KR970004476B1 - 웨이퍼 정렬시스템의 웨이퍼 수평상태 자동측정장치 - Google Patents

Abstract

요약없음.

Description

웨이퍼 정렬시스템의 웨이퍼 수평상태 자동측정장치

제1도는 본 발명에 따라 웨이퍼의 수평정렬상태를 측정하는 원리를 설명하기 위한 도면.

제2도는 평행광이 웨이퍼면에서 반사될 때 웨이퍼면의 미소 기울어짐에 의해 발생하는 광점의 변위 △x를 크게 하는 원리를 나타낸 도면.

제3도는 본 발명에 따른 장치의 구성과 각 구성성분들의 설치위치를 나타낸 도면.

제4도는 본 발명에 따른 측정장치에서 2차원 반도체 위치 검출 소자를 이용한 신호처리장치의 구성을 나타낸 도면.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : 반도체 레이저,2 : 시준렌즈,

3 : 평행광,4 : 웨이퍼 표면,

5 : 반사광,6 : 집광렌즈,

8 : 증폭렌즈,9 : 2차원 위치검출소자,

10 : 척,11 : 선형편광자.

12 : 광감쇠기,20 : 신호처리계,

21a∼21d : 신호변환기,22a, 22b : 가산기,

23a, 23b : 감산기,24a, 24b : 제산기,

25a, 25b : A/D변환기

본 발명은 반도체 장치의 제조를 위한 리소그래피 장비에 관한 것으로 특히, 웨이퍼(wafer)를 정렬 시키는 웨이퍼 정렬 시스템에서 웨이퍼의 수평 상태를 자동으로 측정하는 장치에 관한 것이다.

반도체 제조공정의 리소그래피 장비에 있어서 투영광학계, 노광시스템 뿐만 아니라, 웨이퍼와 마스크 사이의 정확한 상대적인 위치 또는 마스크와 웨이퍼의 연속적인 중복정렬을 위해서는 웨이퍼 정렬 시스템 또한 중요한 부분을 차지하는 보조 시스템이라고 할 수 있다.

이러한 웨이퍼 정렬 시스템은 크게 나누어서 웨이퍼의 x, y-축 방향 즉 웨이퍼 평면 방향에 대한 정렬을 위한 자동 수평 측정 장치와, z-방향 즉 노광 광원의 광축방향에 대한 정렬을 위한 자동 초점 측정 장치로 구분될 수 있다. 상기 웨이퍼 정렬 시스템은 마스크의 미세패턴이 축소투영 렌즈에 의해 웨이퍼의 표면에 결상될 때 투영렌즈의 초점심도 내에 웨이퍼가 존재하게 함으로써 최대의 분해능으로 패턴이 웨이퍼에 노광될 수 있게 한다.

더욱이 16MB 혹은 64MB의 반도체와 같이 좁은 선폭을 필요로 하는 경우에는 전체 노광 영역을 충분히 만족할 만한 촛점심도의 확보가 필수적이므로 노광영역에서 웨이퍼의 기울어짐을 측정하여 이를 조정하여 주는 자동 수평 측정 장치가 필수적으로 요구된다.

기존의 축소 노광 장치에서 채용되고 있는 자동 수평 측정을 위한 방식들을 살펴보면, 웨이퍼 상의 각각 다른 위치에 광을 반사시켜 그 지점에서의 웨이퍼 높이를 측정하고 각 위치의 상대적인 높이를 비교하여 웨이퍼의 기울기를 해석하는 방식과, 4분할 포토다이오드를 사용하여 웨이퍼에서 반사된 광의 위치를 검출함으로써 단순히 웨이퍼의 기울기를 알아내는 방법이 있으며, 또한 측정을 위한 광을 두 갈래로 분할하여 웨이퍼로부터 반사된 광과 보조광을 동시에 간섭 시키고 그 간섭무늬를 고속 푸리에 변환 방법으로 해석함으로써 웨이퍼의 기울기를 측정하는 방식 등이 있다. 그러나 이러한 방식들은 광학적으로 매우 복잡한 구조를 요구하고 있으며 신호처리방법 또한 매우 복잡하며 웨이퍼의 기울어짐을 감지하는 감지영역이 매우 협소하며 장치의 분해 능면에 있어서 2×10^-5rad(4arcsec)정도를 보여주고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 웨이퍼 수평 자동 측정 장치의 광학적 구성을 간략화하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 웨이퍼의 기울어짐을 감지하는 감지영역을 넓혀 더욱 정밀한 분해능을 갖는 측정 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 리소그래피 장비인 웨이퍼 스텝퍼에 의해 마스크 상의 미세형상을 웨이퍼 위에 노광할 때 웨이퍼면의 기울어짐(혹은 굴곡)을 광학적으로 감지하여 웨이퍼의 기울어짐을 자동으로 보정할 수 있도록 하는 것이다.

위와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제1특징에 따르면, x, y-수평방향으로 이동가능한 스테이지와, 이 스테이지위에 설치되고 반도체 웨이퍼를 올려놓기 위한 웨이퍼 척과, 마스크의 미세 패턴이 상기 웨이퍼의 표면에 결상되도록 하기 위한 축소 투영 렌즈를 구비한 반도체 리소그래피 장비에 있어서 본 발명의 웨이퍼 수평 상태 자동 측정 장치는 웨이퍼 표면에 대해 소정의 각도로 경사지게 소정 파장의 레이저 빔을 발생하여 상기 웨이퍼 표면으로 조사하는 광원과, 이 광원으로 부터의 상기 레이저 빔이 상기 웨이퍼 표면으로 전달되기 전에 상기 레이저 빔을 받아들여 평행광으로 변환하는 광변환수단과, 상기 광변환수단으로부터 출력되는 광신호의 편광 방향을 조절 하는 광방향조절수단과, 상기 광원으로부터 상기 웨이퍼 표면으로 전달되는 광량 조절하는 광량조절수단과, 상기 웨이퍼 표면으로부터 반사된 광을 소정의 촛점거리에 모아 광점을 형성하는 집광수단과, 상기 광점이 조사되는 위치에 상응하는 전기적인 신호들을 발생하는 광점위치검출수단과, 상기 집광수단에 의해 형성된 상기 광점의 위치를 광학적으로 증폭하여 상기 광점위치검출수단으로 전달하는 광증폭수단과, 상기 광위치검출수단으로 부터의 전기적인 신호들을 연산 처리함과 아울러 신호변환하여 상기 웨이퍼의 기울어짐 정도를 나타내는 데이터를 발생하는 신호처리수단을 포함한다.

본 발명의 제2특징에 따르면, 상기 광점위치검출수단은 반도체의 pn접합에서의 횡방향 광기전력 효과를 이용한 반도체 소자로서, 소정의 x, y-평면좌표 상에 광신호가 입사되는 위치에 상응하는 크기 및 흐름방향을 각각 갖는 4개의 전류신호들을 생성하는 반도체 광전 변환 소자이고, 상기 4개의 전류신호들은 상기 광점이 상기 소정의 평면 좌표 상의 중심점으로부터 x방향 또는-x방향, y방향 또는 -y방향으로 어느 정도의 거리에 위치하고 있는 지에 따라서 그 크기와 흐름방향이 달라지는 것이 특징이다.

본 발명의 제3특징에 따르면, 상기 신호처리수단은 상기 광점위치검출수단으로부터 제공되는 상기 4개의 전류신호들을 전압신호들로 각각 변환하는 제1 내지 제4신호변환수단과, 상기 제1가산수단과, 상기 제3신호변환수단의 출력과 상기 제4신호변환수단의 출력을 빼는 제2감산수단과, 상기 제1가산수단의 출력을 상기 제1감산수단의 출력으로 나누는 제1가산수단과, 상기 제2가산수단의 출력을 상기 제2감산수단의 출력으로 나누는 제2가산수단과, 상기 제1 및 제2산수단으로부터 각각 제공 되는 아날로그신호를 디지탈신호로 변환하여 상기 리소그래피 장비의 자동작동을 제어하는 제어수단(마이크로 프로세서 또는 컴퓨터)으로 각각 제공하는 제1 및 제2A/D(Analong to digital)변환수단을 포함하는 것이 특징이다.

위치검출소자를 이용하는 본 발명의 자동수평 측정장치는 기존의 다른 방식들과 비교하여 주변광학장치가 매우 간단하며 또한 웨이퍼의 높이에 따른 전기신호의 형태가 일정한 기울기를 가진 전압신호로 출력되기 때문에 컴퓨터나 마이-크로 프로세서와 접속을 위한 A/D(Analonto Digtal)변환, 또는 다른 형태로의 신호변환이 용이한 장점을 지니고 있다.

이제부터 첨부된 도면들에 의거하여 본 발명에 대해 상세히 설명해 나가도록 하겠다.

제1도는 웨이퍼 자동 수평 측정 방법의 원리를 예시한 도면으로서, 웨이퍼면의 기울어짐에 따른 반사광의 광점에 위치변화를 나타내고 있다.

자동수평 측정계에서 입사광(3)으로서는 단색 레이저(파장 780nm)의 평행광이 입사된다.

기준 웨이퍼 면(4a)이 미소각도 θ로 기울어 질 때 경사 웨이퍼면(4)에서 반사되는 반사광(5)은 미소각도 θ의 2배로 반사된다.

따라서, 집광렌즈(6)를 통해서 이 집광렌즈의 초점거리 f(7)에 형성되는 경사 웨이퍼 면(4)으로부터 반사된 광점(7a)은 기준 웨이퍼 면(2)으로부터 반사된 광이 형성하는 광점(7b)에 비해 변위△x(7c)를 갖게 된다.

이때 광점의 변위 △x는 집광렌즈의 초점거리 f와 각도 2θ의 곱으로 주어진다.

이와같은 원리에 따라서 웨이퍼면의 미소기울어짐 각도 θ를 집광렌즈를 통해 광점의 변위 △x로 검출할 수 있다. 또한 이와는 반대로 이러한 광점의 변위 △x를 측정하면 웨이퍼면의 기울어진 각도 θ를 알아낼 수 있다.

제2도는 제1도에서 나타낸 것처럼 평행광이 웨이퍼면에서 반사될 때 웨이퍼 면의 미소 기울어짐에 의해 생기는 광점의 변위 △x를 다시 증폭렌즈로 광학적으로 증폭하여 위치 검출소자 표면에서 광점의 변위를 더욱 크게 하는 원리를 나타낸 것이다. 반도체 레이저(1)에서 나온 레이저 광은 시준렌즈(2)에 의해 평행 광(3)으로 바뀌고 평행 광은 웨이퍼 표면(4)에서 반사되며 웨이퍼 면의 기울기에 따라서 2θ로 편향된 반사광(5)은 집광렌즈(6)에 의해 초점거리 f에서 광점(7a)을 형성하게 된다. 이때 웨이퍼의 기울어짐에 따라서 발생하는 광점의 변위 △x는 증폭렌즈(8)에 의해 광이 2차원 위치검출소자(9)에 전달될 때 증폭렌즈(8)의 물체거리 a와 상거리 b의 비율, 즉 증폭율 M=a/b만큼 증폭되고, 결국 최종 측정 면인 위치 검출 소자(9)의 표면에서는 △xM만큼 광점의 변위가 확장된다. 일반적으로 2차원 위치 검출 소자 자체의 분해능은 3㎛정도이며, 0.5×10^-5rea(larcsec)정도의 웨이퍼의 미소기울기 변화와 집광렌즈의 초점 거리를 50mm라 하고, 광학적 증폭율을 10배라고 한다면 최종 위치 검출 소자에서 광점의 변위는 5㎛가 된다. 여기에서 알 수 있듯이 0.5×10^-5rea의 웨이퍼 미소기울어짐은 충분히 감지될 수 있음을 알 수 있다.

제3도는 본 발명에 따른 웨이퍼 수평 자동 측정 장치의 구성을 나타낸 도면이다. 본 발명에 따른 장치는 크게 자동 수평 측정계(1∼12, 20)와, x, y-수평 방향으로 이동 가능한 스테이지(30) 및, 마스크의 미세 패턴이 웨이퍼의 표면(4)에 결상되도록 하기 위한 축소 투영 렌즈(40)로 구성되며, 웨이퍼는 스테이지(30)에 설치되는 척(10) 위에 위치하게 되고, 웨이퍼의 기울어짐을 측정하여 이를 보상해 준다. 본 발명의 자동 수평 측정장치에서는 광원으로 반도체 레이저(1)를 사용하고, 편광방향을 조절하기 위한 광방향조절수단으로서 선형편광자(11)를 사용하며, 광량조절수단인 광감쇠기(12)에 의해 반도체 레이저(1)로부터 레이저 빔이 웨이퍼 표면으로 전달 되기 전에 레이저 빔을 받아들여 평행광으로 변환하는 광변환 수단인 시준렌즈(2)로 부터의 지름10mmΦ의 평행광을 웨이퍼 표면(4)에 입사각 76도로 입사 시킨다. 즉, 평해빔을 웨이퍼 표면(4)에 큰 각도로 입사함으로써 노광 영역(13)을 만족하는 넓은 면적을 측정할 수 있고, 웨이퍼 표면(4)이 수평면에 대해 어느정도로 기울어져 있는지를 더욱 정밀하게 측정할 수 있다. 또한 위치 검출 소자(9)는 2차원형 위치 검출소자를 사용한다. 웨이퍼 표면(4)에서 반사된 광은 초점거리 50mm의 집광렌즈(6)에 의해 광점(7a)을 형성하게 되고, 증폭렌즈(8)는 웨이퍼 표면(4)으로부터 반사된 광을 소정의 초점거리(f)에 모아 광점을 형성하는 집광수단인 집광 렌즈(6)에 의한 광점(7a)의 위치를 증폭하여 위치 검출 소자(9)에 증폭된 광점의 변위를 전달한다. 이렇게 광증폭수단(8)에 의해 증폭된 광점2-차원 위치 검출 소자(9)로 입사되면 위치 검출 소자(9)에서는 4개의 출력단자들을 통하여 빔의 조사위치에 4개의 신호들이 각각 출력되고, 이들 신호들은 다시 신호처리수단인 시노처리계(20)에서 크기, 방향 등을 위치 검출 소자 감지면 상의 x-축과 y-축의 좌표를 나타내는 아날로그 전압 신호로 변환되어 처리된다. 실제로 이와같은 자동 수평 측정 장치의 바람직한 실시예에서 지름 10mmΦ의 평행 빔을 사용하고, 3㎛의 분해능을 갖는 2차원 위치 검출 소자를 사용하였을 때, 장치의 각도 분해능이 larcsec이하이고, 검출영역은 최대 14arcmin까지 측정가능함을 알 수 있었다.

제4도는 2차원 반도체 위치 검출 소자를 위한 신호처리 장치를 예시한 도면이다. 위치 검출 소자(9)는 반도체의 pn접합에서 횡방향의 광기전력 효과를 이용한 소자로, 입사한 광점의 조사위치를 검출할 수 있다. 또한 연속된 수광부를 갖고 있으므로 위치 분해능, 응답성이 우수하다. 그 주요특징으로는 주변회로부를 간력화할 수 있고, 불감 영역이 없으므로 광점위치를 연속적으로 검출할 수 있어 분해능이 높다. 또한 입사광의 형성이 촛점의 어긋남에 영향받지 않고 검출할 수 있다는 것이다. 위치검출소자 소자는 1, 2차원형으로 나눌 수 있으며 1차원 형의 연속적인 1차원 좌표 신호를 얻을 수 있고, 2차원형의 연속적인 2차원 좌표 신호를 얻을 수 있다.

위치검출소자에서 감지면의 중앙지점(9a)을 전자적 중앙점으로 할 때, 광점의 위치검출소자의 출력단자에서 전류 신호의 형태로서 얻어지므로 신호 처리계(20)는 위치 검출소자의 출력 전류 신호들을 전압신호들로 각각 변화하는 부분인 4개의 신호변환기(21a), (21b), (21c), (21d)를 포함한다. 상기의 신호변환기를(21a∼21d)은 연산 증폭기들에 의해 구성 되는 전류-전압 변환 및 전치 증폭 회로이다. 위치연산은 이러한 x, y-축 신호를 각각 가산하고 감산한 뒤 가산값과 감산값의 비를 계산하면 구할 수 있다. 따라서, 신호 처리계(20)는 제1신호변환기(21a)의 출력과 제2신호변환기(21a)의 출력으로부터 제2신호변환기(21b)의 출력을 빼는 제1감산기(23a)와, 제3신호변환기(21c)의 출력과 제4신호변환기(21d)의 출력으로부터 제2가산기(22b) 및, 제3신호변환기(21c)의 출력으로부터 제4신호변환기(21d)의 출력을 빼는 제2감산기(23b)를 포함한다. 또한, 상기 처리계(20)는 상기 제1가산기(22a)의 출력을 상기 제1감산기(23a)의 출력으로 나누는 제1제산기(24a)와, 상기 제2가산기(22b)의 출력을 상기 제2감산기(23b)로 나누는 제2제산기(24b)를 포함한다. 위치 위치 검출 소자(9)의 중앙점(9a)에 광점이 입사될 경우(즉, 전자적 중앙점일 때에는) 제1 및 제2제산기(24a, 24b)의 출력 전압은 OVolt가 되고, 중앙점(9a)에서 광점이 벗어날 경우 상기 제산기들(24a, 24b)의 출력전압은 양이나 음의 전압값을 갖게 된다. 위의 관정을 거치면 최종 나눗셈 된 연산 전압 신호는 아날로그-디지탈 변환기(13), (14)를 거쳐 웨이퍼의 수평정렬을 위한 소정의 제어를 수행하는 마이크로 프로세서나 컴퓨터(도시되지 않음)와 인터페이스(interface)된다.

이상에서 상세히 설명된 본 발명에 따르면, 반도체 위치 검출 소자와 간단한 광학장치 만에 의해서도 높은 정밀도와 넓은 감지영역을 갖는 웨이퍼 자동 수평 측정 장치를 전체 노광 영역에 걸쳐 초점심도를 확보할 수 있게 된다.

Claims (4)

1. x, y-수평 방향으로 이동 가능한 스테이지(30)와, 이 스테이지(30) 위에 설치되고 반도체 웨이퍼를 올려 놓기 위한 척(10)과, 마스크의 미세 패턴이 상기 웨이퍼의 표면(4)에 결상되도록 하기 위한 축소 투영 렌즈(40)를 구비한 반도체 리소그래피 장비에 있어서, 상기 웨이퍼 표면(4)에 대해 소정의 각도로 경사지게 소정 파장의 레이저 빔을 발생하여 상기 웨이퍼 표면(4)으로 조사하는 광원(1)과, 상기 광원으로 부터의 상기 레이저 빔이 상기 웨이퍼 표면으로 전달되기 전에 상기 페이저 빔을 받아들여 평행광으로 변환하는 광변환수단(2)과, 상기 광변환수단(2)으로부터 출력되는 광신호의 편광 방향을 조절하는 광방향조절수단(11)과, 상기 광원(1)으로부터 상시 웨이퍼 표면(4)으로 전달되는 광량을 조절하는 광량조절수단(12)과, 상기 웨이퍼 표면(4)으로부터 반사된 광을 소정의 촛점거리에 모아 광점을 형성하는 집광수단(6)과, 상기 광점이 조사되는 위치에 상응하는 전기신호들을 발생하는 광점위치검출수단(9)과, 상기 집광수단(6)에 의해 형성된 상기 광점의 위치를 광학적으로 증폭하여 상기 광점위치검출수단(9)으로 전달하는 광증폭수단(8)과, 상기 광점위치검출수단(9)으로 부터의 전기신호들을 연산처리함과 아울러 신호변환하여 상기 웨이퍼의 기울어짐 정도를 나타내는 데이타를 발생하는 신호처리수단(20)을 포함하는 것이 특징인 웨이퍼 정렬시스템의 웨이퍼 수평 상태 자동측정장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 광점위치검출수단은 반도체의 pn접합에서의 횡방향 광기전력 효과를 이용한 반도체 소자로서, 소정의 x, y-평면좌표 상에 광신호가 입사되는 위치에 상응하는 크기 및 흐름방향을 각각 갖는 4개의 전류신호들을 생성하는 반도체 광전 변환 소자이고, 상기 4개의 전류신호들은 상기 광점이 상기 소정의 평면 좌표 상의 중심점으로부터 x방향 또는 -x방향, y방향 또는 -y방향으로 어느 정도의 거리에 위치하고 있은 지에 따라서 그 크기와 흐름방향이 달라지는 것이 특징인 웨이퍼 정렬시스템의 웨이퍼 수평상태 자동측정장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 신호처리수단은 상기 광점위치검출수단으로부터 제공되는 상기 4개의 전류신호들을 전압신호들로 각각 변환하는 제1 내지 제4신호변환수단(21a∼21d)과, 상기 제1신호변환수단(21a)의 출력관 상기 제2신호변환수단(21b)의 출력을 더하는 제1가산수단(22a)과, 상기 제3신호변환수단(21c)의 출력과 상기 제4신호변환수단(21d)의 출력을 더하는 제2가산수단(22b)과, 상기 제1신호변환수단(21a)의 출력으로부터 상기 제2신호변환수단(21b)의 출력을 빼는 제1감산수단(23a)과, 상기 제3신호변환수단(21c)의 출력으로부터 상기 제4신호변환수단(21d)의 출력을 상기 제1감산수단(23a)과, 상기 제1가산수단(22a)의 출력을 상기 제1감산수단(23a)의 출력으로 나누는 제1제산수단(24a)과, 상기 제2가산수단(22b)의 출력을 상기 제2감산수단(23b)의 출력으로 나누는 제2제산수단(24b)과, 상기 제1 및 제2제산수단(24a, 24b)으로부터 각각 제공 되는 아날로그신호를 디지탈신호로 변환하는 상기 리소그래피 장비의 자동작동을 제어하는 제어수단으로 각각 제공하는 제1 및 제2A/D변환수단(25a, 25b)을 포함하는 것이 특징인 웨이퍼 정렬시스템의 웨이퍼 수평상태 자동측정장치.
4. 제1, 2항 또는 제3항에 있어서, 상기 광원(1)으로부터 상기 웨이퍼 표면(4)으로 조사되는 상기 레이저 빔은 상기 웨이퍼 표면(4)에 대해 76도의 각도로 입사되는 것이 특징인 웨이퍼 정렬시스템의 웨이퍼 수평상태 자동측정장치.