노광 설비 Stepper 와 Scanner 비교 (+EUV)

반도체의 패터닝 공정에서 제일 앞에 있으며 패터닝에 제일 중요한 공정은 바로 포토 공정입니다. 그 포토 공정을 성공적으로 완성하려면 그에 맞는 정교한 설비가 뒷받침되어야 합니다. 그래서 Stepper와 Scanner에 대해서 간단히 알아보겠습니다.
Optic system의 성능을 결정하는 요소에서 Resolution을 작게 만들어주는 것에는 source 파장과 lens(NA, sigma)등이 영향을 미칩니다. DOF 같은 경우에도 resolution과 동일합니다.
Stage alignment system는 노광 위치에 대한 position accuracy를 결정짓는 요소이며, 또한 생산량 throughput과 관련이 있습니다.

stepper는 wafer에 노광 할 때 사진 찍 듯 한 번에 노광 합니다. 그렇기 때문에 photo mask 28×33mm^2 영역을 한 번에 노광 합니다. 그러다 보니 lens 전체가 클 수밖에 없고 aberration이 생기게 됩니다. 이 aberration 때문에 photo mask의 image field 중앙부와 외곽에 광경로차가 발생하여 image CD 차이가 발생합니다. 그래서 lens aberration 보정이 필요한데 영역이 넓어서 모두 보정이 불가합니다. stepper가 lens NA를 키우지 못하는 이유입니다. NA를 키워야 더 작은 패터닝이 가능한데 stepper는 max NA 0.5에 불과합니다. 그래서 lens를 줄이고 stage와 lens를 이동시키며 scan 하는 기술을 개발하게 되었습니다. 

ASML Stepper가 노광하는 모습, 출처 : ASML

이 기술이 적용된 것이 scanner입니다. scanner는 stepper처럼 한 번에 photo mask image field를 노광 하지 않고 5mm 길이의 lens로 문서 스캔하듯 노광 합니다. 상대적으로 작은 scan lens로 인하여 aberration도 쉽게 보정이 되어 NA를 0.93까지 늘릴 수 있게 되었습니다. 이로서 더 작은 패터닝이 가능해졌습니다. scanner 기술은 lens 기술뿐만 아니라 stage moving 기술이 받쳐주어 구현이 가능해졌습니다.

ASML scanner의 노광 전 align 하는 모습, 출처 : ASML

scanner의 photo mask field를 scan 노광하는 모습, 출처 : ASML

 scanner의 파장 종류로는 248nn KrF와 193nm ArF의 DUV가 있고, 13.5nm의 EUV가 있습니다. 더 작은 패턴 노광을 위해선 EUV 설비가 필요합니다. ArF로 photo mask 3장 사용할 것을 EUV는 photo mask 1장 사용하는 것도 비슷한 공정 단가가 나오고 공정단순화 되기 때문에 이점이 있습니다.

scanner의 stage moving 모습, 출처 : ASML

장비 가격만 수천 억에 이르는 EUV 설비는 ArF 193nm 보다 더 작은 13.5nm 파장을 사용하는데 그렇기 때문에 반사렌즈를 사용합니다. 파장이 작은 빛일수록  물질을 투과하지 못하고 흡수되어 버리기 때문입니다. 그래서 EUV광은 반사렌즈를 사용해서 노광을 합니다. 이 반사렌즈의 NA는 현재 0.33 정도이고 추후 High NA 개발(EXE5000)로 0.55 수준으로 올릴 계획입니다. Mirror의 구성은 Metallic Mirror는 불가하며, Mo/Si을 40pair 층으로 쌓아서 구성합니다. 두께 비율 주기를 control해서 반사시킵니다. EUV 광을 생성하는 source는 진공챔버에서 1초에 5만 번 떨어지는  20um 지름의 Sn Droplet에 CO2 laser를 쏘아 여기 시켜 100만도 이상 온도를 올려주면 EUV 광이 발생됩니다. EUV 설비는 반사렌즈를 사용하기 때문에 광에너지 손실이 일어나게 됩니다. 그래서 source power가 올라갈 수밖에 없기 때문에 photo setup 시 되도록 low dose를 적용하고자 합니다. low dose를 사용함으로써 설비의 사용기간을 늘려서 장비 uptime을 늘릴 수 있기 때문입니다. 그러면 양산성 즉, throught-put이 올라갑니다. 그러나, 너무 낮은 dose로만 photo setup 한다면 shot noise로 인해서 원하지 않는 defect(Single Line Open)이 발생할 수 있습니다. 

EUV collector에서 빛을 집광시켜 내보내는 모습, 출처 : ASML

EUV scanner는 ArF scanner와 달리, 진공 chamber로 구성되어 있습니다. 그래서 1대 EUV scanner에만 12대의 pump가 사용됩니다. ArF source는 laser를 이용하는반면, EUV source는 plasma를 이용합니다. EUV collector는 광원의 energy가 높은 만큼 쉽게 다른 물질들이 collector에 증착이 됩니다. 이를 carbon contamination이라고 부릅니다.  
광학계는 매우 정밀하게 설계되어 있으며, 모두 Black Box화 되어 있습니다. (Zeiss 회사) EUV Pupil Ratio는 20% 이하로 떨어질 때 손해입니다. ArF Pupil Ratio는 10% 이하로 떨어지면 손해입니다. EUV High NA 설비의 경우엔 Pupil Fill Ratio를 10% 까지 개선했습니다. 
EUV source의 경우엔 필요할 때 On 하고, 필요하지 않을 때 Off 할 수 있는 controlability가 매우 중요합니다. CO2 laser가 100만도의 열로 1초의 5만번 떨어지는 지름 20um의 Sn droplet을 맞추고 여기된 Plasma에서 나온 EUV가 Collector에 반사되어 나아갑니다.
이때, Sn droplet에는 2번의 pulse laser가 조사되는데, pre pulse laser는 Sn을 exiciting status로 만들어주고, 뒤이어 오는 main pulse laser가 Sn droplet을 조사하여 EUV 광을 내뿜도록 하는 원리로 설계되어 있습니다. EUV source의 핵심은 CO2 laser로 높은 온도의 thermal energy를 오랫동안 안정적으로 조사해주는 것입니다.
그리고, EUV source는 laser가 아닌 plasma source이기 때문에 균일한 빛이 아니라, 잡다한 빛들이 생기게 됩니다. 그래서 이런 불필요한 빛들을 제거해 주는 일이 필요합니다. 그래서 EUV Photo mask에는 Shot size 외곽에 OD/OOB(Optical Density/Out Of Band) 영역을 두어 불필요한 빛을 반사시키지 않고 흡수하여 제거해 줍니다. 또한 EUV 설비에 REMA Blade로 불필요한 빛들을 미리 차단합니다. OD영역은 EUV Photo mask에서 annealing을 뭉게주어 Mo-Si층을 날리게 되어 빛이 흡수할 수 있도록 합니다. 추후 Multi-Layer를 etch해서 제거하는 기술도 도입될 예정입니다.

ArF scanner와의 차이점은 EUV 반사형 광학계를 사용하기 때문에 Chromatic Aberration(색수차)가 없습니다. 그리고 반사광의 입사각 6도가 존재하기 때문에 이로 인해서 Curved Slit이 존재하며 H-V bias가 존재할 수 있습니다. 이를 EUV OPC에서 보정해 줄 수 있습니다. EUV Slit(C-E slit) 별 CD 차이는 max 1~1.5nm 존재할 수 있습니다. 이는 EUV ADI CD 산포에 영향을 주게 되며 Center to Edge의 CD 구배 모양을 만들어 내게 됩니다. 이 구배가 생성되지 않도록 Dose CPE라는 기술을 사용하여 UNICOM part를 조절해서 CD unifomity를 향상 시킬 수 있습니다.