장비: Scanner의 구조

Scanner가 하는 세 가지 일

3장(코팅·베이크·현상과 Track)에서 웨이퍼가 HMDS 처리와 코팅, Soft bake를 거쳐 노광을 기다리는 데까지 따라갔다. 노광 단계에서 웨이퍼가 들어가는 기계가 Scanner다. ZEISS는 DUV Scanner를 '거꾸로 놓은 슬라이드 영사기'에 빗대어, Reticle의 그림을 4분의 1로 줄여 웨이퍼에 비춘다고 설명한다. 영사기와 다른 점은 그림을 한 번에 비추지 않는다는 것이다. 좁은 띠 모양의 빛 아래로 Reticle과 웨이퍼를 서로 반대 방향으로 맞춰 움직이며 그림을 조금씩 옮긴다. 이렇게 한 번 찍을 때마다 웨이퍼를 옆 자리로 옮겨 같은 그림을 백 군데 가까이 되풀이한다.

기계 안의 일을 나누면 세 가지다. 첫째, 알맞은 양의 빛을 고르게 준다. 광원은 빛을 만들고 조명계는 Reticle을 비추는 각도와 분포를 정한다. 둘째, 선명한 상을 맺는다. Reticle을 지난 빛은 투영 렌즈를 지나 웨이퍼 위에 줄어든 상으로 모인다. 셋째, 그 상을 정확한 자리에 놓는다. Reticle stage와 Wafer stage가 노광 중 움직임을 맞추고, 센서가 웨이퍼의 위치(x·y)와 높이(z)를 재서 제어에 쓴다. 빛의 양이 맞아도 높이가 초점 범위를 벗어나거나 아래층과 자리가 어긋나면 원하는 패턴을 얻을 수 없다. 이 셋은 그대로 포토의 세 질문으로 이어진다. 빛의 양과 상의 선명도는 CD를, 높이는 Focus를 거쳐 다시 CD와 형상을, x·y 자리는 Overlay를 정한다(1장). Nikon은 렌즈의 해상도, 정렬 정확도, 처리량을 노광 장비의 세 핵심 기술로 꼽고, 칩 하나를 만드는 동안 마스크를 수십 번 바꿔 가며 층을 쌓는다고 적는다.

빛과 웨이퍼의 길을 따라가 보자. 엑시머 레이저는 장비 본체 밖에 따로 서 있고, 그 빛이 조명계로 들어간다. 조명계는 빛의 각도 분포(동공 모양)와 세기 분포를 다듬고, 좁은 Slit 모양으로 Reticle을 비춘다. Reticle은 Reticle stage에 실려 움직이고, 그 아래 투영 렌즈가 상을 4분의 1로 줄인다. ArF 액침 장비에서는 렌즈 마지막 면과 웨이퍼 사이에 물이 한 겹 있다. 웨이퍼는 Wafer table(Chuck)에 진공으로 붙어 있고, Wafer table은 Wafer stage에 실려 움직인다. ASML의 TWINSCAN은 Wafer table이 둘이라서, 한 Table의 웨이퍼를 노광하는 동안 다른 Table에서 다음 웨이퍼를 싣고 정렬하고 높이 지도를 잰다. 그래서 장비 안에는 노광 쪽과 측정 쪽이라는 두 자리가 있고, Alignment 센서와 Level 센서는 측정 쪽에 있다. 아래 그림에서 부품을 하나씩 눌러 보자.

근거: 레이저 원리와 파장, LNM, 협대역화와 Focus, 조명계와 FlexRay, Slit 주사, 투영 렌즈의 크기와 조절기, 액침 Hood, Wafer table, 위치 측정, 두 Table, Alignment 센서, Level 센서. 고장 증상과 확인 데이터는 각 절에서 근거와 함께 다시 다룬다.

이 장은 광학과 공정의 원리를 다시 풀지 않는다. 회절과 NA, 조명 모양이 해상도를 정하는 이유는 4장(회절과 해상도), Dose와 Focus가 공정 윈도를 정하는 이유는 5장(Dose·Focus와 공정 윈도), Reticle과 Pellicle은 6장(Reticle과 OPC)에서 다룬다. EUV 장비는 8장(EUV와 High-NA), Overlay 모델과 보정은 9장(Overlay와 멀티 패터닝)의 몫이다. 여기서는 그 원리를 날마다 웨이퍼 수백 장에 똑같이 되풀이하게 만드는 부품을 본다.

Stepper와 Scanner: Field를 Slit으로 훑는다

노광 장비는 Reticle의 그림을 웨이퍼로 옮기는 방식에 따라 둘로 나뉜다. ASML의 특허는 두 방식을 이렇게 정의한다. Stepper(Wafer stepper, Step-and-repeat)는 웨이퍼의 한 구역에 마스크 그림 전체를 한 번에 비추어 노광한다. Step-and-scan(Scanner)은 빛 아래에서 마스크 그림을 한 방향으로 조금씩 훑으면서, 웨이퍼 Table을 그 방향과 나란히 또는 반대로 맞춰 움직인다. 투영계의 배율이 M(보통 1보다 작다)이면 웨이퍼 Table은 마스크 Table 속도의 M배로 움직인다. Stepper에서는 마스크 Table이 고정되어 있거나 짧게만 움직인다. 같은 특허는 Table을 크게 움직이는 Long-stroke 모듈과 미세하게 맞추는 Short-stroke 모듈로 나누어 설명한다.

ASML은 이 움직임을 쉬운 말로 풀어 쓴다. 그림을 한 번 찍을 때마다 Reticle은 좁은 Slit(띠 모양의 노광 영역) 모양의 빛을 지나가며 그림의 일부씩만 노광하고, 그동안 웨이퍼는 반대 방향으로 움직인다. Reticle의 그림이 더 크므로 Reticle은 더 멀리, 더 빠르게 움직여야 한다. 투영 렌즈가 그림을 4분의 1로 줄이므로, 웨이퍼가 1 mm 움직이는 동안 Reticle은 4 mm 움직인다. 웨이퍼 위 Field의 최대 크기는 26 mm × 33 mm다. ASML의 NXT:2050i, Nikon의 NSR-S636E, Canon의 KrF Scanner FPA-6300ES6a가 모두 4배 축소와 26 × 33 mm Field를 적는다. 계산하면 Reticle 위에서는 104 mm × 132 mm이고, 6인치(약 152 mm) Reticle에 들어간다.

모든 장비가 4배를 쓰지는 않는다. Nikon의 i-line Stepper NSR-2205iL1은 1:5 축소에 22 mm × 22 mm Field를 적고, ASML의 i-line 장비 XT:260은 2배 축소 렌즈로 한 번에 더 넓은 면적을 노광한다. 같은 26 × 33 mm Field라도 i-line Stepper(Nikon NSR-SF155, Canon FPA-5550iZ2)는 Field 전체를 한 번에 비추고, KrF·ArF Scanner는 Slit으로 훑는다.

여기서 세 낱말을 구분해 두자. Die(칩 하나가 되는 단위)는 웨이퍼를 잘랐을 때 칩 하나가 되는 구역이다. Exposure field(Shot)는 한 번의 노광으로 찍는 구역이며 현장에서는 Shot이라고 부른다. ASML의 특허도 노광 대상 구역을 'Die를 하나 이상 포함하는 부분'으로, 웨이퍼를 '차례로 노광되는 이웃 구역들의 그물'로 적는다. 장비사 사양에서도 Shot은 Field를 뜻한다. Nikon은 300 mm 웨이퍼의 처리량을 96 Shot 기준으로 적는다. Scanner에서 Shot 하나는 레이저 펄스 하나가 아니다. Slit이 Field를 훑는 동안 펄스가 수십 번 들어온다(3절). 반복 결함을 읽을 때는 웨이퍼 좌표, Field 안 좌표, Die 안 좌표를 구분해야 한다. 웨이퍼 지도에서는 흩어져 보이는 결함도 Field 좌표로 겹치면 한 점에 모일 수 있다(10장).

동기 주사와 가속도. Reticle이 네 배 빠르게 달려야 하므로 Reticle stage는 Wafer stage보다 훨씬 세게 가속한다. ASML은 자기부상 Wafer table이 최대 7 g로, Reticle이 최대 150 m/s²(자동차가 0.1초 만에 시속 100 km에 이르는 가속)로 움직이며, 5 g와 15 g로 서로 반대 방향으로 가속하면서도 나노미터와 나노초 수준으로 맞춘다고 적는다. 2008년에 나온 NXT 플랫폼의 Stage는 최대 5 g라고 적었다. 다른 페이지는 Reticle stage가 16 g 가까이, Wafer stage가 7 g로 가속한다고 적는다. 페이지마다 숫자가 조금 다른 것은 세대가 다른 장비를 설명하기 때문으로 보인다. 계산하면 7 g는 약 69 m/s², 15 g는 약 147 m/s²다. 그사이 웨이퍼의 위치는 1초에 약 2만 번, 약 60 pm 정확도의 센서로 잰다고 한다. 50 µs마다 한 번씩 재는 셈이다(계산).

Slit 폭과 Scan 속도, Stage가 멈춰 자리 잡는 시간은 회사가 공개하지 않는다. 이 장의 자료 조사에서도 공개된 1차 자료를 찾지 못했다. 그래서 아래 애니메이션의 Slit 폭 6 mm, 펄스당 Dose, 정착 시간은 학습용 가정이다. 가속도의 한계만 ASML이 공개한 값(웨이퍼 5 g, Reticle 15 g)을 썼다.

근거: 반대 방향 동기 주사와 Slit, 4배 축소와 26 × 33 mm, 가속도 5 g·15 g, 레이저 반복률 6,000 Hz급.

모델이 보여 주는 관계를 식으로 적으면 이렇다. 펄스 하나가 웨이퍼에 주는 Dose를 \(H\), 반복률을 \(f\)라 하면 한 점은 Slit을 지나는 동안 \(N = f\,w/v\)개의 펄스를 받으므로 받는 Dose는 \(D = H\,f\,w/v\)다. 필요한 Dose \(D_0\)를 채우려면 \(v \le H f w / D_0\)여야 한다(원리에서 나온 식). 처리량이 Dose 조건과 함께 적히는 이유가 여기에 있다. ASML은 i-line 장비 XT:260의 처리량을 '340 mJ/cm²에서 시간당 270장 이상'처럼 Dose를 붙여 적는다. 거꾸로 Scan 속도만 올린다고 처리량이 계속 늘지도 않는다. 속도가 빠를수록 가속과 감속에 드는 시간이 길어지므로, 모델에서는 Field 하나의 시간이 0.85 m/s 근처에서 가장 짧고, 그보다 빠르게 훑으면 가속·감속 시간이 늘어 오히려 조금 길어진다(모델에서 계산).

동기가 조금만 어긋나도 상은 흐려지거나 비틀린다. Macronix의 특허는 Overlay 모델의 성분을 원인과 짝지으면서, Field 안의 비대칭 배율과 비대칭 회전이 Reticle stage와 Wafer stage의 상대 운동에서 나온다고 적고, Scanner 특유의 Field 오차로 Scan 배율과 Scan Skew를 든다. 거꾸로 이 동기를 일부러 조절해 오차를 지울 수도 있다. Die 안의 Overlay 지문에 맞춰 Scan 속도를 바꿔 Lot 사이와 웨이퍼 안의 변동을 함께 보정한 사례가 있다. ASML은 NXT:870B에서 빠르게 오가는 동안 Reticle이 미끄러질 수 있어 Reticle을 잡는 'Pusher'를 더했다고 적는다. 이런 Field 안 성분을 모델로 나누는 법은 9장(Overlay와 멀티 패터닝)에서 본다.

Shot map: 웨이퍼 위에 Field를 어떻게 깔까

웨이퍼는 둥글고 Field는 네모다. 그래서 Field를 깔아 놓으면 가장자리에서 일부가 웨이퍼 밖으로 나가거나, 가장자리의 쓸 수 없는 띠(Edge exclusion)에 걸려 온전하지 못한 Die가 생긴다. 같은 Die 크기라도 Field 격자를 어디에 두느냐에 따라 온전한 Die의 수와 찍어야 하는 Shot 수가 달라진다. 이 배치를 Shot map(웨이퍼 위 Field 배치도)이라고 부른다. Field 하나에 Die를 몇 개 넣을지는 Die 크기와 최대 Field(26 × 33 mm)가 정하고, 격자의 위치는 Shot map을 짜는 사람이 정한다. 아래에서 직접 짜 보자.

광원: 엑시머 레이저와 펄스로 세는 Dose

노광 장비의 이름에는 서로 다른 기준이 섞여 있다. i-line은 수은 램프에서 골라낸 365 nm 빛이고, KrF(248 nm)와 ArF(193 nm)는 그 빛을 내는 엑시머 레이저의 종류다. ASML은 파장의 사다리를 이렇게 정리한다. 수은 g-line(436 nm)으로 약 1 µm를 찍던 시절에서 i-line(365 nm)이 1 µm 아래로 내려갔고, KrF가 i-line의 280 nm를 150 nm로, ArF가 38 nm까지 끌어내렸으며, EUV는 13.5 nm를 쓴다. ASML의 DUV 장비군은 193 nm ArF 레이저, 248 nm KrF 레이저, 365 nm 수은 램프(i-line)를 모두 쓴다. 반면 Immersion은 광원의 이름이 아니다. 렌즈와 웨이퍼 사이에 물을 두는 광학 방식이므로, ArF Dry와 ArF Immersion은 같은 193 nm 레이저를 쓰고 영상 쪽 매질만 다르다(5절).

엑시머 레이저(Excimer laser)는 평소에는 결합하지 않는 기체 혼합물에 큰 에너지를 넣어 잠깐만 존재하는 들뜬 분자(Excimer)를 만들고, 그 분자가 빛을 내게 한다. 파장은 기체가 정한다. Kr과 F의 조합은 248 nm, Ar과 F는 193 nm다. 레이저는 연속광이 아니라 짧은 펄스를 1초에 수천 번 쏜다. 반도체용 엑시머 레이저를 만드는 대표 회사는 Cymer와 Gigaphoton이다. Cymer는 1986년 샌디에이고에서 세워져 2013년 ASML에 인수되었고, 지금은 ASML 그룹 안에서 따로 운영되며 ArF와 KrF 레이저를 만든다. Cymer 제품 페이지는 이 장의 자료 조사에서 열리지 않아, 아래 사양은 Gigaphoton의 공식 페이지에서 옮겼다.

협대역화: 렌즈 때문에 빛의 색을 좁힌다

왜 레이저의 대역폭이 중요할까? KrF·ArF용 투영 렌즈는 주로 용융 실리카 한 가지 유리로 만든다. 굴절률은 파장에 따라 조금씩 다르므로 한 가지 재료로는 색수차(Chromatic aberration, 파장에 따라 초점이 달라지는 현상)를 피할 수 없다. 그래서 광원의 빛이 아주 좁은 파장 범위에 있어야 하고, 오늘의 레이저는 대역폭이 1 pm보다 좁다. Kroyan 등은 색수차를 보정하지 않은 렌즈에서 파장이 바뀌면 상이 맺히는 면이 파장에 비례해 위아래로 움직인다고 정리했다. NA 0.42 렌즈에서 1 pm당 0.15 µm, 실제로 잰 KrF NA 0.6 렌즈에서 1 pm당 0.225 µm였고, 반치폭이 1.2 pm보다 넓어지면 노광 여유가 눈에 띄게 줄었다. 계산하면 NA 0.6 렌즈에서 1 pm 폭으로 퍼진 빛은 초점 위치가 225 nm 범위에 퍼진 상들을 겹쳐 놓은 것과 같다.

Mack은 이것을 초점 평균화(Focus averaging)라고 부른다. 대역폭과 색수차, Wafer stage의 위아래 진동, Scan하는 동안의 웨이퍼 기울기가 모두 상을 여러 초점 위치에서 평균하게 만든다. 2차 근사에서 평균한 상은 (평균 초점 오차)² + (초점의 분산)만큼 나빠진다. 그래서 레이저 안에는 빛을 나누어 원하는 대역폭으로 좁히는 협대역화 모듈(Line narrowing module, LNM)이 있고, ZEISS가 이 모듈과 DUV 열화를 견디는 Prism·Beam splitter·코팅을 공급한다고 적는다. Gigaphoton의 GT40A는 좁은 대역의 약한 빛(Master)을 증폭 공진기에 넣는 Injection-locking 구조로 좁은 대역폭과 큰 출력을 함께 얻고, 펄스의 최고 에너지를 낮춰 광학 부품 손상을 줄인다고 설명한다(회사 설명). 대역폭은 보통 반치폭(FWHM)이나 E95(전체 에너지의 95%가 들어가는 스펙트럼 폭)로 적는다.

표의 숫자는 회사가 '대표값'이나 '사양'으로 적은 것이다. 계산하면 펄스 에너지 × 반복률이 출력이 된다. GT40A는 11.25 mJ × 4,000 Hz = 45 W, G41K-1H는 10 mJ × 4,000 Hz = 40 W로 페이지의 출력과 맞는다. ASML의 장비 페이지도 어떤 레이저가 실리는지 적는다. KrF Scanner NXT:870은 40 W와 60 W의 '강하게 협대역화한' KrF 레이저를, ArF Dry 장비 XT:1460K는 45 W ArF 레이저를 기본으로 쓴다(회사 설명).

Dose는 펄스의 합이다

웨이퍼의 한 점이 받는 Dose는 그 점이 Slit 아래를 지나는 동안 들어온 펄스 에너지의 합이다. 웨이퍼가 속도 \(v\)로 폭 \(w\)인 Slit을 지나는 데 \(w/v\)초가 걸리고, 그동안 반복률 \(f\)의 레이저는 \(f\,w/v\)번 펄스를 쏜다. 펄스마다 에너지가 조금씩 다르고 서로 독립이라면, 평균을 낼수록 상대 요동은 펄스 수의 제곱근만큼 줄어든다(통계의 기본 성질, 원리에서 나온 식).

그래서 반복률이 높으면 같은 Scan 속도에서 더 많은 펄스로 평균할 수 있다. ASML은 NXT:2150i에 반복률이 더 높은 새 레이저를 넣어 패턴 전체의 빛 세기를 더 고르게 만들고 가장자리 거칠기를 줄였으며, 고르지 않은 조명은 국소 가장자리 변동을 통해 CDU를 해칠 수 있다고 적는다(회사 설명). Gigaphoton도 GT80A의 반복률을 12.5% 올리고 Speckle 대비를 36% 줄였다고 적는다(회사 설명). 예를 들어 GT80A의 6,750 Hz로 0.5 m/s Scan, Slit 6 mm라면 계산하면 한 점은 81개의 펄스를 받는다(Slit 폭과 속도는 학습용 가정). 아래에서 펄스 수와 Dose 균일도의 관계를 직접 보자.

근거: 반복률 사양, 높은 반복률과 균일도에 대한 회사 설명. 1/√N 관계와 줄무늬는 원리에서 계산한 결과다.

조명계와 투영 렌즈

조명계: Reticle을 어떤 각도로 비출 것인가

조명계(Illuminator)는 광원의 빛을 모아 Reticle에 비춘다. 이때 두 가지를 정한다. 하나는 빛이 Reticle에 들어오는 각도의 분포, 곧 동공(Pupil)에 맺힌 광원의 모양이고, 다른 하나는 Slit 안 세기의 고르기다. 각도가 왜 중요한지는 4장(회절과 해상도)에서 보았다. 빛을 비스듬히 넣는 사입사 조명은 회절을 조절해 작은 피치를 찍게 하고, 동공 모양은 단순한 점에서 복잡한 점 무늬까지 다양하다. 예전에는 동공 모양을 만드는 회절 광학 소자(DOE)를 조명계에 손으로 끼워 넣었다. ASML의 KrF·ArF Dry 장비는 Zoom 광학으로 일반 조명과 사입사 조명을 연속으로 바꾸는 AERIAL II 조명계를 쓰고 QUASAR XL을 선택 사양으로 둔다(회사 설명).

오늘의 액침 장비에는 FlexRay가 있다. ASML은 FlexRay가 하나씩 따로 움직이는 거울 4,000개의 배열로 어떤 동공 모양이든 바로 만든다고 적고, EUV에서는 같은 일을 FlexPupil이 한다고 적는다. ZEISS는 2009년부터 액침 장비에 FlexRay가 실렸고, 미세 거울이 사용자가 정한 조명을 기다리는 시간 없이 실시간으로 만든다고 설명한다(회사 설명). 조명 모양을 마음대로 바꿀 수 있게 되자 마스크 패턴과 조명을 함께 최적화하는 Source-Mask Optimization이 가능해졌다. ZEISS 연구진은 DOE 방식의 Aerial XP와 FlexRay가 동공을 만드는 방식은 달라도 같은 자유 형상 동공을 만들어 공정을 옮길 수 있다고 보고했고, imec과 ASML은 조명계를 Aerial에서 FlexRay로 바꾼 장비가 조정 없이도 같은 근접 효과를 보였으며, NA와 σ만으로 맞추지 못하던 장비 사이 Matching을 FlexRay 광원 조정으로 맞출 수 있었다고 보고했다.

조명계가 어긋나면. 동공 모양이 조금만 틀어져도 CD가 방향에 따라 달라진다. Mack의 계산에서 광원의 중심이 한쪽으로 0.1σ 밀리면(조명 텔레센트리시티 오차) 세로선의 CD가 가로선보다 훨씬 크게 바뀌어, 가로·세로 CD 차이(H-V bias)가 σ 0.4에서 최대 6.3 nm, σ 0.6에서 4 nm, σ 0.8에서 1.6 nm였다. Slit 안 세기가 고르지 않으면 같은 Dose를 준 줄 알았던 Field 안에서 CD가 위치마다 달라진다. 그래서 조명의 동공 측정값과 Field 안 CD 지도, 가로·세로 CD 차이가 조명계를 의심할 때 먼저 볼 데이터다.

투영 렌즈: 1 m가 넘는 유리 기둥

Reticle을 지난 빛은 투영 렌즈(Projection lens, Projection optics)가 4분의 1로 줄여 웨이퍼에 맺는다. ASML은 투영 렌즈를 수십 개의 부품으로 이루어진 큰 광학계라고 부르며, 해상도가 가장 높은 DUV 광학계는 높이 1.2 m, 무게 1톤을 넘고 NA는 1.35라고 적는다. 1980년대 말부터 ASML의 모든 노광 장비에는 ZEISS의 광학계가 들어갔다. ASML의 2025년 연차 보고서는 Carl Zeiss SMT가 렌즈, 거울, 조명계, Collector 같은 핵심 광학 부품의 유일한 공급사이고, ZEISS의 생산 능력이 ASML이 만들 수 있는 장비 수를 제한할 수 있다고 위험 요인에 적는다.

ZEISS의 역사 자료를 보면 렌즈가 어떻게 커졌는지 보인다. 1977년 S-Planar 10/0.28 렌즈(1 µm)가 첫 Wafer stepper에 쓰였고, 1983년 ASML과의 협력이 시작되었다. Starlith 900이 처음으로 양산된 193 nm 광학계였고, Starlith 1700i가 ZEISS 최초의 반사굴절(Catadioptric, 렌즈와 거울을 함께 쓰는) 노광 광학계, Starlith 1900i가 38 nm에 이른 첫 액침 광학계다. ASML의 NXT:2000i는 'In-line 반사굴절' NA 1.35 렌즈로 C-quad 조명에서 40 nm, Dipole에서 38 nm를 찍고, 수차를 고치는 조절기(Manipulator)가 달린 렌즈 요소를 가진다고 적는다(회사 설명).

표: ZEISS DUV 페이지의 제품 설명을 옮겼다.

수차와 렌즈 지문. 렌즈가 완벽하지 않으면 수차가 남는다. 예를 들어 비점수차(Astigmatism)는 세로선과 가로선의 Best focus를 서로 반대 방향으로 같은 만큼 옮긴다. Bossung 곡선이 휘어 있으면 두 방향의 선이 다른 CD로 찍히고, Mack은 65 nm 게이트의 CD 예산이 ±4 nm 정도일 수 있다며 이 차이가 예산을 갉아먹는다고 지적했다. 상이 옆으로 밀리는 왜곡(Distortion)은 Overlay가 된다. 렌즈마다 왜곡의 모양이 달라서 ASML은 '모든 장비에는 저마다의 왜곡 지문이 있다'고 쓰고, NXT:2100i에 새 렌즈 왜곡 조절기를 넣었다. 시험에서 요청한 왜곡을 10% 안으로 재현했고(0.5 nm 요청에 오차 0.1 nm 미만), 실제로 잰 층 사이 불일치 약 0.65 nm를 약 0.3 nm로 줄였다고 적는다(회사 설명). KrF 장비 NXT:870의 렌즈 사양에는 '환형 왜곡 10 nm 이하'가 적혀 있다. 수차를 재는 센서도 장비 안에 있다. ASML은 PARIS 센서가 Slit 전체의 수차를 한꺼번에 재서 Reticle heating 보정과 노광 중 Lens heating 보정을 가능하게 한다고 적는다.

Lens heating: 빛이 렌즈를 데운다

렌즈는 빛을 아주 조금 흡수한다. 그 조금이 쌓이면 렌즈가 데워진다. 193 nm 빛을 받은 용융 실리카는 흡수한 만큼 굴절률과 모양이 바뀌어, 파면이 가운데가 패인 대칭 모양, 곧 볼록 렌즈를 하나 더 넣은 것과 비슷한 모양으로 일그러진다. Mann 등은 Hartmann–Shack 센서로 λ/10000(100 pm 아래)까지 재서 순간 파면 변형이 흡수 손실에 비례함을 보였다. 이것을 Lens heating(렌즈 가열에 따른 수차와 초점 변화)이라고 부른다. ASML은 강한 펄스가 되풀이되면 광학계가 데워져 '밀리켈빈과 나노미터 단위'의 변화가 생기고, 수천 개의 Actuator가 렌즈와 거울의 위치를 고쳐 이를 보상한다고 적는다. DUV 렌즈의 수냉 재킷은 정상 상태에서 ±0.01 °C 정밀도에 이른다는 정리도 있다. Nikon은 NSR-S636E에서 열 흡수를 줄이는 렌즈 재료와 열 수차 제어를 내세운다(회사 설명). 액침 장비의 열 수차 원인으로는 Reticle 가열, Reticle 근처 공기 온도, 투영 렌즈 가열, 액침수 온도의 네 가지가 꼽힌다.

렌즈가 얼마나 데워지는지는 제품마다 다르다. Cui는 Lens heating에 따른 Focus drift가 Reticle의 열린 면적(Clear window), 노광 Dose, Reticle 투과율, 기판, 조명 조건(NA·σ)에 따라 달라지며, ASML 장비의 Lens heating 보정 알고리즘에 들어가는 기계 상수 두 개(μ1, μ2)를 대표 제품의 Critical layer로 미세 조정해 Focus drift를 줄였다고 보고했다. 장비는 노광 이력으로 렌즈가 얼마나 데워졌을지 예측하고 미리 보정한다(Feed-forward). 예측에 쓰는 상수가 그 제품과 맞지 않으면 보정이 덜 되거나 넘쳐, Lot 안에서 웨이퍼 순서에 따라 Focus가 흐른다. 아래 모델에서 확인하자.

근거: Lens heating을 바꾸는 변수와 기계 상수의 제품별 조정, 흡수에 비례하는 볼록 렌즈형 변형, Actuator 보상.

Reticle도 데워진다. 빛을 많이 막는(투과율이 낮은) Reticle일수록 에너지를 많이 흡수한다. 고르지 않게 데워진 Reticle은 팽창해 DUV에서는 술통 모양(Barrel)의 왜곡을 만들고, 이 왜곡은 다 보정되지 않을 수 있다. NXT:1980Di에서 Reticle 위로 공기를 불어 주자 열 변형의 크기가 공기 흐름이 없을 때의 약 40%로 줄었다. SK hynix의 연구는 Lens heating은 대부분 Feed-forward로 보정되므로 Reticle heating이 더 결정적이며, 주된 변수는 패턴 밀도(투과율)와 Dose이고, Dose가 낮고 투과율이 높아도 Reticle heating은 피하기 어렵다고 보고했다. NXT:1980Di의 RHC2는 Reticle을 능동적으로 식히면서 웨이퍼마다 Reticle 정렬 센서(TIS·PARIS)로 변형을 재고, 노광 순서로 변형을 예측해 렌즈와 Stage의 조절기에 미리 넘긴다. ASML은 NXT:2100i에서 Reticle의 열 조절을 개선해 Reticle 사이 온도 차를 줄였다고 적는다(회사 설명).

액침: 렌즈와 웨이퍼 사이의 물

ArF Dry와 ArF Immersion은 같은 193 nm 레이저를 쓴다. 다른 것은 마지막 렌즈와 웨이퍼 사이의 매질이다. 액침(Immersion) 장비는 그 사이를 공기 대신 물로 채운다. NA = n sinθ에서 매질의 굴절률 n을 바꾸는 것이다(4장). Mack은 이 효과를 정확히 이렇게 말한다. 평행한 막들을 지나는 동안 n sinθ는 변하지 않으므로, 물이 빛의 각도를 키우는 것이 아니라 공기에서는 빠져나갈 수 없던 큰 각도의 빛이 레지스트까지 갈 수 있게 해 준다. 193 nm에서 레지스트의 굴절률은 약 1.7, 물은 약 1.44다. 물의 굴절률을 직접 잰 값은 193.39 nm, 21.50 °C에서 1.43662다. ASML은 물이 없으면 NA 1을 넘을 수 없었지만 물로 1.35에 이르렀다고 적는다. 같은 회사의 ArF Dry 장비 NXT:1470의 NA는 0.93이다. Lin은 물이 193 nm 빛의 실효 파장을 135 nm로 줄인다고 표현했다(계산하면 193/1.437 ≈ 134.6 nm).

액침은 157 nm(F₂) 노광을 대신한 길이었다. Nikon의 Owa와 Nagasaka는 2003년에 NA 1.05~1.23의 ArF 액침이 NA 0.85~0.93의 F₂ Dry 노광과 맞먹는다고 보이고, 넘지 못할 문제는 아직 없다고 결론지었다. Lin은 F₂ 노광의 문제로 얇은 막 Pellicle이 노광 10번을 넘기지 못한 일 등을 들었다. ASML은 2003년에 액침을 개발해 2004년 첫 액침 장비 AT:1150i를 내놓았고, XT:1700i가 첫 양산용 액침 장비였다고 적는다.

물을 어떻게 가둘까: 액침 Hood

웨이퍼 전체를 물통에 담그는 방법도 생각할 수 있다. 하지만 Scanner는 웨이퍼를 몇 g로 가속하며 이리저리 움직이므로, 물통 방식이면 많은 물을 함께 가속해야 하고 그 흔들림이 웨이퍼와 렌즈로 전해진다. ASML의 특허는 그래서 렌즈와 웨이퍼 사이 공간만 둘러싸는 구조를 두고, 바깥쪽에 기체를 불어 넣는 입구와 진공 출구로 기체 밀봉(Gas seal)을 만들어 웨이퍼가 움직이는 동안에도 물이 그 공간 안에 머물게 한다. 모세관 힘과 기체 흐름이 균형을 이루어 안정한 물의 경계면(Meniscus)이 생긴다. 이 구조를 액침 Hood(Immersion hood, 물을 렌즈 아래에 가두는 장치)라고 부른다. ASML·ZEISS의 2004년 논문도 장비를 덜 바꾸는 국소 '샤워' 방식이 물통보다 낫다고 보았고, 대신 웨이퍼 가장자리를 넘어 Scan하는 일이 가장 큰 과제라고 적었다.

물은 렌즈의 일부다: 온도

물이 광로에 들어오면 물도 렌즈처럼 관리해야 한다. 193 nm에서 물의 굴절률은 온도가 1 °C 오를 때 1.0 × 10⁻⁴만큼 줄어든다. 열 제어를 정리한 리뷰는 굴절률을 ±10 ppm 안에 두려면 물 온도를 ±0.1 °C 안에 지켜야 하고, XT·1900i급 장비가 1.5시간 동안 ±0.0025 °C를 지켰다고 적는다. 계산하면 0.0025 °C의 변화는 굴절률을 2.5 × 10⁻⁷, 곧 약 0.17 ppm 바꾼다. 같은 리뷰는 웨이퍼 가장자리에서 기포를 빼내는 장치(BES) 근처의 물 증발이 웨이퍼를 약 0.8 °C 식혀 가장자리를 최대 11 nm 변형시키고, 영역별 가장자리 히터로 이를 보상하며, 웨이퍼 온도 균일도를 0.05 °C 안에 둔다고 적는다. 물 한 겹이 Focus와 수차뿐 아니라 웨이퍼 가장자리의 Overlay에도 닿는다는 뜻이다.

물이 남기는 결함

물은 빛을 전하는 길이면서 PR이나 Topcoat 표면에 닿는 유체다. 그래서 액침에는 Dry에 없던 결함이 생긴다. Wang 등은 원인을 접촉각으로 정리했다. 물이 웨이퍼 위로 밀려 나아갈 때의 전진 접촉각(Advancing contact angle)이 너무 크면 물 아래에 공기가 갇혀 기포가 PR 표면에 붙고, 기포가 빛을 산란해 패턴을 일그러뜨린다. 물이 물러날 때의 후퇴 접촉각(Receding contact angle)이 너무 작으면 물방울이 떨어져 남고, 그 물방울이 마르며 둥근 결함을 남긴다. 이것이 Watermark(물방울 자국 결함)다. Nakagawa 등은 Scan 노광 뒤 남은 작은 물방울이 Watermark를 만들고, 물속의 나노 기포가 광학 상을 일그러뜨리며, PR 성분이 물로 빠져나가면(용출) 표면의 탈보호가 모자라 T-top이나 Bridge가 된다고 보고했다. TMAH 현상액에 녹는 알칼리 가용 Topcoat로 Watermark를 줄였다. Chang 등은 비교적 작은 물방울이 주된 Watermark를 만든다고 보았고, 노광 뒤 처리와 재료 개선으로 별도 보호층 없이도 없앴다. 후퇴 접촉각이 높은 Topcoat가 대체로 둥근 결함과 Bridge 결함을 줄이지만, 물 흡수량도 함께 봐야 한다는 결과도 있다.

Scan 경로도 결함 수를 바꾼다. TSMC의 Liang 등은 입자가 찍히는 결함을 줄이려고 Slot의 Scan 방향을 Field가 옮겨 가는 방향과 나란히 맞추는 '특별 경로' 두 가지를 썼고, 웨이퍼당 결함이 일반 경로의 19.7개에서 4.8개로 줄었다. 장비사도 Hood 설계를 결함과 묶어 설명한다. ASML은 NXT:2050i의 새 Hood가 물 손실을 줄여 결함을 크게 개선했고, NXT:1980Fi의 Hood 설계가 결함을 줄인다고 적는다(회사 설명). 같은 193 nm라는 이유로 Dry에서 쓰던 막 구조를 그대로 옮겨 쓸 수는 없다. 다만 Topcoat를 쓸지는 PR과 공정에 따라 다르므로, 모든 액침 PR 위에 같은 보호막이 필요하다고 일반화하지 않는다(2장).

Stage, Wafer table, 두 Table

Wafer stage(웨이퍼를 싣고 움직이는 위치 제어 장치)는 웨이퍼의 위치와 움직임을 제어하는 장치이고, 그 위에서 웨이퍼를 받쳐 붙잡는 부분이 Wafer table(Chuck, 웨이퍼를 진공으로 붙잡는 받침)이다. Reticle 쪽에는 Reticle stage(Reticle을 싣고 Scan하는 장치)가 있다. ASML의 특허는 Table을 크게 움직이는 Long-stroke 모듈과 미세하게 맞추는 Short-stroke 모듈로 나누고, 웨이퍼 Table의 위치를 간섭계로 잰다고 적는다. Wafer table은 자기부상으로 떠서 움직인다. 무거운 Stage를 몇 g로 가속하면 그 반작용이 장비 몸체를 흔든다. ASML의 두 Table 특허는 두 Table에 공통인 Balance mass가 반작용을 받아 스스로 움직이게 해서, 기초와 몸체가 흔들리지 않고 한 Table의 움직임이 다른 Table의 측정을 방해하지 않게 한다. 고객은 더 빠른 Stage를 원한다. NXT:2050i는 더 빨리 가속하는 센 모터로 Wafer stage를 다시 설계하고 부대 시간을 줄여 하루 400~500장을 더 처리한다고 적는다(회사 설명).

위치를 재는 두 방법: 간섭계와 Encoder

Stage의 위치는 빛으로 잰다. 레이저 간섭계(Laser interferometer)는 두 주파수의 레이저를 기준 경로와 측정 경로로 나누고, 측정 빔을 Stage에 붙은 반사경에서 되돌려 받아 위치를 읽는다. 문제는 빛이 지나는 공기다. 공기의 온도와 압력이 굴절률을 바꾸고(Edlén 식), 받침대가 열로 늘어나면 경로가 바뀌어 나노미터 단위의 표류가 생기므로, 간섭계는 밀리켈빈 수준의 온도 안정이 필요하다. 격자 간섭계, 곧 Encoder(격자 눈금을 읽는 위치 센서)는 빛의 경로가 짧아 공기의 영향을 덜 받지만, 읽는 머리가 뜨겁고 빠른 Stage 위에 타는 경우가 있다. Nikon은 Stage 위의 눈금을 '바로 위에서' 읽는 고정밀 Encoder와 간섭계를 함께 쓰는 Hybrid 방식(Bird's Eye Control)을 쓰고, Reticle stage에는 공기 흔들림의 영향을 줄이려고 2차원 Encoder를 쓴다고 적는다(회사 설명). Nikon 연구진은 이중 패터닝에 필요한 2 nm Overlay를 목표로 S620D에 Encoder와 간섭계의 Hybrid 측정을 넣었다고 보고했다. ASML은 웨이퍼 위치를 1초에 약 2만 번, 약 60 pm 정확도로 잰다고 적는다.

Wafer table: 웨이퍼의 뒷면이 Focus를 정한다

노광하는 면은 웨이퍼 앞면이지만, 그 면의 높이는 뒷면과 Wafer table이 닿는 상태가 정한다. Wafer table 위에는 웨이퍼를 받치는 작은 돌기(Burl)가 촘촘히 있고, 웨이퍼를 진공으로 끌어당겨 평평하게 편다. ASML은 NXT:2000i에서 Wafer table의 평탄도, 내구성, 고정 방식을 개선했다고 적고, NXT:2150i에는 새 코팅을 입힌 다이아몬드 Wafer table을 넣어 정기적인 Table 정비나 계측 보정 갱신 없이 Overlay를 유지한다고 적는다(회사 설명). Table이 닳거나 더러워지면 증상은 Focus에서 먼저 나타난다. 2026년의 연구는 오래 쓴 DUV 액침 장비에서 Wafer table 가장 바깥 Burl이 되풀이되는 고정의 마찰로 닳아 웨이퍼 끝이 처지고(Edge roll-off), 웨이퍼 끝 1~3 mm(반지름 140~147 mm)에 국소적인 음의 Defocus가 생겨 가장자리의 Bridge 결함과 선폭 불균일을 낳는 것을 보였다. 저자들은 Focus 잔차로 마모를 판정하는 지표 두 가지를 세우고, 경고 수준에 이르면 Table을 미리 바꾸는 상태 기반 정비를 제안했다.

웨이퍼 뒷면의 입자도 같은 일을 한다. 입자가 웨이퍼를 국소적으로 들어 올리면 그 자리만 초점에서 벗어나는 Focus spot이 된다. 다만 입자의 높이가 그대로 앞면의 높이가 되지는 않는다. Bearda 등은 입자의 반지름과 단단함(압축 항복 강도)에 따라 웨이퍼가 최대 얼마나 휘는지를 계산했다. Canon은 KrF Scanner FPA-6300ES6a의 선택 사양으로 'Focus Spot 자동 Chuck 세정'을 내놓았다. Chuck 오염과 Focus spot이 장비사가 기능을 따로 만들 만큼 흔한 문제라는 뜻이다. 웨이퍼 자체가 휘어 있어도 문제다. 막의 응력이 고르지 않아 휜 웨이퍼를 Chuck이 진공으로 펴면 웨이퍼 면 안에 왜곡이 생기고, 이것은 보정할 수 없는 Overlay가 된다. Brunner 등은 휜 웨이퍼의 형상을 재서 이 Overlay를 예측했다(막 응력과 웨이퍼 휨은 CVD 책 10장).

두 Table: 측정과 노광을 동시에

노광 전에 웨이퍼마다 해야 할 일이 있다. 정렬 마크를 재서 아래층의 위치를 알아내고(Alignment), 웨이퍼 표면의 높이 지도를 잰다(Leveling, 7절). Table이 하나라면 이 측정 시간 동안 렌즈는 논다. ASML의 TWINSCAN은 Wafer table을 둘 두었다. 웨이퍼를 두 Table에 번갈아 싣고, Table 1의 웨이퍼를 노광하는 동안 Table 2에 다음 웨이퍼를 싣고 정렬하고 높이 지도를 잰다. 그다음 두 Table이 자리를 바꾼다. 이것이 두 Table 구조(Dual stage)다. 1996년에 출원한 특허는 둘째 웨이퍼의 위치를 '측정 위치'에서 미리 재 두므로 렌즈 아래 '노광 위치'에서 다시 정렬할 필요가 없다고 적는다. ASML은 2001년 첫 TWINSCAN(AT:750T, KrF)을 내놓았고 지금도 Wafer table 모듈이 온전히 둘인 유일한 노광 플랫폼이라고 쓰며, 2008년 NXT:1950i가 생산성을 30% 올려 시간당 200장을 넘겼다고 적는다(회사 설명). ArF Dry 장비 XT:1460K의 페이지는 한 웨이퍼의 노광과 다음 웨이퍼의 정렬을 병렬로 해 '부대 시간을 사실상 없앤다'고 적는다.

측정 쪽에 시간이 남으면 더 많이 잴 수 있다. ASML은 XT:860N의 Level 센서가 측정 쪽 시간을 아껴 정렬 마크를 더 많이 잴 수 있게 하고(고차 보정 모델), NXT:2100i는 정렬 측정 색을 4색에서 12색으로 늘리고 측정 쪽에서 더 많은 마크를 잰다고 적는다(회사 설명). Nikon은 노광 전에 모든 웨이퍼의 절대 격자 왜곡을 재는 인라인 정렬 스테이션(iAS)을 두고 그 값을 웨이퍼마다, Shot마다 넘겨 보정한다고 적는다(회사 설명). 그러면 Table을 둘로 늘리면 처리량은 얼마나 늘까?

근거: 측정과 노광의 병렬 처리와 Table 교대, 측정 쪽의 시간을 마크 수로 쓰는 설명.

장비사의 처리량 사양으로 거꾸로 계산해 보면 감이 온다. 시간당 295장(NXT:2100i)이면 한 장에 약 12.2초이고, Field가 96개라면 Stage 이동과 정착, Table 교대까지 넣어 Field 하나에 약 0.13초다(계산). Table이 두 개라는 것은 Table마다 다른 지문이 생길 수 있다는 뜻이기도 하다. 그래서 Overlay 사양도 Table을 구분해 적는다. ASML은 XT:1460K의 Overlay를 같은 장비·같은 Chuck에서 잰 'Dedicated chuck overlay' 3.5 nm 이하와, 다른 장비나 기준 웨이퍼와 맞춘 'Matched machine overlay' 5 nm 이하로 나눠 적는다. 양산에서는 가장 좋은 Overlay를 얻으려고 Critical layer 사이에 웨이퍼를 한 Scanner에 전용으로 보내고, 두 Table 장비라면 Table까지 전용으로 묶는 경우가 많다.

Alignment와 Leveling: 서로 다른 좌표

측정 쪽의 두 센서는 서로 다른 좌표를 잰다. Alignment(정렬)는 웨이퍼의 정렬 마크를 재서 지금 찍을 패턴을 웨이퍼 평면 위 어디(x·y)에 놓을지 정하는 과정이다. 이미 만들어진 아래층을 기준으로 위치를 계산한다. Overlay는 그 뒤에 만들어진 두 층 패턴의 위치 차이를 잰 결과다. SEMI P18의 정의를 옮긴 논문에 따르면 Overlay는 웨이퍼의 모든 점에서 정의되는 벡터이고, Alignment는 웨이퍼의 기준점을 Reticle의 대응점에 맞추는 일이며, 그 척도는 정렬 마크 자리의 Overlay다. 위치를 맞추려고 노광 전에 재는 것과 패턴이 생긴 뒤에 재는 것은 목적과 시점이 다르다. Leveling(높이·기울기 맞추기)은 상이 맺히는 높이(z)와 기울기를 다룬다. 웨이퍼 표면은 완벽하게 평평하지 않으므로, 장비는 높이 지도를 써서 노광하는 동안 PR이 초점 범위 안에 있게 한다.

정렬 센서: 회절광의 위상으로 마크를 찾는다

정렬 마크는 보통 Scribe line에 둔 격자다. ASML의 1997년 출원 특허는 웨이퍼 격자 마크에서 나온 여러 회절 차수를 각자 다른 기준 격자와 검출기로 보내는 Off-axis 정렬 장치를 설명한다. 예로 든 마크는 주기 16 µm와 17.6 µm인 작은 격자 네 개(각 200 × 200 µm)이고, 정렬 빛은 He-Ne 레이저(633 nm)다. 2002년 출원 특허는 마크의 상 두 개를 서로 180° 돌려 겹치는 자기 참조 간섭계로, 회절 차수 사이의 위상차에서 위치를 얻고 차수 양쪽의 세기로 마크의 비대칭까지 잰다. 원리는 이렇다. 0차는 막고 +1차와 −1차를 간섭시키면, 두 빛의 위상차가 마크의 위치를 알려 준다. 노광 파장이 아닌 가시광·근적외선을 쓰는 것은 정렬하는 동안 PR을 노광하지 않기 위해서다(원리에서 나온 해석).

문제는 마크가 공정을 거치며 변한다는 것이다. 식각이나 CMP가 마크 단면을 비대칭으로 깎으면 +1차와 −1차가 서로 다른 길을 지나 위상이 달라지고, 센서는 마크가 실제보다 옆에 있다고 읽는다. Jiang 등은 이를 APD(Alignment position deviation)라 부르며, ASML 장비의 정렬 색으로 Green 532 nm, Red 633 nm, NIR 780 nm, FIR 852 nm를 정리했다. ORION 센서는 네 색에서 X·Y 편광을 모두 재고 SMASH는 색마다 편광 하나를 잰다. 3D 메모리 시험에서 ORION이 같은 데이터에서 SMASH보다 작은 잔차를 보였고, 색과 색 사이의 APD 차이가 마크 비대칭을 가늠하는 업계의 대표 지표라고 적었다. W-CMP를 거친 정렬 마크의 형상 기준을 다룬 연구도 있다. ASML은 NXT:2000i에 새 ORION 센서를, NXT:2100i에 4색에서 12색으로 늘린 측정을 넣었다고 적는다(회사 설명). Nikon은 측정 점을 늘리면서도 생산성을 지키는 다섯 눈 FIA(Field Image Alignment) 현미경을, Canon은 밝은 시야에 어두운 시야(산란·회절광) 검출을 더하고 실리콘을 통과하는 적외선으로 뒷면 마크를 읽는 선택 사양을 적는다(회사 설명).

Level 센서: 비스듬한 빛으로 높이를 잰다

NA가 큰 렌즈는 초점 심도가 얕다. 웨이퍼는 기울어 있거나 고르지 않을 수 있으므로 Field마다 높이와 기울기를 재야 한다. Philips가 1991년에 출원하고 지금은 ASML이 가진 특허가 그 방법을 적었다. 단색 레이저로 높이를 재면 웨이퍼의 막 적층 안에서 생기는 얇은 막 간섭 때문에 실제 높이와 상관없는 가짜 초점 신호가 나온다. 그래서 할로젠 램프나 여러 LED 같은 넓은 파장대의 빛을 써서 간섭을 평균해 없앤다. 빛은 법선에서 약 80°쯤 기운 매우 비스듬한 각도로 들어오고, 격자를 격자 위에 비추어 감도를 높이며, 이런 검출기 여럿으로 기울기를 잰다. 이런 센서를 Level 센서(Level sensor, 웨이퍼 표면 높이·기울기 센서)라고 부른다. ASML은 UVLS-2 Level 센서가 자외선을 써서 공정 막 적층의 영향을 줄이고, 더 촘촘히 재서 가장자리 정확도를 높였다고 적는다(회사 설명). Nikon은 웨이퍼 지름 전체를 덮는 넓은 빛으로 한 번에 표면 지도를 재는 Straight Line AF를 적는다(회사 설명).

초점을 흐리는 원인은 여럿이다. Mack은 0.5 µm 공정을 예로 든 1993년 논문에서 4배 Stepper의 초점 예산을 이렇게 적었다. 무작위 성분은 제곱합의 제곱근으로 더하고(RSS), 계통 성분은 그 위에 그대로 더한다. 숫자는 1993년의 예이지만 구조는 지금도 같다. 눈여겨볼 것은 가장 큰 무작위 성분이 렌즈가 아니라 웨이퍼 평탄도라는 점이다.

표: Mack(1993)의 가상 0.5 µm 공정, 4배 Stepper 예. 마스크 항을 16(= 4²)으로 나눈 것은 4배 렌즈의 세로 배율이 16이기 때문이다. 계산하면 무작위 항의 RSS는 0.739 µm로 표의 0.74와 맞는다.

Mack은 웨이퍼 평탄도, 단차, Best focus를 정하는 능력 같은 초점 오차의 원인이 초점 심도가 줄어드는 만큼 줄지 않는다고 지적했다. 그래서 Leveling이 할 일이 커진다. Stepper는 Field 전체를 한 번에 찍으므로 Field마다 높이와 기울기를 한 번 맞춘다. Scanner는 좁은 Slit 아래에서만 노광하므로, Scan하는 동안 Slit이 지나는 자리마다 높이와 기울기를 다시 맞출 수 있다. 대신 Slit의 긴 방향(26 mm)으로는 기울기, 곧 직선만 맞출 수 있다(원리에서 나온 해석). Scan하는 동안의 기울기와 Stage의 위아래 진동은 앞에서 본 초점 평균화를 일으키기도 한다. 아래 모델에서 웨이퍼 높이 지도에 맞추는 방식을 바꿔 보자.

근거: Field마다 높이·기울기를 재는 Level 센서, 웨이퍼 평탄도가 가장 큰 초점 예산 항이라는 점, 뒷면 입자, Table 가장자리 마모와 Edge roll-off.

장비사와 모델, 사양표 읽기

노광 장비를 만드는 회사는 많지 않다. ASML은 2025년 연차 보고서에서 자신이 현재 EUV 노광 장비를 만드는 세계 유일의 회사이고, DUV 장비에서는 주로 Canon, Nikon과 경쟁한다고 적는다. 같은 보고서에 따르면 ASML의 2025년 매출은 327억 유로(2024년 283억 유로), 판매한 노광 장비는 327대(2024년 418대)였고, 그중 EUV가 48대(EXE 4대, NXE 44대)였다. DUV 장비 판매는 374대에서 279대로 줄었는데, EUV와 DUV 액침이 성장을 이끌었고 ArF Dry, KrF, i-line 장비가 줄었다고 설명한다. 지난 30년 동안 판 장비의 약 95%가 아직 쓰이고 있다고도 적는다(회사 설명). 오래된 KrF·i-line 장비가 지금도 많은 층을 찍는다는 뜻이다. 회사별 대수 점유율은 이 장에서 읽은 1차 자료에 나오지 않아 적지 않는다.

노광 장비는 광학계와 위치 제어를 중심으로 읽고, Track은 PR의 도포·Bake·현상을 중심으로 읽으면 회사마다 제품이 공정 안에서 맡는 몫이 보인다(3장). 아래 표는 회사가 공식 페이지에 적은 사양을 옮긴 것이다. 모두 회사 주장이며, 같은 숫자라도 조건이 다를 수 있다.

사양표를 읽는 법

해상도. 사양의 해상도는 숫자 하나이고 그 숫자를 얻은 초점 심도나 노광 여유 조건은 적혀 있지 않다. 그래도 k₁ = CD·NA/λ로 어림하면 NXT:2000i의 38 nm는 k₁ ≈ 0.27이다(계산). ASML은 k₁의 물리적 한계를 0.25로 적는다. 같은 38 nm라도 조명이 다르다. NXT:2000i의 사양은 C-quad에서 40 nm, Dipole에서 38 nm다. 처리량. 처리량은 조건과 함께 읽는다. Nikon은 96 Shot, 76 Shot, 200 mm 웨이퍼 46 Shot처럼 Shot 수를 적고, Canon은 98 Shot과 선택 사양을, ASML은 i-line 장비에 Dose를 붙인다. 시간당 장수와 하루 생산량도 다르다. ASML은 NXT:2000i가 '하루 4,600장'을 찍은 기록을 적는데, 시간당 295장으로 하루를 쉬지 않고 돌리면 7,080장이므로(계산), 실제 하루 생산량은 가동률과 Lot 교체 같은 부대 시간에 크게 좌우된다. NXT:2050i가 부대 시간을 줄여 하루 400~500장을 더 처리한다고 내세우는 이유다.

Overlay. Overlay 사양은 무엇과 무엇을 맞춘 값인지 먼저 확인한다. Nikon은 SMO(Single Machine Overlay)를 같은 장비 자기 자신과의 Overlay로, MMO(Mix and Match Overlay)를 장비 사이의 Overlay로 정의하고, MMO의 예로 같은 모델의 1호기와 2호기를 든다. ASML의 'Dedicated chuck'(같은 Chuck), 'Matched machine'(다른 장비나 기준 웨이퍼), 'Cross-matching'(EUV 장비와)도 같은 구분이다. Nikon 연구진은 MMO의 주된 오차를 SMO, 렌즈 왜곡의 Matching, 웨이퍼 격자(Stage)의 Matching 세 가지로 나누었다. 조심할 약어가 하나 있다. Source-Mask Optimization도 SMO로 줄여 쓴다. 문맥이 Overlay인지 조명인지 확인하자. 장비 사이의 Matching 계측과 관리 한계는 10장(계측)에서 다룬다.

빛을 쓰지 않는 패터닝. Canon의 FPA-1200NZ2C는 광학 투영 없이 패턴이 새겨진 마스크를 레지스트에 도장처럼 눌러 패턴을 옮기는 나노임프린트 장비다. Canon은 최소 선폭 14 nm(5 nm 노드에 해당한다고 설명), 26 × 33 mm Field, Overlay 4 nm 이하를 적고, 특별한 파장의 광원이 필요 없어 전력을 크게 줄인다고 주장한다(회사 설명). EUV 장비(NXE·EXE)의 광원·거울·처리량은 8장(EUV와 High-NA)에서 본다.

부품별 고장 지도

이 장에서 본 부품을 한 표로 모으면, 웨이퍼에 나타난 증상에서 거꾸로 부품을 찾아가는 지도가 된다. 실제 이상 분석의 순서와 사례는 11장(현업 이상 분석)에서 다룬다.