극자외선(EUV) 리소그래피는 첨단 반도체 제조에서 중요한 기술입니다. 13.5nm 파장의 EUV 빛을 생성하기 위해 플라즈마 기반 소스를 사용하며, 이는 제논(Xe) 또는 주석(Sn)을 이온화하여 원하는 방사를 방출하게 합니다. 본 글에서는 EUV 생성에 사용되는 플라즈마 형성 과정과 그 원리를 알아보겠습니다.
1. EUV 플라즈마란? 왜 13.5nm가 중요한가?
EUV 빛은 10~20nm의 매우 짧은 파장을 가지는 극자외선 스펙트럼에 속합니다. 13.5nm 파장은 높은 해상도로 미세한 패턴을 형성할 수 있어, 현대 반도체 설계에 필수적입니다.
이 파장을 생성하려면 대부분의 물질이 이 빛을 흡수하는 특성 때문에, 기존의 광학적 방법으로는 해결할 수 없습니다.
*실제로 13.5nm의 플라즈마를 대기중에서 생성하는 경우에는 빛이 공기중에 흡수되어 채 1mm도 날아가지 못하게 됩니다. 이로 인해 EUV 광원을 사용하는 장비는 전부다 공기를 차단한 진공 챔버로 만들어 졌습니다.
2. 플라즈마를 이용한 EUV 방사선 생성
1. 플라즈마란 무엇인가?
플라즈마는 원자에서 전자가 떨어져 나가 자유 전자와 이온이 혼합된 상태로, 흔히 물질의 네 번째 상태라고 불립니다.
제논이나 주석과 같은 물질을 사용할 경우, 플라즈마는 극한의 고온을 통해 원자가 이온화되면서 생성됩니다.
2. 제논 기반 플라즈마의 EUV 빛 생성
제논(Xe)은 높은 원자번호를 가진 불활성 기체로, 13.5nm 파장을 생성하는 데 적합합니다. 제논이 Xe⁺¹⁰ 상태(전자 10개가 제거된 상태)로 이온화되면, 약 229 eV의 에너지를 필요로 하며 이 과정에서 빛이 생성됩니다.
이 때 생성된 빛이 13.5nm의 파장을 갖고 있어 이 빛을 사용하여 반도체 분야에 응용합니다.
https://www.energetiq.com/euv-z-pinch-electrodeless-light-source-products-energetiq
3. Z-핀치 플라즈마의 역할
1. Z-핀치 플라즈마란?
Z-핀치 기법은 강력한 전류를 통해 플라즈마를 생성하는 방법입니다. 이 방식에서
- 가스(예: 제논)를 통해 고전류를 흘리면 자기장에 의해 압축됩니다.
- 압축된 가스는 극한의 온도로 가열되어 플라즈마가 형성됩니다.
2. Z-핀치 플라즈마의 특성
- 온도 민감도: Z-핀치 플라즈마의 전자 온도는 일반적으로 40 eV 수준이지만, 작은 온도 변화가 EUV 출력에 큰 영향을 미칩니다.
- 높은 효율성: Z-핀치는 제논을 Xe⁺¹⁰과 같은 고전하 상태로 효율적으로 이온화하여 13.5nm EUV 생성에 적합합니다.
4. EUV 플라즈마 형성의 어려
1. 온도 제어의 정밀성
- 플라즈마 온도 민감성: EUV를 생성하는 플라즈마는 매우 높은 온도(수십 eV 수준)에서 형성됩니다. 플라즈마 내 전자 온도가 약간만 변화해도 EUV 방출 효율에 큰 영향을 미칩니다.
- 효율 감소 문제: 플라즈마의 온도가 지나치게 낮으면 이온화가 충분히 이루어지지 않아 EUV 출력이 감소하며, 온도가 지나치게 높으면 방사선이 다른 파장으로 이동할 가능성이 있습니다.
2. 플라즈마 불안정성
- 플라즈마는 고온과 고밀도의 상태로 유지되어야 하지만, 본질적으로 불안정한 성질을 가집니다.
- 플라즈마의 자기장이 균일하지 않을 경우, Z-핀치나 레이저 기반 플라즈마는 압축이 불완전해져 원하는 결과를 얻기 어렵습니다.
3. 소스 물질 손실 및 오염
- 소스 물질의 증발: 제논(Xe)이나 주석(Sn) 같은 물질은 플라즈마 과정에서 증발하거나 분산되어 물질의 소모가 큽니다.
- 오염 문제: 생성된 플라즈마에서 방출된 잔여 물질이 시스템 내부를 오염시켜 장비 성능을 저하시킬 수 있습니다.
4. 에너지 소비
- EUV 플라즈마를 생성하고 유지하기 위해선 엄청난 양의 에너지가 필요합니다.
- 고전류를 사용하는 Z-핀치 방식이나 고출력 레이저를 사용하는 방식 모두 전력 소비가 커서 비용 효율성에 문제가 발생합니다.
5. 발생 효율
- 플라즈마에서 생성된 EUV 방사의 대부분이 모든 방향으로 방출됩니다. 이로 인해, 필요한 EUV를 광학 장치로 수집하여 사용하는 과정에서 상당한 손실이 발생합니다.
- 빛의 수집 효율성을 높이기 위해 복잡한 반사 거울(멀티레이어 미러)을 사용하는데, 이 역시 비용과 기술적 난이도를 증가시킵니다.
6. 장비 유지보수와 내구성
고출력 레이저, 고전류 전극, 반사 거울 등의 장비는 일정 주기로 교체하거나 유지보수해야 하며, 이는 생산성을 저하시키고 비용을 증가시킵니다.
EUV 플라즈마 생성 과정에서 고온과 고에너지 상태가 반복되므로, 장비(소스 챔버)의 열화가 빠르게 진행됩니다.
5. 실용적인 응용 및 미래 전망
1. 반도체 리소그래피
EUV 리소그래피는 5nm 이하의 공정을 가능하게 하여, 더 많은 트랜지스터를 칩에 집적하여 성능을 향상시킵니다.
2. 플라즈마 제어 기술의 발전
현재 연구는 플라즈마 안정성과 효율성을 높이기 위해 집중하고 있습니다:
- 더 높은 EUV 출력을 위한 주석(Sn)과 같은 대체 물질의 사용.
- 자기장 제어를 활용한 개선된 Z-핀치 기술.
6. 결론
13.5nm EUV 빛을 생성하는 제논 기반 플라즈마는 현대 반도체 기술의 핵심입니다. Z-핀치 플라즈마와 온도 및 이온화 상태의 정밀 제어를 통해 차세대 칩 설계에 필요한 고강도 EUV 방사가 가능해졌습니다. 플라즈마 안정화와 에너지 효율성 문제는 여전히 과제로 남아 있지만, 지속적인 발전을 통해 이 기술은 더욱 정교해질 전망입니다.