KR100495429B1 - 헥사폴 조명을 제공하기 위한 광학 시스템 및 이를이용하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 방법 - Google Patents

헥사폴 조명을 제공하기 위한 광학 시스템 및 이를이용하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 방법 Download PDF

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Abstract

반도체 기판 상에 콘택 패드와 같은 반복적인 배치를 갖는 제1콘택홀들과 제2콘택홀들을 포함하는 포토레지스트 패턴을 형성하기 위한 광학 시스템에 있어서, HOE(holographic optical element), 애퍼처 플레이트와 같은 광학 부재는 헥사폴을 갖는 오프 액시스 조명을 제공한다. 상기 헥사폴은 x축 및 y축에 대하여 대칭적으로 형성되는 4개의 제1폴과, 상기 x축 상에서 상기 y축에 대하여 대칭적으로 형성되는 2개의 제2폴을 포함한다. 상기와 같은 헥사폴을 갖는 오프 액시스 조명은 상기 포토레지스트 패턴의 해상도 및 반도체 기판 상으로 조사되는 광 빔의 초점 심도를 향상시킨다.

Description

헥사폴 조명을 제공하기 위한 광학 시스템 및 이를 이용하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 방법{Optical system for providing a hexapole illumination and method of forming a photoresist pattern using the same}
본 발명은 기판 상에 포토레지스트 패턴을 형성하기 위한 노광 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 반도체 기판으로 사용되는 실리콘웨이퍼 상에 포토레지스트 패턴을 형성하기 위한 노광 장치의 광학 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 장치는 반도체 기판으로 사용되는 실리콘웨이퍼 상에 전기적인 회로를 형성하는 팹(Fab) 공정과, 상기 팹 공정에서 형성된 반도체 장치들의 전기적인 특성을 검사하는 EDS(electrical die sorting)공정과, 상기 반도체 장치들을 각각 에폭시 수지로 봉지하고 개별화시키기 위한 패키지 조립 공정을 통해 제조된다.
상기 팹 공정은 다양한 단위 공정들을 포함하며, 상기 단위 공정들은 반도체 기판 상에 전기적 소자를 형성하기 위해 반복적으로 수행된다. 상기 단위 공정들은 증착 공정, 포토리소그래피 공정, 식각 공정, 화학적 기계적 연마 공정, 이온 주입 공정, 세정 공정 등을 포함한다.
상기 포토리소그래피 공정은 증착 공정을 통해 반도체 기판 상에 형성된 막을 전기적 특성을 갖는 패턴으로 형성하기 위한 포토레지스트 패턴을 상기 막 상에 형성하기 위해 수행된다. 상기 포토레지스트 패턴은 상기 패턴을 형성하기 위한 식각 공정에서 마스크로써 사용된다.
상기 포토리소그래피 공정은 반도체 기판 상에 포토레지스트 막을 형성하기 위한 포토레지스트 코팅 공정과, 상기 포토레지스트 막을 경화시키기 위한 베이킹 공정과, 상기 경화된 포토레지스트 막을 포토 마스크를 사용하여 포토레지스트 패턴으로 형성하기 위한 노광 공정 및 현상 공정을 포함한다.
최근, 반도체 장치의 집적도가 높아짐에 따라 반도체 기판 상에 형성되는 패턴들의 크기가 점차 작아지고 있으며, 이에 따라 상기 포토리소그래피 공정의 해상도(resolution) 및 초점 심도(depth of focus; DOF)의 중요성이 더욱 커지고 있다.
상기 해상도 및 초점 심도는 노광 공정에 사용되는 광 빔의 파장 및 투영 렌즈(projection lens)의 수치구경(numerical aperture; NA)에 좌우된다. 현재, 노광 공정에 사용되는 광 빔의 예들은 수은 램프로부터 발생되는 436nm의 파장을 갖는 g-line 광 빔 및 365nm의 파장을 갖는 i-line 광 빔, KrF 엑시머 레이저(excimer laser)로부터 발생되는 248nm의 파장을 갖는 KrF 레이저 빔, ArF 엑시머 레이저로부터 발생되는 198nm의 파장을 갖는 ArF 레이저 빔, F2 엑시머 레이저로부터 발생되는 157nm의 파장을 갖는 F2 레이저 빔 등이 있다.
또한, 패턴의 크기가 작아짐에 따라 포토 마스크를 통과하는 광 빔의 산란 및 회절에 의해 발생하는 포토레지스트 패턴의 왜곡을 방지하기 위한 방법으로 위상 편이 마스크(phase shaft mask; PSM)를 사용하는 방법과 광학적 근접 보상(optical proximity correction; OPC) 방법이 있다.
한편, 해상도를 향상시키기 위하여 투영 렌즈의 수치구경을 증가시키면 초점 심도가 낮아지는 문제점이 발생한다. 오프 액시스 조명(off-axis illumination; OAI)은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 사용되며, 포토 마스크에 의해 회절된 광 빔의 0차와 +1차 광 빔만을 반도체 기판으로 조사함으로써 초점 심도를 향상시키는 방법이다.
오프 액시스 조명으로는 환형 조명(annular illumination; AI), 2중극 조명(dipole illumination), 4중극 조명(quadrupole illumination) 등이 있다. 상기 오프 액시스 조명의 일 예로써, 미합중국 특허 제6,388,736호에는 4중극 조명 패턴을 제공하는 투영 리소그래피 시스템이 개시되어 있다.
도 1a는 종래의 환형 조명에 사용되는 빔의 단면 형상을 나타내는 단면도이고, 도 1b 및 도 1c는 도 1a에 도시된 환형 조명 빔에 의해 형성된 포토레지스트 패턴을 설명하기 위한 평면도들이다.
도 2a는 종래의 다른 환형 조명에 사용되는 빔의 단면 형상을 나타내는 단면도이고, 도 2b 및 도 2c는 도 2a에 도시된 환형 조명 빔에 의해 형성된 포토레지스트 패턴을 설명하기 위한 평면도들이다.
도 1a 내지 도 2c를 참조하면, 도 1a에 도시된 환형 조명 빔(10a)의 내경과 외경은 투사 렌즈에 상당하는 원(12)의 직경에 대하여 0.65:0.85:1의 비를 가지며, 도 2a에 도시된 환형 조명 빔(10b)의 내경과 외경은 투사 렌즈에 상당하는 원(12)의 직경에 대하여 0.58:0.88:1의 비를 갖는다.
도 1b, 도 1c, 도 2b 및 도2c에 도시된 포토레지스트 패턴(22a, 22b, 24a, 24b)은 반도체 기판(20) 상에 형성되는 콘택 패드와 대응한다.
도 1b 및 도 1c는 도 1a에 도시된 환형 조명 빔(10a)에 의해 반도체 기판(20) 상에 형성된 포토레지스트 패턴(22a, 22b)을 나타낸다. 도 1b는 포토 마스크를 통과한 광 빔이 반도체 기판(20) 상에 형성된 포토레지스트 막의 표면에 정확하게 포커싱된 경우에 형성되는 포토레지스트 패턴(22a)이고, 도 1c는 포토 마스크를 통과한 광 빔이 반도체 기판(20) 상에 형성된 포토레지스트 막의 표면으로부터 0.3㎛ 이격된 지점에 포커싱된 경우에 형성되는 포토레지스트 패턴(22b)이다.
도 2b 및 도 2c는 도 2a에 도시된 환형 조명 빔(10b)에 의해 반도체 기판(20) 상에 형성된 포토레지스트 패턴(24a, 24b)을 나타낸다. 도 2b는 포토 마스크를 통과한 광 빔이 반도체 기판(20) 상에 형성된 포토레지스트 막의 표면에 정확하게 포커싱된 경우에 형성되는 포토레지스트 패턴(24a)이고, 도 2c는 포토 마스크를 통과한 광 빔이 반도체 기판(20) 상에 형성된 포토레지스트 막의 표면으로부터 0.3㎛ 이격된 지점에 포커싱된 경우에 형성되는 포토레지스트 패턴(24b)이다.
도시된 바에 따르면, 상기 포토레지스트 패턴의 해상도 및 광 빔의 초점 심도는 조명 빔의 단면 형상 및 투사 렌즈와 기판 사이의 거리에 크게 의존한다. 즉, 종래의 오프 액시스 조명은 복잡하고 미세한 포토레지스트 패턴에 대하여 충분한 공정 마진(process margin)을 확보할 수 없다는 문제점이 있으며, 해상도 및 초점 심도 향상에 대한 필요성이 여전히 요구되고 있다.
본 발명의 제1목적은 반도체 기판 상에 콘택 패드를 형성하기 위한 포토레지스트 패턴의 형성에 대한 충분한 공정 마진을 확보할 수 있는 헥사폴(hexapole)을 갖는 오프 액시스 조명 빔을 제공하기 위한 광학 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 제2목적은 상술한 바와 같은 광학 시스템을 이용하여 반도체 기판 상에 포토레지스트 패턴을 형성하는 방법을 제공하는데 있다.
상기 제1목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광학 시스템은, 제1광 빔을 발생시키기 위한 광원; 상기 제1광 빔을 헥사폴(hexapole)을 갖는 오프 액시스 조명 빔(off-axis illumination beam)으로 형성하기 위한 광학 부재(optical element); 상기 오프 액시스 조명 빔을 마스크 패턴을 갖는 포토 마스크로 유도하기 위한 조명 렌즈(illumination lens); 및 기판 상에 상기 마스크 패턴과 대응하는 포토레지스트 패턴을 형성하기 위해 상기 포토 마스크를 통과한 제2광 빔을 상기 기판으로 유도하기 위한 투사 렌즈(projection lens)를 포함한다.
여기서, 상기 포토레지스트 패턴은 다수의 행과 열의 교차 지점에 각각 형성되는 다수의 제1콘택홀과, 행 방향 및 열 방향을 따라 지그재그로 배치되는 다수의 제2콘택홀을 포함하며, 각각의 제2콘택홀은 4개의 제1콘택홀이 이루는 가상의 사각형의 중심에 형성되며 제1콘택홀보다 크거나 같은 단면적을 갖는다.
상기 제2목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 포토레지스트 패턴 형성 방법은, 제1광 빔을 발생시키는 단계; 상기 제1광 빔을 헥사폴을 갖는 오프 액시스 조명 빔으로 형성하는 단계; 마스크 패턴을 갖는 포토 마스크를 통과한 제2광 빔을 형성하기 위해 상기 오프 액시스 조명 빔을 상기 포토 마스크로 유도하는 단계; 및 기판 상에 상기 마스크 패턴과 대응하는 포토레지스트 패턴을 형성하기 위해 상기 제2광 빔을 상기 기판 상으로 유도하는 단계를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예들에 따르면, 상기 조명 렌즈로 입사되는 오프 액시스 조명 빔의 헥사폴은, 제1크기를 갖고 상기 조명 렌즈의 중심을 통과하는 x축 및 y축에 대하여 대칭적으로 배치되는 4개의 제1폴과, 상기 y축에 대하여 대칭적으로 상기 x축 상에 배치되며 상기 제1크기보다 크거나 같은 제2크기를 갖는 2개의 제2폴을 포함한다. 상기 제1폴의 제1크기와 제2폴의 제2크기의 비는 1:1 내지 1:5이다.
상기 각각의 제1폴이 상기 y축으로부터 이격된 거리(σ1)와 상기 x축으로부터 이격된 거리(σ2) 및 상기 각각의 제2폴이 상기 y축으로부터 이격된 거리(σ3)는 하기하는 수학식들에 의해 산출된다.
여기서, λ는 상기 제1광 빔의 파장이고, p1은 상기 행 방향에 따른 제1콘택홀들의 제1피치이고, 상기 p2는 상기 열 방향에 따른 상기 제1콘택홀들의 제2피치이며, 상기 NA(numerical aperture)는 상기 투사 렌즈의 수치구경이다.
상술한 바와 같은 오프 액시스 조명은 제1콘택홀들과 제2콘택홀들을 포함하는 포토레지스트 패턴의 해상도와 광 빔의 초점 심도를 향상시킨다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 광학 시스템을 설명하기 위한 개략적인 구성도이고, 도 4는 헥사폴을 갖는 오프 액시스 조명 빔을 설명하기 위한 단면도이고, 도 5는 도 4에 도시된 오프 액시스 조명 빔에 의해 형성된 포토레지스트 패턴을 설명하기 위한 평면도이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 반도체 기판(20) 상에 포토레지스트 패턴을 형성하기 위한 노광 장치(200)는 반도체 기판(20) 상에 형성된 포토레지스트 막으로 광 빔을 제공하기 위한 광학 시스템(210)과, 반도체 기판(20)을 지지하고 이동시키기 위한 스테이지(202)를 포함한다.
상기 광학 시스템(210)은 광원(212), 광학 부재(214), 집광 렌즈 유닛(216, condenser lens unit), 플라이 아이 마이크로렌즈 어레이(218, fly's eye microlens array), 조명 렌즈(220, illumination lens), 포토 마스크(222) 및 투사 렌즈(224, projection lens)를 포함한다.
상기 광원(212)은 수은 램프(212a) 및 반구형 미러(212b, mirror)를 포함할 수 있다. 상기 수은 램프(212a)로부터 발생되는 광 빔으로는 436nm의 파장을 갖는 g-line 광 빔, 365nm의 파장을 갖는 광 빔 등이 있다.
상기 광학 부재(214)는 상기 광원(212)으로부터 발생된 제1광 빔을 헥사폴(hexapole)을 갖는 오프 액시스 조명 빔으로 형성하기 위해 사용된다. 상기 광학 부재(214)로는 홀로그래픽 옵티컬 엘리먼트(214a, holographic optical element; 이하 'HOE'라 한다) 또는 다수의 개구를 갖는 애퍼처 플레이트(214b, aperture plate)가 사용될 수 있다.
상기 광학 부재로 HOE(214a)가 사용되는 경우, 상기 HOE(214a)는 광원(212)과 집광 렌즈 유닛(216) 사이에 배치될 수 있고, 상기 광학 부재(214)로 애퍼처 플레이트(214b)가 사용되는 경우, 상기 애퍼처 플레이트(214b)는 플라이 아이 마이크로렌즈 어레이(218)와 조명 렌즈(220) 사이에 배치될 수 있다. 그러나, 상기 애퍼퍼 플레이트(214b)는 도 3에 도시된 바와는 다르게, 광원(212)과 집광 렌즈 유닛(216) 사이 또는 집광 렌즈 유닛(216)과 플라이 아이 마이크로렌즈 어레이(218) 사이에 배치될 수도 있다. 상기 HOE(214a)는 상기 애퍼처 플레이트(214b)에 비하여 상대적으로 오프 액시스 조명 빔의 세기를 증가시킬 수 있으므로, 공정 효율 및 쓰루풋(throughput)을 향상시킬 수 있으며, 상기 애퍼처 플레이트(214b)는 상기 광학 시스템(200)을 보다 간단하게 구성할 수 있도록 한다.
상기 오프 액시스 조명 빔은 집광 렌즈 유닛(216)과 플라이 아이 마이크로렌즈 어레이(218)를 통해 조명 렌즈(220)로 유도되며, 포토 마스크(222)를 통과한 제2광 빔은 투사 렌즈(224)를 통해 반도체 기판(20) 상에 형성된 포토레지스트 막으로 유도된다.
도면 부호 40은 광원(212)으로부터 반도체 기판(20) 상의 선택된 부위를 연결하는 광 축(optical axis)을 의미하며, 상기 광 축(40)은 조명 렌즈(220)의 중심 및 투사 렌즈(224)의 중심을 통과한다.
상기 조명 렌즈(220)로 입사되는 오프 액시스 조명 빔(300)의 헥사폴(302)은, 조명 렌즈(220)의 중심을 통과하며 서로 수직하는 x축 및 y축에 대하여 대칭적으로 배치되는 4개의 제1폴(304)과, 상기 x축 상에 배치되며 상기 y축에 대하여 대칭적으로 배치되는 2개의 제2폴(306)을 포함한다. 상기 제1폴(304)은 제1크기를 가지며, 제2폴(306)은 상기 제1크기보다 크거나 같은 제2크기를 갖는다. 상기 제1폴(304)의 형상은 원형이며, 상기 제2폴(306)의 형상은 상기 y축을 따라 연장된 타원형이다.
상기 광학 부재(214)로써 HOE(214a)가 사용되는 경우, 상기 제1광 빔은 상기 HOE(214a)를 통과함으로써 도 4에 도시된 바와 같은 헥사폴(302)을 갖는 오프 액시스 조명 빔(300)으로 변환된다. 한편, 상기 광학 부재(214)로써 애퍼처 플레이트(214b)가 사용되는 경우, 상기 애퍼처 플레이트(214b)는 도 4에 도시된 바와 같은 헥사폴(302)의 형상과 동일한 형상을 갖는 다수의 개구(미도시)를 갖는다.
상기 반도체 기판(20) 상에 형성되는 포토레지스트 패턴(308)은 반도체 기판(20) 상에 금속 배선을 형성하기 위한 콘택 패드에 대응하는 반복적인 패턴을 포함하며, 포토 마스크(222)에 형성된 마스크 패턴(222a)과 대응한다. 다수의 행(310)과 열(312)의 교차 지점에 각각 형성되는 다수의 제1콘택홀(308a)과, 행(310) 방향 및 열(312) 방향을 따라 지그재그로 배치되는 다수의 제2콘택홀(308b)을 포함한다. 상기 각각의 제2콘택홀(308b)은 4개의 제1콘택홀(308a)이 이루는 가상의 사각형(314)의 중심에 형성되며 제1콘택홀(308a)보다 크거나 같은 단면적을 갖는다. 이때, 상기 행(310) 방향은 상기 x축과 평행하며, 상기 열(312) 방향은 상기 y축과 평행하다.
즉, 상기 포토레지스트 패턴(308)은 임의의 제2콘택홀(308b)의 중심을 통과하며 상기 행(310) 방향 및 열(312) 방향과 각각 평행한 제1가상선(316) 및 제2가상선(318)에 대하여 대칭적인 구조를 갖는다.
도 6a 및 도 6b는 도 4에 도시된 오프 액시스 조명 빔에 의해 형성된 포토레지스트 패턴을 설명하기 위한 확대 평면도이다.
도 6a는 포토 마스크(222)를 통과한 제2광 빔이 반도체 기판(20) 상에 형성된 포토레지스트 막의 표면에 정확하게 포커싱된 경우에 형성된 포토레지스트 패턴(308)을 나타내며, 도 6b는 포토 마스크(222)를 통과한 제2광 빔의 초점이 반도체 기판(20) 상에 형성된 포토레지스트 막의 표면으로부터 0.3㎛만큼 이격된 경우에 형성되는 포토레지스트 패턴(320)을 나타낸다.
도 6a 및 도 6b의 도시된 포토레지스트 패턴들(308, 320)은 도 1b, 도 1c, 도 2b 및 도 2c에 도시된 포토레지스트 패턴들(22a, 22b, 24a, 24b)에 비하여 향상된 해상도를 갖는다. 상술한 바와 같은 비교 결과는 헥사폴(302)을 갖는 오프 액시스 조명 빔(300)이 포토레지스트 패턴의 해상도 및 제2광 빔의 초점 심도를 향상시킨다는 것을 의미한다.
도 4에 도시된 오프 액시스 조명 빔(300)의 헥사폴(302)의 위치는 도 6a에 도시된 제1콘택홀들(308a)의 피치들에 의해 결정될 수 있다. 구체적으로, 오프 액시스 조명 빔(300)의 헥사폴(302)의 위치는 하기하는 수학식들에 의해 결정된다.
여기서, 상기 σ1은 상기 각각의 제1폴(304)이 상기 y축으로부터 이격된 거리를 의미하고, 상기 σ2는 상기 각각의 제1폴(304)이 상기 x축으로부터 이격된 거리를 의미하고, 상기 σ3은 상기 각각의 제2폴(306)이 상기 y축으로부터 이격된 거리를 의미한다. 또한, 상기 λ는 상기 제1광 빔의 파장이고, 상기 p1은 상기 행(310) 방향에 따른 제1콘택홀들(308a)의 제1피치이고, 상기 p2는 상기 열(312) 방향에 따른 상기 제1콘택홀들(308a)의 제2피치이며, 상기 NA(numerical aperture)는 상기 투사 렌즈(224)의 수치구경이다.
도 7a는 헥사폴을 갖는 오프 액시스 조명 빔의 다른 예를 설명하기 위한 단면도이고, 도 7b 및 도 7c는 도 7a에 도시된 오프 액시스 조명 빔에 의해 형성된 포토레지스트 패턴을 설명하기 위한 평면도들이다.
도 8a는 헥사폴을 갖는 오프 액시스 조명 빔의 또 다른 예를 설명하기 위한 단면도이고, 도 8b 및 도 8c는 도 8a에 도시된 오프 액시스 조명 빔에 의해 형성된 포토레지스트 패턴을 설명하기 위한 평면도들이다.
도 9는 헥사폴을 갖는 오프 액시스 조명 빔의 또 다른 예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 7a에 도시된 바에 따르면, 상기 다른 오프 액시스 조명 빔(330)의 제1폴(332)의 단면 형상은 정사각형이며, 제2폴(334)의 단면 형상은 y축을 따라 연장된 직사각형이다. 도 8a에 도시된 바에 따르면, 상기 또 다른 오프 액시스 조명 빔(340)의 제1폴(342) 및 제2폴(344)의 단면 형상은 상기 또 다른 오프 액시스 조명 빔(340)이 입사되는 조명 렌즈(220, 도 3 참조)의 중심을 향하여 형성된 부채꼴 형상을 각각 갖는다. 이때, 제2폴(344)은 제1폴(342)에 비하여 상대적으로 긴 y축(도4 참조) 방향 길이를 갖는다.
도 7b 및 도 8b에 도시된 포토레지스트 패턴들(336, 346)은 상기 오프 액시스 조명 빔들(330, 340)이 반도체 기판(20) 상에 형성된 포토레지스트 막의 표면에 정확히 포커싱된 경우를 각각 나타내며, 도 7c 및 도 8c에 도시된 포토레지스트 패턴들(338, 348)은 상기 오프 액시스 조명 빔들(330, 340)이 반도체 기판(20) 상에 형성된 포토레지스트 막의 표면으로부터 0.3㎛만큼 이격된 지점에 포커싱된 경우를 각각 나타낸다.
도 7b, 도 7c, 도 8b 및 도 8c에 도시된 포토레지스트 패턴들(336, 338, 346, 348)은 도 1b, 도 1c, 도 2b 및 도 2c에 도시된 포토레지스트 패턴들(22a, 22b, 24a, 24b)에 비하여 향상된 해상도를 나타낸다. 상술한 바와 같은 비교 결과는 헥사폴을 갖는 오프 액시스 조명이 포토레지스트 패턴의 해상도와 광 빔의 초점 심도를 향상시킨다는 것을 의미한다. 또한, 오프 액시스 조명의 헥사폴의 형상이 본 발명을 한정하지 않는다는 것을 의미한다.
도시된 바에 의하면, 헥사폴의 제1폴의 형상이 원형, 정사각형 및 부채꼴 형상을 갖고 있으나, 제1폴은 타원형, 직사각형 또는 연장된 부채꼴 형상으로 형성될 수도 있으며, 헥사폴의 제2폴의 형상이 타원형, 직사각형 및 연장된 부채꼴 형상을 갖고 있으나, 제2폴은 원형, 정사각형 또는 연장되지 않은 부채꼴 형상으로 형성될 수도 있다.
또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 오프 액시스 조명 빔(350)의 헥사폴의 제1폴(352) 및 제2폴(354)은 제1폴(352)의 제1크기보다 작은 제3크기를 갖는 다수의 원형 폴들에 의해 구현될 수도 있다.
도 10a는 헥사폴을 갖는 오프 액시스 조명 빔의 또 다른 예를 설명하기 위한 단면도이고, 도 10b는 도 10a에 도시된 오프 액시스 조명 빔에 의해 형성된 포토레지스트 패턴을 설명하기 위한 평면도이다.
도 10a를 참조하면, 도 10a에 도시된 오프 액시스 조명 빔(360)의 σ1은 도 4에 도시된 오프 액시스 조명 빔(300)의 σ1보다 긴 길이를 갖는다.
도 10b와 도 6a를 비교하면, 도 10b에 도시된 제1콘택홀들(362a)과 도 6a에 도시된 제1콘택홀들(308a)은 거의 유사하며, 도 10b에 도시된 제2콘택홀(362b)은 도 6a에 도시된 제2콘택홀(308b)에 비하여 다소 변형된 형상을 갖는다. 그러나, 도 10b에 도시된 포토레지스트 패턴(362)의 해상도는 일반적인 허용 오차 내에 있다.
상술한 비교 결과는 상기 수학식들에 의해 산출된 σ1, σ2 및 σ3은 ±10% 정도의 허용 오차를 갖는다는 것을 의미한다.
도 11a는 헥사폴을 갖는 오프 액시스 조명 빔의 또 다른 예를 설명하기 위한 단면도이고, 도 11b는 도 11a에 도시된 오프 액시스 조명 빔에 의해 형성된 포토레지스트 패턴을 설명하기 위한 평면도이다.
도 11a를 참조하면, 도 11a에 도시된 오프 액시스 조명 빔(370)의 제1폴(372)의 크기는 도 4에 도시된 오프 액시스 조명 빔(300)의 제1폴(304)의 크기보다 크다.
도 11b와 도 6a를 참조하면, 도 11b에 도시된 포토레지스트 패턴(376)은 도 6a에 도시된 포토레지스트 패턴(308)과 거의 유사한 형상을 갖는다. 상기와 같은 비교 결과는 헥사폴(302)의 제1폴(304)의 제1크기와 제2폴(306)의 제2크기의 비는 1:1 내지 1:5 정도에서 결정될 수 있다는 것을 의미한다. 한편, 헥사폴(302)의 제2폴(306)의 제2크기는 포토레지스트 패턴의 제2콘택홀(308b)의 단면적에 따라 변화될 수 있다.
한편, 도시되지는 않았으나, 제1폴의 크기와 제2폴의 크기가 동일한 경우, 제1폴의 제1세기(intensity)와 제2폴의 제2세기의 비를 1:1 내지 1:5 정도로 조절함으로써, 포토레지스트 패턴의 해상도를 향상시킬 수 있다. 또한, 제1폴의 크기가 제2폴의 크기보다 작은 경우에도, 제1폴의 제1세기와 제2폴의 제2세기의 비를 적절하게 조절함으로써, 포토레지스트 패턴의 해상도를 향상시킬 수 있다.
도 12a는 도 4에 도시된 오프 액시스 조명 빔(300)에 의해 형성되며, 도 6a에 도시된 포토레지스트 패턴(308)에 대하여 약 89% 정도의 크기를 갖는 포토레지스트 패턴(380)을 설명하기 위한 평면도이고, 도 12b는 도 4에 도시된 오프 액시스 조명 빔(300)에 의해 형성되며, 도 6a에 도시된 포토레지스트 패턴(308)에 대하여 약 87% 정도의 크기를 갖는 포토레지스트 패턴(382)을 설명하기 위한 평면도이다.
도 6a, 도 12a 및 도 12b를 참조하면, 도 4에 도시된 오프 액시스 조명 빔(300)은 도 6a에 도시된 포토레지스트 패턴(308)에 대하여 약 89% 정도의 크기를 갖는 포토레지스트 패턴(380)에 어느 정도 적용될 수 있다는 것을 알 수 있다. 즉, 기 설정된 크기를 갖는 포토레지스트 패턴에 대하여 적절한 위치 및 크기를 갖는 오프 액시스 조명 빔은 상기 기 설정된 포토레지스트 패턴에 대하여 약 10% 정도 축소 또는 확장된 포토레지스트 패턴에도 적절하게 적용될 수 있다.
도 13a 및 도 13b는 도 4에 도시된 오프 액시스 조명 빔에 의해 형성된 포토레지스트 패턴의 다른 예들을 설명하기 위한 평면도들이다.
도 13a 및 도 13b에 도시된 포토레지스트 패턴들(390, 392)은 도 6a에 도시된 포토레지스트 패턴(308)에 대하여 다소 변형된 형상을 각각 갖는다. 도 13a에 도시된 포토레지스트 패턴(390)은 포토 마스크를 통과한 제2광 빔의 초점이 반도체 기판(20) 상에 형성된 포토레지스트 막의 표면에 정확히 위치된 경우이며, 도 13b에 도시된 포토레지스트 패턴(390)은 포토 마스크를 통과한 제2광 빔의 초점이 반도체 기판(20) 상에 형성된 포토레지스트 막의 표면으로부터 0.3㎛만큼 이격된 경우이다.
도시된 바에 따르면, 도 4에 도시된 오프 액시스 조명 빔(300)은 다소 변형된 포토레지스트 패턴(390, 392)에도 적절하게 적용될 수 있다는 것을 알 수 있다.
또한, 상술한 바와 같은 비교 결과는 도 4에 도시된 오프 액시스 조명 빔(300)이 세리프(serif) 또는 스케터링 바(scattering bar)를 사용하는 광학적 근접 보상(OPC) 방법에 의해 형성된 포토 마스크에도 적절하게 적용될 수 있다는 것을 의미한다.
도 14는 본 발명의 제2실시예에 따른 광학 시스템을 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 14를 참조하면, 도시된 노광 장치(400)는 반도체 기판(20) 상에 형성된 포토레지스트 막으로 광 빔을 제공하기 위한 광학 시스템(410)과, 반도체 기판(20)을 지지하고 이동시키기 위한 스테이지(402)를 포함한다.
상기 광학 시스템은 레이저(412), 확장기(414, beam expander), 광학 부재(416), 집광 렌즈 유닛(418), 플라이 아이 마이크로렌즈 어레이(420), 조명 렌즈(422), 포토 마스크(424) 및 투사 렌즈(426)를 포함한다.
상기 레이저(412)로는 248nm의 파장을 갖는 KrF 레이저 빔을 발생시키기 위한 KrF 엑시머 레이저, 198nm의 파장을 갖는 ArF 레이저 빔을 발생시키기 위한 ArF 엑시머 레이저, 157nm의 파장을 갖는 F2 레이저 빔을 발생시키기 위한 F2 엑시머 레이저 등이 있다.
빔 확장기(414)는 레이저(412)로부터 발생된 제1광 빔의 단면적을 확장시키기 위해 사용되며, 상기 광학 부재(416)는 상기 레이저(412)로부터 발생된 제1광 빔을 헥사폴을 갖는 오프 액시스 조명 빔으로 형성하기 위해 사용된다. 상기 광학 부재(416)로는 HOE(416a) 또는 애퍼처 플레이트(416b)가 사용될 수 있다.
상기 광학 부재(416)로 HOE(416a)가 사용되는 경우, 상기 HOE(416a)는 빔 확장기(414)와 집광 렌즈 유닛(418) 사이에 배치될 수 있고, 상기 광학 부재(416)로 애퍼처 플레이트(416b)가 사용되는 경우, 상기 애퍼처 플레이트(416b)는 플라이 아이 마이크로렌즈 어레이(420)와 조명 렌즈(422) 사이에 배치될 수 있다. 그러나, 상기 애퍼처 플레이트(416b)는 도 14에 도시된 바와는 다르게, 빔 확장기(414)와 집광 렌즈 유닛(418) 사이 또는 집광 렌즈 유닛(418)과 플라이 아이 마이크로렌즈 어레이(420) 사이에 배치될 수도 있다.
상기와 같은 구성 요소들에 대한 추가적인 상세 설명은 도 3에 도시된 광학 시스템과 관련하여 기 설명된 내용들과 유사하므로 생략하기로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 헥사폴을 갖는 오프 액시스 조명은 콘택 패드를 형성하기 위한 다수의 콘택홀들을 포함하는 포토레지스트 패턴의 해상도 및 반도체 기판 상에 입사되는 광 빔의 초점 심도를 향상시킨다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1a는 종래의 환형 조명에 사용되는 빔의 단면 형상을 나타내는 단면도이다.
도 1b 및 도 1c는 도 1a에 도시된 환형 조명 빔에 의해 형성된 포토레지스트 패턴을 설명하기 위한 평면도들이다.
도 2a는 종래의 다른 환형 조명에 사용되는 빔의 단면 형상을 나타내는 단면도이다.
도 2b 및 도 2c는 도 2a에 도시된 환형 조명 빔에 의해 형성된 포토레지스트 패턴을 설명하기 위한 평면도들이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 광학 시스템을 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 4는 헥사폴을 갖는 오프 액시스 조명 빔을 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 오프 액시스 조명 빔에 의해 형성된 포토레지스트 패턴을 설명하기 위한 평면도이다.
도 6a 및 도 6b는 도 4에 도시된 오프 액시스 조명 빔에 의해 형성된 포토레지스트 패턴을 설명하기 위한 확대 평면도이다.
도 7a는 헥사폴을 갖는 오프 액시스 조명 빔의 다른 예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 7b 및 도 7c는 도 7a에 도시된 오프 액시스 조명 빔에 의해 형성된 포토레지스트 패턴을 설명하기 위한 평면도들이다.
도 8a는 헥사폴을 갖는 오프 액시스 조명 빔의 또 다른 예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 8b 및 도 8c는 도 8a에 도시된 오프 액시스 조명 빔에 의해 형성된 포토레지스트 패턴을 설명하기 위한 평면도들이다.
도 9는 헥사폴을 갖는 오프 액시스 조명 빔의 또 다른 예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 10a는 헥사폴을 갖는 오프 액시스 조명 빔의 또 다른 예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 10b는 도 10a에 도시된 오프 액시스 조명 빔에 의해 형성된 포토레지스트 패턴을 설명하기 위한 평면도이다.
도 11a는 헥사폴을 갖는 오프 액시스 조명 빔의 또 다른 예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 11b는 도 11a에 도시된 오프 액시스 조명 빔에 의해 형성된 포토레지스트 패턴을 설명하기 위한 평면도이다.
도 12a는 도 4에 도시된 오프 액시스 조명 빔에 의해 형성되며, 도 6a에 도시된 포토레지스트 패턴에 대하여 약 89% 정도의 크기를 갖는 포토레지스트 패턴을 설명하기 위한 평면도이다.
도 12b는 도 4에 도시된 오프 액시스 조명 빔에 의해 형성되며, 도 6a에 도시된 포토레지스트 패턴에 대하여 약 87% 정도의 크기를 갖는 포토레지스트 패턴을 설명하기 위한 평면도이다.
도 13a 및 도 13b는 도 4에 도시된 오프 액시스 조명 빔에 의해 형성된 포토레지스트 패턴의 다른 예들을 설명하기 위한 평면도들이다.
도 14는 본 발명의 제2실시예에 따른 광학 시스템을 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
20 : 반도체 기판 200 : 노광 장치
202 : 스테이지 210 : 광학 시스템
212 : 광원 214 : 광학 부재
214a : HOE 214b : 애퍼처 플레이트
216 : 집광 렌즈 유닛 218 : 플라이 아이 마이크로렌즈 어레이
220 : 포토 마스크 224 : 투사 렌즈
300 : 오프 액시스 조명 빔 302 : 헥사폴
304 : 제1폴 306 : 제2폴
308 : 포토레지스트 패턴

Claims (22)

  1. 제1광 빔을 발생시키기 위한 광원;
    상기 제1광 빔을 헥사폴(hexapole)을 갖는 오프 액시스 조명 빔(off-axis illumination beam)으로 형성하기 위한 광학 부재(optical element);
    상기 오프 액시스 조명 빔을 마스크 패턴을 갖는 포토 마스크로 유도하기 위한 조명 렌즈(illumination lens); 및
    기판 상에 상기 마스크 패턴과 대응하는 포토레지스트 패턴을 형성하기 위해 상기 포토 마스크를 통과한 제2광 빔을 상기 기판으로 유도하기 위한 투사 렌즈(projection lens)를 포함하되,
    상기 포토레지스트 패턴은 다수의 행과 열의 교차 지점에 각각 형성되는 다수의 제1콘택홀과, 행 방향 및 열 방향을 따라 지그재그로 배치되는 다수의 제2콘택홀을 포함하며, 각각의 제2콘택홀은 4개의 제1콘택홀이 이루는 가상의 사각형의 중심에 형성되며 제1콘택홀보다 크거나 같은 단면적을 갖는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 조명 렌즈로 입사되는 오프 액시스 조명 빔의 헥사폴은, 제1크기를 갖고 상기 조명 렌즈의 중심을 통과하는 x축 및 y축에 대하여 대칭적으로 배치되는 4개의 제1폴과, 상기 y축에 대하여 대칭적으로 상기 x축 상에 배치되며 상기 제1크기보다 크거나 같은 제2크기를 갖는 2개의 제2폴을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 x축은 상기 다수의 행과 평행하며, 상기 y축은 상기 다수의 열과 평행한 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 각각의 제1폴이 상기 y축으로부터 이격된 거리(σ1)와 상기 x축으로부터 이격된 거리(σ2) 및 상기 각각의 제2폴이 상기 y축으로부터 이격된 거리(σ3)는 하기하는 수학식들에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
    (여기서, 상기 λ는 상기 제1광 빔의 파장이고, 상기 p1은 상기 행 방향에 따른 제1콘택홀들의 제1피치이고, 상기 p2는 상기 열 방향에 따른 상기 제1콘택홀들의 제2피치이며, 상기 NA(numerical aperture)는 상기 투사 렌즈의 수치구경이다)
  5. 제4항에 있어서, 상기 수학식들에 의해 산출된 σ1, σ2 및 σ3은 각각 ±10%의 허용 오차를 갖는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  6. 제2항에 있어서, 상기 제1폴 및 제2폴의 형상은 원형, 타원형, 사각형 또는 부채꼴형인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  7. 제2항에 있어서, 상기 제1폴의 형상은 원 또는 정사각형이며, 상기 제2폴의 형상은 상기 y축 방향으로 연장된 타원형 또는 직사각형인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  8. 제2항에 있어서, 상기 제1크기와 제2크기의 비는 1:1 내지 1:5인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1폴 및 제2폴은 상기 제1크기보다 작은 제3크기를 갖는 다수의 원형 폴들로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 광학 부재는 HOE(holographic optical element)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 광학 부재는 상기 헥사폴과 대응하는 다수의 개구를 갖는 애퍼처(aperture) 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 조명 렌즈로 입사되는 오프 액시스 조명 빔의 헥사폴은, 제1세기를 갖고 상기 조명 렌즈의 중심을 통과하는 x축 및 y축에 대하여 대칭적으로 배치되는 4개의 제1폴과, 상기 y축에 대하여 대칭적으로 상기 x축 상에 배치되며 상기 제1세기보다 크거나 같은 제2세기를 갖는 2개의 제2폴을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제1세기와 제2세기의 비는 1:1 내지 1:5인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 상기 광원은 수은 램프 또는 엑시머 레이저를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  15. 제1광 빔을 발생시키는 단계;
    상기 제1광 빔을 헥사폴을 갖는 오프 액시스 조명 빔으로 형성하는 단계;
    마스크 패턴을 갖는 포토 마스크를 통과한 제2광 빔을 형성하기 위해 상기 오프 액시스 조명 빔을 상기 포토 마스크로 유도하는 단계; 및
    기판 상에 상기 마스크 패턴과 대응하는 포토레지스트 패턴을 형성하기 위해 상기 제2광 빔을 상기 기판 상으로 유도하는 단계를 포함하되,
    상기 포토레지스트 패턴은 다수의 행과 열의 교차 지점에 각각 형성되는 다수의 제1콘택홀과, 행 방향 및 열 방향을 따라 지그재그로 배치되는 다수의 제2콘택홀을 포함하며, 각각의 제2콘택홀은 4개의 제1콘택홀이 이루는 가상의 사각형의 중심에 형성되며 제1콘택홀보다 크거나 같은 단면적을 갖는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성 방법.
  16. 제15항에 있어서, 오프 액시스 조명 빔의 헥사폴은, 제1크기를 갖고 상기 제1광 빔 및 제2광 빔의 광 축과 수직으로 교차하는 x축 및 y축에 대하여 대칭적으로 배치되는 4개의 제1폴과, 상기 y축에 대하여 대칭적으로 상기 x축 상에 배치되며 상기 제1크기보다 크거나 같은 제2크기를 갖는 2개의 제2폴을 포함하는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 각각의 제1폴이 상기 y축으로부터 이격된 거리(σ1)와 상기 x축으로부터 이격된 거리(σ2) 및 상기 각각의 제2폴이 상기 y축으로부터 이격된 거리(σ3)는 하기하는 수학식들에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성 방법.
    (여기서, 상기 λ는 상기 제1광 빔의 파장이고, 상기 p1은 상기 행 방향에 따른 제1콘택홀들의 제1피치이고, 상기 p2는 상기 열 방향에 따른 상기 제1콘택홀들의 제2피치이며, 상기 NA(numerical aperture)는 상기 투사 렌즈의 수치구경이다)
  18. 제16항에 있어서, 상기 제1폴 및 제2폴의 형상은 원형, 타원형, 사각형 또는 부채꼴형인 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성 방법.
  19. 제16항에 있어서, 상기 제1크기와 제2크기의 비는 1:1 내지 1:5인 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 제1폴 및 제2폴은 상기 제1크기보다 작은 제3크기를 갖는 다수의 원형 폴들로 이루어지는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성 방법.
  21. 제15항에 있어서, 오프 액시스 조명 빔의 헥사폴은, 제1세기를 갖고 상기 제1광 빔 및 제2광 빔의 광 축과 수직으로 교차하는 x축 및 y축에 대하여 대칭적으로 배치되는 4개의 제1폴과, 상기 y축에 대하여 대칭적으로 상기 x축 상에 배치되며 상기 제1세기보다 크거나 같은 제2세기를 갖는 2개의 제2폴을 포함하는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 제1세기와 제2세기의 비는 1:1 내지 1:5인 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성 방법.
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