KR100604942B1 - 비축상(ｏｆｆ-ａｘｉｓ) 프로젝션 광학계 및 이를 적용한극자외선 리소그래피 장치 - Google Patents

비축상(ｏｆｆ-ａｘｉｓ) 프로젝션 광학계 및 이를 적용한극자외선 리소그래피 장치 Download PDF

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송이헌
박영수
김석필
김훈
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Abstract

비축상 배치 관계에 있는 제1 및 제2미러를 포함하며, 상기 제1미러의 탄젠셜 곡률 반경 및 새지털 곡률 반경을 각각 R1t, R1s, 상기 제2미러의 탄젠셜 곡률 반경 및 새지털 곡률 반경을 각각 R2t, R2s, 물체점으로부터의 광선이 상기 제1미러에 입사되는 각도를 i1, 제1미러에서 반사된 광선이 상기 제2미러에 입사되는 각도를 i2라 할 때, 하기의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 비축상 프로젝션 광학계가 개시되어 있다.
<식>
Figure 112005032354613-pat00001

Description

비축상(ｏｆｆ-ａｘｉｓ) 프로젝션 광학계 및 이를 적용한 극자외선 리소그래피 장치{Off-axis projection optics system and extreme ultra violet lithography apparatus applying the same}
도 1은 극자외선 리소그래피용 노광 장치에 사용되는 종래의 축상 프로젝션 광학계를 개략적으로 보여준다.
도 2는 도 1의 축상 프로젝션 광학계를 사용하는 노광 장치에서의 차폐부재를 개략적으로 보여준다.
도 3은 본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계의 일 실시예를 보인 사시도이다.
도 4는 도 3의 측면도이다.
도 5는 표 3에 대응하는 각 필드 위치에서의 본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계에 의해 상면(또는 상면에 위치된 웨이퍼)에 형성되는 스폿 도식(spot diagrams)을 보여준다.
도 6은 도 3 내지 도 5를 참조로 설명한 본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계를 마스크의 패턴 정보를 가지는 빔을 이 비축상 프로젝션 광학계에 의해 웨이퍼에 조사하는 극자외선 리소그래피 장치에 사용하는 예를 보여준다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10,30...제1 및 제2미러 50...반사형 마스크
70...웨이퍼
본 발명은 극자외선(Extreme Ultra Violet :EUV) 리소그래피에 사용될 수 있는 비축상(off-axis) 프로젝션 광학계 및 이를 적용한 극자외선 리소그래피 장치에 관한 것이다.
반도체 제조 공정의 포토리소그래피 공정에 있어서, 100nm 이하의 묘화(direct writing) 크기를 실현하는 노광 기술 중의 하나가 극자외선(EUV) 영역의 노광 파장을 이용한 기술이다. EUV 리소그래피 기술에서는 100nm 보다 짧은 파장 예컨대 대략 13.5nm 정도인 매우 짧은 파장의 극자외선이 사용된다.
극자외선 영역에서는, 대부분의 물질이 큰 광흡수성을 가지기 때문에, 굴절 광학소자는 사용이 불가능하다. 따라서, 극자외선을 사용하는 노광 기술에는 반사 마스크가 필요하며, 이 반사 마스크로부터 반사된 극자외선을 웨이퍼쪽으로 진행시키기 위해 여러 반사 미러로 이루어진 프로젝션 광학계가 필요하다. 극자외선은 챔버 내에 설치된 이 반사 마스크에 조사되며, 이 반사 마스크로부터 반사된 극자외선은 프로젝션 광학계의 여러 반사 미러에 의해 반사된 후 웨이퍼에 조사되어, 웨이퍼 상에 마스크에 대응하는 패턴이 형성되게 된다.
상기와 같이 극자외선 리소그래피에서는, 여러 반사 미러로 이루어진 프로젝 션 광학계가 필요하다.
도 1은 극자외선 리소그래피용 노광 장치에 사용되는 종래의 축상 프로젝션 광학계를 개략적으로 보여준다.
도 1을 참조하면, 극자외선 소스로부터 진행하여 마스크(1)에 조사된 극자외선(4)은 그 마스크(1)에서 반사되어 노광장치(2) 내부로 입사된다.
노광장치(2) 내부에는 입사된 극 자외선(4)을 반사 과정을 통해 웨이퍼(미도시)가 놓여지는 상면으로 유도하기 위한 제1 및 제2미러(3)(5)가 마련되어 있다. 제1 및 제2미러(3)(5) 중심 부분에는 각각 극자외선(4)을 통과시키기 위한 관통홀(3a)(5a)이 형성되어 있다. 마스크에 가까운 쪽에 제2미러(5), 먼쪽에 제1미러(3)가 배치되어 있다.
마스크(1)에서 반사된 극자외선(4)은 발산빔으로서, 제2미러(5)의 중심에 형성된 관통홀(5a)을 통과하여, 제1미러(3)로 입사된다. 입사된 극자외선(4)은 제1미러(3)에서 반사되어 제2미러(5)로 향하고, 제2미러(5)에 의해 반사되면서 수렴빔으로 되고, 제1미러(3)의 중심에 형성된 관통홀(3a)을 통과하여 상면에 놓여지는 웨이퍼(6)에 조사된다.
한편, 상기와 같은 종래의 축상 프로젝션 광학계에서는, 제1 및 제2미러(3)(5)의 중심 부분에 관통홀(3a)(5a)이 뚫려 있기 때문에, 마스크(1)쪽에서 제2 및 제1미러(5)(3)의 관통홀(5a)(3a)을 통하여 곧바로 웨이퍼(6)쪽으로 진행하는 빗나간 광(stray light:4')이 존재할 수 있다.
따라서, 종래의 축상 프로젝션 광학계를 사용하는 노광장치(2)에서는, 이러 한 빗나간 광선이 웨이퍼(6) 쪽으로 곧바로 진행하는 것을 차단하기 위해 도 2에 보여진 바와 같은 차폐부재(7)를 필요로 한다. 이 차폐부재(7)는 제2미러(5)와 제1미러(3) 사이의 소정 위치에 극자외선 빔(9)의 중심 부분을 차단하도록 마련된다. 이 차폐부재(7)에 의해 제2미러(5)의 관통홀(5a)을 통과하여, 제1미러(3)의 관통홀(3a)로 진행하는 빗나간 광(4')을 차단할 수 있다.
상기 차폐부재(7)는 좁은 띠 형태의 지지부(8)에 의해 극자외선 빔(9)의 중심 부분만을 차단하도록 지지된다. 도 2에서는 차폐부재(7)가 십자형태의 지지부(8)에 의해 지지되는 경우를 보여준다.
상기와 같은 종래의 축상 프로젝션 광학계는 빗나간 광의 차단을 위해 차폐부재(7)를 필요로 하는 단점이 있다. 차폐부재(7)의 존재는, 회절(diffraction), 산란(scattering), 플레어(flare) 등을 유발한다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로, 차폐부재의 존재로 인해 유발되는 문제점을 미연에 방지할 수 있도록 차폐부재가 불필요한 비축상 프로젝션 광학계 및 이를 적용한 극자외선 리소그래피 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계는, 비축상 배치 관계에 있는 제1 및 제2미러를 포함하며, 상기 제1미러의 탄젠셜 곡률 반 경 및 새지털 곡률 반경을 각각 R1t, R1s, 상기 제2미러의 탄젠셜 곡률 반경 및 새지털 곡률 반경을 각각 R2t, R2s, 물체점으로부터의 광선이 상기 제1미러에 입사되는 각도를 i1, 제1미러에서 반사된 광선이 상기 제2미러에 입사되는 각도를 i2라 할 때, 하기의 식을 만족하는 것을 특징으로 한다.
<식>
Figure 112005032354613-pat00002
상기 제1미러는 볼록 미러, 상기 제2미러는 오목 미러일 수 있다.
상기 제1 및 제2미러는 비구면 미러일 수 있다.
상기 제1 및 제2미러는, 양쪽 대칭(bilateral symmetric) 형태일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 마스크의 패턴 정보를 가지는 빔을 프로젝션 광학계에 의해 웨이퍼에 조사하는 리소그래피 장치에 있어서, 상기 프로젝션 광학계는, 상기한 특징점 중 적어도 어느 하나를 가지는 본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 빔은 극자외선 빔이다.
상기 마스크는 반사형 마스크이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계 및 이를 적용한 극자외선 리소그래피 장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계의 일 실시예를 보인 사시도이고, 도 4는 도 3의 측면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계는, 비축상 배치 관계에 있으며 입사된 광을 상면으로 유도하기 위한 제1 및 제2미러(M1:10)(M2:30)를 포함한다. 본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계는 이러한 제1 및 제2미러(10)(30) 쌍을 적어도 하나 이상 구비할 수 있다. 이 제1 및 제2미러(10)(30)는 후술하는 수학식 1을 만족하도록 형성되는 것이 바람직하다.
상기 제1미러(10)는 볼록 미러, 제2미러(30)는 오목 미러 형태로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2미러(10)(30)는 비구면 미러일 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2미러(10)(30)는 그 중심점(정점)을 중심으로 양쪽 대칭(bilateral symmetric) 형태로 형성된다.
상기 제1 및 제2미러(10)(30)는 다음의 수학식 1을 만족하도록 설계되는 것이 바람직하다. 즉, 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 제1 및 제2미러(10)(30)는, 상기 제1미러(10)의 탄젠셜 곡률 반경 및 새지털 곡률 반경을 각각 R1t, R1s, 상기 제2미러(30)의 탄젠셜 곡률 반경 및 새지털 곡률 반경을 각각 R2t, R2s, 물체점(O)으로부터의 광선이 상기 제1미러(10)에 입사되는 각도를 i1, 제1미러(10)에서 반사된 광선이 상기 제2미러(30)에 입사되는 각도를 i2라 할 때, 수학식 1을 만족하도록 형성된 것이 바람직하다.
Figure 112005032354613-pat00003
상기 제1 및 제2미러(10)(30)가 상기 수학식 1을 만족하도록 설계되는 경우, 3차 수차(third order aberration)를 최소화할 수 있다. 3차 수차는 일반적인 Seidel 수차 즉, 코마, 비점수차, 구면수차, 상면 만곡 등을 말한다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계에서, 상기 제1미러(10)와 제2미러(30)는 비구면식 예컨대, 수학식 2의 10차 다항식으로 표현될 수 있다.
Figure 112005032354613-pat00004
여기서, z는 정점(중심 광선이 닿는 위치)으로부터 높이이다. an,2m은 다항식 계수이다. x는 새지털 면에 나란한 축을 따르는 정점으로부터의 거리이고, y는 탄젠셜 면에 나란한 축을 따르는 정점으로부터의 거리이다.
표 1 및 표 2는 각각 광선이 제1미러(10)에 입사하는 각도 i1 이 15.257660°, 광선이 제2미러(30)에 입사하는 각도 i2가 -4.434095°일 때, 수학식 1을 만족하며, 수학식 2의 다항식으로 표현되는 제1 및 제2미러(10)(30)에 대한 다항식 계수의 설계예를 보여준다.
x2: 1.2401E-03 y2: 1.0988E-03 x2y: 1.6185E-06 y3: 1.4662E-06 x4: 2.4522E-08 x2y2: 4.6152E-08 y4: 2.1696E-08 x4y: 7.9299E-11 x2y3: 1.3869E-10 y5: 6.3745E-11 x6: 6.2187E-13 x4y2: 1.8613E-12 x2y4: 1.8126E-12 y6: 5.8342E-13 x6y: -1.0996E-14 x4y3: 6.9177E-15 x2y5: -4.6916E-15 y7: -5.8437E-16 x8: 4.0817E-17 x6y2: 1.2177E-16 x4y4: 1.6695E-16 x2y6: 1.1891E-16 y8: 2.7415E-17 x8y: 1.1644E-17 x6y3: -1.2891E-17 x4y5: 1.2685E-17 x2y7: 5.6045E-18 y9: 9.6114E-19
x2: 1.1850E-03 y2: 1.1735E-03 x2y: -3.2669E-08 y3: -3.1629E-08 x4: 1.7901E-09 x2y2 : 3.5427E-09 y4: 1.7524E-09 x4y: -1.7400E-13 x2y3: -3.5141E-13 y5: -1.7128E-13 x6: 5.5346E-15 x4y2: 1.6455E-14 x2y4: 1.6304E-14 y6: 5.3790E-15 x6y: -2.7616E-18 x4y3: -3.4107E-18 x2y5: -5.1155E-18 y7: -1.5540E-18 x8: 2.1875E-20 x6y2: 8.9416E-20 x4y4: 1.2709E-19 x2y6: 8.9096E-20 y8: 2.2130E-20 x8y: 9.5593E-23 x6y3: -1.7370E-22 x4y5: 9.1255E-23 x2y7: 3.5377E-23 y9: 4.1187E-24 x10: 1.0216E-25 x8y2: 1.8425E-25 x6y4: 1.4946E-24 x4y6: 5.8667E-25 x2y8: 2.8987E-25 y10: 6.1892E-26
제1 및 제2미러(10)(30)가 상기한 바와 같은 설계 데이터로 설계되는 경우, 상면 예컨대, 웨이퍼에 조사되는 극자외선 빔의 RMS 파면 에러(wavefront error)는, 표 3에 정리하여 보인 바와 같게 된다.
위치 포커스 RMS(파면 에러)
X 0.00 Y 0.00 0.0029
X 0.00 Y 1.00 0.0467
X 0.00 Y -1.00 0.0461
X 1.00 Y 0.00 0.0352
X -1.00 Y 0.00 0.0352
표 3에서, X, Y는 각각 상면 예컨대, 웨이퍼 중심을 기준으로 가로축, 세로축을 따른 위치를 나타낸다. X=1 또는 -1, Y=1 또는 -1은 웨이퍼 중심에서 0.6mm 벗어난 지점에 해당한다.
상기 포커스 RMS 즉, RMS 파면 에러 값은 파장(λ) 13.5nm에 대해 나타낸 것이다. RMS 파면 에러값이 0.1λ이하면, 이미지 크기가 회절 한계(diffraction limit) 이하 크기로 된다. 표 3에서는, 표 1 및 표 2의 설계 데이터로 제1 및 제2미러(10)(30)를 설계하면, RMS 파면 에러값이 모두 0.1λ(λ= 13.5nm인 경우, 1.35nm) 이하로 되어, 회절 한계 조건을 만족한다.
표 3의 결과로부터, 본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계에 따르면, 충분히 큰 0.6mm × 0.6mm 필드 크기를 실현할 수 있음을 알 수 있다. 이는 본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계가, 충분히 작은 3차 수차 특성을 나타내기 때문에 가능한 것이다.
도 5는 표 3에 대응하는 각 필드 위치에서의 본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계에 의해 상면(또는 상면에 위치된 웨이퍼)에 형성되는 스폿 도식(spot diagrams)을 보여준다. 도 5에서 스케일 바(scale bar)의 크기는 30nm이다. 이 스케일 바와 비교할 때, 필드 크기 0.6mm×0.6mm 전 영역에서 20nm 이하의 스폿 크기를 보임을 알 수 있다.
여기서, 회절 한계는 대략 30nm 정도 되는데, 표 3 및 도 5의 결과로부터 중심에서 X=0.6mm, Y=0.6mm 벗어난 위치에 해당하는 마스크 상의 위치에서 나온 광도 회절 한계보다 작은 크기 즉, 20 nm 이하의 크기로 맺힐 수 있음을 알 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계에 따르면, 종래의 축상 프로젝션 광학계에서와는 달리, 빗나간 광선이 상면으로 곧바로 진행하는 일이 발생하지 않으므로, 차폐부재를 필요로 하지 않고, 이에 의해 플레어, 산란, 회절 등의 문제가 생기지 않는다.
또한, 비축상 구조임에도 불구하고, 일반적인 수차인 3차 수차(seidel 수차)를 최소화할 수 있어, 충분히 큰 0.6mm×0.6mm의 필드 크기를 실현할 수 있다.
도 6은 도 3 내지 도 5를 참조로 설명한 본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계를 마스크의 패턴 정보를 가지는 빔을 이 비축상 프로젝션 광학계에 의해 웨이퍼에 조사하는 극자외선 리소그래피 장치에 사용하는 예를 보여준다.
도 3, 도 4 및 도 6을 참조하면, 물체면에 패터닝된 반사형 마스크(50)가 놓여지며, 상면에 웨이퍼(70)가 놓여진다. 반사형 마스크(50)에 조사되는 극자외선 빔은, 그 반사형 마스크(50)에서 반사된 후 제1미러(10)로 입사된다. 극자외선 빔은 제1미러(10)에 의해 반사되어 제2미러(30)로 입사된다. 입사된 극자외선 빔은 제2미러(30)에 의해 반사되어 상면에 위치된 웨이퍼(70) 상에 포커싱되어, 웨이퍼(70)에 반사형 마스크(50)에 대응하는 패턴이 형성되게 된다.
본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계에서 사용되는 미러의 수는 최소 2개가 되며, 극자외선 리소그래피 장치내에서 요구되는 반사형 마스크 및 웨이퍼 설치 위치 및 방향 등을 고려하여, 적어도 1개 이상의 미러가 추가적으로 사용될 수도 있다.
이상에서는 본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계가 극자외선 리소그래피 장치에 적용되는 것으로 설명하였는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계는 다양한 광학장치에 적용될 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 프로젝션 광학계를 비축상으로 구성함으로써, 종래의 축상 프로젝션 광학계에서와는 달리, 빗나간 광선이 상면으로 곧바로 진행하는 일이 발생하지 않으므로, 차폐부재를 필요로 하지 않는다.
또한, 비축상 구조임에도 불구하고, 일반적인 수차인 3차 수차(seidel 수차)를 최소화할 수 있어, 충분히 큰 필드 크기를 실현할 수 있다.

Claims (9)

  1. 비축상 배치 관계에 있는 제1 및 제2미러를 포함하며,
    상기 제1미러의 탄젠셜 곡률 반경 및 새지털 곡률 반경을 각각 R1t, R1s, 상기 제2미러의 탄젠셜 곡률 반경 및 새지털 곡률 반경을 각각 R2t, R2s, 물체점으로부터의 광선이 상기 제1미러에 입사되는 각도를 i1, 제1미러에서 반사된 광선이 상기 제2미러에 입사되는 각도를 i2라 할 때, 하기의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 비축상 프로젝션 광학계.
    <식>
    Figure 112005032354613-pat00005
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1미러는 볼록 미러, 상기 제2미러는 오목 미러인 것을 특징으로 하는 비축상 프로젝션 광학계.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2미러는 비구면 미러인 것을 특징으로 하는 비축상 프로젝션 광학계.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2미러는 비구면 미러인 것을 특징으로 하는 비축상 프로젝션 광학계.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2미러는, 양쪽 대칭(bilateral symmetric) 형태인 것을 특징으로 하는 비축상 프로젝션 광학계.
  6. 마스크의 패턴 정보를 가지는 빔을 프로젝션 광학계에 의해 웨이퍼에 조사하는 리소그래피 장치에 있어서,
    상기 프로젝션 광학계는, 청구항 1항 내지 청구항 4항 중 어느 한 항의 비축상 프로젝션 광학계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리소그래피 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 및 제2미러는, 양쪽 대칭(bilateral symmetric) 형태인 것을 특징으로 하는 리소그래피 장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 빔은 극자외선 빔인 것을 특징으로 하는 리소그래피 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 마스크는 반사형 마스크인 것을 특징으로 하는 리소그래피 장치.
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