EUV 공정의 핵심 소재, 펠리클

EUV 펠리클의 중요성

EUV의 양산 도입을 위해서는 수율 향상 등과 같은 크리티컬 한 문제를 해결해야 한다. 그중에서 가장 중요한 것 중의 하나가 EUV용 펠리클 개발이다. 그렇다면 펠리클이 도대체 무엇이기에 이렇게 중요하다고 말하는지 알아보겠다.

마스크와 펠리클 역할

마스크는 투명한 석영기판 위에 반도체의 미세 회로를 형상화한 것을 말하며 미세회로를 그릴 기판 위에 마스크를 얹은 후 광원을 쏘면서 마스크에 새겨진 부위에 따라 빛을 투과시켜 기판에 회로를 새긴다. 이후에 식각 - 증착 - 테스트 - 패키징 단계를 거쳐 반도체가 만들어지게 된다.
마스크에 빛을 쏘아서 회로를 새기는 식각 공정 동작 중에 마스크에 먼지나 오염입자가 붙는다면 웨이퍼에 회로가 제대로 그려지지 않는다. 이와 같은 마스크의 오염을 막기 위해서 펠리클을 사용하게 된다. 즉, 펠리클은 얇은 투명 보호막으로 마스크에 떨어지는 오염입자를 막아 마스크를 보호하는 역할을 한다.

출처 : mac2 blog

펠리클 사용할 경우 마스크 오염으로 인한 불량률을 낮춰 수율을 상승시키고 마스크 세척을 자주 해주지 않음으로 인해 세척비용/시간이 줄 수 있다. -> 시간이 줄어드는 만큼 추가 생산도 가능하다.

출처 : 하나금융투자 보고서

기존까지 마스크를 보호해주는 펠리클이 차세대 노광장비인 EUV에서는 사용되지 못한다. EUV가 가진 기술적 한계인 EUV가 모든 물질에 흡수되는 성질 때문이다.

EUV 펠리클 필요 요건 1. 투과도

기존 반도체 노광장비에서 사용된 불화 아르곤 (ArF) 장비는 빛이 위에서 아래로 내려오는 구조로 펠리클을 한 번만 통과하면 되지만 EUV 장비는 빛이 반사되는 구조로 빛이 한번 들어왔다가 다시 반사되어 빠져나가는 구조로 광원 손실이 큰 단점이 있다. 광원 손실이 클수록 웨이퍼에 정교한 회로를 그리는 것이 어렵다. 광원 손실을 최소화하려면 90% 이상 투과율과 50nm두께의 펠리클이 필요하다.
EUV 파장은 모든 물질에 흡수되는 성질로 박막에 흡수되며 발생하는 열 충격이 펠리클을 파괴할 수 있다. 그로 인해 노광장비 오염과 생산수율 저하가 있게 된다. 이런 리스크에도 삼성전자는 지금까지 펠리클 없이 반도체를 생산해 왔다. 하지만 이제는 EUV 노광공정은 더 이상 선택이 아닌 필수가 되었다.

EUV 마스크는 개당 수억 원의 고가이기 때문에 마스크 손상을 최소화하려면 EUV펠리클을 사용해야 한다. 즉, EUV펠리클 개발은 차세대 반도체 1nm개발의 핵심이다.
네덜란드 장비업체인 ASML은 21년 3월  EUV펠리클 개발을 완료하여 7 나노 생산수율 향상 기대하였다. 삼성전자도 23년부터 펠리클 적용 계획을 1샷 1 다이 노광공정 개념을 도입하였다. 노광 공정에서 마스크 하나로 한 개의 칩을 찍어낸다는 개념이다.
펠리클은 먼지로부터 마스크를 보호하는 소모성 부품이다. 기존 불화 아르곤(ArF) 노광 장비는 빛이 위에서 아래로 내려오는 구조인 반면, EUV 장비는 빛이 미러(거울)에 반사돼 웨이퍼에 닿는 구조다. 반사 구조인 EUV 장비에선 빛이 한 번 들어왔다가 다시 반사돼 빠져나가야 하기 때문에 광원 손실이 크다. 이를 최소화하기 위해 투과율이 높은 펠리클이 필요하다. 

EUV 펠리클 필요 요건 2. 열적 특성

EUV의 두 번째 필요 요건은 열적인 특성이다. EUV가 펠리클에 흡수되면 그 흡수 에너지는 대부분 열에너지로 변환되고 펠리클의 온도가 급격히 올라간다. EUV가 펠리클을 통과할 때 순간적으로 600~1,200C까지 가열된 후 실온으로 냉각되는 열 충격이 반복되기 때문에 펠리클의 박막이 파괴될 가능성이 높다. 그래서 열적 특성이 우수한 물질이 필요하다.

EUV 펠리클 필요 요건 3. 기계적 특성

EUV의 세 번째 필요 요건은 기계적 특성이다. EUV 펠리클은 굉장히 얇은 막으로 이송 도중에 발생하는 충격과 EUV 노광 펌프다운 과정에서 발생하는 압력 차이, 고속 이송 마스크 단계에서 발생하는 기계적 충격에도 견뎌야 한다. 

EUV 펠리클 시장의 전망

펠리클은 마스크의 먼지 덮개로 먼지가 붙으면 펠리클만 버리면 된다. 펠리클은 소모성 제품으로 2~3주 사용하고 버린다. 기존 공정(DUV)에서 사용하던 펠리클의 재질은 폴리머로 EUV 공정에서 사용하게 되면 100% 흡수하기 때문에 펠리클이 녹아버리게 된다. 그래서 현재 사용하던 폴리머 펠리클은 EUV 공정에서 사용할 수가 없다.

출처 : 메리츠종금증권리서치센터

EUV 펠리클 수요는 EUV 마스크 수요랑 궤를 같이 하고 마스크 수요는 필요 이상으로 만들어야 한다. 마스크를 만들면 일단 펠리클을 씌워야 하고 추후 양산형 펠리클은 장당 2~3천만 원 예상되고 있다. 2019년 펠리클 수요는 1 천장, 2021년 펠리클 수요는 1만 장 예상, 2024년 펠리클 수요는 4.5만 장 예상될 정도로 시장 전망이 매우 클 예정이다. EUV 적용 시 필요한 마스크 및 펠리클 수는 공정이 미세화 됨에 따라 증가하고 메모리 반도체보다 비반도체에 수요가 더 크다. (2000만 원 X 4.5만 장 = 9000억 원, 3000만 원 X 4.5만 장=1.4조 원)

Summary (EUV 펠리클)

EUV양산을 위해서는 해결해야 할 요소가 많다. 그중에서 가장 중요시되는 것이 EUV 펠리클 개발이다. EUV 펠리클에서 요구되는 필요 요소는 투과율, 열특성 개선,  기계적 특성 개선 등이 있으며 많은 업체에서 연구 개발 중 에있다.