KR20120066002A - Ｌｐｐ 방식의 ｅｕｖ 광원과 그 발생 방법 - Google Patents

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Abstract

진공 환경으로 유지된 진공 챔버(12)와, 진공 챔버 내부에 타겟 물질의 극초음속 정상 가스젯(hypersonic steady gas jet)(1)을 회수 가능하게 형성하는 가스젯 장치(14)와, 극초음속 정상 가스젯에 레이저광(3)을 집광해 조사하는 레이저 장치(16)를 구비하고, 레이저광의 집광점(2)에서 타겟 물질을 여기해 플라즈마를 발생시키고, 그곳에서 극자외선(4)을 발광시킨다.

Description

ＬＰＰ 방식의 ＥＵＶ 광원과 그 발생 방법{LPP EUV LIGHT SOURCE AND METHOD FOR PRODUCING SAME}
본 발명은 LPP 방식의 EUV 광원과 그 발생 방법에 관한 것이다.
차세대 반도체의 미세 가공을 위해 극자외선 광원을 이용하는 리소그래피(lithography)가 기대되고 있다. 리소그래피란 회로 패턴이 그려진 마스크를 통해 빛이나 빔을 실리콘 기반상에 축소 투영하고, 레지스트 재료를 감광시킴으로써 전자 회로를 형성하는 기술이다. 광리소그래피(optical lithography)로 형성되는 회로의 최소 가공 치수는 기본적으로는 광원의 파장에 의존하고 있다. 따라서, 차세대 반도체 개발에는 광원의 단파장화가 필수적이며, 이 광원 개발을 향한 연구가 진행되고 있다.
차세대 리소그래피 광원으로서 가장 유력시되고 있는 것이 극자외선(EUV: Extreme Ultra Violet) 광원이며, 대략 1 내지 100㎚의 파장 영역의 빛을 의미한다. 이 영역의 빛은 모든 물질에 대해 흡수율이 높아서 렌즈 등의 투과형 광학계를 이용할 수 없기 때문에, 반사형 광학계를 이용하게 된다. 또한 극자외선 영역의 광학계는 개발이 매우 곤란하며, 한정된 파장에서만 반사 특성을 나타낸다.
현재, 13.5㎚에 감도를 갖는 Mo/Si 다층막 반사경이 개발되어 있으며, 이 파장의 빛과 반사경을 조합한 리소그래피 기술이 개발되면, 30㎚ 이하의 가공 치수를 실현할 수 있을 것으로 예측되고 있다. 더 나은 미세 가공 기술을 실현하기 위해서는 파장 13.5㎚의 리소그래피 광원의 개발이 급선무이며, 높은 에너지 밀도 플라즈마로부터의 복사광이 주목받고 있다.
광원 플라즈마 생성은 레이저 조사 방식에 의한 광원 플라즈마 생성(LPP: Laser Produced Plasma)과 펄스 파워 기술에 의해 구동되는 가스 방전 방식에 의한 광원 플라즈마 생성(DPP: Discharge Produced Plasma)으로 크게 나눌 수 있다.
본 발명은 LPP 방식의 EUV 광원에 관한 것이다. LPP 방식 EUV 광원은, 예를 들면, 특허 문헌 1, 2에 개시되어 있다.
도 1은 특허 문헌 1에 개시된 종래의 LPP 방식 EUV 광원의 구성도이다. 이 방법은 적어도 1개의 타겟(57)을 챔버 내부에서 발생시킴과 함께, 적어도 1개의 펄스 레이저빔(53)을 챔버 내부에서 타겟(57)에 집광시키는 것이다. 타겟은 액체의 분류(噴流) 형태로 발생해, 레이저빔(53)은 분류가 공간적으로 연속되는 부분에 집광된다.
또한 이 장치는, 적어도 1개의 레이저빔(53)을 발생하기 위한 수단과, 챔버와, 적어도 1개의 타겟(57)을 챔버 내부에서 발생하기 위한 수단(50)과, 레이저빔(53)을 챔버 내부에서 타겟(57)에 집광시키기 위한 수단(54)을 포함한다. 타겟 발생 수단(50)은 액체의 분류를 발생시키고, 집광 수단(54)은 레이저빔(53)을 분류가 공간적으로 연속되는 부분에 집광시킨다.
한편, 이 도면에서 부재 번호 51은 집광점, 52는 액적, 55는 액적 형성점이다.
도 2는 특허 문헌 2에 개시된 종래의 LPP 방식 EUV 광원의 구성도이다.
이 장치는 레이저 발진부(61)와, 집광 렌즈 등의 집광 광학계(62)와, 타겟 공급 장치(63)와, 타겟 노즐(64)과, EUV 집광경(65)을 포함한다. 레이저 발진부(61)는 타겟 물질을 여기시키기 위한 레이저빔을 펄스 발진하는 레이저 광원이다. 레이저 발진부(61)로부터 출사된 레이저빔은 집광 렌즈(62)에 의해 소정의 위치에 집광된다. 한편, 타겟 공급 장치(63)는 타겟 물질을 타겟 노즐(64)에 공급하고, 타겟 노즐(64)은 공급된 타겟 물질을 소정의 위치에 분사한다.
타겟 물질에 레이저빔을 조사함으로써 타겟 물질이 여기되어 플라즈마(66)가 발생하고, 그곳으로부터 극자외선(EUV)(67)이 방사된다. EUV 집광경(65)의 반사면에는 파장이 13.5㎚ 부근의 EUV광을 선택적으로 반사하기 위해, 예를 들면 몰리브덴 및 실리콘을 번갈아 적층한 막(Mo/Si 다층막)이 형성되어 있다. 플라즈마(66)로부터 방사된 EUV광(67)은 EUV 집광경(65)에 의해 집광 반사되어, 출력 EUV광으로서 노광 장치 등에 출력된다.
특허 문헌 1: 일본 특허공표 2000-509190호 공보, 'X선 방사선 또는 극자외선 방사선을 발생하기 위한 방법 및 장치' 특허 문헌 2: 일본 특허공개 2007-207574호 공보, '극자외선 광원 장치'
전술한 종래의 LPP 방식 EUV 광원은, 레이저 광원으로서 고출력의 펄스 레이저(예를 들면 0.1 J/Pulse)를 이용하고, 이를 타겟 물질에 높은 반복율(예를 들면 100㎑)로 조사해, 실용 출력(예를 들면 100 J/s=100W)의 EUV 광원을 얻는 것이 원리적으로 가능하다.
그러나, 인용 문헌 1 및 2에 기재된 EUV 광원에서는, 타겟 물질의 샷(shot)마다 생성된 플라즈마를 배기하기 때문에, 타겟 물질(주석, 리튬, 크세논 등)의 증기화, 플라즈마화에 필요로 한 에너지를 샷마다 폐기하게 되어, 타겟 물질 및 에너지의 이용 효율이 낮다는 문제점이 있다.
또한, 실용 출력을 목표로 하는, 높은 반복 운전(10 내지 100㎑)에서는 발광원 물질(즉 타겟 물질)의 폐기가 잔사(debris) 발생, 챔버의 진공도 악화 등의 큰 문제를 일으키고 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것이다. 즉, 본 발명의 목적은, 타겟 물질 및 에너지의 이용 효율을 큰 폭으로 높일 수 있고, 또한 잔사의 발생과 챔버의 진공도 악화를 억제할 수 있는 LPP 방식의 EUV 광원과 그 발생 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명에 따르면, 진공 환경으로 유지된 진공 챔버와,
상기 진공 챔버 내부에 타겟 물질의 극초음속 정상 가스젯(hypersonic steady gas jet)을 회수해 순환 가능하게 형성하는 가스젯 장치와,
상기 극초음속 정상 가스젯에 레이저광을 집광해 조사하는 레이저 장치를 구비하고,
상기 레이저광의 집광점에서 타겟 물질을 여기해 플라즈마를 발생시키고, 그곳에서 극자외선광을 발광시키는 것을 특징으로 하는 LPP 방식 EUV 광원이 제공된다.
본 발명의 바람직한 실시 형태에 따르면, 상기 가스젯 장치는 상기 진공 챔버 내부에 상기 집광점을 사이에 두고 대향 배치된 극초음속 노즐 및 극초음속 디퓨저(diffuser)와, 상기 극초음속 정상 가스젯을 극초음속 노즐로부터 분사하고 극초음속 디퓨저로부터 회수해 순환시키는 가스 재순환 장치로 이루어진다.
또한, 상기 가스젯 장치는, 상기 진공 챔버의 배압(back pressure)을 높이지 않고, 또한 레이저광의 흡수와 EUV광의 방출에 적합한 고밀도의 타겟 물질 영역을 정상적으로 형성한다.
또한, 본 발명에 따르면, 진공 챔버 내부를 진공 환경으로 유지하고,
상기 진공 챔버 내부에 타겟 물질의 극초음속 정상 가스젯을 회수해 순환 가능하게 형성하고,
상기 극초음속 정상 가스젯에 레이저광을 집광해 조사하고,
상기 레이저광의 집광점에서 타겟 물질을 여기해 플라즈마를 발생시키고, 그곳에서 극자외선광을 발광시키는 것을 특징으로 하는 LPP 방식 EUV광 발생 방법이 제공된다.
본 발명의 장치와 방법에 따르면, 샷마다 생성된 플라즈마 및 타겟 물질을 배기하는 종래예와 비교하여, 타겟 물질을 회수해 순환 사용할 수 있으므로, 타겟 물질의 이용 효율을 큰 폭으로 높일 뿐만 아니라 에너지 이용 효율을 큰 폭으로 높일 수 있다. 또한, 이에 따라 잔사의 발생과 챔버의 진공도 악화를 억제할 수 있다.
도 1은 특허 문헌 1에 개시된 종래의 LPP 방식 EUV 광원의 구성도이다.
도 2는 특허 문헌 2에 개시된 종래의 LPP 방식 EUV 광원의 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 LPP 방식 EUV 광원의 구성도이다.
도 4는 도 3의 플라즈마 광원의 부분 확대도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태를 첨부한 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 한편, 각 도면에서 공통되는 부분에는 동일한 부호를 부여하고 중복되는 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명에 따른 LPP 방식 EUV 광원의 구성도이다. 이 도면에서 본 발명에 따른 LPP 방식 EUV 광원(10)은 진공 챔버(12), 가스젯 장치(14) 및 레이저 장치(16)를 구비한다.
진공 챔버(12)는 진공 펌프(13)를 구비하고, 이에 따라 내부를 진공 환경으로 유지한다. 진공 챔버(12)에는 레이저광(3)(후술한다)을 통과시키는 광학창(12a)이 마련된다.
한편, 본 발명에서, 상기 진공 환경은 10-2 Torr 이하일 필요가 있고, 10-5 내지 10-4 Torr의 범위 내인 것이 바람직하다.
가스젯 장치(14)는 진공 챔버(12) 내부에 타겟 물질의 극초음속 정상 가스젯(1)을 연속적으로 형성해 회수한다.
타겟 물질은 Xe(크세논), Sn(주석), Li(리튬) 등의 가스 혹은 클러스터(cluster)인 것이 바람직하다.
또한, 가스젯의 구성 물질은 상온에서 기체 물질일 필요는 없고, 가스 공급부를 고온으로 함으로써 금속 가스젯을 형성하는 것도 가능하다. 이 경우, 가스젯 형성은 극초음속 노즐에 의해 이루어지지만, 회수측은 극초음속 디퓨저일 필요는 없고, 온도 제어된 회수 플레이트 등에 의해 액체 금속으로서 회수할 수도 있다. 또한, 금속 가스젯의 경우, 레이저 조사 영역에서 금속 원자가 완전하게 각각 흩어진 가스 상태가 아니고, 복수 원자가 응집된 클러스터젯이 되는 경우도 있다.
이 예에서, 가스젯 장치(14)는 극초음속 노즐(14a), 극초음속 디퓨저(14b) 및 가스 재순환 장치(15)를 구비한다.
극초음속 노즐(14a)과 극초음속 디퓨저(14b)는, 진공 챔버(12)에 집광점(2)을 사이에 두고 대향 배치되어 있다.
극초음속 노즐(14a)의 말단(도면에서 상단)과 극초음속 디퓨저(14b)의 선단(도면에서 하단)은, 집광점(2)을 사이에 두고 소정 간격 떨어져 있다. 이 간격은 진공 챔버(12) 내부의 진공 환경과 연통되어 있다.
극초음속 노즐(14a)은 슬롯부를 갖는 라발 노즐(Laval nozzle)이며, 아음속으로 유입되는 가스(타겟 물질)를 극초음속까지 가속해 집광점(2)을 향해 분사한다. 또한, 극초음속 디퓨저(14b)는 슬롯부를 갖는 라발 노즐 형상이고, 집광점(2)을 통과한 극초음속 가스(타겟 물질)의 대부분을 내부로 수용하여, 이를 아음속까지 감속하게 된다.
가스 재순환 장치(15)는, 이 예에서는 흡인 펌프(15a), 타겟 챔버(15b) 및 토출 펌프(15c)로 이루어진다.
가스 재순환 장치(15)는 타겟 물질을 공급 라인(17a)을 통해 극초음속 노즐(14a)까지 아음속으로 공급하고, 극초음속 노즐(14a)로부터 타겟 물질의 극초음속 정상 가스젯(1)을 극초음속(M＞5)으로 분사하고, 또한 극초음속 디퓨저(14b)로부터 타겟 물질을 극초음속(M＞5)으로 회수하고, 아음속까지 감속해 회수 라인(17b)을 통해 흡인 펌프(15a)까지 되돌림으로써, 타겟 물질을 순환 사용하게 되어 있다. 한편, 타겟 챔버(15b)에는 타겟 물질이 외부로부터 보급된다.
또한, 가스젯 장치(14)는 기체 역학적으로 진공 챔버(12)의 배압을 높이지 않고, 또한 레이저광(3)의 흡수와 EUV광(4)의 방출에 적합한 고밀도의 타겟 물질 영역을 집광점(2)에 정상적으로 형성하도록 설계된다.
한편, 일반적으로, 극초음속 및 극초음속 정상 가스젯(1)은 M＞5의 극초음속류를 의미하지만, 본 발명에서는 상기 요건을 만족하는 한 M＞1이면 된다.
또한, 타겟 물질을 가열하기 위해, 극초음속 노즐(14a)과 가스 재순환 장치(15) 사이에 타겟 가열 장치(18)를 마련하는 것이 바람직하다. 타겟 가열 장치(18)는 타겟 물질의 온도를 극초음속 디퓨저(14b)를 형성하는데 적합한 온도까지 가열한다. 이 가열 수단은 임의이다.
레이저 장치(16)는, 레이저광(3)을 연속적 혹은 펄스적으로 발진하는 레이저 발진기(16a)와, 레이저광(3)을 집광점(2)에 집광하는 집광 렌즈(16b)를 갖고, 극초음속 정상 가스젯(1)에 레이저광(3)을 집광해 조사한다.
이 예에서 레이저광(3)의 광로는, 극초음속 정상 가스젯(1)의 유로에 직교하고 있지만, 본 발명은 이것으로 한정되지 않고 비스듬하게 교차해도 된다. 또한, 레이저 장치(16) 및 레이저광(3)은 각각 1개씩으로 한정되지 않고, 2 이상을 이용해도 무방하다.
레이저 발진기(16a)에는, CO2 레이저(파장 약 10㎛), CO 레이저(파장 약 5㎛), YAG 레이저(파장 약 1㎛ 및 약 0.5㎛) 등을 이용할 수 있다. 특히, YAG 레이저 또는 CO 레이저를 이용하는 것이 바람직하지만, 본 발명은 YAG 레이저 또는 CO 레이저로 한정되지 않고, CO2 레이저라도 된다.
집광 렌즈(16b)는 집광점(2)의 직경을 약 10㎛ 이하, 더 바람직하게는 약 5㎛ 이하로 집광할 수 있는 볼록 렌즈계인 것이 바람직하다.
전술한 장치를 이용해 본 발명의 LPP 방식 EUV광 발생 방법에서는,
(A) 진공 챔버(12) 내부를 소정의 진공 환경으로 유지하고,
(B) 진공 챔버(12) 내부에 타겟 물질의 극초음속 정상 가스젯(1)을 회수 가능하게 형성하고,
(C) 극초음속 정상 가스젯(1)에 레이저광(3)을 집광해 조사하고, 레이저광의 집광점(2)에서 타겟 물질을 여기해 플라즈마를 발생시켜, 그곳에서 극자외선광(4)을 발광시킨다.
도 4는 도 3의 플라즈마 광원의 부분 확대도이다.
타겟 물질을 플라즈마화해 극자외선광(4)을 발광시키려면, 집광점(2)에서 타겟 물질이 플라즈마화하는 온도까지 가열할 필요가 있다. 플라즈마화 온도의 최적 온도 조건은, 크세논 가스의 경우는 약 30 eV이며, 리튬 가스의 경우는 약 10 eV이다.
플라즈마화해 극자외선광(4)을 발광하는 발광 플라즈마의 총복사량은 흑체(black body) 복사체의 경우 최대로서, 플라즈마 사이즈(즉 집광점(2)의 직경)가 10㎛의 경우, 30 eV의 크세논 가스로부터의 복사량은 약 150㎾에 달하고, 10 eV의 리튬 가스로부터의 복사량은 이의 1/80 정도(약 1.9㎾)가 된다. 실제의 발광 플라즈마는 흑체가 아니라, EUV 발광 플라즈마로부터의 총복사량은 이보다 낮아진다. 에너지 밸런스 조정의 관점에서, 레이저의 최소 집광 직경은 플라즈마 총복사량에 상당하는 에너지를 레이저 발진기(16a)로부터 집광점(2)에 공급할 수 있는 것이 바람직하다.
집광 렌즈(16b)로 집광 가능한 집광점(2)의 직경은 레이저광의 파장에 거의 상당하며, CO2 레이저의 경우는 약 10㎛, CO 레이저의 경우는 약 5㎛, YAG 레이저의 경우는 약 1㎛ 또는 약 0.5㎛이다.
전술한 복사량에 상당하는 에너지를 집광점(2)에 집광시키기 위해, 집광점(2)의 직경은 작을수록 바람직하고, 그 관점에서 YAG 레이저 또는 CO 레이저를 이용하는 것이 바람직하다.
예를 들면, YAG 레이저를 이용하고 집광점(2)의 직경이 2.5㎛인 경우, 30 eV의 크세논 가스로부터의 복사량은 약 9.4kW(150kW의 1/42)가 된다. 마찬가지로, 예를 들면, CO 레이저를 이용하고 집광점(2)의 직경이 5㎛인 경우, 10eV의 리튬 가스로부터의 복사량은 약 470W(150kW×1/80×1/22)가 된다.
한편, 레이저로부터의 발광 플라즈마의 입열량은 플라즈마 사이즈(즉 집광점(2)의 직경)를 극초음속 정상 가스젯(1)이 통과하는 동안에 레이저 발진기(16a)가 받는 에너지로서, 이는 가스젯(1)의 속도 및 레이저 발진기(16a)의 출력으로부터 계산할 수 있으며, 집광점(2)의 직경에는 영향을 받지 않는다.
따라서, YAG 레이저 또는 CO 레이저를 이용해 집광점(2)의 직경을 가능한 한 작게(예를 들면, 2.5 내지 5㎛) 함으로써, 출력을 갖는 비교적 작은 출력(예를 들면 1 내지 10kW)의 레이저 발진기(16a)로 집광점(2)에서 타겟 물질을 여기해 플라즈마를 발생시키고, 그곳에서 극자외선광(4)을 발광시킬 수 있다.
EUV광의 총수율은, 레이저 출력, 레이저 파장, 발광 물질의 조합으로 EUV광의 발생 효율이 높은 에너지 밸런스를 유지하면서, 플라즈마 사이즈(집광 사이즈)를 크게 함으로써 증가시킬 수 있다.
전술한 본 실시 형태의 장치와 방법에 따르면, 가스젯 장치(14)에 의해 진공 챔버(12) 내부에 타겟 물질의 극초음속 정상 가스젯(1)을 회수 가능하게 형성하고, 또한 레이저 장치(16)에 의해 극초음속 정상 가스젯(1)에 레이저광(3)을 집광해 조사하고, 레이저광의 집광점(2)에서 타겟 물질을 여기해 플라즈마를 발생시키고, 그곳에서 극자외선광(4)을 발광시킬 수 있다.
따라서, 샷마다 생성된 플라즈마 및 타겟 물질을 배기하는 종래예와 비교하여, 타겟 물질을 회수해 순환 사용할 수 있으므로, 타겟 물질의 이용 효율을 큰 폭으로 높일 뿐만 아니라 에너지 이용 효율을 큰 폭으로 높일 수 있다. 또한 이에 따라, 잔사의 발생과 챔버의 진공도 악화를 억제할 수 있다.
한편, 본 발명은 전술한 실시 형태로 한정되지 않으며, 특허 청구 범위의 기재에 의해 나타나고, 또한 특허 청구 범위의 기재와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경을 포함한다.
1 극초음속 정상 가스젯
2 집광점
3 레이저광
10 LPP 방식 EUV 광원
12 진공 챔버
12a 광학창
13 진공 펌프
14 가스젯 장치
14a 극초음속 노즐
14b 극초음속 디퓨저
15 가스 재순환 장치
15a 흡인 펌프
15b 타겟 챔버
15c 토출 펌프
16 레이저 장치
16a 레이저 발진기
16b 집광 렌즈
17a 공급 라인
17b 회수 라인
18 타겟 가열 장치

Claims (4)

  1. 진공 환경으로 유지된 진공 챔버와,
    상기 진공 챔버 내부에 타겟 물질의 극초음속 정상 가스젯을 회수해 순환 사용 가능하게 형성하는 가스젯 장치와,
    상기 극초음속 정상 가스젯에 레이저광을 집광해 조사하는 레이저 장치를 구비하고,
    상기 레이저광의 집광점에서 타겟 물질을 여기해 플라즈마를 발생시키고, 그곳에서 극자외선광을 발광시키는 것을 특징으로 하는 LPP 방식 EUV 광원.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스젯 장치는, 상기 진공 챔버 내부에 상기 집광점을 사이에 두고 대향 배치된 극초음속 노즐 및 극초음속 디퓨저와, 상기 극초음속 정상 가스젯을 극초음속 노즐로부터 분사하고 극초음속 디퓨저로부터 회수해 순환시키는 가스 재순환 장치로 이루어지는 것을 특징으로 하는 LPP 방식 EUV 광원.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 가스젯 장치는, 상기 진공 챔버의 배압을 높이지 않고, 레이저광의 흡수와 EUV광의 방출에 적합한 고밀도의 타겟 물질 영역을 정상적으로 형성하는 것을 특징으로 하는 LPP 방식 EUV 광원.
  4. 진공 챔버 내부를 진공 환경으로 유지하고,
    상기 진공 챔버 내부에 타겟 물질의 극초음속 정상 가스젯을 회수해 순환 가능하게 형성하고,
    상기 극초음속 정상 가스젯에 레이저광을 집광해 조사하고,
    상기 레이저광의 집광점에서 타겟 물질을 여기해 플라즈마를 발생시키고, 그곳에서 극자외선광을 발광시키는 것을 특징으로 하는 LPP 방식 EUV광 발생 방법.
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