29. EUV Mask에 대하여 - 제작 (1)

 

포토 마스크 기술은 반도체 제조 공정에서 EUVL을 성공적으로 구현하기 위한 가장 중요한 문제 중 하나로 꼽힙니다. EUV 빛은 대부분의 소재에 강하게 흡수되기 때문에 마스크 구조를 포함한 모든 광학 부품에 반사 광학이 적용됩니다. 그 결과 다층 미러(MLM)를 기반으로 하는 EUV 마스크 구조는 기존 광학 리소그래피와 근본적으로 다릅니다. 이를 위해서는 나노 단위의 박막 기술이 필요합니다.

 

13.5nm 파장 빛을 반사하려면 서로 다른 EUV 광학 상수를 보이는 여러 층의 재료가 번갈아 가며 구성된 ML 구조가 필수적입니다. 브래그 반사는 정상에 가장 가까운 입사각에서 EUV 반사를 최대화하기 위해 필요하며, 그 효율은 구조(예: 각 층의 두께 및 비율)와 광학 특성(굴절률 및 소멸 계수)에 의해 결정됩니다. 이미징을 위한 광학 콘트라스트를 생성하기 위해 이 MLM 상단에 높은 EUV 흡광도를 가진 패턴이 형성됩니다. 그러나 반사 시스템으로 이미지를 전송하는 데 필요한 비스듬한 입사광 각도는 Mask 3D와 같은 다양한 효과를 유발합니다. 소개는 이 정도로 하고 이번 포스팅을 통해 EUV 마스크의 모든 것과 관련된 MI, 즉 계측에 대해 알아보겠습니다. 여러 차례 나누어 포스팅 될 예정으로 참고 부탁드립니다.

 

[브래그 반사]
정의: 브래그 반사(또는 브래그 산란)는 X-선이나 다른 파동이 결정 격자와 같은 주기적 구조에 입사될 때 관찰되는 현상 

공식: nλ = 2D sin(θ)

[Mask 3D Effect]
정의: 전통적으로 포토마스크는 광학 시뮬레이션에서 키르히호프 박막 마스크 근사치라고 불리는 무한히 얇은 것으로 간주되었습니다. 그러나 피처 크기가 감소하고 포토리소그래피에 사용되는 빛의 파장이 이러한 피처 크기에 가까워짐에 따라 이 근사치는 정확도가 떨어지게 됩니다.

실제 포토마스크는 높이가 0이 아닌 피처와 수직에서 벗어난 측벽 각도를 가진 3차원(3D) 오브젝트입니다. 이러한 편차는 얇은 마스크 근사치로는 정확하게 예측할 수 없는 회절 현상을 초래합니다. 이를 마스크 3D 효과라고 합니다

문제: 
위상 효과: 마스크 피처의 두께가 0이 아니기 때문에 입사 파면의 다른 부분이 서로 다른 광학 경로 길이를 이동하여 웨이퍼의 구조적 간섭 패턴에 영향을 줄 수 있는 위상 변화를 일으킵니다.

그림자 효과: 마스크 피처는 높이가 있기 때문에 일부 영역은 일부 입사각에서 일부 입사광이 차단('그림자')됩니다. 

측벽 각도 효과: 마스크 피처의 측벽이 정확히 수직이 아닌 경우 회절 패턴을 추가로 나타나게 됩니다.

EUV Mask 구조와 제작 공정

EUV 마스크 제작 공정은 마스크 블랭크 제작과 마스크 패터닝의 두 단계로 구성되는데요. 우선 BM제작부터 알아보겠습니다. EUV 블랭크 마스크는 LTEM를 기판으로 사용합니다. 기판은 EUV 반사 ML로 코팅되고 원치 않는 산화를 방지하기 위해 Capping 레이어를 사용하여 덮여 있습니다. 흡수층 코팅에 이어 반사 방지 코팅(ARC)과 후면 전도성 층 코팅을 통해 최종적으로 마스크 블랭크 제작이 완료됩니다. E-Beam Writing과 건식 에칭으로 구성된 마스크 패터닝은 마스크 공정과 유사합니다.

 

 

이와같이 EUV 마스크는 고유한 기계적, 화학적, 광학적 기능을 가진 여러 레이어로 구성됩니다. 여러 레이어로 구성되더라도 모든 레이어를 포함한 마스크는 최소한의 왜곡으로 강성을 유지해야하며, 결함이 없는 평평하고 매끄러운 표면과 낮은 열팽창계수(CTE)를 가져야 합니다. ML은 마스크 효율을 결정하는 핵심 구성 요소 중 하나로, ML의 반사율이 낮을수록 마스크에 의한 광학 손실이 커집니다.

 

EUV 마스크의 여러 난제 중 가장 큰 것은 "상당히 긴 작동 시간 동안 ML 성능이 유지되는가?" 입니다. 그렇기에 ML의 Capping 레이어로 성능 저하를 막죠. EUV 마스크의 흡수층은 패턴 형성 기능 측면에서 DUV 바이너리 마스크의 크롬층과 유사한 목적을 가지고 있습니다. EUV 마스크 구조의 반사적 특성으로 인해, 흡수층은 반사를 최소화한 흡수를 통해 ML 대비 패턴 이미지 대비를 확보하게 됩니다. 또한 높은 대비비를 얻기 위해 흡수층 위에 ARC를 적용하게 되죠. 마지막으로 후면 전도성 층은 정전기를 통한 척킹을 위한 것으로, 설비의 장착 때문에 존재하는 것입니다.

 

다시 돌아와서 기판은 EUV 마스크 제작의 시작 재료이며, 성공적인 마스크 제작을 위한 조건은 아니지만 품질 보증이 필요합니다. SEMI P37-1102, SEMI P37-0613 등 이와 같은 표준은 열팽창, 표면 평탄도 및 결함 수준의 평균 및 공간적 변화와 같은 기판 요구 사항을 포함하는 나름의 규정인데요, 궁금하시면 한번 찾아보시기 바랍니다. (유료 입니다.)

 

https://store-us.semi.org/products/p03700-semi-p37-specification-for-extreme-ultraviolet-lithography-substrates-and-blanks

위 링크는 실제 구매관련 웹사이트고, http://ieuvi.org/TWG/Mask/2008/MTG080228/MaskTWGIEUVIStandards080228.pdf

도 한번 참고 해보세요! 과거에 작성된 SEMI P37 규격에 대한 자료입니다.

CTE, 열팽창계수

노광 및 마스크 제조 시 온도 차이로 인한 마스크의 평면 왜곡은 웨이퍼의 이미지 배치 오류에 영향을 미치기 때문에 마스크 기판으로 상술한 LTEM이 꼭! 필요합니다. 마스크 왜곡은 CTE의 평균값뿐만 아니라 공간적 변화의 영향을 받기 때문에, 마스크 기판 표준 SEMI P37-0613은 총 공간 변동이 6ppb/K인 0 ± 5ppb/K에서 총 공간 변동이 10ppb/K인 0 ± 30ppb/K 범위의 CTE를 요구합니다.

열팽창 계수(CTE)는 온도 변화에 따라 물체의 크기가 어떻게 변하는지를 설명합니다. 포토마스크의 경우 마스크의 온도 변화로 인해 마스크가 팽창하거나 수축하여 웨이퍼에 투영된 패턴이 왜곡될 수 있으므로 CTE는 매우 중요한 파라미터입니다. 이는 노광 및 마스크 제조 공정에서 특히 중요하며, 열 변동을 일으킬 수 있습니다.

CTE를 고정밀로 측정하는 것은 기술적으로 어려운 과제입니다. EUV의 요구 사항은 특히 까다로워 상용 팽창도계의 성능을 뛰어넘는 1ppb/K(켈빈당 10억 분의 1) 수준의 측정 분해능이 필요합니다.

Surface, 표면

ML은 13.5nm 파장에서 높은 반사율을 달성하기 위해 EUV 마스크의 기판 위에 코팅됩니다. EUV 반사율은 기판 표면의 거칠기, 특히 고공간 주파수 거칠기(HSFR)에 의해 저하됩니다. 그림a를 통해 HSFR은 투사 렌즈에서 EUV 광의 광각 산란 및 손실을 유발하며. 작은 각도 산란을 통해 파면 오류와 오염을 유발하는 중간 공간 주파수 거칠기(MSFR)는 그림b에서 확인 가능합니다.

 

마스크 MSFR(슬로프 에러라고도 함)은 거울에서와 같이 플레어의 원인이 아니라 이미지 평면의 강도 변화로 이어져 라인 에지 조도(LER) 또는 이미지 배치 에러의 원인이 됩니다. MSFR과 HSFR의 주파수 f 범위는 각각 10-6 /nm < f < 0.004/nm 및 0.004/nm < f < 0.02/nm가 되어야 하는데, ML smoothing deposition 기법은 마스크 HSFR을 줄일 수 있지만 MSFR에는 효과적이지 않습니다. SEMI P37 표준은 0.15nm RMS 미만의 HSFR과 1.0mrad 미만의 슬로프 에러를 허용하는 수준임을 아셨으면 좋겠습니다아.

 

마스크 평탄도 문제는 nontelecentric illumination system인 독특한 EUV 이미징 시스템 설계에서 비롯되는데요. 패턴화된 마스크 표면의 높이 변화(비평탄도라고도 함)는 웨이퍼에 이미지 배치 오류(또는 오버레이 오류)를 유발합니다.

 

 

웨이퍼의 이미지 배치 오류 Dx는 6도 조명 각도 u에서 마운팅된 마스크의 비평탄도 Dz의 약 1/38 정도입니다. 마운팅된 마스크의 전면 평탄도는 기판 표면의 자유 평탄도와 기판 표면이 서로 얼마나 평행한지에 따라 영향을 받습니다. 평평한 정전기 척이 노광 툴에 마스크를 장착하는 지정된 방법이기 때문에 마스크의 후면 평탄도도 전면 평탄도에 영향을 미칩니다. SEMI P37 표준에서는 전면(프리스탠딩) 및 후면 평탄도 값을 30nm PV 미만 값을 허용합니다.

 

Defect, 결함

하지만 제작공정에 있어 디펙이 없을 수는 없겠죠. 이러한 디펙이 기판위에 존재하게 되면, 기판 표면 결함은 ML 코팅을 통해 전파되는 경향이 있습니다. ML 블랭크에서 검출된 결함의 80% 이상은, 즉 대부분은 기판에서 비롯된 것인데, 이를 통해 기판 결함 제어? 감소의 중요성을 시사합니다. 증착 공정 및 조건에 따라 기판 결함은 확대되거나 축소될 수 있습니다. 전파된 마스크 표면 결함이 임계값(직경 및 높이)보다 크면 웨이퍼에서 결함으로 프린팅될 수 있습니다. 이로 인해 위 그림처럼 반사된 파면의 섭동이 발생하며, 이런 마스크 표면 결함을 위상 결함이라고 합니다.

 

 

기판의 3D 입자를 하나의 고유 번호로 설명할 수 없기 때문에 구형 등가 부피 직경(SEVD)이 사용됩니다. 이때 입자의 부피와 동일한 부피를 가진 구가 있어야 하며, SEVD를 사용하여 기판 결함 크기를 정의할 수 있습니다. 한 가지 예로 가우시안 결함의 SEVD 크기를 들 수 있는데, 이는 결함 높이 h0 및 FWHM에 의해 정의됩니다. 아래의 식을 통해 ML 증착 공정에 의한 결함 효과와 전파된 마스크 표면 결함의 프린팅 가능성에 대한 정보가 있으면 기판의 임계 결함 크기를 예측할 수 있습니다.