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포토마스크(Photomask) – 네이버 블로그
반도체ㆍLCD 공정에 필수로 사용되는 핵심 소재인 포토마스크는 엔지니어가 설계한 전자회로를 노광시스템(Manufacturing Beam Exposure System)을 …
Source: m.blog.naver.com
Date Published: 9/14/2022
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- Author: 디벨럽_DEVELOP
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- Date Published: 2020. 7. 2.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=3GAwysbyHhU
포토마스크는 집적 회로 패턴을 포함하고 있습니다. 또한 트랜지스터가 점점 작아짐에 따라 패턴을 실리콘 웨이퍼에 정확히 전달하기 위해 포토마스크 패턴이 더 복잡해졌습니다. 포토마스크의 사소한 결함 하나라도 실리콘 디바이스 성능에 영향을 미칠 수 있으며 그에 따라 포토마스크 제조 공정 기술은 더 발전하게 되었습니다. 포토마스크 패턴이 정확하고 결함이 없는지 검증하는 일은 매출 수익이 높은 칩의 경우 더욱 중요합니다.
포토마스크는 일반적으로 6인치(약 152mm) 정사각형 모양의 용융 실리카(쿼츠) 기판으로서 리소그래피 공정에서 웨이퍼에 투영되어 직접 회로의 레이아웃 한 층을 형성하는 불투명, 투명 및 위상-반전 영역의 패턴으로 덮여 있습니다. 포토마스크의 크기는 웨이퍼의 크기와 무관하며, 일반적으로 300mm 또는 200mm 웨이퍼를 노광하는 리소그래피 장비에는 6인치 포토마스크가 사용됩니다.
포토마스크는 어플라이드에서 비중이 확대되고 있는 분야로, 레이저 라이팅과 레지스트 공정에서 임계치수(CD) 적합성과 검사에 이르기까지 포토마스크 생산에 관련된 포토마스크, 광학, 시스템 설계 전문가들의 심도있는 경험을 활용하고 있습니다. 200mm 웨이퍼 제조산업의 부활을 이끄는 동일한 요인들이 모바일, 자동차, 사물인터넷 애플리케이션의 대량 생산을 위한 포토마스크의 제조 수요를 증가시켰습니다. 이러한 수요 증가에 대응하기 위해 어플라이드 머티어리얼즈 시스템은 포토마스크 제조 공정의 중요한 부분을 해결합니다.
“포토마스크가 없다”…반도체 수급난 악화
반도체 공정에 필요한 ‘포토마스크’ 수급에 비상이 걸렸다. 공급 부족으로 가격이 오르고 납기가 지연되는 것으로 나타났다. 해소될 기미가 보이지 않는 반도체 수급난이 더욱 가중될 것으로 전망된다.
포토마스크 수급 상황이 악화하면서 포트로닉스(구 피케이엘)·토판·DNP·TMC 등 주요 업체에 주문이 몰리고, 가격이 뛰고 있다. 고사양 제품의 경우 5~15%, 저사양 포토마스크는 15~25%의 가격 인상이 예상된다. 포토마스크 가격이 오르는 건 매우 이례적인 일이다. 수요가 몰리면서 몸값이 뛰고 있을 뿐만 아니라 웃돈을 주고도 제때 포토마스크를 구하기 어려운 것으로 알려졌다. 통상 4~7일 걸리던 납기가 최근에는 14일로 2~3배 이상 늘었다. 일부는 기존 대비 납기일이 7배까지 연장됐다.
포토마스크 부족 현상은 시스템 반도체, 특히 디스플레이구동칩(DDI)과 차량용 반도체에 많이 쓰이는 8인치 파운드리에서 심각한 것으로 파악됐다. 8인치 파운드리 업체 관계자는 25일 “가격 인상도 우려되지만 포토마스크 납품 기간이 점점 늦어진다는 게 더 걱정”이라고 말했다. 일부 파운드리 업체는 납품 지연을 감안, 선주문 방식으로 수급 불안에 대처하고 있다.
포토마스크 부족은 곧 반도체 출하 지연으로 이어져 반도체 수급난을 부추길지 우려된다. 반도체 칩을 제조하는 파운드리 가격도 다시 오르고 있다. 포토마스크 등 반도체 제조용 소재·부품부터 완제품인 칩 제조 단가까지 지속 상승하면서 반도체 부족 현상이 내년에도 풀리지 않을 것이란 어두운 전망까지 나왔다. 팻 겔싱어 인텔 최고경영자(CEO)는 최근 “2023년까지는 수요·공급 균형이 유지되지 않을 것”이라고 말했다. 산자이 메흐로트라 마이크론 CEO도 “전 분야에 걸친 반도체 수요 폭증으로 공급 부족이 2023년까지 지속될 수 있다”고 경고했다.
◇포토마스크=순도 높은 석영(쿼츠)을 가공해 만든 기판 위에 반도체 회로 패턴을 형상화해서 새겨 놓은 것. 사진 원판인 필름 역할을 담당한다. 미세한 회로를 그리기 위해 반도체 회로보다 크게 제작되며, 포토마스크에 빛을 투과하고 렌즈로 축소해서 웨이퍼에 조사하는 방식으로 설계한 반도체 회로를 그린다.
[표]2021년 포토마스크 시장 성장세 전망 설문조사자료=미국 이빔이니셔티브(eBeam Initiative)
*포토마스크·반도체장비·설계자동화 툴 및 설계자산(IP), 반도체 업체, 연구기관 등 44개 업체 대상
윤건일기자 [email protected], 권동준기자 [email protected]
포토마스크(Photomask)
반도체ㆍLCD에 전자회로 새기는 ‘필름’
노광공정 핵심 소재 … 제품 집적도ㆍ해상도 좌우
반도체용 4분의 1크기 축소ㆍLCD는 일대일 대응
글로벌 업체 한국 내 생산라인 … 근접공급 강화
반도체ㆍLCD 공정에 필수로 사용되는 핵심 소재인 포토마스크는 엔지니어가 설계한 전자회로를 노광시스템(Manufacturing Beam Exposure System)을 이용해 석영기판 위에 형상화한 제품입니다.
회로가 새겨진 포토마스크를 감광액(photoresist)이 입혀진 반도체 원판(웨이퍼)이나 LCD 유리기판 위에 놓고 빛을 쪼이면 빛이 통과해 닿은 부분만 화학반응이 일어나면서 반도체 칩과 LCD 유리기판 위에 회로 패턴이 형성되죠.
노광(exposure)공정으로 불리는 이 과정은 기본적으로 사진을 인화하는 과정과 같기 때문에 여기서 포토마스크라는 이름이 유래됐습니다. 피사체가 담긴 필름으로 사진을 현상하는 것과 마찬가지로, 포토마스크는 반도체나 LCD를 제작할 때 필름과도 같은 역할을 하는 것입니다. 그렇기 때문에 포토마스크의 품질은 반도체 집적도와 LCD 해상도 등을 좌우할 만큼 매우 중요합니다.
포토마스크에 새겨진 회로선폭은 미크론(㎛, 백만분의 1미터) 단위에서 최근 나노미터(㎚, 10억분의 1미터) 수준까지 발전했습니다. 나노(nano)는 난쟁이를 뜻하는 그리스어 나노스(nanos)에서 유래했는데, 1나노미터는 사람 머리카락 굵기(60∼95마이크론)의 10만분의 1정도에 해당할 정도로 극미세한 크기입니다.
◇반도체와 LCD용 포토마스크=칩의 크기가 작아질수록 하나의 웨이퍼에서 더 많은 칩을 생산해 낼 수 있기 때문에, 포토마스크에 새겨지는 회로선폭도 점점 더 미세해지고 있는 추세입니다. 이와 관련 현재 삼성전자ㆍ인텔 등 세계적인 반도체 기업들은 60나노미터 이하 공정 수준까지 진보돼 있는 상황입니다. 이에 따라 포토마스크 기술도 반도체 공정의 정교함과 복잡성에 발맞춰 획기적인 기술 진보를 거듭하고 있습니다.
한편, 반도체 칩에 4분의 1크기로 축소돼 회로 패턴이 그려지는 반도체 공정용 포토마스크와는 달리, 회로 패턴이 마더글라스(mother glass)에 일대일 크기로 대응하는 LCD 공정용 포토마스크는 제품 크기가 기술의 화두입니다. 때문에 가로ㆍ세로 2미터가 넘어가는 7∼8세대 LCD 공정에 대응키 위해 포토마스크 크기도 가로ㆍ세로 1미터 이상으로 커져야만 하는 추세입니다.
◇글로벌 시장 경쟁 상황=전세계 포토마스크 시장과 관련, 반도체 부문은 미국 포트로닉스와 일본 토판인쇄ㆍ다이니폰프린팅(DNP) 등이, 디스플레이 부문에서는 LG마이크론을 비롯해 포트로닉스와 일본 호야 등이 경쟁하고 있는 형상입니다.
최근 들어 한국이 반도체ㆍLCD 부문에서 전세계 시장을 주도하면서 해외 유수 포토마스크 전문기업들이 한국 내에 생산라인을 건설하고 근접공급 강화에 나서고 있어 주목됩니다.
이와 관련 반도체 부문에서는 미국 포트로닉스 국내자회사인 피케이엘이 충남 천안에 대규모 생산기지를 건설하고, 현재 90나노미터 반도체 공정 및 6∼7세대 LCD 공정용 포토마스크를 양산하고 있습니다.
일본 토판인쇄의 한국법인인 토판포토마스크코리아도 올해 초 경기 이천에 추가사업장을 건설하고 90나노공정 포토마스크 양산에 들어갔으며, 일본 호야도 경기 평택에 건설한 공장에서 대형 LCD 공정용 포토마스크 생산에 착수하는 등 최근 해외 포토마스크 기업들의 한국 생산기지 건설 및 양산 가동이 본격화되고 있는 추세입니다.
강경래기자@디지털타임스
[단독]尹, 직접 반도체 ‘포토마스크’ 들었다…”현장 가라는 뜻”
윤석열 대통령이 7일 국무회의에서 반도체 포토 마스크(레티클)를 들어 보인 데 대해 이종호 과학기술정보통신부 장관은 “실무를 알고 현장에 가보라는 메시지”라고 말했다. 이 장관은 이날 서울 용산구 대통령실에서 윤 대통령과 국무위원을 대상으로 ‘반도체 이해 및 전략적 가치’라는 주제로 특별 강연을 했다.
윤 대통령 “반도체는 인재가 핵심”
이종호 장관은 8일 중앙일보와 전화 통화에서 “강연에서 가장 강조한 내용은 ‘반도체 인재 양성이 중요하고 시급하다’는 것”이라고 말했다. 윤 대통령이 국무회의 모두 발언에서 “반도체 산업은 인재를 키워내는 것이 핵심”이라고 강조한 것과도 맞닿아 있다.
이 장관은 20여 분간 진행된 이날 강연에서 전략 자산으로서 반도체의 가치, 외교 관계의 중요성 등에 대해 설명했다고 한다. 이날 특강을 들은 한 참석자는 중앙일보와 통화에서 “이 장관이 30여 쪽에 이르는 프레젠테이션(PPT) 자료를 직접 준비한 것으로 안다”며 “국내에서 반도체로 가장 학식이 뛰어난 이 장관의 강연에 집중하는 분위기였다”고 전했다.
포토 마스크는 이 장관의 교육용 자료
이날 윤 대통령이 들고 있던 반도체 포토 마스크(레티클)도 눈길을 끌었다. 레티클은 반도체 포토 공정에 쓰인다. 반도체 집적회로 설계는 물리적인 층을 여러 개 쌓인 방식으로 이뤄지는데, 그 층 하나하나가 마스크 한 장씩으로 만들어진다. 각기 다른 정보를 가진 마스크 여러 장을 웨이퍼에 전사하는 방식으로 공정이 진행된다.
이 장관은 이날 특강에서 300㎜ 웨이퍼를 비롯한 여러 장의 웨이퍼와 포토 마스크를 선보였다. 이는 이 장관이 교수 시절 대학(서울대 전기·정보공학부)에서 학생들을 가르치던 때 쓰던 자료다. 이 장관은 “대형 웨이퍼는 서울대 반도체공동연구소 소장 시절 기업에서 교육용 자료로 제공 받은 것”이라고 했다. 과기정통부 관계자는 “이 장관이 이번 강의를 준비하며 지난주 직접 연구소에 들러 챙겨 왔다”고 소개했다.
이 장관은 이렇게 직접 실물 자료를 선보인 것에 대해 “(국무위원들이) 반도체 공정이 무엇인지 일부라도 실물로 보고 알아야 이해가 수월할 것이란 생각에서”라고 답했다.
尹 “인재 시급한데 규제 타령” 질책
강연 후에는 질의응답이 이어졌다. 추경호 경제부총리와 이창양 산업통상자원부 장관, 한화진 환경부 장관, 이영 중소벤처기업부장관이 토론에 나섰다. 장관이 공석인 교육부 측에서 장상윤 차관의 발언이 이어졌다고 한다.
특히 반도체 인재 양성과 관련해 윤 대통령의 질책이 있었던 것으로 알려졌다. 장상윤 교육부 차관이 “(인력 양성이) 수도권대학 정원 규제 때문에 힘들다”고 어려움을 표명하자, 윤 대통령은 국가 미래가 달려 있는데 무슨 규제 타령이냐는 취지로 말했다고 한다.
윤 대통령은 “교육부의 첫 번째 임무는 산업 발전에 필요한 인재 공급”이라고 교육부를 콕 집어 변화를 주문했다. 실제로 국내 반도체 업계는 핵심 인재 부족에 애를 태우고 있다. 교육부에 따르면 2011년부터 2020년까지 대학 반도체 전공 인력은 매년 평균 450명, 석·박사 과정에서 반도체를 전공한 졸업생은 평균 60명으로 모두 합해 한 해 510명 수준이다. 반면 2020년 ‘산업기술인력 수급실태 조사보고서’는 반도체 산업의 부족 인원을 1579명으로 집계했다.
현장선 1600명 부족한데 500명 공급
최근 반도체 업계와 주요 대학이 교육 프로그램을 제공하고, 취업이 보장되는 계약학과를 만들고 있는 추세다. 과기정통부도 뒤늦게 지난달 반도체 인력양성 간담회를 통해 한국과학기술원을 포함한 4대 과학기술원에 계약학과를 추가로 설치하기로 했다. 이를 통해 학사 졸업생 100여 명, 석·박사급 인재를 5년 내 500명 이상으로 확대한다는 계획이다.
한편 이 장관은 윤 대통령의 ‘반도체 교사’로 불린다. 윤 대통령이 지난해 3월 검찰총장에서 물러난 뒤 서울대 반도체공동연구소를 찾으면서 인연을 맺었다. 당시에도 이 교수는 윤 대통령에게 반도체 초격차 전략과 인재 양성 필요성을 강조했다고 한다.
[반도체 8대 공정] 4탄, 웨이퍼에 회로를 그려 넣는 포토공정 – 삼성반도체이야기
지난 시간에 산화공정과 집적회로에 대해 소개해드렸는데요. 이번에는 웨이퍼 위에 반도체 회로를 그려 넣는 포토공정(Photo)에 대해 알아보려 합니다. 포토공정은 필름카메라로 사진을 찍는 원리와 비슷한데요. 어떻게 비슷한 지 알아볼까요?
흑백사진 인화와 비슷한 포토공정
흔히 포토 리소그래피(Photo Lithography)를 줄여서 포토공정(Photo)이라고 하는데요. 이 공정은 웨이퍼 위에 회로 패턴이 담긴 마스크 상을 빛을 이용해 비춰 회로를 그리기 때문에 붙여진 이름입니다. 여기서 패턴을 형성하는 방법은 흑백 사진을 만들 때 필름에 형성된 상을 인화지에 인화하는 것과 유사합니다.
반도체는 집적도가 증가할수록 칩을 구성하는 단위 소자 역시 미세 공정을 사용해 작게 만들어야 하는데요. 미세 회로 패턴 구현 역시 전적으로 포토 공정에 의해 결정되기 때문에 집적도가 높아질수록 포토 공정 기술 또한 세심하고 높은 수준의 기술을 요하게 됩니다.
웨이퍼에 회로 패턴을 만드는 준비 단계
그럼 본격적으로 포토공정이 어떻게 이루어지는지 알아볼까요? 먼저 컴퓨터 시스템(CAD, computer-aided design)을 이용해 웨이퍼에 그려 넣을 회로를 설계합니다. 전자회로 패턴(Pattern)으로 설계되는 이 도면에 엔지니어들이 설계한 정밀회로를 담으며, 그 정밀도가 반도체의 집적도를 결정합니다.
사진 원판의 역할을 하는 포토마스크 만들기
▲ 포토마스크(Photo Mask)
설계된 회로 패턴(Pattern)은 순도가 높은 석영(Quartz)을 가공해서 만든 기판 위에 크롬(Cr)으로 미세 회로를 형상화해 포토마스크(Photo Mask)로 재탄생 하게 됩니다. 마스크(Mask)는 Reticle이라고도 부르는데, 이것은 회로 패턴을 고스란히 담은 필름으로 사진 원판의 기능을 하게 되는데요. 마스크는 보다 세밀한 패터닝(Patterning)을 위해 반도체 회로보다 크게 제작되며, 렌즈를 이용 빛을 축소해 조사하게 됩니다.
포토공정은 감광액 도포, 노광, 현상의 세부 공정으로 다시 나뉩니다. 포토공정을 더 자세히 알아볼까요?
본격 포토공정, 웨이퍼를 인화지로 만드는 감광액 도포
이제 웨이퍼에 그림을 그릴 준비가 됐습니다. 다음 단계는 웨이퍼 표면에 빛에 민감한 물질인 감광액(PR, Photo Resist)을 골고루 바르는 작업인데요. 이 작업이 사진을 현상하는 것과 같이 웨이퍼를 인화지로 만들어줍니다. 보다 고품질의 미세한 회로 패턴을 얻기 위해서는 감광액(PR) 막이 얇고 균일해야 하며 빛에 대한 감도가 높아야 하죠.
빛을 통해 웨이퍼에 회로를 그려 넣는 노광
감광액(PR) 막을 형성해 웨이퍼를 사진 인화지와 비슷한 상태로 만든 후에는 노광장비(Stepper)를 사용해 회로 패턴이 담긴 마스크에 빛을 통과시켜 웨이퍼에 회로를 찍어냅니다. 이 과정을 노광(Stepper Exposure)이라고 하는데요. 반도체 공정에서의 노광은 빛을 선택적으로 조사하는 과정을 말합니다.
회로 패턴을 형성하는 현상 공정
포토공정(Photo)의 마지막 단계는 현상(Develop)으로 일반 사진을 현상하는 과정과 동일합니다. 이 과정에서 패턴의 형상이 결정되기 때문에 매우 중요한데요. 현상(Develop) 공정은 웨이퍼에 현상액을 뿌려 가며 노광된 영역과 노광 되지 않은 영역을 선택적으로 제거해 회로 패턴을 형성하는 공정입니다.
웨이퍼 위에 균일하게 입혀진 감광액(PR)은 빛에 어떻게 반응하는가에 따라 양성(positive) 혹은 음성(negative)로 분류됩니다. 양성 감광액의 경우 노광 되지 않은 영역을 남기고 음성 감광액의 경우 노광된 영역만 남겨 사용하게 되는데요.
현상 공정까지 마치게 되면 모든 포토공정이 끝나는데요. 각종 측정 장비와 광학 현미경 등을 통해 패턴이 잘 그려졌는지 꼼꼼하게 검사한 후, 이를 통과한 웨이퍼만이 다음 공정 단계로 이동합니다.
지금까지 웨이퍼 표면에 세밀한 회로 패턴을 찍는 포토공정에 대해 알아보았는데요. 다음 시간에는 웨이퍼에 회로 패턴을 만들기 위해 필요한 부분을 남기고, 필요 없는 부분을 선택적으로 깎아내는 식각공정에 대해 소개하겠습니다.
Chrome Mask
반도체 직접회로 구조의 패턴 형상을 크롬(Chrome : Cr +3 )이 도포된 석영유리(Quartz) 또는 소다라임(Soda-Lime) 등에 형성한 것으로 가시광선, 자외선, X선 등을 이용한 노광 장비에 사용되며 레지스트의 미세한 상을 표현하는 능력, 일반적으로 라인 앤 스페이스 상(Line and Space Image)을 형성할 수 있는 최소의 선 또는 공간의 폭을 나타내는 능력이 우수하다.
Chrome Mask Specification
빛의 파장과 광원
포토마스크는 원재료인 Blank Mask에 패턴을 새겨 넣어 만들어진다.
Blank Mask 위에는 감광을 위한 PR(Photo Resist)이 박막(5,000 ~ 10,000Å)으로 도포 되어 있다.
PR의 Type은 Positive와 Negative Type이 있으며 포토마스크에는 주로 Positive Type의 PR이 사용 되며 , Positive PR은 노광 시 빛을 받으면 분자들이 반응하여 이격 되는 현상이 발생하고 현상과정에서 빛을 받은 부분의 PR이 제거 된다.
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