23. Carl ZEISS AIMS EUV설비에 대하여

 

Airial Image Measurement System (AIMS)

 

안녕하세요. 오늘은 Zeiss의 AIMS EUV 설비에 대해서 포스팅해보려 합니다. 

 

우선 AIMS가 무슨 설비인지 알아야겠죠? 아시는분도 계시리라 믿지만 혹시 모르시는분을 위해서 간단히 설명하자면... AIMS는 반도체 포토공정, 포토리소그래피 공정에서 사용되는 포토마스크의 결함유무를, 패턴에 대한 형상정보를 파악하기 위한 현미경이라고 생각하시면됩니다.

 

자 제가 생각하기에 빛은 연봉입니다. 똑같은 연봉이라도 사람마다 느끼는게 다 다르거든요... ? ^^,, 빛도 똑같습니다. 빛도 가지각색인데 동일한 사이즈의 형상이나 패턴이라도 빛마다 느끼는 패턴의 형상이나 성능이 다 다릅니다. 즉 EUV 마스크를 평가하려면 EUV 빛으로 검사해야합니다. 이렇게해서 마스크에 생긴 결함을 파악하는 장비입니다. 즉, 현 미 경!

 

 

다시 돌아와서... 칩 제조를 위한 광학 리소그래피 분야에서는 웨이퍼에 이미지화된 마스크 패턴의 정확성이 가장 중요합니다. 동일한 마스크를 사용하여 많은 웨이퍼가 노출된 상태에서 각 웨이퍼에 대해 이 프로세스를 반복함에 따라 완벽한 마스크의 중요성도 동일하게 강조됩니다. 마스크에 존재하는 모든 결함은 전사되는 모든 웨이퍼에서 똑같이 복제되기에 결과적으로 생산되는 모든 칩에 성능 하락과 손상을 야기할 수 있습니다. 이렇게 생산에 있어 중요한 측면을 해결하기 위해 EUV 마스크 인프라(EMI) 컨소시엄은 ZEISS와 협력하여 EUV 마스크용 AIMS의 개발 및 상용화를 시작했습니다. 이 포스팅을 통해 HVM를 위한 결함 없는 마스크를 보장하는 데 있어 ZEISS AIMS의 소개와 역할 그리고 4가지의 초기 개발 컨셉과 장비의 특성을 알아보겠습니다.

Principle

SEM을 포함한 기타 마스크 검사 장비는 실제 마스크와 설계 사이의 편차를 식별할 수 있습니다. 또한 이러한 설비는 마스크 리페어된 영역과 그렇지 않은 영역 간의 차이를 식별할 수 있습니다. 그러나 어떤 편차가 패턴 리페어를 보증하는지 결정하고 리페어의 성공 여부를 확인하는 것은 어려운 작업입니다. 즉 단순히 편차를 감지하는 것만으로는 마스크 리페어 및 마스크 패턴 검증과 관련해서 충분한 정보를 인지 할 수 없습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 다음 두 가지 중요한 사항을 고려해야 합니다.

 

1. 마스크 설계에서 마스크의 물리적 편차는 웨이퍼 구조에 미치는 영향보다 덜 중요함
2. 마스크의 패턴 결함이 스캐너 노출 시스템을 이용한 이미징 프로세스 중에 웨이퍼로 전달되며, 이러한 빔 프로젝션은 단순한 reduction이 아니라 수치 개구(NA), 조명 설정, 이미징 파장 및 디포커스와 같은 이미징 조건에 의해 크게 영향을 받음

 

마스크 검사 설비/SEM과 스캐너 간의 이미징 조건 차이로 인해 전자가 결함의 패턴 프린팅 가능성을 정확하게 평가하기가 어렵습니다. 여기서 AIMS 설비가 힘을 발휘하는데요. AIMS는 상술한 고려 사항에 대응하여 스캐너 에뮬레이션이라는 개념을 사용합니다.

 

AIMS는 스캐너 노출 시스템의 이미징 조건을 에뮬레이트하여 유사한 설정을 사용하여 조사 대상 구조(예: 마스크 결함)의 이미지를 확보합니다.이를 스캐너 에뮬레이션이라고 합니다. AIMS는 동일한 마스크 측 이미징 조건을 적용하여 스캐너 시스템의 항공뷰 이미지 확대 버전을 생성합니다. 이로 인해 AIMS는 스캐너 시스템에 비해 웨이퍼 측 NA가 낮습니다. 전기장을 스칼라(즉, 벡터 특성을 무시함)로 간주하면 확대 외에도 영상은 변경되지 않기 때문입니다. 즉, 웨이퍼 측의 전기장 벡터 방향으로 인한 차이는 일반적으로 현재 EUV 시스템의 NA에서 무시 가능한 수준이 됩니다.

 

결과적으로 이러한 벡터 효과를 측정할 수 있기에 디펙에 의한 패턴 이미징 결함이 스캐너 항공뷰 이미지에 미치는 영향을 직접 측정하여 가상의 마스크 스택 특성을 기반으로 디펙에 의한 패턴 프린팅 시뮬레이션과 관련된 불확실성을 최소화하기 때문에 마스크 스택 매개 변수에 대한 지식이 필요하지 않습니다. 이러한 기술로 인해 ZEISS AIMS는 디펙 확인의 업계 표준 설비가 되었습니다.

 

 

마스크 제조 공정에서 AIMS의 사용은 위 그림을 통해 확인이 가능합니다. 먼저 MI를 통해 마스크의 디펙을 확인하고 메리트(MeRiT)를 통해 마스크를 리페어 합니다. 그 이후 리페어가 정상적으로 되었는지 확인하기 위해 다시한번 AIMS를 통해 MI를 진행하고 이상이 없다면 마스크를 다시 공정에 투입하는 프로세스를 가지고 있습니다.

 

 

이 과정은 DUV 및 EUV 마스크와 유사하지만 중요한 차이점이 있습니다. 예를 들어, DUV 마스크가 투과형으로 사용되는 반면, EUV 마스크는 반사형으로 사용되기에 마스크의 흡수층 아래에 HR 코팅, 즉 다층박막이 있습니다. 따라서 EUV 마스크 구조는 위 그림과 같이 더 복잡해지고 추가적인 결함 등급이 발생하기 쉽습니다.

 

기판 및 다층막 내의 결함은 다층을 관통하는 bumps 와 pits를 생성하여 반사광의 위상을 변화시키는 반면, 흡수층의 결함은 주로 반사광의 진폭을 변화시킵니다. 이러한 위상 결함의 영향은 파장에 매우 의존적이므로 EUV 마스크를 검사할 때 EUV 파장을 사용하는 것이 핵심이며, 필수적 입니다. EUV AIMS 설비는 이러한 모든 동작이 가능합니다.(즉, 리소그래피 공정에 사용되는 빛과 동일한 파장에서 작동합니다).

 

또한, process window에 대한 디펙의 영향, 보다 구체적으로는 스루 포커스 거동에 대한 디펙의 영향을 측정할 수 있는 능력이 필요합니다. 공칭 초점 평면의 작은 임계 치수(CD) 변동에도 불구하고, 결함은 약간 초점이 맞지 않을 때 레티클 또는 웨이퍼에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 니즈에 응답이라도 하듯.. ZEISS AIMS EUV는 기존 AIMS 설비를 EUV 영역으로 자연스럽게 확장시킬 수 있었죠.

Concept

이제 기본적인 AIMS 컨셉에 대해서 설명하도록 하겠습니다. AIMS의 개발에는 총 네 가지 설계를 고려하고 평가했습니다.

 

1. Scintillator Plate 컨셉: 이 설계는 EUV 광자를 가시광선으로 변환하는 섬광기 판을 사용합니다.이 빛은 가시광선 현미경을 통해 전자 탐지기로 촬영됩니다.이 방법은 수치 조리개(NA)가 0.25인 시스템에서 구현되었습니다.
2. Photocathode 컨셉: 이 개념은 광음극을 사용하여 EUV 광자를 광전자로 변환한 다음 전자 현미경을 사용하여 영상화합니다.

 

위의 두 가지 설계는 secondary magnification를 사용하며, 여기서 슈바르츠실트 EUV 광학이 약 10배의 초기 확대에 사용된 다음 기존 현미경 기술을 사용하여 추가 magnification를 진행합니다.이 접근법은 비교적 간단하지만 광자 변환 단계를 도입하여 광자 효율을 줄이고 주어진 노출 시간 동안 동일한 수준의 광자 노이즈에 도달하기 위해 기존보다 100% 즉 2배 더 밝은 광원을 필요로 합니다.

 

1. Zone Plate 컨셉: 이 개념은 존 플레이트를 사용하여 EUV 이미지를 CCD(Charge-Coupled Device)와 같은 디텍터로 직접 포착해서 확대합니다. 그러나 이 개념에 존재하는 난제는 색수차가 있으며 싱크로트론과 같은 좁은 대역폭 소스가 필요합니다. 실제로 ALS 싱크로트론을 사용하여 개발하기도 했습니다.
2. Reflective EUV Mirrors 컨셉: 이 개념은 반사 EUV 미러를 사용하여 이미지를 확대합니다.

 

후자의 두 설계는 EUV 빛을 사용하여 필요한 모든 magnification를 제공합니다. 최종적으로 여러분도 아시다 싶이 4번, 반사형 EUV 미러를 사용하는 이 접근 방식은 최종 AIMS EUV 컨셉으로 선택되었습니다. 이 개념은 광학 제조와 관련된 난제를 불러일으키지만 성공만 한다면 이전 다른 설계보다 훨씬 더 높은 광자 효율과 스캐너 이미징을 습득한다는 이점이 있었죠.

 

AIMS EUV 시스템은 EUV 스캐너에 비해 훨씬 작은 필드 크기와 Etendue(광학 시스템의 광 운반 용량)를 가지고 있습니다. 표준 EUV 플라즈마 소스는 AIMS EUV 시스템의 에텐드(광학계에서 확산되는 빛의 측정값)를 과도하게 채웁니다. 이는 소스 플라즈마의 중심 영역과 작은 solid angle만 사용할 수 있다는 것을 의미하며, 이는 측정에 기여하는 소스 파워를 제한하게 되는 단점이 존재합니다.

 

AIMS EUV 시스템은 EUV 스캐너 광학에 대한 ZEISS의 경험을 활용하지만, 광학 시스템의 범위를 단독으로 넘어서는 완전한 플랫폼입니다. 이는 DUV 리소그래피에 사용되는 AIMS 설비에서 상당한 기술적 변화를 보여줍니다. 대표적인 차이점을 알아보죠.

 

AIMS EUV와 기존 AIMS 설비의 몇 가지 주요 차이점은 다음과 같습니다.

1. 파장: (당연하게도) AIMS EUV는 DUV에 대해 193nm의 파장을 사용하는 반면 13.5nm의 파장을 사용합니다.
2. 광원: EUV는 레이저 광원 대신 EUV 플라즈마 소스를 사용합니다.
3. 광학: EUV는 굴절 렌즈 광학 대신 반사 미러 광학을 사용합니다.
4. 작동 환경: EUV는 대기압에서 작동할 수 있는 DUV와 달리 매우 깨끗한 진공 상태를 필요로 합니다.

이를 위해서는 광학 시스템과 EUV 플라즈마 소스와 같은 다른 구성 요소를 하나의 설비로 통합하는 AIMS EUV를 위한 새로운 플랫폼을 개발해야 했습니다.

Capabilities

ZEISS AIMS EUV 설비는 전체 필드에 대한 스캐닝 에뮬레이션을 제공하도록 설계되었습니다. 즉, EUV 스캐너와 동일한 마스크 조명 조건 및 영상 조건을 시뮬레이션할 수 있습니다.이 기능은 AIMS EUV가 실제 포토리소그래피 프로세스 중에 발생할 수 있는 이미징 조건을 정확하게 나타낼 수 있기 때문에 매우 중요합니다.

AIMS EUV의 핵심 기능은 수치 조리개(NA)와 조명 설정을 조정할 수 있다는 것입니다. 설비에는 수치 조리개(NA)와 조명 설정을 수정하는 메커니즘이 장착되어 있어 다양한 스캐너 유형과 조명 조건을 에뮬레이트할 수 있습니다. 여기서 NA는 렌즈의 집광 능력을 나타냅니다. NA가 높을수록 렌즈가 더 많은 빛을 포집한다는 것 입니다.

위 그림에 표시된 것 처럼 chief ray angle의 회전은 스캐너 슬릿 내의 위치에 따라 달라집니다. 이 회전은 마스크에 동일한 구조의 CD를 변경할 수 있는 3D effect의 변화를 유도합니다. 혹시 몰라 설명하자면 CD는 critical dimension의 약자로써 포토리소그래피 공정을 사용하여 인쇄할 수 있는 가장 작은 형상 크기를 나타냅니다. 여튼 다시 돌아와서... 스캐너 슬릿 내 위치를 기반으로 한 CD의 변화는 AIMS EUV에 의해 자동으로 에뮬레이트하는데. 이말인 즉슨, 특정 마스크 위치에 대해 스캐너 설비에 사용되는 각도와 일치하도록 최고 광선 각도를 조정하여 수행할 수 있다는 것입니다. AIMS EUV는 이 작업을 수행하여 스캐너 링 필드의 효과와 후속 3D effect 효과를 에뮬레이트할 수 있습니다. AIMS EUV는 실제 스캐너 설비에서 사용되는 것처럼 주 광선 각도를 조정합니다. 쉽게말해 오토포커스라고...생각하면될까나요..

 

CD의 차이가 필드 이미지에서 즉시 보이지 않음에도 불구하고, 위 그림의 우측처럼 스캐너 슬릿 위치에 대한 CD의 상당한 의존성을 보여주며, chief ray angle의 회전이 실제로 스캐너 에뮬레이션에 중요한 특징임을 증명합니다. 또한 최적의 프로세스 설계 및 성능에 필수적인 3D EUV 마스크 효과를 연구하고 정량화하는 AIMS EUV 설비임을 증명하죠..

 

이런 AIMS EUV는 또한 SMIF 포드와 EUV 듀얼 포드에서 마스크를 로드, 정렬 및 언로드하기 위한 자동화된 시스템을 갖추고 있기에 위치 지정, 포커스, 포커스 스택 획득, 주요 광선 각도 설정 및 시스템 보정과 관련된 측정 시퀀스가 자동화되어 높은 처리량과 효율적인 장비 운용이 가능합.... 음 실제로 그러더라구요 ^^

Performance

Exemplary images acquired with the AIMS EUV

 

AIMS EUV는 여러 메트릭에서 높은 수준의 성능을 입증했습니다. 1% 미만의 우수한 플레어 레벨(이미지에 원치 않는 산란광)과 스캐너 광학 품질 레벨에서 수차 성능을 보여줍니다. 특히 반도체 제조에 중요한 측면인 결함을 효과적으로 검토할 수 있는 능력을 보여줍니다. 또한 고품질의  illumination pupil을 가지고 있죠. AIMS EUV의 또 다른 중요한 특징은 뛰어난 포지셔닝 성능입니다. 100nm 미만의 성능으로 시스템은 각 사이트를 AIMS 이미지의 중앙 영역에 직접 배치할 수 있습니다. 또한 사이트당 7개의 포커스 레벨과 45개의 사이트/시간으로 측정된 실행 속도로 뛰어난 생산성을 가지고 있죠.

Measured CD reproducibility compared to specification. All values are 3x the standard deviation at mask level

 

그래도 뭐니뭐니 해도 성능이 좋아야하죠? 측정 성능의 중요한 사양은 CD 재현성입니다. 결함은 종종 CD의 변화 또는 구조 크기 오류로 인해 발생하기 때문에 특히 중요합니다. 일반적으로 10% 이상의 CD 변화은 디펙으로 간주됩니다. CD 재현성을 평가하기 위해 레일리 디포커스 장치의 일반적인 범위(웨이퍼 레벨에서 약 ±60-nm 디포커스)에 대해 마스크의 세 가지 다른 위치(왼쪽, 중앙 및 오른쪽)에서 포커스 스택을 취득하게 되는데요. 이 프로세스를 이용해 다양한 조건에서 재현성을 테스트하기 위해 여러 번 반복됩니다.AIMS EUV는 마스크 레벨에서 1nm 정도의 CD 재현성 값을 보여주며, 성능에 대한 칩메이커의 니즈를 충족합니다. 이를 통해 디펙의 프린팅 가능성을 예측하는 설비의 기능에 대한 높은 신뢰도를 보장합니다.

 

보다 Official한 정보를 원하시면 하단의 자이스 홈페이지를 참고해보세요! 글 읽어주셔서 감사합니다.

 

https://www.zeiss.com/semiconductor-manufacturing-technology/products/photomask-solutions/mask-qualification.html

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