KR20090006059A - 부 회절 한계 형상을 생성하는 포토리소그래픽 시스템 및 방법 - Google Patents

부 회절 한계 형상을 생성하는 포토리소그래픽 시스템 및 방법 Download PDF

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제프리 엘. 맥키
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마이크론 테크놀로지, 인크.
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Abstract

본 발명은, 표면 플라즈몬 공명을 이용하여 패턴 형상의 전사가 회절 한계를 넘지 않도록 하는 근거리 포토리소그래픽 시스템 및 방법을 제공한다. 본발명의 일 실시예에 따르면, 근거리 포토리소그래픽 시스템은, 금속 플라즈몬 슈퍼렌즈와 광반응 물질에 전사될 불투명 형상을 다수 포함하고 있는 플라즈몬 슈퍼렌즈 템플릿을 포함한다. 이 불투명 형상 및 금속 슈퍼렌즈는 폴리머 스페이서 층에 의해 분리되어 있다. 광선은 슈퍼렌즈 템플릿을 통하여 전달되어 슈퍼렌즈의 다른 측면에 불투명 형상의 상을 형성한다. 고체 또는 액체를 포함한 중간층은 슈퍼렌즈와 포토레지스트 코팅된 반도체 웨이퍼간의 접촉으로 인한 손상을 줄이기 위해 슈퍼렌즈 및 포토레지스트 코팅된 반도체 웨이퍼 사이에 놓여진다.
플라즈몬, 근거리 포토리소그래픽포토리소그래픽

Description

부 회절 한계 형상을 생성하는 포토리소그래픽 시스템 및 방법 {PHOTOLITHOGRAPHIC SYSTEMS AND METHODS FOR PRODUCING SUB-DIFFRACTION-LIMITED FEATURES}
본 발명은 반도체 장치 제조 등에 사용되는 포토리소프래피 시스템 및 방법에 관한 것이다.
종래의 원거리(far-field) 포토리소그래픽 시스템은, 광선과 렌즈 시스템을 이용하여 반도체 웨이퍼 위에 형성된 광반응 물질층 위에, 패턴을 가진 레티클을 전사한다. 그러한 종래의 포토리소그래픽 시스템은, 생성한 상(image)이 원거리에 있어, "원거리" 시스템이라 불린다. 따라서, 광반응 물질층 위에 재생성 될 수 있는 레티클 패턴의 형상(feature)의 크기는 원거리 회절에 의해 제한된다. NA 가 시스템에서의 개구수이고, λ 이 포토리소그래픽 시스템에 사용되는 광선의 파장이고, k1은 해상도 인자로서 시스템의 다른 측면, 예를 들면, 특정 리소그래피 시스템에 의해 발생하는 수차 및 광반응 물질의 특성 등에 따라 결정되는 경우, 종래의 원거리 포토리소그래픽 시스템을 이용하여 생성할 수 있는 최소 형상 크기 W는 다음과 같다.
Figure 112008057161394-PCT00001
Figure 112008057161394-PCT00002
이러한 수학식에 따르면, 더 작은 모양을 생성하고자 할 경우, 해상도 인자를 작게 하거나, 개구수를 늘리거나, 구동 파장을 줄이거나, 또는 이들의 조합을 이용하여야 한다.
현재의 원거리 리소그래피 시스템은 수차가 잘 조절된 복소 렌즈를 포함하고 있다. 따라서, 현재의 원거리 리소그래피 기술은 해상도 인자를
Figure 112008057161394-PCT00003
정도로 낮추었으며, 이는 하프 피치 전사(half pitch imaging) 에 있어서 이론적인 최저 한계치인 0.25보다 조금 큰 값이다. 그러나 이러한 복소 렌즈는 많은 광학 구성 요소를 포함할 수 있으며 값이 비싸다.
현재의 원거리 리소그래피 시스템은 수차가 잘 조절된 복소 렌즈를 포함하고 있다. 따라서, 현재의 원거리 리소그래피 기술은 해상도 인자를
Figure 112008057161394-PCT00004
정도로 낮추었으며, 이는 하프 피치 전사(half pitch imaging) 에 있어서 이론적인 최저 한계치인 0.25보다 조금 큰 값이다. 그러나 이러한 복소 렌즈는 많은 광학 구성 요소를 포함할 수 있으며 값이 비싸다.
또한, 개구수도 증가시켰다. 그러나, 렌즈 시스템으로부터, 광반응 물질을 윗부분에 포함하는 반도체 웨이퍼에 대해 공기를 통해 광선을 전달하는 하는 시스템에 있어서, 개구수는 하나로 제한된다. 굴절률이 1 보다 큰 매체를 통해 광선을 전파하는 액침 리소그래피는, 개구수를 증가시켰다. 그러나, 액침 기술은, 유동체와 웨이퍼의 불친화(incompatibility), 버블 형성, 편극 효과와 같은 문제점을 갖고 있다. 또한, 1보다 큰 굴절률을 가지는 융화성 침투액의 제한된 범위로 인하여 개구수의 증가에도 제약이 있다.
사용되는 광원이 더 짧은 구동 파장을 가질수록 더 작은 형상이 생성될 수 있다. 상업상 이용되는 포토리소그래픽 시스템은, 350nm 내지 800nm의 파장을 갖는 가시광선을 사용할 수 있다. 100nm 내지 350nm의 파장으로 구동되는 자외선 포토리소그래픽 시스템은 더 작은 형상을 인화하는데 사용될 수 있다. 그러나, 자외선 포토리소그래픽도, 비용 증가, 램프 수명 단축, 저효율 등과 같은 단점을 가지고 있다. 또한, 가시광선에 반응하는 포토레지스트는 자외선에 반응하는 포토레지스트에 비해 가격이 싸고 공기 중 부유물에 반응하기 쉽다.
따라서, 원거리 광학 시스템의 회절 한계에 의한 제약을 받지 않으면서 복잡하고 고가인 렌즈, 투입 기술, 또는 자외선 영역의 파장의 이용에 의존할 필요가 없는 포토리소그래픽 시스템이 요구된다.
본원에서는 본 발명의 서로 다른 다양한 실시예가 설명된다. 이러한 실시예의 일부는 근거리 광학 시스템을 포함한 포토리소그래픽 시스템을 포함한다.
일 실시예는, 예를 들면, 제 1 굴절율을 가지고, 파장 λ의 광선에 반응하는 광반응물질을 노출시키는 포토리소그래픽 시스템을 포함한다. 이러한 포토리소그래픽 시스템은, 상기 광선을 통과시키지 않는 다수의 형상, 상기 다수의 불통과 형상의 전방에 배치되는 유전체 물질, 상기 유전체 물질의 전방 및 상기 광반응 물질의 후방에 배치된 슈퍼렌즈, 및 상기 슈퍼렌즈 및 상기 광반응 물질 사이의 중간층을 포함한다. 유전체 물질은, 상기 광선을 대부분 전달한다. 중간층은 상기 광선 대부분을 전달하며 상기 광반응 물질과는 다른 물질을 포함한다.
다른 실시예는, 근 거리 상을 생성하는 포토리소그래픽 시스템을 포함한다. 시스템은 파장 λ을 갖는 광선을 대부분 전달할 수 있는 기판을 포함한다. 시스템은 기판 상에 배치되고 상기 광선을 거의 전달하는 않는 하나 이상의 형상, 기판 상에 배치되고 상기 광선을 대부분 전달하는 스페이서 물질, 스페이서 물질 상에 형성된 슈퍼 렌즈를 더 포함한다. 스페이서 물질은 실수부가 양수인 제1 복소 유전율을 갖고, 슈퍼렌즈는 실수부가 음수인 제2 유전율을 갖는 물질을 포함한다. 시스템은 슈퍼렌즈에 근접하는 광반응 물질층 및 슈퍼렌즈와 광반응 물질층 사이에 삽입되어 슈퍼렌즈가 광반응 물질로부터 분리되도록 배치된 중간층을 더 포함한다. 광반응 물질 층은, 제1 굴절율을 가지며, 중간층은 제1 굴절률과 거의 동일한 제2 굴절률을 갖는다. 시스템은 광반응 물질층에 형상의 근거리 상을 생성한다.
이러한 근거리 포토리소그래픽 시스템의 일부 실시예에서는, 제1 유전율의 실수부가 제2 유전율의 실수부의 절대값과 거의 동일하다. 근거리 포토리소그래픽 시스템의 일부 실시예에서는, 형상이 파장 λ보다 작은 폭을 갖는다. 그러한 일부 실시예에서는, 형상의 폭이 약 λ/6 이하이다. 또다른 근거리 포토리소그래픽 시스템의 실시예에서는, 중간층이 유기 물질을 포함한다.
또다른 실시예는, 통합 회로 장치를 반도체 웨이퍼 상에 제조하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은, 패터닝될 물질을 반도체 웨이퍼에 형성하는 단계를 포함한다. 광반응 층을 상기 패터닝될 물질에 형성한다. 슈퍼렌즈 템플릿이 광원과 광반응층 사이의 광학로를 갖는다. 슈퍼렌즈 템플릿은 광선 대부분을 불통과시키는다수의 형상과, 상기 다수의 불통과 형상의 전방에 배치된 유전체 물질과, 광반응층의 후방 및 유전체 물질의 전방에 배치된 슈퍼렌즈를 포함한다. 유전체 물질은 광선을 대부분 전달한다. 광반응층은 제1 굴절률을 가지며, 파장 λ을 갖는 광선에 반응한다. 이 방법은, 슈퍼렌즈와 광반응 층 사이에 중간층을 삽입하여 단계를 포함하여 광반응 층과 슈퍼렌즈의 접촉을 줄이도록한다. 중간층은 광선을 대부분 전달하는 물질을 포함한다. 광선은 슈퍼렌즈 템플릿을 향하여, 광반응층의 영역을 광선에 노출시킨다.
일부 실시예에서는, 통합 회로 장치의 제조 방법이 광반응 층을 현상하는 단계, 물질을 에칭하는 단계, 및 광반응층을 제거하는 단계를 더 포함한다.
제조 방법의 또다른 실시예에서는, 형상의 근거리 상이 광반응층 위에 형성된다. 다른 실시예에서는, 광반응층이 포토레지스트를 포함한다. 본 방법의 또다른 실시예에 따르면, 중간층은, 광반응 물질의 제1 굴절률과 대략 동일한 제2 굴절률을 갖는다. 제조 방법의 일부 실시예에서는, 슈퍼렌즈가 금속 층을 포함한다. 그러한 일부 실시예에서는, 금속이 은, 금 또는 티타늄을 포함한다.
제조 방법의 실시예는 유전체 물질이 폴리메틸 메타크릴레이트를 포함하는 것을 개시하고 있다. 또다른 실시예에서는, 중간층이 유기 물질을 포함한다. 다른 실시예에서는, 중간층이 고체를 포함한다.
제조 방법의 일부 실시예에서는, 중간층이 액체를 포함한다. 그러한 일부 실시예에서는, 액체를 슈퍼렌즈와 광반응 층 사이에 흐르도록 하는 단계를 더 포함한다. 그러한 일 실시예에서는, 이 방법이 유체 공급 포트로부터 액체를 제공하고 액체 주입 포트로부터 액체를 제거하는 것을 추가적으로 포함한다.
집적 회로 장치는, 이러한 제조 방법 중 어느 것에 따라서도 제조될 수 있다.
또다른 실시예는 광선에 광반응 물질을 노출시키는 포토리소그래페 시스템을 포함한다. 시스템은 상기 광선의 영역을 차단하여 광 패턴을 형성하는 수단 및 상기 광이 패턴을 가진 플라즈몬을 형성하는 수단을 포함한다. 또한 시스템은 상기 광 패턴을 상기 플라즈몬 형성 수단으로 연결시키는 수단 및 상기 광반응 물질이 상기 플라즈몬 형성 수단과의 접촉으로부터 보호하는 수단을 더 포함한다. 연결 수단은 상기 광선을 대부분 통과시키며, 보호수단은, 광이 상기 플라즈몬으로부터 나와 상기 보호수단으로 연결되도록 배치된다.
추가적인 실시예는 광선에 광반응 물질을 노출시키는 방법을 포함한다. 이러한 방법은 상기 광선의 영역을 차단하여 광 패턴을 형성하는 단계, 상기 광 패턴을 전달하는 단계 및 상기 광이 패턴을 가진 플라즈몬을 형성하는 단계를 포함한다. 또한, 이러한 방법은, 상기 플라즈몬에서 나온 광을 상기 플라즈몬으로부터 나온 상기 광을 대부분 광학적으로 전달하는 매체로 연결시키는 단계 및 상기 광반응 물질을 상기 매체를 사용하여 접촉으로부터 보호하는 단계를 더 포함한다.
도 1은, 근거리 포토리소그래픽 시스템의 실시예에 있어 슈퍼렌즈 템플릿을 도시한 사시도이며, 슈퍼렌즈 템플릿은 불통과 형상(도시함) 및 금속 슈퍼렌즈 층(도시하지 않음)을 포함하고 있다.
도2는, 도 1에서 선 2-2를 따라 자른 슈퍼렌즈 템플릿의 일 실시예의 단면도이며 불통과 형상 및 금속 슈퍼렌즈 층을 모두 도시하고 있다.
도3은, 근거리 포토리소그래픽 시스템의 일시예의 단면도이며 슈퍼렌즈 템플릿이 광반응 물질 위에 배치되어 있으며 그들 사이에 중간층을 갖고 있음을 도시하고 있다.
도 4a는, 중간층이 광반응 물질 위에 코팅을 포함하고 있는 근거리 포토리소그래픽 시스템의 일 실시예의 개략도이다.
도4b는, 중간층으로서 유체가 흐르도록하는 근거리 포토리소그래픽 시스템의 일 실시예에 대한 개략도이다.
본 발명의 다양한 실시예는, 슈퍼렌즈 템플릿(14)을 사용한 포토리소그래픽 시스템으로 이루어져 있으며, 이것의 평면도가 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 슈퍼렌즈 템플릿(14)은 기판(18) 및 포토리소그래픽 시스템에 의해 전사될 하나 이상의 형상(22)을 갖는 패턴(23)으로 구성된다.
패턴(23)의 상(image)은, 슈퍼렌즈 템플릿(14)을 통해 광선을 전달함으로써 생성할 수 있다. 일 실시예에서는, 예를 들어, 광선을 템플릿(14)의 상면에 투사할 수 있다. 이 광선의 파장은, 구동 파장 λ 이어도 좋다. 이 파장은 파장 대역 의 중심 파장에 해당할 수 있다. 이 파장 대역은 1 나노미터 이하의 대역(FWHM)을 갖는 좁은 대역일 수 있으며, 1 나노미터 이상을 포함해도 좋다. 적합한 구동 파장은 전자기 스펙트럼의 약 100nm 내지 800nm인, 자외선 및 가시광선 영역에 있을 수 있으며, 예를 들어, 수은 램프의 I-line (λ= 365nm), KrF(Krypton Fluoride) 엑시머 레이저(λ= 248nm), ArF(Argon Fluoride) 엑시머 레이저(λ= 193nm)를 포함할 수 있다. 가시광선 영역의 파장을 사용하면 상기 설명한 바와 같이 몇 가지 이점을 얻을 수 있다. 그러나, 극 자외선 및 적외선 영역의 파장을 비롯하여 다른 구동 파장의 광선도 사용할 수 있다.
따라서, 다양한 실시예에서, 기판(18)은, 구동 파장의 광선을 대부분 전달하고, 유리 또는 석영 같은 물질로 이루어질 수 있다. 구동 파장의 빛을 대부분 통과시키는 그 밖에 다른 물질도 사용될 수 있다. 기판(18)을 이루는 물질은, 표면이 평평하진 않더라도, 예를 들어 마모(polishing) 또는 분극(polarization) 기술을 통해 생성된 거의 평탄한 표면을 가질 수 있다.
반대로, 형상(22)은 구동 파장을 거의 통과시키지 않는 물질로 구성되어도 좋다. 형상(22)을 이루는 물질의 다른 특성으로는 낮은 스킨 깊이가 있는데, 이는 빛이 물질로 빠르게 흡수되는 것이다. 형상(22)은 기판(23)을 통해 전달되는 광선을 약하게 할 정도로 매우 두꺼울 필요가 없다. 이에 더하여, 그 물질은 시스템에서 물질의 플라즈몬 공명(plasmonic resonances)과 매우 떨어진 주파수에서 공진할 수 있다. 형상(22)을 이루는 물질은 또한, 젖을 수 있고 기판(18)에 부착될 수 있다. 적합한 물질로는, 예를 들어, 크롬, 텅스텐, 티타늄, 티타늄 규소화합물, 티 타늄 질소화합물, 실리콘 질소화합물, 또는 이들의 혼합물 또는 화합물이 포함될 수 있다. 바람직한 일 실시예에서는, 크롬이 사용된다. 형상(22)의 두께는 1nm 내지 100nm의 범위에 있을 수 있고, 예를 들어, 약 50nm일 수 있다. 그러나, 이밖에 다른 물질도 사용될 수 있으며 이와 다른 두께로도 사용될 수 있다.
형상(22)은, 식각 되어 패턴(23)을 생성할 수 있는 적합한 물질층을 형성함으로써 생성될 수 있다. 일 실시예에서는, 종래의 포토리소그래픽를 이용한 웨이퍼 처리 기술을 이용하여 형상(22)을 패터닝한다. 예를 들어, 패턴(23)을 이루게 될 물질을 기판(18) 상에 형성한다. 포토레지스트는 그 위에서 회전하여, 그리고 원하는 형상(22)으로 이루어진 패턴(23)을 생성하도록 구성된 레티클 또는 마스크를 이용하여 템플릿(14)을 노출시킨다. 포토레지스트를 현상하고 기판(18)에 에칭하여, 형상(22)이 기판(18)에 부착된 상태가 되도록 한다. 본 실시예는, 포토레지스트와 같은 광반응 물질을 노출시켜 패터닝하는 종래의 포토리소그래픽 시스템의 성능의 한계 범위 내의 사이즈와 피치를 갖는 형상(22)을 현상하는데 적합할 수 있다. 다른 실시예에서는, 예를 들어 도전 파티클 빔 리소그래피를 이용하여. 그와 같은 종래의 포토레지스트 기반의 포토리소그래픽 시스템의 한계를 넘는 피치 및 사이즈의 형상(22)을 생성할 수 있다.
또다른 실시에에서는, 그러한 종래의 포토레지스트 기반의 포토리소그래픽 시스템의 성능을 벗어난 피치 및 사이즈를 갖는 형상을, 예를 들면 대전된 파티클 빔 리소그래피를 통하여 생성할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서는, 집속 이온빔(FIB) 에칭 또는 전자빔 리소그래피(EBL)를 이용할 수 있다. 대전된 파티클 빔 리소그래피는 제한된 부피를 갖는 템플릿(14)의 생산, 특히 작은 크기의 형상(22)을 갖는 경우에 사용될 수 있다. 일 실시예에서, FIB 리소그래피를 이용하여 120nm의 피치, 60nm의 폭을 가진 나노선의 배열로 이루어진 패턴(23)을 생성할 수 있다. 또다른 실시예에서는, FIB리소그래피를 사용하여 10nm 내지 80nm 범위 내의 폭, 바람직하게는 약 40nm의 폭을 갖는 형상(22)을 생성할 수 있다. 또한, 이러한 범위를 벗어난 폭을 가진 형상(22)을 생성해도 좋다.
도 1은 패턴(23)의 일 실시예를 도시하고 있다. 패턴(23)은 하나의 예시에 불과하며, 근거리 포토리소그래픽 시스템(10)에 의해 현상될 수 있는 패턴 또는 형상의 범위를 한정하고자 함은 아니다. 패턴(23)은, 네 개의 거의 평행하고 거의 직사각형 모양의 라인(22a, 22b, 22c, 22d)을 포함하고 있으며, T 영역(22e)으로 끝나는 하나의 대략 직사각형 모양의 라인이 라인(22a, 22b, 22c, 22d)을 가로지르고 있다. 도 1의 패턴(23)에 도시된 라인의 개수는 예시에 불과하며 포토리소그래픽 시스템(10)에서의 패턴(23)의 범위를 제한하고자 함은 아니다. 라인(22a, 22b, 22c, 22d)간의 간격은 거의 동일하며, 라인(22d)의 폭은 라인(22a, 22b, 22c)의 폭 보다 두껍다. 도 1에 도시된 패턴은 또한 네 개의 대략 원 형상의 점(22f)을 포함하고 있다. 이밖에 도 1에 도시한 것 외의 다른 형상과 구성을 가진 패턴(23)도 기판(18)상에 형성될 수 있다. 또한, 도 1에서보다 더 많거나 적은 개수의 형상(22)을 포함하고 도 1과는 다른 크기 및 간격을 가진 패턴(23)을 현상해도 좋다.
도 2는 도 1의 선2-2를 따라 자른 단면도이며, 슈퍼렌즈 템플릿(14)의 측면(aspect)을 개략적으로 도시하고 있다. 화살표(50)로 나타낸 광선은 템플릿(14) 에 투사되어, 대부분 기판(18)을 통과하여 전달된다. 광선은 시스템(10)에 의해 정의된 광학로(optical path)를 따라간다. 도 2에 도시한 실시예에서, 광선은 슈퍼렌즈 템플릿(14)에 거의 수직인 직선을 따르는 것으로 도시되어 있으나, 다른 실시예에서는 탬플릿에 대해 다른 각도로 빛을 투사해도 좋다. 여기서, “전방” 및 “후방”은, 광선이 광학로를 따라 슈퍼렌즈 템플릿(14)을 통하여 목적물(예를 들어, 반도체 웨이퍼 상의 포토레지스트)에 이르는 전파 방향을 기준으로 한다. 예를 들어, 광선이 제1 구성요소를 통과하기 전에(또는 후에) 제2 구성요소를 관통하도록 제1 및 제2 구성요소가 배치되어 있다면, 제1 구성요소는 제2 구성요소의 전방(또는 후방)에 있다고 말할 수 있다.
슈퍼렌즈 템플릿(14)은, 기판(18) 및 형상(22)과 더불어, 공간층(30) 및 슈퍼렌즈(34)로 구성될 수 있다. 슈퍼렌즈(34)는 공간층(30)의 전방에 있을 수 있으며, 공간층(30)은 형상(22)의 전방에 있을 수 있다. 도 2는 기판(18)의 표면(29)에 형성된 형상(22a,22b,22c,22d)의 예시를 보여주고 있다. 패턴(23)은 폭(D1) 및 간격(D2)을 갖는 형상(22)으로 구성될 수 있다. 길이(D)는 D1+D2로 정의된다. 길이(D)는, 일반적으로, 패턴(23)에서 가장 작은 크기의 형상(22)의 피치를 말한다. 하프 피칭 전사에서는, D1=D2=D/2이다.
근거리 포토리소그래픽 시스템(10)의 하나의 이점은, 수학식 1에서의 회절 한계 크기(W)보다 작은 형상(22)의 복사본을 재생산하는 능력이다. 예를 들어, 시스템(10)은, D1<W인 폭 (D1)을 갖는 형상(22)의 상을 거의 정확하게 재생산할 수 있 다. 형상의 폭의 범위는 10nm 내지 1000nm이다. 형상 간의 간격의 범위도 10nm 내지 1000nm이다. 예를 들어, 포토리소그래픽 시스템(10)의 일 실시예에서는, 60nm 폭의 나노선의 배열은 D=120nm의 피치로 패터닝 되어도 좋다. 따라서, 형상간의 간격은 60nm일 수도 있다.
일부 실시예에서는, 패턴(23)은, 예를 들어, 선, 점, 원, 고리, 삼각형 또는 사각형의 배열과 같이, 형상(22)의 규칙적인 배열로 구성되어도 좋다. 패턴(23)은 격자(grating) 형태여도 좋다. 다른 실시예에서는, 패턴(23)은 불규칙인 형상(22) 또는 규칙적인 구성과 불규칙적인 구성이 혼합된 형상(22)으로 이루어 질 수 있다. 형상(22)은, 나노선의 규칙적인 배열에서와 같이 거의 평행하거나, 서로 교차해도 좋다. 패턴(23)은 직선, 사각형, 또는 원 등과 같이 대칭적인 형상(22)을 가질 수 있다. 형상(22)은 둥글거나, 원, 삼각형, 사각형, 직선으로 뻗어나가는 형상(rectilinear) 또는 일반적이지 않은 형상을 가져도 좋다. 다양한 실시예에 있어서는, 형상(22)은 반도체 웨이퍼 위의 층에 형성된 다른 형상의 모양과 대응되어도 좋다. 다양한 범위의 모양, 구성, 배열, 간격, 크기 등이 가능하다.
도 2에 도시한 바와 같이, 기판(18) 및 그 위의 형상(22)의 위에 공간층을 배치한다. 표면(29) 위에 형상(22)을 패터닝한 후, 예를 들어, 기판(18)의 표면(29) 위에 공간층(30)을 형성하여 슈퍼렌즈 템플릿(14)을 평탄화할 수 있다. 공간층(30)은, 포토리소그래픽 시스템(10)의 구동 파장의 광선을 대부분 통과시키는 스페이서 물질로 이루어질 수 있다. 스페이서 물질은 물리적 안정성과 유동 특성의 제어도가 우수한 것이 좋다. 또한, 일 실시예에서는, 스페이서 물질은, 이하에 서 좀 더 상세하게 설명될 포토레지스트와 유사한 굴절률을 갖는다. 스페이서 물질은 슈퍼렌즈(34)의 형성, 예를 들어, 슈퍼렌즈를 형성하는 물질의 퇴적을 견뎌낼 수 있어야 한다.
스페이서 물질은 일반적으로 비전도성 물질을 갖는다. 스페이서 물질의 전자기적 특성은 유전율 εd 로 특징지어질 수 있다. 일반적으로, 매체의 유전율은 복소수로서, 실수부와 허수부를 갖는다. 물질의 유전율은 일반적으로 매체를 통해 전달하는 광선의 파장에 따라 결정된다. 여기서는 설명상의 편의를 위하여, 예를 들어 “복소 유전율”이라고 지칭하여 허수부를 명시적으로 언급하지 않는 한, 유전율 값을 나타내는 것은 실수부가 될 것이다. 유전체 물질은 양수인 유전율을 가지며 스페이서 물질로 적합할 수 있다. 일 실시예에서는, 스페이서 물질은 예를 들어, 폴리메틸메타아크릴레이트 (PMMA) 또는 파릴렌(parylene)과 같은 폴리머일 수 있다. 이밖에 석영, 유리, 또는 SiO2 같은 물질도 스페이서층(30)으로 이용될 수 있다. 참고로, PMMA의 유전율은 약 365nm의 파장에서 대략 2.4이다. 이밖에 다른 물질 및 다른 유전율을 이용해도 좋다.
다양한 바람직한 실시에에서, 슈퍼렌즈(34)는 도 2에 도시한 바와 같은 물질층으로 이루어진다. 또한, 일 실시예에서, 슈퍼렌즈(34)는 포토리소그래픽 시스템(10)에서 사용되는 광선의 구동 파장 λ에 대응하는 주파수에서 표면 플라즈몬 공명(surface Plasmon resonance) 을 제공하는 물질을 가진다. 표면 플라즈몬은 슈퍼렌즈(34)의 표면을 따라 전달되는 전하 밀도 진동(charge density oscillations)이다. 진동의 진폭은 슈퍼렌즈(34)의 표면에 대해 횡방향을 따라 지수적으로(exponentially) 감쇄한다. 스페이서 물질의 유전율이 양수이고 슈퍼렌즈 물질의 유전율이 음수인 경우, 슈퍼렌즈(34)와 스페이서층(30) 사이의 경계면은 표면 플라즈몬 공명의 제공을 가능하게 한다. 따라서, 슈퍼 렌즈(34)는 유전율 εs 이 음수일 수 있는 특징을 갖는 물질을 갖는다. 광학 및 자외선 영역의 주파수에서, 대부분의 금속은 유전율이 음수이며, 슈퍼렌즈(34)에 적합한 물질일 수 있다. 일 실시예에서, 슈퍼렌즈의 유전율의 허수부는 유전율의 실수부의 절대값과 비교 했을 때 충분히 작아서, 표면 플라즈몬 진동(surface Plasmon oscillation)은 상당한 에너지를 열로 소산시켜버리지는 않는다.
금속에 있어서, 금속의 전도대(conduction band)에서 전자들의 플라즈마 주파수보다 작은 주파수에서 유전율이 음수이다. 따라서, 일 실시예에서는, 슈퍼렌즈(34)에 사용되는 금속은, 그의 플라즈마 주파수가 시스템(10)에 사용되는 광선의 진공에서의 주파수를 넘는 것이다. 일부 실시예에서, 에를 들어 은 또는 금과 같은 순수한 금속은, 전도 전자(conduction electron)들 전체가 여기되어 최적의 주파수에서의 표면 플라즈몬 진동을 가능하게 하므로, 슈퍼 렌즈(34)에 적합할 수 있다.
슈퍼렌즈(34)를, 예를 들면 증발, 스퍼터링, 화학적 피착, 또는 다른 기술을 이용하여 스페이서층(30) 위에 형성한다. 스페이서층(30)의 표면과 슈퍼렌즈(34)의 표면 사이의 경계면은, 표면 플라즈몬들을 흐트러트리고 포토리소그래픽 시스 템(10)의 전사 능력을 왜곡시키는 거친 표면과 주름을 없애기 위해, 평탄화해도 좋다. 일 실시예에서, 표면 거칠기 모듈레이션의 제 곱평균 (root mean square surface roughness modulation)은 스페이서층(30) 및 슈퍼렌즈(34) 모두에 있어서 1nm 이하일 수 있다. 그러나, 다른 실시예에 있어서는 좀 더 매끄럽거나 또는 좀 더 거친 표면도 사용될 수 있다.
도 3은 포토리소그래픽 시스템(10)의 실시예의 또다른 측면을 개략적으로 도시하고 있다. 도시한 실시에에서, 형상(22)의 상을 반도체 웨이퍼(48) 위에 배치된 광반응층(44)에 현상하도록 슈퍼렌즈 템플릿(14)을 정렬시킨다. 따라서, 슈퍼렌즈 템플릿(14)은 반도체 웨이퍼(48)위에, 특히 반도체 웨이퍼 위의 광반응층(44)상에 배치한다. 중간층(40)은 슈퍼렌즈 템플릿(14) 및 반도체 웨이퍼 사이에 있다. 더욱 구체적으로, 중간층(40)은 슈퍼렌즈(34)와 광반응층(44) 사이에 배치한다.
다양한 실시예에서, 중간층(40)은 슈퍼렌즈 템플릿(14)을 통해 전달되는 광선을 대부분 광학적으로 전달가능한 물질을 갖는다. 이 물질은 유동체(fluid) 또는 고체일 수 있고, 이하에서 더욱 충분히 설명될 유전체여도 좋다.
광반응층(44)은 슈퍼렌즈 템플릿(14)을 통해 전파되는 구동주파수에 반응하는 포토레지스트로 구성될 수 있다. 반도체 웨이퍼(48) 상으로 포토레지스트를 회전시키기 위해서 종래의 반도체 처리 기술을 이용해도 좋다. 일 실시예에서는, 120nm의 두께를 가진 음각 포토레지스트 층[NFR105G, 일본 Synthetic Rubber Microelectronics(JSR Micro)]을 이용할 수 있다. 당해 기술 분야에서 잘 알려진 기술 뿐만 아니라 아직 알려지지 않은 다른 기술들도 광반응 물질의 형성 및/또는 준비를 위해 사용될 수 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 화살표로 나타낸 광선(50)은, 템플릿(14)에 투사되고, 기판(18)을 통하여 대부분 전달된다. 형상(22) 중 하나에 투사된 광선은 대부분 차단되는 반면, 형상(22)에 투사되지 않는 광선은, 광선을 대부분 전달할 수 있는 스페이서층(30)을 통해 전파된다. 형상(22)을 넘어서 전달된 광선은, 원거리 장(far-field)에 도달할 수 있는 전달파(propagating wave)와 근거리 장(near-field)에만 존재하는 소멸파(evanescent wave)를 모두 포함한다. 소멸파는, 원거리 장에서 광학파와 같이 회절하지 않는다. 소멸파는, 예를 들면, 형상(22)이 파장과 비슷하거나 또는 작더라도, 원거리 장에 있는 파보다 형상(22)의 크기 및 모양을 더욱 잘 유지할 수 있다. 따라서, 다양한 실시예에서는, 광반응 물질에 투사된 소멸장으로부터의 광학 에너지는 형상(22)과 유사한 크기 및 모양을 가질 수 있다. 그러므로, 소멸파는 형상(22)에 관한 부파장 정보를 실어 나른다고 말할 수 있다. 근거리 포토리소그래픽 시스템(10)은 소멸장을 이용하여 광반응 물질의 부파장 영역을 노출시켜 부파장 분해능 패터닝(subwavelength resolution patterning)을 생성한다. 이 점에서는, 근거리 포토리소그래픽 시스템(10)은 소멸파에 있는 정보를 수집하고 이 정보를 고분해능 전사 및 패터닝에 이용한다.
소멸파의 세기는 형상(22)으로부터의 거리가 증가함에따라 지수적으로 감소하기 때문에, 광반응층(44)이 형상(22)으로부터 너무 멀리 떨어진 곳에 위치할 경우 부파장 형상(22)를 분해하는 것이 어려울 수 있다. 간격 D를 가진 라인 배열의 경우, 소멸파의 강도가 감소하는 특성 거리 Z는,
Figure 112008057161394-PCT00005
이며, 여기서 εd는 스페이서층(30)의 유전율이다. 하나의 예로서, PMMA(
Figure 112008057161394-PCT00006
)에서 감소 길이는, 365nm의 구동 파장에서 전사되는 60nm 하프 피치 형상의 경우 11nm이다. 광반응층(44)이 형상(22)으로부터 너무 먼 거리에 위치하고 있는 경우, 소멸파에 의해 실려온 부파장 정보는 사라질 수 있으며, 수학식 1의 회절 한계보다 큰 크기를 가진 형상만이 전사될 수 있다.
어떠한 특정한 이론을 이용하지 않고, 슈퍼렌즈(34)로 소멸파의 세기를 증가시킬 수 있다. 슈퍼렌즈(34)의 후면에 투사되는 광학 에너지는, 광선의 투사 결과로 여기된 플라즈몬 모드로 결합되어 들어갈 수 있다. 광학 에너지는 슈퍼렌즈(34)의 전방 표면 밖으로 결합될 수 있으며 광반응층(44)으로 전달된다. 슈퍼렌즈(34)는, 표면 플라즈몬 진동의 공명적 여기(resonant excitation)로 인하여 향상된 에너지 처리량을 제공한다. 공명 플라즈몬 여기는, 예를 들어, 슈퍼렌즈(34) 및 스페이서층(30)으로 이루어진 물질이 거의 크기가 같고 부호가 서로 반대인 유전율, 즉 εs=-εd 을 갖도록 선택된 경우에 발생한다. 스페이서층(30) 및 슈퍼렌즈(34)이 이러한 공명조건을 만족시키도록 선택된 물질을 포함하고 있는 포토리소그래픽 시스템(10)의 실시예에 있어서, 넓은 범위의 플라즈몬은 스페이서 층(30)에 의해 전달된 광선에 의해 여기되고 슈퍼렌즈(34)에 투사될 수 있다. 이러한 효과는 "슈퍼렌징(superlensing)"이라고 알려져 있다. 예를 들어, 본 명세서에서 전체 적으로 참조된, 2005년 4월 22일자 N.Fang 등의 "Sub-Diffraction-Limited Optical Imaging with a Silver Superlens", 페이지 534-537, 사이언스, Vol. 308을 참고하라. 따라서, 슈퍼렌즈(34) 및 스페이서층(30)으로 이루어진 물질은 대개 서로 부호가 반대인 유전율을 가질 수 있다. 또한, 이러한 유전율은 크기가 거의 같다. 이러한 실시예에서, 소멸파에 실려온 부파장 정보는 부 회절 한계 전사에 이용될 수 있다. 일 실시예에서는, λ/6 정도의 크기를 가진 형상(22)이 분해될 수 있다.
스페이서층(30) 및 슈퍼렌즈(34)의 두께는 템플릿(14)이 슈퍼렌징을 제공하도록 선택될 수 있다. 스페이서 층(30)의 두께는 5nm 내지 200nm의 범위에서 선택될 수 있다. 스페이서층(30)의 두께가 소멸파의 감소 길이보다 몇 배 큰 경우, 포토리소그래픽 시스템(10)의 처리량은 줄어들 수 있다. 일 실시예에서, 스페이서층(30)은 40nm의 PMMA 층으로 구성될 수 있다. 이밖에 다른 두께도 가능하다.
슈퍼렌즈(34)의 두께는 5nm 내지 200nm의 범위에서 선택해도 좋다. 일 실시에에서는 이 범위 밖의 값도 가능할 수 있다. 그러나, 슈퍼렌즈(34)의 두께가 너무 두껍거나 너무 얇다면 슈퍼렌즈 효과는 감소될 수 있다. 소멸파의 실질적인 증가는, 슈퍼렌즈(34)가 전사될 형상(22)의 하프 피치 크기에 상당하는 두께를 갖도록 선택되거나, 또는 구동 파장의 몇분의 일, 예를 들어 λ/10의 두께를 갖도록 선택될 수 있다. 120nm의 피치의 60nm 와이어 배열을 전사하도록 설계된 일 실시에에서, 슈퍼렌즈(34)는 35nm의 실버 층일 수 있다. 슈퍼렌즈(34)가 너무 두꺼운 경우, 소멸파를 증폭시키기 보다는 오히려 감쇠시키는 작용을 할 수 있으며, 포토리소그래픽 시스템(10)은 수학식 1의 회절 한계 크기보다 큰 형상만을 분해할 수 있 다. 예를 들어, 365nm에서 구동하는 포토리소그래픽 시스템(10)의 일 실시예에서, 120nm두께를 가진 슈퍼렌즈(34)는 회절 한계보다 작은 형상(22)을 흐리게 할 수 있다.
예를 들어, 본 명세서에서 전체적으로 참조된, S.Durant 등의 "Comment on 'submicron imaging with a plamar silver lens'", 페이지 4403, Applied Physics Letters, Vol.84, 2004년도를 참고하라.
반대로, 다양한 실시예에서는, 형상(22)은 스페이서층(30) 및 슈퍼렌즈(34)의 공진주파수 근처에서 플라즈몬 공명을 갖지 않는 물질을 포함한다. 형상(22)에 적합한 물질은, 예를 들어 슈퍼렌즈 물질의 유전율과 거의 동일하지 않은 유전율을 가질 수 있다. 슈퍼렌즈(34)가 은(365nm에서
Figure 112008057161394-PCT00007
)으로 이루어져 있고 30이 PMMA(
Figure 112008057161394-PCT00008
)로 이루어진 예시적인 실시예에서, 형상(22)은 크롬(
Figure 112008057161394-PCT00009
)으로 구성되는 것이 유리할 수 있다. 형상(22)은 마찬가지로 다른 물질을 포함해도 좋다.
슈퍼렌즈(34)에서 여기된 표면 플라즈몬은 반도체 웨이퍼(48) 위에 형성된 광반응층(44)에 의해 전사될 수 있는 광선을 재방사한다. 상기 언급하고 또 도 3에 개략적으로 도시한 바와 같이, 중간층(40)은 슈퍼렌즈 템플릿(14) 및 광반응 층(44) 사이에 삽입되어 있다. 다양한 실시예에서 중간층(40)은 슈퍼렌즈(34)에 의해 전달되는 파장으로 구성된 광선을 대부분 전달한다. 중간층(40)은, 또한 광반응 물질층(44)이 슈퍼렌즈 템플릿(14)과 물리적으로 접촉하는 못하도록 보호하는 역할을 제공할 수 있으며, 또한 슈퍼렌즈(34)가 광반응 물질(44)과 접촉하지 못하도록 보호하는 역할도 제공한다.
상기 언급한 바와 같이, 일 실시예에서는, 중간층(40)이 액체 또는 고체 층으로 이루어질 수 있다. 중간층(40)은 유기물질로 구성되어도 좋다. 다양한 실시예에서 사용되기에 적합한 유기 물질로는, 예를 들어, EEP(ethyl epoxy propionate), 시클로헥사논, EL(ethyl laurate), PGME(propylene glycol monomethyl ether), 상업상 이용 가능한 BARCs(bottom anti-reflection coatings)을 포함한다. 이에 더하여, 다른 유기 물질을 사용해도 좋다. 다양한 실시예에 있어서, 유기 물질은 액체 또는 고체 물질로 이루어질 수 있다. 유기층은 광반응 물질이 효과적으로 기능하도록 광반응층(44)과 화학적으로 융화될 수 있다. 내부 반사를 줄이고 처리량을 향상시키기 위해, 중간층(40)이 슈퍼렌즈(34)와 광반응층(44) 사이의 영역을 채울 수 있으므로, 이들 사이에 공기가 존재하는 틈은 없다. 중간층(40)의 굴절률도, Fresnel 굴절을 줄이기 위해, 광반응층(44)으로 이루어진 물질의 굴절률과 비슷할 수 있다. 굴절률을 맞추고 공기가 존재하는 틈을 제거함으로써, 중간층(40)은 슈퍼렌즈(34)와 광반응층(44) 간의 우수한 광학적 결합을 제공하고 포토리소그래픽 시스템(10)의 효율성을 향상시킨다. 이에 더하여, 일 실시예에서는, 중간층(40)은 광반응층(44)으로 부터 쉽게 제거되는 물질로 구성된다. 이와 같이 요구되는 특징들의 일부 또는 전부를 갖는 유기 코팅은 많은 상업 제조사, 예를 들어, Clariant Corp. (Charlotte, North Carolina), Brewer Science, Ind. (Rolla, Missouri), Sigma-Aldrich Co. (St. Louis, Missouri), Shipley Co. (Marborough, Massachusetts), 또는 Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.(Kanagawa, Japan)로부터 구할 수 있다. 이밖에 다른 물질을 이용해도 좋다.
포토리소그래픽(10)의 일부 실시예는, 둘 이상의 슈퍼렌즈(34)로 구성된 슈퍼렌즈 템플릿(14)을 포함한다. 그러한 실시예에서, 슈퍼렌즈들(34)은 동일한 또는 서로 다른 유전체 물질들로 구성된 스페이서층(30)에 의해 서로 분리될 수 있다. 일 실시예에서, 스페이서층(30) 중 하나는 구동 파장을 얻는 매체로 구성된다. 슈퍼렌즈(34)의 개수, 두께, 그리고 서로 떨어진 거리는, 회절을 감소시키고 형상(22)의 상의 분해능을 증가시키도록 변화될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 하나의 40nm 슈퍼렌즈는 두 개의 20nm 슈퍼렌즈 또는 네 개의 10nm 슈퍼렌즈로 대체되어도 좋으며, 각각은 PMMA와 같은 유전체 물질의 층에 의해 분리될 수 있다. 이밖에 다른 다양한 배열 및 구성이 가능하다.
도 4a는 근거리 포토리소그래픽 시스템(10)의 일 실시예를 개략적으로 도시하고 있다. 광원(50)은, 반도체 웨이퍼(48)위에 형성된 광반응층(44)에 형상(22)의 상을 형성하기 위해, 화살표(54)로 나타낸 구동 파장 λ을 가진 빛을 제공한다. 광원(50)의 구동파장은 포토레지스트로 이루어질 수 있는 광반응층(44)을 노출시키기에 적합하게 선택한다. 구동 파장은, 일반적으로, 전자기 스펙트럼의 극 자외선 영역으로부터 가시광선 영역으로 확장된 약 100nm 내지 약 800nm일 수 있다. 일부 실시예에서는, 적외선 영역의 구동 파장이 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 포토리소그래픽 시스템(10)은 상대적으로 저렴한 고압 증기 램프를 이용할 수 있다. 다양한 바람직한 실시예에서는, 예를 들어, 약 365nm 또 는 580nm의 구동 파장의 빛을 방출하는 고압 증기 광원(50)을 사용해도 좋다. 이와 달리, 예를 들어 엑시머 레이저와 같은 단파장 광원을 사용해도 좋다. 그러나, 구동 파장은 가시광선영역의 파장을 포함할 수 있으므로, 엑시머 레이져 광원에 비해 고효율이고 유지비용이 저렴한 광원을 사용해도 좋다. 또한, Mercury I-line과 같은 가시광선 영역의 파장에 반응하는 일부 포토레지스트는, DUV(deep ultraviolet) 포토리소그래픽에 사용되는 화학적으로 증폭된 레지스트에 비해 더 저렴하고 공기중 부류물에 강한 이밖에 다른 광원 및 구동 파장도 역시 이용할 수 있다.
구동파장의 빛(54)에, 일정 노출 시간 동안 일정 노출 플럭스(flux)로 광반응층(44)을 노출시킴으로써, 형상(22)을 전사시킬 수 있다. 노출 시간 및 노출 플럭스는 구동 파장, 층(44)의 광반응도, 형상(22)의 크기 및 슈퍼렌즈 템플릿(14)의 처리량에 따라 결정된다. 광반응층(44)은 종래 반도체 웨이퍼 처리 기술을 이용하여 현상하고 식각할 수 있다. 일 실시예에서, 템플릿(14)은 365nm의 구동파장의 광선(54)를 8mW/cm2 의 플럭스로 60초 동안 조명에 노출될 수 있다. 이밖에 다른 시스템(10)의 실시예에서는, 이밖에 다른 구동 파장, 노출 플럭스, 및 노출 시간이 사용될 수 있다. 예를 들어, 노출시간은 노출 플럭스에 따라 수초에서 수분의 범위에서 변동될 수 있다.
본원에서 설명한 바와 같은 부회절 한계내(sub-diffraction limited)의 상을 생성하도록 광선(54)을 템플릿(14)에 투사한다. 예를 들어, 일 실시예에서는, λ /6 정도로 작은 폭 D1을 갖는 형상(22)을, 확대하거나 흐리게 하지 않고, 정확하게 재생성할 수 있다. 도 4a에 도시한 실시예에서 보는 바와 같이, 광원(50)은 슈퍼렌즈 템플릿(14)의 바로 위에 배치되나, 이밖에 다른 구성도 적합할 수 있다. 예를 들어, 광원(50)은 10의 한쪽 편에 배치될 수 있으며, 하나 이상의 미러, 프리즘, 렌즈, 또는 다른 광학 구성을 이용하여 빛(54)이 템플릿(14)을 향하게 해도 좋다. 또한, 광원(50)의 다른 구성도 가능하다.
반도체 웨이퍼(48)는 웨이퍼(48)의 위치를 정렬하도록 구성될 수 있는 웨이퍼 스테이지(58)에 의해 지지된다. 제어부(62)는 슈퍼렌즈 템플릿(14)에 대하여 상하 및 좌우로 웨이퍼 스테이지(58)의 위치를 조절하는데 사용될 수 있다. 도 4a의 웨이퍼 스테이지(58)는, 수평 방향 및/또는 수직 방향 양쪽으로 움직이도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 반도체 웨이퍼(48) 위의 광반응층(44)이 슈퍼렌즈 템플릿(14)의 근거리 장에 있도록 웨이퍼 스테이지(58)를 조정해도 좋다. 제어부(62)는, 웨이퍼 스테이지(58)의 위치 조정을 보조하고 광반응층(44)을 슈퍼렌즈(34)의 근거리 장에 유지시키도록 돕는 피드백 시스템(도시하지 않음)을 선택적으로 이용할 수 있다. 제어부(62)는, 컴퓨터, 컴퓨터 네트워크, 하나 이상의 마이크로프로세서, 또는 웨이퍼 스테이지(58)를 제어하기에 적합한 전자 기기 또는 장치로 구성될 수 있다. 서보모터, 스테퍼 모터, 또는 압전(piezoelectric) 구동 소자를 이용하여 웨이퍼 스테이지(58)의 이동 및 위치 조절에 이용해도 좋다. 일부 실시예에서는, 도 4a에 도시한 바와 같이 템플릿(14)이 웨이퍼(48)보다 작을 수 있으나, 다 른 실시예에서는 템플릿(14)이 동일하거나 더 큰 크기를 가질 수 있다. 따라서, 포토리소그래픽 시스템(10)의 실시예는 전체 웨이퍼 현상, 스텝핑, 스캐닝, 또는 다른 배열을 위해 구성될 수 있다.
슈퍼렌즈 템플릿(14)은 반도체 웨이퍼(48)에 대하여 지지부(도시하지 않음)을 통해 지지될 수 있다. 템플랫 지지부는 고정되어도 좋고 움직일 수도 있다. 제어부(62) 또는 분리 템플릿 제어부(도시하지 않음)는 슈퍼렌즈 템플릿(14)의 이동 및 위치 배정에 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 웨이퍼 스테이지(58)는 고정될 수 있으며, 탬플릿 지지부는 슈퍼렌즈 템플릿(14)이 58에 대하여 이동하도록 구성해도 좋다. 탬플랫 지지부는, 예를 들어, 반도체 웨이퍼(48) 위의 광반응층(44)이 슈퍼렌즈 템플릿(14)의 근거리에 있도록 조정될 수 있다. 도 4a는 슈퍼렌즈 템플릿(14)이 반도체 웨이퍼(48) 위에 배치된 포토리소그래픽 시스템(10)의 일 실시예를 보여준다. 다른 실시예에서는, 이러한 구성들의 상대적 위치가 다를 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서는, 반도체 웨이퍼(48)가 웨이퍼 스테이지(58)와 떨어져 반도체 웨이퍼(48) 위에 배치되어도 좋다.
또한, 다른 구성도 가능하다. 예를 들어, 포토리소그래픽 시스템(10)은 다르게 구성될 수 있고, 추가적인 구성을 포함할 수 있다. 구성의 순서 및 배열은 다를 수 있으며, 구성 중 일부는 제거될 수도 있다. 개개의 구성들 각각은 다를 수 있다. 예를 들어, 광범위한 배열의 광원(50), 웨이퍼 스테이지(58), 및 제어부(62)가 사용될 수 있다. 포토리소그래픽 시스템(10)은 다양한 범위의 반도체 웨이퍼(48) 및 광반응층(44)을 사용하도록 구성될 수 있다. 슈퍼렌즈 템플릿(14)은 도 4a에 도시한 바와 다르게 배열되고 구성될 수 있다.
도 4a에 도시한 일 실시예에서, 중간층(40)은 광반응층(44) 위에 형성된 유기 코팅으로 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 유기 코팅은 액체 또는 고체 코팅으로 구성될 수 있다. 그러나, 코팅은 유기체일 필요는 없다. 유기 코팅과 같이 중간층(40)을 코팅으로 사용하면, 광반응층(44)은 결코 슈퍼렌즈 템플릿(14)과 접촉하지 않으므로, 포토리소그래픽 시스템(10)의 접착-분리(adgesion-release) 층에 대한 요구가 제거된다.
다양한 실시예에서, 중간층(40)은 슈퍼렌즈 템플릿(14)에 대한 광반응층(44)의 위치 조정에 영향을 준다. 예를 들어, 당해 기술 분야에서 널리 알려진 바와 같이, 현재의 평등화(leveling) 기술은 슈퍼렌즈(34)와 광반응층(44) 간의 거의 수직방향으로 분리된 일정한 간격을 제공하는데 사용될 수 잇다. 중간층(40)은 웨이퍼 스테이지(58)로서 광반응 물질(44)에 대한 템플릿(14)의 배치 편성에 대한 허용 오차를 제공하고, 템플릿(14)은 함께 이동된다. 또한 중간층(40)은 충격 방지를 제공할 수 있으며 광반응층(44)이 슈퍼렌즈(34)에 근접한 근거리 장으로 이동될때의 손상을 방지할 수 있다. 본원에서 설명한 바와 같이, 중간층(40)은 포토리소그래픽(10)의 효율 및 처리량을 증가시키도록 슈퍼렌즈(34) 및 광반응층(44) 사이에 우수한 광학적 결합을 제공할 수 있다.
중간층(40)의 두께는 광반응층(44)이 슈퍼렌즈(34)의 근거리 장 안에 위치하도록 충분히 얇아야 한다. 일부 실시에에서는, 중간층(40)의 두께의 범위는 5nm 내지1000nm일 수 있다. 이와 달리, 중간층(40)의 두께는 스페이서층(30) 또는 슈 퍼렌즈(34)의 두께 값 정도로 선택해도 좋다. 예를 들어, 일 실시에에서는, 중간 코팅(40)의 두께는 약 40nm일 수 있다. 다른 실시예에서는, 중간 코팅(40)의 두께가 5nm 내지 200nm의 범위일 수 있다. 다른 실시에에서, 코팅(40)은 이보다 두껍거나 얇아도 좋다. 코팅은 포토레지스트(44)로 부터 용이하게 제거되는 것이 유리하다. 일부 실시에에서는, 예를 들어 코팅이 씻겨져 나갈 수 있거나 화학적 용매 또는 린스제로 떼어냄으로써 제거될 수 있다. 또한 코팅을 제거하는 다른 실시예도 이용될 수 있다.
일부 실시예에서, 중간 코팅은 복수의 층으로 구성된다. 이러한 층들은 도 4a에 도시한 코팅(40)에 대하여 상기 도시한 바와 같은 유사한 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 층은, 굴절을 감소시키기 위한 유사한 굴절률을 가질 수 있다. 일부 실시예에서는, 서로 상이한 층이 다른 성질을 가질 수 있다. 예를 들어, 층들 중 하나의 층은 광반응 물질로부터 용이하게 떨어져 나오도록 제공될 수 있다. 또한 이밖에 다른 구성도 가능하다.
도 4b는 중간층(40)을 제공하기 위해 액체 유수 매커니즘을 이용한 포토리소그래픽 시스템(10)의 일 실시예를 도시하고 있다. 도 4b에서 도시하고 있는 구성의 많은 부분은 도 4a에서 도시한 바와 같은 형태 또는 구성과 일반적으로 유사하며, 이들의 차이점을 제외하고는 이하에서 더 설명되지 않을 것이다.
도 4b에서 설명한 실시예에서, 액체(80)가 슈퍼렌즈 템플릿(14)과 포토레지스트 코팅된 반도체 웨이퍼(48) 사이에서 흐르도록 액체(80)를 주입 노즐(70)을 통하여 주입하여 중간층(40)을 형성한다. 액체(80)를 제거하기 위해 흡입 노즐(74)을 사용하여 흡입할 수 있다. 두 개의 노즐(70,74)은 도 4b에 도시하고 있으나, 주입 및 흡입 모두를 위하여 하나 또는 그 이상의 노즐을 사용할 수 있다. 다른 실시예에서는, 흡입 노즐(74)이 하나 이상의 드레인(도시하지 않음)으로 대체되어 시스템(10)으로부터 액체(80)를 제거하도록 할 수 있다. 제어부(62)는 도 4a에서 설명한 바와 거의 같은 방식으로, 웨이퍼 스테이지(58)의 위치 배정을 제어할 수 있다. 선택적으로, 제어부(62)는 노즐(70,74)을 통하여 액체가 시스템(10)으로 주입되고 시스템(10)으로부터 제거되는 비율을 제어할 수 있다. 일부 실시예에서는, 별개의 노즐 제어부(도시하지 않음)가 이용될 수 있다.
액체(80)는 주입 노즐(70)을 통하여 시스템(10)으로 주입되기 전에 저장고(도시하지 않음)에 저장될 수 있다. 일부 실시예에서, 액체(80)의 표면 장력은 액체가 슈퍼렌즈(34) 및 광반응층(44) 사이의 영역이 퍼지는 물리적 매커니즘을 제공할 수 있다. 또한, 주입 노즐(70)의 배열은 액체(80)의 흐름을 제공하도록 반도체 웨이퍼(58)를 둘러쌀 수 있다. 일부 실시예에서, 흡입 노즐(74)에 의해 제거된 액체(80)는 시스템(10) 안에서 재순환되는 반면, 다른 실시예에서는 제거된 액체(80)는 시스템(10)으로부터 버려진다. 하나 이상의 펌프(도시하지 않음)를 이용하여 액체(80)를 시스템(10)에 주입할 수 있다. 일부 실시예에서는, 제어부(62)가 슈퍼렌즈 템플릿(14) 및 반도체 웨이퍼(48) 사이에서 액체(80)의 유량을 제어하도록 펌프를 제어할 수 있다.
액체(80)는 광선이 슈퍼렌즈(34)로부터 광반응층(44)으로의 이동을 중개하도록 사용될 수 있다. 따라서, 액체(80)는 광반응층(40), 예를 들면 굴절을 감소시 키는 포토레지스트를 위해 선택된 물질의 굴절률과 유사한 굴절률을 가질 수 있다. 또한, 액체(80)는 화학적으로 광반응층(44)과 융화될 수 있고, 거의 균등한 밀도를 가지며, 오염되지 않은 것일 수 있다. 액체(80)는, 포토리소그래픽 시스템(10)의 충분한 광학적 처리량을 제공하도록 슈퍼렌즈(34)에 의해 전달된 파장의 광선을 대부분 전달할 수 있어도 좋다. 의사반사(spurious reflection)를 방지하기 위해, 액체(80)는 슈퍼렌즈(34) 및 광반응층(44) 사이의 영역을 채워 공기가 존재하는 틈이 없도록 할 수 있다.
액체(80)는, 예를 들어, 물, 특히 순수하고 가스가 주입되지 않은 물로 구성될 수 있다. 다른 실시예에서는, 액체(80)가 초임계의 이산화탄소 또는 염화콜린으로 구성될 수 있다. 이밖에 다른 액체도 사용될 수 있다. 액체(80)는 그 특성이, 예를 들어, 점성, 밀도, 투과도, 굴절률, 표면장력, 열전도도, 또는 열 압축률이 적합하도록 선택될 수 있다.
도 4b에 도시한 바와 같은 액체 유수 시스템(10)에서는, 액체(80)에, 움직이는 표면 근처의 캐비테이션(cavitation)하기 쉬운 영역에서 버블이 형성되기 쉬울 수 있다. 버블은, 빛의 흡수, 반사, 또는 산란으로 인하여 상의 차단, 수차, 잘못된 변형을 일으킬 수 있다. 따라서, 포토리소그래픽 시스템(10)에서는 버블 형성의 발생률을 줄이는 것이 바람직하다. 선택적으로, 일부 실시예에서는, 예를 들어 포토리소그래픽 시스템(10)의 전사 능력이 향상될 수 있도록 액체(80)의 특성을 제어하기 위해 온도 제어 시스템(도시하지 않음) 및/또는 여과 시스템(도시하지 않음)을 이용할 수 있다.
도 4b에서 도시한 액체 유수 실시예는, 일반적으로 액침 포토리소그래픽 시스템을 위한 "샤워" 구성으로서 당해 분야에 일반적으로 알려져 있다. 포토리소그래픽 시스템(10)의 다른 실시예에서는, 예를 들어, 시스템(10)의 전부 또는 일부가 액체(80)속으로 가라앉거나 잠기도록 하는 "욕조" 또는 "수영장" 구성 이를 대체하는 다른 구성을 이용할 수 있다. 포토리소그래픽 시스템(10)의 일부 실시예에서는, 중간층(40)은 액체 유수 매커니즘 및 광반응 물질(44) 위의 코팅을 포함할 수 있다.
본원에서 설명한 시스템 및 방법은, 반도체 웨이퍼(48)의 패터닝이 유리하게 이루어지도록 한다. 포토레지스트로 구성된 광반응층(44)은 노출될 수 있고, 패턴(23)의 상은 반도체 웨이퍼(48) 위에 현상될 수 있다. 잘 알려진 바와 같이, 포토리소그래픽 시스템(10)을 이용하여 금속, 반도체, 절연층을 패터닝할 수 있으며 그러한 층의 부분을 도핑하거나 합금을 하는데 이용될 수 있다. 시스템 및 방법은 다른 반도체 장치 제조의 응용분야에 마찬가지로 널리 이용될 수 있다. 본원에서 설명한 시스템 및 방법은 포토리소그래픽을 이용하여 반도체 웨이퍼(48)를 패터닝 하는 것과 관련되어 설명되었으나, 시스템 및 방법은, 예를 들어 다른 종류의 샘플이나 물품을 패터닝하는 다른 응용분야에서도 사용될 수 있다.
본원의 시스템 및 방법에 의해 고분해능, 부 회절 한계 포토리소그래픽 전사와 같은 이점이 제공될 수 있다. 그러나, 시스템 및 방법은 저분해능 패터닝에도 마찬가지로 적용될 수 있다. 포토리소그래픽 시스템(10)은 또한 다른 종류의 플라스몬 렌즈와도 함께 사용될 수 있다. 본원에서 설명된 시스템 및 방법의 이점은 반도체 장치의 상업적 제조에 간단하게 사용될 수 있다는 점이다.
본원의 다양한 실시예는 상기에서 설명되었다. 본 발명은 이러한 구체적인 실시예를 참고하여 설명되었으나, 이러한 설명은 본원을 예시하고자 함이며, 발명을 제한하고자 함은 아니다. 당해 분야의 기술자에게는 첨부된 청구항에 의해 정의된 본원 발명의 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 응용이 가능하다.

Claims (45)

  1. 제1 굴절율을 가지고, 파장 λ를 갖는 광선에 반응하는 광반응물질을 노출시키는 포토리소그래픽 시스템에 있어서,
    상기 광선을 불통과시키는 다수의 형상,
    상기 다수의 불통과 형상의 전방에 배치되고 상기 광선을 대부분 전달하는 유전체 물질,
    상기 유전체 물질의 전방 및 상기 광반응 물질의 후방에 배치된 슈퍼렌즈, 및
    상기 광선 대부분을 전달하며 상기 광반응 물질과는 다른 물질을 포함하는, 상기 슈퍼렌즈 및 상기 광반응 물질 사이에 있는 중간층을 포함하는,
    포토리소그래픽 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광반응 물질은 포토레지스트를 포함하는, 포토리소그래픽 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광선은 가시광선 또는 자외선 영역의 광선을 포함하는, 포토리소그래픽 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다수의 형상은 금속을 포함하는, 포토리소그래픽 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 금속은 크롬인, 포토리소그래픽 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 형상은 상기 주파수 λ보다 작은 폭을 가지며, 인접한 형상과 상기 주파수 λ보다 작은 거리의 간격를 두고 서로 떨어져 있는, 포토리소그래픽 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 폭 및 간격은 약 λ/6 이하인, 포토리소그래픽 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다수의 형상은 상기 광선을 투과시키는 기판 상에 형성되는, 포토리소그래픽 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 다수의 형상은 상기 기판의 전방에 있는, 포토리소그래픽 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유전체 물질은 폴리메틸 메타크릴레이트를 포함하는, 포토리소그래픽 시스템.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유전체 물질은 약 100 나노미터보다 작은 두께를 갖는, 포토리소그래픽 시스템.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슈퍼렌즈는 금속을 포함하는, 포토리소그래픽 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 금속은 은, 금, 또는 백금을 포함하는, 포토리소그래픽 시스템.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유전체 물질은 제1 복소 유전율을 갖고, 상기 슈퍼렌즈는 상기 제1 복소 유전율과는 다른 제2 복소 유전율을 갖는 물질을 포함하여 표면 플라즈몬이 상기 광선에 의해 생성할 수 있는, 포토리소그래픽 시스템.
  15. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유전체 물질은 제1 복소 유전율을 갖고, 상기 슈퍼렌즈는 제2 복소 유전율을 갖는 물질을 포함하며, 상기 제1 복소 유전율의 실수부와 상기 제2 복소 유전율의 실수부는 서로 반대의 부호를 갖는, 포토리소그래픽 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 복소 유전율의 실수부는 양수인, 포토리소그래픽 시스템.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    상기 제1 유전율의 상기 실수부의 절대값과 상기 제2 유전율의 상기 실수값의 절대값은 거의 동일한, 포토리소그래픽 시스템.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슈퍼렌즈는, 상기 다수의 불통과 형상의 근거리 장에 있으며 상기 다수의 불통과 형상에 가장 가까운 표면을 상기 슈퍼 렌즈가 갖는, 포토리소그래픽 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 표면은, 상기 다수의 불통과 형상으로부터 약 100 나노미터보다 적은 거리 만큼 떨어져 있는, 포토리소그래픽 시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 표면은, 상기 다수의 불통과 형상으로부터 약 50 나노미터보다 적은 거리 만큼 떨어져 있는, 포토리소그래픽 시스템.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슈퍼렌즈의 근거리 장에 있으며, 상기 슈퍼렌즈에 가장 가까운 상기 슈퍼렌즈의 근거리 장에 있는 표면을 갖는 상기 광반응 물질을 갖는, 포토리소그래픽 시스템.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 광반응 물질은 상기 슈퍼렌즈로부터 약 100 나노미터보다 적은 거리 만큼 떨어져 있는, 포토리소그래픽 시스템.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 광반응 물질은, 상기 슈퍼렌즈로부터 약 50 나노미터보다 적은 거리 만큼 떨어져 있는, 포토리소그래픽 시스템.
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간 층은, 상기 광반응 물질을 상기 슈퍼 렌즈와의 접촉에 의한 손상으로부터 보호하기에 충분한 두께를 갖는, 포토리소그래픽 시스템.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 중간층은, 상기 광반응 물질을 손상시키지 않고도 상기 광반응 물질로부터 상기 슈퍼렌즈를 분리할 수 있도록 비영구적인, 포토리소그래픽 시스템.
  26. 제24항 또는 제25항에 있어서,
    상기 중간층은 약 100 나노미터보다 작은 두께를 갖는, 포토리소그래픽 시스템.
  27. 제24항 또는 제25항에 있어서,
    상기 중간층은 약 50 나노미터보다 작은 두께를 갖는, 포토리소그래픽 시스템.
  28. 제24항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간 층은 유기 물질을 포함하는, 포토리소그래픽 시스템.
  29. 제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간층은 상기 광반응 물질의 상기 제1 굴절률과 대략 동일한 제2 굴절률을 갖는 물질을 포함하는, 포토리소그래픽 시스템.
  30. 제1항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다수의 형상의 근거리 상은 상기 광반응 물질에서 생성되는, 포토리소그래픽 시스템.
  31. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슈퍼렌즈는 제1 슈퍼렌즈 및 제2 슈퍼렌즈를 포함하고, 상기 제2 슈퍼렌즈는 상기 제1 슈퍼렌즈의 전방 및 상기 광반응 물질의 후방에 배치되는, 포토리소그래픽 시스템.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 유전체 물질은 제1 유전체 물질 및 제2 유전체 물질을 포함하며, 상기 제2 유전체 물질은 상기 제1 슈퍼렌즈의 전방 및 상기 제2 슈퍼렌즈의 후방에 배치되는, 포토리소그래픽 시스템.
  33. 광반응 물질을 광선에 노출시키는 포토리소그래픽 시스템에 있어서,
    상기 광선의 부분들을 차단하여 광 패턴을 형성하는 수단,
    상기 광 패턴을 가진 플라즈몬을 형성하는 수단,
    상기 광선을 대부분 통과시키며, 상기 광 패턴을 상기 플라즈몬 형성 수단으로 연결시키는 수단, 및
    상기 광반응 물질을 상기 플라즈몬 형성 수단과의 접촉으로부터 보호하는 수 단을 포함하고,
    상기 플라즈몬으로부터의 광이 상기 보호수단으로 연결되도록 상기 보호수단이 배치되는, 포토리소그래픽 시스템.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 차단 수단은 상기 광선의 상기 부분들을 통과시키지 않는 다수의 형상을 포함하는, 포토리소그래픽 시스템.
  35. 제33항 또는 제34항에 있어서,상기 플라즈몬 형성 수단은 슈퍼렌즈를 포함하는, 포토리소그래픽 시스템.
  36. 제33항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연결 수단은 유전체 물질을 포함하는, 포토리소그래픽 시스템.
  37. 제33항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보호 수단은 상기 플라즈문으로부터 연결되는 상기 광을 대부분 광학적으로 전달할 수 있는 물질층을 포함하는, 포토리소그래픽 시스템.
  38. 광반응 물질을 광선에 노출시키는 방법에 있어서,
    상기 광선의 부분들을 차단하여 광 패턴을 형성하는 단계,
    상기 광 패턴을 전달하는 단계,
    상기 광 패턴을 가진 플라즈몬을 형성하는 단계,
    상기 플라즈몬으로부터 나온 광을 대부분 광학적으로 전달하는 매체로 상기 플라즈몬에서 나온 상기 광을 연결시키는 단계, 및
    상기 광반응 물질을 상기 매체를 사용하여 접촉으로부터 보호하는 단계,
    를 포함하는 방법.
  39. 제38항에 있어서,
    상기 광선의 상기 부분들은 상기 광선의 상기 영역을 통과시키지 않는 다수의 형상에 의해 차단되는, 방법.
  40. 제38항 또는 제39항에 있어서,
    상기 광 패턴을 전달하는 단계는,
    상기 광 패턴을 유전체 물질을 통하여 전달하는, 방법.
  41. 제38항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈몬을 슈퍼렌즈와 함께 생성하는, 방법.
  42. 제38항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 매체는 상기 플라즈몬으로부터 연결된 상기 빛을 대부분 광학적으로 통 과시키는 물질의 층을 포함하는, 방법
  43. 제38항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서,
    반도체 웨이퍼 위로, 상기 광 패턴에 따라 패터닝될 물체를 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 광반응 물질은 상기 패터닝 될 물체에 배치되는, 방법.
  44. 제43항에 있어서,
    상기 광반응 물질을 현상하는 단계,
    상기 물체를 에칭하는 단계, 및
    상기 광반응 물질을 제거하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  45. 제38항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 패턴의 근거리 상은, 상기 광반응 물질 위에 생성되는, 방법.
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