나노임프린트 리소그래피, EUV에 도전하다: 캐논의 새로운 반도체 제조 시스템, 비용, 에너지, 정밀도에서 경쟁

 

 

2023년 9월, 캐논은 가장 진보된 실리콘 칩 제조 방식을 혁신할 수 있는 기술의 상용 버전을 첫 번째로 출하했습니다. 이 기술은 '나노임프린트 리소그래피(Nano Imprint Lithography, NIL)'라고 불리며, 14나노미터 크기의 회로 패턴을 형성할 수 있어 현재 대량 생산 중인 인텔, AMD, 엔비디아의 로직 칩 수준의 성능을 가능하게 합니다. 캐논의 NIL 시스템은 현재 고급 반도체 제조를 지배하는 극자외선(EUV) 리소그래피 스캐너와 비교하여 비용 면에서 매우 경쟁력을 가질 수 있습니다. 만약 캐논의 예측이 맞다면, 그들의 기계는 EUV 수준의 칩을 훨씬 저렴한 비용으로 생산할 수 있을 것입니다.

 

 

 

NIL vs EUV: 간단하면서도 효과적인 접근

캐논의 NIL 시스템은 ASML(네덜란드에 본사를 둔 기업)의 EUV 시스템과는 근본적으로 다른 접근 방식을 취하고 있습니다. EUV 시스템은 고난도의 복잡한 과정을 거쳐 초고온의 주석 방울을 플라즈마로 전환하고, 이를 다시 진공 상태에서 특수 광학을 통해 실리콘 웨이퍼에 패턴을 인쇄합니다. 반면, 캐논의 NIL 시스템은 매우 간단한 방식으로, '스탬프'처럼 회로 패턴을 웨이퍼에 인쇄합니다.

 

NIL은 포토리소그래피와 비슷한 방식으로 시작되며, 전자빔을 사용하여 마스크에 패턴을 작성합니다. EUV에서는 이 패턴이 미러를 통해 실리콘에 반사되어 기록되지만, NIL에서는 석영으로 만든 마스터 마스크를 사용하여 이를 복제한 여러 마스크를 웨이퍼에 직접 찍어내는 방식입니다. 그런 다음 자외선 광을 통해 레지스트를 경화시키고, 마스크를 웨이퍼에서 제거하여 패턴을 고정합니다.

 

NIL의 장점: 더 작은 크기, 더 낮은 비용

캐논은 NIL이 EUV에 비해 적은 단계와 도구를 필요로 하여 더 간단하고 비용 효율적인 공정을 가능하게 한다고 주장합니다. 예를 들어, EUV 시스템은 250와트의 빛을 사용하는 반면, 캐논의 NIL은 에너지 소모가 10분의 1에 불과합니다. 또한 NIL 시스템은 깨끗한 작업 공간을 적게 차지하며, EUV 시스템보다 훨씬 작은 부피로 4개의 NIL 시스템 클러스터가 설치됩니다.

 

 

 

20년의 개발 역사

캐논은 2004년부터 NIL 기술 개발을 시작했으며, 2014년에는 텍사스 오스틴에 있는 선도적인 기술 기업인 Molecular Imprints, Inc.를 인수하여 개발을 가속화했습니다. 그 후, 캐논은 20년의 시간이 걸려서 상용화에 성공했으며, 그 동안 수많은 기술적 장애물을 넘어야 했습니다.

 

정밀도와 상호 연결

NIL에서는 회로 패턴을 정확하게 겹쳐서 인쇄하는 것이 중요합니다. 이때 미세한 오차가 발생할 수 있으며, 이를 보완하기 위해 캐논은 온도 제어, 압전력, 레이저를 이용한 미세 조정 등의 자동화 기술을 활용하여 정밀도를 높였습니다. 이 기술을 통해 캐논은 1나노미터 수준의 정밀도를 구현할 수 있었습니다.

 

NIL의 경제성

캐논은 NIL 시스템이 기존의 아르곤 불화물 리소그래피 시스템에 비해 43% 더 낮은 비용으로 동일한 결과를 생산할 수 있다고 말합니다. 또한 100웨이퍼/시간(wph) 작업을 목표로 하여, 비용 효율성을 더욱 향상시키기 위한 연구 개발을 진행 중입니다.

 

 

 

초기 사용자들

NIL의 장점에도 불구하고, 이미 EUV 시스템에 대규모 투자를 한 반도체 제조업체들이 NIL을 채택하는 것은 쉽지 않을 것입니다. EUV는 지난 10년 동안 여러 기술적 난관을 극복하며, 고생산성과 더 작은 패턴 생산을 위한 경로를 마련했기 때문입니다. 캐논은 일본과 해외의 잠재 고객들과 논의를 진행하고 있으며, 텍사스 전자 연구소에 첫 번째 상용 시스템을 출하한 바 있습니다. 또한, 기옥시아(구 도시바 메모리)는 수년간 NIL 시스템을 시험하고 있으며, 현재는 프로토타입 메모리 칩 생산을 위해 이 기술을 평가하고 있습니다.

미래 목표

캐논은 2028년부터 3D NAND 플래시 메모리를 20나노미터 선폭과 5나노미터 오버레이 정확도로 생산하는 마스크를 제작할 계획을 가지고 있습니다. 또한 DRAM 및 로직 장치에 대해서도 더 높은 해상도의 마스크와 정밀도를 목표로 하고 있습니다. 이러한 목표를 실현한다면, NIL은 EUV에 대한 매력적인 대안이 될 수 있습니다.

캐논의 NIL 기술이 상용화되면, 비용 효율성과 정밀도가 중요한 분야에서 EUV를 대체할 가능성이 매우 큽니다.

 

* 원본 기사: https://spectrum.ieee.org/nanoimprint-lithography