EUV 리소그래피 기술과 반도체 공정

문서 내 토픽

1. EUV 리소그래피의 필요성

CMOS 스케일링의 물리적 한계를 극복하기 위해 EUV 리소그래피가 필요하다. 무어의 법칙을 따르기 위해 더 작은 패턴 형성이 요구되며, 기존 ArF 엑시머 레이저(193nm)로는 65nm 노드 이후 스케일링이 어려워진다. 13.5nm 파장의 EUV는 기존 광원 대비 10~100배 작은 특징을 해상할 수 있어 20nm 이하의 미세 공정을 가능하게 한다. 이는 모바일 기기의 고성능화와 소형화를 동시에 달성하기 위한 핵심 기술이다.
2. EUV 리소그래피의 광원 기술

EUV 광원 생성 방식은 레이저 플라즈마(LPP)와 방전 플라즈마(DPP) 두 가지이다. LPP는 강력한 레이저를 주석 액적에 집중시켜 플라즈마를 생성하며, 수집 효율이 높고 열 부하가 관리 가능하다. DPP는 전극 간 대전류 펄스로 플라즈마를 생성하여 직접 변환 효율이 높지만 전극 침식과 더 많은 데브리가 발생한다. 두 방식 모두 200,000℃의 고온 플라즈마를 ps~ns 범위로 펄싱하여 EUV를 추출한다.
3. EUV 리소그래피의 반사형 마스크

EUV는 모든 고체, 액체, 기체에 흡수되므로 기존 투과형 마스크를 사용할 수 없고 반사형 마스크가 필수이다. 마스크는 저열팽창계수(LTEM) 기판 위에 50층 이상의 Mo/Si 브래그 반사기(각 층 6.7nm)를 형성하여 70% EUV 반사율을 달성한다. 마스크 결함이 직접 패턴 결함으로 전이되므로 이온빔 스퍼터링으로 완벽한 다층막을 형성하고, Cr, W, TaN 등 고원자번호 물질로 흡수층을 패턴닝한다.
4. EUV 리소그래피의 광학계

EUV는 굴절 광학계(렌즈)를 사용할 수 없으므로 Mo/Si 다층 코팅된 비구면 반사경으로만 광학계를 구성한다. 각 반사경은 약 1% 반사율을 가지며 총 70% 반사율을 달성한다. 정상 입사 시 층 두께는 EUV 파장의 1/4인 약 3.4nm이고, 이층 주기는 파장의 1/2이다. 4개 이상의 반사경으로 구성되며, 각 반사경은 최적 반사 조건을 위해 다른 각도로 배치된다. 표면 거칠기는 점회절 간섭계와 AFM으로 측정된다.
5. EUV 리소그래피의 레지스트 및 오염 관리

EUV 레지스트는 높은 감도, 높은 해상도, 낮은 선 가장자리 거칠기(LER)를 만족해야 한다. 32nm 노드에서 감도는 2~5mJ/cm², LER은 1.5nm이다. LER은 광자 샷 노이즈, 2차 전자 산란, 광산 확산으로 발생한다. PMMA는 최고 해상도를 보이지만 감도가 낮다. 오염 관리는 데브리 제거(가스 정지, 자기 정지)와 거울 오염 제거(DUV 조사, 오존 처리)를 포함한다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. EUV 리소그래피의 필요성

EUV 리소그래피는 반도체 산업의 지속적인 발전을 위해 필수적인 기술입니다. 기존의 ArF 엑시머 레이저 기반 리소그래피는 물리적 한계에 도달했으며, 무어의 법칙을 따라 더 미세한 패턴을 구현하려면 더 짧은 파장의 광원이 필요합니다. EUV의 13.5nm 파장은 7nm 이하의 미세 공정을 가능하게 하여 고성능 프로세서와 메모리 칩 제조에 필수적입니다. 이는 인공지능, 5G, 고성능 컴퓨팅 등 미래 기술의 기반이 되므로 그 중요성은 매우 큽니다.
2. EUV 리소그래피의 광원 기술

EUV 광원 기술은 EUV 리소그래피의 핵심 요소로서 극도로 복잡한 기술입니다. 현재 주로 사용되는 LPP(Laser Produced Plasma) 방식은 고출력 레이저로 주석 액적을 타격하여 플라즈마를 생성하는 방식으로, 매우 높은 효율성과 안정성이 요구됩니다. 광원의 출력, 안정성, 수명은 전체 시스템의 생산성을 결정하는 중요한 요소입니다. 지속적인 기술 개선을 통해 더 높은 출력과 더 나은 신뢰성을 달성하는 것이 산업 발전의 관건입니다.
3. EUV 리소그래피의 반사형 마스크

EUV 리소그래피에서 반사형 마스크는 투과형 마스크를 사용할 수 없기 때문에 필수적입니다. 마스크는 다층 박막 구조로 이루어져 있으며, 극도의 정밀도와 청결성이 요구됩니다. 마스크의 결함은 칩 불량으로 직결되므로 제조 과정에서의 품질 관리가 매우 중요합니다. 또한 마스크의 수명과 내구성도 생산 비용에 큰 영향을 미치므로, 고성능의 반사형 마스크 개발은 EUV 리소그래피 상용화의 중요한 과제입니다.
4. EUV 리소그래피의 광학계

EUV 광학계는 극자외선을 정확하게 집속하고 마스크 패턴을 웨이퍼에 전사하는 역할을 합니다. 다층 박막 반사 거울을 사용하며, 매우 높은 정밀도의 광학 설계와 제조가 필요합니다. 광학계의 수차 보정, 초점 안정성, 그리고 해상도는 칩의 품질을 결정하는 핵심 요소입니다. 또한 EUV 광의 특성상 광학 부품의 오염 방지와 유지보수도 매우 중요하며, 이는 전체 시스템의 가용성과 생산성에 직접적인 영향을 미칩니다.
5. EUV 리소그래피의 레지스트 및 오염 관리

EUV 레지스트는 기존 포토레지스트와 달리 EUV 광에 대한 높은 감도와 해상도를 동시에 만족해야 합니다. 레지스트의 성능은 칩의 미세 패턴 형성을 직접 좌우하므로 지속적인 개발이 필요합니다. 또한 EUV 시스템의 극도로 청결한 환경 요구로 인해 오염 관리는 매우 중요합니다. 마스크, 광학계, 레지스트 등 모든 부품에서의 미세한 오염도 시스템 성능을 저하시킬 수 있으므로, 정밀한 오염 제어 기술과 청정실 관리가 필수적입니다.

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