀까

포토마스크(photomask)는 레티클(reticle)이라고도 하며, 노광에 쓰는 ‘필름’이다. 회로 패턴이 그려진 투명한 석영판으로, 금속막이 있는 곳은 빛을 막고 막이 없는 곳은 빛을 통과시킨다. 노광 장비는 빛을 이 판에 통과시킨 다음 렌즈로 패턴을 축소해 웨이퍼에 찍는다. 칩의 패턴은 층마다 적어도 한 장의 포토마스크가 필요해, 한 세트는 흔히 수십 장에 이른다. 한 장 한 장을 극도로 가늘고 정확하게 그려야 하고 결함이 하나도 남아서는 안 되기 때문에 값이 비싸다.

포토마스크는 무슨 일을 할까? 도장과 같다

칩의 패턴은 빛으로 ‘찍어’ 만든다. 이 단계를 포토리소그래피라 하며, 대만 팹에서는 구어로 ‘노란 빛’이라고도 부른다. 웨이퍼에 빛에 반응하는 포토레지스트를 바르고, 포토마스크를 사이에 두고 빛을 비추면 빛을 받은 곳의 포토레지스트가 변하고, 이를 씻어 내면 패턴이 남는다. 전체 과정은 ‘포토리소그래피(포토 공정)란?’에서 다룬다.

포토마스크의 패턴은 보통 칩에 찍힐 크기의 4배로 그리고, 렌즈로 축소해 찍는다. 한 번에 작은 칸 하나만 찍는데, 이를 노광 영역(샷)이라 한다. 한 칸을 찍으면 웨이퍼를 조금 옮겨 다음 칸을 찍는다. 같은 도장으로 종이 한 장을 가득 찍는 것과 같다. 그래서 포토마스크에 점 하나가 더 있으면 모든 샷의 같은 위치에 점이 하나씩 더 생기고, 그것이 로트에서 로트로 계속 찍혀 나간다.

포토마스크는 어떻게 생겼을까?

• 아주 평평한 석영판: 흔히 한 변이 약 15cm(6인치), 두께가 6mm 남짓인 정사각형이다. 석영은 아주 순수한 유리로, 노광에 쓰는 자외선이 통과할 수 있다.
• 빛을 막는 금속막: 흔히 크롬이며, 회로 모양으로 그려진다.
• 보호막: 패턴 위에 떠 있으면서 패턴에 먼지가 앉지 않게 막아 준다(5단계에서 다룬다).

가장 앞선 극자외선(EUV) 노광 장비는 예외다. 포토마스크 자체가 빛을 반사하는 거울이고, 그 위에 빛을 흡수하는 패턴이 그려져 있다(‘극자외선(EUV)이란?’ 참고).

칩 하나에 왜 포토마스크가 수십 장이나 필요할까?

칩은 건물을 짓듯 한 층씩 쌓아 올린다. 맨 아래에는 트랜지스터, 즉 스위치가 있고, 그 위로 금속 배선이 한 층씩 올라간다. 층마다 모양이 다르므로 각각 적어도 한 장의 포토마스크가 필요하다. 가장 가는 몇 개 층은 두세 번으로 나누어 따로 찍기도 하는데, 그때마다 포토마스크가 한 장씩 든다. 그래서 한 세트는 흔히 수십 장이며, 공정이 앞설수록 더 많아진다.

포토마스크는 어떻게 만들까?

포토마스크는 마스크 숍이라 부르는 전문 공장에서 만든다. 팹이 직접 운영하는 곳도 있고, 다른 회사의 주문을 받아 만드는 곳도 있다. 방법은 웨이퍼의 포토 공정과 아주 비슷하다. 포토레지스트를 바르고, 빛을 쬐고, 현상하고, 식각한다. 차이는 포토마스크가 맨 처음의 필름이라 찍어 낼 원본 필름이 없다는 점이다. 한 획씩 직접 그릴 수밖에 없다.

1단계: 설계 파일을 ‘찍어 낼 수 있는’ 모양으로 고친다

• 무엇을: 칩 설계를 마치고 넘기는 것을 테이프아웃이라 한다. 가장 가는 층들의 패턴은 먼저 컴퓨터로 보정을 더하는데, 이를 OPC(optical proximity correction, 광학 근접 보정)라 한다. 원하는 모양과 일부러 조금 다르게 그리는 것으로, 예를 들어 선 끝에 작은 덩어리를 덧붙인다. 보정을 마친 패턴은 마스크 숍으로 넘어가 4배로 확대되고, 장비가 그릴 수 있는 작은 조각으로 나뉜다.
• 왜: 선폭이 노광에 쓰는 빛의 파장과 비슷하거나 그보다 가늘어서, 그대로 찍으면 모서리가 둥글어지고 선 끝이 짧아진다.
• 이렇게 하지 않으면: 찍힌 결과가 설계와 맞지 않아, 이어져야 할 곳이 이어지지 않는다. OPC는 ‘OPC란?’에서 다룬다.

2단계: 전자빔이나 레이저로 한 획씩 그린다

• 무엇을: 블랭크 마스크 한 장을 준비한다. 석영판에 크롬을 입히고, 그 위에 포토레지스트를 한 층 바른 것이다. 묘화 장비(mask writer)가 아주 가늘게 모은 전자빔으로 파일을 따라 작은 조각을 하나씩 노광한다. 그리 가늘지 않은 층은 레이저로 그리기도 한다.
• 왜: 전자빔은 아주 가늘게 모을 수 있어 가장 가는 패턴도 그릴 수 있다. 레이저는 더 빠르지만 그만큼 가늘게 그리지 못한다.
• 이렇게 하지 않으면: 그리는 동안 장비가 조금만 드리프트해도 그려진 패턴의 위치가 어긋난다. 웨이퍼에 찍으면 이 층이 아래층과 맞지 않게 된다(‘오버레이란?’ 참고).

3단계: 현상과 식각으로 패턴을 크롬에 새긴다

• 무엇을: 현상으로 빛을 받은 포토레지스트를 씻어 내(반대로 동작하는 포토레지스트도 있다) 아래의 크롬을 드러낸다. 드러난 크롬을 식각으로 제거하고, 남은 포토레지스트를 걷어 낸다.
• 왜: 실제로 빛을 막는 것은 크롬이고, 포토레지스트는 과정 중에 쓰는 틀일 뿐이다.
• 이렇게 하지 않으면: 크롬이 깨끗이 깎이지 않으면 빛이 통과해야 할 곳이 여전히 막혀 있고, 너무 많이 깎으면 선이 가늘어진다.

4단계: 측정, 검사, 수리

• 무엇을: 선폭과 위치가 정확한지 측정한다. 검사 장비가 판 전체를 훑으며 똑같은 두 패턴을 서로 비교하거나 설계 파일과 비교해, 남는 부분, 빠진 부분, 오염된 점을 찾는다. 찾아낸 결함은 아주 가는 전자빔이나 이온빔으로 남는 것은 깎아 내고 빠진 것은 채운다.
• 왜: 포토마스크에 찍혀 나올 만한 결함이 하나 있으면, 모든 웨이퍼의 모든 샷에 찍힌다.
• 이렇게 하지 않으면: 놓친 점 하나가 수많은 칩을 한꺼번에 망가뜨려 수율이 떨어질 수 있다. 수리할 수 없으면 한 장을 다시 만들 수밖에 없다.

5단계: 깨끗이 세정하고 펠리클을 붙인다

• 무엇을: 마지막으로 깨끗이 세정하고 한 번 더 검사한 뒤 펠리클(pellicle, 보호막)을 붙인다. 프레임이 아주 얇은 투명막을 받치고 있어, 패턴 위 몇 mm 높이에 떠 있다.
• 왜: 먼지가 막 위에 떨어지면 패턴과 너무 멀어 초점이 맞지 않으므로, 대개 찍히지 않는다.
• 이렇게 하지 않으면: 먼지가 패턴에 바로 떨어지면 모든 샷에 선명하게 찍힌다. 펠리클을 그 뒤 어떻게 관리하는지는 ‘마스크 엔지니어는 무슨 일을 할까?’에서 다룬다.

6단계: 케이스에 담아 팹으로 출하한다

• 무엇을: 전용 마스크 케이스에 담고 검사 보고서를 첨부해 팹으로 보낸다.
• 왜: 운송 중에 손이 닿아서도, 먼지가 들어가서도, 습기를 먹어서도 안 된다.
• 이렇게 하지 않으면: 운송 중에 파티클 하나가 펠리클 아래로 들어가 패턴에 앉으면 똑같이 찍힌다(막 위에 앉은 것은 대개 찍히지 않는다). 그래서 팹은 포토마스크를 받은 뒤 직접 한 번 더 검사한다.

전자빔으로 그릴 수 있다면, 왜 웨이퍼에 바로 그리지 않을까?

너무 느리기 때문이다. 포토마스크는 한 획씩 한 번만 그리면 된다. 그 뒤로 노광 장비는 샷마다 빛을 한 번만 쬐면 되니, 웨이퍼 한 장에 수십에서 백 개 넘는 샷을 찍어도 금방이고, 같은 포토마스크로 아주 많은 웨이퍼를 찍을 수 있다. 웨이퍼마다 전자빔으로 직접 그려서는 양산을 감당할 수 없다. 그래서 전자빔은 대부분 포토마스크 제작이나 연구, 아주 적은 수만 만드는 제품에 쓰인다.

포토마스크 한 세트는 왜 그렇게 비쌀까?

• 극도로 정확하게 그려야 한다: 패턴을 4배로 축소하면 오차도 함께 줄어든다. 하지만 칩에서 가장 가는 선은 폭이 수십 나노미터에 불과해서, 남은 아주 작은 오차로도 선폭이나 위치가 규격을 벗어날 수 있다.
• 결함이 하나도 남아서는 안 된다: 판 전체를 하나도 빠짐없이 검사하고 수리해야 한다. 검사만으로도 포토마스크 제작 시간의 큰 부분을 차지한다.
• 그리는 데 오래 걸린다: 보정이 많을수록 모서리와 가장자리가 많아지고, 그려야 할 획수가 늘어나 대개 더 오래 걸린다. 묘화 장비와 검사 장비는 모두 비싸서, 오래 붙잡고 있을수록 비용이 커진다.
• 한 세트가 여러 장이고, 용도는 하나뿐이다: 한 장 한 장이 이 칩의 이 층만을 위해 만들어져, 다른 칩에는 쓸 수 없다.
• 앞선 공정일수록 비싸다: 선이 더 가늘고, 보정이 더 많고, 장수가 더 많으며, 극자외선 포토마스크는 만들기가 더 어렵다.

이 비용이 칩 하나하나에 어떻게 나뉘는지는 ‘칩은 왜 이렇게 비쌀까?’에서 다룬다. 같은 이유로, 테이프아웃 뒤에야 설계 오류를 발견하면 포토마스크를 다시 만드느라 돈과 시간을 함께 잃는다.

fab24hr에서는

게임에는 포토마스크를 만드는 과정이 나오지 않으며, 마스크 숍은 전화로만 등장한다. 메인 스토리 ‘칩의 일생’의 프롤로그에서 Glowmere의 설계가 팹으로 넘어가 포토마스크 한 세트가 되는데, 이를 ‘테이프아웃’이라 한다. 챕터 3 ‘불량의 모양’에서 나는 개발 PIE 엔지니어다. 웨이퍼 맵 한 장에서 모든 샷의 같은 위치가 불량이고, 문제는 포토마스크를 따라다닌다. 오후 4시 마스크 회의에서는 다음 버전 마스크에 우리 쪽 TEG를 넣을 자리 두 칸을 남길지 정해야 한다.

포토마스크를 관리해 보고 싶다면 ‘출근’을 누르고 ‘직장인의 하루’를 고른 뒤, ‘오늘 나는’ 카드에서 ‘양산 팹’을 누르고 좌우로 넘겨 마스크 엔지니어(Beta 표시)로 가면 된다. 포토마스크가 팹에 들어온 뒤로는 내 담당이다. 오전 근무에는 세정을 마치고 돌아온 마스크를 직접 입고 검사한다. 오후 근무에는 펠리클에 긁힌 자국이 하나 있는데, 이 층은 예비 마스크가 없다. 저녁 근무에는 모든 샷의 같은 위치에 같은 점이 하나씩 있다. 게임 속 회사, 마스크 숍, 칩, 인물, 마스크 번호, 숫자는 모두 가상이다. 포토마스크를 어떻게 만드는지, 왜 비싼지는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼다. 다른 전문 용어는 반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이에서 찾아볼 수 있다.