[논문]기판 정렬 알고리즘 개발 및 BGA 노광 장비 적용

유선중

문제 정의

A 그러나 이와 같은 방법을 사용할 경우 정렬 오차가 기판 전면에 고르게 분포되지 못하고 기판의 특정 부분에서 정렬 오차가 커지게 되는 문제가 발생한다.' 본 연구에서는 이와 같은 기존 정렬 알고리즘의 문제점을 개선하기 위하여 기판과 인식마크의 중심 좌표를 이용하여 정렬 하는 방법 대신 각 마크간 정렬 오차의 합이 최소로 되게 정렬하는 방법을 제안하고자 한다. 제안하는 정렬 알고리즘을 실제 노광 장비에 구현하기 위하여 정렬 알고리즘을 해석적으로 전개하여 최적해를 구하였다.
본 연구에서는 BGA 노광 장비에 있어서 기판과 마스크 간 정렬 오차를 최소로할 수 있는 알고리즘을 개발하고자 한다. 노광 장비에 사용되는 일반적인 정렬 알고리즘은 기판과 마스크의 네 개의 모서리에 설치되어 있는 인식마크(fiducial mark) 를 이용하여 기판과 마스크의 중심 좌표를 구한 후 이 좌표가 일치되도록 정렬 스테이지를 움직이는 것으로 구성되어 있다.
본 연구에서는 BGA 노광 장비의 정렬에 있어서 기판과 마스크 간의 정렬 오차의 발생은 장비의 기구적 원인보다는 기판의 치수 변형에 의해주로 발생함을 실험을 통하여 확인하였다.
본 연구에서는 개발된, 마크 오차 최소화 정렬, 알고리즘의 효과를 실험적으로 검증하기 위하여 BGA 노광 장비의 제어부 프로그램을 수정하여 기판을 정렬하는 실험을 수행하였다. Fig.

제안 방법

새로이 제시된 알고리즘은, 중심 정렬, 알고리즘에 비하여 기판 전면에 정렬 오차는 고르게 분산시키는 효과가 있다., 마크 정렬, 알고리즘을 설비의 제어부에 구현하기 위하여 그 최적해를 해석적인 형태로 유도하였다.
필요하다. 그러나 이를 실험적으로 측정하는 것은 어려우므로, 본 연구에서는 시뮬레이션을 통한 기판 내 정렬 오차를 평가하기로 한다. 평가 방법은 실측된 기판의 인식마크 좌표를 이용하여, 중심 정렬, 및 , 마크 정렬, 알고리즘을 각각 적용하여 기판 내 정렬 오차를 계산하였다.
그리고 이와 같이 치수 변형이 발생하는 기판을 정렬 하기 위하여 기존의, 중심 정렬, 알고리즘 대신, 마크 정렬, 알고리즘을 제시하였다. 새로이 제시된 알고리즘은, 중심 정렬, 알고리즘에 비하여 기판 전면에 정렬 오차는 고르게 분산시키는 효과가 있다.
이상태에서 진공 흡착 기구에 의해 마스크와 기판 사이에 트랩된 공기는 완전히 제거된다. 다음 단계에서 CCD 카메라로 다시 한번 기판 및 마스크의 인식마크 위치를 확인하여 정해진 오차 범위이내에서 정열이 되었는지 검증한다. 이는 기판과 마스크의 밀착 과정에서 정렬 위치가 틀어질 수 있기 때문이다.
다음으로 기판의 치수 변형으로 인해 발생하는 정렬 오차의 수준을 확인하기 위하여, 노광 공정 진행 전 10 장의 서로 다른 기판을 선택하여 기판모서리에 위치한 인식마크간 거리 X, y 를 비접촉 3차원 측정기를 이용하여 측정하였다.
먼저 기구적 원인의 정도를 측정하기 위하여 정렬 스테' 이지의 반복정밀도(repeatability)를 측정하였다. 측정 방법은 동일 기판 및 동일 마스크를 사용하여 상기 정렬 스테이지 동작(마크 인식-정렬-스테이지 상승—정렬 재확인—노광—스테이지 하강)을 10 회 반복하여 각 경우에 대해 정렬 스테이지의 이송량 dx, dy, dff 를 즉정하는 것으로 하였다.
' 본 연구에서는 이와 같은 기존 정렬 알고리즘의 문제점을 개선하기 위하여 기판과 인식마크의 중심 좌표를 이용하여 정렬 하는 방법 대신 각 마크간 정렬 오차의 합이 최소로 되게 정렬하는 방법을 제안하고자 한다. 제안하는 정렬 알고리즘을 실제 노광 장비에 구현하기 위하여 정렬 알고리즘을 해석적으로 전개하여 최적해를 구하였다. 이와 같은 정렬 방법을 사용함으로써 기판 전면에서 정렬 오차가 기존 방법에 비해 균일하게 분포되는 효과를 기대할 수 있다.
최종적으로 BGA 노광기 제어부에 개발된, 마크 정렬' 알고리즘을 구현하여 인식마크 위치에서의 정렬 오차를 측정하는 실험을 수행하였다. 실험 결과 정렬 오차의 평균은 큰 유의차가 없는데 비하여 최대 정렬 오차는 43% 향상되는 결과를 얻을 수 있었다.
먼저 기구적 원인의 정도를 측정하기 위하여 정렬 스테' 이지의 반복정밀도(repeatability)를 측정하였다. 측정 방법은 동일 기판 및 동일 마스크를 사용하여 상기 정렬 스테이지 동작(마크 인식-정렬-스테이지 상승—정렬 재확인—노광—스테이지 하강)을 10 회 반복하여 각 경우에 대해 정렬 스테이지의 이송량 dx, dy, dff 를 즉정하는 것으로 하였다. 각 즉 정값의 범위를 계산함으로써 정렬 메카니즘의 기구적 반복정밀도를 측정할 수 있다.
그러나 이를 실험적으로 측정하는 것은 어려우므로, 본 연구에서는 시뮬레이션을 통한 기판 내 정렬 오차를 평가하기로 한다. 평가 방법은 실측된 기판의 인식마크 좌표를 이용하여, 중심 정렬, 및 , 마크 정렬, 알고리즘을 각각 적용하여 기판 내 정렬 오차를 계산하였다. 마스크 내부의 각 위치에 대응하는 기판 내의 위치 계산은 기판의 치수 변형이 선형이라는 가정하에 기판 인식마크의 좌표로부터 선형 보간(interpolation) 한 좌표를 이용하였다.

데이터처리

개발된 알고리즘의 정렬 능력을 평가하기 위하여 실험적으로 측정된 기판의 인식마크 좌표를 이용하여 기판 전면의 정렬 오차 분포 형태를 시뮬레이션을 통하여 평가하였다. 평가 결과 정렬 오차 평균 및 최대값에 있어서, 중심 정렬, 알고리즘에 비해 '마크 정렬, 알고리즘이 개선 효과를 보이는 것으로 확인되었다.

성능/효과

6nm 로서 정 렬 오차가 43% 향상되었다. (Table 2) 이상의 결과로부터, 마크 정렬, 알고리즘을 사용하는 효과는 정렬 오차의 평균은 큰 차이가 없으나 최대 정렬 오차는 개선되는 것을 확인할 수 있다.
이와 같은 정렬 방법을 사용함으로써 기판 전면에서 정렬 오차가 기존 방법에 비해 균일하게 분포되는 효과를 기대할 수 있다. 개발된 정렬 알고리즘의 효과를 검증하기 위하여 시뮬레이션을 통한 기판 전면의 정렬 오차를 평가하였으며, 최종적으로 BGA 노광 장비의 제어부에 정렬 알고리즘을 구현하여 적용함으로써 실험적으로 본 연구의 타당성을 검증하였다.
그러나, 각 정렬 횟수에 대하여 4 개 마크 간의 최대 정렬 오차는, 중심 정렬, 알고리즘의 경우 19 개 기판 평균 62.9#인데 비하여, , 마크 정렬, 알고리즘의 경우는 35.6nm 로서 정 렬 오차가 43% 향상되었다. (Table 2) 이상의 결과로부터, 마크 정렬, 알고리즘을 사용하는 효과는 정렬 오차의 평균은 큰 차이가 없으나 최대 정렬 오차는 개선되는 것을 확인할 수 있다.
실험 결과 정렬 오차의 평균은 큰 유의차가 없는데 비하여 최대 정렬 오차는 43% 향상되는 결과를 얻을 수 있었다.
이는 비슷한 정도의 기판 치수 변형에 대해서 특히 기판의 특정 모서리 방향에서 변형량이 큰 기판에 대해서, 마크 정렬, 방법이, 중심 정렬, 방법에 비해 큰 효과가 있음을 의미한다. 이상 기판 1~10 의 결과로부터, 마크 정렬의 효과는 정렬 오차의 평균 및 최대값을 개선하는 효과가 있음을 확인할 수' 있다.
이상의 측정 결과로부터 BGA 노광 공정의 정렬 오차의 원인은 정렬 메커니즘 자체의 기구적 정렬 오차보다는 기판의 치수 변형에 의해 주로 발생함을 알 수 있다.
2#에 달한다. 이에 비하여, 마크 정렬, 의 경우는, 중심 정렬'에 비하여 기판 내 정렬 오차의 평균은 48%, 최대값은 30% 개선되는 것으로 나타났다. 기판 2 및 3의 경우는 기판 1에 비하여 기판의 치수 변형이 상대적으로 작은 경우이다.
제안하는 정렬 알고리즘을 실제 노광 장비에 구현하기 위하여 정렬 알고리즘을 해석적으로 전개하여 최적해를 구하였다. 이와 같은 정렬 방법을 사용함으로써 기판 전면에서 정렬 오차가 기존 방법에 비해 균일하게 분포되는 효과를 기대할 수 있다. 개발된 정렬 알고리즘의 효과를 검증하기 위하여 시뮬레이션을 통한 기판 전면의 정렬 오차를 평가하였으며, 최종적으로 BGA 노광 장비의 제어부에 정렬 알고리즘을 구현하여 적용함으로써 실험적으로 본 연구의 타당성을 검증하였다.
각 즉 정값의 범위를 계산함으로써 정렬 메카니즘의 기구적 반복정밀도를 측정할 수 있다. 측정 결과 BGA 노광 장비의 정렬 메커니즘의 경우 X 방향의 반복 정밀도는 3.4µm, y 방향 1.3#, 6 방향 2.5|im 임을 확인할 수 있었다. 이때 0 방향.
반복정밀도는 기판의 대각선 길이에 대해 환산된 수치이다. 측정된 반복정밀도 수치를 BGA 기판의 회로 선폭 20gm 와 비교하면 정렬 스테이지의 기구적 정렬 오차는 무시할만한 수준임을 확인할 수 있다.
통하여 평가하였다. 평가 결과 정렬 오차 평균 및 최대값에 있어서, 중심 정렬, 알고리즘에 비해 '마크 정렬, 알고리즘이 개선 효과를 보이는 것으로 확인되었다.

후속연구

본 연구의 결과는 BGA 노광 장비뿐만 아니라 사각형의 기판을 이용하여 노광 공정을 진행하는 평판 디스플레이 및 태양 전지 등에도 동일한 방법으로 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

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