기준일을 100으로 놓고 그린 선입니다. 통화가 서로 달라 지수로 겹쳤습니다.
칩이 비싼 건 공장이 커서가 아니라
빛 한 알이 모자라서다
아래 패턴은 그려 넣은 그림이 아니라 빛 알갱이를 세어 새긴 것입니다. EUV 광자는 한 알이 91.8 eV — 자외선(6.4 eV)의 14배로 셉니다. 같은 에너지를 주면 개수가 14배 적습니다. 개수가 적으면 √N 만큼 흔들리고, 흔들리면 선이 끊깁니다.
왜 하필 13.5 나노미터인가
CD = k₁ · λ / NA
렌즈로 그릴 수 있는 가장 가는 선은 파장에 비례합니다. 자외선(193 nm)으로는 물에 담가 렌즈 성능(NA)을 1.35까지 끌어올려도 35.7 nm가 한계였습니다. 그 아래로 가려면 방법이 하나뿐이었습니다 — 파장을 통째로 바꾸는 것.
| 방식 | 파장 | NA | 가장 가는 선 | 초점 심도 |
|---|---|---|---|---|
| DUV 액침 | 193 nm | 1.35 | 35.7 nm | 106 nm |
| EUV | 13.5 nm | 0.33 | 10.2 nm | 124 nm |
| High-NA EUV | 13.5 nm | 0.55 | 6.1 nm | 45 nm |
다만 NA를 올리면 초점 심도가 제곱으로 나빠집니다(DOF = λ/NA²). 0.33 → 0.55 로 가면 해상도는 1.67배 좋아지는데 초점 심도는 2.78배 나빠집니다. 웨이퍼가 그만큼 더 평평해야 하고, 한 번에 찍는 면적도 절반으로 줍니다. High-NA 는 공짜가 아니라 맞바꿈입니다.
렌즈를 쓸 수 없다
EUV 는 유리도 공기도 다 먹어치운다
13.5 nm 빛은 거의 모든 물질에 흡수됩니다. 유리 렌즈를 통과하지 못하니 장비 전체가 반사경으로 만들어집니다. 그것도 몰리브덴과 실리콘을 수십 층 번갈아 쌓은 특수 다층막이고, 그렇게 해도 반사율이 70%★입니다.
거울 한 장 지날 때마다 30%를 잃습니다. 위 판에서 보이듯 10장을 지나면 2.8%만 남습니다. 광원이 250 W를 내도 웨이퍼에 닿는 건 7 W입니다. 장비 전체가 먹는 전기가 1.4 MW★이니, 벽 콘센트 기준 효율은 0.0005%입니다.
그래서 EUV 장비 안은 진공이어야 하고(공기도 흡수한다), 거울 한 장을 줄이는 게 성능이자 원가입니다. High-NA 가 어려운 이유 중 하나도 거울이 늘기 때문입니다.
★그리고 광자가 부족하다 — 또 √N 이다
이미지 센서에서 본 그 법칙이 여기서 다시 나온다
같은 에너지를 주더라도 광자 한 알이 세면 개수가 적습니다. EUV 광자는 91.8 eV, DUV 는 6.4 eV — 14.3배 차이입니다. 개수가 적으면 푸아송 요동(√N)이 커지고, 그 요동이 선을 끊고 구멍을 막습니다. 이것이 확률적 결함(stochastic defect)이고, 오늘 EUV 의 가장 큰 숙제입니다.
| 빛 · 칸 크기 | 닿는 광자 | 흡수 | √N 요동 |
|---|---|---|---|
| DUV 193nm · 20nm | 116,590 | 34,977 | ±0.5% |
| DUV 193nm · 10nm | 29,148 | 8,744 | ±1.1% |
| EUV 13.5nm · 20nm | 8,155 | 1,223 | ±2.9% |
| EUV 13.5nm · 10nm | 2,039 | 306 | ±5.7% |
노광량 30 mJ/cm² 기준. 흡수율은 EUV 15%★ · DUV 30%★. 같은 10 nm 칸에서 EUV 는 DUV 보다 5.3배 시끄럽습니다.
확률이 아주 작아도 소용없습니다. 칩 하나에는 새겨야 할 자리가 1,000억 개★ 있습니다. 실패 확률이 백만분의 1이어도 10만 군데가 틀립니다. 그중 한 군데만 치명적인 자리에 있어도 그 칩은 버려집니다 — 확률적 결함이 곧 수율이고, 수율이 곧 칩값입니다.
해결책도 이미지 센서와 똑같습니다 — 더 세게 쬐는 것(노광량↑). 위 손잡이에서 노광량을 올려 보세요, 결함이 줄어듭니다. 대신 웨이퍼 한 장에 걸리는 시간이 그만큼 길어집니다. 장비 한 대가 시간당 찍는 장수가 곧 원가이므로, 품질과 속도를 맞바꾸는 것입니다. 카메라의 나이트 모드가 몇 초를 쓰는 것과 정확히 같은 거래입니다.
13.5 나노 빛은 어떻게 만드나
주석 방울을 초당 5만 개 떨어뜨려 레이저로 때린다
이 파장을 내는 램프는 없습니다. 그래서 플라즈마를 만들어 씁니다 — 지름 27 μm★짜리 주석 방울을 초당 5만 개 떨어뜨리고, 날아가는 방울 하나하나를 레이저가 두 번 때립니다. 첫 발로 납작하게 펴고, 둘째 발로 터뜨립니다. 초당 10만 발입니다.
| 항목 | 값 | 메모 |
|---|---|---|
| 방울 하나 | 27 μm · 0.1 ng | 머리카락 굵기의 3분의 1 |
| 주석 소모 | 3.77 mg/초 | 하루 0.33 kg |
| 플라즈마 온도 | 약 46만 K★ | 태양 표면(5,778K)의 80배 |
| CO₂ 레이저 | 25 kW★ | → EUV 1,250 W (변환 5%★) |
| 웨이퍼 도달 | 35 W | 레이저 대비 0.141% |
| 웨이퍼 한 장에 | 방울 15만 개 | 주석 11 mg |
이 장치가 하루 24시간, 몇 년을 초당 10만 발로 정확히 맞춰야 합니다. 빗나가면 빛이 안 나오고, 터진 주석이 거울에 튀면 반사율이 떨어집니다. ASML 이 사실상 혼자 만드는 이유가 여기 있습니다 — 물리보다 이걸 계속 돌리는 일이 어렵습니다.
그래서 얼마짜리 시간인가
결함을 줄이려면 세게 쬐야 하고, 세게 쬐면 느려지고, 느려지면 비싸진다
웨이퍼 한 장(300 mm, 707 cm²)에 30 mJ/cm² 를 넣으려면 21.2 J 이 듭니다. 웨이퍼에 도달하는 빛이 7.1 W 이니 순수 노광은 3.0초입니다. 그런데 공개 사양의 처리량은 시간당 160장★, 즉 한 장에 22.5초입니다.
★노광은 전체 시간의 13% 뿐입니다. 나머지 19.5초는 스테이지가 움직이고, 정렬을 맞추고, 웨이퍼를 갈아 끼우는 시간입니다. 이 사실이 두 가지를 뒤집습니다.
| 노광량 | 노광 시간 | 처리량 | 웨이퍼당 장비 원가 | 30mJ 대비 |
|---|
첫째 — 노광량을 3.3배 올려도 처리량은 24%만 떨어집니다. 기계 동작이 대부분이라 빛을 더 쓰는 대가가 생각보다 작습니다. 그래서 확률적 결함이 심한 층에는 돈을 더 내고 세게 쬐는 선택이 성립합니다.
| 광원 출력 | 웨이퍼 도달 | 노광 시간 | 처리량 | 250W 대비 |
|---|---|---|---|---|
| 100 W | 2.8 W | 7.5초 | 133 wph | 83% |
| 250 W | 7.1 W | 3.0초 | 160 wph | 100% |
| 500 W | 14.1 W | 1.5초 | 171 wph | 107% |
| 1,000 W | 28.2 W | 0.75초 | 178 wph | 111% |
둘째 — 광원을 4배로 키워도 처리량은 11%밖에 안 늘어납니다. 빛이 병목이던 시절은 지났고, 지금 벽은 기계가 움직이는 시간입니다. 광원 출력 경쟁이 수확체감에 들어섰다는 뜻이고, 다음 싸움은 스테이지 속도와 정렬입니다.
장비 한 대가 2,700억 원★, 5년, 가동률 85% 라면 웨이퍼 한 장이 지는 장비값이 4만 5천 원입니다. 노광량을 100 mJ 로 올리면 5만 9천 원이 됩니다. 결함을 줄이는 값이 웨이퍼 장당 1만 4천 원으로 붙습니다 — 그 웨이퍼에서 칩이 몇 개 나오느냐로 나누면 그게 칩값에 실리는 몫입니다.
그리고 EUV 를 안 쓰면 어떻게 되는지도 여기서 나옵니다. DUV 로는 35.7 nm 아래를 한 번에 못 그리니 2~4번 나눠 찍어야 합니다(멀티패터닝). 노광이 4번이면 식각·증착도 그만큼 따라붙습니다. EUV 한 대가 비싼 게 아니라, 안 쓰는 게 더 비싼 것입니다.
풀고 있는 식 — 광자 한 알의 값
13.5 nm 빛이 비싼 건 만들기 어려워서만이 아닙니다. 알갱이 하나가 너무 세서 같은 에너지를 주려면 알갱이 수가 적어지고, 적으면 세는 오차가 커집니다.
30 mJ/cm² 를 13 nm 각 픽셀에 주면 → 광자 약 3,400개
세는 오차(푸아송) = √N / N = 1/√3400 = 1.7% 이 흔들림이 선폭 거칠기가 된다
여기서 EUV 의 딜레마가 나옵니다. 선을 가늘게 그릴수록 픽셀 면적이 줄고, 면적이 줄면 그 자리에 떨어지는 광자 수 N 이 줄고, N 이 줄면 오차 1/√N 이 커집니다. 가늘게 그리려는 목적과 정확히 그리려는 목적이 같은 식 안에서 싸웁니다.
해법은 광자를 더 퍼붓는 것(노출량 ↑)인데, 그러면 처리량이 떨어집니다 — 장비 한 대가 시간당 찍는 웨이퍼 수가 줄어 칩값이 오릅니다. “칩이 비싼 건 빛 한 알이 모자라서”라는 말이 정확히 이 삼각형입니다.
실물은 이렇게 생겼다
위 판은 광자 수를 세어 그린 계산 결과입니다. 그 13.5 nm 빛을 실제로 다루는 장비가 어떻게 생겼는지, 라이선스가 확인되는 사진으로 짚습니다.
① 통이 큰 이유 — 이 빛은 공기 속을 못 지나간다
왼쪽에 방진복을 입은 사람이 서 있고, 그 오른쪽의 볼트가 빙 둘러 박힌 금속 통이 본체입니다. 13.5 nm 빛은 공기에 먹힙니다. 그래서 빛이 지나는 길을 통째로 진공으로 비워야 하고, 그 통을 견디게 만들다 보니 기계가 이렇게 커집니다. 위 판이 말하는 “광자 한 알이 아쉽다”는 사정도 여기서 옵니다 — 렌즈로 통과시키지 못해 거울로 튕겨 보내는데, 튕길 때마다 빛이 줄어듭니다.
★이건 양산 장비가 아니라 연구용 시제기입니다. 미국 로렌스 리버모어 연구소가 1990년대에 만든 것으로, 지금 팹에서 도는 상용 노광기와는 크기도 구조도 다릅니다. 여기서 볼 것은 특정 제품이 아니라 진공 챔버가 왜 필요한가입니다.