KR0186068B1 - 리소그라피 장치의 위치 정렬 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 노광장비의 웨이퍼 정렬을 개선시킨 리소그라피 장비의 오프 엑시스 정렬 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 2개의 반도체레이저를 혼합하여 정렬계의 광원으로 사용하며, 1차 회절신호 만을 회절격자 크기의 2배로 하여 정렬신호로 사용하는 경사조명방법을 사용하여 정렬위치와 노광위치를 일치시키기 위해 중심파장이 670nm, 780nm인 두 개의 반도체레이저를 파장혼합하여 정렬마크위에 조명하며, 이밖에 반도체레이저의 광원, 반사경, 슬릿, 렌즈반사경, 공간필터, 수광소자로 구성되어 있다.

Description

리소그라피 장치의 위치 정렬 시스템
제1도는 종래 리소그라피 장치의 오프 엑시스 정렬 시스템(off-axis alignment system)의 구성도.
제2도는 본 발명에 의한 리소그라피 장치의 위치 정렬 시스템의 구성도.
제3a도는 본 발명에 의한 단일 파장(630 nm)의 반도체레이저를 정렬마크위에 조명한 상태를 보인 도면.
제3b도는 본 발명에 의한 중심파장이 670nm, 780nm인 두 개의 반도체레이저를 파장혼합하여 정렬마크위에 조명한 상태를 보인 도면.
제4a도는 제 3a 도의 파형을 도시한 도면.
제4b도는 제 3b 도의 파형을 도시한 도면.
제5도는 본 발명에 의한 리소그라피 장치의 위치 정렬 시스템에 있어서, 레지스트 두께에 의한 회절신호의 변화를 보인 도면.
제6a도는 본 발명에 의한 리소그라피 장치의 위치 정렬 시스템에 있어서, 중심파장이 633nm인 반도체레이저의 강도비를 보인 도면.
제6b도는 본 발명에 의한 리소그라피 장치의 위치 정렬 시스템에 있어서, 중심파장이 670nm, 780nm인 반도체레이저의 강도비를 보인 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
21 : 웨이퍼 스테이지 22 : 웨이퍼
23 : 반도체 레이저 24 : 공간필터
25, 27 : 렌즈 26 : 정렬마크
28 : 회절격자 29 : 수광소자
30 : 투영렌즈
본 발명은 리소그라피 장치의 웨이퍼 위치 정렬 시스템에 관한 것으로, 특히 웨이퍼의 정렬위치와 노광위치를 일치할 수 있게 한 리소그라피 장치의 위치 정렬 시스템에 관한 것이다.
종래 리소그라피 장치의 오프 축(off-axis) 정렬 시스템은 제1도에 도시된 바와같이, 광원으로서의 역할을 하는 코히어런트 빔(coherent beam)인 레이저 빔을 방사하는 헬륨-네온 레이저(He-Ne laser)(7)와, 상기 레이저 빔을 일부는 반사시키고 일부는 투과시키는 복수개의 빔 스플리터(beam splitter)(4)와, 상기 빔 스플리터(4)에서 반사된 빔이 대물렌즈(2)를 거쳐 웨이퍼(3)상이 입사되어 그 웨이퍼(3)상의 정렬마크(10)에서 반사되고, 상기 반사된 빔이 빔 스플리터(4)에서 분리되어 공간필터(11)를 거쳐서 진행되고, 이 빔을 수광하는 수광소자(9)와, 상기 빔스플리터(4)를 통해 입사되는 회절광을 검출하여, 그 광신호를 전기적 신호로 변환하는 씨씨디(Charge Coupled Device ; CCD)카메라(6)와, 상기 씨씨디 카메라(6)의 출력신호를 입력받아 처리하는 디지털 화상 처리 시스템(Digital image processing system)(8)으로 구성된 것으로, 도면의 설명중 미설명부호 1은 축소 투영렌즈이다.
이와 같이 구성되는 종래의 리소그라피 장치의 오프 축 정렬 시스템의 정렬방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 회절광 신호를 이용하는 오프 엑시스 정렬계는 제1도에 도시된 바와 같이, 정렬광원인 헬륨-네온 레이저(7)로부터 빔이 방사되고, 그 방사된 빔은 복수개의 빔 스플리터(4)를 통해 일부는 반사되고 일부는 투과된다. 상기 빔 스플리터(4)로부터 반사된 빔은 대물렌즈(2)를 거쳐 웨이퍼(3)상의 정렬마크(10)에 입사되고 회절된다. 이 정렬마크(10)로 부터 회절된 광 신호중 0차 회절광은 공간 필터(11)에 의해 차단되고, ±1차 회절광은 공간필터(11)의 슬릿(Slit)을 통과하여 수광소자(9)에 의해 검출되어 전기적신호로 변환되고, 이 변환된 신호에 관한 데이타는 신호 처리부에서 처리된 후 웨이퍼(3)를 정렬하기 위한 정렬신호로 사용된다.
한편, 디지털 화상처리 방식에 있어서는 상기와 같이 정렬마크(10)에서 반사된 빔이 빔 스플리터(4)를 통과하여 씨씨디 카메라(6)에 확대된 이미지로 결상되고, 전기적 신호로 변환된 후 디지털 화상처리 시스템(8)에 인가되고, 이에 따라 그 디지털 화상처리 시스템(8)은 패턴 매칭 방법을 사용하여 입력된 신호를 처리하고, 그 처리된 신호를 웨이퍼(3)의 위치정보 신호로 사용하도록 함으로써 정렬을 수행한다.
따라서, 상기한 바와같은 종래 회절광 신호를 이용하는 오프 축 정렬 시스템 및 디지털 화상처리 방식의 오프 축 정렬 시스템의 동작메카니즘은 웨이퍼 상의 정렬 마크로 부터 웨이퍼의 위치정보를 알아내어 스테이지 구동시스템에 정렬위치(10)를 궤환 시킴으로서 웨이퍼를 정렬하는 방식으로 되어 있다.
즉, 정렬마크(10)로부터 회절되는 빛이나 확대된 화상을 정렬하는 방법으로 웨이퍼 정렬을 수행하였다.
그러나, 이와 같은 종래 리소그라피 장치의 오프 축 정렬 시스템은 웨이퍼의 정렬을 위한 웨이퍼 정렬마크의 위치와 노출영역이 서로 다르게 위치되어, 기계적, 열적인 드리프트(drift)에 인한 베이스 라인(base-line)오차를 가지게 됨으로써 정렬정 밀도가 낮아지게 되는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 정렬마크의 높이와 포토레지스트의 두께에 영향을 받지 않고 정렬신호를 얻을 수 있도록 2개의 반도체레이저를 혼합하여 정렬계의 광원으로 사용하며, 1차 회절신호 만을 정렬신호로 사용하는 경사조명방법을 사용하여 정렬위치와 노광위치를 일치시킬 수 있게한 리소그라피 장치의 위치 정렬 시스템을 제공함에 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 리소그라피 장비의 오프 엑시스 정렬 시스템은 중심파장이 670nm, 780nm인 두 개의 반도체레이저를 파장혼합하여 정렬마크위에 조명하며, 이밖에 반도체레이저의 광원, 반사경, 슬릿, 렌즈 반사경, 공간필터, 수광소자로 구성된다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명 리소그라피 장치의 위치 정렬 시스템의 일실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 리소그라피 장치의 위치 정렬 시스템은 제2도에 도시한 바와같이, 단일 종 모드로 동작하는 2개의 반도체레이저(23)를 광원으로 사용하고, 상기 반도체 레이저(23)의 빔을 투과시키는 공간필터(Spaceial Filter)와, 상기 공간필터(24)를 투과한 빔을 집광하는 제1렌즈(25)와, 상기 제1렌즈(25)로부터 집광되어 일정한 각도를 가지고 입사된 빔을 회절시키는 정렬마크(26)를 가진 웨이퍼(22)가 그 상면에 설치된 웨이퍼 스테이지(21)와, 상기 웨이퍼(22)상의 정렬마크(26)에서 회절된 빔을 집광시키는 제2렌즈(27)와, 상기 제2렌즈(27)에서 집광된 빔을 반사시키는 회절격자(28)와, 상기 회절격자(28)에서 반사된 빔을 수광하는 수광소자(29)로 구성한 것으로, 도면의 설명중 미설명 부호 30은 축소투영렌즈를 나타낸다.
상기와 같이 구성되는 본 발명 일실시예의 리소그라피 장치의 위치 정렬 시스템은 중심파장이 670nm, 780nm인 두 개의 반도체레이저(23)을 P파로 입사시켜 파장혼합하고, 이 혼합된 레이저 빔은 공간필터(24)의 슬릿(Slit)을 투과한 후 제1렌즈(25)에 의해 집광되고, 그 집광된 빔은 웨이퍼 스테이지(21)상에 설치된 웨이퍼(22)의 상면에 일정한 각도를 가지고 입사된다. 그 입사된 빔은 웨이퍼(22)의 정렬마크(26)의 가장자리에서 회절을 일으키면서 입사각과 같은 반사각을 가지고 진행하고, 이때 회절빔중에서 1차 회절빔만이 제2렌즈(27)을 통해 집광되고, 상기 집광된 빔은 회절격자(28)에 의해 회절되어 수광소자(29)에 입사된다. 이에 따라 상기 수광소자(29)는 입사된 레이저 빔을 전기적신호로 변환하여, 그에따른 웨애퍼 정렬위치를 웨이퍼 스테이지(21)에 궤환 시킴으로서 웨이퍼(22)를 정렬하게 된다.
이때, 정렬신호로 사용되는 1차 회절광의 광도를 계산하는 방법은 아래와 같다.
Ii= K(1-cosδ),
여기서, P : 정렬마크의 주기
δ : 위상차 ( = (4π/λ) n2hcos θ2 )
λ : 파장
n2 : resist의 굴절률
h : 정렬마크의 높이
θ2 : 입사각 θ1에 대한 굴절각
한편, 제3a도는 본 발명 단일 파장(630nm)의 반도체레이저를 정렬마크위에 조명한 상태를, 제4 a도는 제3a도의 파형을 각각 도시한 것으로써, 이에 도시한 바와같이, 정렬신호가 단일 파장인 경우에는 정렬 마크(26)의 높이(h)에 영향을 많이 받기 때문에 실제 적용이 곤란하다.
그러나, 정렬신호가 단일파장이 아닐 경우에는 예를 들어 제3b도 및 제4b도에 도시한 바와같이, 정렬마크(6)의 높이(h)가 0.5 ∼ 1.4㎛ 근방에서 충분히 강한 신호가 나타나는 것을 알 수 있다. 따라서, 이 경우에는 정렬마크의 위치를 확실히 알 수 있기 때문에 실제적용이 가능하게 된다.
이하, 제5도 내지 제6b도를 참고로 'resist의 두께에 의한 회절된 빛의 위상차(δ)' 및 '입사광에 대한 회절광의 진폭비의 제곱/강도비 (M)'를 구하는 식을 기술한다.
여기서, d : 레지스트의 두께
λ : 파장
n2 : 레지스트의 굴절률
θ1 : 정렬빛이 웨이퍼상의 레지스트로 입사되는 입사각
θ2 : 정렬빔이 레지스트에서 정렬마크로 입사되는 입사각
θ2′: 정렬마크로부터 반사되어 1차 회절된 빛의 회절각
여기서, Ao : 1차 회절된 빛의 진폭
Ai : 입사하는 빛의 진폭
t : 공기(n1)에서 레지스트 (n2)로 투과할 때의 투과계수
t′ : 레지스트 (n2)로부터 공기(n1)로 투과할 때의 1차 회절된 빛의 투과계수
μo : 0차 회절된 (즉, 반사된) 빛의 굴절율
μi : 1차 회절된 빛의 굴절율
r1 : 빛이 공기(n1)에서 레지스트 (n2)로 진행시 반사계수
r2 : 레지스트 (n2)에서 정렬마크(AL 또는 Si(n3)로 진행시 0차 회절된 빛의 반사계수
r2′: 레지스트 (n2)에서 정렬마크(AL 또는 Si(n3)로 진행시 1차 회절된 빛의 반사계수
δ : 레지스트의 두께에 의한 회절된 빛의 위상차
따라서, 상기한 바와 같이 단일 파장의 경우에는 두께 영향을 많이 받게 되어 실제 적용이 어렵지만, 파장이 2개인 경우에는 두께의 영향을 적게 받게 됨으로 실제 적용이 가능함을 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와같이, 본 발명의 리소그라피 장치의 위치 정렬 시스템은 노광위치와 정렬위치를 일치됨으로 인하여, 노광위치와 정렬위치가 다른 경우에 발생될 수 있는 베이스 라인 오차를 극소화 할 수 있는 효과가 있다.
또한, Non-TTL(through the lens) 방식이므로 투영렌즈의 특성에 무관하게 광리소그라피 장비 뿐아니라 엑스-레이(X-ray) 리소그라피 장비의 정렬계에도 사용할 수 있으며, 반도체레이저를 사용함으로써 장비를 소형화 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 두 빔을 혼합사용함으로써 포토레지스터의 두께에 영향을 받지 않고 정렬신호를 얻어 낼 수 있으며, 빛의 편광을 조절함으로써 정렬신호의 S/N비를 높일 수 있는 효과가 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에서는 본 발명의 일실시예에만 국한되지 않고, 4개 이상의 광원을 혼합하여 사용하여 정렬광을 적절히 조합함으로써 시스템을 최적화 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 광원으로 사용하는 2개의 반도체 레이저와, 상기 반도체 레이저의 혼합광을 투과시키는 공간필터와, 상기 공간필터를 투광한 광을 집광시키는 제1렌즈와, 상기 제1렌즈로부터 입사된 빔을 회절시키도록 정렬마크를 가진 웨이퍼가 그의 상면에 장착되는 웨이퍼 스테이지와, 상기 웨이퍼의 정렬마크로부터 반사된 광을 집광하는 제2렌즈와, 상기 제2렌즈로부터 집광된 빔의 방향을 회절시키는 회절격자와, 상기 회절격자로부터 회절된 광을 수광하여 전기적 신호를 변환한 후 상기 웨이퍼 스테이지를 제어하기 위한 제어부에 인가하는 수광부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 리소그라피 장치의 위치 정렬 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 2개의 반도체 레이저 광원은 빛의 편광효과를 이용하여 P파로 입사시키게 구성된 것을 특징으로 하는 리소그라피 장치의 위치정렬 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 2개의 반도체 레이저의 파장을 단일 종 모드로 발진시켜 사용하게 구성된 것을 특징으로 하는 리소그라피 장치의 위치 정렬 시스템.
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