KR101754148B1 - 곡률 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하나의 레이저 광을 빔 확장기(Beam expander)로 확장한 뒤 그림자 마스크(Shadow mask)를 이용하여 복수개의 서로 다른 단면 형상을 가지는 평행광으로 나누어 곡률을 측정하는 장치에 관한 것으로, 동일한 광원으로부터 비롯되고 동일한 광경로를 가지는 복수개의 평행광을 경제적인 장치로 분리하고, 분리된 복수개의 평행광이 가지는 단면 형상을 서로 달리하도록 함으로써, 상기 복수개의 평행광이 곡률을 가지는 시료표면의 각 지점으로부터 반사하여 검출기에 도달하기까지 상기 평행광 서로간의 경로차이를 명확하게 구별할 수 있는 곡률 측정 장치를 제공한다.

Description

곡률 측정 장치 {CURVATURE MEASUREMENT APPARATUS}
본 발명은 웨이퍼 표면의 곡률을 측정하는 장치에 관한 것으로, 특히 하나의 레이저 광을 빔 확장기(Beam expander)로 확장한 뒤 그림자 마스크(Shadow mask)를 이용하여 복수개의 서로 다른 단면 형상을 가지는 평행광으로 나누어 곡률을 측정하는 장치에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼에 결정층을 성장(epitaxial growth)시키는 공정에서는 성장 층의 두께, 온도, 도핑 농도(doping concentration), 및/또는 웨이퍼 표면의 평탄도 등의 변수에 따른 성장공정을 실시간으로 관찰하는 것이 필요하다. 웨이퍼 표면의 곡률값은 성장 층의 변형(strain)과 직접 관련되고, 성장 층의 성분 구성비와도 간접적으로 관련되므로 정밀 측정이 필요하다. 특히 여러 장의 웨이퍼상에 결정층 박막(epitaxial thin film)이 성장되는 경우에는 모든 웨이퍼별로 곡률값을 짧은 시간내에 측정하는 것이 중요하다. 이는 공정조건, 열 팽창, 및/또는 서로 다른 물질의 특성 사이에 나타나는 어긋남(mismatch)에 따라 스트레스(stress)가 축적되고, 이렇게 쌓인 스트레스가 금속 배선막의 층간 박리(delamination)와 스트레스 관련 파손(breakage)을 일으킬 수 있기 때문이다. 또한, 3D-NAND와 같은 반도체 소자 공정이 소형화, 고집적화 되는 추세에 따라 기판상에 여러 층의 박막을 형성하게 되는데 이와 같은 경우도 박막과 기판 간의 스트레스에 의해 휘게 된다. 즉, Epitaxy 공정뿐 아니라 CVD공정에서도 스트레스로 곡률이 발생하는 것을 관찰하는 것이 필요하다.
복수의 평행빔을 이용하여 기판의 휨 정도를 측정하는 방식의 경우에 반도체 웨이퍼 표면의 곡률값을 얻는 가장 단순한 방법은 표면상의 한점에서 휘어진 반지름(bowing radius)의 역수값으로 곡률값을 계산한 뒤 전체 표면이 동일한 값을 가진다고 가정하는 것이다. 이 경우 기판상의 어느 한 점에서 곡률을 측정하여 기판 전체의 휨값을 계산하면 된다. 그러나 실제 공정에서 웨이퍼는 균일하게 휘지 않고 회전하는 방향 등에 따라 곡률이 표면상의 각 부분별로 다를 수 있으며, 정확한 구형곡면으로 휘는 것도 아니므로 정밀측정을 위해서는 스테이지를 이용하여 면내의 다수 위치에 대해 측정하여 웨이퍼 표면의 각 부분별로 구형 곡면과 함께 방위 비구면 곡률반경을 측정하여야 기판상의 스트레스 분포를 측정할 수 있다.
미국 등록특허 US7,505,150호는 Device and Method for the measurement of the curvature of a surface에 관한 것으로, 복굴절 물질로 복수 개의 빔을 형성하여 웨이퍼 표면으로 평행한 광선을 조사하는 측정기술을 개시하였다. 그러나 박막형성으로 볼록한 모양의 곡률이 만들어지는 경우(Tensile Strain)는 측정이 용이하지만, 오목한 모양의 곡률이 만들어지는 경우(Compressive strain)에는 반사빔 구분이 곤란해지는 문제가 발생한다.
미국 등록특허 US7,505,150호
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 오목한 모양의 곡률이 만들어지는 경우에도 반사빔을 구분하여 곡률을 정확하게 측정할 수 있는 곡률 측정 장치를 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 레이저광원으로부터 출사된 레이저광을 미리 정한 넓이의 확장된 레이저 빔으로 만들고 상기 확장된 레이저 빔 영역 내부에 복수개의 핀 홀이 위치하는 광차단 재질의 평면판을 이용하여 상기 핀 홀을 통과하는 복수개의 평행광을 분리함으로써 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 곡률 측정 장치로, 상기 측정 장치는, 레이저 광원; 상기 광원으로부터 나온 레이저 빔(laser beam) 경로상에 위치하고, 상기 레이저 빔의 단면을 미리 정한 넓이로 확장하는 레이저 빔 확장기(beam expander); 상기 빔 확장기를 통과하여 단면이 확장된 레이저 빔의 경로상에 위치하고, 상기 확장된 레이저 빔의 진행방향과 직교하는 광차단 재질의 평면상에 복수개의 핀 홀(pin hole)을 구비하는 레이저 빔 분리부; 상기 복수개의 핀 홀을 통과한 복수개의 평행한 레이저 빔이 도달하는 위치에 시료를 위치시키는 시료 지지부; 상기 시료의 표면으로부터 반사된 복수개의 레이저 빔을 검출하는 검출기; 및 상기 검출기에서 받은 신호로 표면 곡률을 계산하고, 상기 측정장치 각 구성부의 측정을 위한 가동을 제어하는 계산 및 제어부를 포함하고, 상기 복수개의 핀 홀은 서로 다른 형상을 가져서 상기 핀 홀을 통과한 레이저 빔은 서로 구별되는 단면 형상 또는 단면 넓이를 가지는, 곡률 측정 장치를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 복수개의 핀 홀이 가지는 서로 다른 형상은 원형, 타원형, 사각형, 삼각형 및 서로 다른 크기로 이루어진 조합에서 선택되는, 곡률 측정 장치를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 레이저 광원은, 반도체 레이저인, 곡률 측정 장치를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 레이저 광원과 상기 레이저 빔 확장기 사이에 광필터를 더 포함하고, 상기 광필터는 상기 레이저 광원 파장대역의 밴드 패스 필터(band pass filter)인, 곡률 측정 장치를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 확장된 레이저 빔의 미리 정한 넓이 내부에 위치하는 핀 홀은 4개이며, 상기 4개의 핀 홀은 사각형의 4개 모서리 위치에 배열되는 구조인, 곡률 측정 장치를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 확장된 레이저 빔의 미리 정한 넓이 내부에 위치하는 핀 홀은 3개이며, 상기 3개의 핀 홀은 삼각형의 3개 모서리 위치에 배열되는 구조인, 곡률 측정 장치를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 확장된 레이저 빔의 미리 정한 넓이 내부에 위치하는 핀 홀은 9개이며, 상기 9개의 핀 홀은 3개씩 3열로 배열되는 구조인, 곡률 측정 장치를 제공한다.
본 발명은 동일한 광원으로부터 비롯되고 동일한 광경로를 가지는 복수개의 평행광을 경제적인 장치로 분리하고, 분리된 복수개의 평행광이 가지는 단면 형상을 서로 달리하도록 함으로써, 상기 복수개의 평행광이 곡률을 가지는 시료표면의 각 지점으로부터 반사하여 검출기에 도달하기까지 상기 평행광 서로간의 경로차이를 명확하게 구별할 수 있는 곡률 측정 장치를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 레이저 빔 분리기를 구비한 곡률 측정 장치의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 실시간 측정을 위하여 곡률 측정 장치가 결정층 생장 또는 박막 성장 공정장치에 결합된 것을 나타내는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 빔 분리기의 다양한 핀 홀 조합을 나타낸다.
도 4는 기판이 볼록한 모양의 곡률일 경우, 동일한 형상의 핀 홀 조합으로 된 빔 분리기를 사용하여 곡률을 측정하는 구조(a) 및 기판 표면과 검출기에 도달한 복수개의 빔 간격(b)에 대한 개념도를 나타낸다.
도 5는 기판이 오목한 모양의 곡률일 경우, 동일한 형상의 핀 홀 조합으로 된 빔 분리기를 사용하여 곡률을 측정하는 구조(a) 및 기판 표면과 검출기에 도달한 복수개의 빔 간격(b)에 대한 개념도를 나타낸다.
도 6은 기판이 오목한 모양의 곡률일 경우, 서로 다른 형상의 핀 홀 조합으로 된 빔 분리기를 사용하여 곡률을 측정하는 구조(a) 및 기판 표면과 검출기에 도달한 복수개의 빔 간격(b)에 대한 개념도를 나타낸다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 된다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 레이저 빔 분리기를 구비한 곡률 측정 장치의 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 실시간 측정을 위하여 곡률 측정 장치가 결정층 생장 또는 박막 성장 공정장치에 결합된 것을 나타내는 개념도이다. 본 발명의 일 구현예에 따른 곡률 측정 장치는, 레이저 광원(10); 상기 광원으로부터 나온 레이저 빔(laser beam)(11) 경로상에 위치하고, 상기 레이저 빔의 단면을 미리 정한 넓이로 확장하는 레이저 빔 확장기(beam expander)(15); 상기 빔 확장기를 통과하여 단면이 확장된 레이저 빔(12)의 경로상에 위치하고, 상기 확장된 레이저 빔의 진행방향과 직교하는 광차단 재질의 평면상에 복수개의 핀 홀(pin hole)(51~57)을 구비하는 레이저 빔 분리부(50); 상기 복수개의 핀 홀을 통과한 복수개의 평행한 레이저 빔(13)이 도달하는 위치에 시료(200)를 위치시키는 시료 지지부(120); 상기 시료의 표면으로부터 반사된 복수개의 레이저 빔(14)을 검출하는 검출기(30); 및 상기 검출기에서 받은 신호로 표면 곡률을 계산(42)하고, 상기 측정장치 각 구성부의 측정을 위한 가동을 제어(41)하는 계산 및 제어부(40)를 포함한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 상기 레이저 광원은 반도체 레이저일 수 있다. 또한, 상기 레이저 광원과 상기 레이저 빔 확장기 사이에 광필터(미도시)를 더 포함하고, 상기 광필터는 상기 레이저 광원 파장대역의 밴드 패스 필터(band pass filter)일 수 있다. 본 발명의 일 구현예에 따른 상기 검출기에는 CCD가 채택될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 상기 곡률 측정 장치는 결정층(Epitaxial layer) 생장 또는 박막 성장(CVD) 공정용 장비(100)의 뷰포트(viewport)(110)에 결합되어 실시간 곡률 측정을 할 수 있는데, 상기 공정용 장비에서 상기 시료 지지부(120)는 회전형 검지장치(130)와 연결되어 시료를 회전시키면서, 증착을 위한 침적 유속(deposition flux)(210)이 기판 표면에 골고루 분포되도록 할 수 있다. 또한 도 2에 표시된 바와 같은 곡률 측정 장치는 복수개의 평행한 레이저 빔(13)을 형성한 뒤 부분 반사 거울(half mirror)(20)를 통과하게 할 수 있으며, 상기 부분 반사 거울로는 시료 표면으로부터 반사된 복수개의 레이저 빔(14)도 통과한다. 또한, 상기 계산 및 제어부(40)에 연결되어 상태를 관찰할 수 있는 모니터(43)를 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 빔 분리기(50)의 다양한 핀 홀 조합을 나타낸다. 본 발명의 일 구현예에 따른 상기 복수개의 핀 홀은 서로 다른 형상을 가져서 상기 핀 홀을 통과한 레이저 빔은 서로 구별되는 단면 형상 또는 단면 넓이를 가질 수 있다. 도 3의 (a)는 미리 정한 동일한 크기의 원형 4개로 이루어진 이루어진 핀 홀(51)을 구비한 빔 분리기를 나타낸다. 이와 같은 핀 홀의 경우에는 볼록한 모양의 곡률 측정에서는 검출기에 도달한 빔 간격(31)이 시료 표면의 빔 간격(201)보다 넓어져서 측정에 문제가 없으나, 오목한 모양의 곡률 측정에서는 검출기에 도달한 빔 간격(31)이 시료 표면의 빔 간격(201)보다 좁아져서 측정에 문제가 생기게 된다. 본 발명의 일 구현예에서, 상기 확장된 레이저 빔의 미리 정한 넓이 내부에 위치하는 핀 홀은 4개이며, 상기 4개의 핀 홀은 사각형의 4개 모서리 위치에 배열되는 구조이다.
도 4는 기판이 볼록한 모양의 곡률일 경우, 동일한 형상의 핀 홀 조합으로 된 빔 분리기를 사용하여 곡률을 측정하는 구조(a) 및 기판 표면에 도달한 복수개 레이저 빔(13)과 검출기에 도달한 복수개 레이저 빔(14)의 간격(b)에 대한 개념도를 나타낸다. 볼록한 모양의 곡률을 측정하게 되면 검출기에 도달한 빔 간격(31)이 시료 표면의 빔 간격(201)보다 넓어지게 되어 계산과 제어가 용이하게 된다. 상기 도 4와 반대로, 도 5는 기판이 오목한 모양의 곡률일 경우에 동일한 형상의 핀 홀 조합으로 된 빔 분리기를 사용하여 곡률을 측정하는 구조(a) 및 기판 표면에 도달한 복수개의 레이저 빔(13)과 검출기에 도달한 복수개 레이저 빔(14)의 간격(b)에 대한 개념도를 나타낸다.
도 5의 (b)와 같이 검출기에 도달한 복수개 레이저 빔(14)의 간격(31, 32)이 기판 표면의 빔 간격(201)보다 좁아지게 되면 계산과 제어가 복잡하고 어려워져서 정확한 곡률 측정을 할 수 없게 되는 문제가 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해서 도 3의 (b), (c)와 같이 빔 분리기(50) 상의 핀 홀 형상을 제1 크기의 원형(51), 제2 크기의 원형(52), 제1 크기의 사각형(53), 제2 크기의 사각형(54), 제1 크기의 삼각형(55), 제2 크기의 삼각형(56), 제1 크기의 타원형(57) 및 제2 크기의 타원형(58) 등으로 다양하게 구성할 수 있다. 또한 도 3의 (d)와 같이 상기 핀 홀을 3개만 배열할 수도 있다. 본 발명의 일 구현예에 따른 상기 확장된 레이저 빔의 미리 정한 넓이 내부에 위치하는 핀 홀은 3개이며, 상기 3개의 핀 홀은 직각삼각형의 3개 모서리 위치에 배열되는 구조이다.
도 6은 기판이 오목한 모양의 곡률일 경우, 서로 다른 형상의 핀 홀 조합으로 된 빔 분리기를 사용하여 곡률을 측정하는 구조(a) 및 기판 표면에 도달한 복수개의 레이저 빔(13)과 검출기에 도달한 복수개 레이저 빔(14)의 간격(b)에 대한 개념도를 나타낸다. 검출기에 도달한 복수개 레이저 빔(14)의 간격(31, 32)이 기판 표면의 빔 간격(201)보다 좁아지더라도 서로 다른 형상으로 구별되기 때문에 계산과 제어가 용이하게 되어 곡률 측정이 가능해진다.
또한, 도면에 예시하지는 않았지만, 본 발명의 다른 구현예에 따른 상기 확장된 레이저 빔의 미리 정한 넓이 내부에 위치하는 핀 홀은 9개이며, 상기 9개의 핀 홀은 3개씩 3열로 배열되는 구조이다.
본 발명의 일 구현예에 따른 상기 제1 크기는 0.1mm 내지 0.5mm 범위이며, 상기 제2 크기는 1mm 내지 2mm 범위일 수 있다. 상기 제1 크기 및/또는 상기 제2 크기는 예시적인 크기이며 이보다 크거나 작을 수 있다.
이상에서 본원의 예시적인 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본원의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본원의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본원의 권리범위에 속하는 것이다.
본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미로 사용된다. 본 명세서에 참고문헌으로 기재되는 모든 간행물의 내용은 본 발명에 도입된다.
10. 레이저 광원
11. 레이저 빔
12. 확장된 레이저 빔
13. 핀 홀을 통과한 평행한 레이저 빔
14. 시료 표면으로부터 반사된 레이저 빔
15. 레이저 빔 확장기
20. 부분 반사 거울
30. 검출기
31, 32. 검출기에 도달한 복수개의 빔
40. 계산 및 제어부
41. 제어
42. 표면 곡률 계산
43. 모니터
50. 레이저 빔 분리부, 빔 분리기
51. 제1 크기의 원형 핀 홀
52. 제2 크기의 원형 핀 홀
53. 제1 크기의 사각형 핀 홀
54. 제2 크기의 사각형 핀 홀
55. 제1 크기의 삼각형 핀 홀
56. 제2 크기의 삼각형 핀 홀
57. 제1 크기의 타원형 핀 홀
58. 제2 크기의 타원형 핀 홀
100. 공정용 장비
110. 뷰포트(viewport)
120. 시료지지부
130. 회전형 검지장치
200. 시료
201. 시료 표면에 도달한 복수개의 빔
210. 침적 유속

Claims (7)

  1. 곡률 측정 장치로, 상기 측정 장치는,
    레이저 광원;
    상기 광원으로부터 나온 레이저 빔(laser beam) 경로상에 위치하고, 상기 레이저 빔의 단면을 미리 정한 넓이로 확장하는 레이저 빔 확장기(beam expander);
    상기 빔 확장기를 통과하여 단면이 확장된 레이저 빔의 경로상에 위치하고, 상기 확장된 레이저 빔의 진행방향과 직교하는 광차단 재질의 평면상에 복수개의 핀 홀(pin hole)을 구비하는 레이저 빔 분리부;
    상기 복수개의 핀 홀을 통과한 복수개의 평행한 레이저 빔이 도달하는 위치에 시료를 위치시키는 시료 지지부;
    상기 시료의 표면으로부터 반사된 복수개의 레이저 빔을 검출하는 검출기; 및
    상기 검출기에서 받은 신호로 표면 곡률을 계산하고, 상기 측정장치 각 구성부의 측정을 위한 가동을 제어하는 계산 및 제어부를 포함하고,
    상기 복수개의 핀 홀은 서로 다른 형상을 가져서 상기 핀 홀을 통과한 레이저 빔은 서로 구별되는 단면 형상 또는 단면 넓이를 가지는,
    곡률 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 핀 홀이 가지는 서로 다른 형상은 원형, 타원형, 사각형, 삼각형 및 서로 다른 크기로 이루어진 조합에서 선택되는,
    곡률 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 광원은, 반도체 레이저인,
    곡률 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 광원과 상기 레이저 빔 확장기 사이에 광필터를 더 포함하고,
    상기 광필터는 상기 레이저 광원 파장대역의 밴드 패스 필터(band pass filter)인,
    곡률 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 확장된 레이저 빔의 미리 정한 넓이 내부에 위치하는 핀 홀은 4개이며,
    상기 4개의 핀 홀은 사각형의 4개 모서리 위치에 배열되는 구조인,
    곡률 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 확장된 레이저 빔의 미리 정한 넓이 내부에 위치하는 핀 홀은 3개이며,
    상기 3개의 핀 홀은 직각삼각형의 3개 모서리 위치에 배열되는 구조인,
    곡률 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 확장된 레이저 빔의 미리 정한 넓이 내부에 위치하는 핀 홀은 9개이며,
    상기 9개의 핀 홀은 3개씩 3열로 배열되는 구조인,
    곡률 측정 장치.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000088546A (ja) 1998-09-14 2000-03-31 Nikon Corp 形状測定装置および測定方法
JP2013160612A (ja) 2012-02-03 2013-08-19 Takaoka Electric Mfg Co Ltd 立体形状計測装置

Patent Citations (2)

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