35. EUV Scanner에 대하여 (2)

 

이전 포스팅에서 기초?를 알아봤으니 이제 본격적으로 EUV 스캐너 설비에 대해 알아봅시다. 우선 유래부터 살펴볼까요?

Small-field EUV

리소그래피에서 Soft X ray를 처음 적용한 것은 근접 프린팅이었습니다. 마스크와 관련된 문제를 극복하고 Soft X ray를 DUV 기술의 후속 기술로 자리매김하기 위해 reduction printer의 개발이 필요했죠. 결국 1986년 키노시타 히로오가 첫 개발과 시연에 성공하게 되어 현시대의 EUV scanner 역사를 열었습니다.

 

그 이후로 이 기술의 잠재력을 입증하고 HVM에 필요한 핵심 구성 요소(거울, 다층 코팅, 마스크, 소스, 레지스트 등)를 개발하기 위해 많은 소Small-field 설비가 개발되었습니다. 1986년 당시에는 파장이 여전히 변수로 작용했는데, 소스 재료인 Sn과 멀티레이어인 MoSi의 조합은 결국 연구자들을 현재 EUVL에 사용되는 13.5nm 파장으로 이끌었죠.

 

모든 Small-field 설비는 두 개의 미러로 구성된 투영 광학 레이아웃을 가지고 있습니다. 이러한 시스템의 일루미네이터는 다양한 방식이 있죠. ASML의 NXE 3400~3600같은 최신 시스템에는 스캐닝 일루미네이터가 있는데, 퍼필의 2D 스캔을 만들기 위해 좁은 빔의 EUV 광선이 스캐닝 미러 광학계에 투사됩니다. 이 모양의 퍼필을 통해 빛이 마스크에 투사됩니다. 들어오는 빔의 강도를 조절하여 다양한 퍼필 모양을 만들 수 있으므로 이러한 Small-field 설비는 이미징을 최적화하기 위해 퍼필을 형성하는 확장된 기능을 갖춘 Full-field 설비에서의 도출될 이미징을 예측하는 데 매우 뛰어난 성능을 가지죠.

Full-field EUV

0.25 NA

최초의 풀필드 시스템은 2006년에 도입되었으며 NA가 0.25였고 ADT였습니다. 이 시스템으로 32 나노 선폭이 가능해졌죠.

이후 니콘도 만들고,

2010년에는 ASML도 NXE 3100 이름의 트윈스캐너를 만들었죠.

하지만 NA가 낮았기에 선폭의 제한이 있을 수 밖에 없었고 더 조밀한 선폭을 위해 NA는 0.33를 고려하면서 다시 개발에 착수하게 됩니다. 이때 off-axis 일루미네이터를 사용해서 진보되게 13nm까지 확장할 수 있습니다. 이렇게 해상도를 더 높이려면 더 큰 NA, POB 설계가 필요합니다.

0.33 NA

ASML NXE 3350

ASML NXE 3400, 현재 3600까지 출시되었음. 이제 5000번대 예정임

거두절미하고.. 많이 언급한 내용인데 25에서 33으로 넘어오는 순간 ASML만이 시장에서 살아남았죠. 관련된 스토리와 개요는 이전 포스팅에서 찾아보실수있습니다. 이제는 55의 시대로 넘어가는 중이죠?

0.55 NA

이제 다가오는 0.55 High-NA를 위한 5000번대 제품이 출시를 곧? 앞두고 있죠. 이를 통해 5~8nm 라인과 공간의 해상도가 가능해지는걸로 알고있습니다. NA가 더 증가하면 마스크 섀도잉 효과가 커집니다. 이를 피하기 위해 인쇄 가능한 필드 크기를 26mm*16.5mm로 줄일 수 있습니다. 그 이유는 이전에도 설명했지만.. 다시한번 짚고 넘어가면... 이미지 평면(웨이퍼)에 주어진 NA가 있는 모든 프로젝션 시스템의 경우 물체 평면(마스크)에도 NA가 있으며, 이 두 NA 간의 관계는

로 주어지며, 여기서 MAG는 프로젝션 시스템의 demagnification를 나타냅니다. 스캐너에서 MAG = 4배 는 마스크에서 이미지가 4배 로 축소된 패턴이라는 것을 의미하죠. 아시죠? 상기차원에서 다시 언급했습니다 ^^,,

NA 0.33

NA 0.55

이 내용도 아나모픽에서 설명한 내용이지만 워낙 중요하니 다시 한번 짚고 넘어갑시다! NA를 증가시키려면 배율의 변화 없이 마스크의 NA를 증가시켜야 합니다. 소위 물체에서의 주 광선 각도(CRAO)가 6도라고 가정할 때, 웨이퍼의 NA를 '0.4 NA' 이상의 값으로 증가시키면 들어오는 빛과 나가는 빛의 원뿔이 겹치게 됩니다. 이 콘 충돌은 CRAO를 증가시킴으로써 해결할 수 있습니다. 마스크의 각도가 증가하면 마스크의 다층 반사율이 변화하고 마스크 3D 효과가 더 커지는데, 이를 그림자효과 라고도 부르는걸 아실겁니다.

마스크 3D 효과가 증가하면 콘트라스트가 감소하고, 텔레센트릭 오차가 증가하며, 마스크에서 빛의 반사가 감소합니다. 흡수체를 다층에 묻어 마스크에 상당한 복잡한 추가 구조를 추가하는 것 외에도 이러한 효과를 완화하는 한 가지 방법은 입사광의 배율을 높여 마스크의 각도를 줄이는 것입니다.

따라서 광학의 배율을 변경하는 것이 가장 좋은 방법입니다. 위 그림에서 왼쪽 그래프는 배율을 증가시킴으로써 콘트라스트(NILS)가 증가하고, 이와 함께 CRAO가 감소함을 보여줍니다. 충분한 콘트라스트(NILS > 2)를 위해서는 7배 이상의 배율이면 충분합니다. 오른쪽 그래프는 x 방향의 각도를 증가시키면 콘트라스트도 감소하지만 그 정도는 훨씬 작다는 것을 보여주죠. 또한 수직선의 경우 마스크의 각도가 훨씬 작기 때문에 배율을 높여도 수직선에 대한 대비가 크게 증가하지 않습니다.

NA 0.55

그 이유는 위 그림에 표시된것 처럼 평면에 수직인 방향에 CRAO가 없기 때문입니다. 반사를 마스크 각도의 함수로만 보면 아래 그림과 같은 또같은 결론을 얻을 수 있습니다.

Y 방향으로만 멀티레이어의 고반사 각도 범위가 바뀌는데, 따라서 y 방향으로만 배율을 높이면 반사 기능을 복원하기에 충분합니다. 두 직교 방향에 대해 서로 다른 배율을 사용하는 것을 아나모픽 이미징이라고 합니다. 

 

 

이런 방식에 따라 수평선에 대한 투사 렌즈의 배율은 약 8배율이 되어야 하며, 다른 방향의 배율은 4에서 8 사이에서 임의로 선택할 수 있죠. (보통은 4와 8) 만약 등방성 8배율 시스템의 경우, 현재와 동일한 6인치 마스크 크기가 주어지면 필드는 웨이퍼 필드의 1/4이 되죠. 자 이게 뭐를 의미하는가? 중요한 부분입니다.

 

스테이지의 처리 시간이 실제 스캔 시간을 지배하는건 당연하겠죠? 노광이야 뭐 스텝에 따라서 시간 딱딱 정해져 있는거니까요. 총 처리 시간은 스테이지를 가속 및 감속하는 데 필요한 시간이겠죠? 핵심은 웨이퍼의 필드 수입니다.

 

풀 필드 상황에 비해 필드가 4개! 더 많습니다. 슬릿 폭이 더 작기 때문에(13mm 대 26mm) 빛이 더 작은 영역에 집중되므로 웨이퍼에 동일한 선량을 노출하려면 웨이퍼가 두 배의 속도로 움직여야 합니다. 마스크는 더 빠른 웨이퍼로 인해 원래 속도인 4배속으로 움직여야 하고, 8배율로 인해 2배속으로 움직여야 합니다. 따라서 총 오버헤드 시간은 풀필드 상황보다 16배 더 길어집니다.

 

그렇다면 말도 안되는 속도의 스테이지를 요구하는 등방성 때려치우고 아나모픽 4*/8* 시스템을 적용하는 경우에는 어떨까요? 결과적으로 위 C번 그림과 같이 웨이퍼의 결과 필드는 1/2 필드입니다. 이 경우 슬릿 폭은 풀 필드 케이스의 폭인 26mm와 동일합니다.

 

결과적으로 웨이퍼 스테이지가 풀 필드 상황과 동일한 속도로 이동하여 웨이퍼에 동일한 광량을 전달하게 되죠. 또한, 두 배의 필드만 노출해야 하므로 웨이퍼의 오버헤드 시간은 이제 풀필드 상황보다 2배 증가하지만, 마스크의 경우 Y 방향의 두 배 배율로 인해 4배 증가합니다. 웨이퍼 스테이지의 가속도를 2, 마스크 스테이지의 가속도를 4로 조정하면 오버헤드 시간의 증가를 보정할 수도 있죠. 이점이 있겠죠? 이 모든게 High-NA로부터 발생한마스크 3D 효과덕분이고, 이는 결과적으로 EUV 툴의 이미징에 점점 더 많은 영향을 미치고 있음이 분명해지고 있습니다.

 

 

조금 더 자세히 알아볼까요?. 사실 반사는 전자기장 방정식을 풀어서 설명할 수 있는 다소 복잡한 현상입니다. 이를 다소 단순화하여 설명하면 MoSi 다층에서의 반사, 기하학적 그림자 효과, 위상 효과라는 세 가지 효과로 동시에 설명할 수 있습니다. 우선 그림자로 인해 빛이 손실됩니다. 각도를 높이거나 마스크의 피치를 낮추면 상대적으로 더 많은 빛이 손실됩니다. 퍼필의 다른 부분은 마스크에서 다른 각도로 반사되므로 다른 효율로 반사됩니다.

 

이러한 불균형으로 인해 두 개의 바 트렌치 구조의 두 개별 트렌치에 대한 Aerial 이미지의 초점 Shift가 발생하져. 이 그림은 수평선을 패터닝할 때 0.33-NA 시스템과 0.55-NA 시스템의 마스크 3D 효과를 비교한 것입니다. 아나모픽 High- NA 시스템의 마스크에서 발생하는 각도가 작기 때문에 더 큰 NA 상황에서는 효과가 현저히 작습니다.

 

수직선의 경우 상황은 다르지만, 수직선에서 관찰되는 마스크의 최대 각도는 수평선에서 관찰되는 각도보다 여전히 작죠. y 배율의 증가(2에서, 4에서 결국 8배율로)가 NA의 증가(0.33에서 0.55로, 결과적으로 1.67배)보다 더 크기 때문에 마스크 레벨의 원뿔은 실제로 y 방향에서 더 작아집니다. 이는 라이트 콘을 서로 더 가깝게 접을 수 있는 기회를 제공했고, 따라서 이전 EUV 시스템에서 6도였던 CRAO를 고NA 시스템에서는 5.355도로 낮출 수 있었습니다.

 

아나모픽 High-NA 렌즈의 경우 마스크의 최대 각도가 감소하기 때문에 마스크 3D 효과와 그에 따른 초점 이동이 감소합니다. 이 효과는 각도가 감소하기 때문에 수평선에서 관찰됩니다. 수직선의 경우 각도가 증가하지만 수평선에 비해 최대값이 더 작습니다. 다시 돌아와서 리소그래피에서 High-NA로 흐름이 변화하는 주된 이유는 해상도를 높이거나, 특정 해상도를 달성하는 데 필요한 패터닝 단계의 양을 줄이기 위해서임을 잊지 맙시다.