2. E95의 정의와 영향

E95란

E95란

그림1: E95란

E95에 관한 자세한 내용을 설명합니다. 그림1에는 전형적인 레이저의 스펙트럼 형상을 표시합니다. 알고 계신 바와 같이 반도체 제조용에 사용되는 레이저는 미세화를 위해 자외선 발광을 합니다. KrF 레이저는 파장이 248nm, ArF 레이저는 193nm입니다. 이 파장은 스펙트럼의 중심값으로 규정되어 있습니다. 따라서 스펙트럼이란 그 중심의 파장에서 확대된 폭을 말합니다.

원래 레이저의 스펙트럼이 CD에 영향을 미친다는 것은 제조장치 제조업체 사이에서는 널리 알려진 사실입니다. 단, 스펙트럼의 어느 부분이 영향을 미치기 쉬운가까지는 충분한 지식이 없었습니다. 따라서 가장 간소한 방법으로 피크 절반의 폭을 스펙트럼 폭으로 정의했습니다. 반값 전폭(FWHM)이라는 정의입니다. 외란 등으로 발생하는 스펙트럼의 변동은 반값 전폭의 변동이 비교적 알맞게 모의되고 있으며, 과거에는 이 폭을 제어하여 CD에 미치는 영향을 억제할 수 있었습니다.

최근 들어 새로운 스펙트럼의 정의가 탄생했습니다. 이것이 E95로 스펙트럼 순도라는 것입니다. 같은 폭의 정의입니다만, 스펙트럼 중 95%의 에너지가 집중되어 있는 폭을 말합니다. 이 정의가 탄생한 이유는 NA의 상승, k1의 저하에 따라 반값 전폭만의 개념으로는 충분히 CD 변화를 모의할 수 없기 때문입니다. 렌즈의 특성을 시뮬레이션하는 툴의 활용을 통해 각종 스펙트럼 형상과 렌즈의 대비(contrast)가 계산되어, 가장 대비에 영향을 미치는 요인으로 E95는 정의되었습니다.

레이저에서 E95는 제어가 어려운 성능 중 하나라고 일컬어지고 있습니다. 그 이유는 제어하기 이전에 계측이 곤란하기 때문입니다. 그림1에 나타낸 레이저의 스펙트럼 형상에서 매우 강도가 작은 저변 부분의 계측이 필요합니다. 따라서 기존에 없던 고정밀 분광기가 필요합니다(E95의 계측에 관한 자세한 내용은 이후의 장에서 다룹니다).

E95의 변동 요인

E95의 변동 요인

그림2: E95의 변동 요인

그림2는 E95의 변동이 일어나기 쉬운 조건을 표시한 것입니다. 가로축에는 레이저의 가동 펄스를, 세로축에는 크고 작은 E95를 나타냅니다.

먼저 첫 번째 변동 요인으로 가스를 들 수 있습니다(그림 속의 요인1). 알고 계신 바와 같이 KrF 레이저에서는 Kr 가스와 Ne 가스 및 F2 가스의 혼합 가스가 이용됩니다. 또한 ArF에서는 Ar 가스와 Ne 가스 및 F2 가스를 이용하고 있습니다. 이 혼합 비율에 따라 레이저의 성능은 크게 좌우됩니다. 따라서 엑시머 레이저에서는 가스의 제어가 중요한 기술 중 하나로 인식되고 있습니다. 일반적인 가스의 제어는 출력 파워를 일정하게 제어하는 것입니다. 레이저의 가스가 봉인된 체임버 속에서는 2개의 전극 간에 1초 동안 수천 번 가까이 강한 펄스 방전이 반복됩니다. 이 방전에 의해 가스는 서서히 성능이 떨어집니다. 특히 F2 가스는 반응성이 높기 때문에 그 농도가 옅어지는 경향이 있어 출력 파워를 떨어뜨립니다. 이것은 노광장치의 처리율을 좌우하기 때문에 중요한 문제입니다.

이 경우, F2 농도의 저하가 원인으로 출력 파워가 떨어지기 때문에, 원래의 출력 파워 이상으로 회복하도록 F2 가스를 주입하는 것이 효율적입니다. 그러나 이 F2 농도가 E95에 영향을 미친다는 것이 최근의 조사로 밝혀졌습니다. 레이저는 출력 파워의 저하를 보충하기 위해 F2를 계속 주입합니다만, 농도가 짙은 F2는 E95를 큰 방향으로 변화시킵니다. 레이저의 가스는 1주일에 1번 정도 교환됩니다. 가스 교환 직후에는 이상적인 가스 혼합 비율이므로 E95도 작고 CD도 설계값과 같습니다. 그러나 출력 파워를 중심으로 한 가스 제어에서는 F2의 농도가 서서히 짙어지므로 E95의 값도 커집니다. 자주 있는 사례로서 가스 교환 직후와 직전에서 CD가 변화하는 것을 들 수 있습니다. 가스 교환 직전에는 F2가 짙기 때문에 E95가 커지고 CD가 플러스 측에 바이어스(bias)를 가지는 것이 원인입니다. 따라서 가스의 성능 저하가 현저한 가스 수명 말기가 E95의 경우 중요한 타이밍이라 할 수 있습니다.

두 번째 변동 요인으로는 장기에 걸친 광학계의 성능 저하를 들 수 있습니다(요인 2). 레이저에서 좁은 E95를 실현하려면 협대역화 모듈(LNM)을 이용합니다. LNM 중에는 프리즘, 회절 격자(diffraction grating) 등 여러 개의 파장 분산용 광학 부품이 배치되어 있으며, 이 모듈을 통해 넓은 E95가 좁아집니다. LNM은 노광장치의 조명계와 마찬가지로 장기간에 걸쳐 강한 자외광에 노출되므로, 변형되거나 투과율의 저하로 서서히 그 성능이 떨어집니다. 이 과정에서 E95는 서서히 확대되는 경향을 보입니다. 장기간에 걸쳐 CD가 변화하는 요인 중 하나가 E95의 변화로, 노광장치 측의 조명 조건을 재검토해야 합니다. 현재 LNM의 수명은 20Bpls가 넘는 정도까지 그 성능이 향상되어 있으므로, 연간 10Bpls를 소모하는 일반적인 사용자는 2년에 걸쳐 그 영향을 받습니다.

세 번째 변동 요인으로는 모듈의 교환 타이밍으로 발생합니다(요인 3). 이 변화는 상기 2가지의 변동 요인처럼 서서히 변화하지 않고 단번에 크게 발생하므로 더욱 심각합니다. 현상으로는 성능이 저하된 모듈에 의한 E95의 확대가, 새로운 모듈로 교환되면 설계값으로 돌아옵니다. 대부분의 사용자는 레이저의 모듈에 의한 CD 변화를 경험하고 있지만, 그 원인을 특정하지 못하고 노광장치 측의 조건 변경을 통해 복구하고 있는 것이 현실입니다. 다른 관점에서 보면 모듈 교환 직전에는 확대된 E95에 맞도록 노광장치가 조정되어 있으므로 해상도 등 중요한 성능이 희생되고 있었던 것입니다.