KR20020037480A - 반도체 노광에 사용되는 투영렌즈의 코마수차 측정용마스크 및 그에 따른 코마 수차측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 노광공정에 사용되는 투영렌즈의 코마 수차 측정용 마스크와 그에 따른 코마 수차 측정방법에 관한 것으로, 종래에는 투영렌즈의 코마 수차를 수직 방향 또는 수평 방향으로 어느 한방향의 코마 수차 성분만을 정량적으로 산출하는 문제점이 있었던 바, 본 발명에서는 코마 수차값을 수직 방향 성분과 수평 방향 성분을 동시에 정량적으로 산출할 수 있도록 한 것이다.

이를 위해 본 발명에 따른 투영렌즈의 코마 수차 측정용 마스크는 글래스 기판 상에 수차 측정용 패턴을 환형으로 형성하고, 본 발명에 따른 코마 수차 측정방법은 마스크 상에 환형 패턴을 형성하는 패턴형성 단계와, 마스크를 이용하여 웨이퍼의 포토레지스트 상에 환형 패턴을 노광하는 노광단계와, 포토레지스트 상에 노광된 환형 패턴의 외측원과 내측원 사이의 선폭을 외측원의 중심점에 통과하는 수직직교선과 수평직교선 상에서 각각 측정하는 선폭 측정단계와, 선폭 측정단계에서 각각 측정된 환형패턴의 수직방향 선폭과 환형 패턴의 수평방향 선폭에 의해 투영렌즈의 코마 수차성분을 산출하는 코마수차 산출단계를 포함하여 구성된다.

Description

반도체 노광에 사용되는 투영렌즈의 코마수차 측정용 마스크 및 그에 따른 코마 수차측정방법{A coma aberration measuring mask of projection lens using in a exposure process and measuring method}

본 발명은 반도체 노광공정에 사용되는 투영렌즈의 코마 수차를 측정하는 마스크 및 그에 따른 코마수차 측정방법에 관한 것으로서, 특히, 투영렌즈의 코마 수차를 전방향에 대한 투영렌즈의 코마 수차성분을 측정하여 코마 수차에 의해 발생되는 미세 패턴의 노광 편차를 줄일 수 있는 반도체 노광공정에 사용되는 투영렌즈의 코마 수차용 마스크 및 그에 따른 코마수차 측정방법에 관한 것이다.

일반적으로 렌즈는 렌즈 자체의 특성에 의해 완전하게 이상적인 영상을 투영시키지 못하고, 이그러진 영상을 투영시키게 된다. 이와 같이 렌즈의 특성에 의해 이상적인 완전한 영상으로부터 어긋나는 것을 수차(aberration)이라 하고, 색수차와 단색수차로 다시 구분된다.

이중 단색수차는 단색광을 사용하여 상을 결상시킬 때 나타나는 수차를 말하며, 단색수차에는 다시 구면 수차(spherical aberration), 비점수차(astigmatism), 코마(coma), 휨(curvature of field),일그러짐(distorsion)등이 있다.

또한, 단색수차 중에서 코마 수차(coma)는 렌즈를 통과한 빛의 모양이 혜성 모양으로 꼬리가 길게 형성되는 모양이 되는 것을 말한다.

한편, 웨이퍼 표면에 원하는 패턴을 패터닝하기 위해 사용되는 반도체 제조용 노광장치는 대개 광을 패턴이 형성된 마스크를 통과시킨 다음 다수개의 렌즈 배열을 통해 일정배율로 축소시켜 웨이퍼 상에 전사되도록 한다.

따라서, 대부분의 반도체 제조용 노광장치는 다수개의 투영렌즈를 조합한 렌즈 시스템을 사용하므로 투영렌즈의 수차에 의해 노광불량이 유발된다.

도 1 은 여러 종류의 수차 중에서 코마 수차가 존재하지 않는 투영렌즈를 통한 패턴의 결상을 설명하기 위한 도면으로, 투영렌즈(1a)를 통과한 광은 전사면(2a)의 한점에 결상된다.

따라서, 코마 수차가 존재하지 않는 경우, 원하는 형태의 패턴을 전사면(2a)에 결상시킬 수 있게 된다.

도 2 는 코마 수차가 존재하는 투영렌즈를 통한 결상을 설명하기 위한 도면으로, 코마 수차가 존재하는 투영렌즈(1b)를 통과한 광은 전사면(2b)의 한점에 결상되는 되는 것이 아니라 다른 지점에 결상된다.

따라서, 코마 수차가 존재하는 경우, 원하는 형태의 패턴이 쉬프트(shift)되어 전사면(2b)에 정상적으로 결상시키는 것이 불가능하게 된다.

특히, 반도체 제조공정이 발달함에 따라 미세 패턴의 필요성이 점차로 대두되고 있으나, 미세 패턴일수록 투영렌즈의 코마 수차에 의한 패턴의 쉬프트가 심해지게 된다.

따라서, 반도체 노광공정에서 투영렌즈의 코마 수차를 정량적으로 측정하여 패턴의 쉬프트를 감소시키기 위한 많은 노력이 있어왔다.

도 3a,3b 는 반도체 노광공정에서 투영렌즈의 코마 수차를 정량적으로 측정하기 위한 코마 수차 측정용 패턴이 형성된 마스크의 평면도 및 단면도를 도시한 것이다.

도시된 바와 같이, 코마 수차 측정용 패턴(3)은 마스크(4)표면에 등간격으로 크롬막(Cr)을 통해 바(bar)형태로 연속적으로 형성한 것이다.

상기의 바(bar)패턴(3)이 형성된 마스크(4a)를 이용하여 노광을 실시하면, 투영렌즈에 코마 수차 성분이 없는 경우 웨이퍼 표면의 포토레지스트막에 바(bar)형태의 패턴이 선명하게 나타나게 되어 패턴의 쉬프트가 발생되지 않는다.

반대로, 렌즈에 코마 수차 성분이 있는 경우 웨이퍼 표면의 포토레지스막에 형성되는 바패턴(3)은 선명하지 않게 되는 좌, 우측 어느 방향으로 패턴이 쓰러지는 형태의 패턴 쉬프트가 발생된다.

따라서, 바패턴과 바패턴 사이의 거리를 정량적으로 측정함으로써 코마 수차를 측정하게 된다.

도 4a, 4b 는 반도체 노광공정에서 투영렌즈의 코마 수차를 정량적으로 측정하기 위한 또다른 형태의 코마 수차 측정용 패턴이 형성된 마스크의 평면도 및 단면도를 도시한 것이다.

도시된 바와 같이, 코마 수차 측정용 패턴(5,6)은 마스크(4b)표면에 등간격으로 크롬막(Cr)을 통해 라인&스페이서가 반복되는 라인패턴(5)을 형성하고, 라인패턴 사이에 홀패턴(6)을 형성한 것이다.

상기의 라인패턴(5)와 홀패턴(6)이 형성된 마스크(4b)를 통해 노광을 실시하면, 투영렌즈에 코마 수차성분이 없는 경우 웨이퍼 표면의 포토레지스트막에 선명한 라인 패턴(5)과 홀 패턴(6)이 형성되어 패턴의 쉬프트가 발생되지 않는다.

반대로, 투영렌즈에 코마 수차 성분이 있는 경우 웨이퍼 표면의 포토레지스막에 선명하지 않은 라인패턴(5)과 홀 패턴(6)이 형성되고, 좌, 우측 어느 방향으로 홀 패턴(6)이 라이패턴(5)방향으로 쓰러지는 형태의 패턴 쉬프트가 발생된다.

따라서, 라인패턴(5)과 홀 패턴(6)사이의 거리를 정량적으로 측정함으로써 코마 수차를 측정하게 된다.

그러나, 상기한 종래의 코마 수차 측정방법은 코마 수차의 단방향 측정만이 가능한 문제점이 있다.

즉, 렌즈의 코마 수차성분은 투영렌즈를 기준으로 X축 방향, Y축 방향 양방향으로 존재하게 되나, 바 패턴과 라인 패턴 및 홀패턴은 마스크에 X축 방향 또는 Y 축 방향 어느 한 방향으로만 형성되기 때문이다.

따라서, 마스크에 바패턴과 라인패턴 및 홀패턴이 X 축 방향으로 형성된 경우, 코마 수차의 Y 축 수차성분을 측정이 불가능한 문제점이 있다.

이에 본 발명은 상기한 종래 기술이 안고 있는 문제점을 해결하기 위해, 렌즈의 X축 방향 및 Y 축 방향의 코마 수차 성분을 정량적으로 측정할 수 있는 코마 수차 측정용 마스크와 그에 따른 코마 수차 측정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

따라서, 본 발명은 상기의 목적을 이루기 위해, 투영렌즈의 코마 수차성분을 측정하는 패턴이 글래스 기판 상에 형성된 마스크에 있어서, 글래스 기판 상에 패턴을 환형으로 형성한 것이 특징이다.

또한, 반도체 노광에 사용되는 투영렌즈의 코마 수차성분을 측정하는 방법에 있어서, 마스크 상에 환형 패턴을 형성하는 패턴형성 단계와, 마스크를 이용하여 웨이퍼의 포토레지스트 상에 환형 패턴을 노광하는 노광단계와, 포토레지스트 상에 노광된 환형 패턴의 외측원과 내측원 사이의 선폭을 외측원의 중심점에 통과하는 수직직교선과 수평직교선 상에서 각각 측정하는 선폭 측정단계와, 선폭 측정단계에서 각각 측정된 환형패턴의 수직방향 선폭과 환형 패턴의 수평방향 선폭에 의해 투영렌즈의 코마 수차성분을 산출하는 코마수차 산출단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 선폭 측정단계는 전자빔 주사 방식으로 측정하고, 코마 수차 산출단계는 환형 패턴의 수직방향 선폭 차이값을 감산하고, 환형 패턴의 수평 방향 선폭 차이값을 감산한 수직방향 성분과 수평방향 성분을 환형 패턴의 외측원 중심점의 수직방향 성분과 수평방향 성분을 비교하여 코마수차값을 산출하는 것이다.

도 1 은 코마 수차가 존재하지 않는 투영렌즈의 초점형성을 설명하기 위한 도면.

도 2 는 코마 수차가 존재하는 투영렌즈의 초점형성을 설명하기 위한 도면.

도 3 은 종래의 코마 수차 측정에 사용되는 마스크의 평면도 및 단면도.

도 4 는 종래의 코마 수차 측정에 사용되는 또다른 마스크의 평면도 및 단면도.

도 5 는 본 발명에 따른 마스크의 평면도 및 단면도.

도 6 은 본 발명에 따른 마스크를 사용하여 노광공정을 설명하기 위한 도면.

도 7,8 은 본 발명에 따른 마스크를 사용하여 노광한 후 코마 수차 성분측정 방법을 설명하기 위한 도면.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※

1,13 : 투영렌즈 2 : 조사면

3,5,6,12 : 수차 측정용 패턴 4,11 : 글래스 기판

14 : 웨이퍼 15 : 포토레지스트

r₁: 외측원 r₂: 내측원

W₁~W₈: 선폭 O₁,O₂: 중심점

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 코마 수차 측정용 마스크와 그에 따른 코마 수차측정방법의 바람직한 일실시예를 상세하게 설명한다.

도 5a,5b 는 본 발명에 따른 코마 수차 측정용 마스크의 평면도 및 단면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 코마수차 측정용 마스크(10)는 크롬(Cr)을 사용하여 글래스 기판(11)상에 광을 차단하는 패턴(12)을 형성한다.

상기의 패턴(12)은 투영렌즈의 코마 수차를 측정하기 위한 수차측정용 패턴이고, 외측원(반지름 r1)과 내측원(반지름 r2)을 이루어져 어느 위치에서도 동일한 선폭을 가지는 환(環)형으로 형성한다.

상기의 본 발명에 따른 마스크를 사용하여 투영렌즈의 코마 수차 측정방법을 설명한다.

먼저, 마스크의 글래스 기판(11)상에 환형 패턴(12)을 형성하고, 환형 패턴(12)이 형성된 마스크(10)에 광을 조사한다.

마스크의 환형 패턴(12)을 통과한 광은 반도체 노광에 사용되는 투영렌즈(13)를 통과하여 일정한 배율로 축소되어 웨이퍼(14)상의 포토레지스트(15)에 환형패턴을 노광하게 된다.

상기와 같이 웨이퍼(14)상의 포토레지스트(15)에 노광된 환형 패턴(12)의 선폭을 외측원(r1)의 중심점(O)에 수직 방향과 수평 방향으로 직교하는 수직 직교선(v)과 수평 직교선(h)상에서 전자빔 주사 계측장치를 이용하여 각각 측정하고, 각각 측정값을 토대로 투영렌즈(13)의 코마 수차를 측정한다.

코마 수차의 측정을 도 7,8 을 참조하여 설명하면, 도 7 에 도시된 것과 같이 전자빔 주사계측장치를 이용하여 수직 직교선(v)상에서 측정한 상, 하 선폭(W1,W2)이 동일하고, 수평 직교선(h)상에서 측정한 좌, 우 선폭(W3,W4)이 동일한 경우, 투영렌즈(13)에는 코마 수차성분이 존재하지 않는 것이다.

즉, 투영렌즈(13)의 코마 수차에 의한 패턴의 쉬프트가 발생되지 않아 환형 패턴의 내측원과 외측원의 중심점(O1,O2)이 동일하게 되고, 이에 따라 환형 패턴(12)은 동일한 선폭으로 웨이퍼(14)의 포토레지스트(15)에 노광되기 때문이다.

따라서, 투영렌즈(13)에 코마 수차 성분이 존재하지 않음을 알 수 있게 된다.

반대로, 도 8 에 도시된 바와 같이 전자빔 주사계측장치를 이용하여 수직 직교선(v)상에서 측정한 상, 하 선폭(W5,W6)과 수평 직교선(h)상에서 측정한 좌,우 선폭(W7,W8)이 서로 다른 경우, 투영렌즈(13)의 코마 수차성분이 존재하는 것이다.

즉, 환형 패턴의 외측원(r1)은 패턴의 크기가 크기 때문에 코마 수차의 영향에 거의 받지 않아 패턴의 쉬프트가 발생되지 않으므로 정상적으로 패터닝되지만, 환형 패턴의 내측원(r2)은 외측원(r1)에 비해 상대적으로 크기가 작기 때문에 코마 수차의 영향에 의해 패턴의 쉬프트가 발생되어 비정상적으로 패터닝된다.

그러므로 환형 패턴의 외측원 중심점(O1)은 변화되지 않으나, 내측원 중심점(O2)은 쉬프트되어 외측원 중심점에서 소정거리 이격된 위치에 존재하게 되고, 이에 따라 환형 패턴의 선폭이 변화된다.

이와 같이 선폭이 변화되면 코마 수차 성분을 정량적으로 측정할 수 있다.

이는 수직 직교선(v)상에서 측정된 상, 하 선폭(W5,W6)의 차이가 내측원의 중심점 수직성분이 외측원의 중심점 수직성분에서 쉬프트된 거리이고, 수평 직교선(h)상에서 측정된 좌, 우 선폭(W7,W8)의 차가 내측원의 중심점 수평성분이 외측원의 중심점 수평성분에서 쉬프트된 거리이기 때문이다.

따라서, 외측원의 중심점(O1)을 기준점(0,0)으로 하였을 때, 내측원의 중심점(O2)의 위치를 알 수 있게 되고, 내측원의 중심점(O2) 위치가 코마 수차 성분의 정량값이 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 투영렌즈의 코마 수차 측정용 마스크와 그에 따른 코마 수차 측정방법은 코마 수차의 수직 방향 성분과 수평 방향성분을 정량적으로 산출할 수 있게 된다.

따라서, 투영렌즈의 코마 수차에 의해 발생되는 반도체 노광공정의 불량 발생을 방지하여 반도체 노광공정의 신뢰성을 향상시키고, 생산수율을 향상시키게 되는 뛰어난 작용효과를 가지게 된다.

Claims (4)

1. 투영렌즈의 코마 수차성분을 측정하는 패턴이 글래스 기판 상에 형성된 마스크에 있어서,

   상기 글래스 기판 상에 상기 패턴을 환형으로 형성한 것이 특징인 투영렌즈의 코마 수차성분 측정용 마스크.
2. 반도체 노광에 사용되는 투영렌즈의 코마 수차성분을 측정하는 방법에 있어서,

   마스크 상에 환형 패턴을 형성하는 패턴형성 단계와;

   상기 마스크를 이용하여 웨이퍼의 포토레지스트 상에 환형 패턴을 노광하는 노광단계와;

   상기 포토레지스트 상에 노광된 환형 패턴의 외측원과 내측원 사이의 선폭을 상기 외측원의 중심점에 통과하는 수직직교선과 수평직교선 상에서 각각 측정하는 선폭 측정단계와;

   상기 선폭 측정단계에서 각각 측정된 상기 환형패턴의 수직방향 선폭과 상기 환형 패턴의 수평방향 선폭에 의해 상기 투영렌즈의 코마 수차성분을 산출하는 코마수차 산출단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 투영렌즈의 코마 수차성분 측정방법.
3. 청구항 2 에 있어서,

   상기 선폭 측정단계는,

   전자빔 주사 방식으로 측정하는 것이 특징인 투영렌즈의 코마 수차성분 측정방법.
4. 청구항 2 에 있어서,

   상기 코마 수차 산출단계는,

   상기 환형 패턴의 수직방향 선폭 차이값을 감산하고, 상기 환형 패턴의 수평 방향 선폭 차이값을 감산하여 상기 환형 패턴의 외측원 중심점 수직성분과 수평성분을 비교하여 코마수차값을 산출하는 것이 특징인 투영렌즈의 코마 수차성분 측정방법.