ASML
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1. 개요
네덜란드 벨트호벤에 본사를 두고 있는 세계 최대의 노광장비[1] 기업으로 필립스와 ASMI의 합작으로 설립되었다. 2010년 기준 리소그래피 장비업계에서 64퍼센트의 점유율을 자랑한다.
특히 n나노대의 반도체를 제작하기 위해서는 EUV(극자외선) 노광 장비가 필수적인데 이 장비를 제작할 수 있는 회사는 전세계에서 ASML 한 곳 뿐이다. 이 모델들은 1대당 '''1400억'''이 족히 넘는 초고가장비이고 공급량도 제한되어있기 때문에 ASML은 소위 '슈퍼을' 기업이라고 불린다. 한편으로는 이런 거액을 지불할 여력이 되는 반도체기업이 전세계에 삼성전자, TSMC를 포함해서 한 손으로 꼽을 정도라 고객사 또한 매우 제한적이다. 아래는 그 장비의 사진이다.[2]
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2. 역사
네덜란드 대기업들인 ASMI과 필립스의 합작으로 1984년에 네덜란드 아인트호벤의 필립스 사옥 옆 목재 건물에서 설립되었고 동년에 PAS 2000 Stepper[3]를 출시하였다. 이후 1985년에 현재까지도 본사가 위치하고있는 벨트호벤으로 이사를 하였다. 1986년에는 이 회사에서 PAS 2500 Stepper를 개발하여 판매하였고[4] 이 장치가 시장에서 호평을 얻으면서 본격적으로 반도체 노광장치 시장에 이름을 날리기 시작했다. 1988년에는 필립스와 합작하여 대만에 공장을 세우고 미국에도 84명의 직원에 5개의 지점을 만들면서 아시아,미국 등 세계 시장 개척에 본격적으로 나서기 시작했다. 그리고 이 때 ASMI가 합작 법인에서 철수하면서 그 지분이 필립스에 인수됐다. 그리고 1989년에는 PAS 5000[5]을 개발했다.
1991년 PAS 5500 Stepper/Scanner[6][7]을 출시하면서 현재는 예전만큼 많이 쓰이지 않지만 당시에는 대세였던 200mm 웨이퍼를 이용한 반도체 대량 생산을 위해 만들어진 장치이다. 1995년에는 IPO를 통해 주식시장에 상장하였고 이와 동시에 필립스에서 ASML의 잔여 지분을 대부분 매각하면서 독립 회사가 되었고 현재도 이 체제가 유지되고 있다.
그리고 2001년에는 이 회사가 현재의 독보적인 노광장치 업체로 발돋움 할 수 있게 한 TwinScan 방식[8] 을 개발해냈고 2007년에 TWINSCAN XT 라인업의 이머전 TWINSCAN XT:1900i[9] 실기기가 고객사들에게 공급되기 시작하였다. 이 라인업의 제품들은 현재까지도 현역으로 활약하고 있고 가격이 대당 900억 혹은 그 이상인 비싼 장비인지라 쉽게 교체하기는 힘들다.
최근에는 이머전 ArF 멀티플 패터닝의 한계를 극복하는 방법으로 각광받는[10] EUV(Extreme UltraViolet)기술을 적용해서 더블 패터닝만으로도 7nm를 구현할 수 있는 TWINSCAN NXE를 세계에서 유일하게 생산하고 있다.
EUV 장비를 처음으로 발주하기 시작한건 삼성전자였지만 파운드리 시장 1위인 대만의 TSMC에서도 7nm EUV 양산 테스트를 성공적으로 마치면서 EUV장비 확보에 열을 올리기 시작했다. 2019년 하반기 기준 두 선발주자들이 EUV 장비를 이용한 포토 공정에서의 안정화 단계에 이제 막 접어들고 있는 상황이며 ASML도 지속적으로 장비를 개선 중에 있다. 인텔은 2021년부터 본격적으로 도입을 시작할 예정이다.
3. 경쟁업체
노광장치 업계에서 주 경쟁사라고 할 수 있는 기업들로는 캐논과 니콘이 있다. 2019년 시점에서 캐논은 NIL(나노 임프린트 리소그래피)[11] 방식의 초미세공법을 개발 중이다. 니콘은 위에 나온 멀티플 패터닝 장비를 출하하는데 주 고객사였던 TSMC, 인텔이 점점 EUV로 갈아타는 추세다.
[1] 포토 리소그래피(photo-lithography) 공정에서 실리콘 웨이퍼에 집적회로를 프린팅하는 장비. 반도체에 그려지는 집적회로는 나노 시대로 들어오면서 물리적인 방법으로는 그릴 수 없기 때문에 빛에 반응하는 포토 레지스트(photo resist)라고 불리는 감광액을 도포한 후 노광을 해주면 화학적인 반응이 일어나 실리콘 웨이퍼 위에 회로가 그려지는 방식을 이용한다.[2] 모델명은 TwinScan NXE:3300으로 EUV 노광장치의 초기형이다.[3] PAS 2000 사진 및 간략한 설명 이 장치의 간략한 성능은 분해능 1.2 μm, 오버레이는 250nm에 100mm 웨이퍼를 이용 가능했고 시간당 40개의 물량을 소화할 수 있었다.[4] PAS 2500/10 STEPPER 사진과 사양서 [5] 분해능 500nm급에 오버레이 100nm의 성능을 보유한 장비이다.[6] 이 제품의 경우 초기버전은 Stepper 방식을 유지하고 있었지만 후기 버전들은 방식이 개선이 되면서 Scanner 방식을 이용하였다. 분해능은 90~400nm에 오버레이는 12~100nm까지 소화가능하다. 그리고 이때 노광기술도 같이 발전하게 되었는데 과거에 쓰이던 G-line(436nm),H-line(405nm)에 비해 파장의 길이가 365nm로 보다 더 짧은 l-line와 함께 High Numerical Aperture(고개구수) KrF(불화크립톤)과 ArF(불화아르곤) 엑시머 레이저를 이용하게 되었다. KrF의 경우 파장의 길이가 248nm이고 ArF는 193㎚이다. 파장의 길이가 짧을 수록 집적화에 유리하므로 200nm대까지는 i-line을 이용했고 110nm급까지는 주로 KrF를 이용했고 90nm대는 ArF를 주로 이용했다. 물론 DPT 기술이 개발되면서 저가 시장을 노리고 80nm의 집적도를 형성할 수 있는 장비에서도 KrF를 사용한 사례도 있다.[7] 참고로 스태퍼와 스캐너의 차이는 회로를 웨이퍼에 그려내는 방식에서 차이를 보인다. 스태퍼의 경우에는 회로 패턴을 렌즈를 이용하여 통째로 축소시켜 한번에 사진찍듯이 찍어내는 방식이고 스캐너는 마스크(MASK = Reticle)라고 불리는 틀의 역할을 하는 것과 웨이퍼 다이를 이동시켜서 선으로 회로를 그려내는 방식이다. 말만 들어서는 스태퍼가 인쇄속도도 빠르고 좋게 보일 수도 있지만 웨이퍼나 회로의 크기가 조금만 달라져도 렌즈를 바꿔줘야돼서 속도가 스캐너보다 빠르지 않고 무엇보다 분해능이 심각하게 떨어지는 편이라 2000년대 들어서는 사장된 장비이다. 쉽게 말하면 스태퍼는 이름대로 발로 눌러서 한번에 찍어내듯이 찍는 방식이고 스캐너는 한줄한줄 그려서 회로를 찍어내는 방식이다. 현재 가장 최신 기술이 들어간 EUV 장비의 경우에도 기본적인 방식은 스캐너 방식을 따라가고 있다.[8] 웨이퍼에 패턴을 노광하기 위해서 먼저 Wafer 어느 위치에 노광을 할지 위치를 결정하는 작업(웨이퍼 표면의 이전 Layer에서 만든 Align key를 읽어 찍을 위치를 결정하는 Align 작업,( X,Y 위치를 결정)과 웨이퍼의 높이를 정밀하게 측정하여 광학적 이미지의 높이(Z)를 결정하는 Leveling 작업) 을 진행한다. TwinScan 방식은 설비 내에 2개의 스테이지가 있어 한쪽 스테이지가 노광 중일 때, 동시에 반대쪽 스테이지는 다음 웨이퍼를 미리 받아 Align/Leveling 작업을 진행하여 단위 시간당 처리가능한 웨이퍼를 경쟁사 대비 극대화 시킨 ASML사의 특허 기술이다.(경쟁사 니콘은 이 기술을 쓸 수가 없어 경쟁에서 밀렸다 해도 과언이 아니다.) [9] TWINSCAN XT:1900i 사양서 분해능 40nm에 레이아웃은 6nm로 스캔 속도는 600mm/s 시간당 131개의 웨이퍼를 처리할 수 있는 성능을 보유하였다.[10] 파장의 길이가 193nm인 불화아르곤 레이저를 이머전 기술로 광학적인 개구수(NA)를 늘린다고 해도 단일 패터닝 방식으로는 38nm가 한계였고 더블 패터닝 방식을 이용한다고해도 19nm이다. 물론 여기서 식각과 포토 공정을 몇번 더 거치는 트리플, 쿼드 등의 멀티플 패터닝 방식을 이용해서 미세화를 시킬 수는 있지만 이렇게 되면 공정이 복잡해질뿐더러 불량률은 올라가면서 생산량이 떨어지는 결과를 낳게 된다. 반면 EUV는 초단파로 파장의 길이가 13.5nm로 기존의 ArF보다 1/14 미만으로 굉장히 짧고 이 덕분에 ArF를 이용하는 것보다 미세화, 집적화에 훨씬 유리해서 대안으로 각광을 받기 시작한 것이다. 다만, EUV는 오직 진공에서만 빛이 유지가 되기에 (세상의 모든 물질은 EUV를 흡수한다.) 광로가 모두 진공 혹은 저압의 수소 환경이 되고 이에 따라 기술적 어려움이 폭증하는 사태가 발생했다.[11] UV 감광액을 실리콘 웨이퍼에 코팅한 후 패턴이 그려진 스탬프를 이용하여 압력을 가하면 패턴이 형성되고 이를 UV로 쪼아주면 굳어서 회로가 만들어지는 것을 이용한 공법이고 비교적 저렴한 UV를 이용해서 장비의 가격 자체가 낮기 때문에 기존의 이머전 ArF 방식에 비해 들어가는 비용이 적다는 장점이 있지만 스탬프가 직접적으로 웨이퍼에 접촉하다보니 그 과정에서 발생하는 찌꺼기 문제나 스탬프의 마모 등의 문제가 있고 시스템 반도체공정에 적용은 어렵다는 단점이 있다.