KR100579994B1 - 노광장치 및 얼라인 마크 측정 방법 - Google Patents

노광장치 및 얼라인 마크 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 노광장치 및 얼라인 마크 측정 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 노광용 광원의 에너지를 문턱에너지 이하로 낮추어 감광막의 하부에 존재하는 얼라인 마크를 측정함으로써 얼라인 마크 측정 파장과 노광 파장의 차이에 의한 측정 에러를 최소화하여 얼라인 성능 및 오버레이 정확도를 향상시키고 노광장치를 단순화시킬 수 있는 노광장치 및 얼라인 마크 측정 방법에 관한 것이다.
본 발명의 상기 목적은 광원 및 1개 이상의 렌즈, 미러 및 필터를 포함하는 광학계를 구비하고 상기 광학계를 투과한 빛에 의해 레티클에 형성된 패턴을 기판 상에 투영하는 노광장치에 있어서, 상기 광원에서 송출된 빛의 에너지를 문턱에너지 이하로 낮추는 에너지 조정장치, 상기 에너지 조정장치를 통과한 빛을 측정 광원으로 하는 얼라인 마크 측정장치 및 상기 광원에서 송출된 빛을 노광시에는 상기 광학계로, 측정시에는 상기 얼라인 마크 측정장치로 송출하는 광경로 조절장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 노광장치에 의해 달성된다.
따라서, 본 발명의 노광장치 및 얼라인 마크 측정 방법은 노광용 광원의 에너지를 문턱에너지 이하로 낮추어 감광막의 하부에 존재하는 얼라인 마크를 측정함으로써 얼라인 마크 측정 파장과 노광 파장의 차이에 의한 측정 에러를 최소화하여 얼라인 성능 및 오버레이 정확도를 향상시켜 불량을 감소시키고 노광장치의 단순화를 통해 노광장치의 단가를 낮추는 효과가 있다.
노광장치, 문턱에너지, 얼라인 마크, 측정

Description

노광장치 및 얼라인 마크 측정 방법{Lithography apparatus and method for measuring alignment mark}
도 1은 종래의 얼라인 마크 측정장치의 구성도.
도 2는 본 발명에 의한 노광장치의 구성도.
도 3은 본 발명에 의한 얼라인 마크 측정장치의 구성도.
본 발명은 노광장치 및 얼라인 마크 측정 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 노광용 광원의 에너지를 문턱에너지 이하로 낮추어 감광막의 하부에 존재하는 얼라인 마크를 측정함으로써 얼라인 마크 측정 파장과 노광 파장의 차이에 의한 측정 에러를 최소화하여 얼라인 성능 및 오버레이 정확도를 향상시키고 노광장치를 단순화시킬 수 있는 노광장치 및 얼라인 마크 측정 방법에 관한 것이다.
근래에 컴퓨터와 같은 정보 매체의 급속한 발전에 따라 반도체 소자 제조 기술도 비약적으로 발전하고 있다. 상기 반도체 소자는 집적도, 미세화, 동작속도 등 을 향상시키는 방향으로 기술이 발전하고 있다. 이에 따라 집적도 향상을 위한 리소그래피 공정과 같은 미세 가공 기술에 대한 요구 특성 또한 엄격해지고 있다.
리소그래피 기술은 레티클(reticle)을 포함하여 이루어지는 마스크(mask) 상에 형성된 패턴을 기판으로 전사하는 사진 기술로서 반도체 소자의 미세화 및 고집적화를 주도하는 핵심 기술이다. 일반적으로, 리소그래피 공정은 감광막을 도포하는 단계, 소프트베이크(softbake)하는 단계, 정렬 및 노광하는 단계, 노광후베이크(PEB : Post Exposure Bake)하는 단계 및 현상하는 단계를 포함하는 일련의 공정을 거쳐 수행된다.
상기 노광을 위한 노광장치에는 스테퍼(stepper), 스캐너(scanner) 등이 존재한다. 1990년대 이후 많이 사용되고 있는 스테퍼는 하나의 샷(shot)을 노광한 후 기판을 X축, Y축으로 하나의 샷만큼 이동하여 다음 샷을 노광하는 방식으로 통상, 5 ~ 6 인치 정도의 마스크 사이즈를 가지며 샷 영역을 한정하기 때문에 균일도가 좋으며 스테퍼의 투영렌즈를 통과한 빛은 그 크기가 1/5로 축소되어 기판에 노광되는 것이 보통이다. 스캐너는 필드 내 슬릿을 이용하여 노광을 함으로써 보다 균일도를 향상시키고 칩 사이즈의 대형화에 대응 가능한 대형 필드를 구현할 수 있다는 장점 때문에 최근에 많이 사용되고 있다. 통상, 6인치 정도의 마스크 사이즈를 가지며 1/4 축소 노광을 한다.
감광막은 하부층을 식각할 때 내식각성을 가지고 빛에 반응하는 감광성을 가진 재료로 양성 감광막(positive photoresist)과 음성 감광막(negative photoresist)이 존재한다. 양성 감광막은 빛에 노출된 영역에서 분해, 분자쇄 절단 등의 반응이 일어나 용해성이 크게 증가하여 현상시 제거되는 것으로서 내식각성이 강하고 해상력이 뛰어나 고집적도 반도체 공정에 많이 사용되고 있다. 이에 비해 음성 감광막은 빛에 노출된 영역에서 가교 등의 반응이 일어나 분자량이 크게 증가하여 현상시 제거되지 않고 남는 특성을 보이는 감광막이다.
상기 노광장치로 노광을 하기 전에 마스크와 기판의 위치를 확인하는 정렬을 수행하여 마스크 상의 패턴이 기판 상에 정확하게 형성되도록 한다. 마스크와 기판의 위치가 일치하지 않을 경우에는 기판이 놓인 스테이지를 X축, Y축 및 θ(회전축) 등으로 구동시켜 상기 정렬을 위한 위치를 보정한 다음 노광을 수행한다. 상기 정렬을 위해 기판 상의 소정 영역에 형성되는 마크를 얼라인 마크(alignment mark)라 한다.
오버레이 정확도란 적층 구조를 가지는 소자에서 이전 단계와 현재 단계 사이의 층간 정렬상태를 나타내는 지수로서 공정 진행 중의 에러, 마스크 자체의 에러 및 시스템 에러 등에 영향을 받는다. 일반적으로, 오버레이 측정패턴 및 얼라인 마크는 칩 사이를 분할하는 스크라이브 레인(scribe lane) 내에 형성한다.
상기 얼라인 마크는 감광막의 하부에 존재하기 때문에 감광막이 노광되는 것을 방지하기 위해 노광용 광원과는 별도의 광원을 사용하고 있다.
도 1은 종래의 얼라인 마크 측정장치의 구성도이다.
광원(100), 예를 들어 헬륨-네온 레이저(He-Ne laser)에서 송출된 빛은 반사판(101)과 광섬유(102) 및 렌즈(103)를 통과한 후 기판(120) 상의 감광막(140)을 통과한 후 얼라인 마크(130)에서 반사된 후 다시 렌즈(103)를 통과하여 반사판(104)에서 반사되어 씨씨디(Charge Coupled Device, 이하 CCD) 카메라(105)로 인입된다. 상기 CCD 카메라는 기판에서 반사된 빛을 이용하여 얼라인 마크를 탐지하고 신호를 얻어낸다.
그러나 종래의 얼라인 마크 측정장치는 노광용 광원과는 별도로 얼라인 마크를 측정하기 위한 광원인 헬륨-네온 레이저를 설치하여 사용하기 때문에 노광장치가 복잡하고 장치의 제조 단가를 상승시킨다. 또한, 측정용 광원을 교체하기 위한 시간과 비용이 많이 소모된다.
매질의 굴절율이 빛의 파장에 따라 달라지는 것을 분산이라고 한다. 헬륨-네온 레이저의 파장은 633 nm로 노광에 사용되는 노광 파장, 예를 들어 436 nm의 지-라인(g-line), 365 nm의 아이-라인(i-line), DUV(Deep ultraviolet) 영역의 248 nm, 193 nm 등과 다르기 때문에 노광시의 굴절율과 얼라인 마크 측정시의 굴절율이 달라지게 된다. 얼라인 마크 측정을 위해서는 다수의 박막층을 통과하게 되는데 이때 굴절율이 노광시의 굴절율과 다르기 때문에 측정 후 계산된 얼라인 마크의 위치 또한 달라지므로 보정에러가 발생하고 결과적으로 오버레이 에러가 초래되어 패턴의 불량을 발생시킨다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 노광용 광원의 에너지를 문턱에너지 이하로 낮추어 감광막의 하부에 존재하는 얼라인 마크를 측정함으로써 얼라인 마크 측정 파장과 노광 파장의 차이에 의한 측 정 에러를 최소화하여 얼라인 성능 및 오버레이 정확도를 향상시키고 노광장치를 단순화시킬 수 있는 노광장치 및 얼라인 마크 측정 방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은 광원 및 1개 이상의 렌즈, 미러 및 필터를 포함하는 광학계를 구비하고 상기 광학계를 투과한 빛에 의해 레티클에 형성된 패턴을 기판 상에 투영하는 노광장치에 있어서, 상기 광원에서 송출된 빛의 에너지를 문턱에너지 이하로 낮추는 에너지 조정장치, 상기 에너지 조정장치를 통과한 빛을 측정 광원으로 하는 얼라인 마크 측정장치 및 상기 광원에서 송출된 빛을 노광시에는 상기 광학계로, 측정시에는 상기 얼라인 마크 측정장치로 송출하는 광경로 조절장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 노광장치에 의해 달성된다.
본 발명의 상기 목적은 노광장치를 구성하는 광원에서 노광시의 파장과 동일한 파장을 가지는 측정 광원을 추출하는 단계, 상기 측정 광원의 에너지를 문턱에너지 이하로 낮추는 단계 및 상기 문턱에너지 이하의 측정 광원으로 얼라인 마크를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 얼라인 마크 측정 방법에 의해서도 달성된다.
본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.
도 2는 본 발명에 의한 노광장치의 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 광원(200)에서 발산된 빛은 타원거울(202)에 반사되어 셔터(204)를 통과한다. 상기 셔터는 비노광시간에는 광을 차단시켜 주는 장치로 장시간 사용시 셔터에 대미지(damage)를 주게 되므로 교환해야 한다. 상기 광원은 수은 램프, 엑시머 레이저와 같은 통상의 광원을 사용한다. 도 2에 예시된 노광장치의 구성은 자외선을 사용하는 경우를 나타낸 것으로 엑시머 레이저를 사용하는 DUV 영역의 노광장치에는 셔터가 필요하지 않고 비노광시에는 레이저 펄스를 일으키지 않음으로써 빛을 방출하지 않는다. 상기 셔터(204)를 통과한 다파장의 빛은 프리즘 원리를 이용한 선택필터(206)를 통과하면서 얻고자 하는 특정 파장의 빛만 남게 된다. 선택필터를 통과한 빛은, 예를 들어 436 nm의 파장을 가지는 지-라인(g-line) 또는 365 nm의 파장을 가지는 아이-라인(i-line)이 된다. 상기 선택필터(206)는 일반적으로 채색된 쿼츠를 사용한다.
노광시에는 광경로 조절장치(250)가 빛의 방향을 기판을 투영하기 위한 광학계 쪽으로 송출하여 노광 공정을 수행하게 된다. 제 1 컨덴서 렌즈(208), 제 1 미러(210), 플라이아이 렌즈(fly's eyl lens, 212), 광집속센서(214), 제 2 컨덴서 렌즈(216), 제 2 미러(218), 레티클 블라인드(reticle blind, 220), 칼리메이터 렌즈(collimator lens, 222)를 통과한 빛은 레티클(224), 투영렌즈(226)를 통과하면서 상기 레티클(224) 형상에 대응하는 감광막 패턴을 형성하게 된다.
얼라인 마크를 측정할 시에는 상기 광경로 조절장치(250)는 빛의 방향을 얼라인 마크 측정장치 쪽으로 송출하여 에너지 조정장치(260)를 거쳐 얼라인 마크 측 정장치(270)에서 측정을 수행한다. 상기 에너지 조정장치(260)는 빛의 에너지를 감광막을 제거할 수 있는 최소 노광에너지인 문턱에너지 이하로 낮추어 얼라인 마크 측정시 측정 광원에 의해 감광막이 노광되는 것을 방지하는 역할을 한다.
도 2에 도시한 노광장치의 구성은 일반적인 예를 든 것이며 본 발명은 도 2와 같은 구성을 가지는 노광장치에 제한되는 것은 아니며 장치 구성요소의 배열 순서에는 무관하게 적용할 수 있다. 즉, 장치 메이커에 따른 노광장치의 구성 차이 내지는 얼라이너, 스테퍼, 스캐너와 같이 노광방식의 차이에 따른 노광장치의 구성 차이에 관계없이 적용 가능하다. 또한, 도 2에 도시된 상기 광경로 조절장치(300)의 위치는 일례를 든 것이며 그 위치에 제한이 있는 것은 아니다. 아울러, 상기 에너지 조정장치(260)는 얼라인 마크 측정장치(270)에 부속될 수도 있으며 얼라인 마크 측정장치(270) 내의 소정의 광학계를 통과한 후에 측정 광원의 에너지를 조정하는 것도 가능하다.
도 3은 본 발명에 의한 얼라인 마크 측정장치의 구성도이다.
상기 에너지 조정장치(260)를 통과한 빛은 광집속수단(300)을 통해 집속되어 반사판(301)과 광섬유(302) 및 렌즈(303)를 통과한 후 기판(320) 상의 감광막(340) 하부에 있는 얼라인 마크(330)에서 반사된 후 다시 렌즈(303)를 통과하여 반사판(304)에서 다시 반사되어 영상장치(305), 예를 들어 CCD 카메라로 인입된다. 상기 영상장치(305)는 기판에서 반사된 빛을 이용하여 얼라인 마크를 탐지하고 신호를 얻어낸다. 상기 영상장치(305)에서 얻어진 신호는 이후의 공정, 예를 들어 기판의 정렬에 중요한 자료로 활용된다. 상기 얼라인 마크(330) 측정에 사용되는 빛 은 노광용 광원과 같은 파장, 예를 들어 436 nm의 지-라인, 365 nm의 가지는 아이-라인, DUV 영역의 248 nm 또는 193 nm이 되어 얼라인 마크 측정 파장과 노광 파장의 차이에 의한 측정 에러를 최소화하여 얼라인 성능 및 오버레이 정확도를 향상시켜 반도체 소자의 수율을 향상시킬 수 있다. 또한, 얼라인 마크 측정을 위한 별도의 광원이 필요없기 때문에 노광장치가 단순해지고 측정용 광원을 교체하기 위한 시간과 비용을 절약할 수 있다.
상기 얼라인 마크(330)는 라인 앤 스페이스(line and space) 패턴, 홀(hole) 패턴, 박스-인-바(box-in-bar) 패턴 등의 다양한 패턴이 가능하며 오버레이 마크를 겸하는 마크일 수도 있다. 또한, 양각 또는 음각에 관계없이 적용 가능하다.
도 3에 도시한 얼라인 마크 측정장치의 구성은 일반적인 예를 든 것이며 본 발명은 도 3과 같은 구성을 가지는 얼라인 마크 측정장치에 제한되는 것은 아니며 장치를 구성하는 광학계의 차이 내지는 광학계의 배열 순서에는 무관하게 적용할 수 있다. 즉, 장치 메이커에 따른 얼라인 마크 측정장치의 광학계 차이 내지는 측정 방식의 차이에 따른 광학계 차이에 관계없이 적용 가능하다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명의 노광장치 및 얼라인 마크 측정 방법은 노광용 광원의 에너지를 문턱에너지 이하로 낮추어 감광막의 하부에 존재하는 얼라인 마크를 측정함으로써 얼라인 마크 측정 파장과 노광 파장의 차이에 의한 측정 에러를 최소화하여 얼라인 성능 및 오버레이 정확도를 향상시켜 불량을 감소시키고 노광장치의 단순화를 통해 노광장치의 단가를 낮추는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 광원 및 1개 이상의 렌즈, 미러 및 필터를 포함하는 광학계를 구비하고 상기 광학계를 투과한 빛에 의해 레티클에 형성된 패턴을 기판 상에 투영하는 노광장치에 있어서,
    상기 광원에서 송출된 빛의 에너지를 문턱에너지 이하로 낮추는 에너지 조정장치;
    상기 에너지 조정장치를 통과한 빛을 측정 광원으로 하는 얼라인 마크 측정장치; 및
    상기 광원에서 송출된 빛을 노광시에는 상기 광학계로, 측정시에는 상기 얼라인 마크 측정장치로 송출하는 광경로 조절장치
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 노광장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원에서 송출된 빛 중에서 노광 또는 측정을 위한 특정 파장만을 추출하는 선택필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 노광장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 얼라인 마크 측정장치는
    광집속수단;
    상기 광집속수단을 통과한 빛을 제어하기 위한 광학계; 및
    상기 광학계를 통과한 후 기판에 입사되고 반사된 빛으로 영상을 구현하는 영상장치
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 노광장치.
  4. 얼라인 마크 측정 방법에 있어서,
    노광장치를 구성하는 광원에서 노광시의 파장과 동일한 파장을 가지는 측정 광원을 추출하는 단계;
    상기 측정 광원의 에너지를 문턱에너지 이하로 낮추는 단계; 및
    상기 문턱에너지 이하의 측정 광원으로 얼라인 마크를 측정하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 얼라인 마크 측정 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 측정 광원의 파장은 436 nm의 지-라인, 365 nm의 아이-라인, 248 nm, 193 nm 중 어느 하나임을 특징으로 하는 얼라인 마크 측정 방법.
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