하지만 ASML 제품에 비해서는 그 성능이 몇 자릿수(orders of magnitude)로 현저히 낮다.
국제광학광전자물리학회(SPIE)에 따르면, 중국과학원(CAS) 연구진이 반도체 포토리소그래피에 사용되는 결맞음성 193nm 빛을 방출하는 ‘획기적인’ 고체 상태 심자외선(DUV) 레이저를 실험실 규모로 개발했다고 보고했다.
만약 이 광원 기술이 대규모 확장이 가능하다면, 이 장치는 첨단 공정 기술을 활용한 반도체 칩 제조용 리소그래피 장비 구축에 사용될 수 있다. 다만, 고체 상태 레이저의 상용화 가능성(스케일링)에 대해서는 아직 불확실성이 크다.
CAS 방식의 작동 원리를 설명하기에 앞서, ASML, Canon, Nikon 등 산업계가 실제로 사용하는 193nm 파장 광원 생성의 사실상 표준 방식을 간략히 살펴보고자 한다. 또한, CAS 시스템은 개발 초기 단계에 있으며, 현재는 실험실 수준의 테스트 장치임을 유의해야 한다.
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전통적 접근 방식 (Industry Standard)
ASML, Canon, Nikon 등의 DUV 리소그래피 장비는 아르곤 플루오라이드(ArF) 엑시머 레이저를 이용해 193nm 빛을 발생시킨다. 이 과정에서 레이저 챔버 내의 아르곤 및 플루오린 가스 혼합물과 네온 같은 버퍼 가스에 고전압 전기 펄스를 가하면, 아르곤과 플루오린 원자가 여기되어 ArF(또는 엑시머)라는 불안정한 분자를 일시적으로 형성한다. 이 분자가 빠르게 바닥 상태로 돌아가면서 193nm 파장의 광자를 방출한다.
해당 레이저는 최대 100~120W의 출력 전력을 가지며, 8kHz에서 9kHz 사이의 주파수로 짧고 높은 에너지의 펄스를 방출한다. 193nm 빔은 이후 광학 시스템을 거쳐 모양이 형성되고, 빛이 유도 및 안정화된다. 이 빛은 리소그래피 스캐너를 통과하며, 칩 패턴이 담긴 포토마스크를 투과하게 된다.
CAS 접근 방식
중국과학원이 개발한 테스트 장비는 가스 기반 엑시머 레이저를 전혀 사용하지 않는 순수 고체 상태(solid-state approach) 방식에 기반하여 193nm 빛을 생성한다. 이 시스템은 자체 제작한 Yb:YAG 결정 증폭기를 통해 1030nm 레이저 빔을 생성하는 것으로 시작한다. 이 빔은 두 개의 광학 경로로 분할되며, 각각 다른 광학 과정을 거쳐 193nm 생성을 위한 구성 요소들을 만든다.
첫 번째 경로에서는 1030nm 빔이 네 번째 고조파 발생(FHG, 레이저 빔을 원래 파장의 1/4로 변환하는 비선형 광학 공정이며, 이 경우 258nm 빔이 된다) 과정을 거쳐 258nm 빔으로 변환된다. 이 과정의 출력 전력은 1.2W이다. 두 번째 경로에서는 1030nm 빔의 나머지 절반을 이용해 광학 파라메트릭 증폭기(OPA)를 구동하여, 700mW의 전력을 지닌 1553nm 빔을 생성한다.
최종적으로 이 두 광원을 결합하여 193nm의 빛을 생성한다.
비교 및 결론
CAS의 방식은 고출력의 193nm 광원을 구현해내는 점에서 뛰어남을 보여준다. 하지만 전반적인 처리량과 안정성 면에서는 아직 기술적 검증과 개선이 필요한 단계이다. 특히, 현존하는 고출력 레이저 시스템이 가진 한계를 극복하고 이를 대규모 양산 공정에 적용하기 위해서는 추가적인 기술 개발과 연구가 필요할 것으로 기대된다.