2. EUV 개발 역사 (2) - 광학계의 발전 과정

 

 

 

잠시 다른 길로 빠지자면 사실 EUV는 처음부터 EUV가 아니었습니다. 1990년대 초 까지는 SXPL(Soft-X-ray Projection Lithography)로 불렸습니다. X-선 근접 리소그래피(XPL)와 구별하기 위해 1993년에 소프트-X-선 리소그래피(SXPL)에서 극자외선 리소그래피(EUVL)로의 이름 변경이 되었죠.

 

새로운 이름은 EUVL과 당시 널리 사용되었던 DUV 리소그래피의 관계를 반영했습니다. 위 그림은 대략적인 로드맵입니다. 한 눈에 보기 편하죠? 전부 소개 하고싶지만, 지루할게 뻔하니 빠르게 대표적인 두 가지만 살펴 보겠습니다. 진정한 EUV의 탄생이라고 봐야 할까요? 여하튼...계속 진행하겠습니다!

 

한번 EUV 노광장비 원리?.. 기본적인 것!, 즉 광학계 발전과정을 알아보겠습니다. 슈바르츠실트 광학계는 대표적으로 두개의 미러를 사용하죠, 하지만 비구면이 아니었습니다. 비구면 렌즈, 미러는 제작 공정은 어렵지만 광학 성능은 더 뛰어난 경우가 많은데요. 이를 차용해서 일본에서 더블 미러 광학계를 제작합니다. 비구면으로요!

 

1993년에 일본 NTT에서 2H. Kinoshita 등에 의해 20x0.4mm 영역에서 노출이 가능한 2구면 미러 이미징 시스템이 개발되었습니다. 비록 해당 시스템에서의 미러는 8 nm RMS를 가지고 있어 부적합하다고 평가 받았었습니다. (제작 공정이 어렵기 때문이죠!) 그래서 실질적으로 이미징 기능이 10x0.6mm 영역에서 0.25mm로 제한되었습니다. 하지만 이를 더 발전시켜서 노출 영역은 이후 1996년 Haga에 의해 20x25mm로 확장되었죠.

 

계속해서 다른 개발 시도 사례도 소개 하겠습니다. LLNL은 2개의 거울, 4개의 반사 링 필드 이미징 시스템을 개발했죠. 또한 SNL의 Tichenor는 Soft X-Ray가 아닌 10X-II 슈바르츠실트 EUV 리소머신을 만들게 됩니다. 이 노광머신은 통합된 렌즈 정렬 시스템 및 near-diffraction-limited 이미지 기능과 같은 (그 당시)고급 요소를 통합했습니다.이렇게 두 개의 미러를 이용해서 많은 과학자들이 고군분투 했습니다. 하지만 이미지 평면의 산란된 빛에 의해 발생하는 플레어가 EUV 시스템의 이미지 품질에 영향을 미친다는 것을 발견했으며, 이때문에 이미징 시스템 광학의 추가적인 구조 및 개선이 필요하다는 것을 깨닫고 더 많은 미러 구성을 생각하게 됩니다. 그런 결과로 Three-Mirror 이미징 시스템 개발 SNL의 설계를 기반으로 3구면 미러 링 필드 이미징 시스템을 제작했습니다. 일부 설계상의 한계에도 불구하고, 이것은 현 시대의 EUV 카메라의 초석과도 같은 수준이었습니다. 이러한 발전과 관련하여 아래와 같은 개념을 파악하는 것이 필수적입니다!

 

Diffraction: 빛이 장애물을 만났을 때 겪는 현상으로, 빛이 구부러지고 퍼지게 합니다. 이 원리는 EUV 리소그래피의 맥락에서 중요해집니다. 사용되는 빛의 파장이 매우 짧기 때문에 회절 효과가 더욱 두드러지기 때문입니다.

 

Wavefront Error: 광학 시스템에서 실제 Wavefront가 원하는 모양 또는 이상적인 모양에서 벗어나는 것을 말합니다. 파 오류가 작으면 이미지 품질이 향상되고 시스템 성능이 향상됩니다.

 

Resolution: 이미징 시스템의 맥락에서 해상도는 쉽게 말해 구별할 수 있는 가장 작은 픽셀사이즈를 말하죠. 고해상도는 반도체 웨이퍼에서 믿을 수 없을 정도로 미세한 특징을 패턴화할 수 있기 때문에 EUVL에 매우 중요합니다.

 

Overlay: 오버레이는 서로 다른 레이어가 정렬되는 정확도를 나타냅니다. 정밀 오버레이는 반도체 웨이퍼에서 패턴이 있는 형상의 정확한 정렬을 결정하기 때문에 EUVL에서 매우 중요합니다.

 

Flare: 광학 시스템 내의 빛이 산란되어 이미지 대비비가 손실되는 것을 말합니다. 고해상도 패턴을 보장하려면 무조건 플레어를 최소화해야 합니다.

 

비구면 광학: 렌즈 표면이 구 또는 실린더의 일부가 아닌 다른걸 말합니다. 만들기는 어렵지만 이미징 시스템에서 비구면 광학은 수차를 줄이고 영상 품질을 향상시키는 데 사용되니 꼭 알아두시면 좋겠습니다!\

 

 

다시 돌아와서 모든 난제를 뚫고 결국 1996년에 미국 AT&T와 Bell Lab에서 3개의 비구면 미러를 이용해 0.1 NA의 광학 시스템을 제작하였습니다 (10X-II EUV Schwarzschild). 이 시스템에 사용된 미러는 0.6 nm RMS의 수치 정확도를 자랑하는 뛰어난 정밀도로 제작되었습니다. 당연히 노광 영역 또한 이전 대비 대폭 증대하였고 성능은 당시 모든 기기를 압도하였습니다. 마침내 상술한 3-미러 시스템을 이용하여 1996년에 게이트 길이가 0.075 ~ 2 um 까지 다양한 N형 MOS(NMOS) 트랜지스터를 성공적으로 제작했습니다.

 

ASML NEX line EUV Scanner

상술한 바와 같이 1990년대 후반까지 미국, 유럽, 일본 등의 국가는 엎치락 뒤치락 하면서 EUV 개발에 몰두했습니다. 상응한 결과로 점차 광학계의 미러 개수와 NA는 등 여러 요소들이 최적화 되었고 노광 공정 성능은 증가했습니다. 2000년대 이후는 어떻게 되었을까요? 당연히 여러분도 아시다 싶이 일련의 과정으로 현재는 최적화 제품 양산에 성공한 ASML만이 왕좌를 지키고 있습니다. (물론 ZEISS와 LASERTECH 등의 도움도 컸지요) 그리고 현 시점 대한민국에서는 EUV 노광장비 국산화를 위해 현재 FST, ESOL 등이 노력 중인 것으로 알고 있습니다.