KR100540873B1 - 평행광 어레이를 이용한 응력 측정 방법과 장치, 및 이장치를 구비한 실시간 응력 측정 수평 반응기 - Google Patents

평행광 어레이를 이용한 응력 측정 방법과 장치, 및 이장치를 구비한 실시간 응력 측정 수평 반응기 Download PDF

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Abstract

평행광 어레이를 이용한 응력 측정 방법과 장치, 및 이 장치를 구비한 실시간 응력 측정 수평 반응기에 관하여 개시한다. 본 발명에 따른 응력 측정 방법에서는, 일정한 분리 간격을 가진 평행광 어레이를 박막 표면에 대해 20°이상 90° 미만의 입사각으로 입사시킨다. 그런 다음, 박막 표면에서 반사되어 나온 평행광 어레이 사이의 입사 방향에 수평인 방향으로의 간격 변화를 측정한다. 박막의 곡률 반경은 간격 변화의 함수이므로, 측정한 간격 변화로부터 박막의 곡률 반경을 알 수 있다. 박막의 응력은 박막의 곡률 반경을 이용하여 스토니 공식으로부터 계산할 수 있다.

Description

평행광 어레이를 이용한 응력 측정 방법과 장치, 및 이 장치를 구비한 실시간 응력 측정 수평 반응기{Stress measurement method and system using multiple laser beam array and in-situ stress measurement horizontal reactor equipped same}
도 1은 본 발명에 따른 응력 측정 방법의 응력 측정 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 2차원 평행광 어레이를 이용한 응력 측정 장치의 개략적인 구성도이다.
도 3은 응력 발생이 없는 박막에 2차원 평행광 어레이를 입사시켰을 때 그 반사빔을 CCD 화면 상의 스폿 이미지로 나타낸 것이다.
도 4는 응력이 발생된 박막에 2차원 평행광 어레이를 입사시켰을 때 그 반사빔을 CCD 화면 상의 스폿 이미지로 나타낸 것이다.
도 5는 빔 트레이싱(beam tracing)을 위한 구조(geometry)를 도시한다.
도 6은 빔 트레이싱에 의해 계산된 스폿 어레이의 변화 양상을 나타낸다.
도 7은 입사각이 15°와 75°인 경우에 곡률 대 간격 변화의 그래프이다.
도 8은 입사각이 증가함에 따라 입사빔에 평행한 방향과 수직인 방향의 스폿 간격 차이가 달라지는 양상을 보여주는 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 다중 레이저 빔을 이용한 응력 측정 방법의 순서도이다.
도 10은 본 발명 응력 측정 장치를 구비한 실시간 응력 측정 수평 반응기의 개략적인 도면이다.
도 11은 도 10의 수평 반응기에서 입사각 75°인 경우에 에피층의 두께에 대하여 측정한 '응력 x 두께' 데이터 그래프이다.
본 발명은 반도체 박막의 응력 측정 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 박막의 응력을 측정하는 장치와 방법, 그리고 박막 성장시 발생하는 응력을 실시간으로 측정하기 위해 이 장치를 장착한 반응기에 관한 것이다.
반도체 박막, 특히 반도체 에피층 성장시에는 박막 내부에 큰 응력이 발생할 수 있다. 응력은 박막의 여러 가지 물성을 필연적으로 변화시키게 된다. 따라서, 응력은 박막 형태로 만들어지는 소자의 품질에 영향을 줄 수 있으며, 이로 인한 생산성 저하를 가져올 수 있다.
일반적으로 박막의 응력은 박막의 성장 메커니즘, 성장된 미세구조, 박막의 증착 조건 등과 밀접한 관계가 있다. 또한, 이 응력은 하지막(기판 또는 선행 공정에서 기판 상에 형성해 놓은 다른 박막)과의 열팽창 계수 차이에 의한 열적 응력, 격자 상수 차이에 의한 응력, 박막의 미세구조와 관련된 고유 응력 등 여러 가지 요인들의 종합적인 합으로 나타난다.
따라서, 응력의 정확한 측정은 박막의 구조적인 특징을 연구하는 도구가 될 뿐만 아니라 변형된 정도를 제어하고 양질의 소자를 제조하는 데에 중요한 역할을 한다. 특히, 박막 성장에 따른 응력을 실시간으로 관찰하면 박막 성장 도중의 여러 가지 정보들을 얻을 수 있으므로 보다 적극적인 의미에서의 물성 조절이 가능해지고 공정 조건 변경 등의 필요성에 유연하게 대처할 수 있다.
종래 응력을 측정하는 방법으로는 X-선을 이용하는 방법과 레이저 주사 방법처럼 기판의 곡률 반경을 측정하는 방법이 있다. X-선을 이용한 방법은 격자 회절 현상을 이용한 것이므로 모든 박막에 적용하기는 힘들다. 더욱이 응력의 실시간 측정시 정량화의 어려움이 있다. 레이저 주사 방법은 기판의 곡률 반경, 즉 기판이 휜 정도를 측정하는 방법으로서, 레이저 빔을 기판의 뒷면에 입사시킨 후 기판의 휨에 따라 그 반사각이 변화하는 것을 위치 측정 광 검출기를 이용하여 측정하는 것이다. 기판의 곡률 반경(R)을 알면 응력(σ)을 결정할 수 있는데, 이 때 다음 수학식 1로 표현된 스토니 공식(Stoney formula)을 사용한다.
Figure 112003046534379-pat00001
여기서, hf는 박막 두께이고 Ms는 기판의 이축 모듈러스(biaxial modulus)이며 hs는 기판의 두께이다.
종래 응력 측정 방법으로는 레이저 주사 방법이 널리 사용되고 있다. 그러나, 이 방법은 레이저를 움직여 가며 측정하는 방식이므로 측정 중에 외부 진동이나 노이즈의 영향을 받기 쉽고, 박막 성장을 위한 반응기 챔버의 뷰 포트(view port)를 통해 작동시키기 곤란하여 실시간 측정이 어렵다는 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 박막의 응력을 정량 측정할 수 있는 응력 측정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 응력 측정 방법을 실현할 수 있는 응력 측정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 박막 성장시의 응력을 실시간으로 측정할 수 있는 실시간 응력 측정 반응기를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명에 따른 응력 측정 방법에서는, 일정한 분리 간격 d를 가진 평행광 어레이를 두께 hs인 기판 상에 두께 hf로 성장된 박막 표면에 대해 20°이상 90°미만의 입사각 α로 입사시킨다. 그런 다음, 상기 박막 표면에서 반사되어 나온 상기 평행광 어레이 사이의 상기 입사 방향에 수평인 방향으로의 간격 변화 δd를 측정한다. 상기 간격 변화를 이용하여
Figure 112003046534379-pat00002
와 같은 식으로부터 상기 박막의 곡률 반경 R을 구한다(여기서, L은 상기 박막 표면으로부터 상기 간격 변화를 측정하는 곳까지의 광 경로 길이). 상기 식에서 구한 상기 박막의 곡률 반경을 이용하여 스토니 공식으로 알려진
Figure 112003046534379-pat00003
으로부터 상기 박막의 응력 σ를 구한다(여기서, Ms는 기판의 이축 모듈러스(biaxial modulus)).
본 발명에 따른 응력 측정 방법에 있어서, 상기 평행광 어레이로는 1차원 평행광 어레이 또는 2차원 평행광 어레이를 사용할 수 있다. 상기 입사각의 범위는 더욱 바람직하게는 60°이상 90°미만이다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명에 따른 응력 측정 장치는, 레이저 다이오드(laser diode : LD); 상기 레이저 다이오드에서 출력된 레이저 빔을 일정한 분리 간격을 가진 평행광 어레이로 변환시켜 기판 상에 형성된 박막 표면에 대해 20°이상 90°미만의 입사각으로 입사시키는 광학 요소; 상기 박막 표면에서 반사되어 나온 상기 평행광 어레이를 스폿(spot) 이미지 어레이로 보여주는 CCD 카메라 시스템; 및 서로 이웃한 상기 스폿 이미지 사이에서 상기 입사 방향에 수평인 방향으로의 간격을 측정하여 상기 박막 표면에서 반사되어 나온 상기 평행광 어레이 사이의 상기 입사 방향에 수평인 방향으로의 간격 변화를 측정하고 상기 간격 변화의 함수인 상기 박막의 곡률 반경을 구함으로써 상기 박막의 응력을 계산하는 소프트 웨어를 포함하는 계산기(PC)로 구성되어 있다.
본 발명에 따른 응력 측정 장치에 있어서, 상기 광학 요소는 상기 레이저 다이오드에서 출력된 레이저 빔을 평행 다중 레이저 빔으로 변환하는 에탈론(etalon)일 수 있다. 이 때, 상기 평행 다중 레이저 빔을 광축에 대해 90°회전시키는 에탈 론을 더 조합하여 사용할 수 있다.
상기 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 실시간 응력 측정 반응기는, 기판 상에 박막을 성장시키는 수평 반응기를 기본으로 한다. 상기 수평 반응기 양쪽 측벽에는 제1 및 제2 뷰 포트(view port)가 마련된다. 광학 시스템이 구비되어 상기 제1 뷰 포트를 통해 상기 기판 상에 형성된 박막 표면에 대해 20°이상 90°미만의 입사각으로 평행광 어레이를 입사시킨다. 상기 제2 뷰 포트 측에는 CCD 카메라 시스템이 구비되어, 상기 박막 표면에서 반사되어 나온 상기 평행광 어레이를 상기 제2 뷰 포트 측에서 캡쳐하여 스폿 이미지 어레이로 보여준다. 서로 이웃한 상기 스폿 이미지 사이에서 상기 입사 방향에 수평인 방향으로의 간격을 측정하여 상기 박막 표면에서 반사되어 나온 상기 평행광 어레이 사이의 상기 입사 방향에 수평인 방향으로의 간격 변화를 측정하고 상기 간격 변화의 함수인 상기 박막의 곡률 반경을 구함으로써 상기 박막의 응력을 계산할 수 있도록 하는 소프트 웨어를 포함하는 계산기(PC)를 더 포함한다.
상기 수평 반응기는 MOCVD(metal organic chemical vapor deposition) 반응기인 것이 바람직하며, 상기 수평 반응기는 내부 반응기와 외부 반응기로 이루어지고, 상기 박막을 성장시키는 반응 원료 중 미반응 원료들의 반응기 벽체 증착을 방지하기 위해, 상기 내부 반응기와 외부 반응기 사이에 수소(H2)를 빠른 유속으로 흘려주는 것이 바람직하다.
이하, 첨부 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설 명하기로 한다. 그러나 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태들로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 한정되는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이며, 도면 상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다.
도 1은 본 발명에 따른 응력 측정 방법의 응력 측정 원리를 설명하기 위한 도면이다.
반도체 박막, 특히 반도체 에피층 성장시에는 응력이 발생되어 기판을 휘게 한다. 따라서, 도 1에 도시한 바와 같이, 초기에 편평하던 박막 표면(S)이 구부러진 표면(S')으로 된다. 평행광 어레이를 구성하는 두 개의 빔 B1, B2가 구부러진 박막 표면(S')에 입사한다고 가정한다. 구부러진 박막 표면(S')의 정점(O)에 입사하는 빔 B1의 반사빔 방향은 본질적으로 박막의 곡률에 관계 없으므로 변하지 않을 것이다. 그러나, 정점(O)에서 소정 거리 떨어진 점에 입사하는 빔 B2는, 편평한 박막 표면에서 반사될 때의 경로 1로부터 박막의 곡률 때문에 경로 2로 변위된다. 따라서, 인접한 두 개의 빔 B1, B2 사이의 거리 d에 δd 만큼의 변화가 발생한다.
도 1에 도시한 것과 같은 구조에서 구부러진 박막 표면(S')의 곡률 반경(R)과 δd 사이의 관계는 다음 수학식 2로 주어진다.
Figure 112003046534379-pat00004
여기서, α는 입사각으로서 박막 표면의 법선(ON)으로부터 측정하는 각도이고, L은 박막 표면으로부터 빔 변위를 측정하는 곳까지의 광 경로 길이이다. 따라서, 인접한 두 개의 빔 사이의 거리 변화(δd)를 알면 수학식 2를 이용하여 곡률 반경(R)을 계산할 수 있다.
또한, 상기 수학식 2를 스토니 공식인 수학식 1과 결합함으로써 '응력×두께'를 다음과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112003046534379-pat00005
따라서, 박막 성장시의 응력 변화는 단순히 인접한 두 개의 평행광 사이의 거리 변화(δd)와 박막 두께(hf)를 관찰하여 측정할 수 있다. 또한, 두 개의 빔 B1 , B2를 포함하는 1차원 평행광 어레이를 사용하여 간격 변화를 측정할 수도 있지만, 박막 전면에 대한 곡률을 단시간에 측정하기 위해서는 1차원 평행광 어레이를 광축에 대해 90°회전시킨 어레이까지도 포함하는 2차원 평행광 어레이를 사용하여 측정하는 것이 바람직하다.
상기 수학식 2로부터 알 수 있듯이, 입사각 α가 커지게 되면 같은 곡률 반경에 대하여 δd, 결국 분해능이 커지게 됨을 알 수 있다. 따라서, 입사각을 크게 하여 간격 변화를 측정하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 평행광 어레이를 20°이상 90°미만의 입사각, 더욱 바람직하게는 60°이상 90°미만의 입사각으로 박막 표면에 입사하게 하는 것이 바람직하다. 입사각의 범위는 이러한 응력 측정 원리를 적용할 반응기의 구조에 따라 적절히 조절할 수 있다.
도 2는 2차원 평행광 어레이를 이용하는 본 발명 응력 측정 장치의 개략적인 구성도이다. 응력 측정 장치는 도 2에 도시한 바와 같이 레이저 다이오드(10), 2 개의 에탈론(etalon)(20, 30), CCD 카메라 시스템(40) 및 계산기(PC)(50)로 구성된다. 계산기(50)에는 각종 제어 기능 및 상기 수학식 1 내지 3과 같은 계산을 위한 구동 소프트 웨어가 탑재된다.
레이저 다이오드(10)로부터의 레이저 빔(11)을 평행 유리판의 일종인 제1 에탈론(20)을 통과시키면 평행 다중 레이저 빔(21)이 형성된다. 제2 에탈론(30)은 1차원 다중 빔 어레이를 광축에 대해 90°회전시킨 어레이를 발생시킬 수 있는 것이다. 따라서, 평행 다중 레이저 빔(21)을 제2 에탈론(30)에 통과시키면 2차원 평행광 어레이(31)를 형성할 수 있다. 다음으로, 이 2차원 평행광 어레이(31)를 박막(35)에 입사시켜서 그 반사빔(36)을 CCD 카메라 시스템(40)의 화면으로 유도하면 도 3과 같은 XY 2차원 스폿(spot) 이미지 어레이를 얻을 수 있다. 도 3은 응력 발생이 없는 박막에 2차원 평행광 어레이를 75°의 입사각으로 입사시켰을 때 그 반사빔을 CCD 화면 상의 스폿 이미지로 나타낸 것이다. 응력 발생이 없는 경우, 스폿 사이의 간격이 일정하게 형성되어 있음을 확인할 수 있다. 본 발명에 따른 응력 측정 장치에서는 2차원 평행광 어레이 대신에 1차원 평행광 어레이를 사용할 수도 있으며, 그럴 경우 도 2와 같은 구성에서 제2 에탈론(30)을 사용하지 않으면 된다.
인접한 스폿들 사이의 거리는 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, 박막의 미세한 곡률 변화에 민감하게 변화하며 여기서 계산기(50)에 탑재된 소프트 웨어가 박막의 응력 변화를 계산할 수 있게 된다. 도 4는 응력이 발생된 경우의 스폿 이미지로서, 응력 발생이 없는 도 3과 비교해 보면 XY 방향으로 변위가 발생된 것을 알 수 있다. 도 4 역시 입사각이 75°인 경우인데, 인접한 스폿 사이의 간격은 도 3의 경우보다 커져서 스폿 중 일부는 CCD 화면 밖으로 벗어난 것을 확인할 수 있다. 도 3과 도 4에서 작은 박스 안의 4×4 어레이만을 실제 측정에 이용할 수도 있다.
상기 수학식 2에 관해 언급하였듯이, 입사각(α)이 커지게 되면 같은 곡률 반경에 대하여 δd, 결국 분해능이 커진다. 따라서, 입사각(α)을 가능한 크게 하여 사용하는 것이 바람직하다. 따라서, 2차원 평행광 어레이(31)는 20°이상 90°미만의 입사각(α)으로 박막(35) 표면에 입사하게 하는 것이 바람직하다. 그러나 실제로는 입사각이 커짐에 따라 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이 스폿의 이미지가 비점수차(astigmatism)에 의해서 길쭉하게 일그러진다. 이러한 비점수차는 곡률 변화시 입사 방향에 수직인 방향과 수평인 방향(각각 X, Y 방향)에 따라 δd가 다른 비율로 변화하게 하는 원인이 된다. 본 발명자들이 실험한 결과, 입사각이 큰 경우 빔의 입사 방향과 평행인 방향으로의 분해능은 커지지만 입사 방향과 수직인 방향으로의 분해능은 오히려 줄어든다. 따라서, 단순히 두 방향의 빔 간격 변화의 평균을 취한다면 측정에 심각한 에러가 발생하게 된다. 그러므로, 빔의 입사 방향과 평행인 방향으로의 δd만을 측정하여 박막의 응력을 계산하는 것이 바람직하다. 따라 서, 계산기(50)에 탑재된 소프트 웨어는 CCD 화면 상에서 서로 이웃한 스폿 이미지 사이의 빔의 입사 방향과 평행인 방향으로의 간격을 측정하여 2차원 평행광 어레이(31)의 반사 전후 빔의 입사 방향과 평행인 방향으로의 간격 변화를 각각 얻고 간격 변화의 함수인 박막의 곡률 반경을 상기 수학식 2를 이용해 구하고, 계산한 곡률 반경으로부터 상기 수학식 1을 이용해 박막의 응력을 계산하는 소프트 웨어를 포함하는 것이 바람직하다. 특히, 상기 수학식 1과 수학식 2를 결합한 수학식 3을 이용해 실시간으로 박막의 응력을 계산하도록 할 수도 있다.
입사하는 2차원 평행광 어레이가 박막 표면에서 반사되어 CCD 화면 상의 스폿 이미지로 표현되는 과정에서 입사각 변화에 따라 스폿 이미지 형상이 어떻게 변하는지를 알아보기 위해 다음과 같은 빔 트레이싱(beam tracing)(다른 말로 레이 트레이싱(ray tracing)) 시뮬레이션을 수행하였다.
도 5는 빔 트레이싱을 위한 구조(geometry)를 도시한다. 도 5의 기하 구조에서 XY는 박막 표면에서의 좌표계이고 O는 박막의 중심으로서, 박막의 곡률에 변화가 생기는 경우 정점이 된다. Z축은 이 XY 평면에 수직 방향이다. XiYi 좌표계는 입사빔 어레이의 단면을 나타내며 그 중점은 입사빔 어레이의 중점이다. XoYo 좌표계는 CCD 화면에서의 좌표를 나타내며 Yi, Yo, Zi, 그리고 Zo 축들은 모두 YOZ 평면 위에 있다. (xi, yi)를 입사빔 어레이 상의 한 점이라고 가정하면 이는 박막 위의 한 점 (x, y)에서 반사되어 CCD 화면 상의 한 점 (xo, yo)에 대응된다. 점 C를 곡률원 의 중심이라고 하면 (x, y)에 수직인 벡터는 점 C를 지나게 된다.
반사 기하에 의해 아래와 같은 식이 성립함은 자명하다.
Figure 112003046534379-pat00006
(102)
Figure 112003046534379-pat00007
(104)
Figure 112003046534379-pat00008
를 XY 좌표계에 대한 입사빔 벡터라고 하고,
Figure 112003046534379-pat00009
를 (x, y)에 수직한 벡터, 그리고
Figure 112003046534379-pat00010
를 XY 좌표계에 대한 반사빔 벡터라고 하자. 그러면 아래와 같은 관계식이 성립한다.
Figure 112003046534379-pat00011
(106)
Figure 112003046534379-pat00012
(108)
한편, 스넬의 반사법칙에 의해 아래와 같은 관계식이 성립한다.
Figure 112003046534379-pat00013
(110)
아래와 같이 A, B, C를 가정하고
Figure 112003046534379-pat00014
(112a)
Figure 112003046534379-pat00015
(112b)
Figure 112003046534379-pat00016
(112c)
벡터
Figure 112003046534379-pat00017
가 CCD 화면을 지나가는 점을 (xo, yo)라 하면, 그 직선의 방정식은 아래와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112003046534379-pat00018
(118)
한편 XY 좌표계 상에서 표현된 xoyo 평면의 방정식은 아래와 같다.
Figure 112003046534379-pat00019
(120)
수식 (118)과 (120)을 정리하면 XY 좌표계에서의 점 (xo, yo)는 아래와 같이 얻어진다.
Figure 112003046534379-pat00020
(122a)
Figure 112003046534379-pat00021
(122b)
Figure 112003046534379-pat00022
(122c)
따라서, XY 좌표 상의 점 (xo, yo)는 CCD 화면의 XoYo 좌표계로 아래와 같은 관계식에 의해서 변환될 수 있다.
Figure 112003046534379-pat00023
(128)
그러므로 XoYo 좌표계 상의 새로운 점 (xo', yo')의 위치는 아래와 같이 얻어진다.
Figure 112003046534379-pat00024
(130a)
Figure 112003046534379-pat00025
(130b)
Figure 112003046534379-pat00026
(130c)
따라서, 상기 수식 (112), (122), (130)에 의해 입사빔의 좌표에 있는 모든 점들이 CCD 화면 상에서 어디로 이동되는지 예측이 가능하고, 이를 이용하여 곡률의 변화에 따라 CCD 화면에 나타나게 되는 스폿 어레이의 모양을 예측할 수 있다. 이러한 방법으로 예측한 스폿 어레이의 모양을 도 6에 도시하였다. 시뮬레이션시 입사빔의 직경, 스폿 간격 및 CCD 카메라 시스템으로부터 박막 표면까지의 광 경로 길이는 각각 0.3, 1 및 0.8m인 것으로 가정하였다. 도 6에서 입사각이 10°인 경우와 입사각이 75°인 경우에 대하여 (a)곡률 반경이 -5 m(-는 볼록한 표면을 의미), (b)곡률 반경이 무한대(즉, 곡률이 0), (c)곡률 반경이 +5 m(+는 움푹한 표면을 의미)로 변화함에 따라 CCD 화면 상의 스폿 어레이에서 X, Y 방향으로 각각 δd 값의 변화가 다른 모습인 것을 확인할 수 있다.
입사각이 작을 경우(다시 말해 본 시뮬레이션에서 입사각이 10°인 경우)에는, (a), (b), (c)로 곡률이 변화함에 따라 δd 값이 변하지만, X 방향, Y 방향 사이의 δd 값이 서로 다르지는 않다. 그러나, 입사각이 클 경우(다시 말해 본 시뮬레이션에서 입사각이 75°인 경우)에는, 곡률이 변화하면 δd 값이 변할 뿐만 아니라, X 방향의 δd 값보다 Y 방향 사이의 δd 값이 더 많이 변한다. 즉, 입사각이 클수록 Y 방향으로의 분해능이 증가한다. 따라서, 입사각을 크게 하여 응력을 측정하는 것이 바람직하다. 또한, X 방향으로의 스폿의 일그러짐보다는 Y 방향으로의 스폿의 일그러짐이 크다.
따라서, 입사각이 클 경우에는 빔의 입사 방향과 평행인 방향으로의 분해능은 커지지만 입사 방향과 수직인 방향으로의 분해능은 오히려 줄어들므로, δd를 X, Y 방향을 따라 각각 측정하고 이들을 평균 내는 대신 빔에 평행인 방향, 즉 Y 방향의 δd를 측정하여 수학식 1 내지 3을 이용해 박막의 응력을 계산하도록 한다.
도 7은 입사각이 각각 75°와 15°일 때에 곡률에 대한 간격 변화 δd의 곡선이다. 여기서 δd∥와 δd⊥는 각각 입사 방향에 평행한 변위, 수직인 변위를 가리킨다. 여기서 입사각이 작은 15°일 때에는 δd∥와 δd⊥가 거의 일치하지만, 입사각이 큰 75°일 때에는 δd∥는 곡률에 따라 급격하게 변화하지만, δd⊥는 거의 변화가 없음을 알 수 있다. 즉, 입사각이 클수록 분해능이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 8은 입사각이 증가함에 따라 입사빔에 평행한 방향과 수직인 방향의 스폿 간격 차이가 달라지는 양상을 보여주는 그래프이다.
먼저 앞의 빔 트레이싱을 이용한 방법으로 시뮬레이션한 결과, 입사빔에 수직인 방향으로의 간격 변화 δd⊥는 흰 원(○)의 연속적인 곡선으로 표시된다. 그리고, 입사빔에 평행인 방향으로의 간격 변화 δd∥는 검은 원(●)의 연속적인 곡선으로 표시된다. 그래프에서 볼 수 있는 바와 같이, 입사각이 작을 경우(예를 들어 입사각이 15°이하인 경우) 두 간격 변화가 거의 같지만 입사각이 커질수록 두 값 사이의 차가 커지는 것을 볼 수 있다. 따라서, X, Y 두 축 방향으로의 간격 변화를 평균 내어서 그 값을 사용할 때 에러를 범할 수 있음을 알 수 있다.
흰 세모(△)와 검은 세모(▲)는 실제 -10 m의 곡률 반경을 가지는 거울면을 가지고 실험한 결과이다. 레이저 빔을 볼록거울에 대략 10, 15, 30, 45, 60, 75°로 입사시키면서 레이저 빔의 입사 방향과 평행한 방향으로의 간격 변화와 수직 방향으로의 간격 변화를 측정하여 그래프에 나타내었다. 흰 세모(△)가 수직 방향으로의 간격 변화이고 검은 세모(▲)가 평행 방향으로의 간격 변화이다. 거울면에 대한 스폿 간격의 변화는 시뮬레이션에서 예측한 결과와 잘 일치함을 확인할 수 있다.
다음, 수학식 2로 구하는 간격 변화는 그래프 상에서 평행 방향의 간격 변화에 따른 곡선으로 나타난다.
도 8의 그래프에서 볼 수 있듯이, 입사빔에 수직과 수평 성분을 나누어서 수 평 방향으로의 간격 변화를 이용해야만 정확한 박막의 곡률과 응력을 예측할 수 있다는 사실을 알 수 있다. 또한, 입사각의 범위는 X 방향과 Y 방향의 간격 변화가 커지기 시작하는 20°이상, 바람직하게는 변화 차가 급증하는 60°이상 90°미만의 범위로 사용하는 것이 좋다는 결론를 얻을 수 있다.
따라서, 이상과 같은 실험을 통해 검증한 본 발명에 따른 응력 측정 방법은 도 9와 같은 순서도로 나타낼 수 있다.
먼저, 단계 S1에서 일정한 분리 간격 d를 가진 평행광 어레이를 두께 hs인 기판 상에 두께 hf로 성장된 박막 표면에 대해 20°이상 90°미만의 입사각 α로 입사시킨다. 그런 다음, 단계 S2에서는 박막 표면에서 반사되어 나온 평행광 어레이 사이의 입사 방향에 수평인 방향으로의 간격 변화 δd를 측정한다. 단계 S3에 의해, 간격 변화를 이용하여
Figure 112003046534379-pat00027
와 같은 식으로부터 박막의 곡률 반경 R을 구한다(여기서, L은 박막 표면으로부터 간격 변화를 측정하는 곳까지의 광 경로 길이). 단계 S4에서는, 앞에서 구한 박막의 곡률 반경을 이용하여 스토니 공식으로 알려진
Figure 112003046534379-pat00028
으로부터 박막의 응력 σ를 구한다(여기서, Ms는 기판의 이축 모듈러스).
본 발명에 따른 응력 측정 장치는 MOCVD, 금속, 산화막 증착 장치, 스퍼터, e-beam 증착기, MBE(molecular beam epitaxy)법에 의해 박막을 성장시키는 수평 반 응기에 장착되어 실시간 응력 측정에 이용될 수 있다. 특히 수평 MOCVD 같은 조건에서는 응력 측정 장치의 장착 및 측정에 어려움이 존재한다. 왜냐하면 MBE와는 달리 MOCVD에서는 미반응 원료들이 반응기의 안쪽 벽에 증착되어 레이저 빔을 투사하기 어려울 뿐 아니라 기판 바로 위쪽으로 뷰 포트를 만들 경우 성장 자체에 지대한 영향을 주기 때문이다.
이러한 문제를 해결할 수 있는 응력 측정 장치를 장착한 수평 타입의 실시간 응력 측정 MOCVD 반응기(200)가 도 10에 도시되어 있다. 수평 반응기에서는 미반응 기체들이 반응기의 옆, 윗면에 증착되어 실험을 반복함에 따라서 신호의 강도가 점차적으로 감소하고 또한 신호의 왜곡이 발생할 수 있다. 이러한 문제 해결을 위해 수평 반응기(200)의 측면에 제1 및 제2 뷰 포트(230a, 230b)를 마련한다. 그리고, 내부 반응기(220)와 외부 반응기(210) 사이를 지나가는 수소의 유속을 빠르게 하여 미반응 원료들의 증착을 방지함으로써 빔 이미지의 왜곡을 방지함이 바람직하다.
반응기의 측면에 제1 및 제2 뷰 포트(230a, 230b)를 마련하기 때문에 MOCVD 성장에 영향을 최소화하면서 실시간으로 응력을 측정할 수 있다. 이러한 구조에서 측면의 제1 뷰 포트(230a)를 통해 레이저 다이오드와 같은 레이저 광원(10)과 에탈론(20)을 이용해 형성된 평행 레이저 빔을 입사시키고 반대편 제2 뷰 포트(230b)측에 CCD 카메라 시스템(40)을 배치하여 반사빔 어레이가 CCD 카메라 시스템(40)으로 입사될 수 있도록 설계한다. 응력 측정 장치는 도 2에 도시한 것과 같이 두 개의 에탈론을 사용하는 응력 측정 장치 또는 여기에 도시한 것과 같이 에탈론을 하나만 사용하는 응력 측정 장치를 이용할 수 있으며, 응력 측정 장치에 관해서는 도 2를 참조하여 설명한 부분을 그대로 원용하기로 하며, 반복되는 설명은 생략하기로 한다. 참조부호 "240"은 기판 지지대이다.
도 10과 같은 수평 반응기를 이용해 기판 상에 박막을 성장시키면서 인접한 두 개의 평행광 사이의 거리 변화(δd)와 박막 두께(hf)를 관찰하여, 수학식 3과 같은 수식이 입력된 계산기(50)로부터 실시간 응력 측정을 수행할 수 있다.
도 11은 도 10과 같은 수평 반응기를 사용해 에피층의 응력을 측정한 결과인데, 입사빔의 입사각을 75°로 한정하여 실험을 수행한 것이다. 기판 상에 InP와 InGaAs를 번갈아 가며 성장시키면서 실시간 응력을 측정하였다. 박막 두께에 대해 응력과 두께의 곱으로 나타낸 그래프이므로, 그래프의 기울기가 응력에 해당된다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예들을 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다.
본 발명은 임의의 구조를 가지는 박막 성장 반응기에 대하여 박막 성장시 박막 내부의 응력 및 그 이완 기구를 이해하는 데 큰 도움을 줄 수 있다. 특히 레이저 빔이 큰 입사각을 가지고 기판에 입사하는 경우에 적용함이 바람직하다는 점을 활용할 수 있으므로 수평 반응기와 같이 윗면에서 레이저 빔을 입사하기 어려운 구조에 장착하여 측정이 가능하다. 스캔 방식의 박막 곡률 측정 장치에 비하여 측정 중에 외부 진동이나 노이즈의 영향을 덜 받고, 실시간 측정이 가능하다는 장점이 있고, 이에 따라 실시간 측정과 관련하여 다양한 적용 범위를 가지게 된다.

Claims (12)

  1. 일정한 분리 간격 d를 가진 평행광 어레이를 두께 hs인 기판 상에 두께 hf로 성장된 박막 표면에 대해 20°이상 90°미만의 입사각 α로 입사시키는 단계;
    상기 박막 표면에서 반사되어 나온 상기 평행광 어레이 사이의 상기 입사 방향에 수평인 방향으로의 간격 변화 δd를 측정하는 단계; 및
    상기 간격 변화를 이용하여 하기 식으로부터 상기 박막의 곡률 반경 R을 구하는 단계,
    Figure 112003046534379-pat00029
    (여기서, L은 상기 박막 표면으로부터 상기 간격 변화를 측정하는 곳까지의 광 경로 길이); 및
    상기 박막의 곡률 반경을 이용하여 하기 식으로부터 상기 박막의 응력 σ를 구하는 단계,
    Figure 112003046534379-pat00030
    (여기서, Ms는 기판의 이축 모듈러스(biaxial modulus))를 포함하는 것을 특징으로 하는 응력 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 평행광 어레이는 1차원 평행광 어레이 또는 2차원 평행광 어레이를 사용하는 것을 특징으로 하는 응력 측정 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 입사각의 범위는 60°이상 90°미만인 것을 특징으로 하는 응력 측정 방법.
  4. 삭제
  5. 레이저 다이오드;
    상기 레이저 다이오드에서 출력된 레이저 빔을 일정한 분리 간격을 가진 평행광 어레이로 변환시켜 기판 상에 형성된 박막 표면에 대해 20°이상 90°미만의 입사각으로 입사시키는 광학 요소;
    상기 박막 표면에서 반사되어 나온 상기 평행광 어레이를 스폿(spot) 이미지 어레이로 보여주는 CCD 카메라 시스템; 및
    서로 이웃한 상기 스폿 이미지 사이에서 상기 입사 방향에 수평인 방향으로의 간격을 측정하여 상기 박막 표면에서 반사되어 나온 상기 평행광 어레이 사이의 상기 입사 방향에 수평인 방향으로의 간격 변화를 측정하고 상기 간격 변화의 함수인 상기 박막의 곡률 반경을 구함으로써 상기 박막의 응력을 계산하는 소프트 웨어를 포함하는 계산기(PC)를 포함하고,
    상기 광학 요소는 상기 레이저 다이오드에서 출력된 레이저 빔을 평행 다중 레이저 빔으로 변환하는 에탈론(etalon)인 것을 특징으로 하는 응력 측정 장치.
  6. 레이저 다이오드;
    상기 레이저 다이오드에서 출력된 레이저 빔을 일정한 분리 간격을 가진 평행광 어레이로 변환시켜 기판 상에 형성된 박막 표면에 대해 20°이상 90°미만의 입사각으로 입사시키는 광학 요소;
    상기 박막 표면에서 반사되어 나온 상기 평행광 어레이를 스폿(spot) 이미지 어레이로 보여주는 CCD 카메라 시스템; 및
    서로 이웃한 상기 스폿 이미지 사이에서 상기 입사 방향에 수평인 방향으로의 간격을 측정하여 상기 박막 표면에서 반사되어 나온 상기 평행광 어레이 사이의 상기 입사 방향에 수평인 방향으로의 간격 변화를 측정하고 상기 간격 변화의 함수인 상기 박막의 곡률 반경을 구함으로써 상기 박막의 응력을 계산하는 소프트 웨어를 포함하는 계산기(PC)를 포함하고,
    상기 광학 요소는 상기 레이저 다이오드에서 출력된 레이저 빔을 평행 다중 레이저 빔으로 변환하는 제1 에탈론과, 상기 평행 다중 레이저 빔을 광축에 대해 90°회전시키는 제2 에탈론의 조합인 것을 특징으로 하는 응력 측정 장치.
  7. 기판 상에 박막을 성장시키는 수평 반응기;
    상기 수평 반응기 양쪽 측벽에 마련된 제1 및 제2 뷰 포트(view port);
    상기 제1 뷰 포트를 통해 상기 기판 상에 형성된 박막 표면에 대해 20°이상 90°미만의 입사각으로 평행광 어레이를 입사시키는 광학 시스템;
    상기 박막 표면에서 반사되어 나온 상기 평행광 어레이를 상기 제2 뷰 포트 측에서 캡쳐하여 스폿(spot) 이미지 어레이로 보여주는 CCD 카메라 시스템; 및
    서로 이웃한 상기 스폿 이미지 사이에서 상기 입사 방향에 수평인 방향으로의 간격을 측정하여 상기 박막 표면에서 반사되어 나온 상기 평행광 어레이 사이의 상기 입사 방향에 수평인 방향으로의 간격 변화를 측정하고 상기 간격 변화의 함수인 상기 박막의 곡률 반경을 구함으로써 상기 박막의 응력을 계산하는 소프트 웨어를 포함하는 계산기(PC)를 포함하는 실시간 응력 측정 수평 반응기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 수평 반응기는 MOCVD 반응기인 것을 특징으로 하는 실 시간 응력 측정 수평 반응기.
  9. 제7항에 있어서, 상기 수평 반응기는 내부 반응기와 외부 반응기로 이루어지고, 상기 박막을 성장시키는 반응 원료 중 미반응 원료들의 반응기 벽 증착을 방지하기 위해, 상기 내부 반응기와 외부 반응기 사이에 수소가 흐르는 것을 특징으로 하는 실시간 응력 측정 수평 반응기.
  10. 제7항에 있어서, 상기 광학 시스템은
    레이저 다이오드; 및
    상기 레이저 다이오드에서 출력된 레이저 빔을 일정한 분리 간격을 가진 평행광 어레이로 변환시켜 기판 상에 형성된 박막 표면으로 입사시키는 광학 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 응력 측정 수평 반응기.
  11. 제10항에 있어서, 상기 광학 요소는 상기 레이저 다이오드에서 출력된 레이저 빔을 평행 다중 레이저 빔으로 변환하는 에탈론인 것을 특징으로 하는 실시간 응력 측정 수평 반응기.
  12. 제10항에 있어서, 상기 광학 요소는 상기 레이저 다이오드에서 출력된 레이저 빔을 평행 다중 레이저 빔으로 변환하는 제1 에탈론과, 상기 평행 다중 레이저 빔을 광축에 대해 90°회전시키는 제2 에탈론의 조합인 것을 특징으로 하는 실시간 응력 측정 수평 반응기.
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