KR100406583B1 - 감광막 물질의 증발에 의한 렌즈 오염을 방지할 수 있는노광 장치 - Google Patents

감광막 물질의 증발에 의한 렌즈 오염을 방지할 수 있는노광 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 소자 제조에 사용되는 노광 장치에 관한 것으로서, 노광 과정에서 감광막으로부터 증발되는 물질로 인하여 투영 렌즈가 오염되어 노광 불량이 야기되는 것을 방지하기 위한 것이다. 본 발명의 노광 장치는 웨이퍼 스테이지 상부에 웨이퍼 주위를 감싸는 형태로 포획 컵이 설치되고, 웨이퍼 척과 웨이퍼 사이에 온도 제어판이 설치되며, 웨이퍼 스테이지 하부에 배기 시스템이 설치되는 것이 특징이다. 투영 렌즈를 통과한 빛이 웨이퍼의 감광막에 조사될 때, 포획 컵은 감광막으로부터 증발되는 물질들의 확산을 차단하고, 온도 제어판은 웨이퍼와 주위의 온도를 낮게 유지시켜 감광막 증발 물질들의 양과 평균자유행로를 감소시키며, 배기 시스템은 감광막 증발 물질들을 제거한다.

Description

감광막 물질의 증발에 의한 렌즈 오염을 방지할 수 있는 노광 장치 {EXPOSURE APPARATUS FOR PREVENTING LENS ATTACK BY EVAPORATION OF PHOTORESIST MATERIAL}
본 발명은 반도체 소자 제조에 사용되는 노광 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 노광 과정에서 감광막으로부터 증발되는 물질로 인하여 투영 렌즈가 오염되어 노광 불량이 야기되는 것을 방지할 수 있는 노광 장치에 관한 것이다.
반도체 소자의 제조 공정에 사용되는 스테퍼(stepper)나 스캐너(scanner)와 같은 노광 장치들의 가장 중요한 부위 중의 하나는 투영 렌즈(projection lens)이다. 만약 이 투영 렌즈에 이상이 발생하면 렌즈 자체를 교환하거나 노광 장치 전체를 교체해야 하는데, 이러한 경우 매우 높은 비용 지출을 감당해야 한다. 일반적으로 248nm 파장의 불화크립톤(KrF) 광원을 이용하는 노광 장치의 경우 투영 렌즈는 퓨즈드 실리카(fused silica)로 되어 있고, 193nm 파장의 불화아르곤(ArF) 광원을 이용하는 노광 장치의 경우 투영 렌즈는 불화칼슘(CaF2)으로 되어 있다.
일반적인 노광 장치의 구조가 도 1에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 노광 장치(10)의 일반적인 구성은 빛을 발생시키는 광원(11)과, 광원(11)으로부터 나온 빛을 모아 평행광으로 바꾸는 집광 렌즈(12)와, 웨이퍼(15)에 옮기고자 하는 패턴이 형성되어 있는 마스크(13)와, 마스크(13)를 통과한 빛의 경로를 바꾸어 웨이퍼(15)에 축소 투영시키는 투영 렌즈(14)와, 웨이퍼(15)가 놓이는 웨이퍼 스테이지(16)로 이루어진다.
KrF나 ArF용 감광막은 화학 증폭형(chemically amplified) 감광막으로서 주로 폴리머(polymer)와 광산 발생제(Photo Acid Generator; PAG)로 이루어진다. 투영 렌즈(14)를 통과한 빛이 감광막에 조사되면, 폴리머의 일부가 증발될 뿐만 아니라 광산 발생제가 강산을 발생시키면서 미량의 아민(amine)이 형성되어 이 또한 증발된다. 더구나, ArF용 감광막에는 해상도를 향상시키기 위한 목적으로 아민을 첨가하여 사용하는 경향이 있다.
노광 빛에 의하여 감광막으로부터 증발된 폴리머와 아민은 투영 렌즈(14)에 오염을 일으킨다. 감광막 물질의 증발에 의한 렌즈 오염 과정이 도 2에 묘사되어 있다. 감광막(17) 표면에서 증발되는 감광막 물질(18), 즉 폴리머와 아민은 분자 또는 이온 상태에 있으면서 웨이퍼(15)와 가장 가까운 위치에 있는 투영 렌즈(14)의 표면에 코팅되어 층을 이루게 된다. 따라서, 투영 렌즈(14)를 통과하는 빛의 양은 오염되기 전의 렌즈의 경우보다 훨씬 줄어들게 된다. 이는 감광막 패턴의 불량이나 노광 마진의 감소를 유발하게 된다. 더욱이, 노광 빛이 증발 물질(18)들에 의해 공기 중에서 산란되기 때문에 웨이퍼(15)에 조사되는 빛의 세기는 더욱 약해지게 된다.
폴리머나 아민과 같은 감광막 증발 물질로 코팅되어 오염된 렌즈의 표면을 세정하기 위하여 현재 적용되고 있는 방식은 다음 두가지가 있다.
첫째, 노광 에너지를 높여서 렌즈 표면의 코팅 물질을 태우는 방법이 사용된다. 이 방법은 마스크와 웨이퍼를 사용하지 않는 상태에서 노광 에너지를 높인 다음 공기를 렌즈 쪽으로 분사하면서 장시간 노광을 실시하는 방법이다. 그러나, 이러한 세정 방법은 렌즈의 모든 면이 일정하게 가열되지 않아 태워지는 코팅 물질의 양에 차이가 발생한다. 따라서, 해상도 감소와 패턴 불균일의 결과를 초래한다.
두 번째 방법은 아르곤 플라즈마를 이용하여 코팅 물질을 태우는 방법이다. 이 방법은 투영 렌즈 쪽에 아르곤 가스를 투입하여 플라즈마 상태로 만든 후 렌즈 표면의 코팅 물질과 반응시켜 태우는 방법이다. 그러나, 이러한 방법은 플라즈마를 형성하기 위해 필요한 튜브가 만들어져 노광 빛이 감소할 뿐만 아니라, 튜브에 남아 있을 수 있는 아르곤에 의해 빛의 흡수 또는 산란이 일어날 수 있으며, 렌즈와 웨이퍼 사이의 간격이 작으므로 설치상의 어려움도 존재한다.
따라서, 본 발명은 상술한 종래기술에서의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 감광막 물질의 증발에 의한 투영 렌즈 오염을 방지하여 렌즈의 수명을 연장시키고 감광막 패턴의 해상도 향상에 기여할 수 있는 새로운 구성의 노광 장치를 제공하고자 하는 것이다.
도 1은 종래기술에 따른 노광 장치의 개략적인 구성도.
도 2는 종래기술에 따른 노광 장치에 있어서 감광막 물질의 증발에 의한 렌즈 오염 과정을 나타내는 도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 노광 장치의 개략적인 구성도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 노광 장치의 주요 부분을 나타내는 상세도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 노광 장치의 작용도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10, 20: 노광 장치(exposure appatus)
11, 21: 광원(light source) 12, 22: 집광 렌즈(condensed lens)
13, 23: 마스크(mask) 14, 24: 투영 렌즈(projection lens)
15, 25: 웨이퍼(wafer) 16, 26: 웨이퍼 스테이지(wafer stage)
17, 27: 감광막(photoresist) 18, 28: 감광막 증발 물질
29: 웨이퍼 척(wafer chuck) 30: 포획 컵(catch cup)
31: 온도 제어판 32: 배기 시스템(exhaust system)
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의하여 제공되는 노광 장치는, 빛을 발생시키는 광원과, 광원으로부터 나온 빛을 모아 평행광으로 바꾸는 집광 렌즈와, 웨이퍼에 옮기고자 하는 패턴이 형성되어 있는 마스크와, 마스크를 통과한 빛의 경로를 바꾸어 웨이퍼에 축소 투영시키는 투영 렌즈와, 웨이퍼가 놓이는 웨이퍼 스테이지와, 웨이퍼 스테이지에 설치되어 웨이퍼를 고정하는 웨이퍼 척을 포함할 뿐만 아니라, 웨이퍼 스테이지 상부에 웨이퍼 주위를 감싸는 형태로 설치되는 포획 컵과, 웨이퍼 척과 웨이퍼 사이에 설치되는 온도 제어판과, 웨이퍼 스테이지하부에 설치되는 배기 시스템을 더 포함한다.
특히, 투영 렌즈를 통과한 빛이 웨이퍼의 감광막에 조사될 때, 포획 컵은 감광막으로부터 증발되는 물질들의 확산을 차단하고, 온도 제어판은 웨이퍼와 주위의 온도를 낮게 유지시켜 감광막 증발 물질들의 양과 평균자유행로를 감소시키며, 배기 시스템은 감광막 증발 물질들을 제거한다. 따라서, 본 발명에 의한 노광 장치는 감광막 증발 물질의 증발에 의한 투영 렌즈의 오염을 방지할 수 있다.
본 발명의 노광 장치에 있어서, 광원은 248nm 파장의 불화크립톤(KrF) 또는 193nm 파장의 불화아르곤(ArF)을 이용할 수 있으며, 투영 렌즈는 퓨즈드 실리카(fused silica) 또는 불화칼슘(CaF2)으로 이루어질 수 있다. 감광막은 화학 증폭형(chemically amplified) 감광막인 것을이 바람직하며, 화학 증폭형 감광막은 폴리머(polymer)와 광산 발생제(PAG)를 포함하고 아민(amine)을 더 포함할 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하도록 한다. 각 도면에서는 동일한 구성요소에 동일한 참조번호를 사용하였으며, 도면의 명확한 이해를 돕기 위해 일부 구성요소는 다소 과장되거나 개략적으로 도시되었음을 밝혀둔다.
본 발명의 실시예에 따른 노광 장치의 개략적인 구성과 주요 부분의 상세 구성이 도 3 및 도 4에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 노광 장치(20, exposure appatus)의 구성은, 빛을 발생시키는 광원(21, light source)과, 광원(21)으로부터 나온 빛을 모아 평행광으로 바꾸는 집광 렌즈(22, condensed lens)와, 웨이퍼(25)에 옮기고자 하는 패턴이 형성되어 있는 마스크(23, mask)와, 마스크(23)를 통과한 빛의 경로를 바꾸어 웨이퍼(25)에 축소 투영시키는 투영 렌즈(24, projection lens)와, 웨이퍼(25)가 놓이는 웨이퍼 스테이지(26, wafer stage)와, 웨이퍼 스테이지(26)에 설치되어 웨이퍼(25)를 고정하는 웨이퍼 척(29, wafer chuck)으로 이루어진다.
광원(21)은 예컨대 248nm 파장의 불화크립톤(KrF) 또는 193nm 파장의 불화아르곤(ArF)을 이용하며, 각각의 경우 투영 렌즈(24)는 퓨즈드 실리카(fused silica) 또는 불화칼슘(CaF2)으로 이루어진다. 사용되는 감광막은 화학 증폭형(chemically amplified) 감광막이며 주로 폴리머(polymer)와 광산 발생제(PAG)로 이루어진다. 불화아르곤용 감광막인 경우에는 아민(amine)이 더 첨가된다.
특히, 노광 장치(20)는 다음의 구성요소들을 포함하고 있는 것이 특징이다. 즉, 웨이퍼 스테이지(26) 상부에 웨이퍼(25) 주위를 감싸는 형태로 포획 컵(30, catch cup)이 설치되고, 웨이퍼 척(29)과 웨이퍼(25) 사이에 온도 제어판(31)이 설치되며, 웨이퍼 스테이지(26) 하부에 배기 시스템(32, exhaust system)이 설치된다. 포획 컵(30)은 웨이퍼(25)의 감광막으로부터 증발되는 물질들이 주변으로 퍼지는 것을 차단하는 역할을 하고, 온도 제어판(31)은 웨이퍼(25)의 온도를 낮게 유지시키는 역할을 하며, 배기 시스템(32)은 감광막 증발 물질을 제거하는 역할을 한다.
이하, 도 5를 참조하여 노광 장치의 작용을 설명한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 노광 빛이 웨이퍼(25)의 감광막(27, photoresist)에 조사되면, 종래와 마찬가지로 폴리머와 아민과 같은 감광막 물질(28)들이 분자 또는 이온 상태로 증발된다. 그러나, 온도 제어판(31)에 의하여 웨이퍼(25)의 온도가 낮게 유지되기 때문에, 증발되는 감광막 증발 물질(28)의 양은 종래의 경우보다 상대적으로 줄어들게 된다.
또한, 포획 컵(30)에 의하여 감광막 증발 물질(28)의 이동이 제한되고 웨이퍼(25) 주위의 공기 온도가 낮기 때문에, 감광막 증발 물질(28)들은 공기 중에서 서로 결합하여 그 분자량이 늘어나게 된다. 따라서, 감광막 증발 물질(28)들의 평균자유행로(mean free path)가 줄어든다. 이 때, 웨이퍼 스테이지(26)의 하부에 설치된 배기 시스템(32)을 가동하면, 감광막 증발 물질(28)들을 쉽게 제거할 수 있게 된다.
결과적으로, 노광 빛에 의하여 감광막(27)으로부터 증발되는 물질(28)의 양이 감소될 뿐만 아니라, 증발 물질(28)이라 하더라도 확산이 제어되고 평균자유행로가 줄어들며 배기 시스템(32)에 의하여 제거된다. 따라서, 감광막 증발 물질(28)들은 투영 렌즈(도 3의 24)까지 도달하지 못하므로 투영 렌즈의 오염이 효과적으로 방지된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 노광 장치는 감광막 물질의 증발에 의한 투영 렌즈 오염을 효과적으로 방지할 수 있으며, 그에 따라 렌즈의 수명을 연장시킬 수 있고 감광막 패턴의 해상도를 향상시킬 수 있다. 아울러, 렌즈의 세정이나 교체 작업이 필요하지 않으므로 원가 절감에도 크게 기여할 수 있다.
본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims (6)

  1. 빛을 발생시키는 광원과, 상기 광원으로부터 나온 빛을 모아 평행광으로 바꾸는 집광 렌즈와, 웨이퍼에 옮기고자 하는 패턴이 형성되어 있는 마스크와, 상기 마스크를 통과한 빛의 경로를 바꾸어 상기 웨이퍼에 축소 투영시키는 투영 렌즈와, 상기 웨이퍼가 놓이는 웨이퍼 스테이지와, 상기 웨이퍼 스테이지에 설치되어 상기 웨이퍼를 고정하는 웨이퍼 척을 포함하는 노광 장치에 있어서,
    상기 웨이퍼 스테이지 상부에 상기 웨이퍼 주위를 감싸는 형태로 설치되는 포획 컵과, 상기 웨이퍼 척과 상기 웨이퍼 사이에 설치되는 온도 제어판과, 상기 웨이퍼 스테이지 하부에 설치되는 배기 시스템을 더 포함하며,
    상기 투영 렌즈를 통과한 빛이 상기 웨이퍼의 감광막에 조사될 때, 상기 포획 컵은 상기 감광막으로부터 증발되는 물질들의 확산을 차단하고, 상기 온도 제어판은 상기 웨이퍼와 주위의 온도를 낮게 유지시켜 상기 감광막 증발 물질들의 양과 평균자유행로를 감소시키며, 상기 배기 시스템은 상기 감광막 증발 물질들을 제거하여, 상기 감광막 증발 물질의 증발에 의한 상기 투영 렌즈의 오염이 방지되는 것을 특징으로 하는 노광 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 광원은 248nm 파장의 불화크립톤(KrF) 또는 193nm 파장의 불화아르곤(ArF)을 이용하는 것을 특징으로 하는 노광 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 투영 렌즈는 퓨즈드 실리카(fused silica) 또는 불화칼슘(CaF2)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 노광 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 감광막은 화학 증폭형(chemically amplified) 감광막인 것을 특징으로 하는 노광 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 화학 증폭형 감광막은 폴리머(polymer)와 광산 발생제(PAG)를 포함하는 것을 특징으로 하는 노광 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 화학 증폭형 감광막은 아민(amine)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 노광 장치.
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