"자이스 광학 기술, 반도체 수율의 핵심…3D 낸드 불량도 확인해"

최신 3나노(nm) 파운드리 공정에서 삼성전자는 '수율' 문제로 TSMC에 다수의 고객을 뺏겼다. 삼성전자와 SK하이닉스가 최신 HBM과 3D 낸드 플래시 기술을 가지고 있지만 난이도 높은 공정에 낮은 수율로 고객사들이 원하는 만큼 제품 생산하기 어렵다.

세계적인 광학 기술 회사인 자이스(ZEISS)는 삼성전자와 SK하이닉스를 비롯한 반도체 제조 기업들이 겪고 있는 수율 문제를 개선하는 핵심 기술을 다수 보유하고 있는 기업이다. 

또한 자이스는 ASML의 EUV(극자외선) 노광장비의 핵심 부품을 제공하고 다수의 특허도 보유하고 있다. 특히 삼성전자, SK하이닉스, TSMC가 수주를 기다리고 있는 최신 하이(High) NA EUV 장비에서 자이스의 역할은 더욱 중요해지고 있다.

이에 매튜 M. 윌슨(Matthew M. Willson) 자이스 코리아 부사장을 만나 최신 반도체 공정에서 자이스가 하는 역할에 대해 물었다.

Q 먼저 자이스는 어떤 기업인가? 

자이스 그룹은 독일 오버코헨에 본사를 둔 기업이다. 반도체 기술, 산업 품질 및 연구, 의료 기술 및 소비자 광학 기술 4개 분야의 혁신적인 솔루션을 제공한다. 

반도체 제조에서 자이스는 리소그래피(Lithography, 노광) 광학 모듈의 핵심 제조사다. 안경 렌즈, 카메라 렌즈, 백내장 렌즈 및 스마일 라식 기술 등 광학이 활용되는 소비자 제품도 제공한다.

Q 자이스의 기술력과 반도체 수율에는 어떤 관련이 있나?

포토마스크(Photomask)는 반도체 공정의 첫 단추다. 조금의 결함이라도 있다면 최종 제품에 큰 영향을 끼치기에 수율과 매우 직접적인 관련이 있다. 자이스는 포토마스크에 대한 결함 평가 및 리페어 솔루션을 지원한다. DUV(심자외선)와 EUV 포토마스크 분석, 평가 및 수리 까지를 진행이 가능한 통합 솔루션을 제공한다. 

또한 자이스의 공정제어 솔루션(PCS)은 반도체를 단층 촬영, 계측 등의 다양한 역할로 반도체의 불량을 확인할 수 있다. 예를 들어 3D 낸드의 일관성이나 내부 구조 문제를 확인하는 경우, 제품의 형상, 오버레이 또는 어셈블리 상태를 정확하게 분석할 수 있다. 작은 결함조차도 개별 단면 이미지를 통해 가시화할 수 있으며, 다양한 기준에 따라 자동으로 평가할 수 있다.

Q. 한국 반도체 기업에는 어떤 기술을 제공하고 있나? 

자이스는 포토마스크에서 파티클을 제거하는 새로운 기술을 위해 노력 중이다. 파티클로 인한 반도체 수율 저하는 양산에 중요한 이슈이다. 

자이스의 PRT(Particle Removal Tool) 시스템은 EUV 콜택홀과 같이 매우 작은 피처에서도 입자를 제거할 수 있다. 이를 통해 포토마스크 및 EUV 펠리클에서 발생할 수 있는 아주 작은 파티클까지도 제거할 수 있는 기술이다.  

또한 실시간 이미징 기능으로 사용자에게 실시간 피드백과 더불어 파티클을 제거하는 기능을 제공한다. 자이스의 3D 단층촬영(Tomography) 계측 솔루션도 중요한 제품이다. 

올해 한국 고객과의 협업을 통해 기존의 반도체 일부분만 잘라 샘플 계측하는 파괴방식에서 나아가 300밀리미터(㎜) 메모리 웨이퍼에서 전체를 측정할 수 있는 비파괴 방식의 시스템을 배치할 목표를 가지고 있다. 자이스 역시 한국 반도체 고객이 관심이 많은 자동화 및 AI, 머신 러닝 등 다양한 소프트웨어 솔루션도 제공하기 위해 노력하고 있다.  

Q. EUV에 자이스의 기술력은 얼마나 중요한가?

자이스는 EUV의 기술 개발에 ASML과의 전략적 파트너십을 기반으로 협력하고 있다. EUV와 관련된 광학계를 제공하는 부분은 많이 알려진 자이스의 기술이다. 

이 외에도 자이스는 ▲무결점 EUV 포토마스크 제조를 위한 솔루션 ▲포토마스크 평가 시스템을 통한 이미지 분석 및 데이터 처리 자동화 ▲EUV 포토마스크 리페어 ▲파티클 제거 시스템(PRT) ▲펨토초 레이저 처리를 통한 EUV 마스크 튜닝 ▲블랭크 마스크 측정을 위한 솔루션 등을 제공한다.

EUV 포토마스크는 기존 DUV 마스크보다 훨씬 복잡하고 비싸기 때문에 제조 과정에서의 마스크 손실 방지에 대한 중요도가 높다.

Q. 하이 NA EUV와 기존 EUV에서 자이스 기술력의 차이는 무엇인가?

기존 EUV광원의 파장은 13.5나노, NA(뉴메리컬 어퍼처)는 0.33이다. NA는 빛의 집광 능력을 나타내는 수치로 , 렌즈의 크기를 재는 척도다. 차세대 하이 NA EUV는 보다 빛의 집광 능력을 키워 보다 미세한 회로 구현을 가능케한다. 말 그대로 하이 NA라는 건 결국 렌즈를 사이즈를 키워, 파장을 구하는 공식 상에서 분모를 키우는 것과 같다

"이 렌즈에 대한 기술이 자이스에 있다"
 
자이스는 하이 NA를 구현하기 위해 25년이상의 기간동안 천만 시간 이상의 노력을 연구 개발에 진행했다. 2000개 이상의 특허, 1200 이상의 파트너사와의 협업 등을 포함한 결실이다. 

하이 NA EUV 리소그래피용 조명 시스템은 약 25,000개의 부품으로 구성되어 있으며 무게는 6톤이 넘지만 이를 통해 구현하는 패턴은 나노미터, 0.0000001cm에 해당한다. EUV 반사 거울은 독일 전체의 표면적의 큰 거울에 오차가 0.01 센티미터 이하를 구현해야 한다. 0.01이라는 숫자는 사람의 머리카락 수준이다.

Q. 마지막으로 하고 싶은 말이 있다면?

자이스는 지난 175년 이상의 역사와 함께 광학 전문 기업으로 반도체 시장에 필요한 솔루션을 위해 수년간 노력해왔다. 현재 반도체 시장은 패키징에 많은 관심과 집중이 있는 만큼, 자이스 역시 한국 고객이 관심을 가질 만한 다양한 패키징 솔루션을 보유하고 있다. 이 부분을 위한 고객과의 협의를 통해 긍정적인 결과물을 만들이 위해 노력하려고 한다.

매튜 M. 윌슨은 지난 20년 이상의 반도체 분야의 전문가로 현재 자이스 코리아(ZEISS Korea)에서 한국 반도체 고객 담당 임원을 역임했다. 한국 고객사에 반도체 개발과 양산에 필요한 기술, 자이스의 솔루션 등을 설명하고 고객사의 로드맵에 자이스의 기술이 적용될 수 있는 역할과 자이스 본사에 한국 고객사의 요청 사항 등을 전달해 글로벌 프로젝트가 진행될 수 있는 가교역할을 수행한다.