KR102342848B1 - 레이저 어닐링 장비 - Google Patents

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Abstract

일부 실시예들에 따른 레이저 어닐링 장비는 광학 창을 포함하는 챔버 내에 배치된 반도체 기판으로 제1 파장과 제1 빔 단면을 갖는 제1 레이저 빔을 방출할 수 있도록 구성된 레이저 발진 구조체; 상기 반도체 기판으로 상기 제1 파장과 다른 제2 파장의 제2 레이저 빔을 방출할 수 있도록 구성된 레이저 발진기; 상기 제2 레이저 빔의 광 경로 상에 배치되어 상기 제2 레이저 빔의 단면을 제2 빔 단면으로 확대하는 빔 확대경; 상기 제2 레이저 빔의 에너지를 측정할 수 있도록 구성된 제1 파워 미터; 및 상기 제2 레이저 빔이 상기 반도체 기판에 의해 반사된 광인 제3 레이저 빔의 에너지를 측정할 수 있도록 구성된 제2 파워 미터를 더 포함하되, 상기 반도체 기판 상에 도달한 상기 제1 빔 단면과 상기 제2 빔 단면의 넓이는 실질적으로 동일한 것을 특징으로 할 수 있다.

Description

레이저 어닐링 장비{Laser annealing apparatus}
본 발명은 레이저 어닐링 장비에 관한 것으로, 특히, 광학 창의 오염도를 측정할 수 있는 레이저 어닐링 장비에 관한 것이다.
반도체 기판에 레이저 빔을 조사하여 반도체 기판의 상부를 국소적으로 용융시키고 다시 재결정화 시키는 기술을 레이저 어닐링이라고 한다. 레이저 어닐링을 통해 비정질인 반도체 기판을 결정질로 만들거나, 반도체 기판의 결함을 치유할 수 있다. 레이저 어닐링에서 액상의 레이저가 사용되는 경우는 고출력 펄스 레이저를, 고상의 레이저가 사용되는 경우 연속파 레이저가 사용된다.
레이저 어닐링은 레이저 빔의 에너지 집중적인 성질을 이용하여 단시간에 국소적, 선택적으로 정밀한 열처리를 수행할 수 있으며, 반도체에 불순물을 도입하는 레이저 도핑, 금속층이나 산화막 등을 형성하는 레이저 퇴적(deposition) 등에 널리 쓰이고 있다. 또 산화 실리콘 절연막을 선택적으로 용융시키고 재결정을 시켜서 실리콘 단결정을 형성하는 이른바 SOI(silicon on insulator)의 기법이 개발되어 반도체 장치의 3차원화 및 고집적화를 가속시켰다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 신뢰성이 제고된 레이저 어닐링 장비를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한, 일부 실시예들에 따른 레이저 어닐링 장비는 광학 창을 포함하는 챔버 내에 배치된 반도체 기판으로 제1 파장과 제1 빔 단면을 갖는 제1 레이저 빔을 방출할 수 있도록 구성된 레이저 발진 구조체; 상기 반도체 기판으로 상기 제1 파장과 다른 제2 파장의 제2 레이저 빔을 방출할 수 있도록 구성된 레이저 발진기; 상기 제2 레이저 빔의 광 경로 상에 배치되어 상기 제2 레이저 빔의 단면을 제2 빔 단면으로 확대하는 빔 확대경; 상기 제2 레이저 빔의 에너지를 측정할 수 있도록 구성된 제1 파워 미터; 및 상기 제2 레이저 빔이 상기 반도체 기판에 의해 반사된 광인 제3 레이저 빔의 에너지를 측정할 수 있도록 구성된 제2 파워 미터를 더 포함하되, 상기 반도체 기판 상에 도달한 상기 제1 빔 단면과 상기 제2 빔 단면의 넓이는 실질적으로 동일하다.
다른 일부 실시예들에 따른 레이저 어닐링 장비는 일 방향으로 진행하며 내부에 배치된 반도체 기판 및 광학 창을 포함하는 챔버; 상기 광학 창을 투과하여 상기 반도체 기판 상의 제1 영역에 제1 파장의 제1 레이저 빔을 방출할 수 있도록 구성된 레이저 발진 구조체; 상기 광학 창을 투과하여 상기 반도체 기판의 제2 영역에 상기 제1 파장과 다른 제2 파장의 제2 레이저 빔을 방출할 수 있도록 구성된 레이저 발진기; 상기 제2 레이저 빔의 에너지를 측정할 수 있도록 구성된 제1 파워 미터; 및 상기 제2 레이저 빔이 상기 반도체 기판에 의해 반사된 광인 제3 레이저 빔의 에너지를 측정할 수 있도록 구성된 제2 파워 미터를 포함하되, 상기 제2 영역은 상기 제1 영역을 포함한다.
본 발명의 기술적 사상에 따르면, 광학 창의 오염도를 측정할 수 있는 레이저 어닐링 장비를 제공할 수 있다. 또한 어닐링되는 반도체 기판의 상부의 상(phase)을 결정할 수 있는 레이저 어닐링 장비를 제공할 수 있다. 또한 레이저 어닐링되는 반도체 기판의 온도를 측정할 수 있는 레이저 어닐링 장비를 제공할 수 있다. 이에 따라 신뢰성이 제고된 레이저 어닐링 장비를 제공할 수 있다.
도 1은 일부 실시예들에 따른 레이저 어닐링 장비를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2a 내지 도 2c는 일부 실시예들에 따른 레이저 어닐링 장비에 포함될 수 있는 빔 마스크를 설명하기 평면도들이다.
도 3a 내지 3d는 일부 실시예들에 따른 레이저 어닐링 장비의 효과를 설명하기 위한 평면도들이다.
도 4 및 도 5는 일부 실시예들에 따른 레이저 어닐링 장비를 설명하기 위한 블록도들이다.
도 6은 일부 실시예들에 따른 레이저 어닐링 장비의 효과를 설명하기 위한 평면도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면 상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고, 이들에 대한 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 일부 실시예들에 따른 레이저 어닐링 장비(1)를 설명하기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하면 레이저 어닐링 장비(1)는 레이저 발진 구조체(11, Laser Oscillation Structure, LOS), 레이저 발진기(21, Laser Oscillator, LO), 제1, 제2 대역 차단 필터(23, 33), 빔 확대경(25, Beam Expansion Telescope, BET), 빔 마스크(27, Beam Mask, MSK), 제1 포커싱 렌즈(35), 제1, 제2 파워 미터(51, 53, Power Meter, PM1, PM2), 제1, 제2 반사 거울(M1, M2) 및 챔버(200)를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면 챔버(200)는 레이저 어닐링 공정(laser annealing process)이 수행되는 내부 공간을 포함할 수 있다. 챔버(200)는 바닥부(200B) 및 바닥부(200B)의 가장자리로부터 바닥부에 실질적으로 수직한 방향으로 연장된 벽부(200W)를 포함할 수 있다. 챔버(200)의 내부 공간은 바닥부(200b) 및 벽부(200w)에 의해 둘러싸일 수 있다.
척(230, chuck)은 챔버(200)의 바닥부(200B) 상에 배치될 수 있다. 척(230)상에 어닐링 될 반도체 기판(100)이 장착될 수 있다. 척(230)은 반도체 기판(100)이 로딩되는 상부면을 갖는다. 척(230)은 로딩된 반도체 기판(100)을 정전기력에 의해 고정시키는 정전 척일 수 있다. 이와는 달리, 척(230)은 로딩된 반도체 기판(100)을 진공압에 의해 고정시키는 진공 척일 수도 있다. 척(230)은 챔버(200)의 바닥부(200B)와 연결된 척 지지부(233, chuck supporter) 상에 배치될 수 있다. 척 지지부(233)는 기둥 형상, 예컨대 원기둥 형상 등을 가질 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
챔버(200)는 내부 공간의 상단의 적어도 일부를 닫는 광학 창(240)을 더 포함할 수 있다. 광학 창(240)은 광을 통과시킬 수 있는 물질로 형성될 수 있다. 광학 창(240)은 후술하는 제1 및 제2 파장의 광을 통과 시킬 수 있다. 광학 창(240)은 예컨대 석영(quartz) 등의 물질로 형성될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
후술하듯 반도체 기판(100)을 어닐링하는 제1 레이저 빔(L1)은 광학 창(240)을 통해 반도체 기판(100)에 조사된다. 비정질 상태인 반도체 기판(100)의 표면으로 제1 레이저 빔(L1)이 조사됨으로써 반도체 기판(100)의 상부가 용융될 때, 반도체 기판(100)을 이루는 물질의 일부가 기화할 수 있다. 이런식으로 기화된 가스에 포함되는 물질들이 광학 창(240)에 부착함으로써 광학 창(240)이 오염될 수 있다. 광학 창(240)이 오염되는 경우, 광학 창(240)을 통한 레이저 빔들의 투과율이 저하되어, 반도체 기판(100)에 레이저 빔을 충분히 조사할 수 없게 된다. 이 경우 반도체 기판(100)이 비정질 상태로 남거나, 결정립의 지름이 충분히 성장하지 못하여 반도체 기판의 품질이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다. 따라서 광학 창(240)의 특성과 상태, 예컨대 광학 창(240)의 투명도, 균일도, 오염도 등은 레이저 어닐링의 효율에 큰 영향을 미친다.
일부 실시예들에서, 반도체 기판(100)은 Si 또는 Ge와 같은 반도체, 또는 SiGe, SiC, GaAs, InAs, 또는 InP와 같은 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 다른 실부 실시들예에서, 반도체 기판(100)은 SOI (silicon on insulator) 구조를 가질 수 있다. 반도체 기판(100)은 도전 영역, 예를 들면 불순물이 도핑된 웰 (well), 또는 불순물이 도핑된 구조물을 포함할 수 있다.
레이저 발진 구조체(11)는 레이저 빔, 예컨대 엑시머 레이저 빔을 방출할 수 있다. 레이저 발진 구조체(11)는 반도체 기판(100)으로 제1 레이저 빔(L1)을 방출할 수 있다.
제1 레이저 빔(L1)은 반도체 기판(100)상으로 조사되어 반도체 기판(100)을 어닐링할 수 있다. 제1 레이저 빔(L1) 및 후술하는 제2 레이저 빔(L2)은 광학 창(240)을 통하여 로딩된 반도체 기판(100)에 조사될 수 있다. 제1 레이저 빔(L1)이 조사됨에 따라 반도체 기판(100)의 상면의 일부가 용융되고 재결정화될 수 있다. 반도체 기판(100)이 비정질 실리콘으로 구성된 경우, 레이저 어닐링을 통해 폴리실리콘으로 결정화될 수 있다.
제1 레이저 빔(L1)은 제1 빔 단면과 제1 파장을 가질 수 있다. 제1 레이저 빔(L1)은 제1 광 경로를 따라 진행할 수 있다. 일부 실시예들에서 제1 빔 단면은 예컨대, 사각형일 수 있다. 다른 일부 실시예들에서 제1 빔 단면은 직사각형일 수 있다. 다른 일부 실시예들에서 제1 빔 단면은 정사각형일 수 있다. 하지만 이에 제한되는 것은 아니고, 삼각형 또는 오각형 이상의 다각형일 수 있고, 타원형이나 원형일 수 있다. 이때 제1 빔 단면이 사각형인 경우, 중복되는 면적 없이 레이저 어닐을 실행하기에 적합한바, 레이저 어닐링의 효율이 제고될 수 있다.
이때 제1 빔 단면이라 함은, 제1 레이저 빔(L1)이 진행하는 방향과 실질적으로 수직한 제1 레이저 빔(L1)의 단면을 말한다. 제1 빔 단면은 제1 광 경로와 수직한 평면 상에 제1 레이저 빔(L1)이 도달하는 영역에 해당할 수 있다. 후술하는 제2 빔 단면에 대한 정의도 이와 실질적으로 동일하다. 레이저 발진 구조체(11)는 제1 레이저 빔(L1)을 방출하는 레이저 광원, 제1 빔 단면이 소정의 단면적을 갖도록 하는 빔 확대경(미도시) 및 제1 빔 단면이 소정의 단면 형상을 갖도록 하는 빔 마스크(미도시)를 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면 제1 광 경로 상에, 제1 반사 거울(M1)이 배치될 수 있다. 제1 반사 거울(M1)은 제1 레이저 빔(L1)을 반사할 수 있다. 제1 반사 거울(M1)은 제1 파장에 대해 높은 반사율을 가질 수 있다. 제1 반사 거울(M1)은 후술하는 제2 레이저 빔(L2)을 투과시킬 수 있다. 즉 제1 반사 거울(M1)은 후술하는 제2 파장에 대해 높은 투과율을 가질 수 있다. 제1 반사 거울(M1)은 이색 거울(Dichromatic mirror)일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
일부 실시예들에 따르면, 제1 반사 거울(M)은 제1 및 제2 레이저 빔(L1, L2)의 일부를 투과시킬 수 있고, 제1 및 제2 레이저 빔(L1, L2)의 다른 일부를 반사할 수 있다. 이에 따라 제1 반사 거울(M1)은 제1 및 제2 레이저 빔(L1, L2)을 분기시키는 빔 스플리터에 해당할 수 있다.
도 1을 참조하면 하나의 제1 반사 거울(M1)이 제공되었으나 이에 제한되는 것은 아니고, 광학계의 구성에 따라 제1 반사 거울(M1)이 생략되거나, 둘 이상의 제1 반사 거울(M1)이 제공되는 것도 가능하다.
일부 실시예들에서, 챔버(200)는 실장된 반도체 기판(100)의 상면과 평행한 평면상에서 2차원적으로 이동하여, 제1 레이저 빔(L1)이 실장된 반도체 기판(100)의 전체 상면에 조사될 수 있다. 하지만, 이에 제한되는 것은 아니고, 챔버(200)가 고정되고, 챔버(200)를 제외한 레이저 어닐링 장비(1)가 실장된 반도체 기판(100)의 상면과 평행한 평면상에서 2차원적으로 이동할 수 있다.
레이저 발진기(21)는 반도체 기판(100)으로 제1 파장과 다른 제2 파장의 제2 레이저 빔(L2)을 방출할 수 있도록 구성된다. 제2 파장은 제1 파장보다 더 길 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
제2 레이저 빔(L2)의 경로인 제2 광 경로 상에, 제1 대역 차단 필터(23)가 배치될 수 있다. 제1 대역 차단 필터(23)는 제1 파장의 광을 차단하되, 제2 파장의 광을 통과시킬 수 있다. 레이저 발진기(21)는 제2 파장의 광뿐만 아니라, 제1 파장의 광 역시 방출할 수 있다. 제1 대역 차단 필터(23)는 레이저 발진기(21)에서 발생한 제1 파장의 광을 차단함으로써 광학 창(240)의 오염도 측정의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
제2 광 경로 상에 빔 확대경(25)이 배치될 수 있다. 빔 확대경(25)은 제2 레이저 빔(L2)을 확대시킬 수 있다. 빔 확대경(25)은 제2 빔 단면을 소정의 비율만큼 확대시킬 수 있다. 빔 확대경(25)에 의해 확대된 제2 레이저 빔(L2)는 빔 마스크(27)에 도달할 수 있다.
도 1을 참조하면, 제2 레이저 빔(L2)은 제1 대역 차단 필터(23)를 통과한 후 빔 확대경(25)을 통과하는 것으로 도시되었으나, 이에 제한되지 않는다. 가령 제2 레이저 빔(L2)이 빔 확대경(25)을 통과한 후, 제1 대역 차단 필터(23)를 통과하는 것도 가능하다.
도2a 내지 도 2c는 일부 실시예들에 따른 레이저 어닐링 장비(1)에 포함될 수 있는 빔 마스크(27)를 설명하기 위한 레이아웃도이다.
도 2a 내지 도 2c를 참조하면 빔 마스크(27)는 차광 영역(28) 및 차광 영역(28)에 의해 정의된 투광 영역(29)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 차광 영역(28)은 투광 영역(29)을 둘러쌀 수 있다. 차광 영역(28)은 광을 차단시키는 영역이고 투광 영역(29)은 광을 통과시키는 영역이다. 제2 레이저 빔(L2)은 투광 영역(29)을 통과할 수 있으나, 차광 영역(28)을 통과할 수 없다. 빔 마스크(27)를 통과한 제2 빔 단면의 형상과 투광 영역(29)의 형상은 서로 실질적으로 동일할 수 있다.
빔 마스크(27, 27a, 27b)의 투광 영역(29, 29a, 29b)은 다양한 형상을 포함할 수 있다. 예컨대, 도 2a를 참조하면, 빔 마스크(27)의 투광 영역(29)은 사각형일 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 빔 마스크(27)의 투광 영역(29)은 직사각형일 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 빔 마스크(27)의 투광 영역(29)은 정사각형일 수 있다. 도 2b를 참조하면 일부 실시예들에 있어서, 빔 마스크(27a)의 투광 영역(29a)은 원형 또는 타원형일 수 있다. 도 2c를 참조하면 일부 실시예들에 있어서, 빔 마스크(27b)의 투광 영역(29b)은 다각형일 수 있다.
빔 마스크(27)의 투광 영역(29)은 제1 빔 단면에 대응할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 투광 영역(29)은 제1 빔 단면과 유사할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 투광 영역(29)의 프로파일은 제1 빔 단면의 프로파일과 실질적으로 동일할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 투광 영역(29)의 넓이는 제1 빔 단면의 넓이와 실질적으로 동일할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 투광 영역(29)은 평면도적 관점에서 제1 빔 단면과 실질적으로 동일할 수 있다.
도 3a 내지 도 3d는 일부 실시예들에 따른 레이저 어닐링 장비의 효과를 설명하기 위한 레이아웃도 들이다.
도 3a를 참조하면, 반도체 기판(100)에 제1 레이저 빔(L1) 및 제2 레이저 빔(L2)이 도달할 수 있다. 반도체 기판(100) 중 제1 레이저 빔(L1) 조사되는 영역을 제1 영역(R1)이라고 하고, 제2 레이저 빔(L2) 조사되는 영역을 제2 영역(R2)이라고 하면, 제1 영역(R1)과 제2 영역(R2)의 적어도 일부가 중첩될 수 있다. 제1 영역(R1)과 제2 영역(R2)의 넓이가 동일할 수 있다. 제1 영역(R1)과 제2 영역(R2)의 프로파일이 동일할 수 있다. 제1 영역(R1)과 제2 영역(R2)이 실질적으로 동일할 수 있다.
하지만 이에 제한되는 것은 아니고, 도 3b를 참조하면 제1 영역(R1)은 제2 영역(R2)의 적어도 일부를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 제1 영역(R1)은 제2 영역(R2)의 전부를 포함할 수 있다. 도 3c를 참조하면 제2 영역(R2)은 제1 영역(R1)의 적어도 일부를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 제2 영역(R2)은 제1 영역(R1)의 전부를 포함할 수 있다. 도 3d를 참조하면, 제2 영역(R2)이 제1 영역(R1)의 일부를 포함하고 제1 영역(R1)이 제2 영역(R2)의 일부를 포함하되, 제1 영역(R1)의 중심과 제2 영역(R2)의 중심이 평면도적 관점에서 중첩되지 않을 수 있다. 즉 제1 영역(R1)과 제2 영역(R2)은 미스 얼라인 될 수 있다.
전술했듯, 챔버(200) 또는 챔버(200)를 제외한 레이저 어닐링 장비(1)가 제1 레이저 빔(L1)이 반도체 기판(100)에 입사하는 방향에 대해 수직한 평면상에서 2차원적으로 이동하여, 제1 레이저 빔(L1)이 로딩된 반도체 기판(100)의 전체 상면에 조사될 수 있다. 일부 실시예들에 따라 챔버(200)를 제외한 레이저 어닐링 장비(1)가 고정되어 있고 챔버(200)가 이동하는 경우, 어느 한 순간의 챔버(200)의 이동 방향을 일 방향(D1)이라고 하면 제1 영역(R1) 및 제2 영역(R2)은 반도체 기판(100) 상에서 일 방향(D1)과 반대 방향인 타 방향(D1`)으로 이동할 수 있다.
다른 일부 실시예들에 따라 챔버(200)가 고정되어 있고, 챔버(200)를 제외한 레이저 어닐링 장비(1)가 이동하는 경우, 어느 한 순간의 챔버(200)를 제외한 레이저 어닐링 장비(1)의 이동 방향을 일 방향(D1)이라고 하면 제1 영역(R1)은 반도체 기판(100) 상에서 일 방향(D1)을 따라 이동할 수 있다.
도 3a 내지 3d는 도 2a에 대응하는 것으로서, 사각형의 투광 영역(29)을 포함하는 빔 마스크(27)가 제공된 경우이다. 하지만 이에 제한되는 것은 아니고, 제1 레이저 빔이 원형 등의 제1 빔 단면을 갖는 경우, 원형의 투광 영역(29a)을 포함하는 빔 마스크(27a)가 제공될 수 있다. 이 경우, 제1 영역 및 제2 영역은 원형일 수 있다. 제1 레이저 빔이 오각형 등의 제1 빔 단면을 갖는 경우 오각형의 투광 영역(29b)을 포함하는 빔 마스크(27b)가 제공될 수 있다. 이 경우, 제1 영역 및 제2 영역은 오각형일 수 있다. 그 외에도 제1 및 제2 영역이 삼각형 또는 육각형 이상의 다각형이 될 수 있음은 통상의 기술자에게 자명한 사항이다. 또한 도 3a 내지 3d는 제1 레이저 빔(L1)과 제2 레이저 빔(L2)이 동시에 조사되는 경우에 해당한다. 반면, 레이저 어닐링이 수행되기 전에 제2 레이저 빔(L2)을 이용한 광학 창(240)의 오염도를 측정하는 경우 반도체 기판(100)상의 제2 영역(R2)에 제2 레이저 빔(L2)이 조사될 수 있으나, 제1 레이저 빔(L1)은 조사되지 않을 수 있다.
도 1을 참조하면, 제2 광 경로 상에 제2 반사 거울(M2)이 배치될 수 있다. 제2 반사 거울(M2은) 제2 레이저 빔(L2)에 대해 높은 반사율을 가질 수 있다. 제2 반사 거울(M2)은 제2 파장에 대해 높은 반사율을 가질 수 있다. 도 1을 참조하면 하나의 제2 반사 거울(M2)이 제공되었으나 이에 제한되는 것은 아니고, 광학계의 구성에 따라 제2 반사 거울(M2)이 생략되거나, 둘 이상의 제2 반사 거울(M2)이 제공되는 것도 가능하다.
제2 광 경로 상에 제1 빔 스플리터(BS1)가 배치될 수 있다. 제1 빔 스플리터(BS1)는 제2 레이저 빔(L2)을 분기시킬 수 있다. 제1 빔 스플리터(BS1)는 제2 레이저 빔(L2)의 일부는 투과시키고, 다른 일부는 반사시킬 수 있다. 제1 빔 스플리터(BS1)는 예컨대 반 투과 반사판일 수 있다. 제1 빔 스플리터(BS1)는 약 50%의 제2 레이저 빔(L2)을 투과시키고, 약 50%의 제2 레이저 빔(L2)을 반사시킬 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 제1 빔 스플리터(BS1)에 반사된 제2 레이저 빔(L2)은 제1 파워 미터(PM1)에 입사할 수 있다. 제1 빔 스플리터(BS1)를 투과한 제2 레이저 빔(L2)은 광학 창(240)을 통과해 반도체 기판(100)에 조사될 수 있다. 반도체 기판(100)을 향한 제2 광 경로 상에 제1 반사 거울(M1)이 배치될 수 있으나, 제1 반사 거울(M1)은 제2 레이저 빔(L2)을 투과시킬 수 있다.
제3 레이저 빔(L3)은 제2 레이저 빔(L2)이 반도체 기판(100)에 반사된 광일 수 있다. 도 1을 참조하면 제3 레이저 빔의 광 경로인 제3 광 경로 상에 제1 반사 거울(M1)이 배치될 수 있다. 하지만 제3 레이저 빔(L3)은 제2 레이저 빔(L2)과 마찬가지로 제1 반사 거울(M1)을 투과할 수 있다.
제1 빔 스플리터(BS1)는 제3 레이저 빔(L3)를 분기시킬 수 있다. 제1 빔 스플리터(BS1)는 제3 레이저 빔(L3)의 일부는 투과시키고, 다른 일부는 반사시킬 수 있다. 제1 빔 스플리터(BS1)는 약 50%의 제3 레이저 빔(L3)을 투과시키고, 약 50%의 제3 레이저 빔(L3)을 반사시킬 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 제1 빔 스플리터(BS1)에 반사된 제3 레이저 빔(L3)은 제2 파워 미터(PM2)에 입사할 수 있다.
제2 대역 차단 필터(33)는 제3 광 경로 상에 배치되되 제1 광 경로로부터 이격될 수 있다. 제2 대역 차단 필터(33)는 제1 빔 스플리터(BS1) 및 제2 파워 미터(PM2) 사이의 제3 광 경로 사이에 배치될 수 있다. 제2 대역 차단 필터(33)는 제1 파장의 광을 차단하되, 제2 파장의 광을 통과시킬 수 있다. 제2 대역 차단 필터(33)는 제1 파장의 광이 후술하는 제2 파워 미터(PM2)에 입사하는 것을 방지할 수 있다. 따라서 제2 파워 미터(PM2)의 출력에 대한 제1 파장의 광의 영향을 차단하여 광학 창(240)의 오염도 측정의 신뢰성이 제고될 수 있다.
제1 포커싱 렌즈(35)는 제3 광 경로 상에 배치되되 제1 광 경로로부터 이격될 수 있다. 제1 포커싱 렌즈(35)는 제1 빔 스플리터(BS1) 및 제2 파워 미터(PM2) 사이의 제3 광경로 사이에 배치될 수 있다. 제1 포커싱 렌즈(35)는 제3 레이저 빔(L3)을 제2 파워 미터(PM2)로 집광할 수 있다.
제1 파워 미터(PM1)는 제1 빔 스플리터(BS1)에 의해 반사된 제2 레이저 빔(L2)의 에너지를 측정할 수 있다. 제1 파워 미터(PM1)는 예컨대, 포토 다이오드를 포함할 수 있다. 제2 파워 미터(PM2)는 제1 빔 스플리터(BS1)에 의해 반사된 제3 레이저 빔(L3)의 에너지를 측정할 수 있다. 제2 파워 미터(PM2)는 예컨대, 포토 다이오드를 포함할 수 있다.
제1 파워 미터(PM1)의 출력 및 제2 파워 미터(PM2)의 출력을 비교하여 광학 창(240)의 오염도를 결정할 수 있다. 구체적으로 제1 파워 미터(PM1)의 출력에 대한 제2 파워 미터(PM2)의 출력의 비로부터 광학 창의 오염도를 결정할 수 있다. 제1 파워 미터(PM1)의 출력에 대한 제2 파워 미터(PM2)의 출력의 비가 소정의 수치보다 낮게 측정된다면 오염에 의해 광학 창(240)의 투명도가 저하된 것으로 볼 수 있다.
제1 파워 미터에서 출력한 광학 창(240)의 오염도를 측정하는 것은 어닐링 공정 전 및/또는 중에 수행될 수 있다. 광학 창(240)의 오염도를 측정한 후, 오염도가 소정의 기준치를 넘어서면 광학 창(240)의 상태를 개선하기 위한 적절한 조치를 취할 수 있다. 예컨대 광학 창(240)을 세정하거나, 교체할 수 있다.
일부 실시예들에서 어닐링 공전 전 광학 창(240)의 오염도를 측정하는 경우, 챔버(200)로 입사하는 제2 레이저 빔(L2)를 반사시키기 위해, 실제로 어닐링될 반도체 기판과 동일 또는 유사한 성질의 샘플링 기판(미도시)이 척(230) 상에 배치될 수 있다. 하지만 이에 제한되는 것은 아니고, 어닐링 공전 전 광학 창(240)의 오염도를 측정하는 경우에 어닐링 될 반도체 기판(100)이 척(230) 상에 배치될 수 있다.
도 4는 일부 실시예들에 따른 레이저 어닐링 장비를 설명하기 위한 블록도이다. 설명의 편의상 도 1을 이용하여 설명한 것과 중복되는 것을 생략하고, 차이를 위주로 설명한다.
도 4를 참조하면, 레이저 어닐링 장비(2)는 레이저 발진 구조체(11), 레이저 발진기(21), 제1, 제2 대역 차단 필터(23, 33), 빔 확대경(25), 빔 마스크(27), 제1 포커싱 렌즈(35), 제1, 제2 파워 미터(51, 53), 제1, 제2 반사 거울(M1, M2) 및 챔버(200)를 포함할 수 있다. 나아가, 레이저 어닐링 장비(2)는 제2 빔 스플리터(BS2) 및 광 센서(55)를 더 포함할 수 있다.
제3 광 경로상에 제2 빔 스플리터(BS2)가 배치될 수 있다. 제2 빔 스플리터(BS2)는 제1 빔 스플리터(BS1)와 실질적으로 동일할 수 있다. 제2 빔 스플리터(BS2)는 제3 레이저 빔(L3)의 일부는 투과시키고, 다른 일부는 반사시킬 수 있다. 제2 빔 스플리터(BS2)는 약 50%의 제3 레이저 빔(L3)을 투과시키고, 약 50%의 제3 레이저 빔(L3)을 반사시킬 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 일부 실시예들에 따르면 도 4에 도시된 것처럼 제2 빔 스플리터(BS2)에 반사된 제3 레이저 빔(L3)은 제2 파워 미터(PM2)에 입사할 수 있고, 제2 빔 스플리터(BS2)를 투과한 제3 레이저 빔(L3)은 광 센서(55)에 입사할 수 있다. 다른 일부 실시예들에 따르면, 도 4에 도시된 것과 달리 제2 빔 스플리터(BS2)에 반사된 제3 레이저 빔(L3)은 광 센서(55)에 입사할 수 있고, 제2 빔 스플리터(BS2)를 투과한 제3 레이저 빔(L3)은 제2 파워 미터(PM2)에 입사할 수 있다. 즉 광 센서(55)와 제2 파워 미터(PM2)의 배치가 서로 바뀔 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 제1 파워 미터(PM1)의 출력 및 제2 파워 미터(PM2)의 출력을 비교하여 광학 창(240)의 오염도를 측정하는데 더해 광 센서(55)에 의해 반도체 기판(100)의 상부의 용융 여부를 결정할 수 있다.
광 센서(55)는 실시간으로 반도체 기판(100)에서 반사되는 제3 레이저 빔(L3)의 강도를 측정할 수 있다. 광 센서(55)는 가시광 대역의 광의 에너지를 측정할 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 광 센서(55)에 의해 측정된 제3 레이저 빔(L3)의 강도의 시간 변화에 기초하여 반사율의 시간에 따른 변화를 측정할 수 있다. 일반적으로, 용융된 상태의 반도체 기판(100)의 반사율은 고체 상의 반도체 기판(100)의 반사율 보다 높다. 따라서, 반도체 기판(100)이 용융되는 점에서 광 센서(55)에 측정되는 제3 레이저 빔(L3)의 강도가 증가할 수 있고, 이를 통하여 반도체 기판(100)의 상의 변화를 판정할 수 있다.
이때 반도체 기판(100)의 용융 여부에 따라 제2 파워 미터(PM2)의 측정치가 변화할 수 있다. 전술했듯 광 센서(55)에 의해 반도체 기판(100)의 상을 판단할 수 있으므로, 레이저 어닐링 중에 광학 창(240)의 오염도를 측정하는 경우 기판 용융에 따른 제2 파워 미터(PM2)의 측정치의 변화를 보정하여 광학 창(240)의 오염도를 정확하게 측정 할 수 있다.
도 6는 일부 실시예들에 따른 레이저 어닐링 장비의 효과를 설명하기 위한 평면도이다.
도 6을 참조하면 종래의 레이저 어닐링 장비에서는 광학 창의 오염도를 측정하기 위해 점 광원의 레이저 빔을 이용하였다. 제3 영역(R3)는 종래의 점 광원 형태의 레이저 빔이 채용되는 경우, 반도체 기판(100)의 상면과 평행하게 연쟁되는 평면상에 상에 광학 창의 오염도 측정을 위한 레이저 빔이 도달하는 영역에 해당할 수 있다. 이때, 제3 영역(R3)은 좁은 영역에 국한될 수 있다. 구체적으로 어닐링을 위한 제1 레이저 빔(L1)이 도달하는 제1 영역(R1)보다 제3 영역(R3)이 훨씬 작을 수 있다. 이 경우 제1 레이저 빔(L1)이 반도체 기판(100)의 가장자리에 조사되는 동안, 광학 창의 오염 및/또는 반도체 기판(100)의 용융 여부 측정을 위한 레이저 빔이 반도체 기판(100) 밖에 조사될 수 있다. 따라서 반도체 기판(100)의 가장자리가 어닐링되는 동안 반도체 기판(100)의 용융 여부를 판단할 수 없고 광학 창(240)의 오염도 측정 또한 부정확하게 된다.
반면 도 3a에서처럼 제1 영역(R1) 및 제2 영역(R2)이 실질적으로 동일한 경우, 제1 레이저 빔(L1)이 반도체 기판(100)의 가장자리에 조사되는 경우에도 제2 레이저 빔(L2)의 적어도 일부는 반도체 기판(100) 상에 조사된다. 따라서 반도체 기판(100)의 용융 여부를 판단할 수 있고 광학 창(240)의 오염도를 정확히 측정할 수 있다.
도 5는 일부 실시예들에 따른 레이저 어닐링 장비를 설명하기 위한 블록도이다. 설명의 편의상 도 1 및 도 4를 이용하여 설명한 것과 중복되는 것을 생략하고, 차이를 위주로 설명한다.
도 5를 참조하면 레이저 어닐링 장비(3)는 레이저 발진 구조체(11), 레이저 발진기(21), 제1, 제2 대역 차단 필터(23, 33), 빔 확대경(25), 빔 마스크(27), 제1 포커싱 렌즈(35), 제1, 제2 파워 미터(51, 53), 제1, 제2 반사 거울(M1, M2), 챔버(200), 제2 빔 스플리터(BS2) 및 광 센서(55)를 포함할 수 있다. 나아가 레이저 어닐링 장비(3)는 제2 포커싱 렌즈(45), 대역 통과 필터(47) 및 적외선 센서(57)을 더 포함할 수 있다.
반도체 기판(100)은 레이저 어닐링 전, 중, 후에 흑체 복사에 의해 적외선 파장 대역의 광을 방사할 수 있다. 흑체 복사광(BR)은 반도체 기판(100)의 흑체 복사에 의한 복사광일 수 있다.
반도체 기판 상에 제3 반사 거울(M3)이 배치될 수 있다. 제3 반사 거울(M3)은 적외선 대역의 광을 반사할 수 있다. 제3 반사 거울(M3)은 약 2 내지 20μm의 광을 반사할 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 제3 반사 거울(M3)는 흑체 복사광(BR)을 반사할 수 있다. 제3 반사 거울(M3)은 제1 내지 제3 레이저 빔(L1, L2, L3)를 투과시킬 수 있다. 제3 반사 거울(M3)은 제1 내지 제3 레이저 빔(L1, L2, L3)에 대해 투명할 수 있다.
제3 반사 거울(M3)에 의해 반사된 흑체 복사광(Br)은 제2 포커싱 렌즈(45) 및 대역 통과 필터(47)를 거쳐 적외선 센서(57)에 도달할 수 있다. 제2 포커싱 렌즈(45)는 흑체 복사광(Br)을 적외선 센서(57)로 집광할 수 있다. 대역 통과 필터(47)는 흑체 복사광(BR) 중 특정 파장 대역의 광을 통과시킬 수 있다. 대역 통과 필터(47)는 다중의 대역 통과 필터들의 결합으로 구성될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 적외선 센서(57)는 고속으로 동작하는 포토 다이오드에 해당할 수 있다. 이에 따라 실시간으로 반도체 기판(100) 특정 파장 대역에 대한 방사 강도를 측정할 수 있다. 적외선 센서(57)에 검출된 방사 강도는 기보정된(pre-calibrated) 데이터를 기반으로 실시간으로 처리되어 반도체 기판(100)의 온도로 변환될 수 있다.
이때 고체 상태의 반도체 기판(100)과 용융된 반도체 기판(100)의 방사율이 다를 수 있다. 광 센서(55)에 의한 반사율의 측정을 통해 상변화에 따른 방사광의 강도의 변화를 보정하여 정밀한 온도 측정이 가능하다.
지금까지, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
11: 레이저 발진 구조체, 21: 레이저 발진기, 23, 33: 대역 차단 필터, 25: 빔 확대경 27: 빔 마스크, 35, 45: 포커싱 렌즈 51, 53: 파워 미터, 55: 광 센서, 57: 적외선 센서, BS1, BS2, 빔 스플리터, M1, M2: 반사 거울, 200: 챔버, 240: 광학 창, 100: 반도체 기판

Claims (10)

  1. 광학 창을 포함하는 챔버 내에 배치된 반도체 기판으로 제1 파장과 제1 빔 단면을 갖는 제1 레이저 빔을 방출할 수 있도록 구성된 레이저 발진 구조체;
    상기 반도체 기판으로 상기 제1 파장과 다른 제2 파장의 제2 레이저 빔을 방출할 수 있도록 구성된 레이저 발진기;
    상기 제2 레이저 빔의 광 경로 상에 배치되어 상기 제2 레이저 빔의 단면을 제2 빔 단면으로 확대하는 빔 확대경;
    상기 제2 레이저 빔의 상기 광학 창을 통과하기 전의 에너지를 측정할 수 있도록 구성된 제1 파워 미터; 및
    상기 제2 레이저 빔이 상기 반도체 기판에 의해 반사된 광인 제3 레이저 빔의 상기 광학 창을 통과한 후의 에너지를 측정할 수 있도록 구성된 제2 파워 미터를 더 포함하되,
    상기 반도체 기판 상에 도달한 상기 제1 빔 단면과 상기 제2 빔 단면의 넓이는 실질적으로 동일하고 및
    상기 제1 레이저 빔은 상기 반도체 기판을 어닐링하는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장비.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 파장은 상기 제2 파장보다 더 짧은 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장비.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 기판으로부터 방출된 흑체 복사광을 검출할 수 있도록 구성된 적외선 센서를 더 포함하는 레이저 어닐링 장비.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 레이저 빔의 광 경로인 제1 광 경로의 적어도 일부와 상기 제2 레이저 빔의 광 경로인 제2 광 경로의 적어도 일부가 서로 중첩되는 것을 특징으로 레이저 어닐링 장비.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제3 레이저 빔의 광 경로인 제3 광 경로 상에 배치되고 상기 반도체 기판의 반사율을 측정할 수 있도록 구성된 광 센서를 더 포함하는 레이저 어닐링 장비.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제2 광 경로 상에 배치되는 빔 마스크를 더 포함하되, 상기 빔 마스크는 차광 영역 및 상기 차광 영역에 의해 정의되는 투광 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장비.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 투광 영역은 상기 차광 영역에 의해 둘러싸이고 상기 투광 영역은 형상은 상기 제1 빔 단면의 형상과 동일한 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장비.
  8. 일 방향으로 진행하며 내부에 배치된 반도체 기판 및 광학 창을 포함하는 챔버;
    상기 광학 창을 투과하여 상기 반도체 기판 상의 제1 영역에 제1 파장의 제1 레이저 빔을 방출할 수 있도록 구성된 레이저 발진 구조체;
    상기 광학 창을 투과하여 상기 반도체 기판의 제2 영역에 상기 제1 파장과 다른 제2 파장의 제2 레이저 빔을 방출할 수 있도록 구성된 레이저 발진기;
    상기 제2 레이저 빔의 상기 광학 창을 통과하기 전의 에너지를 측정할 수 있도록 구성된 제1 파워 미터; 및
    상기 제2 레이저 빔이 상기 반도체 기판에 의해 반사된 광인 제3 레이저 빔의 상기 광학 창을 통과한 후의 에너지를 측정할 수 있도록 구성된 제2 파워 미터를 포함하되,
    상기 제2 영역은 상기 제1 영역을 포함하고, 및
    상기 제1 레이저 빔은 상기 반도체 기판을 어닐링하는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 영역은 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 챔버가 일방향으로 진행함에 따라, 상기 제1 및 제2 영역은 상기 일방향의 반대 방향으로 진행하는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 시스템.
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