원래는 반도체 바닥에서 느낀 한국이 헬조선인 이유 아니면 무조건적인 삼성 찬가가 위험한 이유 뭐 이런 글을 쓰고 싶었는데, 글도 너무 헤비하고 쓰기도 힘들고 해서 관두려다가 요즘 일본 사태 때문에 전국민적으로 포토 레지스트니 EUV니 하는 용어가 익숙해 진데다가 pgr에도 EUV에 관심 있는 분들도 좀 있는 거 같아서 EUV 장비에 관한 얘기나 좀 해 볼까 합니다.

사실 저는 반도체 장비 쪽 엔지니어고 공정 쪽이 아니기 때문에 자세한 건 몰라요. 그래도 줏어들은 풍월도 있고 전문 공정 엔지니어가 아니기 때문에 개념적으로는 더 단순히 설명할 수도 있을 것 같아서 간단히 얘기 해 보려 합니다.

EUV를 이해 하려면 먼저 반도체 공정과 포토 장비를 대략적으로 이해 해야 합니다.

반도체라는게 아주 단순화 하면 웨이퍼라는 실리콘 판위에 회로를 까는 건데요. 여기에 회로를 깔려면 먼저 회로 패턴을 그려야 겠죠. 이 회로 패턴을 그리기 위해 포토 장비가 사용 됩니다. 포토 장비라는 건 말하자면 아주 거대하고 정밀한 사진기에요.  웨이퍼 위에 회로 패턴을 사진으로 찍는 거죠. 이 패턴은 웨이퍼 위에 직접적으로 그릴 수가 없기 때문에 웨이퍼 위에 인화액을 도포하고 그 인화액에 사진을 찍은 다음 현상을 하는 겁니다. 실제 사진 원리와 똑같은데 이러면 빛을 쏘인 부분은 녹아 없어지고 나머지 부분은 남게 됩니다. 이런식으로 웨이퍼 위에 패턴을 그리게 됩니다.

여기서 웨이퍼 위에 도포하는 인화액이 지금 이슈가 되는 포토 레지스트(Photo resist)라는 거죠. 포토 장비 앞에는 트랙이라는 장비가 달려 있는데 일본 T사가 거의 독점하고 있죠. 트랙에 웨이퍼가 들어가게 되면 포토레지스트를 도포(Coating)하고 포토 장비가 그 웨이퍼를 받아서 말 그대로 사진을 찍습니다.  웨이퍼는 다시 트랙 장비로 전달 되어 현상(Develop)하게 됩니다. 옛날 사진관에서 필름 사진 인화 하는 거랑 똑 같은 프로세스죠.

이 상태에서 패턴은 웨이퍼에 그려진게 아니라 웨이퍼 위에 코팅 된 포토 레지스트에 그려져 있습니다. 여기서 그 다음 공정인 Etch(식각) 장비로 웨이퍼가 이동하게 됩니다. etching 공정은 포토 레지스트에 그려진 패턴(정확히는 구멍나 있는 틈)을 깎아 내는거죠. 그러면 실제로 웨이퍼에 포토 공정에서 그려진 패턴대로 홈이 파이게 됩니다.

여기서 다음은 CVD나 PVD 장비들이 파여진 홈에 필요한 물질들을 채워 넣어 화학적이나 물리적으로 증착(deposition) 합니다. 그 다음은 포토 레지스트를 벗겨 내고 또 증착(deposition)하거나 thermal 장비가서 웨이퍼를 가열해서 결합을 강하게 한다던지 합니다. 그리고는 CMP라는 하이테크 맷돌로 우둘 두룰하게 증착된 웨이퍼 표면을 평평하게 갈아내죠.

반도체 공정은 기본적으로 위의 과정을 수없이 반복하면서 회로를 채워 넣는 거라고 생각하시면 됩니다. 이러한 기본적 과정은 Display (LCD, OLED)나 태양광 패널이나 기본적으로 대동 소이 합니다. 단 공정 난이도는 반도체가 가장 어렵습니다. 많이들 들어보셨겠지만 요즘 반도체 공정 선폭이 14나노니 7나노니 하는데 비해 디스플레이는 마이크로 단위입니다. 대충 1000배 차이죠. 태양광은 더 쉽구요.

이러한 반도체 공정 중에 가장 어렵고 중요한 공정이 바로 포토(Photo) 공정입니다. 웨이퍼에 패턴 자체를 새기지 못하면 아무것도 안 되니까요. 사진 찍는게 뭐 별거냐 하실 수도 있는데 나노 단위 정확도로 그것도 아주 빠른 속도로 찍으려면 일반적인 사진기에서는 상상 할 수도 없는 별의 별 문제가 다 있답니다.

아무튼 이 포토 장비라는 걸 좀 더 들여다 보면 핵심은 Metrology(계측 및 측정) 및 Stage(웨이퍼 받침대), Optics(렌즈 등 광학 장비), Laser source(레이저 출력) 이라고 볼 수 있습니다. Optics(광학) 장비는 사진기라니까 당연한 건데 나머지는 어떤 것들이냐 하면.....

Metro는 이 웨이퍼라는 놈에 사진을 아주 정확한 위치에 나노 단위로 찍으려면 그 위치를 실시간으로 정확히 측정하고 제어하기 위한 센서나 각종 기기다라고 이해 하심 됩니다.

Stage는 웨이퍼 받침대라고 하니고 좀 뽄대가 없긴 한데 말 그대로 웨이퍼 받침대가 맞습니다. 그런데 이게 왜 중요 하냐면 웨이퍼에 사진을 한방에 쾅 찍는게 아니라 여러번 찍는 거라 그렇습니다. 대충 웨이퍼 하나에 40-60번 정도 사진을 찍습니다. 그리고 한 샷을 찍을 때도 일반 사진기 처럼 한번에 찍는게 아니라 스캐닝(Scanning)이라고 얇은 slit을 쭉 훑어가며 찍습니다. 이렇게 복잡하게 움직여 가며 찍는데 거대한 렌즈를 움직일 수는 없고 대신 피사체인 웨이퍼를 움직입니다. 그것도 나노 단위 정확도로 엄청나게 빠른 속도로요. 보통 x,y 축만 제어하면 될 것 같지만 초첨(focus)를 맞춰야 하기 때문에 z축도 움직여야 합니다. 사실 나노 단위로 가면 약간의 비틀림도 엄청난 영향을 미치기 때문에 회전(rotation)도 다 제어 해야 합니다. 사실을 x, y, z, rx, ry, rz 실시간 6축 제어죠. 자 이제는 왜 Stage가 포토에서 중요한 부분인지 어느 정도는 감이 오시리라 생각합니다.

아까 포토 장비는 일반적인 사진기 레벨에서는 상상도 할 수 없는 여러가지 어려움이 있다고 했는데 여기서 한가지 예를 들어 보겠습니다. 레이저로 계속 빛을 쬐다 보면 광학 장비의 렌즈들이 열팽창을 합니다. 여기에 대해서 렌즈쪽에서도 실시간 보정에 들어감은 물론 focus를 맞추기 위해 stage의 z축도 계속 제어 됩니다. 또 나노 단위 정확도에서는 stage 표면의 미묘한 굴국, stage상의 particle(아주 작은 알갱이) 모든 것이 사진 품질에 영향을 미칩니다. 뭐 온갖 방법으로 이러한 오차를 다 보정합니다.

마지막으로 laser가 남았는데 일반 사진기나 우리눈은 사진을 찍기 위해 가시광선이라는 전자기파 영역을 이용합니다. 문제는 이 가시광선의 파장대가 아무리 짧아도 450나노라는 거죠. 찍어야 하는 사진의 해상도가 14나노 7나노인데 빛이 450나노이면 당연히 그러한 해상도를 달성할 수가 없습니다. 따라서 더 가시광선 중 가장 파장이 짧은 보라(자색) 보다 짧은 파장의 빛 즉 자외선(Ultra violet) 이 필요하며 그 중에서도 파장이 아주 짧은 축에 속하는 DUV(Deep Ultraviolet)가 현재 주로 사용 되고 있습니다. 당연히 이러한 빛은 자연적으로 발생이 안 되기 때문에 레이저를 사용하는 거죠. 그래서 뭐 레이저 쓰면 되는 거지 그게 뭐 별건가? 문제는 이런 인공적인 빛을 충분한 파워로 만들어 내기가 쉽지 않다고 합니다. 처음 DUV 레이저를 개발 할 때도 어려운 점이 많았다고 들었습니다. 그리고 현재 EUV 장비의 실용화의 가장 문제가 되는 부분도 바로 이 레이저 파워입니다. 참고로 초창기 EUV 장비는 레이저 출력이 약해서 웨이퍼 한장 찍는데 40분씩 걸렸다는 카더라가 있습니다.

그럼 이제 포토 장비에 대해 대충 알아 보았고 EUV란 무엇인가로 들어가기 전에 잠깐 immersion(이머젼)이 무엇인가에 대해 잠깐 소개 할까 합니다. 이머젼 기술은 현재 포토 장비의 대세로 대략 한 12-13년 전 부터 도입되었습니다. 원래는 EUV 이전에 잠시 사용 될 기술이었지만 EUV 도입이 늦어지면서 굉장히 오랜 시간 주력 기술이 되었죠. immersion이란 대략 젖어 있다, 물에 담겨져 있다란 뜻입니다. 원래 수식을 잘 알지도 못하고 쓰고 싶지도 않았지만 딱 하나만 쓰자면 NA(Numeric Aperture)라는 값이 있습니다. 이게 뭔지는 모르셔도 되는데 해상도를 높이려면 이 값이 높을 수록 좋다는 것만 아시면 됩니다. 사실 저도 광학 전공도 아니고 디테일은 잘 모릅니다.

https://en.wikipedia.org/wiki/Numerical_aperture

이 NA 값이라는게 대강 굴절률과 촛점에서의 빛의 입사각에 비례하는데 원래는 이 NA를 키우기 위해 입사각을 키우다 보니 렌즈 직경이 자꾸 커집니다. 그러다가 어느 순간 이것도 한계에 달하게 되고..... 일종의 꼼수를 찾아내게 되는데.... 그 꼼수란 바로 굴절률을 키우는 것이었죠. 공기의 굴절률이 1인데 비해 물의 굴절률이 약 1.33입니다. 따라서 렌즈와 웨이퍼 사이에 물을 채우면 되겠다라는 결론을 도출하고 이게 바로 immersion 머신이 되죠.

렌즈를 방수처리하고 물에 담그면 좋겠지만 그건 불가능하므로 렌즈와 웨이퍼 사이에 고압으로 물을 흘려서 수막을 형성하게 됩니다. 이게 말이 간단하지 아까 말한대로 웨이퍼 스테이지가 고속으로 움직이는 가운데 그 사이에 고압으로 물을 흘려 보내면서 기포를 발생시키지 않아야 하는데 이것도 간단한 기술은 아닙니다.

뭐 아무튼 이제 본론인 EUV 장비 얘기로 들어가자면.....

무어의 법칙(Moore's law)이라고 반도체 공정의 집적도가 대략 2년마다 2배로 증가한다는 법칙이 있습니다. 사실 이 법칙을 알고 있을 수록 아재일 가능성이 높습니다. 왜냐하면 이 법칙이 깨진지가 이미 몇 년 되어서 요즘 들어보기 힘든 말이거든요. 그 이전 2-30년간 잘 맞아 왔어서 꽤나 절대적인 법칙이었습니다. 심지어 한 6,7 년 전엔가는 황의 법칙이라고 있었죠. 현재 KT 황창규 회장이 삼전 사장님이던 시절 우리는 무어의 법칙이 아니라 1년마다 집적도를 2배로 올린다고 해서 황의 법칙이라고 거창하게 발표를 합니다. 이게 한 2, 3년 갔을거고 당시 연말마다 삼전에서 황의 법칙 달성 기념회를 했습니다. 당시 커스터머 분께서 그놈의 황의 법칙 땜에 아랫 사람들만 죽어난다고 짜증 내던 기억이 새록새록 하군요...^^

아무튼 이 무어의 법칙, 황의 법칙이 다 깨진 이유는 바로 EUV 장비가 안 나와서 그렇습니다. DUV laser의 파장이 대략 193 나노인데 아시다시피 지금 비 EUV 장비로 14나노도 그리고 아마 7나노도 찍습니다. 193나노 파장인 DUV로는 한계가 온지 옛날이죠. EUV는 Extreme UV 즉 13.5 나노 파장을 가진 빛 입니다.

그런데 여기서 EUV 가기 전에 하나 더 할 얘기가 있네요. 바로 double patterning(더블 패터닝) 혹은 multilple patterning(멀티플 패터닝) 이라는 기술입니다. EUV도 안 나오고 무어의 법칙도 깨졌지만 그래도 꾸준히 반도체 집적도는 증가 했습니다. 그것을 가능하게 해 준 것이 바로 더블 패터닝이라는 기술입니다. 이게 뭐냐면 그냥 한 번 찍을 걸 두 번에 나눠서 찍는다는 이야기입니다.  고해상도 패턴을 한 번에 그릴 수가 없어서 두번에 나누어 찍는다는 얘기죠. 처음엔 더블 패터닝으로 시작했는데 점점 해상도가 높아지다 보니 두 번 찍기로는 안 되어서 triple(3번), quadruple(4번), hexadrouple(6번) 패터닝까지 나온 걸로 알고 있습니다.  그래서 이름도 멀티플 패터닝으로 바뀌었죠.

그런데 생각을 해 보면 이게 별로 좋은게 아니란 걸 알 수 있습니다. 한 번 찍으면 될 걸 여러 번 해야 할 뿐더러 처음 반도체 공정에서 얘기한 대로 포토 찍으면 끝이 아니거든요. 패턴 한 번 할 때 마다 etching, depo.... 등등등 후속 공정까지 추가로 해야 합니다. 따라서 공정수가 엄청나게 늘어나죠. 반도체 제조사 입장에서는 웨이퍼 한 장 뽑는데 더 오랜 시간과 더 많은 장비가 필요합니다.

그래서 이 모든 문제를 한 방에 해결해 주고, 명맥이 끊긴 고대의 밀약(?)인 무어의 법칙을 되 살려 준다는 최종 병기가 바로...... EUV 되겠습니다.

참 EUV 얘기 한다면서 서론이 엄청나게 길었네요.

그런데 EUV가 나오는데 왜 이렇게 시간이 오래 걸렸을까요? 그것은 light source 즉, 레이저 발생기를 제외하면 기존의 것을 개량하면 되었던 기존 포토 장비에 비해 EUV는 장비는 거의 모든 것을 새로 만들어야 했기 때문입니다. 이렇게 된 가장 큰 이유는 EUV light가 공기중에서 전달이 안 되는 고로 EUV 장비가 진공 장비가 되어야 했던 데 있습니다. 누누이 얘기했다 시피 해상도가 높을 수록 파장이 짧은 빛이 필요한데요. 파장이 짧다는 것은 진동수가 높다는 얘기고 진동수가 높다는 것은 그 진동수를 유지하기 위한 에너지가 그만큼 크다는 얘기죠. 혹시 고등학교 때 스프링 줄 같은 걸로 파동 만들기 해 보신 분들은 다 아실텐데요. 진동수 높은 파장 만들려면 팔을 엄청 빨리 흔들어야 되고 그만큼 힘들죠. EUV가 파장이 워낙 짧다보니 고 에너지고 공기중에서 저항을 받으면 그 에너지 상태가 잘 유지가 안 되는 것 같습니다.

그러다 보니 거의 모든 걸 새로 만들어야 되는데 예를 들자면 스테이지만 해도 공기압으로 띄우는데 이것도 안되고 포토 마스크(레티클)도 진공으로 잡았는데 이것도 안 되고 뭐 그렇습니다. 웨이퍼 운송 로봇도 진공으로 웨이퍼를 잡을 수 없구요. 스테이지에 웨이퍼 고정 시키는 것도 문제. 여기에 더 큰 문제가 있는데 EUV가 너무 약해서 심지어 렌즈를 투과 하지 못 한다는 거죠. 그래서 기존의 광학 파트도 전량 폐기. 렌즈가 전부 미러(거울)로 대체 됩니다. 그리고 거대한 장비를 통채로 진공 챔버로 만드는 것 자체도 큰 문제죠.

이렇게 기술적 난관이 지대하다 보니 개발이 오래 걸렸습니다. 그런데 웃기는 것은 사실 이런 문제들은 대부분 최소 6,7년 전쯤 프로토 타입 나오고 대충 큰 틀에서는 해결이 되었습니다. 그래서 사실 상용화는 지금 보다는 빠를 줄 알았죠. 그럼 지난 5년간 EUV가 상용화 되지 못한 이유는 뭘까요? 그건 바로 EUV 레이저 파워 문제였습니다. 이 파워가 충분하지 못 했어요.

EUV가 light source에서 만들어지고 최종적으로 웨이퍼에 도달하는데 중간에 미러(거울)을 대략 11개 이상 거칠 겁니다. 아까 EUV는 공기도 못 투과하고 렌즈도 못 투과 할 정도로 약하다고 말씀 드렸는데 미러에서 반사 될 때마다 정확하진 않은데 아마 한 10% 씩 에너지 손실이 일어납니다. 그럼 0.9의 11승 하면 대략 처음 에너지의 30% 정도만이 최종적으로 웨이퍼에 도달합니다. 따라서 레이저 발생기는 원래 필요한 것보다 3, 4배 강한 파워의 레이저를 만들어야 합니다.

그런데다 EUV 레이저 장치를 처음 만들어 보다 보니 문제도 많았고 이게 원래는 미국의 C사에서 만들었는데 하도 진도가 안나가다보니 EUV 장비 만드는 회사가 그냥 인수해서 직접 개발하고 있습니다. 아까 얘기한데로 초창기 장비는 웨이퍼 한 장 찍는데 40분 걸렸다는 카더라도 다 이런데서 나온거죠. 다행히 최근 laser power가 어느정도 업글되어 쓸만 해 진 듯 합니다.

사실 아까 얘기한대로 지금 공정이 쿼드러플, 헥사드러플 패터닝 뭐 이렇기 때문에 사실 EUV 장비는 throughput(단위 시간당 생산량?)이 기존 장비의 1/4, 1/6만 나와도 이익입니다. 공정수도 훨씬 줄어들고 다른 장비들을 안 사도 되니까요.

지금 벌써 공정이 5나노 3나노 이야기 나오는데 그 이후 공정들은 EUV 가지고 다시 멀티 패터닝 해야 하는 걸로 알고 있습니다.

참고로 반도체 장비 가격이 대략 대당 30-40억, EUV는 한 천오백억에서 이천억, 추후 나오는 장비는 더 비싸 질겁니다. 이머전 장비도 제가 알기론 이미 옛날에 천억이 넘은 걸로 압니다. F-35 전투기 저리가라 하는 가격이죠.

원래 다른 글에서 하려던 얘긴데 삼성이 10조 들여 팹지어서 국가 경제에 엄청 이바지하네 이러는데 사실 그 중에 외국으로 안 빠지고 한국에 남는 돈이 얼마나 될 지 한 번 생각해 볼 문제입니다. 라인 하나당 포토만 한 50대 들어가고(물론 전부 EUV이거나 최신 기종은 아닙니다) 기타 장비는 대부분 미국이나 일본제로 깔리죠.

그냥 지금까지 사는데 별 도움은 안 되지만 관심있는 분들께는 좀 재밌을까 싶어 써 본 EUV 장비 얘기였습니다. 이렇게 글이 길어 질 줄 몰랐네요...^^

아, 참고로 큰틀에서는 아마 대충 이야기가 맞을텐데 디테일은 좀 다를 수도 있습니다. 말씀드렸다시피 저는 공정 쪽이 아니라서. 틀린 부분 지적도 환영합니다.