KR102288204B1 - 반도체 표면처리 시스템 - Google Patents

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김종배
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 표면처리 시스템은 레이저를 출력하는 광원부; 레이저에 대한 빔 단면을 균일화하는 호모게나이저; 빔 관통면 및 빔 차단면을 가져 균일화된 레이저에 대한 빔 형상 가공을 수행하는 마스크; 빔 형상이 가공된 레이저의 방향을 변경하면서 스캐닝 동작을 수행하는 스캐너; 및 스캐너에서 출사된 레이저를 스캐너의 스캐닝 동작에 따라 일정 면적의 스캔 영역으로 스캐닝 출력하여 웨이퍼의 표면을 처리하는 텔레센트릭 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

반도체 표면처리 시스템{System for treating the surface of semiconductor device}
본 발명은 레이저 빔을 사용하는 반도체 표면처리 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스캐닝 방식을 활용하여 스테이지 기반 반도체 표면처리 시 그 가공 속도 및 생산성을 향상시킬 수 있는 반도체 표면처리 시스템에 관한 것이다.
레이저를 이용한 표면처리는 각종 반도체 소자 제조 공정 중에 사용될 수 있다. 이러한 레이저를 이용한 표면처리는 웨이퍼의 다수 반도체 소자를 레이저의 빔을 이용함으로써, 낮은 열처리량(thermal budget), 높은 도펀트(dopant) 활성화, 초계단 접합(super-abrupt junction)을 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 레이저를 이용한 표면처리 시스템(이하, “종래 표면처리 시스템”라 지칭함)의 대략적인 구성도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 종래 표면처리 시스템은 광원부(1)에서 발생된 레이저를 호모게나이저(homogenizer)(2)를 통해 균일화시킨 후, 라인 형상 또는 사각 형상의 빔 관통면을 가지는 마스크(3)로 집광된 레이저 빔을 통과시켜 해당 빔 관통면에 따라 일정 크기 및 모양의 빔을 형성한 후, 미러(4) 및 종단 렌즈(5)를 거쳐 최종적으로 웨이퍼(W)에 조사하였다.
하지만, 종래 표면처리 시스템은 고정된 위치에 레이저를 계속 조사하는 중에 웨이퍼(W)가 안착된 스테이지를 이동(구동)시킴으로써 웨이퍼(W)의 상부 표면 전체에 대한 처리가 가능하였다. 하지만, 스테이지의 구동 속도가 제한적이므로, 종래 표면처리 시스템은 웨이퍼(W)에 대한 표면처리 속도의 저하로 생산량이 떨어지는 문제점이 있었다.
또한, 종래 표면처리 시스템은 웨이퍼(W)에 최종 제공하는 라인 형상 또는 사각 형상의 레이저 빔에 대한 크기 및 모양의 가변이 불가능하다. 따라서, 종래 표면처리 시스템은 레이저 빔 스캔(scan) 시 웨이퍼(W)의 반도체 소자의 크기에 따라 조사되는 레이저 빔의 크기 및 모양을 변경시킬 필요가 있는 경우, 해당 크기 및 모양의 빔 관통면을 가진 마스크로 교환해야 하는 문제점이 있었다.
상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 스캐닝 방식을 활용하여 스테이지 기반 반도체 표면처리 시 그 가공 속도 및 생산성을 향상시킬 수 있는 반도체 표면처리 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 레이저의 빔 크기 및 모양의 조절이 가능한 반도체 표면처리 시스템을 제공하는데 그 다른 목적이 있다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 따른 반도체 표면처리 시스템은, (1) 레이저를 출력하는 광원부, (2) 레이저에 대한 빔 단면을 균일화하는 호모게나이저, (3) 빔 관통면 및 빔 차단면을 가져 균일화된 레이저에 대한 빔 형상 가공을 수행하는 마스크, (4) 빔 형상이 가공된 레이저의 방향을 변경하면서 스캐닝 동작을 수행하는 스캐너, (5) 스캐너에서 출사된 레이저를 스캐너의 스캐닝 동작에 따라 일정 면적의 스캔 영역으로 스캐닝 출력하여 웨이퍼의 표면을 처리하는 텔레센트릭 렌즈를 포함한다.
상기 마스크는 빔 관통면의 크기 조절이 가능하여 빔 단면의 크기 및 모양을 조절하는 가변 마스크일 수 있다.
본 발명의 따른 반도체 표면처리 시스템은, (1) 레이저를 통과시키되 조명광 및 반사광을 차단하는 제1 필터, (2) 조명광 및 반사광을 통과시키되 레이저를 차단하는 제2 필터, (3) 상기 마스크와 스캐너 사이에 구비되되, 상기 마스크에서 출사된 레이저에 대해 그 일부를 반사시켜 제1 필터로 출사하고 그 나머지를 통과시켜 스캐너로 출사하며, 제2 필터를 거친 조명광에 대해 그 일부를 반사시켜 스캐너로 출사하고 그 나머지를 통과시켜 제1 필터로 출사하며, 스캐너에서 출사된 반사광에 대해 그 일부를 반사시켜 제2 필터로 출사하는 제1 스플리터, (4) 제1 필터를 통과한 레이저에 대해 그 일부를 반사시켜 빔 프로파일러로 출사하고 그 나머지를 통과시켜 파워 미터로 출사하는 제2 스플리터, (5) 조명에서 출사된 조명광에 대해 그 일부를 반사시켜 제2 필터로 출사하고 그 나머지를 통과시켜 일 방향으로 출사하며, 제2 필터에서 출사된 반사광에 대해 그 일부를 반사시켜 조명으로 출사하고 그 나머지를 통과시켜 카메라로 출사하는 제3 스플리터를 더 포함할 수 있으며, 조명에서 출사되어 제3 스플리터, 제2 필터, 제1 스플리터, 스캐너 및 텔레센트릭 렌즈를 차례로 거친 조명광이 웨이퍼에서 반사되어 반사광이 되고, 해당 반사광이 텔레센트릭 렌즈, 스캐너, 제1 스플리터, 제2 필터 및 제3 스플리터를 차례로 거쳐 카메라로 전달될 수 있다.
상기 텔레센트릭 렌즈는 웨이퍼의 상부 표면 면적 보다 큰 영역에 대해 레이저의 스캐닝 출력이 가능한 대면적 렌즈일 수 있으며, 웨이퍼가 안착된 스테이지의 정지 상태에서 스캐너의 스캐닝 동작에 따라 웨이퍼의 상부 표면 전체에 대해 레이저를 스캐닝 출력함으로써 웨이퍼의 상부 표면 전체에 대한 처리가 가능하다.
상기 텔레센트릭 렌즈는 웨이퍼의 상부 표면 면적 보다 작은 영역에 대해 레이저의 스캐닝 출력이 가능한 소면적 렌즈일 수 있으며, 웨이퍼가 안착된 스테이지의 정지 상태에서 스캐너의 스캐닝 동작에 따라 웨이퍼의 상부 표면의 일부에 대해 레이저를 스캐닝 출력한 후, 스테이지의 이동 후 다시 정지 상태에서 스캐너의 스캐닝 동작에 따라 웨이퍼의 상부 표면의 다른 일부에 대해 레이저를 스캐닝 출력함으로써, 웨이퍼의 상부 표면 전체에 대한 처리가 가능하다.
상기 스캐너는 텔레센트릭 렌즈에서 스캐닝 출력되는 레이저가 스캔 영역에서 제1 라인에 대해 일 방향으로 조사된 후 그 다음의 제2 라인에 대해 타 방향으로 조사되도록 그 스캐닝 동작을 수행할 수 있다.
상기 텔레센트릭 렌즈는 웨이퍼의 상부 표면 면적 보다 작은 영역에 대해 레이저의 스캐닝 출력이 가능한 소면적 렌즈일 수 있으며, 웨이퍼가 안착된 스테이지의 이동 중에 스캐너의 스캐닝 동작에 따라 레이저를 스캐닝 출력함으로써, 웨이퍼의 상부 표면 전체에 대한 처리가 가능하다.
상기 스테이지는 제1 라인에서 제1 방향을 따라 제1 이동을 수행한 후, 그 다음 제2 라인까지 제1 라인에서 제2 라인으로 향하고 제1 방향에 수직한 제3 방향을 따라 제2 이동을 수행한 후, 제2 라인에서 제1 방향의 반대 방향인 제2 방향을 따라 제3 이동을 수행한 후, 그 다음 제3 라인까지 제1 방향에 수직하고 제3 방향의 반대 방향인 제4 방향을 따라 제4 이동을 수행할 수 있다.
상기 스캐너는 텔레센트릭 렌즈에서 출력된 레이저가 왕복하도록 스캐닝 동작을 수행할 수 있되, 제1 및 제3 이동이 수행될 경우, 그 레이저가 제3 방향 및 제4 방향을 왕복하도록 스캐닝 동작을 수행할 수 있고, 제2 이동이 수행될 경우, 그 레이저의 왕복이 시계 방향 및 반시계 방향 중 어느 한 방향으로 회전하도록 스캐닝 동작을 수행할 수 있으며, 제4 이동이 수행될 경우, 그 레이저의 왕복이 시계 방향 및 반시계 방향 중 다른 방향으로 회전하도록 스캐닝 동작을 수행할 수 있다.
제1 스테이지 챔버에 안착된 웨이퍼가 표면처리되는 동안, 제2 스테이지 챔버에서는 기 표면처리된 웨이퍼가 탈착되고 미 표면처리된 다른 웨이퍼가 안착될 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명은 스캐너의 스캐닝 방식을 활용함에 따라 스테이지 기반 반도체 표면처리 시 그 가공 속도 및 생산성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명은 가변 마스크를 활용함에 따라 다수의 반도체 소자를 가진 웨이퍼에 대해 반도체 소자의 크기에 따라 레이저의 빔 크기/모양 및 회전각의 조절이 가능하여, 필요한 다양한 사이즈 변화에 즉각적으로 대응할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명은 검사용 광학계와 각종 검사 장치를 활용함에 따라 표면처리 중에 레이저와 웨이퍼에 대한 다양한 측정이 가능하며 이를 통해 레이저의 파워 및 웨이퍼의 위치 등을 실시간으로 보정 및 안정화시킬 수 있어, 웨이퍼의 표면처리 품질을 일정하게 유지시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명은 복수의 스테이지 챔버를 활용함에 따라 표면처리 작업을 연속적으로 할 수 있어, 그 만큼 생산시간을 단축할 수 있는 이점이 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 레이저를 이용한 표면처리 시스템(이하, “종래 표면처리 시스템”라 지칭함)의 대략적인 구성도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시에에 따른 반도체 표면처리 시스템의 대략적인 구성도를 나타낸다.
도 3은 레이저가 입사 또는 출사되는 방향에서 바라본 가변 마스크(130')의 평면도를 나타낸다.
도 4는 도 3의 A-A'에 대한 단면도를 나타낸다.
도 5는 스캐너(140)의 일 예를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시에에 따른 반도체 표면처리 시스템이 검사용 광학계(160) 등을 더 포함하는 경우를 나타낸다.
도 7은 텔레센트릭 렌즈(150)가 대면적인 경우의 스캔 영역(SA) 등을 나타낸다.
도 8은 텔레센트릭 렌즈(150)가 소면적인 경우의 스캔 영역(SA) 등을 나타낸다.
도 9는 텔레센트릭 렌즈(150)가 소면적이면서 스테이지가 구동하는 제1 경우의 스테이지 이동 방향(SD), 스캔 영역(SA) 등을 나타낸다.
도 10은 텔레센트릭 렌즈(150)가 소면적이면서 스테이지가 구동하는 제2 경우의 스테이지 이동 방향(SD), 빔 이동 방향(BD), 스캔 영역(SA), 등을 나타낸다.
도 11은 본 발명의 일 실시에에 따른 반도체 표면처리 시스템이 복수의 스테이지(S1, S2)를 구비한 경우를 나타낸다.
본 발명의 상기 목적과 수단 및 그에 따른 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 경우에 따라 복수형도 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", “구비하다”, “마련하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 언급된 구성요소 외의 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서, “또는”, “적어도 하나” 등의 용어는 함께 나열된 단어들 중 하나를 나타내거나, 또는 둘 이상의 조합을 나타낼 수 있다. 예를 들어, “또는 B”“및 B 중 적어도 하나”는 A 또는 B 중 하나만을 포함할 수 있고, A와 B를 모두 포함할 수도 있다.
본 명세서에서, “예를 들어” 등에 따르는 설명은 인용된 특성, 변수, 또는 값과 같이 제시한 정보들이 정확하게 일치하지 않을 수 있고, 허용 오차, 측정 오차, 측정 정확도의 한계와 통상적으로 알려진 기타 요인을 비롯한 변형과 같은 효과로 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 발명의 실시 형태를 한정하지 않아야 할 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어’ 있다거나 '접속되어' 있다고 기재된 경우, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성 요소에 '직접 연결되어' 있다거나 '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있어야 할 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 '상에' 있다거나 '접하여' 있다고 기재된 경우, 다른 구성요소에 상에 직접 맞닿아 있거나 또는 연결되어 있을 수 있지만, 중간에 또 다른 구성요소가 존재할 수 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 '바로 위에' 있다거나 '직접 접하여' 있다고 기재된 경우에는, 중간에 또 다른 구성요소가 존재하지 않은 것으로 이해될 수 있다. 구성요소간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 예를 들면, '～사이에'와 '직접 ～사이에' 등도 마찬가지로 해석될 수 있다.
본 명세서에서, '제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 또한, 위 용어는 각 구성요소의 순서를 한정하기 위한 것으로 해석되어서는 안되며, 하나의 구성요소와 다른 구성요소를 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하도록 한다.
본 발명의 일 실시에에 따른 반도체 표면처리 시스템은 다수의 반도체 소자를 가진 웨이퍼에 대해 한 라인씩 레이저의 스캔(scan)을 통해 각 반도체 소자를 표면처리 할 수 있다. 이때, 표면 처리는 레이저 스캔을 통해, 반도체 소자의 도핑 농도를 증가시킬 수 있는 광학적 어닐링(annealing), 반도체 소자 표면의 극성을 변환(예를 들어, 질소 극성을 Ⅲ족 원소 극성으로 변환 등) 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 반도체 소자의 상태, 성질 등을 변화시키는 모든 처리를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시에에 따른 반도체 표면처리 시스템의 대략적인 구성도를 나타내며, 도 6은 본 발명의 일 실시에에 따른 반도체 표면처리 시스템이 검사용 광학계(160) 등을 더 포함하는 경우를 나타낸다. 또한, 도 11은 본 발명의 일 실시에에 따른 반도체 표면처리 시스템이 복수의 스테이지(S1, S2)를 구비한 경우를 나타낸다.
본 발명의 일 실시에에 따른 반도체 표면처리 시스템은, 도 2에 도시된 바와 같이, 광원부(110), 호모게나이저(homogenizer)(120), 마스크(mask)(130), 스캐너(140) 및 텔레센트릭 렌즈(telecentric lens)(150)를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시에에 따른 반도체 표면처리 시스템은, 도 6 및 도 11에 도시된 바와 같이, 검사용 광학계(160)나 복수의 스테이지 챔버(S1, S2)를 더 포함할 수 있다. 다만, 본 발명은 광원부(110)와 호모게나이저(120), 호모게나이저(120)와 마스크 (130), 마스크 (130)와 스캐너(140), 스캐너(140)와 텔레센트릭 렌즈(150), 텔레센트릭 렌즈(150)와 웨이퍼(W)의 사이에 다른 추가 광학계 등과 같은 추가적인 구성을 배제하는 것은 아니다. 이때, 웨이퍼(W)는 이동(구동)이 가능한 스테이지 상의 웨이퍼 척에 안착될 수 있으며, 웨이퍼 척은 약 100℃ 내지 약 600℃ 범위에서 웨이퍼(W)를 히팅할 수 있는 구조를 포함하는 것이 바람직할 수 있다.
그 외에도 본 발명은 각 구성을 제어하는 제어부(미도시)를 포함할 수 있다. 특히, 광원부(110), 가변 마스크(130'), 스캐너(140), 스테이지 및 스테이지 챔버 등의 동작을 제어할 수 있다. 또한, 제어부는 측정 장치에 의한 측정 동작과, 측정 장치에서 측정된 값에 따른 광원부(110)에서 생성되는 레이저의 파워를 보정하는 동작과, 스테이지 및 스테이지 챔버의 이동 동작 등을 제어할 수 있다.
광원부(110)는 레이저를 생성 출력하는 구성이다. 예를 들어, 각 광원부(110)는 DPSS(Diode pumped solid state) 레이저, 플래쉬 LPSS(lamp pumped solid state) 레이저 등을 생성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 각 광원부(110)는 다양한 반복율(예를 들어, 50Hz 이하)과 다양한 펄스당 에너지를 가지는 레이저를 생성할 수 있다.
예를 들어, 각 광원부(110)에서 생성되거나 텔레센트릭 렌즈(150)에서 최종 출력되는 레이저는 파장이 200nm 이상 내지 1,100nm 이하일 수 있고, 그 펄스 폭은 수 ns 이상 내지 2000ns 이하일 수 있으며, 웨이퍼 상에서의 에너지 밀도는 0.3J/cm2 ~ 1.0J/cm2일 수 있을 뿐 아니라, 반도체 디바이스 구조가 복잡해짐에 따라 하부층의 thermal budget을 고려하여 피코초(ps)를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명은 높은 에너지의 레이저를 사용할 수 있어, 표면처리 효율을 높일 수 있다.
호모게나이저(120)는 레이저를 균일화시키는 구성이다. 즉, 균일화 전의 레이저는 빔의 중간 부분에서 에너지가 높고 가장자리 부분에서 에어지가 낮은 가우시안(Gaussian) 빔 형태를 가진다. 이러한 가우시안 빔 형태의 레이저가 대상물의 표면에 조사될 경우, 레이저의 빔이 닿는 부위에 따라 불균일한 표면처리가 발생될 수 있다. 반면, 호모게나이저(120)를 통해 균일화된 레이저는 빔의 중간 부분과 가장자리 부분의 에너지 차이를 최소화하여, 빔 전 영역에서 에너지가 균일한 Flat-top 빔 형태를 가질 수 있다. 특히, 호모게나이저(120)를 이용하여 레이저를 균일화하기 위해서는 레이저의 빔 quality를 좌우하는 M2 값을 20 이상의 값으로 유지하는 것이 바람직할 수 있다.
마스크(130)는 빔 관통면 및 빔 차단면을 가져, 호모게나이저(120)에서 균일화된 레이저에 대한 빔 형상 가공을 수행한다. 예를 들어, 빔 관통면은 라인 형상 또는 사각형 형상 등일 수 있다.
도 3은 레이저가 입사 또는 출사되는 방향에서 바라본 가변 마스크(130')의 평면도를 나타낸다.
특히, 마스크(130)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 빔 관통면의 크기 조절이 가능하여 빔 단면의 크기 및 모양을 조절하는 가변 마스크(130')일 수 있다. 즉, 호모게나이저(120)에서 균일화된 레이저는 가변 마스크(130')를 거치면서 조절된 크기 및 모양을 가지는 빔 형태로 출력될 수 있다.
구체적으로, 가변 마스크(130')는 빔 차단면(131, 132, 133, 134) 및 빔 관통면(135)을 가지되, 빔 차단면(131, 132, 133, 134)의 위치를 이동시켜 빔 관통면(135)의 크기 조절를 조절할 수 있다. 이때, 빔 차단면(131, 132, 133, 134)은 레이저를 흡수 또는 반사하여 차단하는 부분이다. 또한, 빔 관통면(135)은 빔 차단면(131, 132, 133, 134)에 의해 형성된 라인 형상 또는 사각 형상(즉, 직사각형)의 개구 영역으로서 레이저를 관통시키는 부분이며, 빔 차단면(131, 132, 133, 134)의 이동에 따라 그 크기 및 모양이 조절될 수 있다.
도 3을 참조하면, 빔 차단면(131, 132, 133, 134)은 제1축 방향으로 진행하는 레이저를 차단하도록, 제1축에 수직한 제2축 및 제3축이 이루는 평면 상에서 면적을 가지면서 그 위치가 변경될 수 있다. 이때, 빔 관통면(135)을 사이에 두고 그 제2축 방향의 양측에 2개의 빔 차단면(131, 132)(이하, 제1 빔 차단면”이라 지칭함)이 구비된다. 또한, 빔 관통면(135)을 사이에 두고 그 제3축 방향의 양측에 2개의 빔 차단면(133, 134)(이하, 제2 빔 차단면”이라 지칭함)이 구비된다.
제1 빔 차단면(131, 132)은 제2축 방향에서 제2축의 양방향으로 이동이 가능하며, 빔 관통면(135)의 제2축 방향의 관통 길이(H1)를 조절할 수 있다. 또한, 제2 빔 차단면(133, 134)은 제3축 방향에서 제3축의 양방향으로 이동이 가능하며, 빔 관통면(135)의 제3축 방향의 관통 길이(H2)를 조절할 수 있다. 즉, 제1 빔 차단면(131, 132) 및 제2 빔 차단면(133, 134)의 위치 이동에 따라, 빔 관통면(135)은 제2축 방향 및 제3축 방향에 대한 관통 길이(H1, H2)이 조절되면서, 그 크기 및 모양이 조절될 수 있다.
예를 들어, 제1 빔 차단면(131, 132)이 서로를 향하도록 이동하는 경우, 제2축 방향의 관통 길이(H1)는 줄어들면서 점차 넙적한 라인 형상 또는 직사각형 빔의 레이저가 출력될 수 있다. 또한, 제1 빔 차단면(131, 132)이 서로에게서 멀어지도록 이동하는 경우, 제2축 방향의 관통 길이(H1)는 늘어나면서 점차 길쭉한 라인 형상 또는 직사각형 빔의 레이저가 출력될 수 있다.
마찬가지로, 제2 빔 차단면(133, 134)이 서로를 향하도록 이동하는 경우, 제2축 방향의 관통 길이(H2)는 줄어들면서 점차 길쭉한 라인 형상 또는 직사각형 빔의 레이저가 출력될 수 있다. 제2 빔 차단면(133, 134)이 서로에게서 멀어지도록 이동하는 경우, 제2축 방향의 관통 길이(H2)는 늘어나면서 점차 넙적한 라인 형상 또는 직사각형 빔의 레이저가 출력될 수 있다.
또한, 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 가변 마스크(130')는 제1축을 기준으로 빔 차단면(131, 132, 133, 134)을 회전시킬 수 있어, 그 결과 빔 관통면(135)에 대한 회전 조절이 가능하다. 즉, 빔 차단면(131, 132, 133, 134)을 θ만큼 회전시킬 경우, 제2축 및 제3축도 함께 θ만큼 이동하면서, 빔 관통면(135)이 θ만큼 회전한 형태를 가지게 된다. 이 경우, 가변 마스크(130')를 통과한 레이저의 빔은 마름모 형태를 가질 수 있으며, 제1 빔 차단면(131, 132) 및 제2 빔 차단면(133, 133)의 이동에 따라 그 마름모 형태의 크기가 조절될 수 있다.
제1 빔 차단면(131, 132)의 제1축 상의 상부 또는 하부에 제2 빔 차단면(133, 133)이 위치할 수 있다. 또한, 제1 빔 차단면(131) 및 제2 빔 차단면(133)의 제1축 상의 상부 또는 하부에 제1 빔 차단면(132) 및 제2 빔 차단면(134)이 위치할 수 있다. 즉, 차단면(131, 132, 133, 134)들 제1축 상에서 적어도 2가지의 높이 위치를 가질 수 있다.
빔 차단면(131, 132, 133, 134)은 이들에 연결된 나사산 바 및 나사산 바의 회전을 조절하는 손잡이 등의 구성을 통해, 그 이동 및 회전이 조절될 수 있다. 또한, 빔 차단면(131, 132, 133, 134)은 리니어 모터 등에 연결되어 해당 모터의 작용에 따라 그 이동 및 회전이 조절될 수도 있다.
도 4는 도 3의 A-A'에 대한 단면도를 나타낸다.
한편, 가변 마스크(130')를 통해 그 빔의 크기 및 모양이 조절된 레이저는 스티프니스(steepness) 영역을 가질 수 있다. 즉, 스티프니스 영역은 레이저의 에너지가 0에서 시작하여 점점 증가하여 일정하게 되는 영역까지의 영역으로서, 그 빔의 크기 및 모양이 조절된 레이저의 가장자리에 형성된다. 예를 들어, 이러한 스티프니스 영역에 대한 설계 기준은 웨이퍼(W) 상의 스크라이브 라인(scribe Line) 폭 보다 작은 50㎛ 이하일 수 있다.
이때, 빔 차단면(131, 132, 133, 134)가 일정 이상의 두께를 가질 경우, 레이저에 회절 현상이 심화되면서 스티프니스 영역이 늘어날 수 있다. 특히, 본 발명은 즉, 차단면(131, 132, 133, 134)들 Z축 상에서 적어도 2가지의 높이 위치를 가지므로, 이러한 회절 현상에 의한 스티프니스 영역이 더 쉽게 늘어날 수 있다.
한편, 빔 차단면(131, 132, 133, 134)의 두께가 너무 얇아지는 경우, 유연성(flexibility)이 증가하면서 그 형상을 유지하기 어렵거나 레이저에 의해 쉽게 손상될 수 있다.
이에 따라, 스티프니스 영역을 줄여 그 설계 기준에 맞추기 위해, 가변 마스크(130')의 빔 차단면(131, 132, 133, 134)은 유전체 재질로 이루어질 수 있다. 즉, 유전체 재질의 빔 차단면(131, 132, 133, 134)은 Z축 상에서 2가지 높이 위치를 가지더라도, 50㎛ 이하에 해당하는 스티프티스 영역의 설계 기준에 맞으면서 동시에 그 형상 유지 및 레이저에 의한 손상 방지가 가능한 일정 이하의 두께를 가질 수 있다.
다만, 금속 재질의 빔 차단면(131, 132, 133, 134)은 50㎛ 이하에 해당하는 스티프티스 영역의 설계 기준에 맞는 두께를 가지는 경우, 그 두께가 너무 얇아 유연성 증가로 인해 그 형상 유지의 불가능 및 레이저에 의한 손상이 발생할 수 있다. 이에 따라, 도 4에 도시된 바와 같이, 금속 재질의 빔 차단면(131, 132, 133, 134)은 그 단면이 빔 관통면(135)에 가까울수록 두께가 얇아지는 형상으로 이루질 수 있다. 즉, 금속 재질의 빔 차단면(131, 132, 133, 134)은 제1축 상에서 2가지 높이 위치를 가지더라도, 빔 관통면(135)에 근접 부분만이 그 두께가 점차 얇아지고 나머지 부분은 일정 두께 이상으로 형성됨으로써, 50㎛ 이하에 해당하는 스티프티스 영역의 설계 기준에 맞으면서 동시에 그 형상 유지 및 레이저에 의한 손상 방지가 가능할 수 있다.
한편, 호모게나이저(120)와 마스크(130)의 사이에는 필드렌즈(미도시)가 구비될 수도 있다. 이때, 필드렌즈는 호모게나이저(120)를 거쳐 균일화된 레이저를 집광하는 렌즈이다. 즉, 필드렌즈는 상(像)을 만들 목적이 아니고, 레이저를 마스크(130)로 집중시키는데 사용될 수 있다.
스캐너(140)는 마스크(130)를 통과하여 그 빔 형상이 가공된 레이저의 방향을 변경하면서 스캐닝 동작을 수행한다. 즉, 스캐너(140)의 스캐닝 헤드는 1개 이상의 미러(mirror)로 구성되어 있어서, 입사되는 레이저 빔을 움직여 주는 역할을 한다.
예를 들어, 스캐너(140)는 갈바노미터 스캐너(Galvanometer Scanner), 폴리건 미러 스캐너(Polygon Mirror Scanner) 등일 수 있다. 즉, 웨이퍼 척과 스캐너(140)의 미러 스캐닝 헤드는 고정되어 있고, 그 미러 스캐닝 헤드의 내부 미러(mirror)만이 서로 수축한 두 축(예를 들어, x축 및 y축) 상에서 움직임으로써 스캐닝 동작이 수행될 수 있다. 예를 들어, 스캐너(140)는 레이저의 주파수 및 에너지에 따라 저속인 10mm/s에서 10,000mm/s 이상의 고속 스캐너일 수 있다. 또한, 스캐너(130)에 입사되는 레이저의 빔 크기는 직경 30mm 이하로 하여 스캐너(140)의 스캐닝 속도를 저하시키지 않도록 하는 것이 바람직할 수 있다.
도 5는 스캐너(140)의 일 예를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 스캐너(140)는 복수의 갈바노미터 스캐너(141, 142)로 이루어질 수 있다. 각 갈바노미터 스캐너(141, 142)는 회전축에 연결된 미러(141a, 142a)와, 미러(141a, 142a)의 각도를 조절하도록 회전축을 회전시키는 모터(141b, 142b)를 포함한다. 즉, 갈바노미터 스캐너(141, 142)는 레이저의 각도를 편향시켜 그 경로를 컨트롤하는 수단으로, 즉 스캐닝 동작을 수행하는 수단으로 사용될 수 있다. 이러한 스캐닝 동작에 따라, 텔레센트릭 렌즈(150)를 거쳐 최종 출사되는 레이저가 스캔 영역(SA)을 형성하며, 해당 스캔 영역(SA)에 웨이퍼(W)가 위치함으로써 그 웨이퍼(W)의 상부 표면이 레이저에 의해 스캔될 수 있다.
각 갈바노미터 스캐너(141, 142)는 모터(141a, 142a)에 의해 미러(141b, 142b)가 일정한 각도 범위 내에서 회전하도록 제어된다. 즉, 모터(141b, 142b)의 구동에 따라 미러(141a, 142a)가 회전함으로써 스캐닝 동작이 수행될 수 있다. 특히, 각 갈바노미터 스캐너(141, 142)의 회전축은 서로 다른 각도를 가질 수 있으며, 특히, 서로 직교할 수 있다. 이에 따라, 제1 갈바노미터 스캐너(141)의 모터(141a) 구동에 따라 그 미러(141b)가 회전함으로써, 스캔 영역(SA) 상의 평면의 X축 및 Y축 중 어느 하나의 축을 따라 레이저가 이동하면서 스캔될 수 있다. 또한, 제2 갈바노미터 스캐너(142)의 모터(142a) 구동에 따라 그 미러(142b)가 회전함으로써, 스캔 영역(SA) 상의 평면의 X축 및 Y축 중 다른 하나의 축을 따라 레이저가 이동하면서 스캔될 수 있다. 즉, 각 갈바노미터 스캐너(141, 142)은 스캔 영역(SA) 상의 평면에 조사되는 레이저의 위치를 조절할 수 있다.
텔레센트릭 렌즈(150)는 렌즈 바깥쪽 영역에서 레이저 빔이 기울어지는 것을 광학적으로 보정한 렌즈로서, 스캐너(140)에서 출사된 레이저를 스캐너(140)의 스캐닝 동작에 따라 일정 면적의 스캔 영역(SA)으로 스캐닝 출력하여 웨이퍼(W)의 표면을 처리한다. 즉, 텔레센트릭 렌즈(150)는 종단 렌즈로서, 스캔 영역(SA)에 대해 레이저가 수직으로 입사될 수 있게 하며, 스캐너(140)에서 입사되는 레이저 빔을 웨이퍼(W)에 스캐닝 및 포커싱하여 조사하는 역할을 한다. 특히, 웨이퍼(W)에 대한 표면처리 시, 동일한 레이저 빔 사이즈와 동일한 높이에서 가공이 이루어져야 하므로, 광학적으로 보정이 된 텔레센트릭 렌즈(150)가 종단 렌즈로 적용되어야 레이저의 가장자리에서 스티프니스(edge steepness)가 커지는 것을 방지할 수 있다.
이때, 스캐닝 출력이란 스캐너(140)의 스캐닝 동작에 따라 텔레센트릭 렌즈(150)에서 최종 출력되는 레이저의 위치가 조절되면서 스캔 영역(SA) 내에서 스캔되는 것을 지칭할 수 있다. 예를 들어, 텔레센트릭 렌즈(150)의 축소 배율은 약 1/1 내지 약 1/10 정도를 사용하여, 웨이퍼(W) 상에서 레이저의 빔 크기가 너무 작게 되지 않도록 하는 것이 바람직할 수 있다.
도 7은 텔레센트릭 렌즈(150)가 대면적인 경우의 스캔 영역(SA) 등을 나타내며, 도 8은 텔레센트릭 렌즈(150)가 소면적인 경우의 스캔 영역(SA) 등을 나타낸다. 또한, 도 9는 텔레센트릭 렌즈(150)가 소면적이면서 스테이지가 구동하는 제1 경우의 스테이지 이동 방향(SD), 스캔 영역(SA) 등을 나타내며, 도 10은 텔레센트릭 렌즈(150)가 소면적이면서 스테이지가 구동하는 제2 경우의 스테이지 이동 방향(SD), 빔 이동 방향(BD), 스캔 영역(SA), 등을 나타낸다.
한편, 스캔 영역(SA)은 웨이퍼(W)가 안착된 스테이지가 정지 상태에서 스캐너(140)의 스캐닝 동작에 따라 텔레센트릭 렌즈(150)의 스캐닝 출력에 의해 최대로 형성될 수 있는 레이저의 조사 범위를 지칭한다. 또한, 빔 영역(BA)은 웨이퍼(W)로 조사된 레이저의 범위를 지칭한다. 이러한 빔 영역(BA)은 스캐너(140)의 스캐닝 동작에 따라 일 방향으로 이동하게 된다. 또한, 중복 영역(BA)은 스캐너(140)의 스캐닝 동작에 따라 형성된 다수의 빔 영역(BA)이 겹쳐지는 영역을 지칭한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 텔레센트릭 렌즈(150)는 웨이퍼(W)의 상부 표면 면적(즉, 가공 면적) 보다 큰 스캔 영역(SA)에 대해 스캐닝 출력이 가능한 대면적 렌즈로 구현될 수 있다. 예를 들어, 대면적 렌즈의 직경은 웨이퍼(W)의 직경 보다 클 수 있다. 이 경우, 하나의 스캔 영역(SA)에 대한 레이저의 스캐닝 출력에 의해 웨이퍼(W)의 상부 표면 전체를 처리할 수 있다. 즉, 스테이지의 정지 상태에서도, 웨이퍼(W)의 상부 표면 전체에 대한 처리가 가능하다. 이때. 사각 모양의 레이저 빔이 일정한 주기로 발진되어 웨이퍼(W)에 조사되되 최소한의 중첩율을 유지한 상태로 표면처리가 수행되는 것이 바람직할 수 있다.
즉, 텔레센트릭 렌즈(150)가 대면적 렌즈인 경우, 스테이지가 정지 상태에서, 스캐너(140)는 스캔 영역(SA) 내에 위치하는 웨이퍼(W)의 다수의 라인에 대해 차례로 일 방향에서 타 방향, 타 방향에서 일 방향으로 각각 교대하면서 스캐닝 출력이 이루어지도록 스캐닝 동작을 수행할 수 있다. 구체적으로, 스캐너(140)는 텔레센트릭 렌즈(150)에서 스캐닝 출력되는 레이저가 해당 스캔 영역(SA)으로 조사되도록 스캐닝 동작을 수행하되, 제1 라인에 대해 일 방향으로 조사된 후 그 다음의 제2 라인에 대해 타 방향으로 조사된 후 그 다음의 제3 라인에 대해 일 방향으로 조사되도록 그 스캐닝 동작을 수행할 수 있다.
반면, 도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 텔레센트릭 렌즈(150)는 웨이퍼(W)의 상부 표면 면적 보다 작은 스캔 영역(SA)에 대해 스캐닝 출력이 가능한 소면적 렌즈로 구현될 수 있다. 예를 들어, 소면적 렌즈의 직경은 웨이퍼(W)의 직경 보다 작을 수 있다. 이 경우, 다수의 스캔 영역(SA)에 대한 레이저의 스캐닝 출력에 의해 웨이퍼(W)의 상부 표면 전체를 처리할 수 있다. 즉, 스테이지의 구동이 동반되어야, 웨이퍼(W)의 상부 표면 전체에 대한 처리가 가능하다.
다만, 텔레센트릭 렌즈(150)가 소면적 렌즈인 경우, 2가지 방식(제1 방식 및 제2 방식)으로 웨이퍼(W)에 대한 표면처리가 이루어질 수 있다.
즉, 제1 방식은, 도 9에 도시된 바와 같이, 스테이지의 정지 상태에서 스캐너(140)의 스캐닝 동작에 따라 웨이퍼(W)의 상부 표면의 일부에 대해 레이저를 스캐닝 출력한 후, 스테이지의 이동 후 다시 정지 상태에서 스캐너(140)의 스캐닝 동작에 따라 웨이퍼(W)의 상부 표면의 다른 일부에 대해 레이저를 스캐닝 출력함으로써, 웨이퍼(W)의 상부 표면 전체에 대한 처리가 가능한 방식이다. 즉, 레이저에 대한 스캐닝 출력은 반드시 스테이지의 정지 상태에서 이루어지는 방식으로서, 웨이퍼(W) 전체 면적 내에 다수의 스캔 영역(SA)이 존재하며, 각 스캔 영역(SA)에 대한 이동을 위해 스테이지 이동 후 다시 정지 상태를 유지한 상태로 스캐닝 출력이 이루어진다.
도 8을 참조하면, 제1 방식의 경우, 스테이지가 정지 상태에서, 스캐너(140)는 웨이퍼(W) 내에 위치하는 다수의 스캔 영역(SA) 중의 어느 한 스캔 영역(SA)의 다수의 라인에 대해 차례로 일 방향에서 타 방향, 타 방향에서 일 방향으로 각각 교대하면서 스캐닝 출력이 이루어지도록 스캐닝 동작을 수행할 수 있다. 구체적으로, 스캐너(140)는 텔레센트릭 렌즈(150)에서 스캐닝 출력되는 레이저가 해당 스캔 영역(SA)으로 조사되도록 스캐닝 동작을 수행하되, 제1 라인에 대해 일 방향으로 조사된 후 그 다음의 제2 라인에 대해 타 방향으로 조사된 후 그 다음의 제3 라인에 대해 일 방향으로 조사되도록 그 스캐닝 동작을 수행할 수 있다. 이와 같이 어느 한 스캔 영역(SA)에 대한 스캐닝 동작이 완료되면, 스테이지가 이동한 후, 정지 상태에서 그 다음 스캔 영역(SA)에 대해 상술한 과정을 수행한다.
이러한 제1 방식은 스캐너(140)의 스캐닝 동작에 의한 스캐닝 출력을 이용함에 따라 종래 표면처리 시스템에 비해 상부 표면 전체에 대한 처리 속도가 더욱 향상될 수 있다.
제2 방식은 제1 방식과 달리, 스테이지의 이동 중에 스캐너(140)의 스캐닝 동작에 따라 레이저를 스캐닝 출력함으로써, 웨이퍼(W)의 상부 표면 전체에 대한 처리가 가능한 방식이다. 즉, 스테이지의 이동과 스캐너(140)의 스캐닝 동작이 동시에 이루어지는 방식이다. 이를 위해, 제어부(미도시)가 스캐너(140)와 스테이지에 대한 각각 위치 정보 및 속도 정보 등을 수신하여 이들을 제어해야 한다.
도 10을 참조하면, 제2방식의 경우, 스테이지는 제1 라인에서 제1 방향(D1)을 따라 제1 이동을 수행한 후, 그 다음 제2 라인까지 제1 라인에서 제2 라인으로 향하고 제1 방향(D1)에 수직한 제3 방향(D3)을 따라 제2 이동을 수행한 후, 제2 라인에서 제1 방향(D1)의 반대 방향인 제2 방향(D2)을 따라 제3 이동을 수행한 후, 그 다음 제3 라인까지 제1 방향(D1)에 수직하고 제3 방향(D3)의 반대 방향인 제4 방향(D4)을 따라 제4 이동을 수행한다. 이때, 스캐너(140)는 텔레센트릭 렌즈(150)에서 출력되는 레이저가 일 방향에서 타 방향으로, 타 방향에서 다시 일 방향으로 계속해서 왕복하도록 스캐닝 동작을 수행하되, 제1 및 제3 이동이 수행될 경우, 그 레이저가 제3 방향(D3) 및 제4 방향(D4)을 왕복하도록 스캐닝 동작을 수행하고, 제2 이동이 수행될 경우, 그 레이저의 왕복이 시계 방향 및 반시계 방향 중 어느 한 방향으로 회전하도록 스캐닝 동작을 수행하며, 제4 이동이 수행될 경우, 그 레이저의 왕복이 시계 방향 및 반시계 방향 중 다른 방향으로 회전하도록 스캐닝 동작을 수행한다.
이러한 제2 방식은 스테이지의 이동 중에 스캐너(140)의 스캐닝 동작에 의한 스캐닝 출력을 이용함에 따라, 제1 방식에 비해 웨이퍼(W) 상부 표면 전체에 대한 처리 속도가 더욱 향상될 수 있다.
한편, 검사용 광학계(160)는 레이저, 웨이퍼(W) 등에 대한 검사를 수행하기 위해 필요한 광을 각 검사 장치로 가이드(guide) 하는 구성이다. 이러한 검사 장치로는, 도 6에 도시된 바와 같이, 레이저에 대한 빔 프로파일 측정을 수행하는 빔 프로파일러(beam profiler; BP), 레이저의 파워를 측정하는 파워 미터(power meter; PM), 웨이퍼(W)의 상부를 촬영하기 위한 카메라(CA) 등이 포함될 수 있다. 또한, 카메라(CA)의 촬영을 위해 필요한 조명광을 제공하는 조명(LT)도 구비될 수 있다. 이러한 검사 장치 및 조명(LT)은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 표면처리 시스템으로 구성으로 포함될 수 있다.
도 6을 참조하면, 검사용 광학계(160)는 제1 스플리터(161), 제2 스플리터(162), 제3 스플리터(163), 제3 필터(166), 제1 필터(164), 제2 필터(165) 등을 포함할 수 있다.
제1 내지 제3 필터(164, 165, 166)는 입사되는 광(레이저 포함)에 대해 특정의 광 주파수 대역을 통과시키고 다른 광 주파수 대역을 차단하여 출사하는 구성이다. 이때, 제1 필터(164)는 제1 스플리터(161)와 제2 스플리터(162)의 사이에 구비될 수 있으며, 제2 필터(165)는 제1 스플리터(161)와 제3 스플리터(163)의 사이에 구비될 수 있다. 또한, 제3 필터(166)는 마스크(130)와 제1 스플리터(161)의 사이에 구비될 수 있고,
구체적으로, 제1 및 제3 필터(164, 166)는 레이저를 통과시키되 조명광 및 반사광을 차단하는 광 주파수 대역을 가지는 광학 필터일 수 있다. 또한, 제2 필터(165)는 조명광 및 반사광을 통과시키되 레이저를 차단하는 광 주파수 대역을 가지는 광학 필터일 수 있다. 이때, 조명광은 조명(LT)에서 출력된 광을 지칭하며, 반사광은 해당 조명광이 다양한 구성을 거쳐 웨이퍼(W)의 상부에 도달한 후 반사된 광을 지칭한다.
제1 내지 제3 스플리터(161, 162, 163)는 입사되는 광(레이저 포함)에 대해 그 일부를 반사시켜 출사시키고 그 나머지를 통과시켜 출사시킴으로써, 분할 출사하는 구성이다.
구체적으로, 제1 스플리터(161)는 마스크(130)와 스캐너(140)의 사이, 즉 제1 필터(165)와 스캐너(140)의 사이에 구비는 것으로서, 마스크(130)에서 출사되어 제3 필터(166)를 거친 레이저에 대해 그 일부를 반사시켜 제1 필터(164)로 출사하고 그 나머지를 통과시켜 스캐너(140)로 출사한다. 이때, 극소량의 레이저만이 제1 필터(164)로 출사되고, 해당 극소량의 레이저는 레이저의 광 주파수 대역을 관통시키는 제1 필터(164)를 거쳐 제2 스플리터(162)로 전달된다. 이후, 제2 스플리터(162)는 제1 필터(164)를 통과한 극소량의 레이저에 대해 그 일부를 반사시켜 빔 프로파일러(BP)로 출사하고 그 나머지를 통과시켜 파워 미터(PM)로 출사한다. 그 결과, 해당 극소량의 레이저는 각각 빔 프로파일러(BP) 및 파워 미터(PM)로 분할 출사됨으로써, 각각 레이저에 대한 빔 프로파일 및 파워 측정을 위해 사용될 수 있다. 반면, 제1 스플리터(161)를 통과한 대부분의 레이저는 스캐너(140)로 출사되고 스캐너(140)의 스캐닝 동작에 따라 텔레센트릭 렌즈(150)에서 스캐닝 출력됨으로써, 웨이퍼(W)의 상부 표면을 처리하는데 사용될 수 있다. 다만, 웨이퍼(W)의 상부 표면에 조사된 레이저는 반사되어 텔레센트릭 렌즈(150), 스캐너(140) 및 제1 스플리터(161)를 거쳐, 제1 스플리터(161)에서 제3 필터(166) 및 제2 필터(165)로 각각 분할 출사될 수 있다. 이때, 제2 필터(165)로 출사된 레이저는 레이저의 광 주파수 대역을 차단하는 제2 필터(165)의 필터링 작용에 따라 제3 스플리터(163)로 전달되지 않으므로, 그에 따른 카메라(CA)에 대한 악영향을 차단할 수 있다.
한편, 제1 스플리터(161)는 조명(LT)에서 출력되고 제3 스플리터(163)에서 반사되어 제2 필터(165)를 거친 조명광에 대해 그 일부를 반사시켜 스캐너(140)로 출사하고 그 나머지를 통과시켜 제1 필터(164)로 출사한다. 이때, 스캐너(140)로 출사된 조명광은 텔레센트릭 렌즈(150)를 거쳐 웨이퍼(W)의 상부에 도달한 후에 반사되며, 그에 따른 반사광이 다시 텔레센트릭 렌즈(150) 및 스캐너(140)를 거쳐 제1 스플리터(161)로 출사된다. 반면, 제1 필터(164)로 출사된 조명광은 조명광 및 반사광의 광 주파수 대역을 차단하는 제1 필터(164)의 필터링 작용에 따라 제2 스플리터(162)로는 전달되지 않는다.
또한, 제1 스플리터(161)는 스캐너(140)에서 출사된 반사광에 대해 그 일부를 반사시켜 제2 필터(165)로 출사하고 그 나머지를 통과시켜 제3 필터(166)로 출사한다. 이때, 제2 필터(165)로 출사된 반사광은 조명광 및 반사광의 광 주파수 대역을 관통시키는 제2 필터(165)를 거쳐 카메라(CA)로 출사됨으로써 웨이퍼(W)의 상부에 대한 촬영이 가능하다. 반면, 제3 필터(166)로 출사된 반사광은 조명광 및 반사광의 광 주파수 대역을 차단하는 제3 필터(166)의 필터링 작용에 따라 마스크(130)로는 전달되지 않는다. 다만, 이러한 반사광의 영향은 미미하므로, 상술한 설명과 달리, 본 발명에서 제3 필터(166)는 구비되지 않을 수도 있다.
제3 스플리터(163)는 조명(LT)에서 출사된 조명광에 대해 그 일부를 반사시켜 제2 필터(165)로 출사하고 그 나머지를 통과시켜 일 방향으로 출사한다. 이때, 일 방향은 다른 구성 및 광학계에 영향을 미치지 않도록 이들을 향하지 않는 방향일 수 있다. 또한, 제3 스플리터(163)는 제2 필터(165)에서 출사된 반사광에 대해 그 일부를 반사시켜 조명(LT)으로 출사하고 그 나머지를 통과시켜 카메라(CA)로 출사한다.
즉, 레이저에 대한 검사를 위해, 마스크(130)에서 출사된 레이저의 극소량이 제1 스플리터(161), 제1 필터(164) 및 제2 스플리터(162)를 차례로 거쳐 빔 프로파일러(BP) 및 파워 미터(PM)로 전달될 수 있다. 이에 따라, 파워 미터(PM)는 레이저 빔의 일부를 실시간으로 측정하여 가공되는 레이저 빔의 에너지가 일정하게 유지되는지 확인할 수 있다. 또한, 빔 프로파일러(BP)는 레이저 빔의 일부를 실시간으로 측정하여 가공되는 레이저 빔의 형상에 변화가 있는지 확인할 수 있다.
또한, 웨이퍼(W)에 대한 검사를 위해, 조명에서 출사되어 제3 스플리터(163), 제2 필터(165), 제1 스플리터(161), 스캐너(140) 및 텔레센트릭 렌즈(150)를 차례로 거친 조명광이 웨이퍼(W)에서 반사되어 반사광이 되고, 해당 반사광이 텔레센트릭 렌즈(150), 스캐너(140), 제1 스플리터(161), 제2 필터(165) 및 제3 스플리터(163)를 차례로 거쳐 카메라(CA)로 전달될 수 있다. 이에 따라, 실시간으로 가공되는 웨이퍼(W)의 가공 이미지를 얻을 수 있다.
한편, 도 11을 참조하면, 본 발명은 스테이지 챔버(S1, S2)를 이용하여 웨이퍼(W)에 대한 표면처리를 수행할 수 있다. 이때, 스테이지 챔버(S1, S2)는 웨이퍼(W)를 안착 또는 탈착하되, 안착된 웨이퍼(W)에 대한 레이저 표면처리를 위한 공간을 제공하는 구성으로서, 복수개가 구비된다. 이에 따라, 어느 스테이지 챔버(S1 및 S2 중 하나)에 안착된 웨이퍼(W)가 표면처리되는 동안, 다른 스테이지 챔버(S1 및 S2 중 다른 하나)에서는 해당 챔버에서 표면처리된 웨이퍼(W)가 탈착되고 미 표면처리된 다른 웨이퍼(W)가 안착 및 정렬되며, 이와 같은 공정이 서로 교대로 발생한다. 각 스테이지 챔버(S1, S2)는 레일 상에서 이동이 가능하며, 자체적으로 구동이 가능한(즉, 위치 이동이 가능한) 스테이지를 각각 구비할 수 있다.
<응용예 1>
레이저의 빔 크기가 직경 4mm이고 에너지가 100mJ/cm2이며 주파수가 200Hz의 DPSS 레이저를 사용할 경우, 레이저는 호모게나이저(120)와 마스크(130)를 거치면서 8mm X 8mm 사각 형상의 빔으로 구성될 수 있다. 이후, 해당 레이저가 1/2 배율 텔레센트릭 렌즈(150)를 통과하면, 4mm X 4mm 포커스(focus)된 레이저 빔이 된다. 이러한 빔으로 300mm 웨이퍼(W)를 가공할 경우, 중첩율은 0.1mm, 스캐너(140)의 스캐닝 속도는 780mm/s로 가정할 경우, 웨이퍼(W) 1장에 대한 표면 처리(예를 들어, 어닐링 등) 시간은 약 29.62초가 된다. 기타 상세한 사항은 다음과 같다.
- 레이저의 빔 간 중첩폭: 0.1mm
- 가공 속도: 3.9mm X 200Hz = 780mm/s
- 1개 라인 가공 시간: 300mm / 780mm/s = 0.385sec
- 총 가공 라인 수: 300mm / 3.9mm = 77 라인
- 웨이퍼(W) 1장 가공 시간: 77라인 X (300mm / 780mm/s) = 약 29.62sec
<응용예 2>
레이저 펄스당 에너지가 15mJ, 반복주파수가 10kHz의 DPSS 레이저를 사용하는 경우, 적절한 텔레센트릭 렌즈(150)의 배율을 선택하여 웨이퍼(W) 상에서 레이저 빔 크기를 1.2mm x 1.2mm로 할 수 있다. 또한 스캔 영역(SA)이 웨이퍼(W) 상부 표면 면적 보다 커, 한번의 스캐닝 동작에 의해 웨이퍼(W) 상부 표면 전체를 처리하되, 스캐너의 스캐닝 속도는 11m/s로 고속인 경우, 웨이퍼(W) 1장에 대한 표면처리 시간은 7.5sec로 매우 빠르게 된다. 기타 상세한 사항은 다음과 같다.
- 레이저 빔간 중첩폭: 0.1mm
- 가공 속도: 1.1mm X 10,000Hz = 11000mm/s
- 1개 라인 가공 시간: 300mm / 11000mm/s = 0.02727sec
- 총 가공 라인 수: 300mm / 1.1mm = 273 라인
. 웨이퍼 1장 가공 시간: 273라인 X (300mm / 11000mm/s) = 약 7.5sec
상술한 바와 같이 구성되는 본 발명은 스캐너(140)의 스캐닝 방식을 활용함에 따라 스테이지 기반 반도체(W)의 표면처리 시 그 가공 속도 및 생산성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다. 또한, 본 발명은 가변 마스크(130')를 활용함에 따라 다수의 반도체 소자를 가진 웨이퍼(W)에 대해 반도체 소자의 크기에 따라 레이저의 빔 크기/모양 및 회전각의 조절이 가능하여, 필요한 다양한 사이즈 변화에 즉각적으로 대응할 수 있는 이점이 있다. 또한, 본 발명은 검사용 광학계(160)와 각종 검사 장치를 활용함에 따라 표면처리 중에 레이저와 웨이퍼(W)에 대한 다양한 측정이 가능하며 이를 통해 레이저의 파워 및 웨이퍼(W)의 위치 등을 실시간으로 보정 및 안정화시킬 수 있어, 웨이퍼(W)의 표면처리 품질을 일정하게 유지시킬 수 있는 이점이 있다. 또한, 본 발명은 복수의 스테이지 챔버(S1, S2)를 활용함에 따라 표면처리 작업을 연속적으로 할 수 있어, 챔버 개수에 비례하여 그 만큼 생산시간을 단축할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술되는 청구범위 및 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
110: 광원부 120: 호모게나이저
130: 마스크 131, 132, 133, 134: 빔 차단면
135: 빔 관통면 140: 스캐너
141, 142: 갈바노미터 스캐너 141a, 142a: 모터
141b, 142b: 미러 150: 텔레센트릭 렌즈
160: 검사용 광학계 161: 제1 스플리터
162: 제2 스플리터 163: 제3 스플리터
164: 제1 필터 165: 제2 필터
166: 제3 필터 BP: 빔 프로파일러
CA: 카메라 H1, H2: 관통 길이
PM: 파워미터 S: 스테이지 챔버
W: 웨이퍼 θ: 회전각

Claims (10)

  1. 레이저를 출력하는 광원부;
    레이저에 대한 빔 단면을 균일화하는 호모게나이저;
    빔 관통면 및 빔 차단면을 가져 균일화된 레이저에 대한 빔 형상 가공을 수행하는 마스크;
    빔 형상이 가공된 레이저의 방향을 변경하면서 스캐닝 동작을 수행하는 스캐너;
    스캐너에서 출사된 레이저를 스캐너의 스캐닝 동작에 따라 일정 면적의 스캔 영역으로 스캐닝 출력하여 웨이퍼의 표면을 처리하는 텔레센트릭 렌즈;
    레이저를 통과시키되 조명광 및 반사광을 차단하는 제1 필터;
    조명광 및 반사광을 통과시키되 레이저를 차단하는 제2 필터;
    상기 마스크와 스캐너 사이에 구비되되, 상기 마스크에서 출사된 레이저에 대해 그 일부를 반사시켜 제1 필터로 출사하고 그 나머지를 통과시켜 스캐너로 출사하며, 제2 필터를 거친 조명광에 대해 그 일부를 반사시켜 스캐너로 출사하고 그 나머지를 통과시켜 제1 필터로 출사하며, 스캐너에서 출사된 반사광에 대해 그 일부를 반사시켜 제2 필터로 출사하는 제1 스플리터;
    제1 필터를 통과한 레이저에 대해 그 일부를 반사시켜 빔 프로파일러로 출사하고 그 나머지를 통과시켜 파워 미터로 출사하는 제2 스플리터; 및
    조명에서 출사된 조명광에 대해 그 일부를 반사시켜 제2 필터로 출사하고 그 나머지를 통과시켜 일 방향으로 출사하며, 제2 필터에서 출사된 반사광에 대해 그 일부를 반사시켜 조명으로 출사하고 그 나머지를 통과시켜 카메라로 출사하는 제3 스플리터;
    를 포함하며,
    조명에서 출사되어 제3 스플리터, 제2 필터, 제1 스플리터, 스캐너 및 텔레센트릭 렌즈를 차례로 거친 조명광이 웨이퍼에서 반사되어 반사광이 되고, 해당 반사광이 텔레센트릭 렌즈, 스캐너, 제1 스플리터, 제2 필터 및 제3 스플리터를 차례로 거쳐 카메라로 전달되는 것을 특징으로 하는 반도체 표면처리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마스크는 빔 관통면의 크기 조절이 가능하여 빔 단면의 크기 및 모양을 조절하는 가변 마스크인 것을 특징으로 하는 반도체 표면처리 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 텔레센트릭 렌즈는,
    웨이퍼의 상부 표면 면적 보다 큰 영역에 대해 레이저의 스캐닝 출력이 가능한 대면적 렌즈이며,
    웨이퍼가 안착된 스테이지의 정지 상태에서 스캐너의 스캐닝 동작에 따라 웨이퍼의 상부 표면 전체에 대해 레이저를 스캐닝 출력함으로써 웨이퍼의 상부 표면 전체에 대한 처리가 가능한 것을 특징으로 하는 반도체 표면처리 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 텔레센트릭 렌즈는,
    웨이퍼의 상부 표면 면적 보다 작은 영역에 대해 레이저의 스캐닝 출력이 가능한 소면적 렌즈이며,
    웨이퍼가 안착된 스테이지의 정지 상태에서 스캐너의 스캐닝 동작에 따라 웨이퍼의 상부 표면의 일부에 대해 레이저를 스캐닝 출력한 후, 스테이지의 이동 후 다시 정지 상태에서 스캐너의 스캐닝 동작에 따라 웨이퍼의 상부 표면의 다른 일부에 대해 레이저를 스캐닝 출력함으로써, 웨이퍼의 상부 표면 전체에 대한 처리가 가능한 것을 특징으로 하는 반도체 표면처리 시스템.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 스캐너는 텔레센트릭 렌즈에서 스캐닝 출력되는 레이저가 스캔 영역에서 제1 라인에 대해 일 방향으로 조사된 후 그 다음의 제2 라인에 대해 타 방향으로 조사되도록 그 스캐닝 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 표면처리 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 텔레센트릭 렌즈는,
    웨이퍼의 상부 표면 면적 보다 작은 영역에 대해 레이저의 스캐닝 출력이 가능한 소면적 렌즈이며,
    웨이퍼가 안착된 스테이지의 이동 중에 스캐너의 스캐닝 동작에 따라 레이저를 스캐닝 출력함으로써, 웨이퍼의 상부 표면 전체에 대한 처리가 가능한 것을 특징으로 하는 반도체 표면처리 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 스테이지는,
    제1 라인에서 제1 방향을 따라 제1 이동을 수행한 후, 그 다음 제2 라인까지 제1 라인에서 제2 라인으로 향하고 제1 방향에 수직한 제3 방향을 따라 제2 이동을 수행한 후, 제2 라인에서 제1 방향의 반대 방향인 제2 방향을 따라 제3 이동을 수행한 후, 그 다음 제3 라인까지 제1 방향에 수직하고 제3 방향의 반대 방향인 제4 방향을 따라 제4 이동을 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 표면처리 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 스캐너는,
    텔레센트릭 렌즈에서 출력된 레이저가 왕복하도록 스캐닝 동작을 수행하되,
    제1 및 제3 이동이 수행될 경우, 그 레이저가 제3 방향 및 제4 방향을 왕복하도록 스캐닝 동작을 수행하고,
    제2 이동이 수행될 경우, 그 레이저의 왕복이 시계 방향 및 반시계 방향 중 어느 한 방향으로 회전하도록 스캐닝 동작을 수행하며,
    제4 이동이 수행될 경우, 그 레이저의 왕복이 시계 방향 및 반시계 방향 중 다른 방향으로 회전하도록 스캐닝 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 표면처리 시스템.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 스테이지 챔버에 안착된 웨이퍼가 표면처리되는 동안, 제2 스테이지 챔버에서는 기 표면처리된 웨이퍼가 탈착되고 미 표면처리된 다른 웨이퍼가 안착되는 것을 특징으로 하는 반도체 표면처리 시스템.
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