KR102292209B1 - 반도체 계측 시스템 및 이를 이용한 반도체 소자의 계측 방법 - Google Patents
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Abstract
반도체 계측 시스템은, 기판 상에 막을 증착하기 위한 프로세싱 챔버, 상기 프로세싱 챔버와 결합하는 버퍼 챔버, 및 상기 버퍼 챔버와 결합하는 계측 센서를 포함한다. 상기 계측 센서는 상기 기판이 상기 버퍼 챔버 내에 제공되는 동안, 상기 기판에 입사되는 입사광을 제공하는 광원, 상기 기판으로부터 반사되는 반사광의 스펙트럼 데이터를 측정하는 분광기, 및 상기 버퍼 챔버 내부에 제공되는 측정 유닛을 포함한다. 상기 측정 유닛은 상기 입사광을 평행광으로 변환시켜 상기 기판에 입사시키는 시준기, 및 상기 반사광을 상기 분광기로 입사시키는 제1 광 분할기를 포함한다.
Description
본 발명은 반도체 계측 시스템 및 이를 이용한 반도체 소자의 계측 방법에 관한 것이다.
반도체 소자들은 그들의 소형화, 다기능화, 및/또는 낮은 제조 비용 등의 특성들로 인하여 전자 산업에서 널리 사용되고 있다. 반도체 소자들은 포토리소그라피 공정, 식각 공정, 증착 공정, 이온 주입 공정, 및 세정 공정과 같은 다양한 제조 공정들에 의해 제조될 수 있다.
반도체 소자의 상기 제조 공정들을 수행한 후, 계측 공정을 수행하여 반도체 소자를 구성하는 패턴들의 불량 여부를 판별할 수 있다. 이러한 계측 공정을 통하여 상기 제조 공정들의 조건들을 최적화할 수 있고, 반도체 소자들의 불량 여부를 조기에 확인할 수 있다.
반도체 소자의 고집적화 경향에 따라 반도체 소자의 패턴들은 더욱 미세화되고 있으며, 미세화된 패턴들의 파라미터들을 측정할 수 있는 보다 높은 신뢰성의 반도체 계측 방법 및 반도체 계측 장비가 요구되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 계측의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 반도체 계측 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 계측의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 계측 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 반도체 계측 시스템은, 기판 상에 막을 증착하기 위한 프로세싱 챔버; 상기 프로세싱 챔버와 결합하는 버퍼 챔버; 및 상기 버퍼 챔버와 결합하는 계측 센서를 포함할 수 있다. 상기 계측 센서는 상기 기판이 상기 버퍼 챔버 내에 제공되는 동안, 상기 기판에 입사되는 입사광을 제공하는 광원; 상기 기판으로부터 반사되는 반사광의 스펙트럼 데이터를 측정하는 분광기; 및 상기 버퍼 챔버 내부에 제공되는 측정 유닛을 포함할 수 있다. 상기 측정 유닛은 상기 입사광을 평행광으로 변환시켜 상기 기판에 입사시키는 시준기; 및 상기 반사광을 상기 분광기로 입사시키는 제1 광 분할기를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 광원 및 상기 분광기는 상기 버퍼 챔버 외부에 제공되고, 각각 광 파이버를 통해 상기 측정 유닛에 연결될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 광원은 광대역 파장대의 광을 발생시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 광 파이버는 번들 타입 광 파이버일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 시준기는 타원경을 이용한 반사형 시준기일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 계측 센서는, 상기 버퍼 챔버 내부에 제공되고, 상기 계측 센서와 상기 기판 사이의 정렬 정도를 검사하기 위한 정렬 검사 유닛을 더 포함할 수 있다. 상기 정렬 검사 유닛은 상기 계측 센서와 상기 기판 사이의 정렬 정도를 검사하는 동안, 상기 입사광 및 상기 반사광의 각각의 광 경로와 중첩하도록 배치되는 제2 광 분할기; 및 상기 제2 광 분할기를 사이에 두고, 수평적으로 서로 이격되어 배치되는 반사 거울 및 검출기를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 반사 거울 및 상기 검출기는, 상기 입사광 및 상기 반사광의 각각의 상기 광 경로와 중첩하지 않는 위치에 각각 배치될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 정렬 검사 유닛은 상기 기판과 상기 측정 유닛 사이에 배치될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제2 광 분할기는 이동형 광 분할기일 수 있다. 상기 계측 센서와 상기 기판 사이의 정렬 정도의 검사가 완료된 후, 상기 제2 광 분할기는 상기 입사광 및 상기 반사광의 각각의 상기 광 경로를 벗어나도록 배치될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 정렬 검사 유닛은 상기 제2 광 분할기와 상기 검출기 사이에 배치되는 집광 렌즈를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 계측 센서와 상기 기판 사이의 정렬 정도를 검사하는 동안, 상기 제2 광 분할기는, 상기 입사광을 상기 기판으로 입사되는 제1 입사광 및 상기 반사 거울로 입사되는 제2 입사광으로 분할하고, 상기 반사광을 상기 분광기로 입사되는 제1 반사광 및 상기 검출기로 입사되는 제2 반사광으로 분할할 수 있다. 상기 제2 입사광은 상기 반사 거울에 의해 반사되어 상기 검출기로 입사될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 검출기는, 상기 제2 입사광에 의해 형성되는 제1 이미지 데이터, 및 상기 제2 반사광에 의해 형성되는 제2 이미지 데이터를 검출할 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 계측 시스템은, 상기 계측 센서에 연결되는 제어기를 더 포함할 수 있다. 상기 제어기는, 동일 평면 상에서 상기 제1 이미지 데이터와 상기 제2 이미지 데이터의 위치를 분석하여 상기 계측 센서와 상기 기판 사이의 정렬 정도를 판단할 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 계측 시스템은, 상기 계측 센서에 연결되는 제어기를 더 포함하되, 상기 제어기는, 상기 계측 센서를 이용하여 상기 기판의 측정 스펙트럼을 획득하고, 상기 기판의 미리 획득된 참조 스펙트럼과 상기 측정 스펙트럼의 차이를 분석하여 상기 계측 센서와 상기 기판 사이의 정렬 정도를 판단할 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 계측 시스템은, 상기 계측 센서에 연결되는 제어기를 더 포함하되, 상기 제어기는, 상기 프로세싱 챔버 내에서 상기 기판 상에 막을 증착하기 전, 상기 기판이 상기 버퍼 챔버 내에 제공되는 동안, 상기 계측 센서를 이용하여 상기 기판의 제1 스펙트럼을 획득하고, 상기 프로세싱 챔버 내에서 상기 기판 상에 막을 증착한 후, 상기 기판이 상기 버퍼 챔버 내에 제공되는 동안, 상기 계측 센서를 이용하여 상기 기판의 제2 스펙트럼을 획득하고, 상기 제1 스펙트럼과 상기 제2 스펙트럼의 차이를 이용하여 상기 기판의 대상 파라미터를 획득할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 대상 파라미터는, 상기 기판 상에 증착된 상기 막의 두께일 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 소자의 계측 방법은, 반도체 소자를 형성하는 프로세스가 수행되는 프로세싱 툴에 결합하는 계측 센서를 준비하는 것; 상기 프로세싱 툴 내에 제공된 기판과 상기 계측 센서 사이의 정렬 정도를 검사하는 것; 및 상기 계측 센서를 이용하여 상기 기판의 대상 파라미터를 측정하는 것을 포함할 수 있다. 상기 계측 센서는 상기 프로세싱 툴 외부에 제공되는 광원; 상기 프로세싱 툴 내부에 제공되는 광 분할기; 및 상기 프로세싱 툴 내부에 제공되고, 상기 광 분할기를 사이에 두고 수평적으로 서로 이격되어 배치되는 반사 거울 및 검출기를 포함할 수 있다. 상기 기판과 상기 계측 센서 사이의 정렬 정도를 검사하는 것은, 상기 광원을 이용하여 상기 기판을 조명하는 것; 상기 기판으로 입사되는 입사광의 광 경로 및 상기 기판으로부터 반사되는 반사광의 광 경로와 중첩하도록 상기 광 분할기를 배치하는 것; 상기 광 분할기에 의해 분리된 상기 입사광의 일부가 상기 반사 거울에 의해 반사되고 상기 검출기에 입사되어 형성되는 제1 이미지 데이터를 상기 검출기로부터 획득하는 것; 상기 광 분할기에 의해 분리된 상기 반사광의 일부가 상기 검출기로 입사되어 형성되는 제2 이미지 데이터를 상기 검출기로부터 획득하는 것; 및 동일 평면 상에서 상기 제1 이미지 데이터와 상기 제2 이미지 데이터의 위치를 분석하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 소자의 계측 방법은, 상기 제1 이미지 데이터와 상기 제2 이미지 데이터의 각각의 위치가 허용 범위를 벗어나는 경우, 상기 계측 센서의 위치를 조정하는 것을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 프로세싱 툴은, 상기 기판 상에 막을 증착하기 위한 프로세싱 챔버, 및 상기 프로세싱 챔버와 결합하는 버퍼 챔버를 포함할 수 있다. 상기 계측 센서는 상기 버퍼 챔버에 결합할 수 있다. 상기 대상 파라미터를 측정하는 것은, 상기 프로세싱 챔버 내에서 상기 기판 상에 막을 증착하기 전, 상기 기판이 상기 버퍼 챔버 내에 제공되는 동안, 상기 계측 센서를 이용하여 상기 기판의 제1 스펙트럼을 획득하는 것; 상기 프로세싱 챔버 내에서 상기 기판 상에 막을 증착한 후, 상기 기판이 상기 버퍼 챔버 내에 제공되는 동안, 상기 계측 센서를 이용하여 상기 기판의 제2 스펙트럼을 획득하는 것; 및 상기 제1 스펙트럼과 상기 제2 스펙트럼의 차이를 이용하여 상기 기판의 상기 대상 파라미터를 획득하는 것을 포함할 수 있다. 상기 대상 파라미터는 상기 기판 상에 증착된 상기 막의 두께일 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 소자의 계측 방법은, 반도체 소자를 형성하는 프로세스가 수행되는 프로세싱 툴에 결합하는 계측 센서를 준비하는 것; 상기 프로세싱 툴 내에 제공된 기판과 상기 계측 센서 사이의 정렬 정도를 검사하는 것; 및 상기 계측 센서를 이용하여 상기 기판의 대상 파라미터를 측정하는 것을 포함할 수 있다. 상기 기판과 상기 계측 센서 사이의 정렬 정도를 검사하는 것은, 상기 기판의 이미 알려진 참조 스펙트럼을 획득하는 것; 상기 계측 센서를 이용하여 상기 기판의 측정 스펙트럼을 획득하는 것; 및 상기 참조 스펙트럼과 상기 측정 스펙트럼의 차이를 분석하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 개념에 따르면, 반도체 소자를 형성하는 프로세스가 수행되는 프로세싱 툴의 버퍼 챔버에 결합되는 계측 센서가 제공될 수 있다. 상기 계측 센서는, 상기 버퍼 챔버 내부에 제공되는 측정 유닛 및 상기 정렬 검사 유닛을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 프로세싱 툴 내에 제공되는 양산 기판 상에 상기 반도체 소자를 형성하는 프로세스가 수행되기 전 및 후에, 상기 양산 기판에 대한 전수 검사가 가능할 수 있다. 더하여, 상기 측정 유닛 및/또는 상기 정렬 검사 유닛을 이용하여 상기 계측 센서와 상기 양산 기판 사이의 정렬 정도가 모니터될 수 있다. 따라서, 반도체 소자의 계측 신뢰성이 향상될 수 있고, 우수한 신뢰성을 갖는 반도체 소자의 제조가 가능할 수 있다.
또한, 상기 프로세싱 툴에 결합되는 상기 계측 센서가 제공됨에 따라 별도의 계측 장비가 요구되지 않을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 계측 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 2는 도 1의 계측 센서를 나타내는 개략도이다.
도 3은 도 1의 계측 센서를 보다 구체적으로 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자의 계측 방법을 나타내는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4의 단계(S20)을 구체적으로 나타내는 순서도이다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4의 단계(S20)을 설명하기 위한 개념도들이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4의 단계(S40)을 구체적으로 나타내는 순서도이다.
도 8a 내지 도 9a, 및 도 8b 내지 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4의 단계(S40)을 설명하기 위한 개념도들이다.
도 10a는 본 발명의 일 실시예에 따라 측정 대상 기판 상에 형성된 막의 두께에 따른 스큐 스펙트럼의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 10b는 도 10a의 스큐 스펙트럼으로부터 계산된 막의 두께와 파괴 검사를 통해 획득된 막의 두께 사이의 상관관계를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 4의 단계(S20)을 구체적으로 나타내는 순서도이다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 4의 단계(S20)을 설명하기 위한 개념도들이다.
도 13은 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자의 계측 방법을 이용하는 반도체 소자의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 도 1의 계측 센서를 나타내는 개략도이다.
도 3은 도 1의 계측 센서를 보다 구체적으로 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자의 계측 방법을 나타내는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4의 단계(S20)을 구체적으로 나타내는 순서도이다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4의 단계(S20)을 설명하기 위한 개념도들이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4의 단계(S40)을 구체적으로 나타내는 순서도이다.
도 8a 내지 도 9a, 및 도 8b 내지 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4의 단계(S40)을 설명하기 위한 개념도들이다.
도 10a는 본 발명의 일 실시예에 따라 측정 대상 기판 상에 형성된 막의 두께에 따른 스큐 스펙트럼의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 10b는 도 10a의 스큐 스펙트럼으로부터 계산된 막의 두께와 파괴 검사를 통해 획득된 막의 두께 사이의 상관관계를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 4의 단계(S20)을 구체적으로 나타내는 순서도이다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 4의 단계(S20)을 설명하기 위한 개념도들이다.
도 13은 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자의 계측 방법을 이용하는 반도체 소자의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 계측 시스템을 나타내는 개략도이다. 도 2는 도 1의 계측 센서를 나타내는 개략도이고, 도 3은 도 1의 계측 센서를 보다 구체적으로 설명하기 위한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 반도체 계측 시스템(500)은 반도체 소자를 형성하는 프로세스가 수행되는 프로세싱 툴(530) 및 컴퓨터 시스템(550)을 포함할 수 있다.
상기 프로세싱 툴(530)은, 기판(100) 상에 반도체 소자를 형성하는 프로세스를 수행하는 프로세싱 챔버(510), 및 반도체 소자를 형성하는 프로세스를 수행하지 않고 상기 기판(100)이 상기 프로세싱 챔버(510)로 이송되는 통로를 제공하는 버퍼 챔버(520)를 포함할 수 있다. 상기 프로세싱 챔버(510)는 일 예로, 상기 기판(100) 상에 막을 증착하기 위한 증착 공정을 수행할 수 있다. 상기 버퍼 챔버(520)는 상기 프로세싱 챔버(510)와 결합할 수 있다. 상기 기판(100)은 버퍼 챔버(520)과 상기 프로세싱 챔버(510) 사이에 제공되는 도어(미도시)를 통하여 상기 버퍼 챔버(520)로부터 상기 프로세싱 챔버(510)로, 또는 상기 프로세싱 챔버(510)로부터 상기 버퍼 챔버(520)로 이송될 수 있다. 상기 프로세싱 챔버(510) 및 상기 버퍼 챔버(520)는 상기 기판(100)이 로딩되는 스테이지(512)를 각각 포함할 수 있다.
상기 반도체 계측 시스템(500)은 상기 버퍼 챔버(520)와 결합하는 계측 센서(540)를 더 포함할 수 있다. 상기 계측 센서(540)는 상기 기판(100)이 상기 버퍼 챔버(520) 내에 제공되는 동안, 상기 기판(100)에 형성된 패턴의 광학 신호를 측정할 수 있다. 상기 광학 신호는 일 예로, 스펙트럼 데이터를 포함할 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 계측 센서(540)는, 상기 기판(100)이 상기 버퍼 챔버(520) 내에 제공되는 동안, 상기 기판(100)으로 입사되는 입사광(Li)을 제공하는 광원(LS), 상기 기판(100)으로부터 반사되는 반사광(Lr)의 스펙트럼 데이터를 측정하는 분광기(SP), 및 상기 버퍼 챔버(520) 내부에 제공되는 측정 유닛(MU)을 포함할 수 있다. 상기 광원(LS) 및 상기 분광기(SP)는 상기 버퍼 챔버(520) 외부에 제공될 수 있고, 상기 버퍼 챔버(520)를 관통하는 광 파이버(F)를 통해 상기 측정 유닛(MU)에 각각 연결될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 광원(LS)은 광대역 파장대의 광을 발생시킬 수 있고, 상기 광 파이버(F)는 번들 타입의 광 파이버일 수 있다. 상기 계측 센서(540)는, 도시되지 않았지만, 상기 광원(LS)과, 상기 광원(LS)에 연결되는 상기 광 파이버(F) 사이에, 상기 광원(LS)으로부터 발생된 빛을 상기 광 파이버(F)로 집광시키기 위한 집광 렌즈를 더 포함할 수 있다.
상기 측정 유닛(MU)은, 상기 입사광(Li)을 평행광으로 변화시켜 상기 기판(100)에 입사시키는 시준기(collimator, 104) 및 상기 반사광(Lr)의 광 경로를 상기 입사광(Li)의 광 경로와 다르게 하여, 상기 반사광(Lr)을 상기 분광기(SP)로 입사시키는 제1 광 분할기(first beam splitter, 106)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 시준기(104)는 타원경을 이용한 반사형 시준기일 수 있다.
구체적으로, 상기 광원(LS)으로부터 발생된 상기 입사광(Li)은 상기 제1 광 분할기(106)를 통과하여 상기 시준기(104)로 입사되어 평행광으로 변화될 수 있다. 상기 시준기(104)는 평행광으로 변화된 상기 입사광(Li)이 상기 기판(100)의 상면에 수직하게 입사되도록 배치될 수 있다. 상기 입사광(Li)이 상기 기판(100)의 상기 상면에 수직하게 입사됨에 따라, 상기 기판(100)으로부터 반사되는 상기 반사광(Lr)은 상기 입사광(Li)과 동일한 광 경로를 따라 상기 시준기(104)를 통과하여 상기 제1 광 분할기(106)로 입사될 수 있다. 상기 제1 광 분할기(106)에서 상기 반사광(Lr)은 상기 입사광(Li)의 광 경로로부터 분리되어 상기 광 파이버(F)를 통해 상기 분광기(SP)로 입사될 수 있다.
본 발명의 개념에 따르면, 광대역 파장대의 광을 발생시키는 상기 광원(LS)이 번들 타입의 상기 광 파이버(F)에 연결되어 다파장을 갖는 상기 입사광(Li)이 제공될 수 있다. 상기 다파장 입사광(Li)이 타원경을 이용한 반사형의 상기 시준기(104)를 통해 평행광으로 변환됨에 따라, 다파장에 의한 색수차 영향이 최소화될 수 있고, 동시에, 상기 기판(100) 표면의 넓은 영역을 조사할 수 있는 평행광이 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 분광기(SP)는, 상기 기판(100) 상에 형성된 패턴들에 의한 영향이 최소화된 스펙트럼 데이터를 측정할 수 있다.
상기 측정 유닛(MU)은 상기 시준기(104) 및 상기 제1 광 분할기(106)를 그 내부에 고정시키는 측정 유닛 프레임(102)을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 광 파이버(F)는 상기 측정 유닛 프레임(102)의 측벽에 연결될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 계측 센서(540)는 상기 입사광(Li)의 광량을 모니터하기 위한 광량 감지 센서(108)를 더 포함할 수 있다. 상기 입사광(Li)의 일부가 상기 제1 광 분할기(106)에 의해 분리되어 상기 광량 감지 센서(108)로 입사될 수 있다. 상기 광량 감지 센서(108)는, 도시된 바와 같이, 상기 측정 유닛 프레임(102)의 외부에 고정될 수 있으나, 본 발명의 개념은 이에 한정되지 않는다.
상기 계측 센서(540)는, 상기 버퍼 챔버(520) 내부에 제공되는 정렬 검사 유닛(AU)을 더 포함할 수 있다. 상기 정렬 검사 유닛(AU)은 상기 기판(100)과 상기 측정 유닛(MU) 사이에 제공될 수 있다. 상기 정렬 검사 유닛(AU)은 상기 계측 센서(540)와 상기 기판(100) 사이의 정렬 정도를 검사할 수 있다.
상기 정렬 검사 유닛(AU)은, 상기 계측 센서(540)와 상기 기판(100) 사이의 정렬 정도를 검사하는 동안, 상기 입사광(Li) 및 상기 반사광(Lr)의 각각의 광 경로와 중첩하도록 배치되는 제2 광 분할기(second beam splitter, 116), 상기 제2 광 분할기(116)의 일 측에 배치되는 반사 거울(114), 및 상기 제2 광 분할기(116)를 사이에 두고 상기 반사 거울(114)로부터 수평적으로 이격되어 배치되는 검출기(118)를 포함할 수 있다. 상기 반사 거울(114) 및 상기 검출기(118)는 상기 입사광(Li) 및 상기 반사광(Lr)의 각각의 광 경로와 중첩되지 않는 위치에 각각 배치될 수 있다. 상기 정렬 검사 유닛(AU)은 상기 제2 광 분할기(116)와 상기 검출기(118) 사이에 배치되는 집광 렌즈(120)를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 계측 센서(540)와 상기 기판(100) 사이의 정렬 정도를 검사하는 동안, 상기 입사광(Li)의 일부는 상기 제2 광 분할기(116)에 의해 분리되어 상기 반사 거울(114)로 입사되고, 상기 입사광(Li)의 다른 일부는 상기 제2 광 분할기(116)를 통과하여 상기 기판(100)으로 입사될 수 있다. 상기 반사 거울(114)로 입사된 상기 입사광(Li)의 상기 일부는 상기 반사 거울(114)에 의해 반사될 수 있고, 상기 제2 광 분할기(116)를 투과하여 상기 집광 렌즈(120)를 통해 상기 검출기(118)에 입사되어 이미지를 형성할 수 있다. 더하여, 상기 계측 센서(540)와 상기 기판(100) 사이의 정렬 정도를 검사하는 동안, 상기 반사광(Lr)의 일부는 상기 제2 광 분할기(116)에 의해 분리되어 상기 집광 렌즈(120)를 통해 상기 검출기(118)에 입사되어 이미지를 형성할 수 있다. 상기 검출기(118)에 형성되는 이미지 데이터를 이용하여 상기 계측 센서(540)와 상기 기판(100) 사이의 정렬 정도를 검사하는 구체적인 방법은 후술한다.
상기 제2 광 분할기(116)는 이동형 광 분할기(moveable beam splitter)일 수 있다. 이에 따라, 상기 계측 센서(540)와 상기 기판(100) 사이의 정렬 정도 검사가 완료된 후, 상기 제2 광 분할기(116)는 상기 입사광(Li) 및 상기 반사광(Lr)의 각각의 광 경로로부터 벗어나도록 배치될 수 있다.
상기 정렬 검사 유닛(AU)은, 그 내부에 상기 반사 거울(114) 및 상기 제2 광 분할기(116)가 장착되는 제1 정렬 검사 유닛 프레임(112), 및 그 내부에 상기 집광 렌즈(120) 및 상기 검출기(118)가 장착되는 제2 정렬 검사 유닛 프레임(122)을 더 포함할 수 있다. 상기 측정 유닛 프레임(102)은 상기 제1 정렬 검사 유닛 프레임(112)의 상부에 결합될 수 있고, 상기 제2 정렬 검사 유닛 프레임(122)은 상기 제1 정렬 검사 유닛 프레임(112)의 일 측에 결합될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 계측 센서(540)는, 상기 버퍼 챔버(520) 내에 제공되는 상기 기판(100)을 감지하기 위한 감지 센서(124)를 더 포함할 수 있다. 상기 감지 센서(124)는 상기 기판(100)이 상기 버퍼 챔버(520)의 상기 스테이지(512)에 제공되는 경우에만 상기 광원(LS)이 점등되도록 제어하기 위해 제공될 수 있다. 상기 감지 센서(124)는, 도시된 바와 같이, 상기 제1 정렬 검사 유닛 프레임(112)의 외부에 장착될 수 있으나, 본 발명의 개념은 이에 한정되지 않는다.
도 1을 다시 참조하면, 상기 컴퓨터 시스템(550)은 상기 계측 센서(540)로부터 획득된 광학 신호를 처리할 수 있다. 상기 컴퓨터 시스템(550)은 다양한 데이터를 처리할 수 있는 제어기(522, controller), 및 다양한 데이터를 저장할 수 있는 저장 장치(524, memory device)를 포함할 수 있다. 상기 저장 장치(524)는 비휘발성 기억 매체를 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 저장 장치(524)는 하드디스크 및/또는 비휘발성 반도체 기억 소자(예컨대, 플래쉬 메모리 소자, 상변화 기억 소자, 및/또는 자기 기억 소자 등)을 포함할 수 있다. 상기 제어기(522) 및 상기 저장 장치(524)의 기능들은 추후에 보다 상세히 설명한다. 더하여, 상기 컴퓨터 시스템(550)은 입출력 유닛(526, input/output unit) 및 인터페이스 유닛(528, interface unit)을 더 포함할 수 있다. 상기 입출력 유닛(526)은 키보드(keyboard), 키패드(keypad), 및/또는 디스플레이 장치(display device)를 포함할 수 있다. 상기 계측 센서(540)로부터 획득된 데이터는 상기 인터페이스 유닛(528)을 통해 상기 컴퓨터 시스템(550)으로 전달될 수 있다. 더하여, 상기 컴퓨터 시스템(550)에서 처리된 데이터는 상기 인터페이스 유닛(528)을 통해 상기 계측 센서(540)로 전달될 수도 있다. 상기 인터페이스 유닛(528)은 유선 요소, 무선 요소, 및/또는 USB(universal serial bus) 포트 등을 포함할 수 있다. 상기 제어기(522), 상기 저장 장치(524), 상기 입출력 유닛(526), 및 상기 인터페이스 유닛(528)은 데이터 버스(data bus)를 통하여 서로 결합될 수 있다.
상술된 반도체 계측 시스템(500)을 이용하여 반도체 소자의 계측 방법이 수행될 수 있다. 이하에서, 반도체 소자의 계측 방법을 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자의 계측 방법을 나타내는 순서도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4의 단계(S20)을 구체적으로 나타내는 순서도이고, 도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4의 단계(S20)을 설명하기 위한 개념도들이다.
도 1, 도 2, 도 3, 및 도 4를 참조하면, 프로세싱 챔버(510)와 결합하는 버퍼 챔버(520) 내에 계측 센서(540)가 준비될 수 있다(S10). 상기 계측 센서(540)는 상기 버퍼 챔버(520) 내부에 제공되는 측정 유닛(MU), 광 파이버(F)를 통해 상기 측정 유닛(MU)에 각각 연결되는 광원(LS) 및 분광기(SP), 및 상기 버퍼 챔버(520) 내부에 제공되고 상기 측정 유닛(MU)과 상기 버퍼 챔버(520)의 스테이지(512) 사이에 배치되는 정렬 검사 유닛(AU)을 포함할 수 있다.
상기 측정 유닛(MU)은, 기판(100)이 상기 버퍼 챔버(520)의 상기 스테이지(512) 상에 제공되는 동안, 상기 광원(LS)으로부터 입사되는 입사광(Li)을 평행광으로 변환시켜 상기 기판(100)에 입사시키는 시준기(104), 및 상기 기판(100)으로부터 반사되는 반사광(Lr)의 광 경로를 상기 입사광(Li)의 광 경로와 다르게 하여, 상기 반사광(Lr)을 상기 분광기(SP)로 입사시키는 제1 광 분할기(106)를 포함할 수 있다.
상기 정렬 검사 유닛(AU)은, 상기 계측 센서(540)와 상기 기판(100) 사이의 정렬 정도를 검사하는 동안, 상기 입사광(Li) 및 상기 반사광(Lr)의 각각의 광 경로와 중첩하도록 배치되는 제2 광 분할기(116), 및 상기 제2 광 분할기(116)를 사이에 두고 수평적으로 서로 이격되어 배치되는 반사 거울(114) 및 검출기(118)를 포함할 수 있다. 상기 정렬 검사 유닛(AU)은 상기 제2 광 분할기(116)와 상기 검출기(118) 사이에 개재되는 집광 렌즈(120)를 더 포함할 수 있다.
상기 계측 센서(540)가 준비된 후, 상기 버퍼 챔버(520)의 상기 스테이지(512) 상에 상기 기판(100)이 제공될 수 있다. 이하에서, 상기 기판(100)은 상기 기판(100)과 상기 계측 센서(540) 사이의 정렬 정도를 검사하기 위해 이용되는 테스트 기판일 수 있다. 이 후, 상기 기판(100)과 상기 계측 센서(540) 사이의 정렬 정도가 검사될 수 있다(S20). 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 계측 센서(540)의 정렬 정도를 검사하는 것은, 상기 정렬 검사 유닛(AU)을 이용하여 수행될 수 있다.
구체적으로, 도 3, 도 5, 및 도 6a를 참조하면, 먼저, 제2 광 분할기(116)가 상기 입사광(Li) 및 상기 반사광(Lr)의 각각의 광 경로와 중첩하도록 배치될 수 있다(S201). 상기 입사광(Li)은 상기 제2 광 분할기(116)에 의해 상기 기판(100)으로 입사되는 제1 입사광(Li1) 및 상기 반사 거울(114)로 입사되는 제2 입사광(Li2)으로 분할될 수 있다. 상기 제2 입사광(Li2)은 상기 반사 거울(114)에 의해 반사될 수 있고, 상기 제2 광 분할기(116)을 투과하여 상기 검출기(118)로 입사될 수 있다. 상기 제2 입사광(Li2)은 상기 집광 렌즈(120)를 통해 상기 검출기(118)에 입사되어 이미지를 형성할 수 있다. 이에 따라, 상기 검출기(118)는 제1 이미지 데이터(IMG1)를 검출할 수 있다. 더하여, 상기 반사광(Lr)은 상기 제2 광 분할기(116)에 의해 상기 분광기(SP)로 입사되는 제1 반사광(Lr1) 및 상기 검출기(118)로 입사되는 제2 반사광(Lr2)으로 분할될 수 있다. 상기 제2 반사광(Lr2)은 상기 집광 렌즈(120)를 통해 상기 검출기(118)에 입사되어 이미지를 형성할 수 있다. 이에 따라, 상기 검출기(118)는 제2 이미지 데이터(IMG2)를 검출할 수 있다.
도 1을 참조하여 설명한, 상기 제어기(522)는 상기 검출기(118)로부터 상기 제1 이미지 데이터(IMG1)를 획득할 수 있다(S202). 획득된 상기 제1 이미지 데이터(IMG1)는 상기 저장 장치(524)에 저장될 수 있다. 마찬가지로, 상기 제어기(522)는 상기 검출기(118)로부터 상기 제2 이미지 데이터(IMG2)를 획득할 수 있다(S203). 획득된 상기 제2 이미지 데이터(IMG2)는 상기 저장 장치(524)에 저장될 수 있다.
도 5, 도 6a 내지 도 6d를 참조하면, 상기 제어기(522)는 상기 제1 이미지 데이터(IMG1)와 상기 제2 이미지 데이터(IMG2)의 위치를 분석할 수 있다(S204). 구체적으로, 상기 제1 이미지 데이터(IMG1)와 상기 제2 이미지 데이터(IMG2)는 상기 검출기의 동일 평면 상에 형성될 수 있고, 상기 제어기(522)는 동일 평면 상에서 상기 제1 이미지 데이터(IMG1)와 상기 제2 이미지 데이터(IMG2)의 위치를 분석할 수 있다.
이 후, 상기 제1 이미지 데이터(IMG1)와 상기 제2 이미지 데이터(IMG2)의 위치가 허용 범위 내에 있는지 판단할 수 있다(S205). 상기 제1 이미지 데이터(IMG1)와 상기 제2 이미지 데이터(IMG2)의 위치가 허용 범위 내에 있는 경우, 상기 계측 센서(540)의 정렬 정도의 검사(도 4의 S20)는 완료될 수 있다(S206). 상기 제1 이미지 데이터(IMG1)와 상기 제2 이미지 데이터(IMG2)의 위치가 허용 범위를 벗어나는 경우, 도 1의 S10단계로 되돌아가 상기 버퍼 챔버(520) 내에서 상기 계측 센서(540)의 위치가 조정될 수 있다(S207).
일 예로, 도 6a에 도시된 바와 같이, 상기 계측 센서(540)와 상기 기판(100)이 정렬된 경우, 상기 입사광(Li)은 상기 기판(100)의 상면에 수직하게 입사할 수 있다. 상기 제1 입사광(Li1)은 상기 기판(100)의 상기 상면에 수직한 법선(Nw)에 대하여 0도의 입사각을 가질 수 있고, 상기 제2 입사광(Li2)은 상기 반사 거울(114)의 상면에 수직한 법선(Nr)에 대하여 0도의 입사각을 가질 수 있다. 상기 제2 입사광(Li2)은 상기 반사 거울(114)의 상기 법선(Nr)에 대하여 0도의 반사각을 가지고 상기 반사 거울(114)로부터 반사되어 상기 검출기로(118)로 입사될 수 있고, 이에 따라, 상기 제1 이미지 데이터(IMG1)는 상기 검출기(118)의 허용 영역(P) 내에 형성될 수 있다. 상기 제1 입사광(Li1)이 상기 기판(100)의 상기 법선(Nw)에 대하여 0도의 입사각을 가짐에 따라, 상기 반사광(Lr)은 상기 기판(100)의 상기 법선(Nw)에 대하여 0도의 반사각을 가지고, 상기 제1 입사광(Li1)의 광 경로와 동일한 광 경로를 통해 상기 제2 광 분할기(116)로 입사될 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 반사광(Lr2)은 상기 제2 입사광(Li2)의 광 경로와 동일한 광 경로를 통해 상기 검출기(118)로 입사될 수 있고, 상기 제2 이미지 데이터(IMG2)는 상기 허용 영역(P) 내에 형성되어 상기 제1 이미지 데이터(IMG1)와 중첩할 수 있다. 이 경우, 상기 계측 센서(540)의 정렬 정도의 검사(도 4의 S20)는 완료될 수 있다. 이하에서, 설명의 편의를 위해 기준면(S)이 정의될 수 있고, 상기 기준면(S)은 상기 계측 센서(540)와 상기 기판(100)이 정렬된 경우 상기 기판(100)의 상기 상면에 평행한 면이다.
다른 예로, 도 6b에 도시된 바와 같이, 상기 기판(100)은 상기 기준면(S)에 대하여 소정의 각도(θ1)로 기울어지고, 상기 입사광(Li)은 상기 기준면(S)에 대하여 수직할 수 있다. 이에 따라, 상기 계측 센서(540)와 상기 기판(100) 사이에 오정렬이 발생될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 입사광(Li1)은 상기 기판(100)의 상기 법선(Nw)에 대하여 상기 소정의 각도(θ1)의 입사각을 가질 수 있고, 상기 제2 입사광(Li2)은 상기 반사 거울(114)의 상기 법선(Nr)에 대하여 0도의 입사각을 가질 수 있다. 상기 제2 입사광(Li2)은 상기 반사 거울(114)의 상기 법선(Nr)에 대하여 0도의 반사각을 가지고 상기 반사 거울(114)로부터 반사되어 상기 검출기로(118)로 입사될 수 있고, 이에 따라, 상기 제1 이미지 데이터(IMG1)는 상기 검출기(118)의 허용 영역(P) 내에 형성될 수 있다. 상기 제1 입사광(Li1)이 상기 기판(100)의 상기 법선(Nw)에 대하여 상기 소정의 각도(θ1)의 입사각을 가짐에 따라, 상기 반사광(Lr)은 상기 기판(100)의 상기 법선(Nw)에 대하여 상기 소정의 각도(θ1)의 반사각을 가지고, 상기 제1 입사광(Li1)의 광 경로와 다른 광 경로를 통해 상기 제2 광 분할기(116)로 입사될 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 반사광(Lr2)은 상기 제2 입사광(Li2)의 광 경로와 다른 광 경로를 통해 상기 검출기(118)로 입사될 수 있고, 상기 제2 이미지 데이터(IMG2)는 상기 허용 영역(P)를 벗어난 영역에 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 이미지 데이터(IMG1)와 상기 제2 이미지 데이터(IMG2)가 상기 허용 영역(P)에 내 위치하여 서로 중첩하도록, 상기 버퍼 챔버(520) 내에서 상기 계측 센서(540)의 위치가 조정될 수 있다.
또 다른 예로, 도 6c에 도시된 바와 같이, 상기 기판(100)의 상기 상면은 상기 기준면(S)에 평행할 수 있고, 상기 입사광(Li)은 상기 기준면(S)에 기울어져 입사될 수 있다. 이에 따라, 상기 계측 센서(540)와 상기 기판(100) 사이에 오정렬이 발생될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 입사광(Li1)은 상기 기판(100)의 상기 법선(Nw)에 대하여 제1 각도(θ1)의 입사각을 가질 수 있고, 상기 제2 입사광(Li2)은 상기 반사 거울(114)의 상기 법선(Nr)에 대하여 제2 각도(θ2)의 입사각을 가질 수 있다. 상기 제2 입사광(Li2)은 상기 반사 거울(114)의 상기 법선(Nr)에 대하여 상기 제2 각도(θ2)의 반사각을 가지고 상기 반사 거울(114)로부터 반사되어 상기 검출기로(118)로 입사될 수 있고, 이에 따라, 상기 제1 이미지 데이터(IMG1)는 상기 검출기(118)의 허용 영역(P)을 벗어난 영역에 형성될 수 있다. 상기 제1 입사광(Li1)이 상기 기판(100)의 상기 법선(Nw)에 대하여 상기 제1 각도(θ1)의 입사각을 가짐에 따라, 상기 반사광(Lr)은 상기 기판(100)의 상기 법선(Nw)에 대하여 상기 제1 각도(θ1)의 반사각을 가지고, 상기 제1 입사광(Li1)의 광 경로와 다른 광 경로를 통해 상기 제2 광 분할기(116)로 입사될 수 있다. 상기 제2 반사광(Lr2)은 상기 제2 입사광(Li2)의 광 경로와 실질적으로 동일한 광 경로를 통해 상기 검출기(118)로 입사될 수 있고, 상기 제2 이미지 데이터(IMG2)는 상기 허용 영역(P)을 벗어난 영역에 형성되어, 상기 제1 이미지 데이터(IMG1)와 중첩할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 이미지 데이터(IMG1)와 상기 제2 이미지 데이터(IMG2)가 상기 허용 영역(P)에 내 위치하여 서로 중첩하도록, 상기 버퍼 챔버(520) 내에서 상기 계측 센서(540)의 위치가 조정될 수 있다.
또 다른 예로, 도 6d에 도시된 바와 같이, 상기 기판(100)의 상기 상면은 상기 기준면(S)에 대하여 소정의 각도(θ)로 기울어지고, 상기 입사광(Li)도 상기 기준면(S)에 기울어져 입사될 수 있다. 이에 따라, 상기 계측 센서(540)와 상기 기판(100) 사이에 오정렬이 발생될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 입사광(Li1)은 상기 기판(100)의 상기 법선(Nw)에 대하여 제3 각도(θ3)의 입사각을 가질 수 있고, 상기 제2 입사광(Li2)은 상기 반사 거울(114)의 상기 법선(Nr)에 대하여 제4 각도(θ4)의 입사각을 가질 수 있다. 상기 제2 입사광(Li2)은 상기 반사 거울(114)의 상기 법선(Nr)에 대하여 상기 제4 각도(θ4)의 반사각을 가지고 상기 반사 거울(114)로부터 반사되어 상기 검출기로(118)로 입사될 수 있고, 이에 따라, 상기 제1 이미지 데이터(IMG1)는 상기 검출기(118)의 허용 영역(P)을 벗어난 영역에 형성될 수 있다. 상기 제1 입사광(Li1)이 상기 기판(100)의 상기 법선(Nw)에 대하여 상기 제3 각도(θ3)의 입사각을 가짐에 따라, 상기 반사광(Lr)은 상기 기판(100)의 상기 법선(Nw)에 대하여 상기 제3 각도(θ3)의 반사각을 가지고, 상기 제1 입사광(Li1)의 광 경로와 다른 광 경로를 통해 상기 제2 광 분할기(116)로 입사될 수 있다. 상기 제2 반사광(Lr2)은 상기 제2 입사광(Li2)의 광 경로와 다른 광 경로를 통해 상기 검출기(118)로 입사될 수 있고, 상기 제2 이미지 데이터(IMG2)는 상기 허용 영역(P)을 벗어난 영역에 형성될 수 있다. 상기 제2 이미지 데이터(IMG2)는 상기 제1 이미지 데이터(IMG1)와 부분적으로 중첩하거나, 상기 제1 이미지 데이터(IMG1)로부터 분리되어 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 이미지 데이터(IMG1)와 상기 제2 이미지 데이터(IMG2)가 상기 허용 영역(P)에 내 위치하여 서로 중첩하도록, 상기 버퍼 챔버(520) 내에서 상기 계측 센서(540)의 위치가 조정될 수 있다.
상기 계측 센서(540)의 정렬 정도의 검사(도 4의 S20)가 완료된 후, 상기 정렬 검사 유닛(AU)의 상기 제2 광 분할기(116)는 상기 입사광(Li) 및 상기 반사광(Lr)의 각각의 광 경로로부터 벗어나도록 배치될 수 있다.
도 1, 도 2, 및 도 4를 다시 참조하면, 상기 계측 센서(540)의 정렬 정도의 검사(도 4의 S20)가 완료된 후, 도 2를 참조하여 설명한, 상기 감지 센서(124)에 의해 상기 버퍼 챔버(520) 내에 제공되는 상기 기판(100)이 감지될 수 있다(S30). 이하에서, 상기 기판(100)은 대상 파라미터를 측정하기 위한 측정 대상 기판일 수 있다. 상기 계측 센서(540)를 이용하여 상기 측정 대상 기판(100)의 대상 파라미터가 획득될 수 있다(S40).
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4의 단계(S40)을 구체적으로 나타내는 순서도이고, 도 8a 내지 도 9a, 및 도 8b 내지 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4의 단계(S40)을 설명하기 위한 개념도들이다.
도 2, 도 3, 및 도 7을 참조하면, 상기 계측 센서(540)를 이용하여 상기 측정 대상 기판(100)의 제1 스펙트럼이 획득될 수 있다(S41).
구체적으로, 상기 광원(LS)으로부터 입사되는 상기 입사광(Li)은 상기 제1 광 분할기(106)를 통과하여 상기 시준기(104)로 입사되어 평행광으로 변환될 수 있다. 평행광으로 변환된 상기 입사광(Li)은 상기 측정 대상 기판(100)으로 입사될 수 있고, 상기 측정 대상 기판(100)으로부터 반사되는 상기 반사광(Lr)은 상기 입사광(Li)의 광 경로와 동일한 광 경로를 따라 상기 시준기(104)를 통과하여 상기 제1 광 분할기(106)로 입사될 수 있다. 상기 제1 광 분할기(106)에서 상기 반사광(Lr)은 상기 입사광(Li)의 광 경로로부터 분리되어 상기 분광기(SP)로 입사될 수 있다.
상기 측정 대상 기판(100)은, 일 예로, 도 8a에 도시된 바와 같이, 상기 측정 대상 기판(100) 상에 형성된 복수 개의 도전 패턴들(201), 상기 도전 패턴들(201)의 각각의 상에 형성된 캐핑 패턴들(203), 및 상기 도전 패턴들(201) 사이 및 상기 캐핑 패턴들(203) 사이의 갭 영역들을 채우는 절연 패턴들(205)을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 분광기(SP)는 상기 반사광(Lr)으로부터, 도 9a에 도시된 바와 같은, 상기 제1 스펙트럼(S1)을 측정할 수 있다.
도 1을 참조하여 설명한, 상기 제어기(522)는 상기 분광기(SP)로부터 상기 제1 스펙트럼(S1)을 획득할 수 있고, 획득된 상기 제1 스펙트럼은, 도 1을 참조하여 설명한, 상기 저장 장치(524)에 저장될 수 있다.
도 1 및 도 7을 참조하면, 상기 제1 스펙트럼(S1)이 측정된 후, 상기 측정 대상 기판(100)은 상기 프로세싱 챔버(510)로 이송될 수 있다(S42). 상기 프로세싱 챔버(510) 내에서, 상기 측정 대상 기판(100) 상에 반도체 소자를 형성하기 위한 프로세스가 수행될 수 있다(S43). 일 실시예에 따르면, 상기 측정 대상 기판(100) 상에 막을 증착하기 위한 증착 공정이 수행될 수 있다. 상기 증착 공정은, 일 예로, 화학 기상 증착, 물리 기상 증착, 원자층 증착 공정 등일 수 있다. 상기 측정 대상 기판(100) 상에 상기 반도체 소자를 형성하기 위한 상기 프로세스가 수행된 후, 상기 측정 대상 기판(100)은 상기 버퍼 챔버(520)로 이송될 수 있다(S44).
도 2, 도 3, 및 도 7을 다시 참조하면, 상기 계측 센서(540)를 이용하여 상기 측정 대상 기판(100)의 제2 스펙트럼이 획득될 수 있다(S45).
구체적으로, 상기 광원(LS)으로부터 입사되는 상기 입사광(Li)은 상기 제1 광 분할기(106)를 통과하여 상기 시준기(104)로 입사되어 평행광으로 변환될 수 있다. 평행광으로 변환된 상기 입사광(Li)은 상기 측정 대상 기판(100)으로 입사될 수 있고, 상기 측정 대상 기판(100)으로부터 반사되는 상기 반사광(Lr)은 상기 입사광(Li)의 광 경로와 동일한 광 경로를 따라 상기 시준기(104)를 통과하여 상기 제1 광 분할기(106)로 입사될 수 있다. 상기 제1 광 분할기(106)에서 상기 반사광(Lr)은 상기 입사광(Li)의 광 경로로부터 분리되어 상기 분광기(SP)로 입사될 수 있다.
상기 측정 대상 기판(100)은, 일 예로, 도 8b에 도시된 바와 같이, 상기 측정 대상 기판(100) 상에 형성된 상기 도전 패턴들(201), 상기 도전 패턴들(201)의 각각의 상에 형성된 상기 캐핑 패턴들(203), 및 상기 도전 패턴들(201) 사이 및 상기 캐핑 패턴들(203) 사이의 갭 영역들을 채우는 상기 절연 패턴들(205)을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 측정 대상 기판(100) 상에 증착 공정이 수행된 결과, 상기 측정 대상 기판(100)은 상기 패턴들(207) 상에 형성된 절연막(209)을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 분광기(SP)는 상기 반사광(Lr)으로부터, 도 9b에 도시된 바와 같은, 상기 제2 스펙트럼(S2)을 측정할 수 있다.
도 1을 참조하여 설명한, 상기 제어기(522)는 상기 분광기(SP)로부터 상기 제2 스펙트럼(S2)을 획득할 수 있고, 획득된 상기 제2 스펙트럼(S2)은, 도 1을 참조하여 설명한, 상기 저장 장치(524)에 저장될 수 있다.
도 1 및 도 7을 다시 참조하면, 상기 제어기(522)는 상기 제1 스펙트럼(S1)과 상기 제2 스펙트럼(S2)의 차이를 이용하여 상기 대상 파라미터를 획득할 수 있다(S46). 일 실시예에 따르면, 상기 대상 파라미터는 상기 측정 대상 기판(100) 상에 형성된 상기 절연막(209)의 두께(t)일 수 있다. 일 예로, 상기 제어기(522)는, 상기 제1 스펙트럼(S1)과 상기 제2 스펙트럼(S2)의 차이에 해당하는 스큐 스펙트럼(skew spectrum)을 획득한 후, 고속 퓨리에 변환을 이용하여 상기 스큐 스펙트럼으로부터 상기 대상 파라미터를 획득할 수 있다.
도 10a는 본 발명의 일 실시예에 따라 측정 대상 기판 상에 형성된 막의 두께에 따른 스큐 스펙트럼의 변화를 나타내는 그래프이고, 도 10b는 도 10a의 스큐 스펙트럼으로부터 계산된 막의 두께(T1)와 파괴 검사를 통해 획득된 막의 두께(T2) 사이의 상관관계를 나타내는 그래프이다.
먼저, 상기 측정 대상 기판(100) 상에 상기 절연막(209)이 서로 다른 두께로 형성된 샘플들(SAM1, SAM2, SAM3)이 제공될 수 있다. 도 10a에 도시된 바와 같이, 상기 샘플들(SAM1, SAM2, SAM3)의 각각으로부터 서로 다른 상기 스큐 스펙트럼들이 획득될 수 있다. 상기 스큐 스펙트럼들로부터 계산된 상기 절연막(209)의 두께(T1)와 파괴 검사를 통해 획득된 상기 절연막(209)의 두께(T2)는, 도 10b에 도시된 바와 같이, 선형의 상관 관계를 가질 수 있다. 여기서, 상기 파괴 검사는 일 예로, SEM(scanning electron microscope) 또는 TEM(transmission electron microscope) 장비를 이용하여 수행될 수 있다.
도 1 및 도 4를 다시 참조하면, 상기 제어기(522)는 획득된 상기 대상 파라미터가 허용범위 내인지 판단할 수 있다(S50). 상기 대상 파라미터가 허용범위 내에 있는 경우, 도 4의 S30 단계로 돌아갈 수 있다. 즉, 대상 파라미터의 측정이 완료된 상기 측정 대상 기판(100)은 상기 프로세싱 툴(530)의 다른 공간으로 이동할 수 있고, 상기 버퍼 챔버(520) 내에 후속 측정 대상 기판(100)이 제공되어, 상기 감지 센서(124)에 의해 감지될 수 있다. 상기 대상 파라미터가 허용 범위를 초과하는 경우, 경고가 발생될 수 있다(S60).
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 4의 단계(S20)을 구체적으로 나타내는 순서도이고, 도 12a 및 도 12b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 4의 단계(S20)을 설명하기 위한 개념도들이다.
먼저, 도 1, 도 2, 도 3, 및 도 4를 참조하면, 프로세싱 챔버(510)와 결합하는 버퍼 챔버(520) 내 계측 센서(540)가 준비될 수 있다(S10). 상기 계측 센서(540)는 상기 버퍼 챔버(520) 내부에 제공되는 측정 유닛(MU), 및 광 파이버(F)를 통해 상기 측정 유닛(MU)에 각각 연결되는 광원(LS) 및 분광기(SP)를 포함할 수 있다.
상기 측정 유닛(MU)은, 기판(100)이 상기 버퍼 챔버(520)의 상기 스테이지(512) 상에 제공되는 동안, 상기 광원(LS)으로부터 입사되는 입사광(Li)을 평행광으로 변환시켜 상기 기판(100)에 입사시키는 시준기(104), 및 상기 기판(100)으로부터 반사되는 반사광(Lr)의 광 경로를 상기 입사광(Li)의 광 경로와 다르게 하여, 상기 반사광(Lr)을 상기 분광기(SP)로 입사시키는 제1 광 분할기(106)를 포함할 수 있다.
상기 계측 센서(540)가 준비된 후, 상기 계측 센서(540)의 정렬 정도가 검사될 수 있다(S20). 본 실시예에 따르면, 상기 계측 센서(540)의 정렬 정도를 검사하는 것은, 이미 알려진 스펙트럼 데이터를 갖는 참조 기판을 이용하여 수행될 수 있다.
도 1 및 도 11을 참조하면, 상기 제어기(522)는 상기 인터페이스 유닛(528)을 통하여 상기 참조 기판의 이미 알려진 참조 스펙트럼을 획득할 수 있다(S211). 상기 제어기(522)는, 일 예로, 도 12a에 도시된 바와 같은, 상기 참조 스펙트럼(Sref)을 획득할 수 있다. 이 후, 상기 버퍼 챔버(520)의 상기 스테이지(512) 상에 상기 참조 기판(100)이 제공될 수 있다(S212).
도 2, 도 3, 및 도 11을 참조하면, 상기 버퍼 챔버(520) 내에 상기 참조 기판(100)이 제공되는 동안, 상기 계측 센서(540)를 이용하여 상기 참조 기판(100)의 측정 스펙트럼이 획득될 수 있다(S213). 구체적으로, 상기 광원(LS)으로부터 입사되는 상기 입사광(Li)은 상기 제1 광 분할기(106)를 통과하여 상기 시준기(104)로 입사되어 평행광으로 변환될 수 있다. 평행광으로 변환된 상기 입사광(Li)은 상기 참조 기판(100)으로 입사될 수 있고, 상기 참조 기판(100)으로부터 반사되는 상기 반사광(Lr)은 상기 입사광(Li)의 광 경로와 동일한 광 경로를 따라 상기 시준기(104)를 통과하여 상기 제1 광 분할기(106)로 입사될 수 있다. 상기 제1 광 분할기(106)에서 상기 반사광(Lr)은 상기 입사광(Li)의 광 경로로부터 분리되어 상기 분광기(SP)로 입사될 수 있다. 이 경우, 상기 분광기(SP)에 의해 상기 측정 스펙트럼이 측정될 수 있다.
도 1을 참조하여 설명한, 상기 제어기(522)는 상기 분광기(SP)로부터 상기 측정 스펙트럼을 획득할 수 있고, 획득된 상기 측정 스펙트럼은, 도 1을 참조하여 설명한, 상기 저장 장치(524)에 저장될 수 있다. 일 예로, 상기 제어기(522)는 도 12b에 도시된 바와 같은, 상기 측정 스펙트럼(Sm1 또는 Sm2)을 상기 분광기(SP)로부터 획득할 수 있다.
도 1 및 도 11을 다시 참조하면, 상기 제어기(522)는 상기 참조 스펙트럼(Sref)와 상기 측정 스펙트럼(Sm1 또는 Sm2)의 차이가 허용 범위 내에 있는지 판단할 수 있다(S214). 도 12b에 도시된 바와 같이, 상기 참조 스펙트럼(Sref)과 상기 측정 스펙트럼(Sm1)의 차이가 허용 범위 내에 있는 경우, 상기 계측 센서(540)의 정렬 정도의 검사(도 4의 S20)는 완료될 수 있다(S215). 도 12b에 도시된 바와 같이, 상기 참조 스펙트럼(Sref)과 상기 측정 스펙트럼(Sm2)의 차이가 허용 범위를 벗어나는 경우, 도 4의 S10단계로 되돌아가 상기 참조 스펙트럼(Sref)과 상기 측정 스펙트럼(Sm2)이 서로 정합하도록 상기 버퍼 챔버(520) 내에서 상기 계측 센서(540)의 위치가 조정될 수 있다(S216).
상기 계측 센서(540)의 정렬 정도의 검사(도 4의 S20)가 완료된 후, 도 4의 S30단계 내지 S60단계가 수행될 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자의 계측 방법을 이용하는 반도체 소자의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 13을 참조하면, 기판(100) 상에 패턴이 형성될 수 있다(S100). 일 예로, 상기 패턴은, 도 8a를 참조하여 설명한 바와 같이, 상기 기판(100) 상에 형성된 복수 개의 도전 패턴들(201), 상기 도전 패턴들(201)의 각각의 상에 형성된 캐핑 패턴들(203), 및 상기 도전 패턴들(201) 사이 및 상기 캐핑 패턴들(203) 사이의 갭 영역들을 채우는 절연 패턴들(205)을 포함할 수 있다.
도 1 및 도 13을 참조하면, 상기 기판(100)은, 계측 센서(540)가 장착된 프로세싱 툴(530)의 스테이지(512)에 로드될 수 있다(S110). 구체적으로, 상기 프로세싱 툴(530)은 프로세싱 챔버(510) 및 버퍼 챔버(520)를 포함할 수 있고, 상기 계측 센서(540)는 상기 버퍼 챔버(520)와 결합할 수 있다. 이에 따라, 상기 기판(100)은 상기 버퍼 챔버(520)의 스테이지(512)에 로드될 수 있다.
상기 기판(100)이 상기 버퍼 챔버(520) 내에 제공되는 동안, 상기 계측 센서(540)를 이용하여 상기 기판(100)의 제1 스펙트럼이 획득될 수 있다(S120). 상기 제1 스펙트럼을 획득하는 것은, 도 7의 S41단계에서 설명한 바와 같다. 상기 제1 스펙트럼이 획득된 후, 상기 기판(100)은 상기 프로세싱 챔버(510)로 이송될 수 있다.
상기 프로세싱 챔버(510) 내에서, 상기 기판(100) 상에 반도체 소자를 형성하기 위한 프로세스가 수행될 수 있다(S130). 일 실시예에 따르면, 상기 기판(100) 상에 상기 반도체 소자를 형성하기 위한 막을 증착하는 증착 공정이 수행될 수 있다. 이에 따라, 도 8b에 도시된 바와 같이, 상기 기판(100)은 상기 패턴(207) 상에 형성된 절연막(209)을 더 포함할 수 있다. 상기 절연막(209)이 형성된 후, 상기 기판(100)은 상기 버퍼 챔버(520)로 이송될 수 있다.
상기 기판(100)이 상기 버퍼 챔버(520) 내에 제공되는 동안, 상기 계측 센서(540)를 이용하여 상기 기판(100)의 제2 스펙트럼이 획득될 수 있다(S140). 상기 제2 스펙트럼을 획득하는 것은, 도 7의 S45단계에서 설명한 바와 같다.
상기 계측 센서(540)에 연결된 제어기(522)는, 상기 제1 스펙트럼과 상기 제2 스펙트럼의 차이를 이용하여 대상 파라미터를 획득할 수 있다(S150). 일 실시예에 따르면, 상기 대상 파라미터는 상기 기판(100) 상에 형성된 상기 절연막(209)의 두께(t)일 수 있다. 상기 대상 파라미터를 획득하는 것은, 도 7의 S46단계에서 설명한 바와 같다.
상기 제2 스펙트럼이 획득된 후, 상기 기판(100)은 상기 프로세싱 툴(530)의 상기 스테이지(512)로부터 언로드될 수 있다(S160). 상기 제어기(522)는 상기 대상 파라미터가 허용 범위 내인지를 판단할 수 있고(S170), 상기 대상 파라미터가 허용 범위 내인 경우, 상기 기판(100) 상에 후속 반도체 소자의 제조공정이 수행될 수 있다(S180). 상기 대상 파라미터가 허용 범위를 벗어나는 경우, 경고가 발생될 수 있다(S190).
본 발명의 개념에 따르면, 반도체 소자를 형성하는 프로세스가 수행되는 프로세싱 툴의 버퍼 챔버에 결합되는 계측 센서가 제공될 수 있다. 상기 계측 센서는, 상기 버퍼 챔버 내부에 제공되는 측정 유닛 및 상기 정렬 검사 유닛을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 프로세싱 툴 내에 제공되는 양산 기판 상에 상기 반도체 소자를 형성하는 프로세스가 수행되기 전 및 후에, 상기 양산 기판에 대한 전수 검사가 가능할 수 있다. 더하여, 상기 측정 유닛 및/또는 상기 정렬 검사 유닛을 이용하여 상기 계측 센서와 상기 양산 기판 사이의 정렬 정도가 모니터될 수 있다. 따라서, 반도체 소자의 계측 신뢰성이 향상될 수 있고, 우수한 신뢰성을 갖는 반도체 소자의 제조가 가능할 수 있다.
또한, 상기 프로세싱 툴에 결합되는 상기 계측 센서가 제공됨에 따라 별도의 계측 장비가 요구되지 않을 수 있다.
본 발명의 실시예들에 대한 이상의 설명은 본 발명의 설명을 위한 예시를 제공한다. 따라서 본 발명은 이상의 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 상기 실시예들을 조합하여 실시하는 등 여러 가지 많은 수정 및 변경이 가능함은 명백하다.
500: 반도체 검사 시스템 510: 프로세싱 챔버
520: 버퍼 챔버 530: 프로세싱 툴
540: 계측 센서 550: 컴퓨터 시스템
512: 스테이지 100: 반도체 기판
522: 제어기 524: 저장 장치
526: 입출력 유닛 528: 인터페이스 유닛
LS: 광원 SP: 분광기
F: 광 파이버 104: 시준기
106: 제1 광 분할기 102: 측정 유닛 프레임
108: 광량 감지 센서 MU: 측정 유닛
AU: 정렬 검사 유닛 116: 제2 광 분할기
114: 반사 거울 118: 검출기
120: 집광 렌즈 112: 제1 정렬 검사 유닛 프레임
122: 제2 정렬 검사 유닛 프레임 124: 감지 센서
Li: 입사광 Lr: 반사광
201: 도전 패턴들 203: 캐핑 패턴들
205: 절연 패턴들 207: 패턴들
209: 절연막
520: 버퍼 챔버 530: 프로세싱 툴
540: 계측 센서 550: 컴퓨터 시스템
512: 스테이지 100: 반도체 기판
522: 제어기 524: 저장 장치
526: 입출력 유닛 528: 인터페이스 유닛
LS: 광원 SP: 분광기
F: 광 파이버 104: 시준기
106: 제1 광 분할기 102: 측정 유닛 프레임
108: 광량 감지 센서 MU: 측정 유닛
AU: 정렬 검사 유닛 116: 제2 광 분할기
114: 반사 거울 118: 검출기
120: 집광 렌즈 112: 제1 정렬 검사 유닛 프레임
122: 제2 정렬 검사 유닛 프레임 124: 감지 센서
Li: 입사광 Lr: 반사광
201: 도전 패턴들 203: 캐핑 패턴들
205: 절연 패턴들 207: 패턴들
209: 절연막
Claims (10)
- 기판 상에 막을 증착하기 위한 프로세싱 챔버;
상기 프로세싱 챔버와 결합하는 버퍼 챔버; 및
상기 버퍼 챔버와 결합하는 계측 센서를 포함하되,
상기 계측 센서는:
상기 기판이 상기 버퍼 챔버 내에 제공되는 동안, 상기 기판에 입사되는 입사광을 제공하는 광원;
상기 기판으로부터 반사되는 반사광의 스펙트럼 데이터를 측정하는 분광기;
상기 버퍼 챔버 내부에 제공되는 측정 유닛; 및
상기 버퍼 챔버 내부에 제공되고, 상기 계측 센서와 상기 기판 사이의 정렬 정도를 검사하기 위한 정렬 검사 유닛을 포함하고,
상기 측정 유닛은:
상기 입사광을 평행광으로 변환시켜 상기 기판에 입사시키는 시준기; 및
상기 반사광을 상기 분광기로 입사시키는 제1 광 분할기를 포함하고,
상기 정렬 검사 유닛은:
상기 계측 센서와 상기 기판 사이의 정렬 정도를 검사하는 동안, 상기 입사광 및 상기 반사광의 각각의 광 경로와 중첩하도록 배치되는 제2 광 분할기를 포함하는 반도체 계측 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 광원 및 상기 분광기는 상기 버퍼 챔버 외부에 제공되고, 각각 광 파이버를 통해 상기 측정 유닛에 연결되는 반도체 계측 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 정렬 검사 유닛은:
상기 제2 광 분할기를 사이에 두고, 수평적으로 서로 이격되어 배치되는 반사 거울 및 검출기를 더 포함하는 반도체 계측 시스템. - 청구항 3에 있어서,
상기 반사 거울 및 상기 검출기는, 상기 입사광 및 상기 반사광의 각각의 상기 광 경로와 중첩하지 않는 위치에 각각 배치되는 반도체 계측 시스템. - 청구항 3에 있어서,
상기 제2 광 분할기는 이동형 광 분할기이고,
상기 계측 센서와 상기 기판 사이의 정렬 정도의 검사가 완료된 후, 상기 제2 광 분할기는 상기 입사광 및 상기 반사광의 각각의 상기 광 경로를 벗어나도록 배치되는 반도체 계측 시스템. - 청구항 3에 있어서,
상기 계측 센서와 상기 기판 사이의 정렬 정도를 검사하는 동안,
상기 제2 광 분할기는,
상기 입사광을 상기 기판으로 입사되는 제1 입사광 및 상기 반사 거울로 입사되는 제2 입사광으로 분할하고,
상기 반사광을 상기 분광기로 입사되는 제1 반사광 및 상기 검출기로 입사되는 제2 반사광으로 분할하되,
상기 제2 입사광은 상기 반사 거울에 의해 반사되어 상기 검출기로 입사되는 반도체 계측 시스템. - 청구항 6에 있어서,
상기 검출기는, 상기 제2 입사광에 의해 형성되는 제1 이미지 데이터, 및 상기 제2 반사광에 의해 형성되는 제2 이미지 데이터를 검출하는 반도체 계측 시스템. - 청구항 7에 있어서,
상기 계측 센서에 연결되는 제어기를 더 포함하되,
상기 제어기는, 동일 평면 상에서 상기 제1 이미지 데이터와 상기 제2 이미지 데이터의 위치를 분석하여 상기 계측 센서와 상기 기판 사이의 정렬 정도를 판단하는 반도체 계측 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 계측 센서에 연결되는 제어기를 더 포함하되,
상기 제어기는, 상기 계측 센서를 이용하여 상기 기판의 측정 스펙트럼을 획득하고, 상기 기판의 미리 획득된 참조 스펙트럼과 상기 측정 스펙트럼의 차이를 분석하여 상기 계측 센서와 상기 기판 사이의 정렬 정도를 판단하는 반도체 계측 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 계측 센서에 연결되는 제어기를 더 포함하되,
상기 제어기는,
상기 프로세싱 챔버 내에서 상기 기판 상에 막을 증착하기 전, 상기 기판이 상기 버퍼 챔버 내에 제공되는 동안, 상기 계측 센서를 이용하여 상기 기판의 제1 스펙트럼을 획득하고,
상기 프로세싱 챔버 내에서 상기 기판 상에 상기 막을 증착한 후, 상기 기판이 상기 버퍼 챔버 내에 제공되는 동안, 상기 계측 센서를 이용하여 상기 기판의 제2 스펙트럼을 획득하고,
상기 제1 스펙트럼과 상기 제2 스펙트럼의 차이를 이용하여 상기 기판의 대상 파라미터를 획득하고,
상기 대상 파라미터는, 상기 기판 상에 증착된 상기 막의 두께인 반도체 계측 시스템.
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