KR20110120710A - 마스크리스 노광 장치와 이를 이용한 스티칭 노광 방법 - Google Patents

마스크리스 노광 장치와 이를 이용한 스티칭 노광 방법 Download PDF

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Abstract

빔 스팟 어레이를 주사 방향(Y축 방향)에 대해 경사지도록 하여 노광하는 마스크리스 노광 장치에서 스티칭 얼룩이 없게 노광을 수행할 수 있는 마스크리스 노광 장치와 이를 이용한 스티칭 노광 방법을 제안한다. 노광 면에서 빔 스팟 어레이를 구성하는 빔들의 실제 위치 데이터를 이용하고, 필요에 따라 빔 파워 데이터 또는 빔 크기 데이터도 이용하여 스티칭 영역에서 노광량의 균일도가 허용범위 이내가 되는 스텝 거리를 찾고, 이에 맞게 화상 데이터를 생성하여 노광을 수행함으로써 스티칭 영역에서도 균일한 노광량을 보여 스티칭 얼룩이 없는 노광을 수행할 수 있다.

Description

마스크리스 노광 장치와 이를 이용한 스티칭 노광 방법{MASKLESS EXPOSURE APPARATUS AND METHOD FOR STITCHING EXPOSURE USING THE SAME}
마스크를 사용하지 않는 노광 장치에서 스티칭 얼룩이 없게 노광을 수행할 수 있는 마스크리스 노광 장치와 이를 이용한 스티칭 노광 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 액정 디스플레이(LCD; Liquid Crystal Display)나 플라즈마 디스플레이 패널(PDP; Plasma Display Panel), 평판 디스플레이 패널(FPD; Flat Panel Display)을 구성하는 기판에 패턴을 형성하는 방법은 먼저 기판에 패턴 재료를 도포하고, 포토 마스크를 사용하여 패턴 재료에 선택적으로 노광을 하여 화학적 성질이 달라진 패턴 재료 부분 또는 그 외의 부분을 선택적으로 제거함으로서 패턴을 형성한다.
그러나, 기판이 점차 대형화되고 패턴이 정밀화되어 감에 따라 포토 마스크 관련 비용이 기하급수적으로 증대하여 이를 사용하지 않고서도 기판에 패턴을 형성할 수 있는 마스크리스(Maskless) 노광 장치가 개발되고 있다. 마스크리스 노광 장치는 DMD(Digital Micro-mirror Device)와 같은 광 변조소자(SLM;Spatial Light Modulator)를 이용하여 제어신호로 만들어진 패턴 정보를 가지고 노광 빔을 기판(Glass)에 전사시키는 방식을 통해 패턴을 형성한다.
마스크리스 노광 장치는 노광 헤드를 주사 방향(Y축 방향)에 대해 경사지게(θ) 정렬하여 노광 면에서 기울어진 빔 스팟 어레이(beam spot array)를 형성하고, 스테이지를 주주사 방향으로 스캔하는 동안, 광 변조소자의 제어로 빔 스팟 어레이의 온(ON)/오프(OFF) 상태를 제어하여 노광 면상에 원하는 패턴이 전사되도록 한다. 마스크리스 노광은 스테이지가 주사 방향인 Y축으로 구동 시 노광이 수행되며, 광학계의 조작을 통해 노광 영역이 확대 및 축소된다.
그러나, 마스크리스 노광에서는 패턴에 따라 노광 빔을 변조시키는 광 변조소자의 크기가 작기 때문에 광학계를 통과하면서 빔 스팟 어레이의 영역이 확대되더라도 노광 헤드 하나가 커버하는 부주사 방향(X)으로의 노광 폭이 일반적으로 60~70mm 수준이다. 따라서 대형 기판(Glass;예를 들어, 2m 이상)의 경우 노광 헤드 개수가 충분하지 않아 전체 기판(Glass)을 커버하지 못하게 되는 경우 적절하게 부주사 방향(X)으로 스텝핑(stepping)하여 노광을 수행해야 하기 때문에 스텝핑에 의해 또는 노광 헤드 개수가 충분하더라도 인접한 노광 헤드간에 의해 노광 영역이 중첩되는 스티칭 영역(stitching area)이 존재하며, 이 스티칭 영역에는 노광량(dose)에 따라 얼룩이 발생할 수 있다.
빔 스팟 어레이(beam spot array)를 주사 방향(Y축 방향)에 대해 경사지도록 하여 노광하는 마스크리스 노광 장치에서 스티칭 얼룩 문제를 해결할 수 있는 스티칭 방법을 제안하고자 한다.
이를 위해 본 발명의 일 측면에 의한 마스크리스 노광 장치는, 기판을 이동시키는 스테이지; 기판에 패턴을 노광하기 위해 노광 빔을 빔 스팟 어레이 형태로 전사하는 노광 헤드; 빔 스팟 어레이의 빔 데이터를 측정하는 빔 측정부; 측정된 빔 데이터를 이용하여 스텝 거리를 산출하는 연산부; 산출된 스텝 거리에 따라 노광 헤드를 정렬한 후 스티칭 노광을 수행하는 제어부를 포함한다.
빔 측정부는 빔 스팟 어레이를 구성하는 빔들의 위치 데이터, 파워 데이터, 크기 데이터 중 적어도 하나의 빔 어레이 데이터를 측정하는 것이 바람직하다.
연산부는 측정된 빔 어레이 데이터를 이용하여 스티칭 영역에서 부주사 방향의 노광량을 계산하고, 계산된 노광량으로부터 노광량 균일도를 구하여 스텝 거리를 산출하는 것이 바람직하다.
연산부는 스티칭 영역에서 부주사 방향의 노광량 균일도가 최소화되는 스텝 거리를 산출하는 것이 바람직하다.
연산부는 스티칭 영역에서 부주사 방향의 노광량 균일도가 허용범위 이내가 되는 스텝 거리를 산출하는 것이 바람직하다.
연산부는 측정된 빔 어레이 데이터 전부를 이용하여 스텝 거리를 산출하는 것이 바람직하다.
연산부는 측정된 빔 어레이 데이터 중 일부 데이터를 이용하여 스텝 거리를 산출하는 것이 바람직하다.
노광 헤드는, 노광 빔을 출사하는 광원; 노광 패턴에 따라 노광 빔을 변조하는 광 변조소자; 변조된 노광 빔을 빔 스팟 어레이 형태로 기판 상에 전사하는 노광 광학계를 포함한다.
노광 헤드는 단일 헤드 또는 멀티 헤드로 구성되어 있다.
본 발명의 일 측면에 의한 마스크리스 노광 장치는, 멀티 헤드 간 빔 어레이 개수가 다른 경우를 포함한다.
본 발명의 일 측면에 의한 마스크리스 노광 장치는, 빔 어레이 개수가 광 변조소자의 어레이 개수와 다른 경우를 포함한다.
연산부는 멀티 헤드 간 스텝 거리를 산출하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 측면에 의한 마스크리스 노광 장치는, 빔 스팟 어레이를 주사 방향에 대해 회전각만큼 경사지게 하여 노광하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의한 마스크리스 노광 장치의 스티칭 노광 방법은, 기판이 안착된 스테이지를 주사 방향으로 이동하고; 노광 패턴에 따라 노광 빔을 변조하여 빔 스팟 어레이 형태로 기판에 전사하고; 빔 스팟 어레이의 빔 데이터를 측정하고; 측정된 빔 데이터를 이용하여 스텝 거리를 산출하고; 산출된 스텝 거리에 따라 화상 데이터를 생성하여 스티칭 노광을 수행하는 것을 포함한다.
빔 데이터를 측정하는 것은, 빔 스팟 어레이를 구성하는 빔들의 위치 데이터, 파워 데이터, 크기 데이터 중 적어도 하나의 빔 어레이 데이터를 측정하는 것이 바람직하다.
스텝 거리를 산출하는 것은, 측정된 빔 어레이 데이터를 이용하여 스티칭 영역에서 부주사 방향의 노광량 분포를 계산하고; 계산된 노광량 분포로부터 노광량 균일도를 구하고; 노광량 균일도가 최소화되는 오프셋 값을 찾아 스텝 거리를 산출하는 것이 바람직하다.
스텝 거리를 산출하는 것은, 측정된 빔 어레이 데이터를 이용하여 스티칭 영역에서 부주사 방향의 노광량 분포를 계산하고; 계산된 노광량 분포로부터 노광량 균일도를 구하고; 노광량 균일도가 허용범위 이내가 되는 오프셋 값을 찾아 스텝 거리를 산출하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 측면에 의한 마스크리스 노광 장치의 스티칭 노광 방법은, 측정된 빔 어레이 데이터를 이용하여 멀티 헤드 간 간격을 결정하는 것을 더 포함한다.
본 발명의 일 측면에 의한 마스크리스 노광 장치의 스티칭 노광 방법은, 멀티 헤드 간 간격 조정을 위해 헤드를 정렬하는 것을 더 포함한다.
제안된 마스크리스 노광 장치와 이를 이용한 스티칭 노광 방법에 의하면, 노광 면에서 빔 스팟 어레이를 구성하는 빔들의 실제 위치 데이터를 이용하고, 필요에 따라 빔 파워 데이터 또는 빔 크기 데이터도 이용하여 스티칭 영역에서 노광량의 균일도가 허용범위 이내가 되는 스텝 거리를 찾고, 이에 맞게 화상 데이터를 생성하여 노광을 수행함으로써 스티칭 영역에서도 균일한 노광량을 보여 스티칭 얼룩이 없는 노광을 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광 장치의 주요 구성 부분을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광 장치에 적용되는 DMD의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 2의 상세한 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광 장치에 의한 빔 스팟 어레이를 나타낸 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광 장치의 제어 구성도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광 장치에서 이상적인 노광 헤드에 의한 스티칭 영역을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광 장치에서 실제 노광 헤드에 의한 스티칭 영역을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광 장치에서 스티칭 노광을 위해 빔 스팟 데이터를 이용한 스텝 거리 산출 방법을 설명하는 개념도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광 장치에서 스티칭 영역에서의 노광량 분포[Dose(X)]를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광 장치에서 헤드 간의 오프셋 거리에 따른 노광량 균일도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 12a 내지 도 12d는 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광 장치에서 스텝 거리 산출 방법을 적용할 수 있는 노광 헤드 배치의 다양한 실시예를 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광 장치에서 스티칭 노광을 수행하기 위한 제어 방법을 나타낸 동작 순서도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광 장치에서 스티칭 노광 시뮬레이션 조건을 나타낸 표이다.
도 15a 및 도 15b는 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광 장치에서 스티칭 영역에서의 에어리얼 이미지를 종래와 비교한 도면이다.
이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광 장치의 개략적인 구성도이다.
도 1에서, 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광 장치(10)는 노광하고자 하는 기판(30; 웨이퍼, 글라스 등 소정의 패턴을 형성하고자 하는 모든 대상물)을 이동시키는 스테이지(20)와, 노광 빔을 기판(30)에 전사시켜 기판(30) 상에 코팅된 감광막(패턴 형성 재료)을 노광하는 노광 헤드(100)를 포함한다.
스테이지(20)는 기판(30)을 X축 방향, Y축 방향 및 필요 시 Z축 방향으로도 이동시키며, 스테이지(20)에는 스테이지(20)의 이동 방향을 따라 연장된 가이드(22, 24)가 설치되어 있어서 가이드(22, 24)에 의해 스테이지(20)는 부주사 방향인 X축 방향 또는 주사 방향인 Y축 방향(스캔 방향)으로 왕복 이동한다.
또한, 스테이지(20)에는 기판(30)을 스테이지(20)에 고정하는 척(26)과, 스테이지(20)의 진동을 차단시키는 제진대(28; isolator)를 포함한다.
노광 헤드(100)는 스테이지 겐트리(102)에 고정 설치되어 기판(30)에 노광 빔을 조사하여 원하는 패턴 형상으로 화상 데이터를 형성한다. 이 노광 헤드(100)는 단일 헤드 또는 멀티 헤드로 구성된다.
본 발명의 일 실시예에서는 기판(30)이 안착된 스테이지(20)가 노광 헤드(100)에 대하여 이동하는 것을 예로 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 스테이지(20)는 고정되고 노광 헤드(100)가 이동할 수 있으며, 나아가, 스테이지(20) 및 노광 헤드(100)가 모두 이동할 수도 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광 장치(10)에는 노광 헤드(100)에서 기판(30)에 조사되는 노광 빔의 위치를 측정하기 위한 빔 측정부(40)가 설치되어 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광 장치의 주요 구성 부분을 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광 장치에 적용되는 DMD의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 2에서, 노광 헤드(100)는 노광 빔(115)을 출사하는 광원(110), 광원(110)에서 출사된 노광 빔(115)을 균일한 조도로 보정하여 출사하는 조명 광학계(120), 조명 광학계(120)를 통과한 노광 빔(115)을 패턴 정보(화상 데이터)에 따라 변조하는 광 변조소자(130), 광 변조소자(130)에서 변조된 노광 빔(115)을 빔 스팟 어레이(beam spot array) 형태로 기판(30) 상에 전달하는 노광 광학계(140)를 포함한다.
광원(110)은 노광을 위한 빔을 출사하는 것으로, 반도체 레이저 또는 자외선 램프 등을 포함한다.
광 변조소자(130)는 공간 광 변조소자(Spatial Light Modulator, SLM)를 포함한다. 광 변조소자(130)는 예를 들어, MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 타입의 디지털 마이크로 미러 디바이스(Digital Micro-mirror Device, DMD), 2차원 GLV(Grating Light Valve), 투광성 세라믹인 PLZT(lead zirconate titantate)를 이용한 전기광학소자, 강유전성 액정(Ferroelectric Liquid Crystal, FLC) 등이 이용될 수 있으며, 바람직하게는 DMD가 사용될 수 있다. 이하 설명의 편의를 위하여 DMD로 이루어진 광 변조소자(130)를 이용하여 본 발명을 설명한다.
DMD는 도 3에 도시한 바와 같이, 메모리 셀(132, 예를 들어, SRAM 셀)과, 메모리 셀(132) 상에 L행ㅧM열의 매트릭스 타입으로 배열된 다수의 마이크로 미러(134, micro mirror)를 포함하여 이루어진 미러 디바이스이다. 화상 데이터에 따라 생성된 제어신호에 기초하여 각 마이크로 미러(134)의 각도를 달리하여 원하는 광은 노광 광학계(140)로 반사시켜 보내고, 그 외의 광은 다른 각도로 보내어 차단시킨다.
DMD로 이루어진 광 변조소자(130)의 메모리 셀(132)에 디지털 신호가 기록되면 마이크로 미러(134)가 대각선을 중심으로 해서 일정각도(예를 들면, ㅁ12˚)의 범위에서 기울어진다. 각 마이크로 미러(134)의 온/오프 제어는 후술하는 헤드 제어부(48)에 의해 각각 제어된다. 온 상태의 마이크로 미러(134)에 의해 반사된 광은 노광 상태로 변조되어 기판(30)에 빔을 노광시키고, 오프 상태의 마이크로 미러(134)에 의해 반사된 광은 비노광 상태로 변조되어 기판(30)에 빔을 노광시키지 않게 된다.
도 4는 도 2의 상세한 구성도이다.
도 4에서, 노광 광학계(140)는 노광 빔(115)이 지나가는 경로를 따라 제1결상 광학계(142) 및 제2결상 광학계(144), 마이크로 렌즈 어레이(146) 및 애퍼처 어레이(148)를 포함한다.
제1결상 광학계(142)는 양측 텔레센트릭(double telecentric) 광학계로 이루어져 있고, 광 변조소자(130)를 거친 상을 예를 들어, 약 4배로 확대하여 마이크로 렌즈 어레이(146)의 개구면(aperture plane)에 결상한다.
제2결상 광학계(144)도 양측 텔레센트릭(double telecentric) 광학계로 이루어져 있고, 마이크로 렌즈 어레이(146)의 초점 면에 형성된 다수의 빔 스팟을 예를 들어 약 1배로 기판(30) 상에 결상한다. 본 발명의 일 실시예에서는 제1결상 광학계(142) 및 제2결상 광학계(144)의 배율을 각각 4배, 1배인 경우를 예로 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 제1결상 광학계(142) 및 제2결상 광학계(144)의 배율은 원하는 빔 스팟의 크기, 노광할 패턴의 최소 형상 사이즈(minimum feature size), 및 마스크리스 노광 장치(10)에서 사용할 노광 헤드(100)의 개수에 따라 최적의 배율 조합을 도출할 수 있다.
마이크로 렌즈 어레이(146)는 광 변조소자(130)의 마이크로 미러(134)에 대응하는 다수의 마이크로 렌즈가 2차원으로 배열되어서 이루어지는 것이다. 예를 들어, 광 변조 소자(130)가 1920개ㅧ400개의 마이크로 미러(134)로 이루어져 있는 경우, 이에 대응하여 마이크로 렌즈도 1920개ㅧ400개가 배치되어 있다. 또 마이크로 렌즈의 배열 피치는 광 변조소자(130)의 마이크로 미러(134)의 배열 피치에 제1결상 광학계(142)의 배율을 곱한 값과 실질적으로 동일할 수 있다.
애퍼처 어레이(148)는 마이크로 렌즈에 대응하여 다수의 핀 홀이 마이크로 렌즈의 초점 면에 2차원적으로 배열된 것이다. 핀 홀은 마이크로 렌즈를 통해 포커싱된 빔 스팟의 크기를 일정한 크기로 정형화하거나 노광 광학계(140)에서 발생한 잡광(noise)를 차단하는 역할을 한다. 핀 홀의 직경은 예를 들어 6㎛이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광 장치에 의한 빔 스팟 어레이를 나타낸 평면도이다.
도 5에서, 광 변조소자(130)로부터 제1결상 광학계(142)를 거쳐 마이크로 렌즈 어레이(146)의 초점 면에 포커싱되는 노광 빔(115)은 원형 또는 타원 형상을 가지게 된다. 노광 빔(115)이 제2결상 광학계(144)를 거쳐 기판(30) 상에 결상된 것을 빔 스팟 어레이(131; beam spot array)라고 하며, 빔 스팟 어레이(131)는 매트릭스 형태로 배열된 다수의 빔 스팟(133)으로 이루어진다. 예를 들어, 빔 스팟(133)의 배열 피치는 약 55㎛이고, 빔 스팟(133)은 반치폭(Full Width at Half Maximum, FWHM)이 약 2.5㎛인 가우시안 분포를 가지는 원형 형상을 가질 수 있다.
빔 스팟 어레이(131)의 배열 방향은 주사 방향(Y축 방향)에 대하여 소정의 정렬각(θ)으로 경사지게 배치한다. 이는 마스크리스 노광 장치(10)의 해상도(resolution)를 높이기 위한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광 장치의 제어 구성도이다.
도 6에서, 마스크리스 노광 장치(10)는 빔 측정부(40), 연산부(42), 화상 데이터 생성부(44), 헤드 정렬부(46), 헤드 제어부(48), 스테이지 제어부(50) 및 상위 제어부(52)를 포함하여 구성된다.
빔 측정부(40)는 노광 빔(115)이 기판(30) 상에 결상되는 빔 스팟 어레이(131)에서 매트릭스 형태로 배열되는 다수의 빔 스팟(133)의 위치를 측정하고, 필요에 따라 빔 스팟(133)의 빔 파워 및 빔 크기를 측정한다.
연산부(42)는 빔 측정부(40)에서 측정된 빔 위치 데이터, 빔 파워 데이터 및 빔 크기 데이터를 이용하여 노광량 분포[Dose(X)] 및 스텝 거리(Xs)의 연산을 수행한다. 이때 연산에 사용하는 빔 데이터는 빔 측정부(40)에서 전수로 측정한 데이터일 수도 있고, 시간 단축을 위해 일부 샘플 빔만 측정한 후 이로부터 전수 데이터를 예측하여 이용할 수도 있다.
화상 데이터 생성부(44)는 노광에 필요한 광 변조소자(130)의 화상 데이터를 생성하는 곳으로, 빔 측정부(40)에서 측정된 빔 데이터 및 연산부(42)로부터 산출된 스텝 거리(Xs)에 기반한다.
헤드 정렬부(46)는 노광 헤드(100)의 6 자유도 정렬을 수행하는 곳으로, 하나 이상의(예를 들어, 두 개) 헤드 간에 스텝 거리(Xs)가 산출되면 이에 맞게 부주사 방향(X축 방향)으로의 간격을 정렬하는 것도 포함한다. 헤드 정렬부(46)는 수동으로 정렬을 수행하도록 구성될 수도 있고, 또는 헤드 제어부(48)에 의해 자동으로 간격 정렬이 이뤄지도록 구성될 수도 있다. 또한 헤드 정렬부(46)를 통해서만 간격 정렬을 수행할 수도 있으나, 광 변조소자(130) 양 끝부분의 일부 열을 오프(OFF)시켜 보다 편하고 유연성있게 간격 정렬을 수행할 수도 있다.
헤드 제어부(48)는 노광 헤드(100)의 정렬 이외에도 노광 헤드(100) 내의 광 변조소자(130), 광원(110), 포커싱 유닛 등의 제어를 담당한다.
스테이지 제어부(50)는 스테이지(20)의 이동 제어를 담당한다.
상위 제어부(52)는 마스크리스 노광 장치(10)의 제반 동작을 제어하는 메인 컨트롤러로서, 헤드 제어부(48)와 스테이지 제어부(50)에 노광을 수행하기 위한 명령을 지시한다.
이하, 상기와 같이 구성된 마스크리스 노광 장치와 이를 이용한 스티칭 노광 방법의 동작과정 및 작용효과를 설명한다.
먼저, 기판(30)을 스테이지(20) 위에 올려 놓고 척(26)으로 고정시킨다.
스테이지(20)의 상부 스테이지 겐트리(102)에는 기판(30)에 노광 빔(115)을 전사하는 노광 헤드(100)가 하나 이상 설치되어 기판(30)에 원하는 패턴 형상을 노광하게 된다.
노광 헤드(100)에는 원하는 패턴 형상에 따라 노광 빔(115)을 변조시키는 광 변조소자(130)가 마련되어 변조된 노광 빔(115)을 빔 스팟 어레이(131) 형태로 기판(30) 상에 결상시킨다(도 5 참조).
노광 빔(115)이 기판(30) 상에 결상되는 빔 스팟 어레이(131)를 주사 방향(Y축 방향)에 대하여 소정의 회전각(θ)으로 경사지게 배치하여 노광하는 마스크리스 노광 장치(10)는 스테이지(20)가 주사 방향인 Y축 방향으로 구동 시에 노광이 수행된다.
이러한 마스크리스 노광 장치(10)에서 패턴에 따라 노광 빔(115)을 변조시키는 광 변조소자(130)의 크기가 작기 때문에 노광 광학계(140)를 통과하면서 빔 스팟 어레이(131)의 영역이 확대되더라도 노광 헤드(100) 하나가 커버하는 부주사 방향(X축 방향)으로의 노광 폭이 일반적으로 60~70mm 수준이다.
따라서 대형 기판(30;예를 들어, 2m 이상)의 경우, 노광 헤드(100) 개수가 충분하지 않아 전체 기판(30)을 커버하지 못하게 되는 경우 노광 헤드(100)를 적절하게 부주사 방향(X축 방향)으로 스텝핑(stepping)하여 노광을 수행해야 하기 때문에 스텝핑에 의해 또는 노광 헤드(100) 개수가 충분하더라도 인접한 노광 헤드(100)간에 의해 노광 영역이 중첩되는 스티칭 영역(stitching area)이 존재한다.
마스크리스 노광에서 스티칭 영역이 받는 노광량(dose)이 비스티칭 영역에 비해 차이가 클 경우 패턴 선폭 및 LER(Line Edge Roughness)에 직접적으로 영향을 주며, 육안으로 스티칭 영역을 봤을 때 얼룩 줄무늬로 나타난다. 이 줄무늬는 LCD(Liquid Crystal Display) 패널을 제작하여 동작시켰을 때도 그대로 불량으로 나타나기 때문에 스티칭 얼룩을 발생시키지 않도록 노광하는 것은 매우 중요하다.
이상적인 노광 헤드(100)가 존재한다면 스티칭 영역에서도 균일한 노광량(Dose)을 얻을 수 있는 이론적인 스텝 거리(Xs)가 있다. 이를 도 7을 참조하여 설명한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광 장치에서 이상적인 노광 헤드에 의한 스티칭 영역을 나타낸 도면으로, 설명의 편의를 위하여 두 개(헤드 A, 헤드 B)의 노광 헤드(100)를 이용한 경우에 대하여 본 발명을 설명한다.
도 7에서, 20x10의 빔 스팟 어레이(131)로 구성된 헤드 A와 헤드 B의 빔간 간격(d)이 모두 같고, 헤드 A와 헤드 B의 회전각(θ)이 같으며, 모든 빔 스팟(133)의 빔 크기 및 빔 파워가 동일하다면 기하학적으로 스텝 거리(Xth)는 20(빔 스팟 어레이의 열의 수)*d*cos(θ)로 정확하게 정해진다. 스텝 거리가 Xth인 경우 아래쪽에 박스로 표시된 스티칭 영역을 구분할 수 없고, 마치 40x10의 빔 스팟 어레이(131) 하나가 있는 것과 같다.
하지만, 실제 스티칭 노광에서 이론적인 스텝 거리(Xs)를 적용할 수 없다. 실제 노광 헤드(100)의 경우 노광 광학계(140)의 수차 및 제작 오차 등으로 노광 헤드(100) 내 빔간 간격 뿐만 아니라 노광 헤드(100) 간 빔간 간격도 다르며, 빔 스팟(133)들의 빔 크기 및 빔 파워 역시 균일한 분포를 갖지 않는다. 또한, 두 개 이상의 노광 헤드(100)를 동일한 회전각(θ)을 가지도록 정렬하기도 어렵다. 이를 도 8을 참조하여 설명한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광 장치에서 실제 노광 헤드에 의한 스티칭 영역을 나타낸 도면으로, 설명의 편의를 위하여 두 개(헤드 A, 헤드 B)의 노광 헤드(100)를 이용한 경우에 대하여 본 발명을 설명한다.
도 8에서, 노광 광학계(140)의 왜곡 수차(distortion)로 인해 헤드 A와 헤드 B 내 빔간 간격(d) 이 다른 예를 과장하여 보여 주고 있다. 박스로 표시된 스티칭 영역을 보면, Xs=Xth 조건에서 노광량(Dose)이 균일하지 않아 스티칭 얼룩이 발생함을 예측할 수 있다.
실험적인 방법으로 스텝 거리(Xs)를 찾으려면 매우 많은 시간이 소요된다. 이는 스텝 거리(Xs)를 바꿔 가며 반복적으로 광 변조소자(130)의 화상 데이터를 생성하고, 이를 이용하여 실제로 노광/현상 공정을 거친 후, 현미경 또는 육안으로 비교하는 과정을 통해 스티칭 얼룩이 최소화되는 스텝 거리(Xs)를 찾아야 하기 때문이다. 더욱이, 스티칭 영역에서의 노광량 균일도(Uniformity)는 스텝 거리(Xs)에 따라 매우 민감하게 변하기 때문에 스텝 거리(Xs)를 잘게 나누어서 많은 반복 실험을 거쳐야 한다. 노광 시뮬레이션으로 실험을 대신하려고 해도 노광 원리상 시뮬레이션에 많은 연산 시간이 소요되기 때문에 전체적인 시간 단축 효과는 미비하다.
이에, 스티칭 얼룩이 없는 노광을 수행하기 위해서 본 발명의 일 실시예에서는 노광 면에서 빔 스팟 어레이(131)를 구성하는 빔 스팟(133)들의 실제 위치 데이터를 이용하여 스티칭 영역에서 노광량 균일도(Uniformity)가 허용범위 이내가 되는 스텝 거리(Xs)를 찾고, 이에 맞게 화상 데이터를 생성하고 노광을 실시한다. 또한 필요시엔 빔 스팟(133)들의 빔 파워 데이터 또는 빔 크기 데이터도 이용하여 스티칭 영역에서 노광량 균일도(Uniformity)가 허용범위 이내가 되는 스텝 거리(Xs)를 찾도록 한다.
이하에서는 빔 스팟(133) 데이터를 이용하여 스텝 거리를 산출하는 방법을 도 9를 참조하여 설명한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광 장치에서 스티칭 노광을 위해 빔 스팟 데이터를 이용한 스텝 거리 산출 방법을 설명하는 개념도로서, Xs는 헤드 간 스텝 거리이다.
도 9에서, 노광 면에서 M행xN열 빔 스팟 어레이(131)로 구성된 i번째 헤드와 P행xQ열 빔 스팟 어레이(131)로 구성된 인접한 j번째 헤드에서, 각각의 빔 스팟(133) 위치 데이터를 이용하면 스티칭 영역 부근에서 부주사 방향인 X축 방향으로의 노광량 분포(Dose)를 아래의 [수학식 1]과 같이 계산할 수 있다.
[수학식 1]은 도 9에 도시한 바와 같이, 모든 빔 스팟(133)이 온(ON) 상태에서 주사 방향(Y축 방향)으로 이동한다고 할 때, 부주사 방향(X축 방향)으로 놓인 가상의 슬릿(32)이 받는 노광량 분포(Dose)라고 생각할 수 있다.
아울러, 각 노광 헤드(100)마다 광 변조소자(130)의 일부 행이나 열을 특정 목적으로 오프(OFF)시킬 수도 있기 때문에 노광 면에서의 빔 스팟 어레이(131) 개수가 광 변조소자(130)의 어레이 개수와 다를 수도 있으며, 마찬가지로 노광 헤드 (100)간에도 어레이 개수가 다를 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
[수학식 1]에서, S(X)는 빔 스팟(133)의 프로파일, Xi (m,n)는 i번째 헤드의 (m,n) 스팟의 X위치, Xj (p,q)는 j번째 헤드의 (p,q) 스팟의 X위치, Xoffset은 스티칭 얼룩을 없애기 위해 추가적으로 필요한 헤드 간 오프셋 거리를 나타낸다. 스티칭 영역을 포함하는 적당한 구간 (Xa, Xb)를 잡아, 이 (Xa, Xb) 구간 내에 빔 스팟(133) 데이터만을 이용하면 계산 시간을 단축할 수 있다. 인덱스 a, b는 이를 반영한 것이다.
[수학식 1]의 노광량 분포[Dose(X)]로부터 노광량 균일도(Uniformity)를 구할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광 장치에서 스티칭 영역에서의 [수학식 1]로 구해진 노광량 분포[Dose(X)]를 나타낸 그래프이다.
도 10에서, 노광량 균일도(Uniformity)는 아래의 [수학식 2]와 같이 정의하여 구할 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00002
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광 장치에서 헤드 간의 오프셋 거리에 따른 노광량 균일도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 11에서, 스티칭 얼룩을 없애기 위해 추가적으로 필요한 헤드 간 오프셋 거리(Xoffset)를 가변시키며, 아래의 [수학식 3]과 같이 노광량 균일도(Uniformity)가 최소화되는 값(Xmin)을 찾거나, 아래의 [수학식 4]와 같이 허용범위(U) 내로 들어오는 구간에서 적당한 값(Xoffset1~Xoffset2)을 찾는다.
[수학식 3]
Figure pat00003
[수학식 4]
Figure pat00004
이로부터, 단일 헤드 간의 스티칭 노광일 경우, Xi (m,n) = Xj (p,q)이므로, 스텝 거리 Xs는 Xoffset과 같다. 이종(두 개) 헤드 간의 스티칭 노광일 경우, 스텝 거리 Xs는 일례로 아래의 [수학식 5]와 같이 계산할 수 있다.
[수학식 5]
Xs = (Xj (1,1) - Xi (1,1)) + Xoffset
만일 빔 스팟(133)들의 빔 파워나 빔 크기가 충분히 균일하지 않을 경우, 빔 위치 데이터 뿐만 아니라, 빔 파워 데이터나 빔 크기 데이터까지 포함하여 아래의 [수학식 6]와 같이 노광량 분포(Dose)를 계산할 수 있다.
[수학식 6]
Figure pat00005
[수학식 6]에서, Xi (m,n)는 i번째 헤드의 (m,n) 스팟의 X위치, Xj (p,q)는 j번째 헤드의 (p,q) 스팟의 X위치, Pi (m,n)는 i번째 헤드의 (m,n) 스팟의 빔 파워, Pj (p,q)는 j번째 헤드의 (p,q) 스팟의 빔 파워, Si (m,n)는 i번째 헤드의 (m,n) 스팟의 빔 크기, Sj (p,q)는 j번째 헤드의 (p,q) 스팟의 빔 크기, Xoffset은 스티칭 얼룩을 없애기 위해 추가적으로 필요한 헤드 간 오프셋 거리를 나타낸다. 스티칭 영역을 포함하는 적당한 구간 (Xa, Xb)를 잡아, 이 (Xa, Xb) 구간 내에 빔 스팟(133) 데이터 만을 이용하면 계산 시간을 단축할 수 있다. 인덱스 a, b는 이를 반영한 것이다.
[수학식 6]에서 알 수 있듯이, 빔 스팟(133)들의 빔 위치 데이터, 빔 파워 데이터 및 빔 크기 데이터를 이용하여 보다 정확한 스텝 거리 Xs를 산출할 수 있다.
위에서 제시한 스텝 거리(Xs)의 산출 방법은 스티칭 노광을 수행하는 모든 마스크리스 노광 장치(10)에 적용할 수 있으며, 도 12a 내지 도 12d에서는 몇 가지 실시예를 보여 주고 있다.
도 12a 내지 도 12d는 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광 장치에서 스텝 거리 산출 방법을 적용할 수 있는 노광 헤드 배치의 다양한 실시예를 나타낸 도면이다.
도 12a는 단일 헤드(A)로 배치된 마스크리스 노광 장치(10)에서 스티칭 노광을 하는 경우이다.
도 12a에서, 헤드 A의 오른쪽 필드(field)의 빔 스팟(133) 위치 데이터(오른쪽 필드 데이터)와 왼쪽 필드의 빔 스팟(133) 위치 데이터(왼쪽 필드 데이터)를 이용하여 스텝 거리(Xs)를 산출할 수 있다.
도 12b는 두 개의 헤드(A, B)로 배치된 마스크리스 노광 장치(10)에서 스티칭 노광을 하는 경우이다.
도 12b에서, 헤드 A의 오른쪽 필드 데이터와 헤드 B의 왼쪽 필드 데이터를 이용하여 헤드 간 스텝 거리(Xs)를 산출할 수 있고, 헤드 A의 왼쪽 필드 데이터와 헤드 B의 오른쪽 필드 데이터를 이용하여 스텝핑 노광에 필요한 스텝핑 거리를 산출할 수 있다.
도 12c는 헤드가 2행으로 배치된 마스크리스 노광 장치(10)에서 스티칭 노광을 하는 경우이고, 도 12d는 헤드가 3행으로 배치된 마스크리스 노광 장치(10)에서 스티칭 노광을 하는 경우이다. 각각의 경우에서, 헤드의 개수는 기판(30)의 크기에 따라 결정될 수 있다.
도 12c에서, 헤드 A와 헤드 B, 헤드 B와 헤드 C, 헤드 C와 헤드 D등의 순서대로 스텝 거리(Xs)를 산출할 수 있다. 노광 헤드(100)의 직경이 필드 크기 보다 상대적으로 크거나 헤드 정렬부(46)의 사이즈가 클 경우, 도 12d에 도시한 바와 같이 3행 또는 그 이상의 행으로 헤드 배치가 이루어지는데, 역시나 동일한 방식으로 스텝 거리(Xs)의 산출 방법을 적용할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광 장치에서 스티칭 노광을 수행하기 위한 제어 방법을 나타낸 동작 순서도이다.
도 13에서, 기판(30)을 스테이지(20) 위에 고정시킨 후, 스테이지(20)가 주사 방향인 Y축 방향(스캔 방향)으로 이동함에 따라 노광 헤드(100)의 광원(110)으로부터 조사되는 노광 빔(115)이 광 변조소자(130)를 통해 변조되고, 노광 패턴에 따라 변조된 노광 빔(115)이 빔 스팟 어레이(131) 형태로 기판(30) 상에 전사된다.
빔 측정부(40)는 빔 스팟 어레이(131)를 구성하는 빔 스팟(133)들 즉, 빔 어레이 데이터를 측정한다(200). 빔 어레이 데이터는 기본적으로 빔 위치 데이터를 측정할 수 있으며, 필요에 따라 빔 파워 데이터 및 빔 크기 데이터를 측정할 수도 있다.
연산부(42)는 빔 측정부(40)에서 측정된 빔 위치 데이터, 빔 파워 데이터 또는 빔 크기 데이터를 이용하여 스텝 거리(Xs)를 산출하고(202), 헤드 정렬부(46)는 산출된 스텝 거리(Xs)에 맞게 부주사 방향(X축 방향)으로 노광 헤드(100)의 정렬을 수행한다(204).
이후, 화상 데이터 생성부(44)는 빔 측정부(40)에서 측정된 빔 데이터 및 연산부(42)로부터 산출된 스텝 거리(Xs)에 기반하여 노광에 필요한 광 변조소자(130)의 화상 데이터를 생성하고, 헤드 제어부(48)는 노광 헤드(100)의 정렬 이외에도 노광 헤드(100) 내의 광 변조소자(130), 광원(110), 포커싱 유닛 등을 제어하여 노광을 수행한다(206).
본 발명의 일 실시예에서 제안하는 스티칭 노광 방법을 이용하여 스티칭 얼룩이 발생하지 않음을 보이기위해 노광 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 조건은 도 14와 같이 가정하였다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광 장치에서 스티칭 노광 시뮬레이션 조건을 나타낸 표이다.
도 14에서 보듯이, 헤드 A와 헤드 B는 빔 스팟 어레이(131)의 행 수, 회전 정렬 각도, 배럴 왜곡 수차 수준이 다르다. 또한 각각의 빔은 반치폭(FWHM, full width at half maximum)이 2.6 um인 가우시안 빔으로 가정하였다.
헤드 A와 헤드 B의 중심을 기준으로 이론적인 X축 방향(스텝핑 방향)의 헤드 간격인 67.774103 mm=0.0353*1920/2*(cos(0.42971˚)+cos(0.42771˚))에서 추가적인 오프셋 거리(Xoffset)를 주면서 스티칭 영역의 노광량 분포(Dose) 변화를 살펴보았다. 이로부터 노광량 균일도(Uniformity) 변화의 추이를 계산한 결과 -10.7 um에서 가장 좋은 결과를 보였다. 이로부터, 필요한 헤드 A와 헤드 B 중심간의 스텝 거리(Xs)는 67.763403 mm로 산출되었다. 참고로, 각 헤드의 (1,1) 스팟을 기준으로 할 때의 스텝 거리는 67.764352 mm인데, 이러한 스텝 거리의 차는 헤드 간 왜곡 수차량이 다르기 때문이다.
도 15a 및 도 15b는 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광 장치에서 스티칭 영역에서의 에어리얼 이미지를 종래와 비교한 도면으로, 3.5 um line/space 패턴에 대한 스티칭 영역에서의 노광 에이리얼 이미지(aerial image)를 나타낸 것이다.
도 15a는 이론적인 스텝 거리(67.774103 mm)를 적용한 경우로, 노광량(Dose)이 부족한 영역이 존재하여 선 폭이 가늘어지는 부분이 발생하고, 따라서 스티칭 얼룩이 나타남을 예상할 수 있다.
반면에, 도 15b는 본 발명의 일 실시예에서 제안하는 방법으로 스텝 거리(Xs)를 산출한 경우로, 스티칭 영역에서도 균일한 노광량(Dose)을 보여 얼룩이 발생하지 않음을 확인할 수 있다.
10 : 마스크리스 노광 장치 20 : 스테이지
30 : 기판 40 : 빔 측정부
42 : 연산부 44 : 화상 데이터 생성부
46 : 헤드 정렬부 48 : 헤드 제어부
50 : 스테이지 제어부 52 : 상위 제어부
100 : 노광 헤드 110 : 광원
115 : 노광 빔 130 : 광 변조소자
131 : 빔 스팟 어레이 133 : 빔 스팟
140 : 노광 광학계

Claims (19)

  1. 기판을 이동시키는 스테이지;
    상기 기판에 패턴을 노광하기 위해 노광 빔을 빔 스팟 어레이 형태로 전사하는 노광 헤드;
    상기 빔 스팟 어레이의 빔 데이터를 측정하는 빔 측정부;
    상기 측정된 빔 데이터를 이용하여 스텝 거리를 산출하는 연산부;
    상기 산출된 스텝 거리에 따라 상기 노광 헤드를 정렬한 후 스티칭 노광을 수행하는 제어부를 포함하는 마스크리스 노광 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 빔 측정부는 상기 빔 스팟 어레이를 구성하는 빔들의 위치 데이터, 파워 데이터, 크기 데이터 중 적어도 하나의 빔 어레이 데이터를 측정하는 마스크리스 노광 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연산부는 상기 측정된 빔 어레이 데이터를 이용하여 스티칭 영역에서 부주사 방향의 노광량을 계산하고, 상기 계산된 노광량으로부터 노광량 균일도를 구하여 상기 스텝 거리를 산출하는 마스크리스 노광 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연산부는 상기 스티칭 영역에서 부주사 방향의 노광량 균일도가 최소화되는 스텝 거리를 산출하는 마스크리스 노광 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 연산부는 상기 스티칭 영역에서 부주사 방향의 노광량 균일도가 허용범위 이내가 되는 스텝 거리를 산출하는 마스크리스 노광 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 연산부는 상기 측정된 빔 어레이 데이터 전부를 이용하여 상기 스텝 거리를 산출하는 마스크리스 노광 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 연산부는 상기 측정된 빔 어레이 데이터 중 일부 데이터를 이용하여 상기 스텝 거리를 산출하는 마스크리스 노광 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 노광 헤드는,
    상기 노광 빔을 출사하는 광원;
    노광 패턴에 따라 상기 노광 빔을 변조하는 광 변조소자;
    상기 변조된 노광 빔을 상기 빔 스팟 어레이 형태로 상기 기판 상에 전사하는 노광 광학계를 포함하는 마스크리스 노광 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 노광 헤드는 단일 헤드 또는 멀티 헤드로 구성되는 마스크리스 노광 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 마스크리스 노광 장치는 상기 멀티 헤드 간 빔 어레이 개수가 다른 경우를 포함하는 마스크리스 노광 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 마스크리스 노광 장치는 상기 빔 어레이 개수가 상기 광 변조소자의 어레이 개수와 다른 경우를 포함하는 마스크리스 노광 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 연산부는 상기 멀티 헤드 간 스텝 거리를 산출하는 마스크리스 노광 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 마스크리스 노광 장치는 상기 빔 스팟 어레이를 주사 방향에 대해 회전각만큼 경사지게 하여 노광하는 마스크리스 노광 장치.
  14. 기판이 안착된 스테이지를 주사 방향으로 이동하고;
    노광 패턴에 따라 노광 빔을 변조하여 빔 스팟 어레이 형태로 상기 기판에 전사하고;
    상기 빔 스팟 어레이의 빔 데이터를 측정하고;
    상기 측정된 빔 데이터를 이용하여 스텝 거리를 산출하고;
    상기 산출된 스텝 거리에 따라 화상 데이터를 생성하여 스티칭 노광을 수행하는 마스크리스 노광 장치의 스티칭 노광 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 빔 데이터를 측정하는 것은,
    상기 빔 스팟 어레이를 구성하는 빔들의 위치 데이터, 파워 데이터, 크기 데이터 중 적어도 하나의 빔 어레이 데이터를 측정하는 마스크리스 노광 장치의 스티칭 노광 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 스텝 거리를 산출하는 것은,
    상기 측정된 빔 어레이 데이터를 이용하여 스티칭 영역에서 부주사 방향의 노광량 분포를 계산하고;
    상기 계산된 노광량 분포로부터 노광량 균일도를 구하고;
    상기 노광량 균일도가 최소화되는 오프셋 값을 찾아 상기 스텝 거리를 산출하는 마스크리스 노광 장치의 스티칭 노광 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 스텝 거리를 산출하는 것은,
    상기 측정된 빔 어레이 데이터를 이용하여 스티칭 영역에서 부주사 방향의 노광량 분포를 계산하고;
    상기 계산된 노광량 분포로부터 노광량 균일도를 구하고;
    상기 노광량 균일도가 허용범위 이내가 되는 오프셋 값을 찾아 상기 스텝 거리를 산출하는 마스크리스 노광 장치의 스티칭 노광 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 측정된 빔 어레이 데이터를 이용하여 멀티 헤드 간 간격을 결정하는 것을 더 포함하는 마스크리스 노광 장치의 스티칭 노광 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 멀티 헤드 간 간격 조정을 위해 헤드를 정렬하는 것을 더 포함하는 마스크리스 노광 장치의 스티칭 노광 방법.
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