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KR20110087401A - 마스크리스 노광장치의 오토 포커싱 장치 및 오토 포커싱 방법 - Google Patents

마스크리스 노광장치의 오토 포커싱 장치 및 오토 포커싱 방법 Download PDF

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KR20110087401A
KR20110087401A KR1020100006803A KR20100006803A KR20110087401A KR 20110087401 A KR20110087401 A KR 20110087401A KR 1020100006803 A KR1020100006803 A KR 1020100006803A KR 20100006803 A KR20100006803 A KR 20100006803A KR 20110087401 A KR20110087401 A KR 20110087401A
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projection optical
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KR1020100006803A
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이상민
장상돈
박상현
백동석
Original Assignee
삼성전자주식회사
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Publication date
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Abstract

빔 포커스 캘리브레이션을 수행할 수 있는 마스크리스 노광장치의 오토 포커싱 장치와 이를 이용한 오토 포커싱 방법을 제시한다. 이를 위해 마스크리스 노광장치의 오토 포커싱 장치는 거리 측정 센서와 포커스 조절부가 설치되며 빔을 생성하는 프로젝션 광학부와, 프로젝션 광학부에서 생성된 빔이 조사되는 기준마크가 형성된 기판과 기준마크에 조사되는 빔의 이미지 정보를 획득하는 측정광학부와 기판과 측정광학부를 지지하는 스테이지를 포함하는 포커스 캘리브레이션 장치와 프로젝션 광학부에서 생성되는 빔의 포커스를 피노광부재의 표면에 맞추도록 포커스 조절부를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

마스크리스 노광장치의 오토 포커싱 장치 및 오토 포커싱 방법{Auto Focusing Device and Method of Maskless Exposure Apparatus}
포커스 캘리브레이션을 수행할 수 있는 마스크리스 노광장치의 오토 포커싱 장치와 이를 이용한 오토 포커싱 방법에 관한 것이다.
반도체나 엘시디 제조 공정 등에 노광장치들이 널리 사용되고 있다. 일반적으로 노광장치는 마스크를 이용하여 원하는 패턴을 웨이퍼나 유리기판 위에 노광시킨다. 그러나, 마스크를 이용하는 경우 마스크 비용 및 기판대형화에 따른 기판의 처짐 등의 문제점이 발생하여 디엠디(Digital Micromirror Device: DMD)와 같은 공간광변조기(Spatial Light Modulator: SLM)를 이용한 마스크리스(Maskless) 노광장치들이 각광 받고 있다. 마스크리스 노광장치는 공간광변조기에 광 빔을 조사하여 원하는 패턴에 대응하는 미세 거울(Micromirror)을 켜고 끔으로써 가상의 마스크를 이용하는 방법을 사용한다.
이러한 마스크리스 노광장치의 원리 때문에 스팟(spot) 빔의 크기는 마스크리스 노광장치의 분해능을 결정시키는 매우 중요한 요소가 된다. 즉, 스팟 빔의 크기가 작을수록 더 작은 패턴을 노광할 수 있게 된다. 스팟 빔의 직경은 스팟 빔의 초점 즉, 포커스(focus)에서 최소가 되고, 이때 노광장치는 최대 성능을 발휘할 수 있게 된다. 따라서, 마스크리스 노광장치에는 일반적으로 스캐닝 노광시 피노광부재의 노광면의 굴곡에 맞게 초점을 조절할 수 있는 오토 포커싱 장치(Auto Focusing device)가 장착된다. 오토 포커싱 장치가 AF(Auto Focusing)를 수행하기 위해서는 스팟 빔의 초점까지의 거리를 높이 측정 센서로 측정할 수 있는 방법이 필요하다. 높이 측정 센서로 측정된 높이에서 얼마나 스팟 빔의 초점을 이동시켜야 노광면에 스팟의 초점이 위치하는지 알아야만 스캐닝 노광시 AF를 수행할 수 있기 때문이다. 이를 알아내기 위해서 실험적으로 스팟 빔의 초점면을 이동시켜가며 노광을 하고 그 노광 결과를 분석하여 최적의 초점을 찾아내는 방법을 사용하였다. 이때 찾아진 초점 높이에서 측정된 높이 측정 센서의 측정값이 스팟 빔의 초점 높이가 된다. 그러나, 이 방법은 많은 시간이 소요되며, 수십개 이상의 경통들이 설치되어야 하는 대면적 고속 노광장비의 경우에는 각각의 경통들마다 스팟 빔의 초점이 모두 다르기 때문에 노광 테스트를 통해 각각의 경통들의 초점의 높이를 확인한다는 것은 매우 어렵다.
빔 포커스 캘리브레이션을 수행할 수 있는 마스크리스 노광장치의 오토 포커싱 장치와 이를 이용한 오토 포커싱 방법을 제시한다.
이를 위해 본 발명의 일측면에 의한 마스크리스 노광장치의 오토 포커싱 장치는 거리 측정 센서와 포커스 조절부가 설치되며 빔을 생성하는 프로젝션 광학부; 프로젝션 광학부에서 생성된 빔이 조사되는 기준마크가 형성된 기판과 기준마크에 조사되는 빔의 이미지 정보를 획득하는 측정광학부와 기판과 측정광학부를 지지하는 스테이지를 포함하는 포커스 캘리브레이션 장치; 및 포커스 조절부를 제어하여 프로젝션 광학부에서 생성되는 빔의 포커스를 기준마크의 표면에 맞추고, 거리 측정 센서로 기준마크 표면까지의 거리인 기준거리와 피노광부재의 표면까지의 거리를 획득하고, 피노광부재의 표면까지의 거리와 기준거리와의 차이에 따라 프로젝션 광학부에서 생성되는 빔의 포커스를 피노광부재의 표면에 맞추도록 포커스 조절부를 제어하는 제어부를 포함한다.
이때, 측정광학부는 포토 센서 또는 이미지 센서를 포함할 수 있으며, 이미지 센서는 CMOS 센서 또는 CCD 센서일 수 있다.
위에서 제어부가 포커스 조절부와 측정광학부를 제어하여 프로젝션 광학부에서 조사되는 빔의 포커스를 기준마크 표면에 맞추는 것은, 측정광학부의 포커스를 기준마크 표면에 맞추고, 포커스 조절부를 제어하여 프로젝션 광학부에서 조사되는 빔의 포커스를 가변시키면서 기준마크에 빔을 조사하고, 이미지 센서로 기준마크에 조사되는 빔의 이미지 정보를 획득하고, 기준마크에 조사되는 빔의 이미지 정보를 분석하여 기준마크에서 조사되는 빔의 크기가 최소이거나 기준마크에 조사되는 빔의 세기가 최대가 되는 경우의 프로젝션 광학부에서 생성되는 빔의 포커스를 선택함으로써 수행될 수 있다.
또한, 측정광학부의 포커스를 기준마크 표면에 맞추는 것은, 스테이지를 조절하여 측정광학부를 상하 방향으로 이동시키면서 이미지 센서로 기준마크의 이미지 정보를 획득하고, 기준마크의 이미지 정보의 선명도가 최대인 경우의 위치로 측정광학부를 위치시킴으로써 수행될 수 있다.
본 발명의 일측면에 의한 마스크리스 노광장치의 오토 포커싱 방법은 프로젝션 광학부에서 생성되는 빔의 포커스를 가변시키면서 기준마크의 표면에 빔을 조사하고, 기준마크에 조사되는 빔의 이미지 정보를 획득하고, 기준마크에 조사되는 빔의 이미지 정보에 따라 프로젝션 광학부에서 생성되는 빔의 포커스를 기준마크 표면에 맞추고, 프로젝션 광학부에 설치되는 거리 측정 센서로 기준마크 표면까지의 거리인 기준거리와 피노광부재의 표면까지의 거리를 획득하고, 피노광부재의 광학부에서 생성되는 빔의 포커스를 피노광부재의 표면에 맞출 수 있다.
이때, 기준마크에 조사되는 빔의 이미지 정보에 따라 프로젝션 광학부에서 생성되는 빔의 포커스를 기준마크 표면에 맞추는 것은, 기준마크에 조사되는 빔의 크기가 최소이거나 기준마크에 조사되는 빔의 세기가 최대가 되는 경우의 프로젝션 광학부에서 생성되는 빔의 포커스를 선택함으로써 수행될 수 있다.
또한, 기준마크에 조사되는 빔의 이미지 정보는 측정광학부에 의해 수행될 수 있으며, 측정광학부는 이미지 센서를 포함할 수 있다.
위와 같은 구성으로 노광 테스트를 반복적으로 수행한 후 그 결과를 분석하여 스팟 빔의 초점 높이를 찾아낼 필요 없이 측정광학부를 이용하여 노광 전에 스팟 빔의 포커스 캘리브레이션을 수행함으로써 간단한 구성으로 신속하게 노광을 수행할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 마스크리스 노광장치의 오토 포커싱 장치를 포함하는 마스크리스 노광장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 마스크리스 노광장치의 오토 포커싱 장치를 포함하는 마스크리스 노광장치의 멀티 빔 측정 상태를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 마스크리스 노광장치의 오토 포커싱 장치의 동작 원리를 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 마스크리스 노광장치의 오토 포커싱 장치의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 마스크리스 노광장치의 오토 포커싱 장치에 설치되는 기준마크가 형성된 기판을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 마스크리스 노광장치의 오토 포커싱 장치의 측정광학부의 포커스를 기준마크의 표면에 맞추는 동작을 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 마스크리스 노광장치의 오토 포커싱 장치의 측정광학부를 상하로 이동시킬 때 측정되는 기준마크의 이미지 정보를 나타내는 도면이다.
도 8은 도 7의 기준마크의 이미지 정보의 빛의 세기 변화를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 의한 마스크리스 노광장치의 오토 포커싱 장치의 프로젝션 광학부에서 조사되는 빔의 포커스를 기준마크의 표면에 맞추는 동작을 설명하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 의한 마스크리스 노광장치의 오토 포커싱 장치의 프로젝션 광학부에서 조사되는 빔을 측정확학부로 측정한 이미지 정보를 나타내는 도면이다.
도 11은 도 10의 이미지 정보의 빔의 세기 또는 빔의 크기를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 의한 마스크리스 노광장치의 오토 포커싱 장치의 거리 측정 센서가 기준마크의 표면까지의 거리를 측정하는 것을 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 의한 마스크리스 노광장치의 포커스 캘리브레이션 장치를 이용하여 프로젝션 광학부에서 나온 빔의 초점면을 캘리브레이션 완료 후 광학부에서 나온 빔의 포커스를 피노광부재의 표면에 맞추며 오포 포커싱을 수행하며 스캐닝 노광을 하는 개략도이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 의한 마스크리스 노광장치의 오토 포커싱 방법의 순서를 나타내는 순서도이다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 오토 포커싱 장치를 포함하는 마스크리스 노광장치(10)의 사시도이다.
본 발명의 일시시예에 의한 오토 포커싱 장치를 포함하는 마스크리스 노광장치(10)는 소위 플랫 베드형(Flat Bed Type)으로 구성된 것이며, 4개의 다리 부재(12a)로 지지되는 테이블(12)과, 이 테이블(12) 위에 위치한 가이드(30) 위에 y축 방향으로 이동 가능한 y축 스테이지(14)를 포함한다. y축 스테이지 상부에는 x축 방향으로 이동 가능한 x축 스테이지(a)(16)과 x축 스테이지(b)(18)가 위치한다. x축 스테이지(a)(16) 위에는 포커스 캘리브레이션 장치(20)가 위치한다. x축 스테이지(b)(18) 위에는 척(22)과 글래스(24)가 차례로 위치하며, 글래스(24) 상부에는 PR 도포층과 같은 감광 재료(26)가 도포되어 위치한다. 테이블(12)의 중앙 부분에는 게이트 모양의 프레임(28)이 결합되어 있고, 게이트 모양의 프레임(28) 좌측에는 2개의 위치 감지 센서(32)가 설치되어 있다. 위치 감지 센서(32)는 각 스테이지(14, 16, 18)의 이동 시 움직임을 감지하여 그 감지 신호를 후술할 제어부(20)로 전송한다. x축 스테이지(a)(16)은 포커스 캘리브레이션 장치(20)를 x축으로 이동시키며, x축 스테이지(b)(18)는 척(22)을 x축으로 이동시키는 역할을 한다. y축 스테이지(14)는 캘리브레이션 장치(20)와 척(22)을 동시에 y축 방향으로 이동시키는 역할을 수행한다.
게이트 모양의 프레임(28) 우측에는 레이저 빔과 같은 광 빔을 생성하는 광원부(34)와 멀티 노광헤드(36)를 포함하는 노광헤드부(38)가 설치된다. 노광헤드부(38)는 광원부(34)에서 생성된 빔을 받아 멀티 노광헤드(36)를 통하여 감광 재료(26)에 멀티 빔을 조사하여 원하는 패턴으로 이미지를 형성하게 된다.
앞에서 언급한 바와 같이, 척(22) 좌측에는 포커스 캘리브레이션 장치(20)가 결합되어 위치한다. 포커스 캘리브레이션 장치(20)는 측정광학부(20a)와 기판(20b)과 기준마크(20c)를 포함하여 구성된다. 포커스 캘리브레이션 장치(20)의 자세한 구성과 역할에 대해서는 후술하기로 한다.
제어부(40)는 원하는 패턴의 노광 데이터에 기반하여 공간 광변조 소자(미도시)를 제어하여, 멀티 빔을 조사하고, 후술할 포커스 조절부(37) 및 후술할 측정광학부(20a)를 제어하여 후술할 프로젝션 광학부(33)에서 조사되는 빔의 포커스를 조절하는 역할을 수행한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 마스크리스 노광장치의 오토 포커싱 장치를 포함하는 마스크리스 노광장치의 멀티 빔 측정 상태를 나타내는 개략도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, y축 스테이지(14)는 화살표로 표시된 스테이지 이동방향으로 이동하게 되며, 그 과정에서 멀티 노광헤드(36)를 통하여 감광 재료(26)에 멀티 빔을 조사하여 원하는 패턴으로 이미지를 형성한다. 생성된 패턴의 이미지의 예(27)가 도 2에 도시되어 있다. 이때, 먼저 수행되어야 할 것이 각 멀티 노광헤드(36)에서 조사되는 빔들의 포커스 캘리브레이션이다. 포커스 캘리브레이션은 멀티 노광헤드(36)가 도 2의 포커스 캘리브레이션 장치(20)를 먼저 통과하면서 수행되는데, 포커스 캘리브레이션의 개념에 대해서는 도 3을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 마스크리스 노광장치(10)의 오토 포커싱 장치의 동작 원리를 나타내는 개략도이다.
프로젝션 광학부(33)는 앞에서 설명한 광원부(34)와 멀티 노광헤드(36)를 포함하는 노광헤드부(38)를 통칭하는 것으로 멀티 빔을 생성하는 역할을 한다. 도 1에는 도시되지 않았지만, 프로젝션 광학부(33)는 렌즈부(35)와 포커스 조절부(37) 및 거리 측정 센서(39)를 더 포함한다. 광원부(34)에서 생성된 빔은 렌즈부(35)를 통과하여 포커스 조절부(37)의해 포커스가 가변되어 조사되게 된다. 도 3에는 이렇게 생성됨 빔이 조사되는 기준면(42)이 도시되어 있다. 기준면(42)는 포커스 캘리브레이션을 수행하는데 기준이 되는 면으로서 후술할 기준마크(20c)의 표면과 같은 역할을 수행하게 된다. 즉, 기준면(42)은 후술할 기준마크(20c)의 표면과 같은 포커스 캘리브레이션을 수행하는 일정한 기준면을 상정한 것이다.
거리 측정 센서(39)는 기준면(42)까지의 거리인 기준거리를 측정하며, 포커스 조절부(37)는 거리 측정 센서(39)에서 측정되는 피노광부재까지의 거리와 기준거리와의 차이에 따라 프로젝션 광학부(33)에서 조사되는 빔의 포커스를 피노광부재의 표면에 맞추도록 조절하는 역할을 한다. 즉, 포커스 조절부(37)는 기준거리를 기준으로 하여 새롭게 측정되는 피노광부재까지의 거리에 따라 프로젝션 광학부(33)에서 조사되는 빔의 포커스를 초기의 값에서 증감시키는 제어를 수행한다. 이때, 중요한 것은 초기에 프로젝션 광학부(33)에서 조사되는 빔의 포커스가 기준면(42)에 맞추어져 있어야 한다는 점이다. 그래야만, 굴곡이 있는 피노광부재를 노광할 때에 오토 포커싱을 제대로 수행할 수 있기 때문이다. 이렇게, 초기에 프로젝션 광학부(33)에서 조사되는 빔의 포커스를 기준면(42)에 맞추는 것을 '포커스 캘리브레이션(Focus Calibration)'이라고 부르기로 한다. 포커스 캘리브레이션을 도 3을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3의 (a)에는 포커스 캘리브레이션이 되지 않은 상태에서 프로젝션 광학부(33)에서 조사되는 빔의 포커스를 나타내고 있다. 기준면(42)까지의 거리는 거리 측정 센서(39)에 의해서 α라고 측정된다. 거리 측정 센서(39)에서 프로젝션 광학부(33)에서 조사되는 빔의 포커스까지의 거리를 β라고 하고, 기준면(42)에서 프로젝션 광학부(33)에서 조사되는 빔의 포커스까지의 거리를 δ라고 하기로 한다. 이때, 프로젝션 광학부(33)에서 조사되는 빔의 포커스가 기준면(42)에서 얼마나 오차가 있는지를 나타내는 오프셋 에러(offset error) δ는 다음과 같이 정의된다.
오프셋 에러(offset error, δ) = α - β
도 3의 (a)에서는 δ = α - β가 0이 아니므로 이 상태에서 오토 포커싱을 수행하게 되면 제대로 피노광부재의 표면에 포커싱을 수행할 수 없게 된다. 도 3의 (b)에서는 δ = α - β가 0이 되어 포커스 캘리브레이션이 된 상태를 도시하고 있다. 이렇게 포커스 캘리브레이션이 된 상태에서 피노광부재를 노광하면 거리 측정 센서(39)에서 측정된 거리를 바탕으로 피노광부재의 표면에 정확하게 오토 포커싱을 수행할 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 마스크리스 노광장치(10)의 오토 포커싱 장치의 개략도이다.
본 발명의 일실시예에 의한 마스크리스 노광장치의 오토 포커싱 장치는 프로젝션 광학부(33)와 포커스 캘리브레이션 장치(20)와 도 1시 도시된 제어부(40)를 포함하여 구성된다. 오토 포커싱을 수행하도록 제어하는 제어부(40)는 도 1에 도시된 바와 같이 마스크리스 노광장치(10)를 제어하는 역할을 동시에 수행할 수 있으며, 도시하지는 않았지만 마스크리스 노광장치(10)를 제어하는 장치와 별도로 구성할 수도 있음은 물론이다. 프로젝션 광학부(33)는 그 내부에 렌즈부(35)와 포커스 조절부(37)를 포함하여, 프로젝션 광학부(33) 외부에는 거리 측정 센서(39)가 설치된다. y축 스테이지(14)의 우측 상부에는 x축 스테이지(b)(18), 척(22), 글래스(22), 감광 재료(26)가 차례로 위치한다. y축 스테이지(14)의 좌측 상부에는 x축 스테이지(a)(16)이 위치하고 그 위에는 지지대(20d)가 연결되며 지지대(20d)에는 기판(20b)과 z축 스테이지(20e)가 연결된다. 기판(20b) 위에는 기준마크(20c)가 형성되어 있으며, z축 스테이지(20e)에는 측정광학부(20a)가 연결되어 위치한다. 도 4에서는 하나의 포커스 캘리브레이션 장치(20)만이 설치된 것을 예로 들어 설명하였으나, 멀티 노광헤드(36)의 개수가 많은 경우에는 하나 이상의 포커스 캘리브레이션 장치(20)를 설치하여 각각의 캘리브레이션 장치(20)를 별도로 구동하여 프로젝션 광학부(33)에서 조사되는 빔의 포커스를 각각의 기준마크(20c)의 표면에 맞추도록 설계할 수도 있다.
기판(20b)은 글래스(24)와 같은 투명한 유리로 형성될 수 있으며, 측정광학부(20a)는 z축 스테이지(20e)의 구동에 의하여 상하로 움직여 포커스를 기준마크(20c)의 표면에 맞출 수 있다. 도 5에 본 발명의 일실시예에 의한 마스크리스 노광장치의 오토 포커싱 장치에 설치되는 기준마크(20c)가 형성된 기판(20b)이 도시되어 있다. 기준마크(20c)는 플라스틱이나 금속과 같은 불투명한 재질로 형성될 수 있으며, 그 모양은 원하는 모양으로 다양하게 형성될 수 있다. 도 4에서 y축 스테이지(14)가 우측에서 좌측으로 이동하면서 먼저 포커스 캘리브레이션을 수행한 다음 감광 재료(26)를 노광하게 되는데, 그 작동 원리에 대해서는 도 6 내지 도 13을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 마스크리스 노광장치(10)의 오토 포커싱 장치의 측정광학부(20a)의 포커스를 기준마크(20c)의 표면에 맞추는 동작을 설명하는 도면이다.
측정광학부(20a)를 이용하여 기준마크(20c)의 표면을 정확하게 측정하기 위해서 측정광학부(20a)의 포커스를 기판(20a) 위에 형성된 기준마크(20c)의 표면에 맞추는 것이 필요하다. 제어부(40)는 y축 스테이지(14)와 x축 스테이지(a)(16)을 이동시켜 기준마크(20c)를 프로젝션 광학부(33)의 하부에 위치시킨다. 그 다음, 제어부(40)는 z축 스테이지(20e)를 이동시켜 측정광학부(20a)의 포커스를 기준마크(20c)의 표면에 맞춘다. 물론, 설계하기에 따라서는 제어부(40)가 z축 스테이지(20e)를 이동시켜 측정광학부(20a)의 포커스를 기준마크(20c)의 표면에 맞춘 다음에 y축 스테이지(14)와 x축 스테이지(a)(16)을 이동시켜 기준마크(20c)를 프로젝션 광학부(33) 하부에 위치시킬 수도 있다. 이때, 측정광학부(20a)의 포커스를 기준마크(20c)의 표면에 맞추는 것은 다음과 같은 방법에 의해 수행된다. 먼저 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 측정광학부(20a)를 위쪽 방향으로 이동시킨 후 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 아래 방향으로 이동시킨 후 도 7 및 도 8에서의 방법을 이용하여 도 6의 (c)에 도시된 것과 같이 측정광학부(20a)의 포커스가 기준마크(20c)의 표면에 맞추어지는 높이로 측정광학부(20a)를 위치시킨다. 물론 먼저 측정광학부(20a)를 아래 방향으로 이동시킨 후 위쪽 방향으로 이동시키도록 제어할 수도 있다. 이때, 측정광학부(20a)의 포커스를 기준마크(20c)의 표면에 맞추어지는 높이를 찾는 방법을 도 7 및 도 8을 참조하여 상세히 설명한다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 마스크리스 노광장치의 오토 포커싱 장치의 측정광학부(33)를 상하로 이동시킬 때 측정되는 기준마크(20c)의 이미지 정보를 나타내는 도면이며, 도 8은 도 7의 기준마크의 이미지 정보의 빛의 세기 변화를 나타내는 도면이다.
현미경 등으로 이루어지는 측정광학부(20a)는 포토 센서와 이미지 센서를 포함할 수 있다. 포토 센서는 측정광학부(20a)를 통하여 측정되는 이미지의 빛의 세기 정보를 측정할 수 있다. 이미지 센서는 CMOS 센서나 CCD 센서로 이루어질 수 있는데, CCD 센서의 경우 측정광학부(20a)를 통하여 측정되는 이미지의 빛의 세기 정보 및 위치 정보를 측정할 수 있다. 도 7에는 측정광학부(20a)에 설치되는 이미지 센서로 얻은 기준마크(20c)의 이미지 정보를 나타내는 도면이다. z축 스테이지(20d)를 이동시켜 측정광학부(20a)를 상하로 이동시켜가며 기준마크(20c)의 이미지 정보를 획득하면, 도 7의 (c)에서와 같이 가장 선명한 이미지 정보를 얻을 때의 위치가 측정광학부(20a)의 포커스가 기준마크(20c)의 표면에 맞추어진 경우이다. 도 7의 (c)의 위치에서 위쪽 방향으로 움직이거나 아래 방향으로 움직이면 도 7의 (a), (b), (d), (e)에 나타난 바와 같이 기준마크(20c)의 이미지가 희미해지게 된다. 도 7의 (a), (b)는 측정광학부(20a)가 (c)의 위치에서 더 위쪽으로 이동할 때의 기준마크(20c)의 이미지 정보이며, 도 7의 (d), (e)는 측정광학부(20a)가 (c)의 위치에서 더 아래쪽으로 이동할 때의 기준마크(20c)의 이미지 정보를 나타낸다. 여기에서 가장 선명한 기준마크(20c)의 이미지 정보를 획득하는 위치를 찾는 방법은 다음과 같다. CCD 센서와 같은 이미지 센서로 기준마크(20c)의 이미지 정보를 획득하면 그 이미지 정보의 미리 설정된 x축 또는 y축의 임의의 픽셀 라인의 빛의 세기 정보를 획득한다. 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이 기준마크(20c)의 모양을 형성하는 부분을 포함하는 일부 구간을 설정할 수 있다. 빛의 세기 정보를 획득한 것의 예시가 도 8의 (a)에 도시되어 있다. 도 8의 (a)에 표시된 a, b, c는 획득한 이미지의 선명도에 따라서 빛의 세기 정보가 어떻게 나타나는 지를 구별하여 표시하고 있다. 기준마크(20c)의 이미지가 선명할수록 미리 설정된 픽셀 구간에서 빛의 세기 정보가 크게 변하게 되며, 기준마크(20c)의 이미지가 희미할수록 미리 설정된 픽셀 구간에서 빛의 세기 정보가 더 서서히 변하게 된다. 즉, 도 8의 (a)에서는 c, b, a순으로 더 선명한 기준마크(20c)의 이미지를 획득하였음을 나타낸다. 즉, 미리 설정된 픽셀 구간에서 빛의 세기 정보를 획득하고 빛의 세기 정보가 그 구간에서 가장 급격하게 변하는 경우 즉, 빛의 세기 변화의 기울기가 가장 큰 경우일 때의 위치로 측정광학부(20a)를 위치시킴으로써, 측정광학부(20a)의 포커스를 기준마크(20c)의 표면에 맞출 수 있게 된다. 이렇게 측정광학부(20a)의 포커스를 기준마크(20c)의 표면에 맞추게 되면 프로젝션 광학부(33)에서 조사되는 빔의 포커스를 기준마크(20c)의 표면에 맞추어야 한다. 이를 도 9 내지 도 11을 참조하여 설명한다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 의한 마스크리스 노광장치(10)의 오토 포커싱 장치의 프로젝션 광학부(33)에서 조사되는 빔의 포커스를 기준마크(20c)의 표면에 맞추는 동작을 설명하는 도면이다.
제어부(40)는 포커스 조절부(37)를 제어하여 프로젝션 광학부(33)에서 조사되는 빔의 포커스를 가변시킨다. 도 9의 (a)는 프로젝션 광학부(33)에서 조사되는 빔의 포커스가 기준마크(20c)의 표면보다 훨씬 위쪽에 형성된 것을 나타내며, 도 9의 (b)는 프로젝션 광학부(33)에서 조사되는 빔의 포커스가 기준마크(20c)의 표면보다 훨씬 아래쪽에 형성된 것을 나타낸다. 도 11의 (a)와 관련하여 설명하겠지만 이렇게 되면 프로젝션 광학부(33)에서 조사되는 빔의 포커스가 기준마크(20c)의 표면에 맞춰진 경우와 비교하여 기준마크(20c)에 조사되는 빔의 크기가 커지게 된다. 도 9의 (c)는 프로젝션 광학부(33)에서 조사되는 빔의 포커스가 기준마크(20c)의 표면에 맞추어져 포커스 캘리브레이션이 된 상태를 도시하고 있다. 이렇게 되면 기준마크(20c)에 도사되는 빔의 크기가 최소가 되게 되어, 노광 성능이 최대가 되게 된다. 이렇게 포커스 조절부(37)를 제어하여 프로젝션 광학부(33)에서 조사되는 빔의 포커스를 가변시키면서 측정광학부(20a)를 이용하여 기준마크(20c)의 표면 높이에서의 빔을 측정하게 된다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 의한 마스크리스 노광장치의 프로젝션 광학부에서 포커스 조절부를 구동 시 빔의 초점이 변함에 따른 빔의 형상을 측정광학부로 측정한 이미지 정보를 나타내는 도면이다.
도 10의 (a)에서 기준마크(20c) 중앙에 조사된 원형의 빔의 모양이 형성된 것을 확인할 수 있다. 이렇게 기준마크(20c) 중앙에 조사된 원형의 빔의 모양의 크기가 도 10의 (b), (c), (d)에 도시되어 있다. 도 10의 (b)의 빔의 크기가 가장 작으며 도 10의 (d)의 빔의 크기가 가장 큰 것을 확인할 수 있다. 빔의 크기는 포토 센서나 이미지 센서를 이용하여 획득한 빔의 세기 정보를 이용하여 FWHM(Full Width Half Maximum) 방법을 이용하여 측정한다. 즉, 빔의 세기 분포 곡선에서 빔의 최대 세기의 절반의 세기에 해당하는 지점에 해당하는 직경을 빔의 크기로 정하는 것이다. 이렇게 측정된 빔의 크기가 도 10의 (a)와 같이 가장 작은 경우를 찾는 방법은 다음과 같다.
도 11은 도 10의 이미지 정보의 빔의 세기 또는 빔의 크기를 나타내는 도면이다.
도 11의 (a)는 프로젝션 광학부(33)에서 조사되는 빔의 포커스 지점에서 빔의 크기가 최소가 되고 그 지점에서 멀어질 수록 빔의 크기가 커지는 것을 타나내고 있다. 즉, 제어부(40)가 포커스 조절부(37)를 제어하여 프로젝션 광학부(33)에서 조사되는 빔의 포커스를 가변시키면, 그에 따라 기준마크(20c)의 표면 높이에서의 빔의 크기는 가변되게 된다. 이때 빔의 중심 위치에 해당하는 지점의 빔의 세기 정보를 획득하게 되면 도 11의 (b)와 같은 모양의 그래프가 획득된다. 즉, 빔의 에너지는 동일하므로 빔의 크기가 커지면 커질수록 빔의 중심 위치의 빔의 세기는 작아지게 되고, 빔의 크기가 작을수록 빔의 중심 위치의 빔의 세기는 커지게 되기 때문이다. 이렇게 프로젝션 광학부(33)에서 조사되는 빔의 포커스의 위치에 따른 빔의 세기 정보를 획득한 후, 빔의 세기가 최대가 되는 경우의 프로젝션 광학부(33)에서 조사되는 빔의 포커스를 선택하면 포커스 캘리브레이션을 수행할 수 있게 된다. 그러나, 실제적으로 빔의 세기가 최대가 되는 지점을 찾기가 어려우므로 빔의 세기의 크기를 미리 설정한 임계값 IT와 비교하여, 그 임계값 IT를 갖는 두 지점의 중심으로 근사화하여 포커스 캘리브레이션을 수행할 수도 있다.
도 11의 (c)는 포커스 조절부(37)를 제어하여 프로젝션 광학부(33)에서 조사되는 빔의 포커스를 가변시킬 때, 획득되는 빔의 크기 정보를 나타내는 그래프이다. 빔의 크기는 앞에서 설명한 바와 같이 FWHM 방법으로 구하며, 빔의 크기가 최소가 되는 지점이 포커스 캘리브레이션이 되는 경우를 의미하게 된다. 마찬가지로, 빔의 크기가 최소가 되는 경우의 프로젝션 광학부(33)에서 조사되는 빔의 포커스를 선택하면 포커스 캘리브레이션을 수행할 수 있다. 그러나, 실제적으로 빔의 크기가 최소가 되는 지점을 찾기 어려우므로 빔의 크기를 미리 설정한 임계값 RT와 비교하여, 그 임계값 RT를 갖는 두 지점의 중심으로 근사화하여 포커스 캘리브레이션을 수행할 수도 있다. 지금까지 프로젝션 광학부(33)에서 조사되는 빔이 하나의 단일 빔인 경우인 경우를 예를 들어 설명하였다. 즉, 기준마크(20c) 표면에 단일 빔을 조사하여 그 단일 빔의 이미지 정보를 이용하여 프로젝션 광학부(33)에서 조사되는 빔의 포커스를 기준마크(20c)의 표면에 맞추었다. 그러나, 프로젝션 광학부(33)에서 하나 이상 즉, 예를 들어 5개 정도의 빔을 사용하여 포커스 캘리브레이션을 수행할 수도 있다. 만약, 5개의 빔을 기준마크(20c)에 조사하는 경우에는 각각의 빔의 이미지 정보를 이용하여 각 빔의 포커스가 기준마크(20c)의 표면에 맞추어지는 경우를 계산하고, 이들의 평균을 계산하여 포커스 캘리브레이션을 수행하면 된다. 이렇게 프로젝션 광학부(33)에서 조사되는 빔의 포커스를 기준마크(20c)의 표면 위에 맞추면 거리 측정 센서(39)로 기준마크(20c)까지의 거리를 측정하게 된다. 이를 도 12를 참조하여 설명한다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 의한 마스크리스 노광장치(10)의 오토 포커싱 장치의 거리 측정 센서(39)가 기준마크(20c)의 표면까지의 거리를 측정하는 것을 나타내는 도면이다. 즉, 제어부(40)는 프로젝션 광학부(33)에서 조사되는 빔의 포커스를 기준마크(20c)의 표면위에 맞추었으므로, y축 스테이지(14)와 x축 스테이지(a)(16)를 이동시켜 기준마크(20c)를 거리 측정 센서(39)의 하부에 위치시킨 다음 기준마크(20c)까지의 거리인 기준거리를 획득하게 된다. 즉, 이 기준거리에 대응하여 상기 프로젝션 광학부(33)에서 조사되는 빔의 포커스가 기준거리에 위치하는 기준마크(20c)의 표면 위에 맞추어진 상태이므로, 피노광부재를 노광할 때에 오토 포커싱을 정확하게 수행할 수 있게 된다. 물론, 프로젝션 광학부(33)에서 조사되는 빔의 포커스를 기준마크(20c)의 표면에 맞추기 전에 거리 측정 센서(39)로 먼저 기준마크(20c)의 표면까지의 거리를 획득할 수도 있다. 위와 같은 방법으로 프로젝션 광학부(33)에서 조사되는 빔의 포커스를 기준마크(20c)의 표면에 맞추고 거리 측정 센서(39)로 기준마크(20c)의 표면까지의 거리를 획득하면 포커스 캘리브레이션이 완료되게 된다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 의한 마스크리스 노광장치(10)의 포커스 캘리브레이션 장치를 이용하여 프로젝션 광학부에서 나온 빔의 초점면을 캘리브레이션 완료 후 광학부에서 나온 빔의 포커스를 피노광부재의 표면에 맞추며 오포 포커싱을 수행하며 스캐닝 노광을 하는 개략도이다.
앞에서 설명한 바와 같이 포커스 캘리브레이션이 완료된 상태이므로 제어부(40)는 거리 측정 센서(39)에서 측정되는 피노광부재까지의 거리와 기준거리와의 차이에 따라 프로젝션 광학부(33)에서 조사되는 빔의 포커스를 피노광부재의 표면에 맞추도록 포커스 조절부(37)를 제어한다. 이때, 높이 측정 센서(39)의 위치와 상기 프로젝션 광학부(33)에서 조사되는 빔의 위치와의 거리에 따른 오차가 발생할 수 있는데, 이는 y축 스테이지(14)의 속도에 대응하여 계산된 시간 후에 그에 맞는 보정된 포커스로 조절하도록 함으로써 방지할 수 있다. 도 13에는 이와 같은 방법으로 굴곡이 있는 피노광부재의 표면에 프로젝션 광학부(33)에서 조사되는 빔의 포커스를 맞추면서 오토 포커싱을 수행하는 것이 나타나 있다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 의한 마스크리스 노광장치의 오토 포커싱 방법의 순서를 나타내는 순서도이다.
먼저 제어부(40)는 y축 스테이지(14)와 x축 스테이지(a)(16)를 이동시켜 기준마크(20c)를 프로젝션 광학부(33)의 하부에 위치시킨 다음, 측정광학부(20a)의 포커스를 기준마크(20c)의 표면에 맞춘다.(100) 앞에서 설명한 것처럼 이는 측정광학부(20a)의 이미지 센서에서 측정되는 이미지가 가장 선명한 경우로 선택함으로써 수행된다. 측정광학부(20a)의 포커스가 기준마크(20c)의 표면에 맞춰지면 포커스 조절부(37)를 제어하여 프로젝션 광학부(33)에서 조사되는 빔의 포커스를 가변시키면서 빔을 기준마크(20c)의 표면에 조사시킨다.(102) 이때, 측정광학부(20a)의 이미지 센서는 기준마크(20c)의 표면 높이에서의 빔의 이미지 정보를 획득한다.(104) 이 이미지 정보를 분석하여 빔의 세기가 최대가 되는 경우 또는 빔의 크기가 최소가 되는 경우인지를 판단한다.(106) 만약, 빔의 세기가 최대가 되는 경우 또는 빔의 크기가 최소가 되는 경우라 아니라면 계속하여 포커스 조절부(37)를 제어하여 프로젝션 광학부(33)에서 조사되는 빔의 포커스를 가변시키면서 빔을 기준마크(20c)의 표면에 조사시킨다.(102) 빔의 세기가 최대가 되는 경우 또는 빔의 크기가 최소가 되는 경우라면 그 때의 포커스를 프로젝션 광학부(33)에서 조사되는 빔의 포커스로 선택한다.(108) 다음, 거리 측정 센서(39)로 기준마크(20c)까지의 거리를 획득함으로써(110), 마스크리스 노광장치의 포커스 캘리브레이션을 완료(112)하게 된다. 이 상태에서 y축 스테이지(14)를 이동시켜 피노광부재를 노광하면서 오토포커싱을 수행하게 된다.(114)
위와 같은 구성으로 노광 테스트를 반복적으로 수행한 후 그 결과를 분석하여 스팟 빔의 초점 높이를 찾아낼 필요 없이 측정광학부(20a)를 이용하여 노광 전에 스팟 빔의 포커스 캘리브레이션을 수행함으로써 간단한 구성으로 신속하게 노광을 수행할 수 있게 된다.
10 : 마스크리스 노광장치 14 : y축 스테이지
16 : x축 스테이지(a) 18 : x축 스테이지(b)
20 : 포커스 캘리브레이션 장치 20a : 측정광학부
20b : 기판 20c : 기준마크
20d : 지지대 20e : z축 스테이지
22 : 척 24 : 글래스
26 : 감광 재료 33 : 프로젝션 광학부
35 : 렌즈부 37 : 포커스 조절부
39 : 거리 측정 센서 40 : 제어부

Claims (10)

  1. 거리 측정 센서와 포커스 조절부가 설치되며 빔을 생성하는 프로젝션 광학부;
    상기 프로젝션 광학부에서 생성된 빔이 조사되는 기준마크가 형성된 기판과 상기 기준마크에 조사되는 빔의 이미지 정보를 획득하는 측정광학부와 상기 기판과 측정광학부를 지지하는 스테이지를 포함하는 포커스 캘리브레이션 장치; 및
    상기 포커스 조절부를 제어하여 상기 프로젝션 광학부에서 생성되는 빔의 포커스를 상기 기준마크의 표면에 맞추고,
    상기 거리 측정 센서로 상기 기준마크 표면까지의 거리인 기준거리와 피노광부재의 표면까지의 거리를 획득하고,
    상기 피노광부재의 표면까지의 거리와 상기 기준거리와의 차이에 따라 상기 프로젝션 광학부에서 생성되는 빔의 포커스를 상기 피노광부재의 표면에 맞추도록 상기 포커스 조절부를 제어하는 제어부를 포함하는 마스크리스 노광장치의 오토 포커싱 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 측정광학부는 포토 센서를 포함하는 마스크리스 노광장치의 오토 포커싱 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 측정광학부는 이미지 센서를 포함하는 마스크리스 노광장치의 오토 포커싱 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 이미지센서는 CMOS 센서 또는 CCD 센서인 마스크리스 노광장치의 오토포커싱 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제어부가 상기 포커스 조절부를 제어하여 상기 프로젝션 광학부에서 생성되는 빔의 포커스를 상기 기준마크의 표면에 맞추는 것은,
    상기 측정광학부의 포커스를 상기 기준마크 표면에 맞추고,
    상기 포커스 조절부를 제어하여 상기 프로젝션 광학부에서 생성되는 빔의 포커스를 가변시키면서 상기 기준마크에 빔을 조사하고,
    상기 이미지 센서로 상기 기준마크에 조사되는 빔의 이미지 정보를 획득하고,
    상기 기준마크에 조사되는 빔의 이미지 정보를 분석하여 상기 기준마크에 조사되는 빔의 크기가 최소이거나 상기 기준마크에 조사되는 빔의 세기가 최대가 되는 경우의 상기 프로젝션 광학부에서 생성되는 빔의 포커스를 선택하는 것인 마스크리스 노광장치의 오토 포커싱 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 측정광학부의 포커스를 상기 기준마크 표면에 맞추는 것은,
    상기 스테이지를 조절하여 상기 측정광학부를 상하 방향으로 이동시키면서 상기 이미지 센서로 상기 기준마크의 이미지 정보를 획득하고,
    상기 기준마크의 이미지 정보의 선명도가 최대인 경우의 위치로 상기 측정광학부를 위치시키는 것인 마스크리스 노광장치의 오토 포커싱 장치.
  7. 프로젝션 광학부에서 생성되는 빔의 포커스를 가변시키면서 기준마크의 표면에 빔을 조사하고,
    상기 기준마크에 조사되는 빔의 이미지 정보를 획득하고,
    상기 기준마크에 조사되는 빔의 이미지 정보에 따라 상기 프로젝션 광학부에서 생성되는 빔의 포커스를 기준마크 표면에 맞추고,
    상기 프로젝션 광학부에 설치되는 거리 측정 센서로 상기 기준마크 표면까지의 거리인 기준거리와 피노광부재의 표면까지의 거리를 획득하고,
    상기 피노광부재의 표면까지의 거리와 상기 기준거리와의 차이에 따라 상기 프로젝션 광학부에서 생성되는 빔의 포커스를 상기 피노광부재의 표면에 맞추는 마스크리스 노광장치의 오토 포커싱 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 기준마크에 조사되는 빔의 이미지 정보에 따라 상기 프로젝션 광학부에서 생성되는 빔의 포커스를 기준마크 표면에 맞추는 것은,
    상기 기준마크에 조사되는 빔의 크기가 최소이거나 상기 기준마크에 조사되는 빔의 세기가 최대가 되는 경우의 상기 프로젝션 광학부에서 생성되는 빔의 포커스를 선택하는 것인 마스크리스 노광장치의 오토 포커싱 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 기준마크에 조사되는 빔의 이미지 정보는 측정광학부에 의해 획득되는 마스크리스 노광장치의 오토포커싱 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 측정광학부는 이미지 센서를 포함하는 마스크리스 노광장치의 오토포커싱 방법.
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