16. EUV High-NA Anamorphic에 대하여

 

 

EUVL은 13.5nm의 파장을 가진 빛을 이용하죠.

 

파장이 193nm보다 훨씬 작습니다.이러한 노출 파장의 감소는 향상된 정밀도와 해상도로 복잡한 패턴을 구현할 수 있게 합니다. 그러나 극자외선(EUV) 빛의 고유한 특성으로 인해 몇 가지 난제가 있죠 EUV 빛은 재료와 가스에 의해 강하게 흡수되므로 진공 상태에서 전체 광학 시스템을 작동해야 합니다.따라서 마스크를 포함한 모든 광학 요소는 미러여야 합니다. 또한 EUV 파장에서 재료의 굴절률이 1에 가까워서 미러 코팅을 위한 Bragg 반사를 이용한 HR 다층 스택을 사용하게 됩니다.공정에 있어 레일리 식, 해상도 관련한 공식은 이제 다들 아실 것 입니다.

 

공정 성능을 높이기 위해 , 조리개, 즉 NA는 High-NA로 증가되어야하며. 공정상수K1은 감소 되어야하고 마지막으로 노출 파장 또한 줄어들어야 해상력이 좋아져, 작은 패턴을 형성 할 수 있습니다. 공정상수는 일단 놔두고, 광학적 측면에서 달성가능한 파장과 조리개 중 NA에 대한 내용을 (주로 Anamorphic) 이번 포스팅에서 집중적으로 다뤄보겠습니다.

 

 

NA(Numerical Aperture)는 광학 시스템의 집광 능력을 특징짓는 기본 매개변수입니다. 쉽게 표현하자면 ‘렌즈의 크기’ 라고 보시면 됩니다. 매질의 굴절률과 시스템에 들어오는 빛의 원뿔의 최대 반각의 사인의 곱으로 정의됩니다. NA가 높을수록 더 많은 빛이 수집되고 시스템의 분해능이 향상됩니다. 보통 High-NA EUV 시스템이라고 한다면 일반적으로 0.4 또는 0.5 이상의 NA를 가진 시스템을 말합니다.

 

이러한 시스템은 더 미세한 기능 해상도와 향상된 이미징 성능을 달성하도록 설계되었습니다. 높은 NA의 광학 시스템을 통해 보다 미세한 기능 해상도, 초점 심도 증가 및 이미지 대비 개선이 가능합니다. DUV 리소그래피 과정에서는 단순히 집광을 높이기위해 투과형 광학계에서 대구경 미러를 사용했지만 EUV에 들어서고 반사 광학계를 차용하면서 문제가 발생합니다.

 

대표적인 문제가 Shadow effect, 그림자 효과입니다. 위의 그림처럼 EUV는 반사로 빛을 전달하기에 특정 각도로 빛이 반사되겠죠? 이때 들어가는 빛의 구경이 커짐에 따라서 웨이퍼에 전사될 패턴을 포함하는 마스크는 빛의 비스듬한 입사로 인해 빛이 일부 겹치고? 이미지가 왜곡되는 현상이 발생하게 되는데요. 조금 더 자세하게 설명하자면...

마스크의 각 필드 포인트는 들어오는 광원 원뿔에 의해 노출되며 이러한 원뿔의 개구부는 NA(숫자 조리개) 및 MAG(배율)에 의해 결정됩니다. 즉 마스크(NAmask)의 개구수는 몫 NA/MAG로 나타낼 수 있습니다.

이전의 포스팅을 통해 알아보았듯이 과학자들은 EUV에서의 최적의 반사각도는 6도 임을 알아냈습니다. 6도로 반사되는 광원뿔은 CRAO(Chief Ray Angle at Object)로 구분됩니다. CRAO는 들어오는 광원뿔의 중앙 광선의 표면 법선에 대해 측정된 각도로 마스크에서 정의되죠. 이때 NA가 증가함에 따라 NA가 더 높은 시스템에서는 이러한 반사 광원뿔이 겹치므로 퍼필의 가장자리에서 상호 빛의 작용에 의한 물리적 가려짐이 발생하고 NA 및 해상도 기능이 감소합니다. 이것이 그림자 효과입니다.

 

악영향을 주는 그림자 효과를 제거하거나 완화시키기 위해 당연히 여러 노력이 있었습니다. 먼저 최초에 시도 된 것은 HR 코팅 개발이었는데요.정확히는 다양한 입사각의 반사율에 영향을 미치는 마스크의 다층 스택을 최적화하는 것입니다. EUV 마스크는 반사 다층레이어와 그 위에 위치한 흡수체로 구성됩니다. 이러한 흡수체를 더 얇게 만들거나 두께를 줄이면 그림자 효과를 줄일 수 있지만 완전히 제거할 수는 없었죠. 이후 과학자들이 생각한 방식은 MAG(배율)를 조정하여 마스크의 NA를 줄여 그림자 효과를 제어하는 것 이었습니다. 즉, 아나모픽 Anamorphic의 시작입니다.

 

 

CRAO를 늘리는 것은 광원뿔을 분리하고 중첩을 줄이는 또 다른 전략이었죠. 단 NA가 0.33에서 0.45로 적당히 증가하려면 CRAO가 6도에서 9도로 증가해야 합니다. 코팅 재설계, 미러 재설계 등 여러 변수가 있어 보류...되었습니다. 패스! 그래서 MAG를 4x에서 8x로 증가시켜 마스크에서 그림자 효과를 감소시키려 하였습니다. 이러한 접근 방식은 이미징 성능과 마스크 반사율을 MAG 조정이전과 동일 수준으로 원복시킬 수 있었습니다. 하지만 배율 증가로 인해 노광 필드 12인치 크기가 변경되어야 했고 더 큰 마스크와 추가 스티칭 라인이 필요하였기에 즉, 기존 8인치 웨이퍼로 구성된 산업전반을 갈아 엎을 순 없기에.. 결국은 돈 문제로 보류 되었습니다. 그리하여 최종적으로 고려된 옵션이 바로 아나모픽 프로젝션인데요. 마스크에서 들어오는 원뿔과 반사광 원뿔을 한 방향은 그대로 놔두고, 한 방향으로만 압축하여 6도의 CRAO를 가능하게 하고 원뿔을 분리하는 것입니다. 이렇게 되면 원뿔이 비대칭이 되지만 그림자 효과를 제어 할 수 있었죠.

 

하지만 이 아나모픽도 치명적 단점이 있습니다. 바로 광의 면적이 1/2로 줄어들기 때문에 기존에 한번만 찍으면 될 노광 사이클을 2배로 늘려야했기에 양산성이 떨어지게 됩니다. 하지만 성능은 좋아지니까 울면서 진행시켰고... ASML에는 이를 보완하고자 ASML: 어라 1번찍을껄 두번찍어야 이제 공정이 끝난다고? 그러면 기존에 마스크와 웨이퍼 움직이던 시간을 1/2로 줄여서 상쇄시키자! 라고 했던거죠.

 

 

윗단과 아랫단의 마스크와 웨이퍼가 엄청 빠르게 움직이죠? ASML이 스테이지로 승부를 봤다고 보면 될 것 같습니다. 이 스테이지가 빠르게 움직이는데, 세상의 모든 물체는 관성이라는 힘이 작용하여 쏠림 현상이 있지 않습니까? ASML에서는 관성 상쇄 스테이지를 적용해서 이를 해결했다는데,, 이쪽은 몰라서 그렇다고 합니다... ^^,, 대단한 기술력입니다. 다시 돌아와서 상술된 과정으로 빛이 조사된 아나모픽 광으로 인해 늘어난 마스크 패턴을 웨이퍼에서 필요한 isogonic, 등각패턴으로 투사합니다. 자 아나모픽으로 다 해결된 것 같죠? 아... 아쉽게도 아닙니다.

 

한쪽이 변형된(늘어난) 광이 들어가니 종합적인 광의 입사각이 바꾸게 되는데요 ..그로인해 웨이퍼에 가장 가까운 프로젝션 광학계의 마지막 두 거울은 High NA 시스템에서 문제에 직면합니다. NA가 증가함에 따라 평균 입사각과 마지막에서 두 번째 미러의 각 지점에서의 각도 범위도 증가합니다. 위 그림처럼요! 이렇게 NA가 증가함에 따라 EUV 코팅은 각도에 따라 다른 반사율을 보여줄 수 있기에, 결과적으로 거울의 일부가 반사되지 않거나 하는 문제로 이미지가 블랙아웃이 됩니다. 허나 여기서의 솔루션은 단순하면서도 독창적입니다. 바로 거울에 구멍을 뚫는 것입니다.

 

(응 이게 무슨 소리일까요?) 이 거울을 통해 빛이 프로젝션 광학계의 나머지 부분에서 추가된 마지막 두 개의 거울로 광이 반사시켜서 다시 집광시켜서 그리고 마지막으로 웨이퍼로 이동하게 만드는 거죠. 마지막에서 두 번째 거울을 다시 왼쪽으로 밀고 구멍을 뚫으면 결과적으로 반사하는 빛의 각도 부하가 줄어듭니다. 그 결과 반사 코팅에 의한 효율 저하문제가 해결되고 광 전송이 크게 증가하여 이미징 성능이 향상됩니다. 이렇게 구멍을 뚫어 놓고 빛을 입사 시키니 또 다른 문제가 발생하죠?

 

 

좌측 그림 상단 처럼 중앙에 하나의 부품이 더 추가 되었기 떄문에 central obscuration라는 것이 생기는데요, 한국말로 중앙 차폐? 라고하는데 당연히 어떤 이미지를 보던 간에 가운데 먼지나 이물질이 있으면 이미지가 잘 안보이겠죠? 이에 따라 이미지의 성능 저하가 발생하는데 이 또한 퍼필을 Off-axis로 0차 회절은 건너뛰고 1차를 전부 콜렉팅하여 손실을 ~4, ~6 %수준으로 원복 할 수 있었습니다. Off-axis 퍼필의 설명은 추후 포스팅에서 보다 자세히 다루겠습니다. 감사합니다.