KR101994993B1 - 레이저 어닐링 시스템들에서의 에지 프로파일의 제어를 위한 맞춤화된 퍼필 스톱 장치 - Google Patents

레이저 어닐링 시스템들에서의 에지 프로파일의 제어를 위한 맞춤화된 퍼필 스톱 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예들은 일반적으로 기판 상에 패턴을 이미징하기 위한 광학계를 갖는 레이저 어닐링 시스템들에 관한 것이다. 광학계는 기판의 표면 상에 노출될 이미지를 성형하는 애퍼처 또는 복수의 애퍼처를 포함할 수 있다. 이미지는 광학계 시스템 내의 애퍼처의 형상에 의해 결정될 수 있다.

Description

레이저 어닐링 시스템들에서의 에지 프로파일의 제어를 위한 맞춤화된 퍼필 스톱 장치{CUSTOMIZED PUPIL STOP APPARATUS FOR CONTROL OF EDGE PROFILE IN LASER ANNEALING SYSTEMS}
본 발명의 실시예들은 일반적으로 기판 상에 패턴을 이미징하기 위한 광학계를 갖는 레이저 어닐링 시스템들에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명의 실시예들은 레이저 어닐링 시스템들에서의 에지 프로파일의 제어를 위한 맞춤화된 퍼필 스톱(pupil stop) 형상에 관한 것이다.
반도체 산업에서는 열 처리가 흔히 실시된다. 반도체 기판들은, 게이트, 소스, 드레인 및 채널 구조물들의 도핑, 활성화 및 어닐링, 실리사이드화(siliciding), 결정화, 산화 등을 포함하는 많은 변환(transformation)이 이루어지는 상황에서 열 처리를 받게 된다. 열 처리의 기법들은 단순한 노(爐) 베이킹(furnace baking)으로부터, 레이저 어닐링, 스파이크 어닐링 및 RTP와 같은 점점 더 급속화되는 열 처리의 다양한 형태들로 발전해왔다.
통상의 레이저 어닐링 프로세스들은, 레이저 광을 원하는 형상으로 포커싱하거나 디포커싱하거나 또는 다양하게 이미징하는 광학계를 갖는 반도체 또는 고체 상태 레이저들일 수 있는 레이저 방출기들을 사용한다. 일반적인 접근법은 레이저 광을 선 또는 얇은 직사각형 이미지로 이미징하는 것이다. 레이저 광은 기판의 표면을 처리하기 위해서 기판을 가로질러 스캐닝된다(또는 기판이 레이저 광 아래에서 이동된다).
가간섭성 광(coherent light)으로 생성된 이미지는 선명한 해상도(sharp definition)를 나타내지만, 이미지의 에지 부근에서 고강도 불균일들을 특징으로 하는 뚜렷한 오버슈트 또는 "링잉(ringing)" 효과를 또한 포함하는 반면, 비간섭성 광(incoherent light)으로 생성된 동일한 이미지는 소프트 숄더(soft shoulder) 및 다소 확장된 롤오프 폭을 특징으로 하는 더 낮은 해상도를 나타내지만, 더 작은 오버슈트를 또한 나타낸다고 잘 알려져 있다. 부분 가간섭성 광의 경우에, 생성된 이미지는, 완전 비간섭성 광으로 생성된 이미지보다 더 좁은 롤오프를 나타내는 완전 가간섭성 광으로 생성된 이미지에 비해, 감소된 링잉 효과를 갖는다. 링잉 효과 및 롤오프는 레이저 광학계 시스템에서의 애퍼처(aperture)의 사용에 의해 영향을 받을 수 있다. 그러나, 현재의 애퍼처들은 오버슈트 및 롤오프에 대하여 원하는 결과들을 제공하지 못한다.
따라서, 관련 기술분야에서는 레이저 어닐링 시스템들에서의 개선된 애퍼처들이 필요하다. 한편, 본 발명의 배경이 되는 기술은 미국 특허 제5,642,287호, 미국 특허 제7,916,309호, 미국 특허출원공개공보 제2012/0325784호에 개시되어 있다.
본 발명의 실시예들은 일반적으로 기판 상에 이미지를 제공하기 위한 광학계를 갖는 레이저 어닐링 시스템들에 관한 것이다. 광학계는 기판의 표면 상에 노출될 이미지를 성형하는 애퍼처 또는 복수의 애퍼처를 포함할 수 있다. 이미지는 광학계 시스템 내의 애퍼처의 형상에 의해 결정될 수 있다.
일 실시예는 광학 시스템에서 사용하기 위한 장치를 제공한다. 이 장치는 제1 개구수(numerical aperture)를 갖는 조명을 제공하도록 되어 있는 광원; 광원에 의해 조명되며, 이미지를 형성하도록 되어 있는 제1 애퍼처; 제1 애퍼처로부터 하류측에 배치된 제2 애퍼처를 포함한다. 이 장치는 제2 애퍼처에 의해 규정된 제2 개구수를 포함하는 릴레이 광학계(relay optic)를 더 포함하고, 제2 애퍼처는, 제1 방향 및 제1 방향에 수직인 제2 방향에서 평면 내의 릴레이 광학계의 제2 개구수에 대한 제1 애퍼처에서의 제1 개구수의 비율을 매칭하도록 되어 있다.
위에서 언급된 본 발명의 특징들이 상세하게 이해될 수 있도록, 위에 간략하게 요약된 본 발명의 더 구체적인 설명이 실시예들을 참조하여 제공될 수 있으며, 그들 중 일부는 첨부 도면들에 도시되어 있다. 그러나, 본 발명은 동등한 효과의 다른 실시예들을 허용할 수 있으므로, 첨부 도면들은 본 발명의 전형적인 실시예들만을 도시하며, 따라서 그것의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다는 점에 주목해야 한다.
도 1은 특정 실시예들에 따른 열 처리 장치의 개략도이다.
도 2는 특정 실시예들에 따른 도 1의 열 처리 장치에서의 광학 요소들의 개략도이다.
도 3은 특정 실시예들에 따른 릴레이 애퍼처 장치의 평면도이다.
이해를 용이하게 하기 위해서, 가능한 경우에, 도면들에 공통인 동일한 요소들을 지시하는 데에 동일한 참조 번호들이 이용되었다. 일 실시예의 요소들 및 특징들은 추가 언급 없이도 다른 실시예들에서 유익하게 통합될 수 있을 것으로 의도된다.
본 발명의 실시예들은 일반적으로 기판 상에 패턴을 이미징하기 위한 광학계를 갖는 레이저 어닐링 시스템들에 관한 것이다. 광학계는 기판의 표면 상에 노출될 이미지를 성형하는 애퍼처 또는 복수의 애퍼처를 포함할 수 있다. 이미지는 광학계 시스템 내의 애퍼처의 형상에 의해 결정될 수 있다.
도 1은 기판들을 레이저 처리하기 위한 시스템(100)의 평면도이다. 시스템(100)은 복수의 레이저 펄스를 생성하는 복수의 펄스 레이저 소스를 갖는 에너지 모듈(102), 및 개별적인 레이저 펄스들을 조합 레이저 펄스들로 결합하는 펄스 제어 모듈(104)을 포함한다. 펄스 제어 모듈(104)은 조합 레이저 펄스들의 강도, 주파수 특성 및 편광 특성을 제어한다. 시스템(100)은 조합 레이저 펄스들의 시간적 프로파일을 조정하는 펄스 성형 모듈(106), 및 조합 레이저 펄스들을 단일의 균일한 필드로 중첩함으로써 펄스들의 공간적 에너지 분포를 조정하는 균질화기(108)를 또한 포함한다. 일 실시예에서, 균질화기(108)에 의해 생성된 광은 균일한 필드를 제공하는 2개의 레이저 빔을 포함한다.
시스템(100)은 단일의 균일한 필드로부터 잔류 에지 불균일을 제거하는 애퍼처 부재(116), 및 기판 지지체(110) 상에 배치된 기판과 레이저 에너지 필드의 정밀한 정렬을 가능하게 하는 릴레이 광학계(118)를 더 포함한다. 제어기(112)가 레이저 펄스들의 생성을 제어하기 위해 에너지 모듈(102)에 결합되고, 펄스 특성을 제어하기 위해 펄스 제어 모듈(104)에 결합되고, 에너지 필드에 대한 기판의 이동을 제어하기 위해 기판 지지체(110)에 결합된다. 인클로저 시스템(114)이 전형적으로 시스템(100)의 동작 컴포넌트들을 인클로징한다.
레이저들은 고전력 레이저 방사(high power laser radiation)의 짧은 펄스들, 예를 들어 약 100nsec 미만의 지속시간들의 펄스들을 형성할 수 있는 임의의 타입의 레이저일 수 있다. 전형적으로, M2가 약 30보다 큰 500개 초과의 공간 모드들을 갖는 하이 모달리티 레이저들(high modality lasers)이 사용된다. Nd:YAG, Nd:유리, 티타늄-사파이어, 또는 다른 희토류 도핑 결정 레이저들과 같은 고체 상태 레이저들이 자주 사용되지만, 엑시머 레이저들, 예를 들어 XeCl2, ArF 또는 KrF 레이저들과 같은 가스 레이저들도 사용될 수 있다.
레이저들은 예를 들어 q-스위칭(수동 또는 능동), 이득 스위칭 또는 모드 동기(mode locking)에 의해 스위칭될 수 있다. 레이저에 의해 방출된 빔을 인터럽트함으로써 펄스들을 형성하기 위해 레이저의 출력 근처에 포켈스 셀(Pockels cell)이 또한 사용될 수 있다. 일반적으로, 펄스 레이저 처리를 위해 사용가능한 레이저들은, 약 1nsec 내지 약 100μsec의 지속시간에서 약 100mJ 내지 약 1J의 에너지 양(energy content), 전형적으로는 약 8nsec에서 약 1J의 에너지 양을 갖는 레이저 방사의 펄스들을 생성할 수 있다. 레이저들은 약 200㎚ 내지 약 2,000㎚, 예컨대 약 400㎚ 내지 약 1,000㎚, 예를 들어 약 532㎚의 파장들을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 레이저들은 q-스위칭되는 주파수 배가 Nd:YAG 레이저들(q-switched frequency-doubled Nd:YAG lasers)이다. 레이저들은 모두 동일한 파장에서 동작할 수 있거나, 또는 레이저들 중 하나 이상의 레이저는 에너지 모듈(102)에서의 다른 레이저들과는 상이한 파장들에서 동작할 수 있다. 레이저들은 원하는 전력 레벨들을 나타내도록 증폭될 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 증폭 매체는 레이징 매체(lasing medium)와 동일하거나 유사한 조성이다. 각각의 레이저 펄스는 통상적으로 단독으로 증폭되지만, 특정 실시예들에서는 모든 레이저 펄스가 조합 이후에 증폭될 수 있다.
기판으로 전달되는 전형적인 레이저 펄스는 다수의 레이저 펄스의 조합일 수 있다. 다수의 펄스는, 결합될 때, 제어된 시간적 및 공간적 에너지 프로파일, 제어된 에너지 증가, 지속, 감쇠, 및 에너지 불균일의 제어된 공간적 분포를 갖는 레이저 방사의 단일 펄스가 발생하도록, 제어된 시간에 그리고 서로에 대해 제어된 관계로 발생된다. 제어기(112)는 각각의 레이저로부터의 펄스들의 발생을 제어하기 위해 각각의 레이저, 예를 들어 각각의 레이저의 각각의 스위치에 결합되는 펄스 발생기, 예를 들어 전압원에 결합된 전자 타이머를 가질 수 있다.
도 2는 도 1의 열 처리 장치에서의 광학 요소들의 부분 개략도이다. 도 2에 도시된 광학 요소들은 전술한 바와 같은 애퍼처 부재(116), 및 릴레이 광학계(118)를 포함한다. 투영 애퍼처와 같은 애퍼처 부재(116)는 일반적으로 시스템(100)에서 릴레이 광학계(118)의 상류측에 위치된다. 따라서, 광이 릴레이 광학계(118)를 통과하기 이전에, 이 광은 애퍼처 부재(116)의 개구(또는 애퍼처)를 통과해야 한다. 일반적으로, 애퍼처 부재(116)는 애퍼처 부재(116)의 상류측에서 발생된 하나 이상의 레이저 빔으로부터의 광을 절단(truncate)하는 빔 성형 애퍼처로서 기능한다. 일 실시예에서, 애퍼처 부재(116)는 실질적으로 직사각형일 수 있다. 본 명세서에 설명된 광학 시스템은 1X의 배율로 동작할 수 있지만, 다른 배율들도 또한 고려된다는 점에 유의해야 한다. 따라서, 애퍼처 부재(116)에서의 이미지는 이 이미지가 기판의 표면에 있을 때와 동일한 "크기"이다.
릴레이 광학계(118)는 제1 릴레이 광학계(202), 제2 릴레이 광학계(204), 및 퍼필 스톱과 같은 릴레이 애퍼처(206)를 포함한다. 제1 릴레이 광학계(202)는 이미지를 원하는 방식으로 전달하도록 선택된 하나의 또는 복수의 렌즈를 포함할 수 있다. 제1 릴레이 광학계(202)는 애퍼처 부재(116)와 릴레이 애퍼처(206) 사이에 배치된다. 제2 릴레이 광학계(204)는 이미지를 원하는 방식으로 전달하도록 선택된 하나의 또는 복수의 렌즈를 포함할 수 있다. 제2 릴레이 광학계(204)는 릴레이 애퍼처(206)와 기판 지지체(도시되지 않음) 사이에 배치된다.
도 3은 특정 실시예들에 따른 릴레이 애퍼처(300)의 평면도이다. 릴레이 애퍼처(206)가 릴레이 애퍼처(300)일 수 있다. 시스템(100)으로부터의 광이 애퍼처 부재(116)에 제공될 때, 소정량의 광이 애퍼처 부재(116)에 의해 절단되어, 릴레이 광학계(118) 및 릴레이 애퍼처(300)에 입사하는 것이 방지될 것이다. 릴레이 광학계(118)의 궁극적인 목적은 기판의 표면 상에 애퍼처 부재(116)를 이미징하는 것이다. 릴레이 애퍼처(300)는 광의 가간섭성과 연관된 오버슈트 또는 "링잉"을 감소시키고, 기판 표면에서의 이미지의 해상도를 설정한다. 일 실시예에서, 릴레이 애퍼처는 약 5㎛ 미만의 에지 롤오프(edge roll-off)를 제공하도록 선택된다. 이러한 상황에서, 에지 롤오프는 이미지 강도가 공칭 에지 강도로부터 90% 저하되는 거리로서 정의된다.
다수의 레이저 소스를 사용하는 특정 실시예들에서, 다수의 각도(θ)의 입사 레이저 광이 애퍼처 부재(116)를 조명한다. 각도 θ를 조명 개구수(NAi)로 지칭하는 것이 일반적이다. NAi는 NAi=Sin(θ)라는 수식으로 주어진다. 다수의 광원을 사용하면, 애퍼처 부재(116)에서의 광의 각도들의 분포가 존재하고, 이로써 릴레이 애퍼처(300)에서의 광의 공간적 범위가 증가한다. NAi가 릴레이 개구수(NArelay)와 수치적으로 동등해질 때, 광의 공간적 범위는 릴레이 애퍼처(300)를 채운다.
현미경검사의 분야에서 공지된 바와 같이, NArelay에 대한 NAi의 비율은 물체 조명의 공간적 가간섭성(spatial coherence) 정도의 척도이다(이 실시예에서, 물체는 애퍼처 부재(116)임). 포토리소그래피의 분야에서, 개구수들의 비율은 σ=NAi/NArelay로서 일반적으로 언급된다. σ<<1일 때에는, 릴레이 애퍼처(300)에서의 광의 공간적 범위는 릴레이 애퍼처(300) 크기에 비해 작다. 조명의 공간적 가간섭성은 매우 높고, 강한 오버슈트 및 작은 에지 롤오프와 같은 가간섭성 영향들이 릴레이 광학계(118)에 의해 형성된 최종 이미지에 존재한다. σ≥1일 때에는, 조명의 공간적 가간섭성은 매우 낮고, 광은 릴레이 애퍼처(300)를 완전히 채운다. 최종 이미지는 무시할 정도의 오버슈트를 나타내지만, 더 큰 에지 롤오프를 나타낸다.
일 실시예에서, 애퍼처 부재에서의 X 축에 있어서 σ=0.75인 한편, 애퍼처 부재에서의 Y축에 있어서 σ=0.75이다. 일 실시예에서, 릴레이 애퍼처(300)의 기하형상은 애퍼처 부재(116)의 X 및 Y 축 양쪽 모두에서의 σ를 밀접하게 매칭하도록 선택된다. 이와 같이, 일 실시예는 XY 평면의 X 방향 및 Y 방향에서의 σ를 매칭하도록 한다. 이미지 해상도 및 관련 에지 롤오프는 존재하는 오버슈트의 양 및 관련 애퍼처 크기와 밸런싱된다. σ를 매칭하는 것과 해상도와 오버슈트를 밸런싱하는 것은 릴레이 애퍼처(300)의 기하형상을 조정함으로써 달성될 수 있다.
릴레이 애퍼처(300)는 바디(302), 제1 에지(310), 제2 에지(312) 및 개구(304)를 포함한다. 일 실시예에서, 바디(302)는 알루미늄을 포함하지만, 릴레이 애퍼처(300)의 바디(302)를 형성하기 위해서 마스크 또는 불투명 재료들과 같은 다른 적합한 재료들이 사용될 수 있다고 고려된다. 바디(302)는 바디(302)의 주변에서 실질적으로 원형 둘레를 또한 포함한다. 일 실시예에서, 제2 에지(312)는 X 축을 따라 배향되어 있는 도 3에 도시된 바와 같이 실질적으로 선형이고, 제1 에지(310)는 곡선형이다. 2개의 제2 에지(312)와 2개의 제1 에지(310)의 조합은 타원 또는 "경주 트랙" 타입 개구(304)를 형성한다. 개구(304)는 X 축 및 Y 축 양쪽 모두를 따라 실질적으로 대칭이다. 제1 에지(310) 및 제2 에지(312)는 바디에 형성되며, 전형적으로 날카로운 사면형 에지들(sharp, beveled edges)이다.
개구(304)는 바디(302)의 중심 영역에 배치된다. 개구(304)는 곡선형 에지들(310) 각각에서의 중심 영역 사이에서 X 축을 따라 거리 A만큼 연장된다. 일 실시예에서, 거리 A는 약 30㎜ 내지 약 50㎜, 예컨대 약 35㎜ 내지 약 40㎜, 예를 들어 약 37㎜이다. 개구(304)는 선형 에지들(312) 각각 사이에서 Y 축을 따라 거리 C만큼 연장된다. 일 실시예에서, 거리 C는 약 5㎜ 내지 약 25㎜, 예컨대 약 10㎜ 내지 20㎜, 예를 들어 약 15㎜이다.
릴레이 애퍼처(300)에 의해 이미징되는 광은 하나 이상의 레이저 빔에 의해 제공된다. 일 실시예에서, 제1 레이저 빔(306) 및 제2 레이저 빔(308)이 제공된다. 릴레이 애퍼처(300)와 같은 릴레이 애퍼처에서, 개구(304)는 레이저 빔들(306 및 308)을 포함하고, 릴레이 애퍼처(300)를 통해 전파되는 광을 절단하지는 않는다. 개구(304)는 실질적으로 원형 단면을 가질 수 있는 하나 이상의 레이저 빔을 수용할 수 있다. 레이저 빔들(306 및 308)은 동일할 수 있다. 레이저 빔(306 또는 308)의 직경 D는 약 5㎜ 내지 20㎜, 예컨대 약 10㎜ 내지 15㎜, 예를 들어 약 11㎜일 수 있다. 빔(306)의 최외측 에지와 빔(308)의 최외측 에지 사이의 거리 B는 약 20㎜ 내지 35㎜, 예컨대 약 25㎜ 내지 30㎜, 예를 들어 약 27㎜일 수 있다.
상이한 광원들을 설명하기 위해 릴레이 애퍼처의 개구의 다양한 크기 및 형상이 이용될 수 있다고 고려된다. 예를 들어, 4개의 레이저 빔이 제공될 수 있으며, 실질적으로 정사각형 개구가 제공되어, σ 값들을 매칭할 수 있다.
개구(304)의 기하형상은 기판 표면에서의 이미지의 오버슈트와 에지 롤오프를 밸런싱하도록 선택된다. 개구(304)의 기하형상은 광으로 채워지지 않는 면적을 감소시키며, 이는 이미지에서 관측되는 오버슈트를 감소시킨다. 릴레이 애퍼처(300)는, σ의 값이 x-y 평면에서의 방향에 따라 현저히 변경되지 않도록 개구(304)에서의 레이저 빔 이미지의 기하형상에 매칭되는 형상을 제공하도록 형성된다. 그 결과, 오버슈트가 이미지 평면에서의 주어진 에지의 방향에 대략 독립적인 이미징 시스템이 얻어진다. 이미지 해상도(에지 롤오프 폭)는 이미지(x-y) 평면에서의 방향에 따라 변할 것이다(NArelay는 x-y 평면에서의 방향에 따라 변한다). 레이저 어닐링 애플리케이션들과 같은 특정 실시예들에서, 이미지 해상도가 변하는 것이 일부 에지들에 대해 과도한 오버슈트를 갖는 것보다 바람직할 수 있다.
전술한 것은 본 발명의 실시예들에 관한 것이지만, 본 발명의 다른 실시예들 및 추가 실시예들은 그것의 기본 범위로부터 벗어나지 않고서 고안될 수 있으며, 그것의 범위는 이하의 청구항들에 의해 결정된다.

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  11. 광학 시스템에서 사용하기 위한 장치로서,
    제1 개구수를 갖는 조명을 제공하기 위한 광원;
    제1 애퍼처를 갖는 제1 애퍼처 부재;
    제2 애퍼처를 갖는 제2 애퍼처 부재; 및
    상기 제2 애퍼처에 의해 규정된 제2 개구수를 갖는 릴레이 광학계
    를 포함하고,
    상기 제2 애퍼처의 기하형상은 제1 방향에서의 치수에 수직인 제2 방향에서의 치수를 갖고, 상기 제2 애퍼처의 상기 기하형상은 상기 릴레이 광학계의 상기 제2 개구수에 대한 상기 제1 애퍼처에서의 상기 제1 개구수의 비율을 매칭하는, 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 애퍼처 부재는 상기 광원에서 발생된 상기 조명을 받아들이도록 위치되는, 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 애퍼처 부재는 직사각형인, 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제2 애퍼처 부재는 상기 제1 애퍼처 부재로부터 하류측에 배치되는, 장치.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 광원은 복수의 레이저 빔을 포함하는, 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 복수의 레이저 빔은 바이폴라 레이저 소스를 포함하는, 장치.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 제2 애퍼처 부재는 릴레이 애퍼처인, 장치.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 제2 애퍼처 부재는 개구를 규정하는 바디를 포함하는, 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 개구는 타원 개구인, 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 타원 개구는 복수의 선형 에지 및 복수의 곡선형 에지를 갖는, 장치.
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