KR20210115508A - 전자빔을 이용한 극자외선 광원 장치 - Google Patents

전자빔을 이용한 극자외선 광원 장치 Download PDF

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Abstract

극자외선 광원 장치는 내부를 진공으로 유지하는 방전 챔버와, 방전 챔버의 내부에 위치하며 전자빔을 생성하는 전자빔 방출부와, 방전 챔버의 내부에 위치하고 전자빔에 의해 이온화되는 금속 방사체를 포함한다. 금속 방사체로부터 발생된 플라즈마에서 극자외선 복사가 이루어진다. 전자빔 방출부는 캐소드 전극과, 캐소드 전극 상에 위치하며 탄소계 물질을 포함하는 복수의 에미터와, 복수의 에미터와 거리를 두고 복수의 에미터 상에 위치하며 펄스 전압을 인가받는 게이트 전극을 포함한다.

Description

전자빔을 이용한 극자외선 광원 장치 {EXTREME ULTRAVIOLET LIGHT SOURCE USING ELETRON BEAM}
본 발명은 전자빔을 이용한 극자외선 광원 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 대면적화에 유리한 극자외선 광원 장치의 구조에 관한 것이다.
극자외선(EUV, extreme ultraviolet)은 X-선과 심자외선(DUV, deep ultraviolet) 영역 사이인 대략 10nm에서 100nm에 이르는 파장 대역의 전자기파이다. 최근 리소그래피 또는 나노스케일 이미징과 같이 극자외선 영역을 다루는 응용분야를 위해 컴팩트한 극자외선 광원 개발에 많은 노력이 집중되고 있다.
예를 들어, 반도체 제조를 위한 나노미터 크기의 미세패턴 공정에 극자외선 리소그래피 장비가 사용되고 있다. 현재 극자외선 리소그래피 장비는 고출력의 레이저를 기반으로 하며, 전적으로 수입에 의존하고 있다. 이러한 극자외선 리소그래피 장비는 매우 고가이고, 내부 구조가 복잡하며, 큰 부피를 차지하고 있다.
본 발명은 내부 구조가 단순하고, 컴팩트한 크기를 가지며, 제조 비용을 낮출 수 있는 극자외선 광원 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 극자외선 광원 장치는 내부를 진공으로 유지하는 방전 챔버와, 방전 챔버의 내부에 위치하며 전자빔을 생성하는 전자빔 방출부와, 방전 챔버의 내부에 위치하고 전자빔에 의해 이온화되는 금속 방사체를 포함한다. 금속 방사체로부터 발생된 플라즈마에서 극자외선 복사가 이루어진다. 전자빔 방출부는 캐소드 전극과, 캐소드 전극 상에 위치하며 탄소계 물질을 포함하는 복수의 에미터와, 복수의 에미터와 거리를 두고 복수의 에미터 상에 위치하며 펄스 전압을 인가받는 게이트 전극을 포함한다.
복수의 에미터는 끝이 뾰족한 에미터 팁으로 구성될 수 있고, 탄소 나노튜브를 포함할 수 있다. 게이트 전극 중 복수의 에미터와 마주하는 부분은 금속망 또는 다공판으로 구성될 수 있고, 복수의 에미터 주위로 캐소드 전극과 지지체 사이에 복수의 에미터 각각의 높이보다 큰 두께를 가지는 절연층이 위치할 수 있다.
전자빔 방출부는, 게이트 전극과 거리를 두고 게이트 전극 상에 위치하며 전자빔 통과를 위한 개구를 구비한 애노드 전극을 더 포함할 수 있다. 애노드 전극에는 10kV 이상의 전압이 인가될 수 있다.
전자빔 방출부는, 마이너스 전압을 인가받는 적어도 하나의 집속 전극을 더 포함할 수 있다. 집속 전극은 게이트 전극과 애노드 전극 사이에 위치할 수 있다.
집속 전극은 제1 집속 전극과, 제1 집속 전극보다 애노드 전극에 더 가깝게위치하는 제2 집속 전극을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 집속 전극은 각자의 개구를 구비할 수 있다. 제2 집속 전극의 개구는 제1 집속 전극의 개구보다 작을 수 있고, 애노드 전극의 개구는 제2 집속 전극의 개구보다 작을 수 있다.
캐소드 전극과 복수의 에미터 및 게이트 전극이 전자빔 모듈을 구성할 수 있다. 전자빔 방출부는 회전판을 더 포함할 수 있으며, 회전판 상에 복수의 전자빔 모듈이 서로간 거리를 두고 원을 이루며 배치될 수 있다.
복수의 전자빔 모듈 중 어느 하나의 전자빔 모듈이 애노드 전극의 개구와 마주하도록 정렬될 수 있고, 회전판 회전 시 다른 하나의 전자빔 모듈이 애노드 전극의 개구와 마주하도록 정렬될 수 있다.
금속 방사체는 주입 장치에 의해 플라즈마 영역으로 낙하하는 주석 액적과, 회전체로 구성된 고체 주석 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
실시예들에 따른 극자외선 광원 장치는 레이저 장비 대신 탄소계 에미터에 기반한 전자빔 방출부를 구비함으로써 내부 구조를 단순화하고, 컴팩트한 크기를 가지며, 제조 비용을 낮출 수 있다. 실시예들에 따른 극자외선 광원 장치는 반도체 제조를 위한 미세 패턴 공정에서 리소그래피 장치로 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 극자외선 광원 장치의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시한 극자외선 광원 장치 중 전자빔 방출부의 확대도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 극자외선 광원 장치의 구성도이다.
도 4는 도 3에 도시한 극자외선 광원 장치 중 전자빔 방출부의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 극자외선 광원 장치의 구성도이다.
도 6과 도 7은 각각 본 발명의 제4 실시예에 따른 극자외선 광원 장치 중 전자빔 방출부의 사시도와 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 극자외선 광원 장치의 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시한 극자외선 광원 장치 중 전자빔 방출부의 확대도이다.
도 1을 참고하면, 제1 실시예의 극자외선 광원 장치(100)는 방전 챔버(10)와, 방전 챔버(10)의 내부에 위치하는 전자빔 방출부(20) 및 금속 방사체(30)를 포함한다. 전자빔 방출부(20)는 레이저 기반이 아닌 전계에 의해 전자를 방출하는 탄소계 에미터를 기반으로 한다.
방전 챔버(10)는 내부를 진공으로 유지하며, 금속 방사체(30)를 이온화하여 플라즈마를 발생시키고 이를 유지한다. 방전 챔버(10)의 내부 공간 중 플라즈마가 유지되는 영역을 편의상 플라즈마 영역이라 한다.
금속 방사체(30)는 전자빔에 의해 가열되어 이온화되고, 금속 방사체(30)를 둘러싸는 플라즈마 영역에서 극자외선 복사가 이루어진다. 즉 금속 방사체(30)로부터 발생된 플라즈마가 극자외선을 생성하는 광원으로 기능한다. 금속 방사체(30)는 리튬(Li), 인듐(In), 주석(Sn), 안티몬(Sb), 텔루르(Te), 및 알루미늄(Al) 중 어느 하나의 금속 또는 이 금속의 혼합물을 포함할 수 있다.
금속 방사체(30)는 주석 액적일 수 있으며, 방전 챔버(10)에는 주석 액적을 낙하시키는 주입 장치(40)가 설치될 수 있다. 주입 장치(40)는 미리 설정된 부피의 주석 액적을 미리 설정된 시간 주기에 따라 낙하시키는 구성으로 이루어질 수 있다.
전자빔 방출부(20)는 방전 챔버(10)의 내부에 위치하며, 금속 방사체(30)의 옆쪽에서 금속 방사체(30)를 향해 전자빔을 조사할 수 있다. 전자빔 방출부(20)는 캐소드 전극(21)과, 캐소드 전극(21) 상에 위치하는 복수의 에미터(22)와, 복수의 에미터(22)와 거리를 두고 복수의 에미터(22) 상에 위치하는 게이트 전극(23)과, 게이트 전극(23)과 거리를 두고 게이트 전극(23) 상에 위치하는 애노드 전극(24)을 포함한다.
복수의 에미터(22)는 끝이 뾰족한 에미터 팁으로 구성되거나, 평평한 에미터 층으로 구성될 수 있다. 도 1과 도 2에서를 첫번째 경우를 예로 들어 도시하였다. 복수의 에미터(22)는 탄소계 물질, 예를 들어 탄소 나노튜브를 포함할 수 있다.
게이트 전극(23) 중 복수의 에미터(22)와 마주하는 부분은 금속망 또는 다공판 형태로 구성될 수 있다. 금속망은 얇은 금속선들이 서로간 거리를 두고 망(net) 형태로 직조된 구성이고, 다공판은 금속판에 복수의 개구가 형성된 구성이다. 게이트 전극(23)은 금속선들 사이의 공간 또는 복수의 개구를 통해 전자빔을 통과시킨다.
복수의 에미터(22) 주위로 캐소드 전극(21)과 게이트 전극(23) 사이에는 도시하지 않은 절연층(또는 절연 스페이서)이 위치할 수 있다. 이때 절연층의 두께는 복수의 에미터(22) 각각의 높이보다 크게 제작되어 게이트 전극(23)이 복수의 에미터(22)와 접촉하지 않도록 한다. 게이트 전극(23)은 절연층에 의해 캐소드 전극(21) 및 복수의 에미터(22)와 절연 상태를 유지할 수 있다.
애노드 전극(24)은 전자빔 통과를 위한 개구(241)가 형성된 금속판으로 구성된다. 개구(241)의 중앙은 복수의 에미터(22)의 중앙 및 게이트 전극(23)의 중앙과 일치할 수 있다. 에미터(22)와 게이트 전극(23)간 거리는 게이트 전극(23)과 애노드 전극(24)간 거리보다 작을 수 있다.
캐소드 전극(21)은 접지될 수 있고, 게이트 전극(23)에는 펄스 전압이 인가될 수 있으며, 애노드 전극(24)에는 10kV 이상의 고전압이 인가될 수 있다. 그러면 캐소드 전극(21)과 게이트 전극(23)의 전압 차에 의해 복수의 에미터(22) 주위로 전계가 형성되고, 이 전계에 의해 복수의 에미터(22)로부터 전자빔이 방출되며, 방출된 전자빔은 애노드 전극(24)의 고전압에 이끌려 가속된다.
이때 게이트 전극(23)의 펄스 전압은 높은 주파수 또는 낮은 펄스 폭을 가진 전압으로서, 예를 들어 100kHz 이상의 고주파수 특성을 가질 수 있다. 이러한 펄스 전압은 전자빔의 고속 스위칭을 가능하게 하며, 구동 전력을 낮추는 효과로 이어진다.
애노드 전극(24)을 향해 가속된 전자빔 중 애노드 전극(24)의 개구(241)를 통과한 전자빔이 금속 방사체(30)에 조사되어 금속 방사체(30)를 가열한다. 가열에 의해 이온화된 금속 방사체(30)로부터 발생된 플라즈마에서 극자외선 복사가 이루어지며, 극자외선은 방전 챔버(10)의 출력 개구(11)를 통해 방전 챔버(10)의 외부로 출력된다.
이때 애노드 전극(24)과 금속 방사체(30) 사이에는 출력 개구(11)를 향해 극자외선을 집광하는 반사 거울(12)이 위치할 수 있다. 반사 거울(12)은 전자빔 통과를 위한 개구를 구비하며, 금속 방사체(30)를 향해 오목한 반사면을 포함한다. 반사 거울(12)은 몰리브덴(Mo)과 실리콘(Si)이 번갈아 다층으로 쌓인 것을 이용할 수 있다.
제1 실시예의 극자외선 광원 장치(100)는 레이저 장비 대신 전술한 전자빔 방출부(20)를 구비함으로써 내부 구조를 단순화하고, 컴팩트한 크기를 가지며, 제조 비용을 낮출 수 있다. 제1 실시예의 극자외선 광원 장치(100)는 반도체 제조를 위한 미세 패턴 공정에서 리소그래피 장치로 사용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 극자외선 광원 장치의 구성도이고, 도 4는 도 3에 도시한 극자외선 광원 장치 중 전자빔 방출부의 사시도이다.
도 3과 도 4를 참고하면, 제2 실시예의 극자외선 광원 장치(101)에서 전자빔 방출부(20)의 일부는 회전식으로 구성된다. 예를 들어, 캐소드 전극(21)과 복수의 에미터(22) 및 게이트 전극(23)이 전자빔 모듈(50)을 구성하고, 복수의 전자빔 모듈(50)이 회전판(51) 상에서 서로간 거리를 두고 원을 이루며 배열될 수 있다.
전자빔 방출부(20)는 회전판(51)과, 회전판(51)에 고정된 회전축(52)과, 회전축(52)에 결합되어 회전축(52)을 회전시키는 구동부(53)를 포함할 수 있다. 회전판(51)은 원판일 수 있으며, 구동부(53)는 스텝 모터로 구성될 수 있으나, 이러한 예시로 한정되지 않는다. 회전축(52)의 일부와 구동부(53)는 방전 챔버(10)의 외부에 위치할 수 있다.
회전축(52)은 애노드 전극(24)의 개구(241)와 수직 방향으로 어긋나 있으며, 복수의 전자빔 모듈(50) 중 어느 하나의 전자빔 모듈(50)이 애노드 전극(24)의 개구(241)와 마주하도록 정렬된다. 애노드 전극(24)과 마주하도록 정렬된 전자빔 모듈(50)이 일정시간 사용 후 수명이 다하면, 구동부(53)가 회전판(51)을 회전시켜 다른 전자빔 모듈(50)이 애노드 전극(24)과 마주하도록 한다.
이와 같이 회전판(51) 위에 복수의 전자빔 모듈(50)을 배치하고, 회전판(51)을 회전시킴으로써 전자빔 모듈(50)을 하나씩 순서대로 사용할 수 있다. 이 경우, 전자빔 방출부(20)의 교체 주기가 늘어나 유지보수를 간소화할 수 있으며, 방전 챔버(10)의 수명도 증대시킬 수 있다.
제2 실시예의 극자외선 광원 장치(101)는 전자빔 방출부(20)가 회전식으로 구성되는 것을 제외하고 전술한 제1 실시예와 동일 또는 유사한 구성으로 이루어진다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 극자외선 광원 장치의 구성도이다.
도 5를 참고하면, 제3 실시예의 극자외선 광원 장치(102)에서 방전 챔버(10)는 원통 형상일 수 있다. 금속 방사체(30)는 고체 주석을 포함할 수 있으며, 회전체로 구성될 수 있다. 회전체로 구성된 금속 방사체(30)는 사용 수명이 길어 교체 주기를 늘리는데 효과적이고, 주석 액적을 낙하시키는 주입 장치 대비 구성이 매우 단순하다.
전자빔 방출부(20)는 금속 방사체(30)를 향해 전자빔을 조사하여 금속 방사체(30)를 이온화할 수 있고, 금속 방사체(30)를 둘러싸는 플라즈마 영역에서 극자외선 복사가 이루어진다. 금속 방사체(30)를 중심으로 금속 방사체(30)의 일측에 출력 개구(11)가 위치할 수 있고, 반대측에 반사 거울(13)이 위치할 수 있다. 반사 거울(13)은 출력 개구(11)를 향해 극자외선을 반사시켜 출력 개구(11)를 투과하는 극자외선의 강도를 높인다.
제3 실시예의 극자외선 광원 장치(102)는 방전 챔버(10)의 형상과 금속 방사체(30)의 구성을 제외하고 전술한 제1 실시예와 동일 또는 유사한 구성으로 이루어진다.
도 6과 도 7은 각각 본 발명의 제4 실시예에 따른 극자외선 광원 장치 중 전자빔 방출부의 사시도와 단면도이다.
도 6과 도 7을 참고하면, 제4 실시예의 극자외선 광원 장치에서 전자빔 방출부(20)는 게이트 전극(23)과 애노드 전극(24) 사이에 위치하는 적어도 하나의 집속 전극을 더 포함한다. 집속 전극은 게이트 전극(23) 상에 위치하는 제1 집속 전극(26)과, 제1 집속 전극(26) 상에 위치하는 제2 집속 전극(27)을 포함할 수 있다.
게이트 전극(23)은 복수의 에미터(22)에 대응하는 금속망(231)과, 금속망(231)의 가장자리에 고정되어 금속망(231)을 지지하는 지지체(232)를 포함할 수 있다. 그리고 복수의 에미터(22) 주위로 캐소드 전극(21)과 지지체(232) 사이에 제1 절연층(251)이 위치할 수 있다.
제2 절연층(252)이 게이트 전극(23)과 제1 집속 전극(26) 사이에 위치하여 게이트 전극(23)과 제1 집속 전극(26)을 절연시킬 수 있고, 제3 절연층(253)이 제1 집속 전극(26)과 제2 집속 전극(27) 사이에 위치하여 제1 집속 전극(26)과 제2 집속 전극(27)을 절연시킬 수 있다. 그리고 제4 절연층(254)이 제2 집속 전극(27)과 애노드 전극(24) 사이에 위치하여 제2 집속 전극(27)과 애노드 전극(24)을 절연시킬 수 있다.
제2 절연층(252), 제1 집속 전극(26), 제3 절연층(253), 제2 집속 전극(27), 및 제4 절연층(254)은 전자빔 통과를 위한 각자의 개구를 구비한다. 제2 절연층(252)과 제3 절연층(253) 및 제4 절연층(254)의 개구는 같은 크기로 형성될 수 있다.
제1 집속 전극(26)의 개구(261) 직경은 게이트 전극(23)의 금속망(231)보다 작은 크기일 수 있고, 제2 집속 전극(27)의 개구(271) 직경은 제1 집속 전극(26)의 개구(261) 직경보다 작을 수 있다. 애노드 전극(24)의 개구(241) 직경은 제2 집속 전극(27)의 개구(271) 직경보다 작을 수 있다. 즉 제1 집속 전극(26), 제2 집속 전극(27), 애노드 전극(24)의 순서대로 작은 크기의 개구를 구비할 수 있다.
제1 및 제2 집속 전극(26, 27)에는 마이너스(-) 전압이 인가될 수 있다. 그러면 게이트 전극(23)의 금속망(231)을 통과한 전자빔이 제1 집속 전극(26)의 개구(261)와 제2 집속 전극(27)의 개구(271)를 차례로 거치면서 제1 및 제2 집속 전극(26, 27)이 가하는 척력에 의해 집속된다.
제1 및 제2 집속 전극(26, 27)을 구비한 전자빔 방출부(20)는 전자빔을 집속하여 금속 방사체(30)에 도달하는 전자빔의 크기를 줄일 수 있으며, 그 결과 금속 찌꺼기(Debris)의 생성을 줄여 금속 방사체(30)의 사용 수명을 늘릴 수 있다.
제4 실시예의 극자외선 광원 장치는 전자빔 방출부(20)의 구성을 제외하고 전술한 제1 실시예와 제3 실시예 중 어느 한 실시예와 동일 또는 유사한 구성으로 이루어진다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100, 101, 102: 극자외선 광원 장치
10: 방전 챔버 11: 출력 개구
12, 13: 반사 거울 20: 전자 방출부
21: 캐소드 전극 22: 에미터
23: 게이트 전극 24: 애노드 전극
26: 제1 집속 전극 27: 제2 집속 전극
30: 금속 방사체 40: 주입 장치
50: 전자빔 모듈 51: 회전판
52: 회전축 53: 구동부

Claims (10)

  1. 내부를 진공으로 유지하는 방전 챔버;
    상기 방전 챔버의 내부에 위치하며, 전자빔을 생성하는 전자빔 방출부; 및
    상기 방전 챔버의 내부에 위치하고, 상기 전자빔에 의해 이온화되는 금속 방사체를 포함하며,
    상기 금속 방사체로부터 발생된 플라즈마에서 극자외선 복사가 이루어지고,
    상기 전자빔 방출부는 캐소드 전극과, 캐소드 전극 상에 위치하며 탄소계 물질을 포함하는 복수의 에미터와, 복수의 에미터와 거리를 두고 복수의 에미터 상에 위치하며 펄스 전압을 인가받는 게이트 전극을 포함하는 극자외선 광원 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 에미터는 끝이 뾰족한 에미터 팁으로 구성되며, 탄소 나노튜브를 포함하는 극자외선 광원 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 게이트 전극 중 상기 복수의 에미터와 마주하는 부분은 금속망 또는 다공판으로 구성되며,
    상기 복수의 에미터 주위로 상기 캐소드 전극과 상기 게이트 전극 사이에 상기 복수의 에미터 각각의 높이보다 큰 두께를 가지는 절연층이 위치하는 극자외선 광원 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전자빔 방출부는, 상기 게이트 전극과 거리를 두고 상기 게이트 전극 상에 위치하며 전자빔 통과를 위한 개구를 구비한 애노드 전극을 더 포함하고,
    상기 애노드 전극에는 10kV 이상의 전압이 인가되는 극자외선 광원 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전자빔 방출부는, 상기 게이트 전극과 상기 애노드 전극 사이에 위치하며 마이너스 전압을 인가받는 적어도 하나의 집속 전극을 더 포함하는 극자외선 광원 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 집속 전극은 제1 집속 전극과, 상기 제1 집속 전극보다 상기 애노드 전극에 더 가깝게 위치하는 제2 집속 전극을 포함하는 극자외선 광원 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 집속 전극은 각자의 개구를 구비하고,
    상기 제2 집속 전극의 개구는 상기 제1 집속 전극의 개구보다 작으며, 상기 애노드 전극의 개구는 상기 제2 집속 전극의 개구보다 작은 극자외선 광원 장치.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 캐소드 전극과 상기 복수의 에미터 및 상기 게이트 전극이 전자빔 모듈을 구성하고,
    상기 전자빔 방출부는 회전판을 더 포함하며,
    상기 회전판 상에 복수의 전자빔 모듈이 서로간 거리를 두고 원을 이루며 배치되는 극자외선 광원 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 전자빔 모듈 중 어느 하나의 전자빔 모듈이 상기 애노드 전극의 개구와 마주하도록 정렬되고, 상기 회전판 회전 시 다른 하나의 전자빔 모듈이 상기 애노드 전극의 개구와 마주하도록 정렬되는 극자외선 광원 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 방사체는 주입 장치에 의해 상기 플라즈마 영역으로 낙하하는 주석 액적과, 회전체로 구성된 고체 주석 중 어느 하나로 이루어지는 극자외선 광원 장치.
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