KR20120034396A - 마스크리스 노광 장치, 마스크리스 노광에서 노광 시작 위치와 자세를 결정하는 방법 - Google Patents

마스크리스 노광 장치, 마스크리스 노광에서 노광 시작 위치와 자세를 결정하는 방법 Download PDF

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Abstract

마스크리스 노광(Maskless Lithography)에서 장비 조립 후, 실제 노광 시작 위치와 자세를 찾아 설계상 공칭 값대비 차이를 결정하고 보상하는 방법을 제안한다.
기판을 로딩/언로딩하는 로더의 설치 시, 로더의 자세를 미세 조정하기 어렵기 때문에 장비 조립 후실제 노광 시작 위치와 자세를 찾아 설계상 공칭 값대비 차이를 결정하고 보상하는 방법을 통해 기판의 로딩 자세와 노광 스캔 방향(자세)의 차이를 보상할 수 있다. 또한 MMO(Machine to Machine Overlay 또는 Multi-Machine Overlay) 노광 시, 다른 노광 장치의 이송 자유도별 범위(stroke)에는 제한이 있으므로 이송 가능한 각 변위 범위(angular stroke) 이내로 노광 시작 위치와 자세를 확보하여 다른 노광 장치와 MMO를 위한 노광 호환이 가능하다.

Description

마스크리스 노광 장치, 마스크리스 노광에서 노광 시작 위치와 자세를 결정하는 방법{MASKLESS EXPOSURE APPARATUS, METHOD FOR DETERMINING START POSITION AND ORIENTATION OF EXPOSURE SCAN IN MASKLESS LITHOGRAPHY}
마스크리스 노광(Maskless Lithography)에서 노광 시작 위치와 자세를 결정하는 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 기판(또는 반도체 웨이퍼)에 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 마스크를 사용하지 않고 기판(또는 반도체 웨이퍼)에 원하는 패턴을 형성하는 마스크리스 노광(Maskless Lithography) 공정이 개발되고 있다. 마스크리스 노광은 무엇보다 마스크 제작/세정/보관 등과 같은 비용이 들지 않고 자유로운 패널 설계가 가능하며, 마스크 제작 기간이 소요되지 않기 때문에 리드 타임(lead time)이 단축되며, 마스크 결함(mask defect)이 없기 때문에 공정 유실이 없고 하이브리드 설계(hybrid layout) 적용으로 생산 유연성(flexibility)을 높이는 등 여러 장점이 있다.
마스크리스 노광에서 기판을 로딩(loading)/언로딩(unloading)하는 로더(loader)와, 기판의 노광 시작 위치 및 자세를 측정하기 위한 측정계(Measurement system) 등의 장비 조립 후, 기판의 로딩 자세와 노광 스캔 방향(자세)이 일치해야 기판에서 요구되는 노광 유효 영역 내에 패턴을 정확하게 형성할 수 있다.
그러나, 실제 장비를 조립하게 되면 일반적으로 설계대로 즉, 기판의 로딩 자세에 대해 노광 스캔 방향이 일치되게 장착되지 않는다. 따라서 실제 노광 시작 위치와 자세를 찾아야 한다.
마스크리스 노광(Maskless Lithography)에서 장비 조립 후, 실제 노광 시작 위치와 자세를 찾아 설계상 공칭 값대비 차이를 결정하고 보상하는 방법을 제안하고자 한다.
이를 위해 본발명의 일 측면에 의한 노광 시작 위치 및 자세 결정 방법은, 임의의 레이어가 패터닝된 기판을 이동 테이블 위에 로딩하고 로딩된 기판에 마스크리스 노광을 이용하여 패턴을 노광하고 기판에 기존에 패터닝된 마크 위치와 기판에 새로 노광된 패턴의 마크 위치를 측정하고 측정된 마크 위치를 이용하여 설계상 노광 시작 자세 대비 실제 자세의 상대 자세 차이(△θ)를 구하고 측정된 마크 위치를 이용하여 설계상 노광 시작 위치 대비 실제 위치의 상대 위치 차이(△X, △Y)를 구하고 상대 위치 차이(△X, △Y)와 상대 자세 차이(△θ)를 이용하여, 보상된 노광 시작 위치와 자세를 결정하는 것을 포함한다.
임의의 레이어가 패터닝된 기판은, 기준(standard)으로 간주할 수 있는 기판 또는 MMO(Multi Machine Overlay)를 위해 호환하고자 하는 노광 장치에서 임의의 레이어가 패터닝된 기판을 사용한다.
임의의 레이어가 패터닝된 기판은, 노광 시작 위치 및자세를 찾기 위해 패턴 정보를 알고 있는 기판을 사용한다.
측정된 마크 위치를 이용하여 설계상 노광 시작 자세 대비 실제 자세의 상대 자세 차이(△θ)를 구하는 것은, 아래의 [수학식 1]을 이용하여 노광 장비 조립 후, 설계상 공칭값 대비 실제 노광 시작 자세(각도)의 차이(△θ)를 구하는 것이다.
또한, 본 발명의 노광 시작 위치 및 자세 결정 방법은, 상대 자세 차이(△θ)를 이용하여 기판의 노광 시작 자세를 보상하고 기판의 노광 시작 자세를 보상한 후, 기판을 다시 로딩하여 노광하고 기판을 다시 노광한 후 기판에 기존에 패터닝된 마크 위치 및 기판에 새로 노광된 패턴의 마크 위치를 측정하는 것을 더 포함한다.
측정된 마크 위치를 이용하여 설계상 노광 시작 위치 대비 실제 위치의 상대 위치 차이(△X, △Y)를 구하는 것은, 다시 측정된 마크 위치로부터 기구학적 관계(kinematics)를 이용하여 노광 장비 조립 후, 설계상 공칭값 대비 실제 노광 시작 위치의 차이(△X, △Y)를 구하는 것이다.
또한, 본 발명의 노광 시작 위치 및 자세 결정 방법은, 노광 장비 조립 후, 실제 노광 시작 위치와 자세를 찾아 설계상 공칭값 대비 차이를 구하여 임의의 레이어의 패턴을 노광할 때 보상하는 것을 더 포함한다.
또한, 본 발명의 노광 시작 위치 및 자세 결정 방법은, 정렬을 위한 마크가 새겨져 있지 않는 기판에 첫번째 레이어의 패턴을 노광할 때 보상하는 것을 더포함한다.
상대 위치 차이(△X, △Y)와 상대 자세 차이(△θ)를 이용하여, 보상된 노광 시작 위치와 자세를 결정하는 것은, 노광 시작 위치 및 자세에 대한 설계상 지령값( S Pcmd)에 [△X, △Y, △θ]T 만큼 보상하여 실제 노광 시작 위치 및 자세에 대한 보상 지령값( S P'cmd)을 아래의 [수학식 7]과 [수학식 8]을 이용하여 구하는 것이다.
그리고, 본 발명의 일 측면에 의한 마스크리스 노광 장치는, 임의의 레이어가 패터닝된 기판을 이동 테이블 위에 로딩하고 XYθ 방향으로 이송시키는 스테이지 로딩된 기판에 패턴을 노광하기 위해 노광 빔을 빔 스팟 어레이 형태로 전사하는 광 변조소자 기판에 기존에 패터닝된 마크 위치와 기판에 새로 노광된 패턴의 마크 위치를 측정하는 측정계 측정된 마크 위치를 이용하여 설계상 노광 시작 자세 대비 실제 자세의 상대 자세 차이(△θ)와 설계상 노광 시작 위치 대비 실제 위치의 상대 위치 차이(△X, △Y)를 구하고, 상대 위치 차이(△X, △Y)와 상대 자세 차이(△θ)를 이용하여 보상된 노광 시작 위치와 자세를 결정하는 제어부를 포함한다.
측정계는 비접촉 좌표 측정기(CMM:Coordinates Measuring Machine, non-contact) 또는 정렬계(ASU; Alignment Scope Unit)를 사용한다.
제안된 마스크리스 노광 장치, 마스크리스 노광에서 노광 시작 위치와 자세를 결정하는 방법에 의하면, 마스크리스 노광(Maskless Lithography)에서 장비 조립 후 실제노광 시작 위치와 자세를 찾아 설계상 공칭 값 대비 차이를 결정하고 보상하는 방법을 통해 기판을 로딩/언로딩하는 로더의 설치 시 기판의 로딩 자세와 노광 스캔 방향(자세)의 차이를 보상할 수 있다. 또한 MMO(Machine to Machine Overlay 또는 Multi-Machine Overlay) 노광 시, 다른 노광 장치의 이송 자유도별 범위(stroke)에는 제한이 있으므로 이송 가능한 각 변위 범위(angular stroke) 이내로 노광 시작 위치와 자세를 확보하여 다른 노광 장치와 MMO를 위한 노광 호환이 가능하다.
이외에도, 패턴 형성광의 광원(UV laser)은 육안으로 확인하기 어렵기 때문에 양산용 장비와 유지 보수를 고려하여 출입이 불가한 장비 내에 복수 광학계들 각각의 실제 노광 시작 위치와 자세, 장비 별 광학계의 실제 노광 시작 위치와 자세를 체계적으로 찾고 결정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 측정계의 전체 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 측정계의 동작 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광 장치의 전체 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광에서 SMO(Single Machine Overlay) 노광 시, 기판 내에 노광되어야 할 영역이 요구된 노광 유효 영역을 벗어난 경우를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광에서 기구적 원인에 의해 기판의 실제 로딩된 위치 및자세가 설계 대비 차이가 나는 경우를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광에서 MMO(Machine to Machine Overlay or Multi-Machine Overlay) 노광을 위해 기판이 다른 노광 장치에 로딩된 경우를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광에서 설계상 기판의 노광 시작 위치 및 자세와 설계상 노광될 공칭 영역이 일치하는 이상적인 경우를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광에서 설계상 기판의 노광 시작 위치 및 자세와 설계상 노광될 공칭 영역이 일치해야 하나, 기판이 실제 로딩된 위치 및자세와 실제 노광된 영역이 설계 대비 차이가 발생하여 일치하지 않는 일반적인 경우를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광에서 기준 기판(SS)을 로딩하여 노광한 후 현상을 통해 도8의 결과를 확인하는 도면이다.
도 10은 도 9의 결과에 대한 좌표계 및 마크의 위치 벡터를 정의한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광에서 이동 테이블을 노광 스캔 방향으로 이송하여 상대 자세 차이(△θ)를 구하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광에서 상대 자세 차이(△θ)의 보상 후, 기준 기판(SS)을 로딩하여 노광한 후 현상을 통해 확인한 결과를 나타낸 도면이다.
도 13은 도 12의 결과에 대한 좌표계 및 마크의 위치 벡터를 정의한 제1도면이다.
도 14는 도 12의 결과에 대한 좌표계 및 마크의 위치 벡터를 정의한 제2도면이다.
도 15는 도 13 및 도 14에서 오버레이 좌표계(Σ O )와 측정 좌표계(Σ MS ) 사이의 변환을 나타낸 도면이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광에서 위치 및 자세 벡터를 정의한 도면이다.
이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 측정계의 전체 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 측정계의 동작 개념도이다.
도 1 및 도 2에서, 본 발명의 일 실시예에 의한 측정계(10; Measurement system)는 기판(반도체 웨이퍼, 글라스 등 소정의 패턴을 형성하고자 하는 모든 시료: S)이 올려지는 이동 테이블(111)과, 이동 테이블(111)의 상부에 설치되어 이동 테이블(111) 위에 올려진 기판(S)의 위치와 자세를 계측하기 위한 측정부(140)를 포함한다. 측정부(140)는 X방향, Y방향, Z방향으로 이동 가능하게 겐트리(170)에 설치된다.
겐트리(170)에는 X방향, Y방향 또는 Z방향으로 이동하는 가이드 바 형태의 이동 부재(171, 172, 173)가 설치되고, 이동 부재(171, 172, 173)에는 측정부(140)가 결합되어 측정부(140)를 X방향, Y방향 또는 Z방향으로 각각 이동 가능하게 한다. 측정부(140)의 3자유도(X,Y,Z)는 가장일반적이고 복잡한 경우이며, 몇 개의 자유도를 구속하는 특수한 경우를 포함한다. 예를 들어, X방향, Y방향 또는 Z방향 등의 여러 조합을 이룰 수 있다.
이와 같이, 측정부(140)는 이동 부재(171, 172, 173)의 동작에 따라 X방향, Y방향, Z방향으로 이동하는 3자유도(X, Y, Z)를 가지며, 기판(S)이 올려지는 이동 테이블(111)은 스테이지(110)의 동작에 따라 X방향, Y방향, θ방향으로 이동하는 3자유도(X, Y, θ)를 가진다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광 장치의 전체 구성도이다.
도 3에서, 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광 장치(100)는 스테이지(110), 광원부(120), 투영부(130), 측정부(140), 마크 촬상부(150) 및 제어부(160)를 포함한다.
스테이지(110; stage)는 노광하고자 하는 기판(S)을 이동 테이블(111) 위에 올려 놓고 X방향, Y방향, θ방향으로 이송하는 장치로, 마스크리스 노광에서 실제 노광 시작 위치와 자세를 찾기 위해 기판(S)을 로딩하여 알고 있는 방향(예를 들어, 노광 스캔 방향, 노광 스캔에 수직으로 90도 직각인 방향)으로 제어부(160)의 지시에 따라 이동 테이블(111)을 이송시킨다.
여기서, 기판(S)에는 레이어(L)가 패터닝되어 있는데, 이 레이어(L)는 노광 시작 위치 및 자세를 찾기 위해 패턴 정보를 알고 있는 임의의 레이어로, 노광 공정을 통해 기판(S)에 정렬 마크(AM; Align Mark, 오버레이 노광 정렬 시 기준이 되는 마크)를 형성시킨다. 기판(S) 위에 패터닝된 레이어(L) 위에는 최소 1개 이상의 정렬 마크(AM)가 존재한다.
광원부(120)는 노광을 위한 레이저 광을 출력하는 것으로, 반도체 레이저 또는 자외선 램프 등을 포함한다. 이 레이저 광은 투영부(130)을 통해스테이지(110)에 놓여진 기판(S)으로 출력된다.
투영부(130; optic head)는 스테이지(110)의 일측에 고정 설치되고, 가상의 마스크(VM)의 패턴을 형성시키기 위한 패턴 형성광을 복수의 스폿 빔으로 기판(S)에 투영한다.
이러한 투영부(130)는 광원부(120)에서 출력된 광을 가상의 마스크(VM)의 패턴을 갖는 광으로 변조시키는 광 변조소자(131)와, 광 변조소자(131)에서 변조된 광을 확대하는 제1프로젝션 렌즈(132)와, 복수의 렌즈들이 어레이 형태로 형성되어 있고 제1프로젝션 렌즈(132)에서 확대된 가상의 마스크(VM) 패턴을 갖는 광을 복수 개의 광으로 분리하여 집광시키는 멀티 렌즈 어레이(Multi Lens Array, MLA: 133)와, 멀티 렌즈 어레이(133)에서 집광된 광의 해상도를 조정하여 투과시키는 제2프로젝션 렌즈(134)를 포함한다.
광 변조소자(131)는 공간 광 변조기(Spatial Light Modulator, SLM)를 포함한다. 광 변조소자(131)는 예를 들어, MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 타입의디지털 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(131)를 이용하여 본 발명을 설명한다.
DMD는 메모리 셀과, 메모리 셀 상에 L행×M열의 매트릭스 타입으로 배열된 다수의 마이크로 미러(micro mirror)를 포함하여 이루어진 미러 디바이스이다. 화상 데이터에 따라 생성된 제어신호에 기초하여 각 마이크로 미러의 각도를 달리하여 원하는 광은 제1프로젝션 렌즈(132)로 반사시켜 보내고, 그 외의 광은 다른 각도로 보내어 차단시킨다.
DMD로 이루어진 광 변조소자(131)의 메모리 셀에 디지털 신호가 기록되면 마이크로 미러가 대각선을 중심으로 해서 일정각도(예를 들면, ±12˚)의 범위에서 기울어진다. 각 마이크로 미러의 온/오프 제어는 후술하는 제어부(170)에 의해 각각 제어된다. 온 상태의 마이크로 미러에 의해 반사된 광은 기판(S) 위의 노광 대상물(보통 PR:Photoresist)을 노광시키고, 오프 상태의 마이크로 미러에 의해 반사된 광은 기판(S)에 노광 대상물을 노광시키지 않게 된다.
제1프로젝션 렌즈(132)는 양측 텔레센트릭(double telecentric) 광학계로 이루어져 있고, 광 변조소자(131)를 거친 상을 예를 들어, 약 4배로 확대하여 멀티 렌즈 어레이(133)의 개구면(aperture plane)에 결상한다.
제2프로젝션 렌즈(134)도 양측 텔레센트릭(double telecentric) 광학계로 이루어져 있고, 멀티 렌즈 어레이(133)의 초점 면에 형성된 복수의 스폿 빔을 예를 들어 약 1배로 기판(S) 상에 결상한다. 본 발명의 일 실시예에서는 제1프로젝션 렌즈(132) 및 제2프로젝션 렌즈(134)의 배율을 각각 4배, 1배인 경우를 예로 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 제1프로젝션 렌즈(132) 및 제2프로젝션 렌즈(134)의 배율은 원하는 스폿 빔의 크기, 노광할 패턴의 최소 형상 사이즈(minimum feature size)에 따라 최적의 배율 조합을 도출할 수 있다.
멀티 렌즈 어레이(133)는 광 변조소자(131)의 마이크로 미러에 대응하는 복수의 마이크로 렌즈가 2차원으로 배열되어서 이루어지는 것이다. 예를 들어, 광 변조 소자(131)가 1920개×400개의 마이크로 미러로 이루어져 있는 경우, 이에 대응하여 마이크로 렌즈도 1920개×400개가 배치된다. 또 마이크로 렌즈의 배열 피치는 광 변조소자(131)의 마이크로 미러의 배열 피치에 제1프로젝션 렌즈(132)의 배율을 곱한 값과 실질적으로 동일할 수 있다.
그리고, 투영부(130)는 제2프로젝션 렌즈(134)에서 투과된 복수의 스폿 빔에 의해 형성된 패턴을 갖는 가상의 마스크(VM)를 생성한다.
가상의 마스크(VM)는 물리적으로 존재하는 마스크가 아닌, 복수의 스폿 빔이 미리 저장된 패턴에 대응하여 광 변조소자(131)에서 온/오프되어 패턴을 형성하여 만들어진 것이다. 가상의 마스크(VM)는 스테이지(110)를 주사 방향(Y축 방향)으로 스캐닝하고 부주사 방향(X축 방향)으로 스텝핑하여 기판(S)에 형성시킬 패터닝 크기를 갖는다.
이렇게 구성된 마스크리스 노광 장치(100)는 광원부(120)에서 광을 출력하고, 광 변조소자(131)에서 광원부(120)의 출력광을 가상의 마스크(VM)의 패턴을 갖는 광으로 변조시킨다. 그리고, 광 변조소자(131)에서 변조된 가상의 마스크(VM)의 패턴을 가진 광을 제1프로젝션 렌즈(132)에서 확대하고, 확대된 가상의 마스크(VM)의 패턴을 가진 광을 멀티 렌즈 어레이(133)에서 복수의 스폿 빔들로 분리하여 집광시키고, 제2프로젝션 렌즈(134)에서 멀티 렌즈 어레이(133)에서 집광된 광의 해상도를 조정하여 투과시킴으로써 노광을 수행한다.
측정계(10)는 스테이지(110)와 그 상측에 마련된 측정부(140)로 구성되어 있고, 기판(S)을 스테이지(110)의 이동 테이블(111) 위에 올려 놓고 기판(S)에 새겨진 정렬 마크(AM)의 위치를 측정하는 비접촉 좌표 측정기(CMM:Coordinates Measuring Machine, non-contact)를 이용한다.
또한, 측정계(10)는 마스크리스 노광 장치(100)의 측정부(140)를 이용한 오프 액시스(off-axis) 방식의 정렬계(ASU; Alignment Scope Unit)로 대체될 수 있다.
마크 촬상부(150)는 측정부(140)의 상측에 마련되어, 실제 노광 시작 위치와 자세를 찾기 위해 기판(S)에 새겨진 정렬 마크(AM) 즉, 임의의 레이어(L)에 새겨진 현재 정렬 마크(AM)를 촬상하고, 촬상된 영상을 제어부(160)로 전송한다. 이때, 제어부(160)의 지시에 따라 기판(S)을 로딩하여 알고 있는 방향(예를 들어, 노광 스캔 방향, 노광 스캔에 수직으로 90도 직각인 방향)으로 이동 테이블(111)을 이송하도록 스테이지(110)의 이동이 제어된다.
제어부(160)는 측정부(140)에서 측정된 2개 이상의 정렬 마크(AM)의 위치로부터 기구학적 관계(kinematic relation)를 이용하여 각 정렬 마크(AM)의 위치에 대한 상대 위치 및자세 차이를 구하고, 구한 상대 위치 및 자세 차이를 이용하여 설계상 노광 시작 위치 및 자세에 상대 위치 및 자세 차이만큼 보상하여 실제 노광 시작 위치 및 자세를 결정한다.
따라서, 제어부(160)는 장비 셋업(setup) 시, 노광 시작 위치 및자세에 대한 상대 위치 및 자세 차이를 찾아 이를 보상해 준다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서는 가상의 마스크(VM)를 이용한 마스크리스 노광 장치(100)를 예로 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 마스크 노광 장치에서도 적용 가능함은 물론이다.
이하에서는 마스크리스 노광에서 오버레이(overlay) 노광을 위하여 장비 조립 후 실제 노광 시작 위치와 자세를 찾아내는 방법을 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광에서SMO(Single Machine Overlay) 노광 시, 기판 내에 노광되어야 할 영역이 요구된 노광 유효 영역을 벗어난 경우를 나타낸 도면이다.
도 4에서, 기판(S)에는 실선으로 도시한 바와 같이, 노광될 기판(S)에서 요구되는 노광 유효 영역이 존재하며, 노광 유효 영역 내에는 설계상 노광 시작 위치 및 자세에 의해 노광될 공칭 영역이 존재한다.
마스크리스 노광에서 기판(S)을 로딩(loading)/언로딩(unloading)하는 로더(loader)와, 기판(S)의 노광 시작 위치 및 자세를 측정하기 위한 측정부(140) 등의 장비 조립 후, 기판(S)의 로딩 자세와 노광 스캔 방향(자세)이 일치해야 기판(S)에서 요구되는 노광 유효 영역 내에 패턴을 정확하게 형성할 수 있다.
그러나, 실제 장비를 조립하게 되면 일반적으로 설계대로 즉, 기판(S)의 로딩 자세에 대해 노광 스캔 방향이 일치되게 장착되지 않고, 도 4에 도시한 바와 같이 설계상 노광될 공칭 영역 대비 실제 노광된 영역이 노광될 기판(S)에서 요구되는 노광 유효 영역을 벗어나게 장착된다.
도 4는 설계상 노광될 공칭 영역 대비 실제 노광 영역이 X방향과Y방향으로 벗어난 경우(△θ = 0)를 나타낸 것으로, st는 평면 운동에서 기판(S)의 로딩 반복 정밀도를 확보하도록 기구학적 클램핑(kinematic clamping)을 위한 스톱퍼(stopper)를 형상화한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광에서 기구적(가공, 조립 등) 원인에 의해 기판의 실제 로딩된 위치 및 자세가 설계 대비 차이가 나는 경우를 나타낸 도면이다.
도 5에서, 기판(S)에는 실선으로 도시한 바와 같이, 노광될 기판(S)에서 요구되는 노광 유효 영역이 존재하는데, 기구적인 가공, 조립 등의 원인(예를 들어, optic head)에 의해 기판(S)의 노광 시작 위치 및 자세가 설계상 노광될 공칭 영역 대비 차이가 난다.
도 5는 설계상 노광될 공칭 영역 대비 실제 노광 영역이 X방향, Y방향, θ방향으로 벗어난 경우(△θ ≠ 0)를 나타낸 것으로, 장비 조립 시 나타나는 일반적인 경우이다.
도 5에서, 기판(S)이 실제 로딩된 위치 및 자세는 스테이지(110)의 기구적 원인에 의해 설계상 공칭 대비 차이가 발생하고, 실제 노광된 영역은 투영부(130; optic head)의 기구적 원인에 의해 설계상 공칭 대비 차이가 발생된다. 투영부(130)는 고정되어 있고 스테이지(110)는 움직일 수 있으므로, 실제 로딩된 위치 및 자세가 실제 노광된 영역에 일치하도록 상대 자세 및 상대 위치(△θ, △X, △Y)를 구하고, 스테이지(110)를 이용하여 실제 노광 시작 위치와 자세를 보상한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광에서 MMO(Machine to Machine Overlay or Multi-Machine Overlay) 노광을 위해 기판이 호환하고자 하는 다른 노광 장치에 로딩된 경우를 나타낸 도면으로, 도 5에서 노광된 후, 다른 노광 장치에서 MMO(Machine to Machine Overlay or Multi-Machine Overlay) 노광을 위해 기판(S)이 로딩된 경우를 나타낸 것이다.
일반적으로 MMO를 수행할 다른 노광 장치의 이송 자유도별 범위(stroke)에는 제한이 있다. 특히 이송 가능한 각 변위 범위(angular stroke) 이내로 노광 시작 위치와 자세를 확보하여야 다른 노광 장치와 MMO를 위한 노광 호환이 가능하다. 만일 도 6에서 다른 노광 장치에 로딩된 기판(S)이 그 노광 장치의 각 변위 범위(angular stroke)를 벗어났다면 오버레이(Overlay) 노광을 수행할 수 없다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광에서 설계상 기판의 노광 시작 위치 및 자세와 설계상 노광될 공칭 영역이 일치하는 이상적인 경우를 나타낸 도면이다.
도 7에서, 우측의 도면은 좌측 도면에서 포개어진 부분 즉, 설계상 기판(S)의 노광 시작 위치 및 자세와 설계상 노광될 공칭 영역을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광에서 설계상 기판의 노광 시작 위치 및 자세와 설계상 노광될 공칭 영역이 일치해야 하나, 기판이 실제 로딩된 위치 및 자세와 실제 노광된 영역이 설계 대비 차이가 발생하여 일치하지 않는 일반적인 경우를 나타낸 도면이다.
도 8에서, 설계 대비 차이는 주로 기구적인 가공, 조립 등의 원인에 의해 발생한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광에서 기준 기판(SS)을 로딩하여 노광한 후 현상을 통해 도8의 결과를 확인하는 도면이다.
도 9에서, 기준 기판(SS; Standard Substrate)은 어떤 레이어(L)가 패터닝된 기준(standard)으로 간주할 수 있는 기판 또는 MMO(Multi Machine Overlay)를 위해 호환하고자 하는 다른 노광 장치에서 어떤 레이어(L)가 노광된 기판을 의미한다. 어떤 레이어(L)는 노광 시작 위치 및 자세를 찾기 위해 패턴 정보를 알고 있는 임의의 레이어를 의미한다.
또한, 정렬 마크(AM)는 기준 기판(SS) 위에 기존에 이미 패터닝된 영역 즉, 임의의 레이어(L)에 새겨진 마크이고, 새로 패터닝된 영역 즉, 실제 노광 영역에 새겨진 마크를 모두 의미한다.
도 9에서, 설계상 기판(S)의 노광 시작 위치 및 자세와 설계상 노광될 공칭 영역이 일치하는지 결과를 확인하기 위하여 정의된 물리량은 아래와 같다.
Σ O (X O , Y O , θ)는 이동 테이블(111)에 놓여진 기판(S)의 위치 및 자세취득을 통해 오버레이 수행을 위한 기준 좌표계(이하, 오버레이 좌표계라 한다)로, 스테이지(110)에 마련되어 있다.
도 10은 도 9의 결과에 대한 좌표계 및 마크의 위치 벡터를 정의한 도면이다.
도 10에서, 기준 기판(SS)을 로딩하여 노광한 후 현상하여 측정계(10)에 올려 놓고 측정부(140)를 통해 기준 기판(SS) 위에 이미 패터닝된 정렬 마크(AM)와 방금 패터닝된 정렬 마크(AM)의 위치를 각각 측정하는데, 정렬 마크(AM)를 측정하기 위하여 정의된 물리량은 아래와 같다.
Σ S (X S , Y S , θ)는 스테이지(110)의 이동 테이블(111)의 위치 좌표계(이하, 스테이지 좌표계라 한다)이다.
Σ MS (X MS , Y MS , θ)는 측정계(10)의 동체 고정 좌표계(이하, 측정 좌표계라 한다)이다.
측정 좌표계(Σ MS )를 기준으로 측정된 각 정렬마크(AM)의 위치는 다음과 같다.
MS rij은 측정 좌표계(Σ MS )에 대해서 측정된 i번째 레이어의 j번째 정렬 마크(AM) 위치이다.
O rij은 오버레이 좌표계(Σ O )에 대해서 측정된 i번째 레이어의 j번째 정렬 마크(AM) 위치이다.
측정 좌표계(Σ MS )를 기준으로 측정된 각 정렬 마크(AM) 즉, 이미 패터닝된 정렬 마크(AM)의 위치( MS r 12, MS r 11)와 방금 패터닝된 정렬 마크(AM)의 위치( MS r 22, MS r 21)를 이용하여 설계상 노광 시작 자세 대비 실제 자세를 아래의 [수학식 1]을 통해 구할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
[수학식 1]에서, MS r 12는 측정 좌표계(Σ MS )에 대해서 측정된 1번째 레이어의 2번째 정렬 마크(AM) 위치이고, MS r 11는 측정 좌표계(Σ MS )에 대해서 측정된 1번째 레이어의 1번째 정렬 마크(AM) 위치이며, MS r 22는 측정 좌표계(Σ MS )에 대해서 측정된 2번째 레이어의 2번째 정렬 마크(AM) 위치이고, MS r 21는 측정 좌표계(Σ MS )에 대해서 측정된 2번째 레이어의 1번째 정렬 마크(AM) 위치이다.
[수학식 1]을 통해 보상해야 할 상대 자세 차이(△θ)를 구할 수 있다.
도 11은 보상해야 할 설계상 노광 시작 자세 대비 실제 노광 시작 자세의 상대 자세 차이(△θ)를 구하는 도 10의 방법과 다른 대체 방법이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광에서 이동 테이블을 노광 스캔 방향으로 이송하여 상대 자세 차이(△θ)를 구하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 11에서, 기준 기판(SS; Standard Substrate)을 로딩하여 알고 있는 방향(예를 들어, 노광 스캔 방향 또는 노광 스캔 방향에 수직으로 90도 직각인 방향 등)으로 이동 테이블(111)을 이송하여 이동 테이블(111) 위에 올려진 기준 기판(SS)에 새겨진 두 개 이상의 정렬 마크(AM)의 위치를 측정하여 상대 자세 차이(△θ)를 구한다. △θ는 상대 각도 차이이므로, 오버레이 좌표계(Σ O ), 스테이지 좌표계(Σ S )에 대한 차이가 없다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광에서 상대 자세 차이(△θ)의 보상 후, 기준 기판(SS)을 로딩하여 노광한 후 현상을 통해 확인한 결과를 나타낸 도면이다.
[수학식 1]에서 구한 상대 자세 차이(△θ)를 이용하여 노광 시작 자세를 보상하여 기준 기판(SS)을 다시 노광한 후 현상을 통해 결과를 확인하면, 도 12와 같이 설계상 노광 시작 자세 대비 실제 노광 시작 자세가 일치함을 알 수 있다.
도 13은 도 12의 결과에 대한 좌표계 및 마크의 위치 벡터를 정의한 제1도면이고, 도 14는 도 12의 결과에 대한 좌표계 및 마크의 위치 벡터를 정의한 제2도면이며, 도 15는 도 13 및 도 14에서 오버레이 좌표계(Σ O )와 측정 좌표계(Σ MS ) 사이의 변환을 나타낸 도면이다.
도 13 내지 도15에서, 기준 기판(SS)을 로딩하여 노광한 후 현상하여 측정계(10)에 올려 놓고 측정부(140)를 통해 기준 기판(SS) 위에 이미 패터닝된 정렬 마크(AM)와 방금 패터닝된 정렬 마크(AM)의 위치를 각각 측정한다.
도 14는 현상을 마친 기준 기판(SS)이 측정계(10)에 로딩될 때 일정각도(α)만큼 틀어지는 일반적인 경우를 나타낸 것으로, 일정 각도(α)는 아래의 [수학식 2]를 이용하여 구할 수있다.
[수학식 2]
Figure pat00002
다음에는, 측정 좌표계(Σ MS )를 기준으로 측정된 각 정렬 마크(AM)의 위치( MS r 12, MS r 11, MS r 22, MS r 21)와 일정 각도(α)를 이용하여 설계상 노광 시작 위치 대비 실제 위치를 아래의 [수학식 3]을 통해 구할 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00003
[수학식 3]에서, MS rj은 측정 좌표계(Σ MS )에 대해서 측정된 j번째 정렬 마크(AM) 간의 상대 변위이고 , O rj은 오버레이 좌표계(Σ O )에 대해서 정의된 j번째 정렬 마크(AM) 간의 상대 변위이고,
Figure pat00004
,
Figure pat00005
이다.
따라서, 오버레이 좌표계(Σ O )에 대해서 노광 시작 상대 위치 차이 O rj(△Xj, △Yj)는 아래의 [수학식 4]와 같이 계산할 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00006
[수학식 4]에서, n개의 정렬 마크(AM) 위치를 비교했다면, 아래의 [수학식 5]와 같이 평균값을 구하여 신뢰도를 높일 수 있다.
[수학식 5]
Figure pat00007
이와 같이, [수학식 1]에서 구한 상대 자세 차이(△θ)를 이용하여 노광 시작 자세를 보상하고, 기준 기판(SS)을 로딩하여 노광한 후 현상하여 측정계(10)를 통해 기존에 이미 패터닝 되어있던 정렬 마크(AM)와 방금패터닝된 정렬 마크(AM)의 위치를 측정하여 각각의 위치로부터 기구학적 관계(kinematics)를 이용하여 상대 위치 차이(△X, △Y)를 구한다.
다음에는, 위에서 구한 상대 자세 차이(△θ)와 상대 위치 차이(△X, △Y)를 이용하여 설계상 노광 시작 위치 및 자세에 위에서 구한 [△X, △Y, △θ]T 만큼 보상하여 실제 노광 시작 위치 및 자세를 결정하는 과정을 도 16을 참조하여 설명한다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 의한 마스크리스 노광에서 위치 및 자세 벡터를 정의한 도면이다.
도 16에서, 설계상 노광 시작 위치 및 자세 대비 실제 위치 및 자세를 보상하기 위하여 정의된 물리량은 아래와 같다.
O P는 오버레이 좌표계(Σ O )에 대한 위치 및 자세이고, S P는 스테이지 좌표계(Σ S )에 대한 위치 및 자세이며, al(actually loaded)은 실제 로딩된 위치이고, n(nominally loaded/exposed)은 설계상(nominally) 로딩/노광될 위치이고, ae(actually exposed)는 실제노광된 위치이다.
스테이지 좌표계(Σ S )에 대한 정렬 마크(AM)의 위치 및 자세벡터는 아래의 [수학식 6]과 같이 정의할 수 있다.
[수학식 6]
Figure pat00008
[수학식 6]에서,
Figure pat00009
이고,
S Po는 스테이지 좌표계(Σ S )에 대한 오버레이 좌표계(Σ O )의 중심 좌표까지의 거리 벡터이다.
따라서, 노광 시작 위치 및 자세에 대한 스테이지(110)의 이동 테이블(111)의 지령값을 S Pcmd이라 하면,
보상 전의 지령값( S Pcmd)과, 보상 후의 지령값( S P'cmd)은 아래의 [수학식7], [수학식 8]과 같이 달라진다.
[수학식 7]
Figure pat00010
[수학식 8]
Figure pat00011
단, S[△X, △Y, △θ]T= O[△X, △Y, △θ]T= [△X, △Y, △θ]T이므로 [수학식 1], [수학식 4]에서 구한 O[△X, △Y, △θ]T를 스테이지 좌표계(Σ S )에 대한 보상값으로 사용할 수 있다.
이와 같이, 설계상 노광 시작 위치 및 자세에 [△X, △Y, △θ]T 만큼 보상하여 실제 노광 시작 위치 및 자세를 결정한다.
10 : 측정계 100 : 마스크리스 노광 장치
110 : 스테이지 111 : 이동 테이블
140 : 측정부 160 : 제어부
170 : 겐트리 171, 172, 173 : 이동 부재

Claims (13)

  1. 임의의 레이어가 패터닝된 기판을 이동 테이블 위에 로딩하고
    상기 로딩된 기판에 마스크리스 노광을 이용하여 패턴을 노광하고
    상기 기판에 기존에 패터닝된 마크 위치와 상기 기판에 새로 노광된 패턴의 마크 위치를 측정하고
    상기 측정된 마크 위치를 이용하여 설계상 노광 시작 자세 대비 실제 자세의 상대 자세 차이(△θ)를 구하고
    상기 측정된 마크 위치를 이용하여 설계상 노광 시작 위치 대비 실제 위치의 상대 위치 차이(△X, △Y)를 구하고
    상기 상대 위치 차이(△X, △Y)와 상기 상대 자세 차이(△θ)를이용하여, 보상된 노광 시작 위치와 자세를 결정하는 것을 포함하는 노광 시작 위치 및 자세 결정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 임의의 레이어가 패터닝된 기판은,
    기준(standard)으로 간주할 수 있는 기판 또는 MMO(Multi Machine Overlay)를위해 호환하고자 하는 노광 장치에서 임의의 레이어가 패터닝된 기판을 사용하는 노광 시작 위치 및자세 결정 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 임의의 레이어가 패터닝된 기판은,
    노광 시작 위치 및 자세를 찾기 위해 패턴 정보를 알고 있는 기판을 사용하는 노광 시작 위치 및 자세 결정 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 측정된 마크 위치를 이용하여 설계상 노광 시작 자세 대비 실제 자세의 상대 자세 차이(△θ)를 구하는 것은,
    아래의 [수학식 1]을 이용하여 노광 장비 조립 후, 설계상 공칭값 대비 실제 노광 시작 자세(각도)의 차이(△θ)를 구하는 노광 시작 위치 및 자세 결정 방법.
    [수학식 1]
    Figure pat00012

    [수학식 1]에서, MS r 12는 측정 좌표계(Σ MS )에 대해서 측정된 1번째 레이어의 2번째 정렬 마크(AM) 위치이고, MS r 11는 측정 좌표계(Σ MS )에 대해서 측정된 1번째 레이어의 1번째 정렬 마크(AM) 위치이며, MS r 22는 측정 좌표계(Σ MS )에 대해서 측정된 2번째 레이어의 2번째 정렬 마크(AM) 위치이고, MS r 21는 측정 좌표계(Σ MS )에 대해서 측정된 2번째 레이어의 1번째 정렬 마크(AM) 위치이다.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 상대 자세 차이(△θ)를 이용하여 상기 기판의 노광 시작 자세를 보상하고
    상기 기판의 노광 시작 자세를 보상한 후, 상기 기판을 다시 로딩하여 노광하고
    상기 기판을 다시 노광한 후 상기 기판에 기존에 패터닝된 마크 위치 및 상기 기판에 새로 노광된 패턴의 마크 위치를 측정하는 것을 더 포함하는 노광 시작 위치 및 자세 결정 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 측정된 마크 위치를 이용하여 설계상 노광 시작 위치 대비 실제 위치의 상대 위치 차이(△X, △Y)를 구하는 것은,
    상기 다시 측정된 마크 위치로부터 기구학적 관계(kinematics)를 이용하여 노광 장비 조립 후, 설계상 공칭값 대비 실제 노광 시작 위치의 차이(△X, △Y)를 구하는 노광 시작 위치 및 자세결정 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 노광 장비 조립 후, 실제 노광 시작 위치와 자세를 찾아 설계상 공칭값 대비 차이를 구하여 임의의 레이어의 패턴을 노광할 때 보상하는 것을 더포함하는 노광 시작 위치 및 자세 결정 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    정렬을 위한 마크가 새겨져 있지 않는 기판에 첫번째 레이어의 패턴을 노광할 때 보상하는 것을 더 포함하는 노광 시작 위치 및 자세 결정 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 상대 위치 차이(△X, △Y)와 상기 상대 자세 차이(△θ)를 이용하여, 보상된 노광 시작 위치와 자세를 결정하는 것은,
    노광 시작 위치 및 자세에 대한 설계상 지령값( S Pcmd)에 [△X, △Y, △θ]T 만큼 보상하여 실제 노광 시작 위치 및 자세에 대한 보상 지령값( S P'cmd)을 아래의 [수학식 7]과 [수학식 8]을 이용하여 구하는 노광 시작 위치 및 자세 결정 방법.
    [수학식 7]
    Figure pat00013

    [수학식 8]
    Figure pat00014
  10. 임의의 레이어가 패터닝된 기판을 이동 테이블 위에 로딩하고 XYθ 방향으로 이송시키는 스테이지
    상기 로딩된 기판에 패턴을 노광하기 위해 노광 빔을 빔 스팟어레이 형태로 전사하는 광 변조소자
    상기 기판에 기존에 패터닝된 마크 위치와 상기 기판에 새로 노광된 패턴의 마크 위치를 측정하는 측정계
    상기 측정된 마크 위치를 이용하여 설계상 노광 시작 자세 대비 실제 자세의 상대 자세 차이(△θ)와 설계상 노광 시작 위치 대비 실제 위치의 상대 위치 차이(△X, △Y)를 구하고, 상기 상대 위치 차이(△X, △Y)와 상기상대 자세 차이(△θ)를 이용하여 보상된 노광 시작 위치와 자세를 결정하는 제어부를 포함하는 마스크리스 노광 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 임의의 레이어가 패터닝된 기판은,
    기준(standard)으로 간주할 수 있는 기판 또는 MMO(Multi Machine Overlay)를 위해 호환하고자 하는 노광 장치에서 임의의 레이어가 패터닝된 기판을 사용하는 마스크리스 노광 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 임의의 레이어가 패터닝된 기판은,
    노광 시작 위치 및 자세를 찾기 위해 패턴 정보를 알고 있는 기판을 사용하는 마스크리스 노광 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 측정계는 비접촉 좌표 측정기(CMM:Coordinates Measuring Machine, non-contact) 또는 정렬계(ASU; Alignment Scope Unit)를 사용하는 마스크리스 노광 장치.
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