KR20050063341A - 반도체 노광장비 투영렌즈의 온도제어장치 - Google Patents

반도체 노광장비 투영렌즈의 온도제어장치 Download PDF

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KR20050063341A
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Abstract

본 발명은 반도체 노광장비 투영렌즈의 온도제어장치에 관한 것으로, 반도체 노광공정에 있어서, 마스크를 통과한 빛 이미지를 축소하여 웨이퍼에 조사하도록 하는 투영렌즈의 온도를 일정하게 유지하는 역할을 하는 온도조절유닛(TCU, Temperature Control Unit)이, 비정상적으로 다운되는 경우에도 일정시간 동안 이를 대신할 수 있는 냉각수보조공급부를 별도로 설치함으로써, 온도조절유닛의 다운시 투영렌즈의 온도가 변화하는 것을 방지할 수 있고 또한 온도조절유닛이 정상화된 후 투영렌즈가 안정화되는데 소요되는 시간을 감소시킬 수 있는 특징이 있다.

Description

반도체 노광장비 투영렌즈의 온도제어장치 { Temperature control device for projection lens of semiconductor exposure apparatus }
본 발명은 반도체 노광장비 투영렌즈의 온도제어장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 노광공정에 있어서, 마스크를 통과한 빛 이미지를 축소하여 웨이퍼에 조사하도록 하는 투영렌즈의 온도를 일정하게 유지하는 역할을 하는 온도조절유닛(TCU, Temperature Control Unit)이, 비정상적으로 다운되는 경우에도 일정시간 동안 이를 대신할 수 있는 냉각수보조공급부가 설치되는 반도체 노광장비 투영렌즈의 온도제어장치에 관한 것이다.
현대 사회에는 라디오, 컴퓨터, 텔레비젼 등의 각종 전자 제품이 매우 다양하게 사용되고 있으며, 상기 전자 제품에는 필수적으로 다이오우드, 트랜지스터, 사이리스터등의 반도체 소자가 포함된다. 위와 같이 현대 사회의 필수품인 반도체 소자는, 산화실리콘(모래)에서 고순도의 실리콘을 추출한 것을 단결정으로 성장시키고 이를 원판 모양으로 잘라서 웨이퍼를 만드는 과정, 상기 웨이퍼의 전체 표면에 막을 형성하고 필요한 부분을 제거하여 일정한 패턴을 형성하는 과정, 형성된 패턴에 따라 불순물 이온을 도핑하고 금속배선을 통하여 최초 설계된 회로를 구현하며 필요한 소자로 만들기 위한 패키지 공정등이 포함된 일련의 웨이퍼 가공 과정을 통하여 제조된다.
위와 같은 제조 과정에 있어서, 통상 '노광공정'이라 불리는 공정은 웨이퍼 표면에 일정한 패턴을 형성하는 과정과 관련된 것이다. 즉, 노광공정은 사진 기술과 화학적 부식법을 병용한 것으로, 웨이퍼 상에 감광제(photoresist)를 도포한 후, 상기 웨이퍼를 원하는 방향의 빛만 통과시키도록 패턴 정보가 담겨져 있는 마스크(mask)를 투과한 빛에 노출시키면, 상기 감광제는 마스크에 담겨진 패턴에 따라 원하는 영역에서만 감광하게 되므로, 감광된 영역의 감광제를 제거함으로써, 웨이퍼 표면에 원하는 패턴이 형성될 수 있는 것이다.
위와 같은 노광공정을 수행하는 노광장비는, 도 1에 도시된 바와 같이, 광원(10), 투영렌즈(projection lens)(20), 웨이퍼 스테이지(30), 컴퓨터(40) 및 제어기(50)를 포함한다. 상기 광원(10)은 불화크립톤(KrF)광원이 주로 사용되고 있으며, 광원(10)에서 조사된 빛은 마스크(60)로 입사된다. 마스크(60)에 입사된 빛은 마스크(60)의 회절 격자를 통과하면서 0차광, 1차광, 2차광, 3차광 등으로 회절되어 마스크(60)에 담겨진 패턴에 따른 빛 이미지를 형성하고, 이러한 빛 이미지는 투영렌즈(20)에서 축소된 후 웨이퍼(1) 위에 형성된 감광막에 입사된다. 이 때 웨이퍼(1)가 고정될 수 있도록 웨이퍼척(미도시)이 설치되는 웨이퍼 스테이지(30)는, 웨이퍼(1)를 가로, 세로 방향으로 일정한 간격으로 이송시켜 웨이퍼(1) 위에 형성된 감광막에 전체적으로 마스크(60)의 패턴이 형성될 수 있도록 한다. 또한 광원(10) 및 웨이퍼 스테이지의(30) 구동은 제어기(50)에서 컨트롤하며, 이를 위한 정보는 컴퓨터(40)에 입력되어 있다.
한편 웨이퍼 상에 일정한 패턴을 형성하기 위해서는, 도 1에 도시된 노광장비 이외에도, 감광제를 웨이퍼 표면에 도포하는 도포유닛, 노광장비를 통하여 감광된 패턴을 현상하는 현상유닛, 도포, 노광, 현상 등의 각각의 단계 사이에서 웨이퍼를 소정온도로 가열하는 베이크유닛이 더 필요하며, 최근에는 노광장비를 제외한 도포유닛, 현상유닛, 베이크유닛을 한 장소에 밀집시켜 각 유닛간 이동거리와 시간을 줄여서 공정의 효율을 증대시킬 수 있는 트랙(track)장비가 사용된다.
위와 같이 웨이퍼상에 일정한 패턴을 형성하는 것과 관련된 노광공정에 있어서, 노광장치의 해상도는 광원으로 사용되는 빛의 파장, 투영렌즈의 물리적 상태와 수차(aberration) 등과 밀접한 관계가 있다. 즉, 빛의 파장이 짧을수록 회절이 용이하게 일어나므로 해상도를 높일 수 있지만, 이를 보장받기 위해서는 투영렌즈의 물리적 상태 변화를 최소화하고 투영렌즈의 수차를 제거하여 빛이 웨이퍼 상의 원하는 지점에 정확하게 조사되도록 함으로써 이미지가 본래 이미지와 달리 왜곡(image distortion)되지 않도록 해야한다. 투영렌즈의 물리적 상태 변화는 특히, 투영렌즈의 온도에 의하여 많은 영향을 받게 된다. 따라서 투영렌즈의 온도를 일정한 상태로 유지하기 위하여, 종래부터 반도체 노광장비에는 투영렌즈의 온도제어장치가 구비된다.
도 2는 종래 반도체 노광장비 투영렌즈의 온도제어장치의 개략적인 도면이다. 도면에 도시된 바와 같이, 온도제어장치는 제어부(110), 온도조절유닛(120), 매니폴드인(manifold in)(130), 매니폴드아웃(manifold out)(131), 공급라인(300), 상하부냉각부(140,141)로 이루어지며, 일정 온도의 냉각수가 꾸준히 투영렌즈(20)를 경유하도록 순환되는 구조를 통하여 투영렌즈(20)의 온도를 유지시킨다.
먼저 냉각수가 공급되는 경로를 살펴보면, 냉각수는 도 2에서 실선 화살표로 표시된 방향으로 공급된다. 즉, 최초 냉각수는 온도조절유닛(120)에서 공급라인(300)을 따라 매니폴드인(130)을 통과하면서 분기되어 투영렌즈(20)로 공급되고, 이 때 분기된 각 냉각수는 상기 투영렌즈(20)의 외주면을 따라서 분리되어 형성된 상부냉각부(140)와 하부냉각부(141)를 경유하면서 투영렌즈(20)의 온도를 유지시킨 후, 매니폴드아웃(131)에 수집되어 다시 온도조절유닛(120)으로 반송된다.
다음으로 투영렌즈(20)의 온도를 일정하게 유지시키기 위한 구체적인 제어과정에 대해서는, 온도 정보의 흐름을 표시한 점선 화살표를 참조하여 살펴본다. 온도제어장치는 별도의 제어부(110)를 구비하는데, 상기 제어부(110)는 온도조절유닛(120)과 매니폴드인(130)의 냉각수의 온도와 투영렌즈(20)의 온도 정보를 수신하여 내부에 구비된 소프트웨어를 통해서 상기 수신된 온도 정보를 분석한 후, 투영렌즈(20)의 온도가 일정하게 유지될 수 있도록 냉각수의 온도를 결정한다. 따라서 결정된 온도에 따라 온도조절유닛(120)에서 냉각수가 공급되고, 투영렌즈(20)는 항상 노광공정을 수행하는데 필요한 최적의 상태를 유지할 수 있게 된다.
그러나, 상기와 같이 냉각수를 이용한 수냉식 구조는, 냉각 효율이 우수한 고 통상 냉각수로 사용되는 초순수(DeIonized water)가 계속해서 순환되는 폐쇄 루프(closed loop)를 이루고 있다 하더라도, 오랜 시간이 지나면서 냉각수가 점진적으로 증발되어 그 수량이 감소하기 때문에 온도조절유닛이 다운되는 원인이 된다. 만약 온도조절유닛이 다운되면, 투영렌즈로의 냉각수 유입이 중단되기 때문에 투영렌즈의 온도가 급격하게 변화하고 촛점이 드리프트되어 웨이퍼상에는 왜곡된 이미지가 전달되는 문제가 발생한다. 따라서 종래 투영렌즈의 온도제어장치에 의하면, 온도조절유닛이 다운되어 이를 해소하기 위해 냉각수를 보충하는 등의 작업이 이루어지는 동안 인적·시간적 손실이 발생되는 문제가 있으며, 아울러 냉각수를 보충하여 온도조절유닛이 정상화 되더라도 투영렌즈의 온도가 공정 진행에 적합한 온도로 안정화되는데 소요되는 시간 및 드리프트 된 투영렌즈의 촛점을 조정하고 이를 확인하는데 소요되는 시간이 오래 걸린다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하고자 발명된 것으로, 반도체 노광공정에 있어서 투영렌즈의 온도를 일정하게 유지하는 역할을 하는 온도조절유닛(TCU, Temperature Control Unit)이 비정상적으로 다운되는 경우에도 일정시간 동안 이를 대신할 수 있는 냉각수보조공급부를 설치함으로써, 장비 다운시에도 투영렌즈의 온도를 일정하게 유지하며, 온도조절유닛이 정상화된 후 투영렌즈가 안정화되는데 소요되는 시간을 줄일 수 있는 반도체 노광장비 투영렌즈의 온도제어장치에 관한 것이다.
상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명 반도체 노광장비 투영렌즈의 온도제어장치는, 반도체 노광장비의 투영렌즈에 냉각수를 공급하는 온도조절유닛, 상기 온도조절유닛의 냉각수를 상기 투영렌즈로 분기하여 공급하는 매니폴드인과 상기 투영렌즈에 공급된 냉각수를 수집하여 상기 온도조절유닛으로 반송하는 매니폴드아웃, 상기 온도조절유닛과 매니폴드 및 투영렌즈를 연결하는 공급라인을 포함하여 이루어지는 반도체 노광장비 투영렌즈의 온도제어장치에 있어서, 상기 온도조절유닛과 매니폴드인 사이의 공급라인상에 냉각수보조공급부가 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 냉각수보조공급부는 상기 냉각수보조공급부는 상기 공급라인에서 분리된 일측라인상에 입구가 형성되며 내부에 냉각수를 저장하는 저장탱크, 상기 저장탱크의 냉각수를 온도조절유닛으로 반송하는 반송라인, 상기 저장탱크의 입구에 설치되는 유량감지센서, 상기 저장탱크의 출구와 상기 매니폴드인을 잇는 공급라인상에 순차적으로 설치되는 펌프와 개폐밸브, 상기 유량감지센서의 신호에 따라 펌프, 개폐밸브의 동작을 제어하는 컨트롤러로 이루어지며, 상기 컨트롤러는 냉각수의 온도를 감지하는 온도센서 및 감지된 온도에 따라 냉각수를 가열하는 히터와 냉각하는 쿨러를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 저장탱크의 출구와 상기 매니폴드인을 잇는 공급라인상에는 유량조절기가 추가로 설치되는 것이 좋다.
이하 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 작용을 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명 반도체 노광장비 투영렌즈의 온도제어장치의 구성도이다.
도 2에 도시된 종래의 온도제어장치와 비교하면, 제어부(110), 온도조절유닛(120), 매니폴드인(130), 매니폴드아웃(131), 공급라인(300), 상하부냉각부(140,141)가 구비되어, 도 3의 실선 화살표로 표시된 방향으로 냉각수가 공급라인(300)을 따라 온도조절유닛(120), 매니폴드인(130), 투영렌즈(20)의 상하부냉각부(140,141), 매니폴드아웃(131)을 경유하여 다시 온도조절유닛(120)으로 순환된다는 점에서 동일하다. 또한 별도로 구비되는 제어부(110)에서 점선 화살표로 표시된 것과 같이, 온도조절유닛(120)과 매니폴드인(130)의 냉각수의 온도와 투영렌즈(20)의 온도 정보를 수신한 후 투영렌즈(20)에 공급되는 냉각수 온도를 결정한다는 점에서도 종래 장치와 동일하다.
그러나, 본 발명에 있어서는 종래 장치와 달리, 상기 온도조절유닛(120)과 매니폴드인(130) 사이의 공급라인(300)상에 냉각수보조공급부(100)가 설치된다. 상기 냉각수보조공급부(100)는, 상기 온도조절유닛(120)에서 공급하는 냉각수를 저장하고 있다가 상기 온도조절유닛(120)이 다운되는 경우에는, 저장하고 있던 냉각수를 투영렌즈(20)로 공급하게 된다. 따라서 온도조절유닛(120)이 다운되는 경우에도 투영렌즈(20)의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있고, 온도조절유닛(120)이 정상화된 후 투영렌즈(20)가 안정화되는데 소요되는 시간도 감소시킬 수 있게 된다. 한편 상기 냉각수보조공급부(100)에서 저장할 수 있는 냉각수의 양은 한계가 있기 때문에, 실선 화살표로 표시된 것과 같이 냉각수는 일정양만 저장하고 나머지는 다시 온도조절유닛(120)으로 반송하며, 온도 정보의 흐름을 나타내는 점선 화살표로 표시된 것과 같이 상기 냉각수보조공급부(100)를 경유하는 냉각수의 온도에 대한 정보 또한 제어부(110)에서 수신하게 된다.
도 4는 도 3의 냉각수보조공급부의 부분확대도이다.
냉각수보조공급부(100)는 일측이 온도조절유닛과 연결된 공급라인(300)의 반대쪽에 연결되어 설치된다. 상기 공급라인(300)은 상기 냉각수보조공급부(100) 내에서 두 방향으로 분리되며, 분리된 일측 공급라인은 직접 매니폴드인과 연결되고, 타측 공급라인에는 냉각수를 저장하는 저장탱크(101)와 연결된다. 상기 저장탱크(101)에는 냉각수를 온도조절유닛(120)으로 반송하기 위한 반송라인(103)이 설치되고, 상기 저장탱크(101)의 입구와 출구에는 유량감지센서(102)와 펌프(104), 개폐밸브(105)가 설치된다. 또한 상기 저장탱크(101)는 상기 펌프(104) 및 개폐밸브(105)를 조작하기 위한 컨트롤러(106)를 구비한다.
위와 같은 구조로 이루어진 냉각수보조공급부의 작동 과정을 살펴보면 다음과 같다.
먼저 온도조절유닛이 정상적으로 작동되는 경우에는, 온도조절유닛에서 공급되는 냉각수는 공급라인(300)을 따라 흐르다가, 냉각수보조공급부(100) 내에서 두 방향으로 나누어 흐르게 되고, 일부는 직접 매니폴드인으로 이동하여 투영렌즈(20)의 온도를 유지하는 역할을 하며, 일부는 저장탱크(101)로 이동한다. 상기 저장탱크(101)로 이동한 냉각수는 저장탱크(101)에 저장되지만, 저장탱크(101)의 용량상의 한계로 인하여 일부는 반송라인(103)을 따라 온도조절유닛으로 반송된다. 상기 저장탱크(101)에 구비된 컨트롤러(106)는 유량감지센서(102)로부터 냉각수 유량에 대한 정보를 수신하여, 온도조절유닛이 정상적으로 작동된다고 판단되면, 개폐밸브(105)를 오프시켜 매니폴드인으로는 냉각수가 흐르지 않도록 제어한다.
이에 비해, 온도조절유닛이 다운되는 경우에는, 상기 냉각수보조공급부(100)로 공급되는 냉각수의 양이 감소하게 되므로, 상기 유량감지센서(102)에서 이를 감지하게 된다. 따라서 이와 같은 유량 정보를 수신한 컨트롤러(106)는 개폐밸브(105)를 온하고, 펌프(104)를 가동하여 저장탱크(101)에 저장된 냉각수가 투영렌즈로 공급되도록 제어하여, 온도조절유닛이 다운된 동안에도 투영렌즈의 온도를 유지시킬 수 있다.
한편 상기 컨트롤러는 온도센서(미도시) 및 히터(미도시)와 쿨러(미도시)를 포함하도록 하여, 온도조절유닛에서 공급하는 냉각수와 동일한 온도의 냉각수를 투영렌즈로 공급할 수 있게된다. 즉, 위와 같은 기능은, 온도센서를 통하여 온도조절유닛이 정상적으로 작동하는 경우의 냉각수 온도를 기억하고 있다고, 온도조절유닛이 다운되는 경우에는 온도센서에서 감지되는 온도와 기억된 온도를 비교하여 필요에 따라 히터와 쿨러를 이용하여 냉각수를 가열하거나 냉각함으로써, 달성될 수 있다.
또한 상기 저장탱크(101)의 출구와 상기 매니폴드인을 잇는 공급라인(300)에 유량조절기(MFC, Mass Flow Controller)(107)를 추가로 설치함으로써, 상기 저장탱크(101)에서 투영렌즈로 공급되는 냉각수가 지나치게 과도하거나 부족하게 공급되는 문제를 해소할 수 있다.
본 발명은 종래 반도체 노광장비 투영렌즈의 온도제어장치의 문제점을 해소하기 위하여, 냉각수보조공급부 라는 보조 장치를 설치하는 것에 관한 것이지만, 본 발명이 속하는 분야에 통상의 지식을 가진 자에 의해 특정한 장치에 한정됨이 없이, 주공급수단인 온도조절유닛에 이상이 발생하는 경우에도 보조공급수단을 이용하여 주공급수단의 문제점을 보완하는 방법으로 일반화하여, 각각의 장치에 따라 다양하게 응용되어 적용될 수 있음은 자명한 것이다. 가령 본 발명에 있어서 냉각수보조공급부의 컨트롤러는, 이를 별도로 설치하지 않더라도 전체 냉각수의 온도를 결정하는 제어부를 통하여 동일한 역할을 할 수 있으며, 본 발명에 있어서 저장탱크는, 온도조절유닛에서 공급되는 냉각수를 일부 저장하고 나머지를 반송하도록 이루어진 구조 대신에 처음부터 일정량의 냉각수를 저장한 상태에서, 온도조절유닛이 다운되는 동안에만 작동되도록 이루어질 수 있는 것이다.
이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명 반도체 노광장비 투영렌즈의 온도제어장치에 의하면, 별도로 구비되는 냉각수보조공급부를 통하여, 투영렌즈의 온도를 유지하는 역할을 하는 온도조절유닛이 다운되는 경우에도, 투영렌즈의 온도가 변화하는 것을 방지할 수 있고 또한 온도조절유닛이 정상화된 후 투영렌즈가 안정화되는데 소요되는 시간을 감소시킬 수 있으므로, 전체적인 제조 공정상의 수율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 반도체 소자 제조용 노광장비의 개략적인 도면,
도 2는 종래 반도체 노광장비 투영렌즈의 온도제어장치의 개략적인 도면,
도 3은 본 발명 반도체 노광장비 투영렌즈의 온도제어장치의 구성도,
도 4는 도 3의 냉각수보조공급부의 부분확대도이다.
〈 도면의 주요부분에 대한 설명 〉
1 : 웨이퍼 10 : 광원
20 : 투영렌즈 30 : 웨이퍼 스테이지
40 : 컴퓨터 50 : 제어기
100: 냉각수보조공급부 101: 저장탱크
102: 유량감지센서 103: 반송라인
104: 펌프 105: 개폐밸브
106: 컨트롤러 107: 유량조절기
110: 제어부 120: 온도조절유닛
130: 매니폴드인 131: 매니폴드아웃
140: 상부냉각부 141: 하부냉각부
300: 공급라인

Claims (4)

  1. 반도체 노광장비의 투영렌즈에 냉각수를 공급하는 온도조절유닛, 상기 온도조절유닛의 냉각수를 상기 투영렌즈로 분기하여 공급하는 매니폴드인과 상기 투영렌즈에 공급된 냉각수를 수집하여 상기 온도조절유닛으로 반송하는 매니폴드아웃, 상기 온도조절유닛과 매니폴드 및 투영렌즈를 연결하는 공급라인을 포함하여 이루어지는 반도체 노광장비 투영렌즈의 온도제어장치에 있어서, 상기 온도조절유닛과 매니폴드인 사이의 공급라인상에 냉각수보조공급부가 설치되는 것을 특징으로 하는 반도체 노광장비 투영렌즈의 온도제어장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 냉각수보조공급부는 상기 공급라인에서 분리된 일측라인상에 입구가 형성되며 내부에 냉각수를 저장하는 저장탱크, 상기 저장탱크의 냉각수를 온도조절유닛으로 반송하는 반송라인, 상기 저장탱크의 입구에 설치되는 유량감지센서, 상기 저장탱크의 출구와 상기 매니폴드인을 잇는 공급라인상에 순차적으로 설치되는 펌프와 개폐밸브, 상기 유량감지센서의 신호에 따라 펌프, 개폐밸브의 동작을 제어하는 컨트롤러로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 노광장비 투영렌즈의 온도제어장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 컨트롤러는 냉각수의 온도를 감지하는 온도센서 및 감지된 온도에 따라 냉각수를 가열하는 히터와 냉각하는 쿨러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 노광장비 투영렌즈의 온도제어장치.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 저장탱크의 출구와 상기 매니폴드인을 잇는 공급라인상에는 유량조절기가 추가로 설치되는 것을 특징으로 하는 반도체 노광장비 투영렌즈의 온도제어장치.
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