2024-09-18
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저자 leslie wu, 전 tsmc 팹 건설 전문가
편집자 양수
산업정보기술부의 문서를 통해 국내 리소그래피 기계의 연구 개발이 다시 한 번 대중의 관심을 끌었습니다.
9월 9일, 공업정보화부 산하 '산업정보위챗뉴스' 계정은 9월 2일 공업정보화부가 발행한 '홍보 및 신청 안내 카탈로그' 발행에 관한 공지문을 공개했다. 주요 기술 장비의 첫 번째(세트)(2024년판)'(아래 참조)).
고시문 중 '전자특수설비'의 첫 번째 항목은 '집적회로 생산설비'로, 특히 불화크립톤(krf) 노광기계와 불화아르곤(arf) 노광기계의 기술지표를 명확히 언급하고 있다.아르곤 불화물 리소그래피 기계, 문서에 따르면 파장은 193nm, 해상도는 65nm 이하, 오버레이는 8nm 이하입니다., 이는 외부에서도 국산 duv 노광기의 획기적인 돌파구로 이해되고 있으며, 국산 duv 노광기가 8nm 공정을 돌파했다는 소문까지 돌고 있다.
그렇다면 이번 산업정보화부 고시에 언급된 국내 노광기의 기술 지표는 실제로 무엇을 의미하는가?
수출 통제 등 특별한 이유 때문에 지난 2년 동안 리소그래피 기계가 자주 언급되었으며 과학 기술계는 리소그래피 기계에 대해 어느 정도 이해하고 있습니다.
한 문장으로 말하면, 포토리소그래피 기계는 특수 공정을 사용하여 패턴을 축소하고 이를 실리콘 웨이퍼에 투사한 후 트랜지스터 회로를 식각하여 칩 제조를 수행합니다.
리소그래피 기계는 광원에 따라 uv, duv, euv의 세 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.
각 광원 유형은 빛을 생성하는 방식에 따라 구별됩니다. 다양한 광원의 파장은 다음 표를 참조하세요.
*표 1, 다양한 광원 유형의 리소그래피 기계에 해당하는 핵심 기술 지표
산업통상자원부 고시에서 언급한 두 장비는 심자외선을 사용하는 duv 노광기 krf와 arf dry 2종에 해당한다. 그러나 공식문서에는 한자로 크립톤 불화물과 불화아르곤이 표기돼 있다.
리소그래피 기계의 다양한 광원은 서로 다른 파장을 갖습니다. 파장이 짧을수록 달성할 수 있는 해상도는 높아집니다.예를 들어, 크립톤 불화물 리소그래피 기계는 248nm 광원을 사용하여 0.11μm-0.8μm 해상도 칩의 생산을 지원하는 반면, 193nm 불화 아르곤 건식 리소그래피 기계를 사용하면 65nm-0.11μm의 더 높은 해상도를 달성할 수 있습니다.
또 다른 핵심은 대물렌즈 시스템의 개구수(na)입니다. 이 두 지표가 중요한 이유는 매우 잘 알려진 공식인 레일리 기준, 즉 cd =k1*λ/na에서 비롯됩니다.
cd는 달성할 수 있는 최소 형상 크기인 선폭입니다. λ는 리소그래피 기계에서 사용되는 광원의 파장입니다. na는 리소그래피 기계의 대물 렌즈의 개구수(각도 범위)를 나타냅니다. 빛을 모으는 렌즈의 계수 k1은 제조 공정과 관련된 많은 요소에 따라 달라집니다.
공식에 따르면, 칩 제조가 더 작은 선폭, 즉 cd 값을 더 작게 달성하려면 주로 다음을 통해 이루어집니다.더 짧은 파장의 광원을 사용하십시오.、na(개구수)가 더 큰 대물 렌즈, 그리고 방법을 찾아보세요낮은 k1。
예를 들어, 현재 euv 극자외선 리소그래피 기계는 광원 파장이 13.5nm에 불과합니다. 동시에 asml은 7nm 이상의 프로세스 칩 제조를 위해 더 높은 개구수를 갖춘 euv 리소그래피 기계를 지속적으로 출시하고 있습니다. 하지만 조심하세요.3nm 칩은 아래에서 위로 약 수백 개의 레이어로 구성되어 있으며 해상도 요구 사항도 높음에서 낮음으로 구성됩니다. euv 리소그래피 기계는 아래쪽 20개 레이어만 담당하고 나머지는 duv 리소그래피 기계로 조정합니다.
업계에서 알려진 바에 따르면 산업정보통신부 고시에 언급된 노광장비는 k1 값 0.25를 달성할 수 있다. 레일리 기준(65=0.25×193/na)에 따르면 국내 노광기의 개구수는 0.75인 것으로 유추할 수 있다.
*표 2, 다양한 광원을 사용하는 asml 리소그래피 기계의 주요 기술 지표, 데이터 출처: semiconductor research
개구수는 상대적으로 낮아 1세대 제품에 적합합니다. 결국 2세대와 3세대도 나올 것입니다.
그러나 심지어기존 arf 광원 리소그래피 기계의 개구수 반복, 0.75에서 0.93 수준까지 해상도는 현재 65nm에서 향후 52nm로 향상될 뿐이며 소위 "28nm 리소그래피 기계"보다 훨씬 낮습니다.
따라서 개구수 경로를 반복합니다.이점도 있지만 두 발로 걷기를 달성하려면 침지식 리소그래피 기계에서 더 많은 혁신을 시도해야 합니다.
침지식 arf 광원의 본질은 변하지 않고 여전히 193nm(광원 전력은 양산기의 핵심)이지만, 노광기의 대물렌즈와 웨이퍼 사이에 초순수를 첨가하고, 굴절률은 위장된 형태인 1.44로 증가합니다. 193nm의 파장은 134nm로 동일하게 감소되어 노광기의 해상도가 향상됩니다.
왜 이런 일이 발생합니까?
앞서 언급한 바와 같이 레일리 기준은즉 cd =k1*λ/na입니다.물 굴절이 추가되었기 때문에 수정이 가능합니다.cd =k1*λ/nsinθ, 여기서 n은 물의 굴절률이고, sinθ는 리소그래피 기계 렌즈와 이미징 표면 사이 각도의 사인이며, nsinθ는 개구수 na와 같습니다.
* 그림 2: 렌즈 시스템을 통한 빛의 포커싱 및 이미징의 개략도, n은 매체의 굴절률, θ는 렌즈의 초점 각도
표 2에 언급된 asml 2100i는 침지식 노광기이므로 n은 1.44, 대물렌즈의 sinθ 값은 0.93, 이 장비의 k1 값은 0.28이다.
변형된 공식에 따르면 2100i 노광기의 cd = (0.28×193)/(1.44×0.93) = 54.04/1.3392≒40nm 이것이 흔히 말하는 “28nm 노광기”의 해상도이다.
국내 리소그래피 기계가 침지 기계로 직접 업그레이드되면 개구수 개선 없이 어떻게 성능을 발휘할 수 있을까요?
공식을 계속 적용하면 cd=(0.25×193)/(1.44×0.75)=48.25/1.08=44nm인데, 이는 여전히 "28nm 리소그래피 기계"의 해상도 요구 사항을 충족할 수 없습니다.
그럼 앞서 말한 내용으로 돌아가서,침지 리소그래피 기계의 연구 개발에 투자해야 할 뿐만 아니라 대물 렌즈의 sinθ 값을 높이고 개구수를 높이기 위해 렌즈 분야에서도 획기적인 발전이 필요합니다.
좋은 소식은이미 0.85의 개구수를 갖는 침지형 대물렌즈 시스템을 연구하는 회사들이 있습니다.. 연구가 성공한다면 우리 리소그래피 기계의 해상도는 39.41nm에 도달할 것으로 예상되며, 이는 "28nm 프로세스"에서 요구하는 40nm 해상도를 실제로 돌파할 것입니다.
이번 산업정보통신부 문서에는 대물렌즈와 관련된 개구수가 공개되지 않아 후속조치에 주목할 필요가 있다.
1세대 침지 노광기는 건식에서 진화해야 한다는 것을 알아야 합니다. 건식 노광기의 대물 렌즈의 개구수가 일급 수준에 도달하지 못하면 침지 노광기도 할 수 없습니다. 아무것.
앞서 언급했듯이 침지 노광기의 원리는 렌즈 바닥과 웨이퍼 사이에 초순수를 넣는 것인데 이론상으로는 쉽지만 구현하기가 매우 까다롭다.
첫 번째는 초순수 속의 기포를 완전히 제거하는 것입니다. 둘째, 투광부와 차폐부 사이의 온도차로 인해 액체 표면이 고르지 않게 되는 문제를 해결하는 방법은 초순수를 빠르게 흐르게 하는 것이지만 이 역시 소용돌이가 발생하게 됩니다. 소용돌이를 발생시키지 않고 초순수를 빠르게 흐르게 하는 것은 어려운 공학적 문제입니다.
그림 3: lin benjian이 개발한 침지 노광 기계 렌즈 시스템 시연
침지 시스템의 경우에만 lin benjian과 그의 팀이 asml 전용 tsmc nanke 공장 영역에서 획기적인 발전을 이루기까지 2년과 7-8번의 수정이 걸렸습니다.
알파 머신이 완성된 후 베타 단계에서는 웨이퍼 공장에서 수많은 웨이퍼를 낭비해 원래 수천 개, 수십 개, 최종적으로는 0개로 줄이기 위해 막대한 인력을 조직해야 하는 힘든 작업이다.
해상도가 65nm에 불과하다면, 더 개선할 수 있는 다른 방법은 없을까요? 가지다.
ruili 기준은 앞서 언급한 바와 같습니다.cd =k1*λ/na 파장과 na 개구수의 두 가지 지표 외에도 k1을 지속적으로 축소하여 분해능을 향상시킬 수도 있습니다.
k1을 줄이는 것은 웨이퍼 제조 공정의 리소그래피 공정 엔지니어의 최우선 과제입니다. 엔지니어들은 위상 변이 마스크, 모델 광학 근접 효과 보정, 오버 에칭, 반전 리소그래피 등을 포함하여 k1을 줄이기 위한 많은 놀라운 기술을 개발했습니다.
"광소우주 ic 백만 배" 강의에서 lin benjian의 소개에 따르면, k1을 줄이려면 먼저 "진동 방지"를 해야 합니다. 휴대폰으로 사진을 찍을 때의 손떨림 방지와 마찬가지로, 사이의 상대 진동을 줄이려고 노력해야 합니다. 노광 중 웨이퍼와 마스크를 더 정확하게 만들어 진동으로 인해 손실된 해상도를 복원합니다. 다음 단계는 노출 중 액체 표면의 "쓸모없는 반사"를 줄이는 것입니다.
위 두 항목을 개선하면 k1은 기본적으로 0.65 수준까지 줄어들 수 있다.
k1을 낮추고 해상도를 향상시키기 위해 축외 노출 및 위상 편이 마스크를 포함한 이중 빔 이미징 방법을 사용할 수도 있습니다.
오프축 노광은 빛이 마스크에 비스듬히 들어가도록 광원의 입사각을 조절하는 것이다. 각도를 조정하면 두 빛이 서로 간섭하여 이미지를 형성하고 해상도가 높아지며 피사계 심도가 깊어집니다. 위상 편이 마스크는 마스크에 몇 가지 트릭을 사용하여 인접한 광 투과 영역을 통과하는 빛에 180도 위상차를 만듭니다.
두 가지 방법 모두 k1을 절반으로 줄일 수 있으며 조합하여 사용할 수 없습니다.
k1을 0.28로 줄이는 것은 위의 모든 기술이 달성할 수 있는 거의 한계입니다. 이를 더 줄이고 싶다면 노출 시 마스크를 2개 이상 사용해야 하는데, 이는 익숙한 다중노출(아래 그림 참조)이다.
그림 4: 빛이 화이트홀을 통해 빛나고 웨이퍼의 포토레지스트에 나타나 노란색 점을 보여줍니다. 두 개의 포토마스크를 사용하여 두 번 노출하여 해상도를 향상시켰습니다.
가장 널리 사용되는 용어로는 조밀한 패턴을 느슨한 패턴을 가진 두 개 이상의 마스크로 나누고 이를 차례로 웨이퍼에 노출시켜 해상도를 향상시키는 것입니다.
그러나 노출 횟수가 2배가 되므로 웨이퍼 처리 효율은 절반으로 감소하는 반면 wph(시간당 웨이퍼 처리량)는 그대로 유지되며, 한 번 더 노출되면 수율도 감소하게 됩니다.
이중 노출을 통해 k1을 0.28에서 0.14로 줄일 수 있으며, 4중 노출에서는 0.07까지 줄일 수 있습니다.
모든 버프를 쌓은 후 2100i 리소그래피 기계를 예로 들어보겠습니다. 이론적인 cd=(0.07×193)/(1.44×0.93)=13.51/1.3392≒10nm는 해상도를 의미합니다. 사람들 말로는 "28nm 포토리소그래피 기계가 2nm를 만든다"는 2nm 공정입니다.
다중 노광은 사용하기 매우 쉬운데, 다중 노광을 통해 국내 65nm arf 노광기의 해상도를 높일 수 있을까? 아직 아님.
다중 노출은 오버레이 정확도와 같은 많은 엔지니어링 조건을 충족해야 하는 기술적 수단입니다. 간단한 이해는 칩의 서로 다른 레이어 간의 노출로 인해 발생하는 오류입니다.
현재 단일 노출 오버레이 정확도에 대한 제어 창은 해상도의 약 20%~25%이므로 65nm 해상도의 제품에는 최소 13nm의 오버레이 정확도가 필요합니다. 국내 장비의 오버레이 정확도는 8nm로 이 표준을 충족합니다. .
그러나 8nm는 공장 표준이며 표준 라이트 시트의 결과이므로 웨이퍼 처리 중 다양한 공정으로 인해 생산 라인이 asml이나 nikon 모두 동의하는 공장 표준보다 훨씬 낮습니다. 이. 즉, 국내 장비의 8nm 표준 지수는 실제 제품에서는 11~12nm 정도 떨어진다.
이중 노출의 경우 20%~25%의 해상도를 기준으로 오버레이 정확도를 13nm에서 6.5nm로 절반으로 줄여야 합니다. 현재의 8nm 오버레이 정확도 지수는 이론적으로 요구 사항을 충족할 수 없습니다.
따라서 이번 국산 장비에서 다중 노출을 통해 해상도를 향상시키기 위해서는 향후 반복에서 오버레이 정확도를 더욱 향상시켜야 합니다.
