2. [핵심만 알자!] 포토마스크, 그거 왜 필요한데?

 

질문: 포토 마스크? 반도체에 쓰이는건 알겠어? 패터닝할때 쓰는거라며? 근데 다른 방법은 없는거야?

 

결론: 응 없어

 

 

 

 

회로 패턴을 그릴때 손으로 그리면 얼마나 힘들겠는가? 인간은 도구의 동물, 패턴을 효율적으로 그릴 수 있는 방법을 고안했다. 그렇게 연구된게 마스크이다.

 

이 마스크를 가지고 물감으로 패턴을 그릴수도 있겠지만(장난이다.) 빛으로 그리는게 더 조밀하고 완벽한 패턴을 그리는데 적합하다는 결론을 당대의 천재들이 찾았다.

 

이런식으로 연구가 지속됬고 그 포토리소그래피를 이용하여 복잡한 집적회로를 대량으로 생산할 수 있게 됨으로써 반도체 제조 공정은 혁신적으로 변화했다. 특히 업계에서 일반적으로 사용되는 12인치와 같은 대형 웨이퍼를 다룰 때 이러한 확장성의 핵심은 포토리소그래피 공정의 처리량이다.

 

포토리소그래피 시스템의 생산성은 시간당 웨이퍼에서 측정될 수 있다. 하이엔드 시스템은 시간당 약 100개의 웨이퍼를 처리할 수 있으며, 이는 웨이퍼당 0.01시간으로 해석된다. 포토마스크 활용의 효율성은 매우 중요하며, 한 번의 노출은 1초도 걸리지 않으며, 시스템은 시간당 약 5000발의 촬영을 수행할 수 있다. 스캐너와 스텝퍼의 발전은 1X에서 5X 및 4X로 처리량뿐만 아니라 패턴의 정밀도와 특징 크기를 향상시켰다.

 

 

포토마스크에 대한 패턴 시간은 복잡성 및 원하는 해상도로 인해 최대 10시간까지 걸릴 수 있다. 해상도가 향상됨에 따라, 특히 요구되는 더 미세한 격자 크기로 인해 기입 시간이 증가하였다. 테넌트의 법칙은 실제 처리량과 해상도 사이의 상충 관계를 강조한다. 즉 Resolution 차이 4X, Tennant’s Low에 따르면 4X4X4X4X4(~1000)배 차이가 난다. 이걸  Photo Mask 방식으로 writing 한다면 1 Wafer에 10000h 소요 됨. 실제 Grid size를 크게 하면  1매에 1-100h 소요.)

 

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Direct writing time은 Photomask 사용보다 100-10000배 시간을 잡아먹는다.

즉 이것이 “Photomask 존재 이유” 이다.

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역사적으로 e-beam lithography가 optical lithography보다 해상도는 압도적으로 우수하.(수~수10배 이상) 

그러나 Optical litho(EUV포함)를 채택한 이유는 Mask를 쉽게 활용하는 대량 양산 기술이기 때문이다.

잊지 말자, 기업은 이익을 추구하는 집단이다. 시간도 돈이다.

 

그래프에서 mask를 사용하는 여러 litho. 기술들이 있지만, 해상도(e-beam litho), defect(nonoimprint)에 문제 있다.

참고로 Mask 제작은 Direct(Mask-less) e-beam lithography를 활용한다.

개인적으로 Nuflare 설비가 가장 인상 깊다.

 

해상도와 처리량 사이에는 본질적인 트레이드오프(trade-off)가 존재한다.

예를 들어, e-빔 리소그래피는 높은 해상도를 달성하지만 광학 리소그래피에 비해 낮은 처리량을 달성할 수 있다.
EUV 리소그래피는 합리적인 스루풋 레벨을 유지하기 위해 노력하면서 해상도의 한계를 극복함으로써 게임 체인저가 되었다. 그러나, 결함, 마스크의 복잡성 등의 문제는 여전히 과제로 남아있다.