KR100861375B1 - 노광 장치의 변형 조명계 - Google Patents

Abstract

본 발명의 노광 장치의 변형 조명계는, X축 방향 또는 Y축 방향의 일 방향으로 배치되어 광원을 투과하면서 중심부로 갈수록 폭이 좁아지는 한 쌍의 투광부를 이루는 개구부가 형성된 조명계를 포함한다.

변형 조명계, 초점심도, 광 강도

Description

노광 장치의 변형 조명계{Modified illuminating apparatus in exposure device }

도 1은 종래 기술의 다이폴 조명계를 설명하기 위해 나타내보인 도면이다.

도 2 및 도 3은 다이폴 조명계를 이용한 노광 공정에서 패턴의 밀도에 따른 초점심도를 설명하기 위해 나타내보인 도면들이다.

도 4는 본 발명에 따른 변형 조명계를 설명하기 위해 나타내 보인 도면들이다.

도 5a 및 도 5b는 변형 조명계에 따른 빛의 강도를 설명하기 위해 나타내보인 도면들이다.

도 6a 및 도 6b는 조밀한 패턴에서 조명계의 1차광의 효율을 나타내보인 도면들이다.

도 7a 및 도 7b는 포비든 피치 구간에서 0차광과 1차광의 위치를 설명하기 위해 나타내보인 도면들이다.

도 8a 및 도 8b는 패턴 조밀도에 따른 초점심도를 나타내보인 도면들이다.

도 9는 본 발명에 따른 변형 조명계의 다른 실시예를 나타내보인 도면이다.

본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 노광 장치의 변형 조명계에 관한 것이다.

반도체 소자의 집적도가 높아지면서 미세 패턴을 웨이퍼(wafer)로 전사하기 위해 높은 해상도와 깊은 초점심도(DOF; Depth of focus)를 갖는 노광 장비가 필요로 하고 있다. 이러한 노광 장비에서 광원으로부터 렌즈로 입사되는 1차광(first order)을 증대시켜 해상력을 향상시키기 위해 다이폴(dipole)과 같은 비대칭 변형 조명계가 도입되고 있다.

도 1은 종래 기술의 다이폴 조명계를 설명하기 위해 나타내보인 도면이다. 그리고 도 2 및 도 3은 다이폴 조명계를 이용한 노광 공정에서 패턴의 밀도에 따른 초점심도를 설명하기 위해 나타내보인 도면들이다.

도 1을 참조하면, 다이폴 조명계(100)는 X축 방향 또는 Y축 방향의 일 방향으로 한 쌍의 투광부(110)가 배치되어 있고, 투광부(110)를 제외한 나머지 부분은 광원이 차단되는 광차단부(120)로 이루어진다. 이러한 다이폴 조명계(100)를 통해 투광부(110)를 투과한 광원이 웨이퍼로 조사되어 노광 공정이 진행된다.

이러한 노광 공정의 해상도(resolution)를 향상시키기 위해 다이폴 조명계를 적용하는 과정에서 초점심도(DOF; Depth Of Focus)가 급격히 감소하여 노광 공정을 진행하기 어려워지고 있다. 특히 웨이퍼 상에 형성되는 패턴의 밀도가 웨이퍼의 영역에 따라 변화하면서 패턴 밀도 차이가 발생되는 포비든 피치(Forbidden pitch) 구간에서는 초점심도가 더욱 감소하여 노광 공정을 진행하는데 어려울 수 있다.

도 2를 참조하면, 패턴 라인과 스페이스의 비율이 1:1 내외인 조밀한 패턴(dense pattern)의 회절각(diffraction angle)은 큰 값을 가진다. 회절각의 값이 큰 조밀한 패턴에 다이폴 조명계(100)를 적용하면, 0차광(zero order light)과 1차광(first order light)은 도 2의 화살표에서 나타낸 바와 같이, 서로 반대 방향에 대칭적으로 위치하게 된다. 이에 따라 초점 거리가 정확하게 맞춰지지 않는 디포커스(defocus) 위치에서 서로 위상차가 적게 발생하여 큰 초점심도(a)를 얻을 수 있다. 여기서 참조부호'c'는 렌즈의 중심부를 나타낸다.

그러나 조밀한 패턴보다 상대적으로 패턴 라인과 스페이스 비율이 더 넓은 독립 패턴의 회절광을 나타내보인 도 3을 참조하면, 도 3의 독립 패턴의 1차광은 회절각이 작아서 1차광이 렌즈의 중심부를 지나게 된다. 이에 따라 렌즈의 외곽부를 지나는 0차광과 렌즈 중심부를 지나는 1차광은 디포커스 위치에서 위상차가 크게 발생하여 초점심도(b)가 급격하게 작아지게 된다. 이와 같이 초점심도가 급격하게 감소되는 구간의 패턴을 포비든 피치(forbidden pitch)라고 한다. 초점심도가 급격하게 감소하게 되면 노광 공정을 진행하기 어려워지고 그 결과 원하는 타겟 패턴을 형성하기 어렵다. 이에 따라 해상도의 손실이 없으면서 포비든 피치 구간에서도 충분한 초점심도를 얻을 수 있는 조명계가 요구된다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 조명계를 개선하여 조밀한 패턴에서 해상도의 손실 없이 충분한 초점심도를 확보할 수 있는 노광 장치의 변형 조명 계를 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 노광 장치의 변형 조명계는, X축 방향 또는 Y축 방향의 일 방향으로 배치되어 광원을 투과하면서 중심부로 갈수록 폭이 좁아지는 한 쌍의 투광부를 이루는 개구부가 형성된 조명계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 투광부는, 조명계의 외곽부의 개구부 폭은 가장 넓고, 조명계의 중심부의 개구부 폭은 가장 좁게 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 노광 장치의 변형 조명계는, X축 방향의 일 방향으로 배치되어 광원을 투과하면서 중심부로 갈수록 폭이 좁아지는 한 쌍의 제1 투광부; Y축 방향의 일 방향으로 배치되어 광원을 투과하면서 중심부로 갈수록 폭이 좁아지는 한 쌍의 제2 투광부; 및 상기 제1 투광부 및 제2 투광부를 제외한 나머지 부분의 광원을 차단하는 광차단부가 형성된 조명계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 투광부는, 조명계의 외곽부의 개구부 폭은 가장 넓고, 조명계의 중심부의 개구부 폭은 가장 좁게 이루어지는 것이 바람직하다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하고자 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 4는 본 발명에 따른 변형 조명계를 설명하기 위해 나타내 보인 도면들이다. 도 5a 및 도 5b는 변형 조명계에 따른 빛의 강도를 설명하기 위해 나타내보인 도면들이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 변형 조명계(400)는 X축 방향 또는 Y축 방향의 일 방향으로 배치되어 광원을 투과하면서 조명계의 중심부로 갈수록 폭이 좁아지는 한 쌍의 투광부(410)와, 투광부(410)를 제외한 나머지 부분은 광원을 선택적으로 차단하는 광차단부(420)를 포함하여 이루어진다. 본 발명의 실시예에 따른 변형 조명계(400)는 노광 광원에 대한 한 쌍의 투광부(410)가 다이폴 어퍼쳐 형태로 일정 방향, 예를 들어 X축 방향으로 배치되어 있다. 이러한 투광부(410)는 노광 공정에서 광원으로부터 렌즈로 입사되는 광원이 선택적으로 투광되는 영역이다. 여기서 변형 조명계(400) 상에 배치되어 있는 투광부(410)는 조명계의 외곽부(430)의 폭이 가장 넓게 형성되며, 조명계의 중심부(440)의 폭이 가장 좁아지도록 이루어진다. 또한, 투광부(410)를 이루는 개구부의 폭은 장비에서 구현할 수 있는 최소 폭의 2배 이상의 넓이로 이루어지는 것이 바람직하다.

이러한 변형 조명계(400)를 이용하여 광원을 입사하면 빛의 강도(intensity)는, 도 5a에 도시한 바와 같이, 입사되는 광의 폭(500)은 전체적으로 넓게 나타난다. 또한, 빛의 강도는 폭이 가장 넓게 형성된 조명계의 외곽부(510)에서 가장 강하게 나타나고, 폭이 가장 좁은 조명계의 중심부(520)에서 가장 약하게 나타난다. 그리고 조명계의 외곽부로부터 중심부로 갈수록 폭이 좁아지면서 빛의 강도 또한 점차적으로 감소하는 것을 확인할 수 있다.

도 5b를 참조하면, 종래의 다이폴 조명계(530)는 노광 광원에 대한 한 쌍의 투광부(540)가 다이폴 어퍼쳐 형태로 일정 방향, 예를 들어 X축 방향으로 배치되어 있다. 여기서 투광부(540)를 이루는 개구부 폭(580)은 본 발명의 변형 조명계의 개구부 폭(450, 도 4 참조)보다 좁게 형성되어 있다. 이러한 투광부(540)로 광원을 입사시키면 입사되는 광의 폭(550)은 전체적으로 본 발명의 광의 폭(500, 도 5 참조)보다 좁게 나타난다. 그리고 빛의 강도는 조명계의 외곽부(560)나 중심부(570)에서 모두 동일하게 나타난다.

이와 같이 기존 조명계에 비해 본 발명의 변형 조명계는 투광부로 입사되는 빛의 강도가 조명계의 외곽부로부터 중심부로 갈수록 감소한다. 빛의 강도가 투광부의 위치에 따라 변화하면서 노광 광원을 조명계로 투광시 패턴의 밀도에 따라 초점심도가 변화할 수 있다.

도 6a 및 도 6b는 조밀한 패턴에서 조명계의 1차광의 효율을 나타내보인 도면들이다. 도 7a 및 도 7b는 포비든 피치 구간에서 0차광과 1차광의 위치를 설명하기 위해 나타내보인 도면들이다. 도 8a 및 도 8b는 패턴 조밀도에 따른 초점심도를 나타내보인 도면들이다. 그리고 도 9는 본 발명에 따른 변형 조명계의 다른 실시예를 나타내보인 도면이다.

도 6a를 참조하면, 본 발명의 변형 조명계를 이용하여 광원을 입사하면 패턴 라인과 스페이스의 비율이 1:1 내외인 조밀한 패턴(dense pattern)에서의 1차광(first order light, 600)은 도 6b의 기존 조명계의 조밀한 패턴에서의 1차광(610)과 대등한 광 강도로 투사된다. 즉, 본 발명의 변형 조명계와 기존 조명계는 조밀 한 패턴에서 대등한 1차광의 효율을 가진다. 패턴을 노광하는 과정에서 높은 해상도를 가지기 위해서는 패턴에 대한 정보를 담고 있는 1차광이 렌즈 속으로 가능한 많이 투사되도록 하는 것이 중요하다. 이에 따라 기존 조명계와 대등한 양의 1차광이 렌즈 내부에 투사되면서 조밀한 패턴의 해상력을 유지할 수 있다.

한편, 대등한 양의 1차광이 렌즈 내부에 투사되어 해상력을 유지하면서 라인과 스페이스 비율이 조밀한 패턴보다 상대적으로 높은 독립 패턴에서는 초점심도가 높은 값을 가지는 것이 바람직하다.

도 7a를 참조하면, 기존 조명계를 이용하여 웨이퍼(w) 상에 광원을 입사하면 패턴의 밀도가 급격하게 변화하여 초점심도가 급격하게 감소되는 구간의 패턴인 포비든 피치(forbidden pitch) 구간에서 0차광(zero order light)이 이루는 각도(θ₁)와 1차광이 이루는 각도(θ₂)는 그 값이 차이가 난다. 0차광의 각도(θ₁)와 1차광의 각도(θ₂)가 달라지면 웨이퍼(w) 상에 조사될 때 비대칭적인 위치를 가진다. 이와 같이 0차광과 1차광의 비대칭적인 위치에 의해 간섭이 커지면서 초점심도가 작아진다.

이에 대하여 본 발명의 변형 조명계를 이용하여 웨이퍼(w) 상에 광원을 입사하면, 도 7b에 도시한 바와 같이, 포비든 피치 구간에서 0차광이 이루는 각도(θ₃)와 1차광이 이루는 각도(θ₄)가 거의 같은 값을 갖고, 이에 따라 웨이퍼(w) 상에 조사될 때 대칭적인 위치를 가진다. 이와 같이, 0차광과 1차광의 대칭적 위치에 의해 간섭이 작아지면서 초점심도는 큰 값을 가질 수 있다.

기존 조명계에서의 패턴 조밀도에 따른 초점심도를 나타내보인 도 8a와 본 발명에 따른 변형 조명계에서의 패턴 조밀도에 따른 초점심도를 나타내보인 도 8b를 참조하면, 조밀한 패턴(d₁, e₁) 및 독립 패턴(d₃, e₃)에서의 초점심도는 기존 조명계 및 본 발명의 변형 조명계에서 모두 동일한 초점심도를 갖는다. 그러나 라인과 스페이스의 비율이 1:3 내지 1:7 정도의 중간 정도의 조밀도를 갖는 패턴들이 위치한 포비든 피치 구간(d₂, e₂)에서는 기존의 조명계에서는 초점심도(800)가 급격하게 감소하는 반면, 본 발명의 변형 조명계에서는 초점심도(810)가 감소하지 않는 것을 확인할 수 있다(도 8b 참조). 이와 같이 본 발명에 따른 변형 조명계는 조밀한 패턴이 위치하는 구간(e₁) 및 중간정도의 조밀도를 갖는 포비든 피치 패턴이 위치하는 구간(e₂) 모두에서 충분한 초점심도를 확보할 수 있어 안정적인 노광 공정을 진행할 수 있다.

한편, 본 발명에서는 다이폴 조명계를 예를 들어 설명하였지만, 다른 조명계에서도 빛의 세기를 중심부로 갈수록 점진적으로 감소하도록 구성하면 초점심도가 충분히 확보할 수 있다. 예를 들어, 도 9를 참조하면, 변형 조명계(900)는 X축 방향의 일 방향으로 배치되어 광원을 투과하면서 중심부로 갈수록 폭이 좁아지는 한 쌍의 제1 투광부(910)와, Y축 방향의 일 방향으로 배치되어 광원을 투과하면서 중심부로 갈수록 폭이 좁아지는 한 쌍의 제2 투광부(920) 및 제1 투광부(910) 및 제2 투광부(920)를 제외한 나머지 부분의 광원을 차단하는 광차단부(930)가 형성된 조 명계를 이용할 수도 있다.

지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 노광 장치의 변형 조명계에 의하면, 패턴의 밀도에 관계없이 충분한 초점심도를 확보할 수 있어 안정적인 노광 공정을 진행할 수 있다.

Claims (4)

1. X축 방향 또는 Y축 방향의 일 방향으로 배치되며, 외곽부로부터 중심부로 갈수록 그 폭이 좁아지는 부채꼴 모양의 한 쌍의 투광부를 포함하는 것을 특징으로 하는 노광 장치의 변형 조명계.
2. 제1항에 있어서,

   상기 한 쌍의 투광부는 서로 대칭되게 배치된 것을 특징으로 하는 노광 장치의 변형 조명계.
3. X축 방향의 일 방향으로 배치되며, 외곽부로부터 중심부로 갈수록 그 폭이 좁아지는 부채꼴 모양의 한 쌍의 제1 투광부;

   Y축 방향의 일 방향으로 배치되며, 외곽부로부터 중심부로 갈수록 그 폭이 좁아지는 부채꼴 모양의 한 쌍의 제2 투광부; 및

   상기 제1 투광부 및 제2 투광부를 제외한 나머지 부분에 배치된 광차단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 노광 장치의 변형 조명계.
4. 제3항에 있어서,

   상기 제1 투광부 및 제2 투광부는, 각각 쌍을 이루는 투광부가 서로 대칭되게 배치된 것을 특징으로 하는 노광 장치의 변형 조명계.

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