KR20120055782A - 마스크리스 노광장치의 노광헤드 - Google Patents

마스크리스 노광장치의 노광헤드 Download PDF

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Abstract

하나의 노광 광학계에 복수의 공간 광변조기를 적용한 마스크리스 노광장치의 노광헤드를 제안한다.
복수의 조명 광학계와, 조명 광학계로부터 입사되는 광을 기판에 형성하고자 하는 패턴의 형태에 따라 선택적으로 반사시키는 복수의 공간 광변조기와, 공간 광변조기에서 반사되는 광을 통해 투영 이미지를 획득하는 복수의 투영 광학계와, 투영 광학계를 통과한 광을 기판에 전달하는 노광 광학계를 포함함으로써, 하나의 노광 광학계에 복수의 공간 광변조기를 적용한 마스크리스 노광장치의 노광헤드를 제작할 때, 노광 광학계의 제작 비용 및 크기를 줄일 수 있다.

Description

마스크리스 노광장치의 노광헤드{EXPOSURE HEAD OF MASKLESS EXPOSURE APPARATUS}
복수의 공간 광변조기를 이용하여 하나의 패턴을 투영할 수 있는 마스크리스 노광장치의 노광헤드에 관한 것이다.
마스크리스 노광장치는 마스크를 사용하지 않고 광을 이용하여 필름, 웨이퍼, 글라스(glass) 등의 기판에 직접 패턴을 형성하는 장치이다. 이러한 마스크리스 노광장치는 포토 마스크를 사용하지 않고서도 기판에 패턴을 형성할 수 있기 때문에 고해상도 및 대면적의 마스크를 제작하지 않아도 되고, 이물 또는 손상에 따른 마스크의 교체가 필요 없다는 장점을 가진다.
이러한 마스크리스 노광장치는 크게 조명 광학계, 공간 광변조기, 노광 광학계, 스테이지로 이루어진다. 조명 광학계는 광원과 광원부(illuminator)로 이루어지며, 광원은 공간 광변조기에 시준된 광을 제공하고, 광원으로부터 입사된 아주 작은 광은 광원부를 통과하면서 기판에 투영할 수 있는 크기로 변환된다. 공간 광변조기는 마이크로 미러의 각도를 조절하여 광원으로부터 입사되는 광을 형성하고자 하는 패턴의 형태에 따라 선택적으로 반사시키는 장치이다. 노광 광학계는 제 1 결상 광학계, 마이크로 렌즈 어레이(Micro Lens Array: MLA), 제 2 결상 광학계를 포함하며 공간 광변조기에서 반사되는 광의 품질을 개선하여 기판에 투영한다. 스테이지는 패턴이 형성될 기판이 안착되는 곳으로, 스테이지가 스캔(Scan) 방향으로 이동하면서 노광 과정이 진행된다.
최근 FPD(Flat Panel Display)나 PCB(Printed Circuit Board)의 시장 상황은 크게 대형화와 고정세(Fine Pitch)화의 두 가지 경향으로 나타난다. 하지만, 기존의 단일 공간 광변조기를 이용한 노광장치를 통해 대형 사이즈의 기판을 노광하기 위해서는 기판을 빠른 속도로 이동시켜야 하고, 고정세의 패턴을 구현하기 위해서는 많은 양의 픽셀 데이터를 여러 번에 걸쳐서 전송해야만 한다. 이와 같은 이유로, 해상도가 높으면서도 속도가 빠른 노광장치를 구현하기 위해서는 매우 빠른 구동속도를 가지는 공간 광변조기와 대용량의 데이터를 고속으로 연산할 수 있는 시스템이 요구된다. 하지만, 이러한 고속의 공간 광변조기 및 고속 연산이 가능한 시스템을 개발하기에는 현실적으로 많은 어려움이 있다.
이러한 문제점을 개선하기 위해 최근에는 복수의 공간 광변조기를 배치하고, 각각의 공간 광변조기에 서로 다른 위상차를 갖는 구동 펄스 신호를 전송하여 각각의 공간 광변조기가 순차적으로 작동되도록 함으로써 빠른 속도로 기판에 패턴을 투영할 수 있는 복수의 공간 광변조기를 이용한 마스크리스 노광장치가 개발되고 있다.
도 1은 두 개의 공간 광변조기가 병렬적으로 배치된 마스크리스 노광장치의 노광헤드의 구성을 나타낸 측면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 마스크리스 노광장치의 노광헤드(100)는 제 1, 2 조명 광학계(110A, 110B), 제 1, 2 미러(120A, 120B), 제 1, 2 TIR 프리즘(122A, 122B), 제 1, 2 공간 광변조기(130A, 130B) 및 노광 광학계(140)를 포함한다. 여기서는, 하나의 노광 광학계(140)에 두 개의 공간 광변조기(130A, 130B)를 적용하는 개념을 설명하도록 한다.
제 1 조명 광학계(110A)로부터 출사된 광은 제 1 미러(120A)를 통해 제 1 TIR 프리즘(122A) 쪽으로 반사된다. 제 1 TIR 프리즘(122A)은 제 1 미러(120A)에서 반사된 광을 제 1 공간 광변조기(130A)를 향해 전반사시킴과 동시에 제 1 공간 광변조기(130A)에서 반사되는 광을 통과시킨다.
또한 제 2 조명 광학계(110B)로부터 출사된 광은 제 2 미러(120B)를 통해 제 2 TIR 프리즘(122B) 쪽으로 반사된다. 제 2 TIR 프리즘(122B)은 제 2 미러(120B)에서 반사된 광을 제 2 공간 광변조기(130B)를 향해 전반사시킴과 동시에 제 2 공간 광변조기(130B)에서 반사되는 광을 통과시킨다.
노광 광학계(140)는 제 1 결상 광학계(142), 마이크로 렌즈 어레이(146), 애퍼처 어레이(148) 및 제 2 결상 광학계(144)를 포함하여 이루어지며, 두 개의 공간 광변조기(130A, 130B)에서 반사되는 광의 품질을 개선하여 기판(150)에 투영한다.
도 2는 공간 광변조기로 사용되는 두 개의 DMD를 병렬적으로 배치한 경우의 크기(사이즈)를 예시한 도면이다.
공간 광변조기(130A, 130B)는 DMD(Digital Micro-mirror Device)를 이용하여 구현한다(이하, 설명의 편의를 위해 공간 광변조기와 DMD를 동일한 도면 번호를 이용하여 기재함). 도 2에 도시된 바와 같이, 공간 광변조기(130A, 130B)로서 1024×768pixel(약 14×10㎜)의 활성 영역(130A-a, 130B-a)을 갖는 DMD(130A, 130B)를 적용할 경우에 보드(Board)를 제외한 DMD 모듈의 크기는 약 42×42㎜2로, 두 개의 DMD(130A, 130B)를 병렬로 배치하게 되면 상물체의 크기는 42×42㎜2만큼 더 커지게 된다. 크기가 커진 상물체에 대응하기 위해 노광 광학계(140) 내의 제 1 결상 광학계(142)의 직경은 병렬적으로 추가 배치된 DMD 모듈의 가로(또는 세로) 길이×확대 배율(예를 들어 확대 배율이 3배일 경우, 42×3=126㎜)만큼 커지게 되고, 노광 광학계(140) 내의 제 2 결상 광학계(144)로서 1:1 등배 광학계를 사용한다면 제 2 결상 광학계(144)의 직경 역시 같은 크기(126㎜)만큼 커지게 된다. 이는 두 개의 공간 광변조기(130A, 130B) 적용을 위한 단일 노광 광학계(140)의 제작 비용의 크나큰 상승(단일 노광 광학계에 단일 공간 광변조기를 적용하는 경우에 비해 10배 이상)을 불러일으킨다. 일반적으로, 노광 광학계(140)의 제작 난이도나 비용은 DMD(130A, 130B)의 활성 영역(130A-a, 130B-a)의 대각선 비율의 제곱에 비례한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 공간 광변조기(130A, 130B)로서 1024×768pixel(약 14×10㎜)의 활성 영역(130A-a, 130B-a)을 갖는 두 개의 DMD(130A, 130B)를 적용할 경우, 대략 11배(
Figure pat00001
)의 비용 상승이 발생한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 하나의 노광 광학계(140)에 병렬로 배치된 복수(예: 두 개)의 공간 광변조기(130A, 130B)를 적용하기 위해서는 노광 광학계(140)의 구성에 있어 지나치게 큰 비용이 소요되기 때문에 각각의 공간 광변조기에 대해 별도의 노광 광학계를 배치하여 노광장치의 구동속도를 상승시키는 방법에 비해 유리한 효과가 없다.
하나의 노광 광학계에 복수의 공간 광변조기를 적용한 마스크리스 노광장치의 노광헤드를 제안하고자 한다.
이를 위해 본 발명의 일 측면은 복수의 조명 광학계; 조명 광학계로부터 입사되는 광을 기판에 형성하고자 하는 패턴의 형태에 따라 선택적으로 반사시키는 복수의 공간 광변조기; 공간 광변조기에서 반사되는 광을 통해 투영 이미지를 획득하는 복수의 투영 광학계; 및 투영 광학계를 통과한 광을 기판에 전달하는 노광 광학계를 포함한다.
또한, 복수의 공간 광변조기는 서로 마주보도록 배열된다.
또한, 복수의 투영 광학계는 1:1 등배 광학계이다.
또한, 복수의 투영 광학계를 거쳐 획득된 복수의 투영 이미지를 하나의 평면에 결상시키기 위해 상기 복수의 투영 광학계 사이에 배치되는 미러를 더 포함한다.
또한, 노광 광학계는 일정 배율을 가지는 제 1 결상 광학계와, 1:1 등배 광학계로 이루어지는 제 2 결상 광학계를 포함한다.
또한, 복수의 투영 광학계는 상기 제 1 결상 광학계보다 크기가 작다.
제안된 마스크리스 노광장치의 노광헤드에 의하면, 하나의 노광 광학계에 복수의 공간 광변조기를 적용한 마스크리스 노광장치의 노광헤드를 제작할 때, 노광 광학계의 제작 비용 및 크기를 줄일 수 있다.
도 1은 두 개의 공간 광변조기가 병렬적으로 배치된 마스크리스 노광장치의 노광헤드의 구성을 나타낸 측면도이다.
도 2는 공간 광변조기로 사용되는 두 개의 DMD를 병렬적으로 배치한 경우의 크기(사이즈)를 예시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마스크리스 노광장치의 노광헤드의 구성을 나타낸 측면도이다.
도 4는 도 3에 표시된 "S" 영역만을 분리하여 도시한 도면이다.
도 5는 두 개의 공간 광변조기의 활성 영역 사이의 간격을 설명하기 위한 개념도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마스크리스 노광장치의 노광헤드의 구성을 나타낸 측면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 마스크리스 노광장치의 노광헤드(200)는 제 1, 2 조명 광학계(210A, 210B), 제 1, 2 TIR 프리즘(222A, 222B), 제 1, 2 공간 광변조기(230A, 230B), 제 1, 2 투영 광학계(232A, 232B) 및 노광 광학계(240)를 포함한다. 본 발명의 실시예서는, 하나의 노광 광학계(240)에 두 개의 공간 광변조기(230A, 230B)를 적용하는 경우를 예로 들어 설명하도록 한다.
제 1 조명 광학계(210A)는 제 1 레이저 합파 광원(211A), 제 1 레이저 출력부(212A), 제 1 콜리메이터 렌즈(213A), 두 개의 마이크로 프라이 아이 렌즈(214A, 215A), 제 1 필드 렌즈(216A)를 포함한다.
제 1 레이저 합파 광원(211A)은 복수의 반도체 레이저(미도시)로부터 출사된 각 광속을 합파시키고, 이 합파된 광속을 광 파이버(미도시)를 통해 출사한다.
제 1 레이저 출력부(212A)는 제 1 레이저 합파 광원(211A)으로부터 출사된 복수의 합파 광속을 통합하여 레이저를 출력한다.
제 1 콜리메이터 렌즈(213A)는 제 1 레이저 출력부(212A)로부터 출력된 복수의 광속을 평행광으로 만들고, 마주 보는 형태로 배치되는 두 개의 마이크로 프라이 아이 렌즈(214A, 215A)는 제 1 콜리메이터 렌즈(213A)를 통과하는 광의 광로에 설치되어 입사되는 광을 이용하여 제 1 공간 광변조기(230A)에 2차 광원 상을 생성한다. 제 1 필드 렌즈(216A)는 2차 광원상을 생성하는 과정에서 광손실을 줄여 제 1 공간 광변조기(230A)로 전달되는 광의 밝기를 균일하게 한다. 두 개의 마이크로 프라이 아이 렌즈(214A, 215A)와 제 1 필드 렌즈(216A)를 사용함으로써, 제 1 레이저 합파 광원(211A)으로부터 입사되는 아주 작은 광을 제 1 공간 광변조기(230A)에 투영할 수 있는 크기의 광으로 변환할 수 있다.
제 2 조명 광학계(210B)를 이루는 구성요소(211B~216B)는 제 1 조명 광학계(210A)를 이루는 구성요소들과 동일하므로, 여기서는 자세한 설명을 생략하도록 한다.
제 1 조명 광학계(210A)로부터 출사된 광은 제 1 TIR 프리즘(222A)으로 입사된다. 제 1 TIR 프리즘(222A)은 제 1 필드 렌즈(216A)으로부터 출사된 광을 제 1 공간 광변조기(230A)를 향해 전반사시킴과 동시에 제 1 공간 광변조기(230A)에서 반사되는 광을 통과시켜 제 1 투영 광학계(232A)로 출사한다.
또한 제 2 조명 광학계(210B)로부터 출사된 광은 제 2 TIR 프리즘(222B)으로 입사된다. 제 2 TIR 프리즘(222B)은 제 2 필드 렌즈(216B)으로부터 출사된 광을 제 2 공간 광변조기(230B)를 향해 전반사시킴과 동시에 제 2 공간 광변조기(230B)에서 반사되는 광을 통과시켜 제 2 투영 광학계(232B)로 출사한다.
제 1 및 제 2 투영 광학계(232A, 232B)를 통과한 광은 미러(234)에서 반사되어 노광 광학계(240)로 출사된다.
노광 광학계(240)는 제 1 결상 광학계(242), 마이크로 렌즈 어레이(246), 애퍼처 어레이(248) 및 제 2 결상 광학계(244)를 포함한다.
제 1 결상 광학계(242)는 양측 텔레센트릭(double telecentric) 광학계로 이루어져 있고, 제 1 및 제 2 공간 광변조기(230A, 230B)를 거친 상을 일정 배율(예: 3배)로 확대하여 마이크로 렌즈 어레이(246)의 개구면(aperture plane)에 결상한다. 제 2 결상 광학계(244)도 양측 텔레센트릭(double telecentric) 광학계로 이루어져 있고, 마이크로 렌즈 어레이(246)의 초점면에 형성된 다수의 빔 스팟을 예를 들어 약 1배로 기판(250) 상에 결상한다. 본 발명의 실시예에서는 제 1 결상 광학계(242) 및 제 2 결상 광학계(244)의 배율이 각각 3배, 1배인 경우를 예로 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 제 1 결상 광학계(242) 및 제 2 결상 광학계(244)의 배율은 원하는 빔 스팟의 크기, 노광한 패턴의 최소 형상 사이즈(minimum feature size) 등에 따라 최적의 배율 조합을 도출할 수 있다.
마이크로 렌즈 어레이(246)는 제 1 및 제 2 공간 광변조기(230A, 230B)의 마이크로 미러에 대응하는 다수의 마이크로 렌즈(246a)가 2차원으로 배열되어 이루어지는 것이다. 예를 들어, 공간 광변조기(230A, 230B)를 이루는 DMD가 1024개×768개의 마이크로 미러로 이루어져 있는 경우, 이에 대응하여 마이크로 렌즈(246a)도 1024개×768개가 배치된다. 또한 마이크로 렌즈(246a)의 배열 피치는 공간 광변조기(230A, 230B)의 마이크로 미러의 배열 피치에 제 1 결상 광학계(242)의 배율을 곱한 값과 실질적으로 동일할 수 있다.
애퍼처 어레이(248)는 마이크로 렌즈(246a)에 대응하여 다수의 핀 홀(248a)이 마이크로 렌즈(246a)의 초점면에 2차원적으로 배열된 것이다. 핀 홀(248a)은 마이크로 렌즈(246a)를 통해 포커싱된 빔 스팟의 크기를 일정한 크기로 정형화하거나 광학계에서 발생한 잡광(noise)를 차단하는 역할을 한다.
복수(예: 두 개)의 공간 광변조기(230A, 230B)를 하나의 노광 광학계(240)에 적용할 때, 노광 광학계(240)의 제작 비용을 절감하기 위해서는 두 개의 공간 광변조기(230A, 230B)의 활성 영역(230A-a, 230B-a) 사이의 간격(도 5에 도시된 간격 d)을 최소화해야 한다.
도 4는 도 3에 표시된 "S" 영역만을 분리하여 도시한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 마스크리스 노광장치의 노광헤드(200)는 두 개의 공간 광변조기(230A, 230B)의 활성 영역(230A-a, 230B-a) 사이의 간격(d)을 줄이기 위해 제 1 및 제 2 공간 광변조기(230A, 230B) 이후에 제 1 및 제 2 투영 광학계(232A, 232B)를 배치한다. 제 1 및 제 2 투영 광학계(232A, 232B)를 통해 제 1 및 제 2 공간 광변조기(230A, 230B)의 투영 이미지를 획득하고 이 투영 이미지면에 미러(234)를 배치하여 두 개의 공간 광변조기(230A, 230B)의 투영 이미지가 한 평면에 결상되도록 한다. 이 투영 이미지는 노광 광학계(240)의 새로운 상물체가 된다. 이와 같은 구성을 통해 두 개의 공간 광변조기(230A, 230B)의 활성 영역(230A-a, 230B-a) 사이의 간격(d)은 이상적으로 0을 달성할 수 있다. 미러(234)의 에지(Edge)부의 품질 등을 고려하더라도 간격(d)을 1㎜ 이하로 만들 수 있다.
복수(예: 두 개)의 공간 광변조기(230A, 230B)를 하나의 노광 광학계(240)에 적용할 때, 노광 광학계(240)의 제작 비용은 전술한 바와 같이 DMD(230A, 230B)의 활성 영역(230A-a, 230B-a)의 대각선 비율의 제곱에 비례한다.
도 5에 도시된 바와 같이 공간 광변조기(230A, 230B)의 활성 영역(230A-a, 230B-a)의 가로 길이를 c, 세로 길이를 r, 활성 영역(230A-a, 230B-a)의 대각선의 길이를 a, 두 활성 영역(230A-a, 230B-a)을 이루는 점들 중 가장 멀리 떨어진 점들 사이의 거리를 a′, 두 활성 영역(230A-a, 230B-a) 사이의 간격을 d라고 정의하고, c=20㎜, r=4.5㎜인 경우를 예로 들어 두 개의 공간 광변조기(230A, 230B)를 하나의 노광 광학계(240)에 적용할 때, 노광 광학계(240)의 제작 비용은 아래의 [수학식 1]~[수학식 3]을 이용하여 산출된다.
[수학식 1]
Figure pat00002
[수학식 2]
Figure pat00003
[수학식 3]
Figure pat00004
두 개의 공간 광변조기(230A, 230B)를 하나의 노광 광학계(240)에 적용할 때, 노광 광학계(240)의 제작 비용은 전술한 [수학식 3]에 따라 단일 노광 광학계에 단일 공간 광변조기를 적용하는 경우에 비해 1.15배 정도 발생한다.
본 발명의 실시예에 따른 마스크리스 노광장치의 노광헤드(200)에는 두 개의 공간 광변조기(230A, 230B) 이후에 두 개의 투영 광학계(232A, 232B)가 추가적으로 배치되는데, 투영 광학계로는 등배 광학계가 이용될 수 있다(또는 투영 광학계를 일정 배율을 갖는 광학계로 구성할 수도 있음). 등배 광학계는 직경이 작기 때문에 상대적으로 적은 비용으로 구성이 가능하다(비용 산출 시 0.1 수준).
단일 노광 광학계에 단일 공간 광변조기를 적용하는 경우에는 두 개의 노광 광학계가 필요하기 때문에 본 발명의 실시예에 따른 마스크리스 노광장치의 노광헤드(200)는 2-(1.15+0.1×2)=0.65배만큼 노광 광학계(240)의 제작 비용을 낮추면서도 복수의 공간 광변조기를 적용한 단일 노광 광학계(240)를 구성할 수 있다.
200 : 노광헤드 210A, 210B : 제 1, 2 조명 광학계
222A, 222B : 제 1, 2 TIR 프리즘
230A, 230B : 제 1, 2 공간 광변조기
232A, 232B : 제 1, 2 투영 광학계
234 : 미러 240 : 노광 광학계
242 : 제 1 결상 광학계 244 : 제 2 결상 광학계

Claims (6)

  1. 복수의 조명 광학계;
    상기 조명 광학계로부터 입사되는 광을 기판에 형성하고자 하는 패턴의 형태에 따라 선택적으로 반사시키는 복수의 공간 광변조기;
    상기 공간 광변조기에서 반사되는 광을 통해 투영 이미지를 획득하는 복수의 투영 광학계; 및
    상기 투영 광학계를 통과한 광을 상기 기판에 전달하는 노광 광학계를 포함하는 마스크리스 노광장치의 노광헤드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 공간 광변조기는 서로 마주보도록 배열되는 마스크리스 노광장치의 노광헤드.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 투영 광학계는 1:1 등배 광학계인 마스크리스 노광장치의 노광헤드.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 투영 광학계를 거쳐 획득된 복수의 투영 이미지를 하나의 평면에 결상시키기 위해 상기 복수의 투영 광학계 사이에 배치되는 미러를 더 포함하는 마스크리스 노광장치의 노광헤드.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 노광 광학계는 일정 배율을 가지는 제 1 결상 광학계와, 1:1 등배 광학계로 이루어지는 제 2 결상 광학계를 포함하는 마스크리스 노광장치의 노광헤드.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 복수의 투영 광학계는 상기 제 1 결상 광학계보다 크기가 작은 마스크리스 노광장치의 노광헤드.
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