KR20020033059A - 낮은 열 부하를 갖는 조명시스템 - Google Patents

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볼프강 싱거
빌헬름 울리치
마르틴 안토니
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케이.그나찌그, 뮬러 리브만
칼-짜이스-스티프퉁 트레이딩 에즈 칼 짜이스
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Abstract

본 발명은 광원을 포함하고, 상기 광원에 의해 조명되는 제 1 래스터 부재를 가진 제 1 광학 부재를 포함하며, 상기 광원으로부터 입사되는 광선속이 각각 하나의 초점을 가진 수렴 광선속으로 분할되고, 제 2 래스터 부재를 가진 제 2 광학 부재를 포함하고, 제 1 래스터 부재에 의해 형성된 각각의 광선속에는 하나의 제 2 래스터 부재가 할당되는 파장 ≤193 nm용, 특히 EUV-리소그래피용 조명 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 제 2 광학 부재의 제 2 래스터 부재가 제 1 광학 부재의 제 1 래스터 부재에 의해 발생된 광선속의 초점 외부에 놓이는 것을 특징으로 한다.

Description

낮은 열 부하를 갖는 조명 시스템 {Illumination system with reduced heat load}
본 발명은 청구항 제 1 항의 전제부에 따른 조명 시스템, 열 부하를 감소시키기 위한 방법 및 이러한 조명 시스템을 구비한 투사 노광 장치에 관한 것이다.
전자 부품의 구조물 폭을 특히 서브마이크론 범위로 더욱 감소시키기 위해, 마이크로 리소그래피에 사용되는 빛의 파장이 감소되어야 한다. 193 nm 미만의 파장에서는 예컨대 약한 X 선에 의한 리소그래피, 소위 EUV-리소그래피가 가능하다.
EUV-리소그래피에 적합한 조명 시스템은 가급적 낮은 반사로 EUV-리소그래피에 주어지는 필드, 특히 대물 렌즈의 링 필드를 균일하게 조명해야하고, 또한 대물 렌즈의 개구 조리개가 필드와 무관하게 일정한 충전율 σ까지 조명되어야 하며 조명 시스템의 출사동이 대물 렌즈의 입사동 내에 놓여야 한다.
미국 특허 제 5,339,346호에는 EUV-광선을 사용하는 리소그래피 장치용 조명 시스템이 공지되어 있다. 레티클 평면에서 균일한 조명을 위해 그리고 개구 조리개의 충전을 위해, 미국 특허 제 5,339,346호는 콜렉터 렌즈로서 구성되고, 대칭으로 배치된 적어도 4쌍의 거울 파싯을 포함하는 콘덴서를 제시한다. 광원으로는 플라즈마 광원이 사용된다.
미국 특허 제 5,737,137호에는 콘덴서 거울을 포함하는 플라즈마 광원을 구비한 조명 시스템이 공지되어 있다. 여기서는 구면 거울에 의해 조명될 마스크 또는 레티클의 조명이 이루어진다.
미국 특허 제 5,361,292호에는 플라즈마 광원을 포함하며, 점 형태 플라즈마 광원이 편심 배치된 5개의 비구면 거울을 포함하는 콘덴서에 의해 링형으로 조명되는 면으로 결상되는, 조명 시스템이 공지되어 있다. 특별하게 후속 배치된 일련의스쳐가는 입사(grazing-incidence) 거울에 의해 링형으로 조명되는 면이 입사동으로 결상된다.
미국 특허 제 5,581,605호에는 광자 방사기가 허니콤 콘덴서에 의해 다수의 2차 광원으로 분할되는 조명 시스템이 공지되어 있다. 이로 인해, 레티클 평면에서 균일한 조명이 이루어진다. 레티클을 노광될 웨이퍼로 결상하는 것은 종래의 축소(reduction) 렌즈 시스템에 의해 이루어진다. 조명 광로에는 동일하게 휘어진 부재를 가진 정확히 하나의 래스터(rastered) 거울이 제공된다.
유럽 특허 제 0 939 341호에는 파장 < 200 nm용, 특히 EUV-범위용 쾰러(Koehler) 조명 시스템이 공지되어 있다. 상기 시스템은 다수의 제 1 래스터 부재를 포함하는 제 1 광학 적분기(integrator) 및 다수의 제 2 래스터 부재를 포함하는 제 2 적분기를 포함한다.
독일 특허 제 199 03 807 A1호에는 래스터 부재를 가진 2개의 거울 또는 렌즈를 포함하는 또 다른 EUV-조명 시스템이 공지되어 있다. 이러한 시스템은 2중으로 파싯된 EUV-조명 시스템이라 한다. 상기 출원서의 공개 내용을 본 출원에 참고할 수 있다.
독일 특허 제 199 03 807 A1호에는 2중으로 파싯된 EUV-조명 시스템의 기본 구성이 제시된다. DE 199 03 807호에 따른 조명 시스템의 출사동에서의 조명은 제 2 거울 상에서 래스터 부재의 배치에 의해 결정된다.
독일 특허 제 199 03 807호에 공지된 시스템의 단점은 필드 허니콤에 의해 직경 X를 가진 광원이 직접 개구 조리개 허니콤 내로 결상된다는 것이다. 이상적인 경우에는 개구 조리개 허니콤의 장소에 광원의 점대점 결상이 이루어진다. 광원의 에텐듀(Etendue)가 작으면, 매우 작은 광원 상들이 개구 조리개 허니콤에 생기므로, 거기에 국부적으로 매우 집중된, 매우 높은 열 부하가 발생한다.
일반적으로 조명 광학 장치의 에텐듀(Etendue) 및 위상 공간 체적은 하기 식에 의해 주어진다:
(E) 에텐듀(Etendue) = BX·BY·π·σ2·NA2
상기 식에서,
BX: 필드 폭
BY: 필드 길이
NA: 후속 접속된 결상 대물렌즈의 물체측 애퍼처
σ: 코히런스율
BX·BY = 8 ×88 ㎟, NA = 0.0625 및 σ = 0.8의 전형적인 값에 의해 에텐듀(Etendue) E = 5.5㎟ 가 얻어진다. 예컨대 싱크로트론 광원과 같은 EUV-광원은 약 0.001의 에텐듀(Etendue)를 갖는다. 즉, 팩터 5500 만큼 더 낮다. 이것과 관련해서, 예컨대 M. Antoni 저 "Illumination optics design for EUV lithography", Proc. SPIE, 4146권, 페이지 25-34(2000)를 참고할 수 있다. 이러한 시스템에서는 열 부하가 개구 조리개 허니콤 플레이트상의 점 형태 광원 상에 분포된다. 이 경우, 전체 출력은 파싯(facet) 거울의 수에 의해 미미하게 감소된다.
본 발명의 목적은 래스터 부재를 가진 제 2 거울 또는 제 2 렌즈에 대한 감소된 열 부하를 가지며 가급적 간단히 구성되는 2중으로 파싯된 조명 시스템, 및 상기 방식의 조명 시스템에서 래스터 부재를 가진 제 2 거울에 대한 열 부하를 감소시키는 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 제 1 래스터 부재의 굴절력 변동에 의한 디포커싱의 식을 유도하기 위해 굴절을 나타낸 개략도.
도 2는 디포커싱 없는 개구 조리개 허니콤의 충전을 나타낸 도면.
도 3은 디포커싱을 가진 개구 조리개 허니콤의 충전을 나타낸 도면.
도 4는 조명 시스템의 개략도.
도 5는 투사 노광 시스템의 개략도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1, 3: 래스터 부재 100: 광원
102, 104: 광학 부재 106, 108, 110: 거울
112: 출사동 114: 물체 평면
120: 콜렉터 유닛
상기 목적은 본 발명에 따라 예컨대 독일 특허 공개 제 199 03 807 A1호에 공지된 바와 같은 조명 시스템에 있어서, 제 1 거울 또는 래스터 부재를 가진 제 1 렌즈의 래스터 부재의 광선속의 포커스로부터 제 2 거울 또는 제 2 렌즈의 래스터 부재의 이동에 의해, 열 부하가 감소됨으로써 달성된다. 광선속의 발산에 의해, 초점 또는 2차 광원 상 위치로부터의 거리 증가에 따라 광선속이 퍼지게 된다.
광선속 직경이 광선속의 개구각에 비례해서 커지기 때문에, 하기 식이 적용된다:
ΔD=2Δz·tan(α)2Δz·sin(α)2Δz·NA
상기 식에서,
ΔD = 광선속 직경의 변동
Δz = 개구 조리개 허니콤의 디포커싱
α = 광선속의 1/2 개구각
NA = 광선속의 개구수
직경 D(z=0)=X를 가진 광선속에 대해 하기 식이 적용된다:
D(z)X + 2Δz·NA
소위 개구 조리개 허니콤에 이르는, 제 2 거울의 제 2 래스터 부재의 예정된 충전률을 얻고자 하면, 디포커싱의 값이 하기와 같다:
디포커싱 Δz은 제 1 래스터 부재의 굴절력 변동에 의해 또는 제 2 래스터 부재의 이동에 의해 얻을 수 있다. 후자의 경우에는 다른 시스템 데이터도 매칭되어야 한다. 디포커싱은 조명이 제 2 래스터 부재를 과도하게 조사하지 않을 정도까지 이루어질 수 있다.
다른 바람직한 실시예에서, 매우 적은 국부적 열 부하를 얻기 위해, 디포커싱의 값은 2차 광원의 폭이 개구 조리개 허니콤의 크기 보다 작도록 정해진다. 조명되지 않는 에지 영역의 폭은 개구 조리개 허니콤의 최소 직경의 10% 보다 작아야 한다. 세기가 2차 광원의 최대 세기의 10% 보다 작으면, 조명되지 않는 영역이 생긴다.
다른 실시예에서는 광원으로부터 출사동으로 관통하는 광 채널의 충돌점을 변동시킴으로써, 출사동에서 주어진 조명이 세팅될 수 있다. 출사동에서 이러한 방식으로 광 분포를 세팅함으로써, 임의의 분포가 구현될 수 있고, 예컨대 조리개를 가진 해결책에서 발생하는 바와 같은 광 손실을 피할 수 있다.
래스터 부재를 가진 2개의 광학 부재를 포함하는 본 발명에 따른 시스템에서, 개구 조리개 허니콤의 형태는 2차 광원의 형태에 매칭되므로, 제 1 필드 허니콤의 형태와는 다르다. 광원이 둥글게 형성되면, 개구 조리개 허니콤이 타원형이거나 또는 둥근 것이 특히 바람직하다.
바람직한 실시예에서는, 개구 조리개 평면을 투사 대물렌즈의 입사동과 일치하는 조명 시스템의 출사동에 결상시키고 링 필드를 형성하기 위해 사용되는, 필드 거울과 같은 부가의 광학 부재가 래스터 부재를 가진 거울 다음에 배치된다.
광학 부재가 입사각 ≤15°를 가진 스쳐가는 입사(grazing-incidence) 거울을 포함하는 것이 특히 바람직하다. 각각의 반사에 연관된 광 손실을 최소화하기 위해, 필드 거울의 수가 적은 것이 바람직하다. 3개 이하의 필드 거울을 가진 실시예가 특히 바람직하다.
EUV-광선용 광원으로는 레이저 플라즈마, 플라즈마 또는 핀치-플라즈마-소오스 및 다른 EUV-광원이 가능하다.
다른 EUV-광원은 예컨대 싱크로트론 광선 소오스이다. 자기장에서 상대론적 전자가 편향되면 싱크로트론 광선이 방출된다. 상기 싱크로트론 광선은 전자 궤도에 대해 접선으로 방출된다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참고로 설명한다.
도 1은 제 1 래스터 부재의 굴절력 변동에 의한 디포커싱의 식을 유도하기 위한 도면이다. 도 1에는 굴절이 도시된다. 본 발명에 관여하지 않은 당업자도 파라미터를 파장 ≤193 nm를 가진 노광 시스템에, 특히 EUV-리소그래피에 필요한 굴절 광학 장치에 적용할 수 있다.
크기 D의 제 2 래스터 부재, 소위 개구 조리개 허니콤(3)이 광원의 직경이 X일 때 비율 k까지 충전되어야 하면, 개구 조리개 허니콤(3)과 필드 허니콤(1) 사이의 간격 L = s'+z 이 적합하게 선택되어야 한다. 하기 식이 적용된다:
(1)
제 1 래스터 부재, 소위 필드 허니콤(1)의 크기는 하기 결상 시스템의 결상 척도에 의해 결정된다. 예컨대 FX x FY = 2.8mm x 46mm의 필드 허니콤 크기에서 애퍼처 각σ에 대해 하기 식이 적용된다:
(2)
후속 유도를 위해 y-성분만이 필요한데, 그 이유는 이것이 큰 발산각을 갖기 때문이다. 또한, tanσ∼sinσ이 세팅될 수 있다. 정의에 의한 필드 허니콤의 굴절력은 하기와 같이 결정될 수 있다.
공지된 1차 결상 등식은 하기와 같다:
(3)
상기 식에서,
p1: 필드 허니콤의 상 공간에서 광학 방향 코사인
p2: 필드 허니콤의 물체 공간에서 광학 방향 코사인
f: 필드 허니콤의 초점 거리
β: 필드 허니콤의 결상 척도
상부 광원 에지 X/2의 상부 애퍼처 광선의 물체측 광학 방향 코사인 p0는 하기 식에 의해 얻어진다:
(4)
상부 광원 에지의 상의 관련 하부 에지 광선의 상측 광학 방향 코사인 p1은 하기 식에 의해 얻어진다:
(5)
s, L, D가 주어지면, 필드 허니콤의 굴절력이 하기와 같이 결정된다.
초점 거리와 초점 절편(focal intercept)의 함수로서 결상 척도
(6)에 의해
(7)이 주어진다.
f에 대해 풀고 등식(a) 및 (5)을 대입하면, x0= X/2에 의해
(8)이 주어진다.
s, L, D, X, k에 대한 값
s = 1200 mm
L = 900 mm
D = 10 mm
X = 3 mm
k = 0.8 mm 에 의해
f = 480.092 mm
R∼-2f = -960.184 mm
z = 99.744 mm
도 2는 디포커싱 없이 구형으로 가정된 소오스에서 소오스 크기가 3 mm일 때 개구 조리개 허니콤 플레이트의 조명을 도시한다. 필드 허니콤의 초점 거리는 f = 514.286 mm, R = -1028.571 mm이다.
촬영된 애퍼처는 0.09이다. 에텐듀(Etendue)는
(9) E = π/4·X2·πNA2 0.2
따라서, 광원의 에텐듀(Etendue)는 촬영될 수 있는 에텐듀(Etendue)의 약 25분의 1에 상응한다. 동시에 2차 광원은 개구 조리개 허니콤 플레이트의 약 1/25만을 채운다.
도 3은 촬영된 개구수 NA ∼0.09 이고 소오스 크기 X = 3 mm 직경일 때, 디포커싱된 2차 광원에 의한 개구 조리개 허니콤 플레이트의 조명을 도시한다.Etendue는 변함없지만, 쾰러(koehler) 조명의 편차가 도입된다. 필드 허니콤의 긴 방향, 즉 y-방향으로 조명이 현저히 확대되므로, 열 부하가 현저히 감소된다. 짧은 방향, 즉 x-방향으로도 광원 상의 확대가 나타난다. 그러나, 상기 확대는 적은 애퍼처 각으로 인해 작다.
다른 실시예에서, 필드 허니콤의 굴절력은 대응하는 개구 조리개 허니콤의 간격에 매칭된다. 도 3에 나타나는 바와 같이, 특히 외부 영역 및 상부 절반에서, 개별 광원 상을 촬영하는 개구 조리개 허니콤 사이의 장소가 큰데, 그 이유는 개구 조리개 허니콤이 다음 결상 광학 장치의 왜곡으로 인해 약간 왜곡된 래스터 상에 배치되기 때문이다. 따라서, 상이한 디포커싱, 즉 개별 필드 허니콤의 상이한 초점 거리에 의해 광원 상 크기가 개별적으로 영향을 받을 수 있다.
도 4에는 본 발명이 적용될 수 있는 조명 시스템이 도시된다. 조명 시스템은 하나의 광원 또는 광원(100)의 중간 상을 포함한다. 광원 또는 광원(100)의 중간 상으로부터 방출되는 광(광의 단 3개의 대표 광선만이 도시됨)이 다수의 제 1 래스터 부재, 소위 필드 허니콤을 가진 거울(102)에 부딪친다. 따라서, 거울(102)은 필드 허니콤 거울이라고도 한다. 개별 필드 허니콤의 굴절력은 본 발명에 따라 디포커싱이 주어지도록 선택된다. 따라서, 제 2 광학 부재(104)의 제 2 래스터 부재, 소위 개구 조리개 허니콤이 제 1 래스터 부재에 의해 발생된 광선속의 초점 외부에 놓이게 된다. 래스터 부재(104)를 가진 제 2 광학 부재 다음에 배치된 광학 부재(106), (108) 및 (110)는 레티클 평면(114)에 필드를 형성하기 위해 사용된다. 레티클 평면 내의 레티클은 반사 마스크이다. 상기 레티클은 스캐닝 시스템으로설계된 EUV-투사 시스템에서 도시된 방향(116)으로 이동될 수 있다.
도 4에 도시된 조명 시스템에 의해, 조명 시스템의 출사동(112)이 균일하게 조명된다. 출사동(112)는 후속하는 투사 대물렌즈의 입사동과 일치한다. 예컨대 6 거울을 갖춘 이러한 방식의 투사 대물렌즈는 미국 특허 출원 09/503640호에 공지되며, 그 공개 내용을 본 출원에 참고할 수 있다.
도 5에는 물리적 광원(122)으로부터 노광될 물체(124)까지 투사 노광 시스템의 광학 부품이 도시된다. 도 4에서와 동일한 부품은 동일한 도면 부호를 갖는다. 도 5에 따른 시스템은 물리적 광원(122), 콜렉터(120), 도 4의 조명 시스템, 미국 특허 09/503640호에 따른 예컨대 6 거울(128.1, 128.2, 128.3, 128.4, 128.5, 128.6)을 갖춘 투사 대물렌즈(126) 및 노광될 물체(124)를 포함한다.
본 발명에 의해, 제 2 파싯된 거울 부재 상의 열부하가 감소된 EUV-조명 시스템이 제공된다.

Claims (8)

  1. 광원(100)을 포함하고,
    상기 광원(100)에 의해 조명되는 제 1 래스터 부재(1)를 가진 제 1 광학 부재(102)를 포함하며, 상기 광원으로부터 입사되는 광선속이 제 1 래스터 부재(1)에 의해 각각 하나의 초점을 가진 수렴 광선속으로 분할되고,
    제 2 래스터 부재(3)를 가진 제 2 광학 부재(104)를 포함하고, 제 1 래스터 부재(1)에 의해 형성된 각각의 광선속에는 하나의 제 2 래스터 부재(3)가 할당되는파장 ≤193 nm용, 특히 EUV-리소그래피용 조명 시스템으로서,
    상기 제 2 래스터 부재(3)가 제 1 래스터 부재(1)에 의해 발생된 광선속의 초점 외부에 놓이는 것을 특징으로 하는 조명 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수렴 광선속이 개구수 NA를 가지며, 초점에서 상기 광선속은 직경 X'을 갖고, 초점 외부에 배치된, 직경 D을 가진 제 2 래스터 부재(3)는 디포커싱 Δz을 가지며, 상기 디포커싱은 하기 식에 의해 주어는 것을 특징으로 하는 조명 시스템:
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 광원(100)과 제 1 광학 부재(102) 사이의 거리가 s 이고, 제 1 광학 부재(102)와 제 2 광학 부재 사이의 거리가 L 이며, 광원의 직경이 X이고 제 2 래스터 부재(3)의 직경이 D 일 때, 관련 제 1 래스터 부재(1)의 2개의 폭 중 긴 폭 FY을 가진 제 1 래스터 부재(1)의 초점 거리가 하기 식
    에 의해 주어짐으로써, 디포커싱이 나타나는 것을 특징으로 하는 조명 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조명 시스템은 제 1 래스터 부재(1)를 가진 제 1 광학 부재(102) 앞에 콜렉터 유닛(120)을 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템이 제 2 광학 부재(104) 다음에 배치된 적어도 하나의 거울(106, 108, 110)을 포함하고, 상기 적어도 하나의 거울(106, 108, 110)은 제 2 광학 부재의 근처에 배치된 평면을 출사동(112)으로 결상시키는 것을 특징으로 하는 조명 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 래스터 부재(3), 및 제 2 광학 부재 다음에 배치된 적어도 하나의 거울(106, 108, 110)은 관련 제 1 래스터 부재(1)를 물체 평면(114)으로 결상시키는 것을 특징으로 하는 조명 시스템.
  7. EUV 광선을 발생시키기 위한 소오스,
    상기 소오스에 의해 발생된 광선을 부분적으로 모아서 링 필드의 조명을 위해 전달하는, 출사동을 가진 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 조명 시스템,
    지지체 시스템 상에서 링 필드의 평면에 놓인 구조물 지지 마스크,
    투사 장치, 특히 조명 시스템의 출사동과 일치하는 입사동을 가지며 구조물 지지 마스크의 조명된 부분을 상 필드로 결상시키는 투사 대물렌즈, 및
    지지체 시스템 상에서 투사 장치의 상 필드의 평면에 놓인 감광성 기판을 포함하는 마이크로 리소그래피용 EUV-투사 노광 장치.
  8. 제 7 항에 따른 EUV-투사 노광 장치를 가진 마이크로 일렉트로닉 부품, 특히 반도체 칩의 제조 방법.
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