KR102368448B1 - 반도체 소자 제조 장치 - Google Patents

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KR102368448B1
KR102368448B1 KR1020210019157A KR20210019157A KR102368448B1 KR 102368448 B1 KR102368448 B1 KR 102368448B1 KR 1020210019157 A KR1020210019157 A KR 1020210019157A KR 20210019157 A KR20210019157 A KR 20210019157A KR 102368448 B1 KR102368448 B1 KR 102368448B1
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류지연
신인균
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김수현
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정민교
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Abstract

구현예는 반도체 소자의 제조 장치 및 블랭크 마스크에 관한 것으로, 광원; 및 상기 광원으로부터의 광이 입사되고, 상기 입사된 광을 선택적으로 투과시켜, 반도체 웨이퍼로 출사하는 포토 마스크를 포함하고, 상기 포토 마스크는 투명 기판; 상기 투명 기판 상에 배치되는 위상 반전층; 및 상기 위상 반전층 상에 배치되는 차광층을 포함하고, 상기 포토 마스크는 일반 모드 XRD로 분석되고, 상기 일반 모드 XRD 분석에서 상기 위상 반전층 방향에서 반사 후 측정된 X선 강도의 최대 피크는 2θ가 15° 내지 30°사이에 위치하고, 상기 일반 모드 XRD 분석에서 상기 투명 기판 방향에서 반사 후 측정된 X선 강도의 최대 피크는 2θ가 15° 내지 30°사이에 위치하고, 하기의 식 1로 표시되는 제 1 비정질 지수(AI1)가 0.9 내지 1.1인 반도체 소자의 제조 장치;를 제공한다.
[식 1]
Figure 112021017195550-pat00026

상기 식 1에서, 상기 XM1은 상기 위상 반전층에 상기 일반 모드 XRD 분석이 진행될 때, 측정된 X선 강도의 최대값이고, 상기 XQ1은 상기 투명 기판의 하면에 상기 일반 모드 XRD 분석이 진행될 때, 측정된 X선 강도의 최대값이다.

Description

반도체 소자 제조 장치{APPRATUS FOR FABRICATING SEMICONDUCTOR DEVICE}
구현예는 반도체 소자의 제조 장치 및 블랭크 마스크에 관한 것이다.
반도체 디바이스 등의 고집적화로 인해, 반도체 디바이스의 회로 패턴의 미세화가 요구되고 있다. 이로 인해, 웨이퍼 표면상에 포토마스크를 이용하여 회로 패턴을 현상하는 기술인 리소그래피 기술의 중요성이 더욱 부각되고 있다.
미세화된 회로 패턴을 현상하기 위해서는 노광 공정에서 사용되는 노광 광원의 단파장화가 요구된다. 최근 사용되는 노광 광원으로는 ArF 엑시머 레이저(파장 193nm) 등이 있다.
한편, 포토마스크에는 바이너리 마스크(Binary mask)와 위상반전 마스크(Phase shift mask) 등이 있다.
바이너리 마스크는 투명 기판 상에 차광층 패턴이 형성된 구성을 갖는다. 바이너리 마스크는 패턴이 형성된 면에서, 차광층을 포함하지 않은 투과부는 노광광을 투과시키고, 차광층을 포함하는 차광부는 노광광을 차단함으로써 웨이퍼 표면의 레지스트막 상에 패턴을 노광시킨다. 다만, 바이너리 마스크는 패턴이 미세화될수록 노광 시 투과부 가장자리에서 발생하는 빛의 회절로 인해 미세 패턴 현상에 문제가 발생할 수 있다.
위상반전 마스크로는 레벤슨형(Levenson type), 아웃트리거형(Outrigger type), 하프톤형(Half-tone type)이 있다. 그 중 하프톤형 위상반전 마스크는 투명 기판 상에 반투과막으로 형성된 패턴이 형성된 구성을 갖는다. 하프톤형 위상반전 마스크는 패턴이 형성된 면에서, 반투과층을 포함하지 않은 투과부는 노광광을 투과시키고, 반투과층을 포함하는 반투과부는 감쇠된 노광광을 투과시킨다. 상기 감쇠된 노광광은 투과부를 통과한 노광광과 비교하여 위상차를 갖게 된다. 이로 인해, 투과부 가장자리에서 발생하는 회절광은 반투과부를 투과한 노광광에 의해 상쇄되어 위상반전 마스크는 웨이퍼 표면에 더욱 정교한 미세 패턴을 형성할 수 있다.
관련 선행기술로는 국내등록특허 제 10-1360540 호ㅡ 미국공개특허 제 2004-0115537 호, 일본공개특허 제 2018-054836 호 등이 있다.
실시예는 미세 패턴을 용이하게 형성할 수 있는 반도체 소자의 제조 장치 및 블랭크 마스크를 제공하고자 한다.
일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조장치는 광원; 및 상기 광원으로부터의 광이 입사되고, 상기 입사된 광을 선택적으로 투과시켜, 반도체 웨이퍼로 출사하는 포토 마스크를 포함한다.
일 실시예에 따른 포토 마스크는 투명 기판; 상기 투명 기판 상에 배치되는 위상 반전층; 및 상기 위상 반전층 상에 배치되는 차광층을 포함한다.
상기 포토 마스크는 일반 모드 XRD로 분석된다. 상기 일반 모드 XRD 분석이 진행될 때, 위상 반전층 방향에서 반사 후 측정된 X선 강도의 최대 피크는 2θ가 15° 내지 30°사이에서 위치하고, 상기 일반 모드 XRD 분석이 진행될 때, 상기 투명 기판의 하면 방향에 반사 후 측정된 X선 강도가 2θ가 15° 내지 30°사이에서 최대값을 가지고, 상기 포토마스크는 하기의 식 1로 표시되는 제 1 비정질 지수(AI1)가 0.9 내지 1.1이다.
[식 1]
Figure 112021017195550-pat00001
상기 식 1에서, 상기 XM1은 상기 위상 반전층에 상기 일반 모드 XRD 분석이 진행될 때, 측정된 X선 강도의 최대값이고, 상기 XQ1은 상기 투명 기판의 하면에 상기 일반 모드 XRD 분석이 진행될 때, 측정된 X선 강도의 최대값이다.
일 실시예에서, 상기 위상 반전층은 상기 투명 기판 상에 배치되는 위상차 조정층 및 상기 위상차 조정층 상에 위치하는 보호층을 포함한다. 상기 위상 반전막은 전이금속, 규소, 산소 및 질소를 포함한다. 상기 위상차 조정층은 질소를 40 내지 60원자% 포함하고, 상기 보호층은 질소를 20 내지 40원자% 포함할 수 있다.
상기 보호층은 두께 방향으로 산소 함량 대비 질소 함량의 비율이 0.4 내지 2에 속하는 영역을 포함하고, 상기 영역은 상기 보호층 전체 두께를 100%로 보았을 때 30 내지 80%의 두께를 가진다.
일 실시예에서, 상기 위상 반전층의 두께를 100%로 보았을 때 상기 보호층의 두께는 4 내지 9%이고, 상기 보호층의 두께는 25Å 이상 80Å 이하이고, 상기 위상차 조정층은 굴절률이 2 내지 4이고, 소쇠계수가 0.3 내지 0.7이다.
일 실시예에서, 상기 차광층은 크롬 및 질소를 포함하고, 상기 크롬을 44 내지 60원자% 포함하고, 상기 위상 반전층의 하면으로부터 상기 차광층의 상면까지 전체 광학농도가 3 이상이다.
일 실시예에서, 상기 포토 마스크는 고정 모드 XRD로 분석되고, 상기 고정 모드 XRD 분석에서 상기 위상 반전층 방향에서 반사 후 측정된 X선 강도의 최대 피크인 제 1 피크는 2θ가 15° 내지 25°사이에 위치하고, 상기 고정 모드 XRD 분석에서 상기 투명 기판 방향에서 반사 후 측정된 X선 강도의 최대 피크인 제 2 피크는 2θ가 15° 내지 25°사이에 위치하고, 상기 포토마스크는 하기의 식 2로 표시되는 제 2 비정질 지수(AI2)가 0.9 내지 1.1이다.
[식 2]
Figure 112021017195550-pat00002
상기 식 2에서, 상기 XM2는 상기 제 1 피크의 강도 값이고, 상기 XQ2는 상기 제 2 피크의 강도 값이다.
일 실시예에서, 상기 포토마스크는 하기의 식 3으로 표시되는 제 3 비정질 지수(AI3)가 0.9 내지 1.1이다.
[식 3]
Figure 112021017195550-pat00003
상기 식 3에서, 상기 AM1은 상기 위상 반전층에 일반 모드 XRD 분석이 진행될 때, 반사 후 측정된 X선 강도 그래프에서 2θ가 15° 내지 30°사이인 영역에서의 면적이고, 상기 AQ1은 상기 투명 기판의 하면에 일반 모드 XRD 분석이 진행될 때, 반사 후 측정된 X선 강도 그래프에서 2θ가 15° 내지 30°사이인 영역에서의 면적이다.
일 실시예에서, 상기 포토마스크는 하기의 식 4로 표시되는 제 4 비정질 지수(AI4)가 0.9 내지 1.1이다.
[식 4]
Figure 112021017195550-pat00004
상기 식 4에서, 상기 XM4는 상기 위상 반전층에 진행된 상기 일반 모드 XRD 분석에서, 2θ가 43°일 때 반사된 X선 강도이고, 상기 XQ4는 상기 투명 기판의 하면에 진행된 상기 일반 모드 XRD 분석에서, 2θ가 43°일 때 반사된 X선 강도이다.
일 실시예에 따른 블랭크 마스크는 투명 기판; 및 상기 투명 기판 상에 배치되는 위상 반전층을 포함하고, 상기 포토 마스크는 일반 모드 XRD로 분석되고, 상기 일반 모드 XRD 분석에서 상기 위상 반전층 방향에서 반사 후 측정된 X선 강도의 최대 피크는 2θ가 15° 내지 30°사이에 위치하고, 상기 일반 모드 XRD 분석에서 상기 투명 기판 방향에서 반사 후 측정된 X선 강도의 최대 피크는 2θ가 15° 내지 30°사이에 위치하고, 상기 포토 마스크는 상기의 식 1로 표시되는 제 1 비정질 지수(AI)가 0.9 내지 1.1이다.
일 실시예에 따른 블랭크 마스크는 투명 기판; 상기 투명 기판 상에 배치되는 위상 반전층; 및 상기 위상 반전층 상에 배치되는 차광층을 포함한다. 상기 차광층을 통하여, 일반모드 XRD 분석이 진행될 때, 반사 후 측정된 X선 강도가 2θ가 15° 내지 30°사이에서 최대값을 가지고, 상기 투명 기판의 하면을 통하여, 상기 XRD 분석이 진행될 때, 반사 후 측정된 X선 강도가 2θ가 15° 내지 30°사이에서 최대값을 가지고, 상기 포토 마스크는 하기의 식 5로 표시되는 제 5 비정질 지수(AI5)가 0.9 내지 0.97이다.
[식 5]
Figure 112021017195550-pat00005
상기 식 5에서, 상기 XC1은 상기 차광층을 통하여 측정된 X선 강도의 최대값이고, 상기 XQ1은 상기 투명 기판의 하면을 통하여 측정된 X선 강도의 최대값이다.
일 실시예에서, 상기 블랭크 마스크는 하기의 식 6으로 표시되는 제 6 비정질 지수(AI6)가 1.05 내지 1.4일 수 있다.
[식 6]
Figure 112021017195550-pat00006
상기 식 6에서, 상기 XC4는 상기 차광층의 방향에서 상기 일반 모드 XRD 분석이 진행될 때, 2θ가 43°일 때 반사된 X선 강도이고, 상기 XQ4는 상기 투명 기판의 하면 방향에서 상기 일반 모드 XRD 분석이 진행될 때, 2θ가 43°일 때 반사된 X선 강도이다.
상기 제 1 비정질 지수가 상기 범위를 가지기 때문에, 상기 위상 반전층 및 상기 투명 기판은 매우 유사한 결정 특성을 가진다.
또한, 상기 제 2 비정질 지수가 상기 범위를 가지기 때문에, 상기 위상 반전층 및 상기 투명 기판은 매우 유사한 결정 특성을 가진다.
또한, 상기 제 3 비정질 지수가 상기 범위를 가지기 때문에, 상기 위상 반전층 및 상기 투명 기판은 매우 유사한 결정 특성을 가진다.
또한, 상기 제 4 비정질 지수가 상기 범위를 가지기 때문에, 상기 위상 반전층 및 상기 투명 기판은 매우 유사한 결정 특성을 가진다.
이에 따라서, 상기 위상 반전층 및 상기 투명 기판의 결정 특성 차이에 따른 광학적 왜곡이 최소화될 수 있다. 즉, 상기 위상 반전층 및 상기 투명 기판이 서로 유사한 XRD 분석에 따른 결정 특성을 가지기 때문에, 상기 포토마스크는 향상된 광학적 성능을 가질 수 있다.
특히, 상기 투명기판 및 상기 위상 반전층은 유사한 결정 특성을 가지기 때문에, 상기 투명 기판 및 상기 위상 반전층이 서로 직접 접할 때, 상기 투명 기판 및 상기 위상 반전층 사이의 계면에서 발생되는 광학적 왜곡이 감소될 수 있다.
또한, 상기 제 5 비정질 지수가 상기 범위를 가지기 때문에, 상기 차광층 및 상기 투명 기판은 서로 다른 결정 특성을 가진다.
상기 제 6 비정질 지수가 상기 범위를 가지기 때문에, 상기 차광층 및 상기 투명 기판은 서로 다른 결정 특성을 가진다.
이에 따라서, 상기 차광층은 향상된 차광 성능을 가질 수 있다.
이에 따라서, 실시예에 따른 반도체 소자의 제조장치는 노광 및 현상 공정에서 광학적 왜곡에 따른 공정 오차를 줄일 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 장치는 향상된 미세 선폭 특성을 가지는 반도체 소자를 용이하게 제조할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 노광 장치를 도시한 개략도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 포토마스크를 도시한 단면도이다.
도 3 및 도 4는 각각 일 실시예에 따른 블랭크 마스크를 도시한 단면도이다.
도 5는 일반 모드 XRD 분석 과정을 도시한 개략도이다.
도 6는 고정 모드 XRD 분석 과정을 도시한 개략도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 블랭크 마스크에서, 위상 반전층에 일반 모드 XRD 분석이 진행되어 측정된 X선 강도를 도시한 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 블랭크 마스크에서, 투명 기판에 일반 모드 XRD 분석이 진행되어 측정된 X선 강도를 도시한 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 블랭크 마스크에서, 차광층에 일반 모드 XRD 분석이 진행되어 측정된 X선 강도를 도시한 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른 블랭크 마스크에서, 위상 반전층에 고정 모드 XRD 분석이 진행되어 측정된 X선 강도를 도시한 도면이다.
도 11은 일 실시예에 따른 블랭크 마스크에서, 투명 기판에 고정 모드 XRD 분석이 진행되어 측정된 X선 강도를 도시한 도면이다.
도 12는 일 실시예에 따른 블랭크 마스크에서, 차광층에 고정 모드 XRD 분석이 진행되어 측정된 X선 강도를 도시한 도면이다.
이하, 구현예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 구현예는 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 구현예의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A, B, 또는, A 및 B"를 의미한다.
본 명세서 전체에서, “제1”, “제2” 또는 “A”, “B”와 같은 용어는 특별한 설명이 없는 한 동일한 용어를 서로 구별하기 위하여 사용된다.
본 명세서에서, A 상에 B가 위치한다는 의미는 A 상에 B가 위치하거나 그 사이에 다른 층이 위치하면서 A 상에 B가 위치하거나 할 수 있다는 것을 의미하며 A의 표면에 맞닿게 B가 위치하는 것으로 한정되어 해석되지 않는다.
본 명세서에서 단수 표현은 특별한 설명이 없으면 문맥상 해석되는 단수 또는 복수를 포함하는 의미로 해석된다.
본 명세서에서 도면은 구현예의 설명을 위해 제시되며, 그 일부가 과장되거나 생략되어 표현될 수 있으며, 축적에 따라 표시되지 않는다.
본 명세서에서 투과부(TA)란 투명기판 상에 패턴이 형성된 포토마스크 표면에서 위상 반전층을 실질적으로 포함하지 않아 노광광을 투과시키는 영역을 의미하고, 반투과부(NTA)란 위상 반전층을 실질적으로 포함하여 감쇠된 노광광을 투과시키는 영역을 의미한다(도 2 참조).
반도체 소자의 제조 과정에는 반도체 웨이퍼 상에 노광 패턴을 형성함으로써 디자인된 패턴을 형성하는 과정이 포함된다. 구체적으로, 표면에 레지스트층이 도포된 반도체 웨이퍼 상에, 설계된 패턴을 포함하는 포토 마스크를 위치시킨 후, 광원을 통해 노광하면, 상기 반도체 웨이퍼의 레지스트층은 현상 용액 처리 후 설계된 패턴을 형성하게 된다.
반도체 고집적화에 따라 더욱 미세화된 회로 패턴이 요구된다. 반도체 웨이퍼 상에 미세화된 패턴을 형성하기 위해서는 종래 적용되는 노광광보다 파장이 더욱 짧은 노광광을 적용할 수 있다. 미세화된 패턴 형성을 위한 노광광으로는 예시적으로 ArF 엑시머 레이저(파장 193nm) 등이 있다.
이에 따라서, 상기 포토 마스크 내에 포함되어 패턴을 형성하는 막들은 향상된 광학적 특성을 요구받는다.
또한, 단파장의 노광광을 발생시키는 광원은 높은 출력이 요구될 수 있다. 이러한 광원은 노광 공정에서 반도체 소자 제조장치 내 포함된 포토 마스크의 온도를 상승시킬 수 있다.
이에 따라서, 상기 포토 마스크 내 포함되어 패턴을 형성하는 막들은 온도 변화에 따라 두께, 높이 등의 물리적 특성이 변화하는 특성을 나타낼 수 있다. 상기 포토 마스크 내에 포함되어 패턴을 형성하는 막들은 향상된 열적 특성도 요구받는다.
상기 포토마스크는 전체가 동일한 물질로 형성된 것이 아니라, 단면으로 보면 최소 2층 이상의 다층 구조이다. 따라서, 위상 반전막과 투명 기판이 포함된 적층체인 블랭크마스크의 특성도 포토마스크의 물성에 영향을 미치고, 제조 과정에서 산화처리, 열처리 등을 거치는 경우도 있어서, 최초 적층한 재료 자체의 특성과 완성된 블랭크마스크의 특성 사이에 차이를 보이기도 한다.
상기 포토마스크에 포함된 각 층의 광학적 특성 및 열적 특성이 향상될 수 있도록, 상기 포토마스크에 포함된 각 층의 결정 특성이 적절하게 조절될 수 있다.
구현예의 발명자들은 반도체 소자 제조장치 내 포토마스크에 포함된 막들의 결정 특성을 일정 범위 내로 조절함으로써 단파장의 노광광을 발생시키는 광원에 의해 포토마스크의 온도가 상승되거나, 각 층의 광학적 물성의 차이에 발생되는 웨이퍼 상에 노광되는 패턴의 해상도 저하를 실질적으로 억제할 수 있음을 실험적으로 확인하여 구현예를 완성했다.
이하, 구현예들을 보다 자세히 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 노광 장치를 도시한 개략도이다. 도 2는 일 실시예에 따른 포토마스크를 도시한 단면도이다. 도 3과 도 4는 각각 일 실시예에 따른 블랭크 마스크를 도시한 단면도이다. 도 5는 일반 모드 XRD 분석 과정을 도시한 개략도이다. 도 6은 고정 모드 XRD 분석 과정을 도시한 개략도이다. 도 7은 일 실시예에 따른 블랭크 마스크에서, 위상 반전층에 일반 모드 XRD 분석이 진행되어 측정된 X선 강도를 도시한 도면이다. 도 8은 일 실시예에 따른 블랭크 마스크에서, 투명 기판에 일반 모드 XRD 분석이 진행되어 측정된 X선 강도를 도시한 도면이다. 도 9는 일 실시예에 따른 블랭크 마스크에서, 차광층에 일반 모드 XRD 분석이 진행되어 측정된 X선 강도를 도시한 도면이다. 도 10은 일 실시예에 따른 블랭크 마스크에서, 위상 반전층에 고정 모드 XRD 분석이 진행되어 측정된 X선 강도를 도시한 도면이다. 도 11은 일 실시예에 따른 블랭크 마스크에서, 투명 기판에 고정 모드 XRD 분석이 진행되어 측정된 X선 강도를 도시한 도면이다. 도 12은 일 실시예에 따른 블랭크 마스크에서, 차광층에 고정 모드 XRD 분석이 진행되어 측정된 X선 강도를 도시한 도면이다.
반도체 소자의 제조 장치
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 장치는 광원, 광학계 및 포토마스크를 포함한다. 상기 광학계는 집광렌즈 및 투사렌즈 등을 포함한다. 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 장치는 포토리소그래피 시스템이다.
광원(10a)은 단파장의 노광광을 발생시킬 수 있는 장치이다. 상기 노광광은 파장 200nm 이하의 광일 수 있다. 상기 노광광은 구체적으로 파장 193nm 인 ArF 광일 수 있다.
상기 광원은 광을 발생시킨다. 상기 광원은 ArF 램프일 수 있다. 상기 광원은 자외선 광을 발생시킬 수 있다. 상기 광원에서 발생되는 광의 파장은 약 193㎚일 수 있다.
상기 집광렌즈(20a)는 상기 광원으로부터의 광을 상기 포토 마스크에 집광시킨다.
상기 포토 마스크(30a)는 상기 광원으로부터의 광을 선택적으로 투과시켜, 반도체 웨이퍼로 출사한다. 더 자세하게, 상기 집광렌즈로부터 출사되는 광은 상기 포토 마스크를 통하여 선택적으로 투과되고, 상기 선택적으로 투과된 광은 상기 투사 렌즈(40a)로 출사된다. 상기 투사렌즈는 상기 포토 마스크로부터 입사된 광을 집속하여 상기 반도체 웨이퍼(50a)로 출사한다.
반도체 소자 제조장치에서 포토마스크와 반도체 웨이퍼 사이에 상기 투사 렌즈가 위치할 수 있다. 상기 투사 렌즈는 포토마스크 상의 회로 패턴 형상을 축소하여 반도체 웨이퍼 상에 전사하는 기능을 갖는다. 상기 투사 렌즈는 ArF 반도체 웨이퍼 노광공정에 일반적으로 적용될 수 있는 것이면 한정되지 않는다. 예시적으로, 상기 투사 렌즈는 불화칼슘(CaF2)으로 이루어진 렌즈를 적용할 수 있다.
상기 반도체 웨이퍼는 최상부에 포토레지스트층을 포함하는 반도체 기판일 수 있다. 상기 포토 마스크 및 상기 광학계에 의해서 선택적으로 투과된 광은 상기 반도체 웨이퍼를 현상할 수 있다. 더 자세하게, 상기 포토 마스크 및 상기 광학계에 의해서 선택적으로 투과된 광은 상기 포토레지스트층을 현상할 수 있다. 즉, 상기 광원, 상기 광학계 및 상기 포토마스크에 의해서, 포토리소그래피 공정을 수행될 수 있다.
포토마스크
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 포토마스크는 투명기판(10), 상기 투명기판(10) 상에 배치되는 위상 반전층(20), 상기 위상 반전층(20) 상에 배치되는 차광층(30)을 포함한다.
상기 투명 기판(10)은 노광광을 상기 투명 기판(10) 상에 형성된 박막으로 투과시키는 역할을 한다.
상기 포토마스크(200) 내 위상 반전층(20)은 전사하고자 하는 패턴을 포함할 수 있다. 포토마스크(200) 내 차광층(30)은 미리 설정된 패턴을 포함할 수 있다.
상기 위상 반전층(20)은 상기 위상 반전층(20)을 투과하는 노광광을 일부만 투과시키면서, 상기 일부만 투과시킨 노광광의 위상차를 조절하여 현상되는 패턴의 해상도를 향상시킬 수 있다.
차광층(30)은 상기 차광층(30) 표면에 도달하는 노광광의 투과를 차단할 수 있다.
포토마스크(200)는 아래에서 설명할 블랭크 마스크(100)로 제조할 수 있다.
포토마스크(200) 내 투명 기판(10), 위상 반전층(20) 및 차광층(30)의 층 구조, 광학 특성, 조성 및 스퍼터링 방법, 패턴화 방법 등에 대한 구체적인 설명은 아래의 블랭크 마스크 및 포토마스크 제조방법을 설명하는 내용과 중복되므로 생략한다.
위상 반전층(20)은 막을 구성하는 원소들의 조성, 막의 밀도, 막의 두께 등 다양한 요인에 따라 광학 특성이 결정된다. 따라서, 반도체 웨이퍼 상에 현상될 패턴의 해상도를 최대한 향상시키기 위해 상기 요인들을 고려하여 위상 반전층(20)을 설계 후 성막한다. 다만, 위상 반전층(20)은 노광공정 중 광원에서 발생하는 열로 인해 온도가 증가할 수 있고, 상기 열로 인해 위상 반전층(20)의 두께 수치, 응력 등이 변동될 수 있다.
상기 위상 반전층(20)을 구성하는 원소, 원소별 함량, 스퍼터링 공정에서 자기장 세기, 기판 회전 속도, 타겟에 가하는 전압, 분위기 가스 조성, 스퍼터링 온도, 후처리 공정 시 조건 등의 요소들을 제어하여 조절할 수 있다.
스퍼터링 장비를 이용하여 위상 반전층(20)을 성막할 때, 스퍼터링 장비에 마그네트를 위치시키고 자기장을 형성하여 챔버 내 타겟 전면에 플라즈마가 분포되도록 한다. 그리고, 자기장의 분포, 세기 등은 스퍼터링 장비로 형성된 막의 밀도 등에 영향을 미칠 수 있다.
구체적으로, 자기장 세기가 강할수록 챔버 내 형성되는 플라즈마의 밀도가 높아지게 되어 성막된 위상 반전층(20)이 밀해질 수 있다. 자기장 세기가 약할수록 챔버 내 형성되는 플라즈마의 밀도가 낮아지게 되어 성막된 위상 반전층(20)이 소해질 수 있다.
포토마스크(200)의 위상 반전층(10)은 위상 반전층(10) 상에 위치하는 차광층(30)이 제거된 후, 패터닝되어 형성된다. 포토마스크(20)가 위상 반전층(20)과 차광층(30) 사이에 다른 막을 더 포함할 경우, 상기 다른 막도 제거한다. 즉, 위상 반전층(20)의 최표면이 드러나도록 블랭크마스크(200)가 가공되어, 상기 포토마스크가 형성된다. 차광층(30) 및 상기 다른 막을 제거하는 방법으로는 에천트를 통한 에칭방법 등이 있으나 이에 한정되지 않는다.
블랭크 마스크
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 블랭크 마스크(100)는 투명 기판(10), 상기 투명 기판(10) 상에 배치되는 위상 반전층(20) 및 상기 위상 반전층(20) 상에 배치되는 차광층(30)을 포함한다.
투명 기판(10)의 소재는 노광광에 대한 광투과성을 갖고 포토마스크에 적용될 수 있는 소재면 제한되지 않는다. 구체적으로, 투명기판(10)의 파장 200nm 이하의 노광광에 대한 투과율은 85% 이상일 수 있다. 상기 투과율은 87% 이상일 수 있다. 예시적으로, 투명 기판(10)은 합성 쿼츠 기판이 적용될 수 있다. 이러한 경우, 투명 기판(10)은 상기 투명 기판(10)을 투과하는 광의 감쇠(attenuated)를 억제할 수 있다.
또한 투명 기판(10)은 평탄도, 조도 등의 표면 특성을 조절하여 광학 왜곡 발생을 감소시킬 수 있다.
위상 반전층
위상 반전층(20)은 투명기판(10)의 상면(front side) 상에 위치할 수 있다.
위상 반전층(20)은 상기 투명기판의 상면 상에 위치하는 위상차 조정층(21) 및 상기 위상차 조정층(21) 상에 위치하는 보호층(22)을 포함할 수 있다.
위상 반전층(20), 위상차 조정층(21) 및 보호층(22)은 각각 전이금속, 규소, 산소 및 질소를 포함할 수 있다.
위상차 조정층(21)은 위상 반전층(20)에서 전이금속, 규소, 산소 및 질소가 깊이 방향으로 5 원자% 범위 내에서 균등하게 포함된 층이다. 위상차 조정층(21)은 위상 반전층(20)을 투과하는 노광광의 위상차 및 투과율을 실질적으로 조절할 수 있다.
구체적으로, 위상차 조정층(21)은 투명기판(10)의 배면(back side, 하면) 측에서 입사하는 노광광의 위상을 이동시키는 특성을 가진다. 이러한 특성으로 인해, 위상 반전층(20)은 포토마스크에서 투과부의 가장자리에 발생하는 회절광을 효과적으로 상쇄하여 리소그래피 공정 시 포토마스크의 해상력이 보다 향상된다.
또한 위상차 조정층(21)은 위상 반전층(20) 표면으로 입사하는 노광광을 감쇠시킨다. 이를 통해, 위상 반전층(20)은 상기 회절광을 상쇄시킴과 동시에 노광광을 적절히 차단할 수 있다.
보호층(22)은 위상 반전층의 표면에 형성되어, 상기 표면으로부터 깊이 방향으로 산소 함량이 연속적으로 감소하는 동시에 질소 함량이 연속적으로 증가하는 분포를 갖는 층이다. 보호층(22)은 포토마스크의 식각 공정 및 세정 공정에서 위상 반전층 패턴에 데미지가 발생하거나 불필요한 식각이 발생하는 것을 억제하여 위상 반전층의 내구성(durability)을 향상시킬 수 있다. 또한 보호층(22)은 노광공정에서 위상차 조정층(21)이 노광광으로 인해 산화되어 광학특성 변동이 발생하는 것을 일부 억제할 수 있다.
블랭크 마스크(100) 내에서 차광층(30)은 위상 반전층 상에 배치된다. 차광층(30)은 위상 반전층(20)을 패턴 형상대로 식각 시 위상 반전층(20)의 에칭 마스크로 사용될 수 있다. 또한 차광층(30)은 투명 기판(10)의 배면측으로부터 입사되는 노광광의 투과를 차단할 수 있다.
차광층은 단층 구조일 수 있다. 차광층은 2층 이상의 복수층 구조일 수 있다. 차광층은 스퍼터링을 통해 성막될 수 있다. 차광층은 스퍼터링 제어 조건에 따라 2층 이상의 복수층 구조를 가질 수 있다.
위상 반전층(20)은 전이금속, 규소, 산소 및 질소를 포함할 수 있다. 전이금속은 몰리브덴(Mo), 탄탈(Ta), 지르코늄(Zr) 등으로부터 선택되는 일종 이상의 원소일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 예시적으로 상기 전이금속은 몰리브덴일 수 있다.
위상 반전층(20)은 전이금속을 1 내지 10 원자% 포함할 수 있다. 위상 반전층(20)은 전이금속을 2 내지 7 원자% 포함할 수 있다. 위상 반전층(20)은 규소를 15 내지 60 원자% 포함할 수 있다. 위상 반전층(20)은 규소를 25 내지 50 원자% 포함할 수 있다. 위상 반전층(20)은 질소를 30 내지 60 원자% 포함할 수 있다. 위상 반전층(20)은 질소를 35 내지 55 원자%를 포함할 수 있다. 위상 반전층(20) 산소를 5 내지 35 원자% 포함할 수 있다. 위상 반전층(20)은 산소를 10 내지 25 원자% 포함할 수 있다. 이러한 경우, 위상 반전층(20)은 단파장의 노광광, 구체적으로 200nm 이하의 파장을 갖는 광을 이용한 리소그래피 공정에 적합한 광학특성을 가질 수 있다.
위상 반전층(20)은 상기 언급된 원소 외에 다른 원소를 추가적으로 포함할 수 있다. 예시적으로 위상 반전층(20)은 아르곤(Ar), 헬륨(He) 등을 포함할 수 있다.
위상 반전층(20)은 두께 방향으로 원소별 함량이 상이할 수 있다.
위상차 조정층(21)과 보호층(22)의 깊이 방향으로 형성된 원소별 함량 분포는 위상 반전층의 뎁스 프로파일(depth profile)을 측정하여 확인할 수 있다. 예시적으로, Thermo Scientific사의 K-alpha모델을 이용하여 뎁스 프로파일을 측정할 수 있다.
위상차 조정층(21)과 보호층(22)은 전이금속, 규소, 산소 및 질소 등의 원소별 함량이 층별로 상이할 수 있다.
위상차 조정층(21)은 전이금속을 3 내지 10원자% 포함할 수 있다. 위상차 조정층(21)은 전이금속을 4 내지 8원자% 포함할 수 있다. 위상차 조정층(21)은 규소를 20 내지 50원자% 포함할 수 있다. 위상차 조정층(21)은 규소를 30 내지 40원자% 포함할 수 있다. 위상차 조정층(21)은 산소를 2 내지 10원자% 포함할 수 있다. 위상차 조정층(21)은 산소를 3 내지 8원자% 포함할 수 있다. 위상차 조정층(21)은 질소를 40 내지 60 원자% 포함할 수 있다. 위상차 조정층(21)은 질소를 45 내지 55 원자% 포함할 수 있다. 이러한 경우, 포토마스크 제조 시 단파장의 노광광, 구체적으로 파장 200nm 이하의 광을 노광광으로 적용 시 우수한 패턴 해상도를 가지는 블랭크 마스크를 제공할 수 있다.
보호층(22)은 산소를 많이 포함할수록 노광광 및 세정용액 등으로부터 위상차 조정층(21)을 안정적으로 보호할 수 있지만, 전체 위상 반전층(20)의 광학특성 변동 정도가 커질 수 있다. 따라서 보호층(22) 내 산소 및 질소의 함량 분포를 제어함으로써 위상 반전층(20)이 충분한 내광성 및 내약품성을 가지면서 목적하는 광학 특성을 가지도록 할 수 있다.
보호층(22)은 질소를 20 내지 40원자% 포함할 수 있다. 보호층(22)은 질소를 25 내지 35원자% 포함할 수 있다. 보호층(22)은 산소를 10 내지 50원자% 포함할 수 있다. 보호층(22)은 산소를 20 내지 40원자% 포함할 수 있다. 보호층(22)은 규소를 10 내지 50원자% 포함할 수 있다. 보호층(22)은 규소를 20 내지 40원자% 포함할 수 있다. 보호층(22)은 전이금속을 0.5 내지 5원자% 포함할 수 있다. 보호층(22)은 전이금속을 1 내지 3원자% 포함할 수 있다. 이러한 경우, 보호층(22)은 위상차 조정층(21)의 변질을 충분히 억제할 수 있다.
보호층(22)은 두께 방향으로 산소 함량(원자%) 대비 질소 함량(원자%)이 1 이상인 영역을 포함할 수 있고, 상기 영역은 보호층(22) 전체 두께 대비 40 내지 60%의 두께를 가질 수 있다. 상기 영역은 보호층(22) 전체 두께 대비 45 내지 55%의 두께를 가질 수 있다. 이러한 경우 보호층(22) 형성으로 인한 위상 반전층(20)의 광학특성 변동을 효율적으로 억제할 수 있다.
보호층(22)은 두께 방향으로 산소 함량(원자%) 대비 질소 함량(원자%)의 비율이 0.4 내지 2인 영역을 포함할 수 있고, 상기 영역은 보호층(22) 전체 두께(100%) 대비 30 내지 80%의 두께를 가질 수 있다. 상기 영역은 보호층(22) 전체 두께(100%) 대비 40 내지 60%의 두께를 가질 수 있다. 이러한 경우, 충분한 장기 내구성을 가지면서도 해상도가 뛰어난 포토마스크를 제조할 수 있는 블랭크 마스크를 제공할 수 있다.
위상 반전층(20), 위상차 조정층(21), 보호층(22)의 원소별 함량 및 두께 방향으로 형성된 원소별 함량 분포는 뎁스 프로파일을 측정하여 확인할 수 있다. 예시적으로 Thermo Scientific사의 K-alpha 모델을 통해 측정할 수 있다.
두께 방향으로 산소 함량(원자%) 대비 질소 함량(원자%)의 비율이 1 이상인 영역의 두께 측정은 뎁스 프로파일을 측정하여 확인할 수 있다. 다만, 뎁스 프로파일에서 보호층(22)의 깊이별 에칭 속도는 일정하다고 가정한다.
두께 방향으로 산소 함량(원자%) 대비 질소 함량(원자%)의 비율이 0.4 내지 2인 영역의 두께 측정은 뎁스 프로파일을 측정하여 확인할 수 있다. 다만, 뎁스 프로파일에서 보호층(22)의 깊이별 에칭 속도는 일정하다고 가정한다.
위상 반전층(20)은 파장 200nm 이하의 광에 대한 위상차가 160 내지 200°일 수 있다. 위상 반전층(20)은 ArF 광에 대한 위상차가 160 내지 200°일 수 있다. 위상 반전층(20)은 파장 200nm 이하의 광에 대한 위상차는 170 내지 190°일 수 있다. 위상 반전층(20)은 ArF 광에 대한 위상차는 170 내지 190°일 수 있다. 위상 반전층(20)은 파장 200nm 이하의 광에 대한 투과율이 3 내지 10%일 수 있다. 위상 반전층(20)은 ArF 광에 대한 투과율이 3 내지 10%일 수 있다. 위상 반전층(20)은 파장 200nm 이하의 광에 대한 투과율은 4 내지 8%일 수 있다. 위상 반전층(20)은 ArF 광에 대한 투과율은 4 내지 8%일 수 있다. 이러한 경우, 상기 위상 반전층(20)을 포함하는 포토마스크는 단파장의 노광광이 적용된 노광 공정에서 웨이퍼 상에 더욱 정교한 미세 패턴을 노광시킬 수 있다.
예시적으로 위상 반전층(20)의 위상차 및 투과율은 Lasertec사의 MPM193 모델을 통해 측정될 수 있다.
보호층(22)의 파장 200nm 이하의 광에 대한 굴절률이 1.3 내지 2일 수 있다. 보호층(22)의 ArF 광에 대한 굴절률이 1.3 내지 2일 수 있다. 보호층(22)의 파장 200nm 이하의 광에 대한 굴절률이 1.4 내지 1.8일 수 있다. 보호층(22)의 ArF 광에 대한 굴절률이 1.4 내지 1.8일 수 있다. 보호층(22)의 파장 200nm 이하의 광에 대한 소쇠계수가 0.2 내지 0.4일 수 있다. 보호층(22)의 ArF 광에 대한 소쇠계수가 0.2 내지 0.4일 수 있다. 보호층(22)의 파장 200nm 이하의 광에 대한 소쇠계수가 0.25 내지 0.35일 수 있다. 보호층(22)의 ArF 광에 대한 소쇠계수가 0.25 내지 0.35일 수 있다. 이러한 경우, 보호층(22) 형성으로 인한 위상 반전층(20)의 광학 특성 변동 효과를 최소화할 수 있다.
위상차 조정층(21)은 파장 200nm 이하의 광에 대한 굴절률이 2 내지 4일 수 있다. 위상차 조정층(21)은 ArF 광에 대한 굴절률이 2 내지 4일 수 있다. 위상차 조정층(21)의 파장 200nm 이하의 광에 대한 굴절률은 2.5 내지 3.5일 수 있다. 위상차 조정층(21)의 ArF 광에 대한 굴절률은 2.5 내지 3.5일 수 있다. 위상차 조정층(21)의 파장 200nm 이하의 광에 대한 소쇠계수는 0.3 내지 0.7일 수 있다. 위상차 조정층(21)의 ArF 광에 대한 소쇠계수는 0.3 내지 0.7일 수 있다. 위상차 조정층(21)의 파장 200nm 이하의 광에 대한 소쇠계수는 0.4 내지 0.6일 수 있다. 위상차 조정층(21)의 ArF 광에 대한 소쇠계수는 0.4 내지 0.6일 수 있다. 이러한 경우, 상기 위상 반전층(20)을 포함하는 포토마스크는 웨이퍼 표면 상에 노광 공정시 패터닝 효과가 우수한 특성을 나타낼 수 있다.
예시적으로, 위상 반전층(20), 위상 반전층(20) 내 포함된 보호층(22) 및 위상차 조정층(21)의 굴절률 및 소쇠계수는 NANO-VIEW사의 MG-PRO 장비를 통해 측정할 수 있다.
위상 반전층(20) 두께(1) 대비 보호층(22)의 두께 비율은 0.04 내지 0.09일 수 있다. 상기 두께 비율은 0.05 내지 0.08일 수 있다. 이러한 경우, 보호층(22)은 위상차 조정층(21)을 안정적으로 보호할 수 있다.
보호층(22)의 두께는 25Å 이상 80Å 이하일 수 있다. 보호층(22)의 두께는 35Å 이상 45Å 이하일 수 있다. 이러한 경우, 위상 반전층 전체에 미치는 광학적 특성 변화 정도를 효율적으로 제어하면서 다수의 노광공정 및 세정공정에도 불구하고 안정적인 광학특성을 나타내는 위상 반전층(20)을 제공할 수 있다.
예시적으로, 위상 반전층(20) 및 위상 반전층(20)을 구성하는 각 층의 두께는 위상 반전층(20) 단면의 TEM(Transmission Electron Microscopy) 이미지를 통해 확인할 수 있다.
위상 반전층의 결정 특성: 비정질지수
상기 위상 반전층의 결정 특성은 상기 투명 기판의 결정 특성과 유사할 수 있다.
상기 위상 반전층과 상기 투명 기판은 XRD(X-ray diffraction) 분석에 의해서 분석될 때, 서로 유사한 결정 특성을 가질 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 XRD 분석은 일반 모드로 진행될 수 있다. 상기 일반모드 XRD 분석은 θ-2θ 모드이다. 상기 일반 모드 XRD 분석에서, X선 발생기(60)로부터 X선이 발생되어 샘플(30)에 출사되고, 상기 샘플에서 반사된 X선은 검출기(70)를 통하여 검출된다.
이때, 상기 X선 발생기(60)는 소정의 입사각(θ)으로 상기 샘플(30)에 X선을 출사한다. 상기 입사각(θ)은 상기 X선 발생기로부터 X선의 방향과 상기 샘플의 수평면 사이의 각도이다. 또한, 상기 X선 발생기는 상기 입사각(θ)을 변경시켜가면서 상기 샘플에 X선을 출사한다.
상기 검출기(70)는 상기 샘플에서 상기 X선에 입사되는 위치를 기준으로, 상기 X선 발생기가 배치되는 위치와 정반대편에 배치된다. 또한, 상기 검출기는 상기 샘플로부터 반사되는 X선 중, 소정의 출사각(θ)을 가지는 X선을 검출한다. 상기 출사각은 상기 샘플로부터 반사되는 X선의 방향과 상기 샘플의 수평면 사이의 각도이다.
또한, 상기 검출(70)기는 상기 X선 발생기의 스캔 방향에 대응하여 스캔된다. 즉, 상기 검출기는 상기 X선 발생기가 스캔될 때, 상기 입사각(θ)과 상기 출사각(θ)이 서로 같도록 스캔된다. 상기 일반 모드 XRD 분석에서, 상기 X선 발생기 및 상기 검출기는 동일 평면 상에서, 상기 입사각 및 상기 출사각이 서로 같도록 이동할 수 있다. 또한, 상기 X선 발생기는 상기 샘플에서 상기 X선이 입사되는 위치와의 거리가 일정하도록 이동할 수 있다. 또한, 상기 검출기는 상기 샘플에서 상기 X선이 반사되는 위치와의 거리가 일정하도록 이동할 수 있다. 즉, 상기 X선 발생기 및 상기 검출기는 호를 그리면서 이동될 수 있다.
상기 일반 모드 XRD 분석에서, X선 소스(X-ray source)는 구리 타겟(Cu target)일 수 있다. 또한, 상기 일반 모드 XRD 분석에서, 상기 X선의 파장은 약 1.542nm일 수 있다. 또한, 상기 일반 모드 XRD 분석에서, 상기 X선을 발생시키기 위해서 사용되는 전압은 약 45kV일 수 있다. 또한, 상기 일반 모드 XRD 분석에서, 상기 X선을 발생시키기 위해서 사용되는 전류는 약 200mA일 수 있다. 또한, 상기 일반 모드 XRD 분석에서, 2θ의 측정 범위는 약 10° 내지 약 100°일 수 있다. 또한, 상기 일반 모드 XRD 분석은 2θ 기준으로 약 0.05°변할 때마다 측정을 수행할 수 있다. 또한, 상기 일반 모드 XRD 분석에서, 상기 X선 발생기 및 상기 검출기의 스캔 속도는 약 5°/min일 수 있다.
더 자세하게, 상기 일반 모드 XRD 분석에서, X선 소스(X-ray source)는 구리 타겟(Cu target)이고, 상기 X선의 파장은 약 1.542nm이고, 상기 X선을 발생시키기 위해서 사용되는 전압은 약 45kV이고, 상기 X선을 발생시키기 위해서 사용되는 전류는 약 200mA이고, 2θ의 측정 범위는 약 10° 내지 약 100°이고, 2θ 기준으로 약 0.05°변할 때마다 측정이 수행되고, 상기 X선 발생기 및 상기 검출기의 스캔 속도는 약 5°/min일 수 있다.
상기 포토마스크 및/또는 상기 블랭크 마스크에서, 상기 위상 반전층 및 상기 투명 기판은 서로 유사한 결정 특성을 가질 수 있다. 상기 일반 모드 XRD 분석으로 측정된 상기 위상 반전층의 결정 특성과 상기 상기 일반 모드 XRD 분석으로 측정된 상기 투명 기판의 결정 특성이 서로 유사할 수 있다.
상기 위상 반전층 상에서 일반 모드 XRD 분석이 진행될 때, 반사 후 측정된 X선 강도가 2θ가 15° 내지 30°사이에서 최대값을 가지고, 상기 투명 기판의 배면(하면) 상에서 상기 일반 모드 XRD 분석이 진행될 때, 반사 후 측정된 X선 강도가 2θ가 15° 내지 30°사이에서 최대값을 가질 수 있다.
이하에서, 위상 반전층에서 XRD 분석이 진행된다 함은, 위상반전층 상에서 포토마스크 또는 블랭크마스크의 XRD 분석이 진행된다는 것을 의미하고, 위상반전층 방향에서 XRD 분석이 진행된다고 표현하기도 한다. 유사하게, 투명 기판에 XRD 분석이 진행된다 함은, 투명 기판의 배면 상에서 XRD 분석이 진행된다는 것을 의미하고, 투명 기판 방향에서 XRD 분석이 진행된다고 표현하기도 한다.
상기 위상 반전층에 일반 모드 XRD 분석이 진행될 때, 반사 후 측정된 X선 강도가 2θ가 20° 내지 25°사이에서 최대값을 가지고, 상기 투명 기판에 상기 일반 모드 XRD 분석이 진행될 때, 반사 후 측정된 X선 강도가 2θ가 20° 내지 25°사이에서 최대값을 가질 수 있다.
또한, 상기 위상 반전층에 일반 모드 XRD 분석이 진행될 때, 반사 후 측정된 X선 강도가 최대인 2θ와 상기 투명 기판에 상기 일반 모드 XRD 분석이 진행될 때, 반사 후 측정된 X선 강도가 최대인 2θ의 차이가 5°이내 일 수 있다. 더 자세하게, 상기 위상 반전층에 일반 모드 XRD 분석이 진행될 때, 반사 후 측정된 X선 강도가 최대인 2θ와 상기 투명 기판에 상기 일반 모드 XRD 분석이 진행될 때, 반사 후 측정된 X선 강도가 최대인 2θ의 차이가 3°이내 일 수 있다. 상기 위상 반전층에 일반 모드 XRD 분석이 진행될 때, 반사 후 측정된 X선 강도가 최대인 2θ와 상기 투명 기판에 상기 일반 모드 XRD 분석이 진행될 때, 반사 후 측정된 X선 강도가 최대인 2θ의 차이가 1°이내 일 수 있다.
또한, 상기 포토마스크 및/또는 상기 블랭크 마스크에서, 하기의 식 1로 표시되는 제 1 비정질 지수(AI1)가 0.9 내지 1.1일 수 있다.
[식 1]
Figure 112021017195550-pat00007
여기서, 상기 XM1은 상기 위상 반전층에 상기 일반 모드 XRD 분석이 진행될 때, 측정된 X선 강도의 최대값이고, 상기 XQ1은 상기 투명 기판의 하면에 상기 일반 모드 XRD 분석이 진행될 때, 측정된 X선 강도의 최대값이다.
상기 제 1 비정질 지수는 0.95 내지 1.05일 수 있다. 상기 제 1 비정질 지수는 0.97 내지 1.03일 수 있다. 상기 제 1 비정질 지수는 0.98 내지 1.02일 수 있다. 상기 제 1 비정질 지수는 0.99 내지 1.01일 수 있다.
또한, 상기 포토마스크 및/또는 상기 블랭크마스크에서, 하기의 식 3으로 표시되는 제 3 비정질 지수(AI3)가 0.9 내지 1.1일 수 있다.
[식 3]
Figure 112021017195550-pat00008
여기서, 상기 AM1은 상기 위상 반전층에 XRD 분석이 진행될 때, 반사 후 측정된 X선 강도에서 2θ가 15° 내지 30°사이 일 때의 면적이고, 여기서, 상기 AQ1은 상기 투명 기판에 XRD 분석이 진행될 때, 반사 후 측정된 X선 강도에서 2θ가 15° 내지 30°사이일 때의 면적이다.
상기 제 3 비정질 지수는 0.95 내지 1.05일 수 있다. 상기 제 3 비정질 지수는 0.97 내지 1.03일 수 있다. 상기 제 3 비정질 지수는 0.98 내지 1.02일 수 있다. 상기 제 3 비정질 지수는 0.99 내지 1.01일 수 있다.
또한, 상기 포토마스크 및/또는 상기 블랭크마스크에서, 하기의 식 4로 표시되는 제 4 비정질 지수(AI4)가 0.9 내지 1.1일 수 있다.
[식 4]
Figure 112021017195550-pat00009
여기서, 상기 XM4는 상기 위상 반전층에 상기 XRD 분석이 진행될 때, 2θ가 43°일 때 반사된 X선 강도이고, 상기 XQ4는 상기 투명 기판의 하면에 상기 XRD 분석이 진행될 때, 2θ가 43°일 때 반사된 X선 강도이다.
상기 제 4 비정질 지수는 0.95 내지 1.05일 수 있다. 상기 제 4 비정질 지수는 0.97 내지 1.03일 수 있다. 상기 제 4 비정질 지수는 0.98 내지 1.02일 수 있다. 상기 제 4 비정질 지수는 0.99 내지 1.01일 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 XRD 분석은 고정 모드 XRD분석으로 진행될 수 있다. 상기 고정 모드 XRD 분석에서, X선 발생기로부터 X선이 발생되어 샘플에 출사되고, 상기 샘플에서 반사된 X선은 검출기를 통하여 검출된다.
이때, 상기 고정 모드 XRD 분석에서, 상기 X선 발생기는 고정된 입사각(예를 들어, 1°)으로 상기 샘플에 X선을 출사한다. 상기 입사각은 상기 X선 발생기로부터 X선의 방향과 상기 샘플의 수평면 사이의 각도이다.
상기 검출기는 상기 샘플에서 상기 X선에 입사되는 위치를 기준으로, 상기 X선 발생기가 배치되는 위치와 정반대편에 배치된다. 또한, 상기 검출기는 상기 샘플로부터 반사되는 X선 중, 소정의 출사각(θ)을 가지는 X선을 검출한다. 상기 출사각은 상기 샘플로부터 반사되는 X선의 방향과 상기 샘플의 수평면 사이의 각도이다.
또한, 상기 검출기는 상기 X선 발생기 및 상기 X선이 입사되는 위치를 포함하고, 상기 샘플의 수평면에 대해서 수직한 면 내에서 스캔된다. 즉, 상기 검출기는 다양한 출사각(θ)으로 출사되는 X선을 검출하도록 스캔된다. 상기 고정 모드 XRD 분석에서, 상기 X선 발생기, 상기 검출기 및 상기 샘플에서 측정되는 부위는 동일 평면 상에서 배치된다. 또한, 상기 동일 평면상에서, 상기 검출기가 이동할 수 있다. 또한, 상기 검출기는 상기 샘플에서 상기 X선이 반사되는 위치와의 거리가 일정하도록 이동할 수 있다. 즉, 상기 검출기는 호를 그리면서 이동될 수 있다.
상기 고정 모드 XRD 분석에서, 상기 입사각은 약 1°일 수 있다. 상기 고정 모드 XRD 분석에서, X선 소스(X-ray source)는 구리 타겟(Cu target)일 수 있다. 또한, 상기 고정 모드 XRD 분석에서, 상기 X선의 파장은 약 1.542nm일 수 있다. 또한, 상기 고정 모드 XRD 분석에서, 상기 X선을 발생시키기 위해서 사용되는 전압은 약 45kV일 수 있다. 또한, 상기 고정 모드 XRD 분석에서, 상기 X선을 발생시키기 위해서 사용되는 전류는 약 200mA일 수 있다. 또한, 상기 고정 모드 XRD 분석에서, 상기 검출기의 2θ의 범위는 약 10° 내지 약 100°일 수 있다. 또한, 상기 고정 모드 XRD 분석은 2θ 기준으로 약 0.05°변할 때마다 측정을 수행할 수 있다. 또한, 상기 고정 모드 XRD 분석에서, 상기 검출기의 스캔 속도는 약 5°/min일 수 있다.
더 자세하게, 상기 고정 모드 XRD 분석에서, 상기 입사각은 약 1°이고, 상기 X선 소스(X-ray source)는 구리 타겟(Cu target)이고, 상기 X선의 파장은 약 1.542nm이고, 상기 X선을 발생시키기 위해서 사용되는 전압은 약 45kV이고, 상기 X선을 발생시키기 위해서 사용되는 전류는 약 200mA이고, 2θ의 측정 범위는 약 10° 내지 약 100°이고, 2θ 기준으로 약 0.05°변할 때마다 측정이 수행되고, 상기 검출기의 스캔 속도는 약 5°/min일 수 있다.
상기 포토마스크 및/또는 상기 블랭크 마스크에서, 상기 위상 반전층 및 상기 투명 기판은 서로 유사한 결정 특성을 가질 수 있다. 상기 고정 모드 XRD 분석으로 측정된 상기 위상 반전층의 결정 특성과 상기 고정 모드 XRD 분석으로 측정된 상기 투명 기판의 결정 특성이 서로 유사할 수 있다.
상기 위상 반전층에 고정 모드 XRD 분석이 진행될 때, 반사 후 측정된 X선 강도가 2θ가 15° 내지 25°사이에서 제 1 피크를 가지고, 상기 투명 기판에 상기 고정 모드 XRD 분석이 진행될 때, 반사 후 측정된 X선 강도가 2θ가 15° 내지 25°사이에서 제 2 피크를 가질 수 있다.
상기 제 1 피크에서의 2θ가 약 17° 내지 약 23°사이이고, 상기 제 2 피크에서의 2θ가 약 17° 내지 약 23°사이일 수 있다.
상기 제 1 피크에서의 2θ가 약 19° 내지 약 22°사이이고, 상기 제 2 피크에서의 2θ가 약 19° 내지 약 22°사이일 수 있다.
상기 제 1 피크에서의 2θ와 상기 제 2 피크에서의 2θ의 차이는 약 5°이내일 수 있다. 상기 제 1 피크에서의 2θ와 상기 제 2 피크에서의 2θ의 차이는 약 3°이내일 수 있다. 상기 제 1 피크에서의 2θ와 상기 제 2 피크에서의 2θ의 차이는 약 2°이내일 수 있다.
상기 포토마스크 및/또는 상기 블랭크마스크에서, 하기의 식 2로 표시되는 제 2 비정질 지수(AI2)가 약 0.9 내지 약 1.1일 수 있다.
[식 2]
Figure 112021017195550-pat00010
여기서, 상기 XM2는 상기 제 1 피크의 최대 값이고, 상기 XQ2는 상기 제 2 피크의 최대 값이다.
상기 제 2 비정질 지수는 약 0.95 내지 약 1.05일 수 있다. 상기 제 2 비정질 지수는 약 0.97 내지 약 1.03일 수 있다. 상기 제 2 비정질 지수는 약 0.98 내지 약 1.02일 수 있다.
위상 반전층의 제조방법
구현예의 위상 반전층(20) 중 위상차 조절층(21)은 투명기판(10) 위에 스퍼터링을 통해 박막을 형성하는 방식으로 제조될 수 있다.
스퍼터링 공정은 DC 전원을 사용할 수 있고, RF 전원을 사용할 수 있다.
박막을 구성하는 물질의 조성을 고려하여 타겟 및 스퍼터 가스를 선택할 수 있다.
스퍼터링 타겟의 경우, 전이금속과 규소를 함께 함유하는 하나의 타겟을 적용할 수 있고, 전이금속을 함유한 타겟과 규소를 함유한 타겟을 각각 적용할 수 있다. 스퍼터링 타겟으로 일 타겟을 적용하는 경우, 상기 타겟의 전이금속과 규소의 함량의 합 대비 전이금속 함량은 30% 이하일 수 있다. 상기 타겟의 전이금속과 규소의 함량의 합 대비 전이금속 함량은 20% 이하일 수 있다. 상기 타겟의 전이금속과 규소의 함량의 합 대비 전이금속 함량은 10% 이하일 수 있다. 상기 타겟의 전이금속과 규소의 함량의 합 대비 전이금속 함량은 2% 이상일 수 있다. 이러한 경우, 상기 타겟을 적용하여 스퍼터링 시 성막되는 위상 반전층은 목적하는 광학 특성을 가질 수 있다.
스퍼터 가스의 경우, 박막을 구성하는 원소 중 타겟에 함유된 조성 이외의 조성을 고려하여 스퍼터 가스를 조제할 수 있다. 구체적으로, 탄소를 함유하는 가스로 CH4, 산소를 함유하는 가스로 O2, 질소를 함유하는 가스로 N2 등이 도입될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 스퍼터 가스에는 박막을 구성하는 원소를 포함하는 가스 외에 불활성 가스가 첨가될 수 있다. 불활성 가스로는 Ar, He 등이 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 불활성 가스의 조성에 따라 스퍼터링 시 성막되는 박막의 막질이 변동될 수 있다. 따라서 불활성 가스의 조성을 조절함으로써 박막의 광학 특성을 제어할 수 있다. 스퍼터링 가스는 동일 조성의 가스별로 각각 챔버 내에 도입할 수 있다. 스퍼터링 가스는 각 조성의 가스를 혼합하여 챔버 내에 도입할 수 있다.
성막하는 박막의 두께 및 면 내 광학특성의 균일도 향상을 위해 챔버에 마그네트를 배치할 수 있다. 구체적으로, 마그네트를 스퍼터링 타겟의 배면(back side)에 위치시키고, 마그네트를 일정 크기의 속도로 회전시킴으로써 타겟 전면에 플라즈마가 일정한 분포를 유지하게 할 수 있다. 마그네트는 50 내지 200rpm의 속도로 회전시킬 수 있다.
마그네트의 회전속도는 스퍼터링 시 일정한 속도로 고정될 수 있다. 마그네트의 회전 속도는 스퍼터링 시 가변할 수 있다. 마그네트의 회전 속도는 스퍼터링 시 최초의 회전속도로부터 일정한 속도로 향상시킬 수 있다.
마그네트의 회전 속도는 스퍼터링 시 최초의 회전속도로부터 분당 5 내지 20rpm씩 상승시킬 수 있다. 마그네트의 회전 속도는 스퍼터링 시 최초의 회전속도로부터 분당 7 내지 15rpm씩 상승시킬 수 있다. 이러한 경우, 위상 반전층의 두께방향으로의 목적하는 막질 특성을 용이하게 제어할 수 있다.
앞에서 설명한 바와 같이, 마그네트의 자기장을 조절하면 챔버 내 형성되는 플라즈마의 밀도가 조절되어 성막되는 위상 반전층(20)의 결정 특성을 제어할 수 있다. 스퍼터링시 적용되는 마그네트의 자기장은 25 내지 60mT일 수 있다. 상기 자기장은 30 내지 50mT일 수 있다. 이러한 경우, 성막되는 위상 반전층(20)은 단파장의 노광광이 적용된 리소그래피 공정에서 상기 투명 기판과 유사한 결정 특성을 가질 수 있다.
스퍼터링 공정에서, 타겟과 기판 사이의 거리인 T/S거리와, 기판과 타겟간 각도를 조절할 수 있다. T/S거리는 240 내지 260mm 일 수 있다. 이러한 경우, 성막 속도가 안정적으로 조절되고, 성막되는 박막의 면내 광학 특성 균일도를 향상시킬 수 있다. 기판과 타겟간 각도는 20 내지 30도일 수 있다. 이러한 경우, 성막되는 박막의 내부응력이 과도하게 상승하는 것을 억제할 수 있다.
스퍼터링 공정에서, 성막되는 기판의 회전 속도를 조절할 수 있다. 성막되는 기판의 회전속도는 2 내지 20RPM일 수 있다. 상기 기판의 회전속도는 5 내지 15RPM일 수 있다. 상기 성막되는 기판의 회전 속도를 이러한 범위 내로 조절할 경우, 성막된 위상 반전층(20)은 면내 방향으로의 광학특성의 균등화도가 더욱 향상되면서 안정적인 내구성을 가질 수 있다.
또한, 위상차 조절층(21) 성막 시 스퍼터링 타겟에 가하는 전압의 세기를 조절할 수 있다. 스퍼터링 챔버 내 위치한 타겟에 전압을 공급함으로써 챔버 내 플라즈마 분위기를 포함하는 방전 영역을 형성한다. 상기 전압의 세기를 조절함으로써 마그네트와 함께 챔버 내 플라즈마 분위기를 조절하여 스퍼터링 시 성막되는 막의 막질을 조절할 수 있다. 스퍼터링 타겟에 가하는 전압의 세기는 1 내지 3kW일 수 있다. 상기 전압의 세기는 1.5 내지 2.5kW일 수 있다. 상기 전압의 세기는 1.8 내지 2.2kW일 수 있다. 이러한 경우, 위상 반전층(20)은 온도에 따른 두께 방향으로의 열적 변동이 일정 범위 내로 조절될 수 있다.
스퍼터링 장비에 분광타원해석기를 설치할 수 있다. 이를 통해, 성막되는 위상차 조절층(21)이 목적하는 광학적 특성을 가질 수 있도록 성막 시간을 제어할 수 있다. 구체적으로, 입사광(Li)이 성막되는 위상차 조절층(21)의 표면과 이루는 각도(θ)를 설정한 후, 증착과정 동안 실시간으로 성막되는 위상차 조절층(21)의 Del 값을 모니터링 할 수 있다. 상기 Del 값이 설정 범위 내에 속할 때까지 증착 공정을 진행함으로써 위상 반전층(20)이 목적하는 광학 특성을 가지게 할 수 있다.
분광타원해석기의 입사광의 포톤 에너지(Photon Energy)를 변화시키면서 반사광의 P파, S파간 위상차를 측정함으로써, 측정대상 박막의 층별 광학 특성 등을 측정할 수 있다. 구체적으로, 입사광의 포톤 에너지가 상대적으로 낮을 경우 입사광이 장파장을 형성하게 되어 측정 대상 박막의 하부층의 광학 특성 등을 측정할 수 있다. 입사광의 포톤 에너지가 상대적으로 높을 경우 입사광이 단파장을 형성하게 되어 측정 대상 박막의 상부층의 광학 특성 등을 측정할 수 있다.
예시적으로, 위상 반전층은 입사각을 64.5°로 적용하여 분광타원해석기로 측정한 아래 식 A에 따른 Del_1 값이 0인 점에서의 포톤 에너지가 1.8 내지 2.15eV이다.
[식 A]
Figure 112021017195550-pat00011
상기 식 A 에서, 상기 DPSp 값은, 입사각을 64.5°로 적용하여 상기 위상 반전층을 분광타원해석기로 측정 시, 반사광의 P파 및 S파간 위상차가 180° 이하이면 상기 P파 및 S파간 위상차이고, 상기 반사광의 P파와 S파의 위상차가 180° 초과이면 360°에서 상기 P파 및 S파간 위상차를 뺀 값이다.
상기 PE 값은 1.5 내지 3.0 eV 범위 내에서의 포톤 에너지로, PE1은 1.5eV, PE2 은 3eV일 때이다.
스퍼터링 공정을 마친 직후 위상차 조절층(21) 표면에 UV 광원 조사를 실시할 수 있다. 스퍼터링 공정에서 투명기판(10)을 구성하는 SiO2 매트릭스의 Si는 전이금속으로 치환되고, O는 N으로 치환될 수 있다. 스퍼터링 공정을 지속할 경우 전이금속이 고용한계(Solubility Limit)를 벗어나게 되어 SiO2 매트릭스 내 Si와 치환이 되는 것이 아닌 침입형 자리(Interstitial site)에 배치되어 전이금속이 Si, O, N 등의 원소와 함께 혼합물을 형성할 수 있다. 상기 혼합물은 균일(homogeneous) 상태 또는 불균일(inhomogeneous) 상태일 수 있다.
표면에 불균일 상태의 혼합물이 형성된 위상차 조절층(21)의 경우, 노광공정 중 단파장의 노광광에 의해 위상차 조절층(21) 표면에 헤이즈 결함이 형성될 수 있다. 또한 디펙트 제거를 위한 세정 공정에서 세정액으로 황산을 사용할 경우, 세정 공정 후 황 이온이 위상차 조절층(21) 표면에 잔류할 수 있다. 잔류하는 황 이온은 웨이퍼 노광 공정 중 노광광에 의한 강한 에너지를 장기간 받을 경우 불균일 상태의 혼합물과 반응하여 위상차 조절층(21) 표면에 성장성 결함을 발생시킬 수 있다. 따라서 위상차 조절층(21) 표면에 미리 설정된 파장의 UV광을 노출시켜 위상차 조절층(21) 표면의 혼합물 내 전이금속 및 N 함량을 막 내 방향으로 균일화시킴으로써 위상차 조절층(21)의 내광성 및 내약품성을 향상시킬 수 있다.
UV광을 이용한 위상차 조절층(21) 표면 처리는 2 내지 10mW/cm2 파워에서 파장 200nm 이하의 광원을 5 내지 20분 동안 위상차 조절층(21)에 노출시키는 방법으로 진행될 수 있다.
UV광 조사공정과 함께 또는 별도로, 위상차 조절층(21)을 열처리할 수 있다. UV광 조사공정과 열처리는 UV 조사에 의해 진행되는 발열을 활용하여 적용될 수 있고, 별도의 공정으로 진행될 수도 있다.
스퍼터링 공정을 통한 성막을 마친 위상차 조절층(21)은 내부 응력을 가질 수 있다. 내부응력은 스퍼터링의 조건에 따라 압축 응력일 수 있고, 인장 응력일 수 있다. 위상차 조절층(21)의 내부응력은 기판의 휘어짐을 초래할 수 있으며, 이는 블랭크 마스크(100)를 이용하여 제조한 포토마스크의 해상도 저하를 유발할 수 있다. 위상차 조절층(21)에 열처리를 행할 경우 위상 반전층(20)의 내부응력을 저감하여 기판의 휘어짐을 저감할 수 있다.
보호층(22)은 위상차 조정층(21) 상에 별도의 스퍼터링 공정을 통해 형성될 수 있다. 보호층(22)은 위상차 조정층(21)을 형성한 후 상기 위상차 조정층(21) 상에 표면 처리 공정을 실시하여 형성될 수 있다.
보호층(22)은 스퍼터링을 통한 위상차 조정층(21) 성막 후 열처리 공정을 통하여 형성될 수 있다. 열처리 공정 시 위상차 조정층(21) 표면이 분위기 가스와 반응함으로써 보호층(22)이 형성될 수 있다. 다만, 보호층(22) 제조방법은 이에 한정되지 않는다.
열처리 공정 시 챔버 내 분위기 가스를 도입함으로써 위상차 조절층(21) 표면에 보호층(22)을 형성할 수 있다. 열처리 공정 시 분위기 가스를 도입할 수 있다. 분위기 가스로는 He, Ar 등이 있으나, 이에 한정되지 않는다.
열처리 공정은 승온단계, 온도 유지단계, 강온단계 및 보호층 형성단계를 포함할 수 있다. 열처리 공정은 표면에 위상차 조절층(21)이 성막된 블랭크 마스크를 챔버 내에 배치한 후 램프를 통해 가열함으로써 진행될 수 있다.
승온단계는 챔버 내 온도를 실온에서 설정온도인 150 내지 500℃로 상승시키는 단계이다. 온도 유지단계는 챔버 내 온도를 상기 설정온도로 유지하고, 챔버 내 압력을 0.1 내지 2.0 Pa로 유지하는 단계이다. 온도 유지단계는 5분 내지 60분 동안 진행될 수 있다. 강온단계는 챔버 내 온도를 설정온도에서 실온으로 강하하는 단계이다. 보호층 형성단계는 강온단계를 마친 후 챔버 내 반응성 기체를 포함하는 기체를 도입하여 위상 반전층 표면에 보호층을 형성시키는 단계이다. 상기 반응성 기체는 O2를 포함할 수 있다. 보호층 형성단계에서 챔버 내 도입되는 기체는 N2, Ar 및 He 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 구체적으로 보호층 형성단계는 O2 기체를 챔버 내에 0.3 내지 2.5 SLM(Standard Liter per Minute)으로 도입할 수 있다. 상기 O2 기체를 챔버 내에 0.5 내지 2 SLM으로 도입할 수 있다. 보호층 형성단계 진행 시간은 10분 내지 60분동안 진행될 수 있다. 보호층 형성단계 진행 시간은 12분 내지 45분동안 진행될 수 있다. 이러한 경우, 보호층(22)의 두께 방향으로의 원소별 함량이 조절되어 보호층(22)으로 인한 위상 반전층(20)의 광학 특성 변동을 억제할 수 있다.
분광타원해석기(나노-뷰 사 MG-PRO제품)를 이용하여 PE1이 1.5eV, PE2가 5.0eV일 때의 Del_2 값 분포를 측정하였다. 구체적으로, 실시예 및 비교예 별 성막이 완료된 위상반전막 표면에 대하여 입사광의 각도를 64.5로 설정한 후, 포톤에너지에 따른 P파, S파간 위상차를 측정하여 이를 Del_2 값으로 환산하였다.
블랭크 마스크(100)는 PE1 값이 3.0eV이고, PE2 값이 5.0eV일 때, 아래 식 B로 표시되는 Del_2가 0인 점에서의 포톤 에너지가 3.9 내지 4.7eV일 수 있다.
[식 B]
Figure 112021017195550-pat00012
상기 식 B에서, 상기 DPS 값은, 상기 보호층 상에서 입사각을 64.5°로 적용하여 상기 위상반전막 표면을 분광타원해석기로 측정 시, 반사광의 P파 및 S파간 위상차가 180° 이하이면 상기 P파 및 S파간 위상차이고, 반사광의 P파와 S파의 위상차가 180° 초과이면 360°에서 상기 P파 및 S파간 위상차를 뺀 값이다.
상기 PE값은 상기 PE1 내지 상기 PE2 범위 내에서의 포톤 에너지이다.
차광층
상기 차광층(30)은 단층 구조일 수 있다. 차광층(30)은 2층 이상의 복수 층 구조일 수 있다. 차광층(30)은 스퍼터링을 통해 성막될 수 있다. 차광층(30)은 스퍼터링 제어 조건에 따라 2층 이상의 층구조를 가질 수 있다. 차광층(30) 스퍼터링 공정 시 층별 분위기 가스별 유량을 변경함으로써 복수층의 차광층(30)을 형성할 수 있다. 차광층(30) 스퍼터링 공정 시 층별로 스퍼터링 타겟을 변경함으로써 복수 층의 차광층(30)을 형성할 수 있다.
차광층(30)은 크롬 및 질소를 포함할 수 있다. 차광층(30)은 크롬, 산소, 질소 및 탄소를 포함할 수 있다. 전체 차광층(30) 대비 원소별 함량은 두께 방향으로 상이할 수 있다. 전체 차광층(30) 대비 원소별 함량은 복수층의 차광층(30)일 경우 층별로 상이할 수 있다.
차광층(30)은 크롬을 44 내지 60원자% 포함할 수 있다. 차광층(30)은 크롬을 47 내지 57원자% 포함할 수 있다. 차광층(30)은 탄소를 5 내지 30원자% 포함할 수 있다. 차광층(30)은 탄소를 7 내지 25원자% 포함할 수 있다. 차광층(30)은 질소를 3 내지 20원자% 포함할 수 있다. 차광층(30)은 질소를 5 내지 15원자% 포함할 수 있다. 차광층(30)은 산소를 20 내지 45원자% 포함할 수 있다. 차광층(30)은 산소를 25 내지 40원자% 포함할 수 있다. 이러한 경우, 차광층(30)은 두께를 조절하여 충분한 소광 특성을 가지도록 할 수 있고, 적절한 식각 특성을 갖도록 유도할 수 있다.
상기 위상반전층과 상기 차광층을 합쳐 다중막으로 표현할 수 있다. 즉, 다중막(미도시)은 위상 반전층(20)과 차광층(30)을 포함한다. 상기 다중막은 투명기판(10) 위에 블라인드 패턴을 형성하여 노광광이 투과되는 것을 억제할 수 있다.
다중막의 파장 200nm 이하의 광에 대한 광학농도는 3 이상일 수 있다. 다중막의 ArF 광에 대한 광학농도는 3 이상일 수 있다. 다중막의 파장 200nm 이하의 광에 대한 광학농도는 3.5 이상일 수 있다. 다중막의 ArF 광에 대한 광학농도는 3.5 이상일 수 있다. 이러한 경우, 다중막은 우수한 광 차단 특성을 가질 수 있다.
차광층의 결정 특성: 비정질지수
상기 차광층을 통하여, 상기 일반 모드 XRD 분석이 진행될 때, 반사후 측정된 X선 강도가 2θ가 15° 내지 30°사이에서 최대값을 가지고, 상기 투명 기판의 하면을 통하여, 상기 일반 모드 XRD 분석이 진행될 때, 반사 후 측정된 X선 강도가 2θ가 15° 내지 30°사이에서 최대값을 가질 수 있다.
삭제
이때, 상기 포토 마스크 및 상기 블랭크마스크에서, 하기의 식 5로 표시되는 제 5 비정질 지수(AI5)가 0.5 내지 0.97일 수 있다.
[식 5]
Figure 112021017195550-pat00013
여기서, 상기 XC1은 상기 차광층을 통하여, 상기 일반 모드 XRD 분석으로 측정된 X선 강도의 최대값이고, 상기 XQ1은 상기 투명 기판의 하면을 통하여, 상기 일반 모드 XRD 분석으로 측정된 X선 강도의 최대값이다.
상기 제 5 비정질 지수는 0.7 내지 0.97일 수 있다. 상기 제 5 비정질 지수는 0.5 내지 0.95일 수 있다. 상기 제 5 비정질 지수는 0.7 내지 0.95일 수 있다. 상기 제 5 비정질 지수는 0.7 내지 0.93일 수 있다. 상기 제 5 비정질 지수는 0.9 내지 0.93일 수 있다.
상기 포토마스크 및 상기 블랭크 마스크에서, 하기의 식 6으로 표시되는 제 6 비정질 지수(AI6)가 1.05 내지 1.4일 수 있다.
[식 6]
Figure 112021017195550-pat00014
여기서, 상기 XM4는 상기 차광층에 상기 일반 모드 XRD 분석이 진행될 때, 2θ가 43°일 때, 측정된 X선 강도이고, 상기 XQ4는 상기 투명 기판의 하면에 상기 일반 모드 XRD 분석이 진행될 때, 2θ가 43°일 때, 측정된 X선 강도이다.
상기 제 6 비정질 지수는 1.06 내지 1.4일 수 있다. 상기 제 6 비정질 지수는 1.07 내지 1.4일 수 있다. 상기 제 6 비정질 지수는 1.08 내지 1.4일 수 있다.
구현예의 차광층은 위상 반전층에 접하여 성막될 수 있고, 위상 반전층 상에 위치한 다른 박막에 접하여 성막될 수 있다.
차광층은 하층 및 상기 하층 상에 위치하는 상층을 포함할 수 있다.
스퍼터링 공정은 DC 전원을 사용할 수 있고, RF 전원을 사용할 수 있다.
차광층의 조성을 고려하여 차광층 스퍼터링 시 타겟 및 스퍼터 가스를 선택할 수 있다. 차광층이 2 이상의 층을 포함하는 경우, 각 층별 스퍼터링 시 스퍼터 가스의 조성을 상이하게 적용할 수 있다. 차광층이 2 이상의 층을 포함하는 경우, 각 층별 스퍼터링 시 스퍼터링 타겟 및 스퍼터 가스의 조성을 상이하게 적용할 수 있다.
스퍼터링 타겟의 경우, 크롬을 함유하는 하나의 타겟을 적용할 수 있고, 크롬을 함유하는 일 타겟을 포함하여 2 이상의 타겟을 적용할 수 있다. 크롬을 함유하는 타겟은 크롬을 90원자% 이상 포함할 수 있다. 크롬을 함유하는 타겟은 크롬을 95원자% 이상 포함할 수 있다. 크롬을 함유하는 타겟은 크롬을 99원자% 이상 포함할 수 있다.
스퍼터 가스의 경우, 차광층의 각 층을 구성하는 원소의 조성, 차광층 막질, 광학특성 등을 고려하여 스퍼터 가스의 조성을 조절할 수 있다.
스퍼터 가스는 반응성 기체와 불활성 기체를 포함할 수 있다. 스퍼터 가스 내 반응성 기체의 함량을 조절함으로써 성막되는 차광층의 광학특성 및 막질 등을 제어할 수 있다. 반응성 기체는 CO2, O2, N2 및 NO2 등을 포함할 수 있다. 반응성 기체는 상기 기재한 기체 외에 다른 기체를 더 포함할 수 있다.
스퍼터 가스 내 불활성 기체의 함량을 조절함으로써 성막되는 차광층의 막질등을 제어할 수 있다. 불활성 기체는 Ar, He 및 Ne 등을 포함할 수 있다. 불활성 기체는 상기 기재한 기체 외에 다른 기체를 더 포함할 수 있다.
차광층 하층 성막 시 Ar, N2, He 및 CO2를 포함하는 스퍼터 가스를 챔버 내 주입할 수 있다. 구체적으로, 상기 스퍼터 가스의 전체 유량 대비 CO2 및 N2의 유량의 합이 40% 이상인 스퍼터 가스를 챔버 내 주입할 수 있다. 이러한 경우, 차광층 하층은 목적하는 결정 특성을 가질 수 있다. 이에 따라서, 상기 포토마스크 및 상기 블랭크마스크는 상기 제 5 비정질 지수 및 상기 제 6 비정질 지수를 가질 수 있다.
차광층 상층 성막 시 Ar 및 N2를 포함하는 스퍼터 가스를 챔버 내 주입할 수 있다. 구체적으로, 상기 스퍼터 가스의 전체 유량 대비 N2의 유량이 30%이상인 스퍼터 가스를 챔버 내 주입할 수 있다. 이러한 경우, 상기 차광층의 상층은 목적하는 결정 특성을 가질 수 있다. 이에 따라서, 상기 포토마스크 및 상기 블랭크마스크는 상기 제 5 비정질 지수 및 상기 제 6 비정질 지수를 가질 수 있다.
스퍼터 가스를 구성하는 각 기체들은 스퍼터 챔버 내에 혼합하여 주입될 수 있다. 스퍼터 가스를 구성하는 각 기체들은 스퍼터 챔버 내 서로 다른 투입구를 통해 각각 개별적으로 주입될 수 있다.
성막하는 차광층의 막질 및 면 내 광학특성의 균일도 제어를 위해 챔버에 마그네트를 배치할 수 있다. 구체적으로, 마그네트를 스퍼터링 타겟의 배면(back side)에 위치시키고, 마그네트를 일정 크기의 속도로 회전시킴으로써 타겟 전면에 플라즈마가 일정한 분포를 유지하게 할 수 있다. 마그네트는 각 층별 성막 시 50 내지 200rpm의 속도로 회전시킬 수 있다.
스퍼터링 공정에서, 타겟과 기판 사이의 거리인 T/S거리와, 기판과 타겟간 각도를 조절할 수 있다. 차광층의 각 층별 성막 시 T/S거리는 240 내지 300mm 일 수 있다. 이러한 경우, 성막 속도가 안정적으로 조절되고, 성막되는 박막의 면내 광학 특성 균일도를 향상시킬 수 있다. 기판과 타겟간 각도는 20 내지 30도일 수 있다. 이러한 경우, 성막되는 박막의 내부응력이 과도하게 상승하는 것을 억제할 수 있다.
스퍼터링 공정에서, 성막되는 기판의 회전 속도를 조절할 수 있다. 차광층의 각 층별 성막 시 성막되는 기판의 회전속도는 2 내지 50RPM일 수 있다. 상기 기판의 회전속도는 10 내지 40RPM일 수 있다. 상기 성막되는 기판의 회전 속도를 이러한 범위 내로 조절할 경우, 상기 차광층은 목적하는 결정 특성을 가질 수 있다. 이에 따라서, 상기 포토마스크 및 상기 블랭크마스크는 상기 제 5 비정질 지수 및 상기 제 6 비정질 지수를 가질 수 있다.
또한, 차광층(30) 성막 시 스퍼터링 타겟에 가하는 전압의 세기를 조절할 수 있다. 스퍼터링 챔버 내 위치한 타겟에 전압을 공급함으로써 챔버 내 플라즈마 분위기를 포함하는 방전 영역을 형성한다. 상기 전압의 세기를 조절함으로써 마그네트와 함께 챔버 내 플라즈마 분위기를 조절하여 스퍼터링 시 성막되는 막의 막질을 조절할 수 있다.
차광층 하층 성막 시 스퍼터링 타겟에 가하는 전압의 세기는 0.5 내지 2kW일 수 있다. 상기 전압의 세기는 1.0 내지 1.8kW일 수 있다. 상기 전압의 세기는 1.2 내지 1.5kW일 수 있다. 차광층 상층 성막 시 스퍼터링 타겟에 가하는 전압의 세기는 1 내지 3kW일 수 있다. 상기 전압의 세기는 1.3 내지 2.5kW일 수 있다. 상기 전압의 세기는 1.5 내지 2.0kW일 수 있다. 이러한 경우, 차광층 하층은 목적하는 결정 특성을 가질 수 있다. 이에 따라서, 상기 포토마스크 및 상기 블랭크마스크는 상기 제 5 비정질 지수 및 상기 제 6 비정질 지수를 가질 수 있다.
스퍼터링 장비에 분광타원해석기를 설치할 수 있다. 이를 통해, 성막되는 차광층(30)이 목적하는 광학적 특성을 가질 수 있도록 성막 시간을 제어할 수 있다. 차광층(30) 성막 시 스퍼터링 장비에 분광타원해석기를 설치 후 측정하는 방법은 위상 반전층 성막 시와 동일하므로 생략한다.
차광층(30) 하층 성막 시 분광타원해석기로 측정한 반사광의 P파와 S파간 위상차가 140°인 점에서의 포톤 에너지가 1.6 내지 2.2eV가 될 때까지 스퍼터링을 진행할 수 있다. 차광층(30) 하층 성막 시 분광타원해석기로 측정한 반사광의 P파와 S파간 위상차가 140°인 점에서의 포톤 에너지가 1.8 내지 2.0eV가 될 때까지 스퍼터링을 진행할 수 있다.
차광층(30) 상층 성막 시 분광타원해석기로 측정한 반사광의 P파와 S파간 위상차가 140°인 점에서의 포톤 에너지가 1.7 내지 3.2eV가 될 때까지 스퍼터링을 진행할 수 있다. 차광층(30) 상층 성막 시 분광타원해석기로 측정한 반사광의 P파와 S파간 위상차가 140°인 점에서의 포톤 에너지가 2.5 내지 3.0eV가 될 때까지 스퍼터링을 진행할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 차광층 및 상기 투명 기판은 서로 다른 결정 특성을 가진다. 이에 따라서, 상기 차광층 및 상기 투명 기판은 서로 다른 광학 특성을 가질 수 있다. 이에 따라서, 상기 차광층은 높은 광학 밀도를 가질 수 있다.
이러한 경우, 성막된 차광층은 포토마스크의 블라인드 패턴에 포함되어 노광광을 효과적으로 차단할 수 있다.
포토마스크의 제조
구현예의 다른 실시예에 따른 포토마스크는 앞에서 설명한 블랭크 마스크(100)로 제조될 수 있다.
구체적으로, 포토마스크는 상기 블랭크 마스크(100) 표면을 레지스트로 도포한 후 건조하여 레지스트막(미도시)을 형성할 수 있다. 레지스트는 포지티브 레지스트(positive resist)일 수 있고, 네가티브 레지스트(negative resist)일 수 있다. 레지스트막은 차광층(30)에 인접하여 형성될 수 있다. 레지스트막은 차광층(30) 상에 위치하는 다른 막 표면상에 인접하여 형성될 수 있다.
레지스트막 상에 EB 또는 광 조사를 통해 패턴을 묘화 후 가열, 현상하여 패턴을 형성할 수 있다. 상기 형성된 레지스트 패턴을 에칭 마스크로 하여 블랭크 마스크(100) 표면에 형성된 박막을 에칭 가공할 수 있다. 상기 에칭 가공되는 박막은 차광층(30)일 수 있다. 상기 에칭 가공되는 박막은 차광층(30) 상에 형성된 다른 박막일 수 있다. 에칭 가공은 에칭 대상인 막의 조성에 따라 드라이 에칭을 적용할 수 있다. 드라이 에칭에 적용되는 에칭 기체로는 염소계 가스와 불소계 가스가 적용될 수 있다.
이후, 레지스트막을 제거하고, 위상 반전층 및 차광층을 설계한 패턴 형상대로 식각할 수 있다. 식각 시 박막 별 에칭 특성을 고려하여 서로 다른 에천트를 적용할 수 있다.
상기 제 1 비정질 지수가 상기 범위를 가지기 때문에, 상기 위상 반전층 및 상기 투명 기판은 매우 유사한 결정 특성을 가진다.
또한, 상기 제 2 비정질 지수가 상기 범위를 가지기 때문에, 상기 위상 반전층 및 상기 투명 기판은 매우 유사한 결정 특성을 가진다.
또한, 상기 제 3 비정질 지수가 상기 범위를 가지기 때문에, 상기 위상 반전층 및 상기 투명 기판은 매우 유사한 결정 특성을 가진다.
또한, 상기 제 4 비정질 지수가 상기 범위를 가지기 때문에, 상기 위상 반전층 및 상기 투명 기판은 매우 유사한 결정 특성을 가진다.
이에 따라서, 상기 위상 반전층 및 상기 투명 기판의 결정 특성 차이에 따른 광학적 왜곡이 최소화될 수 있다. 또한, 결정 특성 차이에서 기인하는 식각 정도의 차이 제어도 보다 용이하다. 즉, 상기 위상 반전층 및 상기 투명 기판이 서로 유사한 XRD 분석에 따른 결정 특성을 가지기 때문에, 상기 포토마스크는 향상된 광학적 성능을 가질 수 있다.
특히, 상기 투명기판 및 상기 위상 반전층은 유사한 결정 특성을 가지기 때문에, 상기 투명 기판 및 상기 위상 반전층이 서로 직접 접할 때, 상기 투명 기판 및 상기 위상 반전층 사이의 계면에서 발생되는 광학적 왜곡이 감소될 수 있다.
또한, 상기 제 5 비정질 지수가 상기 범위를 가지기 때문에, 상기 차광층 및 상기 투명 기판은 서로 다른 결정 특성을 가진다.
상기 제 6 비정질 지수가 상기 범위를 가지기 때문에, 상기 차광층 및 상기 투명 기판은 서로 다른 결정 특성을 가진다.
이에 따라서, 상기 차광층은 향상된 차광 성능을 가질 수 있다.
이에 따라서, 실시예에 따른 반도체 소자의 제조장치는 노광 및 현상 공정에서 광학적 왜곡에 따른 공정 오차를 줄일 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 장치는 향상된 미세 선폭 특성을 가지는 반도체 소자를 용이하게 제조할 수 있다.
이하, 구체적인 실시예에 대하여 보다 상세하게 설명한다.
제조예: 위상 반전층 및 차광층의 성막
실시예 1: DC 스퍼터링 장비의 챔버 내 가로 6인치, 세로 6인치, 두께 0.25인치의 쿼츠 소재 투명기판을 배치하였다. 몰리브덴과 규소가 1:9 원자비로 포함된 타겟이 T/S 거리가 255mm, 기판과 타겟간 각도가 25도를 형성하도록 챔버 내에 배치하였다. 타겟 배면에는 40mT의 자기장을 갖는 마그네트를 위치시켰다.
이후 Ar:N2:He=10:52:38의 비율로 혼합된 스퍼터 가스를 챔버 내 도입하고, 스퍼터링 전압을 2.05kW, 마그네트를 회전시키면서, 스퍼터링 공정을 실시하였다. 이때, 상기 마그네트의 회전속도는 최초 100rpm에서 분당 11 rpm씩 최대 155rpm까지 상승되었다. 박막이 형성되는 영역은 투명기판 표면의 가로 132mm, 세로 132mm의 넓이로 설정한 영역 내로 한정하였다. 스퍼터링 공정은 입사각을 64.5°로 적용하여 분광타원해석기로 측정한 아래 식 A에 따른 Del_1 값이 0인 점에서의 포톤 에너지가 2.0eV가 될 때까지 실시하였다.
[식 A]
Figure 112021017195550-pat00015
상기 식 A에서, 상기 DPS 값은, 반사광의 P파 및 S파간 위상차가 180° 이하이면 상기 P파 및 S파간 위상차를 의미하고, 반사광의 P파와 S파의 위상차가 180° 초과이면 360°에서 상기 P파 및 S파간 위상차를 뺀 값을 의미한다.
스퍼터링을 마친 블랭크마스크의 위상 반전층 표면을 172nm 파장의 Excimer UV광을 노출시켰다. 이때, 상기 UV 광의 출력은 분당 3mW/cm2씩 최대 9mW/cm2 로 상승되었고, 9mW/cm2 파워에서 4분간 유지되었다.
이후 상기 블랭크마스크를 열처리 공정용 챔버 내 도입한 후 1Pa에서 어닐링한 후 자연냉각하였다. 상기 어닐링 공정에서의 온도는 상온에서 분당 50℃씩 최대 400℃까지 상승되었고, 최대 온도에서 약 30분간 유지되었다. 자연냉각을 마친 후 열처리 공정용 챔버 내 O2 기체를 1SLM 속도로 30분간 챔버 내 도입하였다. 이때, O2의 공급 온도는 약 300℃였다.
상기 성막된 위상 반전층 표면 상에 차광층 스퍼터링 공정을 실시하였다. 구체적으로, 스퍼터링 챔버 내 T/S 거리가 255mm가 되고, 기판과 타겟간 각도가 25도를 형성하도록 크롬 타겟 및 위상 반전층이 성막된 투명기판을 배치하였다. 타겟 배면에는 40mT의 자기장을 갖는 마그네트를 위치시켰다.
챔버 내 유량비가 Ar:N2:He:CO2=19:11:34:37인 스퍼터 가스를 주입하였다. 이후 스퍼터링 전압을 1.35kW로 적용하고, 마그네트를 회전시키면서 분광타원해석기로 측정한 P파와 S파간 위상차가 140°인 점에서의 포톤에너지가 1.8 내지 2.0eV가 될 때까지 스퍼터링을 진행하여 차광막 하층을 성막하였다. 스퍼터링 공정을 실시하였다. 이때, 상기 마그네트의 회전속도는 최초 100rpm에서 분당 11 rpm씩 최대 155rpm까지 상승되었다.
차광층 하층 성막 후, 챔버 내 유량비가 Ar:N2=57:43인 스퍼터 가스를 주입하였다. 이후 스퍼터링 전압을 1.85kW로 적용하고, 마그네트를 회전시키면서 분광타원해석기로 측정한 P파와 S파간 위상차가 140°인 점에서의 포톤에너지가 2.75 내지 2.95eV가 될 때까지 스퍼터링을 진행하여 차광층 상층을 성막하였다.
상기와 같은 성막 조건을 적용하여 총 2개의 샘플을 제조하였다.
실시예 2: 실시예 1과 동일한 조건으로 스퍼터링 공정을 진행하되, 마그네트 자력을 45mT로 적용하였고, 공정 진행 시간을 상기 식 A에 따른 Del_1 값이 0인 점에서의 포톤 에너지가 1.89eV가 될 때까지 실시하였다.
실시예 3: 실시예 1과 동일한 조건으로 스퍼터링 공정을 진행하되, 스퍼터링 가스의 조성을 Ar:N2:He=8:58:34의 비율로 변경하였다.
비교예 1: DC 스퍼터링 장비의 챔버 내 가로 6인치, 세로 6인치, 두께 0.25인치의 쿼츠 소재 투명기판을 배치하였다. 몰리브덴과 규소가 1:9 원자비로 포함된 타겟이 T/S 거리가 255mm, 기판과 타겟간 각도가 25도를 형성하도록 챔버 내에 배치하였다. 타겟 배면에는 60mT의 자기장을 갖는 마그네트를 위치시켰다.
이후 Ar:N2:He=9:52:39의 비율로 혼합된 스퍼터 가스를 챔버 내 도입하고, 스퍼터링 전압을 2kW, 마그네트를 100rpm 속도로 회전시키면서, 스퍼터링 공정을 실시하였다. 박막이 형성되는 영역은 투명기판 표면의 가로 132mm, 세로 132mm의 넓이로 설정한 영역 내로 한정하였다. 스퍼터링 공정은 상기 식 A에 따른 Del_1 값이 0인 점에서의 포톤 에너지가 2.0eV가 될 때까지 실시하였다. 성막 후 UV 광 처리 및 어닐링 처리는 적용하지 않았다.
상기 성막된 위상 반전층 표면 상에 차광층 스퍼터링 공정을 실시하였다. 구체적으로, 스퍼터링 챔버 내 T/S 거리가 255mm가 되고, 기판과 타겟간 각도가 25도를 형성하도록 크롬 타겟 및 위상 반전층이 성막된 투명기판을 배치하였다. 타겟 배면에는 60mT의 자기장을 갖는 마그네트를 위치시켰다.
챔버 내 유량비가 Ar:N2:He:CO2=19:11:34:37인 스퍼터 가스를 주입하였다. 이후 스퍼터링 전압을 1.35kW로 적용하고, 마그네트를 100rpm으로 회전시키면서 분광타원해석기로 측정한 P파와 S파간 위상차가 140°인 점에서의 포톤에너지가 1.8 내지 2.0eV가 될 때까지 스퍼터링을 진행하여 차광층 하층을 성막하였다. 스퍼터링 공정을 실시하였다.
차광층 하층 성막 후, 챔버 내 유량비가 Ar:N2=57:43인 스퍼터 가스를 주입하였다. 이후 스퍼터링 전압을 1.85kW로 적용하고, 마그네트를 회전시키면서 분광타원해석기로 측정한 P파와 S파간 위상차가 140°인 점에서의 포톤에너지가 2.75 내지 2.95eV가 될 때까지 스퍼터링을 진행하여 차광층 상층을 성막하였다.
비교예 2: 비교예 1과 동일한 조건으로 스퍼터링 공정을 진행하되, 마그네트 자력을 20mT로 적용하였다. 또한, 추가 열처리 공정이 적용되지 않았다.
상기 샘플들은 차광층을 형성하기 전에, 스퍼터링 장치에 설치된 분광타원해석기(나노-뷰 사 MG-PRO제품)를 이용하여 PE1이 1.5eV, PE2가 5.0eV일 때의 Del_2 값 분포를 측정하였다. 구체적으로, 실시예 및 비교예 별 성막이 완료된 위상반전막 표면에 대하여 입사광의 각도를 64.5로 설정한 후, 포톤에너지에 따른 P파, S파간 위상차를 측정하여 이를 식 B에 따라 Del_2 값으로 환산하였다. 그 결과는 아래 표 2에 나타냈다.
평가예: XRD 분석
실시예 1 내지 3, 비교예 1 및 비교예 2에서 제조된 블랭크 마스크에서, 상기 투명 기판의 하면을 통하여, 일반 모드 XRD 분석 및 고정 모드 XRD 분석이 진행되었다. 또한, 상기 블랭크 마스크에서, 상기 차광층을 통하여, 일반 모드 XRD 분석 및 고정 모드 XRD 분석이 진행되었다. 이후, 에칭 및 세정 공정에 의해서, 상기 블랭크마스크에 포함된 차광층이 제거되고, 상기 위상 반전막이 노출되었다.
이와 같이, 상기 노출된 위상 반전층을 통하여, 일반 모드 XRD 분석 및 고정 모드 XRD 분석이 진행되었다.
상기 일반 모드 XRD 분석은 하기와 같은 조건에서 진행되었다.
장비명 : Rigaku 社 smartlab
x-ray source : Cu target
x-ray 정보 : 파장 1.542 nm, 45 kV, 200 mA
(Θ-2Θ) measurement range: 10~100 ˚
Step : 0.05 ˚
Speed : 5 ˚/min
상기 고정 모드 XRD 분석은 하기와 같은 조건에서 진행되었다.
장비명 : Rigaku 社 smartlab
x-ray source : Cu target
x-ray 정보 : 파장 1.542 nm, 45 kV, 200 mA
X선 발생기 출사각 : 1°
(Θ-2Θ) measurement range: 10~100 ˚
Step : 0.05 ˚
Speed : 5 ˚/min
평가예: 위상차, 투과율 측정
앞의 제조예를 통해 설명한 실시예 및 시편에 대해, 상기 열적 변동 측정 시와 동일한 방법의 에칭을 통해 차광층을 제거하였다. 위상차/투과율 측정기(Lasertec사 MPM193제품)를 이용하여 위상차 및 투과율을 측정하였다. 구체적으로, ArF 광원(파장 193nm)을 이용하여 각 시편의 위상 반전층이 성막된 영역과 위상 반전층이 성막되지 않은 영역에 빛을 조사하여, 양 영역을 통과한 빛 사이의 위상차 및 투과율 차이값을 산출하여 아래 표 2에 기재하였다.
평가예: 콘트라스트 및 CD 값 측정
실시예 및 비교예 별 시편의 위상 반전층 표면에 포토레지스트막을 성막한 후, 상기 포토레지스트막 표면에 Nuflare 사의 EBM 9000 모델을 이용하여 밀집한 사각형 패턴을 노광하였다. 사각형 패턴의 타겟 CD 값은 400nm(4X)로 설정하였다. 이후 각 시편의 포토레지스트막 상에 패턴을 현상한 후, Applied material 사의 Tetra X 모델을 이용하여 차광층 및 위상 반전층을 현상된 패턴 형상에 따라 식각하였다. 이후 포토레지스트 패턴을 제거하였다.
위상 반전층 패턴을 포함하는 실시예 및 비교예 별 시편에 대하여 Carl Zeiss 사의 AIMS 32 모델을 이용하여 위상 반전층의 Del_1 값, Del_2 값에 따른 웨이퍼 노광 공정시 현상된 패턴의 콘트라스트 및 정규화된 CD 값을 측정 및 산출하였다. 측정 및 산출 시 개구 수(NA)는 1.35, 조명계는 crosspole 30X, outer sigma 0.8, in/out sigma ratio 85%로 설정하였다. 측정한 데이터는 아래 표 3에 기재하였다.
AI1 AI2 AI3 AI4 AI5 AI6
실시예 1 1.00 1.02 1.01 0.99 0.96 1.0938
실시예 2 1.01 1.02 1.02 0.99 0.95 1.10
실시예 3 1.00 1.03 1.02 1.00 0.93 1.11
비교예 1 0.97 0.96 0.94 1.05 0.99 1.05
비교예 2 0.94 0.95 0.93 1.02 0.98 1.05
자기장(mT) Del_1 값이 0인 점에서의 포톤에너지(eV) Del_2 값이 0인 점에서의 포톤에너지(eV) 투과율(%) 위상차(°)
실시예 1 40 2.00 4.44 6.1 178.5
실시예 2 45 1.89 4.31 5.4 186.1
실시예 3 35 2.09 4.65 6.9 172.4
비교예 1 60 1.65 3.84 3.4 209.1
비교예 2 20 2.17 4.80 7.8 166.0
정규화된 콘트라스트 정규화된 CD(nm)
실시예 1 1.000 0.99
실시예 2 0.989 1.01
실시예 3 0.959 1.03
비교예 1 0.929 1.06
비교예 2 0.883 1.10
상기 표 1에서, 실시예 1 내지 3의 각 측정 조건별 TFT1 및 TFT2 값은 모두 0.25um/100℃ 이하의 값을 나타냈으나, 비교예 1 및 2의 각 측정 조건별 TFT1 및 TFT2 값은 모두 0.25um/100℃ 초과의 값을 나타냈다. 이는 스퍼터링 시 공정 조건 등을 제어함에 따라 블랭크 마스크 내 포함된 박막의 열적 변동을 조절할 수 있음을 나타낸다.
상기 표 2에서, 자기장을 30 내지 50mT 범위 내로 적용한 실시예 1 내지 3은 Del_1 값이 0인 점에서의 포톤 에너지가 1.8 내지 2.15eV 범위 내에 포함되지만, 자기장이 30mT 미만 또는 50mT 초과인 비교예 1 및 2는 Del_1 값이 0인 점에서의 포톤 에너지가 1.8 내지 2.15eV 범위 내에 포함되지 않는 것으로 나타났다. 이를 통해, 스퍼터링 공정에서 마그네트 자력을 조절함으로써 위상 반전층의 포톤에너지에 따른 Del_1 값 분포를 제어할 수 있음을 알 수 있다.
또한, 성막 후 추가 열처리 공정을 실시한 실시예 1 내지 3은 Del_2 값이 0인 점에서의 포톤 에너지가 4 내지 4.75eV 범위 내에 포함되지만, 성막 후 추가 열처리 공정을 실시하지 않은 비교예 1 및 2는 Del_2 값이 0인 점에서의 포톤에너지가 4 미만 또는 4.75 초과하는 것으로 나타났다. 이는 스퍼터링 성막 후 열처리 공정을 적용함으로써 위상 반전층의 포톤에너지에 따른 Del_2 값 분포를 제어할 수 있음을 의미한다.
실시예 1 내지 3의 투과율은 5.4 내지 6.9% 범위 내에 속하고, 위상차는 170 내지 190°범위 내에 속하였지만, 비교예 1은 투과율이 4% 미만, 위상차가 200° 이상으로 측정되었고, 비교예 2는 투과율이 7.5% 이상, 위상차가 170° 미만으로 측정되었다. 이를 통해, Del_1 값이 0인 점에서의 포톤에너지 및 Del_2 값이 0인 점에서의 포톤에너지가 설정한 범위 내로 조절된 위상 반전층은 단파장의 노광광에 대하여 목적하는 투과율(6%) 및 위상차(180도)에 근접하는 광학특성을 나타내는 것을 알 수 있다.
상기 표 3에서, Del_1 값이 0인 점에서의 포톤에너지가 1.8 내지 2.15eV 범위 내에 속하고, Del_2 값이 0인 점에서의 포톤에너지가 4 내지 4.75eV 범위 내에 속하는 실시예 1 내지 3은 정규화된 콘트라스트 0.95 이상을 나타내고, 정규화된 CD 값이 1.03 이하를 나타내는 반면, 비교예 1 및 2는 정규화된 콘트라스트 0.93 미만을 나타내고, 정규화된 CD 값이 1.06 이상을 나타냈다. 이를 통해, 열적 변동이 제어되고, Del_1 값이 0인 점에서의 포톤에너지 및 Del_2 값이 0인 점에서의 포톤에너지가 설정한 범위 내로 조절된 위상 반전층은 패턴 노광 시 더 높은 수준의 해상도를 가지는 것을 알 수 있다.
이상에서 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 구현예의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 블랭크 마스크 200: 포토 마스크
10: 투명기판
20: 위상 반전층 21: 위상차 조정층 22: 보호층
30: 차광막
60: X선 발생기(광원)
70: 검출기

Claims (13)

  1. 광원; 및
    상기 광원으로부터의 광이 입사되고, 상기 입사된 광을 선택적으로 투과시켜, 반도체 웨이퍼로 출사하는 포토 마스크를 포함하고,
    상기 포토 마스크는
    투명 기판;
    상기 투명 기판 상에 배치되는 위상 반전층; 및
    상기 위상 반전층 상에 배치되는 차광층을 포함하고,
    상기 투명 기판은 합성 쿼츠 기판이 적용되고,
    상기 위상 반전층은 상기 투명 기판 상에 위치하는 위상차 조정층 및 상기 위상차 조정층 상에 위치하는 보호층을 포함하고,
    상기 위상 반전층은 전이금속, 규소, 산소 및 질소를 포함하고,
    상기 위상차 조정층은 3 내지 10원자%의 전이금속, 20 내지 50원자%의 규소, 2 내지 10원자%의 산소 및 40 내지 60원자%의 질소를 포함하고,
    상기 보호층은 0.5 내지 5원자%의 전이금속, 10 내지 50원자%의 규소, 10 내지 50원자%의 산소 및 20 내지 40원자%의 질소를 포함하고,
    상기 차광층은 44 내지 60원자%의 크롬, 3 내지 20원자%의 질소 및 20 내지 45원자%의 산소를 포함하고,
    상기 포토 마스크는 일반 모드 XRD로 분석되고,
    상기 일반 모드 XRD 분석에서 상기 위상 반전층 방향에서 반사 후 측정된 X선 강도의 최대 피크는 2θ가 15° 내지 30°사이에 위치하고,
    상기 일반 모드 XRD 분석에서 상기 투명 기판 방향에서 반사 후 측정된 X선 강도의 최대 피크는 2θ가 15° 내지 30°사이에 위치하고,
    하기의 식 1로 표시되는 제 1 비정질 지수(AI1)가 0.98 내지 1.02인 반도체 소자의 제조 장치;
    [식 1]
    Figure 112021133180025-pat00016

    상기 식 1에서,
    상기 XM1은 상기 위상 반전층에 상기 일반 모드 XRD 분석이 진행될 때, 측정된 X선 강도의 최대값이고,
    상기 XQ1은 상기 투명 기판의 하면에 상기 일반 모드 XRD 분석이 진행될 때, 측정된 X선 강도의 최대값이다.
  2. 투명 기판; 상기 투명 기판 상에 배치되는 위상 반전층; 및 상기 위상 반전층의 적어도 일부 상에 배치되는 차광층을 포함하는 포토 마스크이고,
    상기 투명 기판은 합성 쿼츠 기판이 적용되고,
    상기 위상 반전층은 상기 투명 기판 상에 위치하는 위상차 조정층 및 상기 위상차 조정층 상에 위치하는 보호층을 포함하고,
    상기 위상 반전층은 전이금속, 규소, 산소 및 질소를 포함하고,
    상기 위상차 조정층은 3 내지 10원자%의 전이금속, 20 내지 50원자%의 규소, 2 내지 10원자%의 산소 및 40 내지 60원자%의 질소를 포함하고,
    상기 보호층은 0.5 내지 5원자%의 전이금속, 10 내지 50원자%의 규소, 10 내지 50원자%의 산소 및 20 내지 40원자%의 질소를 포함하고,
    상기 차광층은 44 내지 60원자%의 크롬, 3 내지 20원자%의 질소 및 20 내지 45원자%의 산소를 포함하고,
    상기 포토 마스크는 일반 모드 XRD로 분석되고,
    상기 일반 모드 XRD 분석에서 상기 위상 반전층 방향에서 반사 후 측정된 X선 강도의 최대 피크는 2θ가 15° 내지 30°사이에 위치하고,
    상기 일반 모드 XRD 분석에서 상기 투명 기판 방향에서 반사 후 측정된 X선 강도의 최대 피크는 2θ가 15° 내지 30°사이에 위치하고,
    하기의 식 1로 표시되는 제 1 비정질 지수(AI1)가 0.98 내지 1.02인, 포토 마스크;
    [식 1]
    Figure 112021133180025-pat00017

    상기 식 1에서,
    상기 XM1은 상기 위상 반전층에 상기 일반 모드 XRD 분석이 진행될 때, 측정된 X선 강도의 최대값이고,
    상기 XQ1은 상기 투명 기판의 하면에 상기 일반 모드 XRD 분석이 진행될 때, 측정된 X선 강도의 최대값이다.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 보호층은 두께 방향으로 산소 함량 대비 질소 함량의 비율이 0.4 내지 2에 속하는 영역을 포함하고, 상기 영역은 상기 보호층 전체 두께를 100%로 보았을 때 30 내지 80%의 두께인, 포토 마스크.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 위상 반전층의 두께를 100%로 보았을 때 상기 보호층의 두께는 4 내지 9%이고,
    상기 보호층의 두께는 25Å 이상 80Å 이하이고,
    상기 위상차 조정층은 ArF 광에 대한 굴절률이 2 내지 4이고, ArF 광에 대한 소쇠계수가 0.3 내지 0.7인, 포토 마스크.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 위상 반전층의 하면으로부터 상기 차광층의 상면까지 전체 ArF 광에 대한 광학농도가 3 이상인, 포토 마스크.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 포토 마스크는 고정 모드 XRD로 분석되고,
    상기 고정 모드 XRD 분석에서 상기 위상 반전층 방향에서 반사 후 측정된 X선 강도의 최대 피크인 제 1 피크는 2θ가 15° 내지 25°사이에 위치하고,
    상기 고정 모드 XRD 분석에서 상기 투명 기판 방향에서 반사 후 측정된 X선 강도의 최대 피크인 제 2 피크는 2θ가 15° 내지 25°사이에 위치하고,
    하기의 식 2로 표시되는 제 2 비정질 지수(AI2)가 0.9 내지 1.1인 포토 마스크;
    [식 2]
    Figure 112021017195550-pat00018

    상기 식 2에서,
    상기 XM2는 상기 제 1 피크의 강도 값이고,
    상기 XQ2는 상기 제 2 피크의 강도 값이다.
  7. 제2항에 있어서,
    하기의 식 3으로 표시되는 제 3 비정질 지수(AI3)가 0.9 내지 1.1인, 포토 마스크;
    [식 3]
    Figure 112021017195550-pat00019

    상기 식 3에서,
    상기 AM1은 상기 위상 반전층에 일반 모드 XRD 분석이 진행될 때, 반사 후 측정된 X선 강도 그래프에서 2θ가 15° 내지 30°사이인 영역에서의 면적이고,
    상기 AQ1은 상기 투명 기판의 하면에 일반 모드 XRD 분석이 진행될 때, 반사 후 측정된 X선 강도 그래프에서 2θ가 15° 내지 30°사이인 영역에서의 면적이다.
  8. 제7항에 있어서,
    하기의 식 4로 표시되는 제 4 비정질 지수(AI4)가 0.9 내지 1.1인, 포토 마스크;
    [식 4]
    Figure 112021017195550-pat00020

    상기 식 4에서,
    상기 XM4는 상기 위상 반전층에 진행된 상기 일반 모드 XRD 분석에서, 2θ가 43°일 때 반사된 X선 강도이고,
    상기 XQ4는 상기 투명 기판의 하면에 진행된 상기 일반 모드 XRD 분석에서, 2θ가 43°일 때 반사된 X선 강도이다.
  9. 투명 기판; 상기 투명 기판 상에 배치되는 위상 반전층; 및 상기 위상반전층 상에 배치되는 차광층을 포함하는 블랭크 마스크이고,
    상기 투명 기판은 합성 쿼츠 기판이 적용되고,
    상기 위상 반전층은 상기 투명 기판 상에 위치하는 위상차 조정층 및 상기 위상차 조정층 상에 위치하는 보호층을 포함하고,
    상기 위상 반전층은 전이금속, 규소, 산소 및 질소를 포함하고,
    상기 위상차 조정층은 3 내지 10원자%의 전이금속, 20 내지 50원자%의 규소, 2 내지 10원자%의 산소 및 40 내지 60원자%의 질소를 포함하고,
    상기 보호층은 0.5 내지 5원자%의 전이금속, 10 내지 50원자%의 규소, 10 내지 50원자%의 산소 및 20 내지 40원자%의 질소를 포함하고,
    상기 차광층은 44 내지 60원자%의 크롬, 3 내지 20원자%의 질소 및 20 내지 45원자%의 산소를 포함하고,
    상기 블랭크 마스크는 일반 모드 XRD로 분석되고,
    상기 일반 모드 XRD 분석에서 상기 위상 반전층 방향에서 반사 후 측정된 X선 강도의 최대 피크는 2θ가 15° 내지 30°사이에 위치하고,
    상기 일반 모드 XRD 분석에서 상기 투명 기판 방향에서 반사 후 측정된 X선 강도의 최대 피크는 2θ가 15° 내지 30°사이에 위치하고,
    하기의 식 1로 표시되는 제 1 비정질 지수(AI1)가 0.98 내지 1.02인, 블랭크 마스크;
    [식 1]
    Figure 112022008748533-pat00021

    상기 식 1에서,
    상기 XM1은 상기 위상 반전층에 상기 일반 모드 XRD 분석이 진행될 때, 측정된 X선 강도의 최대값이고,
    상기 XQ1은 상기 투명 기판의 하면에 상기 일반 모드 XRD 분석이 진행될 때, 측정된 X선 강도의 최대값이다.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 위상 반전층은 입사각을 64.5°로 적용하여 분광타원해석기로 측정한 아래 식 A에 따른 Del_1 값이 0인 점에서의 포톤 에너지가 1.8 내지 2.15eV인, 블랭크 마스크;
    [식 A]
    Figure 112021133180025-pat00022

    상기 식 A 에서, 상기 DPSp 값은, 입사각을 64.5°로 적용하여 상기 위상 반전층을 분광타원해석기로 측정 시, 반사광의 P파 및 S파간 위상차가 180° 이하이면 상기 P파 및 S파간 위상차이고, 상기 반사광의 P파와 S파의 위상차가 180° 초과이면 360°에서 상기 P파 및 S파간 위상차를 뺀 값이고,
    상기 PE 값은 1.5 내지 3.0 eV 범위 내에서의 포톤 에너지로, PE1은 1.5eV, PE2 은 3eV일 때이다.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 위상 반전층은 입사각을 64.5°로 적용하여 분광타원해석기로 측정한 포톤 에너지가 PE1 값이 3.0eV이고, PE2 값이 5.0eV일 때, 아래 식 B로 표시되는 Del_2가 0인 점에서의 포톤 에너지가 3.9 내지 4.7eV인, 블랭크 마스크;
    [식 B]
    Figure 112021133180025-pat00023

    상기 식 B에서, 상기 DPS 값은, 상기 보호층 상에서 입사각을 64.5°로 적용하여 상기 위상반전층 표면을 분광타원해석기로 측정 시, 반사광의 P파 및 S파간 위상차가 180° 이하이면 상기 P파 및 S파간 위상차이고, 반사광의 P파와 S파의 위상차가 180° 초과이면 360°에서 상기 P파 및 S파간 위상차를 뺀 값이고, 상기 PE값은 상기 PE1 내지 상기 PE2 범위 내에서의 포톤 에너지이다.
  12. 투명 기판; 상기 투명 기판 상에 배치되는 위상 반전층; 및 상기 위상 반전층 상에 배치되는 차광층을 포함하는 블랭크 마스크이고,
    상기 투명 기판은 합성 쿼츠 기판이 적용되고,
    상기 차광층은 44 내지 60원자%의 크롬, 3 내지 20원자%의 질소 및 20 내지 45원자%의 산소를 포함하고,
    상기 차광층을 통하여, 일반 모드 XRD 분석이 진행될 때, 반사후 측정된 X선 강도 피크는 2θ가 15° 내지 30°사이에서 최대값을 가지고,
    상기 투명 기판의 하면을 통하여, 상기 일반 모드 XRD 분석이 진행될 때, 반사 후 측정된 X선 강도 피크는 2θ가 15° 내지 30°사이에서 최대값을 가지고,
    상기 블랭크 마스크는 하기의 식 5로 표시되는 제 5 비정질 지수(AI5)가 0.9 내지 0.97인, 블랭크 마스크;
    [식 5]
    Figure 112021133180025-pat00024

    상기 식 5에서,
    상기 XC1은 상기 차광층을 통하여 측정된 X선 강도의 최대값이고,
    상기 XQ1은 상기 투명 기판의 하면을 통하여 측정된 X선 강도의 최대값이다.
  13. 제12항에 있어서,
    하기의 식 6으로 표시되는 제 6 비정질 지수(AI6)가 1.05 내지 1.4인, 블랭크 마스크;
    [식 6]
    Figure 112021017195550-pat00025

    상기 식 6에서,
    상기 XC4는 상기 차광층의 방향에서 상기 일반 모드 XRD 분석이 진행될 때, 2θ가 43°일 때 반사된 X선 강도이고,
    상기 XQ4는 상기 투명 기판의 하면 방향에서 상기 일반 모드 XRD 분석이 진행될 때, 2θ가 43°일 때 반사된 X선 강도이다.
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