KR20110054393A - 포토리소그래피 장비의 초점 변화 측정 방법 및 그것을 이용한 반도체 소자의 제조 방법 - Google Patents

포토리소그래피 장비의 초점 변화 측정 방법 및 그것을 이용한 반도체 소자의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

포토리소그래피 장비의 초점 변화를 측정하는 방법 및 그것을 이용하여 반도체 소자를 제조하는 방법이 설명된다. 본 발명의 기술적 사상에 의한 포토리소그래피 장비의 초점 변화를 측정하는 방법은, 포토리소그래피 장비에 광학 패턴을 가진 포토마스크 및 상면에 포토레지스트 막을 가진 웨이퍼를 도입하고, 자외선을 이용하여 상기 포토레지스트 막에 상기 광학 패턴의 이미지를 전사하고, 상기 포토레지스트 막을 베이크하고, 상기 포토레지스트 막을 검사하고, 및 상기 포토레지스트 막을 검사한 결과를 분석하는 것을 포함하고, 상기 웨이퍼를 검사하는 것은 상기 웨이퍼 상에 전면적으로 측정용 빛을 조사하고, 및 상기 웨이퍼로부터 반사, 회절된 빛을 수집하여 광학적 이미지를 형성하는 것을 포함하고, 상기 검사한 결과를 분석하는 것은 상기 광학적 이미지의 광학적 정보를 분석하는 것을 포함한다.
포토리소그래피, 초점, 반사, 회절, 그라데이션

Description

포토리소그래피 장비의 초점 변화 측정 방법 및 그것을 이용한 반도체 소자의 제조 방법{METHOD OF MEASURING FOCUS VARIATIONS OF PHOTOLITHOGRAPHY APPARATUS AND METHOD OF FABRICATING SEMICONDUCTOR DEVICE USING THE METHOD}
본 발명은 반도체 소자를 제조하기 위한 포토리소그래피 장비의 초점의 변화를 측정하는 방법 및 그것을 이용하여 반도체 소자를 제조하는 방법에 관한 것이다.
반도체 소자가 고집적화되어 그 패턴이 점차 미세해짐에 따라, 반도체 소자를 제조하기 위한 포토리소그래피 장비의 초점을 안정적으로 유지하고 적절한 초점 위치를 결정하는 것이 중요한 이슈로 대두되었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 포토리소그래피 장비의 초점 변동에 따른 영향을 측정하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 포토리소그래피 장비의 초점 변화를 측정하는 방법을 이용한 반도체 소자를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당 업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 포토리소그래피 장비의 초점 변화를 측정하는 방법은, 포토리소그래피 장비에 광학 패턴을 가진 포토마스크 및 상면에 포토레지스트 막을 가진 웨이퍼를 도입하고, 자외선을 이용하여 상기 포토레지스트 막에 상기 광학 패턴의 이미지를 전사하고, 상기 포토레지스트 막을 베이크하고, 상기 포토레지스트 막을 검사하고, 및 상기 포토레지스트 막을 검사한 결과를 분석하는 것을 포함하고, 상기 웨이퍼를 검사하는 것은 상기 웨이퍼 상에 전면적으로 측정용 빛을 조사하고, 및 상기 웨이퍼로부터 반사, 회절된 빛을 수집하여 광학적 이미지를 형성하는 것을 포함하고, 상기 검사한 결과를 분석하는 것은 상기 광학적 이미지의 광학적 정보를 분석하는 것을 포함한다.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 의한 포토리소그래피 장비의 초점의 변화를 측정하는 방법은, 포토리소그래피 장비에 광학 패턴을 가진 포토마스크 및 상면에 포토레지스트 막을 가진 웨이퍼를 도입하고, 자외선을 이용하여 상기 포토레지스트 막에 상기 광학 패턴의 이미지를 전사하고, 상기 포토레지스트 막을 베이크하고, 상기 포토레지스트 막을 현상하지 않은 상태에서 검사하고, 및 상기 포토레지스트 막을 검사한 결과를 분석하는 것을 포함하고, 상기 포토레지스트 막을 검사하는 것은 상기 포토레지스트 막 상에 전면적으로 측정용 가시 광선을 조사하고, 상기 웨이퍼로부터 반사 및 회절된 빛을 수집하여 광학 이미지를 형성하는 것을 포함하고, 상기 검사한 결과를 분석하는 것은 상기 광학 이미지의 광학적 정보를 분석하는 것을 포함한다.
상기 해결하고자 하는 다른 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 소자의 제조 방법은, 포토리소그래피 장비의 초점 변화를 검사하고, 상기 포토리소그래피 장비 내에 표면에 물질층 및 포토레지스트 막을 갖는 웨이퍼를 도입하고, 상기 포토레지스트 막을 자외선으로 조사하고, 상기 포토레지스트 막을 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성하고, 상기 포토레지스트 패턴을 패터닝 마스크로 상기 물질층을 패터닝하여 물질층 패턴을 형성하고, 상기 포토레지스트 패턴을 제거하고, 및 상기 웨이퍼를 세정하는 것을 포함하고, 상기 포토리소그래피 장비의 초점을 검사하는 것은, 상기 포토리소그래피 장비에 검사용 광학 패턴을 가진 검사용 포토마스크 및 상면에 검사용 포토레지스트 막을 가진 검사용 웨이퍼를 도입하고, 자외선을 이용하여 상기 검사용 포토레지스트 막에 상기 검사용 광학 패턴의 이미지를 전사하고, 상기 검사용 포토레지스트 막을 베이크하고, 상기 검사용 포토레지스트 막을 검사하고, 및 상기 검사용 포토레지스트 막을 검사한 결과를 분석하는 것을 포함하고, 상기 검사용 웨이퍼를 검사하는 것은 상기 검사용 웨이퍼 상에 전면적으로 측정용 빛을 조사하고, 및 상기 검사용 웨이퍼로부터 반사, 회절된 빛을 수집하여 광학적 이미지를 형성하는 것을 포함하고, 상기 검사한 결과를 분석하는 것은 상기 광학적 이미지의 광학적 정보를 분석하는 것을 포함한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 기술적 사상에 의하면, 웨이퍼 전 영역에서 일어나는 초점 변화를 측정할 수 있고, 수치화할 수도 있으며, 국소 부분의 초점 변화를 감지할 수 있으며, 측정 속도가 빠르고 정확하므로 생산성을 높일 수 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 도면에서 층 및 영역들의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것 일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 개략도인 평면도 및 단면도를 참고하여 설명될 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이고, 발명의 범주를 제한하기 위한 것은 아니다.
본 명세서에서, 포토리소그래피 장비의 초점의 변화를 측정하는 것은, 초점의 위치를 측정하는 것과 초점의 변화에 따른 영향을 측정하는 것을 포함한다.
본 명세서에서 측정(measurement) 및 검사(inspection)는 경우에 따라 혼용되는 개념일 수 있다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 의한 포토리소그래피 장비(photolithography apparatus)의 초점(focus)의 변화를 측정하는 방법을 도시한 플로우차트이고 도 2a 내지 2d는 개략적인 공정 도면들이다. 도 1 및 도 2a 내지 2d를 참조하면, 본 발명의 기술적 사상에 의한 포토리소그래피 장비(100)의 초점의 변화를 측정하는 방법은, 포토리소그래피 장비(100) 내에 포토마스크(PM, photomask) 및 웨이퍼(W)를 도입하고(S10), 광원(110)으로부터 발생된 자외선(UV light)을 이용하여 상기 포토마스크(PM)의 광학적 이미지를 상기 웨이퍼(W) 상으로 전사하는 노광 공정을 수행하고(S20), 상기 웨이퍼(W)를 베이크(bake)하고(S30), 상기 웨이퍼(W)를 검사(inspect)하고(S40), 및 상기 웨이퍼(W)를 검사한 결과를 분석(analyze)하는 것(S50)을 포함한다. 부가적으로, 상기 분석된 결과를 바탕으로 상기 포토리소그래피 장비(100)의 최적의 초점을 설정하는 것을 더 포함할 수 있다. 상기 포토리소그래피 장비(100)는 초점의 변화를 측정하고자 하는 장비일 수 있다.
상기 포토리소그래피 장비(100)는 광원(110, light source), 사입사 조명계(120, off-axis illumination system), 포토마스크 스테이지(130), 투영 렌즈(140, projection lens) 및 웨이퍼 스테이지(150)를 포함한다. 상기 포토리소그래피 장비(100)는 투과형 시스템(transparent system)일 수 있다. 예를 들어 슬릿(S)을 가진 스캐너(scanner)일 수 있다. 상기 광원(110)은 g-line, i-line, KrF, ArF 또는 F2 등의 자외선을 발생할 수 있다. 상기 KrF 및 ArF는 광원(110)을 의미할 수도 있다. 상기 광원(110)이 발생하는 빛의 파장이 짧을수록 본 발명의 기술적 사상에 의한 효과는 더욱 커질 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는 ArF를 광원(110)으로 하는 빛이 사용된다. 상기 사입사 조명계(120)는 블라인드(blind) 장치 또는 어퍼쳐(apertures)를 의미할 수 있다. 상기 사입사 조명계(120)는 라인 앤 스페이스 패턴을 형성하는데 유리한 다이폴 어퍼쳐(di-pole aperture) 또는 유사한 어퍼쳐들이 포함된 사입사 조명계(120)가 적용될 수 있다. 상기 사입사 조명계(120) 및 다이폴 어퍼쳐의 모양은 본 발명이 속한 기술 분야에 잘 알려져 있으므로 상세한 설명을 생략한다. 유사한 어퍼쳐들이라는 것은 다이뉼라(dinullar) 또는 불스 아이(bull's eyes) 등을 포함할 수 있다. 본 실시예는 사입사 조명계(120)에 적용될 경우, 본 발명의 기술적 사상에 의한 효과는 더욱 커질 수 있다. 상기 포토마스크 스테이지(130)는 포토마스크(PM)가 장착되는 위치일 수 있다. 상기 투영 렌즈(140)는 상기 포토마스크(PM)의 광학적 이미지를 상기 웨이퍼(W) 상에 전사할 수 있다.
도 1 및 2a를 참조하면, 상기 포토리소그래피 장비(100) 내에 포토마스크(100) 및 웨이퍼(W)가 도입된다(S10). 보다 상세하게, 상기 포토마스크(PM)는 상기 포토리소그래피 장비(100)의 포토마스크 스테이지(130)에 (at the photomask stage) 위치될 수 있고, 상기 웨이퍼(W)는 상기 포토리소그래피 장비(100)의 웨이퍼 스테이지(150) 상에(on a wafer stage) 위치될 수 있다. 상기 웨이퍼(W) 상에는 포토레지스트 막(PR)이 형성될 수 있다.
상기 포토마스크(PM)는 상기 포토리소그래피 장비(100)의 초점의 변화를 측정할 수 있는 상기 광학 패턴(OP)을 포함할 수 있다. 상기 포토마스크(PM)의 광학 패턴(OP)은 투명부(transparent areas)와 불투명부(opaque areas)를 포함한다. 반사형(reflective) 시스템일 경우, 상기 포토마스크(PM)는 광학 패턴을 가진 거울일 수 있고, 상기 미러의 상기 광학 패턴은 반사부(reflective areas)와 비반사부(light absorption areas)를 포함할 수 있다. 상기 포토마스크(PM)의 상기 광학 패턴(OP)은 라인 앤 스페이스 패턴일 수 있다. 예를 들어, 상기 투명부와 불투명부가 라인 앤 스페이스 또는 스페이스 앤 라인 패턴일 수 있다. 일반적으로, 상기 사입사 조명계(120)는 형성하고자 하는 패턴의 모양 및/또는 피치에 따라 설정될 수 있다. 즉, 상기 사입사 조명계(120)는 다양하게 구성될 수 있으며, 각각 최적의 패턴 피치를 가질 수 있다. 본 발명의 기술적 사상에서, 상기 광학 패턴(OP)의 피치 가 상기 사입사 조명계(120)의 최적의 패턴 피치의 2배일 경우, 그 초점 심도 (DOF, Depth of Focus)가 거의 0(zero)로 될 수 있다. 초점 심도가 0에 가깝다는 것은 정확한 초점이 아닐 경우 상기 광학 패턴(OP)이 상기 웨이퍼(W) 상에 이미지로 맺히기 어렵다는 것을 의미한다. 다른 말로, 초점 심도가 작다는 것은 상기 광학 패턴(OP)이 상기 포토리소그래피 장비(100)의 초점의 변동에 매우 민감하다는 것이다. 이것은 레일리의 분해능의 원리 (Rayleigh's Principal of Resolutions)로 잘 알려져 있다. 상기 사입사 조명계(100)와 그 최적의 피치의 정확한 관계는 매우 복잡하고 다양하게 계산, 설정되고, 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에는 잘 알려진 기술이므로 보다 상세한 설명은 생략된다. 상기 광학 패턴(OP), 즉 라인 앤 스페이스 패턴의 피치는 상기 사입사 조명계(120)의 최적 피치의 2배에 근접하도록 설정될 수 있다. 즉, 정확히 2배로 설정되지는 않는다. 본 발명의 기술적 사상에서는 0의 초점 심도가 아니라 0에 가까운 초점 심도가 요구되기 때문이다. 본 발명의 기술적 사상은, 상기 광학 패턴의 피치가 상기 사입사 조명계의 최적 피치의 2배에 가깝도록 설정하는 것이고, 본 실시예에서는 상기 사입사 조명계(120)의 최적 피치의 1.8 내지 1.9배 정도의 피치로 설정 및 실험되었다. 물론, 이 실험 수치는 본 발명의 기술적 사상의 한정 요소가 될 수 없다. 또한, 본 발명의 응용 실시예에서, 상기 사입사 조명계(120)가 쿼드러폴 어퍼쳐(quadru-pole aperture) 애뉼라 어퍼쳐 등을 포함하고, 상기 광학 패턴(OP)이 컨택 패턴일 수 있다. 라인 앤 스페이스 패턴은 1차원 배열을 가진 패턴이고 컨택 패턴은 2차원 배열을 가진 패턴이므로 서로 다른 모양의 광학적 패턴이 갖는 영향들을 더 측정할 수도 있다. 이러한 다양한 실 시예들은 모두 본 발명의 기본적인 기술적 사상 내에서 충분히 응용, 실시될 수 있다.
상기 웨이퍼(W)는 상기 포토리소그래피 장비(100)의 초점을 측정하기 위한 공정에 사용될 수 있다. 그러나, 실제 반도체 제조 공정에 사용되는 실 웨이퍼라도, 상기 포토리소그래피 장비(100)의 초점을 측정하는 공정에 사용될 수 있다. 본 명세서에서, 상기 웨이퍼(W)를 가공한다는 설명은 상기 웨이퍼(W) 상에 형성된 상기 포토레지스트 막(PR)을 가공한다는 설명으로 이해될 수 있다. 또, 상기 웨이퍼(W)의 표면과 상기 포토레지스트 막(PR)의 사이에 물리적인 패턴이 형성되어 있을 수도 있다. 상기 웨이퍼(W)의 표면 상에 물리적인 패턴이 형성되어 있는지의 여부는 본 발명의 기술적 사상으로부터 배제되지 못한다. 즉, 모두 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
도 1 및 2b를 참조하면, 상기 광학 패턴(OP)이 상기 웨이퍼(W) 상으로 자외선에 의해 광학적으로 투영된다(S20). 구체적으로, 상기 광원(110)에서 발생한 자외선이 상기 포토마스크(PM), 및 투영 렌즈(140)를 투과하여 상기 웨이퍼(W) 상의 포토레지스트 막(PR)에 조사된다. 본 공정은 한 번만 수행되는 것이 아니라 상기 웨이퍼(W) 전체에 걸쳐 여러 번 수행될 수 있다. 본 투영 공정에서 상기 투영 렌즈(140)를 투과한 자외선이 슬릿(S)을 통하여 상기 웨이퍼(W) 상에 투영될 수 있다. 상기 슬릿(S)은 투영 공정 동안 어느 한 방향으로 이동될 수 있다. 예를 들어, 도면에서는 상기 슬릿(S)이 화살표들이 지시하는 방향으로 우측에서 좌측으로 이동되는 것으로 가정, 도시되었다. 상기 포토마스크(PM)를 이용하여 상기 웨이퍼(W) 상에 한 번의 노광 공정으로 노광될 수 있는 영역은 상기 웨이퍼(W)의 전체 면적의 수 십 분의 일에 지나지 않는다. 이 영역을 하나의 샷 영역(a shot region)이라 한다. 즉, 웨이퍼(W)의 전체 면은 수 십 개의 샷 영역들로 구성될 수 있다. 상기 자외선에 노광된 상기 포토레지스트 막(PR)은 상기 광학 패턴(OP)의 투명부와 불투명부에 각각 대응하는 노광부(exposed areas)와 비노광부(unexposed areas)를 포함한다. 본 공정에서, 상기 포토리소그래피 장비(100)의 초점이 변동될 수 있다. 예를 들어, 각 샷 영역들이 노광될 때, 실시자의 의도에 따라 상기 포토리소그래피 장비(100)의 초점이 다양한 위치로 변동될 수 있다. 이러한 실험은 상기 포토리소그래피 장비(100)의 각 초점의 변화에 따른 패턴 형성 결과를 예측할 수 있는 기본 데이터를 제공해 줄 수 있다. 또는 모든 샷 영역들이 동일한 초점으로 노광될 수 있다. 이러한 실험은 상기 웨이퍼(W) 의 각 영역들이 포토리소그래피 공정 중에 초점이 변동되는 추세 데이터를 제공해 줄 수 있다. 스캐너는 하나의 샷 영역을 슬릿을 통해 스캐닝 방법으로 노광하기 때문에 각 샷 영역들 간에 초점이 변동될 여지가 스테퍼(stepper)보다 크다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 스캐너일 경우 더욱 효과가 커질 수 있다.
도 1 및 2c를 참조하면, 상기 노광된 웨이퍼(W)가 상기 포토리소그래피 장비(100)로부터 도출(unload)되어 베이크 장비(200) 안으로 도입 및 베이크된다(S30). 상기 베이크 장비(200)는 외형(210, housing) 내에 웨이퍼 탑재대(220, mounting table) 및 가열 장치(미도시)를 포함한다. 상기 웨이퍼 탑재대(220)는 회전할 수도 있고 상하로 승강할 수도 있다. 상기 가열 장치는 코일 또는 램프 등으 로 구성될 수 있다. 그리고, 베이크 장비(200) 내에서 수 십 내지 백 수 십도 정도의 온도로 가열된다. 상세하게, 상기 포토레지스트 막(PR)이 유리 전이 온도 이하로 수 십 초 내지 수 분 동안 베이크된다. 이 베이크 공정은 상기 포토레지스트 막(PR)으로부터 솔벤트 같은 휘발성 성분을 제거할 수도 있고, 상기 포토레지스트 막(PR)의 화학적 반응을 촉진, 제어할 수 있다. 구체적으로, 노광부 내에서 PAG(photo acid generator) 또는 PAC(photo active linker) 등의 화학적 반응이 촉진될 수 있다. 상기 유리 전이 온도는 상기 포토레지스트 막(PR)의 종류 및 구성 성분에 따라 다르므로 특별히 언급될 필요가 없다. 다만, 통상적으로 수 십 내지 백 수 십 도의 범위 내에서 설정된다.
도 1 및 2d를 참조하면, 상기 웨이퍼(W)가 상기 베이크 장비(200)로부터 도출되어 측정용 장비(250)의 측정 스테이지(260)로 도입 및 검사된다(S40). 상기 측정용 장비(250) 내에서 측정용 광원(270)으로부터 상기 웨이퍼(W) 상으로 측정용 빛(L)이 조사되고, 반사되어 회절광 수광부(290)에 수집된다. 회절광 수광부(290)는 반사광의 회절광 성분을 수집할 수 있다. 회절광(Ld)은 반사광(Lr)과 다른 각도로 반사된다. 즉, 일반적으로 특별한 변수가 없다면 빛의 반사 각도는 빛의 입사 각도와 동일하다. 즉, 반사광(Lr)은 반사광 수광부(280)로 수집된다. 그러나, 회절광(Ld)은 반사광(Lr)과 소정의 각도를 이룬다. 이 각도는 각 물질들의 물리적, 광학적 특성에 따라 변하므로 구체적인 수치를 제시하는 것은 무의미하다. 회절광(Ld)은 진행하는 방향에 회절광 수광부(290)가 설치됨으로써 수집될 수 있다. 즉, 빛의 반사광(Lr) 또는 0차 회절광이 진행하는 곳이 아닌 회절광들 중 어느 하 나가 향하는 방향에 설치된 회절광 수광부(290)에 상기 회절광이 수집될 수 있다. ±2차 이상의 회절광들은 세기(intensity)가 급격하게 낮아지므로 0차 회절광 또는 ±1차 회절광의 세기에 영향을 주지 못한다. 즉, 본 발명의 기술적 사상은 상기 회절광(Ld)을 수집함으로써 응용될 수 있다. 상기 반사광(Lr)은 0차 회절광으로 이해될 수도 있다. 본 발명의 기술적 사상에서 ±1차 회절광(Ld)을 이용하는 이유는 다양한 실험 결과, 0차 회절광(Lr)을 수집하여 분석하는 것보다 더 세밀한 결과를 얻을 수 있기 때문이다. 즉 ±1차 회절광(Ld)은 0차 회절광(Lr)보다 상기 포토리소그래피 장비(100)의 초점 변화에 더 민감하다. 상기 측정용 장비(250)는 상기 포토레지스트 막(PR)의 광학적 특성을 검사하기 위한 장비일 수 있다. 상기 측정용 장비(250)는 상기 측정용 빛(L)을 상기 포토레지스트 막(PR)의 전체 면에 한 번에 (또는 동시에) 조사하고 및 반사되는 빛을 수집할 수 있다. 상기 측정용 빛(L)은 단색 광일 수도 있고 혼합 광일 수 있다. 예를 들어, 상기 측정용 빛(L)은 가시 광선 중 어느 하나 일 수도 있고, RGB (Red, Green, Blue) 같은 몇 개의 단색광을 포함한 빛일 수도 있다. 본 실시예에서는 상기 측정용 빛(L)이 RGB를 포함하는 가시 광선인 것으로 설명된다.
이어서, 상기 검사 결과가 분석된다(S50). 상기 수집된 반사된 측정용 빛(Ld), 즉 수집된 회절광이 가진 광학적 정보는 그래픽 이미지들로 변환될 수 있다. 상기 그래픽 이미지들은 디지털 이미지들로 변환될 수 있다. 디지털 이미지들은 각각 수치로 표현된 RGB 정보들을 포함할 수 있다. 본 명세서에서 이러한 수치 정보들은 그라데이션(gradation) 정보로 설명된다. 또, 상기 디지털 이미지들은 상 기 측정용 빛에 포함된 각 단색광들, 예를 들어 Red에 의한 디지털 이미지, Green에 의한 디지털 이미지, Blue에 의한 디지털 이미지 등으로 변환될 수 있다. 다른 말로, 상기 디지털 이미지는 RGB별로 추출된 디지털 이미지들로 변환될 수 있다. 각 색상별 디지털 이미지들은 각각 자신의 그라데이션 정보를 포함할 수 있다. 각 색상별 디지털 이미지들의 그라데이션 정보는 색상 외에 명도 및/또는 채도에 관한 정보를 포함할 수 있다. RGB 별로 분리, 분석된 상기 색상별 디지털 이미지들은 상기 포토리소그래피 장비의 초점 위치의 정보를 서로 다른 초점 위치 대역에서 각각 선형적으로 보여줄 수 있다. 예를 들어, 0±50nm인 초점 위치 범위에서는 Green 디지털 이미지가 선형적인 변화를 제공해 줄 수 있고, 50±50nm인 초점 위치 범위에서는 Red 디지털 이미지가 선형적인 변화를 제공해 줄 수 있고, -50±50nm인 초점 위치 범위에서는 Blue 디지털 이미지가 선형적인 변화를 제공해 줄 수 있다. 이것은 단지 하나의 예일 뿐이다. 상기 디지털 이미지들은 상기 포토리소그래피 장비의 광원, 사입사 조명 방법, 포토마스크, 광학 패턴의 모양 및 피치, 포토레지스트, 등 이외에도 여러 가지 변수의 영향을 받아 다양하게 나타날 수 있다. 그러므로, 어느 색상이 어떤 범위의 초점 변화를 정확하게 나타낸다고 단정하기 어렵다. 또, 이외에도 여러 단색 광들을 별도로 분석할 경우, 그 분석 결과들은 각각 서로 다른 파장 영역에서 보다 민감한 변화를 보일 수 있다. 이것은 상기 포토리소그래피 장비의 초점 위치의 변동과 빛의 파장이 상호 간에 매우 중요한 관계가 있음을 보여준다.
또, 상기 수집된 측정용 빛(Ld), 즉 수집된 회절광으로부터 얻은 그래픽 이 미지가 그레이 스케일(grey scale)로 변환될 수 있다. 그레이 스케일은 흑백으로 이미지를 나타내는 기술 중의 하나로서, 본 명세서에서는 흑백 이미지를 포괄하는 용어로 설명된다. 그레이 스케일로 변환된 이미지일 경우, 광학적 정도는 특히 명도(brightness) 정보에 집중될 수 있다.
상기 포토레지스트 막(PR)의 노광부와 비노광부는 서로 다른 물리적, 화학적 특성을 가질 수 있다. 구체적으로, 빛에 대한 반사율 및/또는 투과율이 달라질 수 있다. 따라서, 상기 포토레지스트 막(PR)의 노광부로부터 수집된 반사된 측정용 빛(Ld)의 광학적 정보와 비노광부로부터 수집된 반사된 측정용 빛(Ld)의 광학적 정보가 서로 다를 수 있다. 이것은 노광부 및 비노광부의 내부에서는 PAG 또는 PAC등의 화학적인 반응을 일으켜 상기 포토레지스트 막의 광학적 특성이 달라지기 때문으로 추정된다. 또한, 상기 포토리소그래피 장비(100)의 초점의 변동에 따라 상기 포토레지스트 막(PR)의 노광부의 광학적 특성이 달라질 수 있다. 이것은 상기 포토리소그래피 장비(100)의 초점의 변동이 상기 포토레지스트 막(PR)의 노광부가 받는 빛의 세기 또는 에너지 량에 차이에 영향을 주기 때문일 것으로 추정된다. 각 샷 영역별로 상기 포토레지스트 막(PR)의 노광부가 받는 빛의 에너지 량이 다를 경우, 상기 노광부에서 일어나는 화학적 반응의 정도도 차이를 갖게 된다. 따라서, 상기 광학적 정보들은 상기 포토리소그래피 장비(100)의 초점의 변동에 따른 상기 포토레지스트 막(PR)의 다양한 광학적 특성을 보여줄 수 있다. 따라서, 상기 노광부들로부터 수집된 반사된 측정용 빛의 세기가 다양하게 나타날 수 있다.
부가하여, 상기 포토레지스트 막(PR)을 분석한 정보에 따라 상기 포토리소그 래피 장비(100)의 초점이 최적의 위치로 설정될 수 있다. 만약, 초점이 최적의 위치에 이미 설정되어 있거나, 그 영향이 미미하여 무시될 수 있거나, 또는 초점 정보가 참고 사항일 뿐이라면 초점을 그대로 유지하게 될 것이다. 다음, 반도체 소자를 제조하는 공정을 진행한다.
도 3은 본 발명의 기술적 사상에 의하여 상기 포토리소그래피 장비(100)의 초점을 최적의 초점으로부터 -200nm에서 +200nm까지 변동시키면서 웨이퍼(W) 상의 포토레지스트 막(PR)을 노광, 베이크, 및 현상하여 측정용 빛(L)을 조사하고 수집된 반사 회절광(Ld)을 수집한 제1 컬러 그래픽 이미지가 흑백으로 변환된 이미지이다. 도 3을 참조하면, 최적의 초점으로부터 멀어질수록 각 샷 영역들의 색상의 변화, 즉 명도의 변화가 심하게 일어난다. 상기 이미지의 아래 부분에서, 하나의 샷 영역이 일정하지 않은 색을 보인다. 이것은 상기 포토레지스트 막(PR)을 현상한 경우, 현상 공정에서 상기 포토레지스트 막이 불규칙하게 패턴화되었기 때문으로 분석되었다. 본 제1 컬러 그래픽 이미지는 본 발명의 기술적 사상을 보다 이해하기 쉽도록 하기 위하여 색상 차이를 크게 주기 위하여 제시된 것이다.
도 4a 내지 4c는 상기 제1 컬러그래픽 이미지의 그라데이션 값들이 RGB별로 추출되어 흑백으로 변환된 이미지들이다. 구체적으로 도 4a는 상기 제1 컬러 그래픽 이미지로부터 Red 성분을 추출한 Red 흑백 이미지이고, 도 4b는 상기 제1 컬러 그래픽 이미지로부터 Green 성분을 추출한 Green 흑백 이미지이고, 도 4c는 상기 제1 컬러 그래픽 이미지로부터 Blue 성분을 추출한 Blue 흑백 이미지이다. 도 4a 내지 4c를 참조하면, 각 샷 영역들은 각 색상 별로 다른 광학적 정보를 보인다. 구 체적으로, 각각 상대적으로 더 민감하거나 둔감한 대역들을 보여준다. 즉, 상기 포토리소그래피 장비(100)의 초점 변동은 각 대역 별로 보다 정밀하게 어느 색상에서 보인다는 것을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 기술적 사상에 의하여 포토리소그래피 장비(100)의 초점을 최적의 초점으로부터 -200nm에서 +200nm까지 변동시키면서 상기 포토레지스트 막(PR)을 노광한 후, 상기 포토레지스트 막(PR)을 베이크한 후, 현상을 하지 않고 측정용 빛(L)을 조사하고 반사된 반사 회절광(Ld)을 수집한 제2 컬러 그래픽 이미지가 흑백으로 변환된 이미지이다. 도 5를 참조하면, 상기 제1 컬러 그래픽 이미지와 비교하여 급격한 색상의 변화가 보이지 않는다. 이것은 현상 공정에서 상기 포토레지스트 막(PR)이 불규칙하게 패턴화되면서 생기는 변수가 배제되었기 때문이다. 즉, 보다 정밀한 분석 결과가 얻어질 수 있다.
도 6은 상기 제2 컬러 그래픽 이미지로부터 Red 빛의 명도(brightness) 성분이 추출되어 흑백으로 변환된 제1 명도 흑백 이미지이다. 각 샷 영역들이 평균화되었다. 상기 제2 컬러 그래픽 이미지에서는 육안으로 구분하기 어려웠던 명도 변화가 명료하게 보인다. 그리고, 상기 웨이퍼(W)의 에지 부분에 위치된 샷 영역들은 분석에서 제외되었다.
도 7은 상기 제1 명도 이미지를 샷 영역 별로 나타낸 그래프이다. X축은 샷 영역들의 순서이고, Y축은 분석된 명도 값이다. 명도 값은 세기(intensity)로 이해될 수 있다. 도 7을 참조하면, 샷 영역들의 명도 정보를 근사적으로 분석하면 샷 영역들의 명도가 상기 포토리소그래피 장비(100)의 초점이 변함에 따라 선형적으로 변화한다는 것이 설명된다.
도 8은 본 발명의 기술적 사상에 의하여 취득된 컬러 그래픽 이미지들이 그레이 스케일로 변환된 경우의 흑백 그래픽 이미지이다. 본 그래픽 이미지는 본 발명의 기술적 사상을 시각적으로 이해하기 쉽도록 하기 위하여 약간 과장되었다. 도 8을 참조하면, 상기 포토리소그래피 장비(100)의 초점이 변동됨에 따라 상기 포토레지스트 막(PR)의 특성이 변화되는 것을 그레이 스케일로 알 수 있다. 즉, 상기 포토리소그래피 장비(100)의 초점의 변동이 웨이퍼(W) 상에 형성될 포토레지스트 패턴의 모양에 미칠 영향이 예상될 수 있다. 그레이 스케일로 분석할 경우, 컬러로 분석하는 것보다 세밀하게 분석을 할 수 없을 수 있으나 빠르게 분석을 할 수 있다. 즉, 측정하고자 하는 포토리소그래피 장비의 초점 변동 폭 또는 분석하고자 하는 세밀함에 따라 컬러 이미지 또는 흑백 이미지로 필요에 따라 선택, 분석될 수 있다. 보다 생산성 향상을 중시할 경우, 분석 오차가 충분히 무시될 수 있다면 그레이 스케일로 분석되는 것이 보다 유리할 수도 있을 것이다.
본 발명의 기술적 사상에 따르면 포토리소그래피 장비의 초점의 변동이 웨이퍼 상에 형성될 패턴에 미치는 영향이 매우 정확하게 분석될 수 있다. 따라서, 웨이퍼 상에 형성할 패턴의 모양 및/또는 피치 등에 따라 포토리소그래피 장비의 최적의 초점이 예상 및 결정될 수 있다.
도 9는 본 발명의 기술적 사상에 의한 포토리소그래피 장비의 초점의 변화를 측정하는 방법을 이용하는 반도체 제조 공정을 설명하는 플로우차트이고 도 10a 내지 10e는 개략적인 공정 도면들이다. 도 9를 참조하면, 본 발명의 기술적 사상에 의한 포토리소그래피 장비의 초점의 변화를 측정하는 방법을 이용하는 반도체 제조 공정은, 포토리소그래피 장비의 초점 위치를 측정하고(S110), 상기 포토리소그래피 장비로 포토리소그래피 공정을 진행하고(S120), 현상 공정을 진행하고(S130), 패터닝 공정을 진행하고(S140), 및 세정 공정(S150)을 진행하는 것을 포함한다. 상기 포토리소그래피 장비의 초점 위치를 설정하는 공정(S115)이 더 포함될 수 있다. 세정 공정(S150)이 종료된 후, 다음 반도체 제조 공정(S155)이 진행될 수 있다.
도 9 및 10a를 참조하면, 포토리소그래피 장비의 초점 변동이 형성될 패턴에 어떠한 영향을 줄 것인지가 측정된다. 상기 포토리소그래피 장비(300)의 초점을 측정하는 공정은 정기적으로 수행될 수도 있고, 필요에 따라 임의로 수행될 수도 있다. 상기 포토리소그래피 장비(300)의 초점 위치를 측정하는 공정은 도 1 및 도 2a 내지 2d를 참조하여 이해될 수 있다. 이어서, 필요한 경우, 상기 측정된 결과에 따라 상기 포토리소그래피 장비(300)의 최적의 초점 위치가 설정될 수 있다(S115). 상기 포토리소그래피 장비(300)의 초점 위치를 조정하는 공정(S115)은 상기 포토리소그래피 장비(300)의 웨이퍼 스테이지(350)가 화살표들처럼 상하전후좌우로 이동되어 설정될 수 있다.
도 9 및 10a를 다시 참조하면, 상기 초점 위치가 측정된 포토리소그래피 장비(300)를 이용하여 포토리소그래피 공정이 진행된다(S120). 상기 포토리소그래피 공정은 우선, 상기 포토리소그래피 장비(300) 내에 웨이퍼(W)가 도입된다. 상기 포토리소그래피 장비(300)는 광원(310), 콘덴서 렌즈(320), 빔 셰이퍼(330), 투영 렌즈(340) 및 웨이퍼 스테이지(350)를 포함한다. 상기 웨이퍼(W)는 상기 웨이퍼 스테 이지(350) 상에 도입될 수 있다. 상기 광원(310)은 i-line, KrF, ArF 등의 파장이 매우 짧은 자외선을 발생할 수 있다. 상기 콘덴서 렌즈(320)는 상기 자외선이 진행 경로 밖으로 빠져 나가는 것을 방지할 수 있다. 상기 빔 셰이퍼(330)는 빔의 모양을 정의하는 어퍼쳐일 수 있다. 도면에는 다양한 어퍼쳐를 포괄할 수 있는 종단면도가 예시되었다. 예를 들어, 빔 셰이퍼(330)는 다이폴 어퍼처, 쿼드루폴 어퍼쳐, 애뉼라 어퍼쳐 또는 다른 다양한 어퍼쳐일 수 있다. 즉, 상기 빔 셰이퍼(330)는 사입사 조명계일 수 있다. 상기 포토리소그래피 장비(300)는 포토마스크(PM)를 포함할 수 있다. 즉, 포토마스크(PM)가 탑재된 상태일 수 있다. 상기 포토마스크(PM)는 상기 웨이퍼(W) 상에 전사될 광학 패턴을 포함할 수 있다. 상기 투영 렌즈(340)는 상기 광학 패턴을 상기 웨이퍼(W) 상에 전사할 수 있다. 상기 웨이퍼(W)는 표면에 포토레지스트 막(PR)을 포함할 수 있다. 다시 도 9 및 10a를 참조하면, 광원(310)에서 발생된 자외선이 상기 콘덴서 렌즈(320), 빔 셰이퍼(330), 포토마스크(PM) 및 투영 렌즈(340)를 투과하여 상기 웨이퍼(W) 상에 조사된다. 다른 말로, 상기 웨이퍼(W) 표면의 포토레지스트 막(PR)에 상기 포토마스크(PM)의 광학 패턴이 축소 전사될 수 있다.
도 9 및 10b를 참조하면, 상기 웨이퍼(W)가 현상된다 (S130). 보다 상세하게, 상기 웨이퍼(W) 상의 상기 포토레지스트 막(PR)이 화학적 방법을 이용하여 포토레지스트 패턴(PRP)으로 형성된다. 본 현상 공정은 현상 장비(400) 내에서 수행될 수 있다. 상기 현상 장비(400)는 하우징(410), 웨이퍼 지지대(420), 및 현상 노즐(430)을 포함한다. 상기 웨이퍼 지지대(420)는 회전될 수 있다. 상기 현상 노 즐(430)은 상기 웨이퍼(W) 상에 현상액(440)을 공급할 수 있다.
도 9 및 10c를 참조하면, 상기 웨이퍼(W)가 상기 포토레지스트 패턴(PRP)을 패터닝 마스크로 하여 패터닝된다. 또는, 상기 웨이퍼(W)와 포토레지스트 패턴(PRP) 사이에 형성된 물질층이 패터닝될 수도 있다(S140). 본 패터닝 공정은 패터닝 장비(500) 내에서 수행될 수 있다. 상기 패터닝 장비(500)는 챔버(510), 웨이퍼(W)가 로딩되는 웨이퍼 척(520), 및 패터닝 가스(540)를 공급하는 가스 공급부(530)를 포함한다. 상기 패터닝 가스(540)는 플라즈마로 여기될 수 있다.
도 9 및 10d를 참조하면, 상기 포토레지스트 패턴(PRP)이 제거되고 상기 웨이퍼(W)가 세정된다 (S150). 본 공정은 세정 장비(600) 내에서 수행될 수 있다. 상기 세정 장비(600)는 수조(610, tub), 웨이퍼 탑재(mount) 테이블(620), 및 세정 노즐들(630)을 포함한다. 세정 노즐들(630)은 세정액(640) 및/또는 물을 상기 웨이퍼(W) 상에 공급할 수 있다. 이로써, 본 발명의 기술적 사상에 의한 한 단계의 반도체 제조 공정이 완료되고, 후속 반도체 제조 공정이 진행될 수 있다(S155).
그 외, 도면에 참조 부호가 표시되지 않은 구성 요소들은 본 명세서의 다른 도면들 및 그 설명들로부터 그 이름과 기능 등이 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 개략적으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 의한 포토리소그래피 장비의 초점의 변화를 측정하는 방법을 도시한 플로우차트이고 도 2a 내지 2d는 개략적인 공정 도면들이다.
도 3은 본 발명의 기술적 사상에 의하여 포토리소그래피 장비의 초점을 변화시키면서 촬영한 그래픽 이미지이고, 도 4a 내지 4c는 상기 그래픽 이미지를 RGB별로 정보를 추출한 그래픽 이미지들이다.
도 5는 본 발명의 기술적 사상에 의하여 포토리소그래피 장비의 초점을 변화시키면서 촬영한 그래픽 이미지이고, 도 6은 상기 그래픽 이지미를 Red의 명도 성분을 추출한 이미지이고, 도 7은 상기 명도 이미지를 샷 영역 별로 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 기술적 사상에 의하여 취득된 그래픽 이미지를 그레이 스케일로 변환한 경우의 흑백 그래픽 이미지이다.
도 9는 본 발명의 기술적 사상에 의한 포토리소그래피 장비의 초점의 변화를 측정하는 방법을 이용하는 반도체 소자의 제조 공정을 설명하는 플로우차트이고 도 10a 내지 10e는 개략적인 공정 도면들이다.
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)
100: 포토리소그래피 장비 110: 광원
120: 사입사 조명계 130: 포토마스크 스테이지
140: 투영 렌즈 150: 웨이퍼 스테이지
200: 베이크 장비 210: 베이크 장비의 외형
220: 베이크 장비의 웨이퍼 탑재대
250: 측정용 장비 260: 측정용 장비의 측정 스테이지
270: 측정용 광원 280: 반사광 수광부
290: 회절광 수광부
300: 포토리소그래피 장비 310: 광원
320: 콘덴서 렌즈 330: 빔 셰이퍼
340: 투영 렌즈 350: 웨이퍼 스테이지
400: 현상 장비 410: 현상 장비의 하우징
420: 현상 장비의 웨이퍼 지지대 430: 현상 장비의 노즐
440: 현상액
500: 패터닝 장비 510: 패터닝 장비의 챔버
520: 패터닝 장비의 웨이퍼 척 530: 가스 공급부
540: 패터닝 가스
600: 세정 장비 610: 수조
620: 세정 장비의 웨이퍼 탑재 테이블
630: 세정 장비의 노즐 640: 세정액
L: 측정용 빛 Lr: 반사된 측정용 빛
Ld: 반사, 회절된 측정용 빛
OP: 광학 패턴 PM: 포토마스크
PR: 포토레지스트 막 PRP: 포토레지스트 패턴
S: 슬릿 W: 웨이퍼

Claims (10)

  1. 포토리소그래피 장비에 광학 패턴을 가진 포토마스크 및 상면에 포토레지스트 막을 가진 웨이퍼를 도입하고,
    자외선을 이용하여 상기 포토레지스트 막에 상기 광학 패턴의 이미지를 전사하고,
    상기 포토레지스트 막을 베이크하고,
    상기 포토레지스트 막을 검사하고, 및
    상기 포토레지스트 막을 검사한 결과를 분석하는 것을 포함하고,
    상기 웨이퍼를 검사하는 것은 상기 웨이퍼 상에 전면적으로 측정용 빛을 조사하고, 및
    상기 웨이퍼로부터 반사, 회절된 빛을 수집하여 광학적 이미지를 형성하는 것을 포함하고,
    상기 검사한 결과를 분석하는 것은 상기 광학적 이미지의 광학적 정보를 분석하는 것을 포함하는 포토리소그래피 장비의 초점 변화 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반사, 회절된 빛은 상기 포토레지스트 막을 투과하면서 회절된 빛인 포토리소그래피 장비의 초점 변화 측정 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 포토레지스트 막을 검사하는 것은 상기 포토레지스트 막을 현상하지 않고 검사하는 것인 포토리소그래피 장비의 초점 변화 측정 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 자외선을 이용하여 상기 포토레지스트 막에 상기 광학 패턴의 이미지를 전사하는 것은, 상기 웨이퍼의 전체 면적 중의 일부에 해당하는 단위 면적에 상기 광학 패턴의 이미지가 전사되는 단위 공정이 다수 번 반복되는 것인 포토리소그래피 장비의 초점 변화 측정 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 다수 번 반복되는 단위 공정은 다수 개의 초점으로 수행되는 것을 포함하는 포토리소그래피 장비의 초점 변화 측정 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 측정용 빛은 red, green, 및 blue light를 포함하는 포토리소그래피 장비의 초점 변화 측정 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 광학적 이미지의 광학적 정보를 분석하는 것은, 상기 광학적 이미지를 디지털 이미지로 변환하고, 상기 디지털 이미지의 그라데이션을 분석하는 것을 포함하는 포토리소그래피 장비의 초점 변화 측정 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 디지털 이미지의 그라데이션 정보를 분석하는 것은 상기 디지털 이미지를 상기 단위 면적 별로 그라데이션을 분석하는 것을 포함하는 포토리소그래피 장비의 초점 변화 측정 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 그라데이션을 분석하는 것은, 상기 그라데이션의 RGB 값을 추출하는 것을 포함하는 포토리소그래피 장비의 초점 변화 측정 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 단위 면적 별로 상기 그라데이션을 분석하는 것은 상기 그라데이션을 그레이 스케일로 변환하는 것을 포함하는 포토리소그래피 장비의 초점 변화 측정 방법.
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