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Nikkei X-TECH_2023.12.19

캐논, '첨단반도체에는 EUV 노광 장치'에 제동
캐논의 나노 임프린트의 실력

수 nm 세대 최첨단 반도체에는 네덜란드 ASML의 극단자외선(EUV) 노광 장치가 필수다. 그런 상황에서 캐논이 새바람을 일으킬 가능성을 보여줬다. 오랫동안 연구개발을 계속해 온 나노 임프린트 리소그래피(NIL) 장치를 실용화한 것이다.

2023년 10월 13일부터 이 장치를 판매하기 시작했다. 5nm 세대에 필요한 최소 선폭(線幅) 14nm의 회로 패턴을 그릴 수 있다. ASML의 개구수 0.33의 EUV 노광장치에서 구현할 수 있는 최소 선폭 13nm에 육박하는 성능이다. “이미 문의가 많이 들어오고 있다. 특히 연구개발이나 광학분야 용도에서 관심이 높다”(캐논 광학기기사업본부 이와모토(岩本) 본부장).

NIL은 nm 사이즈의 패턴을 새긴 마스크를 스탬프처럼 내리눌러서 패턴을 전사하는 기술이다. NIL을 사용하는 장점은 2가지다. EUV 노광과 비교해 공정수를 줄일 수 있다는 점과 소비전력이 10분의 1이라는 점이다.

-- 복잡한 패턴을 한 번에 작성 가능 --
캐논의 NIL 장치의 패턴 전사 과정은 다음과 같다. 우선 캐논이 보유한 잉크젯 기술을 이용해 웨이퍼 위에 비말 상태의 레지스트를 도포한다. 그 후에 레지스트 위로 회로 패턴이 새겨진 마스크를 내리누르고, 그 위에서 자외선을 조사해 레지스트를 굳힌다. 레지스트가 굳어진 후에 마스크를 박리한다.

NIL은 이처럼 직접 패턴을 전사하기 때문에 복잡한 패턴이라도 1회의 노광으로 전사할 수 있다. 광(光)노광에서는 1회 노광으로 세로나 가로 모양 밖에 전사할 수 없다. 이 때문에 사선 패턴이나 여러 패턴이 뒤섞여 있으면 여러 번의 노광이 필요하게 된다. 노광 횟수가 늘어나면 에칭 작업 등 별도의 공정도 동시에 늘어난다.

-- 레플리카 마스크로 패턴 형성 --
NIL에서는 실제 사이즈의 패턴을 그린 마스크를 사용한다. 캐논에 따르면, 이 마스크는 전자빔을 사용해 실제 사이즈의 패턴을 그린 마스터 마스크를 준비한다고 한다. 이 레플리카(복제) 마스크를 NIL 장치를 사용해 전사해 만든다. NIL은 마스크를 직접 내리누르기 때문에 노광 방식에 비해 마스크의 결함이 발생하기 쉽다.

그래서 마스터 마스크로 복제 마스크를 대량으로 만들어, 결함이 발생한 마스크는 정상품으로 교체해 사용하고 있다고 한다. 1장의 마스터 마스크로 몇 장의 복제 마스크를 만들 수 있는지는 비공개다. 선폭이 작아질수록 복제품 제작은 어려워진다고 한다.

-- 소비전력은 EUV 노광의 10분의 1 --
NIL은 제조공정이 단순하기 때문에 소비전력이 매우 작다. 앞에서 기술한 것처럼 EUV 노광과 비교하면 소비전력은 10분의 1이라고 한다. 또한 장치 구조도 심플해서 상세한 가격은 알 수 없지만 EUV 노광 장치보다 장치 가격이 저렴하다.

EUV 노광의 소비전력이 큰 이유는 광원의 감쇠가 크기 때문이다. EUV 노광에서는 미세가공을 하기 위해 파장 13.5nm의 극단자외선을 이용하고 있다. 이 빛은 공기나 렌즈에서의 광흡수가 매우 커서, 기존의 렌즈 방식으로는 웨이퍼 표면까지 빛이 닿지 않는다.

그 때문에 EUV 노광에서는 노광기 내를 진공으로 만들고, 미러로 빛을 반사함으로써 흡수를 최대한 줄여 웨이퍼 표면에 빛을 조사하고 있다. 그러나 이 방법도 미러 반사율은 100%가 아니기 때문에 웨이퍼 표면에 닿는 빛은 감쇠해, 에너지 효율은 약 5%이다.

-- 실용화를 가능하게 한 3가지 요소 --
캐논은 오랫동안 NIL의 연구개발을 추진하고 있으며, 다음의 3가지 기술을 개발하면서 제품화에 이르렀다고 한다. 즉, (1) 고정밀 중첩 (2) 변형 보정 (3) 파티클 제거다.

(1)의 고정밀 중첩은 웨이퍼와 마스크의 네 모서리에 레이저를 조사함으로써 정렬용 마크(Alignment mark)를 판독, 1nm 이하의 정밀도로 위치를 계측해 4nm보다 세밀한 정밀도로 중첩한다. 중첩 정밀도는 선폭에 대해 5분의 1에서 6분의 1의 정밀도가 요구된다.

(2)의 변형 보정은 마스크와 웨이퍼 위에서 레이저광을 비춤으로써 열을 가해 변형을 보정하는 것이다. 이는 웨이퍼와 마스크의 선팽창계수 차이를 이용하고 있다. 웨이퍼 쪽이 마스크보다도 선팽창계수가 10배 크고, 신축성이 뛰어나 변형에 맞춘 열분포를 가해 보정한다.

(3)의 파티클 제거는 웨이퍼 표면에 파티클이 쌓이지 않도록 고성능 필터나 에어 커튼을 구비함으로써 일반적인 노광 장치보다도 매우 클린한 환경을 실현했다. 파티클이란 미세한 이물질이다. 웨이퍼 표면에 파티클이 있으면 마스크를 내리누를 때 패턴의 홈에 파티클이 끼여 마스크가 망가진다. 때문에 매우 깨끗한 작업 환경이 요구된다.

-- 과제는 작업량과 미세화 향상 --
ASML의 EUV 노광 장치에 필적하는 선폭을 실현할 수 있는 캐논의 NIL 장치지만 기술적으로 뒤지고 있는 부분이 있다. 웨이퍼 처리 능력과 미세화 정밀도다.

캐논의 NIL 장치의 시간당 웨이퍼 처리 능력이 80장인데 반해, ASML의 EUV 노광 장치는 배 이상인 170장을 처리할 수 있다. NIL의 작업 공정 중 가장 시간이 필요한 것이 레지스트가 마스크 패턴의 안쪽으로 퍼지기까지의 시간이다. 현재는 레지스트가 퍼지기까지 1.1초가 걸리지만, 프로세스 최적화를 통해 이 시간을 단축함으로써 처리 능력의 향상을 목표하고 있다고 한다.

또한 미세화 정밀도에 대해서는 25년의 실용화를 목표로 10nm의 마스크를 개발하고 있다고 한다. NIL은 현재 14nm의 회로 패턴을 형성할 수 있다. 하지만 현시점에서는 이 이하가 되면, 전자빔을 이용해 마스크에 그리는 작업의 안정성이 떨어진다고 한다.

-- EUV와는 공존을 목표로 한다 --
캐논은 NIL 장치로 EUV 노광에 정면으로 도전하는 것이 아니라 공존하는 형태를 노린다. NIL은 앞에서 기술한 바와 같이 공정수 삭감이나 적은 소비전력이 매력이다. 한편, 미세가공의 정밀도에서는 EUV 노광이 우세하다. 그 때문에 “가장 COO(Cost Of Ownership)에 효과적인 곳에서 NIL을 사용하게 하고, 비용이 비싸도 미세가공 정밀도가 요구되는 곳은 EUV를 사용한다”(이와모토 본부장).

우선은 3D NAND 시장에 NIL을 전개해 나가면서 단계적으로 DRAM, 로직 등 보다 미세가공 정밀도가 필요한 시장으로 응용처를 넓혀 나갈 생각이다. NIL의 응용처로서 메타렌즈라고 하는 광학분야도 생각하고 있다고 한다.

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