KR101753075B1 - 자외선 레이저다이오드를 이용한 스캔형 노광장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자외선 레이저다이오드를 이용하여 대면적 기판에 1㎛ 이하 선 폭의 패턴을 감광할 수 있어서 스캔 광원을 크게 하고 장비를 크게 구성하여 대단히 큰 면적도 고도의 미세 패턴으로 제품 생산이 가능한 자외선 레이저다이오드를 이용한 스캔형 노광장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 자외선 레이저다이오드를 이용한 스캔형 노광장치는, 자외선 레이저를 발진하는 레이저 발진장치; 상기 레이저 발진장치의 전방에 설치되며, 상기 자외선 레이저를 초점을 형상하도록 집속하는 빔 집속부; 상기 빔 집속부 전방에 회전 가능하게 설치되며, 상기 자외선 레이저를 일정한 범위 내에 조사되는 선광원으로 변환하는 스캔 모듈; 상기 스캔 모듈 상측에 설치되며, 상기 스캔 모듈에서 선광원으로 조사되는 자외선 레이저를 하측으로 조사되는 평행광으로 변환하는 평행광 변환부; 상기 평행광 변환부 하측에 설치되며, 노광이 진행될 기판과 마스크가 설치되는 기판 설치 지그; 상기 기판 설치 지그의 하부에 결합되어 설치되며, 상기 기판 설치 지그를 상기 평행광 변환부에 의하여 조사되는 선광원의 길이 방향과 수직되는 방향으로 수평 이동시키는 수평 이동부;를 포함한다.

Description

자외선 레이저다이오드를 이용한 스캔형 노광장치{A SCAN-TYPE EXPOSURE APPARATUS}
본 발명은 스캔형 노광장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자외선 레이저다이오드를 이용하여 대면적 기판에 1㎛ 이하 선 폭의 패턴을 감광할 수 있어서 스캔 광원을 크게 하고 장비를 크게 구성하여 대단히 큰 면적도 고도의 미세 패턴으로 제품 생산이 가능한 자외선 레이저다이오드를 이용한 스캔형 노광장치에 관한 것이다.
노광은 미세전자회로패턴을 구성하기 위한 제반 공정에서 가장 중요한 과정이다. 이 노광 과정은 기판(PCB, LCD 유리 등) 또는 웨이퍼 위에 감광제를 도포하고 그 위에 구현하고자 하는 패턴 마스크를 설치하고 정렬한 후 마스크 상부에서 자외선을 조사하여 감광작용을 유도하는 과정이다.
노광 방식은 크게 세 가지로 분류할 수 있다. 첫째는 밀착형(Hard contact) 노광이다. 이 노광 공정은 기판과 투명 마스크를 진공 등을 이용하여 밀착한 후 자외선에 노출시킨다. 진공은 마스크와 기판 간 간격을 최소로 하기 위함이다.
둘째는 근접형(Proximity) 노광이다. 이 노광 공정은 기판과 마스크가 가볍게 접촉하거나 일정간격을 유지하므로 감광제가 끈적이는 경우 마스크를 오염시키거나 접촉 시 찍힘, 긁힘 등 불량을 방지하고 진공을 사용하지 않으므로 공정속도가 빠르다.
셋째는 투영식(Projection) 노광이다. 이 노광 공정은 기하 광학계를 이용한 사진 촬영과 같은 원리로서 수십 장의 렌즈, 반사경 등의 복잡하게 조합된 광학계를 이용하여 마스크 상을 감광제 표면에 투영하는 방식이다.
상기한 세가지 방식 중 밀착식과 근접형은 마스크의 패턴과 생산제품의 패턴이 동일한 노광이고, 투영식은 초미세 패턴을 구현하는 특성상 마스크는 생산제품의 패턴보다 10 ~ 20 배 정도 더 크게 하고 이를 광학계를 이용하여 패턴이미지를 축소(Contraction)하여 투영하는 방식이다.
그런데 이 세 가지 노광 방식은 모두 문제점을 내포하고 있는 것으로서, 밀착형에서 보이는 접촉에 의한 마스크 손상 문제를 없애고 근접식에서 보이는 미세 패턴 구현 난해성을 극복하며 투영식이 갖고 있는 노광 면적 협소성 등의 문제를 해결할 수 있는 노광 기술의 개발이 절실하게 요구되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 자외선 레이저다이오드를 이용하여 대면적 기판에 1㎛ 이하 선 폭의 패턴을 감광할 수 있어서 스캔 광원을 크게 하고 장비를 크게 구성하여 대단히 큰 면적도 고도의 미세 패턴으로 제품 생산이 가능한 자외선 레이저다이오드를 이용한 스캔형 노광장치를 제공하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 자외선 레이저다이오드를 이용한 스캔형 노광장치는, 자외선 레이저를 발진하는 레이저 발진장치; 상기 레이저 발진장치의 전방에 설치되며, 상기 자외선 레이저를 초점을 형상하도록 집속하는 빔 집속부; 상기 빔 집속부 전방에 회전 가능하게 설치되며, 상기 자외선 레이저를 일정한 범위 내에 조사되는 선광원으로 변환하는 스캔 모듈; 상기 스캔 모듈 상측에 설치되며, 상기 스캔 모듈에서 선광원으로 조사되는 자외선 레이저를 하측으로 조사되는 평행광으로 변환하는 평행광 변환부; 상기 평행광 변환부 하측에 설치되며, 노광이 진행될 기판과 마스크가 설치되는 기판 설치 지그; 상기 기판 설치 지그의 하부에 결합되어 설치되며, 상기 기판 설치 지그를 상기 평행광 변환부에 의하여 조사되는 선광원의 길이 방향과 수직되는 방향으로 수평 이동시키는 수평 이동부;를 포함한다.
그리고 본 발명에서 상기 빔 집속부는 비구면 렌즈인 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 스캔 모듈은, 상기 빔 집속부 전방에 설치되어 회전하면서 상기 자외선 레이저를 선광원으로 변환하는 다면 프리즘; 상기 다면 프리즘 중앙에 결합되어 설치되며, 상기 다면 프리즘을 회전시키는 프리즘 회전 모터;를 포함하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따른 자외선 레이저다이오드를 이용한 스캔형 노광장치에는, 상기 다면 프리즘 전방에 설치되며, 상기 다면 프리즘에 의하여 변환된 선광원을 확장시키는 빔 확장부가 더 구비되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 빔 확장부는 원통형 렌즈로 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 스캔형 노광장치는 자외선 레이저다이오드를 이용하여 대면적 기판에 1㎛ 이하 선 폭의 패턴을 감광할 수 있어서 스캔 광원을 크게 하고 장비를 크게 구성하여 대단히 큰 면적도 고도의 미세 패턴으로 제품 생산이 가능한 장점이 있다.
터치 기능을 갖는 제품들은 대부분 배면광을 통해 영상을 인지할 수 있도록 구동하는 바, 터치 기능을 강조하면 패턴에 의해 빛이 가려져 어두워 지고 배터리 소모도 커진다. 즉 회로 선 폭은 좁고 개방공간은 넓게 하려면 결국 패턴 선 폭이 미세해져야 한다. 현재 출시된 밀착형 평행광 노광장비의 패턴 구현 한계는 약 10㎛ 내외로서 제조 업계는 이보다 더 좁은 패턴 구현을 시도하고 있지만 노광 기술의 한계로 제품 개발을 못하고 있는 실정이다. 본 발명은 약 1㎛ 패턴 구현이 가능할 정도의 고품질 평행광원을 제공함으로써 기존 전자기기의 혁명적 변화를 도모할 수 있는 기술이다.
반도체용 노광장비를 사용하여 생산할 수는 있겠으나, 수백억원에 달하는 장비 가격이 문제이다. 그러나 본 발명의 기술은 대면적 기판에 1㎛ 선폭의 패턴을 감광할 수 있어서 스캔 광원을 크게 하고 장비를 크게 구성하면 대단히 큰 면적도 고도의 미세 패턴으로 제품 생산이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 집속부 및 스캔 모듈의 구조를 도시하는 부분 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스캔형 노광장치의 구조와 광경로를 도시하는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스캔형 노광장치의 구조와 광경로를 도시하는 정면도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다.
본 실시예에 따른 자외선 레이저다이오드를 이용한 스캔형 노광장치(100)는 도 2, 3에 도시된 바와 같이, 레이저 발진장치(110), 빔 집속부(120), 스캔 모듈(130), 평행광 변환부(140), 기판 설치 지그(150) 및 수평 이동부(160)를 포함하여 구성될 수 있다.
먼저 상기 레이저 발진장치(110)는 자외선 레이저를 발진하는 구성요소로서, 간단한 구조를 가지는 레이저다이오드로 구성될 수 있다. 또한 상기 레이저 발진장치(110)에는 자체 냉각 장치(도면에 미도시)가 구비되어 있어서 노광 과정에서 발생되는 열을 충분히 방열할 수 있다.
노광은 감광제의 특성에 따라 조사되는 빔의 파장을 선정한다. 입사되는 파장이 짧을수록 미세 패턴 구현성이 우수하고 종래 사용하는 자외선 램프도 감광제 특성을 맞춰 개발한 것들이다. 따라서 본 실시예의 레이저 발진장치(110)도 동일한 개념으로 본다면 파장 중 감광제에 맞는 발진장치를 선정하는 것이다. 그리고 발진장치(110)에서 발산하는 빔이 초점으로 변경이 가능한 것인지 확산각을 최소화한 것인지를 검토하고 적용을 검토한다.
이들 기능에 따라 광학계의 설계와 부품선정이 달라지며 빔을 어떻게 변환하여 적용할 것인지도 정할 수 있기 때문이다. 스캔 시 조도가 낮을 경우 고출력 레이저로 교체할 수 있고 레이저다이오드를 사용하면 장치는 더욱 간단해지고 전력소모도 더 절감하게 된다.
본 실시예에 따른 레이저 발진장치(110)는 전술한 바와 같이 자체 냉각 장치가 구비되어 있다. 또한 기존 램프는 입력 전력량의 약 70%가 가시광선, 20%가 적외선 그리고 나머지 10%가 자외선으로 발산한다. 즉 노광에 기여하지 못하는 파장발산이 압도적으로 많고 이 많은 빔이 노광 품질을 저해하는 열원이라는 문제점이 있다.
더구나 10%에 불과한 빔이 복잡한 광학계를 경유하면서 유실되어 정작 노광 면에 도달하여 작용하는 광량은 그것의 1/20(5%) 정도이다. 나머지 95%가 특히 필름 마스크 팽창(8㎛/℃)을 초래하는 열원이라는 점이다.
그런데 본 실시예에서 사용하는 레이저는 단색광으로서 발진장치에서만 냉각하고 투사되는 빔은 열원이 아니므로 노광 면에 열적 부작용을 초래하지 않는다. 그러므로 본 실시예에 따른 스캔형 노광장치(100)에는 별도의 냉각장치가 필요치 않다.
다음으로 상기 빔 집속부(120)는 도 1, 2에 도시된 바와 같이, 상기 레이저 발진장치(110)의 전방에 설치되며, 상기 자외선 레이저가 초점을 형성하도록 집속하는 구성요소이다. 상기 레이저 발진장치(110)의 출력 빔은 일정각도로 확산되어 출력된다. 이를 그대로 사용하는 것은 직진성이 강한 면광원 조사에 불리하므로 광 집속부(120)를 이용하여 레이저빔이 평행광이 되도록 할 필요가 있다. 따라서 상기 광 집속부(120)는 비구면렌즈로 구성될 수 있다.
다음으로 상기 스캔 모듈(130)은 도 1, 2에 도시된 바와 같이, 상기 빔 집속부(120) 전방에 회전 가능하게 설치되며, 상기 자외선 레이저를 일정한 범위 내에 조사되는 선광원으로 변환하는 구성요소이다. 이를 위해 본 실시예에서는 상기 스캔 모듈(130)을 구체적으로 도 1에 도시된 바와 같이, 다면 프리즘(132)과 프리즘 회전모터(134)로 구성할 수 있다.
먼저 상기 다면 프리즘(132)은 다면 입사면을 가지도록 상기 빔 집속부(120) 전방에 설치되어 회전하면서 상기 자외선 레이저를 선광원으로 변환하는 구성요소이다. 그리고 상기 프리즘 회전모터(134)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 다면 프리즘(132) 중앙에 결합되어 설치되며, 상기 다면 프리즘(132)을 회전시키는 구성요소이다.
초점이 형성된 레이저 빔이 다면 프리즘(132)에 수직으로 조사되면 굴절은 역시 Snell의 법칙에 따라 일정 각도로 굴절되어 나오게 되는데, 상기 프리즘 회전 모터(134)에 부착된 다면 프리즘(132)이 회전에 따라 순간순간 입사각이 바뀌게 되고 이에 따라 빔은 평행하지만 굴절각 범위에서 진동하게 된다.
또한 본 실시예에 따른 스캔형 노광장치(100)에서 상기 평행광 변환부(140)에 입사하는 빔과 반사하는 빔이 동일 축 상에 놓인 상태에서 반사한 빔이 노광 면에 도달하면, 그림자가 되므로 상기 다면 프리즘(132)은 각 면이 적절한 경사각을 갖도록 하는 것이 중요하다. 상기 다면 프리즘(132)의 경사각은 빔 경로를 변경하기 위함뿐만 아니라 빔의 굴절을 통한 확산 기능을 겸하고 있다.
그리고 본 실시예에 따른 스캔형 노광장치(100)에는 빔 확장부(170)가 더 구비되는 것이 바람직하다. 전술한 다면 프리즘(132)에 의하여 진동 폭을 가지는 레이저빔을 가지고 노광 면 전체를 조사할 수는 없으므로, 진동하는 빔을 상기 빔 확장부(170)를 이용하여 각도를 크게 벌려 준다. 이렇게 벌려준 레이저 빔이 다면 프리즘(132) 회전에 따라 각도가 변하면서 평행광 변환부(140)에 입사하게 된다.
따라서 상기 빔 확장부(170)는 도 1, 2에 도시된 바와 같이, 상기 다면 프리즘(132) 전방에 설치되며, 상기 다면 프리즘(132)에 의하여 변환된 선광원을 확장시키도록 원통형 오목 렌즈로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 다면 프리즘(132)에서 출력된 빔은 폭이 좁고 높이가 긴 타원형 빔이다. 빔 폭을 확장하고 빔 높이는 확산하는 각도로 평행광 변환부(140)에 입사하도록 하면서 노광 면적에 적당한 각도로 빔을 확산하는 역할을 상기 원통형 오목 렌즈(170)가 수행하는 것이다.
이 원통형 오목 렌즈(170)는 원통형이므로 전술한 바대로 한쪽 축(높이 축)은 빔이 갖고 있는 각도를 유지하도록 하고, 다른 한쪽 축(폭 축)은 상기 평행광 변환부(140)에서 반사 후 평행광이 되는 각도로 확산하도록 하는 역할이므로 곡률과 두께 그리고 상대적 위치 설정이 중요하다. 그리고 빔의 손실을 줄이기 위해 자외선 투과율이 우수한 재질을 선정해야 하고, 제작 시 고품질의 표면 조도와 표면 반사방지 코팅이 요구된다.
다음으로 상기 평행광 변환부(140)는 도 1, 2에 도시된 바와 같이, 상기 스캔 모듈(130) 상측에 설치되며, 상기 스캔 모듈(130)에서 반사되는 자외선 레이저를 하측으로 조사되는 평행광으로 변환하는 구성요소이다. 상기 평행광 변환부(140)는 포물경으로 구성될 수 있으며, 상기 프리즘 회전 모터(134)와 다면 프리즘(132)이 등속 회전하면서 포물경(140)에 투사한 빔은 좁고 긴 빔을 감광면에 뿌려 주게 된다.
아울러 상기 포물경(140)의 초점거리는 평행광 성능에 매우 중요하므로 레이저 발진장치(110)에서 발산한 빔의 초점을 이루는 지점부터 포물경(140)이 설치되는 거리까지가 포물경(140)의 초점이 된다. 이 포물경(140)은 자외선을 반사해야 하는 관계로 제작 시 표면 조도와 광학 코팅 역시 매우 중요하다. 코팅은 자외선에 반사특성이 우수한 재료를 선정하고 균일한 코팅을 수행해야 하며 조립 시에도 세심한 주의를 요한다.
먼저 폭 방향 빔의 균일성은 레이저 발진장치에서 발진하는 빔이 단일 모드보다 다중모드일 때 더 균일성이 향상된다. 그러나 이 빔의 단면적은 엄밀한 의미에서는 조도가 균일하다고 인정할 수 없으므로 투사되는 단일 빔 다발을 좌우 방향으로 등속 왕복하며 조사면에 뿌려 주면 빔 폭 만큼 띠 형상의 선광원이 형성된다. 다시 이 띠 형상의 빔을 하부에 구비된 수평 이동부(160)가 노광영역보다 긴 구간을 등속으로 이동하면 비로소 노광 영역 전체에 균일한 조도를 갖는 빔을 조사하게 되는 것이다.
감광제가 요구하는 누적 광량과 조사되는 빔 다발의 광량을 알면 기판의 이동 속도를 구할 수 있다. 요구 광량에 따라 기판 이동 속도를 가감하는 기능이 구비되면 본 평행광원은 미세 패턴 노광 장비의 광원으로 사용이 가능하다.
따라서 상기 기판 설치 지그(150)는, 도 2, 3에 도시된 바와 같이, 상기 평행광 변환부(140) 하측에 설치되며, 노광이 진행될 기판(S)과 마스크(M)가 설치되는 기능을 수행하고, 상기 수평 이동부(160)는 상기 기판 설치 지그(150)를 수형이동시키는 것이다.
구체적으로 상기 수평 이동부(160)는 도 2, 3에 도시된 바와 같이, 상기 기판 설치 지그(150)의 하부에 결합되어 설치되며, 상기 기판 설치 지그(150)를 상기 평행광 변환부(140)에 의하여 조사되는 선광원의 길이 방향과 수직되는 방향으로 수평 이동시키는 것이다.
또한 본 실시예에 따른 스캔형 노광장치(100)는 노광 공정에서 요구하는 누적 광량이 조사된 후 빔을 차단하여 감광이 더 이상 진행되지 않도록 빔을 차단할 필요가 있다. 누적 광량은 자외선 광량계(도면에 미도시)를 노광 작업이 방해받지 않는 위치 즉, 스캔이 시작되는 한쪽 끝에 설치해 두고 노광이 시작될 때 이 광량계를 먼저 경유하도록 하여 조사되는 광량을 미리 알고 노광 기판의 이송 속도를 연산하는 것이 중요하다.
즉, 누적광량(mj/cm2) = 조사되는 빔 다발의 광량(mW/cm2) × 시간(초)이므로 단위 빔 다발의 길이 만큼을 지나는 시간을 계측하고 계산하면 속도가 산출되는데 이를 제어 장치에서 자동적으로 수행될 수 있도록 하고 빔 셔터를 이 신호에 따라 개폐하면 고품질의 노광 작업을 수행 자동적으로 할 수 있다.
따라서 본 실시예에 따른 스캔형 노광장치(100)에는 빔 셔터(도면에 미도시)가 더 구비되는 것이 유리하며, 상기 빔 셔터는 빔 직경이 좁은 경로 상에 설치하는 것이 바람직하다.
100 : 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 레이저다이오드를 이용한 스캔형 노광장치
110 : 레이저 발진장치 120 : 빔 집속부
130 : 스캔 모듈 140 : 평행광 변환부
150 : 기판 설치 지그 160 : 수평 이동부

Claims (5)

  1. 자외선 레이저를 발진하는 레이저 발진장치;
    상기 레이저 발진장치의 전방에 설치되며, 상기 자외선 레이저를 초점을 형상하도록 집속하는 빔 집속부;
    상기 빔 집속부 전방에 회전 가능하게 설치되며, 상기 자외선 레이저를 일정한 범위 내에 조사되는 선광원으로 변환하는 스캔 모듈;
    상기 스캔 모듈 상측에 설치되며, 상기 스캔 모듈에서 선광원으로 조사되는 자외선 레이저를 하측으로 조사되는 평행광으로 변환하는 평행광 변환부;
    상기 평행광 변환부 하측에 설치되며, 노광이 진행될 기판과 마스크가 설치되는 기판 설치 지그;
    상기 기판 설치 지그의 하부에 결합되어 설치되며, 상기 기판 설치 지그를 상기 평행광 변환부에 의하여 조사되는 선광원의 길이 방향과 수직되는 방향으로 수평 이동시키는 수평 이동부;를 포함하며,
    상기 스캔 모듈은,
    상기 빔 집속부 전방에 설치되어 회전하면서 상기 자외선 레이저를 선광원으로 변환하는 다면 프리즘;
    상기 다면 프리즘 중앙에 결합되어 설치되며, 상기 다면 프리즘을 회전시키는 프리즘 회전 모터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자외선 레이저다이오드를 이용한 스캔형 노광장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 빔 집속부는,
    비구면 렌즈인 것을 특징으로 하는 자외선 레이저다이오드를 이용한 스캔형 노광장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다면 프리즘 전방에 설치되며, 상기 다면 프리즘에 의하여 변환된 선광원을 확장시키는 빔 확장부가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 자외선 레이저다이오드를 이용한 스캔형 노광장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 빔 확장부는,
    원통형 렌즈로 구성되는 것을 특징으로 하는 자외선 레이저다이오드를 이용한 스캔형 노광장치.
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CN108845407A (zh) * 2018-07-03 2018-11-20 苏州闻道电子科技有限公司 基于多面体棱镜和频率调制的高速扫描成像方法与装置

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