기술을 활용하여 칩 생산 및 3D 칩 통합의 가장 복잡한 공정 중 하나를 단순화함으로써 제조 비용을 낮출 수 있다.
매사추세츠 대학교 애머스트 캠퍼스(University of Massachusetts Amherst)의 과학자들이 레이저와 메타렌즈를 활용하여 칩 레이어 정렬에 사용되는 새로운 방법을 개발했습니다. SciTechDaily에 보도된 바에 따르면, 이 신기술은 원자 단위에 이르는 정확도를 달성할 수 있습니다. 이러한 발전은 차세대 공정 기술뿐 아니라 다중 칩렛(multi-chiplet) 3D 설계의 통합에도 핵심적인 역할을 할 것으로 기대됩니다.
오버레이 정확도(Overlay accuracy)란 칩의 한 레이어를 기저(underlying) 레이어와 정밀하게 정렬하는 것을 의미하며, 논리 칩이 포함된 웨이퍼는 여러 장비에 의해 4,000단계 이상의 제조 공정을 거치므로, 이는 오늘날 칩 제작 도구에서 가장 중요한 역량 중 하나입니다. 현존하는 칩 제작 도구들은 포토리소그래피 시스템에 통합된 첨단 광학 측정학(optical metrology), 정렬 마크, 폐쇄 루프 제어 시스템을 주축으로 오버레이 작업을 수행하고 있습니다.
하지만 기존 방식들은 넓은 간격을 둔 레이어에 동시에 초점을 맞추기 어렵다는 한계와 약 2~2.5nm의 해상도 제한이라는 근본적인 문제에 직면해 있습니다. 이러한 문제점들은 초점 재조정 및 위치 지정 과정에서 잠재적인 부정확성을 야기할 수 있으며, 이는 미래 세대 생산 노드와 수직으로 적층되는 다중 칩렛 설계 모두에 걸쳐 심각한 문제가 될 수 있습니다.
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UMass Amherst 팀이 제안한 방식은 특수하게 설계된 동심원 메타렌즈를 칩 표면에 배치하는 것이 핵심입니다. 이 렌즈들을 레이저로 조명하면 홀로그래픽 간섭 패턴이 생성되며, 연구진은 이 패턴을 분석하여 두 칩 레이어가 어느 정도 어긋났는지, 즉 세 가지 공간 축 모두에서 편이의 방향과 정밀한 크기를 파악할 수 있습니다.
이 기술은 0.017nm에 달하는 횡방향 오정렬(lateral misalignments)과 0.134nm까지의 수직 편차(vertical deviations)를 감지할 수 있습니다. 이는 연구팀이 원래 목표했던 100nm 정밀도를 훨씬 상회하는 수치이자, 기존 광학 현미경이 측정 가능한 한계를 뛰어넘는 것입니다. 더 나아가 이들은 본 방법이 칩 생산 및 3D 칩 통합 과정 중 가장 복잡한 단계 중 하나를 간소화함으로써 제조 비용을 낮출 수 있을 것이라고 기대합니다. 다만, 이 시스템이 기존 리소그래피 장비, 본딩 장비, 그리고 실리콘 비아(silicon vias) 형성 장비와 통합될 수 있는지는 아직 불분명합니다. 만약 통합이 어렵다면, 이 기술이 반도체 산업에서 주류화되기까지는 쉽지 않을 전망입니다.
이 레이저 홀로그램 기술은 칩 제조 분야를 넘어 광범위한 응용 분야에 영향을 미칩니다. 유사한 구성을 갖춘 기본적인 레이저 광원과 카메라를 활용하여 물리적 움직임까지 측정하도록 응용할 수 있습니다. 예를 들어, 압력이나 진동으로 인해 발생하는 표면의 이동은 광학 신호로 변환되어 측정될 수 있습니다. 이는 환경 감지, 산업 모니터링, 생물의학 진단 등 다양한 분야에서 새로운 기회를 열어줄 것으로 기대됩니다.