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극자외선
극자외선(極紫外線, lang|en|extreme ultraviolet, EUV 또는 XUV) 또는 고에너지 자외선 복사는 124nm에서 10nm까지 이르는 파장 범위의 전자기 스펙트럼의 일부에 속하는 전자기파로서, (프랑크-아이슈타인 방정식에 따라) 10eV에서 최대 124eV(각각 124 nm에서 10nm에 맞먹음) 에너지의 광자를 갖는다. EUV는 코로나에 의해 자연적으로 발생되며 플라즈마와 싱크로트론 방사원에 의해 인공적으로 만들어진다. 자외선(UVC)이 100nm까지 확장할 수 있으므로 이 두 용어에서 겹치는 부분이 일부 존재한다.
주 용도는 광전자 분광학, 솔라 이미징, 리소그래피이다.
지구 대기권에서 EUV는 전자기파 스펙트럼에서 가장 흡광률이 높은 성분으로, 전달에는 고진공이 요구된다.
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개요
극자외선은 파장이 대략 124 nm에서 10nm인 전자기파(electromagnetic wave, EM wave)이다(그림 참조). 극자외선은 높은 온도인 10⁶~10⁷ K에서 발생한다. 극자외선에 해당하는 전자기파의 진동수는 각각 2.4 PHz와 30 PHz이고(1 PHz=10¹⁵Hz), 광자의 에너지로는 10 eV에서 124 eV 에 해당한다. 수소 원자의 전리 에너지보다 크기 때문에 극자외선은 중성 수소를 전리시킬 수 있다. 우주에서 오는 극자외선은 지구의 중성 대기를 전리시키기 때문에 지표에 도달하기 전에 중성 대기 입자와 충돌하면 흡수된다.
밀도가 희박하고 광학적으로 얇은(optically thin) 뜨거운 플라스마에서 나오는 극자외선의 스펙트럼은 방출선으로 구성된 방출스펙트럼이다. 활동적인 코로나나 항성풍을 동반한 O 형 혹은 B 형 별, 초신성잔해와 은하단은 극자외선 파장대에서 방출선을 낸다. 이에 반해 밀도가 높고 광학적으로 두꺼운(optically thick) 뜨거운 매질에서 나오는 극자외선의 스펙트럼은 연속스펙트럼이다. 뜨거운 백색왜성, 행성상성운의 중심별이나 중성자별은 극자외선 파장대에서 연속스펙트럼을 낸다.
역사 및 발견
극자외선은 20세기 초반 자외선 스펙트럼을 연구하는 과정에서 발견되었다. 이 파장대의 자외선은 진공에서만 안정적으로 전파되기 때문에 진공 자외선(Vacuum Ultraviolet, VUV)이라고도 불린다. EUV가 반도체 제조에 활용되기 시작한 것은 21세기 초반으로, 미세한 회로 패턴을 제작하는 데 있어 EUV 리소그래피가 기존의 기술을 대체할 가능성을 보이면서이다.
물리적 특성
- 파장 : EUV의 파장은124nm에서 10nm까지로, 일반 자외선(200~400nm)보다 훨씬 짧다. 이로 인해 높은 에너지를 가지며, 원자와 분자에 직접적인 영향을 미칠 수 있다.
- 투과성 및 흡수 : 극자외선은 대부분의 물질에 의해 흡수되기 때문에 일반 대기 중에서는 빠르게 소멸한다. 따라서, EUV를 이용한 공정은 진공 상태에서 이루어져야 한다. EUV는 특정 재료에서 반사 또는 흡수되며, 이를 기반으로 다양한 기술적 활용이 가능하다.
- 발생 : EUV는 고온 플라즈마 상태에서 발생하는데, 주로 CO2 레이저로 주석(Sn)을 증발시켜 얻는 방법이 사용된다. 고온 플라즈마가 주석을 자극하면, 극자외선이 방출된다.
극자외선 탐사선
극자외선 탐사선(Extreme Ultraviolet Explorer, EUVE)는 1992년 6월 7일에 발사된 자외선 우주 망원경이다. 7 ~ 76 ㎚ 파장대의 장비를 탑재했으며, 매우 짧은 파장의 자외선 관측에 특화되었다. 2001년 1월 31일에 퇴역할 때까지 전천을 돌아다니며 801개 천체를 관측했다. 2002년 1월 30일에 대기로 재돌입, 불타 없어졌다.
원자외선 분광탐사선
원자외선 분광탐사선(Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer, FUSE)은 NASA의 오리진프로그램(Origin Progrma)의 일환으로 1999년 6월 24일 발사되어 2007년 10얼 18일 퇴역한 우주 망원경이다. 파장이 90.5 nm에서 119.5 nm인 원자외선을 방출하는 천체를 관측하는 것이 목표이다. 빅뱅 이후 남겨진 중수소를 이해하기 위한 우주의 화학적 진화를 연구하는 것이 주요 목표이다.
극자외선 촬영 망원경
극자외선 촬영 망원경(Extreme ultraviolet Imaging Telescope, EIT)은 태양 코로나의 고해상도 영상을 얻기 위해 소호우주선(Solar and Heliospheric Observatory, SOHO)에 탑재된 기구이다. 전리된 철(Fe XI, Fe X, Fe XII, Fe XV)과 헬륨(He II)에서 방출되는 빛에 해당하는 17.1 nm, 19.5 nm, 28.4 nm, 30.4 nm 파장에 민감한 망원경이다. 태양의 광구에서 나오는 강력한 빛 때문에 개기일식(total solar eclipse) 때만 보이는 코로나, 코로나구멍(coronal hole), 코로나질량방출(coronal mass ejection, CME)의 구조를 밝히는데 도움을 준 우주망원경이다.
극자외선 리소그래피
극자외선 리소그래피(Extreme ultraviolet lithography, EUVL, 단순히 EUV) 또는 첨단 자외선 반도체 인쇄 기술은 반도체 산업에서 집적 회로(IC) 제조에 사용되는 최첨단 기술이다. 극자외선(EUV) 빛을 사용해 실리콘 웨이퍼에 복잡한 패턴을 만드는 일종의 포토리소그래피이다.
2023년 현재 ASML 홀딩은 5nm 및 3nm 공정 노드를 대상으로 칩 생산용 EUV 시스템을 생산 및 판매하는 유일한 회사이다.
EUVL에 사용되는 EUV 파장은 레이저 펄스 주석(Sn) 액적 플라즈마를 사용하여 13.5나노미터(nm)에 가깝다. 반사형 포토마스크를 사용하여 포토레지스트로 덮인 기판을 노출시켜 패턴을 생성한다.
2019 국제 전자 장치 회의(IEDM)에서 TSMC는 핀, 게이트 또는 금속 라인에 컷을 적용할 수 있는 접점, 비아, 금속 라인 및 컷 레이어의 5nm 노드에 EUV를 사용한다고 보고했다.
IEDM 2020에서 TSMC는 5nm 노드 최소 금속 피치가 7nm 노드(40nm)보다 30%(~28nm) 감소할 것이라고 보고했다.
삼성의 5nm 노드는 리소그래피 측면에서 7nm 노드와 설계 규칙이 동일하며 최소 금속 피치는 36nm이다.
EUV에 대해 자세히 보기
과학적 분석 및 실험
- 극자외선은 원자 및 분자의 구조를 연구하는 데 사용된다. EUV의 높은 에너지로 인해, 이를 이용해 물질의 표면 분석 및 원자 구조를 규명하는 데 유리하다.
- EUV 방사광을 사용한 현미경 기술인 EUV 현미경은 나노미터 수준의 해상도를 제공하여, 바이오 메디컬 분야와 나노 기술 연구에서 유용하게 사용된다.
참고자료
- 〈극자외선〉, 《위키백과》
- 〈극자외선〉, 《천문학백과》
- 〈극자외선 리소그래피〉, 《위키백과》
같이 보기
