KR100630703B1 - 레이저빔의 파장 제어 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

레이저빔의 파장 제어 시스템 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

웨이퍼에 직접 조사되는 레이저빔의 특정파장을 검출하여 레이저빔의 파장을 제어하는 시스템 및 그 제어방법에 대해 개시한다. 그 시스템 및 방법은 집속광학장치의 하부에 위치하여 스테이지를 향하는 레이저빔의 특정파장을 흡수하는 금속체를 구비하는 특정파장검출센서 및 레이저빔의 파장을 선택적으로 변하도록 동작하는 파장조절장치를 포함하여, 검출된 레이저빔이 최대흡수파장이 되기 위하여 파장조절장치를 제어한다.
레이저빔, 집속광학장치, 특정파장, 최대흡수파장

Description

레이저빔의 파장 제어 시스템 및 그 제어방법{System of controlling a wavelength of laser beam and method of controlling the same}
도 1은 종래의 중공캐소드램프을 이용하여 레이저빔의 파장을 검출하는 시스템을 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 본 발명에 의한 레이저빔의 특정파장을 검출하는 시스템을 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 본 발명에 의한 특정파장검출센서를 나타내는 사시도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
103; 레이저 시스템 105; 파장조절기구
120; 빔 컨디셔너 124; 빔 분산기
128; 레티클 130; 집속광학장치
140; 스테이지 142; 웨이퍼
150; 빔센서 200; 특정파장검출센서
204; 금속체
본 발명은 엑시머 레이저와 같은 레이저 시스템에 관한 것으로, 특히 레이저의 특정파장을 검출하여 특정파장을 제어하는 시스템 및 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 엑시머 레이저와 같은 레이저는 광범위하게 응용된다. 엑시머 레이저의 출력 파장은 시간 및 동작상태의 함수로써 일정한 값을 갖도록 정확하게 조절되어야 한다. 특히, 반도체 집적회로의 제조시 정확한 파장의 조절은 필수적이다.
정확한 파장을 조절하는 방법으로써, 광-갈바니(opto-galvanic) 센서가 사용되어 왔다. 광-갈바니 센서는 센서 내에 충진된 가스와 캐소드에 의해 생성된 플라즈마와 입사되는 레이저빔 사이의 공진을 이용한다. 즉, 레이저빔의 파장이 플라즈마 내의 원자 및 분자의 특정 흡수 파장과 공진하면, 플라즈마의 전기적 특성이 변하는 성질을 이용한다. 그런데, 광-갈바니 센서에 의한 레이저빔의 파장을 검출하는 방법은 상기 센서와 레이저빔을 정확하게 정렬시키는 것이 어렵고, 확산기를 사용하기 곤란하다는 단점이 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 상기 센서의 진공챔버 내의 증발성 재료에 의해 흡수된 레이저빔의 양을 측정하는 중공캐소드램프(Hollow Cathode Lamp; HCL)를 이용하는 방법이 제안되었다.
도 1은 종래의 중공캐소드램프을 이용하여 레이저빔의 파장을 검출하는 시스템을 설명하기 위한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 레이저 시스템(10)은 레이저(13)와, 레이저빔(A)을 샘플링하고 파장을 결정하는 웨이브미터(11) 및 특정범위에서 레이저빔(A)의 파장이 선택 적으로 변할 수 있도록 하는 파장조절기구(15)를 포함한다. 파장조절기구(15)는 웨이브미터(11)에 의해 제어된다. 즉, 웨이브미터(11)에 의해 검출된 레이저빔(A)의 파장이 원하는 파장과 동일하지 않으면, 웨이브미터(11)는 파장조절기구(15)에 교정신호를 보내어 파장을 조절하도록 한다.
웨이브미터(11)를 거친 레이저빔(A)은 제1 빔분산기(beam splitter)에 의해 제1빔(A1)과 제2 빔(A2)으로 나뉜다. 제2 빔(A2)은 빔의 폭과 웨이스트(waist)를 넓히는 확산기(32)와 조리개(34)를 통과하여 중공캐소드램프(40)를 포함한 제2 빔(A2)의 파장검출시스템으로 입사된다.
상기 파장검출시스템은 중공캐소드램프(40)와 전류제어기구(47) 및 광검출기(49)로 이루어져 있다. 중공캐소드램프(40)는 레이저빔(A2)이 입사되는 입력창(41)과 출사되는 출력창(45)이 대향하여 형성된 진공챔버(42)내에 애노드(42)와 캐소드(44)가 장착되어 있다. 여기서, 캐소드(44)는 일반적으로 원통형의 증발성 금속재료, 예를 들어 철(Fe)로 제조된다. 진공챔버(42)의 내부는 네온과 같은 가스로 충진된다.
전류제어기구(47)는 애노드(42)와 캐소드(44)를 통해 흐르는 전류의 양을 제어한다. 증발성재료는 제2빔(A2)이 통과하는 캐소드(44)의 내부를 채운다. 증발성재료에서 증발된 가스와 네온과 같은 충진가스는 플라즈마를 형성하여, 플라즈마의 특성에 의해 결정되는 파장에서 제2 빔(A2)을 흡수한다. 예를 들어, 증발성재료인 철은 최대흡수 파장이 248.3271nm이다.
일부 흡수된 레이저빔(A2)은 출력창(45)을 지나서 전송되어지고, 광검출기 (49)는 전송되어진 광의 양을 측정한다. 광검출기(49)에 의해 검출된 광량은 제2 빔(A2)의 파장에 좌우되며, 상대적으로 최대흡수파장에서 가장 적은 양의 광이 검출된다. 검출된 광량은 제1 제어기(50)에 보내어지고 웨이브미터(11)와 파장조절기구(15)에 의해 방출되는 레이저빔(A)의 파장은 다시 조절된다.
한편, 제1 빔분산기(30)를 거친 제1 빔(A1)은 빔컨디셔너(beam conditioner;60), 빔컨덴서(beam condensor; 62), 제2 빔분산기(64) 및 렌즈(66)에 의해 레티클(68)에 응용하기 위한 빔으로 변경된다. 레티클(68)을 통과한 빔은 집속광학장치(70)에 의해 스테이지(80) 상에 안착된 웨이퍼(82)에 조사된다. 스테이지(80)는 X-Y컨트롤러(84)에 의해 동일 평면상의 X축과 Y축으로 이동된다.
또한, 제1 빔(A1)은 집속광학장치(70)를 거친 다음 강도(intensity)와 균일도(uniformity)가 변화된 제3 빔(A3)이 된다. 제3 빔(A3)은 실질적으로 웨이퍼(82)에 조사되는 빔으로써, 웨이퍼(82)에 조사되기 전에 제3 빔(A3)의 강도와 균일도는 빔센서(90)에 의해 검출된다. 검출되어진 결과는 제2 제어기(92)에 의해 레이저 시스템(10)에서 방출하는 레이저빔(A)을 다시 결정한다.
그런데, 빔센서(90)는 제3 빔(A3)의 강도와 균일도를 확인할 수 있지만, 웨이퍼(82)에 조사되는 제3 빔(A3)의 특정파장을 검출하지는 못한다. 즉, 웨이퍼(82)에 직접 조사되는 레이저빔인 제3 빔(A3)이 특정파장을 갖는 지는 확인할 수 없다. 또한, 종래의 특정파장검출센서는 구동하기 위하여 전류제어기구(47)와 광검출기(49)와 같은 별도의 장치들을 부가하여야 한다. 따라서, 종래의 특정파장검출센서는 설비를 단순화하기 어렵고 경제적인 측면에서도 불리하다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 웨이퍼에 직접 조사되는 레이저빔의 특정파장을 검출하여 레이저빔의 파장을 제어하는 시스템을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 웨이퍼에 직접 조사되는 레이저빔의 특정파장을 검출하여 레이저빔의 파장을 제어하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 레이저빔의 파장제어 시스템은 평면상으로 직선운동 및 회전운동이 가능한 스테이지와, 상기 스테이지의 상부에 설치되어 상기 스테이지를 향하여 레이저빔을 출사하는 집속광학장치와, 상기 집속광학장치의 하부에 위치하여 상기 스테이지를 향하는 상기 레이저빔의 특정파장을 흡수하는 금속체를 구비하는 특정파장검출센서 및 상기 레이저빔의 파장을 선택적으로 변하도록 동작하는 파장조절장치를 포함한다.
상기 특정파장검출센서는 상기 스테이지 상에 안착된 웨이퍼의 밖의 레이저빔이 형성된 상기 집속광학장치의 하부에 설치될 수 있다. 상기 특정파장검출센서는 투명진공튜브 내에 장착될 수 있으며, 상기 투명진공튜브 내부는 고진공을 유지하는 것이 바람직하다.
상기 금속체는 상기 특정파장를 갖는 레이저빔의 흡수에 의해 도전율이 변화될 수 있다. 상기 금속체는 상기 레이저빔의 입사되는 방향과 수직인 적어도 하나 의 평활한 면을 구비하는 것이 바람직하다.
상기 특정파장검출센서는 상기 금속체와 전기적으로 연결되어 상기 레이저빔에 의한 상기 금속체의 도전율 변화를 감지할 수 있는 전류센서를 더 포함할 수 있다. 상기 전류센서는 상기 파장조절장치와 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 금속체는 Fe/Ne 합금일 수 있다. 또한, 상기 Fe/Ne 합금에 의해 흡수되는 파장은 248~249㎚일 수 있으며, 흡수되는 최대파장은 248.3271nm일 수 있다.
상기 금속체에 의해 흡수되는 파장은 192.5~193.5nm일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 레이저빔의 파장제어 방법은 먼저, 평면상으로 직선운동 및 회전운동이 가능한 스테이지를 준비한다. 그후, 상기 스테이지의 상부에 설치된 집속광학장치를 거친 레이저빔을 상기 스테이지를 향하여 조사한다. 상기 집속광학장치의 하부에 위치하여 상기 레이저빔의 특정파장을 흡수하는 금속체를 구비하는 특정파장검출센서에 의하여 상기 레이저빔의 흡수파장을 검출한다. 상기 검출된 레이저빔이 최대흡수파장이 되기 위하여 파장조절장치를 제어한다.
상기 금속체는 상기 특정파장를 갖는 레이저빔의 흡수에 의해 도전율이 변화될 수 있다. 상기 특정파장검출센서는 상기 금속체와 전기적으로 연결되어 상기 레이저빔에 의한 상기 금속체의 도전율 변화를 감지할 수 있는 전류센서를 더 포함할 수 있다.
상기 금속체는 Fe/Ne 합금일 수 있다. 상기 Fe/Ne 합금에 의해 흡수되는 파장은 248~249㎚일 수 있으며, 흡수되는 최대파장은 248.3271nm일 수 있다.
상기 금속체에 의해 흡수되는 파장은 192.5~193.5㎚일 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들은 당분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 레이저빔의 특정파장을 검출하는 시스템을 설명하기 위한 개략도이다. 본 발명의 실시예에서는 KrF 엑시머 레이저 시스템의 예를 중심으로 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 레이저 시스템(100)은 레이저(103)와, 제4 빔(B4)을 샘플링하고 파장을 결정하는 웨이브미터(101) 및 특정범위에서 제4 빔(B4)의 파장이 선택적으로 변할 수 있도록 하는 파장조절기구(105)를 포함한다. 파장조절기구(105)는 웨이브미터(101)에 의해 제어된다. 즉, 웨이브미터(101)에 의해 검출된 제4 빔(B4)의 파장이 원하는 파장과 동일하지 않으면, 웨이브미터(101)는 파장조절기구(105)에 교정신호를 보내어 파장을 조절하도록 한다.
제4 빔(B4)은 KrF 레이저 시스템 이외에도 집적회로의 제조에서와 같이 시간의 함수로서 실질적으로 일정한 파장을 가지는 레이저빔을 이용하는 공정에 응용될 수 있다. 즉, ArF 레이저 시스템 및 광픽업장치 등에도 활용될 수 있다. 또한, 집적회로의 리소그래피 프린트용으로 스텝퍼 시스템 및 스캐너 시스템에도 적용될 수 있다. KrF 레이저 시스템은 247.9nm 내지 248.7nm 범위의 파장을 가진 제4 빔(B4) 을 출력한다. 파장조절기구(105)는 대략 0.1nm의 파장 스텝(step)에 의하여 조절된 제4 빔(B4)을 출력한다. ArF 레이저 시스템은 192.5nm 내지 193.5nm 범위의 파장을 가진 제4 빔(B4)을 적절한 파장 스텝에 의해 조절할 수 있다.
일부 레이저 시스템은 웨이브미터(101)와 같은 파장측정 시스템을 구비하지 않을 수 있다. 상기 시스템에서의 파장의 조절은 파장조절기구(105)에 의해서 직접 얻을 수 있다. 또한, 파장의 조절은 광학 구성요소의 각도(angle), 압력이 조절된 시스템의 가스밀도, 구성요소의 온도 등에 의해 조절될 수 있다.
제4 빔(B4)은 빔컨디셔너(beam conditioner; 120), 빔컨덴서(beam condensor; 122), 빔분산기(124) 및 렌즈(126)에 의해 레티클(128)에 응용하기 위한 빔으로 변경된다. 빔컨디셔너(120)는 제4 빔(B4)의 부분 강도(intensity)를 평균화하기 위하여 일련의 렌즈부(미도시)를 포함할 수 있다. 빔컨디셔너(120)와 빔컨덴서(122)는 사각형태의 빔을 형성하기 위하여 통상적인 방법에 따라 제4 빔(B4)을 확장할 수 있다. 레티클(128) 상에 형성된 마스크 패턴(미도시)은 일반적으로 웨이퍼(142) 표면상의 포토레지스트에 형성되어진 패턴(미도시)의 사본으로 크롬 또는 불투명한 물질이다.
레티클(128)을 통과한 빔은 집속광학장치(130)에 의해 스테이지(140) 상에 안착된 웨이퍼(142)에 조사된다. 스테이지(140)는 X-Y컨트롤러(144)에 의해 동일 평면상의 X축과 Y축으로 이동할 수 있다.
또한, 제4 빔(B4)은 집속광학장치(130)를 거친 다음, 강도(intensity)와 균일도(uniformity)가 변화된 제5 빔(B5)이 된다. 제5 빔(B5)은 실질적으로 웨이퍼 (82)에 조사되는 빔으로써, 제5 빔(B5)의 강도와 균일도는 웨이퍼(142)에 조사되기 전에 빔센서(150)에 의해 검출된다. 검출되어진 결과는 제2 제어기(300)에 의해 레이저 시스템(100)에서 방출하는 제4 빔(B4)을 다시 결정한다.
또한, 집속광학장치(130)와 스테이지(140) 사이에는 제5 빔(B5)의 특정파장을 검출하기 위한 특정파장검출센서(200)가 설치된다. 특정파장검출센서(200)는 스테이지(140) 상에 안착된 웨이퍼(142) 밖의 제5빔(B5)이 형성된 집속광학장치(130)의 하부에 설치할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 특정파장검출센서를 나타내는 사시도이다.
도 3을 참조하면, 특정파장검출센서(200)는 투명진공튜브(202) 내에 장착되어 특정파장을 갖는 제5 빔(B5)을 흡수하는 금속체(204)를 포함한다. 투명진공튜브 (202)는 석영(quartz)과 같은 투명한 재질을 갖으며, 내부는 고진공을 유지하는 것이 바람직하다. 금속체(204)는 특정파장을 갖는 제5 빔(B5)의 흡수에 의해 도전율이 변화될 수 있다. 즉, 특정파장의 흡수는 금속체 캐리어를 전도대로 여기시켜 도전율이 증대될 수 있다. 이때, 금속체(204)는 Fe/Ne 합금일 수 있다. 또한, 금속체(204)에 흡수되는 파장은 248~249㎚일 수 있으며, 흡수되는 최대파장은 248.3271nm일 수 있다. 나아가, 금속체(204)에 의해 흡수되는 파장은 192.50~193.5㎚일 수 있다.
한편, 금속체(204)는 제5 빔(B5)의 흡수를 원활하게 하기 위하여 제5 빔(B5)이 입사되는 방향과 수직인 적어도 하나의 평활한 면을 구비하는 것이 바람직하다. 특정파장검출센서(200)는 금속체(204)의 측벽의 집속단자(206)에 의하여 전기적으 로 연결되어 금속체(204)의 도전율 변화를 감지할 수 있는 전류센서(208)를 더 구비할 수 있다. 전류센서(208)는 파장의 조절신호를 발생하는 제2 제어기(300)를 거쳐 파장조절기구(105)와 전기적으로 연결될 수 있다.
만일, 전류센서(208)에 의해 측정된 전류의 변화가 원하는 파장에서의 전류변화와 동일하지 않으면, 제2 제어기(300)는 파장조절기구(105)에 교정신호를 보내어 파장을 조절하도록 한다.
본 발명의 실시예에 의한 특정파장검출센서(200)는 고체상태인 금속체(204)의 도전율의 변화를 이용함으로써, 유동적이고 불안정한 플라즈마를 이용하는 종래의 중공캐소드램프에 비해 안정적으로 특정파장을 검출할 수 있다. 또한, 집속광학장치(130)의 하부에 배치된 특정파장검출센서(200)를 이용함으로써, 웨이퍼(142)에 직접 조사하는 특정파장을 정확하게 결정할 수 있다. 나아가, 진공튜브(202)에 도전율을 검출하는 전류센서(208)를 내장함으로써, 특정파장검출센서(200)의 구조를 단순화할 수 있다.
이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
상술한 본 발명에 따른 레이저빔의 파장 제어시스템 및 그 제어방법에 의하면, 고체상태인 금속체의 도전율의 변화를 검출하는 특정파장검출센서를 이용함으로써 특정파장을 안정되게 검출할 수 있다. 또한, 집속광학장치의 하부에 특정파장 검출센서를 배치함으로써 웨이퍼에 직접 조사하는 특정파장을 정확하게 결정할 수 있다. 나아가, 진공튜브에 도전율을 검출하는 전류센서를 내장함으로써, 특정파장검출센서의 구조를 단순화할 수 있다.

Claims (19)

  1. 평면상으로 직선운동 및 회전운동이 가능한 스테이지;
    상기 스테이지의 상부에 설치되어 상기 스테이지를 향하여 레이저빔을 출사하는 집속광학장치;
    상기 집속광학장치의 하부에 위치하여 상기 스테이지를 향하는 상기 레이저빔의 특정파장을 흡수하는 금속체를 구비하는 특정파장검출센서; 및
    상기 레이저빔의 파장을 선택적으로 변하도록 동작하는 파장조절장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저빔의 파장 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 특정파장검출센서는 상기 스테이지 상에 안착된 웨이퍼 밖의 상기 레이저빔이 형성된 상기 집속광학장치의 하부에 설치되는 것을 특징으로 하는 레이저빔의 파장 제어 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 특정파장검출센서는 투명진공튜브 내에 장착되는 것을 특징으로 하는 레이저빔의 파장 제어 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 투명진공튜브 내부는 고진공을 유지하는 것을 특징으로 하는 레이저빔의 파장 제어 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 금속체는 상기 특정파장를 갖는 레이저빔의 흡수에 의해 도전율이 변화되는 것을 특징으로 하는 레이저빔의 파장 제어 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 금속체는 상기 레이저빔의 입사되는 방향과 수직인 적어도 하나의 평활한 면을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저빔의 파장 제어 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 특정파장검출센서는 상기 금속체와 전기적으로 연결되어 상기 레이저빔에 의한 상기 금속체의 도전율 변화를 감지할 수 있는 전류센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저빔의 파장 제어 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 전류센서는 상기 파장조절장치와 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 레이저빔의 파장 제어 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 금속체는 Fe/Ne 합금인 것을 특징으로 하는 레이저빔의 파장 제어 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 금속체에 의해 흡수되는 파장은 248~249㎚인 것을 특징으로 하는 레이저빔의 파장 제어 시스템.
  11. 제9항에 있어서, 상기 금속체에 의해 흡수되는 최대파장은 248.3271nm인 것을 특징으로 하는 레이저빔의 파장 제어 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 금속체에 의해 흡수되는 파장은 192~194㎚인 것을 특징으로 하는 레이저빔의 파장 제어 시스템.
  13. 평면상으로 직선운동 및 회전운동이 가능한 스테이지를 준비하는 단계;
    상기 스테이지의 상부에 설치된 집속광학장치를 거친 레이저빔을 상기 스테이지를 향하여 조사하는 단계;
    상기 집속광학장치의 하부에 위치하여 상기 레이저빔의 특정파장을 흡수하는 금속체를 구비하는 특정파장검출센서에 의하여 상기 레이저빔의 흡수파장을 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 레이저빔이 최대흡수파장이 되기 위하여 파장조절장치를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저빔의 파장 제어방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 금속체는 상기 특정파장를 갖는 레이저빔의 흡수에 의해 도전율이 변화되는 것을 특징으로 하는 레이저빔의 파장 제어방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 특정파장검출센서는 상기 금속체와 전기적으로 연결되어 상기 레이저빔에 의한 상기 금속체의 도전율 변화를 감지할 수 있는 전류센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저빔의 파장 제어방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 금속체는 Fe/Ne 합금인 것을 특징으로 하는 레이저빔의 파장 제어방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 금속체에 의해 흡수되는 파장은 248~249㎚인 것을 특징으로 하는 레이저빔의 파장 제어방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 금속체에 의해 흡수되는 최대파장은 248.3271nm인 것을 특징으로 하는 레이저빔의 파장 제어방법.
  19. 제13항에 있어서, 상기 금속체에 의해 흡수되는 파장은 192.5~193.5㎚인 것을 특징으로 하는 레이저빔의 파장 제어방법.
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