38. EUV 파장은 왜 13.5 nm 인가요?

 

EUV가 도대체 뭐죠?

EUV는 무엇이고?, EUV 파장은 왜 13.5 nm 인가요? 우선 EUV가 무엇인지부터 간단히 짚고 넘어갑시다!. 우선 EUV는 극 자외선을 의미합니다. 약 13.5 nm의 파장의 빛이며, 일반적인 자연 상태에서는 존재하지 않습니다. 인공적으로만 만들어질 수 있으며 고 에너지로써 공기에서도 흡수가 활발히 일어나기에 이를 사용하기 위해서 진공 환경은 필수적입니다.

13.5 nm 파장의 중요성

이전 포스팅에서도 설명했던 무어의 법칙이 지속되기 위해서는 반도체의 성능이 당연히 향상되어야겠죠? 반도체의 성능은 속도, 전력효율 등 여러가지 요인이 작용합니다. 이러한 성능향상 요인중에 가장 빠르게 작용하는 것이 회로의 선폭입니다. 칩의 회로를 리소그래피 공정으로 그릴 때, 빛의 파장이 작으면 작을 수록 얇은 회로 선폭을 그릴 수 있게됩니다. 그러니 EUV의 13.5 nm 파장과 같은 작은 파장의 빛이 큰 파장보다 효과적이겠죠?

 

13.5 nm를 사용하는 것이 무슨 이득이 있죠?

리소그래피를 한다면 레일리의 식을 무조건 알아야 할 것입니다.

 

리소그래피에 13.5nm 파장을 사용하는 이점은 모든 리소그래피 프로세스의 해상도를 제어하는 ​​기본 방정식인 레일리 방정식과의 상호 작용에서 비롯됩니다. 여기서 해상도는 분해 가능한 가장 작은 피처 크기, λ는 빛의 파장, NA는 렌즈 시스템의 개구수(본질적으로 집광 능력을 측정함), k1은 프로세스 종속 요소(종종 Rayleigh 상수)는 프로세스, 레지스트 및 조명 조건과 관련이 있습니다. 리소그래피와 관련하여 목표는 더 작고 밀도가 높은 회로를 생성할 수 있도록 분해 가능한 가장 작은 피처 크기인 해상도를 줄이는 것입니다.

 

이를 수행하는 세 가지 기본 방법이 있습니다. λ 감소, NA 증가 또는 k1 감소입니다. 공정 의존적 요인인 k1을 줄이는 것은 레지스트 화학의 발전이나 광학 근접 보정(OPC) 또는 위상 편이 마스크와 같은 해상도 향상 기술(RET)의 사용과 같은 조명 설정의 변경이 필요하기 때문에 종종 어려운 일입니다.

 

NA를 늘리는 것 같은 효과를 주었던 Immersion Litho 시스템, 이 시스템으로 ASML은 EUV업계를 제패했다.

 

개구수(NA)를 증가시키는 것은 퍼필이 더 큰 렌즈 시스템을 설계하여 더 많은 빛을 모을 수 있도록 합니다. 그러나 이것은 종종 렌즈 시스템의 복잡성과 비용을 증가시킵니다. 또한 NA는 일반적으로 공기 또는 immersion 유체인 렌즈와 웨이퍼 사이의 매질의 굴절률에 의해 제한됩니다. 이것은 매체의 굴절률(공기 중 1.0, 물의 경우 ~1.44)로 제한되며 NA를 이보다 크게 만들 수 없습니다. 이제 아시겠죠? 해상도 성능 향상을 위해서 가장 빠르게 접근 가능한 점이 파장 λ 라는것을요!

 

Rayleigh 방정식에 따라 파장을 줄이면 해상도에 직접적인 영향을 미칩니다. 이것이 우리가 초기 공정에 사용된 가시광선부터 최신 공정(193nm ArF 레이저)에 사용되는 심자외선(DUV), 극자외선(EUV)에 이르기까지 리소그래피에서 파장이 계속 감소하는 추세를 보는 이유이며, 비단 성능의 문제뿐만 아닙니다. 이익집단인 기업은 많이 생산해서 파는게 좋겠죠?

 

6..8..인치의 웨이퍼라는 한정된 레이아웃에 회로를 조밀하게 많이 그리면 더 많은 칩을 생산할 수 있어 리소그래피 공정에서 작은 파장의 도입은 필수가 되었습니다. ArF 193 nm 달리 13.5 nm 파장을 사용하는 EUV 리소그래피는 반도체 제조에 있어 혁신적인 기술입니다.

 

더 조밀한 회로로, 더 조밀한 칩 구성으로, 수익은 늘리고 성능도 챙기고...

 

EUV는 왜 13.5 nm 이어야만 하나요?

빛의 스펙트럼, 중간 보라색이 EUV 영역

ArF 193 nm와 13.5 nm 사이에도 수 많은 파장 선택 가능성이 있었음에도 불구하고 왜 13.5 nm가 되었죠?

해답은 실용성과 최적화의 균형을 맞추는 데 있습니다. EUV 파장보다 더 짧은 파장이 사용된다면 당연히 더 높은 해상도를 달성할 수 있습니다. 그러나 13.5nm 미만의 파장에서는 더 높은 에너지 복사, 더 복잡한 미러 설계 및 광학 재료에 의한 더 큰 흡수와 같은 문제가 발생합니다.

 

따라서 13.5nm 파장은 EUV 빛에 적합한 지점으로 판단되어 개발되었습니다. 당연히 13.5 nm 파장이 처음부터 고려된 것은 아니었습니다. 여러가지 시도가 있었습니다. 고려된 파장은 4 nm에서 92 nm까지 다양했습니다. 우선 Fused Silica와 대기 중의 산소는 157 nm 파장까지 흡수됨으로 157 nm 이전을 고려해야 했습니다. 계속 하겠습니다!

 

초창기의 연구는 약 2.3nm에서 4.4nm 사이의 범위인 "워터 윈도우(water window)"라고 불리는 것에 초점을 맞췄습니다)는 X-Ray 빛에 상대적으로 투명했기 때문이죠. 하지만 많은 어려움이 있었습니다. 적절한 광학 장치의 개발과 마찬가지로 소스 생성이 어려웠습니다. 또한 EUV 방사선과 레지스트 사이의 상호 작용에 대한 이해가 제한되어 있어 광화학에 대한 이해가 부족했습니다.

비슷한 파장대역으로 Soft X-ray Lithography라고도 하는 이 방법은 Soft X-ray 영역으로 이동하여 해상도를 더욱 향상시키는 방법입니다. 이 분야의 주요 과제는 X선을 효율적으로 반사할 수 있는 광학 재료의 부족과 민감한 레지스트 개발의 어려움이 존재하여 제외되었습니다. X-Ray가 너무나 투명했기 때문이죠!

계속되는 광원에 대한 이슈를 해결하고자 파장을 급격히 올린 연구도 있었습니다. 일부 연구는 Xenon 방전원에서 생성된 92nm 파장에 초점을 맞췄습니다. 이 광원은 더 짧은 파장에 필요한 더 복잡하고 덜 효율적인 광원에 비해 상대적으로 간단하고 효율적이었습니다. 그러나 92nm 파장은 안정적으로 인쇄할 수 있는 최소 피처 크기가 노출 파장에 대략 비례하기 때문에 해상도에 상당한 문제가 있었습니다.

그래서 파장을 더 줄였습니다. 46 nm 까지요! Ne-like-Ar X-Ray 레이저가 존재하였습니다만 11~17 nm 파장대역 대비 약 3배 이상 해상도가 좋지 않았습니다. 또한 높은 반사율을 구현할 수 있는 ML의 부재가 있어 제외되었습니다. 13.5nm EUV 기술과 유사하게 11nm 기술은 주로 레이저 생성 플라즈마 소스와 관련되며, 여기서 더 짧은 파장은 파장에 비례하는 회절 한계로 인해 해상도를 높일 수 있었습니다. 그러나 이러한 방식은 미러 반사율 및 레지스트 감도와 관련하여 더 심각한 문제에 직면하였기에 제외되었습니다.

 

그 외에도 33nm, 45nm 및 73nm와 같은 파장에 대한 소스, 광학 및 레지스트에 대한 연구가 포함되었습니다. 여러가지 최적화 과정을 거쳐 11, 13, 17, 24 nm 부근의 불연속 파장 대역으로 좁혀졌습니다. 그중에서 크리티컬한 것은 Be 기반 ML 사용이 작업자의 안전 문제를 유발하기에 파장은 13 nm 부근으로 확정되었습니다.

 

시간이 지남에 따라 EUV 기술에 대한 이해가 향상되고 반도체 피처 크기에 대한 요구 사항이 계속 축소됨에 따라 업계는 13.5nm 파장을 중심으로 통합되었습니다. 13.5 nm 파장은 달성 가능한 분해능, 소스 효율성, Mo-Si 기반 ML의 반사율 및 레지스트 감도의 최상의 균형을 제공했습니다. 이 모두는 점점 더 소형화되는 반도체 장치의 대량 제조를 가능하게 하는 데 중요했습니다. 그러니 13.5nm의 선택은 필연적인 결론이 아니라 중요한 연구 및 개발이 포함된 진화 과정의 결과라는 점을 기억하는 것이 중요할 것 입니다.