KR100522140B1 - 병렬 프로브로 리소그래피하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 병렬 프로브로 리소그래피하는 방법에 관한 것으로, 웨이퍼 상에 병렬 프로브 어레이와 그 병렬 프로브 어레이 외측 또는 내측 영역에 상호 대칭되도록 복수개의 컨택 레벨링 프로브들을 형성하는 제 1 단계와; 상기 컨택 레벨링 프로브들과 병렬 프로브에 전압을 인가하여 구동시키는 제 2 단계와; 상기 병렬 프로브가 형성된 웨이퍼를 리소그래피를 수행할 대상 웨이퍼에 접근시키는 제 3 단계와; 상기 컨택 레벨링 프로브들 중, 하나의 컨택 레벨링 프로브가 상기 대상 웨이퍼에 접촉되면, 병렬 프로브가 형성된 웨이퍼를 수평 정렬하는 제 4 단계와; 상기 모든 컨택 레벨링 프로브들이 상기 대상 웨이퍼에 접촉되면, 모든 프로브들에 인가된 전압을 해제하는 제 5 단계와; 상기 병렬 프로브가 형성된 웨이퍼를 대상 웨이퍼에 일정간격으로 근접시킨 후, 상기 병렬 프로브에 전압을 인가하여 리소그래피 공정을 수행하는 제 6 단계로 구성된다.

따라서, 본 발명은 컨택 레벨링(Contact leveling) 프로브를 형성하여, 리소그래피 공정을 수행하기 위해 병렬 프로브 어레이를 대상 웨이퍼로의 접근 시, 과도한 접촉에 의한 병렬 프로브 파괴를 방지하고, 고속 리소그래피 공정을 수행하여 나노 소자의 대량생산을 가능하게 할 수 있는 효과를 갖는다.

Description

병렬 프로브로 리소그래피하는 방법 {Lithography method by parallel probes}

본 발명은 병렬 프로브로 리소그래피하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 컨택 레벨링(Contact leveling) 프로브(병렬프로브 보다는 구동변위가 크며, 리소그래피를 수행할 대상웨이퍼에 접촉하여, 병렬프로브의 수평정렬을 수행하는 프로브)를 형성하여, 리소그래피 공정을 수행하기 위해 병렬 프로브 어레이를 대상 웨이퍼로의 접근 시, 과도한 접촉에 의한 병렬 프로브 파괴를 방지하고, 고속 리소그래피 공정을 수행하여 나노 소자의 대량생산을 가능하게 할 수 있는 병렬 프로브로 리소그래피하는 방법에 관한 것이다.

최근, 반도체 산업의 발전으로 리소그래피 기술에 대한 요구가 크게 증대하고 있고, 반도체 산업에서 가장 많이 사용되고 있는 리소그래피 기술은 광을 이용하여 소자의 형상을 형성하는 포토 리소그래피 방법이다.

포토 리소그래피 공정은 반도체 소자의 제조공정 중간 중간에 수행되며, 각 수행되는 포토 리소그래피 공정마다 포토 마스크가 사용된다.

포토 마스크는 소자의 형상을 만들기 위해, 남겨야 할 곳과 제거할 곳의 패턴을 형성하기 위하여 필요한 것이며, 포토 마스크와 소자의 형성 영역은 정밀한 정렬이 이루어져야 하므로, 각각의 마스크에는 정렬을 위한 정렬마크(Alignment mark)가 표시되어 있다.

도 1은 일반적인 포토리소그래피 공정을 설명하기 위한 단면도로서, 반도체 소자를 제조하기 위한 웨이퍼(Wafer)(20)의 상부에 감광막(21)을 형성하고, 상기 웨이퍼(20) 상부에 마스크(10)를 위치시키고, 상기 마스크(10)의 상부에서 자외선을 조사하면, 상기 웨이퍼(20)의 감광막(21) 상에는 마스크(10)의 개구 패턴과 동일하게 자외선이 조사된다.

상기 감광막(21)을 식각하면, 상기 마스크(10)의 개구 패턴과 동일한 감광막 패턴이 형성되고, 이 감광막 패턴으로 상기 웨이퍼(20)를 식각하면, 상기 웨이퍼(20) 상에는 패턴이 형성된다.

도 2는 일반적인 포토리소그래피 공정을 수행하기 위한 마스크의 개념도로서, 반도체 소자를 제조하기 위한 웨이퍼(Wafer)(20)의 상부에 위치되는 마스크(10)에는 개구 패턴(12)이 형성되어 있고, 상기 마스크(10)에는 정렬 마크(11)가 형성되어 있다.

이러한 정렬 마크(11)는 웨이퍼 상부에 정확하게 정렬하게 하고, 이런 정렬로 원하는 형상의 소자를 제조할 수 있게 된다.

즉, 정렬 마크(11)는 리소그래피 공정에 있어서 마스크 교환에 따른 각각의 마스크 정렬 오차에 의한 소자 패턴의 형상 에러를 없애기 위한 정렬 기준점인 것이다.

이러한 포토 리소그래피는 빠른 정렬과 대량생산을 할 수 있다는 장점이 있으나, 사용되는 광의 고유 회절 현상 때문에 소자 패턴 크기를 최소화하는데 한계가 있다.

즉, 고밀도의 소자 집적화를 이룰 수가 없다.

이러한, 소자 형상의 선폭을 줄이고, 고밀도 소자 집적화 기술을 이룩하기 위해 제시된 방법이 프로브를 이용한 리소그래피 방법이다.

프로브를 이용한 리소그래피 방법에는 프로브와 실리콘 시편 사이에 전압을 인가하여 발생되는 강한 전기장으로 실리콘 표면을 국부적으로 산화시켜 식각마스크로 사용하는 방법, 유기 박막이나 단층 레지스터(Monolayer resist)와 같은 레지스트 물질에 금속도금을 한 캔틸레버 프로브를 이용하여 프로브 끝단에서 나오는 전류를 일정하게 컨트롤함으로써 감광막이 코팅된 웨이퍼를 나노리소그래피하여 패턴을 형성하는 방법, 전자를 조사하여 레지스트의 화학적 성질을 변화시켜 나노리소그래피 하는 방법과 원하는 물질 구조를 시편 위에 직접적으로 패터닝할 수 있는 딥펜(Dip Pen) 방법등이 있다.

하지만, 이러한 방법들은 수~수십 nm의 소자 형상 선폭을 구현할 수가 있으나, 대부분 단일 프로브를 사용하므로 생산성에 있어서는 커다란 약점을 가진다.

이러한 포토 리소그래피 공정의 대량 생산성과 프로브를 이용한 nm의 소자 선폭 구현의 장점을 접목한 방법이 병렬 프로브 어레이를 이용한 리소그래피 방법이다.

병렬 프로브 어레이를 이용한 리소그래피 방법은 병렬 프로브 어레이와 하부 소자 제작용 웨이퍼와의 직접 기록(Direct-write) 방식을 이용하므로, 별도의 마스크를 사용하지 않는다.

이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 컨택 레벨링(Contact leveling) 프로브를 형성하여, 리소그래피 공정을 수행하기 위해 병렬 프로브 어레이를 대상 웨이퍼로의 접근 시, 과도한 접촉에 의한 병렬 프로브 파괴를 방지하고, 고속 리소그래피 공정을 수행하여 나노 소자의 대량생산을 가능하게 할 수 있는 병렬 프로브로 리소그래피하는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 웨이퍼 상에 병렬 프로브 어레이와 그 병렬 프로브 어레이 외측 또는 내측 영역에 상호 대칭되도록 복수개의 컨택 레벨링 프로브들을 형성하는 제 1 단계와;

상기 컨택 레벨링 프로브들과 병렬 프로브에 전압을 인가하여 구동시키는 제 2 단계와;

상기 병렬 프로브가 형성된 웨이퍼를 리소그래피를 수행할 대상 웨이퍼에 접근시키는 제 3 단계와;

상기 컨택 레벨링 프로브들 중, 하나의 컨택 레벨링 프로브가 상기 대상 웨이퍼에 접촉되면, 병렬 프로브가 형성된 웨이퍼를 수평 정렬하는 제 4 단계와;

상기 모든 컨택 레벨링 프로브들이 상기 대상 웨이퍼에 접촉되면, 모든 프로브들에 인가된 전압을 해제하는 제 5 단계와;

상기 병렬 프로브가 형성된 웨이퍼를 대상 웨이퍼에 일정간격으로 근접시킨 후, 상기 병렬 프로브에 전압을 인가하여 리소그래피 공정을 수행하는 제 6 단계로 구성된 병렬 프로브로 리소그래피하는 방법이 제공된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 3a 내지 3d는 본 발명에 따른 병렬 프로브가 구비된 웨이퍼 상에 컨택 레벨링(Contact leveling) 프로브가 형성된 상태를 개략적으로 도시한 평면도로서, 먼저, 도 3a와 3d에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(100) 상에 병렬 프로브 어레이가 형성된 영역(110)의 외측에 있는 웨이퍼(100) 영역에 컨택 레벨링 프로브들(121a,121b,121c,121d)을 상호 대칭되도록 형성한다.

또는, 도 3b와 3c와 같이, 웨이퍼(100) 상에 병렬 프로브 어레이가 형성된 영역(110)의 내측에 컨택 레벨링 프로브들(121a,121b,121c,121d)을 상호 대칭되도록 형성한다.

여기서, 상기 병렬 프로브 어레이와 컨택 레벨링 프로브들은 실리콘 및 SOI 웨이퍼를 이용하여 제조될 수 있다.

도 4a 내지 4b는 본 발명에 따른 병렬 프로브 및 컨택 레벨링(Contact leveling) 프로브의 구동되는 상태도로서, 본 발명에 따른 컨택 레벨링 프로브(121a,121b)를 갖는 병렬 프로브(130)는 웨이퍼(100)에 지지되어 부상되어 있다.

도 4a에서 전압이 인가되기 전의 초기 상태에서는 병렬 프로브(130)와 컨택 레벨링 프로브(121a,121b)는 구동되지 않는다.

그 후, 상기 컨택 레벨링 프로브(121a,121b)에 전압을 인가하면, ''의 변위가 발생한다.(도 4b)

그 다음, 상기 병렬 프로브(130)에 전압을 인가하면, 각 프로브들은 ''의 변위가 발생한다.(도 4c)

마지막으로, 병렬 프로브(130)를 이용한 리소그래피 공정 수행시에는, 상기 컨택 레벨링 프로브(121a,121b)에 전압을 인가하지 않고, 상기 병렬 프로브(130)에만 전압을 인가하여, 리소그래피 공정을 수행한다.(도 4d)

도 5a 내지 5d는 본 발명에 따른 컨택 레벨링 프로브를 갖는 병렬 프로브가 형성된 웨이퍼가 리소그래피(Lithography)공정을 수행할 웨이퍼에 접근, 수평 정렬과 리소그래피하는 방법을 설명하는 도면으로서, 먼저, 컨택 레벨링 프로브들(121a,121b)과 병렬 프로브(130) 구동시키고, 컨택 레벨링 프로브를 갖는 병렬 프로브가 형성된 웨이퍼를 감광막(310)이 형성된 웨이퍼(300), 즉, 패턴을 형성하기 위한 웨이퍼에 접근시킨다.

이 때, 도 5a와 같이, 컨택 레벨링 프로브들 중, 하나의 컨택 레벨링 프로브(121a)만 상기 감광막(310)에 접촉되면, 미세 스테이지로 컨택 레벨링 프로브를 갖는 병렬 프로브가 형성된 웨이퍼를 수평 정렬한다.

그 후, 도 5b에 도시된 바와 같이, 모든 컨택 레벨링 프로브들(121a,121b)이 상기 감광막(310)에 접촉되면, 모든 프로브들에 인가된 전압을 해제한다.

그 다음, z축 스테이지로 병렬 프로브(130)가 형성된 웨이퍼를 리소그래피를 수행할 웨이퍼에 일정간격으로 근접시킨 후, 상기 병렬 프로브(130)에 전압을 인가하여 리소그래피 공정을 수행한다.(도 5d)

이 때, 상기 일정간격은 도 5a에 도시된 바와 같이, 병렬 프로브를 전술된 상기 컨택 레벨링 프로브와 상기 병렬 프로브간의 변위차()만큼의 간격이다.

도 6은 본 발명에 따른 컨택 레벨링 프로브들을 갖는 병렬 프로브를 이용한 나노리소그래피 공정을 수행하는 플로우챠트로서, 먼저, 병렬 프로브 및 컨택 레벨링 프로브의 위치를 초기화한다.(S100단계)

여기서, 상기 병렬 프로브는 웨이퍼 상에 어레이되어 있고, 상기 컨택 레벨 프로브는 도 3a 내지 3d에 도시된 바와 같이, 병렬 프로브 어레이가 형성된 영역의 외측 또는 내측에 상호 대칭되도록 복수개가 형성되어 있는 것이다.

그 후, 상기 컨택 레벨링 프로브에 전압을 인가하여 상기 컨택 레벨링 프로브에 ''의 변위가 발생하도록 하고(S110단계), 상기 병렬 프로브에 전압을 인가하여 상기 병렬 프로브에 ''의 변위가 발생하도록 한다.(S120단계)

그 다음, 상기 컨택 레벨링 프로브와 상기 병렬 프로브간의 변위차()를 설정하고(S130단계), 상기 병렬 프로브에 인가된 전압을 해제한다.(S140단계)

연이어, 상기 컨택 레벨링 프로브와 상기 병렬 프로브들을 리소그래피를 수행할 대상 웨이퍼로 접근시키고(S150단계), 상기 컨택 레벨링 프로브들 중, 1개가 대상 웨이퍼에 접촉되었는가를 판단한다.(S160단계)

이 때, 만약, 상기 컨택 레벨링 프로브들 중, 1개가 대상 웨이퍼에 접촉되어 있지 않으면, 상기 S150단계를 다시 수행한다.

그리고, 만약, 상기 컨택 레벨링 프로브들 중, 1개가 대상 웨이퍼에 접촉되어 있으면, 상기 접촉된 컨택 레벨링 프로브를 중심으로 프로브의 웨이퍼를 수평 미세 정렬한다.(S170단계)

계속하여, 상기 수평 미세 정렬 후에, 상기 컨택 레벨링 프로브 모두가 대상 웨이퍼에 접촉되었는 가를 판단한다.(S180단계)

여기서, 만약, 상기 컨택 레벨링 프로브 모두가 대상 웨이퍼에 접촉되어 있지 않으면, S170단계를 수행하고, 상기 컨택 레벨링 프로브 모두가 대상 웨이퍼에 접촉되어 있으면, 상기 컨택 레벨링 프로브에 인가된 전압을 해제한다.(S190단계)

그 후, z축 스테이지를 이용하여, 병렬 프로브를 전술된 상기 컨택 레벨링 프로브와 상기 병렬 프로브간의 변위차()만큼 하향 이동하고(S200단계), 상기 병렬프로브를 구동하기 위한 전압을 인가하고(S210단계), 리소그래피 공정을 수행한다.(S220단계)

도 7은 본 발명에 따른 병렬 프로브와 컨택 레벨링 프로브의 단면도로서, 본 발명의 병렬 프로브와 컨택 레벨링 프로브는 변위센서와 압전 마이크로 엑츄에이터를 구비한다.

도 7은 SOI기판을 이용하여 제조된 병렬 프로브와 컨택 레벨링 프로브이며, 먼저, 제 1 실리콘층(400)의 상부에 실리콘 산화막(410)이 형성되어 있고, 이 실리콘 산화막(410)의 상부에는 제 2 실리콘층(411)이 형성되어 있는데, 이 제 2 실리콘층(411)은 상기 실리콘 산화막(410) 측면에서 연장되어 부상되어 캔틸레버가 구현되어 있다.

그리고, 상기 제 2 실리콘층(411)의 상부에는 압전 엑츄에이터(420)가 형성되어 있으며, 상기 제 2실리콘층(411)의 선단에는 팁(413)이 형성되어 있고, 상기 압전 엑츄에이터(420)와 팁(413)의 사이의 제 2실리콘층(411) 상부에는 변위센서(414)가 형성되어 있다.

즉, 병렬 프로브와 컨택 레벨링 프로브 각각은 웨이퍼 상에 지지되어 부상되어 있는 캔틸레버와, 상기 캔틸레버의 상부에 형성된 압전 엑츄에이터와, 상기 캔틸레버의 상부 선단에 형성된 팁과, 상기 압전 엑츄에이터와 팁 사이의 캔틸레버 상부에 형성된 변위센서로 구성된다.

상기 변위 센서(414)는 실리콘 또는 폴리 실리콘 같은 물질에 p-도핑(Doping) 또는 n-도핑과 같은 방법으로 형성할 수 있으며, 팁과 샘플과의 분자력에 의해 캔틸레버의 변형정도에 따라 변위 센서의 변화되는 저항값으로 캔틸레버의 변위 정도를 검지하는데 사용된다.

또한, 이 변위 센서는 정전용량식 변위 센서의 사용도 가능하다.

이 정전 용량식 변위 센서는 움직이는 캔틸레버와 고정된 부위사이에 두 전극으로 캐패시터를 구성하면, 움직임에 따른 캐패시터의 용량 변화로 변위를 감지할 수 있다.

또한, 상기 압전 마이크로 액추에이터(420)는 각각의 프로브를 독립적으로 구동하기 위해 하부전극(421), PZT막(422)과 상부전극(423)의 캐패시터 형태로 제작된다.

그리고, 상기 팁(413)은 저에너지 전류를 방출하기 위하여 금속으로 형성하거나, 도핑된 실리콘으로 형성하는 것이 바람직하다.

더불어, 상기 팁(413)에 잉크를 묻혀 리소그래피 공정을 수행할 수도 있다.

따라서, 컨택 레벨링(Contact leveling) 프로브는 리소그래피 공정 수행을 위해 병렬 프로브 어레이를 대상 웨이퍼로의 접근 시, 과도한 접촉에 의한 병렬 프로브 파괴를 방지하는 안전핀과 같은 역할을 하며, 병렬 프로브가 제작된 웨이퍼를 수평으로 정렬하는 역할을 하는데 사용된다.

더불어, 상기 컨택 레벨링 프로브는 리소그래피를 수행할 대상 웨이퍼의 표면 상태를 측정하는 AFM(Atomic Force Microscopy)의 역할을 수행함으로써, 병렬 프로브와 대상 웨이퍼의 수평 상태를 균일하게 유지할 수 있다.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 컨택 레벨링(Contact leveling) 프로브를 형성하여, 리소그래피 공정을 수행하기 위해 병렬 프로브 어레이를 대상 웨이퍼로의 접근 시, 과도한 접촉에 의한 병렬 프로브 파괴를 방지하고, 고속 리소그래피 공정을 수행하여 나노 소자의 대량생산을 가능하게 할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

도 1은 일반적인 포토리소그래피 공정을 설명하기 위한 단면도

도 2는 일반적인 포토리소그래피 공정을 수행하기 위한 마스크의 개념도

도 3a 내지 3d는 본 발명에 따른 병렬 프로브가 구비된 웨이퍼 상에 컨택 레벨링(Contact leveling) 프로브가 형성된 상태를 개략적으로 도시한 평면도

도 4a 내지 4d는 본 발명에 따른 병렬 프로브 및 컨택 레벨링(Contact leveling) 프로브의 구동되는 상태도

도 5a 내지 5d는 본 발명에 따른 컨택 레벨링 프로브를 갖는 병렬 프로브가 형성된 웨이퍼가 리소그래피(Lithography)공정을 수행할 웨이퍼에 접근, 수평 정렬과 리소그래피하는 방법을 설명하는 도면

도 6은 본 발명에 따른 컨택 레벨링 프로브들을 갖는 병렬 프로브를 이용한 나노리소그래피 공정을 수행하는 플로우챠트

도 7은 본 발명에 따른 병렬 프로브와 컨택 레벨링 프로브의 단면도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 웨이퍼 121a,121b,121c,121d : 컨택 레벨링 프로브

130 : 병렬 프로브 300 : 웨이퍼

310 : 감광막 400,411 : 실리콘층

410 : 실리콘 산화막 413 : 팁

414 : 변위센서 420 : 압전 엑츄에이터

Claims (9)

1. 웨이퍼 상에 병렬 프로브 어레이와 그 병렬 프로브 어레이 외측 또는 내측 영역에 상호 대칭되도록 복수개의 컨택 레벨링 프로브들을 형성하는 제 1 단계와;

   상기 컨택 레벨링 프로브들과 병렬 프로브에 전압을 인가하여 구동시키는 제 2 단계와;

   상기 병렬 프로브가 형성된 웨이퍼를 리소그래피를 수행할 대상 웨이퍼에 접근시키는 제 3 단계와;

   상기 컨택 레벨링 프로브들 중, 하나의 컨택 레벨링 프로브가 상기 대상 웨이퍼에 접촉되면, 병렬 프로브가 형성된 웨이퍼를 수평 정렬하는 제 4 단계와;

   상기 모든 컨택 레벨링 프로브들이 상기 대상 웨이퍼에 접촉되면, 모든 프로브들에 인가된 전압을 해제하는 제 5 단계와;

   상기 병렬 프로브가 형성된 웨이퍼를 대상 웨이퍼에 일정간격으로 근접시킨 후, 상기 병렬 프로브에 전압을 인가하여 리소그래피 공정을 수행하는 제 6 단계로 구성된 병렬 프로브로 리소그래피하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 컨택 레벨링 프로브는,

   그의 구동 변위()가 상기 병렬 프로브가 구동되는 변위()보다 큰 것을 특징으로 하는 병렬 프로브로 리소그래피하는 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 제 6 단계의 일정간격은,

   상기 컨택 레벨링 프로브와 상기 병렬 프로브간의 변위차()만큼의 간격인 것을 특징으로 하는 병렬 프로브로 리소그래피하는 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 병렬 프로브와 컨택 레벨링 프로브 각각은,

   웨이퍼 상에 지지되어 부상되어 있는 캔틸레버와, 상기 캔틸레버의 상부에 형성된 압전 엑츄에이터와, 상기 캔틸레버의 상부 선단에 형성된 팁과, 상기 압전 엑츄에이터와 팁 사이의 캔틸레버 상부에 형성된 변위센서로 구성된 것을 특징으로 하는 병렬 프로브로 리소그래피하는 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 변위센서는,

   상기 캔틸레버에, p-도핑 또는 n-도핑하여 형성하는 것을 특징으로 하는 병렬 프로브로 리소그래피하는 방법.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 변위센서는,

   정전용량식 변위 센서인 것을 특징으로 하는 병렬 프로브로 리소그래피하는 방법.
7. 제 4 항에 있어서,

   상기 압전 엑츄에이터는,

   상기 캔틸레버 상부에 하부전극, 압전막과 상부전극을 순차적으로 적층하여 형성한 것을 특징으로 하는 병렬 프로브로 리소그래피하는 방법.
8. 제 4 항에 있어서,

   상기 팁은,

   저에너지 전류를 방출하기 위하여 금속으로 형성하거나, 또는 도핑된 실리콘으로 형성하는 것을 특징으로 하는 병렬 프로브로 리소그래피하는 방법.
9. 제 4 항에 있어서,

   상기 제 6 단계의 리소그래피 공정은,

   상기 팁에 잉크를 묻혀 리소그래피 공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 병렬 프로브로 리소그래피하는 방법.