전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2024.10 (p11-13)

EUV 노광의 소비전력을 10분의 1로
오키나와과학기술대학, 미러를 줄이는 신기술 개발

오키나와과학기술대학원대학(OIST) 신타케(新竹) 교수는 첨단 반도체 제조에 사용하는 EUV(극단자외선) 노광장치의 소비전력을 종래의 10분의 1로 줄이는 기술을 제안했다. 광학계 설계를 간소화해 빛의 손실을 줄이고, 소비전력을 100kW 이하로 억제했다. EUV 노광장치의 과제였던 소비전력과 비용의 증가를 해결하는 기술로서 기대가 높아지고 있다.

이번 기술은 광학계의 수차 보정 이론을 재검토하여 대폭적인 절전을 실현하는 것이다. 통상의 EUV 노광장치에서는, 광원에서 나오는 빛을 10장의 미러로 반사시켜 수차를 보정하면서 웨이퍼에 전달하는 구조를 채택했다. OIST의 새로운 방식에서는, EUV 광원부터 웨이퍼까지 미러를 4장만 사용해 빛을 도출하기 때문에 손실을 줄일 수 있다. EUV 노광장치의 상식을 뒤집는 것이라고 할 수 있다.

EUV 빛은 1회 반사로 에너지가 40% 감쇄된다. 10장의 미러를 사용하는 종래의 EUV 노광장치에서는 웨이퍼에 빛이 닿을 때까지 출력의 1%정도까지 약해져 버린다. 즉, 반도체 제조에 필요한 에너지의 100배의 출력이 필요하다는 것이다. EUV 광원을 가동시키는 탄산가스(CO2) 레이저는 그렇지 않아도 큰 전력을 소비하는데, 이 반사에 의한 감쇠가 있는 이상 EUV 노광장치의 소비전력과 비용은 증가하게 된다.

새로운 방식의 경우는 반사 횟수가 줄어들기 때문에 웨이퍼에 빛이 닿을 때까지 출력의 10% 이상의 에너지를 유지할 수 있다. 그 때문에 EUV 광원의 출력을 기존 대비 10분의 1로 줄일 수 있다.

-- 심플한 구조로 이점이 많다 --
새로운 방식에서는 포토마스크와 실리콘 웨이퍼가 평행하게 마주보고, 그 사이에 2장의 미러를 축대칭으로 배치한 프로젝터를 구성하고 있다. 기존의 EUV 노광장치는 프로젝터에 6장의 미러를 사용하고 있었다. 새 방식의 구성은 천체망원경의 구조와 비슷하다. 이 구조는 포토마스크와 웨이퍼의 평탄성이나 높이 오차의 요구가 느슨해져, 뛰어난 오버레이 정확도나 하이 콘트라스트 등의 특징을 전망할 수 있다.

“이를 통해, 노광을 반복해 미세한 구조를 만들어 넣는 멀티패터닝에 유리하게 된다”라고 신타케 교수는 설명한다. 노광장치의 구조를 간소화하여 저출력 광원을 사용함으로써 노광장치의 비용을 반감할 수 있다고 한다. 또한 운용성이나 유지보수성, 가동률의 향상, 러닝 코스트의 삭감 등 많은 이점을 전망할 수 있다.

광원의 출력을 낮게 억제할 수 있다면, EUV 빛을 발생시킬 때에 발생하는 주석(Sn)의 데브리를 저감할 수 있어 미러의 오염을 줄일 수 있다. 게다가 EUV 빛에 의한 마스크나 미러에 대한 데미지도 줄일 수 있으므로, 유지보수나 부품 교환의 빈도를 낮출 수 있다. 냉각수와 수소가스 사용량도 줄일 수 있기 때문에 친환경적이다.

OIST는 이 기술에 대한 특허출원을 이미 끝낸 상태이며(출원번호: 특원2024-65769), 앞으로는 실증실험으로 실용성을 확인한다. 신타케 교수는 2025년까지 가시광을 사용한 실험계를 구축해 원리 실증할 계획이다. 그 후에는 검사용의 저출력 EUV 광원을 사용해 패터닝에 응용할 수 있는지를 확인한다. 광원 등 중요 부품의 대부분은 국내 기업으로부터 조달할 수 있을 전망이다.

이미 해외의 대기업 반도체 업체가 이 기술에 주목하고 있으며, 장치 업체 등을 포함해 가까운 시일 내에 신타케 교수와 미팅을 진행할 예정이라고 한다. EUV 노광장치는 방대한 전력을 소비하기 때문에 전력은 첨단 반도체를 양산하는데 과제가 되고 있다. 게다가 차세대 높은 개구수(NA)의 EUV 노광장치는 가격이 500억엔 이상으로 추정되고 있어, 반도체 업체에게는 비용도 골칫거리다. 신기술은 이런 과제를 해결하는 데 도움이 될 것으로 기대를 모으고 있다.

-- 과거에 미국에서도 유사한 연구 --
신타케 교수는 광학현미경의 개량 연구를 하고 있던 2년 전에 2장의 반사 미러로 프로젝터를 구성하는 노광 기술을 구상했다고 한다. 광학 시뮬레이션 소프트웨어 ‘OpTalix’를 사용해 광학계를 설계하고, 충분한 성능을 낼 수 있는 것을 검증했다. 특히 광원으로부터 빛을 프로젝터로 도입하는 설계나 2장의 반사 미러를 사용하는 수차 보정은 고정 관념을 뒤엎은 “콜럼버스의 달걀과 같은 발상이었다”라고 회상한다.

새로운 방식의 광학계는 단순한 설계이며, 이러한 구조에 근거한 노광장치가 지금까지 개발되지 않았던 것은 의외라고 생각할 수 있다. 실은, 2000년 전후에 미국에서 실시된 EUV 노광장치 개발 프로젝트 ‘EUV LLC’에서, 이번의 방식과 같은 노광장치를 검토한 적은 있었다. 이 동프로젝트에서 세계 최초의 EUV 프로젝터를 개발한 Patrick Naulleau 씨 등의 연구팀은 2장 미러의 투영광학계를 사용한 EUV 노광 시험에서 패터닝에 성공했다.

그러나 2004년 발표한 실험 결과에서는 사방 수백 µm의 면적밖에 노광할 수 없어 실제 반도체 제조공정에는 응용할 수 없는 성능이었다. 새로운 방식과의 차이점은 포토마스크와 웨이퍼의 배치가 평행으로 되어 있지 않아 광학계의 제약이 있었다고 한다. 그 결과, 미러 수를 늘리는 EUV 노광장치의 구조가 스탠더드가 되었다.

새로운 방식에서는 광학 시뮬레이션에 근거해 2장의 미러 곡률을 가깝게 하는 설계 개량을 통해 이러한 문제를 해결하고 있다. 노광 면적은 0.2NA에서 20mm×26mm, 0.3NA에서 10mm×26mm로, 반도체 제조에 응용 가능한 성능이라고 한다. Naulleau 씨는 신타케 교수의 연구에 대해서 “흥미로운 논문이다. 노광 필드를 확장한 연구결과에 놀라고 있다”라는 코멘트를 보냈다.

-- 업계에서는 신중한 의견도 --
새로운 방식에는 기술적인 과제도 남아 있다. EUV 노광장치를 세계에서 유일하게 생산하고 있는 네덜란드 ASML은, 반도체 산업에 공헌하는 기술 연구를 환영한다고 하면서 “빛의 투과율이 향상될 가능성은 있지만, 한편으로 해상도가 떨어지는 제약이 있어, 노광 면적이 작으면 생산성도 떨어지게 된다”라고 지적한다.

노광 면적이 작으면, 여러 차례의 노광으로 패턴을 이어 붙이는 스티칭이라 부르는 기술에서도 불리하게 된다고 우려한다. 때문에 ASML은 해상도와 처리량 측면에서 기존처럼 높은 NA EUV 등의 시스템 개발을 적극 추진할 방침이다.

국내 한 광학 전문가는 노광 면적의 크기와 해상도 문제를 지적한다. “OIST의 새로운 방식은 NA가 0.2~0.3으로 현재의 노광장치보다 작기 때문에 해상도에 과제가 있다. 특정 용도에서는 특징을 활용할 수 있을지도 모르지만, 노광장치에는 범용성이 요구되므로 시스템 파워도 중요하게 된다”라고 말한다. 이 전문가는 “과거 DUV(심자외선) 노광장치에서도 제품화되지 않고 창고로 들어간 기술이 적지 않다”라고 회상한다.

신타케 교수도 노광 면적을 확대할 필요성을 인식하고 있어 “개선 계획을 세우고 있다”라고 말한다. 한편, 해상도에 대해서는 “정확한 패터닝을 위해서 일부러 낮게 했다”라고 한다. 해상도를 높여 미세화를 진행하면 양자 효과의 영향으로 패턴을 정확하게 전사할 수 없게 된다는 과제가 있기 때문이다. 그래서 신타케 교수는 빛의 양을 올리면서, 낮은 해상도로 타협해 더블 패터닝으로 미세화를 도모하는 기법을 채택한다고 한다.

광학계에 정통한 국내 대학의 교수는 “ASML과 미러 렌즈를 제조하는 독일 Carl Zeiss의 아성을 무너뜨리는 것은 쉽지 않다. 다른 기업은 EUV 노광장치 시장에 파고들 의욕이 없는 것이 아닌가”라고 일본 산업계의 문제를 지적한다. EUV 노광장치에 필요한 초고정밀도 광학 소자나 스테이지를 개발할 수 있는 기업은 세계에서도 한정적이며, 그것들을 양산해 이익을 내는 것은 매우 어렵다. 그러한 배경도 있어, 최근에는 EUV 노광장치 관련 특허를 취득하는 움직임이 줄어들고 있다고 분석한다.

EUV 노광장치에 사용하는 직경 30cm 미러의 표면 요철(평탄도)은, 0.3nm 이하이다. 이는 약 38만km 떨어진 지구와 달과의 거리에 대해 3cm 정도의 크기에 불과하다. 그 때문에 EUV 노광장치는 지구상에서 가장 정밀한 기기로 여겨진다. 그 기술적인 어려움과 개발 비용의 증가로 인해 니콘이나 캐논과 같은 노광장치 업체는 개발 경쟁에서 철수한 적이 있다.

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