KR19990030944A - 리소그래피용 반사굴절 결상광학계 - Google Patents

리소그래피용 반사굴절 결상광학계 Download PDF

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    • G03F7/70225—Optical aspects of catadioptric systems, i.e. comprising reflective and refractive elements

Abstract

본 발명은 ArF 엑시머레이저를 광원으로 사용하여 원본인 마스크 상의 패턴을 웨이퍼 위에 전사시켜 미세한 선폭 구현을 하는 반사경과 렌즈로 구성된 리소그래피용 반사굴절 결상광학계에 관한 것으로서, 굴절능을 갖는 주반사경과 수차보정을 위한 보정용 렌즈들을 결합시키고, 광학계의 마지막 렌즈를 CaF2로 대체한 광학계를 제공함으로써, 파장이 짧으면서도 넓은 대역폭을 가지는 광원을 사용할 수 있고, 광학계의 수명을 향상시키고, 확대된 원본인 마스크 상의 패턴을 웨이퍼면 위에 전사시켜 미세 선폭을 구현할 수 있는 효과가 있다.

Description

리소그래피용 반사굴절 결상광학계
본 발명은 반도체 소자의 제작에 사용되는 노광장비의 광학계에 관한 것으로, 특히 ArF 엑시머레이저를 광원으로 사용하여 확대된 원본인 마스크 상의 패턴을 웨이퍼 위에 전사시켜 미세한 선폭 구현을 하는 반사경과 렌즈로 구성된 리소그래피용 반사굴절 결상광학계(結像光學系)에 관한 것이다.
반도체 제조에 있어서, 반도체가 대용량화, 고집적화됨에 따라 소자의 밀도가 높아져 회로를 구성하는 패턴 선폭의 미세화와 칩 크기의 대형화가 요구되어지고 있다. 따라서 이런 요구를 충족시키기 위하여 반도체 노광공정에 이용되는 노광장비 역시 고성능화가 요구되고 있다. 노광장비에 의해 구현될 수 있는 선폭은 기본적으로 광학계의 해상도에 좌우된다. 노광장비의 광학계 해상도 즉, 분해능은 사용 광원의 파장에 비례하고 광학계의 개구수에 반비례한다. 따라서 보다 미세한 패턴 형성을 위해서는 더 짧은 파장의 광원을 사용하거나, 광학계의 개구수를 더 높여야 한다. 이 2가지 방법 중에서 개구수를 높여주는 것은 초점심도가 얕아진다는 공정상의 문제와 광학계 설계상의 문제로 인하여 한계가 있다. 이러한 이유로 인하여 광원의 파장을 짧게하는 방법이 채택되고 있다. 그러나 파장이 짧은 자외선(ultraviolet)을 광원으로 사용하는 경우 광학재료의 제한이 따른다.
종래의 리소그래피용 굴절광학계는 렌즈만으로 구성되고, 용융석영만을 광학재료로 사용하여 수차가 발생하므로, 이를 억제하기 위해 수차가 허용될 수 있을 정도로 대역폭이 좁은 광원이 필요하고, 용융석영의 높은 흡수율에 의해 광량의 손실로 광학계의 전체 투과도가 현저히 떨어지며, 광원에 의한 광학재료의 열화로 생기는 용융석영의 결함으로 수명이 단축되는 문제점이 있다.
상기 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 굴절능을 갖는 주반사경과 수차보정을 위한 보정용 렌즈들을 결합시키고, 광학계의 마지막 렌즈를 CaF2로 대체한 광학계를 제공함으로써, 파장이 짧으면서도 넓은 대역폭을 가지는 광원을 사용할 수 있고, 광학계의 수명을 향상시키고, 확대된 원본인 마스크 상의 패턴을 웨이퍼면 위에 전사시켜 미세 선폭을 구현하는데 목적이 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 반사굴절 결상광학계의 전체적인 개략도,
도 2 는 본 발명에 따른 반사굴절 결상광학계의 상세 구조도,
도 3 은 본 발명에 따른 반사굴절 결상광학계의 공간주파수에 대한 성능값 표시도,
도 4 는 본 발명에 따른 반사굴절 결상광학계의 공간주파수 2000cycles/mm에서의 각 초점위치에 따른 광학계의 성능값 표시도.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
10 : 마스크 20 : 제 1 렌즈군
30 : 반사경 40 : 제 2 렌즈군
50 : 편광선속분할기 51,52 : 프리즘
53 : 광속분할면 60 : 제 1 파장평판
70 : 주 반사경 80 : 제 2 파장평판
90 : 제 3 렌즈군 100 : 웨이퍼
21,22,23,24,25,41,42,43,44,91,92,93,94,95 : 렌즈
본 발명은 ArF 엑시머레이저를 광원으로 사용하여 확대된 원본인 마스크 상의 패턴을 웨이퍼 위에 전사시켜 미세한 선폭 구현을 하는 반사경과 렌즈로 구성된 리소그래피용 반사굴절 결상광학계에 관한 것으로서, 리소그래피용 반사굴절 결상광학계는, 광원의 후단에 위치하고, 수차를 보정하는 제 1 렌즈군과, 제 1 렌즈군에서 투과되는 광축을 90도로 굴절시키는 반사경과, 반사경의 후단에 위치하며, 수차 보정과 집광 역할을 하는 제 2 렌즈군과, 제 2 렌즈군의 후단에 위치하며, 입사하는 광원의 편광(Polarized light)을 반사시키는 편광선속분할기와, 편광선속분할기의 상부에 위치하며, 반사된 선편광을 원편광으로 변화시켜 투과하고, 원편광을 다시 선편광으로 변화시켜 투과하는 제 1 파장평판과, 제 1 파장평판에서 투과된 원편광을 반사시키는 주반사경과, 제 1 파장평판에서 투과된 선편광을 원편광으로 변화시켜 투과시키는 제 2 파장평판과, 제 2 파장평판에서 투과된 원편광을 최종적으로 수차 보정을 하고, 마스크의 상 정보를 웨이퍼에 결상시키는 제 3 렌즈군으로 구성된다.
상기와 같은 구성으로 파장이 짧으면서도 넓은 대역폭을 가지는 광원을 사용할 수 있고, 광학계의 수명 향상은 물론, 확대된 원본인 마스크 상의 패턴을 웨이퍼면 위에 전사시켜 미세 선폭을 구현할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작을 상세히 설명한다.
도 1 은 본 발명에 따른 반사굴절 결상광학계의 전체적인 개략도이다.
먼저, 광원에서 발진된 광은 조명광학계를 거쳐 패턴이 형성된 확대된 원본 마스크(10)위에 균일하게 조명된다. 조명된 광에 의해 마스크(10)의 정보는 제 1 렌즈군(20)에서 수차가 보정되어 투과되고, 제 1 렌즈군(20) 후단의 반사경(30)에서 광축이 90도로 굴절되어 나간다. 반사경(30)에서 굴절된 광은 제 2 렌즈군(40)에서 수차를 보정하고, 집광하여 투과시킨다. 제 2 렌즈군(40)의 후단에 위치한 편광선속분할기(50)는 입사하는 광원의 편광을 반사시키고, 편광선속분할기(50)의 상부에 위치한 제 1 파장평판(60)은 반사된 선편광을 원편광으로 변화시켜 투과시킨다. 주반사경(70)은 제 1 파장평판(60)에서 투과된 원편광을 반사시키고, 제 1 파장평판(60)은 주반사경(70)에서 반사된 원편광을 다시 선편광으로 변화시키고, 제 1 파장평판(60)에서 투과된 선편광은 편광선속분할기(50)를 통과하여 제 2 파장평판(80)으로 입사된다. 제 2 파장평판(80)은 입사된 선편광을 원편광으로 변화시킨다. 제 2 파장평판(80)에서 투과된 원편광은 제 3 렌즈군(90)에서 최종적으로 수차 보정을 하고, 마스크의 상 정보를 웨이퍼에 결상시켜 웨이퍼 상에 미세한 선폭을 구현할 수 있다. 여기서, 광원은 파장 193.3nm인 ArF 엑시머 레이저를 사용하며, 축소배율 1/4, 개구수 0.55인 반사굴절 광학계로 상 크기는 노광영역 26×5mm2을 스캔형으로 사용하는 광학계이다.
도 2 는 본 발명에 따른 반사굴절 결상광학계의 상세 구조도이다.
먼저, 광원으로 파장 193.3nm인 ArF 엑시머레이저가 발진되어 조명광학계를 거쳐 패턴이 형성된 마스크(10)위에 균일하게 조명된다. 조명된 광에 의해 마스크(10)의 정보는 광학재료가 용융석영인 5장의 렌즈(21, 22, 23, 24, 25)로 구성된 제 1 렌즈군(20)에서 수차가 보정되어 투과된다. 반사경(30)에서는 광축을 90도로 굴절시키고, 광학재료가 용융석영인 4장의 렌즈(41, 42, 43, 44)로 구성된 제 2 렌즈군(40)에서 수차를 보정하고, 집광하여 투과시킨다. 상기 제 2 렌즈군(40)의 후단에 위치하고, 2개의 직각프리즘(51, 52)으로 구성된 편광선속분할기(50)는 입사하는 광원의 편광을 두 개의 프리즘(51, 52)이 맞닿는 영역인 광속분할면(53)에서 반사시키고, 상기 편광선속분할기(50)의 상부에 위치한 제 1 파장평판(60)은 광속분할면(53)에서 반사된 선편광을 원편광으로 변화시켜 투과시킨다. 주반사경(70)은 제 1 파장평판(60)에서 투과된 원편광을 반사시키고, 제 1 파장평판(60)은 주반사경(70)에서 반사된 원편광을 다시 선편광으로 변화시켜 투과시킨다. 상기 제 1 파장평판(60)에서 투과된 선편광은 편광선속분할기(50)를 통하여 제 2 파장평판(80)으로 입사된다. 상기 제 2 파장평판(80)에서는 선편광을 원편광으로 변화시켜 투과시키고, 제 2 파장평판(80)으로부터 투과된 원편광은 광학재료가 용융석영인 4장의 렌즈(91, 92, 93, 94)와 광학재료가 CaF2인 1장의 렌즈(95)로 구성된 제 3 렌즈군(90)에서 최종적으로 수차가 보정되어 마스크의 상 정보가 웨이퍼에 결상된다.
여기서, 반사굴절 결상광학계의 각 구성요소들에 대한 두께, 앞 렌즈와의 간격 및 곡률반경 등은 다음의 [표 1]과 같다.
구 분 렌 즈 면 곡률반경(mm) 두께(mm) 굴절률 간격(mm)
마스크 면 무한대 23.000
제 1렌즈군(20) 제 1렌즈(21) 앞 783.166 16.00 1.560294
뒤 -515.921 37.000
제 2렌즈(22) 앞 352.768 18.600 1.560294
뒤 -777.475 58.500
제 3렌즈(23) 앞 121.651 18.000 1.560294
뒤 251.178 8.800
제 4렌즈(24) 앞 409.772 8.200 1.560294
뒤 163.421 9.000
제 5렌즈(25) 앞 211.582 8.038 1.560294
뒤 111.743 204.700
제 2렌즈군(40) 제 6렌즈(41) 앞 784.023 9.500 1.560294
뒤 459.714 22.800
제 7렌즈(42) 앞 -187.597 9.000 1.560294
뒤 -289.859 0.500
제 8렌즈(43) 앞 412.963 15.100 1.560294
뒤 734.600 9.300
제 9렌즈(44) 앞 무한대 15.500 1.560294
뒤 -440.338 5.000
편광선속분할기(50) 앞 무한대 75.000 1.560294
뒤 무한대 75.000 1.560294 2.000
제 1파장평판(60) 위 무한대 6.000 1.560294
아래 무한대 2.000
주반사경(70) -306.965 10.013
제 2파장평판(80) 위 무한대 6.000 1.560294
아래 무한대 2.000
제 3렌즈군(90) 제 10렌즈(91) 앞 105.500 11.950 1.560294
뒤 417.322 5.200
제 11렌즈(92) 앞 -295.611 7.200 1.560294
뒤 무한대 2.242
제 12렌즈(93) 앞 353.817 17.033 1.560294
뒤 -791.855 1.200
제 13렌즈(94) 앞 417.369 18.000 1.560294
뒤 -787.124 2.100
제 14렌즈(95) 앞 252.726 12.400 1.5010724
뒤 702.015 6.205
상기의 표에 제시된 것과 같이 렌즈의 두께를 얇게 함으로서 전체 광학계가 높은 투과율을 가지면서 전 노광영역에서 균일한 고 분해능을 가질 수 있으며, 넓은 오초점 범위를 가질 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 반사굴절 결상광학계의 공간주파수에 대한 성능값(MTF) 표시도로서, 공간주파수 3000cycles/mm까지 물체의 중심(0.0 field), 전시계의 0.2, 0.7, 0.9 되는 곳 및 전시계(1.0 field)에 대해 자오(tangential) 상면과 구결(sagittal)상면의 성능값을 각각 나타낸다. 이 도면에서는 본 발명이 전 상면에 결쳐 균형을 이루는 고 분해능을 가지고 있음을 알 수 있다.
도 4 는 본 발명에 따른 반사굴절 결상광학계의 공간주파수 2000cycles/mm에서의 각 초점위치에 따른 광학계의 성능값 표시도로서, 공간주파수 2000cycles/mm에 대한 자오상면과 구결상면의 성능값을 나타내고, 이 성능값으로 오초점 범위를 알 수 있다.
본 발명은 굴절능을 갖는 주반사경과 수차 보정을 위한 보정용 렌즈들을 결합시키고, 광학계의 마지막 렌즈를 CaF2로 대체한 광학계를 제공함으로써, 파장이 짧으면서도 넓은 대역폭을 가지는 광원을 사용할 수 있고, 광학계의 수명을 향상시키고, 확대된 원본인 마스크 상의 패턴을 웨이퍼면 위에 전사시켜 미세 선폭을 구현할 수 있는 효과가 있다. 그리고, 각 렌즈들의 두께를 얇게 함으로서, 전체 광학계가 높은 투과율을 가지면서 전 노광영역에서 균일한 고 분해능을 가질 수 있으며, 넓은 오초점 범위를 가질 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 반도체 소자 제작에서 웨이퍼를 노광시킬 때 사용되는 리소그래피용 반사굴절 결상광학계에 있어서,
    광원의 후단에 위치하고, 광원에 의해 조명된 마스크 상의 수차를 보정하는 제 1 렌즈군(20)과;
    상기 제 1 렌즈군(20)에서 투과되는 광축을 90도로 굴절시키는 반사경(30)과;
    상기 반사경(30)의 후단에 위치하며, 굴절된 광의 수차 보정과 집광 역할을 하는 제 2 렌즈군(40)과;
    상기 제 2 렌즈군(40)의 후단에 위치하며, 제 2 렌즈군(40)을 투과하여 입사되는 광원의 편광을 반사시키는 편광선속분할기(50)와;
    상기 편광선속분할기(50)의 상부에 위치하며, 반사된 선편광을 원편광으로 변화시켜 투과하고, 다시 원편광을 선편광으로 변화시켜 투과하는 제 1 파장평판(60)과;
    상기 제 1 파장평판(60)에서 투과된 원편광을 반사시키는 주반사경(70)과;
    상기 제 1 파장평판(60)에서 투과된 선편광을 원편광으로 변화시켜 투과하는 제 2 파장평판(80)과;
    상기 제 2 파장평판(80)에서 투과된 원편광을 최종적으로 수차 보정 하고, 마스크의 상 정보를 웨이퍼에 결상시키는 제 3 렌즈군(90)으로 구성된 것을 특징으로 하는 리소그래피용 반사굴절 결상광학계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 렌즈군(90)은, 광학재료가 용융석영인 4장의 렌즈(91, 92, 93, 94)와 광학재료가 CaF2인 1장의 렌즈(95)로 구성된 것을 특징으로 하는 리소그래피용 반사굴절 결상광학계.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 3 렌즈군(90)의 렌즈(95)는 앞면과 뒷면의 곡률반경이 각각 252.726(mm), 702.015(mm)이고, 두께와 굴절률이 각각 12.400(mm)와 1.5010724이며, 앞 렌즈와의 간격이 6.205(mm)인 것을 특징으로 하는 리소그래피용 반사굴절 결상광학계.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 편광선속분할기(50)는 2개의 직각 프리즘(51, 52)으로 구성되며 각 프리즘의 크기가 150×150×155(mm)으로 한면의 길이를 다르게 형성한 것을 특징으로 하는 리소그래피용 반사굴절 결상광학계.
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