KR100194619B1 - Wafer autofocusing device and autofocusing method using external optical feedback method of semiconductor laser - Google Patents

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KR100194619B1
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김도훈
이각현
정해빈
유형준
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정선종
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Abstract

본 발명은 반도체 레이저의 외부 광궤환 방법을 이용한 웨이퍼 자동촛점장치 및 자동촛점방법에 관한 것이다.The present invention relates to a wafer autofocusing apparatus and an autofocusing method using an external optical feedback method of a semiconductor laser.

본 발명의 웨이퍼 자동촛점장치는, 반도체 레이저(21)와, 시준렌즈(22)와, 광분할기(23)와, 촛점렌즈(24)로 이루어진 자동촛점장치 모듈; 및, 슬릿(32)과, 시준렌즈(32)와, 회절격자(33)와, 집속렌즈(34)와, PSD(35)로 구성되어, 상기한 웨이퍼(25)에 의해 반사되어 반도체 레이저(21)의 외부 광궤환에 의해서 발진하는 반도체 레이저(21)의 궤환광의 광 강도변화를 전압변화로 변환하기 위한 분광부(40)와 PSD신호처리부(50)를 포함한다.The wafer autofocus apparatus of the present invention includes an autofocus module comprising a semiconductor laser 21, a collimating lens 22, a light splitter 23, and a focus lens 24; And a slit 32, a collimating lens 32, a diffraction grating 33, a focusing lens 34, and a PSD 35, which are reflected by the above-described wafer 25 and are semiconductor laser ( And a spectroscope 40 and a PSD signal processor 50 for converting a change in light intensity of the feedback light of the semiconductor laser 21 oscillated by the external light feedback of the signal 21 into a voltage change.

아울러, 본 발명의 웨이퍼 자동촛점방법은, 반도체 레이저에서 나오는 레이저광을 평행광으로 만들어 광분할기를 통해 웨이퍼에 입사시키는 단계; 상기한 웨이퍼의 수직방향 위치변화에 따른 상기한 반도체 레이저의 외부 광궤환에 의한 광강도 변화에 의해 레이저광의 출력파장을 변화시키는 단계; 및, 상기한 출력파장의 변화를 PSD 및 PSD 신호처리부를 거쳐 출력전압 변화로 변환하는 단계를 포함한다.In addition, the wafer autofocusing method of the present invention comprises the steps of making the laser light from the semiconductor laser into parallel light and incident it on the wafer through a light splitter; Changing the output wavelength of the laser light by a change in light intensity due to external light feedback of the semiconductor laser according to a change in position of the wafer in a vertical direction; And converting the change of the output wavelength into the change of the output voltage through the PSD and the PSD signal processing unit.

Description

반도체 레이저의 외부 광궤환 방법을 이용한 웨이퍼자동촛점장치 및 자동촛점방법Wafer autofocusing device and autofocusing method using external optical feedback method of semiconductor laser

제1도는 본 발명에 따른 자동촛점장치에서의 자동촛점을 위한 미소 거리 측정의 기본 원리로 사용되는 반도체 레이저의 외부 광궤환의 기본원리를 설명하기 위한 도면.1 is a view for explaining the basic principle of the external optical feedback of the semiconductor laser used as a basic principle of the micro-distance measurement for the autofocus in the autofocus apparatus according to the present invention.

제2도는 제1도에 도시된 실험장치를 사용하여 반도체 레이저의 외부 광궤환에 의한 출력 파장의 변화를 측정한 실험결과를 나타낸 그래프.FIG. 2 is a graph showing experimental results of measuring a change in output wavelength caused by external light feedback of a semiconductor laser using the experimental apparatus shown in FIG.

제3도는 상기한 반도체 레이저의 외부 광궤환 원리를 이용한 본 발명의 자동촛점장치의 일 실시예를 나타낸 개략적인 구성도.3 is a schematic diagram showing an embodiment of an autofocusing apparatus of the present invention using the above-described external optical feedback principle of a semiconductor laser.

제4도는 제3도의 웨이퍼 자동촛점장치에서 반도체 레이저로 궤환하는 광강도가 촛점렌즈와 웨이퍼의 상대적 거리에 따라 변화하는 것을 설명하기 위한 설명도.FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining that the light intensity fed back to the semiconductor laser in the wafer autofocus apparatus of FIG. 3 varies with the relative distance between the focus lens and the wafer.

제5(a)도는 반도체 레이저의 외부 광궤환에 의한 본 발명의 웨이퍼 자동촛점장치를 웨이퍼 스텝퍼에 적용한 실시예에 대한 개략적인 구성도이며,FIG. 5 (a) is a schematic block diagram of an embodiment in which the wafer autofocusing apparatus of the present invention is applied to a wafer stepper by external light feedback of a semiconductor laser.

제5(b)도는 제5(a)도의 자동촛점장치 모듈 및 분광부와의 연결부의 상세도.Figure 5 (b) is a detailed view of the connection portion with the autofocus device module and the spectroscopic portion of Figure 5 (a).

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

1,21 : 반도체 레이저 2,22,32 : 시준렌즈1,21 semiconductor laser 2,22,32 collimating lens

3,23 : 광 분할기 4 : 가변 광 감쇄기3,23: optical splitter 4: variable optical attenuator

5 : 반사거울 6,7,26,34,37 : 집속렌즈5: Reflective mirror 6,7,26,34,37: Focusing lens

8,28 : 광센서 9,29 : 웨이퍼 스테이지8,28: optical sensor 9,29: wafer stage

10,30 : 파워미터 11 : 분광계10,30: power meter 11: spectrometer

12 : 광 다중채널 분석기 13,60 : 제어용 PC12: Optical multichannel analyzer 13,60: PC for control

24 : 촛점렌즈 25 : 웨이퍼24: focusing lens 25: wafer

31 : 슬릿 33 : 회절격자31: slit 33: diffraction grating

35 : PSD 38 : 광 화이버35: PSD 38: Optical Fiber

40 : 분광부 50 : PSD 신호처리부40: spectrometer 50: PSD signal processor

70 : 자동촛점장치 모듈 80 : 주 광학계70: auto focusing device module 80: main optical system

본 발명은 반도체 레이저의 외부 광궤환 방법을 이용한 웨이퍼 자동촛점장치 및 자동촛점방법에 관한 것이다.The present invention relates to a wafer autofocusing apparatus and an autofocusing method using an external optical feedback method of a semiconductor laser.

좀 더 구체적으로, 본 발명은 반도체 레이저의 외부 광궤환(external feedback) 방법을 이용하여 웨이퍼의 수직방향 위치변화를 측정함으로써, 자동촛점장치의 정밀도를 향상시킬 수 있는 웨이퍼 스템퍼에서의 자동촛점장치 및 자동촛점방법에 관한 것이다.More specifically, the present invention is an automatic focusing apparatus in a wafer stamper that can improve the accuracy of the automatic focusing apparatus by measuring the vertical position change of the wafer using an external feedback method of the semiconductor laser. And an autofocusing method.

반도체 제조공정에 사용되는 웨이퍼 스텝퍼(stepper)와 같은 리소그래피장비에 있어서, 광학적 비접촉식 웨이퍼 자동촛점장치(auto-focus system)는 스텝퍼 시스템에서 사용되는 웨이퍼의 노광기준 위치인 주 광학계의 상면에 대해 웨이퍼 표면의 수직방향으로 벗어난 상대적 위치정보를 구하는 장치로서, 스텝퍼 시스템이 지닌 분해능을 갖는 선명한 상을 얻기 위해서는 미크론 이하의 크기를 지닌 촛점심도(depth of focus) 내로 물체를 위치시켜 주는 촛점맞춤(focusing) 작업에 필수적인 장치이다.In lithography equipment, such as wafer steppers used in semiconductor manufacturing processes, an optical non-contact wafer auto-focus system is used for the wafer surface relative to the top surface of the main optical system, the exposure reference position of the wafer used in the stepper system. A device that finds relative positional information out of the vertical direction of a focusing system, which focuses an object within a depth of focus of sub-micron size to obtain a clear image with the resolution of a stepper system. Is an essential device.

특히, 최근에 반도체 소자의 고집적화에 따라 웨이퍼 스텝퍼와 같은 노광장비의 분해능(resolution)을 높이기 위해 노광 광원의 파장을 줄이거나, 혹은 축소투영렌즈의 N.A.(numerical aperture)를 증가시키는 방법이 주요 현안이다.In particular, in recent years, a method of reducing the wavelength of an exposure light source or increasing the NA (numerical aperture) of a reduction projection lens is a major issue in order to increase the resolution of exposure equipment such as a wafer stepper according to high integration of semiconductor devices. .

그러나, 주 광학계의 N.A.가 증가하게 되면, 반대로 주 광학계의 촛점심도는 작아져, 이러한 주 광학계의 촛점심도의 감소는 실제적인 리소그래피(lithography) 공정에 있어서는 심각한 문제로 작용한다.However, as the N.A. of the main optical system increases, the depth of focus of the main optical system becomes smaller, and such a decrease in the focus depth of the main optical system is a serious problem in the actual lithography process.

즉, 주 광학계의 촛점심도의 크기는 공정과정, 설계규칙 및 노광장비 광학계 등의 오차요소 등을 포함해야만 한다.That is, the size of the depth of focus of the main optical system must include an error factor such as a process, a design rule, and an exposure system optical system.

예를 들어, N.A.가 0.5이며 248nm의 파장을 이용하는 축소투영렌즈에서는 약 0.5㎛의 촛점심도를 지니며, 이러한 촛점심도 안에 웨이퍼 자체의 휨(Wafer warpage), 회로의 형상(topology), 상면만곡(field curvature), 웨이퍼 척(chuck)의 편평도(flatness) 등에 의한 오차들을 포함해야 하므로, 실제적인 웨이퍼의 위치 정밀도는 0.1㎛ 이하로 유지되어야 하며, 이에 따라 웨이퍼 자동촛점장치의 정밀도(accuracy) 및 안정성(stability) 등에 대하여 더욱 향상된 성능이 요구되고 있다.For example, a reduction projection lens with a NA of 0.5 and a wavelength of 248 nm has a depth of focus of about 0.5 μm, within which the warpage of the wafer itself, the topology of the circuit, and the top surface curvature ( Since errors due to field curvature, wafer chuck flatness, etc. must be included, the actual positional accuracy of the wafer must be maintained at 0.1 μm or less, and thus the accuracy and stability of the wafer autofocusing device. More improved performance is required for stability.

결국, 본 발명의 목적은 상기한 웨이퍼 스텝퍼와 같은 리소그래피 장비에서 사용되는 자동촛점장치의 정밀도를 향상시키고 기존의 노광장비 시스템에 용이하게 장착할 수 있는 반도체 레이저의 외부 광궤환 방법을 이용한 자동촛점장치 및 자동촛점방법을 제공하는데 있다.As a result, an object of the present invention is to improve the accuracy of the autofocusing apparatus used in the lithography equipment such as the wafer stepper and to auto-focus the apparatus using an external optical feedback method of a semiconductor laser which can be easily mounted on an existing exposure equipment system. And an autofocus method.

상기한 목적을 달성하는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 레이저의 외부 광궤환 방법을 이용한 웨이퍼 자동촛점장치는,A wafer autofocusing apparatus using an external optical feedback method of a semiconductor laser according to an embodiment of the present invention to achieve the above object,

반도체 레이저와, 전기한 반도체 레이저에버 방출된 레이저 광을 평행광으로 변화시키기 위한 시준렌즈와, 시준렌즈를 거친 레이저 광을 광분할시키는 광분할기와, 광분할기를 거친 레이저 광을 웨이퍼 스테이지 상의 웨이퍼에 입사시키기 위한 촛점렌즈로 이루어진 자동촛점장치 모듈; 및,A semiconductor laser, a collimating lens for converting the laser light emitted by the semiconductor laser to the parallel light, a light splitter for splitting the laser light through the collimating lens, and a laser beam passing through the light splitter to the wafer on the wafer stage. An automatic focusing device module composed of a focusing lens for incident; And,

슬릿과, 슬릿에 입사된 광을 회절격자에 시준하기 위한 시준렌즈와, 시준렌즈에 의해 시준된 입사빔의 파장에 따라 입사빔을 일정각도로 회절시키기 위한 회절격자와, 회절격자에 의해 회절된 광을 PSD(position sensitive detector)상에 집속하기 위한 집속렌즈와, PSD로 구성되어, 상기한 웨이퍼에 의해 반사되어 반도체 레이저의 외부 광궤환에 의해서 발진하는 반도체 레이저의 궤환광의 광 강도 변화를 전압변화로 변환하기 위한 분광부와 PSD 신호처리부를 포함한다.A slit, a collimation lens for collimating the light incident on the slit to the diffraction grating, a diffraction grating for diffracting the incident beam at a predetermined angle according to the wavelength of the incident beam collimated by the collimation lens, and diffracted by the diffraction grating A voltage change of the light intensity of the feedback light of the semiconductor laser, which is composed of a focusing lens for focusing light onto a position sensitive detector (PSD) and the PSD, which is reflected by the wafer and oscillated by an external light feedback of the semiconductor laser. It includes a spectroscope and a PSD signal processing unit for converting to.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 레이저의 외부 광궤환 방법을 이용한 웨이퍼 자동촛점장치는,In addition, a wafer autofocusing apparatus using an external optical feedback method of a semiconductor laser according to another embodiment of the present invention,

웨이퍼 스텝퍼의 주 광학계 하부에 부설되며, 반도체 레이저, 시준렌즈, 광분할기, 반사거울 및 촛점렌즈로 구성된 자동촛점장치 모듈;An autofocusing device module mounted below the main optical system of the wafer stepper and composed of a semiconductor laser, a collimating lens, a light splitter, a reflecting mirror and a focus lens;

상기한 자동촛점장비 모듈에 의한 웨이퍼의 수직방향 위치변화에 따른 분광부에 의한 반도체 레이저의 출력 파장에 따른 스테이지의 변화를 측정하여 스테이지를 제어하기 위한 분광부; 및,A spectroscope for controlling the stage by measuring a change in stage according to an output wavelength of the semiconductor laser by the spectroscope according to the vertical positional change of the wafer by the autofocusing module; And,

상기한 자동촛점장치 모듈을 분광부와 연결하기 위한 집속렌즈와 광 파이버를 포함한다.It includes a focusing lens and an optical fiber for connecting the autofocus device module with the spectroscope.

아울러, 본 발명에 따른 반도체 레이저의 외부 광궤환 방법을 이용한 웨이퍼 자동촛점방법은,In addition, the wafer autofocus method using the external optical feedback method of the semiconductor laser according to the present invention,

반도체 레이저에서 나오는 레이저 광을 평행광으로 만들어 광분할기를 통해 웨이퍼에 입사시키는 단계;Making laser light emitted from the semiconductor laser into parallel light and incident it on the wafer through a light splitter;

상기한 웨이퍼의 수직방향 위치변화에 따른 상기한 반도체 레이저의 외부 광궤환에 의한 광강도 변화에 의해 레이저광의 출력파장을 변화시키는 단계; 및,Changing the output wavelength of the laser light by a change in light intensity due to external light feedback of the semiconductor laser according to a change in position of the wafer in a vertical direction; And,

상기한 출력파장의 변화를 PSD 및 PSD 신호처리부를 거쳐 출력전압 변화로 변환하는 단계를 포함한다.And converting the change in the output wavelength into a change in output voltage through the PSD and PSD signal processing units.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 웨이퍼 자동촛점장치 및 자동촛점방법을 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, a wafer autofocusing apparatus and an autofocusing method according to a preferred embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

일반적으로, 반도체 레이저의 외부 광궤환(external feedback) 기술은 레이저의 선폭을 축소하거나, 발진 주파수를 안정화하기 위하여, 또는 레이저 주파수 변환 등과 같이 이미 여러 분야에서 적용되고 있는 기술이다.In general, the external feedback technology of semiconductor lasers is already being applied in various fields, such as to reduce the line width of the laser, to stabilize the oscillation frequency, or to convert the laser frequency.

제1도는 본 발명에 따른 자동촛점장치에서의 자동촛점을 위한 미소거리 측정의 기본 원리로 사용되는 반도체 레이저의 외부 광궤환의 기본원리를 설명하기 위한 도면으로서, 반도체 레이저에서 나오는 출력광의 일부를 반도체 레이저의 활성영역(active area)으로 궤환시키고, 궤환되는 광량에 따른 레이저의 출력파장의 변화를 측정하기 위한 개략적인 실험 장치도를 도시한 것이다.1 is a view for explaining the basic principle of the external light feedback of the semiconductor laser used as a basic principle of the micro-distance measurement for the automatic focusing in the automatic focusing apparatus according to the present invention, a part of the output light from the semiconductor laser The schematic diagram of the experimental apparatus for returning to the active area of the laser and measuring the change in the output wavelength of the laser according to the amount of light returned is shown.

제1도에 도시된 바와 같이, 레이저 드라이브(la)에 의해 인가된 반도체 레이저(1)에서 나오는 광을 시준렌즈(2)를 통해서 평행광으로 만들고, 광분할기(beam splitter)(3)를 통해서 PZT와 같은 미소이동 스테이지(9)에 부착된 반사거울(5)에 입사시킨다.As shown in FIG. 1, the light emitted from the semiconductor laser 1 applied by the laser drive la is converted into parallel light through the collimation lens 2 and through the beam splitter 3. It enters into the reflection mirror 5 attached to the micro-movement stage 9 like PZT.

반사거울(5)에 의해 반사된 광은 다시 광경로를 되돌아가서 반도체 레이저(1)에 입사하게 되며, 이때, 반사거울(5)에 반사되어 반도체 레이저(1)로 되돌아가는 반사광의 강도는 가변 광감쇄기(variable attenuator)(4)를 통해서 조절하며, 포토다이오드 등의 광센서(8)에 입력시키고, 광센서(8)에 연결된 파워미터(10)를 사용하여 반도체 레이저(1)로 궤환되는 광강도를 측정한다.The light reflected by the reflective mirror 5 is returned to the optical path again and enters the semiconductor laser 1. At this time, the intensity of the reflected light reflected by the reflective mirror 5 and returned to the semiconductor laser 1 is variable. It is controlled through a variable attenuator (4), input to an optical sensor (8) such as a photodiode, and fed back to the semiconductor laser (1) using a power meter (10) connected to the optical sensor (8). Measure the light intensity.

한편, 상기한 실험장치에서 외부 광궤환에 의해서 발진하는 레이저의 출력 파장을 측정하기 위하여, 광분할기(3)를 거쳐 레이저 출력빔을 집속렌즈(6)를 통해 분광계(11)로 입사시키며, 분광계(11)는 광 다중채널 분석기(optical multi-channel analyzer)(12)를 통하여 파장의 변화를 측정하고 제어용 PC(13)로 그 값을 보낸다.On the other hand, in order to measure the output wavelength of the laser oscillated by the external light feedback in the experimental apparatus, the laser output beam is incident to the spectrometer 11 through the focusing lens 6 through the light splitter 3, the spectrometer Numeral 11 measures the change in wavelength through an optical multi-channel analyzer 12 and sends the value to the controlling PC 13.

그후, 제어용 PC(13)는 레이저의 출력 파장의 변화와 레이저로 궤환되는 광강도 사이의 관계를 비교하여 그 결과를 출력하게 된다.Then, the controlling PC 13 compares the relationship between the change in the output wavelength of the laser and the light intensity fed back to the laser and outputs the result.

제2도는 제1도에 도시된 실험장치를 사용하여 반도체 레이저의 외부 광궤환에 의한 출력 파장의 변화를 측정한 실험결과를 나타낸 그래프로서, 일반적으로 단일모드(single mode) 반도체 레이저를 상기한 실험에 사용하였을 때, 반도체 레이저로 궤환되는 광 강도에 따른 레이저 출력 파장의 변화를 나타낸 그래프이다.FIG. 2 is a graph showing an experimental result of measuring a change in output wavelength caused by external light feedback of a semiconductor laser using the experimental apparatus shown in FIG. 1. FIG. 2 is a graph illustrating a single mode semiconductor laser. Is a graph showing the change of the laser output wavelength according to the light intensity fed back to the semiconductor laser.

제2도에서 알 수 있듯이, 일반적인 단일모드 반도체 레이저의 파장 가변범위는 약 10nm 정도이며, 반도체 레이저의 외부로부터 궤환되는 광강도에 따라 레이저의 출력 파장이 레이저의 파장 가변범위 내에서 변화한다는 것을 알 수 있다.As can be seen from FIG. 2, the wavelength variation range of a general single mode semiconductor laser is about 10 nm, and the output wavelength of the laser varies within the wavelength variation range of the laser according to the light intensity fed back from the outside of the semiconductor laser. Can be.

즉, 궤환되는 광강도가 작을 때에는 레이저 출력 파장은 파장이 작은 쪽에서 발진하며, 궤환 강도가 점차 커짐에 따라 파장이 큰 쪽으로 이동하게 된다.That is, when the feedback light intensity is small, the laser output wavelength oscillates at the smaller wavelength, and as the feedback intensity gradually increases, the wavelength shifts to the larger wavelength.

제3도는 상기한 반도체 레이저의 외부 광궤환 원리를 이용한 본 발명의 자동촛점장치의 일 실시예를 나타낸 개략적인 구성도로서, 상기한 바와 같이 반도체 레이저로 궤환되는 광 강도에 따른 레이저 출력 파장의 변화를 실제로 자동촛점장치에 적용할 경우, 웨이퍼의 수직방향으로의 위치변화를 출력 전압의 변화로 적용하기 위한 장치 구성도이다.3 is a schematic diagram showing an embodiment of the autofocusing apparatus of the present invention using the external optical feedback principle of the semiconductor laser, and the variation of the laser output wavelength according to the light intensity fed back to the semiconductor laser as described above. Is actually a device configuration for applying a change in the position of the wafer in the vertical direction as a change in the output voltage.

제3도에 도시된 본 발명의 웨이퍼 자동촛점장치는 반도체 레이저의 외부광궤환 원리를 이용한 본 발명의 자동촛점장치의 실시예를 나타내는 개략적인 구성도로서, 상기 제1도에서 나타낸 실험장치도의 분광계 및 광다중채널 분석기 부분을 분광부 및 PSD 신호처리회로로 나타내었으며, 또한 궤환광의 강도를 측정하기 위한 파워미터는 단지 모니터링 용으로 사용하고 이때 파워미터의 출력은 제어용 PC로 입력시키지 않는다.The wafer autofocus apparatus of the present invention shown in FIG. 3 is a schematic block diagram showing an embodiment of the autofocus apparatus of the present invention using the principle of external light feedback of a semiconductor laser. The spectrometer and optical multi-channel analyzer are shown as the spectrometer and the PSD signal processing circuit. Also, the power meter for measuring the intensity of the feedback light is used only for monitoring, and the output of the power meter is not input to the control PC.

제3도에 도시된 바와 같이, 본 발명의 웨이퍼 자동촛점장치에서는, 반도체 레이저(21)에서 나온 레이저 광은 시준렌즈(22)에 의해 평행광으로 바뀌게 되며, 광분할기(23)를 통하여 촛점렌즈(24)를 거쳐 정밀 스테이지(29) 상에 위치한 반도체 웨이퍼(25)에 입사하게 된다.As shown in FIG. 3, in the wafer autofocusing apparatus of the present invention, the laser light emitted from the semiconductor laser 21 is converted into parallel light by the collimating lens 22, and through the light splitter 23, the focus lens. Incident on the semiconductor wafer 25 located on the precision stage 29 via the (24).

이때, 웨이퍼(25)로부터 반사되어 반도체 레이저(21)로 궤환하는 궤환광의 광강도는 촛점렌즈(24)와 웨이퍼(25) 사이의 상대적 거리에 따라 변화하게 된다.At this time, the light intensity of the feedback light reflected from the wafer 25 and returned to the semiconductor laser 21 changes depending on the relative distance between the focus lens 24 and the wafer 25.

한편, 외부 광궤환에 의해서 발진하는 반도체 레이저(21)의 출력 파장의 변화를 전압의 변화로 변환하기 위한 분광부는, 슬릿(31), 시준렌즈(32), 회절격자(33), 집속렌즈(34) 및 위치 검출소자인 PSD(position senaitive detector)(35)로 구성되며, 슬릿(31)에 입사된 광은 시준렌즈(32)에 의해 시준되어 회절격자(33)에 입사하고, 입사빔의 파장에 따라 일정각도로 회절된 광은 집속렌즈(34)에 의해 PSD(35) 상에 입사하게 된다.On the other hand, the spectroscopic section for converting the change in the output wavelength of the semiconductor laser 21 oscillated by the external light feedback into the change in voltage includes a slit 31, a collimating lens 32, a diffraction grating 33, a focusing lens ( 34) and a position senaitive detector (PSD) 35, which is a position detecting element, the light incident on the slit 31 is collimated by the collimating lens 32 to be incident on the diffraction grating 33, and the incident beam Light diffracted at a predetermined angle according to the wavelength is incident on the PSD 35 by the focusing lens 34.

이때, 회절격자(33)의 각도가 일정하다고 할 때, 입사빔의 파장에 따라 PSD(35) 상에 입사하는 광의 위치가 바뀌게 되므로, 레이저의 발진 파장의 변화가 바로 PSD 신호처리부(50)에서 출력전압의 변화로 나타나게 되며, 이로 부터 웨이퍼의 위치정보를 구할 수 있게 된다.At this time, when the angle of the diffraction grating 33 is constant, the position of the light incident on the PSD 35 is changed according to the wavelength of the incident beam, so that the change in the oscillation wavelength of the laser is directly in the PSD signal processor 50. It appears as a change in the output voltage, from which the position information of the wafer can be obtained.

제3도에 있어서, 미설명 부호 27, 28 및 30은 궤환광의 광 강도를 측정하기 위한 집속렌즈, 광센서 및 파워미터를 각각 나타내며, 60은 상기한 PSD 신호처리부(50)에 의한 출력전압의 변화치에 의해 웨이퍼 스테이지(29)를 제어하기 위한 제어용 PC를 나타낸다.In FIG. 3, reference numerals 27, 28, and 30 denote focusing lenses, optical sensors, and power meters, respectively, for measuring the light intensity of the feedback light, and 60 denotes output voltages of the PSD signal processor 50 described above. The control PC for controlling the wafer stage 29 by the change value is shown.

제4(a)도 내지 제4(c)도는 제3도의 웨이퍼 자동촛점장치에서 반도체 레이저로 궤환하는 광 강도가 촛점렌즈와 웨이퍼의 상대적 거리에 따라 변화하는 것을 설명하기 위한 설명도로서, 편의상 반도체 레이저 부분을 광분할기의 오른쪽에 나타내었으며, 도면에서 화살표는 삭제하였다.4 (a) to 4 (c) are explanatory diagrams for explaining that the light intensity fed back to the semiconductor laser in the wafer autofocus apparatus of FIG. 3 varies with the relative distance between the focus lens and the wafer. The laser part is shown on the right side of the splitter, and the arrows are deleted in the figure.

일반적으로, 반도체 레이저에 있어서 레이저가 발진하게 되는 활성영역의 폭은 약 20 정도이므로, 반도체 레이저의 외부 광궤환을 위해서는 반드시 전기한 반도체 레이저의 활성영역으로 레이저광을 입사시켜 주어야 한다.In general, since the width of the active region in which the laser is oscillated in the semiconductor laser is about 20, the laser light must be incident to the active region of the semiconductor laser.

제4(a)도와 같이, 촛점렌즈(23a)의 촛점거리에 정확히 웨이퍼(25a)가 위치하는 경우에는 웨이퍼(25a)에서 반사된 광이 광경로를 되돌아와 광 분할기(24a)와 시준렌즈(22a)를 통해 정확히 반도체 레이저(21a)의 활성영역으로 되돌아가며, 이때 궤환되는 광량은 최대가 된다.As shown in FIG. 4 (a), when the wafer 25a is exactly positioned at the focal length of the focus lens 23a, the light reflected from the wafer 25a returns to the optical path, and thus the light splitter 24a and collimating lens ( It is returned to the active region of the semiconductor laser 21a exactly through 22a), and the amount of light fed back is maximum.

한편, 제4(b)도 및 제4(c)도에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(25b, 25c)가 촛점렌즈(24b, 24c)의 촛점거리에서 가까워지거나 멀어지는 경우에는, 궤환되는 광량이 작아지게 된다.On the other hand, as shown in FIGS. 4 (b) and 4 (c), when the wafers 25b and 25c are closer or farther away from the focal lengths of the focus lenses 24b and 24c, the amount of light fed back is small. You lose.

따라서, 이러한 원리를 이용하여 본 발명에서는 반도체 레이저에 궤환되는 광량을 촛점렌즈와 웨이퍼 사이의 상대적 거리에 따라 변화시킬수 있으므로, 궤환되는 광량의 변화를 출력전압 변화로 변환시킴으로써, 웨이퍼의 위치정보를 얻을 수 있게 된다.Therefore, according to the present invention, since the amount of light fed back to the semiconductor laser can be changed according to the relative distance between the focus lens and the wafer, the positional information of the wafer can be obtained by converting the change in the amount of returned light into the output voltage change. It becomes possible.

제5(a)도는 반도체 레이저의 외부 광궤환에 의한 본 발명의 웨이퍼 자동촛점장치를 웨이퍼 스텝퍼에 장착하기 위한 적용예를 나타내는 개략적인 구성도이며, 제5(b)도는 제5(a)도의 자동촛점장치 모듈 및 분광부와의 연결부의 상세도이다.FIG. 5 (a) is a schematic block diagram showing an application example for mounting the wafer autofocusing apparatus of the present invention to a wafer stepper by external light feedback of a semiconductor laser, and FIG. 5 (b) is a diagram of FIG. This is a detailed view of the connection with the autofocus module and the spectroscope.

제5(a)도에 도시된 바와 같이, 본 발명의 자동촛점장치 모듈(70)은 웨이퍼 스텝퍼의 주 광학계(80) 하부에 부설되며, 이때, 전기한 자동촛점장치 모듈은 자동수평의 측정을 위하여 복수개가 부설될 수 있다.As shown in FIG. 5 (a), the autofocusing device module 70 of the present invention is placed under the main optical system 80 of the wafer stepper, wherein the autofocusing device module described above performs the measurement of the auto-horizontality. Plural can be laid in order to.

제5(b)도에 도시된 바와 같이, 상기한 자동촛점장치 모듈(70)은 콤팩트하게 간단한 구성을 지니도록 구성할 수 있다.As shown in FIG. 5 (b), the autofocusing device module 70 may be configured to have a compact and simple configuration.

즉, 제5(b)도에서 보듯이, 자동촛점장치 모듈(70)은 스텝퍼에 있어서 제한된 공간(주광학계 하단부분)에 본 발명의 자동촛점장치를 장착하기 위해 프리즘(36)을 사용하여 웨이퍼로의 입사광을 굴절시켜 사용하였는데, 이때 광분할기의 방향에 따라 반도체 레이저로부터의 출력광을 파이버를 통하여 분광부로 전달할 수 있도록 하기 위해 반도체 레이저(21), 시준렌즈(22), 광분할기(23), 반사거울(36), 촛점렌즈(24)로 이루어지며, 전기한 자동촛점장치 모듈(70)에 의한 웨이퍼(25)의 수직방향 위치변화에 따른 반도체 레이저(21)의 출력 파장변화를 측정하기 위하여, 자동촛점장치 모듈(70)은 분광부(40)에 집속렌즈(37, 26) 및 광 파이버(38)을 통하여 간단히 연결된다.That is, as shown in FIG. 5 (b), the autofocus module 70 uses a prism 36 to mount the autofocus apparatus of the present invention in a limited space (lower part of the main optical system) of the stepper. The incident light is refracted and used. In this case, the semiconductor laser 21, the collimating lens 22, and the light splitter 23 are used to transmit the light output from the semiconductor laser to the spectroscope through the fiber according to the direction of the light splitter. , Consisting of a reflecting mirror 36 and a focusing lens 24, measuring the change in the output wavelength of the semiconductor laser 21 according to the vertical positional change of the wafer 25 by the auto focusing device module 70. In order to do so, the autofocus module 70 is simply connected to the spectroscope 40 via focusing lenses 37, 26 and optical fiber 38.

이상에서 상세히 설명하였듯이, 본 발명의 웨이퍼 자동촛점장치 및 자동촛점방법은 반도체 레이저의 외부 광궤환 방법을 이용하여 웨이퍼 스텝퍼와 같은 리소그래피 장비에서 사용되는 자동촛점장치의 정밀도를 향상시킬 수 있으며, 기존의 노광장비 시스템에 용이하게 장착할 수 있다는 것이 확인되었다.As described in detail above, the wafer autofocusing apparatus and the autofocusing method of the present invention can improve the precision of the autofocusing apparatus used in lithography equipment such as a wafer stepper by using an external optical feedback method of a semiconductor laser. It has been confirmed that it can be easily mounted on the exposure system.

Claims (3)

반도체 레이저(21)와, 전기한 반도체 레이저(21)에서 방출된 레이저 광을 평행광으로 변화시키기 위한 시준렌즈(22)와, 시준렌즈(22)를 거친 레이저 광을 광분할시키는 광분할기(23)와, 광분할기(23)를 거친 레이저 광을 웨이퍼 스테이지(29) 상의 웨이퍼(25)에 입사시키기 위한 촛점렌즈(24)로 이루어진 자동촛점장치 모듈; 및, 슬릿(32)과, 슬릿(32)에 입사된 광을 회절격자(33)에 시준하기 위한 시준렌즈(32)와, 시준렌즈(32)에 의해 시준된 입사 빔의 파장에 따라 입사빔을 일정각도로 회절시키기 위한 회절격자(33)와, 회절격자(33)에 의해 회절된 광을 PSD(35) 상에 집속하기 위한 집속렌즈(34)와, PSD(35)로 구성되어, 상기한 웨이퍼(25)에 의해 반사되어 반도체 레이저(21)의 외부 광궤환에 의해서 발진하는 반도체 레이저(21)의 궤환광의 광강도변화를 전압변화로 변환하기 위한 분광부(40)와 PSD 신호처리부(50)를 포함하는 반도체 레이저의 외부 광궤환 방법을 이용한 웨이퍼 자동촛점장치.A laser splitter 23 for splitting the semiconductor laser 21, the collimating lens 22 for converting the laser light emitted from the foregoing semiconductor laser 21 into parallel light, and the laser beam passing through the collimating lens 22 into light splitter 23 And a focusing lens 24 for injecting the laser light that has passed through the light splitter 23 into the wafer 25 on the wafer stage 29; And an incident beam according to the wavelength of the incident beam collimated by the slit 32, the collimating lens 32 for collimating the light incident on the slit 32 on the diffraction grating 33, and the collimating lens 32. A diffraction grating 33 for diffracting the light at a constant angle, a focusing lens 34 for focusing the light diffracted by the diffraction grating 33 on the PSD 35, and the PSD 35. A spectroscope 40 and a PSD signal processor for converting a light intensity change of the feedback light of the semiconductor laser 21 reflected by one wafer 25 and oscillated by an external light feedback of the semiconductor laser 21 into a voltage change. Wafer autofocusing apparatus using an external optical feedback method of a semiconductor laser comprising a 50). 웨이퍼 스텝퍼의 주 광학계(80) 하부에 부설되며, 반도체 레이저(21), 시준렌즈(22), 광분할기(23), 반사거울(36) 및 초점렌즈(24)로 구성된 자동촛점장치 모듈(70); 상기한 자동촛점장치 모듈(70)에 의한 웨이퍼(25)의 수직방향 위치 변화에 따른 분광부에 의한 반도체 레이저(21)의 출력 파장에 따른 스테이지의 변화를 측정하여 스테이지를 제어하기 위한 분광부(40); 및, 상기한 자동촛점장치 모듈(70)을 분광부(40)와 연결하기 위한 집속렌즈(37, 26)와 광 파이버(38)를 포함하는 반도체 레이저의 외부 광궤환 방법을 이용한 웨이퍼 자동촛점장치.An autofocusing device module 70 which is installed under the main optical system 80 of the wafer stepper and is composed of a semiconductor laser 21, a collimating lens 22, a light splitter 23, a reflection mirror 36, and a focus lens 24. ); Spectroscope for controlling the stage by measuring the change of the stage according to the output wavelength of the semiconductor laser 21 by the spectroscope according to the vertical position change of the wafer 25 by the autofocusing device module 70 ( 40); And an external optical feedback method of a semiconductor laser including focusing lenses 37 and 26 and an optical fiber 38 for connecting the auto focusing module 70 to the spectroscope 40. . 반도체 레이저에서 나오는 레이저 광을 평행광으로 만들어 광분할기를 통해 웨이퍼에 입사시키는 단계; 상기한 웨이퍼의 수직방향 위치변화에 따른 상기한 반도체 레이저의 외부 광궤환에 의한 광강도 변화에 의해 레이저광의 출력파장을 변화시키는 단계: 및, 상기한 출력파장의 변화를 PSD 및 PSD 신호처리부를 거쳐 출력전압 변화로 변환하는 단계를 포함하는 반도체 레이저의 외부 광궤환 방법을 이용한 웨이퍼 자동촛점방법.Making laser light emitted from the semiconductor laser into parallel light and incident it on the wafer through a light splitter; Changing the output wavelength of the laser light by a change in the light intensity due to the external light feedback of the semiconductor laser according to the change in the vertical position of the wafer; and the change of the output wavelength through the PSD and PSD signal processing units. A wafer autofocusing method using an external optical feedback method of a semiconductor laser comprising the step of converting the output voltage change.
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