KR20200073576A - 평행빔을 이용한 포토리소그래피 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 포토리소그래피 장치를 저렴한 가격의 낮은 출력을 가지는 광원으로 구성함과 동시에, 광 품질을 매우 높은 수준으로 관리하여 제작 가능한 형상의 한계를 극복하는, 평행빔을 이용한 포토리소그래피 장치 및 방법을 제공함에 있다. 보다 구체적으로는, 본 발명의 목적은 기존에 비하여 소형 및 저출력의 광원을 사용하되, 광원 및 광원으로부터 발산되는 광을 평행빔으로 만들어주는 광학계를 모듈화하여, 모듈화된 소형의 평행광원부를 기판 상에 도포된 포토레지스트 층 상에서 이동시키면서 노광 공정이 수행되도록 함으로써, 기판 전면적에 대하여 항상 원하는 각도의 평행빔이 노광될 수 있도록 하는, 평행빔을 이용한 포토리소그래피 장치 및 방법을 제공함에 있다.

Description

평행빔을 이용한 포토리소그래피 장치 및 방법 {Photolithography Apparatus and Method using Collimated Light}

본 발명은 평행빔을 이용한 포토리소그래피 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나노 및 마이크로미터 크기의 구조체를 제작함에 있어서 구조체의 형상을 보다 정확하게 제작할 수 있도록 하는 포토리소그래피 장치 및 방법에 관한 것이다.

포토리소그래피(photolithography) 기법은, 반도체 제조 뿐 아니라 MEMS, 미세 유체칩 등과 같이 다양한 마이크로 또는 나노 미터급 구조체 제작에 널리 쓰이는 방법이다. 포토리소그래피란 반도체 표면에 사진 인쇄 기술을 사용하여 집적 회로, 부품, 박막 회로, 프린트 배선 패턴 등을 만들어 넣는 기법을 말한다. 포토리소그래피 방식을 간략히 설명하자면 다음과 같다. 먼저 도 1(A)에 도시된 바와 같이 실리콘 기판(Substrate)에 포토레지스트(Resist) 액을 스핀코팅, 스프레이, 담금 등의 방법으로 고르게 도포한다. 포토레지스트 층이 건조되면 도 1(B)에 도시된 바와 같이 투명부분(transparent part)에 불투명한 금속패턴(metal pattern)이 형성된 포토마스크(Photomask)를 배치하고, 도 1(C)에 도시된 바와 같이 광(Curing light, 주로 자외선)을 조사한다. 포토레지스트는 광에 조출됨으로써 용제에 대한 내성이 변화하는 성질을 가지는데, 용제에 대해 불용성이 되는 네거티브형과, 반대로 가용성이 되는 포지티브형으로 나뉜다. 마스크에 대한 양화를 만드는 경우와 음화를 만드는 경우에 따라 네거티브, 포지티브 중 적절한 종류의 포토레지스트를 선택하여 사용할 수 있다. 이와 같이 선택적 영역에 대한 광 조사가 완료되면, 도 1(D)에 도시된 바와 같이 포토레지스트 층이 경화된(Cured) 부분과 경화되지 않은(Uncured) 부분으로 나뉘게 된다. 이 때 도 1(E)에 도시된 바와 같이 용제를 이용하여 경화되지 않은 부분을 제거하는 현상 공정을 수행하면, 경화된 부분만이 기판 상에 원하는 패턴(Pattern) 모양으로 남게 된다. 이처럼 포토레지스트로 만들어진 패턴에 전도체인 금속을 입히는 등의 공정을 수행함으로써 미세 집적 회로를 제작할 수 있으며, 이 때 포토레지스트 패턴은 식각 공정에서의 장벽 또는 증착 공정에서의 마스크로서 작용하게 된다.

앞서 설명한 바와 같이 포토리소그래피 기법에서는 포토레지스트의 선택적 영역에 광을 조사하는 과정이 필수적으로 수행된다. 그런데 이러한 포토리소그래피 기법은 공정 개념 자체는 매우 단순하나, 관련 장비가 상당한 고가이며 그 중에서도 특히 광원을 구성하는 부품의 가격이 큰 비중을 차지한다는 점이 알려져 있다. 특히 기판의 전면적에 일정 수준 이상의 광을 조사하기 위해 사용되는 광학계의 경우 장비 가격이 더욱 고가가 되는데, 일단 광원이 고출력이어야 하기 때문에 가격이 상승하고, 기판 전면적에 일정한 광량 및 품질(평행빔)을 확보할 수 있도록 하기 위하여 광학계를 구성하는 부품들 및 조립 상태의 정밀도가 높은 수준이 되어야 하기 때문에 더욱 가격이 상승하게 된다. 한 예시로 한국특허등록 제1538414호("리소그래피 장치, 프로그래밍 가능한 패터닝 디바이스 및 리소그래피 방법", 2013.12.17.)에는 구조 자체가 상당히 복잡하고 고가의 부품들로 이루어지는 구조의 노광용 광학계가 개시된다.

도 2 및 도 3은 종래의 포토리소그래피 장치의 평행빔 형성장치의 여러 실시예를 도시하고 있다. 도 2는 시준렌즈를 이용한 투과광학계를 이용한 것이고, 도 3은 포물면거울을 이용한 반사광학계를 이용한 것이다. 도 2, 3에 도시된 바와 같이, 기판의 전체 면적에 평행빔을 조사하기 위해서 시준렌즈 또는 포물면거울의 단면적도 기판의 전체 면적에 상응하는 정도의 크기로 제작된다. 그런데 이러한 렌즈나 거울을 제작함에 있어서, 부피가 커질수록 전체적인 형상 정밀도를 모든 부분에서 고수준으로 끌어올리기가 어렵다. 물론 모든 부분에서 고정밀도를 가지도록 할 수는 있겠으나 이 경우 가공하는데 드는 비용이 매우 높아지게 된다.

또한, 일반적으로 사용되는 램프형 광원은 완전한 점광원(Point source)이 아니므로 조사되는 자외선 광선(ray)이 도 2, 3에 도시된 바와 같이 모두 수직일 수 없다. 즉, 조사되는 빛의 품질이 높은 편이 아닌 것이다. 일반적으로 매유 얇은 두께의 레지스트를 도포하는 공정의 경우라면 이로 인한 효과는 미미할 것이다. 그러나 도 2, 3에 도시한 바와 같이 레지스트의 두께가 두꺼운 경우에는 높이 방향으로 기울어지는 형상이 얻어지게 된다.

종래에는 포토레지스트 층의 두께가 수십~수백 nm 수준으로 매우 얇게 형성되는 2차원 공정이 이루어졌기 때문에, 도 2, 3에 도시된 바와 같이 포토레지스트 층에 조사되는 광이 정확한 평행빔이 아닌 경우라도 층 두께 방향으로의 오류가 명백히 드러나지 않는 수준이었다. 그러나 최근 3차원 반도체 집적기술이 꾸준히 개발되고 있고, 포토리소그래피 기법이 반도체 뿐만 아니라 미세 유체칩 등과 같은 미세 구조체의 제작에도 사용되는 등과 같이, 포토레지스트 층의 두께가 수~수백 μm 수준으로 상당히 두껍게 형성되는 경우가 증가하고 있다. 이러한 경우에는 포토레지스트 층에 조사되는 광이 정확한 평행빔이 아닌 경우 두께 방향 위치에 따른 경화 정도에 차이가 발생하여 형상 제작이 올바르게 이루어지지 않는 문제가 발생한다.

1. 한국특허등록 제1538414호("리소그래피 장치, 프로그래밍 가능한 패터닝 디바이스 및 리소그래피 방법", 2013.12.17.)

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 포토리소그래피 장치를 저렴한 가격의 낮은 출력을 가지는 광원으로 구성함과 동시에, 광 품질을 매우 높은 수준으로 관리하여 제작 가능한 형상의 한계를 극복하는, 평행빔을 이용한 포토리소그래피 장치 및 방법을 제공함에 있다. 보다 구체적으로는, 본 발명의 목적은 기존에 비하여 소형 및 저출력의 광원을 사용하되, 광원 및 광원으로부터 발산되는 광을 평행빔으로 만들어주는 광학계를 모듈화하여, 모듈화된 소형의 평행광원부를 기판 상에 도포된 포토레지스트 층 상에서 이동시키면서 노광 공정이 수행되도록 함으로써, 기판 전면적에 대하여 항상 원하는 각도의 평행빔이 노광될 수 있도록 하는, 평행빔을 이용한 포토리소그래피 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 평행빔을 이용한 포토리소그래피 장치(100)는, 상면에 포토레지스트(500) 층이 도포된 기판(550) 및 기설정된 패턴이 형성된 포토마스크(555)가 순차적으로 적층 배치되는 기판고정부(110); 상기 기판고정부(110) 상측에 구비되며, 광조사영역 면적이 상기 기판(550)의 전체 면적보다 상대적으로 작게 형성되되, 상기 기판(550) 상면을 향해 평행빔을 조사하는 평행광원부(120); 상기 평행광원부(120)에서 조사되는 광조사영역이 상기 기판(550)의 전체 면적을 스캔하도록, 상기 기판(550)이 형성하는 평면 방향을 따라 상기 평행광원부(120) 및 상기 기판(550)을 상대적으로 이송시키는 광원이송부(130); 상기 평행광원부(120)에서 조사되는 평행빔의 각도를 조절하는 광원회전부(140); 를 포함할 수 있다.

이 때 상기 평행광원부(120)는, 하면이 개방된 투과계하우징(121a)과, 상기 투과계하우징(121a) 내 상측에 구비되어 모든 방향으로 광을 발산하는 투과계점광원(121b)과, 상기 투과계하우징(121a) 내 상기 투과계점광원(121b) 하측에 구비되어 상기 투과계점광원(121b)에서 발산되는 광을 투과시켜 평행빔으로 변환하는 시준렌즈(121c)를 포함하며, 상기 투과계점광원(121b)에서 발산된 광이 상기 시준렌즈(121c)를 투과하여 만들어진 평행빔이 상기 투과계하우징(121a) 하면으로 조사됨으로써, 상기 기판(550) 상면을 향해 평행빔을 조사하도록 이루어질 수 있다.

또는 상기 평행광원부(120)는, 하면이 개방된 반사계하우징(122a)과, 상기 반사계하우징(122a) 내에 구비되어 모든 방향으로 광을 발산하는 반사계점광원(122b)과, 상기 반사계하우징(122a) 내 상기 반사계점광원(122b) 상측에 구비되어 상기 반사계점광원(122b)에서 발산되는 광을 반사시켜 평행빔으로 변환하는 포물면거울(122c)을 포함하며, 상기 반사계점광원(122b)에서 발산된 광이 상기 포물면거울(122c)에서 반사되어 만들어진 평행빔이 상기 반사계하우징(122a) 하면으로 조사됨으로써, 상기 기판(550) 상면을 향해 평행빔을 조사하도록 이루어질 수 있다.

이 때 상기 광원이송부(130)는, 상기 기판고정부(110) 상측에 구비되며, 상기 기판(550)이 형성하는 평면 방향을 따라 상기 평행광원부(120)를 이송시키도록 이루어질 수 있다. 또한 상기 광원회전부(140)는, 상기 평행광원부(120) 전체를 회전시키도록 이루어질 수 있다.

또는 상기 평행광원부(120)는, 측면 일부 및 하면이 개방된 하우징(123a)과, 상기 기판(550)이 형성하는 평면과 평행한 방향으로 진행하며 상기 하우징(123a)의 개방된 측면 일부를 향해 조사되는 평행빔을 발산하는 대형평행빔광원(123b)과, 상기 하우징(123a) 내에 구비되어 상기 하우징(123a)의 개방된 측면 일부로 조사되는 광을 반사시켜 하방으로 광경로를 변경하는 반사거울(123c)을 포함하며, 상기 대형평행빔광원(123b)에서 조사된 평행빔이 상기 반사거울(123c)에 의해 광경로가 변경되어 상기 하우징(123a) 하면으로 조사됨으로써, 상기 기판(550) 상면을 향해 평행빔을 조사하도록 이루어질 수 있다.

이 때 상기 광원이송부(130)는, 상기 기판고정부(110) 상측에 구비되며, 상기 기판(550)이 형성하는 평면 방향을 따라 상기 하우징(123a) 및 상기 반사거울(123c)로 이루어지는 조립체를 이송시키도록 이루어지며, 상기 대형평행빔광원(123b)은 고정 구비될 수 있다. 또한 상기 광원회전부(140)는, 상기 반사거울(123c)을 회전시키도록 이루어질 수 있다.

또한 상기 포토리소그래피 장치(100)는, 상기 기판고정부(110) 상측에 구비되며, 상기 기판(550)이 형성하는 평면과 평행한 평면을 형성하는 마스크고정부(151)와, 상기 기판고정부(110) 및 상기 마스크고정부(151) 사이에 개재되며, 상기 기판(550)이 형성하는 평면에 수직하게 연장되고, 신축가능하게 이루어져, 상기 기판고정부(110) 및 상기 마스크고정부(151) 사이 간격을 조절하는 수직조절부(152)와, 상기 수직조절부(152) 및 상기 마스크고정부(151) 사이에 개재되며, 상기 기판(550)이 형성하는 평면과 평행하게 이송가능하게 이루어져, 상기 기판(550) 및 상기 포토마스크(555) 간 정렬 위치를 조절하는 수평조절부(153)를 포함하는 마스크정렬부(150); 를 더 포함할 수 있다.

또한 본 발명의 평행빔을 이용한 포토리소그래피 방법은, 상면에 포토레지스트(500) 층이 도포된 기판(550) 및 기설정된 패턴이 형성된 포토마스크(555)가 기판고정부(110) 상면에 순차적으로 적층 배치되는 기판배치단계; 광원회전부(140)에 의하여 평행광원부(120)에서 조사되는 평행빔의 각도가 조절되는 평행빔각도조절단계; 광원이송부(130)에 의하여 상기 기판(550)이 형성하는 평면 방향을 따라 상기 평행광원부(120) 및 상기 기판(550)이 상대적으로 이송되어, 상기 광원회전부(140)에 의하여 설정된 각도로 상기 기판(550) 상면을 향해 평행빔을 조사하는 상기 평행광원부(120)가 상기 기판(550)을 스캔하여 노광하는 평행빔노광단계; 를 포함할 수 있다.

이 때 상기 포토리소그래피 방법은, 상기 평행빔노광단계 이전에 상기 평행빔각도조절단계가 단일 회 수행됨에 따라, 상기 포토레지스트(500) 층이 노광 및 경화되어 상기 기판(550) 상에 형성되는 구조물의 높이 방향의 경사 각도가 상기 기판(550) 평면 상의 위치에 따라 서로 동일하게 형성되거나, 상기 평행빔노광단계 이전 또는 수행 중에 상기 평행빔각도조절단계가 복수 회 수행됨에 따라, 상기 포토레지스트(500) 층이 노광 및 경화되어 상기 기판(550) 상에 형성되는 구조물의 높이 방향의 경사 각도가 상기 기판(550) 평면 상의 위치에 따라 서로 상이하게 형성되도록 이루어질 수 있다.

또한 상기 평행빔노광단계는, 평행빔의 이동 속도(Speed) 및 평행빔의 이동 간격(Y_gap)을 사용하여 상기 포토레지스트(500) 층의 경화에 필요한 광 에너지량이 제어되면서 노광이 수행되도록 이루어질 수 있다.

또한 상기 포토리소그래피 방법은, 상기 기판배치단계 및 상기 평행빔각도조절단계 사이에, 마스크정렬부(150)에 의하여 상기 기판(550)이 형성하는 평면에 수직 및 수평 방향으로 상기 포토마스크(555)가 이송되어 상기 기판(550) 및 상기 포토마스크(555)가 정렬되는 마스크정렬단계; 를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면, 광원 및 광원으로부터 발산되는 광을 평행빔으로 만들어주는 광학계를 모듈화하여, 모듈화된 소형의 평행광원부를 기판 상에 도포된 포토레지스트 층 상에서 이동시키면서 노광 공정이 수행되도록 함으로써, 기판 전면적에 대하여 항상 원하는 각도의 평행빔이 노광될 수 있도록 하는 큰 효과가 있다.

이처럼 본 발명에 의하면 기판 전면적에 대한 광 품질, 즉 평행빔의 조사 각도 균일성이 향상되는 효과에 의하여, 3차원 반도체나 미세 구조체 제작 등과 같이 포토레지스트 층의 두께가 수~수백 μm 수준으로 상당히 두껍게 형성되는 경우에 특히, 정확하게 원하는 광 조사 각도를 확보 및 유지함에 따라 제작되는 미세 구조체의 정확도 및 정밀도를 훨씬 향상시킬 수 있게 된다. 즉 본 발명에 의하면, 보다 다양한 나노 및 마이크로미터 크기의 미세 구조체 제작이 가능하여, 광학, 바이오, 에너지 등 다양한 분야에서의 기능 구현을 위한 부품 제조에 활용이 가능한 효과를 얻을 수 있다.

특히 본 발명에 의하면, 이러한 평행광원부을 구성함에 있어서, 광원도 기존에 비해 훨씬 소형 및 저출력으로 구성할 수 있고, 광학계 역시 소형으로 만들어지기 때문에 기존에 비해 정밀도를 향상시킴에 따른 제작비용 상승 문제가 훨씬 완화되는 바, 전체적인 장치 구현을 위한 제작 비용을 크게 저감할 수 있는 경제적 효과가 있다.

도 1은 일반적인 포토리소그래피 공정 단계도.
도 2 및 도 3은 종래의 포토리소그래피 장치의 평행빔 형성장치의 여러 실시예.
도 4는 본 발명의 포토리소그래피 장치의 기본 실시예를 도시하고 있다.
도 5는 본 발명의 포토리소그래피 장치의 평행광원부의 여러 실시예.
도 6 및 도 7은 본 발명의 포토리소그래피 장치의 최적 실시예.
도 8은 본 발명의 포토리소그래피 장치의 최적 실시예의 상면도.
도 9는 도 8의 상면도에서 평행광원부의 이동 궤적 예시.
도 10은 본 발명의 포토리소그래피 장치의 확장 실시예.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 평행빔을 이용한 포토리소그래피 장치 및 방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 포토리소그래피 장치 및 방법의 최적 실시예

도 4는 본 발명의 포토리소그래피 장치의 기본 실시예를 도시하고 있으며, 도 5는 본 발명의 포토리소그래피 장치의 평행광원부의 여러 실시예를 도시하고 있다. 또한 도 6 및 도 7은 본 발명의 포토리소그래피 장치의 최적 실시예를 도시하고 있다. 본 발명의 포토리소그래피 장치(100)는, 도 6 및 도 7의 최적 실시예에 도시된 바와 같이, 기판고정부(110), 평행광원부(120), 광원이송부(130), 광원회전부(140)를 포함할 수 있는데, 이하에서 도 6 및 도 7의 최적 실시예에 도시된 각부에 대하여 전체적으로 간략히 설명한다. 이 때 상기 평행광원부(120)의 세부적인 구성에 따라 상기 광원회전부(140)의 구체적인 구성이 달라질 수 있는 바, 도 4를 통해 상기 광원회전부(140)가 생략된 기본실시예의 구성을 이해하고, 도 5를 통해 상기 평행광원부(120)의 세부적인 구성을 살펴보면서 그에 따른 상기 광원회전부(140)의 구체적인 구성을 이해하는 것이 바람직하다.

상기 기판고정부(110)는, 상면에 포토레지스트(500) 층이 도포된 기판(550) 및 기설정된 패턴이 형성된 포토마스크(555)가 순차적으로 적층 배치됨으로써 상기 기판(550) 및 상기 포토마스크(555)를 지지 고정하는 역할을 한다.

상기 평행광원부(120)는, 상기 기판고정부(110) 상측에 구비되며, 광조사영역 면적이 상기 기판(550)의 전체 면적보다 상대적으로 작게 형성되되, 상기 기판(550) 상면을 향해 평행빔을 조사하는 역할을 한다. 상기 평행광원부(120)의 세부적인 구성은 도 5에 도시되며, 이에 대해서는 이후 보다 상세히 설명한다.

상기 광원이송부(130)는, 상기 기판(550)이 형성하는 평면 방향을 따라 상기 평행광원부(120) 및 상기 기판(550)을 상대적으로 이송시키는 역할을 한다. 이에 따라 상기 평행광원부(120)에서 조사되는 광조사영역이 상기 기판(550)의 전체 면적을 스캔할 수 있게 된다. 도 4 내지 도 7 등에서는 상기 광원이송부(130)가 상기 평행광원부(120)를 이송하는 것으로 도시하고 있으나, 물론 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 상기 평행광원부(120)는 고정적으로 설치되되 상기 광원이송부(130)가 상기 기판고정부(110)를 이송함으로써 상대적인 광조사영역의 이동이 이루어질 수 있도록 할 수도 있고, 또는 상기 광원이송부(130)가 상기 평행광원부(120) 및 상기 기판고정부(110)를 둘 다 이송하도록 형성될 수도 있는 등, 본 발명의 기술취지 범위 내에서 다양한 변경 실시가 가능하다.

상기 광원회전부(140)는, 상기 평행광원부(120)에서 조사되는 평행빔의 각도를 조절하는 역할을 한다. 상기 광원회전부(140)가 평행빔의 각도를 조절함에 따라, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 인위적으로 기울어진 단면 형상을 가지는 구조체를 형성하는 것이 매우 원활하고 용이하게 실현될 수 있다.

즉 이와 같은 본 발명의 포토리소그래피 장치(100)를 사용한 포토리소그래피 방법을 단계적으로 설명하면 다음과 같다. 먼저 상면에 포토레지스트(500) 층이 도포된 기판(550) 및 기설정된 패턴이 형성된 포토마스크(555)가 기판고정부(110) 상면에 순차적으로 적층 배치되는 기판배치단계가 이루어진다. 다음으로 광원회전부(140)에 의하여 평행광원부(120)에서 조사되는 평행빔의 각도가 조절되는 평행빔각도조절단계가 이루어진다. 이 때 도 4에서와 같이 상기 포토레지스트(500) 층에 대하여 수직으로 평행빔이 조사되게 할 수도 있고, 도 6 및 도 7에서와 같이 상기 포토레지스트(500) 층에 대하여 경사지게 평행빔이 조사되게 할 수도 있는 등, 제작하고자 하는 미세 구조체의 형상에 따라 평행빔의 각도가 원하는 대로 적절하게 조절될 수 있다. 다음으로 광원이송부(130)에 의하여 상기 기판(550)이 형성하는 평면 방향을 따라 상기 평행광원부(120) 및 상기 기판(550)이 상대적으로 이송되어, 상기 광원회전부(140)에 의하여 설정된 각도로 상기 기판(550) 상면을 향해 평행빔을 조사하는 상기 평행광원부(120)가 상기 기판(550)을 스캔하여 노광하는 평행빔노광단계가 이루어짐으로써, 도 4(B), 도 6(B) 또는 도 7(B)와 같이 원하는 형상이 높은 정확도로 경화된 포토레지스트(500) 층을 얻을 수 있으며, 이후 현상 공정을 더 거침으로써 도 4(C), 도 6(C) 또는 도 7(C)와 같이 원하는 형상을 정확하게 얻을 수 있게 된다.

더불어 본 발명의 포토리소그래피 방법에서는, 도 6의 실시예에 나타난 바와 같이 상기 평행빔노광단계 이전에 상기 평행빔각도조절단계가 단일 회 수행될 수도 있고, 또는 도 7의 실시예에 나타난 바와 같이 상기 평행빔노광단계 이전 또는 수행 중에 상기 평행빔각도조절단계가 복수 회 수행될 수도 있다. 먼저 도 6의 실시예에서처럼 상기 평행빔노광단계 이전에 상기 평행빔각도조절단계가 단일 회 수행될 경우, 상기 포토레지스트(500) 층이 노광 및 경화되어 상기 기판(550) 상에 형성되는 구조물의 높이 방향의 경사 각도는 도 6(C)에 도시된 바와 같이 상기 기판(550) 평면 상의 위치에 따라 서로 동일하게 형성된다. 한편 도 7의 실시예에서처럼 상기 평행빔노광단계 이전 또는 수행 중에 상기 평행빔각도조절단계가 복수 회 수행될 경우, 상기 포토레지스트(500) 층이 노광 및 경화되어 상기 기판(550) 상에 형성되는 구조물의 높이 방향의 경사 각도는 도 7(C)에 도시된 바와 같이 상기 기판(550) 평면 상의 위치에 따라 서로 상이하게 형성된다. 즉 본 발명의 포토리소그래피 방법을 활용하여, 종래에 비해 훨씬 높은 자유도로 보다 다양한 형상의 미세 구조물을 제작할 수 있게 되는 것이다.

도 8은 본 발명의 포토리소그래피 장치의 최적 실시예의 상면도이며, 도 9는 도 8의 상면도에서 평행광원부의 이동 궤적 예시를 도시하고 있다. 본 발명의 포토리소그래피 장치에서, 도 8의 상면도에 도시된 바와 같이 평행빔이 이동할 수 있는 거리는 X, Y축 방향으로 각각 X_origin에서부터 X_limit까지, Y_origin에서부터 Y_limit까지로 제한된다. 그러나 사용하고자 하는 기판 및 포토마스크의 크기가 이보다 작은 영역인 경우 또는 포토마스크 내에 실제로 광 조사가 필요한 영역이 작은 경우에는, 실제로 평행빔이 이동할 영역은 X_start부터 X_finish까지, Y_start부터 Y_finish까지로 제한할 수 있으며, 이 경우 광 조사를 위한 시간을 단축하여 효율적인 공정이 가능하다. 이 때 설정된 영역 내에서 가변할 수 있는 값은 평행빔의 이동 속도(Speed) 및 평행빔의 이동 간격(Y_gap)이며, 즉 상기 평행빔노광단계는, 평행빔의 이동 속도(Speed) 및 평행빔의 이동 간격(Y_gap)을 사용하여 상기 포토레지스트(500) 층의 경화에 필요한 광 에너지량이 제어되면서 노광이 수행되도록 이루어질 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이 종래에는 대부분 2차원 반도체 공정에 포토리소그래피 기법을 사용하였으며, 이 때 포토레지스트 층의 두께가 수십~수백 nm 수준으로 매우 얇게 형성되었기 때문에, 도 2, 3에 도시된 바와 같이 포토레지스트에 조사되는 광이 평행빔이 아니더라도(즉 광 품질이 나쁘더라도) 이로 인한 형상 오류가 무시할 수 있는 수준이었다. 그러나 최근 MEMS, 미세 유체칩 등과 같은 미세 구조체 제작에 포토리소그래피 기법을 사용하고자 하는 시도가 늘어나고 있으며, 이러한 경우 포토레지스트 층의 두께가 수~수백 μm 수준으로 상당히 두껍게 형성되기 때문에, 도 2, 3에 도시된 바와 같은 불량한 광 품질로 인한 형상 오류가 상당히 크게 발생하게 되었다.

그러나 본 발명에서는, 도 4 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 모듈화된 소형의 평행광원부(120)를 기판 상에 도포된 포토레지스트 층 상에서 이동시키면서 노광 공정이 수행되도록 하고 있다. 즉 본 발명의 상기 평행광원부(120)는 도 2, 3에 도시된 바와 같은 기존의 광원에 비해 훨씬 작게 형성되는 바, 특히 도 5에 도시된 바와 같이 점광원을 사용할 수 있으며, 따라서 훨씬 고품질로 정제된 평행빔을 얻을 수 있다.

이처럼 본 발명에서 평행빔의 조사 각도 균일성이 향상됨으로써 정확하게 원하는 광 조사 각도를 확보 및 유지함에 따라, 앞서 설명한 바와 같이 포토레지스트 층의 두께가 상당히 두껍게 형성되는 경우에도 제작되는 미세 구조체의 정확도 및 정밀도를 훨씬 향상시킬 수 있다. 특히 기존에는 이론적으로는 수직 방향으로의 평행빔 조사밖에는 이루어지지 못하였기 때문에 도 6(C) 또는 도 7(C)에 도시된 바와 같이 높이(두께) 방향으로 경사진 형태의 구조물을 제작하기에 큰 어려움이 있었으나, 본 발명에서는 도 6(A) 또는 도 7(A)에 도시된 바와 같이 평행빔을 원하는 경사 각도로 조사함으로써 매우 쉽게 도 6(C) 또는 도 7(C)와 같은 형상을 제작할 수 있다. 이처럼 평행빔의 조사 각도 균일성을 향상함과 동시에 조사 각도의 자유로운 조절이 가능해짐으로써, 제작할 수 있는 미세 구조체의 형상 자유도가 훨씬 커지게 된다.

뿐만 아니라 앞서 설명한 바와 같이 렌즈나 거울 등과 같은 광학 부품의 경우 크기가 커질수록 전체적인 형상 정밀도를 향상하기 위해서는 제작 비용이 크게 상승하게 되는데, 본 발명의 경우 평행광원부 자체가 소형으로 이루어지기 때문에 이를 구성하는 광학 부품 역시 소형으로 이루어지며, 따라서 기존에 비해 정밀도를 향상시킴에 따른 제작비용 상승 문제가 훨씬 완화된다. 즉 본 발명에 의하면, 상기 평행광원부(120)를 기존에 비해 훨씬 소형 및 저출력으로 구성하며, 그로 인하여 전체적인 장치 구현을 위한 제작 비용을 크게 저감할 수 있게 되는 것이다.

이하에서는 도 5를 참조하여 상기 평행광원부(120)의 여러 실시예를 설명하고, 또한 각 실시예에 따른 상기 회전광원부(140)의 구체적인 구성에 대해 보다 상세히 설명한다.

도 5(A)는 상기 평행광원부(120)가 투과광학계를 이용하여 평행빔을 형성한다. 도 5(A)의 실시예에서 상기 평행광원부(120)는, 하면이 개방된 투과계하우징(121a)과, 상기 투과계하우징(121a) 내 상측에 구비되어 모든 방향으로 광을 발산하는 투과계점광원(121b)과, 상기 투과계하우징(121a) 내 상기 투과계점광원(121b) 하측에 구비되어 상기 투과계점광원(121b)에서 발산되는 광을 투과시켜 평행빔으로 변환하는 시준렌즈(121c)를 포함한다. 이와 같이 이루어진 상기 평행광원부(120)에서는, 상기 투과계점광원(121b)에서 발산된 광이 상기 시준렌즈(121c)를 투과하여 만들어진 평행빔이 상기 투과계하우징(121a) 하면으로 조사됨으로써, 상기 기판(550) 상면을 향해 평행빔을 조사하도록 이루어진다. 즉 도 5(A)의 광학계 구조는 종래의 도 2의 광학계 구조와 유사하다고 볼 수 있다. 그러나 도 2의 경우 광원이 점광원이 아니기 때문에 광 품질이 불량한 반면, 도 5(A)의 경우 광원이 점광원이기 때문에 고품질의 평행빔을 얻을 수 있다.

도 5(B)는 상기 평행광원부(120)가 반사광학계를 이용하여 평행빔을 형성한다. 도 5(B)의 실시예에서 상기 평행광원부(120)는, 하면이 개방된 반사계하우징(122a)과, 상기 반사계하우징(122a) 내에 구비되어 모든 방향으로 광을 발산하는 반사계점광원(122b)과, 상기 반사계하우징(122a) 내 상기 반사계점광원(122b) 상측에 구비되어 상기 반사계점광원(122b)에서 발산되는 광을 반사시켜 평행빔으로 변환하는 포물면거울(122c)을 포함한다. 이와 같이 이루어진 상기 평행광원부(120)에서는, 상기 반사계점광원(122b)에서 발산된 광이 상기 포물면거울(122c)에서 반사되어 만들어진 평행빔이 상기 반사계하우징(122a) 하면으로 조사됨으로써, 상기 기판(550) 상면을 향해 평행빔을 조사하도록 이루어진다.

도 5(A) 및 도 5(B)의 실시예에서는, 상기 평행광원부(120) 전체가 일체로서 모듈화될 수 있게 된다. 이 경우 상대적으로 큰 부피 및 중량을 가지는 상기 기판고정부(110)보다는, 상대적으로 작은 부피 및 중량을 가지는 상기 평행광원부(120)를 이송시키는 것이 동역학적으로나 에너지 효율적으로 보다 유리함은 자명하다. 따라서 상기 광원이송부(130)는, 도 5(A) 및 도 5(B)에 도시된 바와 같이, 상기 기판고정부(110) 상측에 구비되며, 상기 기판(550)이 형성하는 평면 방향을 따라 상기 평행광원부(120)를 이송시키도록 이루어질 수 있다. 또한 이 때 상기 광원회전부(140)는, 역시 도 5(A) 및 도 5(B)에 도시된 바와 같이, 일체로 모듈화된 상기 평행광원부(120) 전체를 회전시키도록 이루어질 수 있다.

도 5(C)는 상기 평행광원부(120)가 별도의 대형평행빔광원을 이용하여 평행빔을 형성한다. 도 5(C)의 실시예에서 상기 평행광원부(120)는, 측면 일부 및 하면이 개방된 하우징(123a)과, 상기 기판(550)이 형성하는 평면과 평행한 방향으로 진행하며 상기 하우징(123a)의 개방된 측면 일부를 향해 조사되는 평행빔을 발산하는 대형평행빔광원(123b)과, 상기 하우징(123a) 내에 구비되어 상기 하우징(123a)의 개방된 측면 일부로 조사되는 광을 반사시켜 하방으로 광경로를 변경하는 반사거울(123c)을 포함한다. 이와 같이 이루어진 상기 평행광원부(120)에서는, 상기 대형평행빔광원(123b)에서 조사된 평행빔이 상기 반사거울(123c)에 의해 광경로가 변경되어 상기 하우징(123a) 하면으로 조사됨으로써, 상기 기판(550) 상면을 향해 평행빔을 조사하도록 이루어진다.

도 5(C)의 실시예에서는, 상기 하우징(123a) 및 상기 반사거울(123c)은 모듈화된 채로 상대적으로 작은 부피 및 중량을 가지되, 상기 대형평행빔광원(123b)은 상당히 큰 부피 및 중량을 가진다. 따라서 이 경우에는, 상기 광원이송부(130)는, 도 5(C)에 도시된 바와 같이, 상기 기판고정부(110) 상측에 구비되며, 상기 기판(550)이 형성하는 평면 방향을 따라 상기 하우징(123a) 및 상기 반사거울(123c)로 이루어지는 조립체를 이송시키도록 이루어지며, 상기 대형평행빔광원(123b)은 고정 구비되도록 하는 것이 바람직하다. 또한 이 때 상기 광원회전부(140)는, 상기 반사거울(123c)을 회전시키도록 이루어질 수 있다.

본 발명의 포토리소그래피 장치 및 방법의 확장 실시예

도 10은 본 발명의 포토리소그래피 장치의 확장 실시예를 도시하고 있다. 도 10의 확장 실시예에서는, 상기 포토리소그래피 장치(100)는 마스크고정부(151), 수직조절부(152), 수평조절부(153)을 포함하는 마스크정렬부(150)를 더 포함하여, 상기 기판(550) 및 상기 포토마스크(555) 간의 위치를 정렬하고 상기 포토레지스트(500) 층 및 상기 포토마스크(555) 간 접촉 정도를 조절한다.

상기 마스크고정부(151)는 상기 기판고정부(110) 상측에 구비되며, 상기 기판(550)이 형성하는 평면과 평행한 평면을 형성한다.

상기 수직조절부(152)는, 상기 기판고정부(110) 및 상기 마스크고정부(151) 사이에 개재되며, 상기 기판(550)이 형성하는 평면에 수직하게 연장되고, 신축가능하게 이루어져, 상기 기판고정부(110) 및 상기 마스크고정부(151) 사이 간격을 조절한다. 즉 도 10을 기준으로 할 때, 상기 수직조절부(152)는 Z 방향 위치 조절을 수행함으로써, 상기 포토레지스트(500) 층 및 상기 포토마스크(555) 간 접촉 정도를 조절하는 것이다.

상기 수평조절부(153)는, 상기 수직조절부(152) 및 상기 마스크고정부(151) 사이에 개재되며, 상기 기판(550)이 형성하는 평면과 평행하게 이송가능하게 이루어져, 상기 기판(550) 및 상기 포토마스크(555) 간 정렬 위치를 조절한다. 즉 도 10을 기준으로 할 때, 상기 수평조절부(153)는 XY 평면 방향 위치 조절을 수행함으로써, 상기 기판(550) 및 상기 포토마스크(555) 간의 위치를 정렬한다.

도 10의 확장 실시예에 따른 상기 포토리소그래피 장치(100)에서는, 상기 기판배치단계 및 상기 평행빔각도조절단계 사이에, 마스크정렬부(150)에 의하여 상기 기판(550)이 형성하는 평면에 수직 및 수평 방향으로 상기 포토마스크(555)가 이송되어 상기 기판(550) 및 상기 포토마스크(555)가 정렬되는 마스크정렬단계가 더 이루어질 수 있다. 특수한 형상을 제작하기 위해 포토리소그래피 기법에 오버레이 공정을 적용할 경우, 특히 상기 마스크정렬단계가 더 수행됨으로써 제작되는 미세 구조체 형상의 정확도 및 정밀도를 보다 향상할 수 있게 된다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

100: 포토리소그래피 장치
110: 기판고정부 120: 평행광원부
121a: 투과계하우징 121b: 투과계점광원
121c: 시준렌즈
122a: 반사계하우징 122b: 반사계점광원
122c: 포물면거울
123a: 하우징 123b: 대형평행빔광원
123c: 반사거울
130: 광원이송부 140: 광원회전부
150: 마스크정렬부 151: 마스크고정부
152: 수직조절부 153: 수평조절부
500: 포토레지스트 500a: 경화부분
550: 기판 555: 포토마스크
555a: 투명부분 555b: 금속패턴

Claims (13)

1. 상면에 포토레지스트 층이 도포된 기판 및 기설정된 패턴이 형성된 포토마스크가 순차적으로 적층 배치되는 기판고정부;
   상기 기판고정부 상측에 구비되며, 광조사영역 면적이 상기 기판의 전체 면적보다 상대적으로 작게 형성되되, 상기 기판 상면을 향해 평행빔을 조사하는 평행광원부;
   상기 평행광원부에서 조사되는 광조사영역이 상기 기판의 전체 면적을 스캔하도록, 상기 기판이 형성하는 평면 방향을 따라 상기 평행광원부 및 상기 기판을 상대적으로 이송시키는 광원이송부;
   상기 평행광원부에서 조사되는 평행빔의 각도를 조절하는 광원회전부;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 포토리소그래피 장치.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 평행광원부는,
   하면이 개방된 투과계하우징과, 상기 투과계하우징 내 상측에 구비되어 모든 방향으로 광을 발산하는 투과계점광원과, 상기 투과계하우징 내 상기 투과계점광원 하측에 구비되어 상기 투과계점광원에서 발산되는 광을 투과시켜 평행빔으로 변환하는 시준렌즈를 포함하며,
   상기 투과계점광원에서 발산된 광이 상기 시준렌즈를 투과하여 만들어진 평행빔이 상기 투과계하우징 하면으로 조사됨으로써, 상기 기판 상면을 향해 평행빔을 조사하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 포토리소그래피 장치.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 평행광원부는,
   하면이 개방된 반사계하우징과, 상기 반사계하우징 내에 구비되어 모든 방향으로 광을 발산하는 반사계점광원과, 상기 반사계하우징 내 상기 반사계점광원 상측에 구비되어 상기 반사계점광원에서 발산되는 광을 반사시켜 평행빔으로 변환하는 포물면거울을 포함하며,
   상기 반사계점광원에서 발산된 광이 상기 포물면거울에서 반사되어 만들어진 평행빔이 상기 반사계하우징 하면으로 조사됨으로써, 상기 기판 상면을 향해 평행빔을 조사하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 포토리소그래피 장치.
   
4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 광원이송부는,
   상기 기판고정부 상측에 구비되며, 상기 기판이 형성하는 평면 방향을 따라 상기 평행광원부를 이송시키도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 포토리소그래피 장치.
   
5. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 광원회전부는,
   상기 평행광원부 전체를 회전시키도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 포토리소그래피 장치.
   
6. 제 1항에 있어서, 상기 평행광원부는,
   측면 일부 및 하면이 개방된 하우징과, 상기 기판이 형성하는 평면과 평행한 방향으로 진행하며 상기 하우징의 개방된 측면 일부를 향해 조사되는 평행빔을 발산하는 대형평행빔광원과, 상기 하우징 내에 구비되어 상기 하우징의 개방된 측면 일부로 조사되는 광을 반사시켜 하방으로 광경로를 변경하는 반사거울을 포함하며,
   상기 대형평행빔광원에서 조사된 평행빔이 상기 반사거울에 의해 광경로가 변경되어 상기 하우징 하면으로 조사됨으로써, 상기 기판 상면을 향해 평행빔을 조사하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 포토리소그래피 장치.
   
7. 제 6항에 있어서, 상기 광원이송부는,
   상기 기판고정부 상측에 구비되며, 상기 기판이 형성하는 평면 방향을 따라 상기 하우징 및 상기 반사거울로 이루어지는 조립체를 이송시키도록 이루어지며,
   상기 대형평행빔광원은 고정 구비되는 것을 특징으로 하는 포토리소그래피 장치.
   
8. 제 6항에 있어서, 상기 광원회전부는,
   상기 반사거울을 회전시키도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 포토리소그래피 장치.
   
9. 제 1항에 있어서, 상기 포토리소그래피 장치는,
   상기 기판고정부 상측에 구비되며, 상기 기판이 형성하는 평면과 평행한 평면을 형성하는 마스크고정부와,
   상기 기판고정부 및 상기 마스크고정부 사이에 개재되며, 상기 기판이 형성하는 평면에 수직하게 연장되고, 신축가능하게 이루어져, 상기 기판고정부 및 상기 마스크고정부 사이 간격을 조절하는 수직조절부와,
   상기 수직조절부 및 상기 마스크고정부 사이에 개재되며, 상기 기판이 형성하는 평면과 평행하게 이송가능하게 이루어져, 상기 기판 및 상기 포토마스크 간 정렬 위치를 조절하는 수평조절부
   를 포함하는 마스크정렬부;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 포토리소그래피 장치.
   
10. 상면에 포토레지스트 층이 도포된 기판 및 기설정된 패턴이 형성된 포토마스크가 기판고정부 상면에 순차적으로 적층 배치되는 기판배치단계;
    광원회전부에 의하여 평행광원부에서 조사되는 평행빔의 각도가 조절되는 평행빔각도조절단계;
    광원이송부에 의하여 상기 기판이 형성하는 평면 방향을 따라 상기 평행광원부 및 상기 기판이 상대적으로 이송되어, 상기 광원회전부에 의하여 설정된 각도로 상기 기판 상면을 향해 평행빔을 조사하는 상기 평행광원부가 상기 기판을 스캔하여 노광하는 평행빔노광단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 포토리소그래피 방법.
    
11. 제 10항에 있어서, 상기 포토리소그래피 방법은,
    상기 평행빔노광단계 이전에 상기 평행빔각도조절단계가 단일 회 수행됨에 따라, 상기 포토레지스트 층이 노광 및 경화되어 상기 기판 상에 형성되는 구조물의 높이 방향의 경사 각도가 상기 기판 평면 상의 위치에 따라 서로 동일하게 형성되거나,
    상기 평행빔노광단계 이전 또는 수행 중에 상기 평행빔각도조절단계가 복수 회 수행됨에 따라, 상기 포토레지스트 층이 노광 및 경화되어 상기 기판 상에 형성되는 구조물의 높이 방향의 경사 각도가 상기 기판 평면 상의 위치에 따라 서로 상이하게 형성되는 것을 특징으로 하는 포토리소그래피 방법.
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 포토리소그래피 방법.
    
12. 제 10항에 있어서, 상기 평행빔노광단계는,
    평행빔의 이동 속도 및 평행빔의 이동 간격을 사용하여 상기 포토레지스트 층의 경화에 필요한 광 에너지량이 제어되면서 노광이 수행되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 포토리소그래피 방법.
    
13. 제 10항에 있어서, 상기 포토리소그래피 방법은,
    상기 기판배치단계 및 상기 평행빔각도조절단계 사이에,
    마스크정렬부에 의하여 상기 기판이 형성하는 평면에 수직 및 수평 방향으로 상기 포토마스크가 이송되어 상기 기판 및 상기 포토마스크가 정렬되는 마스크정렬단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 포토리소그래피 방법.

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