리소그래피용 결상광학계 설계 Pan Opto Mecha Tronix

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1 리소그래피용 결상광학계 설계 Pan Opto Mecha Tronix 2001. 12. 20.
POMT Pan Opto Mecha Tronix 리소그래피용 결상광학계 설계 범광기전주식회사 (汎光機電株式會社) Pan Opto Mecha Tronix

2 목 차 POMT 1. 서론 2. Small Field Optics for ArF Excimer Laser Lithography
Pan Opto Mecha Tronix 목 차 1. 서론 2. Small Field Optics for ArF Excimer Laser Lithography 3. Full Field Optics for ArF, KrF Excimer Laser Lithography 4. PDP용 Aligner 광학계 & Optics for BGA 5. 엑시머 레이저 결정화 장비용 결상광학계 6. 결론

3 서 론 POMT 1. 리소그래피용 결상광학계의 해상력과 초점심도 관계 2. 사용 파장에 따른 광학재료 3. 노광장비의 분류
Pan Opto Mecha Tronix 서 론 1. 리소그래피용 결상광학계의 해상력과 초점심도 관계 2. 사용 파장에 따른 광학재료 3. 노광장비의 분류 4. 설계상 주의점 5. 기타

4 POMT 리소그래피용 결상광학계 해상력 & 초점심도 l R= k NA l DoF= k (NA) Resolution
Pan Opto Mecha Tronix 리소그래피용 결상광학계 해상력 & 초점심도 결상광학계 마스크(물체) 초점심도 (DoF) 기하광학적 초점 (상점) l Resolution R= k 1 NA l Depth of Focus DoF= k 2 (NA) 2 - 해상력을 좋게 하기 위해서는 대구경(고NA), 사용 광원의 단파장화 - 초점심도를 깊게 하기 위해서는 소구경화(저NA), 사용 광원의 장파장화

5 리소그래피용 결상광학계 해상력 기준 POMT I max I min L>4.2l/NA Ideal I max
Pan Opto Mecha Tronix 리소그래피용 결상광학계 해상력 기준 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 M O D U L A T I N SPATIAL FREQUENCY (CYCLES/MM) DIFFRACTION MTF ORA DIFFRACTION LIMIT AXIS R FIELD WAVELENGTH WEIGHT 656.3 NM 546.1 NM 486.1 NM DEFOCUSING 0.3l/NA 4.2l/NA 1.0l/NA 0.8l/NA 0.49l/NA 0.38l/NA FEATURE SIZE (l, NA) IN mm I max I min L>4.2l/NA Ideal I max Excellent L=1.0l/NA I min Production level L=0.8l/NA Laboratory level L=0.5l/NA No useable data L=0.38l/NA L=0.30l/NA

6 리소그래피용 결상광학계와 Telecentric
POMT Pan Opto Mecha Tronix 리소그래피용 결상광학계와 Telecentric 물체면(레티클) 스톱 스톱 광학계 상면(웨이퍼) (a) Non telecentric system (b) Telecentric system Telecentric system에서는 DoF 범위내에서 상의 배율의 변화가 거의 없음(상 크기가 일정).

7 Optical Material for Lithography Optics
POMT Pan Opto Mecha Tronix Optical Material for Lithography Optics 1. Transmittance : > 99.0%/10mm 2. Refractive index : x10-6 3. Homogeneity : Grade AA( 0.5ppm/0.8") 4. Striae : Dn should be less than 1ppm 5. Birefringence : 1nm/cm 6. Bubble ( total inclusion cross section) : 0.00~0.03mm2/cm3 Fused Silica : Fused silica is a practical material (enviornmentally stable & good surface quality) Several Crystalline Fluorides - MgF2 : birefringent - LiF : large thermal expansion coeff. and deliguescent - LaF, BaF2 : deliguescent - CaF2 : large size is rare and hard to handle

8 리소그래피용 결상광학계의 노광 방식에 따른 분류
POMT Pan Opto Mecha Tronix 리소그래피용 결상광학계의 노광 방식에 따른 분류 CONTACT PROXIMITY PROJECTION Light source Illuminator Mask Gap Wafer Projection optics

9 Micralign(Offner type)
POMT Pan Opto Mecha Tronix 리소그래피용 결상광학계 형태에 따른 분류 종류 굴절광학계 (Dioptric) 광학부품 렌즈(Lenses) 반사경(Mirror) 비 고 - g, i, KrF 스텝퍼로 계속적인 연계성 - 짧은 파장 광원에 사용 가능 광학재료 문제 반사광학계 (Catoptric) 반사굴절광학계 (Catadioptric) 렌즈 + 반사경 stepping step-and-repeat scan step-and-scan 광원 협대역 광대역 제작사(제품명) Nikon, Canon, GCA,.. Micralign(Offner type) - annular field - 배율 1 : 1 - 해상력 중점 - 광학계 복잡 - Obscuration 해결 - scan 시스템 문제 SVGL(Micrascan)

10 리소그래피용 결상광학계의 파장에 따른 분류 POMT 광 원 (파 장) g-line (436nm) i-line (365nm)
Pan Opto Mecha Tronix 리소그래피용 결상광학계의 파장에 따른 분류 광 원 (파 장) g-line (436nm) i-line (365nm) KrF (248nm) ArF (193nm) F2 (157nm) 광학재료 일반 광학유리 용융석영 고순도 수은등 협대역 레이저 광대역 비 고 반사광학계 개발 불투명 개발 중 고 NA화

11 리소그래피용 결상광학계 이송 방식에 따른 분류
POMT Pan Opto Mecha Tronix 리소그래피용 결상광학계 이송 방식에 따른 분류 a) Perkin Elmer Micralign ( 1:1 wafer-scan) b) Bell Labs printer (1:1 raster-scan) c) Reduction step-and-repeat ( M:1 step-and-repeat) -MV d) 1X step-and-repeat (Ultratech) e) 1X stripe scan f) Reduction step-scan ( M:1 step-scan)

12 h-line, g-line, i-line, KrF, ArF, ....
POMT Pan Opto Mecha Tronix 리소그래피용 결상광학계 분류 method Contact Proximity Scan Step & Repeat parameter gap between mask and wafer 20~50 mm large reduction ratio 1:1 n:1 stationary scan step wafer exposure field exposure optics catoptric dioptric catadioptric remarks economical system defects on mask high throughput good resolution good throughput high resolution light source h-line, g-line, i-line, KrF, ArF, ....

13 Small Field Optics for ArF Excimer Laser Lithography
POMT Pan Opto Mecha Tronix Small Field Optics for ArF Excimer Laser Lithography 26.9 MM ArF laser lithography tool SCALE 0.930 Item Spec. Principal wavelength Reduction ratio N.A. Resolution Field curvature Field size Transmittance Working distance 193 nm 1:5 0.5 0.25 m <0.2 m Dia. 3 mm >60 % 12 mm

14 Small Field Optics for ArF Excimer Laser Lithography
POMT Pan Opto Mecha Tronix Small Field Optics for ArF Excimer Laser Lithography

15 Small Field Optics for ArF Excimer Laser Lithography
POMT Pan Opto Mecha Tronix Small Field Optics for ArF Excimer Laser Lithography

16 Small Field ArF Exposure System
POMT Pan Opto Mecha Tronix Small Field ArF Exposure System Environmental chamber Condenser lens ArF excimer laser AF system X,Y, Z stage Beam expander Mirror Mask Main lens Integrator

17 Small Field ArF Optics and Exposure System
POMT Pan Opto Mecha Tronix Small Field ArF Optics and Exposure System Small Field ArF Optics 사진 Small Field ArF Exposure System 사진

18 Preliminary Exposure with PMMA
POMT Pan Opto Mecha Tronix Preliminary Exposure with PMMA ( PMMA, 0.2 mm thickness ) (mm) 1.0 0.9 0.8 0.6 0.5 0.3 0.4 0.7

19 Patterning Result with TER-1 Resist
POMT Pan Opto Mecha Tronix Patterning Result with TER-1 Resist Line : 0.15 /0.18 /0.2 /0.25 / 0.3 mm (Pitch: 0.6 mm) Line : 0.2 mm (Pitch: 0.6 mm)

20 Full Field Optics for KrF Excimer Laser Lithography
POMT Pan Opto Mecha Tronix Full Field Optics for KrF Excimer Laser Lithography Period of Development : Mar Feb (4 years) - = 248nm - N.A. = 0.42 -  = 0.6 ETRI KrF Stepper Patterning with Enhancement Focus (m) 0.6 0.3 0.0 - 0.3 0.2 0.22 0.24 L/S Features (m)

21 Fulll Field Optics for ArF Excimer Laser Lithography
POMT Pan Opto Mecha Tronix Fulll Field Optics for ArF Excimer Laser Lithography Item Spec. Mechanism 배율 조명광원 Lens N.A. Resolution 노광면적 Step-and-scan system 4 : 1 ArF excimer laser (l=193nm) 0.5 0.18 mm (보통 mask) 0.13 mm (with enhancement) 22 X 35 mm (22 X 5 mm slit field)

22 ArF Excimer Laser Optics & Structure of Catadioptric System
POMT Pan Opto Mecha Tronix ArF Excimer Laser Optics & Structure of Catadioptric System Item Remarks Band width of illuminating laser Chromatic aberration Almost of refracting power is attained from the mirror and mirror is free of chromatic aberration Catadioptric system ~ 100 pm Fused silica/CaF2 achromatized system Fused silica lens system 1 ~ 5 pm < 0.5 pm Chromatic aberration is corrected by combination of fused silica and CaF2 is restricted within allowable range Practically available CaF2 element is very hard to fabricate Practical light source is not available Almost of refractive power is attained from a mirror Polarizing beam splitter and quarter wave plate is introduced to eliminate the center obscuration There are two types of polarizing beam splitter: plate type and cube type

23 Separation of Forward and Backward Light
POMT Pan Opto Mecha Tronix Separation of Forward and Backward Light PBS QWP Mirror P-polarized light Circularity polarized light light in forward direction light in backward direction S-polarized light

24 Optical Path Drawing of ArF Full Field Optics with Cube Beam Splitter
POMT Pan Opto Mecha Tronix Optical Path Drawing of ArF Full Field Optics with Cube Beam Splitter

25 Diffraction MTF of ArF Full Field Optics with Cube Beam Splitter
POMT Pan Opto Mecha Tronix Diffraction MTF of ArF Full Field Optics with Cube Beam Splitter 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 M O D U L A T I N 500 1000 1500 2000 2500 3000 SPATIAL FREQUENCY (CYCLES/MM) R ArF Lithography Full Field Optics DIFFRACTION MTF ORA DIFFRACTION LIMIT 0.0 FIELD ( ) 0.00 0.47 0.75 0.85 0.95 WAVELENGTH WEIGHT 193.0 NM DEFOCUSING 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 M O D U L A T I N DEFOCUSING POSITION ( ) MM R ArF Lithography Full Field Optics DIFFRACTION MTF ORA DIFFRACTION LIMIT 0.0 FIELD ( ) 0.00 0.47 0.75 0.85 0.95 WAVELENGTH WEIGHT 193.0 NM FREQUENCY 2000 C/MM

26 Distortion of ArF Full Field Optics with Cube Beam Splitter
POMT Pan Opto Mecha Tronix Distortion of ArF Full Field Optics with Cube Beam Splitter

27 Schematics of the ArF Full Field Exposure Apparatus
POMT Pan Opto Mecha Tronix Schematics of the ArF Full Field Exposure Apparatus Mirror Integrator ArF excimer laser output Zoom lens Condenser lens Reticle 3-axis stage (X, Y,  Beam expander Light tunnel Diffuser Wafer 6-axis stage (X, Y, Z, a, b)

28 Environmental Sensitivity
POMT Pan Opto Mecha Tronix Environmental Sensitivity 1. Ambient Pressure - changes with weather or altitude ( < 2000m) air refractive index of at 20oC and 760mmHg 2. Ambient Temperature ( ±0.1oC) The changes are rather more complex then pressure - refractive indices of glass and air and change of radii of curvature - change of element thickness and spacings between elements 3. Ambient Humidity (35~40%) Wafer fabs. - good control of humidity and pressure The optical system is filled with lower molecular weight than air 4. Absorption - induced heating

29 PDP용 Aligner 광학계 POMT 항목 사양 - PDP 방전관의 격벽, 또는 전극을 형성하기 위하여 광학적인 방법으로
Pan Opto Mecha Tronix PDP용 Aligner 광학계 - PDP 방전관의 격벽, 또는 전극을 형성하기 위하여 광학적인 방법으로 격벽 또는 전극의 패턴을 감광성 필름 위에 형성시켜 주는 장비 PDP Panel Off-axis parabolic mirror Elliptical mirror Mask(x,y,q stage) Fly’s eye lens integrator Heat absorption filter Hg lamp Base frame Folding mirror Dichroic mirror Gap sensor Alignment unit Cold mirror coating 항목 사양 분해능 노광면적 층간정밀도 노광파장 Collimating Angle Decline Angle 조명균일도 70 ㎛ 대각선 80인치 ± 7 ㎛ i, g, h 선 1.5도 이내 1도 이내 ± 10%

30 BGA용 광학계 POMT Mercury Arc Lamp Second Plane Mirror
Pan Opto Mecha Tronix BGA용 광학계 Mercury Arc Lamp Elliptical Reflector Mask Work Surface (Exposure surface) First Plane Mirror Second Plane Mirror Projection Lens Condenser Lens Integrator Shutter Filter

31 BGA용 광학계 POMT Mask Projection Lens Item Spec. Resolution Distortion
Pan Opto Mecha Tronix BGA용 광학계 Item Spec. Mask Resolution Distortion Field Size Magnification Illumination Uniformity 10 mm L/S  ± 3 mm 92  114 mm2 1 : 1 ± 0.05 %  ± 5 % Projection Lens

32 엑시머 레이저 결정화 장비용 광학계 개략도 POMT 결상광학계 : 2 ㎛ 선폭의 미세 패턴을 노광하는 기능 조명광학계 :
Pan Opto Mecha Tronix 엑시머 레이저 결정화 장비용 광학계 개략도 결상광학계 : 2 ㎛ 선폭의 미세 패턴을 노광하는 기능 조명광학계 : 전체 면적을 균일한 에너지 밀도로 조명하는 기능 . 광속 확대기 : 빔 정형 . Fly’s Eye lens : 광속 균일도 향상 . 콘덴서 렌즈 : 광 집속 . 반사경 : 빔 경로 변경 . 감쇄기 : 광량 조절 마스크 Fly’s eye lens 결상광학계 콘덴서 렌즈 광속확대기 광감쇄기

33 엑시머 레이저 결정화 장비용 결상광학계 POMT Item Spec. NA Resolution Magnification 파장
Pan Opto Mecha Tronix 엑시머 레이저 결정화 장비용 결상광학계 Item Spec. NA Resolution Magnification 파장 노광면적 0.15 2.0 ㎛ 4 X 308nm 20 X 20 mm -13 -

34 엑시머 레이저 결정화 장비용 결상광학계 MTF 곡선과 Test 결과
POMT Pan Opto Mecha Tronix 엑시머 레이저 결정화 장비용 결상광학계 MTF 곡선과 Test 결과

35 결 론 POMT 다양한 종류의 리소그래피용 (노광장비용) 광학계를 설계하기 하여 먼저,
Pan Opto Mecha Tronix 결 론 다양한 종류의 리소그래피용 (노광장비용) 광학계를 설계하기 하여 먼저, 용도와 사양을 철저하고 명확히 조사, 정리하고 이를 바탕으로 광학계 기본 형태, 구조, 외형을 결정하고, 기본 광학 수치를 구한 다음, CODE V를 이용하여 상세 설계