KR101037899B1 - 리소그래피 장치 및 리소그래피 방법 - Google Patents

리소그래피 장치 및 리소그래피 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 리소그래피 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 리소그래피 장치는 입사광을 단일의 편광방향을 갖는 제1편광으로 변환하는 편광필터; 상기 제1편광의 투과율을 조절하여 제2편광으로 변환하도록 서로 다른 방향의 편광축을 가지는 복수개의 편광패턴과, 상기 복수개의 편광패턴 중 적어도 하나와 동일 층 상에서 이웃하게 배치되며 상기 제1편광을 차단하는 차광패턴으로 구성되는 포토 마스크;를 포함하고, 상기 편광패턴 또는 차광패턴은 상기 편광축의 방향을 길이방향으로 하는 다수의 스트라이프 격자로 형성되며, 상기 다수의 스트라이프 격자들은 30nm 내지 300nm 범위의 일정한 피치(pitch)를 가지고 상호 이격되며, 상기 포토 마스크에서 투과율이 조절된 광을 조사함으로써 상기 포토 레지스트를 패터닝하는 것을 특징으로 한다.
이에 의하여, 재현성 있는 패터닝을 구현할 수 있는 리소그래피 장치가 제공된다.

Description

리소그래피 장치 및 리소그래피 방법{APPARATUS AND METHOD FOR LITHOGRAPHY}
본 발명은 리소그래피 장치 및 리소그래피 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 노광량을 정량적으로 제어하여 일정한 재현성에 의한 패터닝을 구현할 수 있는 리소그래피 장치 및 리소그래피 방법에 관한 것이다.
더욱 빠르고 복잡한 회로를 제작하기 위하여, 반도체 산업은 회로 소자들의 크기를 최소화하는 노력을 지속하고 있다. 리소그래피는 이러한 노력을 실현하기 위한 방법 중에 하나이다.
리소그래피는 소정의 형상으로 패턴화된 마스크를 통하여 광을 조사하고 이를 투과한 광을 기판 상에 적층된 복사 감지성 물질인 포토 레지스트에 조사함으로써 포토 레지스트의 화학적으로 변형시키고, 노광된 영역을 열적, 화학적 처리를 통하여 제거함으로써 소정의 패턴을 형성시키는 프린팅 방법의 일종이다.
도 1은 종래의 그레이 스케일 마스크를 이용하는 리소그래피 장치의 일례를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 종래의 그레이 스케일 마스크를 이용하는 리소그래피 장치(10)는 소정 폭(n1)과 간격(n2)을 가지는 슬릿(12)을 형성되는 그레이 스케일 마스크(11)에 광을 입사하고, 슬릿(12)을 통과하여 회절되는 광을 포토 레지스트(13)에 조사하여 포토 레지스트(13)를 패터닝한다.
다만, 이러한 종래의 리소그래피 장치에 의하면 광 조사가 슬릿의 폭(n1)과 간격(n2)에 의하여 어느정도는 제어될 수 있지만, 회절광의 중첩효과를 정확히 예측하기는 어려워 광을 정량적으로 제어하는 것에는 어려움이 있었다. 따라서, 다수의 실험적 시도를 통하여 획득되는 경험적인 결과에 의존하여 슬릿의 폭(n1)과 간격(n2)을 결정하고 광량조건을 제어하는 수 밖에 없었다.
또한, 불규칙한 광조사로 인하여 종래의 리소그래피 장치에 의해 구현되는 패턴들의 크기, 형태 및 두께에 있어서도 일정한 재현성(repeatability)을 가지기 어렵다는 문제가 있었다.
또한, 종래의 리소그래피는 대면적화된 기판상에 단순한 형태의 반복적인 패터닝은 용이하게 할 수 있으나, 복잡한 굴곡을 가지는 3차원 형상 패터닝을 구현하기 위한 목적으로 이용되는 것에는 한계가 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 편광현상을 이용함으로써 포토 레지스트에 조사되는 광량을 정량적으로 제어할 수 있는 리소그래피 장치를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 목적은 2차원의 포토 마스크를 이용하여 기판상에 복잡한 3차원 형상의 패터닝을 구현할 수 있는 리소그래피 방법을 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 입사광을 단일의 편광방향을 갖는 제1편광으로 변환하는 편광필터; 상기 제1편광의 투과율을 조절하여 제2편광으로 변환하도록 서로 다른 방향의 편광축을 가지는 복수개의 편광패턴과, 상기 복수개의 편광패턴 중 적어도 하나와 동일 층 상에서 이웃하게 배치되며 상기 제1편광을 차단하는 차광패턴으로 구성되는 포토 마스크;를 포함하고, 상기 편광패턴 또는 차광패턴은 상기 편광축의 방향을 길이방향으로 하는 다수의 스트라이프 격자로 형성되며, 상기 다수의 스트라이프 격자들은 30nm 내지 300nm 범위의 일정한 피치(pitch)를 가지고 상호 이격되며, 상기 포토 마스크에서 투과율이 조절된 광을 조사함으로써 상기 포토 레지스트를 패터닝하는 것을 특징으로 하는 리소그래피 장치에 의해 달성된다.
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또한, 상기 어느 하나의 편광패턴은 이웃하는 편광패턴과 인접하게 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2편광에 포함되는 서로 다른 광분포에 의해 발생되는 경계면을 매끄럽게 변환하기 위한 디퓨저(diffuser)를 더 포함할 수 있다.
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본 발명에 따르면, 조사되는 광을 일정한 양으로 제어하여 제작오차를 최소화할 수 있는 리소그래피 장치가 제공된다.
또한, 상이한 편광축을 가지는 다수의 편광패턴을 구비함으로써 포토 레지스트를 두께를 달리하는 복잡한 형태의 형상으로 패터닝 가능하다.
또한, 이웃하는 편광패턴을 인접되게 형성함으로서 포토 레지스트를 두께가 서로 다른 형상을 인접되게 패터닝할 수 있다.
또한, 2차원의 포토 마스크를 이용하여 3차원 형상의 패터닝이 가능한 리소그래피 방법이 제공된다.
도 1은 종래의 리소그래피 장치의 일례를 도시한 것이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 리소그래피 장치를 도시한 것이고,
도 3은 도 2의 리소그래피 장치의 포토 마스크를 도시한 것이고,
도 4는 도 2의 리소그래피 장치의 제1편광에서 제2편광이 변환되는 원리를 도시한 것이고,
도 5는 도 2의 디퓨저가 제외된 리소그래피 장치가 포토 레지스트를 패터닝하는 작동과정을 도시한 것이고,
도 6는 도 2의 디퓨저가 포함된 리소그래피 장치가 포토 레지스트를 패터닝하는 작동과정을 도시한 것이고,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 리소그래피 방법의 공정 흐름도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 리소그래피 장치에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 리소그래피 장치를 도시한 것이고, 도 3은 도 2의 리소그래피 장치의 포토 마스크를 도시한 것이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 리소그래피 장치(100)는 광원(110)과 편광필터(120)와 포토 마스크(130)와 디퓨저(140)를 포함한다.
상기 광원(110)은 자외(UV)광을 조사하는 장치로 마련된다. 다만, 광원(110)은 이에 제한되는 것은 아니고 레이저 조사 장치 등의 선형적으로 편광될 수 있는 장치가 이용될 수도 있다.
상기 편광필터(120)는 광원(110)으로부터 받은 입사광(l1)을 단일 방향의 편광축을 가지는 편광인 제1편광(l2)으로 변환시키는 것으로서, 광원(110)과 소정간격 이격되어 구비된다.
상기 포토 마스크(130)는 제1편광(l2)을 제2편광(l3)으로 변환시키는 것으로서 편광패턴(131)과 차광패턴(132)를 포함한다.
상기 편광패턴(131)은 입사되는 제1편광(l2)의 투과율을 조절하여 하방으로 출사하는 것으로서 복수개가 마련된다. 상기 편광패턴(131)들은 복수개가 조합되어 광조사를 통하여 형성하고자 하는 포토 레지스트 형상의 단면과 동일한 단면으로 형성된다.
따라서, 복수의 편광패턴(131)들은 형성하고자하는 포토 레지스트 패턴의 형상에 따라서 상호 인접되어 배치될 수도 있고, 차광패턴(132)이 편광패턴(131)들의 사이에 배치되어 편광패턴(131)들은 이격되게 배치될 수도 있다.
각각의 편광패턴(131)은 다수의 스트라이프(stripe)형상의 격자(s)가 조합되는 구성으로 형성된다. 임의의 편광패턴(131) 내에 구비되는 복수의 스트라이프 형상 격자(s)들은 상호 소정간격 이격되게 배치되며, 이격되는 간격은 피치(r)로 정의한다.
본 실시예에서 피치(r)는 30nm 내지 300nm 의 범위 내에서 결정되는 것이나, 이에 제한되는 것은 아니고 포토 마스크의 크기, 제작비용, 스트라이프 형상 격자의 형성방법 등을 고려하여 편광현상을 유도할 수 있도록 제작되는 것이 바람직하다.
한편, 임의의 편광패턴(131)에는 스트라이프 형상 격자(s)의 길이방향으로 연장되는 가상의 축인 편광축이 형성된다.
이때, 각 편광패턴(131)의 편광축은 후술할 말루스의 법칙(Malus' law)의 적용을 받음으로써 입사되는 제1편광(l2)의 제2편광(l3)으로의 변환시에 광 투과량을 결정하는 요인으로 작용되므로, 노광후에 형성하고자 하는 포토 레지스트 패턴의 두께를 고려하여 결정되는 것이 바람직하다.
한편, 스트라이프 형상 격자(s)가 형성되는 편광패턴(131)은 나노 임프린트, Electron-beam 리소그래피 등의 방식에 의하여 제작될 수 있으나, 나노 패터닝이 가능한 방법이라면 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 차광패턴(132)은 제1편광(l2)이 통과하는 것을 방지하고, 차광패턴(132)이 형성되는 위치의 하방으로 광 조사를 억제한다.
따라서, 이러한 복수개의 편광패턴(131)과 차광패턴(132)의 조합으로 구성되는 포토 마스크(130)에 입사되는 제1편광(l2)은 서로 다른 투광량을 가지는 영역이 조합되어 전체적으로 소정 형상의 단면을 구성하는 제2편광(l3)으로 변환된다.
상기 디퓨저(diffuser)(140)는 포토 마스크(130)의 하방에 이격되게 설치된다. 제2편광(l3)이 디퓨저(140)를 통과하면, 서로 다른 광량을 포함하는 영역에 의해 형성되는 제2편광(l3)내의 불연속적인 경계면이 매끄럽게 되어 연속면에 가깝게 조절된다.
지금부터는 상술한 리소그래피 장치의 제1실시예의 작동에 대하여 설명한다.
도 4는 도 2의 리소그래피 장치의 제1편광에서 제2편광이 변환되는 원리를 도시한 것이고, 도 5는 도 2의 디퓨저가 제외된 리소그래피 장치가 포토 레지스트를 패터닝하는 작동과정을 도시한 것이다.
이하, 본 실시예에서 사용되는 포토 레지스트(200)는 조사되는 빛에 의하여 제거되는 형식으로 패터닝되는 포지티브 타입인 것으로 하여 설명한다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 광원으로부터 발생한 입사광(l1)이 편광필터에 입사되면, 입사광은 단일 편광축을 제외한 편광축들의 편광이 전부 필터링됨으로써 단축 편광인 제1편광(l2)으로 변환되어 균일한 광량으로 출사된다.
편광필터(120)에서 출사된 제1편광(l2)은 포토 마스크(130)에 입사된다. 포토 마스크(130) 상에 형성된 차광부(132)에 입사한 제1편광(l2)은 하방으로 조사되지 못하고 완전히 차단된다.
그러나, 편광패턴(131)에 입사되는 제1편광(l2)은 광량이 조절된 제2편광(l3)으로 변환되어 기판(300)상의 포토 레지스트(200)에 조사된다.
도 4를 참조하면, 편광패턴(131)에 입사되는 제1편광(l2)의 광량을 I0 라고 하고, 편광필터(120)에 형성되는 광축의 단위벡터
Figure 112010018641588-pat00001
와 임의의 편광패턴(131)에 형성되는 편광축의 단위벡터
Figure 112010018641588-pat00002
가 이루는 각도를 θ 라고 하면, 제2편광(l3)의 세기 I(θ) 는 말루스의 법칙(Malus' law)인 하기의 수학식 1에 따라 정량적으로 결정된다.
Figure 112010018641588-pat00003
따라서, 본 실시예에의 리소그래피 장치(100)에서는 θ 가 작을수록 하방으로 투과하여 조사되는 제2편광(l3)의 광량은 증가하며, θ 가 증가할수록 제2편광(l3)의 광량은 감소하며, θ 가 90°가 되면 편광패턴(131)이라 할지라도 광을 투과시키지 않으므로, 차광패턴(132)과 동일한 작용을 한다.
상술한 방법으로, 광량이 서로 다르게 조절된 영역을 포함하는 제2편광(l3)을 포토 레지스트(200)에 조사함으로써, 포토 레지스트(200)는 화학적 구조에 변화를 일으키며, 이를 화학물질과 반응시키는 과정을 통하여 광이 조사된 영역의 포토 레지스트(200)를 제거하여 원하는 형태로 포토 레지스트(200)를 패터닝할 수 있다.
도 6는 도 2의 디퓨저가 포함된 리소그래피 장치가 포토 레지스트를 패터닝하는 작동과정을 도시한 것이다.
도 6을 참조하면, 포토 마스크(130)의 하방에 디퓨저(140)를 배치하고, 디퓨저(140)에 제2편광(l3) 중 일부 또는 전체 영역을 통과시켜, 통과된 제2편광(l3)을 기판(300)상의 포토 레지스트(200)에 조사함으로써 광량의 차이에 의해 형성되는 제2편광(l3)에 포함된 불연속 경계면을 부드럽게 하여 포토 레지스트를 경계면이 연속적인 곡선으로 형성되도록 패터닝 할 수도 있다.
한편, 본 실시예에서는 포지티브 타입의 포토 레지스트가 대상이었으나, 본 실시예의 변형례에서는, 빛이 조사되지 않는 영역이 제거되는 네거티브 타입의 포토 레지스트를 이용하여, 보다 큰 두께의 형상이 필요한 부분에는 포지티브 타입의 포토 레지스트를 사용하는 경우와는 반대로 제2편광의 광량이 많도록 편광패턴의 편광축을 조절함으로써 포토 레지스트를 경화시키는 방법을 이용한다.
따라서, 종래의 리소그래피 장치에 의하면 노광량을 제어하는데 어려움이 있었으나, 본 실시예의 리소그래피 장치를 이용하면 노광량을 제어함으로써 포토 레지스트 형상의 두께를 일정한 재현성(repeatability)을 가지고 정량적으로 조절할 수 있다.
또한, 종래에는 단순히 포토 마스크의 하면에 편광판을 배치하는 경우에 포토 레지스트 상에서 두께 차이를 가지는 형상이 상호 인접되게 형성하는 것은 불가능 하였으나, 본 실시예의 리소그래피 장치에 의하면 편광패턴이 이웃하는 편광패턴과 인접하게 형성되며 서로 다른 편광축을 가질 수 있으므로, 포토 레지스트 상에 인접하는 형상이 각각 다른 두께를 가지도록 유도할 수 있다.
다음으로 본 발명의 일실시예에 따른 리소그래피 방법에 대하여 설명한다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 리소그래피 방법의 공정 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 리소그래피 방법(S100)은 광변환단계(S110)와 광투과단계(S120)와 광조사단계(S130)와 패터닝단계(S140)를 포함한다.
상기 광변환단계(S110)는 광원에서 발생되는 입사광을 일축방향의 편광축이 형성된 편광필름상에 투과시킴으로써 단일축을 가지는 제1편광으로 변환시키는 단계이다.
상기 광투과단계(S120)는 제1편광을 포토 마스크에 통과시킴으로써 제2편광으로 변환하는 단계이다. 상기 포토 마스크 상에는 입사되는 제1편광의 투과율을 조절하기 위한 다수의 편광패턴과, 제1편광의 투과를 차단하는 다수의 차광패턴의 조합으로 형성된다.
임의의 편광패턴은 다수의 스트라이프 형 격자가 소정간격 이격되어 반복적으로 배치되는 구조를 가지며, 평광패턴에는 스트라이프 형 격자의 길이방향으로 연장되는 가상의 축인 편광축이 형성된다.
포토 마스크를 통과하는 제1편광은 제2편광으로 변환되어 후술할 광조사단계(S130)상에서 포토 레지스트에 조사되는 것이므로 포토 마스크는 제2편광의 단면이 형성하고자 하는 포토 레지스트의 형상단면에 부합하도록 편광패턴과 차광패턴이 조합되어 형성된다.
또한, 편광필름의 편광축과 편광패턴의 편광축에 의해 형성되는 각도(θ)가 말루스의 법칙(Malus' law)을 적용받어 제2편광의 광량이 조절된다.
상기 광조사단계(S130)는 변환된 제2편광을 포토 레지스트 상에 조사하는 단계이다. 제2편광에 의하여 소정의 형상으로 포토 레지스트가 노광되면, 포토 레지스트의 노광된 영역에서는 화학적 변화를 일으키게 된다.
상기 패터닝단계(S130)는 포토 레지스트에 열처리 또는 화학처리를 함으로써 일부영역을 제거하는 단계이다. 상기 광조사단계(130)에서 노광된 포토 레지스트를 열처리 또는 화학처리하면, 포토 레지스트는 노광정도에 따라서 차등을 가지면서 제거되고 원하는 형상으로 패터닝된다.
상기 제거되는 포토 레지스트의 양은 조사되는 제2편광의 광량에 비례하며, 제2패턴의 광량은 상술한 편광패턴에 형성되는 편광축에 의하여 결정된다. 따라서, 제거되는 양의 차이로 인하여 포토 레지스트는 각 영역에서 서로 다른 두께로 남게되며, 전체적으로는 소정의 굴곡을 가지는 형상으로 패터닝 된다.
따라서, 종래의 리소그래피 방법을 이용하면 단순한 형상을 가지는 패터닝만이 가능하였으나, 본 실시예의 리소그래피 방법(S100)을 이용하면, 2차원의 포토 마스크에 형성되는 편광패턴을 이용한 노광을 정량적으로 제어함으로써 복잡한 굴곡을 가지는 3차원 형상 패터닝이 가능하다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
100 : 본 발명의 일실시예에 다른 리소그래피 장치 130 : 포토 마스크
110 : 광원 140 : 디퓨저
120 : 편광필터

Claims (7)

  1. 입사광을 단일의 편광방향을 갖는 제1편광으로 변환하는 편광필터;
    상기 제1편광의 투과율을 조절하여 제2편광으로 변환하도록 서로 다른 방향의 편광축을 가지는 복수개의 편광패턴과, 상기 복수개의 편광패턴 중 적어도 하나와 동일 층 상에서 이웃하게 배치되며 상기 제1편광을 차단하는 차광패턴으로 구성되는 포토 마스크;를 포함하고,
    상기 편광패턴 또는 차광패턴은 상기 편광축의 방향을 길이방향으로 하는 다수의 스트라이프 격자로 형성되며, 상기 다수의 스트라이프 격자들은 30nm 내지 300nm 범위의 일정한 피치(pitch)를 가지고 상호 이격되며, 상기 포토 마스크에서 투과율이 조절된 광을 조사함으로써 상기 포토 레지스트를 패터닝하는 것을 특징으로 하는 리소그래피 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 어느 하나의 편광패턴은 이웃하는 편광패턴과 인접하게 형성되는 것을 특징으로 하는 리소그래피 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2편광에 포함되는 서로 다른 광분포에 의해 발생되는 경계면을 매끄럽게 변환하기 위한 디퓨저(diffuser)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리소그래피 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
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