KR0160544B1 - 웨이퍼 스텝퍼에서 정렬광의 경사조명에 의한 웨이퍼 정렬방법과 그 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 웨이퍼 스텝퍼에 있어서 반도체 미세회로 패턴을 지닌 마스크와 패턴이 옮겨질 웨이퍼 사이를 정렬하는 정렬장치 및 그 방법에 관한 것으로 웨이퍼를 바로 노광위치에서 정렬을 수행하고 노광을 하며 또는 노광을 수행하는 동안에도 웨이퍼 정렬을 수행할 수 있으며 정렬광을 경사조명에 의한 웨이퍼 정렬방법으로써 off-axis 정렬방식에서 웨이퍼 스테이지의 base-line 오차가 근본적으로 발생하지 않도록 하는 웨이퍼 스텝퍼에서 정렬광의 경사조명에 의한 웨이퍼 정렬방법과 그 장치에 관한 것이다.

Description

웨이퍼 스탭퍼에서 정렬광의 경사조명에 의한 웨이퍼 정렬방법과 그 장치
제1도는 본 발명에서 제시하려고 하는 정렬광의 경사조명에 따른 정렬방법을 예시한 도면.
제2도는 노광 칩 주변의 정렬마크의 배열과 모양 그리고 정렬광의 입사, 회절각, 회절차수 등을 설명하기 위한 도면.
제3도는 경사조명에 의한 웨이퍼 정렬장치의 실제 실시예를 나타내는 도면.
제4도는 웨이퍼 정렬장치의 실제 실시예에서 개구의 크기, 상의 전달, 회절광의 선택방법 등의 원리를 나타내는 도면.
제5도는 기존의 비노출용 광원들을 정렬용 광원으로 사용할 때 노출광과의 파장차이에 따른 색수차를 예시하는 그림으로 노출광은 투영렌즈를 통과하면서 마스크상에 정확하게 결정하나 정렬광은 색수차 때문에 다른 지점에서 결상된다는 것을 설명하기 위한 도면.
제6도는 기존의 웨이퍼 스탭퍼에서 사용하는 non-TTL, off-axis정렬장치의 전형적인 정렬방법에 관한 예를 나타내는 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 투영렌즈 20 : 웨이퍼
30 : 정렬광 31 : 입사각
40 : 정렬마크 41 : X-정렬마크
42 : Y-정렬마크 45 : 회절격자의 격자주기
50 : 웨이퍼 정렬계 51 : 노광칩
60 : 회절광 61 : + 1차 회절광
62 : - 1차 회절광 63 : 회절각
70 : 정렬신호 처리계 80 : 선편광자
90,91 : 반사거울 100 : 개구
110 : 스테이지 120,121 : 렌즈
130 : 공간필터 140 : 광센서
150 : 앰프 160 : 신호처리회로
170 : 주연산기 180 : 수렴렌즈
200 : 레이저 210 : 평행광
220 : 물상거리 230 : 영상거리
본 발명은 웨이퍼 스텝퍼에 있어서 반도체 미세회로 패턴을 지닌 마스크와 패턴이 옮겨질 웨이퍼 사이를 정렬하는 정렬방법 및 그 장치에 관한 것으로 더욱 구체적으로는 정렬광의 경사조명에 의한 웨이퍼 정렬방법과 그 장치에 관한 것이다.
반도체소자의 제작에 있어서 소자밀도가 점점 높아지고 회로선의 폭이 1㎛이하로 작아지면서 이에 사용되는 반도체 장비인 웨이퍼 스탭퍼의 성능도 점점 고도화되고 있다.
웨이퍼 스텝퍼의 성능은 기본적으로 투영렌즈의 해상도와 정렬장치의 중첩정렬 정밀도에 따라 좌우된다.
웨이퍼 스텝퍼의 성능면에서 점차 높은 분해능이 요구되면서 노출광의 파창은 g-선(436㎚), i-선(365㎚)을 거쳐 최근에는 자외선인 248㎚를 발생하는 KrF레이저, 193㎚를 사용하는 ArF레이저가 상용화되고 있다.
이와같이 노출광의 파장이 짧아지면서 렌즈설계 조건이 점차 까다로워질 뿐 아니라 동시에 정렬장치의 설계에 있어서 여러 가지 어려움들이 발생하고 있다.
특히 248㎚이하의 KrF레이저나 193㎚의 ArF레이저를 사용하는 경우, 상용의 광학 유리는 이 파장대의 빛을 흡수하므로 사용될 수가 없으므로 용융석영 한가지의 재료만으로 설계하는 경우가 많다.
따라서 용융석영을 렌즈재료로 사용하는 웨이퍼 스탭퍼에서는 노광파장에 대해서만 수차 보정을 해주게 되므로 정렬광학계의 입장에서 볼 때에는 매우 큰 양의 색수차가 발생하게 된다.
정렬장치에서 사용되는 정렬광은 노출용 광과 같은 파장 혹은 다른 파장을 사용할 수가 있다.
노출광과 같은 파장을 사용할 경우에는 색수차 문제는 해결되지만 정렬광에 의하여 웨이퍼에 도포된 감광제가 감광되는 문제가 발생하게 된다.
그러므로, 대부분의 경우 감광제가 반응하지 않는 영역의 파장을 갖는 광원들이 정렬용 광원으로 사용된다.
이와 같은 정렬용 광원은 주로 He-Ne 레이저(633㎚)이나 노란색 영역, 혹은 적외선 영역의 파장의 광원들이 이에 해당한다.
한편, TTL정렬방식에서 이러한 비노출용 광원들을 정렬용 광원으로 사용할 때 문제점은 노출광과 정렬광 사이의 파장차이에 따른 커다란 색수차의 발생이다.
첨부도면 제5도는 노출광과 정렬광 사이의 색수차를 예시한다.
제5도에 도시된 바와 같이 웨이퍼(7)중앙의 한점에서 출발한 노출광(12)이 투영렌즈(10)에 의하여 마스크(1)의 중앙에 정확하게 결정하게 된다.
그러나 같은 점에서 출발한 정렬광(11)은 색수차에 의하여 마스크의 위쪽에서 결상하는 것을 나타내고 있다.
색수차 거리(13)는 투영렌즈(10)에 따라서 틀리지만 수 ㎝에서 수 m에 이르며, 축소투영렌즈(4)에 따라서는 실상을 맺지 못하고 허상을 맺는 경우도 있다.
일반적으로 웨이퍼 스텝퍼에서 웨이퍼 정렬방법은 정렬용 광선의 축소 투영렌즈 통과여부에 따라 TTL(Through The Lens), non-TTL정렬로 분류된다.
또한 마스크와 웨이퍼의 동시, 비동시 비교정렬방법에 따른 On-Axis, Off-Axis, 정렬로 분류되어 진다.
TTL(Through The Lens)정렬방식은 정렬광을 웨이퍼 스탭퍼의 축소투영렌즈를 통과시켜 웨이퍼상에 존재하는 정렬마크에 조사한다.
그리고 이에 따른 검출신호를 마스크 마크의 신호와 상대적인 비교를 행함으로써 정렬을 하는 방법이다.
상기 TTL(Through The Lens)정렬방식과 반대되는 개념이 바로 non- TTL방법이다.
한편 On-Axis정렬방식은 축소투영렌즈를 통하여 웨이퍼와 마스크를 동시에 정렬하는 방법이다.
또한 Off-Axis 정렬방식은 웨이퍼와 마스크의 정렬을 웨이퍼 스테이지 위의 임의의 기준점에 대해서 각각 정렬을 실시하여 간접적인 정렬을 수행하는 것을 말한다.
정렬방법의 분류에 따라 살펴보면 이론적으로는 투영광학계의 광축변화 및 웨이퍼 스테이지 오차의 영향이 가장 작은 것은 TTL, On-Axis 방식이다.
그러나 정렬광의 색수차, 혹은 여타 하드웨어적인 제약 등으로 인해서 non-TTL, Off-Axis 정렬방식이 기존의 스텝퍼에서 더 많이 채용하고 있음을 알 수 있다.
제6도는 기존의 웨이퍼 스탭퍼에서 사용하는 non-TTL, off-axis 정렬장치의 정렬방법에 관한 예를 보여주고 있다.
기존의 non-TTL, off-axis 정렬방법을 사용하는 스텝퍼에서는 마스크(1)의 정렬은 마스크상의 마스크 정렬마크(2)를 이용해 독립적인 마스크 정렬계(3)로 정렬이 이루어 진다.
한편 웨이퍼 정렬을 위해서는 축소투영렌즈(4)와는 별개의 광학계로 구성된 웨이퍼 정렬계(5)로 적절한 웨이퍼 정렬마크(6)를 통한 정렬을 수행한 후 축소투영렌즈 아래로 웨이퍼(7)를 이동하고 노광하는 형태를 취한다.
이때는 정렬된 웨이퍼를 이송하는 웨이퍼 스테이지(8)의 기계적인 안정성에 따라 최종적인 회로패턴(9)의 중첩정렬 정밀도가 결정되어진다.
즉 정렬계 자체의 정렬정밀도에 웨이퍼 스테이지의 기계적 정밀도, 또는 장치의 외부적인 원인에 기인하는 요소, 즉 열적 안정성 등의 오차가 더해진다.
이와 같은 문제점을 개선하기 위하여 안출된 본 발명에서는 정렬광의 경사조명에 의한 웨이퍼 정렬방법으로써 off-axis 정렬방식에서는 웨이퍼 스테이지의 base-line 오차가 근본적으로 발생하지 않는 웨이퍼 스텝퍼에서 정렬광의 경사조명에 의한 웨이퍼 정렬방법과 그 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이하 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
제1도는 이러한 non-TTL, off-axis 정렬방식에서의 웨이퍼 정렬정밀도에 기본적으로 포함되는 문제점들을 개선하기 위한 방법을 예시한 도면이다.
기존의 방법에서 처럼 웨이퍼를 노광위치 바깥쪽으로 추출해서 정렬하는 것이 아니라 바로 노광위치에서 정렬을 수행하고 노광을 하며 또는 노광을 수행하는 동안에도 웨이퍼 정렬을 수행할 수 있다.
그림에서 non-TTL, off-axis 정렬계는 축소 투영렌즈(10) 바깥쪽에서 웨이퍼(20)로 정렬광(30)을 경사각을 가지고 입사시키며 적절한 웨이퍼상의 정렬마크(40)에 회절이 일어나도록 한다.
이때 웨이퍼 정렬마크(40)는 회절효과가 최대한 크게 되도록 설계하며 회로가 존재하는 노광 칩(51) 바깥쪽에 위치하도록 해야 한다.
정렬마크(40)에 입사된 정렬광(30)은 입사각(31)에 따라 결정된 각도를 가지고 반사, 회절하게 된다.
상기 회절된 회절광(60)을 목적에 맞게 정형해서 정렬신호 처리계(70)를 통해서 최종적인 전기적 정렬신호를 추출한다.
제2도는 노광 칩 주변의 정렬마크의 배열과 정렬광의 입사회절각도를 나타내는 도면이다.
입사각(31) θi로 입사한 정렬광(30)은 웨이퍼 정렬마크(40)에서 회절을 일으키며 이때 입사각, 반사각(회절각), 정렬마크의 격자주기 사이의 관계는 다음식으로 나타낼 수 있다.
여기서 θi는 정렬광(30)의 입사각(31), θd는 n차 회절광(60)의 회절각(63)이며 d 는 회절격자의 격자주기(45), n은 정수, λ는 정렬광의 파장을 나타낸다.
n차 회절광은 θd로 회절하며 θd를 중심으로 +1차 회절광(61), -1차 회절광(62)이 존재하게 된다.
그림에서 처럼 회절광을 정의하면 입사각을 75°로 할 때 위식에 의하여 +1차 회절광은 60°, -1차 회절광은 90°의 각도로 회절하게 되므로 +1차 회절광만을 정렬신호광으로 사용하면 된다.
x, y축 각방향의 정렬을 위해서 정렬마크는 노광 칩(51) 주위에 그림과 같이 x-정렬마크(41), y-정렬마크(42)를 배치한다.
제3도는 이러한 경사조명에 의한 웨이퍼 정렬장치의 실시예를 예시한 도면이다.
정렬광으로는 레이저(200)를 사용하며, 정렬광의 편광각도에 따라서 웨이퍼 상에서의 반사율이 달라지기 때문에 먼저 선편광자(80)를 이용하여 정렬광의 편광각도를 조절한다.
편광된 정렬광은 평행광(210)이며, 반사거울(90)을 통해서 정사각형 형태의 개구(100)에 조명되고 개구(100)의 상이 렌즈(120)를 통해 축소되어 웨이퍼상의 정렬마크(40)에 입사된다.
이때 개구(100)의 크기는 웨이퍼 정렬마크(40)의 크기와 렌즈의 축소 배율 및 상호 위치에 따라서 결정된다.
정렬마크에 의해 회절된 회절광(60)은 다시 렌즈(121)와 반사거울(91)에 의해 광센서(140)로 전달된다.
이때 광경로에 있는 공간필터(130)는 회절광에서 단지 +1차 회절광만을 선택하기 위해서 사용되며 회절광의 공간분포에 따라서 적절한 모양으로 설계된다.
광센서에 입사한 정렬신호는 앰프(150)와 신호처리 회로(160)를 거쳐서 주연산기(170)로 전달되며 연산기는 정렬신호를 연산처리하여 웨이퍼 스테이지(110)를 구동하게 된다.
제4도는 실시 예시도면의 원리를 나타내는 도면이다.
평행광(210)을 정렬마크개구(100)에 입사시키고 정렬마크 개구의 영상을 릴레이 렌즈(120)를 통해서 회절격자 형태로된 정렬마크(40)에 축소 투영한다.
이때 개구(100)와 릴레이 렌즈(120)사이의 물상거리(220)를 a라 하고 릴레이 렌즈(120)와 웨이퍼 정렬마크(40) 사이의 영상거리(230)를 b라 할때 상기 물상거리와 영상거리 사이의 거리에 따라서 정렬광의 크기 및 개구의 크기는 다음의 물체와 상간의 관계식에 의해서 결정된다.
여기서 f는 렌즈의 촛점거리, M은 배율을 나타내며 예로 1/5배로 축소 투영하는 경우, 웨이퍼 면에서 정렬광의 크기(개구의 상)가 100㎛×10㎛인 직사각형일 때 실제 정렬마크 개구의 크기는 500㎛×50㎛가 되며 a 를 100㎜로 할 때 b 는 20㎜가 되고 릴레이 렌즈의 초점거리는 16.67㎜가 된다.
물론 여기서 a, b, M 등은 정렬계의 설계 규격에 따라 적절한 값을 가질 수 있다.
정렬마크에서 각 회절차수로 회절된 광은 다시 공간필터(130)에 의해서 +1차 회절광(61)만 선택되고 수렴렌즈(180)에 의해서 광센서(140)로 입사하게 된다.
이와같은 본 발명은 Off-axis 정렬계에서 기존의 방법과는 달리 정렬광을 경사 입사시키고 정렬마크에 의해 회절된 회절광을 정렬신호로 처리하여 웨이퍼정렬을 수행한다.
따라서 엑시머 레이저 스텝퍼의 경우 노광 위치에서 정렬을 수행하기 때문에 웨이퍼 스테이지의 이동에 따른 base-line 오차를 최소화 하므로써 웨이퍼 정렬 정밀도를 향상시킬 수 있다.

Claims (3)

  1. 웨이퍼 스텝퍼에 있어 반도체 미세회로 패턴을 지닌 마스크와 패턴이 옮겨질 웨이퍼 사이를 정렬하는 웨이퍼 정렬방법에 있어서, 정렬광인 레이저(200)를 선편광자(80)에 의하여 편광각도를 조절하여 상기 편광된 정렬광(평행광)을 반사거울(90)을 통하여 개구(100)에 조명하고, 상기 개구(100)의 상이 렌즈(120)를 통하여 축소되어 웨이퍼상의 정렬마크(40)에 경사각을 가지고 입사되도록 하며, 상기 정렬마크에 의해 회절된 회절광(60)이 다시 렌즈(121)와 반사거울(91)에 의해 공간필터(130)를 통과하도록 하되 상기 공간필터 회절광중 +1차 회절광만을 선택하여 광센서(140)로 전달하도록 하여 상기 광센서에 입사한 정렬신호가 앰프(150)와 신호처리회로(160)를 거쳐 주전산기(170)로 전달되도록 함을 특징으로 하는 웨이퍼 스템퍼에서 정렬광의 경사조명에 의한 웨이퍼 정렬방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 웨이퍼상에 경사 입사된 정렬광에 의해 회절된 회절광을 스텝퍼에서 정렬신호로 사용함을 특징으로 하는 웨이퍼 스텝퍼에서 정렬광의 경사조명에 의한 웨이퍼 정렬방법.
  3. 정렬광의 편광각도를 조절하는 선편광자(80)와; 상기 선편광자(80)에 의해 편광된 평행광(210)이 반사거울(90)을 통해서 정사각형 형태의 개구(100)에 조명되고 개구(100)의 상이 축소되어 웨이퍼상의 정렬마크(40)에 입사되도록 하는 렌즈(120)와; 상기 정렬마크(40)에 의해 회절된 회절광(60)을 굴절하는 렌즈(121)와; 상기 회절광(60)을 반사하는 반사거울(91) 및 이를 감지하는 광센서(140)와 앰프(150), 신호처리회로(160), 주연산기(170)로 구성됨을 특징으로 하는 웨이퍼 스텝퍼에서 정렬광의 경사조명에 의한 웨이퍼 정렬장치.
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