KR100674959B1 - 비축상 프로젝션 광학계 및 이를 적용한 극자외선 리소그래피 장치 - Google Patents

비축상 프로젝션 광학계 및 이를 적용한 극자외선 리소그래피 장치 Download PDF

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Abstract

비축상 배치 관계에 있으며, 초점을 공유하는 제1 및 제2미러를 포함하며, 물체면으로부터 제1미러에 이르는 거리를 l1, 물체면쪽에서 제1미러로 입사되는 광의 입사각을 i1, 상기 제1미러로부터 공유 초점에 이르는 거리를 l1', 공유 초점으로부터 상기 제2미러에 이르는 거리를 l2, 상기 제1미러쪽에서 제2미러에 입사되는 광의 입사각을 i2, 상기 제2미러로부터 상면에 이르는 거리를 l2'이라 할 때, 하기의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 비축상 프로젝션 광학계가 개시되어 있다.
<식>
Figure 112005009627249-pat00001

Description

비축상 프로젝션 광학계 및 이를 적용한 극자외선 리소그래피 장치{Off-axis projection optics and extreme ultra violet lithography apparatus applying it}
도 1은 본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계의 일 실시예를 보여준다.
도 2는 도 1의 비축상 프로젝션 광학계가 수학식 1을 만족하는 구성을 가진다는 점을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일반적인 비축상 미러에서의 선형 비점수차를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일반적인 비축상 미러에서의 비점수차를 나타낸 수차도이다.
도 5는 표 1의 설계치를 가지는 본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계에서의 비점수차를 나타낸 수차도이다.
도 6은 표 1의 설계치로 제1 및 제2미러를 형성 및 배치한 본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계의 경우에, 초점 시프트(focus shift)에 따른 빔 스폿 변화를 보여준다.
도 7은 도 1 및 도 2의 본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계를 마스크의 패턴 정보를 가지는 빔을 이 비축상 프로젝션 광학계에 의해 웨이퍼에 조사하는 극자외선 리소그래피 장치에 사용하는 예를 보여준다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10,30,50...미러 100...반사형 마스크
110...웨이퍼
본 발명은 극자외선(Extreme Ultra Violet :EUV) 리소그래피에 사용될 수 있 는 비축상(off-axis) 프로젝션 광학계 및 이를 적용한 극자외선 리소그래피 장치에 관한 것이다.
반도체 제조 공정의 포토리소그래피 공정에 있어서, 100nm 이하의 묘화(direct writing) 크기를 실현하는 노광 기술 중의 하나가 극자외선(EUV) 영역의 노광 파장을 이용한 기술이다. EUV 리소그래피 기술에서는 100nm 보다 짧은 파장 예컨대 대략 13.5nm 정도인 매우 짧은 파장의 극자외선이 사용된다.
극자외선 영역에서는, 대부분의 물질이 큰 광흡수성을 가지기 때문에, 굴절 광학소자는 사용이 불가능하다. 따라서, 극자외선을 사용하는 노광 기술에는 반사 마스크가 필요하며, 이 반사 마스크로부터 반사된 극자외선을 웨이퍼쪽으로 진행시키기 위해 여러 반사 미러로 이루어진 프로젝션 광학계가 필요하다. 극자외선은 챔버 내에 설치된 이 반사 마스크에 조사되며, 이 반사 마스크로부터 반사된 극자외선은 프로젝션 광학계의 여러 반사 미러에 의해 반사된 후 웨이퍼에 조사되어, 웨이퍼 상에 마스크에 대응하는 패턴이 형성되게 된다.
상기와 같이 극자외선 리소그래피에서는, 여러 반사 미러로 이루어진 프로젝션 광학계가 필요하다. 그런데, 극자외선을 반사에 의해 진행시키기 때문에, 프로젝션 광학계를 축상(on-axis) 광학계로 구성하는 것은 곤란하다.
종래에는, 각 미러들이 광축을 공유하는 축상 광학계의 일부분을 사용하는 구조의 프로젝션 광학계가 제안된 바 있다. 그런데, 이러한 축상 광학계의 일부분을 사용하는 구조에서는, 각 미러에서 발생하는 수차를 축상 광학계 시스템을 유지한 채 보정하므로, 많은 수의 미러 예컨대, 6개의 미러가 필요한 단점이 있다. 이 는, 축상 광학계에서는 미러 중심축에 대칭으로 극자외선 빔이 입사해야만 각 미러에서 발생하는 수차가 줄어들게 되는데, 축상 광학계의 일부분을 사용하는 구조에서는, 이러한 요구를 만족할 수 없기 때문이다. 여기서, 축상 광학계의 일부분을 사용하는 구조란, 사용되는 미러들이 축상 광학계을 이루는 미러들의 일부영역에 해당하는 구조를 말한다.
상기와 같은 종래의 축상 광학계의 일부분을 사용하는 구조의 프로젝션 광학계에서의 미러 수의 증가는 제작비용의 증가, 전체 반사율의 감소를 초래한다. 이와 같이, 극자외선영역에서는 일반 가시광영역에 비해 반사율이 훨씬 낮기 때문에, 미러 수가 많으면 프로젝션 광학계의 전체 반사율이 크게 낮아져, 광이용 효율이 나쁘게 된다. 본 기술분야에서 알려진 바에 따르면, 미러 1개를 경유할 때마다, 극자외선 량은 대략 35% 정도 감소하는 것으로 알려져 있다. 이 경우, 예를 들어, 사용되는 미러가 6개이고, 각 미러의 반사율이 65%라면, 전체 반사율은 (0.656 ) × 100% ≒ 7%가 되어, 최초의 극자외선량에 비해 약 7% 정도만이 남게 된다.
따라서, 필요한 미러의 수를 줄일 수 있도록, 미러들을 비축상(off-axis)으로 배치한 비축상 프로젝션 광학계가 요구된다. 그런데, 비축상 광학계에서는 선형 비점수차가 크게 발생하여, 축상 광학계에 비해 큰 수차를 나타내는 단점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 수차 특성을 크게 개선하여 필요한 미러의 수를 줄일 수 있어 극자외선 리소그래피(EUVL)에 사용 시 전체 반사율을 높일 수 있도록 된 비축상 프로젝션 광학계 및 이를 적용한 극자외선 리소그래피 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계는, 비축상 배치 관계에 있으며, 초점을 공유하는 제1 및 제2미러를 포함하며, 물체면으로부터 제1미러에 이르는 거리를 l1, 물체면쪽에서 제1미러로 입사되는 광의 입사각을 i1, 상기 제1미러로부터 공유 초점에 이르는 거리를 l1', 공유 초점으로부터 상기 제2미러에 이르는 거리를 l2, 상기 제1미러쪽에서 제2미러에 입사되는 광의 입사각을 i2, 상기 제2미러로부터 상면에 이르는 거리를 l2'이라 할 때, 하기의 식을 만족하는 것을 특징으로 한다.
<식>
Figure 112005009627249-pat00002
여기서, 상기 제1미러의 패런트 미러 축과 상기 제2미러의 패런트 미러 축이 상기 공유 초점에서 교차하는 것이 바람직하다.
상기 제1 및 제2미러 쌍을 적어도 하나 이상 구비할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 상기한 특징점을 적어도 어느 하나를 포함하는 비축상 프로젝션 광학계를 적용하여 마스크의 패턴 정보를 가지는 빔을 프로젝션 광학계에 의해 웨이퍼에 조사하는 리소그래피 장치를 특징으로 한다.
여기서, 상기 빔은 극자외선 빔일 수 있다.
상기 마스크는 반사형 마스크일 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 극자외선 리소그래피에 사용될 수 있는 비축상 프로젝션 광학계를 상세히 설명한다.
비축상 미러를 사용하면 선형 비점수차(linear astigmatism)가 크게 발생한다. 본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계는 복수의 미러를 비축상으로 배치하면서도, 선형 비점수차를 제거할 수 있도록 된 광학적 구성을 가져, 적은 수의 미러만으로 극자외선 리소그래피용 프로젝션 광학계를 실현할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계의 일 실시예를 보여준다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계는, 비축상 배치 관계에 있으며, 초점을 공유하는 제1 및 제2미러(M1:10)(M2:30)를 포함한다. 본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계는 이러한 제1 및 제2미러(10)(30) 쌍을 적어도 하나 이상 구비할 수 있으며, 제1 및 제2미러(10)(30)의 사양 및 배치 관계는 후술하는 수학식 1을 만족하도록 형성되는 것이 바람직하다. 여기서, 본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계는, 상기 제1 및 제2미러(10)(30)에 부가하여, 제3미러(미도시)를 더 구비할 수도 있는데, 이때, 제2 및 제3미러의 사양 및 배치 관계는 제1 및 제2미러(10)(30)의 사양 및 배치 관계에 실질적으로 대응하도록 마련될 수 있다.
도 2에서 점선은 제1 및 제2미러(10)(30)의 패런트(parent) 미러를 가상으로 나타낸다. 이하에서는, 제1미러(10)의 패런트 미러를 제1패런트 미러, 제2미러(30) 의 패런트 미러를 제2패런트 미러라 한다. 상기 제1 및 제2미러(10)(30)는 각각 제1 및 제2패런트 미러의 일부분에 해당한다.
상기 제1패런트 미러의 축과 제2패런트 미러의 축은 제1 및 제2미러(10)(30)의 공유 초점에서 서로 교차하며, 소정 각도를 이룬다. 제1 및 제2패런트 미러축이 서로 소정 각도를 이루면서 교차하는 것은, 제1 및 제2미러(10)(30)가 비축상으로 배치되어 있기 때문이다.
상기 제1 및 제2미러(10)(30)는 다음의 수학식 1을 만족하도록 설계되는 것이 바람직하다. 즉, 도 2를 참조하면, 상기 제1 및 제2미러(10)(30)는, 상기 제1 및 제2미러(10)(30)는 물체면으로부터 제1미러(10)에 이르는 거리를 l1, 물체면쪽에서 제1미러(10)로 입사되는 광의 입사각을 i1, 상기 제1미러(10)로부터 공유 초점에 이르는 거리를 l1', 공유 초점으로부터 상기 제2미러(30)에 이르는 거리를 l2, 상기 제1미러(10)쪽에서 제2미러(30)에 입사되는 광의 입사각을 i2, 상기 제2미러(30)로부터 상면에 이르는 거리를 l2'이라 할 때, 수학식 1을 만족하도록 형성 및 배치되는 것이 바람직하다.
Figure 112005009627249-pat00003
제1 및 제2미러(10)(30)가 상기 수학식 1을 만족하도록 설계되는 경우, 도 3 및 도 4를 참조로 설명하는 비축상 미러에서 발생하는 두드러진 수차(dominant aberration)인 선형 비점수차(linear astigmatism)를 제거하는 것이 가능하다.
도 3은 일반적인 비축상 미러(50)에서의 선형 비점수차를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 물체면에서 소정의 비축상으로 배치된 미러(50)까지의 거리를 S0, 상기 미러(50)에서 상면까지의 거리를 S0'이라 하고, 물체면이 기울어진 각도를 θobj, 상면이 기울어진 각도를 θimg라 할 때, 상면이 기울어진 양과 선형 비점수차량은 수학식 2 및 3과 같이 표현된다.
Figure 112005009627249-pat00004
Figure 112005009627249-pat00005
여기서, θs는 물체면쪽에서 미러(50)로 입사되는 광의 입사각이고, θt는 상면에 대해 탄젠셜 상면(tangential image plane)과 새지털 상면(sagittal image plane)이 이루는 각도이다.
수학식 2에서의 tanθimg는 물체면이 기울어져 있을 때 상면이 기울어진 양을 나타내며, 수학식 3에서의 tanθt는 선형 비점수차량을 나타낸다. 축상 미러의 경우에는 θt = 0이 된다.
도 4는 비축상 미러(50)에서의 비점수차를 나타낸 수차도이다. 도 4에서 T는 탄젠셜 상면(tangential image plane), S는 새지털 상면(sagittal image plane)을 나타낸다. 도 4의 수직축은 수학식 2에 따라 계산된 상면과 일치한다. 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, S, T의 원점에서의 기울기가 수직축과 일치하지 않고 서로 반대 방향으로 기울어져 있음을 알 수 있다(즉, 선형 비점수차의 특징을 보이고 있다. 여기서, S, T 모두 통상적인 축상 미러에서의 비점수차에 해당하는 곡선 성분(2차함수 성분)을 포함하는데, 선형 비점수차에 의해 기울기가 커서 도 4에서는 거의 보여지지 않는다.
표 1은 도 1 및 도 2에 도시된 본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계의 일 설계 예를 보여준다.
θobj 10°
θimg 6.704426230°
제1미러(M1) 원추상수 K1 -0.3002404736
i1 15°
곡률 반경 R1 139.9519053mm
l1 300mm
l1' 100mm
제2미러(M2) 원추상수 K2 -0.1588293047
i2 13.39693421°
곡률 반경 R2 189.2634065mm
l2 150mm
l2' 300mm
표 1은 물체면이 10°만큼 기울어지고, 물체면을 원점으로 발산되는 빔이 제1미러(10)로 입사되는 경우에 대한 설계치이다.
도 1 및 도 2를 참조로 설명한 바와 같이, 제1 및 제2미러(M1:10)(M2:30)가 초점을 공유하며, 비축상으로 배치되며, 표 1에서와 같은 설계치로 형성 및 배치되는 경우, 수학식 1을 만족함으로써 본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계에서는 선형 비점수차를 제거하는 것이 가능하다. 표 1의 설계치를 가지는 제1 및 제2미러(10)(30)의 배치도는 실질적으로 도 1에서와 유사하다.
도 5는 표 1의 설계치를 가지는 본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계에서의 비점수차를 나타낸 수차도이다. 도 5에서 T는 탄젠셜 상면, S는 새지털 상면을 나타낸다. 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 선형 비점수차가 제거되어, S, T 모두 통상적인 축상 미러에서의 비점수차에 해당하는 곡선 성분(2차함수 성분) 만을 포함하게 된다. 즉, 도 4에서와 같이 일반적인 비축상 미러(50)의 경우에는, 큰 선형 비점수차를 나타내는 반면에, 표 1의 설계치로 제1 및 제2미러(10)(30)를 형성 및 배치한 본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계의 경우에는 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 선형 비점수차가 제거되어 통상적인 축상 미러에서의 비점수차에 대응하는 비점수차 특성을 나타내게 된다.
또한, 표 1의 설계치로 제1 및 제2미러(10)(30)를 형성 및 배치한 본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계의 경우에는, 도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 선형 비점수차 성분이 제거됨으로써, 축상 광학계에서 나타나는 코마 수차가 주로 보이게 된다. 도 6은 표 1의 설계치로 제1 및 제2미러(10)(30)를 형성 및 배치한 본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계의 경우에, 초점 시프트(focus shift)에 따른 빔 스폿 변화를 보여준다.
도 5 및 도 6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 표 1의 설계치로 제1 및 제2미러(10)(30)를 형성 및 배치한 본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계의 경우에는, 선형 비점수차가 제거됨으로써, 축상 미러(on-axis mirror)와 실질적으로 동등한 수차 성능을 보임을 알 수 있다.
여기서, 표 1에서, θobj는 본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계의 물체면 즉, 제1미러(10)에 대한 물체면의 기울어진 각도에 해당한다. θimg는 본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계의 상면의 기울어진 각도에 해당한다. 제1미러(10)에 대한 상면은 공유 초점 상에 위치한다. 이 제1미러(10)에 대한 상면이 기울어진 각도가, 제2미러(30)에 대한 물체면의 기울어진 각도에 해당한다. 또한, l1 및 l1'은 각각 제1미러(10)에 대한 물체면 및 상면까지의 거리에 해당하며, l2 및 l2'는 각각 제2미러(30)에 대한 물체면 및 상면까지의 거리에 해당한다. 따라서, 표 1에서의, θobj, l1 및 l1'값을 수학식 2에 대입하여, 제1미러(10)에 대한 상면의 기울어진 각도(제2미러(30)에 대한 물체면의 기울어진 각도)를 계산하고, 이 각도와 l2 및 l2'값을 다시 수학식 2에 대입하여 계산하면, 표 1에 나타낸 제2미러(30)에 대한 상면의 기울어진 각도(본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계의 상면의 기울어진 각도) θimg가 얻어진다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계에 따르면, 통상적인 비축상 광학계에서 크게 발생하는 선형 비점수차를 제거할 수 있어, 일반적인 축상 광학계에서 나타나는 정도의 수차 특성을 나타내므로, 종래의 축상 광학계의 일부분을 사용하는 구조에서와는 다르게 수차를 줄이기 위해 미러수를 늘릴 필요가 없으므로, 필요한 미러 수가 작게 되며, 이에 의해 종래에 비해 큰 전체 반사율을 얻을 수 있다.
도 7은 도 1 및 도 2의 본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계를 마스크의 패턴 정보를 가지는 빔을 이 비축상 프로젝션 광학계에 의해 웨이퍼에 조사하는 극자외선 리소그래피 장치에 사용하는 예를 보여준다.
도 1, 도 2 및 도 7을 참조하면, 물체면에 패터닝된 반사형 마스크(100)가 놓여지며, 상면에 웨이퍼(110)가 놓여진다. 반사형 마스크(100)에 조사되는 극자외선 빔은, 그 반사형 마스크(100)에서 반사된 후 제1미러(10)로 입사된다. 극자외선 빔은 제1미러(10)에 의해 반사되어 공유 초점에 집속된 후 다시 퍼지면서 제2미러(30)로 입사된다. 입사된 극자외선 빔은 제2미러(30)에 의해 반사되어 상면에 위치된 웨이퍼(110) 상에 조사되어, 웨이퍼(110)에 반사형 마스크(100)에 대응하는 패턴이 형성되게 된다.
본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계에서 사용되는 미러의 수는 최소 2개가 되며, 극자외선 리소그래피 장치내에서 요구되는 반사형 마스크 및 웨이퍼 설치 위치 및 방향 등을 고려하여, 적어도 1개 이상의 미러가 추가적으로 사용될 수 있다.
이상에서는 본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계가 극자외선 리소그래피 장치에 적용되는 것으로 설명하였는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계는 다양한 광학장치에 적용될 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 비축상 프로젝션 광학계에 따르면, 선형 비점수차를 제거할 수 있어, 적은 수의 미러를 이용하여 시스템을 구성할 수 있다. 따라서, 제작 비용이 감소되고, 광학계 전체의 반사율이 증가되어, 극자외선 리소그래피(EUVL)에 사용시 전체 반사율을 높일 수 있다. 또한, 전체 반사율이 높기 때문에, 낮은 파워의 광원 예컨대, 극자외선 광원을 이용할 수 있는 부가적인 이점이 있다.

Claims (6)

  1. 비축상 배치 관계에 있으며, 초점을 공유하는 제1 및 제2미러를 포함하며,
    물체면으로부터 제1미러에 이르는 거리를 l1, 물체면쪽에서 제1미러로 입사되는 광의 입사각을 i1, 상기 제1미러로부터 공유 초점에 이르는 거리를 l1', 공유 초점으로부터 상기 제2미러에 이르는 거리를 l2, 상기 제1미러쪽에서 제2미러에 입사되는 광의 입사각을 i2, 상기 제2미러로부터 상면에 이르는 거리를 l2'이라 할 때, 하기의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 비축상 프로젝션 광학계.
    <식>
    Figure 112005009627249-pat00006
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1미러의 패런트 미러 축과 상기 제2미러의 패런트 미러 축이 상기 공유 초점에서 교차하는 것을 특징으로 하는 비축상 프로젝션 광학계.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2미러 쌍을 적어도 하나 이상 구비하는 것을 특징으로 하는 비축상 프로젝션 광학계.
  4. 마스크의 패턴 정보를 가지는 빔을 프로젝션 광학계에 의해 웨이퍼에 조사하는 리소그래피 장치에 있어서,
    상기 프로젝션 광학계는, 청구항 1항 내지 청구항 3항 중 어느 한 항의 비축상 프로젝션 광학계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리소그래피 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 빔은 극자외선 빔인 것을 특징으로 하는 리소그래피 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 마스크는 반사형 마스크인 것을 특징으로 하는 리소그래피 장치.
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