ASML의 "High-NA EUV"

포토 공정은 현대 반도체 공정에서 가장 중요한 단계라고 할 수 있습니다. 
빛을 이용해 웨이퍼에 반도체 회로를 형성하는 과정으로, 4 nm → 3 nm → 2 nm ··· 로 미세화되는 패턴을 구현하기 위해서는 포토 공정이 매우 중요합니다.
 
https://mem5ry.tistory.com/22

반도체 공정(4)- 포토공정 [반도체 8대 공정 ③]

 
포토 공정에 대한 글에서도 다뤘듯이, 포토 공정에서 중요한 파라미터 중 하나는 resolution입니다.
이는 해상도를 뜻하는 말로, 얼마나 작은 패턴을 만들 수 있는지를 나타내는 것으로 이 값이 작을수록 미세화된 패턴을 구현할 수 있습니다.

 
R을 줄이기 위해서는 λ(wavelength)가 짧은 빛을 사용하는 것, NA를 키우는 방법이 있습니다.
기존에는 λ를 줄이는 방식을 이용해 R을 줄여왔습니다.

파장을 436 nm → 365 nm → 248 nm →  193 nm → 13.5 nm (EUV)로 줄이면서, 직진성이 강한 빛을 이용해 간섭현상을 줄여 resolution을 개선했습니다.
 

EUV에서 더욱 더 해상도를 개선하기 위해서는 NA와 k₁을 변화시켜야 합니다.

k₁은 공정의 각종 파라미터들을 바꾸면서 낮출 수 있는 값으로, PR이나 마스크 성능을 통해 수치를 낮출 수 있는 값입니다. 하지만 통상적으로 안정적인 양산을 위한 이 상수의 한계점을 0.32 ~ 0.35 안팎으로 이야기 합니다.

따라서 NA를 높여 resolution을 개선하고자 하는 움직임이 일고 있습니다. 
NA는 Numerical Aperture, 개구수라고 이야기 하는데요, 수식으로 나타내자면 n·sinθ = n·(b/a) 입니다.

출처: 서울경제

이 NA 값을 키우는 기술이 바로 "High-NA EUV" 기술로, 렌즈의 크기를 키워 resolution을 향상하는 기술입니다. (렌즈의 크기를 키워 빛을 많이 모을 수 있게 되면, 더 작은 패턴을 구현할 수 있습니다.)
최초의 양산용 EUV 장비 렌즈의 NA는 0.33 NA (NXE 시리즈)인데요, High-NA 장비는 0.55 NA (EXE 시리즈)로 1.67배 향상되었다고 합니다.
렌즈가 커지기 때문에 High-NA 장비는 크기도 더 크고 장비 비용도 매우 높다고 합니다.
 
이 장비를 ASML이 독점 생산하는데요, High-NA EUV 장비에는 렌즈 크기 이외에도 차별점이 있습니다.
 
바로 "아나모픽" (Anarmorphic)이라는 기술입니다.
기존 EUV 장비에서 렌즈 크기를 키우게 되면 발생하는 문제가 있습니다. 

출처: 서울경제

EUV에서는 반사형 마스크를 사용하는데요, 이때 렌즈 크기가 커지면 마스크에 입사되는 입사 beam과 튕겨져 나온 반사 beam이 서로 중첩되는 문제가 있습니다. 이렇게 되면 빛이 정확하게 마스크 형태대로 반사되지 못하고 resolution이 나빠지는 문제가 있습니다.
 
이를 해결하기 위해 아래와 같은 방법을 시도했습니다.

출처: 서울경제

① 입사각을 기존 6도에서 9도로 변경하는 방법으로, 입사 beam과 반사 beam이 중첩되는 것을 예방할 수 있습니다. 하지만 각도를 키우면 마스크 패턴에 그림자가 지는 부분이 생기기 때문에 미세화된 패턴을 구현하지 못하는 불량이 있을 수 있습니다.
② 기존 축소 배율을 1/4에서 1/8로 줄이는 방법입니다. 이는 마찬가지로 빛이 중첩되는 것을 막을 수는 있지만 한 번에 형성하던 패턴을 최대 4번으로 나눠 찍어야하는 방식이기 때문에 생산성(throughput)이 급감한다는 문제가 있습니다.
③ 반대로 마스크 면적을 2배로 키울 수 있습니다. 기존의 6인치 마스크를 12인치로 키우는 것인데요, 이는 장비 셋업 등을 모두 바꿔야하는 문제가 있어서 적용하기 쉽지 않습니다.
 
이 방법들을 제외하고 찾아낸 방법이 바로 원 모양의 빛을 타원 모양의 빛으로 바꾸는 것입니다.

출처: 서울경제

이렇게 빛의 모양을 가로 방향으로 축소하여 타원형으로 변형하면, 입사빔과 반사빔이 중첩되는 문제를 피할 수 있습니다.
하지만 빛의 모양이 가로 방향으로 좁아지면, 노광된 패턴도 가로 방향으로 좁아지게 됩니다. 따라서 마스크 패턴은 기존에서 가로 방향으로만 비율을 늘려 제작하는 방식을 채택했습니다.
위의 그림을 예시로 들자면, 'M'이라는 알파벳 패턴을 새긴다고 가정해 보겠습니다. 빛의 모양이 가로 방향으로 좁아졌으니, 반대로 마스크 회로는 가로 방향으로 늘려줍니다. 따라서 기존 6인치 마스크 안에 'M' 패턴이 모두 들어갈 수 없으니 두 장으로 나눠줍니다. 'M' 패턴을 가로로 늘린 후, 두 장으로 나누어 각각 포토 공정을 진행하는 방식을 사용합니다.
즉, 빛의 모양을 가로 방향으로 축소하여 타원형의 빛을 이용하고, 그에 맞춰 마스크의 패턴을 변형한 기술이 바로 아나모픽입니다. (Anamorphic : 광학적으로 상이 일그러져 왜곡되어 표현된다는 뜻)

출처: ASML. 마스크의 y축 방향을 기존 4배에서 8배로 늘리는 방식을 적용함. 마스크 패턴이 가로로 긴 직사각형 형태이더라도 노광된 패턴은 정사각형의 형태를 갖게 됨

출처: 디일렉 유튜브

 
 
 
High-NA를 구현하는 방식은 PFM을 타원형으로 구성하여 마스크로 입사되는 EUV 광을 타원 형태로 만드는 방법을 사용합니다. (아래 그림 참고)

출처: 디일렉 유튜브

Advances in Optics and Exposure Devices Employed in Excimer Laser/EUV Lithography

 
 
물론 이러한 방식도 생산성은 줄어들지만 더 정교하고 미세화된 패턴을 구현하기 위해서는 최선의 방법입니다.
이렇게 감소한 생산성은 마스크가 움직이는 속도를 기존의 4배, 웨이퍼가 움직이는 속도를 2배 올려서 보완할 것이라고 이야기 했습니다.

출처: 디일렉 유튜브

 
또한 이러한 high-NA EUV 장비의 불가피한 단점도 있는데요, 바로 DOF입니다.

DOF는 Depth Of Focus로, 렌즈의 초점으로부터 몇 nm의 단차 (focus) 범위까지 유효한 상을 얻을 수  있는지를 나타내는 값으로, 초첨을 맞출 수 있는 range라고 생각하면 됩니다.
여기서 NA를 키우면 DOF는 감소하게 되는데요, 그렇게 되면 단차가 존재하는 패턴 상에서 포토 공정을 진행할 때 오류가 발생할 수 있습니다. 즉, 초점을 맞춘 곳 이외의 영역에 흐릿한 패턴이 형성됩니다.
결국, NA를 키운 high-NA EUV 장비에서는 DOF가 감소하는 문제가 발생합니다.

따라서 이를 극복하기 위해 k₂에 해당하는 공정 상수를 키우기 위해 노력중이라고 합니다. ASML, 인텔과 같은 회사가 기존 PR 회사 및 인프리아 등 무기물 PR 업체와 함께 소재 혁신을 연구하고 있는 이유입니다.

 

출처: 디일렉 유튜브

또한 계속해서  EUV 장비에 맞는 마스크 및 펠리클이 필요한 상황입니다. (아래 기사 참고)
https://www.sedaily.com/NewsView/2GP4AAJZ6F

삼성전자, 日 미쓰이와 EUV 펠리클 맞손…파운드리 수율 개선 사활 [biz-플러스]

 
 
참고
https://n.news.naver.com/article/011/0003947309

[강해령의 하이엔드 테크] 인텔 ‘회심의 일격’, High-NA EUV는 무엇일까?<1>

https://n.news.naver.com/article/011/0003947377

[강해령의 하이엔드 테크] 인텔 ‘회심의 일격’, High-NA EUV는 무엇일까?<2>

https://www.youtube.com/watch?v=YKnWaXc_sHI

https://www.youtube.com/watch?v=Efga77Z4Qs4