KR20110072630A - 빔의 위치 측정 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

빔 검출 센서에 조사되는 빔의 면적을 넓히는 빔확장장치를 이용하여 빔의 위치를 측정하는 장치 및 방법을 개시한다. 이를 위해 빔 발생기와 빔 검출 센서 사이에 빔 검출 센서에 조사되는 빔의 면적을 넓히는 빔확장장치를 설치함을 특징으로 한다. 빔 검출 센서의 각 픽셀에 조사되는 빔의 세기를 이용하여 조사되는 빔의 중심 위치를 검출한다.

Description

빔의 위치 측정 장치 및 방법{BEAM POSITION MEASURING APPARATUS AND METHOD THEREOF}
멀티 빔 발생기에서 조사된 빔의 중심 위치를 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
반도체 제조 공정 등에 노광 장치들이 널리 사용되고 있다. 일반적으로 노광 장치는 마스크를 이용하여 원하는 패턴을 웨이퍼나 유리기판 위에 노광시킨다. 그러나, 마스크를 이용하는 경우 마스크 비용 및 기판대형화에 따른 기판의 처짐 등의 문제점이 발생하여 디엠디(Digital Micromirror Device)와 같은 공간광변조기(Spatial Light Modulator : SLM)를 이용한 마스크리스(Maskless) 노광 장치들이 각광 받고 있다. 마스크리스 노광 장치는 공간광변조기에 빛을 조사하여 원하는 패턴에 대응하는 미세 거울(Micormirror)을 켜고 끔으로써 가상의 마스크를 이용하는 방법을 사용한다. 가상의 마스크를 만들기 위해서는 미세 거울들에 의해 반사된 빔들이 유리기판에 조사되는 정확한 위치를 파악하는 것이 매우 중요하다.
이렇게 멀티 빔을 조사하는 노광 장치에 있어서 빔의 위치를 파악하기 위하여 확대광학계가 주로 이용되고 있다. 빔이 확대광학계를 통하여 확대되어 CCD 나 CMOS 등의 이미지 센서와 같은 검출 센서의 표면에 조사되고, 이미지 센서의 각 픽셀에서 측정되는 빔의 세기들을 이용하여 빔의 중심 위치를 검출하게 된다. 빔의 중심 위치 측정은 다음과 같다. 빔의 세기는 가우시안 분포를 갖는다고 가정하고 이때 빔의 크기를 FWHM(Full Width at Half Maximum)으로 정의한다. FWHM는 가우시안 분포를 갖는 빔의 최대 세기의 50%에 해당하는 세기에서의 빔의 폭을 그 빔의 크기로 정의하고, 이로부터 빔 크기의 중심위치를 계산하여 얻는다. 이때 확대광학계를 이용하여 빔을 확대시키면 확대된 빔에 대응하는 CCD 나 CMOS 등의 이미지 센서의 픽셀의 수가 늘어나게 되어 많은 픽셀로부터 위치 정보를 이용할 수 있다. 그러나, 빔이 확대됨으로써 같은 이미지 센서의 면적 내에서 측정할 수 있는 빔의 수가 감소하게 되며 전체 빔을 측정하는 시간이 배율에 따라 급격하게 증가된다.
빔 검출 센서에 조사되는 각 빔의 간격을 유지하면서 빔 개개의 면적을 넓히는 빔확장장치를 이용하여 빔의 위치를 측정하는 장치 및 방법을 개시한다.
이를 위해 본 발명의 일측면에 의한 빔의 위치 측정 장치는 빔을 조사하는 빔 발생기; 빔 검출 센서; 및 빔 발생기와 빔 검출 센서 사이에 위치하여 빔 검출 센서에 조사되는 빔의 면적을 넓히는 빔확장장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 빔확장장치는 빔 발생기에서 조사된 빔을 회절시키는 회절 장치이거나, 빔 발생기에서 조사된 빔을 산란시키는 산란 장치인 것이 바람직하다.
회절 장치는 초음파를 조사하여 빔 발생기에서 조사되는 빔을 회절시키는 초음파 발생기이거나, 빔 발생기에서 조사되는 빔을 회절시키는 회절광학소자인 것이 바람직하다.
빔 발생기는 레이저나 레이저다이오드를 광원으로 사용하며, 공간광변조기를 이용하여 하나 이상의 빔을 조사할 수 있다.
빔 검출 센서는 CCD나 CMOS등의 이미지 센서일 수 있다.
또한, 본 발명의 일측면에 의한 빔의 위치 측정 방법은 빔 발생기와 빔 검출 센서를 이용하여 빔의 위치를 측정하는 방법에 있어서, 빔 발생기에서 조사된 빔을 빔확장장치를 통과시켜 면적이 확대된 빔을 빔 검출 센서에 조사시키고, 빔 검출 센서의 각 픽셀에 조사되는 빔의 세기를 측정하고, 측정된 빔의 세기의 분포의 중 심을 계산함으로써 빔의 중심 위치를 검출하는 것을 특징으로 한다.
이때, 빔확장장치는 빔 발생기에서 조사된 빔을 회절시키는 회절 장치이거나, 빔 발생기에서 조사된 빔을 산란시키는 산란 장치인 것이 바람직하다.
회절 장치는 초음파를 조사하여 빔 발생기에서 조사되는 빔을 회절시키는 초음파 발생기이거나, 빔 발생기에서 조사되는 빔을 회절시키는 회절광학소자인 것이 바람직하다.
빔 발생기는 레이저나 레이저다이오드를 광원으로 사용하며, 공간광변조기를 이용하여 하나 이상의 빔을 조사할 수 있다.
빔 검출 센서는 CCD나 CMOS등의 이미지 센서일 수 있다.
이와 같은 빔의 위치 측정 장치 및 방법에 의해서 조사되는 빔 자체가 센서의 픽셀을 차지하는 넓이는 크게 하면서 각 빔들간의 간격은 유지하게 하여 측정할 수 있는 빔의 개수는 늘리면서도 정확도를 향상시킬 수 있게 된다. 즉, 멀티 빔의 중심 위치를 측정하는 데 있어 정확도를 향상시킴과 동시에 측정 시간을 단축시키는 효과가 발생한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 빔의 위치 측정 장치의 개략적인 구성도이다. 빔의 위치 측정 장치는 빔 발생기(20), 빔확장장치(40), 빔 검출 센서(60), 빔 위치 산출부(80)를 포함하여 구성된다.
빔 발생기(20)는 도면에 도시되지는 않았지만 광원과 조명광학계 및 투영광학계를 포함하여 구성된다. 빔 발생기(20)의 광원에서 빔이 발생하면 공간광변조기를 거쳐 원하는 패턴의 하나 이상으로 이루어진 빔이 생성된다. 이 생성된 빔은 조명광학계와 투영광학계를 거쳐 빔 확장장치(40)를 통하여 빔 검출센서(60)에 조사된다.
빔확장장치(40)는 빔 발생기(20)에서 조사된 빔의 면적이 확대되어 빔 검출 센서(60)의 표면에 조사되도록 하는 역할을 수행한다. 빔확장장치(40)는 회절 또는 산란 현상을 이용하는 장치가 사용되며, 자세한 내용은 후술하기로 한다.
빔 검출 센서(60)는 빔확장장치(40)를 통화하여 확대된 빔을 검출하는 역할을 수행한다. 빔 검출 센서(60)는 보통 CCD나 CMOS 등의 이미지 센서가 사용된다.
빔 위치 산출부(80)는 CCD나 CMOS 등의 이미지 센서의 표면에 검출된 빔의 세기를 이용하여 빔의 중심 위치를 산출하는 역할을 수행한다. 빔의 중심 위치를 산출하는 방법은 다음과 같다. 빔의 세기는 가우시안 분포를 갖는다고 가정하고 이때 빔의 크기를 FWHM(Full Width at Half Maximum)으로 정의한다. FWHM은 가우시안 분포를 갖는 빔의 최대 세기의 50%에 해당하는 세기에서의 빔의 폭을 그 빔의 크기로 정의하고, 이로부터 빔 크기의 중심위치를 계산하여 얻는다.
이하, 회절 또는 산란 현상을 이용한 빔의 위치 측정 장치 및 방법에 관하여 도 2 내지 도 8을 참조하셔 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 초음파 발생기(100)를 이용한 빔의 위치 측정 장치을 나타낸 도면으로, 빔의 위치 측정 장치는 빔 발생기(20), 초음파 발생 기(100), 빔 검출 센서(60)를 포함하여 구성된다.
초음파 발생기(100)는 빔 발생기(20)에서 조사되는 빔에 직교하는 방향으로 초음파를 발사하여, 빔과 초음파의 간섭으로 생기는 회절 현상에 의해서 빔을 확대시키는 역할을 수행한다. 도 2에서 빔 발생기(20)에서 조사된 빔이 초음파 발생기(100)에서 발사된 초음파와 간섭을 일으켜 회절되어 빔 검출 센서(60)에 조사되고 있는 것을 알 수 있다. 이와 같은 구성으로 빔 검출 센서(60)에 조사되는 빔을 확대시킨다.
도 3은 본 발명의 다른 일실시예에 의한 회절광학소자(120)를 이용한 빔의 위치 측정 장치를 나타낸 도면으로, 빔의 위치 측정 장치는 빔 발생기(20), 회절광학소자(120), 빔 검출 센서(60)를 포함하여 구성된다.
회절광학소자(120)는 빔 발생기(20)에서 조사된 빔이 회절하여 빔 검출 센서(60)의 표면에 조사될 수 있도록 하는 역할을 수행한다. 회절광학소자(120)는 보통 슬릿(Slit)을 포함하는 편평한 판이 사용된다. 도 3에서 빔 발생기(20)에서 조사된 빔이 회절광학소자(120)을 통과하면서 회절되어 빔 검출 센서(60)에 조사되고 있는 것을 알 수 있다. 이와 같은 구성으로 빔 검출 센서(60)에 조사되는 빔을 확대시킨다.
도 4는 회절 현상이 없는 경우와 회절 현상이 있는 경우의 빔 검출 센서(60)에 조사되는 빔의 모양을 나타내는 도면이다.
도 4의 (a)는 회절 현상이 없는 경우에 빔 검출 센서(60)의 표면에 조사되는 빔의 모양을 나타낸 도면으로, 총 9개의 빔이 측정되고 한 개의 빔이 4개의 픽셀을 차지하고 있는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 픽셀수/빔 = 4 의 관계가 성립하게 된다. 후술하겠지만, 빔 당 픽셀수의 값은 빔의 중심 위치를 산출하는 데 정확도와 관계가 된다.
도 4의 (b)는 회절 현상이 있는 경우에 빔 검출 세서(60)의 표면에 조사되는 빔의 모양을 나타낸 도면으로, 총 9개의 빔이 측정되고 한 개의 빔이 16개의 픽셀을 차지하고 있는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 픽셀수/빔 = 16 의 관계가 성립하게 된다. 도 4의 (a)와 (b)를 비교하여 설명하면 다음과 같다.
도 4의 (a)는 확대광학계를 사용하지 않은 경우에 빔 검출 센서(60)의 표면에 조사되는 빔의 모양을 나타낸 것이므로, 확대광학계를 사용하는 경우보다 빔 검출 센서(60)의 표면에 측정되는 빔의 개수가 더 많게 된다. 즉, 현미경과 같은 확대광학계를 사용하게 되면 예들 들어 1개 또는 2개 정도의 빔이 확대되어 측정되게 되고 빔 하나당 차지하는 픽셀의 개수는 매우 많아지게 된다. 이것은 한 번에 측정할 수 있는 빔의 개수는 적어서 빔의 중심 위치를 산출하는데 걸리는 시간을 오래 걸리지만, 빔 하나당 차지하는 픽셀의 개수가 증가하여 중심 위치를 산출하는 데 있어 정확도가 높아진다는 것을 의미한다. 도 4의 (a)의 경우 확대광학계를 사용하지 않아 빔 검출 센서(60)의 표면에 측정되는 빔의 개수는 많아졌으나, 빔 하나당 차지하는 픽셀의 개수는 줄어들어 정확도가 매우 떨어지게 된다.
그러나, 도 4의 (b)는 빔확장장치를 사용한 경우 빔 검출 센서(60)의 표면에 조사되는 빔의 모양을 나타낸 것으로, 빔 검출 센서(60)의 표면에 측정되는 빔의 개수는 동일하고, 빔 하나당 차지하는 픽셀의 개수가 늘어났음을 확인할 수 있다. 즉, 빔 한 개의 중심 위치를 산출하는데 더 많은 픽셀의 정보를 이용하게 되므로 정확도가 높아졌음을 확인할 수 있다.
앞에서 언급하였지만, 현미경과 같은 확대광학계를 이용하는 경우에는 빔 한 개가 차지하는 픽셀의 수가 증가하여 정확도가 향상되지만, 한 번에 측정되는 빔의 개수가 현저하게 적어져 빔들의 중심 위치를 모두 검출하는 데에는 매우 오랜 시간이 걸렸다. 확대광학계를 이용하는 경우 빔이 조사되는 면 전체를 확대하므로 빔 자체가 차지하는 넓이 및 빔 들간의 간격이 동시에 커지기 때문이다.
하지만, 도 4의 (b)의 결과에서 보듯이 빔확장장치(40)를 사용하는 경우에는 빔 한개가 차지하는 픽셀의 수도 증가시키고, 한 번에 측정되는 빔의 개수도 그대로 유지함으로써, 정확도를 유지하면서 중심 위치를 검출하는 속도 또한 향상시킬 수 있게 된다. 이는 빔확장장치(40)를 사용하는 경우 빔들 간의 간격은 그래도 유지하면서 각 빔이 차지하는 픽셀의 수를 증가시키기 때문이다.
이때, 빔들의 중심 위치를 산출하는 것은 앞에서 설명한 것과 같이 측정된 빔의 세기로부터 빔의 분포를 FWHM으로 구하여 수행된다.
도 5는 본 발명의 다른 일실시예에 의한 산란 장치(140)를 이용한 빔의 위치 측정 장치를 나타낸 도면으로, 빔의 위치 측정 장치는 빔 발생기(20), 산란 장치(140), 빔 검출 센서(60)를 포함하여 구성된다.
산란 장치(140)는 빔 발생기(20)에서 조사된 빔이 산란하여 빔 검출 센서(60)의 표면에 조사될 수 있도록 하는 역할을 수행한다. 산란은 빛이 작은 입자들과 부딪힐 때 사방으로 재방출되는 현상으로, 표면 산란과 내부 산란이 있다. 표 면 산란과 내부 산란이 도 6에 도시되어 있다. 도 6의 (a)는 표면 산란을 나타내는 도면으로 조사된 빔이 고르지 않은 표면에 의해 사방으로 산란되는 것을 보여주고 있다. 도 6의 (b)는 내부 산란을 나타내는 도면으로 조사된 빔이 내부에 균일하게 분포된 입자들에 의해서 사방으로 산란되는 것을 보여주고 있다. 도 5에서 빔 발생기(20)에서 조사된 빔이 산란 장치(140)를 통과하면서 산란되어 빔 검출 센서(60)에 조사되고 있는 것을 알 수 있다. 이와 같은 구성으로 빔 검출 센서(60)에 조사되는 빔을 확대시킨다.
도 7은 산란 현상이 없는 경우와 산란 현상이 있는 경우의 빔 검출 센서(60)에 조사되는 빔의 모양을 나타내는 도면이다.
도 7의 (a)는 산란 장치를 사용하지 않는 경우에 빔 검출 센서(60)의 표면에 조사되는 빔의 모양을 나타낸 것이므로, 확대광학계를 사용하는 경우보다 빔 검출 센서(60)의 표면에 측정되는 빔의 개수가 더 많게 된다. 즉, 현미경과 같은 확대광학계를 사용하게 되면 예를 들어 1개 또는 2개 정도의 빔이 확대되어 측정되게 되고 빔 한 개당 차지하는 픽셀의 개수는 많아지게 된다. 이것은 한 번에 측정할 수 있는 빔의 개수는 적어서 빔의 중심 위치를 산출하는데 걸리는 시간은 오래 걸리지만, 빔 한 개당 차지하는 픽셀의 개수가 증가하여 중심 위치를 산출하는데 있어 정확도가 높아진다는 것을 의미한다. 도 7의 (a)의 경우 확대광학계를 사용하지 않아 빔 검출 센서(60)의 표면에 측정되는 빔의 개수는 많아졌으나, 빔 하나당 차지하는 픽셀의 개수는 줄어들어 정확도가 매우 떨어지게 된다.
그러나, 도 7의 (b)는 산란 장치를 사용한 경우 빔 검출 센서(60)의 표면에 조사되는 빔의 모양을 나타낸 것으로, 빔 검출 센서(60)의 표면에 측정되는 빔의 개수는 동일하고, 빔 한 개당 차지하는 픽셀의 개수가 늘어났음을 확인할 수 있다. 즉, 빔 한 개의 중심 위치를 산출하는데 더 많은 픽셀의 정보를 이용하게 되므로 정확도가 높아졌음을 확인할 수 있다.
이와 같이 산란 장치(140)를 이용하여 빔 한 개가 차지하는 픽셀의 수도 증가시키고, 한 번에 측정되는 빔의 개수도 그대로 유지함으로써, 정확도를 유지하면서 빔의 중심 위치를 검출하는 속도 또한 향상시킬 수 있게 된다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 의한 빔의 위치 측정 방법의 순서도로서, 도 8을 참조하여 빔의 위치 측정 방법을 설명한다.
먼저, 빔 발생기(20)가 빔을 조사하면(200), 조사된 빔은 빔확장장치(40)를 통하여 빔 조사 면적이 확대되어 빔 검출 센서(60)의 표면에 조사되게 된다(202) 이때, 빔확장장치(40)는 앞에서 언급한 초음파 발생기(100), 회절광학소자(120), 산란 장치(140) 중 어느 하나로 선택하여 회절 또는 산란 현상을 이용하여 빔 검출 센서(60)의 표면에 조사되는 빔의 면적을 확장시킨다. 빔 검출 센서(60)는 각 픽셀에 조사된 빔의 세기를 측정하고(204), 빔 위치 산출부(80)는 각 픽셀에 조사되는 빔의 세기를 이용하여 빔의 중심 위치를 검출한다.(206)
이와 같은 빔의 위치 측정 장치 및 방법에 의해서 조사되는 빔 자체가 센서의 픽셀을 차지하는 넓이는 크게 하면서 각 빔들간의 간격은 유지하게 하여 측정할 수 있는 빔의 개수는 늘리면서도 정확도를 향상시킬 수 있게 된다. 즉, 멀티 빔의 중심 위치를 측정하는 데 있어 정확도를 향상시킴과 동시에 측정 시간을 단축시키 는 효과가 발생한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 빔의 위치 측정 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 초음파 발생기를 이용한 빔의 위치 측정 장치를 나타낸 도면이다.
도3은 본 발명의 일실시예에 의한 회절광학소자를 이용한 빔의 위치 측정 장치를 나타낸 도면이다.
도 4는 회절 현상이 없는 경우와 회절 현상이 있는 경우의 빔 검출 센서에 조사되는 빔의 모양을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 산란 장치를 이용한 빔의 위치 측정 장치를 나타낸 도면이다.
도 6은 산란 장치의 표면 산란과 내부 산란을 나타낸 도면이다.
도 7은 산란 현상이 없는 경우와 산란 현상이 있는 경우의 빔 검출 센서(60)에 조사되는 빔의 모양을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 의한 빔의 위치 측정 방법의 순서도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
20 : 빔 발생기 40 : 빔확장장치
60 : 빔 검출 센서 80 : 빔 위치 산출부
100 : 초음파 발생기 120 : 회절광학소자
140 : 산란 장치

Claims (12)

  1. 빔을 조사하는 빔 발생기;
    빔 검출 센서; 및
    상기 빔 발생기와 상기 빔 검출 센서 사이에 위치하여 상기 빔 검출 센서에 조사되는 빔의 면적을 넓히는 빔확장장치를 포함하는 빔의 위치 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 빔확장장치는 상기 빔 발생기에서 조사된 빔을 회절시키는 회절 장치인 빔의 위치 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 회절 장치는 초음파를 조사하여 상기 빔 발생기에서 조사되는 빔을 회절시키는 초음파 발생기인 빔의 위치 측정 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 회절 장치는 상기 빔 발생기에서 조사되는 빔을 회절시키는 회절광학소자인 빔의 위치 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 빔확장장치는 상기 빔 발생기에서 조사된 빔을 산란시키는 산란 장치인 빔의 위치 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 검출 센서는 CMOS 센서 또는 CCD 센서인 빔의 위치 측정 장치.
  7. 빔 발생기와 빔 검출 센서를 이용하여 빔의 위치를 측정하는 방법에 있어서,
    상기 빔 발생기에서 조사된 빔을 빔확장장치를 통과시켜 면적이 확대된 빔을
    상기 빔 검출 센서에 조사시키고,
    상기 빔 검출 센서의 각 픽셀에 조사되는 빔의 세기를 측정하고,
    상기 측정된 빔의 세기의 분포의 중심을 계산함으로써 상기 빔의 중심 위치를 검출하는 것을 특징으로 하는 빔의 위치 측정 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 빔확장장치는 상기 빔 발생기에서 조사된 빔을 회절시키는 회절 장치인 빔의 위치 측정 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 회절 장치는 초음파를 조사하여 상기 빔 발생기에서 조사되는 빔을 회절시키는 초음파 발생기인 빔의 위치 측정 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 회절 장치는 상기 빔 발생기에서 조사되는 빔을 회절시키는 회절광학소자인 빔의 위치 측정 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 빔확장장치는 상기 빔 발생기에서 조사된 빔을 산란시키는 산란 장치인 빔의 위치 측정 방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 검출 센서는 CMOS 센서 또는 CCD 센서인 빔의 위치 측정 방법.
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