KR20090024622A - 하전입자선 묘화장치 및 디바이스 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 하전입자선을 투영하고, 투영된 하전입자선으로 기판에 패턴을 묘화하는 하전입자선 묘화장치에 대해서 개시한다. 투영계는, 자장을 발생하도록 구성된 대칭형 자기 더블릿 렌즈와, 자장에 중첩된 전계를 발생하도록 구성된 정전렌즈를 구비한다. 정전렌즈는, 적어도 대칭형 자기 더블릿 렌즈의 동공면에, 대칭형 자기 더블릿 렌즈에 입사되는 하전입자선을 가속하는 전위를 주도록 구성된 전극을 포함한다.
하전입자선, 묘화장치, 투영계, 자기 더블릿 렌즈, 정전렌즈

Description

하전입자선 묘화장치 및 디바이스 제조방법{CHARGED-PARTICLE BEAM LITHOGRAPHY APPARATUS AND DEVICE MANUFACTURING METHOD}
본 발명은, 하전입자선 묘화장치 및 디바이스 제조 방법에 관한 것이다.
종래부터, 하전입자선 묘화장치의 일종인 전자선 묘화장치는, 스루풋(throughput)을 증가시킬 목적으로 개발되어 왔다. 스루풋을 향상시키기 위해서는, 노광 전류를 증대시킬 필요가 있지만, 그때에 문제가 되는 것이 쿨롱(Coulomb) 효과다. 쿨롱 효과는, 전자끼리의 척력(repulsive force)에 의해 수속(收束) 전자선의 블러링(blurring)을 발생시켜, 해상도를 열화시키는 결점이 있다. 그 때문에, 해상도와 스루풋과의 사이에는, 트레이드 오프(trade-off)의 관계가 존재한다.
쿨롱 효과에 의한 수차를 상당한 정도로 억제하면서, 노광 전류를 증대시키는 방법으로서, 노광 전류의 평균 밀도를 어느 정도 낮게 하는 방법이 있다. 이 방법은, 몇백 마이크로미터 스퀘어(square) 정도의 비교적 큰 노광 영역(subfield)을 조사해서 전류밀도를 감소시킴으로써 쿨롱 효과를 줄여서, 주어진 스루풋을 유지한다.
또 다른 방법으로서, 시료면에서의 전자선의 수속각을 비교적 크게 설정하는 방법이 있다. 이 방법은, 투영 렌즈와 시료와의 사이에 감속 전계를 적용한다. 투영 렌즈의 수차를 줄이는 것과, 하전입자선이 저속으로 시료면에 입사해서 레지스트 감도의 저하와 시료면의 발열 및 변질을 억제하는 것을 기대할 수 있다.
감속 전계에 의한 수차를 줄이는 방식은 일본국 공개특허공보 특개2000-232052호에 개시되어 있다. 일본국 공개특허공보 특개2000-232052호에 기재된 방식은, 감속 전계가, 전자선 노광 장치의 전사 마스크와 투영 광학계와의 사이, 및 투영 광학계와 웨이퍼와의 사이에 설치된다.
노광 전류의 평균 밀도를 감소시키는 방법은, 전자선 노광 장치에 적용되지만, 전사 마스크를 필요로 하여, 추가의 비용이 필요하다.
전자선의 수속각을 비교적 크게 설정하는 방법에서는, 노광 면적(화각)을 크게 하면 기하학적인 수차가 증대한다. 고해상도를 실현하기 위해서는, 투영 렌즈의 수차성능에 엄격한 요구가 부과된다. 또한, 시료면의 형상 및 스테이지에 배치된 부재 등과 관련된 요인들에 의해 감속 전계의 혼란이 생겨, 기생 수차와 하전입자선의 위치 어긋남이 발생하는 문제가 있었다. 또한, 일본국 공개특허공보 특개2000-232052호에 기재된 방식에서는, 웨이퍼면 및 그 근방의 형상과 스테이지에 배치된 부재 등과 관련된 요인들에 의해 감속 전계의 혼란이 생겨, 기생 수차가 발생해서, 해상 성능을 열화시킨다.
본 발명의 목적은, 쿨롱 효과에 의한 하전입자선의 블러링(blurring)을 억제하면서 고스루풋의 하전입자선 묘화장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명에 의하면, 하전입자선을 투영하는 투영계를 구비하고, 상기 투영된 하전입자선으로 기판에 패턴을 묘화하는 하전입자선 묘화장치가 제공되고, 상기 투영계는, 자장을 발생하도록 구성된 대칭형 자기 더블릿(doublet) 렌즈와, 상기자장에 중첩된 전계를 발생하도록 구성된 정전 렌즈를 구비하고, 상기 정전렌즈는, 적어도 상기 대칭형 자기 더블릿 렌즈의 동공면 위에, 상기 대칭형 자기 더블릿 렌즈에 입사한 하전입자선을 가속하는 전위를 인가하도록 구성된 전극을 포함한다.
본 발명에 의하면, 쿨롱 효과에 의한 하전입자선의 블러링을 억제하면서 고스루풋의 하전입자선 묘화장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징들은 첨부도면을 참조하면서 이하의 예시적인 실시 예의 설명으로부터 밝혀질 것이다.
이하, 본 발명의 일 실시 예에 따른 하전입자선 묘화장치에 대해서 첨부도면을 참조하면서 설명한다. 본 발명에 따른 묘화장치는 예를 들면, 촬상장치와 노광장치를 포함한다. 도 1은, 본 발명의 일 실시 예에 따른 하전입자선을 사용해서 투영계를 통해서 기판에 패턴을 묘화하는 하전입자선 묘화장치의 모식적인 단면도다. 하전입자선 묘화장치의 투영계는, 대칭형 자기 더블릿 렌즈와, 대칭형 자기 더블릿 렌즈가 발생하는 자장에 전계가 중첩된 정전렌즈를 구비한다. 대칭형 자기 더블릿 렌즈는, 상단의 자계 렌즈(12)와 하단의 자계 렌즈(15)로 구성된다. 정전렌즈는, 물체면(10)측으로부터 상면(image plane;11)측을 향해서 순차적으로 배치되는 제 1 원통 전극(19), 제 2 원통 전극(20) 및 제 3 원통 전극(21)의 3개의 원통 전극을 포함하는 유니포텐셜(unipotential) 정전렌즈다. 본 실시 예에 있어서의 하전입자선 묘화장치는 전자선 묘화장치이지만, 본 발명은 이온선 묘화장치 등 다른 하전입자선 묘화장치에도 적용가능하다.
제 2 원통 전극(20)은, 대칭형 자기 더블릿 렌즈의 상단의 자계 렌즈(12)의 수직방향에 있어서의 중심위치 14와 하단의 자계 렌즈(15)의 수직방향에 있어서의 중심위치 17과의 사이에 배치된다. 2개의 중심위치 14, 17에서, 상단의 자계 렌즈(12) 및 하단의 자계 렌즈(15)에 의해 형성되는 자장 강도가 최대가 된다. 제 2 원통 전극(20)은, 그 상단이 상단의 자계 렌즈(12)의 하단보다 높게 위치되고, 그 하단이 하단의 자계 렌즈(15)의 상단보다 낮게 위치되도록 규정된 길이를 갖는다. 대칭 자기 더블릿 렌즈의 동공면(18) 및 그 부근에는, 제 2 원통 전극(20)이 존재하고 있다. 도 1로부터 알 수 있듯이, 동공면(18)은, 축상(軸上) 전자선(25)과 축외(軸外) 전자선(24)이 수속하여 전자선의 전하 밀도가 높기 때문에, 쿨롱 효과가 큰 위치에 설정되어 있다.
도 3은, 정전렌즈의 제 2 원통 전극(20)의 전위와 쿨롱 효과에 의한 하전입자선의 블러링과의 관계를 나타내는 그래프다. 제 2 원통 전극(20)의 전위가 상승함에 따라, 쿨롱 효과에 의한 블러링의 양이 감소한다. 일반적으로, 쿨롱 효과에 의한 블러링의 양 δ은, 이하의 식(1)로 표시된다.
Figure 112008059539968-PAT00001
·‥ (1)
다만, Lc은 물체면과 상면(image plane) 간의 거리, I는 하전입자선의 전류량, V는 하전입자선에 대한 가속 전위, α는 상면에서의 수속 반각이다.
전자의 발생원인 전자총은, 전자선을 고가속함으로써 블러링의 양 δ을 작게 할 수는 있지만, 이 방법은 몇 개의 결점이 있다. 고가속(고에너지)의 전자선이 감광 기판 위에 조사되었을 경우, 감광재의 실효적인 감도가 저하한다. 또한, 전자총으로 고가속화하면 전자 광학 렌즈가 대형화하여, 식(1)의 광로 길이 LC가 길어져, 블러링의 양 δ이 커진다. 고가속된 전자는 감광 기판상의 산란의 영역이 넓어져, 근접효과가 증대한다. 한편, 본 발명과 같이, 제 2 원통 전극(20)의 전위가 상승되면, 식(1)의 가속 전위 V의 항이 상승한다. 쿨롱 효과에 의한 블러링의 양 δ이 감소하기 때문에, 전술한 전자총으로 전자선을 고가속화했을 경우의 결점이 없다.
도 2는 본 실시 예에 따른 정전 렌즈의 축상 전위분포(31)를 나타낸다. 축상 전위분포(31)에 나타나 있는 바와 같이, 적어도 대칭형 자기 더블릿 렌즈의 동공면(18) 또는 그 부근의 전위를 결정하는 제 2 원통 전극(20)에는, 대칭형 자기 더블릿 렌즈에 입사되는 하전입자선의 에너지를 결정하는 전위보다도 높은 전위가 인가된다. 그 동작 때문에, 제 2 원통 전극(20)과 제 3 원통 전극(21) 사이에는 감속 전계가 발생한다. 이 감속 전계에 의해, 투영 렌즈를 구성하는 대칭형 자기 더블릿 렌즈의 수차가 감소한다. 물체면측에 배치되는 제 1 원통 전극(19)과, 상면측에 배 치되는 제 3 원통 전극(21)은 접지되어서 기판의 전위와 동일한 전위를 갖는다. 기판과 제 1 원통 전극(19) 및 제 3 원통 전극(21)과의 사이에는 전계가 존재하지 않기 때문에, 제 2 원통 전극(20)에는 기판의 전위보다도 높은 전위가 인가된다. 그 때문에, 종래의 감속 전계를 사용한 광학계와 달리, 기판면의 형상 및 스테이지에 배치된 부재 등과 관련된 요인들에 의해 감속 전계의 혼란이 생기지 않는다. 이것에 의해, 기생 수차가 발생해서 해상 성능을 열화시키는 일이 없다.
도 4는 제 2 원통 전극(20)의 길이와 투영 렌즈인 대칭형 자기 더블릿 렌즈의 기하학적인 수차와의 관계를 나타낸다. 도 4에 나타나 있는 바와 같이, 제 2 원통 전극(20)의 길이가 100mm을 넘으면, 기하학적인 수차의 감소가 현저해진다. 이것에 의해, 감속 전계에 의한 수차 저감의 효과가 나타난다.
본 실시 예에 있어서, 투영 렌즈는 대칭형 자기 더블릿 렌즈로 이루어지는 광학계이다. 이 종류의 광학계에서는, 상단의 자계 렌즈(12) 및 하단의 자계 렌즈(15)의 자장분포의 자장 강도와 반감치(半減値) 폭이 설정 배율비를 갖는다. 이 광학계는, 광학 수차의 비등방 성분이 캔슬되기 때문에, 비교적 큰 화각에 적합하다.
대칭형 자기 더블릿 렌즈가 발생하는 자장에 전계가 중첩된 정전렌즈의 경우, 대칭형 자기 더블릿 렌즈의 수차 특성이 열화하지 않도록, 정전렌즈를 구성하는 원통 전극의 길이 및 배치를 설정할 필요가 있다. 제 1 원통 전극(19)과 제 2 원통 전극(20)과의 사이의 공극 22의 중심위치와 상단의 자계 렌즈(12)의 자극 사이의 공극의 중심위치 14를 일치시킨다. 덧붙여, 제 2 원통 전극(20)과 제 3 원통 전극(21)과의 사이의 공극 23의 중심위치와 하단의 자계 렌즈(15)의 자극 사이의 공극의 중심위치 17을 일치시킨다.
제 2 원통 전극(20)의 상단으로부터 대칭형 자기 더블릿 렌즈의 동공면(18)까지의 거리 L1과 제 2 원통 전극(20)의 하단으로부터 자기 더블릿 렌즈의 동공면(18)까지의 거리 L2와의 비는 식(2)을 만족하도록 설정된다. M은 대칭형 자기 더블릿 렌즈의 배율이다.
L2 /L1 = M ·‥ (2)
식(2)을 만족시키도록 제 2 원통 전극(20)을 배치하면, 상단의 자계 렌즈(12) 및 하단의 자계 렌즈(15)의 상(images)의 회전각이 서로 같아진다. 이 조건하에서는 상(images)이 회전하지 않기 때문에, 비등방 수차도 발생하지 않는다. 이것에 의해, 대칭형 자기 더블릿 렌즈의 광학특성이 열화하는 것이 방지된다.
다음에 상기의 하전입자선 묘화장치를 이용한 디바이스 제조 방법을 예시적으로 설명한다.
디바이스(반도체 집적회로소자, 액정표시 소자 등)는, 상술한 실시 예에 따른 하전입자선 묘화장치를 사용해서 기판에 패턴을 묘화하는 패턴 묘화 공정과, 패턴 묘화공정에서 패턴이 묘화되는 기판을 현상하는 현상 공정과, 현상 공정에서 현상된 기판을 가공하는 다른 주지의 공정(에칭, 레지스트 박리, 다이싱, 본딩, 패키징 공정 등)에 의해 제조된다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 참조하여 설명했지만, 본 발명은 이러한 예시적인 실시 예에 한정되지 않는 것은 말할 필요도 없다. 그 요지의 범위 내 에서 여러 가지의 변형 및 변경이 가능하다.
도 1은, 본 발명에 따른 하전입자선 노광 장치의 일례의 개략 단면도다.
도 2는, 대칭형 자기 더블릿 렌즈의 축 상의 자장 분포와 정전 렌즈의 축 상의 전위분포를 도시한 차트다.
도 3은, 제 2 원통 전극의 전위와 쿨롱 효과에 의한 빔의 블러링과의 관계를 도시한 그래프다.
도 4는, 제 2 원통 전극의 길이와 기하학적 렌즈 수차에 의한 빔의 블러링과의 관계를 도시한 그래프다.

Claims (6)

  1. 하전입자선을 투영하는 투영계를 구비하고, 상기 투영된 하전입자선으로 기판에 패턴을 묘화하는 하전입자선 묘화장치로서,
    상기 투영계는, 자장을 발생하도록 구성된 대칭형 자기 더블릿 렌즈와, 상기자장에 중첩된 전계를 발생하도록 구성된 정전 렌즈를 구비하고,
    상기 정전렌즈는, 적어도 상기 대칭형 자기 더블릿 렌즈의 동공면 위에, 상기 대칭형 자기 더블릿 렌즈에 입사한 하전입자선을 가속하는 전위를 인가하도록 구성된 전극을 포함한 것을 특징으로 하는 하전입자선 묘화장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 정전렌즈는, 제 1 내지 제 3 원통 전극을 포함하는 유니포텐셜 정전 렌즈를 구비하고, 상기 제 1 원통 전극은, 물체면측에 배치되고, 상기 제 3 원통 전극은, 상면(image plane)측에 배치되며, 상기 제 2 원통 전극은, 상기 제 1 원통 전극과 제 3 원통 전극과의 사이에 배치되고,
    상기 기판의 전위와 실질적으로 동일한 전위는, 상기 제 1 원통 전극과 제 3 원통 전극에 인가되고, 상기 기판의 전위보다 높은 전위는 상기 제 2 원통 전극에 인가되는 것을 특징으로 하는 하전입자선 묘화장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 원통 전극은, 상기 대칭형 자기 더블릿 렌즈의 상단의 자계 렌즈의 수직방향에 있어서의 중심과, 상기 대칭형 자기 더블릿 렌즈의 하단의 자계 렌즈의 수직방향에 있어서의 중심과의 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 하전입자선 묘화장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 원통 전극은, 상기 제 2 원통 전극의 상단이 상기 상단의 자계 렌즈의 하단보다 높게 위치되고, 상기 제 2 원통 전극의 하단이 상기 하단의 자계 렌즈의 상단보다 낮게 위치되도록 구성된 것을 특징으로 하는 하전입자선 묘화장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 원통 전극의 상단으로부터 상기 동공면까지의 거리와 상기 제 2 원통 전극의 하단으로부터 상기 동공면까지의 거리와의 비가, 상기 대칭형 자기 더블릿 렌즈의 배율과 실질적으로 같도록, 상기 제 2 원통 전극이 배치되는 것을 특징으로 하는 하전입자선 묘화장치.
  6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 기재된 하전입자선 묘화장치를 사용해서 기판에 패턴을 묘화하는 공정과,
    상기 패턴이 묘화된 기판을 현상하는 공정과,
    상기 현상된 기판을 가공하여 디바이스를 제조하는 공정을 포함한 것을 특징으로 하는 디바이스 제조방법.
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