KR101056499B1 - 레이저를 이용한 다층 박막의 패터닝 시스템 및 이를 이용한 패터닝 방법 - Google Patents

레이저를 이용한 다층 박막의 패터닝 시스템 및 이를 이용한 패터닝 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저를 이용한 다층 박막의 패터닝 시스템 및 이를 이용한 패터닝 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다층 박막 구조의 소자에 대한 패터닝 공정을 수행함에 있어서 레이저를 이용한 패터닝 방법을 적용하되, 각 층 박막의 분광정보를 이용하여 조사되는 레이저로 인한 하층 박막의 손상을 최소화하면서 상층 박막만을 선별적으로 패터닝 할 수 있는 다층 박막의 패터닝 시스템 및 이를 이용한 패터닝 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 레이저를 이용한 다층 박막의 패터닝방법은, 레이저를 이용하여 다층 박막의 상층 박막을 패터닝하는 방법에 있어서, 스테이지 상에 다층 박막이 형성된 기판을 장착하는 단계와; 레이저 발진기를 통해 상기 다층 박막이 형성된 기판에 레이저 빔을 주사하여 상기 기판 상에 형성된 다층 박막 중 상층 박막을 식각하는 단계와; 광 검출수단을 통해 상기 상층 박막을 식각하면서 방출되는 빛 중, 상기 상층 박막 하부에 위치하는 하층 박막이 레이저 빔에 의해 식각될 때 발생되는 특정 파장의 빛을 선별적으로 검출하여, 검출된 특정 파장의 빛의 양에 비례하는 전기 신호로 변환하여 마이크로 프로세서로 전달하는 단계와; 상기 마이크로 프로세서를 통해 상기 광 검출수단으로부터 전달되는 특정 파장의 빛에 대응하는 전기신호로부터 상층 박막의 식각 종점을 판단하고, 판단 결과에 따라 상기 레이저 발진기를 제어하여 레이저 빔의 출력을 조절하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
다층 박막, 레이저 다이렉트 패터닝(Laser Direct Patterning ; LDP), 분광 스펙트럼, 식각 종점

Description

레이저를 이용한 다층 박막의 패터닝 시스템 및 이를 이용한 패터닝 방법{A laser patterning system for multi-layer thin film and the patterning method}
본 발명은 레이저를 이용한 다층 박막의 패터닝 시스템 및 이를 이용한 패터닝 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다층 박막 구조의 소자에 대한 패터닝 공정을 수행함에 있어서 레이저를 이용한 패터닝 방법을 적용하되, 각 층 박막의 분광정보를 이용하여 조사되는 레이저로 인한 하층 박막의 손상을 최소화하면서 상층 박막만을 선별적으로 패터닝 할 수 있는 다층 박막의 패터닝 시스템 및 이를 이용한 패터닝 방법에 관한 것이다.
박막기술은 단원자층으로부터 수 ㎛ 두께를 가진 막의 처리 기술을 의미하며, 집적 회로(IC)의 전극 배선, 배선 간의 절연 및 저항체 제조 등에 사용되는 박막의 제작과 응용을 종합한 기술로서, 반도체, LCD(Liquid Crystal Display), 태양전지(Solar cell), LED(Light Emitting Diode) 등의 산업에 광범위하게 적용되고 있다.
이러한 박막기술을 이용하여 생산되는 제품은 다양한 소자들로 구성되며, 또 각각의 소자들은 여러 층의 박막을 반복적으로 적층하여 패터닝함으로써 이루어진 다.
각각의 소자를 구성하는 각 층의 박막은 진공 증착법, 스퍼터링법, 열산화법 등을 통해 형성되며, 패터닝 공정을 통해 다양한 구조로 형성될 수 있다.
도 1은 일반적인 패터닝 공정을 순차적으로 보여주는 단면도로서, 포토레지스트를 이용한 박막의 패터닝 과정을 보여주고 있다.
도 1을 참조하면, 일반적인 패터닝 공정은 다층 박막, 예를 들어 하층박막(11)과 상층박막(12a)이 형성되어 있는 기판(10) 상부에 포토레지스트(Photoresist, 13a)를 도포하고(단계 a), 원하는 패턴이 형성된 마스크(20)를 통해 자외선을 주사하여 노광공정을 실시한 다음(단계 b), 현상공정을 통해 포토레지스트 패턴(13b)을 형성한 후(단계 c), 포토레지스트 패턴(13b)을 식각마스크로 이용하여 상층박막(12a)을 식각하여 상층박막패턴(12b)을 형성한 다음(단계 d), 포토레지스트 패턴(13b)을 제거하는(단계 e) 과정을 거쳐 수행되고 있다.
상술한 바와 같은 패터닝 공정은 매우 복잡하여 오랜 공정시간을 필요로 하고 고가의 포토레지스트를 사용하고 있기 때문에 공정 비용이 증가하며, 다단계의 공정을 수행하기 때문에 잠재 불량요인의 내재 및 생산성의 저하 등과 같은 다양한 문제점을 발생시키고, 다단계의 공정을 수행하기 위한 고가의 다양한 장비를 필요로 하며, 다량의 화학물질을 사용하기 때문에 환경을 오염시키는 원인이 되고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 최근에는 레이저와 광학소자의 발달을 기반으로 기존의 패터닝 공정에 비해 공정이 간단하고 저가이며 환경적으로 무해한 레이저 다이렉트 패터닝(Laser Direct Patterning, 이하, LDP라 함)방식이 다양하게 응용되고 있다.
LDP 방식은 레이저를 직접 또는 마스크를 통해 박막에 주사하여 박막에서 불필요한 부분을 제거하는 방식으로 수행되는데, 피식각층인 박막 상부에 포토레지스트 도포, 현상 및 포토레지스트 제거 등의 공정을 수행하지 않아도 되기 때문에 기존의 포토레지스트를 이용한 패터닝공정에 비하여 공정이 간단하고 공정 시간이 짧아 생산성이 우수하며, 이에 따라 사용되는 장비의 개수가 줄어들어 공정 비용을 절감할 수 있다는 이점이 있다.
그러나 LDP 방식은 레이저로 직접 박막을 패터닝하기 때문에 식각선택비 차이를 이용하여 박막을 패터닝하고 있는 기존의 포토레지스트를 이용한 패터닝공정에 비해서 피식각층의 하부 박막이 손상되기 쉬워 다층 박막 구조에 적용되기 어렵다는 문제점이 있고, 이에 따라 주로 기판 표면에 형성된 최하층 박막을 패터닝하는데 사용되고 있으며, 다층 박막 중 상층 박막을 패터닝 할 때에는 기존의 포토레지스트를 이용한 패터닝 공정이 적용되고 있는 실정이다.
따라서, 공정을 단순화하고 생산비용을 절감할 수 있는 LDP 방식을 이용하여 하층 박막의 손상을 최소화하면서 다층 박막을 선별적으로 패터닝할 수 있는 새로운 방식이 요구된다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여, 각 층 박막의 분광 특성을 이용하여 레이저 다이렉트 패터닝(Laser Direct Patterning; LDP) 공정 시 방출되는 빛의 파장과 양을 통해 식각 종점을 검출함으로써 다층 박막의 상층 박막을 선별적으로 패터닝하여 레이저에 의해 하층 박막이 손상되는 것을 방지할 수 있는 다층 박막의 패터닝 시스템 및 이를 이용한 패터닝 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 레이저를 이용한 다층 박막의 패터닝 시스템은, 레이저를 이용하여 다층 박막의 상층 박막을 패터닝하는 시스템에 있어서, 기판을 장착하기 위한 스테이지와; 상기 스테이지 상측에 위치하고, 소정 파장의 레이저 빔을 발생시키는 레이저 발진기와; 상기 레이저 발진기에서 발생된 레이저 빔을 상기 기판 방향으로 반사시키는 반사경과; 상기 기판 상부 일측에 구비되며, 상기 레이저 발진기에서 발생된 레이저 빔을 통해 상기 기판 상에 형성된 박막을 식각할 때 방출되는 빛을 검출하는 광 검출수단; 및 상기 광 검출수단에 연결되어, 상기 광 검출수단으로부터 입력되는 빛의 스펙트럼 정보에 따라 상기 레이저 발진기를 제어하여 레이저 빔의 출력을 조절하는 마이크로 프로세서;를 포함하여 구성되되, 상기 광 검출수단은, 상기 기판 상에 형성된 박막을 식각할 때 발생하는 빛을 입사시켜 집속하는 렌즈와; 상기 렌즈에서 집속된 빛을 전달하는 광섬유; 및 상기 광섬유에 연결되어 상기 광섬유를 통해 전달되는 빛의 분광 스펙트럼을 분석하는 분광기;를 포함하여 구성되고, 상기 마이크로 프로세서에는, 상기 다층 박막을 구성하는 각 층 박막의 분광 스펙트럼 정보가 저장되어 있어, 상기 분광기로부터 입력되는 분광 스펙트럼 정보와 각 층 박막의 분광 스펙트럼 정보를 비교하여 상기 다층 박막에서 상층 박막 하부의 하층 박막이 식각될 때 발생되는 빛의 분광 스펙트럼 정보가 검출되는 경우, 이를 상층 박막의 식각 종점으로 판단하여 레이저 빔의 출력을 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 레이저를 이용한 다층 박막의 패터닝 시스템은, 레이저를 이용하여 다층 박막의 상층 박막을 패터닝하는 시스템에 있어서, 기판을 장착하기 위한 스테이지와; 상기 스테이지 상측에 위치하고, 소정 파장의 레이저 빔을 발생시키는 레이저 발진기와; 상기 레이저 발진기에서 발생된 레이저 빔을 상기 기판 방향으로 반사시키는 반사경과; 상기 기판 상부 일측에 구비되며, 상기 레이저 발진기에서 발생된 레이저 빔을 통해 상기 기판 상에 형성된 박막을 식각할 때 방출되는 빛을 검출하는 광 검출수단; 및 상기 광 검출수단에 연결되어, 상기 광 검출수단으로부터 입력되는 빛의 스펙트럼 정보에 따라 상기 레이저 발진기를 제어하여 레이저 빔의 출력을 조절하는 마이크로 프로세서;를 포함하여 구성되되, 상기 광 검출수단은, 상기 레이저 발진기에서 발생된 레이저 빔을 이용하여 상기 박막을 식각할 때 방출되는 빛을 집속하는 렌즈와; 상기 렌즈를 통과한 빛으로부터 상기 다층 박막에서 상층 박막 하부의 하층 박막이 식각될 때 발생되는 특정 파장의 빛만을 선별적으로 통과시키는 필터; 및 상기 필터를 통과한 특정 파장의 빛을 검출하여 상기 검출된 빛의 양에 비례하는 전기신호로 변환하는 광검출기;를 포함하여 구성되고, 상기 마이크로 프로세서는, 상기 광 검출수단을 통해 상기 특정 파장의 빛에 대응하는 전기신호가 검출되는 경우, 이를 상층 박막의 식각 종점으로 판단하여 레이저 빔의 출력을 조절하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 레이저를 이용한 다층 박막의 패터닝방법은, 레이저를 이용하여 다층 박막의 상층 박막을 패터닝하는 방법에 있어서, 스테이지 상에 다층 박막이 형성된 기판을 장착하는 단계와; 레이저 발진기를 통해 상기 다층 박막이 형성된 기판에 레이저 빔을 주사하여 상기 기판 상에 형성된 다층 박막 중 상층 박막을 식각하는 단계와; 분광기를 통해 상기 상층 박막을 식각하면서 방출되는 빛의 분광 스펙트럼을 분석하는 단계와; 분석된 분광 스펙트럼 정보를 각 층 박막의 분광 스펙트럼 정보를 저장하고 있는 마이크로 프로세서로 전달하는 단계와; 상기 마이크로 프로세서를 통해 상기 분광기로부터 전달된 분광 스펙트럼 정보를 이용하여 상기 상층 박막 하부에 위치하는 하층 박막이 레이저 빔에 의해 식각될 때 발생되는 빛의 분광 스펙트럼 정보가 검출되는 경우, 이를 상층 박막의 식각 종점으로 판단하고, 판단 결과에 따라 상기 레이저 발진기를 제어하여 레이저 빔의 출력을 조절하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 레이저를 이용한 다층 박막의 패터닝방법은, 레이저를 이용하여 다층 박막의 상층 박막을 패터닝하는 방법에 있어서, 스테이지 상에 다층 박막이 형성된 기판을 장착하는 단계와; 레이저 발진기를 통해 상기 다층 박막이 형성된 기판에 레이저 빔을 주사하여 상기 기판 상에 형성된 다층 박막 중 상층 박막을 식각하는 단계와; 광 검출수단을 통해 상기 상층 박막을 식각하면서 방출되는 빛 중, 상기 상층 박막 하부에 위치하는 하층 박막이 레이저 빔에 의해 식각될 때 발생되는 특정 파장의 빛을 선별적으로 검출하여, 검출된 특정 파장의 빛의 양에 비례하는 전기 신호로 변환하여 마이크로 프로세서로 전달하는 단계와; 상기 마이크로 프로세서를 통해 상기 광 검출수단으로부터 전달되는 특정 파장의 빛에 대응하는 전기신호로부터 상층 박막의 식각 종점을 판단하고, 판단 결과에 따라 상기 레이저 발진기를 제어하여 레이저 빔의 출력을 조절하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 레이저를 이용한 다층 박막의 패터닝 시스템 및 이를 이용한 패터닝 방법에 의하면, 다층 박막 구조에서 각 층을 이루는 박막마다 가지는 고유의 분광특성을 이용하여 상층 박막만을 선별적으로 식각함으로써 레이저 빔에 의해 하층 박막이 손상되는 것을 최소화할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 기존의 포토레지스트를 이용한 다층 박막 패터닝 공정에 비하여 공정 수를 줄여 생산성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 이에 따른 비용 절감 효과도 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하지만, 본 발명은 그 요지를 이탈하지 않는 한 이하의 실시예에 한정되지 않는다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 레이저를 이용한 다층 박막의 패터닝 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 레이저를 이용한 다층 박막의 패터닝 시스템은, 다층 박막(210, 220, 230)이 형성된 기판(200)을 장착하기 위한 스테이지(100)와, 스테이지(100) 상측에 위치하고, 소정 파장의 레이저 빔을 발생시키는 레이저 발진기(300)와, 레이저 발진기(300)에서 발생된 레이저 빔을 기판 방향으로 반사시키는 반사경(400)과, 기판(200) 상부 일측에 위치하여 레이저 발진기(300)에서 발생된 레이저 빔을 통해 상층 박막(230)을 식각할 때 발생되는 빛을 검출하는 광 검출수단(700) 및 광 검출수단(700)에 연결되어 광 검출수단(700)으로부터 입력되는 검출된 빛의 스펙트럼 정보를 토대로 레이저 발진기(300)에서 발생되는 레이저 빔의 양을 조절하는 마이크로 프로세서(600)를 포함하여 구성된다.
이때, 상측 박막에 원하는 패턴을 형성하기 위해서는 레이저 발진기(300)와 반사경(400) 또는 스테이지(100)를 원하는 패턴에 따라 이동시키면서 레이점 빔을 기판(200) 방향으로 주사하여 상층 박막을 식각할 수 있다. 또한, 반사경(400)과 기판(200) 사이에 원하는 패턴이 형성된 마스크(미도시)를 개재하여 한 번에 넓은 면적의 기판에 레이저 빔을 주사하는 방법을 사용할 수도 있으며, 이와 같이 마스크를 사용하면 상대적으로 식각속도가 향상되어 식각 공정의 효율을 향상시킬 수도 있다.
레이저 발진기(300)는 스테이지(100) 상측에 구비되어 소정 파장의 레이저 빔을 발생시킨다. 레이저 발진기(300)는 내부에서 발생된 레이저 빔을 빔 쉐이퍼 (미도시)로 통과시켜 박막 식각에 필요한 형태로 변환시키며, 균질화된 라인 빔(homogenized line beam)을 형성한다.
반사경(400)은 레이저 발진기(300)에서 방출되는 레이저 빔을 일정한 방향, 즉 기판(200) 측으로 반사시킨다. 반사경(400) 표면에는 소정의 패턴을 형성하여 라인 빔 형태로 조사되는 레이저 빔의 직경을 확대시켜 기판(200) 측으로 반사시켜 한 번에 비교적 넓은 면적을 패터닝할 수 있게 할 수도 있다.
광 검출수단(700)은 레이저 발진기(300)에서 발생된 레이저 빔을 통해 상층 박막(230)을 식각할 때 방출되는 빛을 집속하는 렌즈(710)와, 렌즈(710)를 통해 집속된 빛을 분광기(730)로 전달하는 광섬유(720)와, 광섬유(720)를 통해 전달된 빛의 스펙트럼을 분석하는 분광기(730)를 포함하여 구성된다.
이와 같은 구성을 통해, 기판(200) 상에 형성된 박막이 레이저 발진기(300)로부터 방출되는 레이저 빔에 의해 식각될 때 방출되는 빛이 광섬유(720)를 통해 분광기(730)로 입력되면, 분광기(730)는 광섬유(720)를 통해 입력된 빛의 분광 스펙트럼을 분석하고, 분석된 결과를 마이크로 프로세서(600)로 전달해준다.
마이크로 프로세서(600)는 각 층의 박막에 대한 분광 스펙트럼 정보가 미리 저장되어 있어, 분광기(730)로부터 입력되는 분광 스펙트럼 정보와 미리 저장된 분광 스펙트럼 정보를 서로 비교하여 하층 박막이 식각될 때 발생되는 빛의 분광 스펙트럼 정보가 검출되는 경우, 이를 상층 박막의 식각 종점으로 판단하여 레이저 발진기(300)를 제어하여 레이저 빔의 출력을 조절한다.
이는, 각 층을 구성하는 박막들은 서로 다른 특성의 물질로 구성되어 있어, 이들 물질이 식각될 때 방출되는 빛의 파장이 서로 다르다는 특성을 이용한 것으로 서, 이와 같은 구성을 통해 레이저를 통한 식각과정에서 방출되는 빛의 분광 스펙트럼을 검출, 비교함으로써 피식각층의 식각 종점을 판단할 수 있게 된다.
다시 말해서, 마이크로 프로세서(600)는 분광기(730)와 레이저 발진기(300)에 연결되어 구비되며, 분광기(730)로부터 레이저 빔에 의해 박막이 식각될 때 방출되는 빛의 분광 스펙트럼 정보를 입력받아 미리 저장된 각 층의 박막에 대한 분광 스펙트럼 정보와 서로 비교하여 피식각층 하부의 하층 박막의 분광 스펙트럼 정보와 일치하는 시점을 상층 박막(230)의 식각 종점으로 판단하여 레이저 발진기(300)를 제어함으로써 레이저 빔의 출력을 조절하여 식각 속도를 줄이거나 또는 식각을 정지시켜 하층 박막(220)이 손상되는 것을 방지한다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 레이저를 이용한 다층 박막의 패터닝 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
상술한 본 발명의 제1실시예에서는 넓은 영역의 파장에 대한 분광 스펙트럼을 분석하고 있어 정확한 식각 종점을 판단하는 데는 유리할 수도 있으나, 분광 스펙트럼을 분석하고 이를 각 층 박막의 분광 스펙트럼 정보와 비교한 후 식각 종점을 판단하는데에는 상당한 처리 시간이 필요하다는 문제점이 있다. 즉, 레이저 빔이 빠른 속도의 반복 주파수(수십 kHz)를 가지며 한 층의 박막을 식각하는데 수 또는 수십 펄스에 의해 완성되기 때문에 박막이 식각되면서 방출되는 빛의 분광 스펙트럼을 분석하고, 분석된 분광 스펙트럼을 비교하여 식각 종점을 판단한 후 레이저 빔의 출력을 조절하는 동안 하층 박막이 손상되는 문제점이 있다.
따라서, 특정 파장의 빛만을 검출하여 보다 신속하게 식각 종점을 판단하고, 이를 통해 레이저 출력의 조절을 수행함으로써 하층 박막의 손상을 최소화하기 위하여 레이저를 이용한 다층 박막의 패터닝 시스템을 다음과 같이 구성하였다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 레이저를 이용한 다층 박막의 패터닝 시스템은, 다층 박막(210, 220, 230)이 형성된 기판(200)을 장착하기 위한 스테이지(100)와, 스테이지(100) 상측에 위치하고, 소정 파장의 레이저 빔을 발생시키는 레이저 발진기(300)와, 레이저 발진기(300)에서 발생된 레이저 빔을 기판(200) 방향으로 반사시키는 반사경(400)과, 기판(200) 상부 일측에 위치하여 레이저 발진기(300)에서 발생된 레이저 빔을 통해 식각이 진행됨에 따라 발생되는 빛을 검출하는 광 검출수단(500) 및 광 검출수단(500)에 연결되어 광 검출수단(500)으로부터 입력되는 빛의 스펙트럼 정보를 토대로 레이저 발진기(300)에서 발생되는 레이저 빔의 출력을 조절하는 마이크로 프로세서(600)를 포함하여 구성된다.
광 검출수단(500)은 기판(200) 상에 형성된 박막이 레이저 발진기(300)로부터 방출되는 레이저 빔에 의해 식각될 때 방출되는 빛을 입사시켜 집속하는 렌즈(510)와, 렌즈(510)에서 집속된 빛 중 특정 파장의 빛만을 통과시키는 필터(520) 및 필터(520)를 통과한 빛을 검출하는 광검출기(530)를 포함하여 구성된다.
여기에서 필터(520)는 식각이 진행됨에 따라 방출되는 빛 중 특정 파장의 빛만을 통과시킬 수 있도록 구성된 것으로, 기판(200) 상에 적층되는 각 층 박막마다 식각될 때 서로 다른 파장의 빛을 방출하는 점을 이용한 것이다. 즉, 상층 박막(230)이 식각될 때 방출되는 빛의 파장과, 하층 박막(220)이 식각될 때 방출되는 빛의 파장이 서로 다르기 때문에 상층 박막(230)이 식각된 후 하층 박막(220)이 식각되기 시작하면 방출되는 빛의 파장이 변화되어 하층 박막(220)이 식각되면서 방출되는 빛을 선별적으로 투과시켜 상층 박막(230)의 식각 종점을 판단하기 위함이다.
광 검출기(530)는 필터(520)를 투과한 가시광선을 입사시켜 가시광선의 광량에 비례하는 전기신호로 변환하여 마이크로 프로세서(600)로 전달하며, 본 실시예에서는 애벌런치 포토다이오드(Avalanche Photo Diode ; APD)가 사용되었다. 그러나, 광 검출기(530)로 반드시 APD를 사용하여야 하는 것은 아니며, 다양한 종류의 포토다이오드가 모두 사용될 수 있다. 다만, 일반적인 포토다이오드를 사용하는 경우에는 검출되는 신호의 크기가 미약한 경우가 발생할 수 있으므로, 광 검출기(530) 후단에는 광 검출기(530)에서 생성된 전기신호를 증폭하기 위한 증폭기(미도시)를 추가로 구비하는 것이 바람직하다.
마이크로 프로세서(600)는 광 검출수단(500)과 레이저 발진기(300)에 연결되어 구비되며, 광 검출수단(500)으로부터 입력되는 전기신호의 크기에 따라 레이저 빔의 출력을 조절할 수 있도록 설정되어 있다.
다시 말해서, 마이크로 프로세서(600)는 광 검출수단(500)의 광검출기(530)로부터 전기신호를 입력받아 전기신호의 크기에 따라 레이저 빔의 출력을 조절함으로써 다층 박막 중 상층 박막(230)만을 선별적으로 식각하여 하층 박막(220)이 손상되는 것을 방지한다.
이하, 본 발명에 따른 레이저를 이용한 다층 박막 패터닝 방법에 대하여 설 명한다.
본 발명에 따른 레이저를 이용한 다층 박막 패터닝 방법은 반도체, LCD, 태양전지, LED 등 다양한 분야에 적용될 수 있으며, 여기에서는 본 발명의 제2실시예에 따른 레이저를 이용한 다층 박막 패터닝 시스템을 이용하여 태양전지 제조과정 중 수행되는 다층 박막 패터닝 방법에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 레이저를 이용한 다층 박막의 패터닝 방법에 있어서, CIGS형 태양전지(solar cell)를 구성하는 각 층 박막의 대표적 물질의 분광 스펙트럼을 보여주는 도면이며, 도 3과 연관지어 설명한다.
적어도 두 층 이상의 박막이 형성된 기판(200)을 스테이지(100) 상에 고정시킨다. 이때, 기판(200)은 유리기판이 사용되었고, 기판(200) 상부에 Mo막(210), CIGS막(CuInGaSe2, 220) 및 ZnO막(230)이 순차적으로 적층되어 있다.
다음, 스테이지(100) 상측에 레이저 발진기(300) 및 반사경(400)을 스테이지(100) 상의 기판(200)과 정렬시키고, 기판(200) 상측에 광 검출수단(500)을 위치시킨다.
그 다음, 레이저 발진기(300)를 구동하여 레이저 빔을 발생시킨다. 레이저 빔은 레이저 발진기(300) 내부의 빔 쉐이퍼를 통과하면서 박막 식각에 필요한 형태로 변환되며, 균질화된 라인 빔(homogenized line beam)을 형성하며 방출된다.
레이저 발진기(300)로부터 방출되는 레이저 빔은 기판(200) 상부에 구비된 반사경(400)에 반사되어 일정한 방향, 즉 기판(200) 측으로 주사되어 기판(200)의 최상층에 적층된 ZnO막(230)을 식각하게 된다. 이때, 레이저 빔은 미리 프로그래밍된 패턴 형태에 따라 기판(200) 상의 ZnO막(230)을 직접 식각할 수도 있으며, 기판(200)과 반사경(400) 사이에 원하는 패턴이 형성되어 있는 마스크(미도시) 및 프로젝션 렌즈(미도시) 등의 광학계를 개재하여 ZnO막(230)을 식각할 수도 있다.
이와 같이 레이저 빔을 주사하여 최상층인 ZnO막(230)을 식각하면서 박막이 식각되면서 방출하는 빛을 광 검출수단(500)을 통해 검출하여 검출된 빛의 양에 비례하는 전기신호로 변환하여 마이크로 프로세서(600)로 전달한다. 이때, 광 검출수단(500)을 구성하는 필터(520)는 특정 파장의 빛을 투과시킬 수 있도록 구성되어 있어, ZnO막(230)이 식각된 후 CIGS막(220)이 식각되면서 발생되는 빛을 투과할 수 있도록 구성되어 있으며, 피식각층과 피식각층의 하부 박막의 종류에 따라 적합한 필터로 교체할 수 있도록 구성된다.
도 3은 ZnO막(230)을 구성하는 Zn과, CIGS막(220)을 구성하는 Cu와 Mo막(210)을 구성하는 Mo의 분광 스펙트럼을 보여주고 있다.
각각의 분광 스펙트럼을 자세하게 살펴보면, Zn은 470㎚ 근방에서 강한 발광 특성을 갖고, Cu는 Zn으로부터 방출되지 않는 510㎚ 근방이나 570㎚ 근방에서 강한 발광 특성을 가지며, Mo는 Cu에서 측정할 수 없는 다양한 파장의 빛을 방출하고 있다. 만약에 필터(520)를 통해 Cu에서 방출되지 않는 650㎚ 대의 파장의 빛이 투과되어 광검출기(530)에서 검출되었다면 Mo막이 레이저에 노출되었다는 것을 의미하게 되는 것이다. 예를 들어, 650㎚ 대의 파장을 갖는 빛을 투과시키는 필터(520)가 사용된 경우, 광검출기(530)에서 빛이 검출되었다면, 피식각층, 즉 ZnO막(230)의 하층 박막인 CIGS막(220)이 식각되고 있다는 것을 나타내게 되는 것이다.
따라서, 각 층별 박막을 구성하는 대표적인 물질이 레이저에 노출되었을 때 방출되는 빛의 파장 중 상층 박막과 하층 박막에서 방출되는 빛의 파장과 중첩되지 않는 파장, 즉 하층 박막에서만 방출되는 빛을 투과시킬 수 있는 필터를 이용해야 식각되는 박막의 식각 종점을 검출할 수 있게 된다.
그 후, 마이크로 프로세서(600)는 광 검출수단(500)으로부터 전기신호를 입력받아 피식각층, 즉 ZnO막(230)의 하부 박막인 CIGS막(220)이 식각되고 있는 것으로 판단하고, 입력받은 전기신호의 양에 따라 레이저 발진기(300)를 제어하여 식각 속도를 줄이거나 또는 식각을 정지시킴으로써 피식각층인 ZnO막(230) 하층에 위치하는 CIGS막(220)이 식각되는 것을 방지할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 포토레지스트를 이용한 패터닝 과정을 순차적으로 보여주는 단면도.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 레이저를 이용한 다층 박막의 패터닝 시스템의 구성을 보여주는 도면.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 본 발명에 따른 레이저를 이용한 다층 박막의 패터닝 시스템의 구성을 보여주는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 레이저를 이용한 다층 박막의 패터닝 방법에 있어서, CIGS형 태양전지(solar cell)를 구성하는 각 층 박막의 대표적 물질의 분광 스펙트럼을 보여주는 도면.
<도면의 주요부에 대한 설명>
10, 200 : 기판 11 : 하층 박막
12a : 상층 박막 12b : 상층 박막 패턴
13a : 포토레지스트 13b : 포토레지스트 패턴
100 : 스테이지 210 : Mo막
220 : CIGS막(하층 박막) 230 : ZnO막(상층 박막)
300 : 레이저 발진기 400 : 반사경
500, 700 : 광 검출수단 510, 710 : 렌즈
520 : 필터 530 : 광검출기
600 : 마이크로 프로세서 720 : 광섬유
730 : 분광기

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 레이저를 이용하여 다층 박막의 상층 박막을 패터닝하는 시스템에 있어서,
    기판을 장착하기 위한 스테이지와;
    상기 스테이지 상측에 위치하고, 소정 파장의 레이저 빔을 발생시키는 레이저 발진기와;
    상기 레이저 발진기에서 발생된 레이저 빔을 상기 기판 방향으로 반사시키는 반사경과;
    상기 기판 상부 일측에 구비되며, 상기 레이저 발진기에서 발생된 레이저 빔을 통해 상기 기판 상에 형성된 박막을 식각할 때 방출되는 빛을 검출하는 광 검출수단; 및
    상기 광 검출수단에 연결되어, 상기 광 검출수단으로부터 입력되는 빛의 스펙트럼 정보에 따라 상기 레이저 발진기를 제어하여 레이저 빔의 출력을 조절하는 마이크로 프로세서;
    를 포함하여 구성되되,
    상기 광 검출수단은,
    상기 기판 상에 형성된 박막을 식각할 때 발생하는 빛을 입사시켜 집속하는 렌즈와;
    상기 렌즈에서 집속된 빛을 전달하는 광섬유; 및
    상기 광섬유에 연결되어 상기 광섬유를 통해 전달되는 빛의 분광 스펙트럼을 분석하는 분광기;
    를 포함하여 구성되고,
    상기 마이크로 프로세서에는,
    상기 다층 박막을 구성하는 각 층 박막의 분광 스펙트럼 정보가 저장되어 있어, 상기 분광기로부터 입력되는 분광 스펙트럼 정보와 각 층 박막의 분광 스펙트럼 정보를 비교하여 상기 다층 박막에서 상층 박막 하부의 하층 박막이 식각될 때 발생되는 빛의 분광 스펙트럼 정보가 검출되는 경우, 이를 상층 박막의 식각 종점으로 판단하여 레이저 빔의 출력을 조절하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 다층 박막의 패터닝 시스템.
  3. 레이저를 이용하여 다층 박막의 상층 박막을 패터닝하는 시스템에 있어서,
    기판을 장착하기 위한 스테이지와;
    상기 스테이지 상측에 위치하고, 소정 파장의 레이저 빔을 발생시키는 레이저 발진기와;
    상기 레이저 발진기에서 발생된 레이저 빔을 상기 기판 방향으로 반사시키는 반사경과;
    상기 기판 상부 일측에 구비되며, 상기 레이저 발진기에서 발생된 레이저 빔을 통해 상기 기판 상에 형성된 박막을 식각할 때 방출되는 빛을 검출하는 광 검출수단; 및
    상기 광 검출수단에 연결되어, 상기 광 검출수단으로부터 입력되는 빛의 스펙트럼 정보에 따라 상기 레이저 발진기를 제어하여 레이저 빔의 출력을 조절하는 마이크로 프로세서;
    를 포함하여 구성되되,
    상기 광 검출수단은,
    상기 레이저 발진기에서 발생된 레이저 빔을 이용하여 상기 박막을 식각할 때 방출되는 빛을 집속하는 렌즈와;
    상기 렌즈를 통과한 빛으로부터 상기 다층 박막에서 상층 박막 하부의 하층 박막이 식각될 때 발생되는 특정 파장의 빛만을 선별적으로 통과시키는 필터; 및
    상기 필터를 통과한 특정 파장의 빛을 검출하여 상기 검출된 빛의 양에 비례하는 전기신호로 변환하는 광검출기;
    를 포함하여 구성되고,
    상기 마이크로 프로세서는,
    상기 광 검출수단을 통해 상기 특정 파장의 빛에 대응하는 전기신호가 검출되는 경우, 이를 상층 박막의 식각 종점으로 판단하여 레이저 빔의 출력을 조절하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 다층 박막의 패터닝 시스템.
  4. 삭제
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 광검출기 후단에는,
    상기 광검출기에서 생성된 전기신호를 증폭하기 위한 증폭기를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 다층 박막의 패터닝 시스템.
  6. 레이저를 이용하여 다층 박막의 상층 박막을 패터닝하는 방법에 있어서,
    스테이지 상에 다층 박막이 형성된 기판을 장착하는 단계와;
    레이저 발진기를 통해 상기 다층 박막이 형성된 기판에 레이저 빔을 주사하여 상기 기판 상에 형성된 다층 박막 중 상층 박막을 식각하는 단계와;
    분광기를 통해 상기 상층 박막을 식각하면서 방출되는 빛의 분광 스펙트럼을 분석하는 단계와;
    분석된 분광 스펙트럼 정보를 각 층 박막의 분광 스펙트럼 정보를 저장하고 있는 마이크로 프로세서로 전달하는 단계와;
    상기 마이크로 프로세서를 통해 상기 분광기로부터 전달된 분광 스펙트럼 정보를 이용하여 상기 상층 박막 하부에 위치하는 하층 박막이 레이저 빔에 의해 식각될 때 발생되는 빛의 분광 스펙트럼 정보가 검출되는 경우, 이를 상층 박막의 식각 종점으로 판단하고, 판단 결과에 따라 상기 레이저 발진기를 제어하여 레이저 빔의 출력을 조절하는 단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 다층 박막의 패터닝 방법.
  7. 레이저를 이용하여 다층 박막의 상층 박막을 패터닝하는 방법에 있어서,
    스테이지 상에 다층 박막이 형성된 기판을 장착하는 단계와;
    레이저 발진기를 통해 상기 다층 박막이 형성된 기판에 레이저 빔을 주사하여 상기 기판 상에 형성된 다층 박막 중 상층 박막을 식각하는 단계와;
    광 검출수단을 통해 상기 상층 박막을 식각하면서 방출되는 빛 중, 상기 상층 박막 하부에 위치하는 하층 박막이 레이저 빔에 의해 식각될 때 발생되는 특정 파장의 빛을 선별적으로 검출하여, 검출된 특정 파장의 빛의 양에 비례하는 전기 신호로 변환하여 마이크로 프로세서로 전달하는 단계와;
    상기 마이크로 프로세서를 통해 상기 광 검출수단으로부터 전달되는 특정 파장의 빛에 대응하는 전기신호로부터 상층 박막의 식각 종점을 판단하고, 판단 결과에 따라 상기 레이저 발진기를 제어하여 레이저 빔의 출력을 조절하는 단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 다층 박막의 패터닝 방법.
  8. 삭제
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