첨단 리소그래피 칩 제조에서 진가를 발휘하는 ADI의 데이터 취득 솔루션

반도체 제조 장비(SME) 시장은 반도체 칩 매출이 2022년 6,000억 달러에서 2030년 1조 달러로 증가할 것으로 예상됨에 따라 향후 5년간 상당한 성장을 달성할 것으로 예상됩니다. 센서는 칩 제조에 사용되는 첨단 리소그래피 시스템의 핵심입니다.

소형화, 복잡성, 고성능을 도모하는 추세에서, 반도체 칩 제조는 칩 제조에 사용되는 실리콘 웨이퍼 및 기타 기판에 복잡한 패턴을 인쇄하는 데 중요한 역할을 하는 매우 정밀하고 민감한 리소그래피 공정에 크게 의존합니다.

고급 리소그래피 시스템은 매우 정확하고 민감한 기술을 사용하여 공정 수율을 향상시킬 뿐만 아니라, 낭비를 최소화하고 공장 효율성을 최적화합니다. 집적 회로(IC) 대량 생산에 필수적인 미크론 이하 및 나노미터 수준의 정밀도를 달성하기 위해, 이러한 시스템은 위치, 온도, 에너지, 동작을 모니터링하고 제어하는 데 수천 개의 센서에 의존합니다.

전체 시스템 성능은 각 개별 센서의 정확하고 반복 가능한 성능에 따라 달라집니다. 고급 알고리즘은 대량의 센서 데이터를 해석하고 수천 개의 액추에이터를 사용하여 아주 미세하지만 세밀한 방식으로 필요한 조정을 수행합니다.

Analog Devices, Inc.(ADI)는 신호 체인 마이크로모듈 (µModule) 기술을 활용하여 리소그래피 반도체 제조 서브 시스템을 모니터링하고 제어하는 고성능, 소형 아날로그-디지털 데이터 취득(DAQ) 솔루션을 제공하여, 웨이퍼 제조업체 및 통합 장치 제조업체가 직면한 생산 과제를 해결합니다.

관련 배경

반도체의 지속적인 소형화로 인해, 스마트폰에서 슈퍼 컴퓨터까지 모든 장치의 성능과 함께 생성형 인공 지능(GenAI), 양자 컴퓨팅, IoT, 에지 컴퓨팅의 처리 요구 사항 또한 개선되고 있습니다. 머리카락 굵기의 만분의 1에 불과한 좁은 회로를 갖춘 반도체의 계속 줄어드는 크기 요건을 충족하기 위해서는 첨단 공정과 혁신적인 제어 시스템이 필요합니다.

리소그래피는 반도체 제조의 핵심 기술로, 실리콘 및 기타 기판 웨이퍼에 피처를 정밀하게 패터닝하여 IC를 제작할 수 있도록 합니다. 포토마스크 및 강력하고 매우 정확한 광선 또는 방사선을 사용하여 포토레지스트 재료로 코팅된 웨이퍼에 칩의 설계 패턴의 세부 사항을 전송합니다. 포토레지스트는 빛에 반응하고, 웨이퍼는 화학 물질로 처리되어 웨이퍼 기판의 회로 경로를 에칭합니다. 레이어링 공정에는 여러 개의 포토마스크가 사용됩니다.

고도로 전문화되고 매우 복잡한 리소그래피 반도체 제조 시스템은 이 분야의 지속적인 혁신에 필요한 고가의 R&D에 투자하고 기술적 과제를 수행할 수 있는 극소수의 기업에서만 생산됩니다.

ASML은 최첨단 칩 생산에 필수적인 독점적인 첨단 극자외선(EUV) 시스템을 통해 첨단 리소그래피 시장을 지배하는 업계 선도업체입니다. 최대 수억 달러의 비용이 드는 이 회사의 최첨단 시스템은 이제 2nm보다 작은 피처 크기의 칩을 생산할 수 있어 칩당 더 많은 트랜지스터를 제공하고 트랜지스터 간 간격을 좁힐 수 있습니다. 또한, 14nm, 28nm 및 더 큰 노드에서 제조된 칩에서 미드레인지 및 레거시 레이어를 보다 비용 효율적으로 생산하는 데 적합한 더 긴 파장을 활용하는 심자외선(DUV) 시스템을 제공합니다.

다른 리소그래피 반도체 제조 시스템은 Canon과 Nikon에서 생산하며, MEMS, 전력 반도체 및 산업용 응용 제품에 사용되는 하위 등급의 노드 제조를 위한 DUV 리소그래피 및 레거시 기술에 중점을 두고 있습니다.

극도의 정밀도 달성

리소그래피 공정은 미크론 이하 스케일의 패턴을 구현하기 위해 극도의 정밀도를 필요로 합니다. 센서와 액추에이터는 정밀도와 수율을 유지하기 위한 핵심 요소로, 더 작고 강력하며 에너지 효율적인 반도체를 개발하는 데 있어 지속적인 기술의 발전을 지원합니다.

센서는 액추에이터 제어에서 중추적인 역할을 하며, 실시간 피드백, 오류 수정, 환경 보정 기능을 제공합니다.

• 위치 센서는 웨이퍼, 포토마스크, 렌즈의 정확한 위치를 측정합니다.
• 진동 센서는 정렬에 지장을 줄 수 있는 진동을 감지하고 보정합니다.
• 환경 센서는 온도, 습도 및 공기질을 모니터링하여 정밀도에 대한 환경의 영향을 최소화합니다.
• 힘 및 스트레인 센서는 액추에이터가 정렬 및 위치 지정 중에 올바른 힘을 적용하도록 보장합니다.

센서는 액추에이터를 동적으로 조정하여 폐쇄 루프 피드백에 필수적인 실시간 데이터를 제공함으로써 정렬 및 패턴 정확도를 보장합니다. 실시간으로 편차를 감지하여 패턴화된 웨이퍼의 결함을 방지하고 포토마스크와 웨이퍼를 완벽하게 정렬하는데, 이는 다층 칩 설계에 있어 매우 중요합니다. 또한 오정렬이나 재작업으로 인한 지연을 최소화하는 데에도 매우 중요합니다.

센서와 액추에이터의 상호작용

DUV 및 EUV 리소그래피 시스템 모두는 수만 개의 센서를 사용하여 효율적인 고수율 반도체 제조에 필수적인 정밀도와 신뢰성을 달성합니다. 장비 제조업체가 차세대 리소그래피를 위한 피코미터 규모를 달성하고자 함에 따라, 정밀도와 신뢰성을 보장하는 센서와 액추에이터의 역할이 더욱 중요해지고 있습니다. 해당 부품의 원활한 상호 작용과 관리는 리소그래피 시스템 성공의 핵심입니다.

이러한 센서를 관리하려면 실시간 데이터 처리 및 고급 제어 시스템이 필요합니다. 리소그래피 시스템에서 센서와 액추에이터 간의 상호작용은 반도체 제조업체와 고객이 요구하는 정밀도와 신뢰성을 달성하기 위해 세심하게 조율되어야 합니다. 이 복잡한 공정은 실시간 피드백 메커니즘, 정교한 제어 알고리즘, 복잡한 서브 시스템 간의 원활한 통합에 달려 있습니다.

센서는 위치, 온도, 압력, 진동과 같은 파라미터를 지속적으로 모니터링합니다. 원하는 파라미터와의 편차는 실시간으로 수정되어야 합니다. 액추에이터는 웨이퍼 또는 마스크의 배치를 위해 마이크로 또는 나노 단위에 반응하고, 광학 초점 또는 광원 정렬을 미세 조정하도록 설정됩니다.

웨이퍼 스테이지 포지셔닝에서 센서는 나노미터 이하의 정밀도로 움직임을 추적합니다. 선형 모터 또는 압전 소자와 같은 액추에이터는 스테이지의 위치를 동적으로 조정하여 포토마스크와 정확한 정렬을 유지합니다. 광학 정렬 센서는 빛의 경로를 모니터링하고 액추에이터는 미러 또는 렌즈를 조정하여 초점과 패턴의 정확성을 보장합니다.

중앙 집중식 제어

중앙 집중식 제어 장치는 수천 개의 센서에서 데이터를 모니터링 및 처리하고 액추에이터에 명령을 보냅니다. 이러한 시스템은 고속 프로세서 및 정교한 알고리즘을 활용하여 상호 작용을 원활하게 관리하고 여러 서브 시스템 간의 동기화를 보장합니다. 나노미터 수준의 정확도를 달성하려면 데이터 처리 및 액추에이터 응답 지연을 최소화해야 합니다.

센서와 액추에이터는 EtherCAT, 이더넷 또는 독점 인터페이스와 같은 고속, 저지연 통신 프로토콜을 통해 연결됩니다. 이러한 네트워크는 부품 간의 신속한 데이터 교환과 조정을 용이하게 합니다.

센서 판독값 또는 액추에이터 성능의 드리프트는 모니터링을 통해 감지되며, 적응형 제어 알고리즘을 사용하여 보정됩니다. 머신러닝 알고리즘은 과거 데이터를 분석하여 잠재적인 편차나 장비의 마모를 예측함으로써, 예측 유지보수 및 액추에이터 성능의 최적화를 실현합니다.

반도체 노드가 계속 축소됨에 따라, 센서와 액추에이터의 통합은 점점 더 중요해지고 있습니다. 간섭계는 웨이퍼 스테이지 위치를 나노미터 단위의 정밀도로 측정하고, 액추에이터는 정렬 및 진동 센서의 피드백을 기반으로 스테이지 위치를 동적으로 조정합니다. 광학 센서는 빛의 초점과 강도를 모니터링하고, 압전 액추에이터는 렌즈나 거울을 조정하여 초점을 유지함으로써 회로 설계를 웨이퍼에 정확하게 투영합니다. 카메라나 광학 센서도 입자나 불규칙성을 감지하는 데 사용되며, 액추에이터는 결함을 방지하기 위해 웨이퍼나 마스크의 위치를 변경하거나 자동화된 세정 절차를 시작하라는 메시지를 표시합니다.

신호 체인 성능

각 리소그래피 반도체 제조 시스템에서 각 센서의 성능은 매우 중요합니다. ADI의 ADAQ7768-1(그림 1)은 ADI의 µModule 기술을 기반으로 하는 DAQ 시스템으로, 정밀 측정 및 제어 시스템의 성능을 간소화하고 향상하도록 설계되었습니다. 단일 시스템 인 패키지(SiP) 솔루션에는 높은 입력 임피던스 증폭, 앤티앨리어싱, 신호 컨디셔닝, 아날로그-디지털(A/D) 변환, 구성 가능한 디지털 필터링 블록이 통합되어 있습니다.

그림 1: ADI의 ADAQ7768-1 µModule 데이터 취득 시스템. (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

μModule은 저항기 및 커패시터와 같은 수동 부품과 연산 증폭기, 레퍼런스, 저드롭아웃 저항기(LDO)와 같은 능동 부품, 그리고 A/D 변환을 통합함으로써, 온도 및 전원 공급 장치의 변화에도 완벽한 신호 체인 성능을 보장합니다. 따라서, 압력, 온도 및 진동 센서에서 신호를 수집하기 위한 정밀하고 반복 가능한 고성능 신호 체인을 구현할 수 있습니다.

그림 2 블록 다이어그램에서 볼 수 있듯이, ADAQ7768-1은 여러 부품을 단일 µModule에 통합합니다. 여기에는 24비트 정밀 아날로그 디지털 컨버터(ADC), 증폭기 및 필터와 같은 신호 조정 부품, 전력 관리 및 레퍼런스 회로망이 포함됩니다.

그림 2: ADAQ7768-1 µModule 제품 구성도. (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

24비트 ADC를 사용하면 웨이퍼 스테이지의 진동 수준, 광학 조립품의 열 변화, 나노미터 미만의 위치 오류와 같은 섬세한 파라미터를 정밀하게 측정할 수 있습니다.

여러 센서(압력, 온도, 진동 센서 등)를 여러 능동 및 수동 부품을 포함하는 ADAQ7768-1의 아날로그 프런트 엔드(AFE)에 연결할 수 있습니다. 여러 모듈을 병렬로 사용하여 대규모 센서 어레이(웨이퍼 스테이지 정렬 또는 환경 조건을 모니터링하는 센서 등)의 데이터를 관리할 수 있습니다.

전원 공급 장치 잡음은 리소그래피 시스템 측정의 정밀도와 신뢰성에 직접적인 영향을 미칠 수 있지만, ADAQ7768-1은 단일 전원 공급 장치로 작동하도록 설계되어 시스템 설계를 간소화하고 추가적인 외부 전력 관리 회로의 필요성을 줄여줍니다.

전력 관리 설계는 전원 공급 리플과 잡음을 최소화하는데, 이는 통합 저잡음 24비트 ADC와 신호 조정 체인의 높은 정확도를 유지하는 데 있어 매우 중요합니다.

ADAQ7768-1은 단일 조정된 5.3V 입력을 사용하여 작동하도록 설계되었으며, 입력 전압 범위는 5.1V ~ 5.5V 사이에서 약간의 변동이 있습니다. 이 모듈에는 다양한 내부 서브 시스템에 깨끗하고 안정적인 전력을 공급하기 위한 내부 LDO가 포함되어 있습니다.

ADAQ7768-1은 설계자가 개별 신호 체인 부품을 소싱하고 보정할 필요가 없어 설계 복잡성을 줄이고 시제품 제작 및 테스트 단계를 간소화하여, 출시 기간을 단축할 수 있도록 지원합니다.

제품 설계자는 ADI의 EVAL-ADAQ7768-1 평가 기판(그림 3)을 활용하여 시제품 제작을 간소화하고, 개발을 가속화하며, ADAQ7768-1을 시스템에 통합하는 정밀 데이터 취득 설계의 검증을 지원할 수 있습니다. 이는 나노미터 이하의 위치 지정 및 정렬 공정에서 시스템이 예상대로 작동하도록 보장하는 데 매우 중요합니다.

그림 3: ADAQ7768-1 데이터 취득 솔루션을 기반으로 구축된 시제품 제작 및 응용 제품 테스트를 위한 ADI의 평가 기판. (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

이 평가 기판은 사전 조립된 신호 체인 부품으로 ADAQ7768-1을 테스트할 수 있는 완전한 기능의 플랫폼을 제공하며, 표준 테스트 장비 또는 마이크로 컨트롤러에서 플러그 앤 플레이 작동을 제공합니다. 설계자는 설계의 성능을 평가 및 최적화하고, 다양한 환경 조건에서 다양한 센서 유형( ) 및 신호 발생기를 테스트하여 최적의 입력 신호 조정을 달성할 수 있습니다.

결론

모니터링 및 제어를 위해 수천 개의 센서에 의존하는 첨단 리소그래피 시스템은 더 작고 강력한 반도체 제조를 위해 매우 중요합니다. 센서는 액추에이터 제어에서 중추적인 역할을 하며, 실시간 피드백을 제공하고, 반도체 제조에서 정밀도와 수율을 보장합니다. ADI의 ADAQ7768-1 데이터 취득 시스템은 신호 조정, 변환 및 처리 블록을 통합하여 정밀 측정 및 제어 시스템을 간소화하고 향상시킵니다. 콤팩트한 크기, 높은 정확도, 사용 편의성으로 극도의 정밀도와 신뢰성이 요구되는 차세대 리소그래피 장비를 개발하는 데 유용한 도구입니다.