Cymer는 3nm 칩을 인쇄하는 빛을 만들기 위해 초당 50,000개의 주석 액적에 레이저를 쏘았다

2000년대에 이르러 업계는 파장이 바닥났다. 무어의 법칙을 일정대로 유지하려면 칩 제조사들은 13.5nm 리소그래피가 필요했는데, 이는 어떤 레이저로도 만들어낼 수 없고 어떤 렌즈로도 투과시킬 수 없는 빛이었다. 그 빛은 주석 원자를 Sn IX부터 Sn XIV까지의 전하 상태로 벗겨낼 만큼 뜨거운 플라스마에서 나와야 했으며, 그 방출선이 13.5nm에 몰려 있었다. 그것을 초당 50,000번, 수년 동안, 진공 용기 안에서, 그 빛을 모으는 광학계를 망가뜨리지 않고 만들어야 했다.

당연한 시도들은 실패했다. 고체 주석 타깃을 태우는 방식은 집광 거울을 파편으로 덮었고, 방전 방식 설계는 낮은 출력에서 침식되는 전극을 폭발 영역에 두었다. 이미 대부분의 칩 스캐너용 심자외선 광원을 만들던 샌디에이고 회사 Cymer는 액적 공급 방식이라는 답에 수년과 자본을 쏟았다. 약 25마이크론의 용융 주석 방울을 70m/s로 발사하는 발생기, 각 방울을 저밀도 팬케이크로 팽창시키는 선행 펄스, 그리고 그것을 이온화해 5–6% 변환 효율로 13.5nm에서 방출하는 플라스마로 만드는 10.6마이크론 CO2 주 펄스가 그것이다. 이는 약 250와트의 사용 가능한 빛이다.

EUV에서 여전히 살아남은 유일한 리소그래피 시스템 제조사인 ASML은 광원이 남의 손에 맡기기에는 너무 중요하다고 판단했다. 2012년 10월 17일 ASML은 Cymer를 현금과 주식으로 19억 5천만 유로에 인수하기로 합의했다. 주당 20.00달러에 ASML 주식 1.1502주를 더하는 방식으로, 61%의 프리미엄이었다. 명시적으로 'EUV 개발을 가속화하기 위해서'였다. 그때까지 ASML의 양산 전 NXE:3100 스캐너는 고객 현장에서 이미 23,000장 이상의 웨이퍼를 노광했다.

거래는 2013년 5월 30일 약 37억 달러에 마무리되었는데, ASML 주가가 거의 두 배로 오르면서 발표 당시보다 더 커졌다. Cymer는 ASML의 미국 기반 광원 사업부로 계속 운영되며, 경쟁 스캐너 제조사에도 독립적으로 계속 공급했다.

플라스마에 액적을 공급하라. 타깃이 스스로 재생되게 하라

주석은 13.5nm에서 유일하게 실용적인 방출체이므로, 진짜 설계 문제는 플라스마가 아니라 그것을 견디는 일이었다. 액적은 타깃을 일회용으로 만들어 그 문제를 해결한다.

이중 펄스 방식은 타깃을 태우기 전에 형태를 만든다. 선행 펄스로 만든 팬케이크 덕분에 CO2 펄스가 효율적으로 결합하며, 변환 효율을 제조에 필요한 5–6%까지 끌어올린다.

수소 가스는 증착된 주석을 펌프로 배출되는 스탄난 가스로 바꾸므로, 집광 거울이 장비를 멈추지 않고 제자리에서 스스로 청소된다.

ASML은 EUV 프로그램을 공급업체 협상에 걸지 않고 광원 제조사를 인수했다. 수직 통합으로 공급망에서 가장 위험한 단일 부품을 제거한 것이다.

어떤 부품이 자기 일 때문에 계속 파괴된다면, 더 튼튼하게 만들기를 멈추고 일회용으로 만들어 계속 공급하라. 스스로 재생되는 소모품이 갑옷을 이긴다.

이제 모든 최첨단 칩 팹이 이 구조 위에서 돌아간다. ASML은 EUV 리소그래피 시스템을 판매하는 유일한 회사이며, 현재 세대 광원은 중간 초점에서 약 250W의 대역 내 출력을 내고, 하이NA 시스템은 500W를 목표로 한다. 집광 거울은 여전히 침식되므로(10억 펄스당 약 0.1–0.3%의 반사율 손실) 대략 매년 교체되며, 주석 액적 발생기는 여전히 기계의 심장이다. 13.5nm 빛으로 패터닝된 칩은 사실상 모든 현대 스마트폰과 데이터센터 프로세서 안에 들어 있다.