[딴딴's 속성과외] 포토공정 #08 : Advanced Lithography & Patterning 경쟁 "#NIL, #DSA, #High-N

 

  [질문 1] 차세대 패터닝 기술이 대해서 설명해주시겠습니까.

• 차세대 패터닝기술은 단연 EUV가 독보적이라고 할 수 있습니다. 하지만 최근 일본 캐논이 출시한 NIL (Nano Imprint Lithography system)에 대한 관심이 뜨겁습니다. 바로 EUV 노광설비 생산을 독점하고 있던 ASML 시장을 깰 수 있다는 전망 때문입니다. 캐논 社의 장비는 기존 DUV, EUV와 달리 Wafer 위에 바로 전사하는 형태로 미세 패턴을 구현합니다. 현재 캐논이 발표한 NIL 장비를 통해 5nm 공정 수준의 반도체 제조가 가능하며, 향후 2nm 구현의 가능성을 발표했습니다.

  [꼬리 1-1] NIL 패터닝 기술이 기존 공정과 어떤 차이가 있는 것이죠.

• 기존의 노광 공정은 빛을 이용하여 Wafer 상에 회로패턴을 형성합니다. Fine Pitch 구현을 위해 3nm node 공정부터 본격적으로 EUV 노광공정이 적용되었습니다. EUV는 DUV와 설비, 광학계 등 여러 차이가 있지만 패터닝 공정의 아키텍처는 유사합니다. 먼저 PR을 Wafer 상에 균일하게 도포한 뒤, 회로 패턴을 포함한 Mask를 Align한 후 노광합니다. 이후 후속공정으로 Baking, Develop 과정 등을 거치면 Wafer 상에 패턴이 형성됩니다. 
• NIL 공정은 광원이 아닌 Wafer에 Direct로 전사하는 방식으로 패턴을 형성합니다. 도장을 찍는 방식과 유사하다고 생각하시면 됩니다. 다만, 도장은 인주를 묻혀서 패턴을 형성하지만, NIL 공정의 경우 분사된 PR에 팿턴을 찍는 정도의 차이가 있습니다. 먼저 Inkjet 기술을 이용하여 Wafer 표면에 PR을 분사하고, 후에 패턴이 새겨진 Mask(스탬프)를 눌러 패턴을 Wafer 표면에 새깁니다. 이후 자외선을 조사하여 패턴을 형성합니다.

자료 출처 : 캐논

 [꼬리 1-2] NIL 패터닝 기술의 장점에 대해서 설명해주시겠어요.

• NIL 공정의 장점은 단연 포토공정 대비 공정 복잡도를 대폭 줄일 수 있다는 점입니다. 또한 수 천억에 달하는 EUV 노광설비 대비 전력소모와 장비의 가격도 낮습니다. 캐논 社에서 발표한 바로는 NIL 장비 가격이 ASML의 EUV 노광설비 가격 대비 한 자릿수가 낮을 것이라고 전망하고 있습니다.
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NIL을 통해 형성한 2차원, 3차원 회로 패턴, 자료 출처 : 키옥시아

 [꼬리 1-3] NIL 패터닝 기술의 한계에 대해서 설명해주시겠어요.

• NIL의 단점은 아직은 검증되지 않은 기술이라는 점입니다. 물론, 현재 수많은 반도체 기업들이 NIL 기술 검증에 참여하고 있습니다. 특히 NIL 방식 기술은 회로도가 복잡한 시스템 반도체와 같은 Application 적용이 어렵다는 한계를 가지고 있습니다. 따라서 현재는 구조가 비교적 간단한 낸드 메모리 기업들이 기술 검토에 나서고 있는 추세입니다. 
• NIL의 또 다른 이슈는 바로 Wafer의 왜곡 이슈입니다. NIL의 공정 과정은 Wafer 위에 PR을 코팅하고 Mask로 누르고, UV를 조사하는 것입니다. 이 과정에서 Wafer에 미세한 왜곡이 발생하는 이슈가 있습니다. 현재 3D-Integration과 같은 Stacking 기술들이 요구되고 있는 상황에서 NIL은 아직 극복해야 할 허들이 많습니다.
• 또한, NIL은 아직 반도체 생태계가 안정화되지 않은 상태입니다. NIL을 양산에 적용하기 위해서는 NIL 전용 소재개발부터, 부품, 장비 개발 등이 추가로 필요한 상황입니다. 이런 상황에서 NIL 도입을 위한 공급망 형성이 Key Challenge라고 할 수 있습니다.

 

 [질문 2] 차세대 패터닝 기술 중 하나인  유도자기조립(DSA) 기술에 대해서 설명해주세요.

• DSA 기술은 차세대 패터닝 기술로 성질이 다른 두 고분자가 중합하는 성질을 이용하여 패턴을 형성합니다. 주로 폴리스틸렌(Polystylene)과 PMMA(Polymethylmetacrylate) 공중합체가 사용됩니다. 패턴을 얻는 방법은 광원을 기반으로 하는 노광공정 대비 비교적 간단합니다. DSA 재료를 Wafer에 Coating한 후, 가열하여 패턴을 형성하는 방식입니다. 다만, DSA 기술은 Defect 제어가 어려워서 상용화에 그쳤던 이력이 있습니다.

 [꼬리 2-1] 상용화가 어려워서 개발 Hold 된 것 같은데, 왜 다시 주목 받게 된 것이죠.

• 그 이유는 EUV 노광공정이 Stochastics 오류가 지속적으로 발생했기 때문입니다. 이에 따라 EUV 공정 중 DSA를 적용하여 패터닝 오류를 개선하려는 방안이 검토되었습니다. 스토캐스틱(Stochastics)은 임의적이면서 반복적이지 않은 패터닝 오류를 뜻하며, EUV 패터닝 오류에 총 50%를 차지할 정도로 비중이 큽니다. 인텔은 DSA를 적용한 18nm EUV Multi Patterning을 시연한 바 있습니다. DSA를 통해 EUV에서 발생하는 무작위적인 변형을 개선할 수 있다고 발표했습니다. 또한 EUV 전용 PR로 가능성이 높은 Negative Tone Resist(NTD)에 DSA를 적용하면 공정비용을 크게 개선할 수 있는 장점이 있습니다. 하지만 역시 DSA 양산적용을 위해서는 기존에 안고 있던 기포, Pattern Bridge, Cluster와 같은 Defect 개선이 요구됩니다. 
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DSA 적용 시 발생하는 Defect 종류, 자료 출처 : Imec

 

 [질문 3] High-NA EUV 노광 공정기술에 대해서 설명해주세요.

• ASML 社는 현재 High NA EUV 노광장비 개발에 박차를 가하고 있습니다. High NA EUV 노광기술은 2nm 이하 초미세공정에 필수적인 장빙비니다. 기존의 EUV 노광공정의 NA를 0.33에서 0.55로 향상시켰습니다. 기존의 NA를 키우기 위해서는 렌즈의 크기를 키워 집광능력을 향상시킴으로써 미세공정이 가능했었으나, 렌즈 크기를 키우는데 있어서 한계에 봉착했습니다. 또한 EUV는 반사형 광학계이기에 입사광과 반사광을 정밀하게 제어하기가 어렵습니다.

[ ▼▼▼ High-NA EUV 노광기술, 아나모픽 세부 설명 ▼▼▼]

[포토공정] 추가교육 : "EUV, High-NA 기술원리"

 [꼬리 3-1] High-NA EUV 노광 기술의 요구사항에 대해서 설명해주세요.

• 제가 생각하는 Advanced Technology는 단연, 다양한 소재와 부품이 충족되어야 한다는 점입니다. High-NA EUV 노광공정 또한 상용화를 위해 EUV 전용 Dry Resist, 곡선 형태의 패턴이 들어간 Phtomask와 같은 기술들이 주목 받고 있습니다. 기존 노광공정에서는 화학증폭형 CAR Type의 Resist가 사용됐습니다. High-NA EUV 노광공정에서 논의되고 있는 소재 기술은 Dry Resist입니다. 분자 크기가 CAR Type Resist 대비 6배 이상 작기에 미세 패터닝에 가능성이 높습니다. Dry Resist는 액상 형태의 PR을 Wafer상에 Coating하는 것이 아니라 증착 공정을 이용하여 Resist Film을 형성하는 방식입니다. 이후 패터닝 공정은 기존과 동일하며, 그 외에도 무기물 형태의 EUV 전용 차세대 PR 연구가 활발히 진행중에 있습니다.

[꼬리 3-2] 곡선이 들어간 Photo mask 기술은 무엇인지 설명해주시겠어요.

• 곡선 형태의 Pattern을 포함한 Mask를 사용하여 Resolution을 향상시키는 연구가 활발히 진행되고 있습니다. Photomask 기술은 노광공정에서 핵심 기술입니다. 고순도의 Qurtz를 가공하여 만든 Blank Mask 위에 반도체 회로 패턴을 새기는 방식으로 만듭니다. 현재 대부분의 반도체 공정의 마스크 패턴은 직선형태의 패턴이 사용되고 있습니다. 이는 Photomask 회로 Patterning 기술의 한계 때문입니다. (OPC 참고) 최근 Multi beam Mask Writer (WBMW) 노광기가 상용화 되면서 곡선형 Photomask 기술에 대한 개발이 가속되고 있습니다. 곡선형태의 패턴을 도입하게 되면, Wafer 공간의 효율성이 증대되고, 고수율 달성에 기여할 수 있습니다.