반도체 생산 자동화 제어 시스템

홀로그래픽 리소그래피

홀로그래픽 리소그래피의 원리는 표준 포토마스크에 정의된 패턴으로부터 홀로그램을 레코딩하는 것입니다. 홀로그래픽 레코딩 플레이트에서 ~100mm 떨어진 곳에 프리즘과 닿도록 포토마스크를 놓습니다. 그리고 나서 프리즘을 통해 “reference” 레이저 빔으로 레코딩 레이어를 비추면서 동시에 레이저 빔으로 마스크를 비춥니다. 그러면 홀로그램이나 홀로그래픽 마스크에 레코딩된 패턴을 다시 생성하여, 단일 레이저 빔으로 홀로그래픽 마스크를 비추어서 반도체 웨이퍼에 인쇄할 수 있습니다.

시스템/하드웨어 구성

사용자 인터페이스 개발 뿐 아니라 우리는 고객의 요구를 충족시키는 데 필요한 모든 하드웨어도 통합해야 했습니다. 호스트 컴퓨터에 PCI/PXI 보드 9개, 실시간 기반 컴퓨터에 PCI/PXI 보드 6개, 그리고 FieldPoint 모듈 7개로 이루어진 시스템을 선택했습니다. MXI-3 기술로 2개의 PXI 섀시를 연결하고 12개의 프리 PXI 슬롯이 있는 호스트 시스템을 만들었으며 FieldPoint 모듈과 실시간 PXI 섀시를 이더넷/TCP-IP를 통해 호스트 컴퓨터에 연결했습니다.

장비 설명

기판 로드/언로드
기판을 로드하려면 머신의 전면 도어를 열고 기판을 로딩 플랫폼에 놓은 후 에어 쿠션을 활성화합니다.

시스템 개요

전면 도어를 닫으면 사전정렬 주기가 시작됩니다. 내부 로봇이 기판을 사전정렬 스테이션에서 척(chuck)으로 전송합니다. 예를 들어, 사전정렬 스테이지에서 로봇으로의 전송 시에는 기판이 로봇에 고정(clamp)되는 임계 레벨에 도달할 때까지 로봇이 천천히 접근하는 동안 로봇의 진공 레벨을 모니터링해야 합니다. 사전정렬 스테이지에서 진공을 끄면 전송이 완료됩니다. 보안 레벨에서는 프로세스 동안 기판이 깨질 수 있는 최대 위치를 초과하지 않도록 모터 위치를 모니터링해야 합니다.

사전 정렬(Prealignment)

기판은 수동 로딩 절차 동안 에어 쿠션에 있습니다.

홀로그래픽 리소그래피의 원리

사전정렬을 위해 사전정렬 스테이션의 양쪽에 있는 2개의 접이식(retractable) 참조 핀이 반대쪽 코너에 있는 세 번째 핀에 기판을 정렬합니다. 2개의 전동식 편심 피스톤이 세 번째 핀으로 기판을 밀면 에어 쿠션이 꺼지고 진공이 켜집니다. 그러면 마지막으로 핀 3개가 안쪽으로 빨려 들어갑니다.

척 및 8 Degrees of Freedom 테이블

인쇄 시퀀스 동안에는 기판이 진공으로 척에 고정됩니다. 척은 8 Degrees of Freedom 테이블에 장착되며 2개의 축은 스텝 이동이 일어나는 X/Y 방향을 말하며 3개의 축은 기판/홀로그램 레벨조정이 가능하도록 수직 이동을 위한 것입니다. 전동식 축 뿐 아니라 압전 액츄에이터(Piezo Actuator)도 고정밀 척 포지셔닝과 동적 자동 초점 조절(autofocusing)을 수행합니다.

자동 초점 조절(Autofocusing) 시스템

스캐닝 노출 동안 홀로그램과 기판 사이의 간격을 실시간으로 측정하여 연결하므로 큰 현장에서 고해상도 패턴을 초점에 맞추어 인쇄할 수 있습니다. 이 프로세스로 인해 패턴은 빔 위치에서 ±0.2µm 내에 계속해서 머무르게 됩니다. 이는 척 아래의 압전 액츄에이터 시스템과 결합된 PXI 실시간 섀시 제어 피드백 루프에서 “백색광(white light)” 간섭계를 통해 가능했습니다.

자동 정렬(Autoalignment) 시스템

자동 초점조절 시스템과 비슷하게 3개의 간섭계로 척의 X/Y/PHI 위치를 모니터링합니다. PXI 실시간 모듈 피드백 루프에서 3개의 32비트 신호를 모니터링하고 3개의 압전 엑츄에이터를 제어합니다.

스캐닝 스테이지

2개의 전동식 스테이지 시스템을 사용하여 플레이트를 균일하게 노출시킬 수 있도록 래스터 스캐닝을 수행합니다(하나는 UV 빔용이고 다른 하나는 초점 빔용). UV 및 초점 빔이 전체 노출 동안 기판에서 정렬되도록 스테이지 시스템을 동기화합니다. 그리고 모션 컨트롤러에 탑재되어 실행되는 루프 내에서 UV 레이저의 셔터를 제어하고 스캐닝 스테이지의 위치에 따라 셔터를 열고 닫습니다. 이 루프는 시스템 장애 발생 시 모션 컨트롤러에서 실행되어 셔터가 스캐닝 후 닫힐 수 있도록 해줍니다.

현미경/정렬

정렬 및 확대 작업을 수행할 수 있도록 X/Y 전동식 스테이지에 장착된 4개의 현미경은 홀로그램과 기판에서 정렬 표시(alignment mark)에 있는 프리즘을 통해 보게 됩니다. 각 현미경은 CCD 카메라에서 이미지를 캡처하여 이 이미지를 머신 소프트웨어와 인터페이스하는 비전 보드로 처리합니다. 비디오 신호에서 추출된 표시 위치는 처리된 다음 기판 표시와 홀로그램 표시를 정렬할 수 있도록 다중축(multiax) 테이블로 다시 전달됩니다. 필요할 경우 정렬 정확도를 최대로 높이려면 이 시퀀스를 반복합니다.

소프트웨어

자사의 그래픽 사용자 인터페이스는 이 머신을 사용하는 모든 오퍼레이터가 분명히 이해하고 편리하게 사용할 수 있어야 합니다. 사전 레벨조정과 레벨조정 단계에서는 척 아래 있는 3개의 모터를 정확하게 이동하여 기판을 0.5-1mm에 이르던 시작 간격(starting gap)에서 유효 작업 간격(working gap)인 120µm으로 조정합니다. 두 플레인 사이의 병렬 구조가 정확해야 합니다. 홀로그램과 기판 사이의 유효 작업 간격이 좁기 때문에 레벨조정 및 사전 레벨조정 함수를 사용하는 동안 z 변위를 제공하게 되는 모터의 위치를 계속해서 모니터링해야 합니다. 기판과 홀로그램이 접촉하게 되면 홀로그래픽 마스크를 파괴하고 기판을 부러뜨릴 수도 있으므로 머신에 치명적 영향을 미치게 됩니다.

결론

이 프로젝트는 우리에게 있어 어려운 과제였습니다. 내쇼날인스트루먼트 덕택에 복잡하고 신뢰할 수 있는 산업용 시스템을 구축하여 모든 오퍼레이터에게 맞는 사용이 편리한 인터페이스로 고객의 요구를 충족시킬 수 있었습니다. LabVIEW를 사용하면 시간을 절약하여 결국 비용도 절감할 수 있으므로 실질적으로 이득입니다. 또한 LabVIEW를 통해 FieldPoint 모듈에 쉽게 연결할 수 있는 것은 물론 하드웨어도 편리하게 통합할 수 있습니다.

필자 정보:

Martin Brunner 프로젝트 리더
Qualimatest sa