KR20080098403A - 고개구수 노광 장치용 펠리클 - Google Patents

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KR20080098403A
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마사히로 곤도우
도시히코 나카노
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미쓰이 가가쿠 가부시키가이샤
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Abstract

반도체 리소그래피 공정에서 이용되는, 광학계의 개구수가 1.0 이상인 노광 장치에 사용할 수 있는 펠리클(pellicle)을 제공한다. 본 발명의 펠리클은 노광광의 펠리클막에의 입사각이 0° 이상 20° 이하인 범위에서 95% 이상의 투과율을 나타내도록 막 두께를 조정한 펠리클막을 사용한다. 본 발명의 펠리클을 이용함으로써, 종래에는 없는 미세한 회로 패턴을 갖는 반도체 소자를, 레티클에의 진애(塵埃) 부착을 방지하면서, 수율 좋게 생산할 수 있다.

Description

고개구수 노광 장치용 펠리클{PELLICLE FOR HIGH NUMERICAL APERTURE EXPOSURE DEVICE}
본 발명은 반도체 리소그래피 공정에서 사용되는 레티클 또는 포토마스크(이하, 간단히 '레티클'이라 함)에 진애(塵埃)가 부착되는 것을 방지하는 방진 커버인 펠리클(pellicle)에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는, 개구수가 1.O 이상인 노광 장치에서 적합하게 사용할 수 있는 펠리클에 관한 것이다.
반도체 소자는 리소그래피라고 불리는 공정을 통해 제조된다.
리소그래피 공정에서는, 스텝퍼라고 불리는 노광 장치를 이용하여, 회로 패턴이 레이아웃된 레티클에 파장이 짧은 광선을 조사하여, 포토레지스트가 도포된 반도체 웨이퍼 상에 회로 패턴을 축소 전사한다.
레티클에 진애가 부착되는 것을 방지하는 방진 커버로서, 알루미늄 등의 프레임(이 프레임을 '펠리클 프레임'이라 함)에 셀룰로스나 불소계 수지 등으로 된 필름(이 필름을 '펠리클막'이라 함)을 접착제 등을 이용하여 마련한 것이 이용되고 있고, 이 방진 커버를 펠리클이라 부른다.
레티클에 진애가 부착되는 것을 방지하기 위해 이용되는 펠리클에는, 방진 기능을 발현하는 것 이외에는 광학계에 최대한 영향을 미치지 않는 것, 구체적으로는 노광광을 최대한 반사하거나 흡수함이 없이 투과시키는 것이 요구되고 있다.
레티클에 레이아웃된 회로 패턴과 반도체 웨이퍼 상에 축소 전사되는 회로 패턴의 크기의 비를 축소 배율이라고 부른다. 축소 배율은 1980년대에는 10분의 1정도였지만, 회로 패턴이 미세화됨에 따라 고정밀도의 위치 맞춤이 필요하게 되어, 한동안 낮아져 90년대 후반 이후에는 4분의 1에 수렴되고 있다.
보다 미세한 회로 패턴을 레이아웃하기 위해 노광광의 파장은 단파장화되고 있고, 수은 램프의 g선(파장 436㎚)으로부터, i선(파장 365㎚), KrF 엑시머 레이저(파장 248㎚), ArF 엑시머 레이저(파장 193㎚)로 단파장화가 진행되고 있다. 단파장의 광원에 대응한 펠리클로서는, 펠리클막에 불소 수지를 사용하는 것(일본 공개 특허 공보 제2001-255643호)나, 막 두께를 두껍게 한 펠리클막(일본 공개 특허 공보 제2000-347388호) 등이 있고, 또한, 2개의 다른 파장으로 사용할 수 있는 펠리클(일본 공개 특허 공보 평7-199451호) 등이 있다. 그러나, 차세대 광원으로 주목되는 F2 엑시머 레이저(파장 157㎚)는 노광 장치에 이용하는 여러 가지의 부재나 소재의 개발이 지연되어, 현 시점에서 실용화의 전망은 밝지 않다.
회로 패턴의 미세화에는, 상기한 바와 같이 노광광의 파장을 단파장화하는 것 외에, 노광 장치의 투영 렌즈의 개구수를 크게 하는 방법이 있다.
광학 현미경의 분해능을 향상시키는 기술로서, 관찰 대상과 현미경의 대물 렌즈와의 사이에 고굴절률의 액체를 채우는 액침 기술은 종래부터 알려져 있었다. 일본 공개 특허 공보 평7-220990호나 일본 공개 특허 공보 평10-303114호 등에 개 시되어 있는 바와 같이, 반도체 리소그래피에 있어서도 점차 액침 노광 기술을 이용한 장치가 개발되고 있다.
액침 노광 기술을 이용함으로써 노광 장치의 광학계의 개구수를 크게 할 수 있게 되어, 회로 패턴의 해상도를 높일 수 있다. 개구수 NA(Numerical Aperture)는, 식 NA=n×sinθ로 정의된다. 상기 식에서, n은 노광광이 투과하는 매체의 굴절률이며, θ는 노광광의 최대 입사 각도이다. 여기서, 입사각은 입사점에 세운 법선과 이루는 각도를 가리킨다. 즉, 입사면에 대하여 광이 수직으로 입사하는 경우가 입사각 0°이며, 입사면에 평행에 가까운 경우는 입사각은 90°에 가까운 값을 갖는다.
공기의 굴절률은 1이므로 대기 중에서 노광되는 한 개구수는 1 이하의 값을 갖지만, 반도체 웨이퍼와 노광 장치의 투영 렌즈와의 사이의 공간을 굴절률이 높은 액체로 충족시키는 것에 의해 1 이상의 개구수를 실현할 수 있다.
대기 중에서 노광하는 종래의 노광 장치로서는 개구수 0.84의 스텝퍼가 널리 사용되고 있지만, 액침 노광 기술을 이용한 노광 장치로서는 개구수 1.07의 액침 스텝퍼가 시판되기 시작하려 하고 있고, 또한 개구수 1.2 정도의 액침 스텝퍼가 개발되어 있다.
한편, 최근에는 액침 노광에 대하여, 대기 중에서 노광하는 종래의 노광을 건식 노광이라고 하는 것도 있다.
특허 문헌 1: 일본 공개 특허 공보 제2001-255643호
특허 문헌 2: 일본 공개 특허 공보 제2000-347388호
특허 문헌 3: 일본 공개 특허 공보 평7-199451호
특허 문헌 4: 일본 공개 특허 공보 평7-220990호
특허 문헌 5: 일본 공개 특허 공보 평10-303114호
반도체 리소그래피 공정에서 사용되는 스텝퍼 등의 노광 장치는 광원으로부터 발생한 노광광을 레티클에 조사하고, 레티클 상의 회로 패턴을 반도체 웨이퍼 상에 축소 전사한다. 앞에서, 레티클 상의 회로 패턴과 반도체 웨이퍼 상에 축소 전사된 회로 패턴의 크기의 비를 축소 배율이라 부른다고 설명했지만, 축소 배율은 노광 장치의 광학계가 갖는 개구수를 이용하여 정의할 수도 있다.
노광 장치에서 광원으로부터 발한 노광광은, 집광 광학계에 의해 레티클 위치에 초점이 맞춰지도록 집광되고, 그 후 다시 반도체 웨이퍼 상에 초점이 맞춰지도록 집광된다. 여기서는, 레티클 위치에 초점을 맞추기 위한 광학계를 집광계 또는 집광 광학계라 부르고, 반도체 웨이퍼 상에 초점을 일치시키기 위한 광학계를 결상계(結像系) 또는 결상 광학계라고 부르기로 한다.
집광계의 개구수를 NAr, 결상계의 개구수를 NAw, 축소 배율을 1/β이라 하면, NAr/NAw=1/β로 된다. 이 관계는 광학계 일반에 있어서 보편적으로 성립하는 것으로, 광학적 불변량이라 불린다.
[발명의 개시]
(발명이 해결하고자 하는 과제)
집광 광학계의 개구수를 증가시키는 것에 의해, 회로 패턴의 미세화를 실현한 노광 장치에 사용할 수 있는 펠리클을 제공하는 것에 있다.
(과제를 해결하기 위한 수단)
본 발명자들은 노광 장치의 광원의 입사각 θ의 값을 변화시키는 것에 의해 집광 광학계의 개구수를 증가시켜, 입사각의 값을 변화시키더라도 높은 광선 투과율을 갖는 펠리클을 찾아냈다.
따라서, 본 발명은 다음의 것에 관한 것이다.
(1) 반도체 리소그래피에 사용되는 펠리클막(방진 필름)을 부착시킨 프레임을 포함하는 펠리클(방진 커버)로서, 노광용 광원의 파장에서의 광 투과율이, 펠리클막에의 입사각이 0° 이상 20° 이하인 경우에, 95% 이상인 것을 특징으로 하는 개구수 1.0 이상의 노광 장치에 이용하는 펠리클.
(2) 상기 (1)에 있어서, 노광용 광원의 파장이 200㎚ 이하인 것이 바람직하다.
(3) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 펠리클의 펠리클막의 두께가 다음 수학식 1 내지 4를 만족시키는 것이 바람직하다.
δ=2Π·n·d·cosθ/λ
T=16n2/{(1+n)4+(1-n)2(n-1)2-2(n-1)2(1+n)2cos2δ}
T≥95
0≤θ≤20
상기 수학식에서, T: 광 투과율(%), d: 펠리클막의 두께(㎚), λ: 노광용 ,광원의 파장(㎚), n: 펠리클막의 굴절률, θ: 펠리클막으로의 입사각(°)
(4) 상기 (1) 내지 (3)에 기재된 펠리클의 펠리클막이 비정질의 불소계 수지인 것이 바람직하다.
(5) 상기 (1) 내지 (4)에 기재된 펠리클을 사용하는 노광 장치의 노광용 광원이 ArF 엑시머 레이저인 것이 바람직하다.
(6) 펠리클막의 굴절률은 1.34이며, 막 두께가 558㎚±15㎚인 펠리클막을 사용한 펠리클을 상기 (5)에 기재된 노광 장치에 사용하는 것이 바람직하다.
(7) 상기 (1) 내지 (6)에 기재된 펠리클을 사용하는 노광 장치가 액침 노광 장치인 것이 바람직하다.
(발명의 효과)
본 발명의 완성에 의해, 노광 장치의 광원의 입사각의 값을 변화시키더라도 높은 광선 투과율을 갖는 펠리클을 제공할 수 있다. 이것에 의해, 노광 장치의 집 광 광학계의 개구수를 증가시킬 수 있어, 회로 패턴의 미세화를 실현할 수 있다.
도 1은 굴절률이 1.34, 노광용 광원의 파장이 193㎚, 입사각이 0° 및 20°일 때의, 수학식 1 및 2를 만족하는 펠리클막의 광 투과율과 두께와의 관계를 나타낸다.
(발명을 실시하기 위한 최선의 형태)
펠리클막의 재료로서는, 박막화했을 때에 높은 광선 투과율이 얻어지는 것이 사용된다. 또한, 노광광을 흡수하기 어려운 재료가 바람직하다. 펠리클막 재료가 노광광을 흡수하면, 광선 투과율이 저하하는 것 외에, 펠리클막 재료의 화학 결합이 절단되어 펠리클막 재료가 열화하여 펠리클의 수명을 저하시키기 때문에 바람직하지 못하다. 구체적으로는, 셀룰로스나 불소 수지 등을 들 수 있고, 특히, 광선 투과율이 높고, 제막성에 우수한 불소계 수지가 바람직하게 사용된다.
펠리클막의 제조에는 일반적인 막 제조 방법을 사용할 수 있다. 통상, 펠리클막의 재료로 되는 물질을 용매에 용해하여 용액으로 하고, 스핀 코팅 등의 방법으로 제조한다.
펠리클막은 펠리클막으로의 광 입사각이 몇 개인 경우에도 높은 광선 투과율을 갖는 것이 바람직하고, 구체적으로는 광선 투과율이 95% 이상인 것이 바람직하다. 특히, 입사각이 0° 이상 20° 이하일 때에 광선 투과율이 95% 이상인 것이 바람직하다.
종래 사용되고 있는 건식 노광의 스텝퍼의 결상 광학계의 개구수 NAw는 0.84이고 축소 배율 1/β이 1/4이며, 집광 광학계의 개구수 NAr은 NAr/0.84=1/4이기 때문에 NAr=0.21로 된다. 공기의 굴절률은 1이므로 sinθ=0.21이며, 따라서 집광 광학계의 최대 입사각 θ은 12.1°로 된다. 한편, 본원에 있어서의 굴절률이란 아베 굴절계로 측정한 값이다.
한편, 결상 광학계의 개구수 NAw를 1.2로 한 스텝퍼에서는 축소 배율 1/β을 1/4이라고 하면, 집광 광학계의 최대 입사각 θ는 마찬가지의 계산으로부터 17.5°로 된다. 따라서, 개구수가 큰 스텝퍼를 사용하는 경우, 특히 입사각이 0° 이상 20° 이하인 경우의 광선 투과율을 높게 하면 바람직하다.
광선 투과율이 높은 펠리클막은 두께가 다음 수학식 1 내지 4를 만족시키는 것에 의해 얻어진다.
[수학식 1] δ=2Π·n·d·cosθ/λ
[수학식 2] T=16n2/{(1+n)4+(1-n)2(n-1)2-2(n-1)2(1+n)2cos2δ}
[수학식 3] T≥95
[수학식 4] 0≤θ≤20
상기 수학식에서, T: 투과율(%), d: 펠리클막의 두께(㎚), λ: 노광용 광원의 파장(㎚), n: 펠리클막의 굴절률, θ: 입사각(°)
수학식 1 내지 4를 만족시키고, 필요한 강도를 유지할 수 있는 막 두께의 펠리클막을 사용한다. 막 두께가 얇으면 펠리클로서 사용했을 때에, 막의 강도가 유지될 수 없고, 막이 찢어지거나, 펠리클을 제조시나 노광시의 작업성이 저하될 우려가 있다. 또한, 펠리클막의 막 두께의 편차가 크게 영향을 받을 우려가 있다. 막 두께가 두꺼우면, 펠리클막에 사용한 재료의 광의 흡수가 영향을 받아, 적절한 광선 투과율이 얻어지지 않을 우려가 있다. 수학식 1 내지 4를 만족시키는 막 두께를 펠리클막에 사용하는 재료의 종류에 따라 선택한다.
노광 장치의 광원으로서는, 보다 미세한 회로 패턴을 레이아웃하기 위해, 파장이 짧은 광원이 바람직하게 사용된다. 예시하면, KrF 엑시머 레이저(파장 248㎚), ArF 엑시머 레이저(파장 193㎚), F2 엑시머 레이저(파장 157㎚) 등을 들 수 있다. 파장 200㎚ 이하인 광원이 바람직하게 사용되고, 특히 ArF 엑시머 레이저(파장 193㎚)가 바람직하게 사용된다.
바람직하게 사용할 수 있는 펠리클막을 구체적으로 예시하면, 굴절률이 1.34이며, 펠리클막의 막 두께가 558㎚±15㎚의 범위인 펠리클막을 들 수 있다. 막 두께의 범위란, 펠리클막의 각 지점에서의 두께가 기재한 범위에 있는 것을 의미한다.
굴절률 n이 1.34, 노광용 광원의 파장 λ가 193(㎚), 입사각 θ가 0° 및 20°일 때의, 수학식 1 및 2를 만족하는 펠리클막의 광 투과율과 두께와의 관계를 도 1에 나타낸다.
펠리클막 표면의 광의 반사를 감소시키기 위해, 펠리클막의 편면 또는 양면에, 반사 방지막을 마련하여도 좋다. 펠리클막 표면의 광의 반사가 크면, 광선 투과율이 낮게 되는 것 외에, 반사광이 노광 장치 내에서 미광(迷光)으로 되어 반도체 웨이퍼에 전사되는 회로 패턴의 콘트라스트를 저하시키고, 반도체 소자의 수율을 저하시킬 우려가 있어 바람직하지 못하다.
펠리클막에 의한 광의 반사가 증대하면, 광학계 내에서의 미광이 증대하여 축소 전사되는 웨이퍼 상의 회로 패턴의 콘트라스트가 저하될 우려가 있다.
이상과 같은 펠리클막을 사용한 펠리클은 개구수가 1.O 이상인 노광 장치에 이용하는데 적합하다. 개구수를 크게 하기 위해, 액침 노광 기술을 적용하면 바람직하다.
[실시예]
본 발명에 대하여, 이하에서 실시예와 비교예를 들어 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
다우 케미컬사 제품의 에틸셀룰로스(상품명 에토셀)를 메틸아이소뷰틸로 용해시켜 5중량%의 용액을 조제했다. 이 용액을, 구멍 크기 500㎚의 폴리테트라플루오로에틸렌제 멤브레인 필터를 이용해 여과하여 이물질을 제거했다. 이 용액 20㎖를 석영 유리 기판 상에 적하하고, 700rpm으로 30초 회전시켜 스핀 코팅한 후, 크린 오븐 속에서 150℃에서 5분간 건조시켜, 석영 유리 기판상에 펠리클막의 평면성을 확보하기 위한 하지층(下地層)을 형성했다. 실온까지 냉각한 후, 막 두께 측정기를 이용하여 하지층의 막 두께를 측정하였는 바, 1200㎚이었다.
펠리클막의 제막 재료로서, 아사히 글래스 주식회사제의 불소 수지(사이톱(등록 상표), gradeS)를 주식회사 젬코제의 불소계 용매(에프탑(등록 상표), EF-L174S)를 이용하여 3.3중량%의 용액을 조제하고, 구멍 크기 500㎚의 폴리테트라플루오로에틸렌(이후, PTFE라고 약칭함)제의 멤브레인 필터를 이용해 여과하여 이물질을 제거했다. 이 용액의 20㎖를 에틸셀룰로스의 베이스를 갖는 석영 유리 기판 상에 적하하고, 500rpm의 속도로 150초간 회전시켜 스핀 코팅한 후, 크린 오븐 속에서 180℃에서 10분 건조하여 펠리클막을 제막했다.
이어서, 하나의 끝면에 양면 점착 테이프를 붙인 수지제의 외경 210㎜, 내경 170㎜, 높이 3㎜의 박리 링을 펠리클막에 눌러 접착하고, 박리 링을 들어 올려 석영 유리 기판상의 하지층과의 계면으로부터 펠리클막을 박리했다.
벗긴 펠리클막을 펠리클 프레임에 접착시켰다. 펠리클막의 막 두께는 558㎚이었다.
(실시예 2)
펠리클막 제막 시의 용액의 농도 및 회전 속도를 조정하여, 펠리클막의 막 두께를 562㎚로 한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 펠리클막을 제작했다.
(실시예 3)
펠리클막 제막 시의 용액의 농도 및 회전 속도를 조정하여, 펠리클막의 막 두께를 352㎚로 한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 펠리클막을 제작했다.
(실시예 4)
펠리클막 제막 시의 용액의 농도 및 회전 속도를 조정하여, 펠리클막의 막 두께를 282㎚로 한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 펠리클막을 제작했다.
(실시예 5)
펠리클막 제막 시의 용액의 농도 및 회전 속도를 조정하여, 펠리클막의 막 두께를 141㎚로 한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 펠리클막을 제작했다.
(비교예 1)
펠리클막 제막 시의 용액의 적하량 및 회전 속도를 조정하여, 펠리클막의 막 두께를 591㎚로 한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 펠리클막을 제작했다.
(비교예 2)
펠리클막 제막 시의 용액의 농도 및 회전 속도를 조정하여, 펠리클막의 막 두께를 814㎚로 한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 펠리클막을 제작했다.
(비교예 3)
펠리클막 제막 시의 용액의 농도 및 회전 속도를 조정하여, 펠리클막의 막 두께를 320㎚로 한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 펠리클막을 제작했다.
(비교예 4)
펠리클막 제막 시의 용액의 농도 및 회전 속도를 조정하여, 펠리클막의 막 두께를 90㎚로 한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 펠리클막을 제작했지만, 펠리클막을 제막 기판으로부터 박리할 때에 펠리클막이 신장하여, 펠리클막의 일부가 파손되었다.
시마즈 제작소제 자외·가시 분광 광도계 UV-240을 이용하여, 193㎚의 파장의 투과율을, 펠리클막에의 입사각을 변화시켜 측정했다. 실시예 1, 2 및 비교예1, 2는 입사각 0°로부터 40°까지의 범위에서 10°마다 측정했다. 실시예 3, 4, 5 및 비교예 3은 입사각 0°로부터 40°까지의 범위에서 10°마다 측정했다. 비교예 4는 펠리클막이 파손되었기 때문에 측정할 수 없었다. 측정 결과를 표 1에 나타낸다.
Figure 112008061887383-PCT00001
표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 수학식 1 내지 4를 만족시키는 막 두께 558㎚(실시예 1), 562㎚(실시예 2), 352㎚(실시예 3), 282㎚(실시예 4), 141㎚(실시예 5)의 경우에, 입사각이 0° 내지 20°의 범위이고 투과율이 95% 이상인 펠리클막이 얻어졌다.
한편, 수학식 1 내지 4를 만족하지 않는 막 두께 591㎚(비교예 1), 814㎚(비교예 2), 320㎚(비교예 3)의 경우는, 입사각이 0° 내지 20°의 범위이고 투과율이 95% 이상으로 되지 않았다. 또한, 막 두께를 90㎚까지 얇게 하면, 자립 막형성이 곤란했다(비교예 4).
현재 개발이 진행되고 있는 개구수 1.2의 액침 노광 장치에서는, 노광광의 펠리클에 대한 최대 입사각은 17.5°이므로, 17.5° 이하의 입사각 영역에서의 투과율이 높은 펠리클이 적합하게 사용된다.
입사각에 대하여 투과율이 진동하고 있지만, 이것은 박막의 간섭 작용에 의한 것이다. 실시예 1의 막 두께가 558㎚인 펠리클막은 입사각이 0°일 때에 투과율은 98%을 나타내고, 입사각이 10°가 되면 투과율은 더욱 향상된다. 그 후, 20°로부터 30°에 걸쳐 투과율은 저하되지만, 40°에서는 간섭에 의해 반사가 감소하기 때문에 다시 투과율이 향상하는 것으로 생각된다.

Claims (7)

  1. 반도체 리소그래피에 사용되는, 펠리클막(방진 필름)을 부착시킨 프레임을 포함하는 펠리클(pellicle, 방진 커버)로서,
    노광용 광원의 파장에서의 광 투과율이, 펠리클막에의 입사각이 0° 이상 20° 이하인 경우에, 95% 이상인 것을 특징으로, 하는 개구수가 1.0 이상인 노광 장치에 사용되는 펠리클.
  2. 제 1 항에 있어서,
    노광용 광원의 파장이 200㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 펠리클.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    펠리클막의 두께가 다음 수학식 1 내지 4를 만족시키는 것을 특징으로 하는 펠리클.
    [수학식 1]
    δ=2Π·n·d·cosθ/λ
    [수학식 2]
    T=16n2/{(1+n)4+(1-n)2(n-1)2-2(n-1)2(1+n)2cos2δ}
    [수학식 3]
    T≥95
    [수학식 4]
    0≤θ≤20
    상기 수학식에서, T: 광 투과율(%), d: 펠리클막의 두께(㎚), λ: 노광용 광원의 파장(㎚), n: 펠리클막의 굴절률, θ: 펠리클막에의 입사각(°)
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    펠리클막이 비정질의 불소계 수지인 것을 특징으로 하는 펠리클.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    노광용 광원이 ArF 엑시머 레이저인 것을 특징으로 하는 펠리클.
  6. 제 5 항에 있어서,
    펠리클막의 굴절률이 1.34이며, 막 두께가 558㎚±15㎚인 것을 특징으로 하는 펠리클.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    노광 장치가 액침 노광 장치인 것을 특징으로 하는 펠리클.
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