7. EUV 개발 역사 (7) - 다층 박막의 서막

 

이번 포스팅에서는 미러의 제조 방법과 개발 역사에 이어 미러에 적용되는 EUV 전용 고반사 다층박막에 대해 소개하고자 합니다. 먼저 EUV에 대해 간략하게 설명하자면...(다들 아시겠지만)EUVL은 자외선 범위에서 매우 짧은 파장의 빛을 사용하여 실리콘 웨이퍼에 패턴을 그리는 것을 말합니다. 쉽게 말해 웨이퍼라는 도화지 위해 그림 그리는 것이라고 생각해주세요 EUVL은 매우 짧은 자외선 파장을 사용하여 실리콘 웨이퍼에 복잡한 패턴을 생성합니다. 참고로 짧은 파장을 이용하여 패턴을 형성할 경우 더 세밀한 패턴을 제작할 수 있고 반도체의 성능은 더 좋아집니다!

 

 

그러나 EUVL의 가장 큰 난제는 빛의 흡수에 있으며, 광의 전달이 가장 큰 고민거리였습니다. 결국 반사광학계의 차용을 통해서 EUV 광을 전달 할 수 있게 되었는데요, 반사 광학계를 구성하기 위해 가장 필수적인 요소가 바로 HR코팅, 즉 고반사 다층박막입니다. 쉽게말해 거울을 들여다본다고 상상해보세요. 빛이 거울 표면에서 반사되어 우리 눈으로 들어오기 때문에 우리는 우리의 빛을 봅니다. 빛을 더 쌔게 쬐고 싶으면 거울을 강화시켜야 겠죠? 다층 박막이 곧 아이템 강화하는 것입니다. 그러나 30nm 미만의 파장에서(주로 13.5 nm 파장에서...) 자연 발생 물질은 수직 입사에서 이 빛의 약 1% 이상을 반사할 수 없습니다. (그럼..?) 그 이유는 상당히 기술적인데, 간단히 말해서 이 영역에 있는 모든 재료의 굴절률(광선이 표면에 닿을 때 구부러지는 정도를 나타내는 척도)이 1에 가깝기 때문입니다. 이 문제를 해결하기 위해 연구자들은 다층(ML) 구조를 차용하였습니다. (언제나 답은 있다!)

 

 

EUV 광을 다양한 정도로 흡수할 수 있는 얇은 재료 층으로 구성된 일종의 '햄버거 패티'라고 생각해보세요~ 맥도날드 빅맥 트리플 타워 이런거 처럼요! 이러한 여러 층의 패티 레이어를 신중하게 계산하고 선택하고 배열함으로써 과학자들은 반사를 향상시키기 위해 올바른 방법으로 빛이 자체적으로 '간섭'할 수 있음을 발견했습니다.이 접근 방식은 보강 간섭으로 이어져 빛의 반사가 향상될 수 있었습니다. 그리고 프레넬 반사와 브래그 법칙도 언급하려 하였으나 보다 기술적인 포스팅은 추후에 다루겠습니다, 여기서는 역사만!

 

 

EUV 빛의 반사를 개선하기 위해 다층 박막을 사용한다는 아이디어는 하룻밤 사이에 나온 것이 아닙니다. IBM은 1972년에 이 개념을 처음 제안했습니다. 그리고 약 10년 뒤 Soft X-Ray 이미징으로 이 기술을 처음으로 실제 시연했습니다. 정상 입사 ML 박막 광학이 스침 입사 광학과 관련된 심각한 수차, 작은 시야 및 제조상의 어려움에 비해 명확한 이점을 제공한다는 것이 명백해졌기 때문에 이것은 EUV 광학에 중요한 전환점이 되었습니다. 그러나 개발 과정은 아직 끝나지 않았습니다. EUVL을 실행 가능한 기술로 만들기 위해서는 더 많은 돌파구가 필요했습니다. 그 중 하나는 1985년에 다층 구조에서 몰리브덴(Mo)과 실리콘(Si)의 특정 조합이 특정 EUV 파장에서 예외적으로 높은 반사를 초래한다는 것을 알아냈죠.

 

이 발견은 현재 13nm 근처의 좁은 파장 대역에서 EUV 빛의 최대 70%를 반사할 수 있는 최신 Mo/Si 다층 박막을 위한 길을 열었습니다.이러한 중요한 발전에도 불구하고 다층 박막을 구현하는 데 어려움이 없는 것은 아닙니다. 주요 장애물 중 하나는 실용적인 EUVL 장치를 만드는 데 필요한 단계인 곡면으로 이루어진 광학 표면에 다층 필름을 증착하는 것이었습니다. 곡선 광학 표면에 ML 필름을 증착하면 큰 응력으로 인한 박리, 습도에 대한 민감도, 응력 균형 붕괴, 스퍼터링 장비에서 필름을 제거한 후 핀홀 형성 등 다양한 문제가 발생했습니다. 이 문제들은 NTT의 타케나카에 의해 해결되었습니다. 인간은 참으로 위대한 존재인것 같습니다. 결국 해냈죠.여러가지 예시가 있지만 과학자들은 산란 효과를 줄이기 위해 탄소(C) 또는 실리콘(Si)의 캡핑 층을 사용하여 결국 구형 표면에 안정적인 다층 구조를 만들게 됩니다. 놀랍습니다.

 

 

이제 미러의 고반사 다층박막 이야기를 끝내고 마스크로 넘어가볼까요? EUV 공정에서 마스크 일반적인 투과형 마스크가 아닌 EUV 반사 마스크를 써야하기에 고반사 다층박막이 필수적입니다! 상술 하였듯, 마스크 또한 일반적인 카메라에서와 마찬가지로 EUV 마스크는 노광의 처리량을 최대화하기 위해 반사율이 높아야 합니다. (DUV와 같이 투과 마스크가 아닙니다) 그러나 높은 반사율을 유지하는 것이 유일한 과제는 아닙니다. 최고의 이미징 성능을 보장하려면 반사율의 중심 파장을 0.01 nm 이상의 놀라운 정밀도로 제어해야 합니다.

 

그러나 이것으로도 충분하지 않습니다. (또?) 회절 제한 인쇄 해상도(즉, 물리 법칙에 의해 결정되는 최상의 해상도)를 달성하려면 거울 표면에 편차 측정값인 0.1nm 정도의 표면 형상 오류만이 허용됩니다. 또한 완벽하게 매끄러운 모양에서 표면의. 이를 위해서는 전체 광학 표면에 걸쳐 다층 박막의 두께를 엄격하게 제어해야 합니다. 마스크 블랭크는 크롬 한 층 대신 Mo(2.8-nm 두께)와 Si(4.1-nm 두께)의 40개 층 쌍으로 박막 됩니다. 마스크 기판은 석영 대신 저열팽창물질(LTEM)입니다. ML 박막 반사 마스크를 패턴화하기 위해 다양한 기술이 평가되었으며, 현재 가장 선호되는 옵션은 Mo-Si ML 박막 블랭크 위에 완충층과 흡수층을 형성하는 것입니다. 또한 EUV 마스크는 기존 광학 리소그래피 마스크와 달리 진공 상태에서 EUV 빔에 노출된 후 탄소 슬러지가 축적되는데요. 따라서 EUV 마스크는 반복적인 세정, 플라즈마 클리닝을 견뎌야 합니다.

 

 

또한 흡수체 패터닝 공정 중에 발생하는 결함을 수리하는 것은 비교적 간단하지만 ML 박막 또는 반사 박막 아래 기판의 결함을 수리하는 것은 더 문제가 됩니다. 이러한 위상 결함은 1992년 EUV 인쇄 실험 중에 처음 관찰되었으며 EUV 블랭크를 검증하기 위해 파장 검사가 필요함을 시사합니다. (이전 포스팅의 PMI 처럼요!) 이러한 결함에 대한 인식은 1995년 이루어졌고, 해당 년도 이후 개발 및 최적화 과정이 진행되었습니다. Si 웨이퍼에 저결함 밀도 Mo-Si ML을 증착하기 위한 이온 빔 스퍼터 증착 시스템을 개발되었고 현재의 ML 박막의 입자 결함은 92년 이전보다 5배 적은 ML을 생성하는 것으로 나타났습니다. 결론적으로 다층 박막과 반사 마스크는 EUVL 기술에서 중요한 역할을 합니다. 어려움에도 불구하고 재료 과학 및 박막 기술의 발전은 마이크로프로세서 생산에서 가능한 것의 한계를 계속 확장하고 있습니다. 이러한 기술에 대한 이해와 제어가 향상됨에 따라 우리가 매일 사용하는 전자 장치의 성능과 효율성이 더욱 향상될 것으로 기대할 수 있습니다.