13.5nm EUV 파장대를 사용하는 이유.(Feat. 반도체산업)

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EUV(Extreme Ultraviolet) 리소그래피는 13.5nm 파장대를 사용하여 기존 DUV(Deep Ultraviolet) 기술로는 한계에 도달한 반도체 미세 공정을 가능하게 합니다. EUV의 주요 기술 요소를 특히 왜 13.5nm 파장을 사용하게 되었는지와 특징들을 살펴보겠습니다.

1. Resist 흡수

13.5nm의 짧은 파장은 기존 DUV(193nm)와는 다른 감광액(Resist)을 필요로 합니다. EUV 공정에서 Resist는 빛을 효율적으로 흡수해야만 정확한 패턴을 형성할 수 있습니다.

  • EUV와 Resist 특성:
    • 13.5nm는 높은 에너지를 가진 파장으로, Resist가 이를 충분히 흡수해야만 정밀한 노광이 가능합니다.
    • 일반적인 Resist 물질로는 충분한 흡수율을 얻기 어려워, EUV 전용 감광액이 개발되었습니다.
  • 결과:
    • 높은 흡수율의 Resist는 더 작은 크기의 트랜지스터 구현과 미세한 회로 형성을 가능하게 합니다.

2. 높은 해상도(Resolution)

13.5nm는 현재 상용화된 가장 짧은 파장으로, 공정 해상도 향상의 핵심입니다. 해상도(분해능)는 파장 길이와 NA(Numerical Aperture)에 의해 결정됩니다.

  • 해상도 공식: $$R = \frac{\lambda}{NA}$$
    • $λ$(파장)이 짧아질수록 해상도가 향상됩니다.
  • 13.5nm의 효과:
    • 기존 DUV 기술보다 약 14배 짧은 파장을 사용해, 7nm, 5nm, 3nm 이하의 초미세 공정이 가능해졌습니다.
    • 더 작은 회로 패턴은 칩 성능을 높이고 전력 효율성을 극대화합니다.

3. DOF(Depth of Focus)

DOF는 초점 심도를 나타내며, EUV의 13.5nm 파장은 DOF 관리에 새로운 방법을 필요로 합니다.

  • DOF 공식: $DOF = \frac{\lambda}{2NA^2}$
    • $λ$가 작아질수록 DOF가 줄어들며, 이는 초점 심도가 얕아짐을 의미합니다.
  • EUV에서의 DOF 확보:
    • 얕은 DOF 문제를 해결하기 위해 고도의 정밀 제어 기술과 안정적인 노광 환경이 필수적입니다.
    • 안정적인 DOF를 유지하면 결함률을 줄이고 생산성을 높일 수 있습니다.
Depth of Focus 비교 이미지

4. 소형 NA 사용가능

NA(Numerical Aperture)는 해상도와 초점 심도에 영향을 미치는 핵심 변수입니다. EUV에서 소형 NA를 사용할 수 있는 이유는 13.5nm 파장의 특성과 관련이 있습니다.

  • 소형 NA의 장점
    • NA가 작을수록 DOF가 증가하여 작업 안정성이 개선됩니다.
    • EUV의 13.5nm 파장은 높은 해상도를 제공하므로, NA를 크게 늘리지 않고도 미세 공정이 가능합니다.
  • 결과:
    • 공정 복잡성을 낮추고 안정적인 작업 환경을 유지합니다.

5. $𝑘1$ 팩터

$𝑘1$ 팩터는 해상도를 결정짓는 변수로, EUV 기술에서는 13.5nm 파장을 통해 더 높은 작업 효율을 제공합니다.

  • 𝑘1 공식: $R = k_1 \frac{\lambda}{NA}$
    • 13.5nm의 짧은 파장 덕분에 상대적으로 높은 𝑘1 팩터를 유지하면서도 고해상도 패턴 구현이 가능합니다.
  • 큰 작업 𝑘1 팩터의 장점:
    • 공정 유연성 향상
    • 설계 복잡성을 줄여 결함률을 낮춤
K1상수의 의미 (1)

6. 생산성(Throughput)

EUV 공정의 생산성은 13.5nm 파장이 가진 특성에 의해 영향을 받습니다. 짧은 파장을 사용하면 단일 노광(single exposure)으로 복잡한 패턴을 형성할 수 있어 생산성이 크게 향상됩니다.

  • EUV와 생산성
    • 13.5nm 파장은 멀티 패터닝을 대체할 수 있어 공정 단계를 줄입니다.
    • 광원 출력이 지속적으로 개선되면서 EUV 공정의 웨이퍼 처리 속도가 증가하고 있습니다.
  • 효과:
    • 생산성 향상은 비용 절감과 함께 반도체 제조 효율성을 극대화합니다.

7. 안전성과 13.5nm 파장

13.5nm 파장을 사용하는 EUV 공정은 고출력 광원과 고진공 환경이 요구되므로, 안전성 관리가 중요합니다.

  • EUV 안전 관리:
    • 고에너지 광원을 다루기 위한 전문 장비와 보호 시스템이 필요합니다.
    • 작업 환경에서 높은 수준의 안전 절차를 준수해야 합니다.
  • 결과:
    • 안전한 환경을 유지함으로써 EUV 공정의 지속 가능한 운영이 가능해집니다.

결론

13.5nm의 EUV 파장은 반도체 공정에서 Resist 흡수, 해상도, DOF, NA, 𝑘1 팩터, 생산성, 안전성 등 모든 핵심 요소를 혁신적으로 향상시켰습니다. 이 기술은 차세대 반도체 제조에 있어서 중요한 역할을 할 것입니다.