KR100249789B1 - 정전용량 센서를 이용한 레티클 수평/수직 정렬방법 - Google Patents

정전용량 센서를 이용한 레티클 수평/수직 정렬방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 소자 제작의 핵심을 이루는 스텝퍼나 스캐너와 같은 노광장비에 있어서, 실제 노광 작업을 위해 반도체 회로 패턴을 담고있는 레티클을 카세트 혹은 카트릿지로 부터 레티클 척으로 반입하였을 때, 레티클이 웨이퍼나 광학계의 상대적인 적정 위치에 올 수 있도록 레티클을 수평방향으로 정렬할 뿐만 아니라 광축 방향으로 수직 정렬을 동시에 가능케 하는 레티클 정렬 장치에 관한 것으로, 이와같은 본 발명은 정전용량 센서를 사용하여 그 장치가 비교적 간단하면서도 높은 정밀도를 얻을 수 있다.

Description

정전용량 센서를 이용한 레티클 수평/수직 정렬방법
본 발명은 정전용량 센서를 이용한 레티클 수평/수직 정렬방법에 관한 것으로, 특히 반도체 소자 제작의 핵심을 이루는 스텝퍼나 스캐너와 같은 노광장비에 있어서, 실제 노광 작업을 위해 반도체 회로 패턴을 담고있는 레티클을 카세트 혹은 카트릿지로 부터 레티클 척으로 반입하였을 때, 레티클이 웨이퍼나 광학계의 상대적인 적정 위치에 올 수 있도록 레티클을 수평방향으로 정렬할 뿐만 아니라 광축 방향으로 수직 정렬을 동시에 가능하도록 하는 정전용량 센서를 이용한 레티클 수평/수직 정렬방법에 관한 것이다.
레티클에 기록된 전자 회로를 포토레지스트가 발라진 웨이퍼 표면으로 전사하는데 사용되는 반도체 노광장비는 현재 반도체의 집적도가 증가함에 따라 최소선폭 해상도가 증가하여 g-line, i-line을 거쳐 현재 248nm의 KrF 엑시머 레이저광이 사용되고 있고, 앞으로 1GDRAM이상의 고기억밀도 집적회로의 사용될 파장 193nm의 ArF 엑시머 레이저 step ＆ scan 노광장비가 곧 실용화될 전망이다.
반도체 노광장비의 주요 성능에는 해상도, 노광영역 및 정렬 정밀도 등이 있으며 특히 여러번의 패턴형성 과정이 필요한 반도체 공정에 있어서는 앞선 공정에서 만들어진 층과 이에 연속되어 만들어진 층에 형성되어 있는 해당 반도체 회로 패턴이 정확하게 중첩되어 형성되는 것이 매우 중요하다. 이와 관련된 노광장비의 성능이 회로 패턴의 중첩 정밀도(overlay accuracy)이며 일반적으로 노광장비에서는 반도체 회로에 형성되는 최소패턴의 1/4 이하의 중첩 정밀도가 요구되어진다.
이러한 웨이퍼 중첩 정밀도를 달성하기 위해서는 미세패턴이 전사되는 웨이퍼 정렬도 중요하지만 동시에 회로의 패턴이 담겨진 레티클의 정렬 또한 상대적으로 중요하다. 레티클 정렬계의 정렬 정밀도(alignment accuracy)는 반도체 소자 제작에 있어서 최종적인 중첩 정밀도를 달성하기 위해서 레티클 정렬 시스템이 가져야 할 정밀도로써 중첩 정밀도에 투영 광학계의 배율을 곱한 값으로 정의되며 계산상으로 투영 광학계의 배율이 X4 라고 할 때 256M DRAM 의 경우 약 0.24μm(3σ)의 레티클 정렬 정밀도가 요구된다.
또한, 이러한 레티클의 수평방향 정렬에 부가하여 대부분의 노광 장비에서는 레티클의 수직 방향 정렬 작업도 수행하는데 이는 레티클과 웨이퍼의 광학계에 대한 상대 위치에 따른 배율오차나 여러대의 노광장비를 혼용할 때 발생하는 장비간 배율오차를 레티클의 수직방향 위치를 미세조정해서 이러한 배율오차를 보정해 주기 위함이다.
레티클의 수평방향에 대한 정렬을 수행하기 위해 기존의 노광장비에서 사용하고 있는 레티클 정렬방법으로는 레티클 위에 미리 새겨진 정렬마크를 현미경 대물렌즈를 사용해서 확대하고 이를 TV 모니터를 통해서 수동적으로 정렬을 수행하거나, 혹은 회절격자 형태의 정렬마크에 의해서 회절된 정렬광의 간섭 혹은 회절효과를 이용하여 회절광의 강도(intensity)를 정렬 신호로 사용하는 방법을 들 수 있으며, 수직 방향의 정렬을 위해 레티클의 상대적 높낮이를 광, 혹은 LVDT 센서 등을 사용하여 측정하고 이를 PZT,모터 등의 액츄에니터를 동작시켜 위치를 보정해 주는 방법을 사용한다.
그러나, 기존의 이러한 방법들은 근본적으로 레티클의 수평/수직 방향의 정렬을 위한 센서가 각각 별도로 존재하여 두 방향에 대한 정렬을 하나의 센서로 동시에 수행 하는 것이 불가능 하기 때문에 레티클 정렬 장치는 당연히 매우 복잡해지고 부피가 커질 수 밖에 없는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 반도체 소자 제작의 핵심을 이루는 스텝퍼나 스캐너와 같은 노광장비에 있어서, 실제 노광 작업을 위해 반도체 회로 패턴을 담고있는 레티클을 카세트 혹은 카트릿지로 부터 레티클 척으로 반입하였을 때, 레티클이 웨이퍼나 광학계의 상대적인 적정 위치에 올 수 있도록 레티클을 수평방향으로 정렬할 뿐만 아니라 광축 방향으로 수직 정렬을 동시에 가능하도록 하는 정전용량 센서를 이용한 레티클 수평/수직 정렬방법을 제공함에 있다.
이와같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 수단은 정전용량 센서를 사용한 레티클 정렬 장치에 있어서, 정전용량 센서(305)를 레티클 정렬마크(306) 아래쪽에서 레티클(301)과 대향시키는 제1과정과, 레티클(301)과 정전용량 센서(305) 사이의 상대적 거리에 따른 전압차에 의해 수직 방향으로의 위치를 결정하는 제2 과정과, 수직 스테이지(203)을 통해 레티클(301)의 위치 오차를 보정하는 제3 과정을 포함하여 이루어진다.
도 1은 정전용량 센서의 원리를 설명하기 위한 원리도.
도 2는 도 1에서 사용되는 정전용량 센서의 전기신호를 처리하는 회로도.
도 3은 정전용량 센서를 사용한 레티클 평면/수직 동시 정렬장치의 개념을
나타내는 개략도.
도 4는 도 3의 정렬장치에 있어서 정전용량 센서의 위치와 스캔 방향을 나타내는 개략도.
도 5는 도 3와 같은 레티클 정렬 장치에 있어서 레티클의 수직 방향 정렬이 이루어 진 상태에서 추출되는 전기신호의 예시도.
도 6은 도 3와 같은 레티클 정렬 장치에 있어서 레티클이 기울어져 있을 때 추출되는 전기신호의 예시도.
도 7은 정렬할 레티클에 형성될 정렬용 마크의 위치 및 방향을 나타내는 예시도.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
101 : 정전용량 센서 102 : 측정대상물(혹은 레티클)
201,202, 203,204 : 다이오드 209 : 오실레이터
301 : 레티클 302 : 수평이동 스테이지
303 : 수직이동 스테이지 304 : 크롬 도포면
305 : 정전용량 센서 306 : 레티클 정렬마크
307 : 크롬이 없는 투명영역
401 : 레티클 정렬마크에 있어서 크롬이 도포된 불투명 영역
402 : 정렬마크 투명영역 403 : 레티클의 스캔방향
404,405,406,407,408,409,410 : 레티클이 스캔에 따른 정전용량 센서의 상대 위치
501 : 출력신호 전압 502 : 스테이지 스캔 시작위치
503 : 정렬마크 왼쪽경계위치 504 : 정렬마크 오른쪽 경계위치
505 : 스테이지 스캔 종료위치 506 정렬위치
601 : 출력신호 전압 602 : 스테이지 스캔 시작위치
603 : 정렬마크 왼쪽 경계위치 604 : 정렬마크 오른쪽 경계위치
605 : 스테이지 스캔 종료위치 606 : 정렬위치
701 : 레티클 702 : 전자회로 영역
703 : 레티클 X 방향 정렬마크 704 : 레티클 Y 방향 정렬마크
도 1은 정전용량 센서의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
평행하게 마주보는 두 전극(101)(102) 사이에 전압을 가하면 전극 사이에는 전하 Q가 축적된다. 이때 전하를 Q, 전압을 V, 정전용량을 C라고 하면, 이들 사이의 관계식은 C=Q/V 로 표현할 수 있으며, 두 전극(101)(102)사이 공간의 유전율을 ε, 비유전율εs라고 할 때 정전용량 C를 전극의 면적 S와 두 전극 사이의 거리 D로 표현하면 C=εεsS/D 로 나타낼 수 있다.
또, 비유전율 εs과 면적 S가 일정하면 전극 사이의 거리 D는 정전용량 C에 반비례하므로 직선적인 관계를 가진 정전용량-전압 변환회로에 의해 전전용량 C에 비례한 출력전압 e는 e=K.C 로 나타낼 수 있으며, 여기서 K는 정전용량-전압 변환회로의 변환감도이다.
앞의 식들에서 살펴보면 실제 시스템에서는 유전율 ε, 비유전율 εs, 회로의 변환감도 K, 면적 S가 일정하므로, 상수 K'으로 두면 D = (K εεsS ) / e = K'/ e 식으로 나타낼 수 있다. 이러한 식들에서 결국 센서와 측정물 사이의 거리는 회로의 출력전압 e에 비례하게 된다는 것을 알 수 있다.
도 2는 정전용량을 전압으로 변환하는 회로의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2에서 C1은 전극과 측정 대상물과의 사이에 형성되는 정전 용량이며 도 1에 나타낸 거리 D에 따라서 정전용량 변화분 ΔC1이 발생한다. C2는 C1+ ΔC1에 대응하여 회로의 평형을 이루기 위한 정전용량이며 정상상태에서 출력 전압이 0이 되도록 설정한다.
다이오드(201)(202)(203)(204)의 특성이 같고 C3=C4이면, C1=C2(ΔC1 =0)일 때 회로의 출력전압은 0이 된다. 도 2와 같은 회로에서 다이오드(201)(202)(203)(204)의 순방향 저항이 매우 작고 무시할 수 있다면 C1=C2, C3=C4로 하여 ΔC1에 대응하는 출력전압 e는 다음의 수학식(1)으로 나타낼 수 있다.
e = (-ΔC1/C1) E sinωt / (C1/C3) (1+ (ΔC1/C1) + (C3/C1)
이와같이 도 1 및 도 2에서 설명한 정전용량 센서의 원리를 이용한 레티클의 수평/수직 정렬을 위해, 본 발명에서는 도 3와 같은 장치를 사용한다. 레티클의 x 와 y 축 위치 및 회전오차를 알아내기 위하여서는 독립된 2개의 정전 용량 센서가 필요한데, 우선 도 3에서는 하나의 축에 대한 위치검출 방법에 대하여 설명한다.
레티클(301)은 각각의 X,Y,Z 방향으로의 미세조정을 위해 수평방향 스테이지(302)와 수직 방향으로의 이동을 위해 PZT 등의 액추에이터로 구성되는 수직방향 스테이지(303)에 장착된다. 스텝퍼와 같은 노광 장치에서 반도체 회로 패턴이 새겨지는 레티클(301)의 크롬면(304)은 노광작업이 이루어질 때 웨이퍼 면쪽을 향하므로 정전용량 센서(305)를 레티클 정렬마크(306) 아래쪽에서 레티클(301)과 대향시킨다.
정전용량 센서는 일종의 모듈 형태로 상용화되어 있다. 이때 정전용량 센서(305)는 기구물 등을 통해 고정되어 있으며, 수평 방향으로의 위치 검출을 위해서 레티클 스테이지(302)(303)를 X,Y 방향으로 스캐닝하면 레티클 정렬마크(306)의 크롬면(306)과 크롬이 없는 영역(307)이 정전용량 센서(305)를 통과하게 된다.
이때, 정전용량 센서 회로를 통해 출력 되는 펄스 형태의 전압변화를 검출하면 레티클(301)의 수평 방향으로의 정렬위치를 검출할 수 있다. 물론 레티클(301)의 이송을 위한 스테이지(302)(303)는 폐 루프(close-loop) 형태로 엔코더나 간섭계 등을 사용하여 현재의 위치를 정확히 알 수 있어야 한다.
다음으로, 레티클(301)의 수직방향(Z-축)에 대한 위치 결정 방법으로는 스테이지가 스캐닝 중이든 혹은 정지한 상태이든지 레티클(301)과 정전용량 센서(305) 사이의 상대적 거리에 따른 전압차에 의해 수직 방향으로의 위치(높낮이)를 알아낼 수 있다.
따라서, 도 3에 나타낸 바와 같이 본 발명을 통해서 제시하고자 하는 정전용량 센서(305)를 이용한 레티클 정렬 장치에서는 레티클(301)의 수직,/수평 방향에 대한 정렬을 동시에 수행할 수 있다.
도 4는 도 3와 같은 정렬장치를 이용하여 레티클의 수평방향 위치를 검출할 때 레티클에서의 정렬마크 모양과 스테이지가 스캐닝할 때 정전용량 센서의 위치에 관한 것이다.
401은 레티클 정렬 마크에서의 크롬 영역을 나타내며, 402는 크롬이 없는 투명 영역을 나타낸다. 레티클이 그림과 같은 방향(403)으로 스캐닝 하면 고정되어 있는 정전용량 센서의 상대적 위치는 (404) 에서 (410)으로 연속 이동하며, 각 위치(404)(405(406)(407)(408)(409)(410)에서의 출력 전압을 검출하여 이를 스테이지의 위치와 비교해서 레티클의 정렬위치를 검출하는데 사용된다.
도 5는 도 3와 같은 정렬장치를 사용하여 레티클을 스캐닝 하였을 때 레티클의 기울기가 없고 또한 수직방향 정렬이 이루어진 상태에서의 스캔 위치에 따른 정전용량 센서 회로의 출력신호(501) 전압 변화의 예를 나타내는 도면이다.
스테이지가 정지상태에서 스캐닝을 시작하면 도 4의 정렬마크의 에지 부분(405)(409)에서 출력신호(501)는 펄스 형태로 나타나며, 이때 스테이지의 출발점(502)과, 종료점(505), 그리고 펄스가 발생하는 지점(503)(504)의 위치를 대응시켜 정렬지점(506)을 찾는다.
도 5에서 도시된 바와같이, 레티클의 수직방향 정렬이 이루어진 상태에서는 스테이지의 스캐닝에 따른 출력전압 신호(501)의 기울기가 없을 것이다. 그러나, 도 6에서 보이는 것처럼 레티클이 기울어져 있을 때에는 스캐닝 하였을 때 출력전압 신호(601)의 기울기가 나타난다. 이러한 경우 역시 이때 스테이지의 출발점(602)과, 종료점(605), 그리고 펄스가 발생하는 지점의 위치(603)(604)를 대응시켜 정렬지점(605)을 찾으면 된다.
도 7은 도 3의 정렬 장치를 이용하여 레티클의 수직/수평 위치검출을 하는데 필요한 정렬마크의 모양과 레티클(701)에서의 각 위치에 대한 도면이다.
레티클 정렬마크(703)(704)는 전자회로 영역(702) 바깥쪽에 위치하며 각각 X축 방향의 정렬마크(703)와 Y축 방향의 정렬마크(704)로 구성되어진다. 각 정렬마크는 레티클 스테이지의 스캐닝을 통해 각각 X 방향의 위치, Y축 방향의 위치를 검출하는데 사용된다.
본 발명은 첫째, 기존의 레티클 정렬 장치에서 사용하는 방법으로는 현미경, 정렬용 조명광원, 모니터 등 매우 복잡한 정렬 시스템과 기구물 등이 필수적이었으나 본 발명에서 제시하는 새로운 레티클 정렬장치는 상용화 되어있는 정전용량 센서를 사용함으로써 비교적 간단하게 장치를 구성할 수 있으며, 또한 기존의 레티클 정렬 장치에 있어서 수평/수직 방향의 정렬을 위한 독립적인 센서를 각각 사용하는 방법과는 달리 정전용량 센서(capacitance sensor)를 사용하여 레티클의 수평/수직 방향으로의 정렬을 동시에 수행하게 되므로 레티클 정렬 장치를 위한 공간을 줄일 수 있다.
둘째로 레티클의 정렬 정밀도 측면에서도 현재 상용화 되어있는 정전용량 센서의 분해능은 보통 0.1μm 이하 이므로 기존의 방법에 비해서 더욱 정밀한 위치 정밀도를 얻을 수 있으며 레티클 상에 2개의 정렬마크를 측정함으로써 레티클의 위치 정보 뿐만 아니라 레티클의 회전량까지 동시에 추출할 수 있다.

Claims (3)

  1. 정전용량 센서를 사용한 레티클 정렬 장치에 있어서, 정전용량 센서(305)를 레티클 정렬마크(306) 아래쪽에서 레티클(301)과 대향시키는 제1과정과;
    레티클(301)과 정전용량 센서(305) 사이의 상대적 거리에 따른 전압차에 의해 수직 방향으로의 위치를 결정하는 제2 과정과;
    수직 스테이지(203)을 통해 레티클(301)의 위치 오차를 보정하는 제3 과정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 정전용량 센서를 이용한 레티클 수평/수직 정렬방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 과정이후에 레티클 수평 스테이지(302)를 평면 방향으로 스캐닝 하여 레티클 정렬마크(306)의 크롬면(306)과 크롬이 없는 영역(307)이 정전용량 센서(305)를 통과하게 될 때, 정전용량 센서 출력회로를 통해 출력 되는 펄스형태의 전압변화를 검출하여 이를 수평 스테이지(303)의 위치와 대응시켜 레티클(301)의 수평방향 정렬위치를 검출하는 과정을 더 포함하여 이루어 지는것을 특징으로 하는 정전용량 센서를 이용한 레티클 수평/수직정렬방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    레티클 수평/수직 방향의 정렬을 위한 독립적인 센서를 각각 사용하지 않고 하나의 정전용량 센서(305)를 사용하여 레티클의 수평/수직 방향으로의 정렬을 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는 정전용량 센서를 이용한 레티클 수평/수직정렬방법.
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