KR101020149B1

KR101020149B1 - 3차원 미세패턴 형성장치

Info

Publication number: KR101020149B1
Application number: KR1020080042989A
Authority: KR
Inventors: 공홍진; 이신욱; 정병제
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2008-05-08
Filing date: 2008-05-08
Publication date: 2011-03-07
Also published as: KR20090117092A

Abstract

본 발명은 3차원 미세패턴 형성장치에 관한 것이다. 본 발명의 장치는 컴퓨터 재생을 통한 홀로그래픽 리소그래피를 이용하는 공간광변조기와 이광자 흡수 폴리머화를 이용한 미세패턴 형성시 이광자 흡수를 일으킬수 있는 펨토초레이저를 발생하여 2차원의 미세패턴을 적층하여 3차원의 미세패턴을 형성한다. 따라서, 본 발명의 장치는 리소그래피를 이용한 미세패턴을 형성함에 있어 마스크제작 비용을 절감하고 마스크 오차에 따른 패턴형성 조정 피드백에 대한 공정 시간을 감소시켜 빠른 시간내에 정확한 3차원의 미세 패턴을 형성할 수 있는 효과를 제공한다.

펨토초레이저, 이광자, 홀로그램

Description

3차원 미세패턴 형성장치{Micro patterning equipment of 3-dimension}

본 발명은 리소그래피를 이용한 미세패턴 형성장치에 관한 것으로, 특히 3차원의 미세패턴을 형성하기 위한 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 간섭 노광(lithography)은 레이저 빛의 경로차를 이용하여 프린지(fringe) 형성하여 반도체 소자의 패턴 형성에 이용하게 된다.

이하 도 1a를 참고하여 종래의 간섭 노광계를 이용한 미세패턴형성장치를 상세히 설명한다.

도 1a를 참고하면, 도 1a의 장치는 레이저광을 출사하는 레이저 소오스(1)와, 복수개의 전반사거울(2,3,5,6)과 빔 스플리터(4), 및 기판(7)로 구성된다.

도면에 도시된 바와 같이 종래의 간섭 노광 장치는 단파장대의 레이저빔을 두 경로로 나눈 후 이때 발생하는 경로차를 이용하여 일정한 주기의 프린지(fringe) 명암을 얻게 된다.

이러한 프린지를 사용하여 반도체 소자의 제조 공정에서는 약 2000Å정도의 미세 격자주기를 만들어 내게 되는데, 노광에 사용되는 레이저빔은 감광막을 현상하기에 충분한 에너지를 갖고 있는 단파장인 자외선 레이저 소오스(1)를 사용하게 된다.

레이저 소오스(1)에서 발생된 레이저빔을 전반사 거울(2,3)의 안내를 받아 상기 레이저빔을 빔 스플리터(4)로 보내 레이저빔을 둘로 나눈다. 그리고 상기 빔 스플리터(4)에서 나누어진 레이저빔을 전반사 거울(5,6)을 통해 기판(7)에 집속되어 간섭에 의한 프린지를 얻게 된다.

이렇게 하여 얻어지는 프린지를 반도체의 초미세 패턴을 형성하는 감광물질을 현상하는데 이용하게 되는데 제 1b도에 기판(7)상에 현상된 감광물질(8)이 격자 주기(12)로 형성되어짐을 나타낸다. 여기서 격자주기(12)는 λ/2이며, 동일한 격자주기(12)로 감광물질(8)이 형성된다. 이를 거리와 광세기의 그래프로 상관관계를 살펴보면, 도 1b의 하기의 그래프와 같다.

도 1b의 그래프를 보면, 가로축은 주기를 의미하며 세로축은 광세기(I)를 의미한다. 도 2에 보인바와 같이 동일한 주기인 λ/2로 진폭이 형성되며 광세기(I)도 동일한 주기인 λ/2마다 동일세기를 갖는다. 즉, 간섭 노광시에 두 개의 광이 교차하면서 발생하는 간섭신호형태가 조화함수(sinusoidal)임을 알 수 있다.

이러한 간섭패턴을 갖는 노광 간섭계에서 미세패턴의 형성장치는 레이저가 결정되면 한 가지 주기의 패턴만을 제작할 수 있으며 보다 작은 선폭의 패턴을 제작하거나 주기를 변경하기 위해서는 레이저 자체를 변경해야했다.

또한, 상기와 같은 종래의 간섭 노광계나 여타의 간섭계, 분광계에서 소오스 광원으로 UV(ultraviolet)나 IR(infrared)영역의 비가시광 레이저를 사용하는 경우 광학계 얼라인(align)시 레이저광의 세기나 간섭신호의 폭 조절이 불가하여 동일 폭의 패터닝만이 가능하였으며 1회 얼라인 만이 가능한 문제점이 있었다.

이를 극복하기 위해 컴퓨터 재생 홀로그래픽 리소그래피 패터닝 기술이 사용되었으며, 마스크 없이 패터닝을 구현할 수 있게 되었다. 그러나, 이러한 홀로그래픽 리소그래피 패터닝 기술을 이용하더라고 2차원의 미세패턴 구조만을 제작하였다.

한편, 3차원구조의 미세패턴을 제작할 수 있는 이광자 흡수 폴리머화를 이용한 미세패턴 제작기술도 제작가능 하였다. 이러한, 3차원의 미세패턴을 제작 예를 도 2를 참고하여 설명한다.

도 2는 일점조사방식의 3차원 미세패턴 제작 예이며, 레이저광을 집광하는 고개구 현미경렌즈로부터 집광된 광을 3축 이동 스테이지를 이동하여 3차원 미세패턴을 형성할 수 있다. 여기서, 고개구 현미경렌즈를 통과한 초점광을 점조사 방식으로 3차원적으로 제어하여 복셀을 형성하고 이를 적층하여 3차원 구조의 미세패턴의 제작이 가능하다.

그러나, 이러한 일점조사방식으로 3차원구조의 미세패턴을 제작하는 데는 많은 시간이 소요되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결할 수 있도록 2차원의 미세패턴을 적층하여 3차원의 미세패턴을 형성하는데 있어 이광자흡수 폴리머화를 이용하여 빠른 시간내에 패터닝이 가능하여 마스크없이 컴퓨터를 통해 설계된 홀로그래픽 리소그래피기술을 구현하여 마스크제작에 따른 비용을 절감하도록 하는 3차원 미세패턴 형성장치를 제공함에 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 3차원 미세패턴 형성장치는 이광자 흡수를 일으킬 수 있는 펨토초레이저를 발생하는 광원; 상기 펨토초레이저를 제어하는 레이저광선제어모듈; 상기 레이저광선제어모듈에 의해 출력된 레이저광을 확장하기 위한 레이저광선확장기; 상기 확장된 레이저광에 홀로그램위상을 적용해 광변조하여 투과하는 공간광변조기; 투과된 변조광을 반사하여 출력하는 반사거울; 상기 반사거울로부터 반사된 반사광의 초점을 형성하기 위한 고개구현미경렌즈; 상기 초점에 의해 재생이미지가 맺히는 유리기판; 상기 재생이미지로부터 이광자흡수포리머화를 일으켜 상기 유리기판에 미세패턴을 형성하기 위한 이광자 흡수폴리머화 레진; 상기 유리기판을 Z축이동시키는 이동스테이지; 및 상기 레이저광선제어모듈의 레이저광출력 및 노출시간을 제어하고 상기 공간광변조기가 홀로그램 위상이 적용되어 광변조되도록 제어하기위한 제어컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 이광자 흡수폴리머화 레진은 상기 재생이미지의 광세기가 이광자 흡수 폴리머화 문턱세기보다 높게 되면 이광자 흡수 폴리머화가 진행되어 2차원 미세패턴을 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 이동스테이지는 상기 유리기판을 Z축으로 이동하여 상기 생성된 2차원 미세패턴을 적층하여 3차원 미세패턴을 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 제어컴퓨터는 퓨리에 변환을 반복적으로 수행하여 홀로그램 위상을 산출하여 상기 펨토초레이저가 홀로그램 위상만큼 광변조되도록 상기 공간광변조기를 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 3차원 미세패턴 형성장치는 3차원의 미세패턴을 형성하기 위한 장치에 있어서, 이광자 흡수를 일으킬 수 있는 펨토초레이저를 발생하는 광원; 상기 펨토초레이저를 제어하는 레이저광선제어모듈; 상기 레이저광선제어모듈에 의해 출력된 레이저광을 확장하기 위한 레이저광선확장기; 상기 확장된 레이저광에 홀로그램위상을 적용해 광변조하여 반사하는 공간광변조기; 상기 공간광변조기로부터 반사된 반사광의 초점을 형성하기 위한 고개구현미경렌즈; 상기 초점에 의해 재생이미지가 맺히는 유리기판; 상기 재생이미지로부터 이광자흡수포리머화를 일으켜 상기 유리기판에 미세패턴을 형성하기 위한 이광자 흡수폴리머화 레진; 상기 유리기판을 Z축이동시키는 이동스테이지; 및 상기 레이저광선제어모듈의 레이저광출력 및 노출시간을 제어하고 상기 공간광변조기가 홀로그램 위상이 적용되어 광변조되도록 제어하기위한 제어컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명의 장치는 리소그래피를 이용한 미세패턴을 형성함에 있어 마스크제작 비용을 절감하고 마스크 오차에 따른 패턴형성 조정 피드백에 대한 공정 시간을 감소시켜 빠른 시간내에 정확한 3차원의 미세 패턴을 형성할 수 있는 효과를 제공한다.

본 발명의 3차원 미세패턴 형성장치는 기존의 컴퓨터 재생을 통한 홀로그래픽 리소그래피 기술이 마스크 없이 컴퓨터를 통해 설계데이터의 입력으로 액정 등의 재질의 공간 광 변조기를 조작하여 마스크 제작 비용을 절감하고 마스크 제작 오차에 따른 패턴 형성 조정 피드백에 대한 공정 시간을 감소할 수 있다.

또한, 본 발명의 3차원 미세패턴 형성장치는 이광자 흡수 폴리머화를 이용한 미세패턴 형성시 이광자 흡수 현상의 특성을 이용해 3차원 패턴 미세 구조를 쉽게 제작할 수 있다.

전술한 두 가지 기술을 결합하여 이광자 흡수 폴리머화와 컴퓨터 재생 홀로그래피가 결합된 본 발명은 기존 2차원 미세 구조 패턴을 마스크 없이 제작할 뿐만 아니라, 이러한 2차원 구조를 적층을 통해 3차원 구조 역시 구현할 수 있다.

이하, 첨부한 도 3 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 미세패턴 형성장치의 구성요소를 도시한 구성도이다.

도 3을 참고하면, 이광자흡수를 일으킬수 있는 펨토초레이저(31)와 펨토초레이저(31)를 제어하는 레이저광선제어모듈(32)과 레이저광선제어모듈(32)에 의해 출력된 레이저광을 확장하기 위한 레이저광선확장기(33)와 각 구성을 제어하는 제어컴퓨터(34)와 확장된 레이저광에 위상정보를 실어 출력하는 공간광변조기(35)와 입사광을 반사하여 출력하는 반사거울(36)과 레이저광의 초점을 형성하기 위한 고개구현미경렌즈(37)와 초점을 맺히게 하는 유리기판(39)과 이광자흡수포리머화를 일으키는 이광자 흡수폴리머화 레진(40)을 포함한다.

도 3에서, 펨토초레이저(31)는 이광자 흡수를 일으킬수 있는 짧은 펄스폭을 갖는 가우시안 모드(TEMoo)의 펨토초 레이저광선을 출사한다. 출사된 펨토초레이저광은 레이저광선제어모듈(32)을 통과하면서 레이저광선의 출력 및 노출시간이 조 절되어 레이저광선확장기(33)로 출력된다. 이때, 제어컴퓨터(34)는 레이저광선제어모듈(32)을 제어하는데 펨토초레이저의 출력 및 노출시간 등을 제어한다. 레이저광선확장기(33)는 입사된 펨토초레이저광의 크기를 확장하여 출력한다. 확장된 펨토초레이저광은 공간광변조기(35)로 입사하며, 공간광변조기(35)에서 투과된다. 이때, 공간광변조기(35)는 제어컴퓨터(34)에 의해 재생 홀로그램 리소그래피를 구현할 수 있도록 제어된다. 즉, 공간광변조기(35)로 입력된 확장된 펨토초레이저광은 공간광변조기(35)를 투과하면서 제작하고자 하는 원본 패턴 설계에서 반복적 푸리에 변환 알고리즘을 통해 계산된 홀로그램 위상 정보를 싣어 반사거울(36)을 통해 고개구 현미경렌즈(37)쪽으로 반사된다. 여기서 반복적 푸리에 변환알고리즘을 통해 계산된 홀로그램 위상은 제어컴퓨터(35)에 의해 산출된다. 제어컴퓨터(35)는 공간광변조기(35)를 제어하여 홀로그램 위상이 적용되도록 제어하며, 공간광변조기(35)를 통과한 펨토초레이저광은 홀로그램 위상만큼 광변조된다. 이러한 홀로그램 위상을 구하는 푸리에 변환알고리즘은 이하 도 5를 참고하여 하기에서 설명한다.

홀로그램 위상만큼 광변조된 펨토초레이저광은 고개구 현미경렌즈(37)를 통과하면서 집광되어 초점 평면상에 재생이미지를 맺게 된다. 이러한 재생이미지는 시시디(미도시) 등을 통해 획득되어 제어컴퓨터(34)로 전달되어 타겟이미지와의 비교를 통해 홀로그램 위상을 산출할 수 있도록 피드백된다. 이는 공지의 기술이므로 여기서의 상세한 설명은 생략한다.

이때, 재생이미지의 광세기가 이광자흡수 폴리머화 문턱세기보다 높게 되면 이광자 흡수 폴리머화가 진행되어 원본 설계에 따른 2차원 패턴을 초점 평면인 유리기판(39)상에서 형성된다. 그리고, Z축이동스테이지(38)가 Z축상으로 이동함에 따라 2차원 패턴이 적층되어 이광자 흡수 폴리머화 레진(40)에 의한 이광자 흡수로 형성된 폴리머 3차원 미세패턴의 형성이 가능하다.

도 4는 도 3장치로 3차원 미세 패턴을 형성하는 참고도이다.

도 4를 참고하면, 공간광변조기(35)를 통과한 광이 고개구 현미경 렌즈(37)를 통과해 집광되어 재생이미지가 생성된다. 이러한 홀로그램 재생이미지는 이광자 흡수된 폴리머 2차원 미세패턴이며, 이러한 2차원 미세패턴을 Z축 스테이지를 이용해 Z축 이동시켜 적층시키게 되면 3차원의 미세패턴을 형성할 수 있다. 도 4에서는 2차원 홀로그램 재생이미지가 생성되어 적층된 상태를 보여주며 3차원 미세패턴의 구조가 설계된 대로 형성되고 있음을 알 수 있다.

도 5는 본 발명에 적용된 푸리에 변환알고리즘을 설명하기 위한 참고도이다.

도 5를 참고하면, 광세기를 가지고 있는 그레이레벨로 된 타겟이미지를 제곱근을 취하여 진폭정보를 취한다. 이때 타겟 정보(A _x,y )는 진폭만을 가지고 있다(단계 S501). 이렇게 하여 구해진 진폭(A _x,y )에 임의의 위상(e ^iφ(x,y) )을 곱한다(단계 502). 이하의 재생이미지를 얻은 이후에 반복될 때는 하기에서 구해지는 홀로그램위상을 곱하면 된다. 그리고 진폭과 위상을 가진 타겟 정보 (A _x,y e ^iφ(x,y) )를 푸리에 변환한다(단계 503). 푸리에 변환된 정보(FT{A _x,y e ^iφ(x,y) }=A _u,v e ^iφ(u,v) )에서 진폭만을 제거한다 (e ^iφ(u,v) )(단계 504). 그때의 진폭이 제거된 값이 홀로그램위상 (e ^iφ(u,v) )이 된다. 이러한 홀로그램 위상만 가지고 있는 정보를 역 푸리에 변환을 취하고(FT{e ^iφ(u,v) }=e ^iφ'(x,y) ), 이를 절대값 제곱을 취하여 재생이미지와 타겟 이미지와 비교를 한다(S 505). 이렇게 하여 비교한 타겟 이미지와 차이가 있을 때에는 다시 단계 S501 내지 S504를 반복한다. 이때, 타겟 이미지의 제곱근인 타겟 정보에 곱하는 위상은 임의의 위상이 아닌 단계 S504의 과정을 통해 구해진 홀로그램 위상을 곱하여 반복한다. 타겟 이미지와 재생이미지가 매우 유사할 때까지 반복 푸리에 변환 알고리즘을 수행하며, 제어컴퓨터(34)는 이렇게 하여 홀로그램위상을 구하여 공간광변조기(35)를 제어한다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 미세패턴 형성장치의 구성요소를 도시한 구성도이다.

도 6의 실시예는 도 3의 실시예에서 설명된 동일 구성요소에 대해서는 동일기능을 수행하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 6을 참고하면, 도 3의 실시예의 구성 중에 반사거울(36)을 생략하는 구성이며, 공간 광변조기(35)가 변조된 광을 반사하여 고개구 현미경 렌즈(37)쪽으로 출사하도록 구성한다.

도 1a는 종래의 간섭 노광계를 이용한 미세패턴 형성장치,

도 1b는 간섭 노광계를 이용하여 감광물질을 격자 주기로 현상한 단면도,

도 2는 종래의 일점 조사방식으로 3차원의 미세패턴을 제작하는 예를 설명하기 위한 도면,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 미세패턴 형성장치의 구성요소를 도시한 구성도,

도 4는 도 3장치로 3차원 미세 패턴을 형성하는 참고도,

도 5는 본 발명에 적용된 푸리에 변환알고리즘을 설명하기 위한 참고도,

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 미세패턴 형성장치의 구성요소를 도시한 구성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

31 : 펨토초레이저 32 : 레이저광선제어모듈

33: 레이저광선확장기 34 : 제어컴퓨터

35 : 공간 광변조기 36 : 반사거울

37 : 고개구 현미경렌즈 38 : Z축 이동스테이지

39 : 유리기판 40 : 이광자흡수폴리머화 레진

Claims

3차원의 미세패턴을 형성하기 위한 장치에 있어서,

이광자 흡수를 일으킬 수 있는 펨토초레이저를 발생하는 광원;

상기 펨토초레이저를 제어하는 레이저광선제어모듈;

상기 레이저광선제어모듈에 의해 출력된 레이저광을 확장하기 위한 레이저광선확장기;

상기 레이저광선확장기를 통해 확장된 레이저광에 홀로그램위상을 적용해 광변조하여 투과하는 공간광변조기;

투과된 변조광을 반사하여 출력하는 반사거울;

상기 반사거울로부터 반사된 반사광의 초점을 형성하기 위한 고개구현미경렌즈;

상기 초점에 의해 재생이미지가 맺히는 유리기판;

상기 재생이미지로부터 이광자흡수포리머화를 일으켜 상기 유리기판에 미세패턴을 형성하기 위한 이광자 흡수폴리머화 레진;

상기 유리기판을 Z축이동시키는 이동스테이지; 및

상기 레이저광선제어모듈의 레이저광출력 및 노출시간을 제어하고 상기 공간광변조기가 홀로그램 위상이 적용되어 광변조되도록 제어하기 위한 제어컴퓨터를 포함하고,

상기 제어컴퓨터는 퓨리에 변환을 반복적으로 수행하여 홀로그램 위상을 산출하여 상기 펨토초레이저가 홀로그램 위상만큼 광변조되도록 상기 공간광변조기를 제어하는 것을 특징으로 하는 3차원 미세패턴 형성장치.
제 1항에 있어서,

상기 이광자 흡수폴리머화 레진은

상기 재생이미지의 광세기가 이광자 흡수 폴리머화 문턱세기보다 높게 되면 이광자 흡수 폴리머화가 진행되어 2차원 미세패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 3차원 미세패턴 형성장치.
제 2항에 있어서,

상기 이동스테이지는

상기 유리기판을 Z축으로 이동하여 상기 생성된 2차원 미세패턴을 적층하여 3차원 미세패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 3차원 미세패턴 형성장치.
삭제
3차원의 미세패턴을 형성하기 위한 장치에 있어서,

이광자 흡수를 일으킬 수 있는 펨토초레이저를 발생하는 광원;

상기 펨토초레이저를 제어하는 레이저광선제어모듈;

상기 레이저광선제어모듈에 의해 출력된 레이저광을 확장하기 위한 레이저광선확장기;

상기 레이저광선확장기를 통해 확장된 레이저광에 홀로그램위상을 적용해 광변조하여 반사하는 공간광변조기;

상기 공간광변조기로부터 반사된 반사광의 초점을 형성하기 위한 고개구현미경렌즈;

상기 초점에 의해 재생이미지가 맺히는 유리기판;

상기 재생이미지로부터 이광자흡수포리머화를 일으켜 상기 유리기판에 미세패턴을 형성하기 위한 이광자 흡수폴리머화 레진;

상기 유리기판을 Z축이동시키는 이동스테이지; 및

상기 레이저광선제어모듈의 레이저광출력 및 노출시간을 제어하고 상기 공간광변조기가 홀로그램 위상이 적용되어 광변조되도록 제어하기 위한 제어컴퓨터를 포함하고,

상기 제어컴퓨터는 퓨리에 변환을 반복적으로 수행하여 홀로그램 위상을 산출하여 상기 펨토초레이저가 홀로그램 위상만큼 광변조되도록 상기 공간광변조기를 제어하는 것을 특징으로 하는 3차원 미세패턴 형성장치.
제 5항에 있어서,

상기 이광자 흡수폴리머화 레진은

상기 재생이미지의 광세기가 이광자 흡수 폴리머화 문턱세기보다 높게 되면 이광자 흡수 폴리머화가 진행되어 2차원 미세패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 3차원 미세패턴 형성장치.
제 6항에 있어서,

상기 이동스테이지는

상기 유리기판을 Z축으로 이동하여 상기 생성된 2차원 미세패턴을 적층하여 3차원 미세패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 3차원 미세패턴 형성장치.
삭제