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KR100347517B1 - 리소그래피 장비에서 복굴절 광학 유니트를 사용하는 변형 조명 장치 - Google Patents

리소그래피 장비에서 복굴절 광학 유니트를 사용하는 변형 조명 장치 Download PDF

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KR100347517B1
KR100347517B1 KR1019990054156A KR19990054156A KR100347517B1 KR 100347517 B1 KR100347517 B1 KR 100347517B1 KR 1019990054156 A KR1019990054156 A KR 1019990054156A KR 19990054156 A KR19990054156 A KR 19990054156A KR 100347517 B1 KR100347517 B1 KR 100347517B1
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정해빈
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명은 노광 장비의 조명 광학계에 있어서 노광 장비의 초점 심도와 해상도를 증가시키기 위하여 복굴절 광학 부품을 사용한 리소그래피 장비의 변형 조명 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따르면, 광원으로부터 입사되는 빛을 일정한 모양으로 정형하기 위한 광속 확대기와 파리눈 렌즈 인터그레이터(Fly's Eye Integrator), 상기 광속 확대기로부터 전달되는 광을 효율적으로 상기 파리눈 렌즈 인터그레이터에 전달하기 위한 줌 렌즈 및 변형 조명(Modified Illumination)을 위하여 상기 파리눈 렌즈 인터그레이터에 삽입되어 있는 변형 조명판을 포함하여 이루어진 리소그래피(Lithography) 장비의 변형 조명 장치에 있어서, 상기 광속 확대기로부터 입사된 빛을 변형 조명으로 생성하여 상기 파리눈 렌즈 인터그레이터에 전달하고, 조명 에너지의 손실을 감소시키기 위한 다수의 복굴절 광학부로 이루어져 있는 복굴절 광학 유니트를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 리소그래피 장비의 변형 조명 장치가 제공된다.

Description

리소그래피 장비에서 복굴절 광학 유니트를 사용하는 변형 조명 장치 {Modified illumination apparatus for lithography equipment}
본 발명은 스테퍼나 스캐너와 같은 노광 장비의 조명 광학계에 있어서 노광장비의 초점심도와 해상도를 증가 시키기 위해 사용되는 변형 조명 기술에 관한 것이며, 특히, 조명광의 에너지 손실 없이 변형 조명광을 형성하는 장치에 관한 것이다.
광 리소그래피(Lithography) 기술에 있어서 해상도의 한계를 결정하는 주요 변수는 노광 광원의 파장, 투영 렌즈의 개구수, 요구되는 초점 심도, 감광제의 광감도 특성 및 공정 변수 등이 있다. 최근 반도체 소자 집적도의 증가에 따른 해상도의 향상을 위하여 광원의 파장을 짧게 하고, 개구수를 크게 하려는 노광 장비 시스템 차원의 기술들이 그 한계를 나타냄에 따라 위상 변이 마스크(Phase Shift Mask) 및 변형 조명(Modified Illumination) 등 여러가지 리소그래피 변형 기술들이 고안되어 연구되고 있다.
이러한 해상력 향상에 관한 방법들 중에서 최근 많은 주목을 받고 있는 기술이 변형 마스크 기술과 변형 조명 기술이며 변형 마스크 기술은 종래의 마스크에서 인접한 패턴간에 위상차를 일으키는 구조로 마스크를 제작하여 마스크의 결상 특성을 향상시키는 기술이다. 한편, 변형 조명 기술은 리소그래피 장비의 조명 광학계에 있어서 조명광의 개구면(Aperture Plane)을 변형하여 경사 입사(Oblique Illumination) 성분을 크게 함으로써, 리소그래피 성능을 향상시키는 기술인데, 원형(Annular), 사분형(Quadrupole)등 여러가지 형태의 변형 조명 방법이 연구되고 있으나, 현재 가장 효율적인 변형 조명 방법으로 사분형 조명 방법이 가장 많이 사용되어지고 있다. 이러한 변형 조명 방법들은 원리적으로는 동일한 개념을 사용하고 있는데, 이는 일반적으로 결상 광학계가 공간 주파수에 대해 저주파 필터로 작용하고 있으므로, 결상에 기여하는 공간 주파수의 성분을 확장하거나, DC 성분을 억제하여 명암 대비(Contrast)를 높임으로써, 해상력을 높인다는 것이다.
실제로 노광 장비의 조명계에서 이러한 변형 조명을 구현하는 방법으로는 조명계에서 조명광의 균일도(Uniformity)를 향상시키는 광학 부품인 파리눈 렌즈(Fly's Eye) 모듈 내에 변형 조명을 형성하기 위하여 단순히 변형 조명판을 삽입함으로써 이루어 진다. 그러나, 이러한 조명광의 공간적 선택 투과를 위한 형태의 변형 조명판은 원래의 조명광을 차단하는 부분이 많아지므로 일반 조명의 경우보다 노광에 사용되는 에너지의 양이 50% 이하로 떨어지므로 노광 시간을 2 배 이상 늘려야 하는 문제점이 발생하며, 이는 결국 노광 장비의 생산 능력을 떨어뜨리는 결과를 초래하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 노광 장비의 조명계에서 변형 조명을 구현하는 방법으로 사용되어지는 기존의 차단형 변형 조명판 대신에 복굴절 물질의 광축 방향을 고려한 복굴절 광학 부품을 제작하여 조명 광학계를 구성하는 부분품으로서, 노광 장비의 조명계 내에 설치하면, 입사한 빛의 편광 방향에 따라서 그 굴절률에 차이가 나타나게 되는 광학적 특성에 따라 빛이 지나가게 되는 경로가 달라지게 되고, 그 결과 복굴절 광학 부품을 통과한 빛이 조명 광학계의 광축에 수직한 평면에서 공간적으로 분리되며 조명광의 에너지 손실 없이 변형 조명광을 형성할 수 있는 리소그래피 장비의 변형 조명 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1a 및 도 1b는 임의 광선의 편광 방향을 2 개의 편광 성분으로 분해할 수 있음을 보이기 위한 설명도이고,
도2a 및 도 2b는 2 개의 편광 성분을 가진 빛이 복굴절 광학 부품을 통과한 후, 복굴절 물질의 편광 방향에 따른 굴절률의 변화에 따라 공간적으로 2 개의 광선으로 분해된다는 것을 보이기 위한 설명도이고,
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 복굴절 물질로 만들어진 광학 부품을 사용하여 조명 광학계의 사분형 변형 조명을 구성하는 원리를 나타낸 설명도이고,
도 4는 종래의 리소그래피 장비에서 조명광의 선택적 투과를 목적으로 하는 변형 조명판을 사용하는 변형 조명 형성 방법을 개략적으로 나타내는 도면이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복굴절 물질로 만들어진 광학 유니트를 사용한 리소그래피 장비의 변형 조명 장치의 구성도이다.
♠ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♠
110 : 통상적인 빛 120 : 임의의 방향으로 편광 된 광선
140 : 편광된 광선의 한 성분 150 : 140에 수직한 방향의 다른 편광 성분
200 : 복굴절 물질 201 : 복굴절 물질의 결정축 방향
202 : 편광되지 않은 일반적인 빛
203 : 입사 광선이 복굴절 물질에 입사할 때 결정축과 이루는 각도
204 : 정상 광선 205 : 이상 광선
206 : 정상 광선의 편광 방향 207 : 이상 광선의 편광 방향
208 : 복굴절 물질의 회전 방향 209 : 정상 광선 진행 방향
210 : 이상 광선의 진행 방향
211 : 복굴절 물질의 회전에 따른 이상 광선의 회전 궤도
220 : 점광원 221 : 광선의 임의 진행 방향
222 : 정상 광선의 굴절률 223 : 이상광서의 굴절률
224 : 결정축 방향 330 : 육면체형 복굴절 광학 부품
360 : 육면체형 복굴절 광학 부품
300 : 임의의 방향으로 편광된 입사 광선
310: 복굴절 물질의 굴절률축 331 : 정상 광선
332 : 이상 광선 333 : 정상 광선의 편광 방향
334 : 이상 광선의 편광 방향 350 : 회전된 복굴절 물질의 굴절률축
361 : 정상 광선 362 : 이상 광선
363 : 정상 광선 364 : 이상 광선
365 : 복굴절 광학 부품을 통과한 빛의 편광 방향
366 : 복굴절 광학 부품을 통과한 후 편광된 빛
367 : 복굴절 광학 부품을 통과한 후 편광된 빛
368 : 복굴절 광학 부품을 통과한 후 편광된 빛
369 : 복굴절 광학 부품을 통과한 후 편광된 빛
370 : 광축
380 : 광선이 330을 통과한 다음 가상의 스크린에 나타낸 분리된 광선
381 : 광선이 360을 통과한 다음 가상의 스크린에 나타낸 분리된 광선
382 : 사분형 변형 조명을 구성하는 원형 조명광
383 : 사분형 변형 조명을 구성하는 원형 조명광
384 : 사분형 변형 조명을 구성하는 원형 조명광
385 : 사분형 변형 조명을 구성하는 원형 조명광
386 : 원형 조명광 사이의 수직 거리
387 : 원형 조명광 사이의 수평 거리
315 : 복굴절 광학 부품 330의 두께
316 : 복굴절 광학 부품 360의 두께
451 : 조명 광원 452 : 조명광
453 : 광속 확대기 454: 줌 렌즈
455 : 파리눈 렌즈 인테그레이터 456 : 변형 조명판
457 : 사분형 변형 조명판의 단면 458 : 반사 거울
459 : 콘덴서 렌즈 460 : 마스크
461 : 투영 광학계 462 : 웨이퍼
563 : 조명 광원 564 : 조명광
565 : 광속 확대기
566 : 복굴절 물질로 만들어진 광학 유니트
567 : 줌 렌즈 568 : 파리눈 렌즈 인테그레이터
569 : 사분형 변형 조명광 570 : 반사 거울
571 : 콘덴서 렌즈 572 : 마스크
573 : 투영 광학계 574 : 웨이퍼
575 : 566에 의해 분리된 4 개의 조명광
앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 광원으로부터 입사되는 빛을 일정한 모양으로 정형하기 위한 광속 확대기와 파리눈 렌즈 인터그레이터(Fly's Eye Integrator), 상기 광속 확대기로부터 전달되는 광을 효율적으로 상기 파리눈 렌즈 인터그레이터에 전달하기 위한 줌 렌즈 및 변형 조명(Modified Illumination)을 위하여 상기 파리눈 렌즈 인터그레이터에 삽입되어 있는 변형 조명판을 포함하여 이루어진 리소그래피(Lithography) 장비의 변형 조명 장치에 있어서, 상기 광속 확대기로부터 입사된 빛을 변형 조명으로 생성하여 상기 파리눈 렌즈 인터그레이터에 전달하고, 조명 에너지의 손실을 감소시키기 위한 다수의 복굴절 광학부로 이루어져 있는 복굴절 광학 유니트를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 리소그래피 장비의 변형 조명 장치가 제공된다.
아래에서, 본 발명에 따른 양호한 일 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.
도 1a 및 도 1b는 임의 광선의 편광 방향을 2 개의 편광 성분으로 분해할 수 있음을 보이기 위한 설명도로서, 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1a에 나타낸 바와 같이 통상적인 빛 110은 임의의 방향으로 편광된 빛들이 모여서 이루어진다. 이러한 통상적인 빛 110에 있어서, 임의의 방향으로 편광 된 빛 120은 도 1b와 같이 두 개의 성분 140과 150으로 나눌 수 있다. 이때 하나의 편광 방향을 뒤에서 언급할 복굴절 물질의 결정축에 수직한 편광을 150이라 하고, 다른 한 편광 140은 이에 수직한 편광이라 하자. 통상적인 빛 110은 임의의 방향으로 편광된 빛들이 모여서 된 것이므로, 그 빛 중의 하나인 120을 놓고 따져 보면, 이 빛은 두 편광 성분으로 분해할 수 있다.
도2a 및 도 2b는 2 개의 편광 성분을 가진 빛이 복굴절 광학 부품을 통과한 후, 복굴절 물질의 편광 방향에 따른 굴절률의 변화에 따라 공간적으로 2 개의 광선으로 분해된다는 것을 보이기 위한 설명도로서, 이를 상세히 설명하면 아래와 같다.
통상적인 복굴절 매질에서의 빛의 진행에 대해서 살펴보자. 광학적으로 투명한 물체는 크게 두 가지로 나누어 생각할 수 있다. 즉, 등방성 매질과 비등방성 매질이다. 등방성 매질은 매질이 균일한 것이며 매질을 진행하는 빛의 편광 방향과는 상관없이 굴절률이 동일하나, 비등방성 매질은 매질이 불균일하여 편광 방향에 따라 굴절률이 다르며 이는 빛의 전파 속도가 변화하는 것을 의미한다. 비등방성 매질의 경우 우리는 일반적으로 빛의 전파 속도가 모든 방향에 대해서 같지 않은 복굴절 현상을 볼 수 있다. 또, 복굴절 물질의 결정축에 대해 수직하게 입사하는 광파는 두개의 파로 갈라지게 되고 갈라진 각각의 파는 상호 직각 방향의 편광 상태를 유지한다.
도 2a에 나타낸 바와 같은 복굴절 물질 200에 있어서 A-B 선을 결정의 결정축 201이라고 하면, 결정축 201 방향에 대하여 복굴절 물질 200은 등방성이며, 정상 굴절률(Ordinary Refractive Index) n0은 일정하다. 한편, 다른 방향에서의 굴절률은 결정축 201과 이루는 각도에 의해서 변한다. 축에 대해 90도 방향으로는 굴절률이 최소이다. 이것을 이상 굴절률(Extraordinary Refractive Index) ne라고한다.
만약 비편광된 빛 202가 결정축 201과 임의 각도 θ(203)로 복굴절 물질 200에 입사하면, 그 빛은 두 개의 성분, 즉 정상 광선 204와 이상 광선 205로 분리되며, 각각의 편광 상태 206, 207은 상호 직각 상태를 유지한다. 또한, 만약 복굴절 물질 200을 그림과 같은 방향 208로 회전시키면, 복굴절 물질 200을 통과한 다음의 이상 광선 진행 방향축 210을 중심으로 정상 광선의 광경로 209가 복굴절 물질의 회전방향 208에 따라 211과 같이 회전하는 결과를 가져온다.
도 2b는 수정과 같은 양성 단축 결정의 굴절률 타원체로써, 만약, 복굴절 물질 내부에 점 광원 220이 존재한다고 할 때, 결정축 방향 224와는 다른 임의의 방향 221로 광파가 진행한다면, 진행 방향 221에 대해 각각 정상 광선의 굴절률 n0(222)와 이상 광선의 굴절률 ne(223) 값을 가지며, n0ne의 관계를 가진다는 것을 나타낸다. 이때 정상 광선과 이상 광선은 서로 직각 편광 상태를 유지한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 복굴절 물질로 만들어진 광학 부품을 사용하여 조명 광학계의 사분형 변형 조명을 구성하는 원리를 나타낸 설명도로서, 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 일 실시예에 따른 변형 조명 광학 유니트는 도 3a에서 나타낸 바와 같이 두 개의 육면체형 복굴절 광학 부품 330, 360으로 구성되어진다.
먼저, 임의의 방향으로 편광된 빛 300이 첫번째 육면체형 복굴절 광학 부품330에 입사하면, 복굴절 물질의 굴절률축 310(도 3b에 도시)에 따라 각각 정상 광선 331과 이상 광선 332로 분리되어 진행한다. 복굴절 광학 부품 330의 굴절률축 310(도 3b에 도시)이 도면과 같은 방향이라면, 첫 번째, 복굴절 광학 부품 330을 통과한 후, 정상 광선 331과 이상 광선 332의 편광 방향은 지면과 수직 방향 333, 지면과 평행 방향 334가 된다. 이를 나타낸 것이 380이다.
다음으로 복굴절 물질의 결정축 방향을 그림과 같이 45도 방향으로 회전시킨 두 번째 육면체형 복굴절 물질 360에 각각의 광선이 입사되면, 첫 번째 복굴절 광학 부품 330에 의하여 분리된 각각의 편광 빛 333, 334는 다시 두 번째 복굴절 광학 부품 360의 굴절률축 방향 350에 따라 각각 정상 광선 362, 364와 이상 광선 361, 363으로 분리되어 진행하며, 결국 두 번째 복굴절 광학 부품 360을 통과한 후의 각각의 편광된 빛은 지면에 대해서 각각 45도 방향으로 편광된 4 개의 광파 366, 367, 368 및 369로 분리되어 진행한다.
두 번째 복굴절 광학 부품 360을 통과한 지점에서의 광축 370(도 3b에 도시)에 대해 수직인 스크린 381에 나타나는 빛은 공간적으로 4 개의 분리된 빛 382, 383, 384 및 385로 나타나며, 이는 결국 사분형 변형 조명광을 구성할 수 있게 된다. 본 발명에서 사분형 변형 조명을 구성하는 4 개의 원형 조명광 382, 383, 384 및 385의 상대적 거리 q1(386) 및 q2(387)는 조명광이 복굴절 광학 부품을 지나가는 거리, 즉 d1(315) 및 d2(316)를 적절히 조합하여 조절할 수 있다.한편, 도면 번호 350은 회전된 복굴절 물질의 굴절률축이고, 365는 복굴절 광학 부품을 통과한 빛의 편광 방향이다.
도 4는 종래의 리소그래피 장비에서 조명광의 선택적 투과를 목적으로 하는변형 조명판을 사용하는 변형 조명 형성 방법을 개략적으로 나타내는 도면으로서, 광원(451)에서 마스크(460) 이전까지를 일반적으로 조명 광학계라 하고, 상기 마스크(460)의 미세 패턴을 웨이퍼(462)에 투영하기 위한 광학계를 투영 광학계(461)라 칭한다.
조명 광학계는 광원(451)으로부터 나오는 빛(452)를 일정한 모양으로 정형하기 위한 광속 확대기(453), 파리눈 렌즈 인테그레이터(Fly's Eye Integrator, 455), 상기 광속 확대기(453)로부터 전달되는 광을 효율적으로 상기 파리눈 렌즈 인테그레이터(455)에 전달하기 위한 줌 렌즈(Zoom Lens, 454)로 구성되어지며, 변형 조명을 위한 변형 조명판(456)은 통상적으로 상기 파리눈 렌즈 인테그레이터(455)에 삽입되어 사용되어 진다. 상기 사분형 변형 조명판(456)은 통상적으로 457과 같은 단면을 가진다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복굴절 물질로 만들어진 광학 유니트를 사용한 리소그래피 장비의 변형 조명 장치의 구성도로서, 이를 상세히 설명하면 아래와 같다.
통상의 리소그래피 조명계에 복굴절 물질로 만들어진 광학 유니트(566)를 광속 확대기(565)와 줌 렌즈(567) 사이에 삽입하면, 앞에서 언급한 발명의 원리에 따라 입사광(564)는 4 개의 광(575)로 분리되고, 분리된 4 개의 광(575)는 기존의 파리눈 렌즈 인테그레이터(568)에 위치하는 변형 조명판의 위치에 사분형 변형 조명광(569)를 형성할 수 있게 된다. 또한 조명계에 있어서 복굴절 광학 유니트(566)의 위치는 조명 광원(563) 과 광속 확대기(565) 사이에 위치시켜도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
한편, 상기 사분형 변형 조명광(569)은 기존의 리소그래피 장비에서 반사 거울(570)에 의하여 반사되어 콘덴서 렌즈(571)를 거쳐 반도체 미세 패턴이 담겨져 있는 마스크(572)에 집속되고, 투영 광학계(573)에 의하여 웨이퍼(574)에 전사되어질 수 있다. 이는 도 4에 나타난 통상의 노광 장비에서 사용하는 사분형 변형 조명판(456)과 동일한 조명 효과를 나타내면서도 조명 에너지의 손실을 최소화하는 효과를 가질 수 있다.
앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 리소그래피 장비의 조명계에서 변형조명을 구현하는 방법으로 사용되어지는 기존의 조명광 차단형 개구판 대신에 복굴절 물질의 광축 방향을 고려한 복굴절 광학 부품을 제작하여 조명 광학계를 구성하는 부분품으로서, 노광 장비의 조명계 내에 설치하면, 기존의 변형 조명광 형성 기술에서 큰 약점인 조명 에너지의 손실을 감소시킬 수 있으므로, 리소그래피 작업의 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 일 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은명백한 사실이다.

Claims (7)

  1. 리소그래피 장비의 변형 조명 장치에 있어서,
    광원으로부터 입사되는 빛을 일정한 모양으로 정형하기 위한 광속 확대기;
    파리눈 렌즈 인터그레이터(Fly's Eye Integrator);
    상기 광속 확대기로부터 전달되는 광을 효율적으로 상기 파리눈 렌즈 인터그레이터에 전달하기 위한 줌 렌즈;
    변형 조명(Modified Illumination)을 위하여 상기 파리눈 렌즈 인터그레이터에 삽입되어 있는 변형 조명판; 및
    상기 광속 확대기로부터 입사된 빛을 변형 조명으로 생성하여 상기 파리눈 렌즈 인터그레이터에 전달하고, 조명 에너지의 손실을 감소시키기 위한 다수의 복굴절 광학부로 이루어져 있는 복굴절 광학 유니트를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 리소그래피 장비의 변형 조명 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복굴절 광학 유니트는,
    상기 광원과 광속 확대기 사이에 설치된 것을 특징으로 하는 리소그래피 장비의 변형 조명 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복굴절 광학 유니트는,
    상기 광속 확대기와 줌 렌즈 사이에 설치된 것을 특징으로 하는 리소그래피 장비의 변형 조명 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 복굴절 광학 유니트는,
    2 개의 광속으로 분리하기 위하여 하나의 복굴절 광학부로 이루어진 것을 특징으로 하는 리소그래피 장비의 변형 조명 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 복굴절 광학 유니트는,
    4 개의 광속으로 분리하기 위하여 두 개의 복굴절 광학부로 이루어진 것을 특징으로 하는 리소그래피 장비의 변형 조명 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 복굴절 광학부는 각각의 결정축이 복굴절 물질의 편광 상태를 감안하여 소정의 각도를 유지하도록 설치된 것을 특징으로 하는 리소그래피 장비의 변형 조명 장치.
  7. 삭제
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