EUV High NA 기술 공부 (1/2)

EUV High NA 기술 원리에 대해서.. 유튜브 디일렉 채널을 통해 공부한 내용을 정리한다.

(역시 EUV 기술 관련해서는 한양대 안진호 교수님이 최고임.)

 

EUV High NA 장비 : EUV가 통과하는 렌즈 및 반사경 크기를 확대한 설비로서, 렌즈를 키워 넓게 퍼지는 EUV 빛을 많이 끌어모은 뒤, 더욱 선명하고 미세한 회로를 만들겠다는 것

(차세대 EUV의 BA를 0.33에서 0.55로 업그레이드 한 장비로..EUV보다 더 미세한 피치의 반도체 공정을 가능하게 해 주는 장비)

 

 

 

 

현재 양산 TOOL이라고 볼 수 있는 NXE3400 시리즈 : 

- 92대 중 약 50%는 TSMC가 보유중으로 추정.

- 삼성은 약 24% 보유중 (21년 10월 파운드리포럼에서 확인. 아래 21년 삼성파운드리포럼 캡쳐화면 참조)

 

 

21년 삼성전자에서 발주한 NXE 3600 시리즈 : 

- 3400시리즈와 동일하게 0.33NA 

- 3400 대비 power 증가, optics 증가. 시간당 찍어낼 수 있는 wafer 수 증가, 불량률 개선 

- 가격은 약 1,800억원

 

 

High NA 장비

1. EXE 5000 (0.33NA 장비는 모델명이 NXE로 시작) :

- 23년에 6대 생산 예정

- 가격은 약 3,500억원 (NXE 3600시리즈 대비 약 2배 가격)

2. EXE 5200

- 24년 4분기 생산 예정

- 가격은 약 5,000~6,000억원 예상

 

1. NA가 증가하면 장점?

- 노광의 가장 기본이 되는 수식 (레일리의 식)

- 해상도(작게 그릴 수 있는 패턴의 한계) = 파장이 짧아질수록 작아지고.. NA가 커질수록 작아짐 :

  즉.. 파장이 짧아지고.. NA가 커지면 해상도가 좋아짐.

- 즉 렌즈를 크게 만들어서 빛을 많이 모을 수 있게되면.. 더 작은 패턴을 만들 수 있는 장점이 생김

 

 

EUV파장은 고정되어 있음. (기존 AfF 193nm → EUV 13.5nm로 큰 변화를 가져왔음)

 

기존의 248nm, 193nm 시절도 동일한 방식이었다. 

1st step : 파장을 줄인다.

2nd step : NA 값을 키운다.

 

2. NA값을 올리는것이 어렵나?

- 광학을 하는 사람들은 mirror도 렌즈라고 부른다.

- 일반적으로 정밀한 광학계들은 투과형이 아니라 반사형 mirror를 많이 사용한다.

  예를들면, 천체망원경은 렌즈를 사용하지 않고..거울을 사용함.

- EUV에서 High NA라는 것은 반사경을 크게 만드는것..으로 이해하면 됨 (일반적으로)

- 193, 248처럼 deep uv에서 렌즈는 광 축에 정렬해서 쌓기 때문에 렌즈를 키우는 것에 큰 한계가 없음.

- 하지만 렌즈를 크게 만들면..에러가 날 확률이 높아지기때문에 NA값을 무한정 키울 수 없음.

- 근데.. EUV의 경우는 다르다. 반사광학계이기 때문에 거울을 복잡하게 정렬하기때문에.. 일저 크기 이상으로 mirror가 커지면 입사광과 반사광을 manage하기가 힘들다. (이유 : 입사광 & 반사광 간의 간섭 발생)

- Mirror를 일정 크기 이상 키우기 힘들기 때문에..거기서 나온 기술이 에나모픽이라는 기술임.

(에나모픽 : https://namu.wiki/w/%EC%95%84%EB%82%98%EB%AA%A8%ED%94%BD)

 

 

 

3. EUV에서 NA를 증가시키는 방법

1) 입사 각도에 변화를 줌

- EUV 마스크는 반사형임.. mirror가 있고.. 그 위에 패턴들이 있는데.. 입사각이 있으면.. 패턴에 그림자가 생기는 현상이 발생함. 이로 인해서 mask 3d effect가 발생하는데.. 그것을 해결하기가 힘들어서.. 입사각을 기존 6도 → 9도 로 변경하려던 시도는 실패 (Mask 3D Effect : 포커스의 문제, 패턴 사이즈 변화의 문제 등)

 

2) 축소배율을 증가시킴

- 기존에 ASML이 검토를 했던 방법임.

- 입사각도는 유지하되 축소 배율을 1/8로 줄이게 되면.. 한번에 전사 가능한 필드 사이즈가 1/4로 줄어들어서 생산성이 떨어지게 됨.

- 대신 마스크의 크기를 2배로 증가시켜서.. 스루풋이 1/4로 줄어든 것을 만회하고자 했었는데.. 마스크 제조 산업은 6인치 기반임. 결국 마스크 크기를 12인치로 키워하 하는데.. 이는 마스크 산업 전체를 뒤흔들어야 하는 사항이라 어려움. 

 

3) Anamorphic

- 그래서 고안된 방법이 애너모픽 기술(광학에서 상이 일그러져 왜곡된다는 형용사적 의미)

 : 가로 x 세로 축소 비율을 달리 하는 기술

 

 

 

4) 애너모픽의 문제점은?

- 이미지 배율을 축소했다가 다시 원복하는 과정에서 이미지 품질 저하가 있으면 안되는데.. 이런 문제는 optics를 담당(mirror 설계 등)하는 'ZEISS'社에서 담당하고 있음.

- 시네마에서는 이미지를 squeeze → desqueeze 하였는데.. 노광 공정에서는 desqueeze → squeeze 함.

- 예를 들어.. 하나의 필드 안에 다이가 4개 들어있을 경우..실제로 웨이퍼상에 찍어보면..

① 0.33NA의 경우는 치수는 1/4 x 1/4가 되었지만.. 4개의 다이가 그대로 찍힘.

② High NA의 경우.. 애너모픽 마스크가 한쪽 방향으로 desqueeze 된 상태이기 때문에.. 마스크 상에 2개의 다이만 들어가게 되는 현상이 발생됨. 결론적으로 스루풋이 2개로 줄어드는 현상이 발생함.

 

5) 애너모픽의 문제점 해결 방법은??

- ASML이 엔지니어링 적으로 본 문제를 해결하는 방법을 고안함

- 1번 스캔해서 2개만 찍을 수 있다면 (기존 : 1번 스캔 시 4개 찍음) 마스크와 웨이퍼의 스캔 속도를 증가시켜서 이 문제를 해결하려고 한다.

- 하지만 이미 기존에도 마스크와 웨이퍼의 스캔 속도는 육안으로 확인이 어려울 정도의 속도인데.. 기존 대비 마스크 스피드 4배.. 웨이퍼 스피드 2배 증가시킨다.

 

4. High-NA 장비 사용 시 다른 소재들에 대한 성능, 요구사항 변화는 없나?

- 기본적으로 High-NA는..더 좋은 노광 특성을 줄 수 있기 때문에.. 장비가 비싸더라도..도입을 하는데.. 문제는.. 고객의 요구는 그 이상으로 높아짐.

- High-NA의 문제점때문에 요구사항이 변화되는 것이 아니라.. 고객의 높아진 눈높이에 맞춰서.. 소재에 대해서도 더 높은 성능을 요구하고 있는 상황임.

 예1) 현재 사용되는 마스크는 반사가 되고, 되지 않는 1-0 스타일의 contrast(대비)를 이용해서 이미지를 얻게 된다. 하지만 위상변위 마스크라고 마스크 자체에서 해상도를 높이는 요구도 높아지고 있음.

 

 예2) 현재 나와있는 레지스트의 감도는 40~50 mJ/cm^2 이다. (감도가 좋다는 것은 빛이 조금만 들어와도 노광이 된다는 이야기이고.. 그래서 감도의 숫자는 낮을수록 좋다.)

근데 요즘 거의 대부분 장비들이 300mm를 160장/H 를 찍어 낼 수 있다고 이야기 하는대.. 이때 조건이 PR 감도 30 mJ/cm^2를 기준임.

 

 예3) 레지스트는 해상도나 감도보다.. 패턴에 디펙트가 발생하는 것이 가장 큰 문제이다.

확률론적 결함(Stochastic Defects) 이라고 EUV에서 오히려 더 크게 일어나는 현상임. 

: 구멍의 패턴을 찍으면 모두 같은 사이즈의 hole 이 나와야 하는데.. 홀 패턴이 비정상적인 경우 발생 & 라인도 붙어버리거나 끊어지기도 하는 결함을 의미함.

포토레지스트에 입사되는 포토넷의 분포가 랜덤하기 때문에 발생하는데.. LER (Line Edege Ruffness)이 생긴다. 그리고 LER이 커지면.. Stochastic Failure가 일어난다. 

그래서.. 이러한 Stochastic Failure을 최소화 하는 composition을 가져가는 레지스트에 대한 요구가 높아짐.

 

 

4) 펠리클에 대한 요구 사양이 높아짐.

High-NA는 향후에 사용할 장비이므로 그때가 되면 광원의 파워도 증가 할 것이다. (600W이상 예상)

현재 양산되고 있는 장비는 광원이 약 250W 정도로 가동중이고.. ASML에서 개발중인 장비는 약 400W를 달성했다고 알려져있음. (광원 파워가 높아지면 빠른 시간에 여러장의 웨이퍼를 찍어 낼 수 있음.)

펠리클에 높은 에너지가 쏟아지니까..내열성이 더욱 증가된 펠리클이 필요하게 됨.

- 방송 시점 기준으로.. 대한민국은 펠리클을 못쓰고 있고.. TSMC는 자기들이 만들어서 쓰고 있음. (안진호 교수님 왈)

 

 

 

 

EUV High NA기술 공부 2편에서 계속~

 

 

2편 내용은 아래 링크 참조~

https://yusae8th.tistory.com/127

EUV High NA 기술 공부 (2/2)