KR20070100963A - 노광 방법 및 툴 - Google Patents

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KR20070100963A
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닐 사이키스
리차드 알롯트
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엑사이텍 리미티드
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Abstract

기판에 규칙적으로 반복되는 패턴을 형성하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은 처리될 기판의 표면 상에 레지스트(resist)를 도포하는 단계와; 자외선(UV) 광 빔에 노광시킴으로써 형성된 패턴을 상기 도포된 레지스트 상에 각인시키는 단계(imprinting)로서, 이때, 상기 자외선 광 빔은 상기 패턴을 그리고 있는 적합한 마스크를 통과한 후, 포커싱 렌즈(focusing lens)를 통과해 레지스트 상에 도달하여, 적합한 현상 용액에서 더 잘 용해되거나, 덜 용해되게 하는 레지스트의 화학적 변화를 야기하며, 상기 각인시키는 단계는 반복되는 일련의 이산적인 노광 단계로 수행되며, 상기 일련의 이산적인 노광 단계는, 빔에 관련하여 정지한 채 고정된 마스크와, 기판의 총 영역 중 단지 작은 영역만을 담당하는 렌즈를 이용하며, 각각의 단계에서 마스크를 조사(illuminate)하기 위해, UV 복사의 하나의 짧은 펄스(pulse)를 이용하며, 복사 펄스는 기판에서 레지스트의 절삭(ablation)에 대한 임계값보다 낮은 에너지 밀도를 가지며, 다수의 픽셀을 포함하는 완전한 구조물을 제공하기 위해, 상기 기판을 기판 상에 형성될 구조물의 하나의 축에 평행인 방향으로 이동시킴으로써, 그리고 펄스된 마스크 조사 광원을 상기 기판이 상기 기판 상의 반복되는 패턴의 주기의 완전한 개수와 동일한 간격만큼 이동한 때에 활성화시킴으로써 기판의 표면의 전체 영역에 걸쳐서, 상기 일련의 이산적인 노광 단계가 반복되는, 상기 각인시키는 단계와; 노광된 영역(포지티브 레지스트), 또는 노광되지 않은 영역(네거티브 레지스트)이 용해되게 하며, 그 후 잔여 레지스트에 의해 형성된 패턴이 드러나도록 현상제 용액(developer solution)에 의해 씻겨지는 현상제를 이용하여 노광된 레지스트를 처리하는 단계와; 레지스트가 없는 영역의 기판을 제거하기에 적합한 화학적 식각 용액, 또는 반응성 플라스마(reactive plasma), 또는 연마 입자(abrasive particle)를 이용하여 기판을 처리하는 단계와; 적합한 용제(solvent)를 이용하여 기판으로부터 잔여 레지스트를 제거하여 완성 패턴이 존재하는 기판을 도출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 또한 이러한 방법을 수행하기 위한 스캐닝 노광 툴을 포함한다.

Description

노광 방법 및 툴{EXPOSURE METHOD AND TOOL}
본원발명은 노광 방법 및 툴에 관한 것이다. 세부적으로는 평면 패널 디스플레이의 제조에서 사용되는 넓은 영역의 유리 기판을 처리하기 위한 포토레지스트 노광 분야에 관한 것이다.
평면 패널 디스플레이(“FPD”)의 제조는 포토-레지스트를 이용하는 마스크로부터의 리소그래픽 패턴 전사를 포함하는 다수의 공정 단계를 필요로 한다.
기판 상에 패턴을 형성하기 위한 방법이 알려져 있으며, 상기 방법은
(1) 처리될 기판의 표면 상에 레지스트(resist)를 도포하는 단계,
(2) 자외선(UV) 광 빔에 노광시킴으로써 형성된 패턴을 상기 도포된 레지스트 상에 각인시키는 단계(imprinting)로서, 이때, 상기 자외선 광 빔은 상기 패턴을 그리고 있는 적합한 마스크를 통과한 후, 포커싱 렌즈(focusing lens)를 통과해 레지스트 상에 도달하여, 적합한 현상 용액에서 더 잘 용해되거나, 덜 용해되게 하는 레지스트의 화학적 변화를 야기하는 상기 각인시키는 단계,
(3) 노광된 영역(포지티브 레지스트), 또는 노광되지 않은 영역(네거티브 레지스트)이 용해되게 하며, 그 후 잔여 레지스트에 의해 형성된 패턴이 드러나도록 현상제 용액(developer solution)에 의해 씻겨지는 현상제를 이용하여 노광된 레지 스트를 처리하는 단계,
(4) 레지스트가 없는 영역의 기판을 제거하기에 적합한 화학적 식각 용액, 또는 반응성 플라스마(reactive plasma), 또는 연마 입자(abrasive particle)를 이용하여 기판을 처리하는 단계,
(5) 적합한 용제(solvent)를 이용하여 기판으로부터 잔여 레지스트를 제거하여 완성 패턴이 존재하는 기판을 도출하는 단계
를 포함한다.
플라스마 디스플레이 패널(PDP)의 앞면용으로, 유리 시트(glass sheet) 상에 코팅되는 인듐 틴 옥사이드(ITO)에 복잡한 전극 패턴을 형성하기 위해, 다음의 단계를 취하는 것이 알려져 있다.
1. 포토-레지스트 층(일반적으로 건조 박막의 형태)이 ITO의 표면으로 제공된다.
2. 적합한 마스크를 통해 노광시킴으로써, 복잡한 전극 패턴이 레지스트에 각인된다. 이 공정을 위해 사용되는 자외선 광에 의해, 적절한 현상 용액에서 더 잘 용해되거나 덜 용해되도록 하는 레지스트의 화학 변화가 야기된다.
3. 노광된 기판이 현상제에서 처리된다. 레지스트의 노광된(포지티브 레지스트), 또는 노광되지 않은(네거티브 레지스트) 부분이 용해되고 현상 용액에 의해 씻겨져서, ITO 표면의 상부에 위치하는 레지스트에 ‘마스크’패턴이 남겨진다.
4. 상기 레지스트가 없는 영역에서 ITO를 용해시키는 적합한 화학약품(또는, 플라스마)을 이용하여 기판이 처리된다.
5. 최종적으로, 잔여 레지스트 층이 벗겨져서, 패턴처리된 완성 장치가 도출된다.
FPD를 위해 사용될 수 있는 다양한 금속성 층, 반도성 층, 절연성 층 및 그 밖의 다른 층을 패턴처리하기 위해, 이러한 타입의 리소그래픽 공정이 몇 회 동안 반복될 수 있다.
FPD를 위해, 광학 시스템을 이용하여 마스크의 패턴을 투사함으로써, 이 공정은 수행된다.
근접 마스크 공정( Proximity Mask Process )
요망 패턴을 포함하는 마스크가 레지스트의 근접부에 가까이 고정되어, 결과적으로 상기 마스크에 형성된 패턴이 상기 레지스트로 투사될 이미지와 동일한 크기가 된다. 마스크 패턴에서 레지스트 표면으로의 정확한 광학 전사를 보장하기 위해, 마스크와 레지스트의 간격은 노광 영역에 걸쳐 작아야 하고(가령 0.1mm 미만), 일정해야한다. 노광에 사용되는 UV 광이 시준(collimate)되고, 균일한 레지스트 노광 도즈(dose)를 제공하기 위해, 전체 마스크 영역에 걸쳐 동일한 강도를 가질 필요가 있다. (통상적으로, 365㎚(i-line)의 파장의) UV 복사의 통과를 허용하기 위해, 상기 마스크는 UV 통과 융용 실리카(UV transmitting fused silica)로 만들어진다. 장비 요구사항에 있어서, 이러한 근접부 노광 기법은 과도하게 복잡한 것은 아니나, 간격과 균일성 제어의 난해성 때문에, 레지스트 패턴의 변화가 클 수 있으며, 이는 패턴의 결함을 초래할 수 있다(즉, 생산성이 낮아질 수 있다). 또한 일정한 움직임과 취급에 의해, 빠르게 오염될 수 있기 때문에, 마스크 수명이 짧다. 그 럼에도 불구하고, 현재는, 근접부 노광이 PDP 등의 큰 FPD를 위해 사용될 수 있는 유일한 레지스트 노광의 마스크 전사(mask transfer) 방법이다.
투사 노광 공정( Projection Exposure Process )
이 경우에, 오염 문제를 피하기 위해 마스크가 기판으로부터 충분히 이격되어 있다. 결과적으로 마스크의 이미지를 레지스트 표면으로 전달하기 위해, 광학 시스템이 사용된다. 이미지를 전달하기 위해, 투사 노광 도구는 마스크와 기판 사이에서 렌즈, 또는 거울 광학 시스템을 포함한다. 이는 전체 FPD 패턴의 일부를 투사하기 위해 사용되며, 기판에서 큰 영역 이미지를 구축하기 위해 스텝 앤 리피트 모드(step and repeat mode)에서 동작할 수 있으나, 큰 FPD에 있어서는 스캐닝 모드(scanning mode)에서 동작하는 유니티 이미징 시스템(1배 시스템)을 이용하여 마스크로부터 기판으로 전체 패턴을 전사하는 것이 더욱 일반적이다.
이러한 경우, 마스크와 기판은 동일한 기계적 구조 상에 장착되고 함께 이동된다. 임의의 주어진 시점에서 UV 광에 의해 마스크의 단지 작은 영역만이 조사되나, 마스크 및 기판에 대하여 함께 1차원적 1회 스캔, 또는 반복되는 2차원적 래스터 스캔(raster scan)을 수행함으로써 장치의 전체 영역이 노광된다.
다수의 제조업체에서 FPD를 제조하기 위한 스캐닝 노광 툴(scanning exposure tool)을 제공한다. 모든 경우에서, 확대는 1배로 이뤄지고, 따라서 마스크가 노광될 FPD 장치만큼 커야한다. 예를 들어, 미국 소재지를 갖는 Tamarak Scientific Company Inc와 Anvik Corporation이 2D 래스터 스캔 모드로 동작하는, FPD를 위한 1배 노광 툴을 제작한다. Tamarak은 고압 수은 램프를 365㎚(i-line)의 파장에서 동작하는 UV 복사의 근원지로서 사용하는 반면에, Anvik은 UV 복사의 근원지로서 351㎚(XeF)에서 동작하는 엑시머 레이저(excimer laser)를 사용한다.
노광 작업의 속도를 높이기 위해, 광학 렌즈 시스템의 개수를 증가시켜서 몇 개의 작업이 병렬로 이뤄지게 할 수 있다. 적합한 병렬 광학소자를 이용함으로써, 마스크 및 기판에 대한 한 번의 선형 스캔(linear scan)을 이용하여 전체 장치에 대한 노광이 이뤄질 수 있다. 이러한 작업 방법의 예로는, 몇 개의 병렬 렌즈로 구성된 FPD 노광 툴의 Nikon FX-51S/61S 시리즈를 사용하는 것이다. 수은 램프가 상기 UV 복사의 근원지로서 사용된다.
다중 렌즈의 대안예로서, 단일 선형(1-D) 스캔을 이용하여 전체 이미지를 전사하기에 충분히 큰 필드(field)를 갖는 반사 광학 시스템(reflective optical system)을 사용하는 것이 가능하다. Canon Inc에서 큰(직경 800㎜) 거울을 유니티(1배) 확대 큰 필드 투사 이미징 시스템의 기반으로서 사용하는 FPD를 위한 노광 툴을 제조한다. 이러한 툴은 마스크 및 기판의 1배 선형 스캔에 따라, 32inch FPD에 해당하는 기판을 노광할 수 있다. UV 광원으로서 수은 램프를 사용한다.
앞선 예로서 설명된 현재의 노광 방법에 공통인 특성은, 노광될 장치와 동일한 크기를 갖는 마스크를 사용한다는 것이다. 이러한 접근법은 쉽게 사용가능한 800 x 920㎜의 마스크 크기를 갖는 더 작은 FPD의 노광은 만족시킨다. 그러나 FPD 디스플레이가 더 커지고(가령 40inch(1000㎜)) 더 큰 대각치수를 가질수록, 특히 60inch(1500㎜) 이상의 크기와 더 큰 대각치수가 요구되는 PDP의 경우, 적합한 1배 마스크의 제공이 어려우며, 비용은 높아진다.
웨이퍼 상의 집적 회로(IC)의 조립에 있어서, 축소 포토레지스트 노광 툴이 사용된다. 통상적으로 이러한 툴은 투사될 이미지의 크기보다 4배, 또는 5배 더 큰 마스크를 갖는다. 따라서 광학 시스템은 4배, 또는 5배 축소 렌즈로 구성된다. 이러한 툴은 스텝 앤드 리피트 모드(step and repeat mode), 또는 스텝 앤드 스캔 모드(step and scan mode)에서 동작할 수 있다. 후자의 경우, 스캔 모드에서 마스크는 웨이퍼보다 4, 또는 5배 더 높은 속도로, IC 장치 크기보다 4, 또는 5배 더 큰 간격만큼 이동한다. 마스크 및 웨이퍼 스테이지의 이동은 CNC 서보 시스템(servo system)을 이용하여 서로 매우 밀접하게 연결되고 동기화된다. 대부분의 모든 경우에서, 스캐닝은 1차원으로만 이뤄진다. 왜냐하면 IC 장치의 전체 폭을 덮는 설계도를 인쇄하기에 렌즈의 필드가 충분하기 때문이다. IC 장치 로케이션 사이에서 웨이퍼가 스테핑(stepping)되어, 전체 웨이퍼 영역이 덮일 수 있다. 통상적으로 이러한 툴에 대한 마스크 크기는 6x6inch(152x152㎜)에 불과한데, 이는 약 35㎜까지 IC 장치를 인쇄할 수 있는 스캐닝 모드에서 4배 축소를 의미한다. 이 크기는 IC 장치 제조에는 만족스럽다. 이러한 툴의 예로는 26x33㎜의 IC 장치 영역을 스캔할 수 있는 ASML PAS 5500/400E이 있다.
기판에 규칙적으로 반복되는 패턴을 형성하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은 처리될 기판의 표면 상에 레지스트(resist)를 도포하는 단계와; 자외선(UV) 광 빔에 노광시킴으로써 형성된 패턴을 상기 도포된 레지스트 상에 각인시키는 단계(imprinting)로서, 이때, 상기 자외선 광 빔은 상기 패턴을 그리고 있는 적합한 마스크를 통과한 후, 포커싱 렌즈(focusing lens)를 통과해 레지스트 상에 도달하여, 적합한 현상 용액에서 더 잘 용해되거나, 덜 용해되게 하는 레지스트의 화학적 변화를 야기하며, 상기 각인시키는 단계는 반복되는 일련의 이산적인 노광 단계로 수행되며, 상기 일련의 이산적인 노광 단계는, 빔에 관련하여 정지한 채 고정된 마스크와, 기판의 총 영역 중 단지 작은 영역만을 담당하는 렌즈를 이용하며, 각각의 단계에서 마스크를 조사(illuminate)하기 위해, UV 복사의 하나의 짧은 펄스(pulse)를 이용하며, 복사 펄스는 기판에서 레지스트의 절삭(ablation)에 대한 임계값보다 낮은 에너지 밀도를 가지며, 다수의 픽셀을 포함하는 완전한 구조물을 제공하기 위해, 상기 기판을 기판 상에 형성될 구조물의 하나의 축에 평행인 방향으로 이동시킴으로써, 그리고 펄스된 마스크 조사 광원을 상기 기판이 상기 기판 상의 반복되는 패턴의 주기의 완전한 개수와 동일한 간격만큼 이동한 때에 활성화시킴으로써 기판의 표면의 전체 영역에 걸쳐서, 상기 일련의 이산적인 노광 단계가 반복되는, 상기 각인시키는 단계와; 노광된 영역(포지티브 레지스트), 또는 노광되지 않은 영역(네거티브 레지스트)이 용해되게 하며, 그 후 잔여 레지스트에 의해 형성된 패턴이 드러나도록 현상제 용액(developer solution)에 의해 씻겨지는 현상제를 이용하여 노광된 레지스트를 처리하는 단계와; 레지스트가 없는 영역의 기판을 제거하기에 적합한 화학적 식각 용액, 또는 반응성 플라스마(reactive plasma), 또는 연마 입자(abrasive particle)를 이용하여 기판을 처리하는 단계와; 적합한 용제(solvent)를 이용하여 기판으로부터 잔여 레지스트를 제거하여 완성 패턴이 존재하는 기판을 도출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 또한 이러한 방법을 수행하기 위한 스캐닝 노광 툴을 포함한다.
도 1은 SIS 노광 방법의 원리를 도시한다.
도 2는 SIS 투사 노광 툴을 위한 가능한 기하학적 형태를 도시한다.
도 3은 전체 FDP 영역을 커버하기 위해 단지 10개의 스캔만 요구되는 경우를 도시한다.
도 4는 또 다른 가능한 노광 툴 장치를 도시한다.
도 5는 가능한 애퍼처의 몇 가지 예를 도시한다.
(a) 사다리꼴
(b) 비정규 6각형
(c) 사각형
(d) 삼각형
본 발명의 첫 번째 태양에 따라, 기판 상에 규칙적으로 반복되는 패턴을 형성하기 위한 방법이 제공되며, 상기 방법은
1. 처리될 기판의 표면 상에 레지스트(resist)를 도포하는 단계,
2. 자외선(UV) 광 빔에 노광시킴으로써 형성된 패턴을 상기 도포된 레지스트 상에 각인시키는 단계(imprinting)로서, 이때, 상기 자외선 광 빔은 상기 패턴을 그리고 있는 적합한 마스크를 통과한 후, 포커싱 렌즈(focusing lens)를 통과해 레지스트 상에 도달하여, 적합한 현상 용액에서 더 잘 용해되거나, 덜 용해되게 하는 레지스트의 화학적 변화를 야기하며, 상기 각인시키는 단계는
(ⅰ) 반복되는 일련의 이산적인 노광 단계로 수행되며, 상기 일련의 이산적인 노광 단계는, 빔에 관련하여 정지한 채 고정된 마스크와, 기판의 총 영역 중 단지 작은 영역만을 담당하는 렌즈를 이용하며, 각각의 단계에서 마스크를 조사(illuminate)하기 위해, UV 복사의 하나의 짧은 펄스(pulse)를 이용하며, 복사 펄스는 기판에서 레지스트의 절삭(ablation)에 대한 임계값보다 낮은 에너지 밀도를 가지며,
(ⅱ) 다수의 픽셀을 포함하는 완전한 구조물을 제공하기 위해, 상기 기판을 기판 상에 형성될 구조물의 하나의 축에 평행인 방향으로 이동시킴으로써, 그리고 펄스된 마스크 조사 광원을 상기 기판이 상기 기판 상의 반복되는 패턴의 주기의 완전한 개수와 동일한 간격만큼 이동한 때에 활성화시킴으로써 기판의 표면의 전체 영역에 걸쳐서, 상기 일련의 이산적인 노광 단계가 반복되는,
상기 각인시키는 단계,
3. 노광된 영역(포지티브 레지스트), 또는 노광되지 않은 영역(네거티브 레지스트)이 용해되게 하며, 그 후 잔여 레지스트에 의해 형성된 패턴이 드러나도록 현상제 용액(developer solution)에 의해 씻겨지는 현상제를 이용하여 노광된 레지스트를 처리하는 단계,
4. 레지스트가 없는 영역의 기판을 제거하기에 적합한 화학적 식각 용액, 또는 반응성 플라스마(reactive plasma), 또는 연마 입자(abrasive particle)를 이용하여 기판을 처리하는 단계,
5. 적합한 용제(solvent)를 이용하여 기판으로부터 잔여 레지스트를 제거하여 완성 패턴이 존재하는 기판을 도출하는 단계
를 포함한다.
본 발명의 첫 번째 태양의 첫 번째 바람직한 버전에 따르면, 각인시키는 단계 동안, 기판이 이동하는 방향과 평행하는 방향에서, 기판에서 조사(illuminate)되는 영역의 크기는, 상기 조사되는 영역 밑의 기판의 통과 후에, 각각의 레지스트의 부분이 충분한 개수의 펄스를 수신하여, 상기 조사된 영역 상의 UV 복사의 조합된 도즈(dose)가 이를 전체적으로 노광시키기에 적정하도록 정해지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 첫 번째 태양의 두 번째 바람직한 버전에 따르면, 상기 각인시키는 단계에 의해, 광학 투사 시스템을 사용함으로써, 기판 상으로 마스크 패턴을 전사하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 첫 번째 태양과 상기 태양의 앞선 바람직한 버전에 따르면, 상기 마스크는 기판 상의 전체 패턴의 작은 영역과 동일한 크기를 가지며, 상기 각인시키는 단계 동안, 상기 마스크는, 퍽(puck)에 부착됨으로써, 기판의 인접부에 가까이 고정되며, 이때 상기 퍽(puck)은 자신으로부터 발산되는 공기 흐름(air flow)을 이용하여 이동하는 기판의 표면 상을 부유(float)하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 첫 번째 태양의 네 번째 바람직한 버전과 상기 태양의 앞선 버전에 따라, 상기 UV 광원은 엑시머 레이저(excimer laser)인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 첫 번째 태양의 다섯 번째 버전과 상기 태양의 앞선 버전에 따라, 상기 각인시키는 단계 동안, 기판 상의 노광될 영역의 에지(edge)는 상기 마스크의 표면 상에 가까이 위치하는 이동형 블레이드(blade)에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 첫 번째 태양의 여섯 번째 바람직한 버전과 상기 태양의 첫번 째 내지 네 번째 버전 중 어느 하나에 따라, 상기 각인시키는 단계 동안, 상기 기판은 일련의 병렬(parallel) 밴드(band)에 노광되며, 상기 밴드가 겹치는 구역에서의 UV 복사 조사(illuminating)의 도즈(dose)는, 스캐닝 방향에 평행하는 조사 빔의 두 개의 측부를 물리적으로 성형함으로써, 제어되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 첫 번째 태양의 일곱 번째 버전과 상기 태양의 첫 번째 내지 네 번째 버전에 따라서, 상기 각인시키는 단계 동안, 상기 기판은 일련의 병렬(parallel) 밴드(band)에 노광되며, 상기 밴드가 겹치는 구역에서의 UV 복사 조사(illuminating)의 도즈(dose)는, 기판 스캐닝 방향에 수직인 방향으로 변화하는 전달 프로파일(transmission profile)을 갖는 추가적인 마스크를 사용함으로써 제어되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 두 번째 태양에 따라, 첫 번째 태양, 또는 앞선 버전 중 어느 하나에 따르는 방법을 수행하는 것을 특징으로 하는 스캐닝 노광 툴(scanning exposure tool)이 제공된다.
본 발명의 세 번째 태양에 따라서, 첫 번째 태양, 또는 앞선 버전 중 어느 하나에 따르는 방법을 이용하여 형성되는 제품이 제공된다.
본 발명은 높은 분해능의 규칙적으로 반복되는 구조를, 단지 작은 마스크만 을 이용하여 넓은 영역 FPD에 걸쳐 생성하기 위해, 레지스트를 노광시키는 신규한 광학 투사 방법에 관한 것이다. 일반적으로 광학 시스템은, 이미지가 마스크에 비해 축소된 크기이고, 하지만 또한 유니티(1배) 투사 시스템이 확대 투사 시스템으로서 사용될 수 있다는 점에서, 반도체 레지스트 노광 툴에서 알려진 바와 유사하다. 본 발명은 레지스트 노광 복사(resist exposing radiation)를 발생하기 위해, 펄스된 광원, 가령 UV 엑시머 레이저의 사용에 의존한다. 노광 공정 동안, 투사 렌즈의 이미지 평면을 통해 레지스트 코팅된 FPD 기판이 지속적으로 이동되는 반면에, 상기 마스크는 정지한 채로 유지된다.
이러한 공정의 성공적인 구현의 핵심은, 노광될 패턴은 기판이 스캐닝되는 방향으로 규칙적인 피치(pitch)를 갖는다는 것과, 광원이 정확한 시간에서 활성화된다는 것이며, 이에 따라서 연속적인 노광 펄스 사이의 시간에서 구조 피치와 정확히 동일한 간격(또는 몇 배의 간격)만큼 기판이 이동할 수 있다. 이러한 공정은 동기화된 이미지 스캐닝(SIS: synchronised image scanning)이라고 일컬어진다. 광원이 트리거링되고, 이에 따라서 FPD 기판 상에 노광 이미지가 생성되는 것이 기판 움직임과 정확하게 동기화되어, 구조물의 정수 개수의 피치에 의해, 연속적인 이미지가 디스플레이된다.
또한 조명원이 높은 파워 레이저이고, 각각의 레이저 펄스에 따르는 이미지 평면 상의 에너지 밀도(energy density)가 물질의 절삭 임계치를 초과하기에 충분할 때, 상기 SIS(synchronised image scanning) 공정은 물질의 직접 절삭(direct ablation)을 위해 사용될 수 있다. FPD 및 그 밖의 다른 많은 적용예(가령, 긴 잉 크젯 프린터 노즐)에서 사용되는 물질에서 깊고 반복되는 구조를 생성하기 위해, 이러한 SIS 절삭 공정이 사용될 수 있다. 이러한 내용에서, 에너지 밀도가 낮은 레지스트 노광 공정을 취급하나, 본원에서 논의되는 원리는 더 높은 에너지 밀도를 이용하는 직접 물질 절삭에 대해서도 적합하다.
FPD에 적합한 구조물을 생성할 때, 상기 SIS 노광(또는 절삭 공정)이 효과를 발하기 위해서는 몇 가지 핵심 조건이 필수이다. 이는 다음과 같다. 첫째, 광학 마스크 투사 시스템이 적정한 분해능 및 필드 크기를 가질 필요가 있다. 일반적으로, FPD에서 요구되는 가장 미세한 구조물은 수 미크론의 크기를 갖는 구조물이기 때문에, 1 내지 수 미크론의 범위의 광학 분해능이 요구된다. 이러한 값은 레이저 절삭, 특히 UV 구역의 절삭을 위해 현재 일반적으로 사용되는 렌즈에 의해 손쉽게 얻어진다. 이러한 렌즈는 1x를 통해 마스크 패턴을 FPD 상으로 축소시키며, 확대 라인(enlarging line)이 또한 사용될 수 있다. 분해능 및 파장의 조합은, 렌즈 개구수(NA: numerical aperture)가 0.05 내지 0.2의 범위내에 존재할 필요가 있는 요구사항으로 초래한다. 이러한 렌즈의 필드 크기는 수㎜ 내지 50㎜ 이상의 범위에 있다. 이러한 값은 본원에서 논의되는 SIS 노광 공정에서 적합하다. 렌즈의 축소 계수(de-magnification factor)는 임의의 알맞은 값일 수 있으나, 펄스된 광원(일반적으로 레이저)이 사용되는 것을 명심하라. 마스크의 축소된 이미지를 생성하여 상기 마스크에서의 에너지 밀도가 매우 낮은 렌즈를 사용하는 것이 바람직하다. 일반적으로 1.5배율 내지 5배율의 범위의 렌즈의 축소 계수가 사용되나, 분해능 요구사항이 충족되고, 마스크에서의 에너지 밀도가 충분히 낮은 경우, 유니티(1x) 확대를 갖는 렌즈와 심지어 확대 렌즈(enlarging lens)까지 사용될 수 있다.
둘째로, 노광 복사를 생성하는 광원은 충분히 짧은 지속시간(duration)의 광원인 것이 중요하다. 이는 노광될 기판이 지속적으로 이동하며 생성되는 이미지가 오염되지 않도록 광 펄스가 이러한 움직임을 "정지(freeze)"시키기에 충분히 짧을 필요가 있는 만큼 중요하다. 1m/초까지의 속도로 이동하는 시트(sheet)에 대하여, 1미크론 이하로 이미지 오염을 제한하는 것은, 펄스된 광원이 1 마이크로 초(10-6초)미만의 지속시간(duration)을 가질 것을 필요로 한다. 이러한 이유로, 발산된 펄스가 1마이크로 초의 지속기간을 가짐으로써, 빠르게 이동하는 기판 상에서조차 어떠한 이미지 오염 효과가 나타나지 않기 때문에, 펄스된 레이저가 이상적인 광원을 만든다. UV 엑시머 레이저는 공통 레지스트를 즉시 노광시킬 수 있고 낮은 반복률(repetition rate, 수㎐ 내지 수㎑)을 갖는 파장에서 펄스를 발산하기 때문에, 특히 바람직한 광원이다. 이는, mm에 대한 작은 분수(가령 50㎛)에서 1mm 이상까지의 범위의 구조 피치를 갖는 FPD는 이러한 SIS 노광 방법에 의해 신중한 스테이지 속도에서 처리될 수 있다. 예를 들어, 300㎐의 레이저 발사(laser firing)에 의해 100㎛의 피치를 갖는 구조가 처리될 수 있으며, 이때 상기 발사는 단지 60㎜/초로 이동하는 기판을 이용하여, 이미지가 구조 피치에 매 초마다 겹쳐지도록 동기화된다.
이러한 SIS 노광 공정을 성공적으로 구현하기 위한 세 번째 핵심 요구사항은 레이저 점화가 스테이지의 움직임에 관련하여 정확하게 타이밍(timing)되어야 한다 는 것이다. 이는 스테이지가 장착되어 있으며 최대한 반복시킬 수 있는 높은 분해능의 인코더(encoder)를 가질 필요가 있음을 의미한다. 또한 (서보 제어 루프의 지연에 따른) 스테이지 속도의 작은 변화가 노광 이미지의 정확한 포지셔닝에 영향을 미치지 않도록, 스테이지 인코더 신호로부터 레이저 점화 펄스를 발생시키기 위해, 빠르고, 지터(jitter) 없는 자유 제어 전자기기가 요구된다. 이러한 전자소자는 표준 CNC 스테이지 제어 시스템(가령, PSO 레이저 점화 전자기기를 사용하는 Aerotech U500)에서 쉽게 사용가능하다.
성공적인 SIS 노광을 위한 네 번째 중요한 조건은, 각각의 레이저 펄스에 의해 이미지 평면에서 생성되는 복사의 에너지 밀도가 레지스트의 직접 절삭을 야기하기에 필요한 임계 에너지 밀도보다 낮다는 것이다. FPD 제조업체에서 사용되는 통상의 레지스트는 UV 영역(가령 351㎚)에서의 노광을 위해 설계되기 때문에, UV로 상당한 양의 복사를 전송하여, 레지스트 층의 하부가 완전하게 노광될 수 있다. 이러한 조건은 절삭 임계치 밀도가 비교적 높은 값(가령, 수 100mJ/㎠)을 가지도록 제안한다. 이러한 값은, 레지스트의 흡수 증가에 따라 노광 파장이 감소됨에 따라 감소될 것이다. 그러므로 노광 에너지 밀도를 수 내지 수십 mJ/㎠의 영역으로 유지하여, 레지스트 절삭의 가능성을 피하는 것이 바람직하다. 통상적으로 FPD 제조에서 사용되는 상기 레지스트를 노광시킬 때 요구되는 도즈(dose)가 수십 내지 수백 mJ/㎠의 범위에서 존재하기 때문에, 레지스트를 완전히 노광시키기 위해, 다수의 하위 절삭-임계 공정이 요구될 수 있음이 자명하다. 통상의 펄스 개수는 수 내지 수십일 수 있다. 이러한 결과는 스캐닝 지속 시간 동안의 이미지 크기가 노광될 구 조에서 이만큼의 개수 이상의 피치를 커버할 필요가 있음을 의미한다. 예를 들어, 100㎛ 피치를 갖는 구조물을 완전히 노광시키기 위해 각각 5mJ/㎠인 20개 이상의 펄스가 요구되는 경우, 연속적인 노광 이미지가 1피치만큼 이동된다면 스캐닝 방향에서의 빔 폭(beam width)이 2㎜ 이상일 필요가 있다. 예를 들어 이미지가 2피치만큼 이동된다면, 빔은 4㎜의 폭을 가질 필요가 있다.
따라서 이러한 SIS 노광 공정을 가장 잘 이용하기 위해 고안된 방법은, FPD 표면에서 정지된 마스크의 이미지를 생성하고, 광학 투사 시스템 하로 이동되어 FPD의 하나의 축을 가로지르는 레지스트의 밴드(band)가 노광될 수 있는 것이다. 하나의 밴드가 노광된 후, 기판은 측면에서 스테핑(stepping)되고, 첫 번째 노광된 부분에 이웃하는 또 다른 밴드가 스테핑된다. 두 번째 노광된 밴드의 구조는 첫 번째 밴드로 정확하게 등록되도록, 사이드스텝(sidestep) 간격이 스테핑 방향으로 진정수의 구조 피치여야 하는 것이 명백하다. 일반적으로 노광된 각각의 밴드의 폭은 모든 스캔은 노광된 FPD의 전체 영역을 완료하도록 정해진다. 이는 추후 설명될 바와 같이, 바람직하지만, 필수적인 것은 아니다.
FPD SIS 노광 공정의 속도를 최대화하기 위해, 병렬 스캔(parallel scan)의 총 횟수를 감소시키는 것과, FPD를 가능한 가장 높은 속도로 이동시키는 것이 필수적이다. 전자의 요구사항은 가능한 넓은 이미지를 생성함으로써 충족되며, 이는 적합한 렌즈를 사용할 것에 의해 제한받는다. 가능한 가장 높은 속도에서 스캔할 것에 대한 요구사항은 두 가지 방식으로 충족된다.
첫째, FPD의 픽셀이 대략적으로 사각형이며, 3개의 동일한 서브 픽셀로 구성 되어 있으며, 각각의 서브 필셀, 또는 셀이 3:1에 가까운 종횡비를 갖는 장방형인 것이 일반적이다. SIS 노광 공정은 FPD가 레이저 펄스 사이에서 진정수(1 이상)의 셀만큼 이동하는 것을 필요로 하기 때문에, 셀의 긴 축에 평행하는 방향으로의 스캐닝이 셀의 짧은 축 방향으로의 스캐닝보다 약 3배 더 높은 스캔 속도를 도출함이 자명하다.
둘째, 노광 사이에서 둘 이상의 셀의 길이만큼 FPD를 이동시킴으로써, 스캔 속도를 높이는 것이 가능하다. 2, 3, 또는 그 이상의 이동이 사용되어 스캔의 속도가 높아질 수 있다. 노광 펄스 사이의 이동되는 간격을 증가시킴에 따른 결과는, FPD에서의 빔을 노광시키는 것이 스캔 방향에서의 크기를 증가시킨다는 것이다. 예를 들어, 0.6 x 0.6㎜의 픽셀 크기를 갖는 FPD가 고려될 수 있다. 각각의 픽셀은 3개의 셀로 나뉘며, 각각의 셀은 0.6 x 0.2㎜ 크기를 갖는다. 300㎐에서 발사되는 레이저가 사용되고, FPD가 셀의 짧은 축 방향으로 스캔되는 경우, 60㎜/초의 스캔 속도가 얻어진다. 직교 방향으로의 스캐닝, 즉 셀의 긴 축에 평행하는 스캐닝은, 계수 3에 의해, 이를 180㎜/초까지로 증가시킨다. 노광 펄스 사이에서 2개의 셀 길이만큼 이동시킴으로써, 속도는 추가적으로 360㎜/초까지 증가된다.
FPD의 각각의 영역이 다수의 펄스를 수신하는 요구사항은, 셀 길이의 생산과, 펄스 사이에서 이동되는 셀의 개수와, 각각의 영역에서 요구되는 노광 펄스의 개수에 따라, 스캔 방향에서의 빔의 크기가 주어지는 것을 의미한다. 앞선 0.6㎜의 셀 길이와, 펄스 사이에서의 2 셀의 길이만큼의 이동을 예를 들어 보면, 레지스트에서 바람직한 도즈를 얻기 위해, 20개의 펄스가 필요한 경우, 스캔 방향에서의 빔 의 크기는 24㎜이다. 그러므로 SIS 노광 공정에서 사용되는 빔 형태는 사각형과 매우 유사하며, 이는 필수적이지 않다.
스캐닝된 밴드에서 레지스트를 노광시킬 때, 밴드 사이의 경계부에서 어떠한 도즈 단절(dose discontinuity)도 존재하지 않음을 보장하도록 주의를 기울여야한다. 레지스트로 적용되는 UV 복사 도즈의 변화가, 현상 후에 남겨진 잔여 레지스트의 라인 폭의 변화를 이끈다. 이러한 라인 폭의 변화에 의해, 다음번 식각 공정 동안 레지스트 아래에 위치하는 활성 장치 층(active device layer)의 바람직하지 않은 라인 폭 변화가 초래된다. 이러한 스캔 경계부 라인 폭의 단절은 “스티칭 에러(stitching error)”라고 일컬어지는 것이 일반적이다. 이러한 도즈 단절을 없애는 것은, 마스크에 조사되는 복사 패턴을 올바르게 제어함으로써 이뤄진다. 이는 두 가지 방법에 의해 이뤄질 수 있다.
한 가지 경우, 적합한 형태의 고정된 애퍼처가 균질한 UV 복사 경로로 마스크의 바로 앞에 위치한다. 이 애퍼처는 마스크 표면으로, 이에 따라서 레지스트 표면으로 전달될 균질한 복사의 패턴의 형태를 형성한다. 스캐닝된 필드 사이의 경계부에서 발생하는 어떠한 단절도 없다는 것을 보장하기 위해, 경사진 에지(sloping edge)를 갖는 애퍼처가 사용된다. 경사진 에지가 마스크(및 기판)이 스캐닝되는 방향에 대응하도록 상기 애퍼처가 정렬된다. 적합한 형태의 예로는 스캐닝 방향을 따라 정렬되는 2개의 경사 측부를 갖는 사다리꼴이 있다. 마스크에서의 이러한 애퍼처에 의해, 마스크 및 기판의 선형 스캔(linear scan)이 수행될 때, 노광 영역의 각각의 측부 상에 노광 도즈의 감소(fall off)가 야기된다. 근접 스캔(adjacent scan)에 의해, 이러한 강도 감소 구역이 겹쳐질 수 있다. 애퍼처의 폭 및 경사의 조심스러운 조정에 의해, 인접 스캔 필드 간의 각각의 경계부를 가로지르는 총 도즈는, 도즈 단절이 없기 위해 적합할 수 있다.
US 특허 제5,285,236호(1994)는 넓은 영역 스캐닝 FPD 노광 툴에서 정육각형 애퍼처의 사용에 의해, 기판 위의 레지스트를 노광시키기 위해 사용되는 복사 패턴이 형성될 수 있다. 육각형의 평행하는 측부 중 2개에 수직인 방향으로의 스캐닝에 의해, 그리고 인접 스캔 밴드의 공감을 육각형의 측부 길이의 1.5배와 동일한 간격만큼 둠으로써, 레지스트로 균질한 도즈가 적용되고, 스티칭 에러(stitching error)가 사라진다. 그러나 본 발명은 사다리꼴, 사각형, 삼각형, 비정규 길이의 측부를 갖는 육각형 등의 특정한 애퍼처 형태의 사용에 제한받지 않는다. 임의의 애퍼처의 핵심 특징은 스캔 방향에 평행인 중심 선에 대하여 대칭인 형태라는 것이다.
스캔 경계부를 가로지르는 도즈의 연속을 보장하기 위한 또 다른 방법은, 애퍼처를 가로지르는 적합하게 변화하는 전달율 프로파일을 갖는 제 2(고정 마스크)에 가까이 배치함으로써, 패턴 마스크로 전달되는 복사의 강도를 제어하는 것이다. 적합한 프로파일은 중앙 섹션에서 균일한 높은 전달율을 가지며, 측면 영역에서는 전달율이 0으로 떨어진다. 상기 전달율 프로파일과 이러한 측면 영역의 폭은 다수의 형태를 가질 수 있으나, 복사 전달 프로파일이 스캔 방향에 평행하는 중심선에 대해 대칭인 것이 핵심이다. 이는 마스크의 한 쪽 측부의 프로파일 및 폭이 반대쪽과 동일함을 나타낸다. 또한 전달이 중앙 피크 값(peak value)의 절반으로 떨어지는 포인트 간의 간격에 의해 형성되는 마스크 패턴의 폭이 (패턴 마스크에서의) 스캔 밴드 사이의 간격과 동일하다는 것이 핵심이다.
이러한 변화하는 전달 마스크는 “아포다이징 마스크(apodizing mask)”라고 알려져 있으며, 그 밖의 다른 광학 응용분야에서도 잘 알려져 있다. 이러한 마스크를 만들기 위한 한 가지 방법은 실리카 판 위에 위치하는 크롬의 층으로 미세한 “중간 톤(half tone)”의 구조를 생성하는 것이다.
스캔 방향으로 FPD 장치의 2개의 경계부를 형성하는 노광 도즈의 균일성의 제어는 중요한 문제이다. 스캔 방향에서의 빔 폭은 각각의 레이저 펄스에 많은 구조가 노출되도록 정해지기 때문에, 이는 SIS 노광 공정이 갖는 잠재적인 문제이다. FPD의 경계분에서 노광 레이저의 트리거링(triggering)이 갑작스럽게 중단되는 경우, 전달되는 도즈가 불완전한 이미지 너머까지 뻗어 가는 영역이 존재하게 된다. 이러한 밴드는 스캔 방향에서의 이미지만큼 넓을 것이며, 이러한 간격 동안의 노광 도즈는 0에서 최대값까지로 변화할 것이다. 이것이 매우 바람직하지 않음이 명백하며, 이를 방지하기 위한 방법이 필요하다.
스캔 밴드 경계부 구역에서, 근접한 균일성을 제어하기 위해 이 방향에서 사용되는 빔의 성형된 에지 때문에, FPD의 측부에서 동일한 문제가 존재한다. FPD를 노광시키기 위해 사용되는 극(extreme) 스캔 대역의 외부 에지에서, 빔의 끝부분 상에 위치하는 경사 구조의 폭과 동일한 폭을 갖는 부분적으로 노광된 구역이 형성될 것이다. 이 구역에서, 노광은 전체 값에서 0으로 떨어질 것이다. 이는 매우 바람직하지 않음이 명백하며 이를 제어하기 위한 방법이 필요하다.
앞서 언급된 에지 문제 모두는 동일한 방법, 즉 경계부 구역에서 복사를 차단하기 위해 빔 쪽으로 이동하는 마스크와 가깝도록 위치하는 블레이드를 사용함으로써 해결된다. 상기 블레이드는 스테이지 제어 시스템으로부터 구동되고 제어되어 공정 중의 바람직한 시점에서 빔으로 이동될 수 있는 모터이다. 상기 블레이드는 마스크의 표면에 평행인 평평한 면을 가지며, 상기 블레이드의 에지가 기판 표면 상에 정확하게 이미징되도록 마스크 표면에 매우 가깝도록 위치한다. 총 4개의 블레이드가 필요하며, 하나씩 4개의 기판 경계부 각각을 다룬다. 실전에서, 블레이드는 2 축 CNC 스테이지 시스템 상에 쌍으로 장착되며, 블레이드 에지가 FPD(및 마스크) 구조 패턴에 정확하게 평행이도록 설계된다.
스캔 방향 에지 문제를 해결하기 위해, 마스크에서 블레이드는 빔 쪽으로 이동하여, FDP 경계부에 접근할수록 점진적으로 빔 폭을 감소시킨다. 이는 블레이드의 움직임이 메인 FPD 스테이지의 움직임에 정확하게 동기화될 필요가 있음을 의미한다. 이는 마스크 스테이지를 웨이퍼 스테이지로 링크(link)하기 위해 표준 리소그래픽 노광 스캐닝 툴에서 사용되는 방법이며, 이는 제어 시스템에서 쉽게 구현된다. 상기 블레이드는 렌즈 확대에 의한 메인 스테이지 속도에 관련되어 있는 속도로, 상기 메인스케이지에 관련된 간격을 이동해야하는 것이 명백하다.
또한 FPD 표면 상의 노광된 영역의 전체 폭을 제어하기 위해 이러한 측부 경계부 블레이드는 사용된다. 각각의 스캔 밴드의 폭을, 모든 밴드가 완료될 때 FPD 장치의 폭이 정확하게 완전히 커버되도록 설정하는 것이 가능하다. 이러한 배열은 공정 속도는 최대화하나, 설정하기에 복잡하다. 실전에서, 전체 FPD 폭으로 정확히 맞는 크기보다 더 넓은 매우 작은 정도(가령 1셀 폭)의 스캔 밴드를 이용하여 동작하는 것이 바람직하다. 이러한 경우, 외부 스캔 밴드의 각각의 외부 측부 상의 경사를 제거하기 위해 사용되는 빔 옵스큐어링 블레이드(beam obscuring blade)가 빔 쪽으로 추가로 다가가서, 외부 스캔 밴드를 정확하게 올바른 크기의 FPD을 생성하기 위해 요청되는 폭까지로 “잘라(trim)”낼 수 있다.
앞서 언급된 모든 것은 마스크로부터 FPD로 패턴을 전사하기 위해 광학 투사 시스템이 사용되는 경우를 참조한 것이다. 이러한 방법은 대강 설명된 바와 같이 편리하고 간단하다.
그러나 일부 FPD 노광 상황에 대해, SIS 노광 모드에서 근접 마스크(proximity mask)를 사용하는 것이 가능하며, 이러한 기법은 FPD에서 각각의 레이저 펄스에서의 에너지 밀도가 낮아서, 표준 크롬-온-수정(chrome on quartz) 마스크가 위험 부담 없이 사용될 수 있기 때문에 가능하다. 근접 마스크 SIS 노광 공정은 적정한 크기(가령 50 x 50㎜ 이하)의 1 x 마스크를 사용한다. 이 마스크는 FPD 표면 위로부터 작은 간격(가령 50㎛)에서 정지된 채 고정되어, 펄스된 복사원으로부터의 UV 복사로 조사된다. 이미지 투사의 경우에 대하여 앞서 설명된 바와 같이, SIS 공정을 성취하기 위해, FPD가 상기 마스크 아래로 이동되는 동안 상기 복사원(즉, 레이저)은 올바른 때에 펄스된다.
이 근접 마스크 SIS 기법의 가장 어려운 태양은, FPD가 이동되기 때문에, FPD 표면과 마스크 간의 간격을 제어하는 것이다. 실제로 이는 마스크를 공기 부유 광학 퍽 유닛(puck unit)으로 일체화시킴으로써 다소 쉽게 성취되며, 이러한 퍽 유 닛은 PCT 특허 WO 2004/087363 A1 및 GB 0427104.5에 설명된 종류의 퍽 유닛이다. 이러한 장치에 의해 레지스트와 마스크 간의 50㎛의 틈새를 유지하는 것이 가능하고, 통상 큰 영역의 FPD 위에서라도 10㎛의 정확도를 유지하는 것이 가능하다.
투사 SIS 노광에서처럼, 근접 SIS 노광에 대해, 밴드의 겹치는 부분 균일성 문제를 피하기 위해, 빔 성형 애퍼처를 사용하는 것과, FPD 경계부를 올바르게 형성하기 위해 블레이드를 이동시키는 것이 또한 가능하다. 이러한 장치는 마스크의 바로 위에 위치하는 부유 광학소자 헤드로 일체형으로 큰 어려움 없이 구성될 수 있다. 또한 적정할 경우, 마스크와, 빔 성형 마스크를 형성하는 패턴의 기능을 단일 마스크 장치로 조합하는 것이 가능하다. 이러한 장치는 부유 광학소자 헤드 내부의 더 단순한 구성을 이끌 수 있다.
분해능의 손실을 피하기 위해 주의를 기울이면서, 근접 마스크의 조사(illumination)가 수행되어야 한다. 마스크와 레지스트 간의 틈새가 약 50㎛ 내지 100㎛으로 유지되는 경우, 분해능의 큰 손실을 피하기 위해, 10밀리라디안(milliradian) 이하의 각도 범위 내에서 복사 조사가 시준되는 것이 필수적이다. 또한 스캔 밴드를 가로지르는 노광의 균일성을 보장하기 위해, 스캔 방향에 수직인 방향으로 마스크를 가로질러 조사가 균일한지가 보장되는 것이 필수적이다.
스캔 방향과 평행하는 빔 방향에서의 조사 균일성은, 이러한 방향에서의 임의의 비-균일성은 스캔 이동에 의해 평균화되기 때문에 중요하지 않다.
올바른 각도 범위 내에서의, 그리고 요구되는 균일성을 갖는 마스크의 조사가 그 밖의 다른 리소그래피 툴 및 레이저 절삭 툴에서 사용되는 종래의 m 균일화 시스템에 의해 쉽게 이뤄진다. 한 쌍의 실린더 렌즈 어레이가, 올바르게 설계되었을 경우, 올바른 애퍼처와, 마스크로부터 올바른 간격만큼 이격되어 위치하는, 낮은(10밀리라디안 이하의) 빔 각도를 갖는 균일한 빔인 탑 햇(top hat)을 쉽게 형성할 수 있다. 또한 바람직한 경우(그러나 필수는 아니다), 또 다른 한 쌍의 실린더 렌즈를 이용하여 스캔 방향으로의 빔 균일화가 적용될 수 있다.
마스크를 이러한 SIS 노광 툴로 조사하기 위해 사용되는 UV 복사는 광원의 범위 내에 있을 수 있다. 주요한 요구사항은 파장이 현재 구역에 있어서 레지스트를 효과적으로 노광시킬 수 있다는 것과, 광원이 이미지 오염을 피하기 위해 충분히 짧은 펄스를 발산시켜야 한다는 것이다.
본원 발명과 함께 사용될 수 있는 가능한 레이저 광원의 예로는 다음과 같다:
a) 248㎚, 또는 308㎚, 또는 351㎚에서 동작하는 엑시머 레이저
b) 출력 복사를 355㎚, 또는 351㎚, 또는 266㎚에서, 또는 이와 유사한 파장에서 동작하는 UV로 전환하는 활성 매체로서 Nd를 바탕으로 하는 고체 상태 레이저
c) 출력 복사를 375㎚ 주위의 파장 구역에서 동작하는 UV로 전환하는 활성 매체로서 알렉산드라이트를 바탕으로 하는 고체 상태 레이저
d) 출력 복사를 345㎚에 가까운 파장에서 동작하는 UV로 전환하는 활성 물질로서 루비를 바탕으로 하는 고체 상태 레이저
e) 200㎚ 내지 400㎚의 파장 범위의 복사를 생성할 수 있는, 그 밖의 다른 임의의 적정한 높은 파워 레이저 공급원
모든 경우에서, 마스크에서 균일한 복사 필드를 생성하여 레지스트에서 균일한 노광 도즈를 보장하기 위해, 광학 시스템이 사용되어야하는 것이 명백하다.
SIS 노광 툴 구조의 예시적인 실시예가 첨부된 도면; 도 1, 2, 3, 4 및 5를 참조하여 간단하게 나타나다.
도 1은 SIS 노광 방법의 원리를 보여준다. 포토 레지스트 층(2)으로 코팅된 기판(1)이 방향(Y)으로 노광 펄스된 복사 빔(3) 하에서 점진적으로 이동된다. 상기 빔은 레지스트 상에, FPD의 요망 픽셀이나 셀 구조에 대응하는 이미지를 생성한다. 도면에서, 이미지는 기판이 이동하고 있는 방향으로 6픽셀 셀을 포함하는 듯이 보여진다. 따라서 각각의 복사의 펄스가 넓이로 6셀을 포함하는 레지스트의 밴드(band)를 노광시킨다. 레이저 펄스 사이에서, 기판이 정확하게 1 셀 피치(pitch)만큼 이동하여, 다음 펄스가 첫 번째 것과 정확히 겹쳐지지만 1셀 피치만큼 이동된 패턴을 형성할 수 있다. 빔이 6셀만큼의 폭으로 나타나는 도면에서, 레지스트의 각각의 영역은 6개의 복사의 펄스를 수신하고, 상기 빔으로부터 이동한다.
도 2는 SIS 투사 노광 툴을 위한 가능한 기하학적 형태를 보여준다. 인듐-틴 옥사이드(ITO), 또는 틴 옥사이드(TO) 층 및 적합한 레지스트 층으로 코팅된 유리 기판(5)이 PDP의 앞면 판, 또는 LCD 디스플레이에서 색채 필터 장치로 사용되는 블랙 매트릭스(또는 그 밖의 다른 레지스트)로 코팅된 유리 판을 형성하기 위해 사용될 것이다. 상기 판(5)은 서로 직교하는 방향 X1, Y1으로 이동될 수 있는 2-축 테이블(6) 상에서 지지된다. 빔으로 전사될 패턴을 갖는 마스크(7)가 투사 렌즈(8) 위 에서 장착된다. 빔 옵스큐어링 블레이드(beam obscuring blade)가 또 다른 2-축 테이블(9) 상에서 지탱되며, 상기 테이블(9)은 직교하는 방향 X2, Y2로 이동될 수 있다. 테이블(6, 9)의 두 개의 방향 Y1 및 Y2(그리고 X1 및 X2)는 서로에 대하여 정확하게 평행이도록 설정된다.
351㎚, 또는 308㎚, 또는 248㎚, 또는 심지어 193㎚에서 동작하는 엑시머 레이저로부터의 빔(10)이 성형(shaping) 및 처리되어 마스크(7)에서 균일한 필드를 형성할 수 있다. 마스크 위의 애퍼처(aperture, 11)가 상기 마스크의 노광된 영역의 형태를 정의한다. 이러한 형태는 경사진 에지를 갖는다. (예를 들어)2의 확대 계수(magnification factor)를 갖는 투사 렌즈(8)를 이용하여 마스크(7) 및 애퍼처(11)를 이용하여 제공된 조사된 영역(12)이 기판(5) 상의 레지스트 표면으로 이미징된다.
동작 중에, 시스템은 다음과 같이 작동한다. 도 2에서는 나타나지 않는 정렬 카메라(alignment camera)를 이용하여 기판은 회전적으로(rotationally), 그리고 공간적으로(spatially) 정렬된다. 그 후 기판은 하나의 에지로 이동하고, 그 후 FDP의 방향 Y1로의 이동에 의해 레지스트의 밴드(13)가 노광된다. 이는 에지 밴드인 것이 자명하기 때문에, 부분 노광을 방지하기 위해 이미지의 하나의 측부 상의 경사 에지는 가려질(obscure)필요가 있으며, 이에 따라서 블레이드 스테이지를 X 방향으로 바람직한 정도만큼 이동시킴으로써, Y 방향으로 평행하는 자신의 에지를 갖는 블레이드가 빔 쪽으로 이동될 수 있다. 각각의 Y 스캔의 시작 및 종료에서, 테 이블(9)에 부착되어 있는 블레이드가 Y 방향으로 빔 쪽으로 점진적으로 이동하여, 노광된 영역의 에지를 정확하게 형성하는 제어된 방식으로 빔을 가릴 수 있다. 이러한 스캔을 완료한 후, 빔 경사면을 가리는 블레이드가 빔으로부터 이동되어지고, 적정한 간격만큼 기판이 측면으로(X1 방향으로) 스테핑 처리되며, 이때 적정 간격은 애퍼처를 형성하는 렌즈 필드의 형태에 따라 좌우되나, 노광 밴드의 전체 폭보다는 작다. 그 후, Y1으로의 스캔이 반복된다. 마지막 스캔에 있어서, 빔의 경사 에지를 가리기 위해 적정한 사이드 블레이드(side blade)가 빔 쪽으로 이동할 필요가 있다. 기판의 전체 범위가 완료되면, 공정이 끝난다.
도 3은 전체 FDP 영역을 커버하기 위해 단지 10개의 스캔만 요구되는 경우를 보여준다. 렌즈 필드는 충분히 더 작을 수 있으며, 이는 더 많은 스캔에 대한 필요성을 도출한다. 통상적인 렌즈 필드는 50㎜까지의 직경일 수 있다. 사다리꼴, 또는 경사 에지 형태를 허용하는 것은, 사이드 스텝(side step) 간격이 단지 40㎜일 수 있으며, 이에 따라서 42" FPD의 노광을 완료하기 위해, 24회 반복 스캔이 요구됨을 의미한다.
도 4는 또 다른 가능한 노광 툴 장치를 보여준다. 여기서 기판 스테이지는 훨씬 더 커서, 다수의 FPD를 갖는 유리 시트(glass sheet, 14)가 노광될 수 있다. 기판의 더 큰 크기 때문에, 이 스테이지의 움직임을 하나의 축(Y1)으로 제한하는 것이 편리하다. 이 경우, 마스크와 렌즈 어셈블리(lens assembly)를, 기판 위의 가교부(gantry) 상에서, 스테이지 상에서 X 방향으로 이동하는 운반기(carriage)에 장 착함으로써, 기판에 관련된 X 방향으로의 빔의 움직임이 획득된다. 이러한 분리 축을 이용하는 장치는 큰 기판에 대하여 편리하다. 왜냐하면 툴의 풋프린트(footprint)가 감소되기 때문이다.
도 3은 또한 FPD 기판(15)상에 동시에 두 개의 노광 영역(A, A')을 형성하는 두 개의 평행하는 동일한 광학 투사 채널을 보여준다. 이러한 장치는 스테이지 속도를 증가시킬 필요 없이 총 노광 시간을 감소시킨다. 원칙적으로, 동시에 동작하는 셋 이상의 평행 투사 채널을 포함하는 것이 가능하다. 마스크와 블레이드 스테이지의 근접부에 의해, 실질적인 한계가 설정되는 것뿐 아니라, 툴의 복잡도가 증가된다.
도 2 및 3에서 나타난 것과 다른 툴 구조가 또한 사용가능하다. 기판이 매우 큰 경우, 노광 중에 기판을 정지한 채로 유지하고, 발생하는 모든 필요한 이동은 마스크 평면에서 갖는 것이 가능하다. 이러한 경우, 마스크와 투사 광학 장치(projection optics)가, 기판의 상부 위에 위치하는 가교부(gantry) 상에서 두 개의 축으로 이동될 수 있는 운반기 상에서 운반된다.
수직 평면에 고정된 기판을 이용하여 작동하는 대안적 장치가 있다. 이러한 장치는 도 2 및 3에서 나타난 구조 모두를 적용할 수 있으나, 도 3에서 나타난 분리 축 시스템에 대하여 더 쉽게 구현될 수 있다. 이러한 경우, 마스크 스테이지가 평행 Y2 방향으로 이동하는 반면에, 노광될 (큰) 기판이 자신의 에지 상에 고정되어 Y 방향으로 수평 이동할 것이다. X1 방향으로 마스크 운반기를 수직 스테핑(stepping)하고, 이때 대응하는 마스크 위치가 평행 X2 방향 이동에 의해 교정됨 으로써, 각각의 FPD의 길이를 따르는 노광 패턴의 움직임이 획득된다.
도 5는 근접 마스크를 이용하는 SIS 노광 공정을 구현하기 위한 가능한 장치를 보여준다. 생성될 구조의 1 x 패턴을 갖는 얇은 크롬-온-수정(chrome-on-quartz) 마스크(16)가, 공기 공급기(18)가 제공하는 공기 퍽(air puck, 17)의 하부에서 유지되며, 이때 공기 공급기(18)에 의해, 상기 퍽은 레지스트(20)로 코팅된 FPD 기판(19) 위에서 부유할 수 있다. 마스크와 레지스트 표면 사이의 간격이 일정하게, 일반적으로, 수 십 미크론 내지 최대 수 백 미크론의 범위로 유지되도록 상기 마스크가 올려진다. 상기 퍽은 고정되어 있고, 기판이 그 아래에서 정확한 속도로 이동하여, 빔(21)을 복사함에 따른 노광 펄스가 픽셀 구조에 정확히 대응할 수 있다. 빔 성형 애퍼처(beam shaping aperture, 22) 및 2-축 블레이드 스테이지 어셈블리(23)가 마스크 표면에 가능한 가깝도록 위치한다.
도 5는 가능한 애퍼처의 몇 가지 예를 보여준다.
(a) 사다리꼴
(b) 비정규 6각형
(c) 사각형
(d) 삼각형
렌즈 노광 필드의 형태를 만들고, 인접한 스캔 구역의 겹치는 부분을 제어하여, 도즈(dose) 변화에 따른 스티칭 효과(stitching effect)를 피하기 위해, 이러한 가능한 애퍼처는 마스크 전에 위치할 수 있다. 도즈가 최대의 절반인 포인트에서 겹치는 부분이 발생하기 위한 요구사항에 의해 노광 밴드 사이의 스텝 간격은 설정된다. 스캔 상황에서, 이는 에지에서의 높이(height)가 전체 애퍼처의 높이의 절반인 애퍼처에서의 포지션에 대응한다. 이는 사각형, 또는 삼각형 애퍼처에 대하여 스텝 간격이 애퍼처 대각선의 절반밖에 되지 않음을 의미하고, 이것이 다수의 스캔이 전체 FPD 영역을 커버하기 위한 필요성을 나타낸다. 한편 사다리꼴, 또는 육각형 애퍼처에 대하여, 도면에서 나타나는 바와 같이, 스텝 간격은 렌즈 노광 필드의 훨씬 더 큰 부분일 수 있다. 이러한 배열은 전체 FPD 영역을 커버하기 위한 충분히 감소된 개수의 스캔을 야기한다.

Claims (10)

  1. 기판에 규칙적으로 반복되는 패턴을 형성하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은
    1. 처리될 기판의 표면 상에 레지스트(resist)를 도포하는 단계,
    2. 자외선(UV) 광 빔에 노광시킴으로써 형성된 패턴을 상기 도포된 레지스트 상에 각인시키는 단계(imprinting)로서, 이때, 상기 자외선 광 빔은 상기 패턴을 그리고 있는 적합한 마스크를 통과한 후, 포커싱 렌즈(focusing lens)를 통과해 레지스트 상에 도달하여, 적합한 현상 용액에서 더 잘 용해되거나, 덜 용해되게 하는 레지스트의 화학적 변화를 야기하며, 상기 각인시키는 단계는
    (ⅰ) 반복되는 일련의 이산적인 노광 단계로 수행되며, 상기 일련의 이산적인 노광 단계는, 빔에 관련하여 정지한 채 고정된 마스크와, 기판의 총 영역 중 단지 작은 영역만을 담당하는 렌즈를 이용하며, 각각의 단계에서 마스크를 조사(illuminate)하기 위해, UV 복사의 하나의 짧은 펄스(pulse)를 이용하며, 복사 펄스는 기판에서 레지스트의 절삭(ablation)에 대한 임계값보다 낮은 에너지 밀도를 가지며,
    (ⅱ) 다수의 픽셀을 포함하는 완전한 구조물을 제공하기 위해, 상기 기판을 기판 상에 형성될 구조물의 하나의 축에 평행인 방향으로 이동시킴으로써, 그리고 펄스된 마스크 조사 광원을 상기 기판이 상기 기판 상의 반복되는 패턴의 주기의 완전한 개수와 동일한 간격만큼 이동한 때에 활성화시킴으로써 기판의 표면의 전체 영역에 걸쳐서, 상기 일련의 이산적인 노광 단계가 반복되는,
    상기 각인시키는 단계,
    3. 노광된 영역(포지티브 레지스트), 또는 노광되지 않은 영역(네거티브 레지스트)이 용해되게 하며, 그 후 잔여 레지스트에 의해 형성된 패턴이 드러나도록 현상제 용액(developer solution)에 의해 씻겨지는 현상제를 이용하여 노광된 레지스트를 처리하는 단계,
    4. 레지스트가 없는 영역의 기판을 제거하기에 적합한 화학적 식각 용액, 또는 반응성 플라스마(reactive plasma), 또는 연마 입자(abrasive particle)를 이용하여 기판을 처리하는 단계,
    5. 적합한 용제(solvent)를 이용하여 기판으로부터 잔여 레지스트를 제거하여 완성 패턴이 존재하는 기판을 도출하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판에 규칙적으로 반복되는 패턴을 형성하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 각인시키는 단계 동안, 기판이 이동하는 방향과 평행하는 방향에서, 기판에서 조사(illuminate)되는 영역의 크기는, 상기 조사되는 영역 밑의 기판의 통과 후에, 각각의 레지스트의 부분이 충분한 개수의 펄스를 수신하여, 상기 조사된 영역 상의 UV 복사의 조합된 도즈(dose)가 이를 전체적으로 노광시키기에 적정하도록 정해지는 것을 특징으로 하는 기판에 규칙적으로 반복되는 패턴을 형성하기 위한 방법.
  3. 제 1 항 내지 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각인시키는 단계에 의해, 광학 투사 시스템을 사용함으로써, 기판 상으로 마스크 패턴을 전사하는 것을 특징으로 하는 기판에 규칙적으로 반복되는 패턴을 형성하기 위한 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마스크는 기판 상의 전체 패턴의 작은 영역과 동일한 크기를 가지며, 상기 각인시키는 단계 동안, 상기 마스크는, 퍽(puck)에 부착됨으로써, 기판의 인접부에 가까이 고정되며, 이때 상기 퍽(puck)은 자신으로부터 발산되는 공기 흐름(air flow)을 이용하여 이동하는 기판의 표면 상을 부유(float)하는 것을 특징으로 하는 기판에 규칙적으로 반복되는 패턴을 형성하기 위한 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 UV 광원은 엑시머 레이저(excimer laser)인 것을 특징으로 하는 기판에 규칙적으로 반복되는 패턴을 형성하기 위한 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각인시키는 단계 동안, 기판 상의 노광될 영역의 에지(edge)는 상기 마스크의 표면 상에 가까이 위치하는 이동형 블레이드(blade)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 기판에 규칙적으로 반복되는 패턴을 형성하기 위한 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각인시키는 단계 동안, 상기 기판은 일련의 병렬(parallel) 밴드(band)에 노광되며, 상기 밴드가 겹치는 구역에서의 UV 복사 조사(illuminating)의 도즈(dose)는, 스캐닝 방향에 평행하는 조사 빔의 두 개의 측부를 물리적으로 성형함으로써, 제어되는 것을 특징으로 하는 기판에 규칙적으로 반복되는 패턴을 형성하기 위한 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각인시키는 단계 동안, 상기 기판은 일련의 병렬(parallel) 밴드(band)에 노광되며, 상기 밴드가 겹치는 구역에서의 UV 복사 조사(illuminating)의 도즈(dose)는, 기판 스캐닝 방향에 수직인 방향으로 변화하는 전달 프로파일(transmission profile)을 갖는 추가적인 마스크를 사용함으로써 제어되는 것을 특징으로 하는 기판에 규칙적으로 반복되는 패턴을 형성하기 위한 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따르는 방법을 수행하는 것을 특징으로 하는 스캐닝 노광 툴(scanning exposure tool).
  10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따르는 방법을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 제품.
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