레이저 플라스마를 이용한 반도체 노광장비용 광원용 극자외선 발생

[사무국]

한국원자력연구원 레이저응용연구실 임 창 환 박사

 에너지 밀도 플라스마 과학은 우주에 있는 거대 행성 또는 혹성 내부 현상, 핵융합 등과 관련한 플 라 스 마 거 동 을 알 아 보 는과학으로 미국 NRC(National Research Council)가 선정했던 3대 연구 분야다. 특히, 고에너지 고출력 레이저를 조사할 경우 태양 표면에서부터 태양 중심을 넘어서는 초고온, 초고압, 고밀도의 고에너지밀도(105 J/cm 3 ; 1억도, 100만 기압 해당함) 플라스마도 실험실에서 발생시킬 수 있다.

그림 1. LPP-EUV가 발생하는 영역.

 레이저 유도 플라스마(LPP; Laser Produced Plasma) 중에서도 그림 1에 표시한 바와 같은 태양 표면과 태양 중심의 중간 영역(밀도<101g/cm 3 , 온도 30~100 eV)의 플라스마에서 발생하는 13.5 nm의 극자외선(EUV; Extreme Ultra Violet) 광원은 지금까지의 원적외선 노광 광원보다 파장이 1/10 이하로 반도체 노광 공정의 해상도를 급격히 높이고 있다.
현재 ASML사가 전 세계에 독점 공급하고 있는 극자외선 광원 반도에 노광 장비에는 피코초 레이저와 CO 2 레이저가 사용 중으로 레이저가 대형이라 장비 가격의 상당 부분을 차지하고 있으며 유지보수에도 어려움이 있다.
나 노 미 터 파 장 은플라스마 밀도가 높으면 밖으로 나오지 못하고 포획되어 원자 전이 파장이 아닌 흑체복사 모양으로 방출되며, 밀도가 낮으면 출력 낮아 플라스마 크기를 키워야 하는데 광원이 커지면 파장이 짧아져도 장비의 분해능이 떨어지게 된다. 상용으로 개발된 Nd:YAG나 CO 2 레이저를 고체나 액체 타겟에 조사할 때 발생하는 플라스마는 극자외선 파장에 대해 너무 높거나 낮은 밀도 영역으로 변환 효율이 높은 플라스마를 발생시키려면 다른 레이저 파장 조사나 밀도가 낮은 타깃 등을 사용할 필요가 있다.

그림 2. 레이저 발생 극자외선 변환효율.

2008년 일본 ILE의 Nishihara 교수가 계산한 극자외선 발생 변환 효율은 그림 2에서와 같이 12% 이상으로 이는 ASML사의 ~5%보다 상당히 높은 변환효율이며 이를 실현하려면 추가 연구가 필요하다.
반도체 노광장비 광원은 가시광선, 자외선에서 KrF, ArF 레이저까지 파장이 짧아졌으며 현재 극자외선 파장까지 사용 중이다. 노광 공정에서 해상도를 높이기 위해 지금까지는 주로 파장이 짧은 광원으로 교체되었으며 앞으로도 좀 더 짧은 파장 발생의 효율 높은 광원이 요구될 것이다. 우리나라의 주요 사업인 반도체 산업 경쟁력을 위해서 지금이라도 차세대 노광장비 광원 개발에 대한 체계적인 국가 지원이 요구된다.

필자 소개
연세대 물리 학사, 서울대 물리 석사 

오사카대학교 전자정보에너지공학 박사 

한국원자력연구원 책임연구원 

오사카대학, 상해광정밀기계연구소 방문교수