TSMC의 번 린, 칩 미세화를 이어가기 위해 새 레이저 대신 물웅덩이를 택하다

칩은 빛으로 인쇄되며, 2002년까지 193nm 아르곤-플루오라이드 레이저는 건식 광학이 분해할 수 있는 한계에 도달했다. 로드맵의 답은 다음 파장, 즉 완전히 새로운 광학계를 갖춘 157nm 플루오린 레이저였다. 번젱 린의 2004년 리뷰에서 밝혀졌듯이, 그 경로는 현실과 맞닥뜨려 실패하고 있었다. 박막 펠리클은 약 열 번의 노광 이상을 견디지 못했고, 제조에 적합한 157nm 레지스트는 존재하지 않았으며, 칼슘-플루오라이드 렌즈 소재는 여전히 품질과 수량 모두에서 부족했다.

린은 수십 년 전 IBM에서 액침을 제안했고 2000년 TSMC에 합류했다. 그의 2002년 서한, 즉 'k3 계수' 분석은 스캐너의 최종 렌즈와 웨이퍼 사이의 간극이 분해능 방정식에서 사용되지 않은 변수임을 보여주었다. 그 간극을 굴절률 1.44이고 193nm에서 거의 투명한 물로 채우면, 동일한 렌즈, 레이저, 레지스트를 사용하면서 193nm가 더 나은 초점 심도를 갖춘 135nm로 사실상 변한다.

그의 2004년 리뷰는 이어서 65, 45, 32nm 노드를 건식 및 액침 시스템 전반에 걸쳐 시뮬레이션하여 처음부터 끝까지 논거를 제시했다. MIT의 스위트키스와 로스차일드는 이미 과불화폴리에테르를 사용하여 157nm에서 액침의 약 40퍼센트 분해능 향상을 보여주었고, 193nm에서의 물은 모든 팹이 건물 안에 갖고 있던 유체로 같은 묘책을 해냈다.

업계는 빠르게 방향을 전환했다. 2004년 1월 IBM의 실리콘 기술 담당 이사는 물을 통과시켜 리소그래피를 상용화하겠다고 발표했고, ASML과 니콘은 액침을 제품 라인으로 전환했다. 157nm 프로그램은 생산 장비를 한 번도 출하하지 못한 채 조용히 종료되었다. 액침 스캐너는 최첨단의 주력 장비가 되었고(ASML의 TWINSCAN NXT 플랫폼은 2015년까지 시간당 275장의 웨이퍼에 도달했다), 1.35 개구수 장비가 36nm에서 한계에 부딪혔을 때, 다중 패터닝은 동일한 기술을 삼성의 2016년 삼중 패터닝 SoC와 같은 10nm급 칩까지 확장했다.

렌즈와 웨이퍼 사이에 물을 넣으면 193nm가 135nm처럼 작동한다

물은 193nm 빛을 잘 투과시키고 실효 파장 변환을 높여, 동일한 렌즈와 레이저로 분해능과 초점 심도가 모두 향상된다.

157nm 경로는 제조 품질로 존재하지 않던 펠리클, 레지스트, 칼슘-플루오라이드 광학계를 필요로 했으나, 액침은 모든 팹이 이미 갖고 있던 액체를 필요로 했다.

이 이득은 이미 설치된 모든 것과 시너지를 낸다. 파운드리는 완전히 새로운 공급망을 기다리는 대신 ArF 장비군의 가치를 배가시켰다.

분석이 먼저, 하드웨어가 그 다음이었다. 린의 스케일링 방정식은 장비 제조사와 화학자들이 자본을 투입하기 전에 무엇을 만들어야 하는지 정확히 알게 해주었다.

로드맵이 모든 것을 재구축하라고 할 때, 이미 보유한 물리학 안에서 사용되지 않은 변수를 찾아라. 린은 분해능 방정식에서 하나를 찾아 업계가 새로운 레이저, 렌즈, 레지스트를 마련할 필요를 덜어주었다.

액침 DUV는 65nm에서 45, 32를 거쳐 다중 패터닝을 통해 10nm급까지 모든 최첨단 노드를 담당했으며, 오늘날에도 첨단 칩의 대부분 층을 인쇄한다. 린은 2013년 IEEE 준이치 니시자와 메달과 2023년 SPIE 모지상을 수상했고, 널리 액침 리소그래피의 아버지로 불렸다. 이 사건은 한 잔의 물로 파장 경쟁을 이긴 표준 사례가 되었다. 로드맵이 절벽처럼 보였을 때, 방정식에서 가장 값싼 변수가 충분하다는 것이 드러났다.