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포토마스크

포토마스크는 집적 회로 패턴을 포함하고 있습니다. 그리고 트랜지스터가 점점 작아짐에 따라 패턴의 정확한 전사를 위해 포토마스크 패턴이 더 복잡해졌습니다. 그에 따라 포토마스크 제조 공정 기술은 더 발전하게 되었고 포토마스크의 사소한 결함도 실리콘 소자 성능에 영향을 줄 수 있습니다. 포토마스크 패턴이 정확하고 결함이 없는지 검증하는 일은 특히 매출 수익이 높은 칩의 경우 매우 중요합니다.

포토마스크 는 일반적으로 6인치(~152mm) 정사각형 모양의 용융 실리카(석영 유리) 기판으로서 포토마스크를 덮고 있는 불투명, 투명, 위상 반전 영역 패턴은 리소그래피 공정에서 웨이퍼에 투영되어 집적 회로의 한 레이어 패턴을 형성하게 됩니다. 포토마스크 사이즈는 웨이퍼 사이즈와 무관하며 300mm 또는 200mm 웨이퍼를 노광하는 리소그래피 장비에서는 일반적으로 6인치 포토마스크가 사용됩니다.

웨이퍼 팹에서 포토마스크는 리소그래피 장비에 로딩되고 해당 장비는 포토마스크에 빛을 통과시켜 웨이퍼 표면에 패턴을 투사합니다. 이러한 패턴은 후속 패터닝 공정에서 웨이퍼에 물질을 증착하거나 제거하는 가이드 역할을 합니다(패터닝에 대한 자세한 내용은 여기 를 클릭). 소자의 각 레이어에서 포토마스크 이미지가 없는 영역에 물질이 증착되거나 제거되며, 이어지는 각 레이어에서는 다른 포토마스크가 사용됩니다. 이 패터닝 공정은 전체 칩 제조 과정 중 실리콘 웨이퍼 상에서 여러 번 반복되어 여러 층의 회로 패턴을 형성하고 수십억 개의 트랜지스터를 연결합니다.

패터닝에 사용되는 주요 포토마스크 유형은 다음과 같습니다.

  • 바이너리 마스크 – 설계 회로가 크롬(Cr) 같은 광흡수막으로 패터닝되는 포토마스크입니다. 웨이퍼 리소그래피 장비에 사용될 경우, 포토마스크를 통과해 전달되는 광패턴이 실리콘 웨이퍼의 포토레지스트 막에 이미징됩니다.

  • 위상 반전 마스크(PSM) – 바이너리 마스크와 유사하지만 몰리브데늄 실리사이드와 같이 빛의 일부만 통과시키고 위상을 바꾸는 광흡수막이 있는 포토마스크입니다. 이로 인해 포토마스크 복잡도가 증가하지만 웨이퍼 리소그래피 공정 마진은 향상됩니다.

포토마스크 제작은 반도체 제조공정에서 칩 디자인이 실제 형태로 나타나는 첫 번째 공정입니다. 다음은 블랭크 제조업체가 완료하는 단계와 마스크 메이커가 완료하는 단계를 중심으로 포토마스크 제작 공정을 요약한 것입니다.

완료: 블랭크 제조업체

  1. 석영 유리기판 제작. 최신 포토마스크의 블랭크 기판은 일반적으로 6인치 정사각형 모양이고 0.25인치의 두께를 가지고 있습니다. 보통 석영이라고 부르는 순수 용융 실리카로 제작됩니다. 기판 표면은 평탄도가 매우 높고 결함이 없어야 합니다.   

  2. 흡수층 증착. 기판 위에는 웨이퍼 리소그래피 장비에서 노광 빛을 차단할 수 있는 흡수층 박막이 있습니다. 바이너리 포토마스크의 경우 Cr 화합물이 가장 일반적인 흡수층입니다. PSM의 경우 몰리브데늄 실리사이드와 같은 특수한 위상반전 물질이 흡수층으로 사용되며 그 위에 크롬 재질의 패턴 전사막이 코팅됩니다.  

완료: 블랭크 제조업체

또는 마스크 메이커

  1. 포토레지스트층 도포. 흡수층 위에는 ALTA®와 같은 마스크 노광기가 노광할 수 있도록 포토레지스트층이 얇게 도포되어 있습니다 바이너리 포토마스크의 경우 블랭크 제조업체나 마스크 메이커가 포토레지스트를 도포합니다. PSM의 2차 레이어의 경우, 마스크 공정의 1차 레이어가 완료된 후 마스크 메이커가 코팅합니다.

완료: 마스크 메이커

  1. 노광. 코팅된 블랭크는 회로 패턴 데이터와 함께 마스크 노광기에 로딩됩니다. 마스크 노광기는 레이저빔이나 전자빔을 사용해 패턴 데이터를 포토레지스트에 노광합니다.  

  2. 베이크. 노광된 포토레지스트는 포토마스크의 모든 지점에서 온도가 고도로 균일하게 되도록 정확한 시간 동안 엄격히 통제된 방식으로 베이크됩니다.

  3. 현상. 필요한 패턴을 형성하기 위해, 포토레지스트 내의 이미지를 친수성 현상액으로 현상한 다음 잔류물이 남지 않도록 세척하고 건조시킵니다. 포토레지스트 이미지는 식각 공정 중 마스크 역할을 하기 때문에 이 현상 단계는 매우 중요합니다. 현상 중에 균일도 문제가 생기면 최종 패턴의 균일도가 불량해지기 때문입니다.

  4. 식각. 현상된 포토마스크는 식각 장비로 로딩됩니다. 식각 장비는 노광 및 현상 단계에서 드러난 흡수막 물질을 플라즈마를 사용해 정확히 식각해서 제거합니다. 건식 공정의 경우 포토마스크 표면의 최종 이미지에서 매우 수직한 측벽이 형성됩니다.  

  5. 제거 및 세정. 식각된 포토마스크는 세정 장비에 로딩되어 건식 플라즈마 또는 습식 화학물을 통해 포토레지스트가 제거됩니다. 그런 다음 포토마스크는 몇 가지 세정 단계를 거쳐 포토마스크에 있는 잔류 물질 또는 파티클이 제거됩니다.

  6. 측정. 형상 균일도와 배치를 검증하기 위해, 임계 치수(CD) 및 패턴 배치 정확도를 측정해서 고객사 기준 스펙을 만족하는지 확인하게 됩니다.

  7. 검사. 패턴 정확도 검증을 위해 포토마스크를 검사 장비에 로딩합니다. 결함이 발견되면 결함 유형이 분류되고 필요할 경우 리페어(repair) 공정을 진행할 수 있습니다 공정 흐름에 따라서는 포토마스크를 포장하여 웨이퍼 팹에 보내기 전에 추가로 최종 세정 및 검사 단계를 거칠 수 있습니다.   

무수히 반복되는 패턴으로 인해 포토마스크 현상 공정 전체를 통하여 청정도 요건은 매우 엄격합니다. 파티클이나 결함이 존재할 경우 생산된 칩의 불량 또는 고장으로 이어질 수 있습니다. 또한 베이크, 현상, 식각 공정의 균일도 불량은 포토마스크 패턴 크기 차이를 유발하여 칩 성능에 영향을 주게 됩니다.  

어플라이드 머티어리얼즈의 역할

레이저 노광 및 포토레지스트 공정부터 CD 정합성 및 검사까지 포토마스크 제조 공정 관련 30여 년의 경험을 갖고 있는 당사의 포토마스크, 광학, 시스템 설계 전문가가 제공할 수 있는 것은 다음과 같습니다.

  • 고도의 복잡한 공정 장비를 설계하고 통합하는 능력

  • 장비 성능이 품질과 수율에 미치는 원리 이해

  • 생산 환경에서 시스템 성능을 최적화하는 데 필요한 지식

포토마스크는 기존 제품의 수요 증가와 현 제품군에 추가되는 제품에 힘입어 어플라이드 머티어리얼즈에서 성장하는 사업 영역입니다. 200mm 장비 매출 회복에도 동일한 요인이 작용하고 있으며 결과적으로 모바일, 자동차, 사물인터넷 등 대규모 애플리케이션에 대한 포토마스크 생산 능력을 확대할 필요성이 늘어났습니다. 또한 차세대 기술 노드에서는 ALTA 마스크 노광기가 적합한 PSM 포토마스크 패터닝 사용이 증가하고 있습니다.

이러한 수요 증가에 대응하기 위해 어플라이드 머티어리얼즈는 다음과 같이 포토마스크의 중요 제조 공정을 위한 솔루션을 제공하고 있습니다.

  • 노광 – ALTA® 4700 Plus Mask Writer
    바이너리 마스크 및 위상반전 마스크(PSM)의 비용 효율적 패터닝용

  • 코팅 – 어플라이드 Sigmameltec™ CTS Mask Coat Series
    우수한 재현성과 초저 결함의 고품질 포토레지스트층

  • 세정 – 어플라이드 Sigmameltec™ MRC Mask Clean Series
    193i 및 EUV 마스크 고유의 포토레지스트 제거 및 세정 요구사항 만족

  • 베이크 – 어플라이드 Sigmameltec™ SFB Mask Bake Series
    정상 상태 온도 균일도와 마스크 전체를 통한 온도-시간 프로필의 일관성을 모두 고려하여 마스크의 모든 지점에서 재현성 있는 열노출 구현

  • 현상 – 어플라이드 Sigmameltec™ SFD Mask Develop Series
    노광된 포토마스크 패턴을 포토레지스트 윤곽으로 정확하게 전사

  • 식각 – Centura® Tetra™ EUV Advanced Reticle Etch & Tetra™ Z Photomask Etch
    EUV 포토마스크를 비롯해 10nm 이상의 로직 및 메모리 소자용 광학 리소그래피 포토마스크에 사용되는 신물질과 복합 필름 스택을 식각

  • 측정 – Holon Mask CD-SEM 및 Defect Review DR-SEM
    유전체 기판에서도 선명하고 정확한 이미지를 얻을 수 있고, 10nm 마스크 생산 및 7nm 마스크 개발에 대응할 수 있는 CD 측정 재현성 제공

  • 검사 – Aera4™ Mask Inspection
    더블 및 쿼드러플 패터닝 리소그래피 기술에 필요한 고도의 정밀 포토마스크 검사 수행 가능

 

노광

어플라이드 머티어리얼즈의 ALTA 마스크 노광기는 PSM 마스크에서 정렬된 레이어를 노광하기 위한 업계 표준이 되어 왔습니다. 또한 ALTA는 자동차, 모바일 기기, 센서, 사물인터넷용 칩 등 소비자 기기를 위한 대부분의 바이너리 포토마스크를 노광할 때도 사용됩니다. 업계 유일의 DUV 레이저 노광기로서 빠른 턴어라운드와 높은 수율을 제공합니다. 전도성 탑코트(topcoat)가 필요하지 않도록 ALTA는 레이저광으로 노광하여 공정 복잡도를 줄이고 수율을 개선합니다.

포토레지스트 처리 및 세정

어플라이드 머티어리얼즈의 Sigmameltec 마스크 포토레지스트 처리 및 세정 제품군은 형상 사이즈 관리 기준이 까다로운 차세대 포토마스크와 사이클 타임 및 소유비용이 중요한 기존 포토마스크에 모두 사용됩니다. 모듈식 설계의 Sigmameltec 장비는 다양한 공정 모듈과 물질로 인한 고객사의 요구사항에 맞게 조정할 수 있습니다.

결함 리뷰 및 측정

2016년, 어플라이드 머티어리얼즈는 북미와 유럽 지역에서 Holon의 마스크 CD-SEM 및 결함 리뷰 DR-SEM 제품의 독점 판매업체가 되었습니다. Holon의 최신 CD-SEM 장비는 유전체 기판에서도 선명하고 정확한 이미지를 얻을 수 있고 10nm 마스크 제조 및 7nm 마스크 개발에 대응할 수 있는 CD 측정 재현성을 제공합니다.

식각

당사의 포토마스크 제품군에는 광학 마스크 및 EUV 마스크용 Centura Tetra 건식 식각 시스템도 포함됩니다. Tetra Z 시스템은 로직 및 메모리 소자용 광학 리소그래피 포토마스크 식각에 필요한 최첨단 성능을 제공하며 탁월한 CD 성능으로 쿼드러플 패터닝용 액침 리소그래피를 확대 적용할 수 있습니다. Tetra EUV 시스템은 EUV 포토마스크에 사용되는 신물질과 복합 필름 스택을 식각할 수 있으며 반사 모드로 작동했을 때 높은 리소그래피 수율을 달성하기 위해 요구되는 엄격한 패턴 정확성과 표면 처리 및 결함률 요건을 충족시킬 수 있습니다.

검사

Aera4 마스크 검사 시스템은 표준 고해상도 애플리케이션 및 에어리얼 검사 모두에서 작동하며 광학 리소그래피를 사용하는 1x nm 기술 노드와 초기 생산 EUV 마스크 검사용으로 가장 선호되는 장비입니다. 이 시스템은 오 경보율을 매우 낮은 수준으로 유지하면서 더블/쿼드러플 패터닝 리소그래피에 요구되는 고도의 정밀 마스크 검사를 수행합니다.