KR0149886B1 - 두 파장의 적외선 레이저 간섭계를 이용한 웨이퍼 온도 측정장치 - Google Patents

두 파장의 적외선 레이저 간섭계를 이용한 웨이퍼 온도 측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 웨이퍼 뒷면에 두 파장의 적외선을 조사할 때, 웨이퍼의 온도 변화에 따라 수반되는 두께 및 굴절율 변화로 인하여 발생하는 각각의 간섭 프린지(fringe) 위상차를 감지하여 웨이퍼의 온도를 측정하는 장치에 관한 것이다.
본 발명은 광원으로서 서로 다른 파장을 갖는 적외선을 각각 방출하는 제 1 및 제2 적외선 레이저와, 상기 적외선 레이저에서 방출된 적외선들을 웨이퍼가 장착된 진공챔버내로 입사시키기 위해 챔버벽에 형성된 광학창과, 이 광학창을 투과한 레이저빔이 웨이퍼 후면에 입사되도록 레이저 빔의 광경로를 조정하기 위한 프리즘과, 상기 광학창을 통하여 웨이퍼에서 반사된 빔을 반사시키기 위한 폴라라이저(polarizer)와, 상기 폴라라이저에서 반사된 빔을 파장별로 분리하기 위한 2색(dichroic) 빔 분리경과, 상기 2색빔 분리경을 통하여 분리된 적외선들을 각각 감지하기 위한 적외선 센서 및 상기 적외선 센서들에서 감지된 각각의 간섭 프린지(fringe) 위상차를 비교하는 위상 비교기(phase comparator)를 구비하여 웨이퍼 전면의 상태와 관계없이 공정중에 in-situ, 비접촉으로 웨이퍼 온도와 아울러 온도의 증, 감소 방향을 측정할 수 있다.

Description

두 파장의 적외선 레이저 간섭계를 이용한 웨이퍼 온도 측정장치
제1도는 본 발명에 의한 반도체 식각장비 내의 웨이퍼 온도측정장치 구성도.
제2도는 본 발명이 적용되는 온도변화에 따른 두 파장의 위상차 변화 파형도.
제3도는 본 발명에 따른 웨이퍼 온도 측정을 위한 간섭계에 있어서 입사광 및 반사광의 궤적 구조도.
본 발명은 웨이퍼 뒷면에 두 파장의 적외선을 조사할 때, 웨이퍼의 온도변화에 따라 수반되는 두께 및 굴절율 변화로 인하여 발생하는 각각의 간섭 프린지(fringe) 위상차를 감지하여 웨이퍼 온도를 측정하는 장치에 관한 것이다.
종래 웨이퍼의 온도를 측정하는 온도측정 방법으로는 열전대(thermocouple), 파이로메터(pyrometer) 및 형광 프로브(fluro-optic probe)를 이용하는 방법 등이 있다.
이들 가운데, 열전대를 이용하는 방법은 웨이퍼에 센서가 접촉되는 접촉식이기 때문에 웨이퍼 오염의 문제가 있으며, 무선 주파수(RF)를 사용하는 반도체 진공장비에서는 RF 노이즈로 인해 웨이퍼 온도를 정밀하게 측정하는데 문제가 있다.
상기 파이로메터 방법은 비접촉식이며 RF 노이즈에 대한 영향을 받지 않는 반면, 절대강도 측정을 하기 때문에 반응챔버 광학창(window)의 투과율이 웨이퍼 자체의 복사율(emissivity)의 변화에 크게 영향을 받는다.
대부분의 반도체 식각 및 증착장비 등은 상기 광학창을 이용하며, 이 광학창은 공정시간 및 사용가스 등에 따라 오염도가 변하기 때문에 온도측정 오차가 크다.
또한, 파이로메터 방식은 온도를 측정할 때마다 검정(calibration)을 해야 하는 불편함이 있다.
한편, 형광 프로브를 이용한 온도측정장치는 온도측정 오차가 ±0.1℃ 이내로 정확한 반면에 웨이퍼에 센서를 직접 접촉시키는 접촉식으로 센서에 의해 웨이퍼가 오염되는 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 서로 다른 파장을 갖는 적외선 레이저를 간섭계를 이용하여 반도체 식각 및 증착 공정중에 인-시튜(in-situ)로, 웨이퍼의 오염없이 비접촉식으로 및 온도측정 오차가 ±0.5도 이내로 웨이퍼의 온도를 측정할 수 있는 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적에 부응하는 본 발명의 특징은 고진공을 유지하는 반도체 식각 및/또는 증착 장비내의 웨이퍼 또는 기판의 온도를 측정하기 위한 웨이퍼 온도 측정장치에 있어서, 광원으로서 서로 다른 파장을 갖는 적외선을 각각 방출하는 제 1 및 제 2 적외선 레이저, 상기 적외선 레이저에서 방출된 적외선들을 웨이퍼가 장착된 진공챔버내로 입사시키기 위해 챔버벽에 형성된 광학창과, 이 광학창을 투과한 레이저빔이 웨이퍼 후면에 입사되도록 레이저 빔의 광경로를 조정하기 위한 프리즘, 상기 광학창을 통하여 웨이퍼에서 반사된 빔을 반사시키기 위한 폴라라이저(polarizer), 상기 폴라라이저에서 반사된 빔을 파장별로 분리하기 위한 2색(dichroic) 빔 분리경, 상기 2색빔 분리경을 통하여 분리된 적외선들을 각각 감지하기 위한 적외선 센서 및 상기 적외선 센서들에서 감지된 각각의 간섭 프린지(fringe) 위상차를 비교하는 위상 비교기(phase comparator)를 구비한다.
본 발명에 의하면, 웨이퍼 전면의 상태와 관계없이 공정중에 인-시튜(in-situ), 비접촉으로 웨이퍼의 온도와 아울러 온도의 증,감소 방향을 측정할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여보다 상세히 설명한다.
본 발명의 웨이퍼 온도측정장치에서 사용하는 조사광은 웨이퍼 또는 기판으로 사용된 반도체의 에너지 갭보다 작은 에너지에 해당하는 파장을 갖는 적외선을 선택한다.
예를 들어, 실리콘 반도체의 경우, 1.12eV보다 낮은 에너지에 해당하는 파장이면서 간섭성이 우수한 적외선을 사용한다.
이러한 조사광을 웨이퍼에 조사할 때, 웨이퍼의 온도가 변화하면 열팽창에 의한 웨이퍼의 두께 변화와 굴절율 변화에 따른 웨이퍼 내의 광경로 변화에 의해 웨이퍼 표면에 반사된 광과 웨이퍼 밑면에서 반사된 광이 서로 간섭을 일으켜 프린지라는 광강도 변화로 나타난다.
결과적으로, 센서에 의해 감지된 상기 광강도는 온도의 함수 및 시간의 함수로서 변화한다.
이러한 온도측정장치의 절대온도 검정은 웨이퍼 종류에 따라, 즉 Si, GaAs 등과 같은 측정하고자 하는 재료에 대해 최저와 최대온도 사이에서 온도에 따른 두 파장의 위상차를 측정하여 이를 기준 데이터로 하여 검정하면 ±0.5도 이내로 온도측정이 가능하다.
종래에는 식각 및/또는 증착공정시, 그리고 금속박막이 웨이퍼에 코팅되어 있는 경우에는 금속막에서 조사광의 반사로 인해 간섭무늬를 얻을 수 없기 때문에 온도측정이 불가능하였으나, 본 발명에 의하면 웨이퍼 전면의 증착 및/또는 식각상태와 관계없이 공정중에 인-시튜(in-situ)로 측정이 가능하다.
또한, 서로 다른 두 개의 파장을 사용함으로써 웨이퍼 온도의 증,감소에 따라 다른 모양의 프린지가 나타나기 때문에 온도의 증가, 감소에 대한 방향을 명확히 알 수 있다.
제1도는 본 발명에 의한 반도체 식각장비 내의 웨이퍼 온도측정장치 구성도를 도시한 것이다.
먼저, 일반적인 반도체 식각 및/또는 증착 챔버에 대해 개략적으로 살펴본다.
챔버(chamber)(24)는 접지전극(21)과, 파워전극으로 사용하는 웨이퍼 척(1)과, 상기 웨이퍼 척(1)과 접지전극(21) 사이의 전위를 유지하기 위한 절연체(7)와, 웨이퍼 및/또는 기판의 온도를 제어하기 위한 헬륨라인(3)과, 가스의 유량을 조절하기 위한 유량조절기(mass flow controller)(6)와, 13.56㎒의 주파수로 동작하는 RF 라인(5)과, 상기 RF 라인(5)과 반응챔버의 임피던스 매칭을 위한 RF 매칭회로(matching circuit)(4)와, 챔버(24) 내부의 관찰 및 플라즈마 진단을 위한 광학창(19,22)과, 챔버 내부의 고진공을 위한 진공펌프연결 프린지(23) 및 진공도 측정을 위한 진공게이지(20)로 구성된다.
이러한 구성을 갖는 챔버내의 웨이퍼 온도를 측정하기 위한 장치는 챔버 내부에 적외선 광학창(8,10)과, 적외선의 광경로를 웨이퍼의 후면으로 조정하기 위한 프리즘(9)을 포함한다.
상기 광학창(8)은 기판의 온도 상승을 막기 위한 헬륨가스가 새는 것을 방지하기 위한 것이다.
챔버 외부에는 웨이퍼에서 반사된 빔을 반사시키기 위한 폴라라이저(polarizer)(11)와, 상기 폴라라이저(11)에서 반사된 빔을 파장별로 분리시키기 위한 2색빔 분리경(dichronic beam splitter)(12)과, 상기 2색빔 분리경(12)을 통하여 분리된 적외선들을 각각 감지하기 위한 적외선 센서(17)들과, 상기 적외선 센서들(17)에서 감지된 각각의 간섭 프린지(fringe) 위상차를 비교하는 위상 비교기(phase comparator)(18) 및 광원으로서 서로 다른 파장을 갖는 적외선을 각각 방출하는 두 개의 적외선 레이저(13)와 편광빔 분리경(14)과 λ/4 편광판(15)과 적외선 전반사경(16) 등의 광학부품으로 구성된다.
이때, 상기 광원의 선택은 측정하고자 하는 웨이퍼 및/또는 기판의 대상물질 즉, Si, Ge, InP, GaAs 등의 에너지 갭보다 작은 에너지에 해당하는 파장을 선택해야만 반도체 기판에서 투과광과 반사광을 모두 얻을 수 있다.
예를 들어, Si 웨이퍼의 경우 밴드 갭 1.12eV에서 λ = 1.24/Eg라는 관계식으로부터 λ = 1.11㎛이므로, 레이저는 이 이상의 파장을 선택해야 한다.
다른 반도체 재료에 대해서도 마찬가지 원리가 적용된다.
상기 적외선 센서(17)는 포토다이오드 또는 광전판(phototube)을 사용할 수 있다.
이때, 상기 폴라라이저(11)는 적외선 레이저(13)에서 나오는 빔은 패스시키고, 반도체 기판 상면과 하면에서 반사되어 나오는 빔은 반사시키는 특성을 갖는다.
이와 같이 구성된 본 발명의 온도측정장치는 적외선 레이저 광을 웨이퍼 밑면에서 조사함으로써 웨이퍼 윗면에서 어떤 종류의 유전체를 식각 또는 증착하더라도 간섭신호에 전혀 영향이 없으며, 심지어 금속박막이 웨이퍼 위에 코팅되어 있는 상황에서도 웨이퍼 온도를 공정중에 측정할 수 있다.
또한, 기판온도의 증가, 감소에 대한 방향은 서로 다른 파장을 갖는 2개의 적외선을 사용하므로 각각의 프린지 위상차를 비교함으로써 결정할 수 있다.
그 이유는 프린지의 최대와 최소의 λ/2n(여기서, λ는 파장, n은 굴절율)의 함수라는 광학적 이론에 근거한다.
따라서, 서로 파장이 다른 두 광원을 사용하면 프린지의 주기가 달라지고, 그 결과 위상차가 생기게 된다.
다음은 온도 측정을 위한 간섭원리에 대한 설명이다.
한 파장만을 사용하는 경우에도 기판의 온도가 증가, 감소함에 따라 프린지가 생기게 되지만, 만약에 온도가 증가하여 프린지가 정점에 있을 때 온도의 방향이 바뀌어 감소한다면, 상기 프린지만으로는 온도가 증가하는지 감소하는지를 알 수 없는 모양이 나타난다.
이에 반해, 본 발명은 적외선 파장이 각각 다른 예를 들면, 1.152㎛와 1.52㎛의 파장을 갖는 두 개의 적외선 레이저 간섭계를 이용하여 프린지 위상차를 감지하여 온도와 아울러 온도의 증가, 감소 방향을 측정할 수 있다.
레이저 간섭은 전술한 광학이론에 의해 웨이퍼의 전면과 후면에서 반사되는 광로차(optical path difference) Δd로부터 발생하며, 두 파장에 따른 각각의 위상과 온도에 따른 위상차는 다음 식으로 나타낼 수 있다.
라고 하면
위의 수식에서 위상차가 온도와의 관계는 제2도의 온도변화에 따른 위상차 변화를 나타낸 그래프에서 웨이퍼의 온도가 상승하여 웨이퍼의 굴절율과 두게가 변화하면, 적외선 파장 1개를 사용하는 경우에, 웨이퍼의 온도 측정을 위한 간섭게에 있어서 입사광 및 반사광의 궤적을 나타내는 제3도의 간섭계의 원리에 광위상차가 발생하여 삼각함수 파형의 신호를 얻을 수 있다.
그러나 온도가 하강하는 경우에도 같은 신호가 나오게 되어 온도가 상승하는지 또는 하강하는지 알 수 없다는 단점이 있다.
따라서 본 발명에서는 명세서와 청구범위에 이미 기술한 바와 같이, 2개의 적외선 파장을 사용하여 제2도와 같이 2개의 삼각함수 파형을 얻고, 이것으로부터 위상변화의 차이를 측정함으로써 온도의 변화량은 물론 온도의 방향까지 알 수 있도록 하고 있다.
이를 이용하여 온도에 대한 두 파장의 위상차를 측정하여 웨이퍼 두께를 규격화한 다음 최소 자승법에 의해 근사화하면 아래의 수식으로 표현할 수 있다.
여기서, nj는 공기의 굴절율, n은 온도에 따라 변화하는 웨이퍼의 굴절율, h는 온도에 따라 변화하는 웨이퍼의 두께, α는 실리콘 웨이퍼의 열팽창 계수(thermal expansion coefficient), β는 온도에 대한 웨이퍼 굴절율(refractive index)의 변화율, △α는 광로차(optical path difference), T는 웨이퍼의 온도, λ1, λ2는 적외선 레이저의 파장, Φ는 광 위상차(optical phase difference), θ는 적외선 레이저 광의 웨이퍼에 대한 굴절각, θ'는 적외선 레이저 광의 웨이퍼에 대한 굴절각, α1, …, αn은 광 위상차를 변수로 한 온도 근사식에 사용되는 계수를 각각 나타낸다.
상기 식(8)을 이용하여 각각의 위상차에 따른 온도를 ±0.5℃의 정확도로 측정할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 서로 다른 파장을 갖는 적외선에 의한 간섭 프린지의 위상차를 이용한 온도측장치에 의하면, 반도체 공정중에 웨이퍼의 오염없이 인-시튜(in-situ)로 웨이퍼 온도를 측정할 수 있으며, 특히 반도체 소자 제작시 사용하는 모든 유전체 및 Al, TiW 등의 어떤 금속이 코팅되어 있는 경우에도 다시 말해, 기판 전면의 상태에 관계없이 온도측정이 가능하다.
또한, 웨이퍼의 온도의 증, 감소가 반복되는 경우에도 온도의 변화 방향을 측정할 수 있기 때문에 측정 오차가 발생할 가능성이 높은 종래에 비해 보다 정확한 측정이 가능하다.
따라서, 본 발명은 반도체 소자가 미세화되어 감에 따라 더욱더 엄격해지는 공정규격 즉, 식각 균일도(uniformity), 감광막 열화, 선택비(selectivity) 등의 공정성능의 향상 및 안정화에 보다 효과적으로 기여할 것이다.

Claims (2)

  1. 고진공을 유지하는 반도체 식각장비내의 웨이퍼 또는 기판의 온도를 측정하기 위한 웨이퍼 온도 측정장치에 있어서, 광원으로서 서로 다른 파장을 갖는 적외선을 각각 방출하는 제1 및 제2적외선 레이저; 상기 적외선 레이저에서 방출된 적외선들을 웨이퍼가 장착된 진공챔버내로 입사시키기 위한 챔버벽에 형성된 광학창과, 이 광학창을 투과한 레이저빔이 웨이퍼 후면에 입사되도록 레이저 빔의 광경로를 조정하기 위한 프리즘; 상기 광학창을 웨이퍼에서 반사된 빔을 반사시키기 위한 폴라라이저(polarizer); 상기 폴라라이저에서 반사된 빔을 파장별로 분리하기 위한 2색(dichroic) 빔 분리경; 상기 2색빔 분리경을 통하여 분리된 적외선들을 각각 감지하기 위한 적외선 센서; 및 상기 적외선 센서들에서 감지된 간섭 프린지(fringe) 위상차를 비교하는 위상 비교기(phase comparator)를 구비하여 웨이퍼 전면의 상태와 관계없이 공정중에 인-시튜(in-situ), 비접촉식으로 웨이퍼 온도와 아울러 온도의 증, 감소 방향을 측정할 수 있는 웨이퍼 온도 측정장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2적외선 레이저의 광원으로서 상기 웨이퍼 또는 기판으로 사용된 반도체의 에너지 갭보다 작은 에너지에 해당하는 파장을 갖는 적외선을 사용하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 온도 측정장치.
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