반도체 공정 [9] 포토 공정(Photolithography) (5) EUV 기술

2025.02.12 - [반도체 공부/반도체 공정] - 반도체 공정 [8] 포토 공정(Photolithography) (4) 다중 패턴 (Multiple Patterning)

반도체 공정 [8] 포토 공정(Photolithography) (4) 다중 패턴 (Multiple Patterning)

 

 

EUV 기술은 극 자외선 기술로, 노광파장으로 13.5nm의 극자외선을 이용하는 노광 방식이다. 극 자외선의 대부분이 매질에 흡수되기 때문에 투영 광학계 대신 거울 광학계(mirror optical system)을 사용하고, 광학계는 진공 챔버 안에 위치한다. 기존 포토 공정의 축소투영방식 개념을 그대로 사용할 수 있어 현재로서는 대량생산이 가능한 유일의 차세대 노광 기술이다. 노광 파장이 ArF에 비해 0.1 이하로 짧아 10nm이하의 패터닝이 가능하여 7nm공정에서부터 사용하고 있다.

 

 

EUV 광원

  

 EUVL의 13.5nm 파장의 양산화 이전에는 이보다 더 짧은 파장도 연구하였지만(Soft X-ray 등) 광원을 만들기가 어렵고, 빛을 제어하기가 어려워 방사광가속기 수준에서만 연구가 지속되었다. 따라서, 많은 연구 끝에 레이저로 에너지를 전달하여 플라즈마 된 주석 방울의 여기 및 이완과정에서 13.5nm의 파장이 발생하는 현상을 이용하여 광원으로 이용하게 되었다.

 

 

 

https://snu-eng.kr/html/2111/s0201.html

공대상상

참고자료입니다.

 

 

 장비의 Source부에는 droplet generator와 droplet catch가 위치하는데, droplet generator에서는 주석 방울을 생성하고, catcher 쪽으로 무수히 많은 수의 방울을 빠르게 보낸다. 이 때, collector의 뒤쪽에서 출력이 높은 CO2 레이저가 발사되고방울 주석에 도달하며 에너지가 이 방울에 전달되어 플라즈마화 된다.

 

 플라즈마 속에는 이온화 과정을 통해 생성된 주석이온과 전자가 존재하며 excitation된 후 이완된 전자로부터 방출되는 에너지이자 빛이 EUV 광원이 된다. 이렇게 발생한 빛은 사방으로 퍼지는데, Collector에 모여 장비의 광학계로 전달된다. 즉, 주석 방울이 레이저에 의해 플라즈마화되며 이 과정중 EUV가 방출되어 LPP 방식으로 광원이 만들어진다.

 

 

EUV 광학계

 

 LPP 방식으로 만들어진 극 자외선은 파장이 짧아 매질에 잘 흡수되어 기존의 렌즈로 빛을 투과, 굴절시키는 Projection 타입으로는 사용할 수 없다. 따라서, 반사경을 사용해 빛을 반사시켜 웨이퍼에 마스크의 패턴 정보를 전사시킨다. 이때 보통 다층박막 반사경을 활용하여 반사도가 높은 물질(A)와 다층 박막을 만들기 위한 spacer(물질 B)로 물질을 규칙적인 두께인 (ABABAB)꼴로 반복되도록 만든다. 이때 주로 사용하는 재료는 몰리브 (MO)와 실리콘(Si)이다.

 

 다층 박막 반사경에서 극 자외선이 반사되는 원리는 'bragg 법칙'으로 주로 설명한다.

 

Bragg's Law(브래그 법칙)
: nλ = 2d sin θ
(n: 정수, d: 각층의 두께, θ: 각도)

브래그 법칙을 설명한 그림이다.

 

 파장과 두 층(AB) 사이의 두께 d, 그리고 각도가 일정한 조건일때 보강 간섭이 발생해 반사가 일어나지만 d의 증가에도 약 70% 정도가 최대 반사 효율이기 때문에, 반사경을 많이 사용한다면 웨이퍼에 도달하는 에너지는 감소한다. 만일 10개의 반사경을 사용하면 최대 반사율은 2.8% 정도가 된다.

 또한, 제작시 표면 거칠기(roughness)를 줄이고 결함(defect)를 최소화하여 반사도가 최대치가 되어야하고, 반사경수를 최대한 줄여야 효울을 높일 수 있다.

 

 

EUV 마스크

 

 EUV에 사용하는 마스크는 기존의 방식의 경우(쿼츠에 크롬을 이용한 투과형) 에너지의 손실이 너무 크기 때문에 반사경 형식의 마스크를 사용하는데, 반사경의 표면에 극 자외선이 흡수되는 흡수체를 부착하여 반사 영역과 흡수영역의 패턴을 만든다. 웨이퍼에서는 반사되는 패턴의 극 자외선만 전사하게 되어 PR과 광화학적 반응을 하게된다.

 

 SiO2는 마스크 보호용 Capping 막으로 반사경의 표면에 존재하고 그 위의 흡수체는 Ru를 buffer로 이용하여 Cr이나 TaN을 올린다. 이때 기판은 노광 도중 마스크에 흡수되는 에너지에 의한 변형을 줄이기 위해  열팽창 계수가 낮은 물질을 사용한다.

 

 

 EUV마스크는 굉장히 복잡한 과정을 거쳐 만들어지기 때문에 오류를 줄이는 것이 굉장히 어렵다. 하지만, 마스크의 경우 오류가 발생하면 사용하지 못하기 때문에 이러한 오류를 줄이는것이 필수적이다. 

 오류의 대표적인 원인으로는, 마스크 위에 다층 박막과 마스크의 기판 사이의 결함이 존재한다면 결함이 있는 영역의 반사도가 낮아지며 웨이퍼에 전달되어 PR과 반응할 때 차이가 생기며 오류가 발생할 수 있다.

 

 마스크의 신뢰성에 있어 EUV 팰리클의 개발이 또 다른 문제이다. 팰리클은 반복적으로 사용하는 마스크를 외부의 이물질로부터 보호하는 기능인데, 팰리클을 사용하게 된다면 반사율의 저하가 유발될 수 밖에 없다. 이 외에도, 마스크의 패턴 상부에서 견고한 막의 형태로 존재해야 하지만, 매우 얇기때문에 아래로 쳐지는 현상이 나타나거나, 노광 시 열에도 견뎌야 하며, 진공에서 진행되는 노광공정에도 사용되기 때문에 얇은 막이 이 모든 문제를 완벽히 해결하기는 어려운 시점이다.