[포토공정] 훈련 10 : "EUV의 이슈에 대해서 설명하세요"

 

반도체사관학교 대위 교육생 단계

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차세대 노광공정인 EUV를 모르고, 공정 엔지니어 직무에 지원한다면,
그대는 면접관의 눈살을 찌뿌리게 만들 것입니다.

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[질문 1]. EUV 공정에 대해서 설명하세요.

• Keyword : [EUV, 반사형 마스크, 13.4nm, LPP, DPP, 극자외선, Photoresist, 진공, 거울]

EUV 노광공정은 13.4nm의 단파장의 고에너지 광원을 사용하여 최소선폭(해상도)를 극대화 시킬 수 있는 차세대 공정입니다. 적은 횟수의 공정으로 이미지 패턴을 구현할 수 있기 때문에 기존 멀티패터닝 공정 대비 원가절감 효율을 기대할 수 있습니다. 하지만 EUV 공정에서 사용하는 극자외선은 흡수와 같은 해결해야 할 당면과제들이 존재하고 있습니다. 
 

 

[꼬리 1-1]. EUV와 기존 DUV Lithography의 차이에 대해서 설명해보세요.

EUV와 DUV의 차이점은 크게 광원, 광학계, Resist, 설비, 4개의 범주로 나눌 수 있습니다. 우선 ArF (193nm), KrF(248nm)의 DUV 광원은 Eximer Laser를 사용하며, EUV는 DPP (Discharge Produced Plasma), Laser Produced Plasma (LPP) 등의 플라즈마 광원을 사용하여 13.4nm의 빛을 얻습니다. EUV는 극자외선의 고에너지 광원을 사용하기 때문에 흡수에 이슈를 해결해야 합니다. 그래서 기존 DUV가 30개 이상의 Projection lens로 이루어진 복잡한 투과형 광학계로 구성되어 있다면, EUV는 6개의 거울, 반사형 광학계를 사용합니다. DUV의 resist는 화학증폭형인 DUV resist를 사용하지만 EUV는 고감도, 고해상도의 Resist가 요구되고 있습니다. 마지막으로 EUV의 빛은 고에너지의 직진성이 강한 특성으로 입자와 충돌하여 산란이 일어나는 이슈가 발생하여 스캐너 설비를 진공환경으로 구축한 차이가 있습니다. 

 

[꼬리 1-2]. EUV 공정의 이슈에 대해서 설명하세요.

EUV의 이슈는 대표적으로 광원, Mask, Resist 3가지의 이슈를 가지고 있습니다. 기존 DUV 공정과 달리 13.4nm의 고에너지 광원을 사용합니다. EUV 공정은 빛의 효율이 좋지 않아 생산성이 낮은 이슈가 있습니다. 그래서 EUV는 엑시머레이저가 아닌 플라즈마광원을 이용해서 빛을 생산합니다. 두 번째는 Mask 이슈 입니다. 고에너지의 광을 사용하기 때문에 기존 투과형 마스크를 사용할 시, 흡수가 발생하여 원하는 이미지 패턴을 형성할 수 없습니다. 그래서 투과형 마스크가 아닌 반사형 마스크가 채택되었습니다. 세 번째는 레지스트 이슈입니다. 기존 DUV의 화학증폭형 레지스트를 사용할 경우, 역시 효율이 떨어지게 됩니다. 이를 개선시키기 위해 High speed, high contrast 고감광 레지스트를 사용하며, EUV Resist에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 

 

[세부설명] : DUV는 Eximer laser를 광원으로 사용하고, EUV는 Plasma pinch를 사용하여 얻습니다. EUV 광을 Eximer laser로 얻는다면, Source를 collector로 2차 전자를 모아서 미러를 거쳐 웨이퍼에 도달하게 됩니다. Collector 모아주는 단계로 인해, 빛의 효율이 좋지 않습니다. 즉, 생산성이 낮다는 것을 의미합니다. DUV를 사용하는 ArF-i이 한 시간에 250장 이상 웨이퍼 공정이 가능하나 EUV는 약 1/10 이하 수준의 효율을 갖습니다. 동일한 스피드를 얻기 위해서는 ArF-i 대비 10대 이상의 EUV 스캐너가 필요한데, EUV 장비는 현재 2,000억 정도의 고가 장비로 세간의 주목을 받고 있습니다.  

[꼬리 1-3]. EUV 광 발생 기술에 대해서 설명해보세요.

EUV는 고온, 고밀도의 플라즈마에서 발생 가능합니다. Eximer laser로 발생시키기 어렵고, collector로 2차 전자를 모은다고 해도 효율이 떨어집니다. 그래서 특정 물질에 강한 레이저광을 집광하여 플라즈마를 만드는 LPP (Laser Produced Plasma) 방법과 전극 간에 대전류 펄스를 흘려 플라즈마를 만드는 DPP (Discharge Produced Plasma) 방법이 있는 것으로 알고 있습니다. 그 외에도 싱크트론인 Free electron laser, 레이저 유기 플라즈마 (Laser-induced Plasma)  등을 이용하여 EUV 광을 만듭니다. 경제적인 측면에서 유기플라즈마가 가장 많이 이용됩니다. 현재 유기 레이저 플라즈마는 레이저 펄스를 타깃 물질에 입사시켜 플라즈마를 발생시킴으로써 2%의 효율을 얻는 것으로 알고 있습니다. 고에너지의 레이저 펄스의 충돌에 의해서 타겟 물질의 분말 입자가 (스퍼터링된 입자) 발생되어 EUV 코팅거울 (반사마스크)이 손상되지 않도록 EUV를 설계해야 합니다. 

 

[질문 2]. EUV 공정 프로세스에 대해서 설명해보세요.

• Keyword : [브래그반사경, 반사, 투과, Si-Mo, Si-Be, 거울, 브래그 법칙, 프레넬 반사법칙, 굴절율]

EUV 리소그래피는 고에너지 빛의 흡수 이슈롤 반사형 광학계가 채택되었습니다. 플라즈마에서 나온 빛은 집광 미러로 모아져 반사형 마스크로 이동합니다. 반사된 EUV 광은 반사형 광학계를 거쳐 레지스트 상에 패턴을 형성합니다. 마스크는 높은 반사율과 IC 패턴 구조의 코팅박막의 높은 흡수율이 요구됩니다. 마스크로부터 반사된 EUV는 평면거울, 오목거울을 통해 축소되어 레지스트 박막에 도달하여 이미지 패턴을 형성합니다.

 

[꼬리 2-1]. EUV 마스크에 대해서 설명해보세요.

EUV의 mask는 Mo-Si 혹은 Mo-Be의 다층구조를 이루고 있습니다. EUV는 거울로 반사만 되기 떄문에 기존 DUV에서 렌즈의 흡수와 응축의 이슈를 걱정할 필요가 없습니다. 대신 우수한 코팅표면관 고에너지의 빛을 받았을 때, 낮은 열팽창계수가 요구됩니다. EUV 마스크는 현재 최대 70% 정도 인것으로 알고 있습니다. 반사율을 극대화시키기 위해 마스크 소재, 박막증착 기술 등의 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 

[꼬리 2-2]. EUV 마스크는 왜 다층구조를 이루고 있는지 설명해보세요.

EUV 마스크가 다층구조를 이루는 것은 반사율을 극대화시키기 위함입니다. EUV 마스크는 크게 2가지의 법칙에 적용됩니다. 첫 번째는 프레넬 반사법칙입니다. 굴절율이 다른 두 매질의 경계면에서 특정 각도로 빛이 입사되면 투과율과 반사율이 결정이 됩니다. 반사율을 극대화시키기 위해서는 한 주기의 박막(1xSi/Mo)으로는 반사율이 낮습니다. 그래서 투과된 빛이 하부막에서 반사가 일어날 수 있도록 다중층 (NxSi/Mo)의 구조가 만들어진 것입니다. 하지만 무작정 주기가 많다고 해서 반사율이 높지 않습니다. 입사된 빛과 반사된 빛의 간섭으로 빛이 상쇄될 수 있기 때문입니다. 이 때 적용되는 것이 브래그 법칙입니다. 입사되는 빛과 반사되는 빛의 보강간섭이 되어 상쇄없이 반사될 수 있도록 다중 박막층들이 브래그 법칙을 만족하는 두께를 가져야 합니다. 

 

[꼬리 2-3]. 펠리클 이슈에 대해서 설명해보세요.

펠리클은 반도체 노광공정에서 포토마스크를 먼지나 입자로부터 보호해주는 고분자 초박막 필름형태의 소모성 소재입니다. 포토마스크는 복잡한 회로 패턴을 가지고 있으며 수백~수천, 특히 EUV용 마스크는 수억원에 달하는 고가부품입니다. 그렇기에 먼지나 입자로 인해 마스크의 손상을 줄이기 위해 펠리클이 필수적입니다. 하지만 기존 ArF 노광장비와 달리 EUV는 반사형 광학계를 사용하고 있으며 반사형 광학계는 광원의 손실이 큰 이슈가 발생합니다. 이러한 손실을 최소화하기 위해서 포토마스크에 필수적으로 필요한 펠리클 박막의 안정성과 빛 투과율을 극대화 시켜야만 합니다. 최근 타기업에서 투과율 90%의 펠리클을 개발했다는 소식을 들었습니다. 

 

[반도체 시사] "EUV 마스크, 펠리클 (투과율 90%) 개발 성공"

 

[질문 3]. EUV 레지스트 이슈에 대해서 설명해보세요.

• Keyword : [화학증폭형, 효율, 13.4nm, PAC, LWR, Resin, 2차전자]

EUV 공정에서 Resist는 DUV의 화학증폭형 Resist를 사용 시 효율이 떨어지는 이슈를 가집니다. 화학증폭형은 193nm 빛이 입사되었을 때, 감광제에서 바로 pag가 산을 발생시킵니다. 하지만 EUV의 13.4nm는 바로 얻어지지 않고 2가지의 메커니즘을 거칩니다. 우선 resist의 resin이 먼저 빛을 흡수하고 2차전자가 발생됩니다. 이 2차전자에 의해 193nm와 동일한 과정으로 PAC에서 acid가 발생됩니다. DUV는 acid가 빛의 입사와 동시에 발생했다면, EUV는 Resin의 2차 전자 생성이라는 전 단계가 수반되기 때문에 효율이 떨어지게 됩니다. 그래서 EUV 레지스트는 DUV 처럼 13.4nm에 바로 반응할 수 있도록 디자인 되어야 하고 현재도 활발히 연구가 진행되고 있습니다. 
 현재 EUV의 Resist는 LWR (Line Width Roughness) 특성이 매우 안 좋은 것으로 알고 있습니다. 이는 미세패턴으로 갈수록 큰 이슈로 작용합니다. EUV 공정을 최적화하기 위해서는 빛이 조사됐을 때, Resist가 acid를 발생시키는 민감도가 높아야 하며, resolution, sensitivity, LWR의 최적화가 요구됩니다. ("이 3가지는 Trade off 관계입니다.") 그 외에도 고에너지의 빛을 받아 화학반응이 일어나 성분 물질들이 gas 형태로 나와서 out-gassing의 이슈도 있습니다. 

 

[질문 4]. 뭐야 그럼. EUV 이슈가 이렇게 많은데 왜 EUV를 써야하는건가요

EUV 공정은 현재 이러한 이슈에도 불구하고 22nm 이하의 초미세 패턴 구현이 가능합니다. LWR 또한 2nm 이하의 작은 값을 얻을 수 있습니다. 기업마다 조명계, 마스크, 레지스트 등 다양한 접근법으로 EUV 공정을 최적화 시키기 위해 노력하고 있습니다. resolution 관점에서 보았을 때, EUV는 k1 공정상수가 0.6까지 향상됩니다. 이는 패터닝 측면에서 ArF, ArF-immersion보다도 쉬운 공정으로 그 이유는 Single Exposure로 초미세패턴을 구현할 수 있기 때문입니다. 공정의 간소화는 곧 원가절감, 가격경쟁력을 향상시킬 수 있습니다. 미세화 트랜드에서 승자가 되기 위해서는 EUV 공정의 최적화는 반드시 정복해야 할 도전 과제라고 할 수 있습니다. 

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차세대 포토공정 EUV에 대한 교육을 마치겠습니다.
포토공정은 여기서 마무리하려고 합니다. 여러분들은 모두 포토공정에서 중대장급 지휘관이 되었습니다.
추가적으로 필요한 내용이나, 획기적인 질문을 해주신다면 성실하게 교육하겠습니다.
이것으로 포토공정 중대장이 되신 것을 진심으로 축하드립니다.
이상. 충성!