KR100396216B1 - 급속 열처리 장치 내의 웨이퍼 온도 측정방법 - Google Patents

급속 열처리 장치 내의 웨이퍼 온도 측정방법 Download PDF

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Abstract

급속 열처리 장치 내에서의 웨이퍼의 온도를 측정하는 방법에 대해 개시한다. 본 발명의 방법은, RTP 장치에서 웨이퍼의 온도를 측정하고자 하는 모든 지점에 대해 "방사율을 직접 측정하여 보정하는 파이로미터"와 방사율을 보정할 수 없는 파이로미터를 혼용하며, "방사율을 직접 측정하여 보정하는 파이로미터"에서 얻은 측정값이 방사율을 보정할 수 없는 파이로미터의 측정값에 대한 보정값으로 작용하는 것을 가장 큰 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 웨이퍼 상의 여러 지점에 대한 온도 측정 및 이를 기반으로 한 균일한 온도제어를 효율적으로 행할 수 있다.

Description

급속 열처리 장치 내의 웨이퍼 온도 측정방법 {Method for measuring temperature of a wafer in a rapid thermal processing apparatus}
본 발명은 온도 측정방법에 관한 것으로, 특히 반도체 소자 등의 제조에 사용되는 급속 열처리 장치 내에 놓인 웨이퍼의 온도를 측정하는 방법에 관한 것이다.
고성능 반도체 소자의 제작과 단위시간당 확보할 수 있는 소자의 수율향상, 그리고 공정의 지속적인 재현성은 반도체 공정이 이루어지는 모든 장비에서 공통적으로 요구되는 사항으로서, 웨이퍼의 가열이 필요한 공정의 경우 웨이퍼에 대한 균일한 열처리가 가능한 경우에만 실현될 수 있다.
웨이퍼를 열처리하는 장비의 일 예로 급속 열처리(RTP) 장치를 들 수 있는데, 이 RTP 장치는 고속 열처리(Rapid Thermal Annealing), 고속 열세정(Rapid Thermal Cleaning), 고속 열화학증착(Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition), 고속 열산화(Rapid Thermal Oxidation), 고속 열질화(Rapid Thermal Nitridation) 공정 등을 수행하는 데 사용된다. RTP 장치에서는 웨이퍼의 승온 및 강온이 매우 짧은 시간 내에 넓은 온도범위에서 이루어지므로 웨이퍼 전체가 균일한 온도를 유지하기 위해서는 정밀한 온도제어가 필수적으로 요구된다.
RTP 장치에서의 웨이퍼 온도측정은 주로 파이로미터(pyrometer)에 의해 이루어지는데, 파이로미터는 웨이퍼가 나타내는 온도에서 방사한 복사에너지(I)와, 방사율(ε)을 측정하여 다음 수학식 1로부터 웨이퍼의 온도를 알아내게 해준다.
여기서, C1과 C2는 정해진 상수들, n은 굴절률, λ는 복사파의 파장을 각각 나타낸다. 일반적으로 웨이퍼의 방사율은 웨이퍼의 종류, 온도 및 표면 조건에 따라 달라지므로 실시간으로 측정하여 보정하여야 정확한 온도측정을 할 수 있다.
기존의 파이로미터를 이용하여 웨이퍼의 온도를 측정하는 RTP 장치의 개략도를 도 1 및 도 2에 나타내었다.
도 1은 RTP 장치에서 파이로미터를 이용하여 웨이퍼의 온도를 측정하는 종래기술의 일 예를 나타내는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 챔버(110)로 둘러싸인 RTP 장치(100)의 상부에 다수의 램프(120)가 위치하여 웨이퍼 지지대(130)에 놓인 웨이퍼(140)의 상면을 가열한다. 웨이퍼(140)의 뒷면에서 방사되는 복사에너지는 다수의 파이로미터(160)에 의해 감지되는데, 웨이퍼(140)의 방사율()을 보정하기 위해 반사율()이 우수한 반사판(150)을 웨이퍼(140)의 뒷면과 마주 보도록 한다. 따라서, 웨이퍼(140)가 방사하는 복사에너지가 반사판(150)으로부터 도면의 화살표와 같이 다중반사되어 증폭된 후 파이로미터(160)의 측정부에 도달하게 된다. 이와 같은 방법으로 파이로미터(160)에 도달하는 에너지가 흑체인 웨이퍼가 방사하는 에너지에 근사하도록 할 수 있다. 즉 반사판(150)을 사용하여 웨이퍼(140)가 방사하는 복사 에너지가 흑체인 웨이퍼가 방사하는 복사 에너지로 근사될 때까지 증가시켜 방사율을 고정시켰다. 이 경우 파이로미터(160)가 측정하는 복사에너지와 아래의 수학식 2에서 구하여진 흑체의 방사율인 1을 적용하면 플랑크 함수로부터 온도를 구할 수 있다.
이러한 방법은 웨이퍼의 온도가 전체적으로 균일할 경우에만 정확한 온도를 제공하며, 웨이퍼의 한 지점의 온도를 측정하기 위해 실제로는 2개 이상의 파이로미터가 필요하다. 또한, 방사율을 보정할 수 없는 파이로미터를 사용하므로 방사율을 별도로 구하여야 하는 불편함이 있다.
도 2는 급속 열처리장치에서 파이로미터를 이용하여 웨이퍼의 온도를 측정하는 종래기술의 다른 예를 나타내는 단면도로서, 특히 리플기술(ripple technique)을 사용하여 방사율을 보정함으로써 온도를 측정하는 방식을 채택한 것이다. 리플기술은, 교류전원을 사용하는 램프가 방출하는 복사에너지에는 교류전원의 주파수와 같은 주기를 갖는 섭동성분이 존재하는 현상을 이용한다. 즉, 램프가 방출하는 복사에너지의 섭동성분의 크기와 웨이퍼가 반사 및 방사하는 복사에너지의 섭동성분의 크기가 웨이퍼의 반사율과 관련하므로 이를 측정하여 다음식과 같이 웨이퍼의 방사율을 구한다.
여기서,는 웨이퍼의 방사율,는 웨이퍼의 반사율이다.
따라서, 램프가 방사하는 복사에너지를 제1 파이로미터(160b)에 의해 측정하고 웨이퍼(140)가 방사하고 반사하는 복사에너지는 제2 파이로미터(160a)에 의해 측정하여 웨이퍼(140)의 반사율을 측정하여 방사율을 구한다.
그러나 이와 같은 리플기술은 램프의 출력이 균일하지 않을 경우에 복사에너지가 측정되는 램프와 반사에너지가 측정되는 웨이퍼의 측정지점과의 관계가 주어져야 하는데 이의 적용이 매우 복잡하다.
도 1 및 도 2에 도시된 장치에서는, 파이로미터 자체에서는 방사율을 보정할 수 없는 파이로미터를 사용하여 방사율을 별도로 구하였기 때문에 그 과정이 복잡하였다. "방사율을 직접 측정하여 보정하는 파이로미터"는 자체적으로 보유한 기준광원을 이용하여 측정한 웨이퍼의 반사율로부터 방사율을 실시간으로 구할 수 있는 것으로서 웨이퍼가 방사한 복사에너지로부터 온도를 측정할 수 있다. 따라서, 이러한 파이로미터를 채용하면, 도 1 및 도 2에 도시된 장치에서 사용하는 방법과 달리 방사율을 구하기 위한 별도의 기술이 불필요하므로 적용이 상당히 간편하다. 그러나, "방사율을 직접 측정하여 보정하는 파이로미터"는 방사율을 보정할 수 없는 파이로미터에 비해 구조가 복잡하고 부피가 크다. 또한, 가격이 상당히 고가이기 때문에 여러 개를 설치할 경우에는 많는 제약조건이 뒤따른다. RTP 장치에서는 웨이퍼 전체의 균일한 온도를 유지하기 위하여, 웨이퍼의 여러 지점에서 온도를 측정하고 열원에서 웨이퍼에 가하는 국소적인 에너지를 변화시켜 웨이퍼의 온도가 균일하게 되도록 제어한다. 측정하는 지점이 증가할수록 사용하는 파이로미터의 수가 증가하므로 이러한 경우에는 방사율을 보정할 수 없는 파이로미터를 다수 이용하면서 방사율을 보정할 수 있는 파이로미터를 효율적으로 사용하는 것이 요구된다.
따라서, 본 발명의 기술적 과제는, RTP 장치 내의 웨이퍼의 온도를 정확하게 측정할 수 있는 온도 측정방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 기술적 과제는, 온도측정용 파이로미터를 적정한 개수로 사용하여 저렴한 비용으로 RTP 장치 내의 웨이퍼의 온도를 측정할 수 있는 온도 측정방법을 제공하는 것이다.
도 1은 급속 열처리장치에서 파이로미터를 이용하여 웨이퍼의 온도를 측정하는 종래기술의 일 예를 나타내는 단면도;
도 2는 급속 열처리장치에서 파이로미터를 이용하여 웨이퍼의 온도를 측정하는 종래기술의 다른 예를 나타내는 단면도; 및
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 온도 측정방법을 설명하기 위한 도면이다.
* 도면 중의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
100 : 급속 열처리 장치
110 : 챔버
120 : 램프
130 : 웨이퍼 지지대
140 : 웨이퍼
150 : 반사판
160, 160a, 160b : 파이로미터
Ⅰ∼ Ⅴ : 웨이퍼 상의 온도 측정점들
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명의 온도 측정방법은:
(a) 급속 열처리 장치의 챔버 내에 웨이퍼를 위치시키는 단계와;
(b) 상기 웨이퍼에 대해 다수의 측정지점들을 선정하고, 적어도 한 지점 이상에는 방사율을 직접 측정하여 보정할 수 있는 파이로미터를, 그 이외의 지점에는 방사율을 보정할 수 없는 파이로미터를 각각 근접시키는 단계와;
(c) 상기 방사율 보정가능 파이로미터가 근접된 측정지점에 대해 상기 방사율 보정가능 파이로미터를 이용하여 온도 및 방사율을 측정하는 단계와;
(d) 상기 방사율을 보정할 수 없는 파이로미터가 근접된 측정지점에 대해 상기 방사율을 보정할 수 없는 파이로미터를 이용하여 온도를 측정하는 단계와;
(e) 상기 (c) 단계에서 얻은 온도 및 방사율 측정값을 상기 (d) 단계에서 얻은 온도 측정값에 대한 보정값으로 제공하여 보정함으로써 상기 웨이퍼의 전체 측정지점에 대한 온도 측정값을 구하는 단계;
를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 온도 측정방법을 설명하기 위한 도면으로서, RTP 장치의 상부덮개를 제거하여 웨이퍼(140)를 노출시킨 상태를 나타낸 평면도이다. 도 3을 참조하면, RTP 장치의 챔버(110) 내에 놓인 웨이퍼(140)의 5군데인 Ⅰ∼ Ⅴ지점에서 온도가 측정됨을 알 수 있다. 방사율을 측정하여 보정할 수 있는 파이로미터는 Ⅰ∼ Ⅴ 지점의 임의의 한 지점에 위치할 수 있는데, 도 3에서는 측정지점 Ⅴ에 위치하고 나머지 Ⅰ∼ Ⅳ 지점에는 방사율을 보정할 수 없는 파이로미터가 위치한다. 측정지점 Ⅰ∼ Ⅴ에 위치한 파이로미터는 동일한 파장을 이용하여 웨이퍼(140)의 온도를 측정하여야 한다. 이 때, 측정지점 Ⅴ에서는 방사율을 측정하여 보정하는 파이로미터를 이용하여 웨이퍼(140)의 온도를 직접 측정하여 온도와 방사율을 구한다. 측정지점 Ⅰ∼ Ⅳ에는 방사율을 보정할 수 없는 파이로미터들이 위치하는데, 이들은 임의로 방사율을 가정하여 온도를 측정한다. 계산 상의 편의를 위하여 흑체(black body)로 가정하여 구한 온도를 이용한다. 일반적으로 방사율을 보정할 수 없는 파이로미터들은 방사에너지가 아닌 온도를 측정하여 사용자가 이용할 수 있도록 하므로 측정지점 Ⅰ∼ Ⅳ에서 측정한 온도와 흑체복사의 가정으로부터 수학식 1을 이용하여 측정지점에서 웨이퍼(140)가 방사한 복사에너지를 구할 수있다. 구해진 복사에너지와 측정지점 Ⅴ에서 구한 방사율을 이용하여 수학식 1을 이용하여 측정지점 Ⅰ∼ Ⅳ에서의 임시 보정된 웨이퍼 온도를 구한다. 여기서 "임시 보정된 온도"라고 표현한 이유는 다음과 같다. 측정지점 Ⅴ에서 측정한 온도와 측정지점 Ⅰ∼ Ⅳ에서 측정한 온도가 같다면 측정지점 Ⅴ에서 구한 방사율을 이용하여 보정한 측정지점 Ⅰ∼ Ⅳ의 온도가 실제 온도를 나타낸다. 그러나, 측정지점 Ⅴ에서 측정한 온도와 측정지점 Ⅰ∼ Ⅳ에서 측정한 온도가 서로 다르다면 측정지점 Ⅴ에서 구한 방사율과 측정지점 Ⅰ∼ Ⅳ에서 구한 방사율이 서로 다른 값을 나타내므로 측정지점 Ⅴ에서 구한 방사율을 이용하여 측정지점 Ⅰ∼ Ⅳ에서 구한 웨이퍼의 온도는 흑체의 방사율을 이용하여 구한 온도보다는 실제의 웨이퍼의 접근한 값으로 실제의 온도는 아니다.
실리콘 웨이퍼의 온도에 따른 방사율의 변화는 특정 파장에 대하여 웨이퍼의 온도변화에 크게 변하지 않으므로 이러한 특정 파장을 이용하여 방사율을 보정할 수 있는 파이로미터를 사용하여 온도, 방사율을 측정한 후 방사율을 보정할 수 없는 파이로미터가 측정한 온도를 보정할 경우에는 실제의 온도로 간주할 수 있다. 실제로는 다양한 공정을 거친 후 웨이퍼의 표면에 다양한 여러 물질이 증착되어 있는 경우에는 온도의 변화에 따라 방사율의 변화가 존재하므로 측정지점 Ⅴ에서 구해진 방사율을 이용하여 측정지점 Ⅰ∼ Ⅳ의 온도를 보정하더라도 같은 온도가 아니므로 실제의 온도는 아니다. 측정지점 Ⅰ∼ Ⅳ에서 임시 보정된 온도들과 측정지점 Ⅴ의 온도를 이용하여 웨이퍼의 온도를 균일하게 제어한다. 제어가 수행되는 도중에서 온도측정 및 임시 보정은 계속 이루어진다. 이러한 제어를 통하여 측정지점Ⅴ의 온도와 측정지점 Ⅰ∼ Ⅳ의 온도가 같다면 앞에서 기술한 바와 같이 모든 측정지점에서 측정한 웨이퍼의 온도는 실제 온도이다.
한편, 웨이퍼의 온도변화가 동일한 지점이 두 곳이상 존재할 경우에는 이를 이용하여 앞에서 기술한 내용을 더 쉽게 적용할 수 있다. 특히, 챔버가 도 3에 도시된 바와 같이 대칭 형상을 갖는 경우, 웨이퍼의 온도가 중심선 A-A'에 대해 대칭인 분포를 나타내므로 중심선 A-A'로부터 같은 거리에 위치한 측정지점 Ⅲ과 Ⅴ는 공정 중에 같은 온도를 갖는다. 이 경우에 중심선 A-A'에 대해 RTP 장치의 광원도 대칭적인 분포를 가져야 위의 조건을 만족함은 물론이다. 챔버가 대칭인 구조를 갖는 경우는 공정 중에 같은 온도를 나타내는 지점을 대칭면을 기준으로 쉽게 구할 수 있지만 대칭인 구조가 아닌 경우는 웨이퍼 상의 온도를 직접 측정하여 같은 온도변화 거동을 나타내는 지점을 찾아낸다. 공정 온도의 제어는 방사율을 측정하여 보정할 수 있는 파이로미터를 이용하여 측정지점 Ⅴ에서 측정한 온도를 이용하여 수행하고, 웨이퍼의 온도 균일도 제어는 측정지점 Ⅰ∼ Ⅳ에서 방사율을 보정할 수 없는 파이로미터를 사용하여 측정한 온도를 비교하여 수행한다. 대칭조건에 따라 측정지점 Ⅲ과 Ⅴ가 같은 온도를 가질 경우, 방사율을 보정할 수 없는 파이로미터를 이용하여 흑체복사의 가정하에 구한 측정지점 Ⅰ∼ Ⅳ의 온도가 같다면 측정지점 Ⅰ∼ Ⅴ의 온도는 모두 같고 앞에서 수행하였던 임시 보정의 과정이 필요 없다.
물론, 모든 측정지점에 방사율을 측정하여 보정할 수 있는 파이로미터를 적용하여 온도를 측정한다면 방사율을 보정하기 위해 수행하였던 과정이 생략되고 실제 온도를 이용하여 웨이퍼의 온도를 제어하면 되므로 온도측정 및 제어가 많이 단순해진다. 하지만, "방사율을 직접 측정하여 보정하는 파이로미터"는 방사율을 보정할 수 없는 파이로미터에 비해 구조가 복잡하고 부피가 크고, 또한, 가격이 상당히 고가이기 때문에 본 발명에서 제안한 바와 같이 "방사율을 직접 측정하여 보정하는 파이로미터"와 방사율을 보정할 수 없는 파이로미터를 혼용하는 것이다.
본 발명에 따른 웨이퍼의 온도 측정방법에 의하면 RTP 장치에서 웨이퍼의 온도를 측정하고자 하는 모든 지점에 대해 "방사율을 직접 측정하여 보정하는 파이로미터"와 방사율을 보정할 수 없는 파이로미터를 혼용하여 효율적으로 웨이퍼가 균일한 온도를 갖도록 제어할 수 있다. 특히 "방사율을 직접 측정하여 보정하는 파이로미터"는 측정지점 중의 한 곳에만 적용하여 웨이퍼의 전체 온도를 측정 및 제어할 수 있으므로 모든 측정지점에 적용하는 경우와 비교하여 측정지점이 증가할수록 유효성이 증가한다.

Claims (6)

  1. (a) 급속 열처리 장치의 챔버 내에 웨이퍼를 위치시키는 단계와;
    (b) 상기 웨이퍼에 대해 다수의 측정지점들을 선정하고, 적어도 한 지점 이상에는 방사율을 직접 측정하여 보정할 수 있는 파이로미터를, 그 이외의 지점에는 방사율을 보정할 수 없는 파이로미터를 각각 근접시키는 단계와;
    (c) 상기 방사율 보정가능 파이로미터가 근접된 측정지점에 대해 상기 방사율 보정가능 파이로미터를 이용하여 온도 및 방사율을 측정하는 단계와;
    (d) 상기 방사율을 보정할 수 없는 파이로미터가 근접된 측정지점에 대해 상기 방사율을 보정할 수 없는 파이로미터를 이용하여 온도를 측정하는 단계와;
    (e) 상기 (c) 단계에서 얻은 온도 및 방사율 측정값을 상기 (d) 단계에서 얻은 온도 측정값에 대한 보정값으로 제공하여 보정함으로써 상기 웨이퍼의 전체 측정지점에 대한 온도 측정값을 구하는 단계;
    를 구비하는, 급속 열처리 장치 내의 웨이퍼 온도 측정방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 급속 열처리 장치의 챔버 구조 및 열원배치가 상기 웨이퍼에 대해 대칭적인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 온도 측정방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 (b) 단계에서 상기 측정지점을 선정할 때에 상기 웨이퍼 상에서 대칭위치를 가지거나 동일한 온도변화를 나타내는 두 지점을 상기 측정지점에 함께 포함시키는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 온도 측정방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 대칭위치의 두 지점 중 하나의 지점에는 방사율을 직접 측정하여 보정할 수 있는 파이로미터를, 나머지 지점에는 방사율을 보정할 수 없는 파이로미터를 각각 근접시키는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 온도 측정방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 대칭중심 상에 놓인 점을 상기 측정지점에 포함시키는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 온도 측정방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 급속 열처리 장치의 공정온도는 상기 방사율을 직접 측정하여 보정할 수 있는 파이로미터에 의해 제어하며, 상기 웨이퍼 상의 온도 균일도는 상기 방사율을 보정할 수 없는 파이로미터에 의해 제어하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 온도 측정방법.
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