KR102053886B1 - 스펙트로스코픽 리플렉토메트리를 이용한 시료 분석 방법 - Google Patents

스펙트로스코픽 리플렉토메트리를 이용한 시료 분석 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스펙트로스코픽 리플렉토메트리를 이용한 시료 분석 방법으로서, 본 발명의 일 실시예에 따르는 스펙트로스코픽 리플렉토메트리를 이용한 시료 분석 방법은 시료의 반사도를 측정하는 단계, 시료의 스펙트럼을 측정하고, 측정된 스펙트럼 형상(spectrum shape)이 기 설정된 스펙트럼 형상의 유사범위에 포함되는지 여부를 판단하는 단계, 측정된 스펙트럼 형상이 기 설정된 스펙트럼 형상의 유사범위에 포함되면, 기 설정된 레퍼런스 시료의 반사도와 측정된 반사도를 비교하는 단계, 측정된 반사도와 기 설정된 레퍼런스 시료의 반사도 간의 비교 결과, 측정된 반사도가 기 설정된 레퍼런스 시료의 반사도에 비해 낮은 값 또는 높은 값을 가질 경우, 측정된 반사도를 보정하는 단계, 및 보정된 반사도를 이용하여 피팅하고 시료의 두께를 측정하는 단계를 포함한다.

Description

스펙트로스코픽 리플렉토메트리를 이용한 시료 분석 방법{SAMPLE ANALYSIS METHOD USING SPECTROSCOPIC REFLECTOMETRY}
본 발명은 스펙트로스코픽 리플렉토메트리를 이용한 시료 분석 방법에 관한 것이다.
스펙트로스코픽 리플렉토메트리(Spectroscopic Reflectometry, 이하 'SR'이라 함)는 반사도를 측정하는 장비로서, 정상적인 반사도가 측정되지 않으면 분석 시 두께 오계측이 발생한다. 따라서 정상적인 반사도를 측정할 수 있도록 하드웨어를 적절히 셋팅 해 주는 작업이 기본적으로 필요하다.
그러나 하드웨어의 변경 및 셋팅이 불가능한 경우, 또는 레퍼런스(Reference) 즉, 기준 반사도의 매회 측정이 어려운 인-시츄(In-Situ) 환경의 경우, 또는 측정샘플 자체 형상으로 인해 불가피하게 정상적인 반사도를 얻지 못하는 경우, 이는 리플렉토메트리(Reflectometry)의 측정 방식 한계로 분류된다.
따라서 정상적인 반사도가 아니더라도 분석이 가능한 스펙트럼 모양이 나온다면 분석이 가능할 수 있는 SR을 이용한 시료 분석 방법의 개발이 필요한 실정이다.
일반적으로 리플렉토메트리(Reflectometry)의 경우 2가지 분석법을 가지고 있다.
첫 번째 방법은 측정한 정상적인 반사도를 기준으로 알고 있는 데이터(nk data)를 적용하여 각 계면에서 반사되는 빛의 양을 정밀하게 계산하여 두께를 찾아내는 것이다. 첫 번째 방법의 경우, 반사도의 손실이 거의 없는 시료의 표면 상태, 측정 환경, 측정법이 필요한데, 만일 이들 중 하나라도 부적합하다면 전혀 다른 두께 값이 측정될 수 있다.
두 번째 방법은 빛의 양을 정밀하게 계산하지 않고 위상 차만을 고려하여 파장에 따라 보강 및 상쇄 간섭이 일어나는 위치를 계산함으로써 두께를 추정하는 것이다. 두 번째 방법의 경우, 반사도의 손실이 있더라도, 시료가 가지고 있는 보강 및 상쇄 간섭에 의한 주기가 FFT 변환 시 제대로 표현될 수만 있다면 측정이 가능하다. 하지만 이 방법은 반사도를 이용하는 첫 번째 방법과 비교하여 상대적으로 두께 정확도가 떨어지므로 두께가 5000Å 이상의 후막을 가진 시료의 측정에 사용된다. 그리고 주로 단일 막을 측정하는데 사용되며, 경우에 따라 2층 내지 3층 막의 측정에도 시도하고 있으나 매우 한정된 적용 범위를 갖는 한계가 있었다.
대한민국 공개특허공보 제10-2008-0111723호(2008.12.24. 공개일)
본 발명의 목적은 반사도를 기준으로 두께를 찾아내는 방법과 동일한 방법을 사용하는 스펙트로스코픽 리플렉토메트리를 이용한 시료 분석 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 스펙트럼 모양은 유사하나 시료가 가져야 하는 정상적인 반사도와 차이가 있더라도 분석이 가능해지도록 보정할 수 있는 스펙트로스코픽 리플렉토메트리를 이용한 시료 분석 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 다층 막에 적용이 가능하며, 두께의 적용 범위에 대한 제한이 상대적으로 적어 범용적으로 이용 가능한 스펙트로스코픽 리플렉토메트리를 이용한 시료 분석 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 반사도가 정상적으로 표현되지 않는 시료에도 적용할 수 있는 스펙트로스코픽 리플렉토메트리를 이용한 시료 분석 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 레퍼런스(Reference)를 매번 측정하기 어려운 경우에도 두께 측정 시 오계측을 최소로 줄일 수 있는 스펙트로스코픽 리플렉토메트리를 이용한 시료 분석 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스펙트로스코픽 리플렉토메트리를 이용한 시료 분석 방법은 스펙트로스코픽 리플렉토메트리를 이용한 시료 분석 방법으로서, (a) 시료의 반사도를 측정하는 단계; (b) 상기 시료의 스펙트럼을 측정하고, 측정된 스펙트럼 형상(spectrum shape)이 기 설정된 스펙트럼 형상의 유사범위에 포함되는지 여부를 판단하는 단계; (c) 상기 측정된 스펙트럼 형상이 기 설정된 스펙트럼 형상의 유사범위에 포함되면, 기 설정된 레퍼런스 시료의 반사도와 상기 측정된 반사도를 비교하는 단계; (d) 상기 측정된 반사도와 기 설정된 레퍼런스 시료의 반사도 간의 비교 결과, 상기 측정된 반사도가 기 설정된 레퍼런스 시료의 반사도에 비해 낮은 값 또는 높은 값을 가질 경우, 상기 측정된 반사도를 보정하는 단계; 및 (e) 상기 보정된 반사도를 이용하여 피팅하고 상기 시료의 두께를 측정하는 단계;를 포함한다.
또한, 상기 (a) 단계에서, 상기 반사도의 보정은 하기의 수학식 1에 근거하여 산출될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112018098478010-pat00001
여기서, R은 보정된 반사도, R m 은 측정된 반사도, R b 는 레퍼런스 시료의 반사도, α는 광량이 변한 비율, a i 는 초기 다크 인텐시티(Dark intensity), d는 일렉트리컬 다크 시그널 인텐시티(Electrical Dark Signal Intensity), b i 은 초기 레퍼런스 강도(Reference intensity)를 나타낸다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 스펙트로스코픽 리플렉토메트리를 이용한 시료 분석 방법은 (a) CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정에서 연마기로 웨이퍼 시료의 표면을 평탄화시키며, 상기 웨이퍼 시료의 힐락(hillock) 제거 및 두께 연마를 실시하는 단계; (b) 상기 연마 중인 웨이퍼 시료의 반사도를 측정하는 단계; (c) 상기 웨이퍼 시료의 스펙트럼을 측정하고, 측정된 스펙트럼 형상이 기 설정된 스펙트럼 형상의 유사범위에 포함되는지 여부를 판단하는 단계; (d) 상기 측정된 스펙트럼 형상이 기 설정된 스펙트럼 형상의 유사범위에 포함되면, 기 설정된 레퍼런스 시료의 반사도와 상기 측정된 반사도를 비교하는 단계; (e) 상기 측정된 반사도와 기 설정된 레퍼런스 시료의 반사도 간의 비교 결과, 상기 측정된 반사도가 기 설정된 레퍼런스 시료의 반사도에 비해 낮은 값 또는 높은 값을 가질 경우, 상기 측정된 반사도를 보정하는 단계; 및 (f) 상기 보정된 반사도를 이용하여 피팅하고 상기 웨이퍼 시료의 두께를 측정하는 단계;를 포함한다.
또한, 상기 (e) 단계에서, 상기 반사도의 보정은 하기의 수학식 1에 근거하여 산출될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112018098478010-pat00002
여기서, R은 보정된 반사도, R m 은 측정된 반사도, R b 는 레퍼런스 시료의 반사도, α는 광량이 변한 비율, a i 는 초기 다크 인텐시티(Dark intensity), d는 일렉트리컬 다크 시그널 인텐시티(Electrical Dark Signal Intensity), b i 은 초기 레퍼런스 강도(Reference intensity)를 나타낸다.
또한, 상기 (f) 단계 이후에, (g) 상기 연마 중인 웨이퍼 시료의 두께가 설정된 두께 값을 가지면 상기 연마기의 동작을 중지시키는 단계;를 더 포함한다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르는 스펙트로스코픽 리플렉토메트리를 이용한 시료 분석 방법은 (a) CVD 챔버 내에서 복수의 물질을 이용하여 웨이퍼 시료의 다층 막을 교차로 연속 성막하는 단계; (b) 상기 연속 성막 중인 웨이퍼 시료의 반사도를 측정하는 단계; (c) 상기 웨이퍼 시료의 스펙트럼을 측정하고, 측정된 스펙트럼 형상이 기 설정된 스펙트럼 형상의 유사범위에 포함되는지 여부를 판단하는 단계; (d) 상기 측정된 스펙트럼 형상이 기 설정된 스펙트럼 형상의 유사범위에 포함되면, 기 설정된 레퍼런스 시료의 반사도와 상기 측정된 반사도를 비교하는 단계; (e) 상기 측정된 반사도와 기 설정된 레퍼런스 시료의 반사도 간의 비교 결과, 상기 측정된 반사도가 기 설정된 레퍼런스 시료의 반사도에 비해 낮은 값 또는 높은 값을 가질 경우, 상기 측정된 반사도를 보정하는 단계; 및 (f) 상기 보정된 반사도를 이용하여 피팅하고 상기 웨이퍼 시료의 두께를 측정하는 단계;를 포함한다.
또한, 상기 (e) 단계에서, 상기 반사도의 보정은 하기의 수학식 1에 근거하여 산출될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112018098478010-pat00003
여기서, R은 보정된 반사도, R m 은 측정된 반사도, R b 는 레퍼런스 시료의 반사도, α는 광량이 변한 비율, a i 는 초기 다크 인텐시티(Dark intensity), d는 일렉트리컬 다크 시그널 인텐시티(Electrical Dark Signal Intensity), b i 은 초기 레퍼런스 강도(Reference intensity)를 나타낸다.
또한, 상기 (a) 단계에서, 상기 복수의 물질은 Si3N4 및 SiOx일 수 있다. 예컨대, Si3N4와 SiOx의 물질이 교차로 24pair(예컨대, Si3N4와 SiOx를 1pair로 지칭)까지 쌓이는 성막 구조에서 두께 편차가 수백 Å 에서 40 Å이하로 감소될 수 있다.
본 발명에 따른 스펙트로스코픽 리플렉토메트리를 이용한 시료 분석 방법에 의하면 반사도를 기준으로 두께를 찾아내는 방법과 동일한 방법으로 범용적인 분석이 가능한 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 스펙트로스코픽 리플렉토메트리를 이용한 시료 분석 방법에 의하면 스펙트럼 모양은 유사하나 시료가 가져야 하는 정상적인 반사도와 차이가 있더라도 분석이 가능해지도록 보정할 수 있는 기능을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 스펙트로스코픽 리플렉토메트리를 이용한 시료 분석 방법에 의하면 다층 막에 적용이 가능하며, 두께의 적용 범위에 대한 제한이 상대적으로 적어 범용적인 분석이 가능한 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 스펙트로스코픽 리플렉토메트리를 이용한 시료 분석 방법에 의하면 시료의 표면 거칠기나 시료의 형상에 의해 반사도에 이상이 있는 경우, 또는 시료의 형상이 실린더 형상이거나 기울어진 형상 또는 비정상적인 Z축 등인 경우와 같이 반사도가 정상적으로 표현되지 않는 시료에 대해서도 정확한 두께 분석이 가능한 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 스펙트로스코픽 리플렉토메트리를 이용한 시료 분석 방법에 의하면 레퍼런스(Reference)를 매번 측정하기 어려운 경우(예: 챔버(Chamber) 인-시츄(in-situ) 환경, CMP 공정 시 슬러리 및 DI water 등에 의해 정상적인 반사도에 오차가 생기는 조건 등의 경우에도 시료의 두께를 측정하는 작업 중 오계측을 최소한으로 줄일 수 있는 장점이 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스펙트로스코픽 리플렉토메트리를 이용한 시료 분석 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 정상적인 반사도 조건에서 종래의 시료 분석에 따른 비교예를 나타낸 그래프이다
도 3은 낮은 반사도 조건에서 종래의 시료 분석에 따른 비교예(a)와 본 발명의 시료 분석에 따른 실시예(b)를 비교한 그래프이다.
도 4는 높은 반사도 조건에서 종래의 시료 분석에 따른 비교예(a)와 본 발명의 시료 분석에 따른 실시예(b)를 비교한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스펙트로스코픽 리플렉토메트리를 이용한 시료 분석 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 CMP 공정 중 연마 중인 웨이퍼 시료의 반사도를 측정함에 있어 종래의 시료 분석에 따른 비교예(a)와 본 발명의 시료 분석에 따른 실시예(b)를 비교한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스펙트로스코픽 리플렉토메트리를 이용한 시료 분석 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 8은 Si3N4 두께 변화에 관하여 종래의 시료 분석에 따른 비교예와 본 발명의 시료 분석에 따른 실시예를 비교 도시한 그래프이다.
도 9는 SiOx 두께 변화에 관하여 종래의 시료 분석에 따른 비교예와 본 발명의 시료 분석에 따른 실시예를 비교 도시한 그래프이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
이하에서 구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 스펙트로스코픽 리플렉토메트리 장치를 이용한 시료 분석 방법을 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스펙트로스코픽 리플렉토메트리를 이용한 시료 분석 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 스펙트로스코픽 리플렉토메트리를 이용한 시료 분석 방법은, 반사도 측정단계(S110), 스펙트럼 형상 유사여부 판단단계(S120), 반사도 비교단계(S130), 반사도 보정단계(S140), 및 피팅단계(S150)를 포함한다.
반사도 측정단계(S110)
본 단계는 반사도 측정단계로서, 시료의 반사도를 측정하는 단계에 해당된다.
스펙트럼 형상 유사여부 판단단계(S120)
본 단계는 스펙트럼 형상 유사여부 판단단계로서, 시료의 스펙트럼을 측정하고, 측정된 스펙트럼 형상(spectrum shape)이 시료에 대해 알려진 스펙트럼 형상(이하, '기 설정된 스펙트럼 형상'이라 함)과 유사한지를 판단한다.
구체적인 예로서, 본 단계에서는 시료의 스펙트럼을 측정하여 측정된 스펙트럼 형상이 기 설정된 스펙트럼 형상과 유사한지 여부에 대한 판단할 수 있는 유사범위에 포함되는지를 파악한다.
만일, 측정된 스펙트럼 형상이 시료의 기 설정된 스펙트럼 형상과 동일 또는 유사하다고 판단되는 경우 측정된 반사도가 정상적인 반사도보다 낮게 나오는지 또는 높게 나오는지를 비교 판단할 수 있다.
반사도 비교단계(S130)
본 단계는 반사도 비교단계로서 레퍼런스 시료의 반사도와 측정된 반사도를 비교하는 단계에 해당된다.
구체적인 예로서, 이전 단계에서 측정된 스펙트럼 형상이 기 설정된 스펙트럼 형상의 유사범위에 포함된다는 판단된 경우에만, 측정된 반사도를 기 설정된 레퍼런스 시료의 반사도와 비교한다.
다시 말해, 여기서의 비교는 측정된 반사도와 기 설정된 레퍼런스 시료의 반사도 간의 대소 차이를 비교하는 것으로, 측정된 반사도와 기 설정된 레퍼런스 시료의 반사도에 비해 낮거나 높은 값을 갖는지를 파악할 수 있다.
반사도 보정단계(S140)
본 단계는 반사도 보정단계로서, 반사도 비교단계(S130)에서 측정된 반사도와 기 설정된 레퍼런스 시료의 반사도를 비교한 결과 측정된 반사도가 기 설정된 레퍼런스 시료의 반사도에 비해 낮거나 높은 값을 가질 때, 측정된 반사도를 보정한다.
구체적인 예로서, 반사도의 보정은 하기의 수학식 1에 근거하여 산출될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112018098478010-pat00004
여기서, R은 보정된 반사도, R m 은 측정된 반사도, R b 는 레퍼런스 시료의 반사도, α는 광량이 변한 비율, a i 는 초기 다크 인텐시티(Dark intensity), d는 일렉트리컬 다크 시그널 인텐시티(Electrical Dark Signal Intensity), b i 은 초기 레퍼런스 강도(Reference intensity)를 나타낸다.
피팅단계(S150)
본 단계는 피팅단계로서, 반사도 보정단계(S140)에서 보정된 반사도를 이용하여 시료의 측정된 스펙트럼 형상을 이론적인 스펙트럼 형상과 피팅(fitting)한다. 이후, 이러한 피팅 작업이 완료되면 시료의 두께를 측정한다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 스펙트로스코픽 리플렉토메트리를 이용한 시료 분석 방법은 정상적인 반사도를 기준으로 시료의 두께를 찾아낸다. 이 경우, 시료로부터 측정된 스펙트럼 형상은 이론적인 스펙트럼 형상과 비슷한데, 시료로부터 측정된 반사도가 시료의 정상적인 반사도보다 낮거나 높게 나오므로, 반사도를 보정하여 이론적인 스펙트럼과의 피팅을 수행한다.
즉, 초기 레퍼런스, 다크 인텐시티 스펙트럼(Dark intensity spectrum) 측정에서 광량이 α의 비율로 변한다는 가정을 할 때, 레퍼런스(Reference)의 재측정 없이 시료의 스펙트럼(즉, Intensity Spectrum)만을 측정한다. 그리고 레퍼런스(Reflectance)를 계산한 경우의 보정된 반사도은 측정된 반사도와 상기의 수학식 1과 같은 관계를 갖는다.
역으로, 측정된 반사도(R m )는 보정된 반사도(R)를 이용하여 하기의 수학식 2에 근거하여 산출될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112018098478010-pat00005
도 2는 정상적인 반사도 조건에서 종래의 시료 분석에 따른 비교예를 나타낸 그래프이다
도 2를 참조하면, 정상적인 반사도 조건에서는 종래의 시료 분석 방법에 따른 경우에도 측정 반사도(Blue)와 피팅 반사도(Red) 간의 오류가 없다. 따라서, 반사도 변화가 없으므로 시료의 두께 측정 시 두께 값 오차가 야기되지 않는다.
도 3은 낮은 반사도 조건에서 종래의 시료 분석에 따른 비교예(a)와 본 발명의 시료 분석에 따른 실시예(b)를 비교한 그래프이다. 그리고 도 4는 높은 반사도 조건에서 종래의 시료 분석에 따른 비교예(a)와 본 발명의 시료 분석에 따른 실시예(b)를 비교한 그래프이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 레퍼런스 시료와 측정 시료 간의 간격이 상이하거나 또는 레퍼런스 시료 또는 측정 시료에 임의의 기울기가 발생했을 경우, 정상적인 반사도에 비해 측정된 반사도가 낮거나 높게 나타난다.
도 3의 (a)는 낮은 반사도 조건에서 종래의 일반 분석에 따른 비교예의 결과로서, 시료의 두께 값 분석에 오차가 발생됨을 알 수 있다.
이와 달리, 도 3의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 분석 결과로서 낮은 반사도 조건에서도 시료의 두께 값 분석에 오차가 거의 발생되지 않았다. 즉, 도 3의 (b)는 도 2의 정상적인 반사도 조건과 같은 분석 결과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
또한, 도 4의 (a)는 높은 반사도 조건에서 종래의 일반 분석에 따른 비교예의 결과로서, 시료의 두께 값 분석에 오차가 발생됨을 알 수 있다. 마찬가지로, 도 4의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 분석 결과로서 높은 반사도 조건에서도 시료의 두께 값 분석에 오차가 거의 발생되지 않았음을 확인할 수 있다.
다음으로, CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정에서 웨이퍼 시료의 두께를 분석하는 방법에 관하여 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스펙트로스코픽 리플렉토메트리를 이용한 시료 분석 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5를 참조하면, 도시된 스펙트로스코픽 리플렉토메트리를 이용한 시료 분석 방법은 CMP 공정 중 웨이퍼 시료의 두께 연마 실시단계(S210), 반사도 측정단계(S220), 스펙트럼 형상 유사여부 판단단계(S230), 반사도 비교단계(S240), 반사도 보정단계(S250), 및 피팅단계(S260)를 포함한다.
CMP 공정 중 웨이퍼 시료의 두께 연마 실시단계(S210)
본 단계는 웨이퍼 시료의 두께 연마 실시단계로서, CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정에서 연마기로 웨이퍼 시료의 표면을 평탄화시키는데, 이때 웨이퍼 시료의 힐락(hillock)을 제거하고 두께를 연마하는 단계를 말한다.
CMP 공정은 슬러리와 DI 워터(water)를 주입한 상태에서 연마기를 돌려 웨이퍼(wafer)의 표면을 평탄화시키는 공정을 말한다.
최근에는 폴리실리콘(Poly Si)의 힐락을 제거하기 위한 용도로도 사용된다. 이때, 힐락이 제거되고, 어느 정도로 두께 연마가 진행되면, EPD(End Point Detection)를 통해 연마 동작을 중지시켜야 한다. 이때 웨이퍼 시료의 두께 연마량을 검출하기 위해 스펙트로스코픽 리플렉토메트리가 이용될 수 있다.
반사도 측정단계(S220)
본 단계는 반사도 측정단계로서, 연마 중인 웨이퍼 시료의 반사도를 측정하는 단계에 해당된다.
한편, CMP 공정에서는 슬러리와 DI 워터(water) 등의 이물질에 의해 시료로부터 측정된 반사도가 정상적인 반사도와 차이가 있을 수 있다. 다시 말해, 시료로부터 측정된 스펙트럼 형상은 기 설정된 스펙트럼의 형상과 유사하나 정상적인 반사도에 비해 측정된 반사도가 낮거나 높게 나타남에 따라 시료의 두께 값에 오차가 발생될 수 있다.
스펙트럼 형상 유사여부 판단단계(S230)
본 단계는 스펙트럼 형상 유사여부 판단단계로서, 웨이퍼 시료의 스펙트럼을 측정하고, 측정된 스펙트럼 형상(spectrum shape)이 웨이퍼 시료(즉, 폴리실리콘)에 대해 이론적으로 알려진 스펙트럼 형상(이하, '기 설정된 스펙트럼 형상'이라 함)과 유사한지 여부를 판단한다.
구체적인 예로서, 본 단계에서는 웨이퍼 시료의 스펙트럼을 측정하여 측정된 스펙트럼 형상이 기 설정된 스펙트럼 형상과 유사한지 여부에 대한 판단할 수 있는 유사범위에 포함되는지를 파악한다.
만일, 측정된 스펙트럼 형상이 웨이퍼 시료의 기 설정된 스펙트럼 형상과 동일 또는 유사하다고 판단되는 경우 측정된 반사도가 정상적인 반사도보다 낮게 나오는지 또는 높게 나오는지를 비교 판단할 수 있다.
반사도 비교단계(S240)
본 단계는 반사도 비교단계로서 레퍼런스 시료의 반사도와 측정된 반사도를 비교하는 단계에 해당된다.
구체적인 예로서, 이전 단계에서 측정된 스펙트럼 형상이 기 설정된 스펙트럼 형상의 유사범위에 포함된다는 판단된 경우에만, 측정된 반사도를 기 설정된 레퍼런스 시료의 반사도와 비교한다.
반사도 보정단계(S250)
본 단계는 반사도 보정단계로서, 반사도 비교단계(S240)에서 측정된 반사도와 레퍼런스 시료의 반사도를 비교한 결과 측정된 반사도가 레퍼런스 시료의 반사도에 비해 낮거나 높은 값을 가질 때, 측정된 반사도를 보정한다.
구체적인 예로서, 반사도의 보정은 하기의 수학식 1에 근거하여 산출될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112018098478010-pat00006
여기서, R은 보정된 반사도, R m 은 측정된 반사도, R b 는 레퍼런스 시료의 반사도, α는 광량이 변한 비율, a i 는 초기 다크 인텐시티(Dark intensity), d는 일렉트리컬 다크 시그널 인텐시티(Electrical Dark Signal Intensity), b i 은 초기 레퍼런스 강도(Reference intensity)를 나타낸다.
피팅단계(S260)
본 단계는 피팅단계로서, 반사도 보정단계(S250)에서 보정된 반사도를 이용하여 웨이퍼 시료의 측정된 스펙트럼 형상을 이론적인 스펙트럼 형상과 피팅(fitting)한다. 이후, 이러한 피팅 작업이 완료되면 웨이퍼 시료의 두께를 측정한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 CMP 공정 중 연마 중인 웨이퍼 시료의 반사도를 측정함에 있어 종래의 시료 분석에 따른 비교예(a)와 본 발명의 시료 분석에 따른 실시예(b)를 비교한 그래프이다.
도 6의 (a)를 참조하면, 종래의 일반적인 분석방법을 이용하여 CMP 공정 중 연마 중인 웨이퍼 시료의 반사도를 측정한 결과를 보여주는 그래프로서, 시료의 두께 오차 폭이 크게 나타남을 확인할 수 있다.
이와 달리, 도 6의 (b)를 참조하면, 본 발명의 시료 분석에 따라 CMP 공정 중 연마 중인 웨이퍼 시료의 반사도를 측정한 결과를 보여주는 그래프로서, 도 6의 (a)에 비해 시료의 두께 오차 폭이 크게 감소됨을 확인할 수 있다.
다음으로, CVD 챔버 내에서 다층 막을 연속적으로 성막 하면서 시료의 두께 값을 분석하는 방법에 관하여 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스펙트로스코픽 리플렉토메트리를 이용한 시료 분석 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 7을 참조하면, 도시된 실시예에 따른 스펙트로스코픽 리플렉토메트리를 이용한 시료 분석 방법은 CVD 챔버 내 다층 막 연속 성막단계(S310), 반사도 측정단계(S320), 스펙트럼 형상 유사여부 판단단계(S330), 반사도 비교단계(S340), 반사도 보정단계(S350), 및 피팅단계(S360)를 포함한다.
CVD 챔버 내 다층 막 연속 성막단계(S310)
본 단계는 CVD 챔버 내 다층 막 연속 성막단계로서, CVD 챔버 내에서 복수의 물질을 이용하여 다층 막을 교차로 연속하여 성막한다.
이 단계에서, 다층 막 연속 성막에 이용되는 복수의 물질은 Si3N4 및 SiOx일 수 있다.
구체적인 예로서, Si3N4와 SiOx가 교대로 24pair까지 쌓이는 성막 과정이 진행될 수 있다. 여기서, 1pair는 Si3N4와 SiOx를 지칭한다.
CVD 챔버 내에서 다층 막을 연속적으로 성막하면서 두께를 분석하는 경우, 일정한 두께 이상으로 성막이 이루어질 때 CVD 챔버의 내부가 오염되어, 반사도가 저하되는 현상이 나타난다.
특히, 종래의 시료 분석 방법으로 두께를 측정하는 경우 일정한 두께 이상에서 피팅 오류가 나타날 수 있다.
이 경우, 정확하게 반사도를 측정하기 위해서는 다층 막이 연속으로 성막되는 동안 틈틈이 챔버 클린(clean) 공정을 실시한다거나, 또는 레퍼런스 시료의 반사도를 계속적으로 측정해야 한다.
하지만, 이러한 작업을 수행함에 따라 결과적으로는 성막 시간이 증가되어 전체적인 수율이 저하될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 스펙트로스코픽 리플렉토메트리를 이용한 시료 분석 방법을 이용하여 CVD 챔버 내에서 다층 막을 연속적으로 성막하면서 성막 중인 시료의 두께를 신속하고 정확하게 분석할 수 있다.
반사도 측정단계(S320)
본 단계는 반사도 측정단계로서, 연속 성막 중인 웨이퍼 시료의 반사도를 측정한다.
이 단계에서, CVD 챔버 내에서 다층 막을 연속적으로 성막하는 경우 일정한 층(즉, 두께) 이상으로 성막이 이루어지면 CVD 챔버의 내부가 오염되고, 그 결과 측정된 반사도가 정상적인 반사도에 비해 낮게 측정될 수 있다.
다시 말해, 성막 중인 시료로부터 측정된 스펙트럼 형상은 기 설정된 스펙트럼의 형상과 유사하나 정상적인 반사도에 비해 측정된 반사도가 낮게 나타날 수 있어 시료의 두께 값에 오차가 발생될 수 있다.
스펙트럼 형상 유사여부 판단단계(S330)
본 단계는 스펙트럼 형상 유사여부 판단단계로서, 성막 중인 시료의 스펙트럼을 측정하고, 측정된 스펙트럼 형상(spectrum shape)이 이론적으로 알려진 스펙트럼 형상(이하, '기 설정된 스펙트럼 형상'이라 함)과 유사한지 여부를 판단한다.
반사도 비교단계(S340)
본 단계는 반사도 비교단계로서 레퍼런스 시료의 반사도와 측정된 반사도를 비교하는 단계에 해당된다.
구체적인 예로서, 이전 단계에서 측정된 스펙트럼 형상이 기 설정된 스펙트럼 형상의 유사범위에 포함된다는 판단된 경우에만, 측정된 반사도를 기 설정된 레퍼런스 시료의 반사도와 비교한다.
반사도 보정단계(S350)
본 단계는 반사도 보정단계로서, 측정된 반사도와 레퍼런스 시료의 반사도를 비교한 결과 측정된 반사도가 레퍼런스 시료의 반사도에 비해 낮거나 높은 값을 가질 때, 측정된 반사도를 보정한다.
구체적인 예로서, 반사도의 보정은 하기의 수학식 1에 근거하여 산출될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112018098478010-pat00007
여기서, R은 보정된 반사도, R m 은 측정된 반사도, R b 는 레퍼런스 시료의 반사도, α는 광량이 변한 비율, a i 는 초기 다크 인텐시티(Dark intensity), d는 일렉트리컬 다크 시그널 인텐시티(Electrical Dark Signal Intensity), b i 은 초기 레퍼런스 강도(Reference intensity)를 나타낸다.
피팅단계(S360)
본 단계는 피팅단계로서, 보정된 반사도를 이용하여 웨이퍼 시료의 측정된 스펙트럼 형상을 이론적인 스펙트럼 형상과 피팅(fitting)한다. 이후, 이러한 피팅 작업이 완료되면 웨이퍼 시료의 두께를 측정한다.
도 8은 Si3N4 두께 변화에 관하여 종래의 시료 분석에 따른 비교예와 본 발명의 시료 분석에 따른 실시예를 비교 도시한 그래프이다.
도 8의 (a)를 참조하면, CVD 챔버 내에서 성막되는 다층 막 중 홀수 층인 Si3N4의 두께 변화를 보여주는 1st 그래프로서 종래의 일반 분석에 따른 비교예와 본 발명의 범용 분석에 따른 실시예 간의 두께 편차를 보여준다. 그리고 도 8의 (b)를 참조하면, CVD 챔버 내에서 성막되는 다층 막 중 홀수 층인 Si3N4의 두께 변화를 보여주는 2nd 그래프로서 종래의 일반 분석에 따른 비교예와 본 발명의 범용 분석에 따른 실시예 간의 두께 편차를 보여준다.
도 9는 SiOx 두께 변화에 관하여 종래의 시료 분석에 따른 비교예와 본 발명의 시료 분석에 따른 실시예를 비교 도시한 그래프이다.
도 9의 (a)를 참조하면, CVD 챔버 내에서 성막되는 다층 막 중 짝수 층인 SiOx의 두께 변화를 보여주는 1st 그래프로서 종래의 일반 분석에 따른 비교예와 본 발명의 범용 분석에 따른 실시예 간의 두께 편차를 보여준다. 그리고 도 9의 (b)를 참조하면, CVD 챔버 내에서 성막되는 다층 막 중 짝수 층인 SiOx의 두께 변화를 보여주는 2nd 그래프로서 종래의 일반 분석에 따른 비교예와 본 발명의 범용 분석에 따른 실시예 간의 두께 편차를 보여준다.
도 8 및 도 9를 참조하면, CVD 챔버 내에서 Si3N4와 SiOx를 교대로 24pair까지 성막하는 동안, 비교예와 실시예를 비교한 결과 수백 Å의 두께 편차를 40Å이하로 대폭 줄일 수 있는 유리한 기술적 효과가 있음을 확인하였다.
한편, 시료의 표면 형상에 의해 반사도가 정상적으로 표현되지 않는 경우이거나, 또는 시료의 형태가 플레이트 형상이 아니라 구형 또는 원통형 등과 같이 반사도가 소실되는 경우에도 반사도 보정이 가능한 본 발명의 실시예에 따른 시료 분석 방법을 통해 두께를 정확하게 측정해 낼 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 구성 및 작용에 따르면 정상적인 반사도를 기준으로 두께를 찾아내는 방법을 이용하여 범용적으로 시료의 분석이 가능해 질 수 있다.
또한, 스펙트럼 형상은 유사하나 시료가 갖는 정상적인 반사도와 차이가 있는 경우에도 시료의 분석이 가능해질 수 있도록 반사도를 보정할 수 있다.
또한, 다층 막에 적용이 가능하며, 두께의 적용 범위에 대한 제한이 상대적으로 적어 범용적인 시료의 분석이 가능해 질 수 있다.
또한, 시료의 표면 거칠기나 시료의 형상에 의해 반사도에 이상이 있는 경우, 또는 시료의 형상이 실린더 형상이거나 기울어진 형상 또는 비정상적인 Z축 등인 경우와 같이 반사도가 정상적으로 표현되지 않는 시료에 대해서도 정확한 두께 분석이 가능하다.
또한, 레퍼런스(Reference)를 매번 측정하기 어려운 경우(예: 챔버(Chamber) 인-시츄(in-situ) 환경, CMP 공정 시 슬러리 및 DI water 등에 의해 정상적인 반사도에 오차가 생기는 조건 등의 경우)에도 시료의 두께를 측정하는 작업 중 오계측을 최소한으로 줄일 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

Claims (8)

  1. 스펙트로스코픽 리플렉토메트리를 이용한 시료 분석 방법으로서,
    (a) 시료의 반사도를 측정하는 단계;
    (b) 상기 시료의 스펙트럼을 측정하고, 측정된 스펙트럼 형상(spectrum shape)이 기 설정된 스펙트럼 형상의 유사범위에 포함되는지 여부를 판단하는 단계;
    (c) 상기 측정된 스펙트럼 형상이 기 설정된 스펙트럼 형상의 유사범위에 포함되면, 기 설정된 레퍼런스 시료의 반사도와 상기 측정된 반사도를 비교하는 단계;
    (d) 상기 측정된 반사도와 기 설정된 레퍼런스 시료의 반사도 간의 비교 결과, 상기 측정된 반사도가 기 설정된 레퍼런스 시료의 반사도에 비해 낮은 값 또는 높은 값을 가질 경우, 상기 측정된 반사도를 보정하는 단계; 및
    (e) 상기 보정된 반사도를 이용하여 피팅하고 상기 시료의 두께를 측정하는 단계;를 포함하며,
    상기 (d) 단계에서, 상기 반사도의 보정은 하기의 수학식 1에 근거하여 산출되는 것을 특징으로 하는 스펙트로스코픽 리플렉토메트리를 이용한 시료 분석 방법.
    [수학식 1]
    Figure 112019072606735-pat00008

    (여기서, R은 보정된 반사도, Rm 은 측정된 반사도, Rb 는 레퍼런스 시료의 반사도, α는 광량이 변한 비율, ai 는 초기 다크 인텐시티(Dark intensity), d는 일렉트리컬 다크 시그널 인텐시티(Electrical Dark Signal Intensity), bi 은 초기 레퍼런스 강도(Reference intensity)임)
  2. 삭제
  3. (a) CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정에서 연마기로 웨이퍼 시료의 표면을 평탄화시키며, 상기 웨이퍼 시료의 힐락(hillock) 제거 및 두께 연마를 실시하는 단계;
    (b) 상기 연마 중인 웨이퍼 시료의 반사도를 측정하는 단계;
    (c) 상기 웨이퍼 시료의 스펙트럼을 측정하고, 측정된 스펙트럼 형상이 기 설정된 스펙트럼 형상의 유사범위에 포함되는지 여부를 판단하는 단계;
    (d) 상기 측정된 스펙트럼 형상이 기 설정된 스펙트럼 형상의 유사범위에 포함되면, 기 설정된 레퍼런스 시료의 반사도와 상기 측정된 반사도를 비교하는 단계;
    (e) 상기 측정된 반사도와 기 설정된 레퍼런스 시료의 반사도 간의 비교 결과, 상기 측정된 반사도가 기 설정된 레퍼런스 시료의 반사도에 비해 낮은 값 또는 높은 값을 가질 경우, 상기 측정된 반사도를 보정하는 단계; 및
    (f) 상기 보정된 반사도를 이용하여 피팅하고 상기 웨이퍼 시료의 두께를 측정하는 단계;를 포함하며,
    상기 (e) 단계에서, 상기 반사도의 보정은 하기의 수학식 1에 근거하여 산출되는 것을 특징으로 하는 스펙트로스코픽 리플렉토메트리를 이용한 시료 분석 방법.
    [수학식 1]
    Figure 112019072606735-pat00009

    (여기서, R은 보정된 반사도, Rm 은 측정된 반사도, Rb 는 레퍼런스 시료의 반사도, α는 광량이 변한 비율, ai 는 초기 다크 인텐시티(Dark intensity), d는 일렉트리컬 다크 시그널 인텐시티(Electrical Dark Signal Intensity), bi 은 초기 레퍼런스 강도(Reference intensity)임)
  4. 삭제
  5. 제3항에 있어서,
    상기 (f) 단계 이후에,
    (g) 상기 연마 중인 웨이퍼 시료의 두께가 설정된 두께 값을 가지면 상기 연마기의 동작을 중지시키는 단계;
    를 더 포함하는 스펙트로스코픽 리플렉토메트리를 이용한 시료 분석 방법.
  6. (a) CVD 챔버 내에서 복수의 물질을 이용하여 웨이퍼 시료의 다층 막을 교차로 연속 성막하는 단계;
    (b) 상기 연속 성막 중인 웨이퍼 시료의 반사도를 측정하는 단계;
    (c) 상기 웨이퍼 시료의 스펙트럼을 측정하고, 측정된 스펙트럼 형상이 기 설정된 스펙트럼 형상의 유사범위에 포함되는지 여부를 판단하는 단계;
    (d) 상기 측정된 스펙트럼 형상이 기 설정된 스펙트럼 형상의 유사범위에 포함되면, 기 설정된 레퍼런스 시료의 반사도와 상기 측정된 반사도를 비교하는 단계;
    (e) 상기 측정된 반사도와 기 설정된 레퍼런스 시료의 반사도 간의 비교 결과, 상기 측정된 반사도가 기 설정된 레퍼런스 시료의 반사도에 비해 낮은 값 또는 높은 값을 가질 경우, 상기 측정된 반사도를 보정하는 단계; 및
    (f) 상기 보정된 반사도를 이용하여 피팅하고 상기 웨이퍼 시료의 두께를 측정하는 단계;를 포함하며,
    상기 (e) 단계에서, 상기 반사도의 보정은 하기의 수학식 1에 근거하여 산출되는 것을 특징으로 하는 스펙트로스코픽 리플렉토메트리를 이용한 시료 분석 방법.
    [수학식 1]
    Figure 112019072606735-pat00010

    (여기서, R은 보정된 반사도, Rm 은 측정된 반사도, Rb 는 레퍼런스 시료의 반사도, α는 광량이 변한 비율, ai 는 초기 다크 인텐시티(Dark intensity), d는 일렉트리컬 다크 시그널 인텐시티(Electrical Dark Signal Intensity), bi 은 초기 레퍼런스 강도(Reference intensity)임)
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서,
    상기 복수의 물질은 Si3N4 및 SiOx인 것을 특징으로 하는
    스펙트로스코픽 리플렉토메트리를 이용한 시료 분석 방법.
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