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▲ 사진=어플라이드 머티어리얼즈가 전자빔 이미징 분야의 혁신 기술인 ‘냉전계 방출(CFE∙Cold Field Emission)’를 상용화했다

재료공학 솔루션 분야 글로벌 선도기업 어플라이드 머티어리얼즈가 전자빔(eBeam) 이미징의 혁신을 가져올 ‘냉전계 방출(CFE·Cold Field Emission)’ 기술을 상용화했다고 13일 밝혔다. 또 어플라이드는 자사 최초로 CFE 기술에 기반한 전자빔 시스템 ‘SEM비전 G10(SEMVision® G10)’과 ‘프라임비전 10(PrimeVision® 10)’ 등 신제품 2종을 출시했다.

어플라이드 머티어리얼즈의 CFE 기술을 활용하면 고객들은 나노미터 단위의 기저부 결함에 대한 검사와 이미징 작업을 향상시킬 수 있다. 이 기술의 상용화로 차세대 게이트 올 어라운드(GAA·Gate-All-Around) 로직 칩은 물론 고집적도 D램, 3D 낸드 메모리의 개발·생산 속도가 크게 빨라질 전망이다.

현재 반도체 제조사들은 크기가 너무 작아 광학시스템으로 확인되지 않는 결함을 검출·분류하기 위해 전자빔 기술을 사용한다. 반도체 제조사들이 극자외선(EUV) 리소그래피를 사용해 2D 로직과 D램 미세화의 한계를 극복하고 GAA 로직 트랜지스터, 3D 낸드 메모리 등 복잡한 3D 아키텍처로 전환을 가속화함에 따라 표면 및 기저부의 결함 검출 작업은 점점 어려워지고 있다.

하지만 이제는 CFE 기술을 통한 전자빔 이미징 분해능과 속도 혁신으로 반도체 제조사들이 칩 개발 속도를 높이고, 대량 생산 과정에서 전자빔 기술을 더욱 폭넓게 적용할 수 있게 됐다.

◇ 차세대 전자빔 기술 ‘CFE’

기존 고온전계 방출형(TFE·Thermal Field Emission) 전자빔 시스템은 1500℃ 이상에서 작동한다. 온도를 낮추면 빔 폭은 좁아지고 전자 개수가 많아지기 때문에 물리학자들은 나노미터 이하의 이미지 분해능과 10배 빠른 이미징 속도를 구현하는 CFE 전자빔 기술의 상용화에 수십 년 간 큰 노력을 기울여왔다.

TFE 시스템에서는 불순물이 자동으로 제거되지만 기존 CFE 기술로는 시스템 내 불순물이 전자빔 방출기에 축적돼 전자 흐름을 저해하므로 상용 애플리케이션에 적합한 안전성을 구현할 수 없었다. 이에 어플라이드는 이번에 CEF 전자빔 시스템 양산을 가능하게 하는 △극도의 초고진공 전자빔 컬럼 △새로운 자가 세정 모드라는 두 가지 혁신을 이뤘다.

먼저 어플라이드는 전자빔 방출기를 포함한 핵심 컴포넌트로 구성된 독보적 초고진공 전자빔 컬럼을 개발했다. 이 새로운 CFE 컬럼은 극도의 초고진공 운영 환경에서도 오염 물질을 현저히 낮추는 특수 개발 챔버 소재를 결합했으며, 특수 펌프를 통해 1x10⁻¹¹밀리바(mb)를 훨씬 밑도는 진공 상태를 유지하도록 지원한다. 이 수치는 TFE 시스템에 비해 2~3자릿수(수십에서 수백 배) 향상된 것으로, 우주의 진공 상태와 사하다.

다만 극도의 초고진공 상태에서도 전자빔 컬럼에 극미량의 잔류 가스가 형성될 수 있다. 전자빔 소스부(source tip)에 하나의 원자라도 부착되면 이 원자가 전자 방출을 부분적으로 가로막아 안정치 못한 운영을 발생시킬 수 있다. 어플라이드는 CFE 소스에서 오염물을 지속적으로 제거해 안정적이고 균일한 성능을 구현하는 새로운 순환적 자가 세정 프로세스를 개발했다.

키스 웰스(Keith Wells) 어플라이드 머티어리얼즈 이미징·공정제어그룹 부사장은 “CFE 상용화는 지난 수십 년간 전자빔 기술 분야에서 이룬 가장 큰 진보”라며 “업계에서 가장 높은 분해능과 전자밀도를 제공하는 어플라이드의 새로운 CFE 기술로 반도체 제조사들은 기존에는 확인할 수 없었던 결함을 빠르게 검출하고 이미징할 수 있다”고 말했다.

◇ CFE 기술 기반 전자빔 시스템 2종 발표

어플라이드 SEM비전(SEMVision) 제품군은 전 세계에서 가장 진보되고 널리 사용되는 전자빔 계측 시스템으로, 고객들이 가장 작은 결함을 이미징해 칩 공정 개발과 대량 생산에 영향을 미치는 문제를 파악하도록 지원한다.

새로운 SEM비전 G10 결함 리뷰 시스템은 CFE 기술을 사용해 나노미터 이하의 이미지 분해능과 어플라이드의 기존 최고 성능 제품 대비 최대 3배 빠른 이미징 작업을 구현했다. 모든 로직 GAA 고객사가 SEM비전 G10 시스템을 공정 개발 툴로 선택해 이 시스템은 이미 4억달러 이상의 매출을 거뒀다. 또 유수의 메모리 고객사들이 신규 D램과 낸드 공정 노드를 개발하고, 기존 메모리 노드의 대량 생산 능력 확대를 위해 SEM비전 G10 시스템을 배치하고 있다.

프라임비전 10 결함 검출 시스템은 어플라이드 전자빔 포트폴리오에 새롭게 합류된 제품이다. 이 시스템은 웨이퍼 표면 미세 결함을 검사하기 위한 나노미터 단위의 분해능은 물론 3D GAA 구조 로직 소자, 고종횡비(High Aspect Ratio) 메모리 소자의 수율에 영향을 미치는 치명적 결함을 검사하는 3D 검사 기술을 특징으로 한다. 프라임비전 10 시스템은 높은 전자빔 밀도로 TFE 기반 전자빔 계측 시스템보다 최대 10배 빠른 속도로 고분해능 이미지를 생성할 수 있다.

어플라이드 머티어리얼즈는 2021년도에 10억 달러 이상의 수익과 50%가 넘는 전자빔 시장 점유율 기록하며, 공정 제어 업계에서 전자빔 시스템 분야 최대 공급 업체로 떠올랐다.

어플라이드의 CFE 기술과 최신 시스템에 대한 자세한 정보는 어플라이드 홈페이지 내 웹페이지와 어플라이드 머티어리얼즈 코리아 유튜브에서 확인할 수 있다.