극자외선 (EUV) 리소그래피 스캐너 개발의 주요 과제 중 하나는 강력하고 신뢰할 수 있는 광원(light source)을 구축하는 것입니다. EUV 리소그래피 장비를 제조하는 유일한 회사인 ASML은 EUV 빛을 생성하기 위해 비교적 복잡한 레이저 생성 플라즈마 (LPP, laser-produced plasma) 기술을 사용합니다. 이와 대조적으로, 수많은 회사가 EUV 생성을 위해 입자 가속기에 의존하는 자유 전자 레이저 (FEL, free-electron laser) 사용을 제안하고 있습니다. FEL은 장점이 있으며 심지어 Elon Musk에 의해 지지받고 있지만, JPMorgan에 따르면 ASML이 이를 채택할 가능성은 낮습니다.

JPMorgan의 고객 보고서를 인용한 Semi Doped는 "레이저 발전세를 고려할 때, ASML은 Musk가 선호하는 새로운 'FEL' 광원을 시도할 이유를 찾지 못했다"고 보도했습니다.

현대 EUV 리소그래피 시스템은 직경 약 30마이크론의 녹은 주석(molten tin) 작은 방울에 강력한 CO₂ 레이저 펄스를 발사하는 레이저 생성 플라즈마 광원을 사용합니다. 이 과정에서 주석은 수십 개의 전자볼트(electron volts)에 달하는 전자 온도를 가진 이온화된 플라즈마로 변환되며, 이는 13.5nm의 EUV 방사선을 방출합니다. 이후 이 빛은 다층의 몰리브덴과 실리콘으로 코팅된 직경 약 0.5미터의 타원형 집광 거울(elliptical collector mirror)에 의해 수집됩니다. 이 거울은 가능한 한 많은 양의 13.5nm 방사선을 선택적으로 반사하여 스캐너 입구의 중간 초점(intermediate focus)으로 유도합니다.

거의 모든 물질이 EUV 방사선을 흡수하기 때문에 (심지어 특수 다층 거울조차 상당 부분을 흡수함), 전체 광학 경로는 진공 상태에서 작동해야 하며, 일반적인 굴절 광학(refractive optics) 대신 반사형 광학을 사용해야 합니다. 이것이 충분한 EUV 광원 출력을 생성하는 것이 여전히 어려운 이유 중 하나입니다.

ASML

(이미지 출처: ASML)

큰 난관에도 불구하고 ASML은 LPP 광원의 출력을 기존 약 250W에서 약 500W로 점진적으로 늘렸으며, 향후 몇 년 동안 이를 1,000W까지 증가시킬 계획입니다. 또한, 이 회사는 생성되는 주석(tin) 방울의 수를 초당 10만 개로 거의 두 배 늘릴 계획입니다.

ASML

(이미지 출처: ASML)

자유전자 레이저(FEL)는 전자를 빛의 속도에 가깝게 가속한 후, 진동하는 전자에 의해 복사 에너지를 방출하도록 강제하는 일련의 교번 자석인 언듀레이터(undulator)를 통과시키면서 EUV 빛을 생성합니다. 전자와 그 복사 에너지 간의 상호작용은 이들이 미세한 묶음(bunch)을 형성하고 13.5nm 파장의 빛을 방출하도록 만듭니다. 이 접근 방식은 주석 방울과 관련된 잔해물(포토마스크에 보호 펠리클 사용이 필요한 것들)을 제거할 뿐만 아니라, LPP 광원보다 훨씬 높은 EUV 출력을 제공할 잠재력이 있습니다. 게다가, 하나의 FEL은 여러 개의 LPP 광원을 단일 FEL과 대형 EUV 빔 분배 시스템으로 대체할 수 있습니다.

하지만 여기에는 큰 상충 관계가 존재합니다. 비교적 간결한 LPP와 달리, FEL은 매우 복잡한 입자 가속기, 전자원(electron source), 긴 언듀레이터, 전자빔 제어, 방사선 차폐 장치, 그리고 경로를 따라 너무 많이 손실되지 않도록 매우 높은 EUV 출력을 처리하고 분배할 수 있는 거울을 특징으로 하는 극도로 복잡한 분배 시스템을 필요로 합니다. 전체 장비는 반도체 팹 수준의 가용성, 효율성 및 비용을 달성해야 하는데, 이는 ASML과 업계 나머지 부분에게 몇 년이 걸린 일입니다.

xLight

(이미지 출처: xLight)

따라서 중국, 미국, 일본에서 FEL을 둘러싼 큰 열기가 있음에도 불구하고, FEL이 실제 반도체 생산 시설에서 LPP와 경쟁할 수 있게 되기까지는 아마 10년 이상 걸릴 가능성이 높습니다. 그동안 이 기술은 막대한 비용(수십억 달러)을 소모하게 될 것이므로, 현재 FEL을 추구하는 모든 주체가 그렇게 오래 살아남지는 못할 것입니다.