KR100303951B1 - 고체표면의 평가방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 고체표면의 상태를 격자진동의 적외광흡수에 의해 평가하는 방법에 있어서, (1) 평면반사경에, 광투과성 고체의 피평가표면을, 적외광의 반사광이 형성하는 간섭영역내에 대향배치하고, 고체측으로부터 적외광을 입사시켜 반사분광하는 것을 특징으로 하는 고체표면의 평가방법, (2) 광투과성 고체의 피평가표면을 평면반사경에 설치한 슬릿(slit)가운데에, 혹은 평면반사경의 표면상에 세워 설치하고, 시료 후방으로부터 적외광을 입사시켜 반사분광하는 것을 특징으로 하는 고체표면의 평가방법, 등 이상 2종류의 방법을 제공한다.

본발명의 방법 및 장치에 의해서, 종래의 ATR법과 같이 고가의 프리즘을 사용하지 않고, 보다 저렴한 장치구성에 의한, 간편하고 정도좋은 고체표면의 반사분광 평가가 가능하게 된다.

Description

고체표면의 평가방법 및 그 장치

제1도는 본발명의 방법과 장치에 관해 시료를 평면반사경과 대향배치한 경우의 구성도.

제2도는 본발명의 방법과 장치에 관해 슬릿 가운데로 시료를 세워 설치한 경우의 구성도.

제3도는 본발명의 방법과 장치에 관해 평면반사경과 시료와의 각도를 변화시킨 경우의 구성도.

제4도는 본발명의 방법과 장치에 관해 슬릿이 없는 평면반사경에 시료를 세워 설치한 경우의 구성도.

제5도는 종래방법의 일예를 나타낸 구성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 광투과성 반도체 2 : 평면반사경

3 : 적외광 4 : 간섭계

5 : 반사경 6 : 편광자

7 : 검출기 8 : 계측용 컴퓨터

9 : 슬릿 11 : 피평가표면

12 : 실리콘기판 13 : 결정프리즘

21 : 반사면

본발명은, 고체표면의 평가방법과 그 장치에 관한 것으로, 상세하게는, 보다 저렴한 장치구성이 가능하고 시료표면에 비접촉으로 간편하며, 또 정도(精度)좋게, 반도체 등의 고체시료의 표면을 평가할 수 있는 새로운 분광(分光)평가방법과 그것을 위한 장치에 관한 것이다.

근년, 전자기술, 화학의 여러 분야에 있어서는, 고체물질표면의 원자, 분자레벨에서의 상태에 대한 관심이 높아지고 있으며, 이 고체표면상태의 해석과 함께, 그 관찰의 평가를 위한 방법도 정력적으로 연구되고 있다.

특히, 반도체분야에 있어서는, 그 미세화(微細化)에 수반해서, 그 표면의 원자, 분자레벨에서의 제어가 필요하게 되고 있다. 그 까닭은, Si웨이퍼 등의 반도체의 청정표면은 물리화학적으로 극히 고활성이어서, 자연산화막이나 유기물 등이 흡착되기 쉽기 때문이다. 이와같은 고활성인 표면에 의한 영향을 배제하여 표면을 불활성화하기 위해서는, 예를 들어 Si표면을 HF처리하여 표면댕글링본드(dangling bond)의 수서터어미네이션(hydrogen termination) 등의 방법이 개발되어 오고 있다.

그러나, 반도체표면의 물성은 복잡성과 다양성을 보유하고 있기 때문에, 보다 고정도인 표면상태 제어를 가능하게 하기 위해서는, 이 표면상태 그 자체를 정확하게 평가하기 위한 측정수단의 발전이 긴요한 것으로 되고 있다. 그래서, 그 평가를 위한 수단에 대해서도 다양한 검토가 진행되어 오고 있지만, 여전히 해결해야 할 과제가 남겨져 있는 것이 실정이기도 하다.

즉, 반도체의 평가에 관해서는, 표면상태에 관계하는 광학천이에 의한 흡수를 이용하는 것, 특히, 표면상태에 의한 흡수는 일반적으로 내부흡수에 비교하여 상당히 약하기 때문에, 투과광에 의한 측정은 측책이 아니므로, 반사분광의 여러가지 방법이 주된 것으로서 채용되고 있다.

종래, 적외분광법은 벌크(bulk) 중의 불순물이나 후막(厚膜)(~㎛)의 막조성의 평가로서 이용되어 왔다. 근년, FT-IR(푸우리에변환 적외분광법)의 출현에 의해서, 적외분광법은, 시료표면의 감도를 높이도록 한 특수한 광학계를 조합시키는 것에 의해, 표면분석법의 하나로서, 반도체표면의 평가에 이용되도록 되어 왔다.

특히 ATR(Attenuated Total Reflection)법은, 반도체 중의 실리콘 자체가 결정 프리즘으로 되기 때문에, 결정프리즘 중의 흡수를 백그라운드(background)로서 취급하는 것에 의해서, 실리콘표면의 상태를 고감도로 평가할 수가 있다. 이 때문에, 예를 들어 1원자층 이하의 최표면층을 측정할 수 있는 것이 보고되어 있다. 또, 예를 들어 제5도에 예시한 바와 같이, 실리코니판(12)에 결정프리즘(13)으로서 게르마늄을 맞붙이고, 결정프리즘(13)의 한쪽의 경사면으로부터 적외광을 입사시켜 전(全)반사광을 분광하는 방법에 의해서, LSI의 제조에 사용하는 실리콘웨이퍼의 표면상태를 평가하는 것이 가능하게 되기도 한다.

그러나, 이 수법에서는 고가의 프리즘을 사용하지 않으면 안되는 것, 측정표면이 프리즘과 접촉하는 것, 프리즘 자체의 흡수로부터 1000㎝^-1이하의 스펙트럼이 얻어질 수 없는 것 등의 문제가 있었다.

또 다른 측정방법으로서 RAS(Reflection Absorption Spectrometry)법이 금속표면의 분석에 이용되고 있지만, 이 수법은 일반적으로 반도체에 관하여 충분한 감도가 얻어지지 않기 때문에, 박막반도체의 베이스에 금속을 사용해서, 그 박막반도체의 표면을 평가하고있다. 이 경우도 측정시료를 특별히 제작하지 않으면 안되어서, 범용성에 문제가 있다.

그래서 본 발명은, 이상의 상황을 감안하여 이루어진 것으로서, 반도체의 표면은 물론이고, 촉매 등의 고체표면의 상태가 결정적인 작용을 미치는 것으로 되는 고체물질에 대해, 고가인 계측용프리즘을 구성할 필요가 없고, 저렴한 장치구성으로 시료표면을 비접촉으로 간편하게 평가할 수 있고, 동시에 여러가지 시료표면상의 정보를 취득할 수 있는 새로운 적외분광법과, 그것을 위한 장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

본 발명은, 상기한 과제를 해결하는 것으로서, 고체표면의 상태를 격자진동의 적외광흡수에 의해 평가하는 방법에 있어서, (1) 평면반사경에, 광투과성 고체의 피평가표면을, 적외광의 반사광이 형성하는 간섭영역내에 대향배치하고, 고체측으로부터 적외광을 입사시켜 반사분광하는 것을 특징으로 하는 고체표면의 평가방법, (2) 광투과성 고체의 피평가표면을 평면반사경에 설치한 슬릿(slit)가운데에, 혹은 평면반사경의 표면상에 세워 설치하고, 시료 후방으로부터 적외광을 입사시켜 반사분광하는 것을 특징으로 하는 고체표면의 평가방법, 등 이상 2종류의 방법을 제공한다.

그리고 또, 본 발명은, 상기한 방법(1)을 실시하기 위한 장치로서, 광원과 입사장치, 평면반사경, 및 반사분광기를 보유하고, 평면반사경에 대해서, 광투과성 고체의 피평가표면을 적외광의 반사광이 형성하는 간섭영역내에 대향배치하여, 고체측으로부터 적외광을 입사시켜 반사분광하는 고체표면의 평가장치, 또 상기한 방법(2)를 실시하기 위한 장치로서, 광원과 입사장치, 평면반사경, 및 반사분광기를 보유하고, 평면반사경에는 피측정시료를 삽입 설치하기 위한 슬릿을 설치하거나 또는 설치하지 않으며, 광투과성 고체로 이루어지는 피측정시료의 피평가표면을, 슬릿 가운데에 비접촉으로, 또는 평면반사경 표면에 세워 설치하는 지지장치를 구비하여, 피측정시료 후방으로부터 적외광을 입사시켜 반사분광하는 고체표면의 평가장치를 각각 제공한다.

본 발명에 있어서는, 전기한 바와 같이, 고체표면의 상태를 격자진동의 적외광 흡수에 의해 평가하는 방법에 있어서, 다음에 나타내는 2종류의 평면반사경을 사용한 전반사분광을 행한다.

(1) 평면반사경에 적외광의 반사광이 형성하는 간섭영역내로 피평가표면을 대향배치하고, 이 고체측으로부터 적외광을 입사시켜 행하는 방법.

(2) 평면반사경에 피측정시료의 두께 이상이고, 또 피측정시료보다 폭이 넓지 않은 슬릿을 설치하고, 이 슬릿 가운데에 피평가표면과 비접촉으로 세워 설치해서, 이 후방으로부터 적외광을 입사시켜 행하는 방법.

이들 2종류의 방법을 행하는 것에 의해서, 시료표면상의 흡착종(種)의 분자진동성분은 그 모든 방향에 대해서 검출이 가능하게 된다. 그리고, 물론, 이들 방법에 의해, 종래의 적외광분광(RAS법이나 ATR법)을 행할 때에 필요하게 된 고가의 프리즘을 특별히 준비하는 것도, 또 이 프리즘을 시료에 접촉시키는 것도 필요가 없고, 또 프리즘 그 자체에 의한 흡수의 문제도 없다.

또, (2)의 방법에 있어서, 평면반사경과 시료의 각도를 변화시키는 것에 의해 시료표면상의 흡착종의 분자진동성분의 각도의존성을 평가할 수가 있다. 또한 검출영역이 한정되어 있기 때문에 시료 혹은 평면반사경을 이동시키는 것에 의해서, 시료표면상의 2차원분포를 측정하는 것도 가능하게 된다.

즉, 본 발명에서는, 보다 저렴한 장치구성이 가능하게 되며, 또한 피평가표면에 비접촉으로, 간편하게 정도좋게 반사분광이 가능하게 된다.

또, 피평가표면상의 흡착종의 분자진동성분은 모든 방향에 대해서 검출이 가능하게 되며, 그리고 분자진동성분의 각도의존성이나 2차원분포도 측정가능하게 된다.

또, 시료가 작은 경우에, (2)의 방법에 있어서는, 슬릿을 설치하고 있지 않은 평면반사경 표면에 시료를 세워 설치하여도 동일한 측정평가가 가능하게 된다.

이 발명의 방법, 및 장치는 반도체 등의 고체표면의 평가, 특히 표면에 결합한 수소, 불소, 질소, 유기물 등의 평가를 가능하게 한다.

[실시예-1]

첨부한 도면의 제1도는, 본 발명의 방법(1)과 그 장치를 위한 주요구성을 예시한 개요도이다.

예를 들어서 이 제1도에 예시한 바와같이, 본 발명에 있어서는, 광투과성 반도체(1)의 피평가표면(11)을, 평면반사경(2)에 대향배치하고 있다. 이때의 시료로서의 광투과성반도체(1)에 대해서는, 일반적인 실리콘, 게르마늄 등의 반도체이어도 좋다. 또, 평면반사경(2)에 대해서도, 일반적인 광학계에서 사용되는 반사경을 사용할 수 있고, 그 반사면(21)에는, 적외광을 강하게 반사하는 알루미늄 등이 바람직하게 사용된다.

광투과성 반도체(1)의 피평가표면(11)은, 평면반사경(2)의 반사면(21)과는 사이를 두고 배치하지만, 그때의 간격은, 사용하는 적외광의 파장 이하를 기준으로 한다. 통상, 적외광의 사용파장은 2~20㎛이기 때문에, 20㎛ 이하이면 좋지만, 보다 감도를 높게 하기 위해서는 간격을 더욱 좁히는 것이 유리하다.

이와같은 배치위치 관계에 있어서, 제1도에 나타낸 바와같이, 시료인 광투과성 반도체(1)의 이면으로부터 RAS법과 동일하게 낮은 입사각으로 적외광(3)을 입사시킨다. 적외광은, 제1도와 같은 광로를 그리게 된다.

여기서 평면반사경(2)에 주목하면, 이 부분에서는, RAS법과 동일하게 p파에 관해서는 전계(電界)가 합성되어서, 표면감도가 증가하고 있다. 이 표면감도의 증가영역은, 대략, 표면으로부터 그 파장정도까지 미치기 때문에, 이 영역에 시료표면을 설치하면, 고감도측정이 가능하게 된다.

평가장치로서는, 일반적은 FT-IR(푸우리에변환 적외분광분석)장치와 마찬가지로, 적외광의 광원 및 간섭계(4), 반사경(5), 편광자(6), 검출기(7), 계측용 컴퓨터(8)를 비롯해서, 또 임의로, 진폭장치, 연산장치 등을 시스템으로 구성하면 좋다. 또, 반도체(1)와 평면반사경(2)을 소정위치에 배치하기 위한 지지장치, 3차 원스테이지(three-dimensional stage) 등을 배치하면 좋다.

실제, 본발명의 방법에 의해서, Si웨이퍼표면의 댕글링본드의 수소터어미네이션에 의한 Si-H흡수로서의 대칭신축진동(2083.7㎝^-1)의 신호를 위시하여, Si-H₂(2107㎝^-1)의 흡수나 산소결합흡수 등도 정도좋게 확인된다.

[실시예-2]

첨부한 도면의 제2도는, 본발명의 방법(2)와 그 장치를 위한 주요구성을 예시한 개요도이다.

예를 들어서, 이 제2도에 예시한 바와같이, 본발명에 있어서는, 광투과성 반도체로 이루어지는 시료(1)의 피평가표면을 슬릿(9)을 설치한 평면반사경(2)의 슬릿(9) 가운데에 세워 설치한다.

평면반사경(2)은 일반적인 광학계에서 사용되고 있는 거울이면 좋은데, 반사면은 적외광을 강하게 반사하는 알루미늄이나 금 등으로 하는 것이 바람직하다. 또, 평면반사경(2)의 슬릿(9)의 폭은 측정시료의 두께 이상이면 좋지만, 지나치게 넓으면 검출감도가 저하된다. 이와같은 배치위치 관계에 있어서, 제2도에 예시한 바와같이, 시료(1)의 후방으로부터 RAS법과 마찬가지로 낮은 입사각으로 적외광을 입사시킨다. 이때, 평면반사경(2)의 슬릿(9)부분이 입사광의 중심으로 되도록 조절하는 것이 바람직하다. 적외광은 제2도에 도시한 광로를 그리며, 슬릿(9) 부근에서 입사파와 반사파가 합성되어서, 그 영역의 감도가 증가한다. 이때 합성된 벡터는 시료표면과 평행하게 되어 있다. 그 결과, 이 영역내에 있는 분자진동을 고감도로 검출할 수 있다.

또 제3도에 예시한 바와같이 평면반사경(2)과 시료(1)의 각도를 변화시키는 것에 의해서, 시료(1) 표면상의 흡착종의 분자진동성분의 각도의존성을 평가할 수 있다. 또, 검출영역이 한정되어 있기 때문에, 시료(1) 혹은 평면반사경(2)을 이동시키는 것에 의해서, 시료표면상의 2차원분포도 측정할 수 있다.

평가장치로서는, 실시예-1과 마찬가지로, 적외광의 광원 및 간섭계, 반사경, 편광자, 검출기, 계측용 컴퓨터를 위시하여, 또 임의로 증폭장치, 연산장치 등을 시스템으로 구성하면 좋다. 또, 시료(1)와 평면반사경(2)을 소정위치에 배치하기 위한 지지장치, 3차원스테이지 등을 배치하면 좋다.

그리고, 슬릿(9)이 설치되어 있는 평면반사경(2)은 2매 이상의 평면반사경에 의해 구성할 수도 있다.

또, 실리콘웨이퍼 등에 비해 측정시료가 작은 경우, 제4도와 같이 슬릿이 없는 평면반사경 상에 시료를 설치하여도 좋다.

본발명에 의해, 이상 상세히 설명한 바와같이, 보다 저렴한 장치구성에 의해서, 간편하게 정도좋은 반사분광이 여러가지 시표표면의 정보에 대해 가능하게 된다.

Claims (11)

1. 고체표면의 상태를 격자진동의 적외광흡수에 의해 평가하는 방법에 있어서, 평면반사경(2)에 광투과성 고체(1)의 피평가표면(11)을 적외광(3)의 반사광이 형성하는 간섭영역내에 대향배치하고, 고체이면으로부터 적외광을 입사시켜 반사분광하는 것을 특징으로 하는 고체표면의 평가방법.
2. 고체표면의 상태를 격자진동의 적외광흡수에 의해 평가하는 방법에 있어서, 평면반사경(2)에 설치한 슬릿(9) 가운데에, 혹은 평면반사경의 표면상에 광투과성 고체(1)의 피평가표면(11)을 세워 설치하고, 피측정고체 후방으로부터 적외광을 입사시켜 반사분광하는 것을 특징으로 하는 고체표면의 평가방법.
3. 제1항에 있어서, 적외광을 낮은 입사각으로 입사시키는 것을 특징으로 하는 고체표면의 평가방법.
4. 제2항에 있어서, 적외광을 평면반사경(2)의 슬릿(9)부가 중심으로 낮도록 낮은 입사각으로 입사시키는 것을 특징으로 하는 고체표면의 평가방법.
5. 고체표면의 상태를 격자진동의 적외광흡수에 의해 평가하기 위한 분광 평가장치에 있어서, 이 장치, 광원과 입사장치, 평면반사경(2) 및 반사광분광기를 보유하고, 평면반사경에는, 적외광의 반사광이 형성하는 간섭영역내로 광투과성 고체(1)의 피평가표면을 대향배치하기 위한 지지장치를 구비하여, 고체이면으로부터 적외광을 입사시켜 반사분광하는 것을 특징으로 하는 고체표면의 평가장치.
6. 고체표면의 상태를 격자진동의 적외광흡수에 의해 평가하기 위한 분광 평가장치에 있어서, 이 장치, 광원과 입사장치, 평면반사경(2) 및 반사광분광기를 보유하고, 평면반사경에는, 피측정시료를 삽입 배치하기 위한 슬릿(9)을 설치하며, 광투과성고체(1)로 이루어지는 피측정시료를 이 슬릿 가운데에 비접촉으로 세워 설치하는 지지장치를 구비해서, 피측정고체 후방으로부터 적외광을 입사시켜 반사분광하는 것을 특징으로 하는 고체표면의 평가장치.
7. 제6항에 있어서, 평면반사경(2)에는 슬릿(9)이 설치되어 있지 않고, 광투과성 고체(1)로 이루어지는 피측정시료를 평면반사경에 세워 설치하기 위한 지지장치를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 고체표면의 평가장치.
8. 제1항 또는 제3항에 있어서, 전기한 고체표면이 반도체표면으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체표면의 평가방법.
9. 제2항에 있어서, 전기한 고체표면이 반도체표면으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체표면의 평가방법.
10. 제5항에 있어서, 전기한 고체표면이 반도체표면으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체표면의 평가장치.
11. 제6항 또는 제7항에 있어서, 전기한 고체표면이 반도체표면으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체표면의 평가장치.