극자외선 노광공정에서 포토레지스트의 Out-gassing 특성 연구

Abstract

Extreme Ultraviolet Lithography (EUVL)은 가장 주목 받는 차세대 노광기술로 32 nm 이하 기술에 적용될 것으로 생각된다. EUVL은 거의 모든 물질에 흡수되는 13.5 nm 파장의 특성상 고 진공의 환경에서 공정이 이루어지며 이로 인해 resist에서 발생되는 out-gassing은 미러 오염에 따른 반사도 감소를 유발하므로 EUVL의 적용에 있어 선결되어야 하는 중요한 과제이다. 본 연구에서는 포항 가속기 연구소 EUVL test bed에 out-gassing chamber를 설치하여 quadruple mass spectrometer 이용한 resist의 out-gassing에 대한 분석방법을 확립하였다. 이 장치의 목적은 개발된 여러 type의 resist가 EUV에 노출되었을 때 어떠한 종류의 원소들을 방출하는지를 질량분석기를 통하여 분석해 내고 이의 분압수준을 평가하여 EUVL 스테퍼 내의 미러 오염의 영향성을 평가하는 것이며 이를 다시 resist의 합성에 반영하는 반복적인 피드백 작업을 통하여 적정한 수준의 out-gassing 정도를 평가해내는 작업이 필요하다. Out-gassing chamber는 5 x 10-8 torr 이하의 압력을 유지하며 puadruple mass spectrometer 의 scan speed parameter는 out-gassing 분압의 측정 한계와 측정 시간에 의해 결정되었다. EUV 노광에 의한 resist의 out-gassing은 puadruple mass spectrometer에 의해 1 amu ~ 300 amu 까지 2000 msec/amu 으로 측정된다. Resist의 out-gassing을 결정하는 요인으로는 polymer backbone, PAG 의 종류, 잔류 solvent, 노광 면적, 노광 장비의 구조, exposure dose 등이 있다. 본 연구에서는 잔류 solvent 영향을 평가하기 위하여 두 가지 종류의 resist 각각에 대하여 두 가지 온도의 soft-bake 온도를 적용하여 out-gassing을 측정하였으며 잔류 solvent로부터 발생될 것으로 예상되는 mass number 31, 43, 44, 45에 대한 분석을 진행하였다. 이를 통하여 높은 온도의 soft-bake resist에서 낮은 out-gassing을 나타냄을 확인하였다. 일반적으로 노광시 resist에서 발생되는 out-gassing의 주 원인으로는 resist에 첨가되는 photo acid generator(PAG)가 가장 큰 역할을 하는 것으로 알려져 있으며 다른 종류의 양이온과 음이온으로 구성된 PAG를 이용하여 PAG 종류에 따른 out-gassing의 변화를 관찰하였다. Imidate 계열의 PAG 사용시 분자구조의 특성상 out-gassing이 동일한 양이온 구조의 PAG에 비하여 증가하였고 sulfonium 계열 PAG의 경우 동일한 음이온으로 구성된 iodonium 계열의 PAG보다 낮은 out-gassing 특성을 보였다. 실험 결과 tri(4-tert-butyl)phenylsulfonium 양이온으로 구성된 PAG 사용이 가장 낮은 out-gassing을 나타내었으며, 본 실험의 결과를 바탕으로 out-gassing 감소를 위한 resist의 설계에 있어 PAG의 구조에 대한 기초를 확립하였다.; Extreme ultraviolet lithography (EUVL) is the most promising nextgeneration lithography (NGL) technology, and is expected to support multiple technology generations from 32 nm and below. However, the EUV light (wavelength ~ 13.5 nm) is absorbed by almost every material including air, and thus the exposure system should adopt high vacuum environment as well as reflective optics. Out-gassing from the resist during photo-chemical reaction is an important issue due to the possibility of the optics contamination, which can degrade the reflective of the imaging optics. The photo-assisted out-gassing species were analyzed by the quadruple mass spectrometer which is attached to the vacuum chamber with EUV exposure system at Pohang Accelerator Laboratory (PAL). Utilizing this EUVL out-gassing system, a basic method for out-gassing measurement and analysis was established. The atmospheric pressure in the resist test chamber is maintained lower than 5 x 10-8 torr. The scan speed parameter of the quadruple mass spectrometer was chosen keeping in mind the compromise between detection limit and acquisition speed. Out-gassing species were measured for each mass number from 1 amu to 300 amu with the lowest scan rate (2000 msec/amu). There are many factors affecting the amount of outgassed material. These include the polymer backbone, types and quantity of PAG and base, residual solvent, area of exposure, exposure tool design, and exposure dose. To understand the effect of residual solvent, two resists were tested at different soft-bake temperatures. Resists soft-baked at higher temperature showed lower out-gassing level for the main out-gassing species of mass numbers of 31, 43, 44 and 45, which were expected as the photodecomposition species from residual solvent. It is generally believed that out-gassing species from the resist are mainly caused by PAG decomposition. Different types of PAG, which were synthesized by modifying the cation group and the anion group was used for out-gassing test. PAG anion of imidate derivatives which experiences photodecomposition reaction under EUV exposure, is expected to generate many acidic species. Outgassing from sulfonium salt shows lower out-gassing levels than Iodonium salt. Tri(4-tert-butyl)phenylsulfonium cation of PAG seems to be effective to reduce out-gassing. These results provide insight into how resist design can help to decrease EUV out-gassing.