노광기의 원리와 장비

리소그래피 공정의 원리로 필름 사진의 현상을 상상해 볼 수 있는데, 마스크 플레이트는 필름에 해당하고, 리소그래피 기계는 현상 테이블이며, 마스크 플레이트의 칩 회로를 포토레지스트 필름에 하나씩 복사하고, 그런 다음 에칭 기술을 통해 회로가 웨이퍼에 "도장"됩니다.

물론 실제 프로세스는 그렇게 간단하지 않습니다. ASML의 전형적인 몰입형 스텝 스캔 리소그래피 기계를 예로 들어 리소그래피 기계가 어떻게 작동하는지 확인할 수 있습니다. 우선 레이저 광, 보정 후 에너지 컨트롤러, 빔 형성 장치 등이 있습니다. , 포토마스크 데스크에 넣고 디자인 회사의 포토마스크를 씌운 후 대물렌즈를 통해 노광데스크에 투사합니다. 여기 있는 것은 감광성 포토레지스트로 코팅된 8인치 또는 12인치 웨이퍼이며, 자외선은 웨이퍼의 회로를 식각합니다.

레이저는 광원 생성을 담당하며 광원은 공정 공정에 결정적인 영향을 미칩니다. 반도체 산업 노드의 지속적인 개선으로 인해 리소그래피 레이저의 파장도 자외선 근처의 436nm, 365nm에서 지속적으로 줄어들고 있습니다. (NUV) 레이저는 246nm, 193nm 심자외선(DUV) 레이저로 현재 DUV 리소그래피 기계는 리소그래피 기계의 많은 응용 분야이며 파장은 193nm이고 광원은 ArF(불화 아르곤) 엑시머 레이저이며 45nm부터입니다. 10/7nm 공정까지는 이 리소그래피 장비를 사용할 수 있지만 7nm 노드까지는 DUV 리소그래피의 한계가 있기 때문에 Intel, Samsung, TSMC는 7nm 노드에서 극자외선(EUV) 리소그래피 기술을 도입할 예정이며 GlobalFoundries도 7nm EUV를 연구했습니다. 프로세스를 진행했지만 지금은 포기했습니다. 극자외선(EUV)을 광원으로 사용하는 노광기는 EUV 노광기이다. 물론 이는 단순히 광원을 바꾸는 것만큼 간단하지는 않다.

EUV 리소그래피가 필요한 이유는 무엇입니까?

EUV의 장점 중 하나는 칩 처리 단계가 단축된다는 점인데, 기존 다중 노출 기술 대신 EUV를 사용하면 증착, 식각, 측정 단계가 크게 단축됩니다. 현재 EUV 기술은 주로 논리적 공정 공정에 사용돼 2019년 수주량/수요 증가로 이어졌다.

현재 사용되고 있는 193nm 광원 DUV는 실제로 2000년대부터 사용되었으나 좀 더 단파장 광원 기술에 갇혀 있고, 157nm 파장의 노광 기술은 실제로 2003년에 노광 기계를 갖추게 되었지만 그에 비해 발전이 193nm 파장에 대한 비율은 25%에 불과합니다. 하지만 157nm 광파는 193nm 렌즈에 흡수되기 때문에 렌즈와 포토레지스트를 다시 개발해야 하고, 당시에는 더 저렴한 침지형 193nm 기술이 가능했기 때문에 지금은 193nm DUV 리소그래피를 사용하고 있습니다.

물론 우리는 Intel을 예로 들어 왜 그렇게 많은 다른 프로세스 노드에서 동일한 광원이 파생될 수 있는지 알고 싶어해야 합니다. 2000년에는 180nm가 사용되었고 지금은 10nm입니다. 실제로 리소그래피 기계가 반도체 공정 공정에서 리소그래피 기계의 정확도는 광원의 파장과 대물 렌즈의 개구수와 관련이 있습니다. 계산할 수 있는 공식이 있습니다:

(공정 ∝1/)리소그래피 기계 해상도 =k1*λ/NA(k1은 일정하고 다른 리소그래피 기계 k1은 다릅니다. λ는 광원의 파장을 나타내며 NA는 대물 렌즈의 개구수이므로 리소그래피 기계의 해상도는 광원의 파장과 대물렌즈의 개구수는 파장이 짧을수록, NA가 클수록 좋기 때문에 노광기의 분해능이 높을수록 공정기술이 진보됩니다.)(참고: 수식의 파란색 부분은 위 수식 설명에 따라 추가되었으므로 논리적입니다)

원래의 침지 리소그래피는 웨이퍼 레지스트에 1mm 두께의 물을 추가하는 매우 간단하며, 물은 193nm의 빛 파장을 134nm로 굴절시킬 수 있습니다. 이후 고NA 렌즈, 멀티라이트, FinFET, 피치 분할 및 밴드 스즈키 포토레지스트 기술이 지속적으로 개선되어 현재의 7nm/10nm만 사용했지만 이것이 193nm 리소그래피 기계의 한계입니다. 기존 기술 여건에서 NA 개구수는 개선하기 쉽지 않고, 현재 사용하는 렌즈의 NA 값은 0.33입니다. 이전에 ASML이 Carl Zeiss에 20억 달러를 투자했다는 뉴스가 있었던 것을 기억하실 겁니다. 양측은 새로운 EUV 리소그래피 기계를 개발하기 위해 협력할 예정이지만, 많은 사람들은 EUV 리소그래피 기계가 Zeiss와 어떤 관계인지 모릅니다. 이제 ASML과 Zeiss의 협력은 NA 0.5 광학 렌즈를 개발하는 것이라는 점을 이해해야 합니다. 이는 향후 EUV 리소그래피 기계의 해상도를 더욱 향상시키는 열쇠이지만 높은 NA EUV 리소그래피 기계는 적어도 2025~2030년에 출시될 예정입니다. 아직은 멀었고, 광학렌즈의 발전은 전자제품보다 훨씬 더 어렵습니다. NA 값은 한동안 향상될 수 없기 때문에 리소그래피 기계는 광원을 변경하여 193nm DUV 광원을 13.5nm 파장 EUV로 교체하기로 결정했으며, 이는 리소그래피 기계의 해상도도 크게 향상시킬 수 있습니다.

1990년대 후반에는 모두가 193nm 리소그래피 광원을 대체할 기술을 찾고 있었고 157nm 광원, 전자빔 투영, 이온 투영, X-ray 및 EUV를 포함하여 제안되었으며 현재 결과로 볼 때 EUV만이 성공했습니다. 처음에는 Intel과 미국 에너지부를 중심으로 MOTOROLA, AMD 등의 기업과 미국의 3개 국립연구소가 모여 EUV LLC를 결성하였고, ASML도 EUV LLC의 회원으로 초청을 받았습니다. 1997년부터 2003년 사이에 EUV LLC의 수백 명의 과학자들이 EUV 리소그래피의 타당성을 입증하는 수많은 논문을 발표한 후 EUV LLC가 해체되었습니다.

2006년 세계 최초의 EUV 노광기 프로토타입

다음으로 ASML은 2006년 EUV 노광기 프로토타입을 출시하고, 2007년 1만㎡ 규모의 클린 스튜디오를 구축한 뒤, 2010년 최초의 연구개발 프로토타입 NXE3100을 제작하고, 마침내 2015년 양산형 프로토타입을 제작했으며, 본 연구에서는 그리고 개발과정, 인텔, 삼성, TSMC 이런 반도체 제조사들에 수혈이 정말 많이 되네요.

ASML은 EUV 리소그래피가 가능한 세계 유일의 제조업체로서 자연스럽게 많은 수주를 얻었으며, 2019년 2분기 기준으로 ASML의 NEX:3400B EUV 리소그래피 장비 설치 대수는 38대에 이르렀고, 하반기에는 그들은 보다 효율적인 NEX:3400C 리소그래피 기계를 출시했습니다. 2019년 한 해 동안 총 26세트의 EUV 노광기가 납품되어 27억 8900만 유로의 매출을 올렸으며 이는 연간 매출의 31%를 차지했으며 ArFi 원자외선 노광기는 82대를 판매했습니다. 1년 동안 47억 6,700만 유로를 벌어들였는데, 이는 EUV 노광기 세트가 얼마나 많은 돈인지를 보여줍니다. 신형 NEX:3400C는 시간당 웨이퍼 125장에서 시간당 170장으로 생산능력을 늘렸고 매출도 크게 늘었다.

EUV 리소그래피 기계는 개당 1억 2천만 달러에 가까워 상당히 비싸지만 반도체 제조업체는 기꺼이 투자할 의향이 있습니다. 7nm 이상의 프로세스에는 EUV 리소그래피 기계가 필요하기 때문입니다. 동일한 7nm 프로세스에서는 트랜지스터 다음으로 EUV 리소그래피 기술을 사용합니다. TSMC 데이터에 따르면 원래 7nm 공정에 비해 밀도와 성능이 더 좋습니다. 7nm EUV(N7+)는 밀도가 1.2배 증가하고 동일한 전력 소비 수준에서 성능이 10% 향상되거나 15% 증가할 수 있습니다. 동일한 성능에 대해 % 전력 절감.

이제 삼성과 TSMC는 7nm EUV 공정을 사용하여 칩 생산을 시작했으며, 올해 출시 예정인 AMD Zen 3 아키텍처 4세대 Rydragon 프로세서는 TSMC 7nm EUV 공정이며, Intel의 현재 10nm 공정은 아직 EUV 기술을 사용하지 않았지만 7나노 공정에서는 EUV 노광을 사용할 예정이다. 국내 SMIC도 ASML에 EUV 노광기를 주문했지만 여러 문제로 인해 아직 납품 시기가 불투명하다.

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