EUV(극자외선)이 새로운 나노 세계를 활짝 열었다

EUV(극자외선)은 한때 적색 또는 녹색 레이저 방사선과 유사한 기술적 혁명을 일으키는 새로운 도구로 알려져 있다. 이 EUV가 새로운 나노 세계를 만들고 비접촉 측정기 역할을 할 수 있다.

안드레아스 토스(Andreas Thoß): 물리학자, Thoss Media 매니징 디렉터.

Dr. 클라우스 베르크만(Klaus Bergmann): 아헨 프라운호퍼 레이저 기술 연구소(ILT) 그룹 매니저

핵심 내용

  • 세계에서 가장 강력한 직렬 레이저가 EUV 방사선을 생성하는 데 사용된다. 웨이퍼가 노광되는 리소그래피 시스템의 무게는 180t이다.
  • 이 방사선이 공기에 의해 흡수되기 때문에 EUV는 진공 UV(10~200μm)에 속하며, EUV를 사용하려면 진공 챔버가 필요하다.
  • EUV는 수십 나노미터 범위의 구조를 측정할 수 있다. 40W 전력의 실험실 시스템으로 많은 테스트와 개발 작업을 수행할 수 있다.

2020년 10월, 애플의 최신 스마트폰이 출시되었을 때, 관심 있는 사람들은 EUV라는 새로운 용어를 접할 수 있었다. 스마트폰의 새로운 프로세서를 극자외선으로 제조하기 때문이다. 그렇다면 제조 과정에서 이러한 디테일이 판매 포인트가 될 수 있을까? 그렇다. 이 새로운 기술을 자세히 살펴보면 이미 최고 수준에 이르렀다는 것을 알 수 있다. 세계에서 가장 강력한 직렬 레이저가 EUV 방사선을 생성하는 데 사용된다. 웨이퍼가 노광되는 실제 리소그래피 시스템은 무게가 180t이며, 현재 반도체 시장에서 가장 인기 있는 시스템이다. 현재 네덜란드 ASML 그룹은 EUV 시장에서 100% 점유율을 차지하고 있으며, 향후 몇 년 간의 예약도 이미 끝난 상태이다. 중국이 정부 차원에서 수십억 달러를 투자했음에도 불구하고, 이 기술을 아직 개발하지 못하고 복제조차 못하고 있다.

이 EUV란 무엇을 의미하는가? 이를 어떻게 효율적으로 생산할 수 있는가? 또한 EUV로 무엇을 할 수 있는가? 1990년대부터 아헨 프라운호퍼 레이저 기술 연구소(ILT)에서 이 EUV를 연구하고 있다. EUV 방사선의 필요성은 처음부터 예상할 수 있었다. 그리고 더욱 미세한 구조를 만들기 위해서는 짧은 파장의 빛이 필요했다. 따라서 UV 이후에 훨씬 짧은 방사선이 필요했고, EUV가 바로 해결책이었다. 하지만 여기에는 완전히 다른 기술들이 적용되어야 했고, 이에 상응하는 많은 연구가 수행되었다.

그렇다면 EUV 라이트는 무엇인가? EUV는 파장이 10~121μm인 빛이다(ISO 21348). 이러한 단파장의 경우, 범위가 10.25~124eV(전자볼트)이기 때문에 광자 에너지를 사용하여 범위를 정의할 수 있다. 이 단파장은 더욱 짧은 파장에서(이는 또한 더 높은 에너지를 의미함) X선이다. EUV는 공기에 의해 흡수되기 때문에 진공 UV(10~200나노미터)에 속한다. 따라서 EUV를 사용하려면 진공 챔버가 필요하다. 13.5μm의 파장은 복잡한 레이어 시스템을 갖춘 적합한 미러가 있기 때문에 일반적으로 산업적으로 사용되며, 반사율은 최대 약 70%이다.

EUV 빛의 생성

EUV는 어떻게 생성할 수 있을까? 태양도 EUV를 방출한다. 지구 대기의 상층에 존재하는 EUV는 그곳에 있는 원자를 이온화한다. 이것은 지구의 무선 전파에 큰 영향을 미치는 전리층을 생성한다. 그렇다면 어떤 EUV 소스를 사용할 수 있을까? 백열 램프는 EUV의 ‘색온도’를 방출하기 위해 섭씨 100,000도 이상에 도달해야 하기 때문이다. 개별 광자의 에너지가 너무 크기 때문에 발광 다이오드와 기존 레이저도 적합하지 않다. 높은 에너지의 전자를 얻으려면 이온화된 원자가 필요하다. 이들 원자는 뜨겁고 밀도가 높은 플라즈마에서 발견된다. 이러한 접근 방식은 산업용으로 이용되고 있으며, 이에 대해서는 뒤에서 다시 설명한다.

또한 EUV 광을 생성하는 몇 가지 과학적인 방법이 있다. 여기에는 전자가 에너지로 가속되는 싱크 로트론이 포함된다. 속도가 느려지면 방사선을 방출한다. 따라서 이 제동 프로세스를 정확하게 설정하면 집속되고 조정 가능한 단색의 EUV를 얻을 수 있다. 하지만 이 시스템은 크기와 예산으로 인해 산업적으로는 거의 사용하지 않는다.

이는 소위 ‘고조파’와 유사하다. 강렬한 레이저 펄스가 가스 모세관을 통해 전송된다. 비선형 효과는 동시에 많은 광자와 함께 이 가스의 개별 전자를 여기시킨다. “후퇴”할 때 전자는 레이저 광자의 축적된 에너지와 함께 단일 광자를 방출한다. 이 방사선은 일관성이 있지만 이 프로세스는 2차원 재료 처리를 위한 빛을 생성하기에는 너무 비효율적이다. 싱크로트론 복사와 마찬가지로 이 빛은 특정 측정 작업에 적합하다.

플라즈마가 있다

1990년대 이후로 산업용 애플리케이션을 위해 EUV을 생성할 수 있는 방법이 두 가지가 있었다. 바로 가스 방전 플라즈마와 레이저 플라즈마이다. 가스 방전 플라즈마는 가스 용기의 전기 아크를 생각하면 된다. 압력, 전류 및 가스 유형에 따라 플라즈마와 그에 따른 방사선이 결정된다. 비활성 기체 크세논을 사용하면 약 100파스칼(약 1밀리 바 또는 0.001기압)과 약 10킬로 암페어 범위의 압력에서 직경이 수 밀리미터인 플라즈마 채널이 생성될 수 있다. 이 프로세스는 펄스 방식이며 수백 나노 초가 걸린다. 일반적인 레이저 유도 플라즈마와 비교하여 플라즈마 밀도는 최소 100배 정도 낮다.

레이저로 EUV 광을 생성하는 것은 상대적으로 어렵다. 다시 설명하면, 레이저 펄스는 올바른 방사선을 방출하는 방식으로 물질을 가열해야 한다. ASML 시스템은 Trumpf의 40kW CO2 레이저를 사용하여 작은 주석 방울을 조사한다. 작은 사전 펄스는 주석 방울을 주 펄스에 정확하게 조정되는 구름으로 변환한다. 이후 레이저의 주요 펄스는 디스크 모양의 주석 구름에 닿아 낮은 비율 범위에서 전환율을 가능하게 한다.

레이저에 의해 생성된 EUV 방사선은 직경이 1미터인 거울에 의해 캡처되어 앞서 언급한 리소그래피 시스템에 집중된다. 증발된 주석(잔해물)이 거울에 닿지 않도록 상당한 노력을 기울이고 있지만 표면이 저하되어 거울을 정기적으로 교체해야 한다. 수백 와트의 EUV 광 출력은 이제 레이저 유도 플라즈마를 사용하여 생성할 수 있다. ASML에 의하면 Twinscan NXE: 3600D 시스템이 시간당 180개 이상의 실리콘 웨이퍼를 노광할 수 있다고 한다.

ASML의 EUV 리소그래피 시스템 Twinscan NXE: 3600D는 지금까지 만들어진 가장 복잡한 기계 가운데 하나이며, 사용자들에게 매우 인기가 있는 품목이다.

실무를 위한 EUV 방사선

ASML 시스템의 무게는 180t이다. 마이크로프로세서를 제조하는 경우에는 이런 무게가 납득이 된다. 하지만 EUV 거울만 개발한다면 확실히 이렇게 큰 시스템은 필요하지 않다. 마이크로 프로세서를 제조 외에도 더 작고 덜 복잡한 소스로 충분한 몇 가지 다른 적용 분야들이 있다.

ILT와 아헨 공과대학(RWTH Aachen)의 과학자들은 비교적 간단한 공정 기술로 EUV 소스를 사용할 수 있는 방법을 개발했다. 이 EUV 소스는 비활성 기체인 크세논의 플라즈마 가스 방전을 기반으로 하며, 13.5μm의 파장과 ±1%의 스펙트럼 대역폭에서 약 40W의 평균 EUV 전력을 제공한다. 이 소스는 최대 EUV 범위의 연 X선 범위에서 효과적인 방출이 입증된 HCT(Hollow-Cathode Trigger)라는 방전 기술을 사용한다. 2000년부터 프라운호퍼 ILT에서 개발되어 전 세계 다양한 사용자들이 사용하고 있다.

프라운호퍼 ILT의 펄스 EUV 소스는 13.5μm의 파장과 ± 1%의 대역폭에서 40W의 전력을 제공한다.

나노 월드 크리에이터

기본적으로 EUV 방사선을 사용하는 방법은 두 가지로, 측정과 구조화이다. 고체에서 EUV 빛의 짧은 흡수 길이는 측정에서 중요한 역할을 한다. 따라서 EUV 방사선은 층 두께 측정에 매우 적합하다. 예를 들어, 프라운호퍼 ILT는 두께가 약 20μm인 초박막, 1μm 미만의 개별 층 두께를 갖는 다층 시스템 및 서브 나노미터 범위까지 주기적 격자 구조 연구에 특화되었다. 또한, 멤브레인 샘플과 다층 시스템의 화학량론을 성공적으로 측정하였다.

EUV 광은 반도체 산업의 부품 개발 및 생산에도 자주 사용된다. 레지스트 테스트, 즉 칩 생산을 위한 포토레지스트가 이에 대한 예이다. 그림 4는 프라운호퍼 ILT에서 개발한 EUV 노광을 위한 테스트 마스크와 실험실 노출 시스템을 잘 보여준다. 마스크는 EUV 노광 후 새로운 레지스트의 해상도를 결정하는 데 사용할 수 있다. 또 다른 예는 표면의 결함 검사이다. 이 경우 EUV 방사선을 암시야 현미경에서 사용한다. 해당 시스템은 산업 파트너와 협력하여 아헨 공과대학의 광학 시스템 기술 연구 분야에 설치하였다. 화학 마스크 블랭크 검사 장치(ABIT)의 프로토타입은 넓은 측정 영역에서 50μm 미만의 결함을 감지할 수 있다. 예를 들어, 광전자 분광법, 훨씬 더 짧은 파장(플라즈마 소스의 다른 가스)을 사용하는 현미경 또는 분광 반사 측정법과 같은 다른 응용 분야도 많이 있다.

그림 4: 해상도 테스트용 투과 마스크(왼쪽)와 ILT의 EUV 나노구조화 시설(오른쪽).

최적화된 나노 구조

일반적으로 파장은 파장으로 만들 수 있는 구조의 대략적인 크기라는 점을 알 수 있다. EUV 광의 경우 수십 μm이다. EUV 리소그래피를 위한 완전한 기술은 지난 몇 년 및 수십 년 동안 개발되었다. 현재 차세대 EUV 리소그래피를 위해 더욱 최적화되고 있다. 레지스트 현상 또는 반사 광학의 최적화와 같은 개별 공정 단계는 위에서 언급한 EUV 소스를 사용하여 실험실 규모에서 검사할 수 있다.

나노 조화에서 광대역 광의 최적화된 사용을 위해 ILT의 전문가들은 다른 것을 생각해 냈다. 근거리장에서의 간섭(Talbot 효과)을 통해 EUV 방사선의 강도를 국부적으로 증가시킬 수 있다. 간섭성 빛을 사용하는 방법은 약 1μm의 훨씬 더 넓은 대역폭의 방사선 소스를 사용할 수 있다(그림 5). 재현 가능한 노광 조건은 선량 모니터와 매우 정밀한 거리 시스템에 의해 보장된다.

그림 5: 마스크-웨이퍼 위치결정 시스템(왼쪽)과 35μm의 구멍 직경을 가진 이 시스템으로 생산된 나노구조. EUV 방사선에 의한 생성은 오류 없이 정확하게 작동한다.

1mm2를 가공하는 데 약 30초가 걸린다. 가공 영역의 스티칭이 가능하다. ILT 시스템에서는 최대 100mm 직경의 웨이퍼가 처리된다. 이 테스트에서는 28μm(하프 피치) 크기의 구조를 생성할 수 있었는데, 이는 이러한 소형 시스템에서 세계 기록이다. 공정의 물리적 한계는 7.5μm(절반 피치)의 구조 크기이다. 간섭 구조가 자연스럽게 균일하기 때문에 오류율이 낮다.

cm2 크기의 표면에 있는 주기적 나노구조는 광학 산업에서 광대역 반사 방지 코팅 또는 편광 판으로 사용할 수 있다. 의학 및 생명 공학에서 나노 입자 필터로 작동하고 전자 및 측정 기술에서 새로운 감각 요소로 작용한다.

요약

EUV 방사선은 수십 μm 범위의 구조를 만들고 측정할 수 있다. 13.5μm의 파장에서 40W의 전력을 사용하는 실험실 시스템으로 많은 테스트와 개발 작업을 수행할 수 있다. 필요한 공정 기술은 이미 사용 가능하며 더 작은 파장은 이미 플라즈마 소스의 다른 가스 혼합물을 사용하여 구현되었다.