요약

Lithography with an array of miniaturized scanning electron beam columns presents one of the most promising high-throughput possibilities for fabrication of devices with feature sizes less than 100 nm. With scanning electron beams no mask is required and the necessary resolution is realizable. We review the status of the multiple electron beam lithography for the next generation and discuss opportunities and challenges of this approach to high-throughput nanolithography and  related applications such as metrology, inspection, testing, etc.

1. 서론

반도체산업 발전은 전자회로칩의 발전으로 대변할 수 있다. 이런 전자회로칩의 발전에 가장 주요한 인자 중 하나는 전자회로 크기의 변화이다. 미국의 SEMATECH에서 발표한 roadmap에 따르면, 2003년에는 0.13 □m patterning 기술을 이용하여 4G DRAM의 양산이 가능할 것으로 보고 있으며, 2006년에는 미세 회로의 선폭 100 nm를 이용하여 16G DRAM, 2009년에는 70 nm를 이용하여 64G DRAM이 생산될 것으로 보고 있다. 이러한 발전이 가능하기 위해서는 무엇보다도 미세한 패턴을 그릴 수 있는 리소그라피의 발전이 이루어져야한다.

지난 10여 년간, 반도체 생산국들은 4G 이상의 DRAM을 생산하는 데에는 기존의 광학 리소그라피의 한계성을 인식하고, 이에 대한 해결책을 찾기 위하여 노력하고 있다.

지금까지 제안된 차세대 리소그라피는 EUV 리소그라피, X-ray 리소그라피, SCALPEL, multiple electron beam writing 기술 (low voltage 구동 기술, multiple column 기술 포함)을 이용한 전자빔 리소그라피, ion beam 리소그라피 등이 제시되어 연구와 개발이 활발히 진행되고 있다. EUV 리소그라피는 렌즈제작의 어려움 있고, X-ray 리소그라피는 X-ray 발생장치 (가속기)와 실리콘 박막으로 된 미세구조 mask의 제작 등의 문제점으로 개발의 어려움 있다. 전자빔 리소그라피로 미세회로 패턴(선폭 25nm 이하)의  가능성은 이미 오래 전에 입증되었지만, 단일 전자빔으로 전체 패턴을 형성할 경우 생산속도가 매우 느린 단점으로 생산장비로서 사용하지 못하고 있다. 오래 전부터 많은 과학자들은 이 문제점의 해결방법으로 멀티전자빔 리소그라피를 제시하였으며, 최근 선진국에서는 이것에 대한

해결방법들을 연구 개발하고 있다.

2. 초미니 전자빔기술

현대 문명은 빛, 전자를 이용하는 기술의 발달과 함께 급속도로 발전해 왔다. 특히 전자빔기술은 J. J. Thompson이 100 여년 전에 전자의 실체를 확인한 이후 진공기술의 발달과 함께 급속한 발달을 하였다.

1947년 트란지스터의 발명, 1951년 최초의 전자컴퓨터의 발명은 60년대의 laser의 출현과 함께 반도체산업 및 통신기술의 발달을 가속시켰다. 최근에는 반도체공정기술, 신소재기술, 극초고진공기술, 미니패키징기술을 이용하여 전자빔장비의 소형화 및 정밀화가 이루어지고 있다.

이러한 기술을 이용하여 개발한 초미니 전자빔기술은 전자빔 방출원 및 전자빔조정 모듈 크기를 소형화하는 기술이다 [1]. 개략적인 초미니 전자빔 구조는 그림1에서와 같이 전자방출원, 전자렌즈, 전자빔 제어 (scan deflector), 포커스렌즈, 감지장치(detector) 등으로 구성되어 있다.

이 구조의 원리는 전자빔과학의 기본적인 개념을 이용한 초미니 전자렌즈로 구성되어 기존의 전자빔장치 보다 매우 간단한 구조를 이루고있다.

전자column이 소형화되면

1) column의 총 길이가 수 mm 이내로서 렌즈수차 (spherical & chromatic aberrations)를 최소화하여 높은 분해능을 가질 수 있으며,

2) 기존의 전자빔 보다 저전압으로 고 밀도의 전자빔 (high density current)을 얻을 수 있고,

3) 제작 공정비용을 최소화 할 수 있으며,

4) 전자빔 장치의 소형화로 멀티전자빔 제작이 가능하고,

5) mask없이 웨이퍼에 직접 패턴을 그릴 수 있는 멀티전자빔 리소그라피로도 적용이 가능하다.

또한, 1-2kV의 저전압으로 전자빔이 방출되므로 기존의 고전압(10-100kV)을 사용할 때 문제가 되고 있는 space charge, electron-electron scattering 문제를 해결할 수 있다 [2-3].

이러한 초소형 column은 이미 개발된 반도체 미세가공 기술을 활용하면 실리콘 또는 금속 membrane으로 제작이 가능하다 [4]. 이를 이용하여 전체 전자빔장치를 20 mm x 20 mm의 크기이하까지 소형화 할 수 있고, 이것을 병렬로 배열하여 멀티전자빔 구조를 이룰 수 있다 [5].

3. 멀티전자빔 리소그라피

전자칼럼이 소형화되면 웨이퍼의 한 칩에 하나의 전자빔을 대응시킬 수 있으므로 멀티전자빔 리소그라피가 가능하다. 그림 2는 멀티전자빔 리소그라피의 개념도를 보여주고 있다. 즉, 한 column의 전자빔이 mask 없이 웨이퍼의 각 칩의 범위에서 패턴을 직접 그릴 수 있게 된다.

멀티전자빔 구조는 배열방법에 따라 i) 여러 개의 초미니 column을 병렬로 배열하는 single module, ii) 2 column을 하나의 unit으로 하여 병렬로 배열하는 2X1 module, iii) 4 column을 하나의 unit으로 하는 2X2 module 등의 다양한 기본구조가 가능하다. 이러한 기본구조들을 배열하여  high throughput이 가능한 멀티전자빔 장비를 실현할 수 있다.

이론적 분석에 의하면, 멀티전자빔 리소그라피는 차세대기판인 300 mm 웨이퍼를 시간당 25매를 생산이 가능한 것으로 연구되고 있다. 이것을 실행하기 위한 전자칼럼의 구조 와 writing 속도의 증가, 멀티시스템제어기술, 저 에너지용 resist, 등의 문제점 해결을 위한 연구가 현재 Etec등에서 진행중이다.

4. 결론

초미니 전자빔기술은 전자빔 분석장비에서 멀티전자빔 리소그라피에 이르기까지 광범위한 분야에서 응용이 가능하다. 특히 반도체산업에서는 리소그라피의 발전과 함께 새로운 공정장비가 필요하게 된다. 이러한 공정장비 중에는 초미세 전자회로칩의 구조적 결함과 최종 생산전 회로의 정상작동을 검사해야 하는 검증장치와 테스트장치 등이 있다. 초미니 전자빔기술은 새로운 리소그라피의 성능에 맞추어 보다 분해능이 뛰어난 검증장치와 CD-SEM, 테스트장치 등으로도 활용이 가능하다.

본 연구에서 소개한 초미니 전자빔기술은 현재 전자빔기술의 연장선상이 아닌 기초 전자빔과학에 직접 뿌리를 둔 새롭고 혁신적인 기술로 이며, 앞으로 반도체산업에서 요구하는 차세대 리소그라피뿐만 아니라 반도체공정 장비 전반에 이용될 수 있는 핵심 전자빔기술개발로 평가된다.

그림 2. 멀티전자빔 리소그라피 개념도 [5]

참고 문헌

1. E. Kratschmer, H. S. Kim, M. G. R. Thomson, K. Y. Lee, S. A. Rishton, M. L. Yu, S. Zolgharnain, B. W. Hussey, and T. H. P. Chang, J. Vac. Sci. Technol. B, 14 (6), pp3792, 1996.

2. M. G. R. Thomson, J. Vac. Sci. Technol. B, 14 (6), pp3498, 1994.

3. H. S. Kim, M. L. Yu, M. G. R. Thomson, E. Kratschmer, and T. H. P. Chang, J. Appl. Phys., 81 (1), pp461, 1997.

4. K. Y. Lee, S. A. Rishton, and T. H. P. Chang, J. Vac. Sci. Technol. B 12, pp3425, 1994.

5. T. H. P. Chang, M. G. R. Thomson, E. Kratschmer, H. S. Kim, M. L. Yu, B. W. Hussey, K. Y. Lee, S. A. Rishton, and S. Zolgharnain, J. Vac. Sci. Technol. B, 14 (6), pp3774, 1996.

그림 1. 초미니 전자빔 column 개념도와 이을 이용하여 제작한 초미니 전자빔현미경. 전자 column(전자방출원에서 포커스렌즈의 마지막 전극까지의 총 길이)의 총 길이는 3.5mm이며, 전자현미경의 크기는 20 mm x 20 mm 이다 [1].