KR100226002B1 - 에칭율을 모니터링하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 에칭 챔버내에서 창을 통해 웨이퍼 표면에 정상 입사 광원을 포함하는 반도체 웨이퍼 에칭처리용 에칭율 모니터에 관한 것이다. 제1실시예에서 프레넬 또는 양 렌즈는 창으로부터 나타나는 웨이퍼 표면상의 반복 패턴에 의해 생기는 다소의 회절배열을 모으는데 사용된다. 선택적인 실시예에서 구형 오목 거울 및/또는 광검출기 시스템은 회절배열이 모이게 하도록 사용된다. 조준렌즈는 에칭된 웨이퍼면과 에칭되지 않은 웨이퍼면 사이의 경로 길이차로 생기는 간섭의 최대치들 또는 최소치들 사이에 사이클시간 작용으로 에칭율을 모니터하기 위해 플라즈마와 주변광을 거절하고 회절배열이 광검출기를 통과하도록 하는, 정상회절 입사배열을 간섭필터에 가한다.

Description

에칭율을 모니터링하기 위한 방법 및 장치
제1도는 에칭 챔버의 일부 및 회절 차수를 모으기 위해 렌즈 시스템이 사용되는 본 발명에 따른 에칭율 모니터를 도시한 도면.
제2도는 제1도에 도시한 반도체 웨이퍼의 에칭될 일부를 도시한 도면.
제3도는 회절 차수를 모으기 위해 오목 거울이 사용되는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 도면.
제4도는 회절 차수를 모으기 위해 광검출기가 직접 사용되는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 에칭 챔버 12 : 반도체 웨이퍼 기판
13 : 다이 14 : 실리콘 결정 베이스
16 : 이산화 실리콘층 18 : 레지스트 패턴
30 : 조준 입사 광빔 32 : 광학 광원부
34 : 반사 경로 35 : 에칭된 표면
36 : 집광부 37 : 빔 균질기
38 : 검출기 39 : 조준 렌즈
40 : 간섭 필터 42 : 조준 렌즈
본 발명은 에칭 챔버내에서 처리되는 동안 반도체 웨이퍼 기판 또는 다른 웨이퍼의 에칭율을 모니터링하는 기술에 관한 것이다. 반도체 웨이퍼 기판을 처리하는 동안 에칭율의 모니터링에 대한 종래의 방법에서는, 윈도우를 통해 에칭 챔버 안으로 웨이퍼 기판상에 반복 패턴을 형성하고, 반복 형상으로부터 회절 패턴의 변화를 모니터링하기 위해 광검출기를 사용한다. 이러한 종래의 장치는 패턴에 많이 의존하므로 그 설치나 유지 및 사용이 비교적 복잡하다. 이러한 장치는 정렬에 매우 민감하고 작은 형상 안으로 만족스럽게 깊게 침투하지 못하며, 극소수의 회절 차수만이 모아져서 처리하기 때문에 신호 대 잡음비가 불량하다.
상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점은, 정상 조준 입사 광빔을 에칭 챔버의 마스크 웨이퍼 기판 표면에 인가하는 수단, 회절된 광빔을 모으는 수단, 및 모아진 광빔의 시변 세기(time varing intensity)에 따른 챔버의 에칭율을 모니터링하는 수단을 포함하는 웨이퍼 처리용 에칭율 모니터를 제공하는 본 발명에 의해서 해결된다.
본 발명의 다른 특징은 정상 조준 입사 광빔을 처리할 마스크 웨이퍼 기판 표면에 인가하고, 회절된 광빔을 모으고, 모아진 광빔의 시변 세기에 따라 에칭율을 모니터링함으로써, 웨이퍼 처리동안에 에칭율을 모니터링하는 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 이러한 특징 및 장점 그리고 그밖의 다른 특징 및 장점들은 다음의 설명과 첨부도면으로부터 더 명백해질 것이다. 도면의 설명에 있어서, 동일한 부호는 동일한 부분을 나타낸다.
제1도는 반도체 웨이퍼 기판(12)을 포함한 에칭 챔버(10)의 일부를 도시한 도면이다. 레지스트, 마스크 또는 레지스트-마스크에 의해 여러 재료를 에칭 또는 보호하는 에칭 처리에는 여러 가지가 있지만, 다음의 설명은 본 발명을 설명하는 통상적인 한 실시예의 역할을 한다.
반도체 웨이퍼 기판(12)은 실리콘 결정 베이스(14)로 형성되며, 이 실리콘 결정 베이스 위에는 에칭 챔버(10)내에서 처리하는 동안에 에칭될 이산화 실리콘층(16)과 같은 재료층이 성장한다. 이산화 실리콘층(16)과 같은 에칭될 층 위에는 레지스트 패턴(18)과 같은 에칭 저항성 재료 패턴이 적정한 반복 마스크 패턴으로 형성된다. 마스크 패턴의 반복은 후처리에서 다이(13)와 같은 개별 반도체 다이로 분리될 반도체 웨이퍼 기판(12) 부분을 나타낸다. 에칭 챔버(10)의 동작중에 레지스트 패턴(18)에 의해 보호받지 않는 부분(20,22,24)과 같은 이산화 실리콘(16)부분을 에칭 및 제거하기 위해 에칭 처리가 사용된다. 이 시스템은 또한 단결정 및 오목 다결정 실리콘 처리를 포함한 다른 웨이퍼 처리의 에칭율을 모니터링하는데 사용된다.
에칭 처리중 중요한 점은 에칭 깊이이다. 비록 제거될 적정한 재료의 양을 정확히 제거하기 위해 필요한 전체 에칭 깊이를 미리 결정하기 위한 시도에 큰 주의와 계획이 있었겠지만, 적당히 에칭된 웨이퍼 기판의 우수한 수율을 제공하도록 처리될 웨이퍼 기판에 대하여 적당한 시간에 에칭 처리를 멈추기 위해 에칭 깊이를 실제로 모니터링하는 것이 여전히 중요하다.
에칭 챔버(10)는 윈도우(26)를 포함하며, 이 윈도우를 통해 에칭 처리를 볼수 있다. 본 발명에 의하면, 광원(28)은 직경 d입사이 다이(13)의 최대 치수보다 바람직하게 조금 더 큰 조준 입사 광빔(30)을 제공한다. 예를 들면, 만일 다이(13)가 직사각형이면, d입사는 윈도우(26)로부터 나오는 회절차수의 집합에 간섭되지 않도록 다이(13)의 대각선 치수보다 조금 더 커야 한다.
즉, d입사가 증가함에 따라, d입사가 통과하해야 되는 집광부(36)를 통한 개구부(도시하지 않음)도 증가되어야 한다. 이것은 집광부(36)의 유효 영역과 집광부에 의해 모아진 회절 차수를 감소시킨다.
광원(28) 및 이에 관련된 광학 광원부(32)가 에칭 챔버(10)에 대해 설치되어서 조준 입사 광빔(30)이 상기힌 집광부(36)의 개구부를 통과하여 반도체 웨이퍼 기판의 표면에 수직하게 입사한다. 조준 입사 광빔(30)은 회절 차수의 집합을 최소화하기 위해 광빔(30) 주위 근방에 있는 윈도우(26)에 입사된다.
광학광원부(32)는 편리한 광학 레이저일 수 있는 광원(28)과 가변 초점 길이 조준렌즈(39) 사이에 위치한 가압 섬유 빔 균질기(37)를 포함하여 조준 입사 광빔(30)이 가능한 한 균일하게 되도록 한다. 조준 입사 광빔(30)의 직경은 가압 섬유 빔 균질기(37)에 대해 가변 초점길이 조준 렌즈(39)를 이동시킴으로써 조정될 수 있다.
반복 레지스트 패턴(18)은 회절 격자로서 역할을 하여 조준 입사 광빔(30)의 결과로서 다수의 회절 차수를 반사한다. 다수의 회절 차수는 윈도우(26)로부터 나타나다. 이러한 다수의 회절 차수는 제2도를 참조하여 기술될 반사 경로(34)를 따라 윈도우(26)를 통해 집광부(36)로 방사된다. 반도체 웨이퍼 기판(12)은 회절 차수들의 적어도 1/4이 윈도우(26)로부터 방사되도록 가능한 한 윈도우(26) 가까이에 배치되어야 한다.
집광부는(36)는 가능한 한 많은 회절 차수들을 모으기 위하여 프레넬 렌즈 또는 포지티브 렌즈(도시하지 않음)와 같은 큰 직경의 단초점 길이 렌즈이다. 포지티브 렌즈는 광을 산란시키는 구성을 가진 프레넬 렌즈보다 검출기(38)에 더 우수한 질의 회절광을 제공한다. 하지만, 포지티브 렌즈는 매우 두꺼워야 하므로 무겁고 장애가 된다. 또한, 렌즈가 너무 두꺼우면 흡수된 광을 부분적으로 엷게 만든다. 프레넬 렌즈가 더 가늘고 가공하기 쉽지만, 얻어지는 광 중에 산란하는 광이 있으므로 어느 적용에도 바람직하지 못하다. 이러한 문제를 줄이는 선택적인 실시예가 제3 및 4도에 도시되어 있다.
집광부(36)는 조준 입사 광빔(30)이 차단되지 않고 반도체 웨이퍼 기판에 이르도록 하는 구멍 또는 다른 개구부를 포함하고 있다. 집광부(36)는 반사 경로를 따라 나타나는 회절 차수를 집광부(36)의 광학축을 따라 배치된 검출기(38)에 다시 지향시키는 역할을 한다. 검출기(38)는 종래 광 검출장치일 수 있고 에칭 챔버(10)내에서 에칭율을 모니터링 하기 위한 전자 시스템(도시하지 않음)으로 사용된다.
동작중에 레지스트 패턴(18)에 의해 회절된 광의 모아진 부분의 세기를 모니터링함으로써 에칭율 R을 결정할 수 있다. 이 세기는 에칭 깊이의 함수로서 패턴을 반복함으로써 변한다. 제2도를 참조하여 후술되는 바와같이, 광의 세기는 형상 깊이 d인 에칭 깊이를 매번 최대에서 최소로 변화시키고 입사광의 1/2 파장으로 증가한다.
제2도를 참조하면, 조준 입사 광빔(30)은 레지스트 패턴(18)에 수직하게 입사된다. 에칭 처리에 의해, 이산화 실리콘층(16)의 에칭된 면(35)은 레지스트 패턴(18)의 표면 아래로 더욱 더 깊이 에칭된다. 따라서, 에칭은 광선(33)으로 표시된, 광원(28)으로부터 에칭된 면(35) 까지의 경로 길이를 증가시킨다. 패턴(18)으로의 광원(28)의 경로 길이는 광선(31)으로 나타내어지고 에칭 처리후에도 변하지 않을 것이다. 따라서, 광선(33)의 길이는 형상깊이 d만큼 광선(31)의 길이를 초과할 것이다.
광선(31)과 (33) 사이의 경로 길이 차가 조준 입사 광빔(30)의 1/2 파장의 홀수배일 때, 이 광선들은 서로 180˚의 위상차로 검출기에 이르러 상쇄 간섭을 일으킨다. 상쇄 간섭은 검출기(38)로 모니터링할 때 검출할 수 있는 세기를 감소시킨다. 광선(31)과 (33) 사이의 경로 길이차가 조준 입사광빔(30)의 1/2 파장의 짝수배일 때, 이 광선들은 정확히 서로 동상으로 검출기(38)에 이르러 보강 간섭을 일으킨다. 보강 간섭은 검출기(38)로 모니터링할 때 상쇄 간섭보다 더 큰 검출가능한 광의 세기를 생기게 한다.
따라서, 검출기(38)로 모니터링된 세기는 형상 깊이 d가 입사광 λ의 1/2 파장과 같은 에칭 깊이 Δd=λ/2만큼 변화할 때마다 보강 및 상쇄 간섭으로부터 최대치 및 최소치를 나타낸다.
에칭율 R은 시간 함수로서 형상 깊이 d의 변화율이고 검출기(38)에 의해 결정된 바와 같이 광 세기 최대치 또는 최소치의 발생 사이의 시간인 주기 T를 모니터링함으로써 결정될 수 있다. 각 주기 T는 조준 입사 광빔(30)의 1/2 파장과 같은 깊이 변화를 나타낸다. 예를 들면, 광 세기 최소치사이의 주기 T를 모니터링 하는 것이 편리할 수 있다. 에칭율 R은 주기 T와 조준 입사 광빔(30)의 파장으로부터 결정할 수 있다. 즉, R=Δd/T=λ/2T이다.
검출기에 의해 결정된 에칭율 모니터링 정보의 정확도의 향상은 소음을 증가시키고 모니터링의 정확도를 감소시키는 플라즈마광, 주변광 및 다른 광원을 수용하지 않도록 집광부(36)와 검출기(38) 사이에 간섭 필터(40)를 포함함으로써 달성될 수 있다. 간섭 필터(40)는 광빔이 수직하게 입사하는 것을 필요로한다. 이 목적을 위해 조준 렌즈(42)가 집광부(36)와 간섭 필터(40) 사이에 놓여진다. 조준 렌즈는 음초점을 갖는 평면 오목 렌즈일 수 있다.
이외에도, 최소 파장의 광이 형상 깊이에서의 가능한 최소변화를 가장 용이하게 모니터링하는데 사용될 수 있도록 광원(28)을 선택하는 것이 바람직하다.
제3도는 구형 오목 거울(44)과 같은 광학 반사 시스템이 반도체 웨이퍼 기판(12)으로부터의 회절광을 조준 렌즈(42), 간섭 필터(40) 및 검출기(38)로 수렴하도록 하기 위해 집광부(36) 대신에 사용된, 본 발명에 따른 에칭율 모니터를 냐타낸다. 오목 거울(44)은 광학광원부(32)로부터 윈도우(26)를 통해 반도체 웨이퍼 기판(12)으로의 조준 입사 광빔(30)의 경로가 차단되지 않도록 하는 개구부(도시하지 않음)에 의해 제공된다. 구형 오목 거울(44)은 제1도에 도시된 바와 같이 집광부(36)로 사용된 포지티브 렌즈와 동일한 품질의 집광과 동일한 환경하에서의 프레넬 렌즈보다 더 우수한 품질의 집광을 제공한다.
또한, 오목 거울(44)은 매우 두꺼운 포지티브 렌즈와 관련된 손실 및 감소가 없으며 중량도 없다. 오목 거울(44)이 회절 차수를 반사에 의해 조준 렌즈(42), 간섭 필터(40) 및 검출기(38)로 다시 지향시키기 때문에, 이 장치들은 에칭 챔버(10)에 더 가까이 배치되어 더욱 콤팩트하고 밀봉가능하도록 한다.
제4도는 반도체 웨이퍼 기판(12)으로부터 회절된 광을 모아 검출하기 위해 제1도의 집광부 또는 제3도의 오목 거울 대신에 광 검출기(46)가 사용된, 본 발명에 따른 에칭율 모니터의 또 다른 실시예를 나타낸 도면이다. 간섭 필터(40)는 광 검출기(46)와 윈도우(26) 사이에 편리하게 배치될 수 있다.
광 검출기(46) 및/또는 에칭 챔버에 대한 열 전달 요건은 간섭 필터(40)의 반대측에 있는 광 검출기(46)의 표면상에 열 교환기(48)을 위치시킴으로써 편리하게 처리될 수 있다. 열 교환기(48)는 광 검출기(46)의 일관된 성능을 보장하는 유체 냉각식 열 교환기일 수 있으며 냉각제 유입 포트(50) 및 유출 포트(52)가 제공될 수 있다.
광 검출기(46) 및 열 교환기(48)는 광학광원부(32)로부터 윈도우(26)를 통해 반도체 웨이퍼 기판(12)으로의 조준 입사 광빔(30)의 경로가 차단되지 않도록 하는 개구부(도시하지 않음)에 의해 제공되어야 한다. 간섭 필터(40)는 조준 입사 광빔(30)의 파장을 가진 광의 통과를 허용하고 이와 다른 파장의 광은 통과되지 않도록 하여 조준 입사 광빔(30)의 경로를 위한 간섭 필터(40)내에 개구부가 필요하지 않게 된다.
광 검출기(46)는 그 적용에 따라 단일 광 검출기 또는 이러한 검출기들의 어레이일 수 있다. 제2도의 오목 거울(44) 또는 제1도의 집광부(36)에 대한 광 검출기(46)의 장점은 단순하고 컴팩트하며 편리하다는 것이다. 광 검출기(46)의 회절 차수 집합 능력을 향상시키기 위해, 광 검출기(46)가 축(47)과 같은 축 주위로 소정의 각도로 회전되도록 장착하여, 회절 차수가 광 검출기(46)의 표면에 더 수직하게 검출될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명은 실시예를 참조하여 설명되었지만 이것에 제한되는 것은 아니다. 이러한 범위는 청구범위에 의해 규정되는 한에 있어서 단지 제한되며 모든 유사한 내용을 포함한다.

Claims (19)

  1. 에칭 챔버내에서 에칭될 웨이퍼 기판의 에칭율을 모니터링하는 에칭율 모니터에 있어서, 상기 에칭 챔버내의 광 투과 윈도우; 조준된 광빔을 상기 윈도우를 통해 에칭될 기판의 표면에 수직한 입사각으로 상기 기판에 인가하는 수단; 상기 조준된 광빔의 경로에 비스듬히 상기 윈도우를 통해 반사된 시변 세기의 복수의 회절 차수를 갖는 광을 모으는 수단; 상기 반사된 광을 위한 광검출기; 및 상기 광검출기에 결합되어 있으며, 상기 챔버내에서의 에칭율을 모니터링하기 위해 모아진 광의 시변 세기에 대해서 응답하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 에칭율 모니터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광을 모으는 수단은 상기 기판 표면으로부터 회절된 광을 상기 광검출기 수단쪽으로 지향시키는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에칭율 모니터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 광을 지향시키는 수단은 투과 렌즈 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 에칭율 모니터.
  4. 제2항에 있어서, 상기 광을 지향시키는 수단은 굴곡된 거울수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 에칭율 모니터.
  5. 제1항에 있어서, 상기 광을 모으는 수단은 상기 광검출기 수단과 결합된 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에칭율 모니터.
  6. 제2항에 있어서, 상기 광을 모으는 수단은 간섭 필터, 및 상기 광을 지향시키는 수단으로부터 간섭 필터로 광을 인가시키기 위한 조준 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에칭율 모니터.
  7. 제1항에 있어서, 상기 광검출기에 결합된 수단은 세기의 최소치들 사이의 사이클 주기를 결정하는 것을 특징으로 하는 에칭율 모니터.
  8. 제1항에 있어서, 상기 광검출기 수단에 결합된 수단은 세기의 최대치들 사이의 사이클 주기를 결정하는 것을 특징으로 하는 에칭율 모니터.
  9. 제1항에 있어서, 상기 광검출기 수단에 결합된 수단은 수직 입사하는 조준된 광빔의 파장과 회절된 광의 간섭 패턴 사이의 사이클 주기의 함수로서 에칭율을 결정하는 것을 특징으로 하는 에칭율 모니터.
  10. 반도체 기판 처리 동안 에칭율을 모니터링하는 방법에 있어서, 에칭 챔버내에 제공된 광 투과 위도우를 통해 수직하게 입사하는 조준된 광빔을 처리될 기판의 표면에 인가하는 단계; 상기 윈도우를 통해 회절된 시변 세기의 복수의 회절 차수를 갖는 광을 모으고, 회절된 광의 세기를 검출하는 단계; 및 챔버에서의 에칭율을 모니터링하기 위해 회절된 광의 세기의 변화를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 회절된 광을 모으는 단계는 광의 세기를 검출하기 전에 상기 회절된 광을 집중시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 회절된 광을 집중시키는 단계는 투과 렌즈를 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 회절된 광을 집중시키는 단계는 반사 광학 시스템을 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제10항에 있어서, 상기 회절된 광을 집중시키는 단계는 광검출기를 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 회절된 광을 집중시키는 단계는 상기 광검출기에 열교환기를 결합시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제11항에 있어서, 상기 회절된 광을 집중시키는 단계는, 조준된 회절광을 생성하기 위하여 상기 회절된 광을 조준시키는 단계, 및 상기 조준된 회절광을 간섭 필터에 인가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제10항에 있어서, 상기 광 세기의 변화를 검출하는 단계는 세기의 최소치들 사이의 사이클 주기를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제10항에 있어서, 상기 광 세기의 변화를 검출하는 단계는 세기의 최대치들 사이의 사이클 주기를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제10항에 있어서, 상기 광 세기의 변화를 검출하는 단계는 수직 입사하는 조준된 광의 파장과 회절된 광의 간섭 패턴들 사이의 사이클 주기의 함수로서 에칭율을 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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