KR20010046719A - 케미컬 공급노즐을 구비한 스피너장비, 이를 이용한 패턴형성방법 및 식각 방법 - Google Patents
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Abstract
포토마스크의 제작단계 또는 특정 기판상에서 레지스트 패턴을 형성하는 현상공정 또는 레지스트 패턴을 식각마스크로 하는 식각공정을 스핀방식에 의해 수행하는 스피너장비 및 이를 이용한 패턴 형성방법 및 식각방법이 개시되어 있다. 공정이 수행될 기판의 상측에 현상액 또는 식각액을 공급하는 공급노즐을 복수개 설치하여 이들로부터 각각 공급되는 케미컬의 온도, 유량 등의 공정조건을 독립적으로 제어한다. 스핀방식의 공정에서 방사형으로 변하는 CD의 편차를 조절할 수 있어 CD의 균일도가 향상된다.
Description
본 발명은 케미컬 공급노즐을 구비한 스피너장비, 이를 이용한 패턴 형성방법 및 식각방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 각기 공정조건들이 독립적으로 제어되는 복수개의 케미컬 공급노즐을 통하여 CD(Critical Dimension)의 균일성을 향상시킬 수 있는 스피너장비, 이 장비를 이용하여 현상공정을 수행하는 패턴 형성방법 및 이 장비를 이용하여 식각공정을 수행하는 식각방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체소자의 제조공정은 반도체 웨이퍼상에 서로 성질을 달리하는 도전층, 반도체층 및 절연층을 그 적층의 순서 및 패턴의 형상을 조합하여 일정한 기능을 수행하는 전자회로를 실현하는 과정이라고 말할 수 있다. 특히, 반도체 메모리소자 및 반도체 논리소자 등은 일정한 목적하에 설계된 포토마스크를 사용하여 동일한 기능 및 형태를 갖는 복수개의 단위칩들을 반도체 웨이퍼상에 반복적으로 구현한 것이다. 또한 각 단위칩의 경우에도 동일한 형상을 갖는 복수개의 단위셀들이 단위칩내에 매트릭스상으로 반복적으로 형성되어지는 것이다.
한편, 반도체 메모리소자 및 반도체 논리소자 등이 점점 더 고집적화됨에 따라 각 소자를 구성하는 각종 패턴들의 크기는 더욱 미세화되어, 디자인룰이 0.35 ㎛, 0.25 ㎛, 0.18㎛, 0.15㎛ 등으로 점차 작아지고 있다. 그러나 이러한 소자 패턴의 미세화 추세와는 반대로 생산성의 향상이라는 측면에서 반도체 웨이퍼의 크기는 6", 8", 12" 등으로 점점 대형화되어 가고 있으며, 포토마스크의 크기도 5" x 5", 6" x 6", 9" x 9" 등으로 점점 대형화되어 가고 있는 추세이다.
따라서, 소자 패턴의 미세화에도 불구하고 반도체 웨이퍼 또는 포토마스크등의 기판의 크기는 더욱 대형화되어 가고 있기 때문에, 대형화된 반도체 웨이퍼 또는 포토마스크의 내부에서 동일 반복적으로 형성되는 소자 패턴들의 CD(Critical Dimension)를 기판의 전체 위치에서 균일하게 형성 및 관리하는 것은 더욱 어렵고도 중요한 일이 되어가고 있다. 특히, 포토마스크의 경우에는 포토마스크상에 형성된 패턴의 이미지를 웨이퍼상에 전사해주는 원판의 역할을 하기 때문에 CD의 균일도 관리는 더욱 중요한 것이다.
도 1은 종래의 포토마스크장비에서 포토마스크상에 스프레이형 노즐이 위치하는 관계를 개략적으로 나타낸 모식도로서, 포토마스크(10)상에 패턴 형성을 위한 현상공정의 단계를 나타낸다. 도 1을 참조하여 포토마스크의 일반적인 제조과정을 이하에서 살펴본다. 포토마스크의 구조는 빛의 강도를 제어하는 바이너리 마스크 (binary mask)와 빛의 위상과 강도를 동시에 제어하는 위상반전 마스크(phase shift mask)로 나눌 수 있으며, 이하에서는 바이너리 마스크에 관하여 설명한다.
먼저, 기판(10a)상에 차광막(10b)이 형성된 대략 정사각형의 블랭크 기판이 제공된다. 기판(10a)의 재료는 단파장에서의 고광투광성, 저열팽창성이라는 특성을 가진 고순도 합성석영 그라스가 일반적으로 사용된다. 차광막(10b)의 재료는 금속 크롬과 크롬화합물의 다층구조가 일반적으로 이용되고 있다.
이어서, 상기 차광막(10b)상에 레지스트층(10c)을 코팅시킨다. 상기 레지스트층(10c)으로서, 포지티브형 이빔(E-beam)레지스트에서는 유기용매를 현상액으로 쓰는 전자선 분해형의 레지스트가 주로 사용되며, 네가티브형 이빔레지스트에서는 화학증폭형 레지스트(Chemical Amplified Resist;CAR)가 사용되고 있다.
이어서, 노광장치를 사용하여 상기 레지스트층(10c)에 대하여 설계된 패턴에 따라 노광공정을 수행한다. 노광장치로서는 스폿빔(spot beam)을 사용한 래스터 스캔형(raster scan type)의 장치와 벡터스캔(vector scan) 장치가 사용되며, 멀티빔 (multi-beam)을 채용한 노광장치도 사용되어지고 있다. 도 1에서 참조번호 "10c'"는 노광되어 화학반응을 일으킨 레지스트층의 노광영역을 나타낸다.
이어서, 현상액을 사용하여 레지스트층의 노광영역(10c')을 현상하여 제거함으로써, 설계된 레지스트 패턴이 형성된다. 이어서, 상기 레지스트 패턴을 식각마스크로 하여 상기 차광막(10b)에 대하여 식각공정을 수행하고, 잔류하는 레지스트 패턴 물질을 제거해줌으로써, 기판(10a)상에는 소정의 차광막 패턴이 형성되어 원하는 포토마스크가 제작된다.
상술한 포토마스크의 제작과정 중에서, 마스크의 CD 균일도(uniformity)를 결정하는 가장 핵심 공정이 노광공정 및 현상공정이다. 노광공정의 경우에는 노광장비에서 기입 (writing) 방식, 기판 및 가속전압이 결정된 경우 CD의 균일도는 순수하게 장비의 재현성에 의존하게 된다. 반면에 현상공정의 경우에는 현상설비 및 현상방법에 따라 CD의 균일도가 변화되어질 수 있다.
도 1은 전술한 바와 같이, 종래의 포토마스크 제작과정 중에서 현상공정을 나타내는 것으로서, 노광공정이 수행된 포토마스크(10)상에 스핀 스프레이 공정(Spin spray process)에 의해 현상액을 공급하여 노광영역(10c')을 현상하여 제거하는 것이다. 현상액은 제1 스프레이형 노즐(12) 및 제2 스프레이형 노즐(14)에 의해 분사되는 형태로 공급되며, 이때 포토마스크(10)는 회전하는 스피너의 고정척(도시안됨) 상에 수평적으로 고정되어 일정한 속도로 회전한다. 도 2는 도 1의 평면도로써, 포토마스크(10)의 상측에 위치하는 제1 스프레이형 노즐(12) 및 제2 스프레이형 노즐(14)의 위치관계를 나타낸다.
종래의 스핀 스프레이 현상공정에 의하면, 사각형의 포토마스크(10)상에 형성된 레지스트 패턴이 스피너의 회전중심으로부터 동심원 방향으로 급변하게 된다는 문제점이 있다. 이는 포토마스크가 스피너의 고정척 상에 고정되어 회전하면서 유동성이 있는 케미컬을 사용하여 공정수행이 이루어지기 때문에 회전중심과 회전가장자리에 있어서 여러 가지 공정조건들이 일치하지 않기 때문에 발생되는 것이다. 따라서 이러한 공정조건들을 포토마스크 또는 웨이퍼 등의 기판 전체에서 균일하게 유지하여 CD의 균일도를 향상시킬 수 있는 방법에 관한 연구가 지속적으로 요구되어져 왔다.
일본국 히타치사의 하이데타카 사이토(Hidetaka Saitoh)씨 등이 발표한 논문 "STUDY OF DEVELOPMENT METHODS FOR CHEMICAL AMPLIFICATION RESIST" (SPIE Vol.3412, pp. 269-278, 1998)에는 포토마스크의 제작단계에서 CD 균일도에 크게 영향을 끼치는 현상공정의 여러가지 방법들에 관한 비교결과가 개시되어 있다. 상기 논문에 따르면, 샤워-스프레이(Shower-spray) 현상방법, 퍼들 현상(Puddle development)방법, 딥 현상(Dip development)방법의 각각에 대하여 현상공정을 실시한 후 CD 편차를 측정한 결과 딥 현상방법에 의한 경우 CD 편차(3σ)가 17 nm로 가장 양호한 결과를 나타내었다. 그러나 딥 현상방법은 마스크의 디펙트(defect)를 항상 낮게 유지하기 위해서는 수시로 현상액을 교체하여야 하기 때문에 이러한 다량의 현상액에 대한 요구는 경제적으로 매우 불리한 것이 된다. 따라서, 상기 논문에서는 현상액 분사압력을 변화시킨 소프트-샤워 (soft-shower) 현상방법을 제시하였다. 그러나 이 방법도 회전중심이 되는 기판의 중심부와 회전에 따른 원심력이 크게 작용하는 기판의 가장자리에서의 공정조건이 달라지기 때문에 종래의 스핀 스프레이방식 현상공정의 문제를 완전히 극복하였다고 볼 수 없다.
본 발명의 제1 목적은, 케미컬을 사용하여 스핀방식에 의해 수행되는 현상공정 또는 식각공정시 기판상에 형성되는 패턴의 CD 균일도를 향상시킬 수 있는 케미컬 공급노즐을 구비한 스피너장비를 제공하는 데 있다.
본 발명의 제2 목적은, 케미컬을 사용하여 스핀방식에 의해 수행되는 현상공정시 기판상에 형성된 패턴의 CD 균일도가 향상될 수 있는 패턴 형성방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 제3 목적은, 케미컬을 사용하여 스핀방식에 의해 수행되는 식각공정시 기판상의 특정 하지층상에 기형성된 패턴을 식각마스크로 하여 식각된 하지층 패턴의 CD 균일도가 향상될 수 있는 식각방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 종래의 포토마스크장비에서 포토마스크상에 스프레이형 노즐이 위치하는 관계를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 포토마스크상에서의 노즐의 위치를 보여주는 도 1의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 포토마스크장비를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 포토마스크장비에서 포토마스크상에서의 노즐의 위치를 보여주는 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 포토마스크장비에서 포토마스크상에 스트림(스트레이트)방식 노즐이 위치하는 관계를 개략적으로 보여주는 모식도이다.
도 6 내지 도8은 본 발명의 일 실시예에 따라 스피너의 회전속도를 달리하면서 포토마스크의 CD(Critical Dimension) 균일도의 변화를 측정한 결과 사진들이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 하나의 스트레이트 노즐을 사용하여 케미컬의 온도 변화에 따른 포토마스크의 CD 균일도의 변화를 측정한 결과 사진이다.
도 12 내지 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 두개의 스트레이트 노즐을 사용하여 케미컬의 온도 변화에 따른 포토마스크의 CD 균일도의 변화를 측정한 결과 사진이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따라 4개의 스트레이트 노즐을 사용하여 포토마스크의 CD를 측정한 결과 사진이다.
※ 도면의 주요부분에 부호의 설명
10, 20 ; 포토마스크 12, 14 ; 스프레이형 노즐
22,24,26,28 ; 스트림형 노즐 40 ; 케미컬공급원
42,44,46,48 ; 온도제어기 52,54,56,58 ; 케미컬공급관
60 ; 공정챔버 70 ; 공정수행부
80 ; 모터 82 ; 회전축
84 ; 고정척 86 ; 드레인부
상기 본 발명의 목적들은, 포토마스크의 제작단계 또는 특정 기판상에서 레지스트 패턴을 형성하는 현상공정 또는 레지스트 패턴을 식각마스크로 하는 식각공정을 스핀방식에 의해 수행함에 있어서, 현상액 또는 식각액을 공급하는 공급노즐을 복수개 설치하여 이들로부터 각각 공급되는 케미컬의 온도 등의 공정조건을 독립적으로 제어함으로써 달성된다.
상기 본 발명의 제1 목적을 달성하기 위하여, 공정수행용 기판을 상측에 수평하게 고정시킨 후 회전시킬 수 있는 회전수단, 상기 공정수행용 기판의 상측으로부터 수직하향하게 공정수행용 케미컬을 공급해주며, 서로 일정한 간격을 두고 배치되는 복수개의 케미컬 공급노즐들, 상기 케미컬 공급노즐에 공급되는 케미컬을 저장하는 케미컬 공급원 및 상기 케미컬 공급원과 케미컬 공급노즐들 사이에 설치된 복수개의 케미컬 공급관들을 구비하는 케미컬 공급노즐을 구비한 스피너장비가 제공된다.
상기 케미컬 공급노즐들을 통하여 상기 공정수행용 기판에 공급되는 케미컬의 온도가 각 공급노즐별로 독립적으로 제어되며, 케미컬의 유량도 각 공급노즐별로 독립적으로 제어될 수 있다. 또한, 상기 각 케미컬 공급노즐은 케미컬을 수직하향하게 흘려줄 수 있는 스트림형 노즐로 구성되며, 상기 복수개의 케미컬 공급노즐들은 서로간의 거리가 수평적 또는 수직적으로 가변가능한 것이 바람직하다.
상기 공정수행용 기판으로 적용할 수 있는 것은 포토마스크 뿐만아니라, 스핀방식에 의하여 공정을 수행할 수 있는 반도체 웨이퍼, LCD(Liquid Crystal Display)용 기판, 또는 FPD(Flat Panel Display)용 기판중의 어느 하나일 수 있으며, 상기 스피너장비는 현상장비 또는 식각장비일 수 있다.
상기 본 발명의 제2 목적을 달성하기 위하여, 기판상에 피식각물질층 및 패턴형성물질층을 순차적으로 형성하는 단계, 상기 패턴형성물질층에 대하여 설계된 특정 패턴에 따라 노광공정을 수행하는 단계, 상기 노광공정이 수행된 기판을 공정온도가 제어되는 공정챔버내의 회전수단상에 로딩하는 단계 및 상기 회전수단에 의해 상기 기판을 회전시키면서, 상기 기판의 상측 복수개의 위치에서 각기 위치별로 독립적으로 온도제어된 현상액을 수직하향하게 흘려주어 상기 노광공정이 수행된 패턴형성물질층의 일부를 현상하여 제거하는 단계를 구비하는 패턴 형성방법이 제공된다.
공정조건의 최적화를 위하여, 상기 패턴형성물질층의 일부가 제거되어 형성된 패턴에 대하여 상기 기판상의 위치별로 씨디(Critical Dimension;CD)를 측정하는 단계 및 상기 측정된 씨디의 결과에 기초하여 상기 기판의 상측에서 각 위치별로 공급되는 현상액의 온도를 조절하는 단계를 더 구비할 수도 있다.
상기 본 발명의 제3 목적을 달성하기 위하여, 피식각물질층이 상면에 형성된 기판상에 특정 패턴을 갖는 식각마스크층을 형성하는 단계, 상기 식각마스크층이 형성된 기판을 공정온도가 제어되는 공정챔버내의 회전수단상에 로딩하는 단계 및 상기 회전수단에 의해 상기 기판을 회전시키면서, 상기 기판의 상측 복수개의 위치에서 각기 위치별로 독립적으로 온도제어된 식각액을 수직하향하게 흘려주어 상기 피식각물질층의 일부를 식각하여 제거하는 단계를 구비하는 식각방법이 제공된다.
또한, 공정조건의 최적화를 위해서, 상기 식각되어 형성된 피식각물질층의 패턴에 대하여 상기 기판상의 위치별로 씨디(Critical Dimension;CD)를 측정하는 단계 및 상기 측정된 씨디의 결과에 기초하여 상기 기판의 상측에서 각 위치별로 공급되는 식각액의 온도를 조절하는 단계를 더 구비할 수도 있다.
본 발명에 따르면, 포토마스크 또는 기판의 상측에서 일정한 간격을 두고 위치하는 복수개의 케미컬 공급노즐로부터 케미컬의 온도 및 유량 등이 각기 공급노즐별로 독립적으로 제어되어 공급되기 때문에 마스크 또는 기판의 전체에 걸쳐 CD 의 편차가 매우 작게 관리되어질 수 있다.
본 발명은 기본적으로 복수개의 케미컬 공급노즐을 위치별로 독립적으로 관리하여 전체 기판상에서의 CD 편차를 줄이는 것으로서, 이하에서 포토마스크의 제작단계에서 수행되는 현상공정에 관하여 설명하고 있지만, 본 발명은 이하의 실시예에 한정되지 않으며, 기판의 종류 또는 공정단계의 측면에서 본 발명의 균등의 범위내에서 다양한 변형 실시가 가능함은 물론이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
일반적으로 포토마스크를 제작함에 있어서 CD 에러를 유발하는 요인은 크게 노광공정시의 문제, 현상공정시의 문제, 식각공정시의 문제등 다양하게 존재할 수 있다. 즉,노광공정에서 CD 에러를 유발하는 요인은 낮은 가속전압에 의한 낮은 콘트라스트, 후방산란(Back scattering), 근접효과(proximity effect),다중산란 (multiple scattering) 등의 하드웨어적 문제와 낮은 감도의 이빔레지스트, 블랭크 마스크 에러, 라인내의 환경의 영향등에 의한 소프트웨어적 문제등으로 분류될 수 있으며, 특히 낮은 가속전압을 사용할 경우에 노광 콘트라스트가 매우 넓어 에너지 흡수 프로파일이 나쁘고, 낮은 콘트라스트의 이빔레지스트를 사용할 경우 현상마진이 매우 협소하고 레지스트의 측벽 기울기(Slope)가 포토레지스트에 비하여 매우 불량하게 된다.
현상공정에서는 주로 현상설비 및 현상방법에 의해 크게 영향을 받으며, 특히 이빔레지스트와 현상액과의 반응속도는 레지스트 패턴의 측벽 기울기의 변화를 결정하는 주요 요인이 되고 있다. 일반적인 아래의 화학 반응속도식에 따르면,
A는 반응속도상수, E0는 활성화에너지, k는 볼쯔만상수 그리고 T는 온도이며, 상기 수학식 1으로부터 반응속도상수, 활성화에너지 및 볼쯔만상수는 상수이기 때문에 결국 레지스트의 반응속도(R)를 결정하는 것은 온도조건이다.
이빔레지스트의 현상공정에서 온도를 고려해야 하는 이유는 현상액의 성분과도 관련이 있다. 일반적으로 사용되는 포토레지스트의 현상액 , 예를 들어 TMAH (TetraMethyl Ammonium Hidro-oxide)의 경우 잠열이 큰 물이 약 97 중량% 정도 함유되어 있기 때문에 온도에 대해서 상대적으로 둔감하지만, 이빔레지스트의 현상액, 예를 들어 DEK(Diethylketone):DEM(Diethylmalonate) = 50:50 를 구성성분으로 하는 ZEP(상표명)의 경우 유기용제를 사용하기 때문에 기화열에 의한 온도 변화가 매우 심하다.
현상공정에서는 상기와 같은 온도조건 이외에도, 온도조건과 관련하여 케미컬의 공급유량 및 공급위치, 스피너의 회전속도 등도 CD의 제어에 있어서 중요한 요인이 된다.
식각공정에서는 기본적으로 현상공정에서 형성된 레지스트 패턴을 식각마스크로 사용하는 공정이기 때문에 레지스트 패턴의 프로파일에 크게 영향을 받으며, 역시 회전하는 스피너상에서 공정이 진행되는 경우에는 현상공정과 같이 회전중심과 가장자리의 공정조건의 차이로부터 CD의 편차가 발생하게 된다.
본 발명은 CD 에러를 유발할 수 있는 상기 여러 요인들 가운데 주로 공정설비 및 공정 수행방법에 영향을 받는 현상공정 및 식각공정과 관련이 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 포토마스크장비를 개략적으로 나타낸 도면으로서, 현상공정을 수행할 수 있는 스피너장비이다. 도 3을 참조하면, 현상공정은 온도조건이 일정하게 제어되는 공정챔버(60)내에서 수행되며, 현상공정이 수행되어질 포토마스크(20)는 개폐가능한 공정수행부(70)에 위치하는 고정척(84)상에 클램프(도시안됨) 등에 의해 수평하게 고정되며, 고정척(84)은 모터(80)에 의해 회전하는 회전축(82)에 의해 일정하게 회전하게 된다. 상기 포토마스크(20)는 도 1에서 보여지는 바와 같이 독립되어 있거나 또는 인접하여 설치된 노광장비로부터 노광공정이 이미 수행된 것이다.
한편, 상기 공정수행부(70)내의 포토마스크(20) 상측에는 4개의 케미컬 공급노즐(22)(24)(26)(28)이 위치하며, 이들 각 케미컬 공급노즐들에는 케미컬 공급원(40)에 저장된 현상액이 각 케미컬 공급관(52)(54)(56)(58)을 통하여 각기 독립적으로 공급되어진다. 이들 각 케미컬 공급관(52)(54)56)(58)의 중간에는 온도제어기(42)(44)(46)(48), 예를 들어 항온조가 각기 형성되어 있다. 항온조는 케미컬 공급관을 통하여 공급되는 케미컬의 온도를 일정하게 유지해주는 역할을 하며, 케미컬을 수용할 수 있는 소형 탱크 속으로 케미컬 공급관의 일부가 삽입되어 케미컬의 표면상측으로부터의 가압력에 의해 케미컬을 공급할 수 있는 것이다. 케미컬 공급관은 중앙에 케미컬이 흐르는 케미컬관과 이를 둘러싸는 형태로 물이 순환하는 수관으로 이루어진 2중관의 형태이며, 케미컬의 온도는 수관내에서 흐르며 케미컬관과 접촉하는 물의 온도를 제어함으로써 제어할 수 있다. 본 실시예에서는 상기 케미컬의 온도는 적어도 0.01 ℃ 단위로 제어될 수 있을 정도로 정밀도를 갖는 것을 사용한다.
케미컬의 유량은 상기 항온조의 소형탱크에 저장되는 케미컬의 표면상측으로부터의 가압력에 의해 제어될 수 있으며, 다른 한편으로 케미컬 공급을 위한 펌프의 압력으로 제어하거나, 케미컬 공급관내에 밸브를 설치하여 제어할 수도 있다.
한편, 상기 공정수행부(70)내의 포토마스크(20) 상측에 위치하는 복수개의 공급노즐들(22)(24)(26)(28)은 케미컬 공급관(52)(54)(56)(58)의 일부가 수평적으로 회전할 수 있도록 절곡된 회전부(도시안됨)가 구성되어, 현상공정이 진행될 때에는 포토마스크(20) 상측의 공정 수행위치에 위치하며, 현상공정이 진행되기 전 또는 후에는 고정척(84)의 외측에 대기위치에 위치한다. 공정이 수행된 케미컬은 공정수행부(70)의 하측에 위치하는 드레인부(86)에 수집되어진다.
한편, 상기 각 케미컬 공급노즐(22)(24)(26)(28)은 전술한 도 1에서와 같은 종래의 분사형방식과는 달리 케미컬이 자연낙하식으로 흘러내리는 스트림(stream)방식 또는 스트레이트( straight)방식의 것이 사용된다. 또한 상기 각 케미컬 공급노즐은 상기 공정수행용 기판에 대한 입사각도가 가변가능한 것을 사용할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 포토마스크장비에서 포토마스크(20)상에서의 케미컬 공급노즐의 위치를 보여주는 평면도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 포토마스크장비에서 포토마스크상에 스트림방식의 케미컬 공급노즐들이 위치하는 관계를 개략적으로 보여주는 모식도이다. 도 4로부터 케미컬 공급노즐(22) (24)(26)(28)은 포토마스크(20)의 대각선 방향으로 거의 일직선상으로 위치하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 케미컬의 공급효율을 양호하게 할 수 있는 한 케미컬 공급노즐의 수평적 또는 수직적 위치를 다양하게 조정할 수 있다.
도 5를 참조하면, 포토마스크(20)의 상측에 위치하는 케미컬 공급노즐(22) (24)(26)(28)들의 위치관계를 나타낸 것으로서, 각 공급노즐들의 높이, 즉 포토마스크(20)의 표면으로부터 노즐까지의 높이(H2, H4, H6, H8)와 각 공급노즐들간의 거리(W1, W2, W3)가 다양하게 조정될 수 있음을 나타낸다. 즉 각 케미털 공급노즐들의 위치는 수평적 및 수직적으로 자유롭게 제어될 수 있도록 구성되어 있으며, 본 실시예에서는 4개의 케미컬 공급노즐을 적용하였지만, 적어도 2개이상의 케미컬공급노즐로 구성될 수 있다.
이상의 본 발명의 현상장비에서 수행되는 포토마스크상의 패턴 형성방법을 도 3을 참조하여 간단히 살펴보면, 투명기판상에 차광막인 크롬및 패턴형성물질층인 이빔레지스트층이 형성된 포토마스크(20)를 통상적으로 상기 현상장비와 인접설치되어 있는 노광장치(도시안됨)에서 설계된 바 대로 노광공정을 실시하고, 노광공정이 실시된 포토마스크(20)를 공정수행부(70)내의 고정척(84)상에 로딩한다. 이어서, 상기 모터(80)에 의해 회전축(82)을 회전시켜 상기 포토마스크를 회전시키면서 상기 포토마스크의 상측 복수개의 케미컬 공급노즐(22)(24)(26)(28)로부터 각기 위치별로 독립적으로 온도제어된 현상액을 수직하향하게 흘려주어 상기 노광공정이 수행된 패턴형성물질층의 일부를 현상하여 제거해 준다. 이렇게 상기 패턴형성물질층의 일부가 제거되어 형성된 패턴에 대하여 상기 포토마스크(20)상의 위치별로 씨디(Critical Dimension;CD)를 측정한 후 상기 측정된 씨디의 결과에 기초하여 상기 기판의 상측에서 각 위치별로 공급되는 현상액의 온도, 유량 및 각 케미컬 공급노즐의 위치등을 조절할 수 있다.
이어서, 도 3의 현상장비와 연계하여 또는 독립적으로 설치되어 있는 상기 현상장비와 유사하게 구성된 스핀방식의 식각장비의 공정챔버내의 고정척상에 상기 특정 패턴을 갖는 포토마스크를 로딩한 후, 현상공정과 유사한 방법으로 포토마스크를 회전시키면서, 상기 포토마스크의 상측 복수개의 위치에서 각기 위치별로 독립적으로 온도제어된 식각액을 수직하향하게 흘려주어 상기 크롬층의 일부를 식각하여 제거하여 포토마스크를 제작하게 된다. 이때도 물론 상기 식각되어 형성된 피식각물질층의 패턴에 대하여 상기 포토마스크상의 위치별로 씨디(Critical Dimension;CD)를 측정한 후, 측정된 씨디의 결과에 기초하여 상기 포토마스크의 상측에서 각 위치별로 공급되는 식각액의 온도, 유량, 식각액 공급노즐의 위치 및 식각시간등을 조절해줄 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 이상과 같은 본 발명의 스피너장비를 이용하여 포토마스크를 제작함에 있어서 다양한 공정조건하에서 현상공정을 수행한 후 레지스트 패턴의 CD의 편차를 최소화할 수 있는 공정조건의 최적화를 위한 다양한 실험을 실시하였다.
도 6 내지 도8은 본 발명의 일 실시예에 따라 스피너의 회전속도를 달리하면서 포토마스크의 CD 균일도의 변화를 측정한 결과 사진들로써, 도6은 100 RPM, 도7은 400 RPM, 도8은 1000 RPM의 경우를 각각 나타낸다. 실험은 본 발명에 따른 스트림방식의 케미컬 공급노즐을 2개 사용하여 현상공정을 수행한 것들이며, 그 결과를 표 1로 나타내었다. 본 실험은 스피너의 회전속도만을 달리한 것으로써 다른 공정조건들은 동일하게 유지하였다.
| 구 분 | 100 RPM | 400 RPM | 1000 RPM |
| 11 X 11 레인지 | 28 nm | 34 nm | 42 nm |
| 9 X 11 레인지 | 20 nm | 25 nm | 30 nm |
표 1을 참조하면, 측정은 포토마스크상의 11 X 11영역 및 9 X 11 영역에 대하여 수행하였으며, 레인지는 최대 CD값과 최소 CD값의 차이를 의미하며, 스피너의 회전속도가 증가할 수록 CD의 균일도(Uniformity)가 나빠짐을 알 수 있다. 한편, 스피너의 회전속도가 5 RPM 이하가 되면 케미컬의 퍼짐성이 나빠지기 때문에 본 발명의 가장 적당한 스피너의 회전속도는 5 내지 100 RPM의 범위내가 된다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 하나의 스트레이트 노즐을 사용하여 케미컬의 온도 변화에 따른 포토마스크의 CD 균일도의 변화를 측정한 결과 사진들로써, 케미컬의 온도가 도9는 18.2℃, 도10은 20.2℃, 도11은 21℃인 경우를 각각 나타내며, 각각의 측정결과를 표 2 및 표 3으로 나타낸다.
| 구 분 | 18.2 ℃ | 20.2 ℃ | 21.0 ℃ |
| 최 대 CD | 3.124 ㎛ | 3.159 ㎛ | 3.267 ㎛ |
| 최 소 CD | 3.034 ㎛ | 3.119 ㎛ | 3.179 ㎛ |
| 레 인 지 | 90.0 nm | 40.0 nm | 88.0 nm |
| 3 Sigma(σ) | 59.0 nm | 20.2 nm | 53.9 nm |
| 구 분 | 18.2 ℃ | 20.2 ℃ | 21.0 ℃ |
| 최 대 CD | 3.112 ㎛ | 3.153 ㎛ | 3.267 ㎛ |
| 최 소 CD | 3.034 ㎛ | 3.131 ㎛ | 3.19 ㎛ |
| 레 인 지 | 78.0 nm | 22.0 nm | 77.0 nm |
| 3 Sigma(σ) | 52.9 nm | 15.7 nm | 44.4 nm |
표 2 및 표 3을 참조하면, 동일한 조건하에서 케미컬의 온도조건만을 달리한 경우, 20.2℃에서 레인지가 각기 40.0 nm, 22.0 nm이며, 3σ가 20.2 nm, 15.7nm로서 가장 우수한 결과를 보여주고 있다. 상기 결과는 CD 편차가 케미컬의 온도에 상당한 영향을 받고 있음을 나타내며, 최적의 온도범위가 있음을 나타낸다.
도 12 내지 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 두개의 스트레이트 노즐을 사용하여 케미컬의 온도 변화에 따른 포토마스크의 CD 균일도의 변화를 측정한 결과 사진들로써, 케미컬의 온도가 도12는 중심부가 18.2℃이고 가장자리가 18.6℃이며, 도13은 중심부가 20.2℃이고 가장자리가 20.6℃이며, 도14는 중심부 및 가장자리가 모두 21℃인 경우를 각각 나타내며, 각각의 측정결과를 표 4 및 표 5로 나타낸다.
| 구 분 | 18.2 ℃/18.6℃ | 20.2 ℃/20.6 ℃ | 21.0 ℃/21.0℃ |
| 최 대 CD | 3.107 ㎛ | 3.159 ㎛ | 3.276 ㎛ |
| 최 소 CD | 3.037 ㎛ | 3.124 ㎛ | 3.241 ㎛ |
| 레 인 지 | 70.0 nm | 35.0 nm | 35.0 nm |
| 3 Sigma(σ) | 44.9 nm | 19.3 nm | 20.9 nm |
| 구 분 | 18.2 ℃/18.6 ℃ | 20.2 ℃/20.6 ℃ | 21.0 ℃/21.0 ℃ |
| 최 대 CD | 3.099 ㎛ | 3.155 ㎛ | 3.269 ㎛ |
| 최 소 CD | 3.037 ㎛ | 3.124 ㎛ | 3.241 ㎛ |
| 레 인 지 | 62.0 nm | 31.0 nm | 28.0 nm |
| 3 Sigma(σ) | 40.4 nm | 17.9 nm | 17.8 nm |
표 4 및 표 5를 참조하면, 동일한 조건하에서 케미컬의 온도조건만을 두개의 케미컬 공급노즐에 대하여 달리한 경우, 즉 포토마스크의 중심부에 공급되는 케미컬의 온도는 도 9 내지 도 11에서와 동일하나, 포토마스크의 가장자리에 공급되는 케미컬의 온도를 달리하거나(도 12 및 도 13), 같게 한 경우(도 14)에는 미세한 온도변화에 따라 CD가 달라짐을 알 수 있다.
한편, 이러한 케미컬의 미세한 온도변화는 CD의 균일도에 매우 큰 영향을 끼치는 변수이기 때문에 포토마스크의 레지스트 표면상에 실지로 공급되는 케미컬의 온도를 정밀하게 제어한다는 것은 매우 중요한 일이다. 이러한 케미컬의 온도와 관련하여, 포토마스크의 상측에 위치하는 케미컬 공급노즐의 숫자 및 위치, 공급노즐들간의 간격, 각 공급노즐들로부터 공급되는 케미컬의 유량 및 현상시간 등의 관리도 매우 중요한 요소이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따라 도 4 및 도 5와 같이 4개의 스트레이트 노즐을 사용하여 포토마스크의 CD를 측정한 결과 사진이다. 제1 공급노즐(22)을 통하여 공급되는 케미컬의 온도는 20℃로 설정하였으며, 그 유량은 26 ml/30 sec이며, 제2 공급노즐(24)을 통하여 공급되는 케미컬의 온도는 20.1 ℃이고 그 유량은 45 ml/30 sec이며, 제3 공급노즐(26)을 통하여 공급되는 케미컬의 온도는 20.3 ℃이며 그 유량은 21 ml/30 sec이며, 제4 공급노즐(28)을 통하여 공급되는 케미컬의 온도는 20.1℃이며 그 유량은 15 ml/30 sec으로 각기 설정하였으며, 현상시간은 2분 식각시간은 6.5분간 각기 실시하였다.
도 15의 결과로부터, 최대 CD는 2.179 ㎛, 최소 CD는 2.158 ㎛이며, 평균 CD는 2.168 ㎛이며, 레인지는 21 nm이며, 3 σ는 13 nm 이 되었다. 동일한 공정조건하에서 재현성 실험을 한 결과 5인치 x 5인치 마스크상의 21 x 21 영역에 대하여 레인지는 21 내지 26 nm, 3σ는 11 내지 15 nm 정도의 매우 양호한 CD 균일도를 달성할 수 있었다.
본 발명의 이러한 정도의 CD 균일도는 0.18 ㎛급 소자는 물론 0.15 ㎛급 소자, 향후 개발된 0.13 ㎛급 소자, 0.10 ㎛급 소자의 양산에 적용가능한 결과를 나타낸다.
이상의 실시예는 포토마스크의 제작과정을 위주로 설명하였지만, 반도체 웨이퍼상의 반도체소자의 제작과정에서도 동일한 원리가 적용될 수 있으며, 본발명을 적용할 수 있는 기판도 포토마스크 이외에 강체의 기판들, 예를 들어 LCD 기판, FPD 기판이나 반도체 웨이퍼에 대하여 적용할 수 있음은 물론이다. 나아가 본원발명의 원리는 레지스트의 현상공정 뿐만 아니라 식각공정에도 동일하게 적용될 수 있음은 물론이다.
한편, 상기 각 실시예들은 본 발명의 예시적인 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상 범위내에서 당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형실시가 가능함은 물론이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면, 복수개의 케미컬 공급노즐을 공정이 수행될 기판의 상측에 각기 설치하고, 각 공급노즐에 대하여 케미컬의 온도, 유량등을 독립적으로 제어하여 CD의 균일도가 최소로 되는 최적의 공정조건을 구현할 수 있다. 따라서 반도체소자의 고집적화와 마스크 또는 반도체 웨이퍼의 대형화의 추세에 유연하게 대처할 수 있다.
Claims (20)
- 공정수행용 기판을 상측에 수평하게 고정시킨 후 회전시킬 수 있는 회전수단;상기 공정수행용 기판의 상측으로부터 수직하향하게 공정수행용 케미컬을 공급해주며, 서로 일정한 간격을 두고 배치되는 복수개의 케미컬 공급노즐들;상기 케미컬 공급노즐에 공급되는 케미컬을 저장하는 케미컬 공급원; 및상기 케미컬 공급원과 케미컬 공급노즐들 사이에 설치된 복수개의 케미컬 공급관들;을 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 케미컬 공급노즐을 구비한 스피너장비.
- 제 1 항에 있어서, 상기 케미컬 공급노즐들을 통하여 상기 공정수행용 기판에 공급되는 케미컬의 온도가 각 공급노즐별로 독립적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 케미컬 공급노즐을 구비한 스피너장비.
- 제 2 항에 있어서, 상기 케미컬의 온도는 상기 각 케미컬 공급관에 항온조를 설치하여 제어하는 것을 특징으로 하는 케미컬 공급노즐을 구비한 스피너장비.
- 제 1 항에 있어서, 상기 케미컬 공급노즐들을 통하여 상기 공정수행용 기판에 공급되는 케미컬의 유량이 각 공급노즐별로 독립적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 케미컬 공급노즐을 구비한 스피너장비.
- 제 1 항에 있어서, 상기 각 케미컬 공급노즐은 케미컬을 수직하향하게 흘려줄 수 있는 스트림형 노즐임을 특징으로 하는 케미컬 공급노즐을 구비한 스피너장비.
- 제 1 항에 있어서, 상기 복수개의 케미컬 공급노즐들은 상기 공정수행용 기판의 상측에서 수평적으로 일직선상에 배치되는 것을 특징으로 하는 케미컬 공급노즐을 구비한 스피너장비.
- 제 1 항에 있어서, 상기 각 케미컬 공급노즐은 상기 공정수행용 기판으로부터의 수직 높이 및 수평거리 이동이 가변가능한 것임을 특징으로 하는 케미컬 공급노즐을 구비한 스피너장비.
- 제 1 항에 있어서, 상기 각 케미컬 공급노즐은 상기 공정수행용 기판에 대한 입사각도가 가변가능한 것임을 특징으로 하는 케미컬 공급노즐을 구비한 스피너장비.
- 제 1 항에 있어서, 상기 공정수행용 기판은 포토마스크, 반도체 웨이퍼, LCD(Liquid Crystal Display)용 기판, 또는 FPD(Flat Panel Display)용 기판중의 어느 하나임을 특징으로 하는 케미컬 공급노즐을 구비한 스피너장비.
- 제 1 항에 있어서, 상기 스피너장비는 유기용제를 사용하는 이빔(E-Beam) 레지스트 현상액을 이용한 현상장비임을 특징으로 하는 케미컬 공급노즐을 구비한 스피너장비.
- 기판상에 피식각물질층 및 패턴형성물질층을 순차적으로 형성하는 단계;상기 패턴형성물질층에 대하여 설계된 특정 패턴에 따라 노광공정을 수행하는 단계;상기 노광공정이 수행된 기판을 공정온도가 제어되는 공정챔버내의 회전수단상에 로딩하는 단계; 및상기 회전수단에 의해 상기 기판을 회전시키면서, 상기 기판의 상측 복수개의 위치에서 각기 위치별로 독립적으로 온도제어된 현상액을 수직하향하게 흘려주어 상기 노광공정이 수행된 패턴형성물질층의 일부를 현상하여 제거하는 단계;를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 패턴 형성방법.
- 제 11 항에 있어서, 상기 패턴형성물질층의 일부가 제거되어 형성된 패턴에 대하여 상기 기판상의 위치별로 씨디(Critical Dimension;CD)를 측정하는 단계; 및상기 측정된 씨디의 결과에 기초하여 상기 기판의 상측에서 각 위치별로 공급되는 현상액의 온도를 조절하는 단계;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 패턴 형성방법.
- 제 11 항에 있어서, 상기 기판상에 공급되는 현상액의 유량이 각기 위치별로 독립적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 패턴 형성방법.
- 제 11 항에 있어서, 상기 패턴은 투명기판상에 피식각물질층으로서 차광층, 패턴형성물질층으로서 이빔(E-Beam)레지스트층이 형성되는 포토마스크상의 패턴임을 특징으로 하는 패턴 형성방법.
- 제 11 항에 있어서, 패턴형성물질층의 일부가 제거되어진 기판을 공정온도가 제어되는 공정챔버내의 회전수단상에 로딩하는 단계; 및상기 회전수단에 의해 상기 기판을 회전시키면서, 상기 기판의 상측 복수개의 위치에서 각기 위치별로 독립적으로 온도제어된 식각액을 수직하향하게 흘려주어 상기 피식각물질층의 일부를 식각하여 제거하는 단계;를 더 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 패턴 형성방법.
- 피식각물질층이 상면에 형성된 기판상에 특정 패턴을 갖는 식각마스크층을 형성하는 단계;상기 식각마스크층이 형성된 기판을 공정온도가 제어되는 공정챔버내의 회전수단상에 로딩하는 단계; 및상기 회전수단에 의해 상기 기판을 회전시키면서, 상기 기판의 상측 복수개의 위치에서 각기 위치별로 독립적으로 온도제어된 식각액을 수직하향하게 흘려주어 상기 피식각물질층의 일부를 식각하여 제거하는 단계;를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 식각방법.
- 제 16 항에 있어서, 상기 식각되어 형성된 피식각물질층의 패턴에 대하여 상기 기판상의 위치별로 씨디(Critical Dimension;CD)를 측정하는 단계; 및상기 측정된 씨디의 결과에 기초하여 상기 기판의 상측에서 각 위치별로 공급되는 식각액의 온도를 조절하는 단계;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 식각방법.
- 제 16 항에 있어서, 상기 기판상에 공급되는 식각액의 유량이 각기 위치별로 독립적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 식각방법.
- 제 16 항에 있어서, 상기 기판상에 공급되는 현상액의 공급위치가 수평적 및 수직적으로 가변될 수 있는 것을 특징으로 하는 식각방법.
- 제 16 항에 있어서, 상기 기판은 반도체 웨이퍼,LCD(Liquid Crystal Display)용 기판, 또는 FPD(Flat Panel Display)용 기판중의 어느 하나임을 특징으로 하는 식각방법.
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