KR20040091718A - 광학 소자 표면의 오염을 제거하는 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 세척 대기 내에서 UV-방사선을 사용하여 빔-가이드 광학기기 표면의 오염을 제거하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 사용된 UV-방사선의 파장은 산소에 의해 강하게 흡수되는 범위 내에 있으며, 세척 대기는 공기 중의 산소 농도 보다 낮은 산소 농도를 갖는다.
Description
동작하는 동안, 약 100nm 내지 300nm 의 범위에 있는 파장을 갖는 극자외선(deep-ultraviolet; DUV) 스펙트럼 영역으로부터의 초단파장 방사선을 사용하는 최근의 마이크로 리소그래피 투영 노광 시스템에 있어서, 특히, 동작하는 동안, 예컨대, 157nm의 레이저 방사선을 사용하는 마이크로 리소그래피 투영 노광 시스템의 경우에 있어서, 방사선을 조사함으로써 충돌하게 되는 빔-가이드 광학기기의 표면 상에 존재하는 오염물질(contaminant)들은 흡수 및/또는 산란으로 인해 현저하고 심각한 문제를 쉽게 일으킨다. 오염제거 공정은 그러한 오염물질들을 제거하거나, 또는 적어도 용인할 수 있는 수준으로 감소시키기 위한 것이다.
그러한 목적을 위한 오염제거 방법 및 마이크로 리소그래피 투영 노광 시스템 내에 결합된 오염제거 장치(decontamination device)는 독일 특허출원 DE 198 30 438 A1에 기술되어 있다. 상기 독일 특허출원에서 사용된 기술의 경우, 노광 광원으로서 역할을 하는 DUV 엑시머 레이저(DUV excimer laser)에 추가하여, 오염제거 광원으로서 역할을 하는 제 2 UV 광원, 예컨대, 광역(broadband) DUV 엑시머 레이저 또는 222nm UV 엑시머 레이저가 제공된다. 투영 노광 시스템 내에 통합된 오염제거 광원은 노광 광원의 사용이 중단된 동안 활성화된다. 그와 동시에, 세척될 표면으로 세척 가스(cleansing gas) 스트림이 안내되는데, 여기서 오존(ozone)이나 산소(oxygen)를 함유하는 가스 스트림의 사용이 제안된다. 산소를 함유하는 가스 스트림의 경우는 공기의 산소 함유량을 초과하는 산소 함유량을 갖는 가스 스트림으로서 이해되어야 한다. 왜냐하면, 그러한 특유의 접근법은, 적절한 세척 효과를 얻는 것은 세척 가스 스트림 내에 그에 대응하는 높은 산소 농도를 요구한다는 전제를 기초로 하기 때문이다.
산소 또는 오존이 풍부한 가스와 UV-방사선을 결합하여 사용하는 이러한 세척 효과는, 유리 기판이나 웨이퍼의 표면과 같은 기판 표면의 오염제거의 경우에 잘 알려져 있다. 예컨대, 일본 특허출원 JP 07-288109 A 를 참조하면, 예컨대, 172nm 의 파장을 갖는 Xe 엑시머 레이저 방사선과 오존을 함유하는 세척 대기 또는 공기 대기(air atmosphere)와의 결합이 제안되었다. 산소의 목적은 유기 오염물질을 산화시키고 필요에 따라 고려되는 농도로 친수성기(hydrophilic group)를 형성하는 것이다. 세척 목적을 위해 사용되는 약 172nm 의 파장을 갖는 UV-방사선의 도달거리가 산소에 의한 높은 흡수로 인하여 상대적으로 짧다는 사실은, 세척용으로사용되는 UV 광원에 세척될 표면을 충분히 가까이, 예컨대, 3mm 이내로 이동시킴으로써, 또는 세척 목적용으로 보다 긴 파장의 UV-방사선, 예컨대, 185nm 또는 254nm 의 파장을 갖는 UV-방사선을 사용함으로써 상쇄될 수 있다.
상대적으로 짧은 파장(예컨대, 157nm의 파장)의 레이저 방사선을 가이드 하기 위하여 설계된 빔-가이드 광학기기의 표면을, 동일한 파장을 갖는 레이저 방사선을 이용하여 세척하는 것이 실무상 적당하지만, 이는 매우 어려운 방법이며 겨우 수 평방 mm의 세척될 표면을 덮는 상대적으로 작은 영역에 국한된다.
본 발명은 UV-방사선을 사용하는 빔-가이드 광학기기(beam-guiding optics) 표면의 오염을 세척 대기(cleansing atmosphere) 내에서 제거하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 이러한 종류의 방법 및 장치는, 예컨대, 마이크로 리소그래피 투영 노광 시스템에서 사용되는 것과 같은 빔-가이드 광학기기의 렌즈들 및 다른 광학소자들의 표면의 오염을 제거하는데 사용된다.
도 1은 광학소자 표면의 오염을 제거하기 위하여 광학소자들이 위치할 세척챔버의 개략적인 측면도이다.
도 2는 세척 대기 내의 산소의 여러 가지 부분압에 대한 파장의 함수로서, 도 1에 도시된 장치 내에서 세척된 광학소자들의 총 투과율의 그래프이다.
도 3은 157nm 레이저 방사선을 사용하여 오염이 제거된 광학소자에 대한 오염제거 주기의 함수로서, 도 1에 도시된 장치 내에서 오염이 제거된 광학소자의 투과율을 비교하는 그래프이다.
본 발명에서 언급된 기술적 문제는, 빔-가이드 광학기기, 특히, 약 157nm 이하의 파장을 방출하는 DUV 레이저의 빔을 가이드 하는 광학기기의 표면에서, 표면에 묻어 있는 왜곡 오염물질, 심지어, 표면의 넓은 영역에 걸쳐 분포되어 있는 오염물질을 상대적으로 적은 노력으로 신뢰성 있게 제거하는 방법 및 장치를 제공하게 한다.
본 발명은 청구항 제 1 항의 특징을 갖는 방법을 제공함으로써, 그리고 청구항 제 4 항의 특징을 갖는 장치에 의해 그러한 문제를 해결한다.
본 발명에 따르면, 산소에 의해 강하게 흡수되는 특징을 갖는 스펙트럼 영역 내에 있는 파장을 갖는 UV-방사선이 오염제거 목적을 위해 제공되며, 산소에 의한 높은 흡수로 인해 짧은 도달거리를 갖는 오염제거 방사선(decontamination radiation)의 문제는 공기의 산소 농도 보다 낮은 상대적으로 낮은 산소 농도를 가지는 세척 대기를 활용함으로써 상쇄된다. 낮은 산소 함유량을 갖는 또는 산소가없는 세척 대기와 그러한 오염제거 방사선과의 결합은, 심지어 동작시 DUV-방사선을 사용하는 마이크로 리소그래피 투영 노광 시스템에서 사용되는 것과 같은, 예컨대, 157nm 의 파장을 갖는 단파장 UV 레이저광을 가이드 하도록 설계된 빔-가이드 광학기기의 경우에서도, 적절한 세척 작용을 얻게 할 수 있음을 연구 결과는 보여주었다.
청구항 제 2 항 또는 제 5 항에 따른 본 발명의 바람직한 실시예에서, 세척 대기 내의 산소 농도는 1% 이하, 바람직하게는, 0.1% 이하로 고정된다.
청구항 제 3 항 또는 제 6 항에 따른 본 발명의 유익한 실시예에서, 오염제거 방사선은 172nm 의 파장을 갖는 Xe-방전 램프, 또는 저압 수은 램프에 의해 생성된다. 어느 경우든, 적절한 세척 작용을 얻기 위해 요구되는 노력은 약 157nm 의 파장을 갖는 단파장 레이저 방사선을 사용하는 경우 보다 훨씬 적다.
청구항 제 7 항에 따른 오염제거 장치의 유리한 실시예는, 표면을 세척할 목적으로, 예컨대, 광학소자들이 내부에 위치하게 되는 세척부(cleaning section)를 갖는 세척 챔버를 포함한다. 소정의 간격으로 떨어져 있고 세척부에 작용하는 다수의 UV-방사기(UV-radiator)가 세척을 위해 사용되는데, 여기서, 낮은 산소 함유량을 갖는 또는 산소가 없는 세척 가스 스트림이 세척부의 전체 영역에 걸쳐서 안내된다.
청구항 제 8 항에 따른 본 발명의 추가적인 유익한 개선점에 있어서, 광학모듈이 동작 상태에 위치한 후에, 광학소자들의 표면이 시간이 흐름이 따라 세척될 수 있도록, 오염제거 장치는 광학모듈 내에 통합되어 있다. 상기 광학모듈은, 광학소자들의 표면이 필요할 때마다 세척될 수 있도록, 마이크로 리소그래피 투영 노광 시스템의 부품일 수도 있다.
본 발명의 유익할 실시예들은 도면을 통해 이하에서 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 필수적인 광학소자 표면의 오염을 제거하는 장치의 일부를 도시하고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 오염제거 장치는 밀폐된 세척챔버(1)를 포함하며, 상기 세척챔버(1) 내에는 세척부로서 역할을 하는 챔버의 중심 부분을 향해 UV-방사선을 방사하는 여러 개의 UV-방사기(2)가 챔버(1)의 상단부 상에 서로 소정의 간격으로 떨어져서 배치되어 있다. 광학소자들은 오염제거 또는 표면의 세척을 위한 세척부 내에 위치할 수 있다. 한 예로서, 도 1은 마운트와 결합된 렌즈(3)를 도시하고 있다. 세척 가스 스트림은 챔버(1)의 세척부 전체 영역에 걸쳐서 안내될 수 있는데, 챔버의 한쪽 면에 있는 제 1 섹션 내에 위치한 가스 투입구(4)와 챔버의 반대 면에에 있는 제 2 섹션 내에 위치한 가스 배출구(5)가 챔버에 마련되어 있다. 관련된 가스 공급 시스템과 가스 배출 시스템은 일반적인의 종류의 것이며, 따라서, 도 1에 명시적으로 도시하지 않았다.
172nm 의 파장이 중심에 위치한 약 13nm 의 스펙트럼 대역을 갖는 연속체의 형태로 엑시머 방사선을 방출하는 크세노(xenon) 방전 램프가 UV-방사기(2)로서 역할을 한다. 여러 개의 UV-방사기(2)의 분리된 배치로 인해, UV-방사기(2)와 대향하는 각각의 세척될 광학소자(3)의 넓은 면적의 표면이 오염제거 방사선에 의해 균일하게 조사될 수 있도록, 오염제거 방사선은 여러 가지 각도로 그리고 매우 균일한 강도 분포로 세척부를 조사하며, 이는 본질적으로 평평한 표면과 예리한 곡면 모두를 신뢰성 있게 세척하는 것을 가능하게 한다. 조사 강도(irradiation level)를 증가시키기 위해 후면에 적절한 반사기들이 설치될 수도 있다. 관련된 특정한 응용에 따라, UV-방사기(2)는, 챔버(1)의 한 면에 걸쳐서 분포되는 대신에, 세척 챔버(1)의 적절한 위치에 여러 가지 방식으로 분포될 수도 있다는 것은 당연하다.
세척될 광학소자(3)가 위치하며, 도 1에서 화살표 H로 표시된 바와 같이, 높이가 조절될 수 있도록 챔버(1) 내에 설치되는 운반기(도시하지 않음)가 세척부에 마련되는 것이 바람직하다. 예컨대, 챔버(1)의 세척부 내에서 세척될 광학소자(3)를 회전시킬 수 있도록 하는 것과 같은 운반기의 다른 운동 역시 필요하다면 제공될 수 있을 것이다.
UV-방사기(2)에 대해 선택된 방출 파장 172nm는, 그것이 산소 분자(O2)의 최대 흡수율에 가까이 있기 때문에, 오존을 생성하는데 특히 효율적인 것으로 입증되었다. 이러한 목적으로 사용된 Xe-방전 램프는 높은 UV-방사 효율을 갖는데, 이는 세척될 광학소자(3)의 열하중(thermal loading)을 낮게 유지하게 한다. 적절한 Xe-엑시머 방사기의 여러 가지 모델은, 예컨대, 독일의 Radium, Wipperfurth 사로부터 상업적으로 입수할 수 있다. 185nm 및 254nm 근처의 방출선(emission line)을 가지며, 초극자외선(very deep ultraviolet; VUV) 스펙트럼 영역의 스펙트럼 세기가 Xe-방전 램프의 스펙트럼 세기 보다는 낮은 저압 수은 램프가 또한 사용될 수도 있다.
Xe-방전 램프(2)에 의해 방출된 약 172nm 의 파장에서 UV-방사선에 대한 산소 분자의 흡수 계수는 대략 5cm-1인데, 이는 순수한 산소 분자 내에서 입사 세기의 절반으로 세기가 감소하는 동안의 도달거리가 1.4mm 에 해당하며, 공기 중에서는 약 7mm 에 해당한다. 공기에 대하여 0% 이상, 바람직하게는 1% 이하, 보다 바람직하게는 0.1% 이하의 범위를 갖는 임의의 농도의 산소 분자가, 관련된 특정 응용에 따라, 세척 대기용으로 사용된다. 후자의 값은 입사 세기의 절반으로 세기가 감소하는 동안의 도달거리가 10cm 이상이 되게 하는데, 이는 작은 모듈 구성요소들의 심지어 예리한 곡면 및/또는 표면을 충분히 높은 세기의 오염제거 방사선으로 용이하게 조사하는 것을 허용하며, 그럼으로써 상기 표면들을 적절하게 세척하는 것을 허용한다. 심지어 매우 심하게 오염된 표면들도 약 0.1%의 산소 농도를 이용하여 효율적으로 세척될 수 있다는 것이 발견되었다. 세척부의 전체 영역에 걸쳐 안내되는 세척 가스 스트림으로서, 낮은 농도의 산소가 혼합된 초고순도 불활성 가스(예컨대, 질소)의 스트림이 사용될 수 있다.
VUV 스펙트럼 영역에서 동작하는, 예컨대, 리소그래피 광학기기의 성능에 영향을 줄 수도 있는 제거되어야 할 오염물질은 주로 탄화수소(CxHy) 및 물(H2O)이다. 탄화수소에 의해 약간 오염된 경우, 불활성 세척 가스 스트림에 산소를 추가할 필요가 전혀 없다는 것이 발견되었는데, 여기서 잔여 산소 함유량은 단지 수 ppm 으로부터 0.1ppm 이하의 산소 농도를 갖는 거의 무산소 대기로까지 떨어지는 범위에 있을 수 있다. 그러므로, 172nm 의 오염제거 방사선의 도달거리는, 더 이상 흡수에 의해 제한되지 않을 것이며, UV-방사기(2)의 기하학적 배치에 의해 전적으로 결정될 것이다.
세척 대기를 깨끗하게 유지하기 위해서, 세척 챔버(1)의 벽은, 바람직하게는 VUV-조사에 견딜 수 있는 탈지된(degreased), 전기연마된(electropolished) 스테인리스강(stainless steel)과 같은 재료로 제조된다. 세척 가스 스트림의 적절한 유속은, 예컨대, 5 l(STP)/min (5slm) 내지 50 l(STP)/min (50slm) 의 범위에 있다. 세척 가스 투입구(4)는, 제어된 방식으로 세척될 표면에 세척 가스를 안내하게 하는 가스 샤워 헤드(gas shower head)의 형태로 구성될 수도 있다.
매우 낮은 산소 농도에서의 세척 작용은 탄화수소 분자들의 결합의 활성화 또는 파괴에 기인하는데, UV-방사선에 의해, 탄화수소 분자들의 일부는 CxHy-분자들의 형태로 탈착되고, 다른 일부는 혹시 존재할 수도 있는 잔여 산소로부터 형성된오존에 의해 CO2및 H2O로 산화된 다음 탈착된다. 낮은 산소 함유량을 갖거나 산소가 없는 세척 대기와 넓은 표면 영역을 조사하는 UV-방사기(2)의 배열을 결합한 이러한 오염제거 기술을 사용하는 것은, 적절한 방법으로 광학소자 및 광학소자로 구성된 모듈의 오염을 효율적이고 경제적으로 제거할 수 있게 한다는 것이 발견되었다. 157nm 의 레이저 방사선을 사용하여 세척하는 것과 비교할 때, 본 발명에서 채용된 오염제거 공정은 사용하기가 훨씬 쉬우며, 수 mm2에 제한되지 않는 훨씬 넓은 면적을 세척할 수 있게 한다.
도 2 및 도 3의 그래프는 본 발명을 사용하여 얻을 수 있는 세척 작용에 관한 상술한 설명을 구체적인 세척 결과를 통해 뒷받침한다. 특히, 도 2는, 반사방지막으로 코팅된 동일한 종류의 광학소자들의 표면을, 여러 가지 산소 부분압을 갖는 세척 대기들을 사용하여, 위에서 설명한 바와 같이, 172nm 의 Xe-엑시머 방사선으로 세척한 일련의 실험들의 결과들을 나타낸다. 파장의 함수로서, 세척된 광학소자들의 평행 방사선(collimated radiation)에 대한 총 투과율(transmittance)(GT), 즉, 입사 세기 중 반사된 부분(R)과 투과된 부분(T)의 대수적인 합이, 120nm 부터 230nm 까지의 파장 범위에 걸쳐서 결정되었다. 여기서, 0.34% 부터 15.8% 까지의 4개의 상이한 산소 농도를 갖는 세척 대기들이 사용되었다. 도 2로부터 알 수 있듯이, 4 개 모두의 경우에서, 157nm 레이저 방사선에 대해 약 80%의 총 투과율(GT)을 얻었고, 더 긴 파장으로 갈수록 총 투과율이 그 이상으로 증가하여 궁극적으로 거의 100%에 이르게 된 유사하고 양호한 세척 작용이 얻어졌다.
도 3은 본 발명에 따른 세척 절차와 단지 작은 영역들에만 적용할 수 있는 보다 문제가 있는 157nm 레이저 방사 세척의 비교를 나타낸다. 도 3에 결과가 표시된 일련의 실험들은, 172nm Xe-엑시머 방사를 채용한 본 발명에 따른 세척 공정과 2 mJ/cm2의 에너지 밀도를 갖는 157nm 레이저 방사를 채용한 세척 공정을 모두 사용하여, 반사방지막으로 코팅된 광학소자를 세척하는 것에 기초하였다. 도 3은, 세척 공정에서 채택된 조사 주기(irradiation period) 길이의 함수로서, 세척 공정 종결 후의 광학소자의 투과율에 기초한 각각의 세척 작용을 도시한다. 도 3을 통해 알 수 있듯이, 설치하기가 더 간단하고 172nm Xe-엑시머 방사를 사용하는 본 발명에 따른 세척 공정은, 설치하기가 더 어렵고 157nm 레이저 방사를 사용하는 세척 공정에 비해 양호한 세척 작용을 가져오며, 본 발명에 따른 오염제거 공정은 보다 긴 조사 주기에 대하여 비교 대상에 비해 훨씬 양호한 투과율을 가져왔음을 또한 알 수 있다.
도 1에 도시된 예시적인 실시예의 경우, 광학 시스템에서의 빔-가이드 목적으로 사용되기 전에 세척 챔버(1) 내의 개별적인 광학소자나 모듈들을 세척하는 역할을 상기 오염제거 장치가 수행하지만, 본 발명의 다른 실시예는, 심지어 빔-가이드 광학기기가 조립되어 동작 상태에 들어간 후에도, 본 발명에 따른 방법으로 상기 빔-가이드 광학기기의 오염을 제거할 수 있는데, 이 경우, 상기 오염제거 장치는 빔-가이드 광학기기를 포함하는 장치의 필수적인 부품을 형성한다. 예컨대, 오염제거 장치는, 다른 오염제거 장치들(예를 들어, 본 명세서의 초입부에서 설명되었기에 더 이상 설명할 필요가 없는 종래의 오염제거 장치들)의 경우와 마찬가지로, 하나 또는 그 이상의 UV-오염제거 방사선 광원이 적절한 위치에 설치되었으며 세척 가스 분출 시스템이 제공된 마이크로 리소그래피 투영 노광 시스템의 부품일 수도 있다. 이 경우, 투영 노광 시스템의 렌즈 및 다른 광학소자들은, 상기 투영 노광 시스템이 동작하기 시작한 후, 제조 공정이 시작되기 전의 시간 동안, 코팅 공정에 뒤이은 시간 동안, 그리고 광학기기의 조립 및 정렬에 뒤이은 시간 동안, 낮은 산소 함유량을 갖거나 산소가 없는 세척 가스 스트림과 결합된, 예컨대, 172nm Xe-엑시머 방사선을 사용하여, 때때로 표면 오염제거 공정을 받게 될 수 있다.
Claims (9)
- 빔-가이드 광학기기의 표면, 특히, 마이크로 리소그래피 투영 노광 시스템의 광학소자들의 표면의 오염을 제거하는 방법으로서, 세척될 표면이 세척 대기 내에서 UV-방사선으로 조사되는 오염 제거 방법에 있어서,세척용으로 사용되는 상기 UV-방사선의 파장은 산소에 의해 강하게 흡수되는 스펙트럼 범위 내에 있으며, 상기 세척 대기는 공기 중의 산소 농도 보다 낮은 산소 농도를 가지는 것을 특징으로 하는 광학 소자 표면의 오염을 제거하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 세척 대기 내의 산소 농도는 1% 보다 작으며, 바람직하게는, 0.1% 보다 작은 것을 특징으로 하는 광학 소자 표면의 오염을 제거하는 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,세척용으로 사용되는 상기 UV-방사선은, 파장 범위가 172nm 근방에 있는 Xe-방전 램프로부터의 엑시머 방사선 또는 저압 Hg-램프로부터의 방사선인 것을 특징으로 하는 광학 소자 표면의 오염을 제거하는 방법.
- 세척 목적용의 UV-방사선을 발생시키는 하나 또는 그 이상의 UV-방사선 광원(2) 및 소정의 세척 대기를 제공하기 위한 수단(4,5)을 구비하며, 빔-가이드 광학기기의 표면, 특히, 마이크로 리소그래피 투영 노광 시스템의 광학소자들의 표면의 오염을 제거하는 장치에 있어서,세척용으로 사용되는 상기 UV-방사선의 파장은 산소에 의해 강하게 흡수되는 스펙트럼 범위 내에 있으며, 상기 세척 대기를 제공하기 위한 수단은 공기 중의 산소 농도 보다 낮은 산소 농도를 가지는 세척 대기를 제공하도록 설계된 것을 특징으로 하는 광학 소자 표면의 오염을 제거하는 장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 세척 대기를 제공하기 위한 수단은, 1% 이하, 바람직하게는, 0.1% 이하의 산소 농도를 가지는 세척 대기를 제공하도록 설계된 것을 특징으로 하는 광학 소자 표면의 오염을 제거하는 장치.
- 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,각각의 UV-방사선 광원은 대략 172nm의 방출 파장을 가지는 Xe-방전 램프 또는 저압 Hg-램프를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 소자 표면의 오염을 제거하는 장치.
- 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,세척될 각각의 물체가 위치하게 되는 세척부를 갖는 세척 챔버(1)를 구비하며, 상기 세척 챔버 내에서 소정의 간격으로 떨어져 있고 상기 세척부에 작용하는다수의 UV-방사선 광원(2)을 포함하고, 상기 세척 대기를 제공하기 위한 수단은 세척부 전역에 걸쳐 세척 가스 스트림을 안내하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 소자 표면의 오염을 제거하는 장치.
- 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,광학 모듈 내에 통합된 것을 특징으로 하는 광학 소자 표면의 오염을 제거하는 장치.
- 제 8 항에 있어서,상기 광학 모듈은 마이크로 리소그래피 투영 노광 시스템의 부품인 것을 특징으로 하는 광학 소자 표면의 오염을 제거하는 장치.
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