KR100740992B1

KR100740992B1 - 나노 임프린트 공정에서 원형 모아레를 이용한 다층 패턴정렬방법 및 정렬장치

Info

Publication number: KR100740992B1
Application number: KR1020060070176A
Authority: KR
Inventors: 김기홍; 이재종; 최기봉
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2006-07-26
Filing date: 2006-07-26
Publication date: 2007-07-20

Abstract

본 발명은 나노 임프린트 공정에서 원형 모아레를 이용한 다층 패턴 정렬방법에 관한 것으로, 나노 임프린트 공정에서 스템프(Mask)와 기판(Wafer)을 정렬하는 방법에 있어서, 상기 스템프와 기판 각각에 지름이 다른 복수 개의 원이 일정 피치를 가지고 동심원 형태로 배열되는 격자를 적어도 2개 이상 형성하고, 이 스템프 격자와 상기 기판 격자가 서로 중첩되어 모아레 무늬를 형성하도록 대응되게 배치되는 단계, 상기 단계에서 중첩된 상기 스템프 격자와 상기 기판 격자를 광학계로 촬영하여 원형 모아레 무늬를 획득하는 단계, 상기 획득된 원형 모아레 무늬를 수학적 알고리즘으로 분석하여 상기 스템프와 상기 기판의 오차 및 오차 방향을 정량적으로 추출하는 단계 및 상기 추출단계에서 추출된 오차량을 가지고 구동메카니즘을 이용하여 상기 스템프 또는 기판을 이동시켜 오차를 보상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성되고 작용되는 본 발명은 스템프와 기판의 오차량 및 오차방향에 대한 오차값을 산출함으로써, 그에 따라 좀 더 정밀한 위치보상이 이루어지는 이점이 있다.

나노 임프린트, 원형 모아레, 중첩, 스템프, 기판, 동심원

Description

나노 임프린트 공정에서 원형 모아레를 이용한 다층 패턴 정렬방법 및 정렬장치{Align method and Align equipment using circular moire patterns for multilayer patterning in Nano-imprint Process}

도 1은 종래 나노 임프린팅 공정에서 선형 격자들이 중첩되었을 때 만들어지는 모아레 영상을 나타낸 도면,

도 2는 본 발명에 따른 나노 임프린팅 공정에서 스템프와 기판에 형성된 격자를 중첩시키고, 이로 인하여 발생하는 모아레 무늬를 비전 현미경으로 획득하여 스템프 기판의 정렬 정도를 조절하는 메카니즘을 나타낸 개략적인 구성도,

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 스템프와 기판에 형성되는 스템프 격자와 기판 격자를 나타낸 도면,

도 3b는 본 발명에 따른 스템프 격자와 기판 격자의 단면을 나타낸 단면도,

도 4a는 본 발명에 따른 스템프 및 기판의 정렬오차(위치오차)가 있을 때 발생하는 모아레 무늬를 나타낸 도면,

도 4b는 본 발명에 따른 스템프 및 기판의 정렬오차(위치오차)가 없을 때 발생하는 모아레 무늬를 나타낸 도면,

도 5는 본 발명에 따른 모아레 무늬를 해석하기 위한 좌표계 및 변수설정을 나타낸 도면,

도 6은 도 5의 조건에서 모아레로부터 정렬 오차 및 오차방향을 추출하는 그래프 나타낸 도면,

도 7은 본 발명에 따른 모아레 무늬를 획득하여 영상 처리되는 과정을 나타낸 도면.

<도면의 주요 부호에 대한 부호의 설명>

10 : 스템프(Mask) 20 : 기판

30 : 스템프 격자 40 : 기판 격자

50 : 모아레 무늬 60 : 비전 광학계

본 발명은 나노 임프린트 공정에서 스템프의 패턴을 기판(substrate)에 적층식으로 임프린팅할 때 그 패턴을 정렬(alignment)하는 방법 및 정렬장치에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 스템프(Mask) 및 기판 각각에 복수 개의 원이 동심원 형태로 배열된 동심원 격자를 형성하고 이들을 중첩시켜 모아레 무늬를 생성시키고, 이를 광학계를 통해 카메라로 촬영해 영상을 획득한 후 수학적 알고리즘을 통해 해석하여 스템프와 기판의 상대 위치 오차 및 오차 방향을 정량적으로 추출하여 보상함으로써 적층되는 패턴을 지정된 위치에 정확하게 임프린팅 할 수 있는 나노 임프린트 공정에서 원형 모아레를 이용한 다층 패턴 정렬방법 및 정렬장치에 관한 것이다.

나노 임프린팅 장치는 반도체 기판 또는 유리 기판과 같은 서브스트레이트의 표면과 스템프의 표면에 제작된 고집적 회로와 같은 패턴을 접촉식으로 성형하는 공정기술을 장치화 한 것이다.

이러한 나노 임프린팅 장치는 기판의 사용 목적 및 기능에 따라 패턴을 여러 가지 형태로 성형하게 되는데, 특히 복수 개의 배선층으로 구성된 기능성 소자(functional devices)를 제작할 때, 각 층마다 특정한 패턴을 가지도록 설계된 여러 장의 스템프를 이용하여 서브스트레이트의 동일 영역에 순차적으로 임프린팅하여 다층 패턴(multi-layer patterns)을 제작하기도 한다.

다층 패터닝(multilayer patterning)은 단층 패터닝과는 달리 여러 가지 기술이 필요한데, 그 중 층간 패턴 사이의 위치를 결정하는 정렬 기술은 가장 중요한 기술중의 하나이다. 정렬기술은 리소그라피(Lithography)에 따라 매우 다양한 방법이 개발되었는데, 나노 임프린트 공정에 적합한 방법으로 영상처리법(vision), 모아레(moire), 이중 격자 회절법(double grating diffraction)등을 들 수 있다.

이 중 모아레 방법은 구현이 용이하고 비교적 높은 수준의 정렬을 수행할 수 있어 많은 연구가 진행되고 있다. 기존 모아레 방법은 주로 선형 격자(linear grating)를 이용한다. 이 방법은 직교 좌표계를 고려할 때 반드시 두 방향의 격자쌍을 이용하여야 하며, 특히 격자가 포함된 평면에 수직한 축에 대한 회전 오차는 검출하기 어려운 특성을 가진다.

이리하여 이미 성형된 패턴 위에 동일 또는 다른 패턴을 성형하게 되어 후에 성형되는 패턴이 지정된 위치에 정확하게 적층 되지 않으면 불량 기판을 양산하는 원인이 된다.

따라서, 나노 임프린팅 공정에서 기판과 이 기판에 패턴을 성형하는 스템프를 최대한 바르게 위치 정렬하는 것이 불량품을 줄이는 방법이기 때문에 이를 위해 많은 연구와 노력이 진행되고 있다.

이러한 기술을 적용한 종래의 나노 임프린팅 방법은 미국특허 '6,150,231호'를 살펴보면 상술한 바와 같은 선형모아레를 이용하여 스템프의 패턴을 기판의 지정된 위치에 정렬하는 방법이 있었다. 다시 말해, 기판과 스템프 각각의 외곽부에 선형 격자(100)를 만들고, 스템프가 기판의 지정된 임프린팅 위치에 대응될 때 중첩된 선형 격자로 생성되는 모아레 무늬를 비전 시스템을 이용하여 획득한다. 그리고 획득된 모아레 무늬로부터 정렬 오차는 기존 모아레 무늬와의 비교법 또는 특정 수학식을 이용한 방법 등 다양한 방법들이 사용되고 있다.

상술한 종래 기술에서 정렬방법으로 사용된 모아레는 도 1에서 보는 바와 같이 직선 형태를 가지며, 임프린팅 공정에서 이들 2개의 선형모아레는 광학계 내부에서 중첩되어 특정한 모아레 영상을 나타내게 되는데, 이때 얻어진 영상이 처음 세팅된 영상과 상이할 경우 기계장치를 이용하여 마스크 또는 기판을 움직여 처음 세팅된 모아레 영상과 일치되게 하여 마스크의 패턴을 기판상에 정렬한다.

그런데, 이러한 종래의 선형모아레는 직선이 막대그래프 형태로 이루어진 선형모아레 구조이기 때문에 패턴의 1축(예컨대, X축 또는 Y축)만 정렬이 가능하여 정확도가 낮은 문제점이 있었다. 따라서 패턴의 정렬 정확도를 높이기 위해 마스크 또는 기판을 2축(X축 및 Y축) 방향으로 동시에 움직이면서 정렬하기 위해서는 선형 모아레를 X축 및 Y축 2개의 방향에 배치하여야 하므로 제작이 복잡한 단점이 있었다.

뿐만 아니라, 종래 선형모아레는 중첩된 모아레 영상이 초기 세팅된 모아레 영상과 일치하지 않는 경우 이 오차를 측정하기 위한 구체적인 방법이 제시되지 않아 정성적(qualitative)으로만 측정하였기 때문에 패턴을 정확하게 정렬하지 못하는 문제가 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 스템프 및 기판에 격자 형상을 갖는 모아레를 형성하고 이를 중첩시켜 초기 세팅된 모아레 영상과 오차를 측정하였으나 이 또한 그 오차를 정성적으로 측정하였기 때문에 패턴의 정확도가 낮아지는 근본적인 문제를 해결하지 못하였다.

상술한 바와 같이 기존의 모아레 정렬법은 선형격자(100) 또는 체크박스(200) 형태의 격자를 이용하여 선형의 모아레 무늬를 생성시키게 되는데, 이는 두 가지 서로 의존적인 단점을 가진다. 첫 번째는 정렬 정도를 높이기 위해서는 정렬 방향에 대하여 선형 모아레 무늬가 정확하게 수직으로 생성되어야 하는 점이다. 이는 곧 모아레 무늬를 생성시키는 두 격자 패턴이 정확하게 정렬 방향에 수직이어야 하는 점을 의미한다. 두 번째는 일반적으로 선형 모아레 무늬에서 무늬가 포함된 평면에 수직한 축에 대한 회전각을 측정하기가 어렵고 측정하더라도 측정 정확도가 매우 낮다. 따라서 선형 모아레 무늬에서는 회전 정도를 측정하기 어렵기 때문에 정확한 정렬이 어려우며, 이로 인하여 정렬 오차가 발생되는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 스템프(Mask) 및 기판 각각에 복수 개의 원이 동심원 형태로 배열된 동심원 격자를 형성하여 이들을 중첩시켜 모아레를 무늬를 획득하고, 이 모아레 무늬를 광학계로 촬영한 후 수학적 알고리즘으로 해석하여 스템프 격자의 중심에서 기판 격자의 중심이 벗어난 거리와 벗어난 각도 즉, 오차량과 오차 방향을 정량적으로 측정하여 보상함으로서 적층되는 패턴을 지정된 위치에 정확하게 임프린팅 할 수 있는 나노 임프린트 공정에서 원형 모아레를 이용한 다층 패턴 정렬방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 나노 임프린트 공정에서 스템프(Mask)와 기판(Wafer)을 정렬하는 방법에 있어서, 상기 스템프와 기판 각각에 지름이 다른 복수 개의 원이 일정 피치를 가지고 동심원 형태로 배열되는 격자를 적어도 2개 이상 형성하고, 이 스템프 격자와 상기 기판 격자가 서로 중첩되어 모아레 무늬를 형성하도록 대응되게 배치되는 단계, 상기 단계에서 중첩된 상기 스템프 격자와 상기 기판 격자를 광학계로 촬영하여 원형 모아레 무늬를 획득하는 단계, 상기 획득된 원형 모아레 무늬를 수학적 알고리즘으로 분석하여 상기 스템프와 상기 기판의 오차 및 오차 방향을 정량적으로 추출하는 단계 및 상기 추출단계에서 추출된 오차량을 가지고 구동메카니즘을 이용하여 상기 스템프 또는 기판을 이동시켜 오차를 보상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 바람직한 한 특징으로는, 상기 스템프 격자와 기판 격자는, 피치간격이 서로 다른 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 바람직한 다른 특징으로는, 상기 스템프 격자는, 상기 기판 격자와 반경은 동일하되 격자가 하나 더 많은 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 바람직한 또 다른 특징으로는, 나노 임프린트 공정에서 스템프(Mask)에 가공된 패턴을 기판(Wafer)에 적층시킬때, 상기 스템프와 기판간의 위치오차를 산출하는 오차검출시스템에 있어서, 상기 오차검출시스템은 상기 스템프에 형성된 스템프 격자의 중심을 기준으로 상기 기판에 형성된 기판 격자의 중심이 벗어난 오차량과 오차방향을 동시에 산출하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 바람직한 또 다른 특징으로는, 제 4항에 있어서, 상기 오차방향은, 다음 수식

에서 산출되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 바람직한 또 다른 특징으로는, 상기 오차량은, 다음 수식

에서 산출되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 나노 임프린트 공정에서 원형 모아레를 이용한 다층 패턴 정렬방법에 대한 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 나노 임프린팅 공정에서 스템프와 기판에 형성된 격자를 중첩시키고, 이로 인하여 발생하는 모아레 무늬를 비전 현미경으로 획득하여 스템프 기판의 정렬 정도를 조절하는 메카니즘을 나타낸 개략적인 구성도이다. 도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 스템프와 기판에 형성되는 스템프 격자와 기판 격자를 나타낸 도면, 도 3b는 본 발명에 따른 스템프 격자와 기판 격자의 단면을 나타낸 단면도, 도 4a는 본 발명에 따른 스템프 및 기판의 정렬오차(위치오차)가 있을 때 발생하는 모아레 무늬를 나타낸 도면, 도 4b는 본 발명에 따른 스템프 및 기판의 정렬오차(위치오차)가 없을 때 발생하는 모아레 무늬를 나타낸 도면이다.

도 5는 본 발명에 따른 모아레 무늬를 해석하기 위한 좌표계 및 변수설정을 나타낸 도면이고, 도 6은 도 5의 조건에서 모아레로부터 정렬 오차량과 정렬 방향을 추출하는 그래프를 나타낸 도면, 도 7은 본 발명에 따른 모아레 무늬를 획득하여 영상처리되는 과정을 나타낸 도면이다.

본 발명에서는 도 2 및 도 3a에서 도시한 바와 같이 스템프(Mask ; 10)와 기판(20)에 대응하게 각각 형성되는 스템프 격자(동심원 격자 ; 30)와 기판 격자(동심원 격자 ; 40)는 지름이 다른 복수 개의 원이 일정 피치를 가지고 동심원 형태로 형성되는 격자를 이용하여 모아레를 획득하고, 이를 수학적 알고리즘으로 계산하여 상기 스템프(10)와 상기 기판(20)의 오차량(오차크기) 및 오차방향(각도)에 대한 오차값을 산출하는 오차검출시스템을 주요 기술적 요지로 한다.

상기 스템프 격자(30)와 기판 격자(40)는 상기 스템프(10)와 기판(20)의 모서리 부분 일측으로 형성되어 대응되게 복수의 장소에서 쌍으로 존재하기 때문에 중첩되면 종래에 볼 수 없었던 독특한 모아레 무늬 영상을 얻을 수 있다.

스템프 격자(30)는 스템프(10)에 크롬(Cr)을 이용하여 패턴을 형성하였고, 기판 격자(40)는 에칭(etching)을 통해 식각하여 형성한다. 본 발명의 일실시예로 상기 스템프 격자(30)와 상기 기판 격자(40)는 500㎛ 반경을 가지며, 스템프 격자(30)의 경우 25개의 패턴을 20㎛주기로 제작하고 기판 격자(40)의 경우 24개의 패턴을 20.83㎛주기를 가지도록 제작하였다.

도 3b에 도시된 바와 같이 조명광이 입사되었을 때 스템프 격자(30)와 기판 격자(40)는 서로 다른 특성을 가지고 있음을 보여준다. 상기 스템프 격자(30)는 크롬 패턴으로 제작되었기 때문에 조명광에 대한 투과도(transmittance)는 패턴의 형태와 일치한다. 즉 크롬이 도포된 부분에서는 투과도가 0 이 되고 유리면이 노출된 부분에서는 1 이 된다.

상기 기판 격자(40)는 에칭 공정을 통하여 제작되었기 때문에 도시된 바와 같이 격자의 마루(peak)나 골(trough) 부분에 상관없이 동일한 반사도를 가진다. 상기 기판 격자(40)의 경우에는 마루나 골의 평평한 부분에서는 반사도가 일정하게 유지되겠지만 모서리(edge) 부분은 평평한 부분에 비하여 반사도가 떨어진다. 이는 모서리 부분에서 빛이 산란되기 때문으로 이러한 점을 고려할 때 상기 기판 격자(40)의 반사도는 도 3b의 하단부에 표시한 바와 같이 마루나 골에서는 높고 모서리에서는 낮은 형태를 가진다. 나노 임프린트의 공정 특성상 스템프와 기판이 접촉하게 되므로 상기 기판 격자(40)는 도면에서와 같은 반사도를 표면 형상으로 가지는 이진 격자를 고려할 수 있다. 그리고 반사도 곡선을 살펴보면 기존 기판 격자의 피치(pitch)보다 반으로 줄어든 형태를 가짐을 볼 수 있다. 즉 상기 기판 격자(40)의 경우에는 제작된 패턴 수 보다 2배 많은 패턴이 있는 것으로 생각할 수 있다.

일반적인 경우에는 전술한 조건으로 패턴을 제작할 경우 격자 중심에서 반경방향으로 한주기를 가지는 무늬가 형성되어야 한다. 그러나 상기 기판 격자(40)의 반사율이 주기적으로 바뀌는 격자가 아니라, 입사광의 위상(phase)을 바꾸는 위상 격자(phase grating)이기 때문에 조금 다른 형태의 격자를 형성시키는 것이 바람직하다.

도 4a는 중첩된 스템프 격자(30)와 기판 격자(40) 한 쌍이 중첩되었을 때 일치되지 않은 상태의 원형 모아레 무늬 영상을 나타내고, 도 4b는 중첩된 스템프 격자(30)와 기판 격자(40) 한쌍이 중첩되었을 때 일치되는 상태의 원형 모아레 무늬 영상을 나타내 보이고 있다. 이것은 일 실시예를 설명한 것이고, 이 외에도 상기 스템프(10) 및 기판(20)의 위치에 따라 여러 가지 원형 모아레 무늬가 도출되는 것이다.

따라서, 상기 스템프 격자(30)와 기판 격자(40)를 상기 스템프(10)와 기판(20)의 모서리에 대응되게 복수 개 형성하고, 임프린팅 공정 시 중첩되는 상기 스템프 격자(30)와 기판 격자(40)에 의해 발생하는 모아레 무늬를 광학계(60)를 통해 CCD 카메라로 촬영하는데, 이때 도면에는 도시하지 않았지만 복수개의 광학계를 통해 여기에 각각의 상기 CCD 카메라(12)가 구비되어 서로 대각선 방향의 모아레 무늬를 획득하여 회전오차를 측정할 수 있도록 한다.

획득한 모아레 무늬 영상을 수학적 알고리즘으로 해석하여 상기 스템프(10)와 기판(20)의 오차량 및 오차 방향을 측정하여 보상함으로써 적층되는 패턴을 지정된 위치에 정확하게 임프린팅 할 수 있는 것이다.

상기 광학계(60)로 촬영하여 원형 모아레 무늬를 획득하는 공정은 공지의 광학계를 이용하는 것으로, 본 발명에 사용된 상기 광학계(60)는 비전 시스템을 사용하였다. 상기 비전 시스템은 나노 임프린트 분야에서 모아레 영상을 촬영하는 장치로 널리 사용되고 있는 공지의 기술이므로 상세한 설명은 생략한다.

도 6은 도 5의 원형 모아레 무늬로부터 오차량과 오차방향을 추출하는 그래프이다. 상기 스템프(10)와 상기 기판(20)의 상대 위치 오차량 및 오차 방향을 측정하기 위해 오차값을 산출하는 방법은 다음의 수학적 알고리즘을 사용한다.

도 5의 모아레 무늬에서,

r : 스템프 격자 중심에서 모아레 무늬가 발생하는 임의의 A점까지의 거리

여기서 스템프 격자의 중심은 스템프 격자의 최외곽부 격자를 이용하여 중심을 결정하는 것이다.

θ : 모아레 무늬가 발생하는 임의점(거리)이 화면 좌표계(camera coordinate)에서 가지는 방위각

: 기판 격자의 중심에서 임의의 A 지점까지의 거리

ε : 스템프 격자의 중심과 기판 격자 중심사이의 거리

Φ : 광학계의 화면 좌표계(camera coordinate)에서 스템프 격자를 기준으로 기판 격자 중심이 가지는 방위각

이러한 관계를 이용하여 임의의 반경 반향 θ에 대한 격자 단면은 퓨리에 코사인 시리즈(Fourier cosine series)로 정의 할 수 있다.

스템프(10)와 기판(20)에 형성된 스템프 격자(30)와 기판 격자(40)의 수학적 표현은 다음과 같다.

(수학식 1)

(수학식 2)

수학식 1과 수학식 2는 각각의 스템프 격자(30)와 기판 격자(40)의 단면 형상에 대한 방정식이다. 두 격자가 중첩되어 발생하는 모아레 무늬는 수학식 1과 수학식 2의 곱으로 표현될 수 있다.

(수학식 3)

수학식 3에서 중첩된 격자에 조사되는 조명광은 균일하다고 가정하며 수식의 편의를 위하여 생략한다. 수학식 1과 2를 수학식 3에 대입하면 아래와 같은 수식 얻어진다.

(수학식 4)

수학식 4에서 첫 번째 항은 배경광(DC background), 두 번째 항은 기판 격자, 세 번째 항은 스템프 격자를 의미하여, 마지막 항이 모아레 무늬를 포함한 모든 신호를 의미한다. 수학식 4의 마지막 항에서 직접적으로 모아레 무늬를 발생시키는 성분은 앞에서 설명한 바와 같이 제작된 기판 주기의 반주기(half-period)를 갖는 성분(n=2)이며, 스템프 격자에서 이와 간섭을 일으키는 것 중 가장 저주파 무늬를 발생시키는 차수는 동일하게 반주기(half-period)를 갖는 성분(m=2)이다. 이를 이용하여 수학식 4를 모아레 무늬 패턴과 다른 패턴들로 분리하면 다음과 같다.

(수학식 5)

이 수식을 정리하면 최종적으로 5개의 항이 나오는데 이 중 모아레 무늬에 해당하는 부분은 아래의 수식과 같다.

(수학식 6)

α는 임의의 상수값을 의미한다. 여기서 ε 값이 충분히 작다고 가정하면

(수학식 7) 가 된다. 이를 위 수식에 대입한 후 정리하면 다음과 같다.

(수학식 8)

위 식에서 최종적으로 그림 3의 모아레 무늬를 표현하는 수식이다. 위 식을 기존 원형 모아레 해석결과와 비교하면 위상 성분이 2배 증가함을 볼 수 있다. 이 는 모아레 무늬의 반경 방향 주파수를 2배 증가시키고, 오차량 ε도 2배 증가시킨다.

위 식을 살펴보면 정렬오차 ε과 Φ는 모아레 무늬의 반경 방향 위상 지연으로 도시하면 2π주기를 가지는 코사인(cosine) 함수로 나타남을 볼 수 있다. 그리고 이 위상 지연 코사인 곡선의 진폭(amplitude)과 초기 위상을 계산하면 정렬 오차량을 측정할 수 있다.

(수학식 9)

위 수학식 9는 모아레 무늬의 반경 방향 위상 곡선을 정의한다. b는 진폭(amplitude)이다.

도 6은 도 7의 모아레 무늬에서 반경 방향 위상 지연을 표시한 도면으로, 이때 모아레 무늬의 중심은 화면에서 획득한 격자의 최외곽 원형 패턴을 이용하여 결정하였으며, 카메라의 수평축을 기준으로 반시계 방향으로 일정 각도씩 회전하면서 반경 방향의 모아레 무늬를 획득하며 이를 이용하여 각 방향의 위상 지연을 계산하였다. 사각형 그래프는 반경 방향 위상 지연값을 계산할 때 수식에 포함된 arc tangent 함수로 인하여 발생하는 축첩(wrapped)된 그래프이다. 삼각형 그래프는 사각형 그래프에서 위상 개봉(unwrapping)을 수행한 후 센터링(centering)작업을 한 후의 결과이다. 수학식 9에서 설명한 바와 같이 반경 방향의 위상 지연은 코사인함 수로 표현됨을 알 수 있다. 따라서 도 6에서 진폭(amplitude)과 위상 지연(phase delay)을 측정하여 정렬 오차를 계산한다. 이 값들은 최소 제곱법을 이용하면 쉽게 계산되는 것으로 다음과 같이 정의된다.

(수학식 10)

위 식에서 Ψi는 도 6의 그래프에서 i번째 위상 지연값을 의미한다. a 값은 DC offset 값인데 그래프의 위상 곡선은 평균값이 0이 되도록 조절하였으므로 a 값은 0이 된다. 그래서 수학식 9에서는 표현되지 않았다.(m = 그래프에서 총 데이터 개수)

이로부터 정렬 오차 방향은 다음의 식에서 유도된다.

(수학식 11)

또한, 정렬 오차량은 다음과 같이 유도된다.

(수학식 12)

도 7의 확대된 2개소의 모아레 무늬는 정렬 오차가 있는 경우를 확대해서 보인 것이다. 특히 정렬 오차가 있는 모아레 무늬를 도 4a에서 보면 격자 중심에서 특정 반경 방향에 대하여 모아레 무늬가 대칭임을 볼 수 있다. 이는 직관적으로 이 방향이 두 모아레 무늬간의 정렬 방향임을 나타내는 것이다.

도시된 바와 같이 스템프 격자(30)와 기판 격자(40)가 중첩되어 발생한 모아레 무늬를 광학계(60)로 획득한 후 영상처리되는 과정을 나타낸 것으로서, 첫 번째 사진은 초기영상(raw image)을 보여준다. 도면에서 보듯이 조명광의 불균일한 분포와 주위의 패턴, 광학계 내외부의 먼지 등으로 인하여 모아레 무늬가 선명하지 않다. 가운데 도면은 초기 영상에서 미리 저장된 기준 영상(reference image)을 제거한 영상이다. 모아레 무늬의 선명도 및 전체 영상의 균일도가 향상되었음을 보여준다.

마지막은 가운데 사진에서 저주파 필터링(lowpass filtering)을 수행한 것으로, 붉은색 원형으로 표시된 모아레 영역 내부에 있는 상기 스템프 격자(30)와 기판 격자(40) 영상이 제거된 것이다.

이처럼 상기 광학계(60)를 통해 스템프(10)와 기판(20)의 오차량 및 오차 방향을 검출하고, 스템프(10) 또는 기판(20)의 스테이지 또는 테이블을 이동시켜 오차를 보상시키는 것이다.

다음으로 본 발명에 따른 나노 임프린트 공정에서 원형 모아레를 이용한 다층 패턴 정렬방법에 대하여 단계별로 설명하면 다음과 같다.

우선, 상기 스템프(10)와 기판(20)에는 지름이 다른 복수 개의 원이 일정 피치를 가지고 동심원 형태로 배열되는 격자를 모서리 일측으로 형성하고, 이렇게 형성된 상기 스템프 격자(30)와 상기 기판 격자(40)가 서로 중첩되어 모아레 무늬를 형성하도록 대응되게 배치되는 것으로, 이것은 상기 스템프(10)와 기판(20)이 임프린팅되는 공정에서 격자가 중첩되어 모아레 무늬가 발생되는 것이다. 또한, 상기 스템프 격자(30)와 상기 기판 격자(40)의 반경은 동일하나 피치 간격은 다르게 형성시킨다.

상기 단계에서 상기 스템프 격자(30)와 상기 기판 격자(40)가 중첩되어 형성되는 모아레 무늬를 광학계로 촬영하여 모아레 무늬를 획득하고, 획득된 원형 모아레 무늬를 상술한 수학적 알고리즘에 의해 분석하여 상기 스템프(10)와 상기 기판(20)의 오차량 및 오차 방향에 대한 오차값을 추출할 수 있다.

상기 추출단계에서 추출된 오차량을 가지고 구동메카니즘(미도시)을 이용하여 상기 스템프 또는 기판을 이동시켜 오차를 보상하여 적층되는 패턴을 정확하게 임프린팅 할 수 있다.

상기 구동메카니즘은 기판의 위치를 제어하기 위한 회전테이블, X, Y축 스테 이지, 나노미터(㎚)의 구동 정밀도를 가지는 정밀 스테이지, Z축 스테이지등이 설치되어 있어 오차량 및 오차방향을 보상하게 된다.

이와 같은 동심원 격자는 평면상의 두 방향에 대하여 동일한 측정 정도를 구현할 수 있으며, 무늬의 형태로부터 두 동심원 격자 간의 이동 방향, 즉 격자가 놓인 평면에 수직한 축에 대한 회전 오차 성분도 동시에 추출할 수 있는 장점이 있다.

이리하여 본 발명에서는 스템프(10)와 기판(20)에 동심원 형태의 격자를 형성시키고 이를 중첩시켜 발생하는 원형 모아레를 획득하여 수학적으로 계산하여 기존의 선형 격자에서는 추출할 수 없었던 회전각까지 추출함으로써, 그에 따라 정확한 위치 보상을 할 수 있는 장점이 있다.

한편, 본 발명은 기재된 실시예에 한정하는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형을 할 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다. 따라서, 그러한 변형 예 또는 수정 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

상기와 같이 구성되고 작용되는 본 발명은 기판에 패턴을 적층식으로 임프린팅할 때마다 스템프 격자와 기판 격자가 중첩되어 발생되는 모아레 무늬를 광학계로 촬영하여 영상을 획득하고, 이 모아레 무늬를 수학적 알고리즘으로 계산하여 스템프 및 기판의 위치 오차 및 오차 방향을 정량적으로 측정하여 그에 따른 오차를 구동메카니즘으로 보상함으로써 정확하게 임프린팅 할 수 있는 이점이 있다.

Claims

나노 임프린트 공정에서 스템프(Mask)와 기판(Wafer)을 정렬하는 방법에 있어서,

상기 스템프와 기판 각각에 지름이 다른 복수 개의 원이 일정 피치를 가지고 동심원 형태로 배열되는 격자를 적어도 2개 이상 형성하고, 이 스템프 격자와 상기 기판 격자가 서로 중첩되어 모아레 무늬를 형성하도록 대응되게 배치되는 단계;

상기 단계에서 중첩된 상기 스템프 격자와 상기 기판 격자를 광학계로 촬영하여 원형 모아레 무늬를 획득하는 단계;

상기 획득된 원형 모아레 무늬를 수학적 알고리즘으로 분석하여 상기 스템프와 상기 기판의 오차 및 오차 방향을 정량적으로 추출하는 단계; 및

상기 추출단계에서 추출된 오차량을 가지고 구동메카니즘을 이용하여 상기 스템프 또는 기판을 이동시켜 오차를 보상하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 임프린트 공정에서 원형 모아레를 이용한 다층 패턴 정렬방법.
제 1항에 있어서, 상기 스템프 격자와 기판 격자는,

피치간격이 서로 다른 것을 특징으로 하는 나노 임프린트 공정에서 원형 모아레를 이용한 다층 패턴 정렬방법.
제 1항에 있어서, 상기 스템프 격자는,

상기 기판 격자와 반경은 동일하되 격자가 하나 더 많은 것을 특징으로 하는 나노 임프린트 공정에서 원형 모아레를 이용한 다층 패턴 정렬방법.
나노 임프린트 공정에서 스템프(Mask)에 가공된 패턴을 기판(Wafer)에 적층시킬 때, 상기 스템프와 기판간의 위치오차를 산출하는 오차검출시스템에 있어서,

상기 오차검출시스템은 상기 스템프에 형성된 스템프 격자의 중심을 기준으로 상기 기판에 형성된 기판 격자의 중심이 벗어난 오차량과 오차방향을 동시에 산출하는 것을 특징으로 하는 나노 임프린트 공정에서 원형 모아레를 이용한 다층 패턴 정렬장치.
제 4항에 있어서, 상기 오차방향은,

다음 수식

에서 산출되는 것을 특징으로 하는 나노 임프린트 공정에서 원형 모아레를 이용한 다층 패턴 정렬장치.
제 4항에 있어서, 상기 오차량은,

다음 수식

에서 산출되는 것을 특징으로 하는 나노 임프린트 공정에서 원형 모아레를 이용한 다층 패턴 정렬장치.