KR0171006B1 - 반도체 공정장비용 비접촉식 실시간 금속박막 두께 측정장치 및 두께 측정방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 0.18㎛급 이상의 차세대 반도체 소자를 제조할 수 있는 반도체 공정장비에 있어서 증착 또는 식각공정 중에 비접촉식 방법으로 구리, 알루미늄, 티타늄 등과 같은 불투명한 금속박막의 두께를 실시간으로 측정할 수 있는 장치에 측정방법에 관한 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 레이저(17)에서 나오는 기준신호(reference signal)(28)와 증착 또는 식각되는 금속박막에서 반사되어 나오는 빔의 두께 변화에 대한 신호(27)를 위상감지기(phase detector)(27)에서 검출하고, 위상비교기(29)에서 그 위상차(phase difference)를 비교하고, 경사조절 반사경(20)의 각도를 조절하여 웨이퍼(6) 위의 여러지점에서 구리, 알루미늄, 티타늄과 같은 불투명한 금속박막의 두께를 감지할 수도 있도록 구성하고, 실시간으로 감지해상도가 2.5㎚로 향상되고 허용균일도에 미치는 영향이 적은 비접촉식 광학 헤테로다인 감지(optical heterodyne detection) 방법을 사용하였다.
본 발명은 반도체 공정장비에 있어서 증착이나 식각되는 공정중에 금속박막의 여러지점에 대해 비접촉식 방법으로 두께변화의 측정이 항상 가능한 장치를 제공함으로써, 반도체 제조공정의 안정화와 생산수율을 향상시킬 수 있으므로, 반도체 공정장비의 신뢰성을 높이는 효과가 있다.
Description
제1a도 및 제1b도는 박막증착 또는 식각공정에 사용되는 일반적인 반도체 공정장비의 개략적인 평면도 및 측면도.
제2도는 제1도의 반도체 공정장비에 있어서 비접촉식 금속박막의 두께를 측정할 수 있도록 본 발명의 금속박막 두께 측정장치를 채용한 반도체 공정장비의 개략적인 구성도.
제3도는 제2도에 도시된 반도체 공정장비용 비접촉식 실시간 금속박막 두께 측정장치의 상세도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 반도체 공정장비 2 : 가스주입구
3 : 샤워헤드(shower head) 4 : 반응실(reactor)
5 : 예비진공실(load lock chamber) 6 : 웨이퍼(wafer)
7 : 로더(loader) 8 : 스롯밸브(slot valve)
9 : 상하 이동기구(lifter assembly) 10 : 기판(substrate)
11 : 히터(heater) 12 : 진공펌프(vacuum pump)
13 : 압력센서(pressure sensor) 14 : 트로틀 밸브(throttle valve)
15 : 반응실 뚜껑(reactor cover) 16 : 석영창(quartz window)
17 : 레이저(laser) 18 : 편광 광분할기
19,22 : λ/4판 20 : 경사조절 반사경
21 : 경사반사경 23 : 반사경(mirror)
24 : 편광 광분할기(polarized beam splitter)
25,33 : 선편광자 26,34 : 감지기(detector)
27 : 두께변화 신호 28 : 기준신호(reference signal)
29 : 위상비교기(phase comparator) 30 : 장비제어기(main controller)
31 : 레이저발생실 40 : 수평 및 수직 편광성분
44 : 금속박막 두께변화
본 발명은 반도체 공정장비용 비접촉식 실시간 금속박막 두께 측정장치 및 두께측정방법에 관한 것이다.
좀 더 구체적으로, 본 발명은 0.18㎛급 이상의 차세대 반도체 소자를 제조할 수 있는 반도체 공정장비에 있어서 금속박막의 증착 또는 식각공정 중에 비접촉식 및 실시간으로 금속박막의 두께변화를 고정밀도로 측정할 수 있는 두께 측정장치 및 두께 측정방법에 관한 것이다.
박막의 두께측정에 관련된 종래의 기술로는 이산화막과 같은 투명한 박막에 레이저 빔을 조사하여 표면에서 반사되는 광과 투사되어 실리콘 위에서 반사되어 나오는 광 사이의 경로차를 이용하여 두께변화를 측정하는 레이저 간섭방법이 주로 사용되어 왔다.
그러나, 상기한 종래의 기술은 구리, 알루미늄, 티타늄 등과 같은 불투명한 금속박막에 대해서는 사용이 불가능하므로, 최근에는 웨이퍼의 증착 및 식각전의 초기질량과 증착 및 식각후의 최종질량의 차이를 계산함으로써, 박막의 두께변화를 산정하는 방법이 현재 연구중인 상태이다.
그러나, 상기한 방법 역시 웨이퍼 전체의 온도가 균일하지 않기 때문에 웨이퍼 상에 박막이 균등하게 증착될 수 없을 뿐만 아니라, 웨이퍼의 측면이나 뒷면 부분에 증착되는 미소량에 대한 오차로 인하여, 정밀도가 떨어지는 문제점을 지니고 있었다.
결국, 본 발명은 상기한 종래기술의 한계를 극복하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 반도체 공정장비에 있어서 구리, 알루미늄, 티타늄 등과 같은 불투명한 금속박막의 증착 또는 식각공정 중에 비접촉식 및 실시간으로 금속박막의 두께변화를 고정밀도로 측정할 수 있는 두께 측정장치 및 두께 측정방법을 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 레이저에서 나오는 기준신호(reference signal)와 증착 또는 식각공정 중 금속박막 표면에서 반사되어 나오는 빔의 두께변화에 대한 신호를 위상감지기(phase detector)에서 검출하고, 위상비교기에서 그 위상차(phase difference)를 비교산출함으로써, 실시간으로 감지해상도를 2.5㎚로 향상시킬 수 있는 비접촉식 광학 헤테로다인 감지(optical heterodyne detection) 방법을 사용하였다.
상기한 목적을 달성하는 본 발명의 비접촉식 실시간 두께 측정장치는, 수직성분과 수평성분의 분광특성을 지닌 레이저를 출력하는 레이저 발생실과, 전기한 출력광을 분리하기 위한 편광 광분할기와, 전기한 편광 광분할기에 의해 분리되어 반사된 출력광을 선평광시키기 위한 선편광자와 전기한 선편광자로부터 레이저의 기준신호로 사용되는 비트주파수 신호를 감지하기 위한 위상감지기로 이루어진 레이저; 전기한 편광 광분할기를 통과된 출력광의 분할시키기 위한 편광 광분할기와, 전기한 편광 광분할기에 의해 반사된 광을 원편광시키기 위한 λ/4판과, 전기한 원편광된 광을 반사하기 위한 반사경; 상기한 편광프리즘을 통과한 광을 원편광시키기 λ/4판과, 반도체 공정장비의 석영창을 통해 웨이퍼 상의 여러지점에서 금속박막의 두께변화를 감지할 수도 있도록 전기한 광의 경로를 변경하기 위한 이동 경사조절 반사경과, 웨이퍼 상의 금속박막에 의해 반도체 공정장비의 석영창을 통해 반사된 광을 입사경로로 다시 반사시키기 위한 경사반사경; 상기한 경사반사경의 반사에 의해 광경로를 되돌아와 편광프리즘에서 반사된 광을 선편광시키기 위한 선편광자와, 전기한 선편광자를 통과한 웨이퍼상의 금속박막의 두께변화에 대한 정보가 포함된 신호를 감지하기 위한 위상감지기; 상기한 위상감지기에 의해 감지된 금속박막의 두께변화에 대한 신호와 레이저 자체에서 출력된 기준신호와의 위상차를 비교하고 금속박막의 두께변화를 산출하는 위상비교기; 및, 상기한 위상비교기에 의해 산출된 두께변화가 공정전에 입력된 원하는 최종두께에 도달하는 경우 반도체 제조공정이 종료되도록 신호를 송출하는 장비 제어기를 포함한다.
또한, 상기한 목적을 달성하는 본 발명의 비접촉식 실시간 금속박막 두께 측정방법은, 상호직각의 편광성분을 포함하는 레이저에서 발생된 빔을 편광 광분할기를 거쳐 그 다음 편광 광분할기, λ/4판과 경사조절 반사경을 지나 석영창을 통하여 웨이퍼 표면에 입사하고, 반대편 석영창을 지나 경사반사경에 반사시키는 단계; 전기한 단계에 의해 반사되어 되돌아온 광과 편광 광분할기를 통과하여 λ/4판을 지나 반사경에서 반사된 빔을 편광 광분할기를 지나 선편광자에 의해 합성된 후 만들어진 비트신호를 위상감지기에서 검출하는 단계; 및, 상기한 과정에 의해 검출된 금속박막의 두께변화가 포함된 신호와 레이저에서 방출된 기준신호를 위상비교기에서 비교하여 위상차에 의해 계산된 두께 변화에 대한 신호를 장비제어기로 보내는 단계를 포함하는 광학 헤테로다인 감지방법에 의한 비접촉식 금속박막 두께 측정방법인 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 반도체 공정장비용 비접촉식 실시간 금속박막 두께 측정장치 및 두께 측정방법에 대한 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
제1도는 박막증착 또는 식각공정에 사용되는 일반적인 반도체 공정장비의 개략적인 구성도이다.
제1도에 도시된 바와 같이, 반도체 공정장비(1)에는 증착하고자 하는 금속원이 포함된 가스나 증착된 금속박막을 식각하고자 하는 가스를 주입할 수 있는 가스주입구(2)가 형성되며, 전기한 가스주입구(2)를 통해 주입된 가스들은 샤워헤드(3)를 거쳐 반응실(4) 내부로 균일하게 공급된다. 반응실(4)의 측면에 부착된 예비진공실(5)에 넣어진 웨이퍼(6)는 로더(7)에 의해 스롯밸브(8)를 통하여 수평 이동되어 상하 이동기구(9)에 의해 기판(10) 상에 장착되며, 전기한 기판(10)의 하부에는 웨이퍼(6)를 공정온도까지 가열할 수 있는 히터(11)가 내장되어 있다.
또한, 박막증착 및 식각공정 반응실(4)의 내부를 진공압력으로 배기하기 위하여 진공펌프(12)가 연결되어 있고, 반응실(4)의 내부압력을 측정할 수 있는 압력센서(13)와 반응실(4)을 일정한 공정압력으로 유지하기 위한 트로틀밸브(14) 및 압력제어기가 부설되어 있다.
본 발명에서는 금속박막의 두께변화를 감지할 수 있는 레이저빔이 반응실(4) 내부의 웨이퍼(6) 상으로 입사되고 반사후 되돌아 갈 수 있도록, 상기한 반도체 공정장비(1)의 반응실 뚜껑(15) 양측에 석영창(16a, 16b)을 각각 하나씩 부설한다.
제2도는 상기한 제1도의 반도체 공정장비에 있어서 비접촉식 금속박막의 두께를 측정할 수 있도록 본 발명의 금속박막 두께 측정장치를 채용한 반도체 공정장비의 개략적인 구성도이다.
본 발명에 의해 금속박막의 두께변화를 측정하기 위해서는, 반도체 공정장비(1)의 상부에 부설된 석영창(16a)으로 레이저빔이 입사되도록 주광학계를 설치하는데, 이때, 박막증착 또는 식각공정시 항상 히터(11)에 의해 일정한 온도하에서 공정이 수행되므로 열팽창에 대한 영향은 무시할 수 있다. 또한, 웨이퍼(6)가 기판(10) 위에 장착되는 시점을 초기두께(initial thickness)로 설정하여 박막 증착 및 식각공정 중에 금속박막의 두께변화를 감지할 수 있다.
본 발명에 의한 금속박막의 두께 측정방법을 살펴보면 다음과 같다 : 1.8㎒의 주파수 차이를 가지면서 상호직각의 편광성분을 포함하는 레이저(17)에서 발생된 빔은 편광 광분할기(24)를 거쳐 다른 편광 광분할기(18), λ/4판(19)과 경사조절 반사경(20)을 지나 석영창(16a)를 통하여 웨이퍼(6) 표면에 입사되고, 반대편 석영창(16b)을 지나 경사반사경(21)에 반사된다.
이렇게 반사되어 되돌아온 광과 편광프리즘(18)을 통과하여 λ/4판(22)을 지나 반사경(23)에서 반사된 빔을 광분할기(24)를 지나 45°기울어진 선편광자(25)에 의해 합성된후 만들어진 비트신호(beat signal)가 위상감지기(26)에서 검출된다.
상기한 과정에 의해 검출된 금속박막의 두께변화가 포함된 신호(27)와 레이저(17)에서 방출된 기준신호(28)를 위상비교기(29)에서 비교되어 위상차에 의해 계산된 두께신호가 장비제어기(30)로 보내진다. 이때, 장비제어기(30)는 박막증착 또는 식각공정 중에 웨이퍼(6) 상의 금속박막의 두께를 항상 실시간으로 감지하여 공정이 종료되어야 하는 시각에 정확히 공정이 종료되도록 한다.
제3도는 제2도에 도시된 반도체 공정장비용 비접촉식 실시간 금속박막 두께 측정장치의 상세도이다.
제3도에 도시된 바와 같이, 본 발명의 반도체 공정장비용 비접촉식 실시간 금속박막 두께 측정장치는, 수직성분과 수평성분의 분광특성을 지닌 레이저를 출력하는 레이저 발생실(31)과, 전기한 출력광을 분리하기 위한 편광 광분할기(24)와, 전기적 광분할기에 의해 분리되어 반사된 출력광을 선편광시키기 위한 선편광자(33)과, 전기적 선편광자로부터 레이저의 기준신호로 사용되는 비트주파수 신호를 감지하기 위한 위상감지기(34)로 이루어진 레이저(17); 전기한 편광 광분할기(24)를 통과된 출력광의 분할시키기 위한 편광 광분할기(18)와, 전기한 편광프리즘(18)에 의해 반사된 광을 원편광시키기 위한 λ/4판(22)과, 전기한 원편광된 광을 반사하기 위한 반사경(23); 상기한 편광 분할기(18)를 통과한 광을 원편광시키기 λ/4판(19)와, 반도체 공정장비의 석영창(16a)을 통해 웨이퍼(6) 상의 여러지점에서 금속박막의 두께변화를 감지할 수도 있도록 전기한 광의 경로를 변경하기 위한 이동 경사조절 반사경(20)과, 웨이퍼(6) 상의 금속박막에 의해 반도체 공정장비의 석영창(16b)을 통해 반사된 광을 입사경로로 다시 반사시키기 위한 경사반사경(21); 상기한 경사반사경(21)의 반사에 의해 광경로를 되돌아와 편광 분할기(18)에서 반사된 광을 선편광시키기 위한 선편광자(25)와, 전기한 선편광자(25)를 통과한 웨이퍼 상의 금속박막의 두께변화(44)에 대한 정보가 포함된 신호를 감지하기 위한 위상감지기(26); 상기한 위상감지기(26,34)에 의해 감지된 금속박막의 두께변화(44)에 대한 신호와 레이저 자체에서 출력된 기준신호와의 위상차를 비교하고 금속박막의 두께변화를 산출하는 위상비교기(29); 및 상기한 위상비교기(29)에 의해 산출된 두께변화가 공정전에 입력된 원하는 최종두께에 도달하는 경우 반도체 제조공정이 종료되도록 신호를 송출하는 장비제어기(30)를 포함하여 구성된다.
한편, 경사반사경(21)에서 광을 반사시켜 보내지 않고, 빔 벤더(beam bender)(미도시)를 사용하여 광을 λ/4판(19)으로 직접 보내도록 구성할 수도 있다.
이하, 상기한 구성을 지닌 본 발명의 반도체 공정장비용 비접촉식 실시간 금속박막 두께 측정장치의 작용에 대해 설명한다.
레이저 발생실(31)에서 나오는 출력광은 1.8㎒의 주파수 차이를 지닌 수직성분과 수평성분의 분광성분(40)을 포함하며, 이 출력광은 편광 광분할기(24)에 의해 분리되어 반사된 부분은 선편광자(33)를 통해 위상감지기(34)에 입사되어 나오는 비트주파수 신호는 레이저의 기준신호로 사용된다.
한편, 광분할기(24)를 통과된 출력광의 다른 부분은 편광 분할기(18)를 지나면서 역시 일부는 반사되고 나머지는 통과하게 된다. 여기서, 반사된 광은 λ/4판(22)을 지나 반사경(23)에 의해 반사되어 다시 편광 분할기(18)를 통과하고 선편광자(25)를 지나 위상감지기(26)로 들어오게 된다.
한편, 편광 광분할기(18)를 통과한 광은 원편광자(19)와 이동 경사조절 반사경(20)에서 경로가 변경되어 웨이퍼(6)상의 금속박막에서 반사되고 반대편에 위치한 경사반사경(21)에서 되돌아와 다시 편광 광분할기(18)에서 반사되어 선편광자(25)를 지나 위삼감지기(26)로 들어오게 된다. 이때, 위상감지기(26)에 들어온 빔은 웨이퍼(6) 상에 있는 금속박막의 두께변화(44)에 관한 정보를 포함하고 있는 신호와 레이저 자체에서 출력되는 기준신호와의 위상차를 위상비교기(29)에서 비교하여 위상차(△φ)를 산출한 후에, 다음 식에 의해 초기두께 t에 대한 두께변화(△t)를 계산하게 된다 :
이때, 산출된 두께변화가 공정전에 입력된 원하는 최종두께에 도달하면, 장비제어기(30)가 반도체 제조공정이 종료되도록 신호를 보낸다. 또한 경사조절 반사경(30)의 각도를 조절하여 웨이퍼(6) 위의 여러지점에서 금속박막의 두께변화를 감지할 수도 있도록 구성된다.
상기한 본 발명의 금속박막 두께 측정시 사용되는 비접촉시 광학 헤테로다인 감지법에서는 두께변화에 대한 감지해상도는 사용된 레이저의 파장에 의해 결정되며, 사용 레이저의 파장이 λ인 경우 기본적으로 λ/4의 분해능을 지니게 된다. 그러나, 633㎚의 헬륨-네온 레이저를 사용하고 레이저의 광경로를 여러번 왕복하도록 구성하면, 분해능이 λ/256인 2.5㎚까지 향상이 가능하다.
일반적으로, 차세대 금속배선시 알루미늄이나 구리박막을 예로들면 평균 증착두께는 5000Å이며, 허용균일도가 ±3% 이내이어야 한다.
여기서, 감지해상도의 타당성을 검토하기 위해 실제 감지된 최대두께가 5025Å이고, 최소두께는 4975Å인 경우를 고려하면, 웨이퍼(6) 위의 중심과 상하좌우 5지점에 대한 금속박막의 평균두께는 ｜5x최소두께)/5｜인 4975Å 보다 크고, ｜5x최대두께)/5｜인 5025Å 보다 작은 범위이다.
따라서, 감지해상도가 균일도에 미치는 영향을 계산하면, 균일도는 ±[(최대두께-최소두께)/(2×평균두께)] 식에 따라 최악의 경우는 ±0.5% 정도로 허용균일도에 비해 그 영향이 매우 미미하게 된다.
결국, 본 발명은 반도체 공정장비에 있어서 증착이나 식각공정중에 금속박막에 대해 비접촉식 방법으로 두께변화의 측정이 가능한 장치를 제공함으로써, 반도체 제조공정의 안정화와 생산수율을 향상시킬 수 있으므로, 반도체 공정장비의 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 금속박막 두께 측정장치 및 측정방법은 반도체 공정장비에 있어서 구리, 알루미늄, 티타늄 등과 같은 불투명한 금속박막의 증착 또는 식각공정 중에 비접촉식 및 실시간으로 금속박막의 두께변화를 고정밀도로 측정할 수 있다는 것이 확인되었다.
Claims (2)
- 수직성분과 수평성분의 분광특성을 지닌 레이저를 출력하는 레이저 발생실(31)과, 전기한 출력광을 분리하기 위한 편광 광분할기(24)와, 전기한 편광 광분할기(24)에 의해 분리되어 반사된 출력광을 선편광시키기 위한 선편광자(33)와, 전기한 선편광자로부터 레이저의 기준신호로 사용되는 비트 주파수 신호를 감지하기 위한 위상감지기(34)로 이루어진 레이저(17); 전기한 광분할기(24)를 통과된 출력광의 분할시키기 위한 편광 광분할기(18)와, 전기한 편광 광분할기(18)에 의해 반사된 광을 원편광시키기 위한 λ/4판(22)과, 전기한 원편광된 광을 반사하기 위한 반사경(23); 상기한 편광 광분할기(18)를 통과한 광을 원편광시키기 λ/4판(19)과, 반도체 공정장비의 석영창(16a)을 통해 웨이퍼(6) 상의 여러지점에서 금속박막의 두께 변화를 감지할 수도 있도록 전기한 광의 경로를 변경하기 위한 이동 경사조절 반사경(20)과, 웨이퍼(6) 상의 금속박막에 의해 반도체 공정장비의 석영창(16b)을 통해 반사된 광을 입사경로로 다시 반사시키기 위한 경사반사경(21); 상기한 경사반사경(21)의 반사에 의해 광경로를 되돌아와 편광프리즘(18)에서 반사된 광을 선편광시키기 위한 선편광자(25)와, 전기한 선편광자(25)를 통과한 웨이퍼 상의 금속박막의 두께변화(44)에 대한 정보가 포함된 신호를 감지하기 위한 위상감지기(26); 상기한 위상감지기(26,34)에 의해 감지된 금속박막의 두께변화(44)에 대한 신호와 레이저 자체에서 출력된 기준신호와의 위상차를 비교하고 금속박막의 두께변화를 산출하는 위상비교기(29); 및, 상기한 위상비교기(29)에 의해 산출된 두께변화가 공정전에 입력된 원하는 최종두께에 도달하는 경우 반도체 제조공정이 종료되도록 신호를 송출하는 장비제어기(30)를 포함하는 반도체 공정장비용 비접촉식 실시간 금속박막 두께 측정장치.
- 상호직각의 편광성분을 포함하는 레이저(17)에서 발생된 빔을 편광 광분할기(24)를 거쳐 편광 광분할기(18), λ/4판(19)과 경사조절 반사경(20)을 지나 석영창(16a)을 통하여 웨이퍼(6) 표면에 입사하고, 반대편 석영창(16b)을 지나 경사반사경(21)에 반사시키는 단계; 전기한 단계에 의해 반사되어 되돌아온 광과 편광 광분할기(18)를 통과하여 λ/4판(22)을 지나 반사경(23)에서 반사된 빔을 편광 광분할기(24)를 지나 선편광자(25)에 의해 합성된 후 만들어진 비트신호를 위상감지기(26)에서 검출하는 단계; 및, 상기한 과정에 의해 검출된 금속박막의 두께변화가 포함된 신호(27)와 레이저에서 방출된 기준신호(28)를 위상비교기(29)에서 비교하여 위상차에 의해 계산된 두께변화에 대한 신호를 장비제어기(30)로 보내는 단계를 포함하는 광학 헤테로다인 감지방법에 의한 반도체 공정장비용 비접촉식 실시간 금속박막 두께 측정방법.
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| KR1019950048734A KR0171006B1 (ko) | 1995-12-12 | 1995-12-12 | 반도체 공정장비용 비접촉식 실시간 금속박막 두께 측정장치 및 두께 측정방법 |
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