1. EUV 개발 역사 (1) - 리소그래피의 발전 과정

 

 

끊임없이 발전하는 반도체 기술 세계에서 칩에 적용되는 트랜지스터의 지속적인 성장은 신제품이 나왔다고 할 때마다. 특히 놀랍습니다. 지난 30년 동안 트랜지스터의 수는 기하급수적으로 증가하여 무어의 법칙처럼 18개월마다 약 두 배가 되었습니다. 이러한 성장과 함께 리소그래피의 중요성이 증가하고 있습니다. 리소그래피는 반도체 칩에서 더 작은 구조 및 회로 크기와 더 조밀한 오버레이를 달성하는 데 중요한 역할을 하죠. 다양한 리소그래피 기술 중에서 High NA Immersion Photo-Lithography가 시장을 이끌었지만, 더 높은 해상도와 더 큰 초점 심도가 필요함에 따라 EUVL(Extreme Ultraviolet Lithography) EUV 리소그래피라는 새로운 공정 기술이 대체 솔루션으로 등장했습니다. EUVL, 즉 EUV 공정이란 무엇일까요? 이번 포스팅을 시작으로 알아보겠습니다. 

 

인사가 늦었습니다. 안녕하세요

MatrixWorld 티스토리 블로그 운영자 윤소한(가명)입니다. 

 

다시 포스팅을 이어가겠습니다. EUVL은 전통적인 포토 리소그래피의 193-248 nm 범위에 비해 13.5 nm의 더 짧은 이미징 파장을 활용하여 패터닝 성능을 훨씬 발전시켰고. 또한 더 작은 개구수(NA) 이미징 시스템을 사용하여 더 큰 초점 심도를 제공합니다. 

 

이번 포스팅을 시작으로 칩 제조를 혁신한 획기적인 기술인 극자외선 리소그래피(EUVL)의 진화에 대해 1980년대 시작부터 1990년대 후반까지 이어지는 초기 개발부터 설명하려 합니다. 또한 EUV 원리와 EUV 공정을 같이 알아보면서 EUVL를 오늘날의 강력한 리소그래피 기술로 만드는 데 관련된 주요 이정표, 기술 혁신 등을 간략하게 짚고 넘어가는 것이 이어지는 포스팅에서의 여러분의 이해를 도우리라 믿습니다.

 

EUVL은 1980년대 초에 다층(ML) 코팅 미러의 개발로 그 뿌리를 내렸으며, 이를 통해 1990년대 후반에 EUVL의 상용화로 이어집니다. 기초적인 개념은 1980년대 일본과 미국에서 수행된 연구를 통해 처음 등장했습니다. 초기에는 주로 4~40 nm의 파장 범위에서 Soft-X Ray를 활용하는 데 중점을 두었습니다. 이 중 첫 번째는 Re-W 합금과 탄소의 124개의 교차 레이어로 코팅된 ZERODUR 미러 기판을 사용했습니다. 그 결과 1 arc sec의FWHM의 해상도와 2.8%의 반사율 달성할 수 있었죠.

 

과연 저 결과의 의미를 이해하기 위해서는 먼저 X Ray 광학의 특성을 이해하는 것이 필요합니다. 병원에서 한번쯤은 찍어보셨듯 X Ray는 에너지가 매우 높기 때문에 대부분의 물질을 반사하지 않고 투과합니다. 그렇기 때문에 우리 몸의 뼈가 어떻게 되어있는지 알 수 있죠. 이 때문에 X Ray 전용 광학 장치(예: 렌즈 및 거울)를 만드는 것을 매우 어렵습니다.

 

하지만 연구를 통해 1981년 레늄-텅스텐 합금과 탄소의 ML로 이루어진 거울을 사용한 Wolter Type-I X Ray 스침 입사 망원경이 개발되었습니다. 이후에도 추가적인 ML 연구가 있었습니다. 이 구성의 이미징 성능은 6.76 nm의 파장에서 가능함이 보였죠. 이 성과는 X-Ray 현미경과 망원경에 정상 입사 반사 광학을 사용할 수 있음을 의미하죠! 이후 J. Underwood는 텅스텐(W)과 탄소 층 쌍으로 구성된 합성 미세 구조(LSM)를 개발하여 약 6%의 상당한 통합 반사율로 이미지를 캡처할 수 있었습니다. 이제 궁극의 몰리 실리콘(Mo/Si) 박막이 나오게 되는데요. 1985년에 드디어 20nm 부근의 파장에서 높은 반사율을 달성한 몰리브덴-실리콘(Mo-Si) ML 코팅을 도입했습니다. 이런 식으로 여러 과학자들이 박막을 연구하면서 반사율이 높아져 갔습니다.

독일 물리학자 칼 슈바르츠실트의 이름을 딴 슈바르츠실트 광학은 구면 수차나 코마가 없도록 설계된 일종의 광학 시스템을 말합니다. 상기 광학 시스템은 서로 마주보게 배치된 두 개의 거울(하나는 볼록하고 다른 하나는 오목)을 사용합니다. 이 시스템에 Mo/Si 박막을 적용해서 드디어 1986년에는 ML 코팅된 슈바르츠실트(Schwarzschild) 광학 시스템을 사용한 Soft-X Ray 리소그래피의 첫 번째 패터닝 시연이 이루어 졌습니다.

 

이 슈바르츠실트 광학계에서 과학자들은 빛을 봤던 걸까요? AT&T Bell Labs는 1990년대 초 Mo-Sim ML 코팅된 슈바르츠실트 카메라를 사용하여 0.05mm만큼 작은 기능을 노광 하는 등 상당한 발전을 이루었습니다. 이후 EUVL의 잠재력을 충분히 확인한 1997년부터 미국 정부는 당시 리소그래피 공정 강자였던, Nikkon, Canon을 이기기 위해 EUV 유한 책임 회사, EUV LLC를 설립하였습니다. 당시 미국 포토공정의 선두 주자인 SVGL과 Intel, AMD 등을 주축으로 본격적으로 개발에 착수하기 시작하였으며, ASML도 1999년에 합류합니다.

 

이 시절 비구면 표면은 수 nm 높이 오차 수준으로 정밀하게 제어하여 제조할 수 있는 지점까지 발전했으며, 반사형 ML 코팅 또한 처음에는 그레이징 입사 거울보다 약간 높은 반사율을 제공했습니다 이 시기 이후 수직 입사 수준의 반사율이 도출되도록 진화했습니다. EUV 광원 또한 레이저 플라즈마 소스 및 싱크로트론 소스와 같은 다양한 기술을 연구 개발하였으며, 포토레지스트, 포토마스크 등의 연구도 지속되었습니다.  SVGL는 결국 2001년에 ASML에 흡수 합병되고, ASML은 Twin Stage, DUV Immersion 기술로 포토공정 시장을 평정하게 됩니다.