Numerical Aperture, NA는 보통 '렌즈의 크기'를 표현하며, 정확히 말하자면, 렌즈의 유효한 부분을 재현하는 Aperture의 크기를 수치화 한 개념으로 '렌즈가 포착할 수 있는 최대 회절각'을 의미합니다. NA가 커질수록 해상도가 향상되어 미세선폭을 구현하는데 중요한 변수로 작용합니다. 반면에 NA가 커질수록 Depth of Focus, DoF 수직공정마진이 작아지기 때문에 Resolution과 DoF의 Trade off 관계를 고려하여 적절한 NA값을 취해야 합니다.
"현재 EUV 장비는 완벽하게 양산이 이루어지고 있는가?, 생태계가 완전히 만들어졌다고 봐야하는가?"
현재 EUV는 양산에 필요한 성능을 모두 내고 있지는 않다고 전문가들은 평가합니다. Mask나 photoresist 그리고 pelicle, 여러 가지 검사 장비나 부대기술들이 완벽하게 요구되는 성능을 다 발휘하지 못한 상태에서 양산에 도입된 상태입니다. 현재 TSMC나 삼성전자에는 EUV가 이미 양산에 도입됐고, 2023년 부터는 Hign-NA 장비가 나올 것이라고 전망하고 있습니다. 지금까지는 High-NA가 아닌 일반 0.33NA인 NXE 3400 시리즈가 양산에 적용됐고, 이후에는 0.33 NA에 생산성을 증가시킨 NXE 3600 시리즈가 도입됩니다.
Power와 광학계를 개선시켜 시간당 만들어낼 수 있는 웨이퍼 수와 수율을 개선한 장비가 도입됩니다. Low NA는 NEX 시리즈, High-NA는 EXE 시리즈로 불리는데, Low NA는 보통 0.33NA, High-NA는 0.55NA입니다.
NXE 3600이 1800억원인데, EXE 5000은 3,500억원 그리고 2024년 4/4분기에 출시 예정인 5200 모델은 양산성을 높여 5,000~6,000원의 가격이 예상됩니다. (출처 : 디일렉)
[꼬리 1-1]. Low NA(0.33 NA)에서 High NA(0.55 NA) 높아지면 무슨 장점이 있는가.
Rayleigh's equation을 보면, 해상도는 파장이 짧아질수록, NA가 높아질수록 향상됩니다. 미세 패턴의 한계는 파장이 짧아질수록, NA가 커짐에 따라 집광능력이 높아져 더욱 미세판 패턴을 형성할 수 있습니다. 그래서 렌즈를 크게 만들어서 빛을 많이 모으게 되면 더욱 미세한 패턴을 형성할 수 있다는 장점이 있습니다. 현재 DUV에서 13.4nm의 EUV 파장으로 변화되면서 노광공정의 혁신이 일어났습니다. 이제는 파장이 고정되어 있기 때문에, 더 높을 해상력을 구현하기 위해서 NA를 높이는 기술이 바로 High NA 기술이라고 할 수 있습니다.
[꼬리 1-2]. EUV의 광학계는 DUV랑 다르지 않는가.
EUV는 DUV와 달리 투과형 광학계가 아닌 반사형 미러를 사용하는 반사형 광학계를 사용합니다. 브래그 미러를 사용해도 동일하게 렌즈의 개념을 도입할 수 있습니다. 실제 제가 측정했던 다양한 분광측정이나, X선 이미징 측정을 보아도 복잡한 광학계는 투과형이 아닌 반사형 광학계를 많이 사용합니다. 예를 들면, 천체망원경을 보아도 렌즈를 사용하지 않고 반사경을 사용합니다. 반사경을 쓰면 더 정밀한 광학계를 구현할 수 있다는 장점이 있습니다. 그래서 현재 EUV에서 High-NA 기술이라는 것은 바로 이 브래그 미러, 반사경을 크게 만드는 기술입니다.
[꼬리 1-3]. EUV High NA를 구현하는 게 어려운 이유 혹은 이슈에 대해서 설명하세요.
DUV 경우, 투과형 광학계를 사용하여 렌즈를 광축에 정렬해서 쌓을 수 있습니다. 이는 렌즈의 크기를 키우는데 큰 어려움이 없다는 것을 의미합니다. 하지만 DUV에서도 렌즈를 키우는데 한계는 없지만 DoF와 같이 trade off 관계를 고려하면서 수율을 유지 및 산포를 관리하면서 정밀한 광학계를 설계해야 한다는 것입니다. 반면에 EUV는 반사형 광학계를 취하기 때문에 광축에 일렬로 정렬하여 렌즈를 쌓는 DUV의 투과형 광학계와 달리 입사광과 반사광을 고려하여 브래그 미러의 배치가 상당히 복잡합니다. 그래서 High-NA를 구현하기 위해 브래그 미러가 커지면 입사광과 반사광의 간섭이 생겨 원하는 Performance를 달성하기 어렵습니다. 그래서 무작정 미러의 크기를 키울 수 없고 이를 극복하기 위해 나온 기술이 '아나모픽(Anamorphic)' 기술입니다.
[세부설명] 기존 0.33 NA EUV 방식에서 0.55 NA를 사용하면 생기는 이슈, '아나모픽 기술' 출처 : 서울경제
EUV 공정에서 NA를 키우는 기술이 개발되고 있습니다. 기존의 0.33 NA에서 0.55 NA로 키운 High-NA가 발표되면서 더욱 선명한 미세패턴을 형성할 것으로 기대됩니다. High-NA EUV는 마스크 기존 EUV 노광방식에서 브래그 미러의 크기 뿐 아니라 마스크 패턴의 모양도 변합니다. EUV 마스크는 반도체 패턴을 포함하고 있는 6인치 '정사각형'모양의 소재입니다. 입사된 EUV 광은 마스크에서 반사되어 브래그 반사경을 거쳐 웨이퍼에 축소된 회로패턴이 전사됩니다.
하지만 기존 0.33 NA EUV 노광방식으로 기존의 마스크를 사용하면 0.55 NA 환경에서 위의 그림같이 EUV 광의 범위가 넓어지면서 입사광과 반사광의 간섭이 생기는 영역이 생겨 원하는 Performance를 구현하기 어려운 이슈가 발생합니다. 그 결과 빛의 이동경로 전반에 문제가 발생하고 웨이퍼 위에 선명한 패턴 형성이 어려운 문제가 발생합니다.
■ Solutions ① 기존 광 입사각을 6도에서 9도로 조절. 마스크에 그림자가 생기는 Mask 3D effects 발생. -입사광의 각도를 6도에서 9도로 변경함으로써 입사각을 키우면 입사광과 반사광이 간섭되는 영역을 제거할 수 있습니다. 하지만 각도를 키우는 만큼 마스크 회로에 그림자가 발생하여, Mask 3D Effect가 심화됩니다. ② 배율축소를 1/4에서 1/8로 변경. throughput 저하. -웨이퍼의 회를 1/4로 축소하던 방식을 1/8 배율로 줄입니다. 빛 충돌은 피하면서 완벽한 회로가 형성되지만, 한번에 패턴을 전사했던 방식을 4부분으로 나누어 찍어야 해서 throughput이 현저히 떨어지는 문제가 발생합니다. ③ EUV Mask를 6인치에서 12인치로 변경. "마스크 생태계를 모두 갈아 엎어야 하는 문제" -마스크 면적을 2배로 키우면 문제를 위 문제를 해결할 수 있지만, 기존의 마스크를 설계하던 생태계는 처음부터 다시 마스크를 개발해야 하는 이슈가 발생했습니다.
이러한 이슈들을 고려하여, 나온 솔루션이 바로 '아나모픽 기술'입니다. 원 모양의 빛을 가로만 축소한 긴 타원 모양의 빛을 사용하는 것입니다. 빛의 양은 기존보다 소폭 줄어들고, 입사광과 반사광의 간섭영역을 없애면서 기존 입사각을 유지하면서 Mask 3D Effect를 최소화 할 수 있습니다. 기존 광의 모양(점선), 아나모픽 기술이 적용된 길쭉한 타원형의 EUV 광 모양.
High-NA 장비에서는 빛을 가로로 축소시키고, 마스크회로는 가로 배율을 늘립니다. 이렇게 광의 모양도 바꾸면서 마스크패턴도 변형한 것이 바로 '아나모픽' 기술입니다. 빛을 가로 방향으로 축소시키면 원하는 패턴 또한 축소돼서 찍히기 때문에, 마스크 패턴은 가로 비율을 늘려 기존의 원하는 패턴을 구현할 수 있는 기술입니다. ASML의 아나모픽 기술은 빛 모양이 y축으로 좁아졌기 때문에, 마스크의 y축이 긴 직사각형의 패턴을 사용하면 원하는 정사각형의 회로이미지를 구현할 수 있습니다. (High-NA에서 Mask 배율은 x축은 기존배율 4배, y축은 기존 대비 2배인 8배를 적용함.)
물론 마스크 패턴이 이전보다 길어졌기 때문에 한 번 노광으로 끝낼 수 없습니다. 따라서 기존 회를 절반으로 나누어서 노광하고, 회로를 이어붙이는 방식을 채택했습니다. 두 번 노광을 하여 이어붙이기 때문에 throughput 생산성은 1/2로 줄었지만 마스크의 축소배율을 배율축소를 1/8로 줄이는 것보다는 나은 선택입니다. ASML은 감소한 생산성을 향상시키기 위해 EUV 노광기의 속도를 높이는데 주력하고 있습니다. 마스크가 움직이는 속도를 4배, 웨이퍼가 움직이는 속도를 2배 향상시켜 설비의 관점에서 생산성을 극대화시킬 것이라고 설명했습니다.
[꼬리 1-4]. 아나모픽 기술에 대해서 설명해주세요.
아나모픽 기술은 기존의 설비를 유지한 채 가로와 세로 축소 비율을 달리하는 기술입니다. 기존 0.33 NA에서 0.55 NA High-NA 기술을 적용시키면 입사광과 반사광이 간섭되는 영역이 생기는 이슈가 발생합니다. 이러한 이슈를 극복하기 위해서 기존 6도의 광 입사각을 9도로 변경하는 방법, 마스크 축소배율을 1/4에서 1/8로 변경하는 방법, 마스크 크기를 6인치에서 12인치로 크게하는 방법들이 고안됐지만, Mask 3D effect, Throughput 저하, mask 개발 생태계 파괴의 이슈로 채택되지 못했습니다. 그래서 나온 것이 아나모픽 기술입니다. 입사빔의 모양을 가로축으로 축소하여 wide한 긴 원통모양의 광을 입사하고, 마스크 회로 패턴은 광이 가로축으로 축소한 만큼 기존 배율의 2배로 늘림으로써 원하는 회로패턴을 웨이퍼에 형성하는 기술입니다.
[꼬리 1-5]. 아나모픽 기술은 이슈가 없나요?
우선 아나모픽 기술은 긴 모양의 EUV 광원으로 입사광과 반사광의 간섭 영역을 제거함으로써 선명한 미세회로를 구현할 수 있는 장점이 있습니다. 하지만, 마스크 패턴이 기존의 6인치 정사각형에서 가로로 2배 길어진 만큼 한 번의 노광이 아닌 두 번의 노광으로 회로 이미지를 이어붙여 회로팬턴을 형성합니다. 그 결과, throughput이 1/2로 줄어든 이슈가 발생합니다. 하지만 현재 노광기 제작 업체에서 마스크가 움직이는 속도를 4배, 웨이퍼가 움직이는 속도를 2배 향상시켜 설비의 관점에서 생산성을 극대화시키는데 집중하고 있는 것으로 알고 있습니다.
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