KR0153221B1

KR0153221B1 - 감소형 투영 프린팅 장치에 사용되는 공간 필터

Info

Publication number: KR0153221B1
Application number: KR1019940021156A
Authority: KR
Inventors: 다까시 스지하라; 다까시 후꾸시마; 준꼬 다까기
Original assignee: 쯔지 하루오; 샤프 가부시끼가이샤
Priority date: 1993-08-27
Filing date: 1994-08-26
Publication date: 1998-11-02
Also published as: DE4430253A1; US5642183A; KR950006541A; DE4430253C2

Abstract

감소형 투영 프린팅 장치에 사용되는 공간 필터는 광빔이 규정된 값 이하의 투과율로 통과하는 중심 영역과, 중심 영역을 둘러싸고 있는 투명한 주변 영역(3)과 중심 영역과 주변 영역을 통과하는 광빔들 간에 180°의 위상차를 발생하기 위한 수단(G1,6,G2)을 포함한다.

Description

감소형 투영 프린팅 장치에 사용되는 공간 필터

제1도는 종래 기술의 포토마스크의 한 예를 도시한 개략적인 단면도.

제2도는 종래 기술의 포토마스크의 다른 예를 도시한 단면도.

제3도는 종래 기술의 감소형 투영 프린팅 장치를 도시한 개략적인 단면도.

제4a도는 제3도의 감소형 투영 프린팅 장치에 사용되는 공간 필터를 도시한 평면도.

제4b도는 제3도의 감소형 투영 프린팅 장치에서 사용되는 포토마스크를 도시한 평면도.

제4c도는 제3도의 감소형 투영 프린팅 장치에서 사용되는 다른 공간 필터를 도시한 평면도.

제5a도는 종래의 정상 조사에 의해 포토마스크 상의 비교적 큰 패턴을 투영하는 노출 장치를 도시한 개략적인 단면도.

제5b도는 종래의 정상 조사에 의해 포토마스크 상의 미세 패턴을 투영하는 노출 장치를 도시한 개략적인 단면도.

제6a도는 종래 기술의 오프-축(off-axis) 조사에 의해 포토마스크 상의 미세 패턴을 투영하는 노출 장치를 도시한 개략적인 단면도.

제6b도는 종래 기술의 오프-축 조사에 의해 포토마스크 상의 비교적 큰 패턴을 투영하는 노출 장치를 도시한 개략적인 단면도.

제7도는 종래 기술의 정상 고리형 공간 필터를 도시한 평면도.

제8a도는 종래 기술의 망판(half-tone) 고리형 공간 필터를 사용하여 포토마스크 상의 비교적 큰 패턴을 투영하는 노출 장치를 도시한 개략적인 단면도.

제8b도는 망판 고리형 공간 필터를 사용하여 포토마스크 상의 미세 패턴을 투영하는 노출 장치를 도시한 개략적인 단면도.

제9a도는 화상 형성 평면 상으로 투영되는 광의 진폭 분포를 도시한 그래프.

제9b도는 화상 형성 평면 상으로 투영되는 광의 세기 분포를 도시한 그래프.

제10도는 본 발명에 따른 공간 필터를 갖는 투영 프린팅 장치의 조사 시스템을 도시한 개략적인 단면도.

제11a도는 본 발명의 제1실시예에 따른 공간 필터를 도시한 개략적인 평면도.

제11b도는 제11a도에서 선 11B-11B를 따라 절취한 단면도.

제12도는 제11b도의 공간 필터를 제조하는 프로세스를 도시한 단면도.

제13a도는 본 발명의 제2 실시예에 따른 공간 필터를 도시한 평면도.

제13b도는 제13a도의 선 13B-13B를 따라 절취한 단면도.

제14도는 제13b도의 공간 필터를 제조하는 프로세스를 도시한 단면도.

제15도는 본 발명에 따른 공간 필터를 포함하는 투영 프린팅 장치에서의 해상도에 대한 개선을 도시한 그래프.

제16a도는 본 발명에 따른 공간 필터를 포함하는 투영 프린팅 장치에서 미세 패턴에 대한 촛점 심도의 개선을 도시한 그래프.

제16b도는 본 발명에 따른 공간 필터를 포함하는 투영 프린팅 장치에서 비교적 큰 패턴에 대한 촛점 심도의 개선을 도시한 그래프.

제17a도는 종래의 정상 조상에 의해 화상 형성 평면 상으로 투영되는 선(line) 패턴을 도시한 평면도.

제17b도는 본 발명에 따른 공간 필터를 포함하는 투영 프린팅 장치의 화상 형성 평면 상으로 투영되는 선 패턴을 도시한 평면도.

제18a도는 본 발명의 제3 실시예에 따른 공간 필터를 도시한 평면도.

제18b도는 제18a도의 선 18B-18B를 따라 절취한 단면도.

제19도는 제18b도의 공간 필터를 제조하는 프로세스를 도시한 단면도.

제20도는 본 발명에 따른 공간 필터의 중심 부분에서의 투과율과 화상 형성 평면 상에 형성되는 화상 콘트라스트 간에서의 관계를 도시한 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 기판 2, 12 : 차광 패턴

3,4,7 : 애퍼튜어 5 : 투명 물질막

9, 15, 31, 32 : 공간 필터 10 : 콘덴서 렌즈

11, 20 : 포토마스크 13 : 광 투영 시스템

18 : 플라이-아이 렌즈 19 : 콘덴서 렌즈

40 : 위상/투과율 변조 필터

본 발명은 예를들어, 반도체 장치, 액정 장치, 유전체 장치, 강유전체 장치, 자기 장치 및 초전도체 장치의 제조에 사용되는 감소형 투영 프린팅 장치(reduction-type apparatus)에 관한 것으로, 더 상세하게는 감소형 투영 프린팅 장치에서 해상도와 촛점 심도를 개선하기 위해 사용되는 공간 필터(spatial filter)에 관한 것이다.

최근 반도체 장치의 집적도의 증가로, 보다 미세한 패턴을 갖는 회로의 구현이 요구되고 있으며, 더 나가서는 포토리쏘그라피(photolithography) 기술에서의 개선이 바람직하다. 포토리쏘그라피에 사용되는 광 스테퍼(optical stepper)라 불리는 감소형 투영 프린팅 장치에서 한계 해상도 (R)와 촛점 심도(DOF)를 개선하는 시도가 있어 왔다. 단파장을 갖는 광선의 사용을 시도하였으며, 동시에, 투영 프린팅 장치의 한계 해상도(R)를 개선하기 위해 예를 들어, 광학 렌즈 시스템과 포토레지스트에 관련된 기술이 개발되어 왔다. 단파장의 광선으로서 고압 수은 램프의 휘선인 G선(436㎚의 파장)과 i선(365nm의 파장)과, KrF 엑시머 레이저에 포함된 깊은 UV영역(248nm의 파장)이 사용되었다.

그러나, 특히 반도체 장치의 집적도의 빠른 증가로 인해, 회로 내의 선폭은 0.3㎛이하로 되는 것이 바람직하고, 더 나가서는 광 파장과 같거나 이하인 것이 바람직하다.

투영 프린팅 장치에서 한계 해상도(R)와 촛점 심도(DOF)는 다음의 레일레이(Rayleigh)의 식(1)과 (2)에 의해 일반적으로 주어진다.

R = k1·λ/NA ...(1)

DOF = k2·λ/(NA)2 ...(2)

여기서, k1과 k2는 프로세스에 따라 결정되는 상수이고, λ는 광 파장이며 NA는 광학 시스템의 개구수이다.

따라서, 광 파장을 변화시키지 않고서 한계 해상도를 개선시키기 위해서는 광학 시스템의 개구수 NA의 증가가 필요하다는 것을 식(1)로부터 알 수 있다. 그러나, 식(2)에서 알 수 있는 바와 같이, 광학 시스템의 개구수 NA의 증가는 포토리쏘그라피에서 다른 중요한 특징이 되는 촛점 심도 DOF를 감소시키게 된다. 즉, 개구수 NA는 한계 해상도 R과 촛점 심도 DOF의 바람직한 결합이 얻어지도록 최적화 되어야 한다.

개구수 NA를 증가시키는 것은 기술적으로 어렵고 현재 일반적으로 달성되어진 최대 개구수 NA는 약 0.6이다. 일반적으로 사용되는 석영형 렌즈 물질의 경우, 단파장의 광에 있어서의 색수차의 보상이 어렵고, 렌즈 물질에 의한 광의 흡수가 증가되어, 광 흡수로부터 초래되는 열에 의해 렌즈가 왜곡된다.

최근에, 광학 시스템에서 광 파장 λ를 감소시키며 개구수 NA를 증가시킬 필요 없이 해상도와 촛점 심도를 개선시키는 몇 가지 방법들이 제안되어 있다.

제1도는 일본국 특허 공개 제57-62052호에 기술된 포토마스크를 개략적으로 도시한다. 이 포토마스크(1A)는 복수의 투명 부분(1a)과 차광 패턴(2)을 포함한다. 복수의 투명 부분(1a)은 일정한 피치로 서로 병렬로 배열된 복수의 선에 대응한다. 위상 시프터(phase shifter)로서 기능하는 λ/2플레이트(3a)가 투명 부분(1a)에 하나 걸러씩 제공된다. 이러한 포토마스크와 코히어런트한 조사 광을 투영 프린팅 장치에서 사용할 때, 위상 시프터(3a)를 통과하는 광의 진폭 분포 위상은 제1도에서 실곡선에 의해 도시된 것처럼 근접한 투명 부분(1a)을 통과하는 광의 진폭 분포 위상과 반대가 된다. 따라서, 화상 형성 평면에서, 제1도에서 점 곡선에 의해 도시된 광세기 분포는 광 간섭에 의해 얻어질 수 있다. 즉, 광선 세기 분포의 폭은 하나의 투영되는 선에 대한 진폭 분포의 것보다 작게 되어 투영되는 화상의 해상도가 개선 된다.

제2도는 일본국 특허 공개 제62-67547호에 기술된 포토마스크의 단면을 도시한다. 포토마스크(1B)는 투명 기판(1)상에 형성되는 차광 패턴(2)을 포함한다. 차광 패턴(2)은 폭이 한계 해상도에 가까운 폭을 갖는 분리된 선-형상의 애퍼튜어(5a)를 포함한다. 차광 패턴(2)은 또한 일정한 피치로 배열된 복수의 선-형상의 애퍼튜어(7)를 포함한다. 이러한 마스크를 투영 프린팅 장치에 사용할 때, 화상 형성 평면상의 분리된 애퍼튜어(5a)를 통과하는 광의 세기는 일군의 애퍼튜어(7)중의 하나를 통과하는 광의 것보다 낮게 되기 쉽다. 따라서, 예를 들면, 분리된 애퍼튜어(5a)를 통과하는 광에 의해 반도체 웨이퍼상의 레지스트에서 충분한 광화학적 반응이 일어나도록 하기 위해서는 방사 광의 세기(조사량)를 증가시키는 것이 바람직하다. 그러나, 방사 광의 조사량이 증가하면, 일군의 애퍼튜어(7)의 각각을 통과하는 광의 세기뿐만 아니라 그 세기 분포의 폭도 증가한다. 따라서, 일군의 애퍼튜어(7)의 각각을 통과하는 광 세기의 바람직하지 않은 증가를 방지시키기 위해 한계 해상도와 같거나 적은 크기를 갖는 복수의 차광 도트(6a)를 각각의 애퍼튜어(7)에 제공한다. 부가적으로, 일군의 애퍼튜어(7)의 각각을 통과하는 광 세기 분포가 확장되지 않도록 하기 위해 제1도의 포토마스크에서와 같이 애퍼튜어(7)에 하나 걸러씩 위상 시프트층(8)을 제공한다.

제3도는 일본국 특허 공개 제4-101148에 기술된 감소형 투영 프린팅 장치를 도시한다. 감소형 투영 프린팅 장치는 공간 필터(9), 콘덴서 렌즈(10), 차광 패턴(12)을 갖는 포토마스크(11), 광 투영 시스템(13)의 동공(pupli)에 위치하는 다른 공간 필터(15), 및 화상 형성 평면상에 위치하는 반도체 웨이퍼(17)를 포함한다. 이러한 투영 프린팅 장치에서, 포토마스크(11)가 제4b도에 도시된 것처럼 일정한 피치로 배열된 복수의 병렬선을 포함하는 차광 패턴(12)을 가질 경우, 공간 필터(9)는 패턴(12)의 퓨리에 변환 평면(fourier transform plane)상에 위치한다. 제4a도에 도시된 바와 같이, 공간 필터(9)는 제4b도에 도시된 차광 패턴(12)의 퓨리에 변화 패턴에 대응하는 애퍼튜어(9a와 9b)를 포함한다. 2개의 애퍼튜어(9a와 9b)를 각각 통과하는 조사 광 Li의 광선속 Lil과 Lir는 차광 패턴(12)에 의해 회절된다. 실선으로 도시된 광빔 Ll0과 Lr0은 각각 조사 광선속 Lil과 Lir의 0차 회절 빔을 나타내며, 파선으로 도시된 광빔 Ll1과 Lr1은 각각 조사 광선속 Lil과 Lir의 1차 회절 빔을 나타낸다. 제4c도에 도시된 바와 같이, 투영 광학 시스템의 동공(14)에 위치하는 공간 필터(15)는 0차 회절 빔 Ll0과 Lr0 뿐만 아니라 1차 회절 빔 Ll1과 Lr1만을 통과시키는 한쌍의 애퍼튜어(15a와 15b)를 포함한다. 그러나, 공간 필터(15)가 항상 필요한 것은 아니다. 제3도에 도시된 감소형 투영 프린팅 장치의 경우, 포토마스크 상의 차광 패턴과 공간 필터 내의 애퍼튜어의 패턴 간에 퓨리에 변환 관계가 있다면 해상도와 촛점 심도를 개선시킬 수 있다.

상술된 바와 같이, 해상도는 광 파장의 감소에 의해 효과적으로 개선된다. 그러나, 파장의 감소로 인해 협대역 파장을 갖는 광원과 작은 수차를 갖는 렌즈 시스템이 요구되고, 단파장의 광에 적합한 포토레지스트가 개발되어야 한다. 현재, 단파장의 광을 방출할 수 있는 광원과 고 성능 렌즈 시스템에 대한 개발은 한계에 도달한 것으로 보인다. 부가적으로, 새로운 광원, 렌즈 시스템, 포토레지스트 등에 대한 개발은 리쏘그라피의 비용을 증가시킨다.

반면에, 포토마스크를 개선하거나 투영 프린팅 장치에 공간 필터를 제공하는 것에 의한 해상도와 촛점 심도를 개선하는 방법에 있어서, 리쏘그라피의 비용을 덜 증가시키는 기존의 광원, 렌즈 시스템, 포토레지스트 등의 사용이 가능하다.

그러나, 제1도에 도시된 종래 기술의 포토마스크의 경우에는, 해상도와 촛점 심도를 규칙적으로 반복되는 패턴으로만 개선시킬 수 있다. 몇몇 경우에는, 마스크패턴에 실제로 존재하지 않는 패턴이 위상 시프터(3a)에 의해 생기는 위상 반전에 의해 화상 형성 평면상에 형성될 수 있다. 더욱이, 복잡한 회로 패턴을 레이아웃하기 위한 설계에서, 다수의 위상 시프터가 적당하게 위치되어야 하기 때문에, 설계는 좀더 복잡해지고, 회로의 구성에 따라 위상 시프터의 레이아웃시 불일치가 발생할 수도 있다. 부가적으로, 마스크를 제조함에 있어서, 위상 시프터가 차광 패턴 위에 또는 아래에 형성될지라도 위상 시프터를 마스크를 제조하는 종래의 프로세스에는 포함되지 않는 높은 정확성으로 정렬하는 단계가 요구된다. 더욱이, 포토마스크의 결함 검사와 교정할 시, 종래의 차광 막, 즉, Cr 막과 완전히 다른 투명 막으로 형성된 위상 시프터도 또한 검사 및 교정해야 한다. 그러나, 이러한 투명 위상 시프터를 검사 및 교정하는 실제적인 방법은 지금까지 제공되지 않았다.

제2도에 도시된 종래 기술의 포토마스크에서는, 분리된 작은 애퍼튜어(5a)의 해상도를 개선하려는 시도가 이루어졌다. 그러나, 이것은 제1도의 포토마스크로서 위상 시프터(8)를 포함하기 때문에 제2도의 포토마스크에는 제1도의 포토마스크와 유사한 문제가 존재한다. 부가적으로, 작은 차광 도트(6a)의 안정된 형성이 곤란하며, 차광 도트(6a)가 크게 형성되면 화상 형성 평면상에 큰 차광 도트의 패턴이 형성될 수도 있다.

위상 시프터 없이 종래의 표준 마스크를 사용하여 투영 프린팅 장치의 조사 시스템에 공간 필터를 간단히 배치함으로써 제3도에 도시된 종래 기술에서 해상도와 촛점 심도를 개선시킬 수 있지만, 이러한 개선은 패턴 레이아웃 방향에 의존하는데, 이것은 개선이 제한된 방향의 패턴 레이아웃으로만 달성될 수 있다는 것을 의미한다. 규정된 최적화된 선폭보다 큰 선폭을 갖는 패턴의 경우, 촛점 심도(DOF) 특성은 정상 조사에서 얻어진 것보다 상당히 저하된다. 또한 동일한 선폭을 갖는 복수의 선의 경우, DOF 특성은 선 패턴의 밀도에 의존하여 DOF 특성은 선들 간에서의 피치의 변화에 관계없이 개선될 수는 없다. 즉, 제3도에 도시된 종래 기술의 공간 필터에서, 공간 필터가 포토마스크 상의 패턴과 특정의 기하학적 관계를 가질 때만 해상도와 촛점 심도가 개선될 수 있으므로, 여러 가지 패턴의 크기와 레이아웃 조건을 포함한 모든 포토마스크에 대해서 해상도와 촛점 심도가 개선될 수는 없다.

종래 기술의 상기 기술된 문제를 감안하여, 본 발명의 목적은 여러 가지 크기와 방향의 마스크 패턴에 대해 광 파장의 감소와 렌즈 시스템을 개선할 필요 없이 저가로 투영 프린팅 장치에서의 해상도와 초점 심도를 개선할 수 있는 공간 필터를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 미세 패턴을 갖는 포토마스크를 조사하기 위한 광 조사시스템과 화상 형성 평면 상에 미세 패턴을 감소 투영시키기 위한 광 투영 시스템을 구비한 감소형 투영 프린팅 장치에 있어서, 광 조사 시스템에 포함된 조사원 근처에 위치하는 공간 필터는 광빔이 규정된 값 이하의 광 투과율로 통과하는 중심영역과, 거의 투명한 주변 영역, 및 중심 영역과 주변 영역을 통과하는 광빔 간에서 거의 180°의 위상차를 발생시키는 광로 차를 포함한다.

본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징, 태양 및 이점은 첨부된 도면에 관련하여 이루어진 본 발명의 이하의 상세한 설명으로부터 좀더 분명하게 될 것이다.

우선, 감소형 투영 프린팅 장치에서의 화상 형성의 원리를 간단하게 기술하고자 한다.

제5a도를 참조해 보면, 감소형 투영 프린팅 장치에서 종래의 정상 조사를 사용하는 투영을 단면도로 개략적으로 도시한 것이다. 콘덴서 렌즈(19)를 통과하는 조사 광은 포토마스크(20) 상의 패턴에 의해 회절되고 0차 회절된 빔 L0와 2개의 ± 1차 회절된 빔 L1로 분리된다. 이런 경우에, 포토마스크(20)는 원(20a)의 영역을 확대하여 도시한 원(20A)에서 보여질 수 있는 비교적 큰 패턴을 갖는다. 따라서, 회절된 빔 L0와 L1에 의해 형성된 회절 각은 상당히 크지 않고, 3개의 회절 빔 모두가 투영 렌즈 시스템(21)의 동공으로 입사된다. 그 다음에, 마스크(20) 상의 패턴이 이들 3개의 빔에 의해 반도체 웨이퍼(22) 등의 화상 형성 평면 상으로 감소 투영된다.

그러나, 제5b도에서 원(20b)의 영역을 확대하여 도시한 원(20b)에 볼 수 있는 바와 같이, 포토마스크(20)가 미세 패턴을 가질 경우, 0차 회절 빔 L0와 1차 회절 빔 L1에 의해 형성된 회절 각은 커진다. 회절 각이 커지면, 1차 회절 빔 L1은 투영 렌즈 시스템(21)의 동공으로 입사할 수 없고 반도체 웨이퍼(22) 상에 미세 패턴의 화상 형성이 불가능하게 된다.

이와 같은 문제를 해결하기 위해, 제6a도에 도시된 오프-축 조사 방법(off-axis illumination method)이 종래 기술에서 제안되었다. 제3도에서 종래 기술의 투영 프린팅 장치는 이러한 오프-축 조사를 사용한다. 즉, 제6a도에 있어서, 제4a도에 도시된 것과 유사한 공간 필터(31)를 콘덴서 렌즈(19) 상에 위치시킨다. 공간 필터(31)의 애퍼튜어를 통과하는 광선속은 콘덴서 렌즈(19)를 통해 포토마스크(20)에 비스듬히 입사한다. 따라서, 포토마스크(20)가 원(20B)에 도시된 바와 같은 미세 패턴을 가지며 회절 각이 큰 경우, 1차 회절 빔 L1의 쌍중 하나가 투영 렌즈 시스템(21)의 동공으로 입사할 수 없더라도, 2개의 빔 즉, 1차 회절 빔L1중 다른 것과 0차 회절 빔 L0은 동공으로 입사할 수 있다. 그러므로, 마스크(20) 상의 미세 패턴을 반도체 웨이퍼(22) 상에 화상 형성시킬 수 있다. 이 때, 동공으로 입사하는 2개의 빔 간에서의 광로 차를 거의 완전하게 제거함으로써 위상 정합도의 개선이 실현될 수 있어, 해상도와 촛점 심도가 개선된다. 반면에, 제5a도에 도시된 3개의 빔에 의한 화상 형성 시에는, 위상은 단지 그 촛점 조건하에서만 서로 정합되어 촛점 심도가 불충분하게 된다.

제6a도에 도시된 오프-축 조사에서는, 제4a도에 도시된 것과 같은 공간 필터 대신에 제7도에 도시된 것과 같은 고리형 공간 필터를 사용하는 것에 의해 패턴 레이아웃의 방향에 관계없이 해상도와 촛점 심도의 개선을 실현할 수 있다.

그러나, 이러한 오프-축 조사 시에, 최적화된 범위의 패턴 크기에 비해 일정한 크기를 갖는 패턴의 경우에는, DOF 특성은 제5a도에 도시된 정상 조사에서 얻어진 것에 비해 상당히 감소되어 DOF 특성은 패턴 밀도가 변화하면 현저하게 감소된다.

예를 들어, 제6b도의 원(20A)에서 도시된 바와 같이, 패턴 크기가 증가하고 회절 각이 감소되면, 1차 회절 빔 L1의 쌍 모두가 투영 렌즈 시스템의 동공으로 입사할 수 있어, 마스크(20) 상의 패턴이 3개의 회절 빔에 의해 반도체 웨이퍼(22) 상으로 투영된다. 제6b도에 도시된 오프-축 조사의 3개의 빔에 의한 화상 형성 시에, 빔들 간에서의 위상 편차가 제5a도에 도시된 온-축 조사(on-axis illumination)의 3개의 빔에 의한 화상 형성에서보다 크게 된다. 따라서, 제6b도에 도시된 오프-축 조사의 3개 빔에 의한 화상 형성 시에 얻어진 DOF 특성은 제5a도에 도시된 바와 같은 정상 온-축 조사의 3개 빔에 의한 화상 형성 시에 얻어진 것보다 저하된다.

제8a도는 DOF 특성의 이러한 저하를 방지하는 방법을 예시한다. 제8a도에서, 망판 고리형 공간 필터(32)가 콘덴서 렌즈(19) 상에 위치하고 그 중심 영역(32A)은 규정된 광 투과율을 갖는다. 점선의 화살표로 도시된 바와 같이, 제5a도에 도시된 정상 조사에 의해 얻어진 것과 유사한 화상 형성이 중심 영역(32)을 통과하는 광을 사용하여 온-축 조사에 의해 실행된다. 즉, DOF 특서의 저하는 오프-축 조사의 3개 빔에 의해 형성되는 화상 상에 감소된 광 세기를 갖는 온-축 조사에 3개 빔에 의해 형성되는 균형 있는 화상을 배치함으로써 정상 조사의 것에 비해 억제될 수 있다.

그러나, 패턴 크기가 제8b도의 원(20B)에 도시된 것처럼 작을 때는, 감소된 광 세기를 갖는 온-축 조사의 3개 빔에 의해 형성된 화상이 오프-축 조사의 2개 빔에 의해 형성된 화상 상에 놓이게 된다. 이 때, 진폭 분포(23)를 도시하는 제9a도의 그래프로 부터 알 수 있는 바와 같이, 오프-축 조사의 2개 빔에 대한 진폭 분포의 주 피크의 폭은 비교적 작은 반면에, 감소된 광 세기를 갖는 온-축 조사의 3개 빔에 대한 진폭 분포(24)의 주 피크의 폭은 크다.

세기 분포를 도시한 제9b도의 그래프에서, 곡선(26)은 제9a도의 진폭 분포(24)에 진폭 분포(23)를 가산함으로써 얻어진 세기 분포이다. 진폭 분포(23과 24)가 동일한 부호 위상을 갖기 때문에, 하나의 진폭 분포에 다른 것을 가산함으로써 얻어진 세기 분포(26)의 주 피크의 폭은 진폭 분포(23)의 주 피크의 폭보다 크다.

즉, 작은 패턴 크기를 갖는 마스크의 경우, 감소된 세기를 갖는 온-축 조사의 3개 빔에 의해 형성된 화상이 오프-축 조사의 2개 빔에 의해 형성된 화상 상에 놓이는 투영 방법에 있어서, 해상도와 촛점 심도 특성 양쪽 모두 제6a도에 도시된 오프-축 조사의 2개 빔을 사용하는 투영 방법에서 얻어지는 것보다 저하될 것이다.

본 발명은 패턴의 방향, 크기 및 밀도에 관계없이 감소형 투영 프린팅 장치에서 해상도와 DOF 특성을 개선시킬 수 있는 공간 필터를 제공한다. 본 발명에 따른 공간 필터는 중심 영역에서 규정된 투과율을 갖는 고리형이고, 중심 영역과 주변 영역을 통과하는 광빔 간에 180˚의 위상 차를 발생시키기 위한 수단을 포함한다.

본 발명의 공간 필터의 효과는 제9a도와 제9b도와 함께 제10도를 참조하여 지금부터 기술될 것이다. 제10도는 투영 프린팅 장치의 광 조사 시스템을 도시한 개략적인 단면도이다. 기본적으로, 광원(도시되지 않음)으로부터 방출된 광은 플라이-아이(fly-eye) 렌즈(18)를 통과한 후에는 부분적으로 코히어런트한 광으로 된다. 즉, 제10도의 진폭 위상에 대한 그래프(29)에 도시된 바와 같이, 각각의 마이크로렌즈를 통과하는 빔들 간에는 큰 위상차는 존재하지 않는다. 그러므로, 본 발명에 따른 새로운 위상/투과율 변조 필터(40)에 의해 위상 조정을 실행할 수 있다. 제10도의 진폭 위상(28 및 29A)에 대한 그래프 간의 비교에서 알 수 있는 바와 같이, 위상/투과율 변조 필터(40)의 중심 영역을 통과하는 광의 위상은 주변 영역을 통과하는 광의 것에 대해 180˚ 만큼 시프트될 수 있다. 공간 필터(40)를 통과하는 광은 특히 콘덴서 렌즈(19)에 의해 온-축 성분과 오프-축 성분으로 변조되고, 이들 광 성분은 위상차를 180˚ 로 유지하면서 마스크(20) 상으로 향하게 된다.

마스크(20)상의 미세 패턴이 제10도에 도시된 조사 시스템을 갖는 노출 장치의 화상 형성 평면 상으로 투영될 때, 온-축 조사의 3개 빔에 의해 형성된 화상은 제8b도의 경우에서와 같이 오프-축 조사의 2개 빔에 의해 형성되는 화상 상에 놓인다. 그러나, 제10도의 조사에서, 제9a도의 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 오프-축 조사의 2개 빔에 의해 형성된 화상은 곡선(23)으로 도시된 정(+)의 위상 진폭 분포를 갖는 반면에, 온-축 조사의 3개 빔에 의해 형성된 화상은 곡선(25)으로 도시된 음(-)의 위상 진폭 분포를 갖는다. 따라서, 분포에서 사이드 로브(side lobes)는 위상이 반대인 2개의 진폭 분포(23과 25)에 의해 옵셋되어, 제9b도의 곡선(27)에 의해 도시된 바와 같은 광 세기 분포로 된다. 곡선(26과 27) 간의 비교에서 알 수 있는 바와 같이, 제10도에 도시된 본 발명의 공간 필터를 사용하는 조사에서, 광 세기 분포의 폭은 제8b도에 도시된 종래 기술의 조사에서의 폭에 비교하여 상당히 감소되지만, 투영 패턴의 광 세기가 약간 감소된다. 바꾸어 말하면, 제10도에 도시된 바와 같은 본 발명의 공간 필터를 사용하는 투영 프린팅에서는, 해상도와 초점 심도는 제8b도에 도시된 종래 기술의 공간 필터를 사용하는 투영 프린팅 장치에 비해 개선 될 수 있다.

상술된 바와 같이, 해상도와 DOF 특성은 사용되는 마스크 패턴의 방향, 크기 및 밀도에 관계없이 본 발명의 위상/투과율 변조 공간 필터에 의해 개선될 수 있다.

본 발명의 공간 필터의 기판으로서, 예를 들어, 석영을 사용할 수 있다. 공간 필터의 고리 애퍼튜어의 내부와 외부 지름은 σ=NAi/NAp로서 정의되는 σ계수로 나타내는데, 여기서, NAi는 조사 시스템의 개구수이고, NAp는 투영 시스템의 개구수이다. 투영 프린팅 장치가 사용될 때, 투영 시스템의 개구수 NAp는 일반적으로 고정된 최대값으로 설정되는 반면에, 조사 시스템의 개구수 NAi는 조사 시스템에 위치하는 스톱(stop)의 크기에 의존하여 변화한다. 본 발명의 공간 필터에서, 고리 애퍼튜어의 내부와 외부 지금은 0.2 내지 0.6의 범위에 있는 σ2 및 0.4 내지 0.7의 범위에 있는 σ1에 각각 상응하는 값으로 설정될 수 있다.

공간 필터의 중심 영역의 투과율 변조는 중심 영역의 차광 막을 갖는 복수의 작은 애퍼튜어를 제공하거나 또는 예를 들어, 약 150㎚이하의 두께를 갖는 Cr, Al, Ta, 또는 Mo로 이루어진 반 투명막을 사용하여 실현될 수 있다. 부가적으로, 공간 필터의 중심 부분과 주변 부분을 통과하는 광선속 간에서 180˚ 의 상대적 위상차를 발생시키는 광로 차는 에칭에 의해 필터 기관의 두께를 변화시킴으로써 얻어질 수 있다. 이러한 광로 차는 또한 SOG (spin-on-glass)막, 스퍼터된(Sputtered) SiO2막 또는 유기물 막 등의 규정된 두께를 갖는 추가 층을 제공함으로써 얻어질 수 있다. 기판 두께의 변화량 t 또는 추가 층의 두께 t는 다음의 식(3a) 또는 (3b)에 의해 얻어질 수 있다.

n · t - t = m · λ /2 ...(3a)

t = m · λ /2 (n-1) ...(3b)

여기서, n은 필터 기판 또는 적층 물질의 굴절률이고, m은 양의 홀수이다.

제11a도는 본 발명의 제1 실시예에 따른 공간 필터의 개략적인 평면도이고, 제11b도는 제11a도에서 선 11b-11B를 따라 절취한 단면도이다. 제1 실시예의 공간 필터에서, 석영 기판(1)상에 차광 패턴(2)이 형성된다. 차광 패턴(2)은 고리 애퍼튜어(3)와 그 중심 영역에 위치하는 복수의 작은 애퍼튜어(4)를 포함한다. 기판(1)의 두께는 에칭에 의해 고리 애퍼튜어(3)의 영역 아래에서 감소된다. 기판 두께의 변화량 G1, 즉, 기판의 두께의 감소량은 상기 식(3b)에 의해 결정된다. 기판(1)이 석영으로 만들어지고 KrF 엑시머 레이저(λ=248㎚)를 노출 광으로 사용할 때, 기판의 두께의 변화량 G1은 70㎚로 설정된다. 비록 기판(1)을 제11b도에서는 고리 애퍼튜어(3)의 영역 아래에서 에칭하였지만, 이와는 다르게 중심 영역 내의 복수의 작은 애퍼튜어(4) 아래에서 에칭할 수도 있다는 것은 물론이다.

제12도는 제11b도에 도시된 공간 필터를 제조하는 프로세스를 예시한다. 우선, 석영 기판(1)을 제12도의 (a)에서 준비하고, 제12도의 (b)에서 기판(1) 상에 약 400㎚ 두께의 Al 층으로 만들어진 차광 막(2)을 형성한다. 그 다음에, 제12도의 (c)에서, Al 층(2)을 정상 포토리쏘그라피에 의해 패턴화하여 고리 애퍼튜어(3)를 형성한다. 제12도의 (d)에서, 기판(1)을 RIE(반응성 이온 에칭)과 같은 건식 프로세스 또는 예를 들면, HF를 사용하는 습식 프로세스에 의해 고리 애퍼튜어(3)의 영역 아래에서 에칭한다. 제12(e)도에서, Al 층(2)을 다시 정상 포토리쏘그라피에 의해 패턴화하여, 고리 애퍼튜어(3) 내부의 중심 영역에 복수의 작은 애퍼튜어(4)를 형성한다. 그러므로, 제11a도와 제11b도에 도시된 위상/투과율 변조 필터가 완성된다.

제13a도는 본 발명의 제2 실시예에 따른 공간 필터의 평면도이고, 제13b도는 제13a도의 선 13B-13B를 따라 절취한 단면도이다. 제2실시예의 공간 필터의 차광 패턴(2)이 투명 기판(1)상에 형성된다. 차광 패턴(2)은 고리 애퍼튜어(3)와 중심 영역에 위치하는 복수의 작은 애퍼튜어(4)를 포함한다. 복수의 작은 애퍼튜어(4)는 투명 물질막(5)으로 피착된다. 투명 물질막(5)은 투영 프린팅 장치에서 사용되는 광을 180˚만큼 위상 시프트시키는 두께 G2를 갖는다. 두께 G2는 또한 상기 식(3b)에 의해 얻어진다.

제14도는 제13b도에 도시된 공간 필터를 제조하는 프로세스를 예시한다. 제14도의 (a)에서 석영 기판(1)을 준비하고, 제14도의 (b)에서 석영 기판(1) 상에 약 400㎚ 두께의 Al 층으로 만들어진 차광 막(2)을 형성한다. 제14도의 (c)에서 Al 층(2)을 표준 포토리쏘그라피에 의해 패턴화하여 고리 애퍼튜어(3)와 복수의 작은 애퍼튜어(4)를 형성한다. 제14도의 (d)에서 기판(1)과 차광 패턴(2)을 투명 물질의 층(5)으로 피착한다. 투명 물질 층(5)은 예를 들어, SOG, SiO2, 또는 유기 물질로 형성될 수 있다. 제14도의 (e)에서 고리 애퍼튜어(3)에 위치하는 투명 물질(5)을 패턴하여 제거시킨다. 그러므로, 제13a도 및 제13b도에 도시된 위상/투과율 변조 필터가 완성된다.

작은 애퍼튜어(4)가 제1 및 제2 실시예에서 원의 모양을 갖는 것으로 도시되더라도, 이것은 삼각형 또는 다른 다각형 형태를 가질 수도 있다. 또한, 차광 Al 층(2)의 두께는 400㎚로 제한되지 않고, 적어도 약150㎚가 되는 것만이 필요하다.

제1 및 제2 실시예에서 도시된 위상/투과율 변조 공간 필터를 투영 프린팅 장치에서 사용할 때, 중심 영역 내의 작은 애퍼튜어(4)와 공간 필터의 주변 영역 내의 고리 애퍼튜어(3)는 이들이 플라이-아이 렌즈(18, 제10도 참조)에서 복수의 마이크로렌즈의 배열 사이클과 대응하도록 위치된다. 즉, 각각의 대응하는 마이크로렌즈가 각각의 애퍼튜어(4와 3)에 전체적으로 포함되는 것이 바람직하다.

제15도의 그래프에서는, 제1 및 제2 실시예에 따른 새로운 위상/투과율 변조필터에 의해 달성될 수 있는 투영 프린팅 장치에서의 해상도를 종래 기술의 것과 비교하여 도시하고 있다. 이 그래프에서, 가로 좌표는 화상 형성 평면 상의 설계된 선폭(㎛)을 나타내고, 세로 좌표는 화상 형성 평면 상의 실제적인 측정 선폭(㎛)을 나타낸다. 원은 본 발명에 따른 새로운 공간 필터에 대응하고, 삼각형은 제7도에 도시된 종래 기술의 정상 고리형 공간 필터에 대응하고, 사각형은 반 투명인 중심 영역을 갖는 고리형 공간 필터에 대응하고, 마름모는 제5a도에 도시된 정상 조사에 대응하는 것이다. 제15도의 측정에 있어서는, 투영 프린팅 장치에서의 투영 시스템의 개구수 NA는 0.45이고, 248㎚의 파장 λ를 갖는 KrF 엑시머 레이저를 사용하였다. σ1 및 σ2는 고리형 모든 공간 필터에서 각각 0.5 및 0.4로 설정되었다. 반도체 웨이퍼 상의 레지스트 층으로서 화학적으로 증폭된 네가티브 레지스트를 사용하였다. 부가적으로, 본 발명의 공간 필터의 중심 영역에서의 광 투과율은 15%로 설정하였다.

제15도에 도시된 바와 같이, 종래 기술 중에서, 정상 고리형 공간 필터는 0.28㎛의 최고 해상도 한계를 달성하는 반면에, 본 발명의 새로운 위상/투과율 변조공간 필터는 0.25㎛ 또는 그 이하의 우수한 해상도 한계를 달성한다. 즉, 제15도의 그래프로부터 본 발명의 새로운 공간 필터가 종래 기술의 어떤 유형의 공간 필터보다 높은 해상도 한계를 달성할 수 있는 것을 알 수 있을 것이다.

제16a도 및 제16b도에서는, 제1 및 제2 실시예에 따른 공간 필터의 DOF 특성을 종래 기술에서 여러가지 공간 필터의 것과 비교하여 도시하고 있다. 각 그래프에서, 가로 좌표는 촛점 이탈이 양(㎛)을 나타내고, 세로 좌표는 화상 형성 평면 상에서 측정되는 선폭을 나타낸다. 제16a도 및 제16b도에서의 실험적인 조건은 제15도에서의 조건과 동일하다.

제16a도에 도시된 바와 같이, 0.3㎛의 작은 폭을 갖는 선의 투영 시에, 종래 기술에서 최상의 DOF의 특성은 정상 고리형 공간 필터에 의해 달성되고, 본 발명에 따른 새로운 공간 필터에 의해 달성될 수 있는 DOF 특성은 종래 기술에서 달성된 최상의 것에 필적할 만하다. 그러나, 제16b도로부터 알 수 있는 바와 같이, 0.7㎛의 비교적 큰 폭을 갖는 선의 투영 시에는, 종래 기술의 고리형 공간 필터의 DOF 특성이 명백히 감소되는 반면에, 본 발명의 새로운 공간 필터의 DOF 특성은 종래의 정상 조사의 것과 동일하다. 그러나, 제16a도에 도시된 바와 같이, 0.3㎛의 폭을 갖는 선의 투영 시에는, 종래의 정상 조사의 DOF 특성은 현저히 감소된다. 결과적으로, 본 발명에 따른 위상-투과율 변조 필터가 투영되는 선의 폭에 관계없이 우수한 DOF 특성을 달성할 수 있는 것을 인지할 수 있을 것이다.

제17a도 및 제17b도는 반도체 웨이퍼 상의 레지스트 층에 실제적으로 형성되는 선 패턴의 주사 전자 현미경의 트레이싱(tracing)이다. 종래의 정상 조사는 제17a도에서 사용되고 본 발명의 위상/투과율 변조 필터는 제17b도에서 사용된다. 제17a도 및 제17b도에서, 설계된 선폭은 0.3㎛이고 선 피치는 0.6㎛ 및 1.2㎛로 설정된다. 정상 조사의 제17a도로부터 선 피치가 크면 투영된 선폭이 크게 된다는 것을 알 수 있다. 반면에, 투영된 선폭은 선 피치에 관계없이 실질적으로 일정하게 된다는 것을 제17b도로부터 알 수 있을 것이다. 즉, 본 발명의 새로운 공간 필터는 패턴 밀도에 관계없이 해상도를 개선시킬 수 있는 것을 인식할 수 있을 것이다.

제18a도는 본 발명의 제3 실시예에 따른 위상-투과율 변조 필터를 도시한 평면도이고, 제18b도는 제18a도의 선 18B-18B를 따라 절취한 단면도이다. 제3 실시예에 따른 공간 필터에서, 투명 기관(1)상에 차광 막(2)이 형성된다. 차광 막(2)은 고리 애퍼튜어(3) 및 고리 애퍼튜어(3)와 일체로 된 중심 애퍼튜어(3a)를 포함한다. 중심 애퍼튜어(3a)에서, 기판(1) 상에 반 투명 막(6)이 형성된다. 기판(1)의 두께는 에칭에 의해 고리 애퍼튜어(3) 아래에서 감소된다. 즉, 기판(1)의 두께는 180°의 위상차가 고리 애퍼튜어 영역(3)을 통과하는 광과 중심 영역(6)을 통과하는 광 간에서 발생되도록 변화량 G1만큼 변화된다.

제19도는 제18b도에 도시된 공간 필터를 제조하는 프로세스를 예시한다. 제19도의 (a)에서 석영 기판(1)을 준비하고, 제19도의 (b)에서 석영 기판(1) 상에 약 400㎚ 두께의 Al 층으로 된 차광 막(2)을 형성한다. 제19도의 (c)에서 차광 막 (2)을 패턴하여 고리 애퍼튜어(3)를 형성한다. 제19도의 (d)에서 기판(1)은 제1 실시예에서와 같이 고리 애퍼튜어(3) 아래에서 에칭된다. 제19도의 (e)에서 고리 애퍼튜어(3)에 의해 둘러싸인 중심 영역 상의 차광 막(2)을 제거한다. 제19도의 (f)에서 기판(1) 및 차광 막(2)을 약 70㎚ 두께의 Cr 층으로 형성된 반 투명 막(6)으로 피착한다. 제19도의 (g)에서 고리 애퍼튜어 영역(3)에서의 반 투명 막(6)을 제거하여 제18a도 및 제18b도에 도시된 위상/투과율 변조형의 공간 필터가 완성된다. Cr막 (6)의 두께는 70㎚로 제한되지 않고, 약 150㎚까지 임의의 두께를 가질 수 있다. 제1 및 제2 실시예에서 도시된 공간 필터 뿐만 아니라 제3 실시예에서 도시된 새로운 공간 필터에 의해서도 투영 프린팅 장치에서 해상도와 촛점 심도 특성을 개선시킬 수 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다.

제20도는 본 발명의 공간 필터의 고리 애퍼튜어(3)에 의해 둘러싸인 중심 영역에서의 투과율과 화상 형성 평면 상의 표준화된 콘트라스트 간의 관계에 대한 시뮬레이션에 의해 얻어진 결과를 도시한 그래프이다. 즉, 그래프에서, 가로 좌표는 고리 애퍼튜어(3)에 의해 둘러싸인 중심 영역에서의 투과율을 나타내고, 세로 좌표는 화상 형성 평면 상으로 투영되는 0.25㎛ 선 및 공간의 패턴에서 표준화된 콘트라스트(%)를 나타낸다. 이 그래프에서, 실곡선은 1.0㎛의 촛점 이탈의 양에 대응하고, 점선 곡선은 0.6㎛의 촛점 이탈의 양에 대응하고, 일점 쇄선 곡선은 0㎛의 촛점 이탈의 양에 대응하는 것이다. 고리 애퍼튜어(3)에 의해 둘러싸인 중심 영역에서의 투과율은 본 발명에 따른 위상/투과율 변조형 공간 필터에서 45% 이하로 되는 것이 바람직하다는 것을 제20도로부터 인지할 수 있을 것이다.

상기 실시예에서는 Al로 형성된 차광 막과 Cr로 형성된 반 투명 막을 기술 하였지만, 이들 차광 막과 반 투명 막은 두께를 적당히 선택하면 Al, Cr, Ta, 또는 Mo 등의 물질로 형성될 수도 있다.

부가적으로, 상기 실시예가 248㎚의 파장 λ를 갖는 KrF 엑시머 레이저의 조사 광에 대해 기술하였지만, 본 발명에 따른 새로운 공간 필터는 436㎚의 파장 λ를 갖는 g 선, 365㎚의 파장 λ를 갖는 i 선, 또는 193㎚의 파장 λ를 갖는 ArF 엑시머 레이저 같은 조사 광에도 효과적인 것은 물론이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 위상-투과율 변조형의 공간 필터는 투영될 패턴의 방향, 크기 및 밀도에 관계없이 낮은 비용으로 기존의 투영 프린팅 장치에서 해상도와 DOF 특성을 개선시킬 수 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다.

비록 본 발명을 상기 실시예에서 상세히 기술하고 예시하였지만, 이러한 설명은 단지 예로서 개시된 것이고, 첨부된 특허 청구 범위에 의해 한정된 본 발명의 원리 및 배경을 벗어나지 않는 한 본 발명은 여러가지의 수정 및 변형 실시예를 실시할 수 있다는 것에 주목할 필요가 있다.

Claims

미세 패턴을 갖는 포토마스크를 조사하기 위한 광 조사 시스템과 상기 미세 패턴을 화상 형성 평면 상으로 감소 투영하기 위한 광 투영 시스템을 갖춘 감소형 투영 프린팅 장치에서, 상기 광 조사 시스템에 포함된 조사원의 부근에 위치하는 공간 필터에 있어서, 광빔이 규정된 값의 투과율로 통과하는 중심 영역과, 상기 중심 영역을 둘러싸고 있는 투명한 주변 영역(3)과, 상기 중심 영역과 상기 주변 영역(3)을 통과하는 광빔들 간에 180°의 위상차를 발생시키기 위한 수단(G1, G2)을 포함하며, 상기 중심 영역에서의 상기 규정된 값의 투과율은 상기 주변 영역에서의 투과율에 비해 작은 45% 이하인 것을 특징으로 하는 공간 필터.
제1항에 있어서, 상기 필터는 차광 층(2)을 포함하며, 상기 중심 영역에서의 상기 규정된 값의 투과율은 상기 차광 층(2)에 형성된 복수의 작은 애퍼튜어(4)에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 공간 필터.
제1항에 있어서, 상기 중심 영역에서의 상기 규정된 값의 투과율은 반투명의 균일한 층(6)에 의해 얻어질 수 있는 것을 특징으로 하는 공간 필터.
제1항에 있어서, 상기 공간 필터는 투명한 기판(1)을 포함하며, 상기 위상차 발생 수단은 상기 기판(1)의 두께를 규정된 양(G1)만큼 변화시킴으로써 얻어지는 것을 특징으로 하는 공간 필터.
제1항에 있어서, 상기 위상차 발생 수단은 규정된 두께(G2)를 갖는 투명한 추가 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 공간 필터.