KR19980015311A - X-선 마스크 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마스크(mask) 패턴(pattern)에 X-선을 노광(exposure)시켜 그 마스크 패턴에 해당하는 형상(image)을 웨이퍼(wafer) 위에 전사(transfer) 할 때 사용하는 X-선 마스크(X-ray mask)에 관한 것이다.
즉, 마스크 기판(mask substrate)과 지지링 (support ring)과의 열팽창 계수(coefficient of thermal expansion) 차이에 의한 마스크의 열적 변형(thermal distortion)을 근본적으로 제거하고, 외부의 기계적 스트레스(mechanical stress)에 대한 지지 링의 저항(resistance)능력을 향상시키기 위해 지지 링의 이면(the other side)에 마스크 기판과 동일한 재료로 구성되고, 마스크 기판과 동일한 공정 과정을 거친 변형 방지용 보조기판(supporting substrate to protect distortion)을 추가로 부착하여 구성한 X-선 마스크에 관한 것이다.
Description
본 발명은 마스크 패턴(mask pattern)에 X-선을 노광(exposure)시켜 그 마스크 패턴에 해당하는 형상(image)을 웨이퍼 상부에 전사(transfer)할 때 사용하는 X-선 마스크(X-ray mask)에 관한 것이다.
본 발명은 X-선 마스크는 물론 전자빔 셀 투사형 리소그래피(electron-beam cell projection lithography)용 마스크 및 이온빔 리소그래피(ion-beam lithography)용 마스크에도 응용할 수 있다.
도 1은 종래의 X-선 마스크의 단면도(cross-sectional view)이다.
X-선 마스크는 마스크 기판(1)의 상부 및 하부에 상부 및 하부 X-선 투과성 박막(2A 및 2B)이 형성되는 주 기판(1A)과, X-선을 잘 투과시키도록 마스크 기판(1) 후면부를 제거하여 형성한 두께 2μm 정도의 얇은 멤브레인(4)과, X-선을 잘 흡수하여 X-선 투과를 효과적으로 차단하는 흡수체(absorber)(3), 그리고 마스크의 기계적 안정과 마스크 취급의 편의를 위해 주 기판의 뒷면에 접착하는 지지 링(5)으로 구성된다. 이들 중 실제 소자의 패턴이 위치하는 칩 사이트 영역인 멤브레인(4)은 미세한 흡수체 패턴이 형성되어, 작게는 0.15μm 이하의 미세선폭 패턴이 각인되기 때문에 스트레스에 의한 변형(distortion)이나 열적 변형이 극히 적어야 하고, 편평도(flatness)도 매우 우수해야 한다. 이 편평도나 변형 정도의 척도로서 OPD(Out-of-Plane Distortion)와 IPD(In-Plane Distortion)을 주로 사용하는데, 이 두 변수는 주로 X-선 투과성 박막 증착 및 마스크 기판의 후면 식각(back-etching)을 통한 멤브레인 형성, 지지 링 부착, 멤브레인 위에서의 흡수체 미세 패턴의 형성, 그리고 최종 제작된 마스크의 X-선 스텝퍼에의 장착 등 매 공정마다 매우 민감하게 영향 받는다.
종래의 X-선 마스크의 배면도를 도 2에 도시하였다. 마스크 기판(1)에 X-선 투과성 박막이 증착된 주 기판(1A)의 후면에 지지 링(5)을 접착하여 X-선 마스크를 제작하게 된다. 그러나 대개 본 지지 링(5)과 주 기판 간의 열팽창계수가 동일하지 않기 때문에 지지 링(5) 접착후 마스크가 온도 변화를 겪게 되면, 도 3a에 예시한 것처럼 가운데가 위로 볼록해지는(convex) 양상으로 주 기판이 변형되거나 도3b에 예시된 바와 같이 가운데가 아래로 오목해지는(concave) 양상으로 변형된다. 이렇게 주 기판이 변형되면 소자 패턴의 위치정밀도(pattern position accuracy)와 층간 정렬 정밀도(overlay accuracy)가 크게 나빠지게 된다. 따라서 마스크 변형을 최소화 하기 위해 마스크 기판 및 X-선 투과성 박막, 지지 링 등의 재질이나 구조를 적절하게 선택하는 일이 매우 중요하다.
한 예로서 마스크 기판으로 주로 사용되는 실리콘 웨이퍼의 열팽창계수는 2.6x10-6/ ℃이고, 지지 링으로 주로 사용되는 파이렉스(Pyrex)의 열팽창계수(α)는 3.6x10-6/ ℃이어서 그 차이가 크다. 따라서, 주 기판 후면에 지지 링을 300 ℃정도에서 수행하는 아노딕 본딩(anodic bonding)에 의해 접착하고 나서 상온으로 냉각하게 되면 열팽창계수 4a 열적 변형이 매우 크다.
상술한 바와같이 종래의 X-선 마스크에서는 마스크 기판과 지지 링 간의 열팽창계수가 서로 동일하지 않는 한 열팽창계수 차이로부터 유발되는 마스크의 열적 변형을 피할 수가 없었다. 마스크 기판으로 주로 사용하는 실리콘 웨이퍼(silicon wafer)를 가공해서 지지 링으로 사용하면 열적 변형은 막을 수 있으나 기계적 강도가 충분치 못하여 지지 링의 역할을 하지 못한다.
따라서, 본 발명에서는 상기의 열적 변형을 근본적으로 제거하고, 지지 링 자체의 외부의 기계적 스트레스에 대한 내성을 향상시키기 위해 종래의 지지 링의 이면에 마스크 기판과 동일한 또는 유사한 재료로 구성하고, 동일한 또는 유사한 공정 과정을 거친 변형 방지용 보조기판을 부착한 X-선 마스크를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 X-선 마스크는 지지 링 하부에 변형 방지용 보조 기판이 부착되어 있는 것을 특징으로 한다.
도 1은 종래의 X-선 마스크의 단면도.
도 2는 종래의 X-선 마스크에 사용되는 지지 링의 배면도(back view).
도 3a 및 3b는 종래의 X-선 마스크에서 마스크 기판과 지지 링 간의 열팽창 계수 차이에 의해 변형 된 마스크의 단면도.
도 4a는 본 발명에 따른 X-선 마스크의 단면도.
도 4b는 본 발명에 따른 변형 방지용 보조기판의 배면도.
도 5a 및 5b는 종래 및 본 발명의 X-선 마스크에 대해서 OPD와 IPD의 크기를 예측하기 위해 시도한 특성도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 마스크 기판1A : 주 기판
2A 및 2B : 상부 및 하부 X-선 투과성 박막
3 : 흡수체4 : 칩사이트 영역의 멤브레인
5 : 지지 링(support ring)6 : 변형방지용 지지 기판
6A : 변형 방지용 보조 기판
7A 및 7B : 변형 방지용 지지 기판에 증착된 상부 및 하부 X-선 투과성 박막
8 : 변형 방지용 보조 기판상의 X-선 통과 창(passing window)
본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4a는 본 발명에 따른 X-선 마스크의 단면도로서, 마스크 기판(1)의 상부 및 하부에 상부 및 하부 X-선 투과성 박막(2A 및 2B)이 형성되는 주 기판(1A)과, X-선을 잘 투과시키도록 마스크 기판 해당 배면부를 제거하여 형성한 두께 2μm정도의 얇은 멤브레인(4)과, X-선을 잘 흡수하여 X-선 투과를 효과적으로 차단하는 흡수체(3), 그리고 마스크의 기계적 안정과 마스크 취급의 편의를 위해 주 기판 뒷면에 접착하는 지지 링(5)으로 구성된 종래의 X-선 마스크에 있어서, 주 기판(1A)을 접착하는 지지 링(5)의 상면(upper side)의 반대 면(the opposite side)인 지지 링(5)의 하면(backside)에 변형 방지용 보조기판(6A)이 접착된다. 상기 변형 방지용 보조기판(6A)은 변형 방지용 지지 기판(6)의 상부 및 하부에 상부 및 하부 X-선 투과성 박막(7A 및 7B)이 형성된다. 즉, 상기 주 기판(1A)과 동일한(또는 유사한)재료로 구성되고, 마스크 기판(1)과 동일한(또는 유사한)제작 공정 과정을 거치게 된다. 또한, 상기 주 기판(1A)상의 칩 사이트 영역인 멤브레인(4)에 대응하도록 X-선 통과 창(8)이 형성된다.
이렇게 지지 링(5) 하면에 변형 방지용 보조기판(6A)을 부착하게 되면, 주 기판(1A)에서 발생되는 4b변형(thermal distortion)이 본 변형 방지용 보조기판(6A)에서 발생된 열적 변형과 상쇄되어, 결과적으로 주 기판에서 변형이 발생되지 않게 된다. 결국 주 기판은 물론 칩 사이트(chip site)가 되는 멤브레인(4)에서의 변형이 전체적으로 현저히 감소하게 되어서, X-선 마스크의 본격적인 활용에 가장 장애 요인이 되고 있는 패턴의 위치 정확도(pattern position accuracy) 및 층간 정렬 정밀도(overlay accuracy) 저하의 문제는 근본적으로 해결이 가능하다.
한 실시예로서 상기 마스크 기판(1) 및 변형 방지용 지지 기판(6)은 두께가 625μm이고, 외경이 4 인치(100 mm), 열팽창계수(coefficiend of thermal expansion; α)는 2.6x10-6/ ℃인 실리콘 웨이퍼이다. 상부 및 하부 X-선 투과성 박막(2A 및 2B, 7A 및 7B)은 다이아몬드(C), 실리콘(Si), 실리콘 카바이드(SiC), 실리콘 나이트라이드(SiN) 또는 브론 나이트라이드(BN) 중 어느 하나로 형성된 박막으로서 박막 두께는 2μm, 열팽창계수(α)는 실리콘 나이트라이드의 경우 2.7x10-6/ ℃, 박막 내의 잔류 응력(residual stress)은 200 MPa 이다. 멤브레인(4)과 X-선 투과창(8)은 가로, 세로 크기가 공히 16 mm인 정방형의 모양으로 설계되었다. 지지 링(5)은 글래스 링(glass ring)으로서, 두께는 5 mm, 외경은 실리콘 웨이퍼와 동일한 4 인치(100 mm), 내경은 80 mm, 폭이 10 mm 인 글래스 링으로 열팽창계수(α)는 3.6x10-6/ ℃이다.
도 4b는 본 발명에 따른 변형 방지용 보조기판의 배면도(back view)이다.
박막(7)은 X-선 투과성이 높은 상부 및 하부 박막(2A 및 2B)과 재질이 동일하다. X-선 통과 창(8)은 칩 사이트(chip site)인 멤브레인(4)과 모양은 물론 같거나 유사해야 하고, 크기는 멤브레인(4) 보다 약간 크거나 같은 크기로 설계되어야 하며, X-선 통과를 위해 변형 방지용지지 기판(6)은 물론 상부 및 하부 X-선 투과성 박막(7A 및 7B)을 완전히 제거한다.
도 5a 및 5b는 종래 및 본 발명의 X-선 마스크에 대해서 OPD와 IPD의 크기를 예측하기 위해 도시한 특성도로서, 모든 OPD 및 IPD 값은 실리콘 웨이퍼와 글래스 링을 300℃까지 서서히 가열한 뒤 아노딕본딩(anodic bonding)에 의해 접착하고, 다시 상온(25 ℃)까지 서서히 냉각(cooling)한 뒤에 측정하여 도출한 결과이다.
도 5a는 마스크 기판 전면에서의 OPD 변동 효과를 도시한 것이고, 도 5b의 멤브레인 영역에서의 OPD 및 IPD 의 변동 효과를 각각 도시한 것이다.
도 5a에서 도시한 바와 같이 종래의 X-선 마스크(Conv. Mask)에서는 4 인치(inch)직경의 주 기판 전체에서의 OPD 값은 88.1μm인 반면, 본 발명의 새로운 X-선 마스크(New Mask) 구조에서는 6.0 μm 정도로 대폭 축소되는 것을 알 수 있다.
멤브레인 영역에서도 OPD 값은 3.5μm에서 0.9μm로, IPD값은 1.0μm에서 0.7μm로 축소되는 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명은 마스크 변형 방지 효과가 탁월하다는 것을 알 수 있다.
상술한 바와같이 본 발명에 의하면 주 기판과의 열팽창계수 차이에 의한 마스크의 열적 변형이 방지 되고, 마스크의 외부 기계적 스트레스에 대한 내성이 향상된다. 따라서, X-선 마스크의 광범위한 활용에 가장 장애 요인이 되고 있는 멤브레인의 변형에 의해 초래되는 패턴 위치 정확도(pattern position accuracy) 및 층간의 변형에 의해 초래되는 패턴 위치 정확도(pattern position accuracy) 및 층간 정렬 정밀도(overlay accuracy) 저하 문제가 근본적으로 해결되어, 차세대 고집적 IC(integrated circuit)용 마스크의 구현이 가능해진다.
본 발명은 상기 X-선 마스크는 물론 전자빔 셀 투사형 리소그래피(electron-beam cell projection lithography)용 마스크 및 이온빔 리소그래피(ion-beam lithography)용 마스크에도 응용할 수 있다.
Claims (4)
- 마스크 기판과, X-선 투과성이 높은 박막을 상기 마스크 기판 표면에 형성하고, 소정 영역에 대하여 상기 X-선 투과성이 높은 박막의 후면부가 노출되도록 상기 마스크 기판 일부를 제거하여 형성한 멤브레인과, 시료 기판 위에 전사하고자 하는 패턴을 X-선 투과성이 낮은 재료로써 상기 멤브레인의 표면에 형성한 흡수체와, 마스크의 기계적 안정과 마스크 취급의 편의를 위해 마스 기판 후면에 접착하는 지지 링을 구비한 X-선 마스크에 있어서,상기 지지 링 하부에 변형 방지용 보조 기판이 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 X-선 마스크.
- 제 1 항에 있어서, 상기 변형 방지용 보조기판은 상기 주 기판과 동일하거나 유사한 구성인 것을 특징으로 하는 X-선 마스크.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 변형 방지용 보조기판은 상기 주 기판의 멤브레인 영역에 대응하는 X-선 통과창이 형성되어 상기 X-선 통과창을 통과한 X-선이 상기 멤브레인을 통과하여 웨이퍼에 조사될 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 X-선 마스크.
- 제 1 항에 있어서, 상기 변형 방지용 보조기판의 상부 및 하부 박막은 다이아몬드, 실리콘, 실리콘 카바이드, 실리콘 나이트라이드 또는 보론 나이트라이드 중 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 X-선 마스크.
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