KR0174868B1 - 제만 레이저를 이용한 스테퍼 웨이퍼의 정렬장치 - Google Patents

Abstract

반도체 노광장비인 웨이퍼 스테퍼의 웨이퍼 정렬방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 레이저 광원으로는 He-Ne 레이저 대신에 자기장에 의한 에너지 띄의 미세분리 효과를 이용한 제만(Zeeman) 레이저로서 두 광파가 수 MHz의 상이한 주파수 차를 가지며 두 광파의 편광이 항상 수직을 유지하는 제만 주파수 안정화 레이저를 사용하여 정렬광의 위상과 레이저 기준신호의 위상을 비교함으로써 수십 KHz의 상이한 주파수 차를 가지는 두 광파로 분리하기 위해서 광-음향 변조기(acousto-optic modulator)를 사용해야 하는 종래의 He-Ne 레이저에 비해 비교적 간단한 광학계로 빠른 정렬과 높은 정렬 정밀도를 달성할 수 있다.

Description

제만 레이저를 이용한 스테퍼 웨이퍼의 정렬장치

제1도는 광-헤테로다인 방법에 의한 웨이퍼 정렬마크의 위치검출 원리를 나타내는 도면.

제2도는 광-헤테로다인 방법을 사용한 정렬장치를 통해서 추출한 정렬신호와 기준신호사이의 위상변화 △φ를 예시한 도면.

제3도는 정렬마크의 위치변화에 따른 위상변화 △φ를 위상비교 회로를 사용해서 최종적인 전기적 신호의 출력으로 나타낸 도면.

제4도는 기존의 스테퍼에서 적용하고 있는 광-헤테로다인 웨이퍼 정렬방법의 전형적인 사용예를 나타내는 도면.

제5도는 본 발명에서 제시하고자 하는 제만 레이저를 사용한 새로운 광-헤테로다인 웨이퍼 정렬방법의 실시예를 나타내는 도면.

제6도는 제만 레이저를 이용한 새로운 광-헤테로다인 웨이퍼 정렬방법에서 회절된 정렬신호광의 편광을 처리하는 부분에 대한 상세도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : He-Ne 레이저 101 : 제만 레이저

3,4 : 광-음향 변조기 108 : 공간 필터

7,103 : 축소 투영렌즈 112a,b : 편광 프리즘

8,104 : 정렬마크 114 : 렌즈

9,120 : 프로센서 116 : 선편광자

10,130 : 위상 비교기 118 : 슬릿면

P : 정렬마크의 피치 21 : 회절 신호광

22 : 기준광파 23 : 위상변화

32 : 정렬신호 36 : 유효 감지영역

[기술분야]

본 발명은 반도체 제조장비에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 반도체 노광장치 스테퍼에서 정렬용 광원으로 제만(Zeeman 이하 제만이라 함) 주파수 안정화 레이저를 이용하여 웨이퍼 정렬신호의 위상과 제만 레이저 자체의 기준신호의 위상을 상호 비교함으로써 정렬신호를 추출하는 웨이퍼 정렬장치에 관한 것이다.

[발명의 배경]

반도체 기억소자의 급격한 발전추세에 대응하기 위해서는 가장 핵심적인 공정인 미세패턴 형성에 대한 기술발전이 이루어져야 한다. 반도체 공정에서 이러한 미세페턴 형성을 담당하는 반도체 노광장비의 주류는 스테퍼이며, 이 장비의 주요성능에는 해상도, 노광영역 및 정렬 정밀도 등이 있다.

여러번의 패턴형성 과정이 필요한 반도체 공정에 있어서는 앞 공정에서 만들어진 층과 이에 연속되어 만들어진 층에 형성되어 있는 해당 반도체 회로 패턴이 정확하게 중첩되어 형성되는 것이 매우 중요하다.

이와 관련된 스테퍼의 성능이 중첩 정밀도(overlay accuracy)이며, 일반적으로 스테퍼에서는 최소 패턴의 1/4 이하의 중첩 정밀도가 요구되어진다.

따라서 0.35μm의 설계규칙(design rule)이 적용되는 64M DRAM에서는 0.08μm(30)의 중첩 정밀도, 0.25μm의 설계규칙이 적용되는 256M DRAM에서는 0.06μm(30)의 중첩 정밀도가 요구되어진다.

한편 스테퍼 자체에 성능으로서 웨이퍼 정렬계의 정렬 정밀도(alignment accuracy)는 반도체 소자 제작에 있어서 최종적이 중첩 정밀도를 달성하기 위해서 정렬 시스템이 가져야 할 정밀도로서 중첩 정밀도보다 더욱 작은 분해능을 가져야 하며 최소한 0.01μm 이하이어야 한다.

이러한 중첩 정밀도를 달성하기 위해서 기존의 스테퍼에서 사용하고 있는 정렬방법으로는 웨이퍼 상의 정렬마크를 현미경 대물렌즈를 사용해서 확대하고 이를 모니터를 통해서 수동적으로 정렬을 수행하거나, 혹은 영상처리 시스템(image processing system)을 통해서 정렬을 수행하는 방법이 있다.

이러한 방법들에서는 중첩 정밀도가 근본적으로 정렬마크의 디자인 기술이나 정렬신호의 신호 대 잡음비(S/N비)에 따라 제한을 받게 되며, 0.2μm(30) 정도의 중첩 정밀도가 그 한계이다.

다른 광학적 정렬방법으로는 웨이퍼 상에 형성된 회절격자 형태의 정렬마크에 의해서 정렬광의 간섭 혹은 회절효과를 이용하여 회절광의 강도(intensity)를 정렬신호로 사용하는 방법을 들 수 있다.

따라서 이러한 회절광을 정렬신호로 사용하는 방법에서는 정렬용 레이저 광원의 강도 변화에 따라서 회절-정렬신호의 강도가 변화하게 되며, 또한 여러번의 공정을 거치면서 형상이 왜곡(distortion)된 정렬마크의 모양에 의해 정렬신호의 변화가 심하며, 공정층(layer)에 따라서 정렬신호 효율의 변화가 매우 심하다.

이러한 회절광을 이용한 정렬방법에서는 0.1μm(30) 정도의 중첩 정밀도가 한계이다.

또 다른 정렬방법으로는 광-헤테로다인 간섭법(optical heterodyne interferometry)에 의한 정렬방법이 있다.

광-헤테로다인 정렬방법은 상이한 주파수를 가진 두 광파를 웨이퍼 정렬마크에 입사시키고 회절된 정렬광 신호와 레이저 기준 광신호의 AC 위상을 서로 비교함으로써 높은 분해능을 가지는 정렬신호를 추출하는 정렬방법이다.

이는 정렬광의 강도를 감지하는 것이 아니라 위상변화를 감지함으로써 정렬 광원 자체의 강도변화, 혹은 정렬마크의 형상과 공정층에 따른 정렬신호의 영향을 거의 받지 않는다는 장점을 가진다.

또한 광 감도 검출방법에서처럼 웨이퍼 스테이지나 광원 자체를 주사(scan)할 필요가 없기 때문에 오프셋 오차(offset srror)를 제거할 수 있다는 장점도 있다.

이러한 광-헤테로다인 정렬방법을 사용함으로써 1mm(0.001μm)의 정렬신호 분해능과 0.01μm(30) 중첩 정밀도를 달성할 수 있다.

그러나 기존의 광-헤테로다인 정렬방법에서는 정렬광의 광원으로 일반적인 He-Ne 레이저를 사용하며, -10KHz의 상이한 주파수 차를 가지는 두 광파로 분리하기 위해서 광-음향 변조기(acousto-optic modulator)를 사용하기 때문에 정렬 광학계가 매우 복잡하며 실제 스테퍼 시스템에서 광학소자의 정렬에 있어서도 여러가지 문제점들을 가진다.

[발명의 요약]

따라서, 본 발명의 목적은 이러한 광-헤테로다인 정렬장치에 있어서 정렬용 광원으로 일반 He-Ne 레이저 대신에 두 광파가 상이한 주파수차(-MHz)를 가지며 두 광파의 편광이 항상 수직을 유지하는 제만 주파수 안정화 레이저를 사용하여 정렬광 신호의 위상과 레이저 기준신호의 위상을 상호 비교함으로써 웨이퍼 위치에 관한 정렬신호를 추출하는 새로운 웨이퍼 정렬장치에 관한 내용을 제시하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 소정의 정렬용 마크를 가진 웨이퍼를 정렬하는 장치로서,

-상이한 주파수를 가지는 두 광파를 발생하는 레이저 광원,

-상기 레이저 광원에서 나온 레이저 광을 상기 소정의 마크에 입사시키는 축소 투영렌즈를 포함하는 제1렌즈수단,

-상기 소정의 마크에서 반사된 회절광 중에서 소정 차수의 회절광만을 통과시키는 필터 수단과, 이 필터 수단을 통과한 레이저 광을 소정의 편광 성분을 가진 광파로 분리하는 편광 프리즘 수단과, 상기 편광 프리즘수단에 의해 분리된 상기 광파를 동일한 편광각도를 가지는 광으로 바꾸기 위해 편광축에 대해 일정한 각도를 가지는 선평광자 수단을 포함하여 상기 소정의 마크에서 반사된 회절광을 그 편광방향에 따라 처리하는 회절광 처리수단,

-상기 처리수단에서 출력되는 광 신호를 전기신호로 변환하는 변환수단,

-상기 레이저 광원에서 나온 레이저 광신호와 상기 변환수단의 출력신호의 위상을 비교하는 수단,

-상기 비교수단의 출력에 응답하여 상기 웨이퍼의 위치를 조절하는 신호를 발생하는 제어수단을 구비하고,

상기 레이저 광원은 제만(Zeeman) 주파수 안정화 레이저인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 정렬장치로 구성된다.

[실시예]

제1도는 광-헤테로다인 간섭방법을 이용한 웨이퍼 정렬의 원리를 나타내는 도면이다.

제1도에서 살펴보면 상이한 두 주파수 f1, f2를 가지는 각각의 레이저 광 A(f₁)과 B(f₂)가 웨이퍼 정렬마크에 입사하면 회절이 일어난다.

여기서, A의 +1차 회절광 A₊₁과 B의 -1차 회절광 B_-1만을 정렬신호로 사용할 때 두 회절광 A₊₁, B_-1은 각각 △φ₊₁, △φ_-1의 위상변화를 가지며, 주파수 │f1-f2│=△f의 비트(beat) 신호를 발생하게 된다.

한편 웨이퍼 정렬마크의 위치변화를 △x, 웨이퍼 정렬마크(8)의 피치를 P라고 할 때 회절광의 위상변화는 다음의 식으로 주어진다.

여기서 n은 정수로서 회절차수를 나타낸다.

따라서 A +1차 회절광 A₊₁의 위상변화 △φ₊₁와 -1차 회절광 B_-1의 위상변화 △φ_-1는 각각 다음의 식으로 주어진다.

따라서 ±1차 회절광 비트(beat) 신호의 전체 위상변화는 다음과 같이 표현할 수 있다.

제2도에는 이러한 회절 신호광과 레이저 기준신호를 전기적인 신호로 변환하였을 때의 시간에 따른 전압변화를 각각 나타내었다.

따라서 제2도에 나타낸 것처럼 정렬마크의 위치변화에 따른 회절 신호광(21)의 원래 기준광파(22)에 대한 상대적 위상변화 △φ(23)는 부가된 위상 비교회로와 컴퓨터를 통해서 웨이퍼의 위상변화로 변환되어 전체적인 웨이퍼 정렬을 수행한다.

또한 앞의 식에서 알 수 있듯이 정렬마크의 위치변화에 따른 정렬신호의 기준광에 대한 위상변화는 ±π 범위임을 알 수 있으며, 웨이퍼의 위치변화를 정렬마크의 피치로 나타내면 제3도와 같은 최종적인 정렬신호를 얻을 수 있다.

제3도는 x축을 웨이퍼의 위치변화로 하고, y축을 위상 및 이에 대응하는 전압출력으로 하였을 때의 최종적인 정렬신호를 나타내는 도면이다.

제3도에서처럼 웨이퍼 위치변화에 따른 정렬신호(32)의 위상변화와 이에 대응하는 전기적 신호에서, 예를 들어 정렬마크의 피치 P가 8μm이며 웨이퍼가 0.01μm 이동하였을 때, 위상변화는 0.1°이며 일반적으로 사용되는 위상 비교회로를 통한 정렬신호는 풀-스케일(full scale)을 ±15V라고 할 때 약 8mV의 변화를 가지게 되므로 웨이퍼 정렬계로서 충분한 분해능을 가질 수 있다.

그러나, 제3도에서 나타낸 것처럼 이러한 광 헤테로다인 정렬계에서는 정렬신호가 정렬마크 피치에 대해서 P/2 주기를 가지므로 정렬계의 유효 감지영역(36)이 P/2이며 따라서 웨이퍼 전 정렬(prealignment)이 최소한 P/2이내로 선행되어야만 한다.

제4도는 종래의 스테퍼에서 적용하고 있는 광-헤테로다인 웨이퍼 정렬방법의 전형적인 예로서 광원으로는 일반적으로 사용되는 He-Ne 레이저(1)를 사용하며, 광-음향 변조기(3), (4)로 레이저 광을 변조로 한다.

이 때, 각각의 광경로에 위치하는 두개의 광-음향변조기 사이의 주파수 차이는 수십 KHz이며 바로 이것이 비트(beat) 주파수가 된다.

광-음향 변조기를 통과한 레이저 광은 경로가 분리되어 한쪽의 광경로(5)를 통해서는 위상 비교기의 기준신호로 사용되며 다른쪽 광경로(6)의 레이저 광은 축소투영 렌즈(7)를 통하여 웨이퍼 상의 정렬마크(8)에 입사하게 된다.

정렬마크에 의해서 회절된 정렬광은 다시 광경로를 되돌아와서 포토센서(9)를 통하여 위상 비교기(10)에 입력된다.

위상 비교기(10)에서는 기준 신호와 위상을 비교하며 전압신호로 변환된 정렬신호는 주 연산기(11)에서 처리되어 웨이퍼 스테이지(12)를 구동하게 된다.

이러한 He-Ne 레이저를 광원으로 사용한 광-헤테로다인 웨이퍼 정렬방법에서는 수 KHz의 주파수 차를 가지는 두개의 광파로 분리하기 위한 광-음향 변조기를 사용하기 때문에, 제4도에서 볼 수 있는 바와 같이 광학-정렬계가 매우 복잡하게 된다.

제5도는 본 발명에서 제시하는 기존의 광-헤테로다인 정렬법과는 다른 제만 레이저를 사용한 광-헤테로다인 정렬법을 예시하는 도면이다.

그림에서처럼 광원으로는 두개의 상이한 주파수 차이(1.8MHz)를 가지며 상호 수직 선편광된 제만 레이저(101)를 사용한다.

제만 레이저는 자기장(magnetic field)에 의한 에너지 띠의 미세분리 효과(Zeeman effect)를 이용한 레이저로서 사용화 제품이 시판되고 있다.

제5도에서 제만 레이저 광원은 빔 스플리터 BS1(102)에 의해서 축소 투영렌즈(103)를 통과하여 웨이퍼 상의 정렬마크(104)에 입사한다.

마찬가지로 회절된 레이저 광(105)은 다시 광경로를 되돌아와서 BS2(106)를 통해서 렌즈 L1(107)으로 입사한다.

여기에서 ±1차 회절광(110)은 1.8MHz의 주파수 차이와 편광차이를 아직까지 가지고 있으며, 두개의 편광 프리즘(112)에 의해서 회절 신호광의 편광방향에 따라 선별된 레이저 광은 렌즈(114)와 선편광자(116)를 통과한다.

선편광자(116)를 통과한 레이저 광 신호는 포토센서(120)에 의해 전기신호로 변환된다.

1.8MHz의 비트(beat) 주파수를 가지는 변환된 정렬신호는 앞에서 설명한 것처럼 위상 비교기(130)에서 제만 레이저에서 나오는 1.8MHz의 기준신호와 위상을 비교하고 주 연산기(140)에서 처리한다.

제6도는 제5도에서 나타낸 것처럼 회절된 정렬 신호광의 편광을 처리하는 부분에 대한 상세 도면이다.

여기에서 제5도와 동일한 부분에 대해서는 동일한 도면부호를 사용한다.

그럼에서 좀 더 상세하게 살펴보면, 웨이퍼 정렬마크에 의해 회절된 신호광(100)이 광경로를 되돌아오면 먼저 렌즈(107)에 의해서 모아진다.

다음으로 렌즈를 통과한 회절 신호광은 공간필터(108)에 의해서 0차 회절광(109)은 걸러지고 ±차 회절광(110)만 공간 필터를 통과하도록 한다.

공간필터를 통과한 ±1차 회절광은 각각 두개의 편광방향(111)을 가지며, 1.8MHz의 주파수 차를 가진 광파로 구성되어 있으며, 이를 두개의 편광 프리즘(112a), (112b)으로 분리한다.

편광 프리즘은 편광 방향에 따라서 광파를 투과, 혹은 반사하는 소자이므로 편광 프리즘의 방향을 그림과 같이 배치하여 하나의 편광성분만을 가진 광파로 분리한다.

여기서 하나의 P-편광성분을 가진 광파는 S-편광을 가진 다른 광파와 여전히 1.8MHz의 주파수 차리를 가진다.

편광 프리즘을 통과한 두 광은 렌즈(114)에 의해 모아지면서 다시 편광축에 대해서 45°각도(115)를 가지는 선편광자(116)를 통과하여 동일한 편광각도를 가지는 광으로 바뀌어(117) 슬릿면(118)에 간섭무늬를 만들게 되고 슬릿을 통해서 공간잡음(spatial noise)이 제거된 신호광은 포토센서(120)에 의해서 최종적으로 전기신호로 변환된다.

이상과 같이, 본 발명에 따른 웨이퍼 정렬방법은, 특히 도면 제5도와 제6도를 참조로 설명한 부분에서 알 수 있는 바와 같이 정렬용 광원으로 일반 He-Ne 레이저 대신에 제만 주파수 안정화 레이저를 사용한다.

따라서, 비교적 간단한 광학계로 정렬 광 신호의 위상과 레이저 기준신호의 우상을 비교하는 광-헤테로다인 정렬방법을 사용함으로써 빠른 정렬을 수행할 수 있으며, 웨이퍼의 정렬 정밀도를 향상시킬 수 있다.

Claims (4)

1. 레이저 광을 웨이퍼 상의 소정의 정렬용 마크에 입사시키고 그 정렬용 마크에서 반사되는 회절광을 검출하여 웨이퍼를 정렬시키는 광-헤테로다인 간섭방법을 이용한 웨이퍼 정렬장치에 있어서, 상이한 주파수를 가지는 두 광파를 발생하는 레이저 광원과, 상기 레이저 광원에서 나온 레이저 광을 축소 투영렌즈를 통해 상기 웨이퍼 위의 정렬마크에 입사시키는 제1렌즈수단, 상기 소정의 정렬용 마크에서 반사되어 상기 제1렌즈수단을 통해 회절광 처리를 위한 경로로 되돌아오는 회절광중에서 소정 차수의 회절광만을 통과시키고 두개의 편광성분의 광파를 분리하여 그 분리된 광파의 편광각도 조절하여 슬릿면에 간섭무늬를 형성시켜 슬릿을 통해 통과시키는 회절광 처리 수단, 상기 회절광 처리수단에서 출력되는 광 신호를 전기신호로 변환하는 변환수단, 상기 레이저 광원에서 출력되는 레이저 광신호와 상기 변환수단의 출력신호의 비교하는 수단, 상기 비교수단의 출력에 응답하여 상기 웨이퍼의 위치를 조절하기 위한 정렬제어신호를 발생하는 제어수단을 포함하고, 상기 레이저 광원은 제만(Zeeman) 주파수 안정화 레이저인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 정렬장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 반사된 회절광을 처리하는 수단은, 상기 제1렌즈수단을 통해 상기 정렬마크로부터 반사되어 회절광 처리경로로 입사되는 회절광을 모아주는 렌즈(107)와, 그 렌즈(107)를 통과한 회절 신호광중 0차 회절광은 걸러지고 ±1차 회절광만을 통과시키는 공간필터(108)와, 상기 공간필터(108)를 통과한 ±1차 회절광을 각각 하나의 편광성분에 대해서만 통과시켜 서로 1.8MHz의 주파수 차이를 가지는 S-편광성분과 P-편광성분의 광신호로 분리하는 두개의 편광 프리즘(112a), (112b)과, 그 두개의 편광 프리즘(112a)(112b)을 통과한 두 광신호를 모아주는 집속렌즈(114)와, 그 집속렌즈(114)에 의해 모아지는 두개의 광신호가 동일한 편광각도를 가지도록 편광축에 대해서 일정한 편광각도로 조절하여 통과시키는 선편광자(116)와, 그 선편광자(116)를 통과한 동일한 편광각도를 가지는 두개의 광신호에 의해 형성되는 간섭무늬를 가지는 광신호를 슬릿을 통해 통과시켜 상기 변환수단에 입력시키는 슬릿면(118)으로 구성된 것을 특징으로 하는 웨이퍼 정렬장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 비교하는 수단은 상기 레이저 광과 상기 변환수단의 출력 간의 위상을 비교하는 위상 비교기인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 정렬장치.
4. 제2항에 있어서, 상기 선편광자가 가지는 편광축에 대한 일정한 각도는 45°인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 정렬장치.