ASML은 일론 머스크가 지원한 입자 가속기 기반 칩 제조 기술을 거부하고 EUV 스캐너용 1,000W 레이저 생성 플라즈마 시스템에 대한 투자를 두 배로 늘렸다.

차세대 극자외선(EUV) 리소그래피 스캐너 개발에서 가장 중요한 과제 중 하나는 강력하고 신뢰할 수 있는 광원을 만드는 것입니다. EUV 리소그래피 장비의 유일한 제조사인 ASML은 EUV 복사를 생성하기 위해 복잡한 레이저 생성 플라즈마(LPP) 기술에 의존합니다. 반면, 수많은 기업들이 입자 가속기를 활용하는 자유전자레이저(FEL)를 EUV 생성용으로 제안하고 있습니다. FEL 기술이 뚜렷한 장점을 지니고 있으며 일론 머스크의 지지를 받기도 했지만, JP모건에 따르면 ASML은 이를 채택할 가능성이 낮습니다. “레이저 기술의 발전으로 인해 ASML은 머스크가 선호하는 새로운 ‘FEL’ 광원을 시도할 이유가 없다고 보고 있다”며 Semi Doped는 JP모건의 고객 대상 보고서 내용을 인용해 보도했습니다.

현대 EUV 리소그래피 시스템은 용융된 주석의 미세 방울(지름 약 30마이크로미터)에 고출력 CO2 레이저 펄스를 조사하여 LPP 광원을 사용합니다. 이 과정은 방울을 전자 온도가 수십 전자볼트에 달하는 이온화된 플라즈마로 증발시켜 13.5나노미터 파장의 EUV 복사를 방출합니다. 방출된 빛은 몰리브덴과 실리콘의 교번층으로 코팅된 약 0.5미터 크기의 타원형 집광 거울에 포착되며, 이 거울은 최대 13.5나노미터 복사를 선택적으로 반사하여 스캐너의 중간 초점으로 향하게 합니다. 거의 모든 물질이 EUV 복사를 흡수하며, 심지어 특수 다층 거울도 상당량의 복사를 잃기 때문에, 전체 광학 경로는 일반적인 굴절 광학 대신 반사 광학을 사용하여 진공 상태에서 작동해야 합니다. 이러한 근본적인 제약 조건으로 인해 충분한 EUV 광원 출력을 생성하는 것은 매우 어렵습니다.

(이미지 출처: ASML)

이러한 공학적 난관에도 불구하고 ASML은 LPP 광원의 출력을 꾸준히 증가시켜 왔으며, 약 250와트에서 약 500와트로 확장했습니다. 회사는 향후 몇 년 내에 이 용량을 1,000와트로 두 배로 늘리고, 주석 방울 생성 속도를 초당 10만 개로 거의 두 배로 높일 계획입니다.

(이미지 출처: ASML)

자유전자레이저는 전자를 빛의 속도에 가깝게 가속한 후 빔을 불릿레이터(undulator)라고 불리는 교번 자석 배열을 통과시킴으로써 EUV 빛을 생성합니다. 이 자석 배열은 전자를 진동하게 만들어 복사를 방출하도록 유도합니다. 전자와 자체 복사 사이의 상호작용으로 인해 전자가 미세한 무리(bunches)를 형성하게 되며, 이는 목표 파장인 13.5나노미터에서 간섭성을 띤 빛을 생산합니다. 이 방법은 현재 포토마스크의 보호 필름이 필요한 주석 방울 및 관련 잔여물을 제거합니다. 또한 LPP 시스템보다 훨씬 높은 EUV 출력을 약속합니다. 더구나 대규모 EUV 빔 분배 네트워크와 결합된 단일 FEL은 여러 LPP 광원을 대체할 잠재력을 지닐 수 있습니다.

그러나 이 접근 방식에는 주요한 트레이드오프가 따릅니다. 비교적 컴팩트한 LPP 구조와 달리 FEL은 고도로 복잡한 입자 가속기, 전용 전자 원천, 긴 불릿레이터, 정밀한 전자빔 제어, 광범위한 방사선 차폐, 그리고 경로 전반에 걸쳐 손실 없이 매우 높은 EUV 출력을 처리하고 라우팅할 수 있는 거울을 갖춘 극도로 복잡한 분배 시스템을 필요로 합니다. 전체 장치는 가용성, 효율성, 비용 측면에서 반도체 제조 수준의 기준을 충족해야 하며, 이는 ASML과 광범위한 산업계가 달성하는 데 수년이 걸린 벤치마크입니다.

(이미지 출처: xLight)

결과적으로 중국, 미국, 일본 전반에서 FEL 기술에 대한 강한 열망에도 불구하고, 상업용 반도체 생산 시설에서 LPP와 경쟁할 수 있으려면 최소 10년 이상, 그 이상이 걸릴 것으로 예상됩니다. 기술 개발에는 interim 기간 동안 수십억 달러가 소모될 것이므로, 현재 FEL을 추구하는 모든 조직이 해당 타임라인을 견딜 수는 없습니다.