KR100525342B1 - 광기록재료의노광기록방법 - Google Patents

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Abstract

광 디스크 원반의 노광 장치(20)에 있어서, 원자외선의 광원 레이저(1)와 0.85 이상의 개구수를 가진 대물 렌즈(7)를 사용하여 회절 한계 레벨까지 집광된 광 빔의 전력 밀도는 4v×102 W/cm2 이상으로 설정되며(여기서 v [cm/sec]는 기록 선속도를 나타냄), 광 디스크 원반(9)상의 포토레지스트는 노광 및 열처리를 동시에 받게 된다.

Description

광 기록 재료의 노광 기록 방법
본 발명은 광 기록 재료의 노광 기록 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광 빔을 이용한 포토레지스트막의 노광 기록 방법에 특징을 갖는 광 기록 재료의 노광 기록 방법에 관한 것이다.
고집적 설계가 크게 향상되어, 포토리소그래피 분야에서 선도적인 역할을 하고 있는 반도체 장치의 패터닝 공정에서는 노광 파장이 짧아지고 있다. 그 결과, 최근에는 KrF, ArF 등의 엑시머 레이저에 의한 원자외선 노광 기록이 행해지고 있다. 지금까지는 가시광 및 근자외선 영역의 노광 기록에는 소위 노볼락 레지스트가 이용되었다. 그러나, 최근에는 이 노볼락 레지스트의 감도가 크게 저하되기 때문에, 노볼락 레지스트 대신에 화학 증폭형의 포토레지스트가 사용되고 있다.
이 화학 증폭형 포토레지스트의 대표적인 예가 도 1을 참조하여 설명된다. 도 1은 폴리비닐 페놀의 수산기를 t-부톡시카르보닐기로 보호한 폴리머와, 광 산 발생제(PAG)로 이루어진 화학 증폭형 포토레지스트의 광화학 반응 공정을 도시한다.
이 화학 증폭형 포토레지스트막은 폴리머와 광 산 발생제로 이루어져 있다. 화학 증폭형 포토레지스트를 이용한 노광 기록 방법에 따르면, 광 산 발생제를 노광하여 산을 발생시키고, 열 처리에 의해 이 산을 열확산시켜 폴리머 반응을 야기하고, 현상액에 대한 용해성을 변화시켜 패턴을 형성한다. 이 노광에 의해 발생한 산이 알칼리 불용성의 폴리머를 가열 조건하에서 알칼리 가용성으로 재료로 변화시킨다. 즉, 노광 부분이 현상에 의해 제거되는 포지티브형 레지스트의 역할을 한다. 따라서, 화학 증폭형의 포토레지스트막을 이용한 경우에는, 노광 후의 열 처리 공정이 불가결하고, 열 처리에 관련된 많은 공정 단계를 필요로 하였다.
또한, 일반적으로 화학 증폭형의 포토레지스트막의 감도는 불안정하고, 노볼락계의 포토레지스트막과 비교하여 취급이 더 어려운 것으로 알려져 있다. 이 원인 중 하나로서 노광시 발생한 산의 확산이 열 처리를 행하기 전에 공기중의 암모니아 등에 의해 억제된다는 것을 들 수 있다. 이 불활성화의 정도는 노광으로부터 열 처리까지의 시간에 의존한다는 것은 말할 필요도 없다.
따라서, 원자외선 광원을 이용하여 화학 증폭형의 포토레지스트막에 노광 기록을 행하는 경우, 반도체 장치의 패터닝에 한하지 않고, 노광후 열 처리를 행할 때까지 엄격한 시간 관리가 요구된다. 그러나, 광 디스크 원반상의 노광 기록, 광묘화 등에서 집광된 광 빔에 의해 연속적으로 기록을 행하는 경우에는 노광개시시과 종료시에 필연적으로 시간차가 생기고, 경우에 따라 이 시간차는 수 시간에도 미치기 때문에 노광 후의 레지스트의 감도 등에 의해 패터닝 특성이 개시시와 종료시 사이에 크게 변하였다. 따라서, 지금까지는 양호한 패턴을 형성하는 것이 곤란하였다.
본 발명은, 원자외선 영역의 포토리소그래피에 있어서, 포토레지스트의 노광 공정 후 열 처리 공정의 생산성을 향상시키고, 노광 후 포토레지스트의 특성을 안정화시키는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 광 기록 재료의 노광 기록 방법은, 대물 렌즈에 의해 집광되는 광 빔에 화학 증폭형 포토레지스트 또는 다른 형태의 포토레지스트를 노광하는 노광 단계와, 노광 단계 후에 포토레지스트의 노광부를 개질하기 위한 열 처리를 실시하는 열처리 단계를 포함하는 광 기록 재료의 노광 기록 방법에 있어서, 광 빔의 전력 밀도를 4v×102 W/cm2 (여기서, v [cm/sec]는 기록 선 밀도를 나타냄) 이상으로 설정하고, 노광 공정과 열 처리 공정을 동시에 실시하는 것을 특징으로 한다.
대물 렌즈의 개구수(NA)는 0.85 이상이고, 광 빔의 광원은 300nm이하의 파장을 가진 엑시머 레이저, 또는 비선형 광학 결정을 이용하여 YAG 레이저의 4배파를 발생시키는 전고체 레이저 (all solid state laser)인 것이 바람직하다.
전술한 노광 기록 방법에 따르면, 원자외선 영역의 광원에 의한 광 빔을 이용한 포토리소그래피에 있어서, 큰 개구수를 가진 대물 렌즈를 이용하여 회절 한계 수준까지 집광한 큰 전력 밀도를 가진 광 빔으로 화학 증폭형 포토레지스트 등을 노광함으로써, 노광 공정과 열 처리 공정을 동시에 행할 수 있다. 이에 따라, 노광 후의 열 처리 공정이 불필요해진다.
또한, 노광으로부터 열 처리까지의 시간차에 의존하는 패터닝 특성이 양호해진다.
본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.
도 2는 원자외선 레이저를 광원으로 사용하는 광 디스크 원반의 노광 기록 장치를 나타내는 다이어그램이다.
광원 레이저(1)로서, 비선형 광학 결정을 사용하여 YAG 레이저의 4배파를 발생시키는 전고체 레이저가 사용된다. 대물 렌즈(7)의 개구수는 0. 85 이상으로 설정된다.
광원 레이저(1)로부터 방출된 레이저 빔은 전기 광학 소자, 편광 빔 분할기, 광 검출기 등으로 구성된 전력 제어기(2)를 투과하여, 제1 미러(3a)에 의해 광 경로를 90도 꺽으면서 반사된 후 광변조기(5)에 입사된다. 레이저 빔은 광변조기(5)에서 신호 발생기(4)로부터 공급되는 신호와 함께 변조된 후에, 제2 미러(3b)에 의해 광 경로를 90도 꺽으면서 반사된다. 레이저 빔은 2매 이상의 렌즈(6)로 구성된 빔 확대기에 의해 레이저 빔의 스폿 직경이 입사 렌즈 직경 이상이 되도록 확대된 후에, 제3 미러(3c)에 의해 광 경로를 90도 꺽으면서 반사되어 대물 렌즈(7)에 입사된 후, 대전력 밀도로 포토레지스트(8)에 조사된다. 0.85 이상의 개구수를 가진 대물 렌즈(7)는 제3 미러(3c)와 일체적으로, 포토레지스트(8)를 도포한 광 디스크 원반(9)의 반경 방향으로 이동 가능하게 설계된다. 광 디스크 원반(9)을 턴테이블(10) 상에서 회전시키면서 대물 렌즈(7)을 일정 속도로 이동시킴으로써, 나선형의 노광 기록 동작을 수행한다.
광 디스크 원반(9)의 노광 기록에 있어서, 예컨대 파장 300nm의 광원을 사용하고, 개구수 0.85의 대물 렌즈(7)에 의해 집광된 광 빔의 스폿 직경이 약 4×10-5cm인 것으로 가정하면, 단위 시간당 노광 면적은 (4×10-5cm) × v cm/sec로 계산되며, 여기서 v [cm/sec]는 기록 선 속도를 나타낸다.
따라서, 일반적으로 화학 증폭형의 포토레지스트(8)상에 원자외선으로 노광 기록을 행하는 경우에 필요한 약 10-2J/cm2 정도의 광 에너지 밀도를 얻는 대물 렌즈(7)로부터 방출된 후의 기록 원 자외선의 전력은 (10-2J/cm2) × (4v × 10-5 cm2/sec)로 계산되어, 4v × 10-7 W가 된다. 광 빔의 면적이 10-9 cm2 정도인 것을 고려하면, 기록 원자외선의 전력 밀도는 4v × 10-7 [W] / 10-9cm2 이 되어, 4v × 102 [W/cm2]이 된다. 통상적으로, v는 102 내지 103 cm/sec로 설정되며, 따라서 전력 밀도는 4×104 내지 4×105 [W/cm2]가 된다.
이 값은, 기록 전력 밀도가 약 10-1W/cm2 정도인 반도체 장치의 포토리소그래피의 경우와 같이 정지한 포토레지스트(8)를 노광하는 경우와 달리, 광 디스크 원반의 기록은 매우 큰 전력 밀도를 필요로 하는 것을 나타낸다.
상부에 포토레지스트(8)를 구비한 광 디스크 원반(9)를 회전시키면서 노광 기록을 수행하는 경우에, 파장 300nm 이하의 광 빔을 이용하고, 대물 렌즈(7)의 개구수를 0. 85 이상으로 설정하여 포토레지스트(8)에 집광하는 스폿부의 전력 밀도를 1×104 [W/cm2] 이상으로 설정할 수 있다.
따라서, 이러한 값으로 전력 밀도를 설정함으로써 포토레지스트(8)를 순간적으로 수십 내지 백 수십도로 가열할 수 있다.
다음에, 화학 증폭형의 포토레지스트(8)를 이용하여 광 디스크 원반(9)의 노광 기록을 행한 경우의 온도 분포의 열 분석 결과를 이하에 설명한다.
파장 266nm의 광 빔을 개구수 0.9의 대물 렌즈(7)로 화학 증폭형의 포토레지스트(8)(예를 들면 스미토모 화학공업 제조: PEK405) 상에 집광하여, 기록 전력 3.0×10-4W, 기록 선속도 3.0m/sec의 조건하에 노광 기록을 수행하는 경우의 기록 피트의 길이 방향으로의 온도 분포에 대한 열 분석에 기초한 시뮬레이션이 수행되었다.
광 빔의 스폿 직경은 1.22×(파장/개구수)의 관계식으로 나타낼 수 있기 때문에 광 빔의 전력 밀도는 3.6×10-5cm정도였다. 광 빔의 면적은 1×10-9cm2 정도가 되기 때문에, (기록 전력 3×10-4W)/(광 빔의 스폿 면적 1×10-9cm2)은 약 3×105W/cm2 정도가 된다.
이러한 계산은 340nsec의 피트(노광부)와 93nsec의 랜드(비노광부)가 반복된 때에 새롭게 피트상에 노광 기록을 수행하는 경우에 적용된다.
이것은 트랙 피치 0.5μm와 직경 12cm의 광 디스크상에 EFM 변조에 의해 10GB 용량의 기록을 행하는 경우의 11T피트와 3T랜드에 상당한다. 이 계산에 이용한 물리량은 [표1]에 나타나 있으며, 이 경우에 공기층은 열의 부도체인 것으로 고려되었다.
도 3은 펄스 노광 기록시 트랙 방향의 온도 분포의 시뮬레이션 결과이다.
도 3에서, 실온을 25℃로 한 경우, 포토레지스트(8)의 노광부의 온도는 최고 약 60℃까지 상승하는 것을 알 수 있다. 일반적으로, 노광 후의 열 처리 온도의 최저치는 50℃ 정도이기 때문에, 포토레지스트의 노광부의 온도가 60℃ 이상까지 상승할 수 있다면, 상기 노광 작업은 노광 후의 열 처리 공정과 동일한 역할을 충분히 할 수 있다.
전술한 바와 같이, 개구수 0.85 이상의 대물 렌즈(7)로 회절 한계까지 집광한 광 빔에 의해 화학 증폭형의 포토레지스트(8) 상에 노광 기록을 행하는 경우에, 노광 공정과 열 처리 공정을 동시에 진행하여, 노광 후의 열 처리 공정이 필요 없어진다는 것을 시뮬레이션 결과로부터 알 수 있다.
이상, 화학 증폭형의 포토레지스트(8)가 상부에 형성된 광 디스크 원반(9)상에 노광 기록하는 사례를 설명하였지만, 본 발명은 반도체 장치의 포토리소그래피에 적용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 개구수가 큰 대물 렌즈를 이용하여 회절 한계까지 집광한, 대전력 밀도를 갖는 광 빔에 의해 포토레지스트막의 노광 기록을 행함에 따라, 노광 공정과 열 처리 공정을 동시에 행할 수 있기 때문에, 종래 동형의 레지스트에 의한 포트리소그래피로서는 필수로 되어 있던 노광 후의 열 처리 공정을 필요 없게 할 수 있다.
또한, 종래부터 문제가 되어 있던 노광으로부터 열 처리까지의 시간차에 의한 레지스트 감도의 변동등에 의한 패터닝 특성을 양호하게 할 수 있다.
도 1은 화학적으로 증폭된 포토레지스트의 광화학 반응을 나타내는 화학 반응식의 다이어그램.
도 2는 본 발명에 따른 광 디스크 원반용 노광 장치를 나타내는 다이어 그램.
도 3은 본 발명에 따른 펄스 노광 기록 동작에서의 트랙 방향의 온도 분포의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 광원 레이저
2 : 전력 제어기
3a, 3b, 3c : 미러
4 : 신호 발생기
5 : 광 변조기
6 : 렌즈
7 : 대물 렌즈
8 : 포토레지스트
9 : 광 디스크 원반
10 : 턴테이블
20 : 광 디스크 원반 노광 장치

Claims (7)

  1. 대물 렌즈에 의해 집광된 광 빔을 이용한 노광 공정 후에 노광부의 개질을 위한 열처리 공정을 필요로 하는 화학 증폭형 포토레지스트를 사용하는 광 기록 재료의 노광 기록 방법에 있어서,
    기록 선속도를 v cm/sec로 설정하고, 상기 광 빔의 전력 밀도를 4v×102 W/cm2 이상으로 설정한 조건하에, 상기 광 빔을 상기 대물 렌즈를 통해 상기 포토레지스트에 집광하여, 상기 노광 공정과 상기 열 처리 공정을 동시에 실시하는 것을 특징으로 하는 노광 기록 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 대물 렌즈의 개구수는 0.85 이상으로 설정되는 것을 특징으로 하는 노광 기록 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광 빔의 파장은 300 nm 이하로 설정되는 것을 특징으로 하는 노광 기록 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 광 빔을 방출하기 위한 광원은 엑시머 레이저인 것을 특징으로 하는 노광 기록 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 광 빔을 방출하기 위한 광원은 YAG 레이저의 4배파를 발생시키는 비선형 광학 결정을 사용하는 전고체 레이저 (all solid state laser)인 것을 특징으로 하는 노광 기록 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 포토레지스트는 광 디스크 원반상에 형성되는 것을 특징으로 하는 노광 기록 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 포토레지스트는 반도체 기판 상에 형성되는 것을 특징으로 노광 기록 방법.
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