Next Generation Lithography (1) Photon-based Lithography
Photon-based Lithography
차세대 lithography 중에 빛을 이용하는걸 말하면 많은 사람들은 EUV를 생각할겁니다.
EUV란 Extreme UV로 극초단파를 의미합니다.
보통 우리가 lithography에 사용했던 UV들을 한번 살펴보죠
i/g-line : 365nm,436nm
KrF/ArF : 248nm, 193nm
기억나시나요? 이것들도 충분히 단파장이지만 EUV경우 13.5nm로 극초단파장을 가집니다. 그래서 처음엔 soft X-ray라고도 불렸다고 하죠.
EUV는 lithography system이 기존과 완전히 다릅니다. 광원 제작부터 노광계, mask까지요
<광원제작>
i/g-line은 수은 램프를 Arc 방전을 가지고 만들었고 KrF,ArF(DUV) Excimer laser를 이용해서 만들었죠.
EUV는 palsma를 이용해서 극초단파를 만듭니다. 만드는 방법은 크게 두가지 인데요
Laser induced plasma, 큰 전기장을 걸어서 전자방출 plasma 이렇게 두가지 방식이 있는데요. 두방법 모두 비싸지만 전자의 방식이 조금더 저렴하다고 합니다.
(Laser induced plasma 방식)
CO2 laser를 Target 물질(Sn or Xe)에 입사를 하는데요 이 두 물질이 파장이 10~15nm정도 나오는 물질들입니다.
이렇게 laser를 쏴주면 plasma가 발생하게 되면 이를 광원으로 사용합니다.
그냥 laser를 광원으로 사용하면 에너지가 사용이 될텐데 plasma를 사용하면 그 에너지가 100%활용되지 않습니다.
그래서 그 효율이 중요한데요 현재 EUV경우에는 laser to plasma 효율이 1% 이상만 되면 된다고 합니다. 즉 에너지 효율이 아직은 낮은 방법이지요.
EUV Lithography System -노광계
이렇게 초극단파를 만들었다면 노광계도 기존과 달라지겠다는 생각이 자연스럽겠네요.
초극단파들은요 공기를 포함한 대부분의 매질에 흡수가 됩니다. 그렇기에 기존 노광 장비처럼 투과형 렌즈 사용이 불가능하다는 것이죠.
그런데 우리는 렌즈는 써야하거든요 어떡하죠? 바로 어마어마하게 많은 숫자의 각종 반사형 렌즈(평면렌즈, 오목렌즈)들을 이용하는것이죠.
Source에서 나온 빛들이 처음 모이는 것도 반사를 이용하고 빛들이 Reticle stage까지 가는 것도 반사를 이용합니다. 그리고 Reticle 부터 Wafer까지 가는 것도 반사를 이용하죠.
그런데 한가지 이상한점이 있죠? 기존의 포토공정은 빛이 reticle을 투과했는데 EUV에서는 reticle조차도 반사를 시킵니다.
EUV는 대부분의 매질에 흡수가 되기에 Mask도 달라져야 합니다.
DUV reticle의 경우 Quartz를 썼죠? 막아주는 Chrome을 썻구요. 그래서 chrome이 있는쪽은 투과를 못하고 chrome이 없는쪽은 빛이 투과한다고 했었죠.
그런데 EUV의 경우는 아예 Quartz 처럼 투과형 물질이 아니라 반사도가 좋은 물질을 씁니다. 이 반사도가 좋은 물질에 대해서는 여전히 연구가 지속중이라고 합니다. 그렇다면 Chrome을 대체할 물질로는 반사를 안시키는 물질을 사용하면 되겠네요. 즉 흡수하는 것이죠. 보통 광흡수하는 물질로 TaBO/TaBN, TaNo/TaN 등의 물질들을 이용해서 reticle의 패턴을 형성합니다.
EUV reticle은 여전히 연구가 지속중이라 했는데 남아있는 과제가 적절한 Pellicle을 찾는 것입니다.
DUV의 경우는 mask 공정이 끝나고 mask를 오염으로부터 방지하기 위해서 Pellicle을 씌워준다고 했죠?
그런데 EUV는 아직 마땅한 Pellicle이 없어 오염에 직접 노출되어 있습니다.
EUV lithography는 기존의 Photolithograpy들과 계속해서 비교되는 중인데요.
아까 파장, 광원, 광학계, 마스크 모두 다르다 했죠? 그런데 한가지 더 다른 점이 있는데 Resist도 다릅니다.
Near UV는 DNQ라는 sensitizer와 novolak resin 베이스의 pr을 사용하고 Deep uv는 PEB를 거쳐야만 화학반응이 일어나는 화학증폭형(CAR) resist를 사용한다고 했었죠?
그런데 EUV에서는 이 둘다 사용할 수 없는데요. 사용해도 원하는 해상도를 얻을 수가 없습니다. 그렇기에 새로운 고감도 고해상도 EUV resist를 새로 개발해야 합니다.
그럼에도 불구하고 왜 EUV를 사용해야 할까요?
우리가 미세패턴을 얻어내기 위해서 기존 lithography의 한계를 극복하는 방법들을 배웠었죠? 그중에서 SPT/DPT/QPT가 있었던거 기억나시나요?
그런데 EUV를 사용하면 이런 것들을 할 필요가 없이 바로 direct로 미세패턴을 만들 수 있습니다. 기술적 경제적 이익이 있다는 것인데 Process 복잡도를 감소할 수 있고 동일 size 내 lithography 비용이 최저입니다.
그래서 연구비용은 비싸지만 Process비용이 훨씬 싸지기때문에 EUV를 개발 중인겁니다.
그럼 현재 사용되는 상업용 EUV 설비에 대해서 한번 알아 볼까요?
ASML의 Twinscan NXE 3300B를 한번 알아봅시다.
Resolutin<= 22nm
Throughput >= 125wph (wafer per hour) 참고로 현재 ArFi 최신 장비는 275whr라고 합니다.(높을 수록 좋다네요)
그렇다면 Photon-based Lithography에 EUV만 사용하는냐? 아닙니다 예전부터 사람들은 EUV보다 더 단파장인 빛을 사용했는데요. X-ray를 이용했습니다.
X-ray를 이용한 lithography를 줄여서 XRL이라 부르는데요. 공정하는 방법은 비슷한데 X-선을 Mask의 pattern에 선택적으로 투과시킵니다. 그런데 렌즈를 못씁니다. 즉 1:1 전사만 가능하다는 것이죠. Mask-wafer gap이 10um정도고 step by step 노광을 진행합니다.
장점으로는 1)파장 자체가 매우 짧아서 마스크만 받쳐주면 미세패턴 형성이 가능합니다. 회절같은 것에 대한 문제들이 별로 없습니다. 2) DOF가 매우 좋은데요 수 um동안 해상도를 유지할 수 있는데요 3) 그렇기에 두꺼운 PR에도 다 반응을 해서 사용이 가능합니다. 4) 렌즈를 안쓰니까 렌즈에 대한 왜곡이 전혀없겠죠?
단점으로는 1) 고강도의 X-선 발생 장치를 제조가 어렵습니다. 2) 양산 mask 제작이 어려운데 고가입니다. 3) 렌즈를 통한 focus가 불가능합니다. 4) throughput이 50wph 정도로 매우 낮습니다.
XRL에 쓰이는 mask에 대해 좀만 더 알아 볼까요?
고가의 mask를 사용한다 했죠? 왜일까요?
마스크 제작할때 Beryllium 기판에 Au(금) patterning을 하기 때문이죠.
또 다른 방법으론 Glass 기판에 membrane & patterned 흡수제를 사용하는데 이것들은 제조가 어렵습니다.
그래도 어디선가는 XRL을 쓰겠죠? 어디서 쓸까요?
XRL은 DOF가 좋아서 두꺼운 PR을 쓸 수 있고 미세패턴 형성이 가능하다 했죠? 그러다 보니 High aspect ratio 구조를 만들 수 있는데 아래 왼쪽 그림을 보시면 요 두께가 80um인데 PR이렇게 두껍고 반듯하게 만들기는 불가능에 가까운데 x-ray로는 쉽게 만들어 냅니다.
그리고 워낙 단파장이라 회절이 적다고 했죠? 그렇다보니 이 방향 저 방향 다 만들 수가 있습니다. 그래서 아래 오른쪽 그림과 같은 3D 구조도도 쉽게 만들 수 있습니다.
