KR20010058151A - 변형 조명계를 이용한 웨이퍼 정렬 시스템 - Google Patents

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KR20010058151A
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Abstract

본 발명은 웨이퍼의 정렬 시스템에 있어서, 변형 조명계를 이용함으로써 정렬도를 향상시킬 수 있는 정렬 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 웨이퍼 정렬 시스템은 마스크 정렬 패턴을 포함하는 마스크와, 상기 마스크에 마스크 조명용 빛을 투사하기 위한 마스크 조명부와, 스크라이브 라인 상에 정렬키가 구비된 웨이퍼와, 상기 웨이퍼의 정렬키에 웨이퍼 조명용 빛을 투사하기 위한 웨이퍼 조명부와, 웨이퍼 표면에서 반사된 웨이퍼 조명용 빛의 세기 및 초점 심도를 증가시키기 위한 변형 조명부와, 마스크 조명부로부터 마스크를 통하여 전달된 마스크 조명용 빛과, 변형 조명부를 통하여 전달된 웨이퍼 조명용 빛을 비교하여 웨이퍼의 정렬 상태를 검출하는 정렬 검출부를 포함한다.

Description

변형 조명계를 이용한 웨이퍼 정렬 시스템{WAFER ALIGNMENT SYSTEM WITH MODIFIED ILLUMINATION SYSTEM}
본 발명은 웨이퍼의 정렬 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 변형 조명계를 이용하여 정렬도를 향상시킬 수 있는 정렬 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 웨이퍼가 반도체 장치로 제조되는 과정 중에서 포토 리소그라피(Photo Lithography) 공정은 반드시 거쳐야 하는 중요한 공정이다. 이러한 포토 리소그라피 공정은 웨이퍼 상에 감광막을 코팅한 후, 노광 및 현상을 수행하는 공정으로서 마스킹(Masking)을 필요로 하는 식각 공정 또는 이온 주입 공정 등과 같은 웨이퍼 제조 공정 전에 수행되어 정확한 식각 및 이온 주입이 이루어지도록 하기 위한 것이다.
웨이퍼 상에 도포된 감광막에 마스크 또는 확대 치수 마스크인 레티클(Reticle) 패턴을 노광하는 공정에 있어서, 웨이퍼 패턴과 마스크 패턴과의 정렬이 요구되는데, 특히, 반도체 집적 회로의 미세화에 따라, 각 마스크의 정렬 정밀도에 대한 요구 또한 매우 증가되고 있다.
리소그라피 공정에서 웨이퍼의 정확한 정렬을 위해서는 셀 영역의 스크라이브 라인(Scribe Line)에 형성된 정렬키와, 마스크 패턴과 정렬키를 광학계를 이용하여 비교함으로써 정렬이 이루어진다.
일반적으로 정렬의 정밀도는 최소 설계 치수의 1/4 내지 1/3 정도 필요하다고 되어 있다. 이것을 대표적인 반도체 집적 회로인 DRAM(Dynamic Random Access Memory)에 적용시키면, 64 M DRAM(최소 치수 0.35 ㎛)에서는 0.1 ㎛, 256 M DRAM(최소 치수 0.25 ㎛)에서는 0.07 ㎛, 1 G DRAM(최소 치수 0.18 ㎛에서는 0.05 ㎛ 정도로 정밀도가 요구되기 때문에 반도체 소자의 제조 공정이 매우 어려워지고 있다.
이에 대한, 종래의 웨이퍼 정렬 시스템을 도 1에 도시하였다.
종래의 웨이퍼 정렬 시스템(10)은 헬륨-네온 레이저 광을 웨이퍼 상에 투사하고, 웨이퍼에서 반사되는 회절광을 검출하여 마스크의 정렬 패턴과 웨이퍼 상의 정렬키를 비교하여 정렬을 수행한다.
구체적으로, 정렬키가 형성된 웨이퍼(8) 상부에 웨이퍼 조명용 편향 미러(7)가 구비되고, 웨이퍼 조명용 광원(6)으로부터 투사되는 웨이퍼 조명용 빛이 상기 웨이퍼 조명용 편향 미러(7)를 통하여 웨이퍼(8)의 표면에 투사된다. 그리고, 마스크 조명용 광원(3)으로부터 투사되는 마스크 조명용 빛은 마스크 조명용 편향 미러(4)에서 반사되어, 마스크(2) 상에 형성된 크롬층 마스크 정렬 패턴을 통하여 정렬 검출부(1)로 전달된다.
결국, 웨이퍼 조명용 편향 미러(7)에서 반사되어 웨이퍼(8) 표면에 투사된 웨이퍼 조명용 빛은 웨이퍼(8) 표면에서 반사되어 렌즈(5)에 의해 집속되어 정렬 검출부(1)에 전달되고, 마스크 조명용 빛과 서로 비교되어 마스크(2)와 웨이퍼(8)의 정렬 상태를 검출하게 된다.
상기와 같은 종래의 웨이퍼 정렬 시스템(10)에서 사용하는 웨이퍼 조명용 빛은 노출에 사용되는 빛의 파장과 거의 동일한 파장을 갖는 단색광을 사용하기 때문에, 웨이퍼(8) 상에 형성된 정렬키의 검출 신호는 감광막 패턴에서 발생하는 다중간섭에 의하여, 감광막의 두께에 따라 영향을 받는다.
또한, 정렬 검출부(1)에서는 웨이퍼(8)에 형성된 정렬키의 직접적인 패턴 반사에 의한 값을 받아들이기 때문에, 웨이퍼 정렬키에서 반사되는 신호의 콘트라스트(Contrast)가 저하되는 현상이 나타난다.
또한, 공정 진행에 따라 적층된 각 층과 단차의 변화에 따른 정렬키의 변화에 의하여, 정렬 검출부(1)에 입사되는 신호가 변화하게 되고, 그에 따라 웨이퍼(8)가 이동되는 값을 잘못 인식함으로써 중첩 오류가 발생하기도 한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 감광막 패턴을 형성하는데 사용되는 변형 조명계를 이용함으로써, 정렬 정밀도를 향상시킬 수 있는 웨이퍼 정렬 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 웨이퍼 정렬 시스템을 나타내는 도면,
도 2는 통상적인 조명계를 나타내는 도면,
도 3은 변형 조명계를 나타내는 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 정렬 시스템을 나타내는 도면,
도 5는 복합 조명 애퍼쳐를 나타내는 도면,
도 6은 다른 복합 조명 애퍼쳐를 나타내는 도면.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 명칭)
110: 정렬 검출부 120: 크롬층 패턴 마스크
130: 마스크 조명부 140: 변형 조명부
150: 웨이퍼 조명부 160: 웨이퍼
131: 마스크 조명용 편향 미러 132: 마스크 조명용 광원
141: 렌즈 142: 변형 애퍼쳐
143: 변형 제어부 151: 웨이퍼 조명용 편향 미러
152: 웨이퍼 조명용 광원
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 웨이퍼 정렬 시스템은 마스크 정렬 패턴을 포함하는 마스크와, 상기 마스크 정렬 패턴에 마스크 조명용 빛을 투사하기 위한 마스크 조명부와, 스크라이브 라인 상에 정렬키가 구비된 웨이퍼와, 상기 웨이퍼의 정렬키에 웨이퍼 조명용 빛을 투사하기 위한 웨이퍼 조명부와, 웨이퍼 표면에서 반사된 빛의 세기 및 초점 심도를 증가시키기 위한 변형 조명부와, 마스크 조명부를 통하여 전달된 마스크 조명용 빛과, 변형 조명부를 통하여 전달된 웨이퍼 조명용 빛을 비교하여 웨이퍼의 정렬 상태를 검출하는 정렬 검출부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 마스크 조명부는 마스크 조명용 빛을 발생하는 마스크 조명용 광원과,상기 마스크 조명용 빛을 마스크로 투사하는 마스크 조명용 편향 미러로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 웨이퍼 조명부는 웨이퍼 조명용 빛을 발생하는 웨이퍼 조명용 광원과, 상기 웨이퍼 조명용 빛을 웨이퍼 표면으로 투사하는 웨이퍼 조명용 편향 미러로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 변형 조명부는 웨이퍼 표면에서 반사된 웨이퍼 조명용 빛의 특정 부분만을 통과시키기 위한 변형 애퍼쳐(Aperture)와, 상기 변형 애퍼쳐를 제어하기 위한 변형 제어부와, 변형 애퍼쳐를 통과한 빛을 집속시키기 위한 렌즈로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 변형 애퍼쳐는 다점 조명 애퍼쳐 또는 고리 조명(Annular Illumination) 애퍼쳐이거나, 상기 다점 조명계와 고리 조명계가 결합된 복합 조명 애퍼쳐인 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하도록 한다.
감광막 패턴을 형성하는 과정에서 사용하는 조명 장치는 통상적인 조명계와, 이점 조명계, 사점 조명계 등의 다점 조명계, 그리고, 고리 조명계 등이 있다.
도 2에는 통상적인 조명계를 도시한 것이다.
도 2에 도시된 통상적인 조명계를 살펴보면, 웨이퍼(20)로부터 위쪽으로 소정 간격만큼 이격된 곳에 투영 렌즈(Projection Lens: 21)가 구비되어 있고, 투영 렌즈(21) 위쪽에 크롬층 정렬 패턴이 구비된 마스크(22)가 위치해 있다. 상기 크롬층 패턴 마스크(22)는 투광성 기판에 차광 영역을 한정하는 크롬층 패턴이 형성되어 있다. 크롬층 패턴 마스크(22)의 위쪽으로 파리 눈 렌즈(Fly's eye Lens: 25)가 구비되고, 파리 눈 렌즈(25)로부터 크롬층 마스크(22) 쪽으로 애퍼쳐(24)와, 콘덴서 렌즈(Condenser Lens: 23)가 차례로 구비되어 있다.
상기 애퍼쳐(24)는 차광 영역과 투광 영역으로 구분되는데, 통상적인 조명계는 단일한 투광 영역을 갖는 애퍼쳐로 이루어진다.
광원(도시되지 않음)으로부터 투사된 서로 다른 세기의 빛은 파리 눈 렌즈(25)를 통과하면서 균일한 세기로 조정된 후, 애퍼쳐(24)에 의하여 다른 곳으로 분산(Scatter)되는 것이 방지된다. 이 후에, 애퍼쳐(24)를 통과한 빛은 콘덴서 렌즈(23)에 의해 집속된 후 크롬층 패턴 마스크(22)로 전사된다. 계속해서, 마스크(22)를 통과한 빛은 배율 조정을 위한 투영 렌즈(21)를 거친 후에 최종적으로 웨이퍼(20)에 도달한다.
그러나, 상기와 같은 통상적인 조명계는 수직으로 입사되는 빛(0차광)과 기울어진 빛(+ 1차광, - 1차광)이 모두 투영 렌즈(21)로 입사되기 때문에, + 1차광 및 - 1차광이 서로 상쇄 간섭되어 웨이퍼(20)에 투사되는 빛의 해상도 및 초점 심도(Depth Of Focus: DOF)를 약화시킨다.
따라서, 웨이퍼에 입사되는 빛의 해상도 및 초점 심도를 증가시키기 위하여, 애퍼쳐의 구조를 변형시킨 것이 변형 조명계로서 이점 조명 애퍼쳐 또는, 사점 조명 애퍼쳐를 사용하는 다점 조명계와, 고리 조명계 등이 있다.
도 3에는 종래의 변형 조명계를 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 종래의 변형 조명계는 도 2에 도시된 통상적인 조명계와 동일하나, 여기에 사용되는 애퍼쳐(30)는 이점 조명 애퍼쳐 및, 사점 조명 애퍼쳐의 다점 조명 애퍼쳐, 또는 고리 조명 애퍼쳐를 사용한다. 따라서, 애퍼쳐(30)를 제외한 나머지 부분은 도 2에서 사용한 부호를 동일하게 사용하였다.
상기와 같이 변형 조명 애퍼쳐(30)를 이용한 변형 조명계는 파리 눈 렌즈(25)로부터 입사되는 빛 중에서 콘덴서 렌즈(23)의 중심 부분에 입사되는 빛을 차단하고, 가장자리에 입사되는 빛 만을 통과시킨다. 따라서, 콘덴서 렌즈(23)의 가장자리를 통과한 빛은 중심을 통과한 빛보다 큰 입사각으로 크롬층 패턴 마스크(22)에 입사된다. 이 결과, 크롬층 패턴 마스크(14)로부터 회절되는 빛의 회절각은 크롬층 패턴 마스크(22)에 수직으로 입사되는 빛의 회절각 보다 크게 된다. 따라서, 회절광 중 0차광이 투영렌즈(21)의 한 쪽 가장자리를 통과하게 되고, 0차광을 중심으로 좌, 우 대칭적으로 분포되는 + 1차광과 - 1차광 중, - 1차광은 투영 렌즈(21)를 벗어나게 되고, + 1차광은 투영 렌즈(21)의 반대쪽 가장자리를 통과하게 되어 0차광과 함께 웨이퍼 상에 초점을 맺는다.
결국, + 1차광과 - 1차광에 의한 상쇄 간섭을 방지하고, + 1차광과 0차광만이 웨이퍼 상에 초점을 맺음으로써, 상기와 같은 변형 조명계는 통상적인 조명 방법에 비하여 해상력 및 초점 심도를 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 변형 조명 애퍼쳐를 웨이퍼 정렬 시스템에 사용함으로써, 웨이퍼 표면으로부터 반사되는 웨이퍼용 빛의 해상도를 향상시켜서 정렬 정밀도를 증가시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 정렬 시스템을 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 웨이퍼 정렬 시스템(100)은 크롬층 패턴을 구비한 마스크(120)와, 상기 마스크(120)에 마스크 조명용 빛을 투사하기 위한 마스크 조명부(130)와, 스크라이브 라인에 정렬키가 형성된 웨이퍼(160)와, 상기 웨이퍼(160) 표면에 웨이퍼 조명용 빛을 투사하기 위한 웨이퍼 조명부(150)와, 상기 웨이퍼(160) 표면에서 반사된 빛의 세기 및 초점 심도를 증가시키기 위한 변형 조명부(140)와, 상기 마스크(120)를 통하여 입사된 마스크 조명용 빛과, 웨이퍼 표면에서 반사된 웨이퍼 조명용 빛을 검출하여 웨이퍼의 정렬 상태를 확인하는 정렬 검출부(110)로 이루어진다.
상기 마스크 조명부(130)는 마스크 조명용 빛을 발생하는 마스크 조명용 광원(132)과, 상기 마스크 조명용 빛을 크롬층 패턴 마스크(131)에 투사하기 위한 마스크 조명용 편향 미러(131)로 이루어진다.
상기 웨이퍼 조명부(150)는 웨이퍼 조명용 빛을 발생하는 웨이퍼 조명용 광원(152)과, 상기 웨이퍼 조명용 빛을 정렬키가 형성된 웨이퍼(160) 표면에 투사하기 위한 웨이퍼 조명용 편향 미러(151)로 이루어진다.
상기 변형 조명부(140)는 웨이퍼(160) 표면으로부터 반사된 웨이퍼 조명용 빛의 특정 성분만을 통과시키는 변형 애퍼쳐(142)와, 상기 변형 애퍼쳐(142)의 동작을 제어하기 위한 변형 제어부(143)와, 변형 애퍼쳐(142)를 통하여 투사된 빛을 집속시키기 위한 렌즈(141)로 이루어진다.
상기 변형 애퍼쳐(142)는 다점 조명 애퍼쳐 또는 고리 조명 애퍼쳐 등의 변형 조명 애퍼쳐를 사용하거나, 상기 다점 조명계와 고리 조명계가 결합된 복합 조명 애퍼쳐를 사용할 수 있다.
웨이퍼 조명용 광원(152)으로부터 웨이퍼 조명용 편향 미러(151)를 거쳐서, 웨이퍼 표면에 투사된 빛은 웨이퍼 표면에서 반사되는데, 반사된 웨이퍼 조명용 빛 중에서 웨이퍼 조명용 편향 미러(151)의 중심 부분을 수직으로 통과하는 빛은 변형 애퍼쳐(142)를 통과하는 과정에서 서로 상쇄 간섭되어 사라지고, 소정의 회절각으로 회절된 빛 중에서 보강 간섭을 일으킨 빛과, 가장자리를 통과하는 빛만이 변형 애퍼쳐(142)를 통과한다. 따라서, 웨이퍼 표면에서 반사된 웨이퍼 조명용 빛은 0차광과 + 1차광만이 정렬 검출부(110)로 전달됨으로써, 보다 해상도가 높고, 초점 심도가 향상된 빛을 검출할 수 있다.
결국, 정렬 검출부(110)에서는 마스크 조명용 광원(132)으로부터 마스크 조명용 편향 미러(131) 및 크롬층 패턴 마스크(120)를 통하여 정렬 검출부(110)로 입사된 마스크 조명용 빛과, 변형 애퍼쳐(142)를 통하여 전달된 웨이퍼 조명용 빛을 비교하여, 웨이퍼(160)의 정렬 상태를 확인하게 된다. 따라서, 웨이퍼 조명용 빛의 해상도와 초점 심도가 증가하기 때문에, 웨이퍼(160)의 정렬 정밀도를 향상시키는 것이 가능해진다.
이 때, 상기와 같은 변형 조명계는 통상적인 조명 방법에 비하여 해상도 및 초점 심도는 향상되지만, 사점 조명 및 이점 조명의 경우에는 전사되는 빔이 네 방향으로 분상되기 때문에, 수직, 수평한 방향의 패턴에서는 그 효과가 우수하나 그 이외 방향의 패턴에서는 통상적인 조명 방법보다 취약한 단점을 가지고 있다. 또한, 고리 조명의 경우에 수직, 수평한 방향의 패턴에서는 이점 조명 및 사점 조명에 비하여 취약하나 패턴 방향성이 없이 골고루 향상을 가져오기 때문에 복잡한 패턴에 유리하다.
따라서, 해상도와 초점 심도를 개선하는 동시에, 입사되는 빛의 양을 증가시키기 위하여 다점 조명계와 고리 조명계를 결합한 복합 조명 애퍼쳐로 이루어진 복합 조명계가 제안되었다. 도 5와 도 6에 복합 조명 애퍼쳐를 각각 나타내었다.
먼저, 도 5를 참조하면, 복합 조명 애퍼쳐는 차광 영역(52)과, 차광 영역(52)에 형성된 사점 조명계인 제 1 투광 영역(54) 및, 차광 영역(52)의 중앙에 구비된 고리 모양의 제 2 투광 영역(56)으로 이루어진다. 상기 제 1 투광 영역(54)은 제 2 투광 영역(56)을 중심으로 해서 회전 대칭이 되도록 분포되는데, 통과하는 빛의 위상이 180。 어긋나는 제 1 동심원(56a) 및 제 2 동심원(56b)으로 이루어진다.
도 6에는, 차광 영역(61)과, 차광 영역(61)의 중앙에 구비된 고리 모양의 투광 영역(63)과, 상기 고리 모양의 투광 영역(63)을 중심으로 회전 대칭으로 분포된 8 점 조명계를 갖는 투광 영역(62)으로 이루어진 다른 복합 조명 애퍼쳐를 도시한 것이다.
상기와 같은 다점 조명계와 고리 조명계를 결합한 복합 조명 애퍼쳐를 본 발명의 웨이퍼 정렬 시스템에 사용함으로써, 웨이퍼의 정렬 정밀도를 더욱 향상시키는 것이 가능하다.
이상에서 자세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 웨이퍼 정렬 시스템은 변형 조명계를 사용함으로써, 웨이퍼 표면으로 반사되는 웨이퍼 조명용 빛의 해상도 및 초점 심도를 증가시킬 수 있어서 웨이퍼의 정렬 정밀도를 향상시킬 수 있다.
따라서, 제조 공정에서 발생하는 각 층의 단차에 의한 중첩 오류를 감소시켜서, 노광 공정을 안정화시키고, 제조 수율을 증가시킬 수 있다.
또한, 웨이퍼의 정렬도를 향상시키기 위하여 새로운 장비를 도입하지 않고, 단순히 애퍼쳐만을 추가함으로써, 경비를 절감시켜서 제품의 경쟁력을 확보할 수 있는 이점이 있다.
이하, 본 발명은 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.

Claims (6)

  1. 정렬 패턴을 포함하는 마스크와,
    상기 마스크에 마스크 조명용 빛을 투사하기 위한 마스크 조명부와,
    스크라이브 라인 상에 정렬키가 구비된 웨이퍼와,
    상기 웨이퍼 표면에 웨이퍼 조명용 빛을 투사하기 위한 웨이퍼 조명부와,
    웨이퍼 표면에서 반사된 웨이퍼 조명용 빛의 세기 및 초점 심도를 증가시키기 위한 변형 조명부와,
    마스크 조명부로부터 마스크를 통하여 전달된 마스크 조명용 빛과, 변형 조명부를 통하여 전달된 웨이퍼 조명용 빛을 비교하여 웨이퍼의 정렬 상태를 검출하는 정렬 검출부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 정렬 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 마스크 조명부는
    마스크 조명용 빛을 발생하는 마스크 조명용 광원과,
    상기 마스크 조명용 빛을 마스크로 투사하는 마스크 조명용 편향 미러로 이루어지는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 정렬 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 웨이퍼 조명부는
    웨이퍼 조명용 빛을 발생하는 웨이퍼 조명용 광원과,
    상기 웨이퍼 조명용 빛을 웨이퍼 표면으로 투사하는 웨이퍼 조명용 편향 미러로 이루어지는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 정렬 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 변형 조명부는
    웨이퍼 표면에서 반사된 웨이퍼 조명용 빛의 특정 부분만을 통과시키기 위한 변형 애퍼쳐와,
    상기 변형 애퍼쳐를 제어하기 위한 변형 제어부와,
    변형 애퍼쳐를 통과한 빛을 집속시켜서 정렬 검출부로 전달하기 위한 렌즈로 이루어지는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 정렬 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 변형 애퍼쳐는
    다점 조명 애퍼쳐, 또는
    고리 조명 애퍼쳐인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 정렬 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 변형 애퍼쳐는
    다점 조명계와 고리 조명계가 결합된 복합 조명 애퍼쳐인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 정렬 시스템.
KR1019990061654A 1999-12-24 1999-12-24 변형 조명계를 이용한 웨이퍼 정렬 시스템 KR20010058151A (ko)

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