KR102647965B1 - 전력 반도체 소자의 어닐링 시스템 - Google Patents
전력 반도체 소자의 어닐링 시스템 Download PDFInfo
- Publication number
- KR102647965B1 KR102647965B1 KR1020220130231A KR20220130231A KR102647965B1 KR 102647965 B1 KR102647965 B1 KR 102647965B1 KR 1020220130231 A KR1020220130231 A KR 1020220130231A KR 20220130231 A KR20220130231 A KR 20220130231A KR 102647965 B1 KR102647965 B1 KR 102647965B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- laser
- wafer
- lens
- optical system
- lens array
- Prior art date
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 56
- 238000000137 annealing Methods 0.000 title abstract description 32
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 81
- 238000003491 array Methods 0.000 claims abstract description 27
- 238000005224 laser annealing Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000003754 machining Methods 0.000 claims description 2
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 34
- 238000000034 method Methods 0.000 description 18
- 241001270131 Agaricus moelleri Species 0.000 description 14
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 14
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 11
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 9
- 230000008569 process Effects 0.000 description 9
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 7
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 5
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 230000006870 function Effects 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- 238000004151 rapid thermal annealing Methods 0.000 description 4
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 3
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 3
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 3
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 3
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 1
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 description 1
- 210000002287 horizontal cell Anatomy 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000001151 other effect Effects 0.000 description 1
- 229910021332 silicide Inorganic materials 0.000 description 1
- FVBUAEGBCNSCDD-UHFFFAOYSA-N silicide(4-) Chemical compound [Si-4] FVBUAEGBCNSCDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
- B23K26/354—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment by melting
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
- B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
- B23K26/0622—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
- B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
- B23K26/0648—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising lenses
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
- B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
- B23K26/066—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms by using masks
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
- B23K26/082—Scanning systems, i.e. devices involving movement of the laser beam relative to the laser head
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
- H01L21/67005—Apparatus not specifically provided for elsewhere
- H01L21/67011—Apparatus for manufacture or treatment
- H01L21/67098—Apparatus for thermal treatment
- H01L21/67115—Apparatus for thermal treatment mainly by radiation
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
- B23K2101/36—Electric or electronic devices
- B23K2101/40—Semiconductor devices
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Recrystallisation Techniques (AREA)
Abstract
본 발명은 전력 반도체 소자의 어닐링 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템은 웨이퍼에 다수가 구현된 전력 반도체 소자에 대해 레이저 어닐링을 통해 오믹 접촉 저항을 줄이는 시스템으로서, 레이저를 출력하는 레이저 광원부; 출력된 레이저를 투과시켜 균일화하는 호모게나이저 광학계; 다수의 실린드리컬 렌즈 어레이(Cylindrical lens array)를 포함하거나 적어도 하나의 제1 마이크로 렌즈 어레이(Micro lens array)를 포함하여, 출력된 레이저를 균일화하는 호모게나이저 광학계; 및 균일화된 레이저에 대한 빔 단면 형상을 변경하는 마스크; 빔 단면 형상이 변경된 레이저를 평평하게 하는 콜리메이션 렌즈; 평행해진 레이저에 대해 스캐닝 동작을 수행하는 스캐너; 및 스캐닝 동작에 따라 입사되는 레이저를 모아 웨이퍼로 최종 레이저를 출력하는 종단 렌즈;를 포함한다.
Description
본 발명은 전력 반도체 소자의 어닐링 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전력 반도체 소자에 대해 일정 이상의 높은 출력 및 균일도를 가지는 플랫 탑(flat top)의 레이저를 조사하여 어닐링(annealing)을 수행함으로써, 전력 반도체 소자의 오믹 접촉 저항을 줄일 수 있는 시스템에 관한 것이다.
반도체 소자에 대해 레이저를 이용한 어닐링(annealing) 등의 표면처리는 해당 반도체 소자의 제조 공정 중에 사용된다. 이러한 레이저를 이용한 표면처리는 웨이퍼의 다수 반도체 소자에 레이저의 빔을 조사함으로써, 낮은 열처리량(thermal budget), 높은 도펀트(dopant) 활성화, 초계단 접합(super-abrupt junction)을 제공할 수 있다.
한편, 다양한 종류의 반도체 소자 중에서 전력 반도체 소자(power semiconductor device)는 전력 장치용으로 사용되는 반도체 소자이다. 이러한 전력 반도체 소자는 일반적인 반도체소자에 비해서 고내압화, 큰 전류화, 고주파수화된 것이 특징이며, 전기를 변환하는 부분에서 전압, 전류, 주파수, 직류(DC)/교류(AC) 등 전기 형태를 변환하는 스위치 역할을 할 수 있다. 즉, 전력반도체는 메모리 반도체 소자 등의 일반적인 반도체 소자에 비해 감당하는 전압이 높고(가령, 600~ 10000V) 전류 용량(수A~수백A)이 크다.
특히, 전력 반도체 소자는 실리콘 웨이퍼를 기초 소재로 사용하는데, 최근에는 SiC(Silicon carbide; 탄화규소)를 소재로 한 전력 반도체(이하, "전력 반도체 소자"라 지칭함)의 수요가 급증하고 있다. 이러한 SiC 전력 반도체 소자는 성능 향상을 위해 낮은 오믹 접촉(Ohmic contact) 저항을 가져야 하는데, 이러한 낮은 오믹 접촉 저항을 달성하기 위해서는 SiC 전력 반도체 소자에 대한 1000°C 이상의 고온 어닐링이 필요하다.
전력 반도체 소자에 대한 종래의 어닐링 방법(이하, "제1 종래 기술"이라 지칭함)으로는 급속 열처리 장비인 RTA(rapid thermal annealing)를 이용한 방식이 있다. 즉, 제1 종래 기술은 SiC 전력 반도체 소자의 기판을 챔버에 여러장 넣어서 고온 가열 함으로써, 금속 전극과 반도체 벌크측 간의 콘택 저항을 줄일 수 있다. 하지만, 이러한 제1 종래 기술은 SiC 전력 반도체 소자의 접촉 저항을 줄이는데 한계가 있을 뿐 아니라, 국부적인 열처리가 불가능하다. 특히, 제1 종래 기술은 고온에서 장시간 동안 어닐링을 수행하는 방식이므로, 낮은 오믹 접촉 저항이 필요한 SiC 전력 반도체 소자에 적용될 경우, 해당 소자에서 산화물 및 SiC/SiO2의 계면이 손상되는 문제점이 발생한다.
도 1은 제2 종래 기술에 따른 어닐링 시스템(10)의 대략적인 구성도를 나타낸다.
한편, 전력 반도체 소자에 대한 고온 어닐링을 위해서는 가우시안 분포를 갖는 레이저 빔을 플랫 탑(flat top) 빔으로 변환하여 조사할 필요가 있다. 이와 관련하여, 다른 종래의 어닐링 방법(이하, "제2 종래 기술"이라 지칭함)이 사용될 수 있다.
즉, 도 1을 참조하면, 제2 종래 기술에 따른 어닐링 시스템(10)(이하, "종래 시스템"이라 지칭함)은 광원부(1)에서 발생된 레이저가 회절 광학 소자(Diffractive optical element; DOE)(2), 스캐너(3) 및 종단 렌즈(4)를 거쳐 최종적으로 스테이지(5) 상에 안착된 웨이퍼(W)에 조사하는 방식이다. 이때, 스캐너(3)는 DOE(2)에 의해 회절된 레이저의 방향을 변경하면서 스캐닝 동작을 수행하며, 종단 렌즈(4)는 F theta lens 등으로 구현되어 스캐닝된 레이저에 대해 포커싱 렌즈(focusing lens)의 역할을 한다. 또한, 웨이퍼(W)에는 싱귤레이션 공정 전의 다수의 반도체 소자가 구현되어 있다. 이러한 종래 시스템에서, 플랫 탑 빔의 크기는 2λ로 나타낼 수 있으며, 여기서 λ는 레이저 빔 파장, f는 포커싱 렌즈의 초점거리, d는 입사빔의 직경을 각각 나타낸다.
즉, 종래 시스템은 DOE(2) 및 종단 렌즈(4)를 플랫 탑(flat top)의 레이저 빔(laser beam)을 형성하여 어닐링을 수행한다. 하지만, 이러한 제2 종래 기술은 2 이하의 M2를 가지는 싱글 모드에 가까운 레이저를 사용하여 국부적인 열처리를 수행하므로, 펄스당 레이저 출력이 낮아 빔 크기를 100um 이상으로 크게 할 수 없으며, 빔 균일도가 90% 이하로 낮아 생산성이 낮다.
즉, 종래 시스템에서 사용되는 싱글 모드 레이저는 고반복 주파수를 갖는 반면에 펄스당 에너지가 수백 uJ 정도로 낮기 때문에, 웨이퍼 상에서 필요한 공정 에너지 밀도를 얻기 위해서는 빔 크기를 키우는데 제한적(즉, 플랫 탑 빔 크기가 제한적)이며, 이에 따라 생산성이 매우 낮다.
다만, 상술한 내용은 단순히 본 발명에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 기 공개된 기술에 해당하는 것은 아니다.
상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 전력 반도체 소자에 대해 일정 이상의 높은 출력 및 균일도를 가지는 플랫 탑(flat top)의 레이저를 조사하여 어닐링(annealing)을 수행함으로써, 전력 반도체 소자의 오믹 접촉 저항을 줄일 수 있는 기술을 제공하는데 그 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 일 실시예에 따른 시스템은 웨이퍼에 다수가 구현된 전력 반도체 소자에 대해 레이저 어닐링을 통해 오믹 접촉 저항을 줄이는 시스템으로서, 레이저를 출력하는 레이저 광원부; 출력된 레이저를 투과시켜 균일화하는 호모게나이저 광학계; 다수의 실린드리컬 렌즈 어레이(Cylindrical lens array)를 포함하거나 적어도 하나의 제1 마이크로 렌즈 어레이(Micro lens array)를 포함하여, 출력된 레이저를 균일화하는 호모게나이저 광학계; 및 균일화된 레이저에 대한 빔 단면 형상을 변경하는 마스크; 빔 단면 형상이 변경된 레이저를 평평하게 하는 콜리메이션 렌즈; 평행해진 레이저에 대해 스캐닝 동작을 수행하는 스캐너; 및 스캐닝 동작에 따라 입사되는 레이저를 모아 웨이퍼로 최종 레이저를 출력하는 종단 렌즈;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시스템은 상기 콜리메이션 렌즈와 상기 종단 렌즈 간의 초점 거리 비율에 따라 최종 레이저의 크기가 조절되는 렌즈를 더 포함할 수 있다.
상기 레이저 광원부는 X축 및 Y축 방향(단, Z축은 광축 방향)에 대해 각각 10 이상의 M2 값을 가지는 펄스 레이저를 출력할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시스템은 상기 웨이퍼가 안착되며, 안착된 상기 웨이퍼를 X축 및 Y축 방향(단, Z축은 광축 방향)으로 이동하는 스테이지를 더 포함할 수 있다.
상기 호모게나이저 광학계는 다수의 실린드리컬 렌즈 어레이를 포함하여, 라인(line) 또는 스퀘어(square) 형태의 레이저 빔을 형성할 수 있다.
상기 호모게나이저 광학계는 적어도 하나의 제1 마이크로 렌즈 어레이를 포함하여, 사각 형태의 레이저 빔을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시스템은 상기 레이저 광원부, 상기 스캐너 및 상기 스테이지를 동기화하여 온 더 플라이(on the fly) 방식의 가공 공정을 수행할 수 있다.
상기 레이저 광원부는 200nm 이상 532nm 이하의 파장을 가지는 레이저를 출력할 수 있다.
상기 레이저 광원부는 1.5J/cm2 내지 5.0J/cm2의 펄스당 에너지를 가지는 레이저를 출력할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명은 전력 반도체 소자에 대해 일정 이상의 높은 출력 및 균일도를 가지는 플랫 탑(flat top)의 레이저를 조사하여 어닐링(annealing)을 수행함으로써, 전력 반도체 소자의 오믹 접촉 저항을 줄일 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명은 X축 및 Y축 상에서 최종 레이저 빔을 소면적 간에 이동시키는 스캐너와, 웨이퍼가 안착되어 X축 및 Y축 상에서 최종 레이저 빔을 대면적 간에 이동시키는 스테이지를 포함하되, 스캐너와 스테이지가 서로 동기화되어 레이저를 구동하는 온 더 플라이(on the fly)의 가공 방식으로 어닐링을 수행함으로써, 그 가공 속도 및 생산성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명은 어닐링(annealing) 수행을 위한 레이저 조사 시 레이저의 균일도 저하를 방지하기 위한 다양한 구조를 구비함으로써 레이저의 균일도를 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명은 실시간 모니터링 및 보정이 가능하며, 보다 안정적인 레이저 운용이 가능한 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 제2 종래 기술에 따른 어닐링 시스템(10)의 대략적인 구성도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템(100)의 전체 구성도를 나타낸다.
도 3은 호모게나이저 광학계(130)의 제1 실시예에 대한 구성 및 그 빔 프로파일(beam profile)을 나타낸다.
도 4은 호모게나이저 광학계(130)의 제2 실시예에 대한 구성 및 그 빔 프로파일(beam profile)을 나타낸다.
도 5는 레이저 빔 크기의 계산에 대해 나타낸다.
도 6은 호모게나이저 광학계(130)의 전방에 제2 마이크로 렌즈 어레이(137)가 배치된 모습을 나타낸다.
도 7은 웨이퍼(W)에 대한 온 더 플라이(on the fly) 방식에 따라 레이저 스캔이 이루어지는 예시를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템(100)의 전체 구성도를 나타낸다.
도 3은 호모게나이저 광학계(130)의 제1 실시예에 대한 구성 및 그 빔 프로파일(beam profile)을 나타낸다.
도 4은 호모게나이저 광학계(130)의 제2 실시예에 대한 구성 및 그 빔 프로파일(beam profile)을 나타낸다.
도 5는 레이저 빔 크기의 계산에 대해 나타낸다.
도 6은 호모게나이저 광학계(130)의 전방에 제2 마이크로 렌즈 어레이(137)가 배치된 모습을 나타낸다.
도 7은 웨이퍼(W)에 대한 온 더 플라이(on the fly) 방식에 따라 레이저 스캔이 이루어지는 예시를 나타낸다.
본 발명의 상기 목적과 수단 및 그에 따른 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 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, "A 또는 B", "A 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. 구성요소 간의 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.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템(100)의 전체 구성도를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시스템(100)(이하, "본 시스템"이라 지칭함)은 싱귤레이션 공정 전에 다수의 전력 반도체 소자(power semiconductor device)가 구현된 웨이퍼(W)에 레이저를 조사함으로써, 해당 전력 반도체 소자들에 대한 어닐링(annealing)을 수행하는 장치이다. 이러한 본 시스템(100)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 레이저 광원부(110), 전처리 광학계(optics)(120), 호모게나이저 광학계(Homogenizer optics)(130), 마스크(mask)(140), 콜리메이션 렌즈(Collimation lens)(150), 스캐너(160), 종단 렌즈(170) 및 스테이지(180)를 포함할 수 있다.
본 시스템(100)은 다수의 전력 반도체 소자를 가진 웨이퍼(W)에 대해 한 라인(line)씩 레이저 스캔(scan) 통해 웨이퍼(W)의 전력 반도체 소자의 도핑 농도를 증가시키거나 표면의 극성을 변환하는 등의 어닐링(annealing)을 수행할 수 있다. 이러한 어닐링에 의해, 전력 반도체 소자의 상태, 성질 등이 변화될 수 있다.
레이저 광원부(110)는 레이저의 광원을 생성하여 출력하는 구성이다. 레이저 광원부(110)는 n개(단, n은 자연수)가 구비될 수 있다. 만일, n이 복수 개인 경우, 복수 개의 레이저가 각 레이저 광원부(110)에서 출력되되, 마스크(140)에서 이웃한 각 레이저 빔이 서로 일부 중첩되도록 출력될 수 있다.
레이저 광원부(110)는 펄스 형태로 레이저를 출력할 수 있다. 가령, 레이저 광원부(110)는 DPSS(Diode pumped solid state) 레이저, 플래쉬 LPSS(lamp pumped solid state) 레이저 등을 생성할 수 있으며, 다양한 반복율(예를 들어, 200Hz 이하)과 다양한 펄스당 에너지를 가지는 레이저를 생성할 수 있다.
특히, 다수의 레이저 빔을 마스크(140)에서 중첩시켜 빔의 균일도를 향상시켜야 하므로, 레이저 광원부(110)에서 생성되는 레이저는 M2 값이 10 이상이고, 파장이 200nm 이상 532nm 이하이며, 펄스당 에너지가 1.5J/cm2 ~ 5.0J/cm2 인 것이 바람직할 수 있다.
전처리 광학계(120)는 레이저 광원부(110)에서 방출된 레이저가 입사되면, 입사된 레이저에 대한 전처리를 수행하는 기능을 가진다. 일례로, 전처리 광하계(120)는 입사된 레이저의 세기(예를 들어, 에너지)를 조절하는 어테뉴에이터 및 빔 확대경 광학계(Attenuator optics) 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이때, 다수의 레이저 빔이 입사될 수 있으며, 어테뉴에이터 광학계는 각 레이저 빔에 대한 세기를 조절하여 출력할 수 있다.
가령, 어테뉴에이터 광학계는 입사되는 레이저의 각도를 변화(즉, 레이저 입사 부분 광학계의 각도를 변화)시킴으로써 그 레이저 입사 부분 광학계에 투과되는 레이저의 에너지를 변화시킬 수 있으며, 이에 따라, 출력되는 레이저의 에너지(즉, 출력 강도)를 조절할 수 있다. 이러한, 어테뉴에이터 광학계에서의 레이저의 에너지 조절 정도는 제어부(104)의 제어 신호에 의해 제어될 수 있다.
호모게나이저 광학계(130)는 레이저 광원부(110)에서 출력된 레이저(전처리 광학계(120)가 없는 경우) 또는 전처리 광학계(120)에서 출력된 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 대상물인 웨이퍼(W)의 표면에 조사될 경우, 레이저의 빔이 조사되는 부위에 따라 불균일한 표면 처리가 발생될 수 있다. 반면, 호모게나이저 광학계(130)를 통해 균일화된 레이저는 빔의 중간 부분과 가장자리 부분의 에너지 차이를 최소화하여, 빔 전 영역에서 에너지가 균일한 플랫 탑(Flat-top) 빔 형태를 가질 수 있다.
특히, 다수의 레이저 빔이 호모게나이저 광학계(130)를 통과하면서 하나로 합쳐진(중첩된) 레이저로 출력될 수 있다. 즉, 호모게나이저 광학계(130)는 공간적으로 분포된 여러 개의 레이저 빔을 하나의 Flat-top 빔 형태로 합성/변형시킬 수 있다. 이 경우, 대상물에 조사되는 레이저의 범위를 확장하면서 동시에 그 파워도 높일 수 있는 이점이 있다.
도 3은 호모게나이저 광학계(130)의 제1 실시예에 대한 구성 및 그 빔 프로파일(beam profile)을 나타내며, 도 4은 호모게나이저 광학계(130)의 제2 실시예에 대한 구성 및 그 빔 프로파일(beam profile)을 나타낸다.
제1 실시예에 따르면, 호모게나이저 광학계(130)는 다수의 실린드리컬 렌즈 어레이(Cylindrical lens array)(131, 132)와, 이들 실린드리컬 렌즈 어레이(131, 132)의 후방에 배치된 필드 렌즈(Field lens)(133)를 포함하여, 입사된 레이저를 균일화할 수 있다.
이때, 실린드리컬 렌즈들은 그 면 방향(단, Z축은 광축 방향)의 X축 및 Y축 반경이 서로 다른 유형의 렌즈로서, Y축의 반경이 강조된 수직 방향 실린드리컬 렌즈와, 다른 하나는 X축 반경이 강조된 수평 방향 실린드리컬 렌즈가 있다. 즉, 다수의 실린드리컬 렌즈 어레이(131, 132) 중에 어느 하나는 수직 방향 실린드리컬 렌즈가 그 면 방향(X축 및 Y축)에서 복수 배치된 것(이하, "수직 방향 실린드리컬 렌즈 어레이"라 지칭함)이며, 다른 하나는 수평 방향 실린드리컬 렌즈가 그 면 방향에서 복수 배치된 것(이하, "수평 방향 실린드리컬 렌즈 어레이"라 지칭함)이다.
이에 따라, 다수의 실린드리컬 렌즈 어레이(131, 132)에 하나는 Y축의 반경이 강조된 수직 방향 실린드리컬 렌즈 어레이일 수 있고, 다른 하나는 X축의 반경이 강조된 수평 방향 실린드리컬 렌즈 어레이일 수 있다. 이러한 다수의 실린드리컬 렌즈 어레이(131, 132)는 수직 방향 실린드리컬 렌즈들(전방 및 후방 중 어느 하나에 배치)과 수평 방향 실린드리컬 렌즈들(전방 및 후방 중 다른 하나 하나에 배치)이 광축(Z축) 상에서 서로 이격되되 면 방향(X축 및 Y축)에 서로 대응한 위치에 배치될 수 있으며, 이들의 광학 작용에 의해 레이저가 균일화될 수 있다.
또한, 제2 실시예에 따르면, 호모게나이저 광학계(130)는 적어도 하나의 제1 마이크로 렌즈 어레이(Micro lens array)(134, 135)와, 적어도 하나의 제1 마이크로 렌즈 어레이(134, 135)의 후방에 배치된 필드 렌즈(136)를 포함하여, 입사된 레이저를 균일화할 수 있다.
마이크로 렌즈 어레이는 콜리메이트 기능 또는 발산각을 변환하는 기능을 가지는 렌즈가 면 방향에서 복수 배치된 것이다. 이에 따라, 제1 마이크로 렌즈 어레이(134, 135)는 적어도 하나가 구비되어, 그 광학 작용에 의해 레이저가 균일화될 수 있다. 즉, 도 4 및 도 6에서는 복수의 제1 마이크로 렌즈 어레이(134, 135)가 구비된 것으로 도시되었으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
다만, 복수의 제1 마이크로 렌즈 어레이(134, 135)가 구비될 경우, 전방의 마이크로 렌즈 어레이(134)의 마이크로 렌즈들과 후방의 마이크로 렌즈 어레이(135)의 마이크로 렌즈들은 광축(Z축) 상에서 서로 이격되되 면 방향(X축 및 Y축)에서 서로 대응하는 위치에 배치될 수 있다.
또한, 필드 렌즈(133, 136)는 다수의 다수의 실린드리컬 렌즈 어레이(Cylindrical lens array)(131, 132) 또는 적어도 하나의 제1 마이크로 렌즈 어레이(134, 135)에 의해 균일화된 레이저 빔을 집광할 수 있다. 예를 들어, 필드 렌즈(133, 136)는 푸리에 렌즈(Fourier lens)일 수 있다.
도 5는 레이저 빔 크기의 계산에 대해 나타낸다.
도 5를 참조하면, 렌즈 어레이(LA1, LA2)에서, 그 하나의 마이크로 렌즈에 대한 가로 및 세로 크기를 피치(PLA1)라고 한다. 이러한 피치 값은, 렌즈 어레이(LA1, LA2)의 초점거리(fLA1, fLA2), 렌즈 어레이(LA1, LA2) 간의 거리(a12), 및 필드 렌즈(FL)의 초점거리(fFL)에 의해 그 후방(FP)에서의 레이저 빔 크기를 결정한다.
즉, 도 5에 따른 계산식은 입사되는 레이저 빔의 크기(SIN)가 렌즈 어레이(LA1, LA2)의 피치(PLA1) 보다 충분히 크고, 필드 렌즈(FL)를 사용할 때 적용 가능하다. 이러한 계산식에서 알 수 있는 바와 같이, 렌즈 어레이(LA1, LA2)의 피치(PLA1), 초점거리(fLA1, fLA2), 렌즈 어레이(LA1, LA2) 간의 거리(a12), 및 필드 렌즈(FL)의 초점 거리(fFL)에 의해 그 후방(FP)에서의 중첩된 레이저 빔 크기(DFT)가 결정된다.
이러한 제1 렌즈 어레이(LA1) 및 제2 렌즈 어레이(LA2)는, 제1 실시예의 경우 실린드리컬 렌즈 어레이들(131, 132)일 수 있고, 제2 실시예의 경우 제1 마이크로 렌즈 어레이들(134, 135)일 수 있다.
즉, 도 5의 내용을 적용하면, 제1 및 제 실시예에서, 실린드리컬 렌즈 어레이(131, 132) 및 필드 렌즈(133)와, 제2 실시예의 제1 마이크로 렌즈 어레이(134, 135) 및 필드 렌즈(136)에 의해 각각 레이저 빔의 중첩(간섭)이 발생한다. 이에 따라, 도 3 및 도 4의 빔 프로파일에서 알 수 있는 바와 같이, 호모게나이저 광학계(130)의 후방(PL)에서 간섭 무늬가 발생하면서 레이저의 균일도가 저하되는 문제가 발생할 수도 있다.
도 6은 호모게나이저 광학계(130)의 전방에 제2 마이크로 렌즈 어레이(137)가 배치된 모습을 나타낸다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 도 6에 도시된 바와 같이, 제2 마이크로 렌즈 어레이(137)가 추가로 배치될 수 있으며, 이러한 제2 마이크로 렌즈 어레이(137)는 호모게나이저 광학계(130)에 입사되는 파면을 변조하여 간섭 효과를 감소시키는 구성에 해당한다.
이때, 제2 마이크로 렌즈 어레이(137)는 호모게나이저 광학계(130)의 전방에 회전된 형태로 배치될 수 있다. 즉, 제2 마이크로 렌즈 어레이(137)는 제1 실시예의 전방 실린드리컬 렌즈 어레이(131)에 대해 또는 제2 실시예의 전방 제1 마이크로 렌즈 어레이(134)에 대해, 광축(Z축)을 회전 중심축으로 하여 소정의 회전 각도를 가지도록 배치될 수 있다.
이러한 회전 각도의 배치에 따라, 제2 마이크로 렌즈 어레이(137)는 호모게나이저 광학계(130)에서 발생되는 레이저의 간섭 무늬 또는 중첩 빔 크기에 영향을 줄 수 있다. 즉, 이러한 배치에 의해, 호모게나이저 광학계(130)로 입사하는 레이저 빔들이 분할되고 수직 또는 수평의 셀로 균등하게 분포되지 않으면서 호모게나이저 광학계(130)의 간섭 패턴을 약화시킬 수 있다.
특히, 제2 마이크로 렌즈 어레이(137)는 제1 실시예에서 전방의 실린드리컬 렌즈 어레이(131)에 대해 또는 제2 실시예에서 전방의 제1 마이크로 렌즈 어레이(134)에 대해, 광축(Z축)을 기준으로 10˚내지 60˚의 회전 각도를 가지도록 배치될 수 있다. 이 경우, 제2 마이크로 렌즈 어레이(137)는 해당 간섭 무늬 또는 중첩 빔 크기를 줄이도록 작용하여, 호모게나이저 광학계(130)의 레이저 빔 간섭에 따른 레이저 균일도 저하를 방지할 수 있다. 즉, 레이저에 대한 Pulse stretch를 유발시켜 더 높은 균일도를 대상물(OB)에서 얻을 수 있다. 다만, 그 회전 각도가 10˚의 미만이 되거나 60˚를 초과하는 경우, 해당 간섭 무늬 또는 중첩 빔 크기의 감소 효과는 크게 나타나지 않을 수 있다.
또한, 제2 마이크로 렌즈 어레이(137)는 복수개가 구비될 수 있다. 이 경우, 더 많은 형태의 파면이 형성되면서 간섭 무늬 또는 중첩 빔 크기의 감소 효과는 더욱 촉진될 수 있다. 다만, 제2 마이크로 렌즈 어레이(137)는 서로 다른 회전 각도를 가질 수도 있다.
마스크(140)는 호모게나이저 광학계(130)에서 균일화된 레이저에 대한 빔 단면 형상을 변경한다. 즉, 마스크(140)는 대상물에 조사되는 최종 레이저의 상의 크기 및 형상을 결정할 수 있다. 이때, 마스크(140)에서 레이저 빔의 외곽 부분을 커팅하는 방법에 따라 빔 스티프니스를 다르게 할 수 있다.
예를 들어, 마스크(140)는 라인(line), 스퀘어(square) 또는 사각 형상(즉, 직사각형)의 빔 단면 형상을 출력할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 마스크(140)는 레이저를 차단하는 빔 차단부와 레이저를 통과시키는 빔 관통부를 각각 가진다. 이때, 마스크(140)는 빔 차단부 및 빔 관통부가 조절 안되는 고정형 마스크이거나, 빔 차단부 및 빔 관통부가 조절 가능한 가변형 마스크일 수 있다. 즉, 가변형 마스크는 레이저의 빔 형상에 대한 변경이 가능하다. 다만, 고정형 마스크도 교체 가능하게 구성되어, 레이저의 빔 형상에 대한 변경이 가능할 수도 있다. 다만, 필요에 따라 마스크(140)는 구비되지 않을 수도 있다.
한편, 호모게나이저 광학계(130)와 마스크(140)의 사이에는 다양한 광학계(미러 또는 렌즈 등)가 추가적으로 구비될 수 있다. 일례로, 필드 렌즈가 추가적으로 구비될 수 있다. 이 경우, 필드 렌즈는 호모게나이저 광학계(130)를 거쳐 균일화된 레이저를 집광할 수 있다. 즉, 필드 렌즈는 호모게나이저 광학계(130)의 상(像)을 마스크(140)로 정확히 이동시키는데 사용될 수 있다. 특히, 필드 렌즈는 호모게나이저 광학계(130)의 필드 렌즈(133, 136)와 조합되어 시스템의 초점거리를 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 필드 렌즈는 푸리에 렌즈(Fourier lens)일 수 있다.
콜리메이션 렌즈(150)는 시준 렌즈로서, 마스크(130)를 통과하여 그 빔 형상이 가공된 레이저를 평행하게 만들어 스캐너(160)로 출력하는 곡선형 광학 렌즈이다.
도 7은 웨이퍼(W)에 대한 온 더 플라이(on the fly) 방식에 따라 레이저 스캔이 이루어지는 예시를 나타낸다.
스캐너(160)는 콜리메이션 렌즈(150)에 의해 평행해진 레이저에 대해 레이저의 방향을 변경하면서 스캐닝 동작을 수행한다. 즉, 스캐너(160)의 스캐닝 헤드는 이동 가능한 1개 이상의 미러(mirror)로 구성되어 있어서, 입사되는 레이저 빔의 진행 방향을 바꾸는 역할을 할 수 있다. 스캐너(160)는 웨이퍼(W)에 대해 X축 및 Y축 상(단, Z축은 광축 방향)에서 레이저의 조사 위치가 소면적 영역들을 따라 이동하도록 제어한다.
즉, 웨이퍼(W)에는 어닐링이 수행되어야 할 다수의 대면적 영역이 있으며, 이때 각 대면적 영역에는 다수의 소면적 영역들이 포함된다. 이러한 각 대면적 영역 간의 이동은 후술할 스테이지(180)에 의해 이루어지면, 각 대면적 영역 내에서 각 소면적 영역 간의 이동은 스캐너(160)의 스캐닝 동작에 의해 이루어진다.
예를 들어, 스캐너(160)는 갈바노미터 스캐너(Galvanometer Scanner), 폴리건 미러 스캐너(Polygon Mirror Scanner) 등일 수 있다. 즉, 스캐너(160)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.
또한, 스캐너(160)는 복수의 갈바노미터 스캐너로 이루어질 수도 있다. 각 갈바노미터 스캐너는 회전축에 연결된 미러와, 미러의 각도를 조절하도록 회전축을 회전시키는 모터를 각각 포함할 수 있다. 즉, 갈바노미터 스캐너는 레이저의 각도를 편향시켜 그 경로를 컨트롤하는 수단으로, 즉 스캐닝 동작을 수행하는 수단으로 사용될 수 있다. 이러한 스캐닝 동작에 따라, 종단 렌즈(170)를 거쳐 최종 출사되는 레이저가 스캔 영역을 형성하며, 해당 스캔 영역에 웨이퍼(W)가 위치함으로써 그 웨이퍼(W)의 상부 표면이 레이저에 의해 스캔될 수 있다.
종단 렌즈(170)는 스캐너(160)에 의해 진행 방향이 변경된 레이저를 광학적으로 가공할 수 있다. 즉, 종단 렌즈(170)는 입사되는 레이저를 모아 웨이퍼(W) 상으로 출력하여 가공하는 스캐닝 렌즈(scanning lens)로 작용한다. 일례로, 종단 렌즈(170)는 f-theta 렌즈 또는 텔레센트릭 렌즈 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
즉, 종단 렌즈(170)는 구면 상 중심 이외의 여러 부분이 사용되므로, 일반 렌즈의 경우에는 렌즈의 중심부를 제외한 부분에서는 초점이 맞지 않게 되어, 정밀 가공이 불가능하다. 반면, F-theta 렌즈 또는 텔레센트릭 렌즈의 경우, 해당 문제점을 해결하여, 렌즈의 중심부 외에의 영역에서도 초점을 맞출 수 있다. 이에 따라, 종단 렌즈(170)를 통과하면서 초점이 모인 최종 레이저가 대상물인 웨이퍼(W)로 조사됨으로써, 다수의 전력 반도체 소자에 대한 어닐링이 수행될 수 있다.
또한, 본 시스템(100)은 출력되는 레이저에 대한 모니터링 및 제어를 위해, 빔 스플리터(beam splitter)(101), 튜브 렌즈(102), 카메라(103) 및 제어부(104) 등을 더 포함할 수도 있다
즉, 빔 스플리터(105)는 마스크(140) 또는 콜리메이션 렌즈(150)를 통과한 레이저가 진행하는 광 경로 상에 구비되어 해당 레이저를 일정 비율로 분할하는 역할을 한다. 즉, 빔 스플리터(105)는 해당 레이저의 일부를 제1 방향으로 분기하고, 해당 레이저의 나머지를 제2 방향으로 분기할 수 있다.
이때, 제1 방향으로 분기된 레이저의 일부는 튜브 렌즈(102)를 거쳐 카메라(103)로 입사되어 촬영될 수 있으며, 이러한 촬영에 의해 레이저에 대한 모니터링이 가능하다. 즉, 카메라(103)에서 촬영된 이미지는 제어부(104)로 전달되며, 제어부(104)에서는 해당 이미지를 이용하여, 대상물에 출력되는 레이저를 분석할 수 있다. 물론, 카메라(103)에서 촬영된 이미지는 사용자에 의해 관찰되도록 구현될 수도 있다.
또한, 레이저의 파워를 측정하는 파워 미터가 카메라(103)를 대체하여 구비될 수도 있다. 이 경우, 파워 미터에서 측정된 값이 제어부(104)로 전달되며, 제어부(104)에서는 해당 측정 값을 이용하여, 대상물에 출력되는 레이저를 분석할 수 있다.
만일, 분석된 레이저가 설정된 값에서 변경된 경우, 제어부(104)는 해당 변경 값을 반영하여 전처리 광학계(120)에서 레이저의 에너지 등이 조절되도록 제어할 수 있다. 이때, 계산된 에러만큼 전처리 광학계(120)의 각도를 회전시키도록 제어함으로써, 실시간으로 레이저의 에너지를 보정할 수 있다.
예를 들어, 제어부(104)는 프로세서와 메모리를 포함할 수 있으며, 프로세서는 메모리에 저장된 프로그램에 따라 전처리 광학계(120)의 제어를 위한 신호를 생성하여 전처리 광학계(120)로 전달할 수 있다.
또한, 제2 방향으로 분기된 레이저는 스캐너(160)로 전달되며, 스캐너(160)의 스캐닝 작용에 따라 진행 방향이 변경되며, 종단 렌즈(170)를 거쳐 최종적으로 웨이퍼(W)로 조사된다.
한편, 스테이지(180)는 그 상부에 웨이퍼(W)를 안착한다. 이때, 스테이지(180)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 안착된 웨이퍼(W)에 대해 X축 및 Y축 상에서 대면적 영역들 간의 위치(단, Z축은 광축 방향)를 이동시키도록 구현된다. 이에 따라, 웨이퍼(W)에 조사되는 최종 레이저의 위치는 스테이지(180)에 의해 다수의 대면적 영역들을 따라 이동되고, 스캐너(160)에 의해 각 대면적 영역 내에 포함된 다수의 소면적 영역들을 따라 이동되면서, 레이저 스캔이 이루어질 수 있다.
<전력 반도체 소자의 어닐링을 위한 본 발명의 주요 특징>
한편, SiC 전력 반도체 소자는 열 전도도가 4.5W/cm.K로 실리콘에 비해 3배 높아 500°C 이상의 고온에서 동작 가능하며, 절연 파괴전압 또한 2.0 x 106 V/cm로 6배 정도 높아 내전압 특성이 우수한 반도체이다.
쇼트키 다이오드 및 모스펫(MOSFET) 등과 같은 4H-SiC 기반의 전력 반도체 소자의 성능을 향상 시키기 위해서는 10-3 Ωcm2 이하의 낮은 오믹 접촉(Ohmic contact) 저항을 가지도록 형성하는 것이 필요하다.
일례로, SiC 전력 반도체 소자에서, 전체 저항의 구성은 반도체 표면 에피층의 drift 저항과, 반도체 자체의 벌크(bulk) 저항과, 반도체와 금속 전극 사이의 접촉 저항으로 구분될 수 있다 이때, 에피층 및 벌크층의 저항이 10-3 Ωcm2 이하이므로, 접촉 저항도 10-3 Ωcm2 이하가 되어야, 해당 전력 반도체 소자에 영향을 미치지 않게 된다. 이에 따라, SiC 반도체와 금속 전극이 접합되는 접촉 영역은 실리사이드를 형성하여 안정된 낮은 오믹 접촉 저항 특성을 실현해야 한다.
이러한 낮은 저항의 오믹 접촉 저항 성능을 달성하기 위해서는 1000°C 이상의 고온 어닐링이 필요하다. 하지만, RTA(rapid thermal annealing)를 이용하는 제1 종래 기술은 고온에서 장시간 동안 어닐링을 수행하는 방식이므로, 낮은 오믹 접촉 저항이 필요한 SiC 전력 반도체 소자에 적용될 경우, 해당 소자에서 산화물 및 SiC/SiO2의 계면이 손상되는 문제점이 발생한다. 이에 따라, 국부적이고 순간적이면서, 동시에 대면적을 가지는 전체 영역에 대해 가공 가능한 레이저 어닐링 공정이 필요하다(이하, "제1 조건"이라 지칭함).
이러한 제1 조건을 만족하는 레이저 어닐링 공정을 위해서는 가우시안 분포를 갖는 레이저 빔을 플랫 탑(flat top) 빔으로 변환하는 광학계가 필수적이다. 이에 따라, 본 발명에서는 렌즈 어레이 형태의 호모게나이저 광학계(130)를 사용함으로써, 마스크(140)에서 다수의 레이저 빔을 중첩시킬 수 있으며, 이에 따라 빔 균일도를 개선하여 90% 이상의 빔 균일도를 달성할 수 있다. 그 결과, 본 발명은 일반적으로 90% 이하의 빔 균일도를 갖는 제2 종래 기술 등을 이용한 플랫 탑 광학계 보다 더 높은 균일도를 달성할 수 있다.
즉, 레이저 빔을 성형하는 호모게나이저 광학계(130)가 렌즈 어레이를 사용함에 따라, 본 발명에 따른 멀티 모드 레이저가 펄스당 에너지가 수백 mJ 정도로 크며, 이에 따라 DOE를 사용하는 제2 종래 기술보다 웨이퍼(W) 상에서 빔 크기를 수배 이상 크게 할 수 있으므로, 생산성을 높일 수 있다. 또한, 본 발명은 복수의 레이저를 사용하여 레이저 출력을 증가시킬 수 있으며, 이로 인해 빔 크기를 확대 시킬 수 있는 광학계를 이용하여 생산성을 높일 수 있다.
한편, 마스크(140)에 따라 성형된 레이저 빔의 크기는 콜리메이션 렌즈(150)와 f-theta 렌즈 등으로 구현된 종단 렌즈(170)의 초점거리 비율에 의해 축소하여 웨이퍼(W)에 조사함으로써, 웨이퍼(W) 상에서 필요한 에너지 밀도를 가지는 적정한 레이저 빔 크기로 조정할 수 있다. 즉, 스캐너(160)를 사이에 두고, 콜리메이션 렌즈(150)의 제1 초점거리와 종단 렌즈(170)의 제2 초점거리 간의 비율에 따라, 최종 레이저 빔의 크기가 조절될 수 있다. 이를 위해, 제1 및 제2 초점거리의 비율을 조절하기 위한 렌즈(미도시)가 스캐너(160) 등에 포함될 수 있다.
호모게나이저 광학계(130)를 통과한 레이저 빔 크기는 일반적으로 DFT = PLA fFL/ fLA2로 표시할 수 있으며, 여기서 DFT는 마스크(140) 상에서 플랫 탑 빔 크기, PLA는 호모게나이저 광학계(130)의 렌즈 어레이 피치, fFL은 프리에 렌즈의 초점거리, fLA2는 호모게나이저 광학계(130)의 두번째 렌즈 어레이의 초점거리이다. 이에 따르면, 마스크(140) 상의 레이저 빔 크기를 콜리메이션 렌즈(150)와 종단 렌즈(170)(f-theta 렌즈 등) 간의 초점 거리 비율로 축소하여, 웨이퍼(W) 상에 플랫 탑 빔을 생성할 수 있다.
호모게나이저 광학계(130)의 구성을 제2 실시예에 따라 렌즈 어레이로 구현하면 웨이퍼(W) 상에서 사각 형상의 레이저 빔을 형성할 수 있다. 또한, 호모게나이저 광학계(130)의 구성을 제2 실시예에 따라 실린드리컬 렌즈 어레이로 구현하면 웨이퍼(W) 상에서 라인(line) 또는 스퀘어(square) 형상의 레이저 빔을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명은 X축 및 Y축 방향(단, Z축은 광축 방향)이 각각 10 이상 M2 값을 가지는 멀티 모드의 레이저 광원을 출력하는 레이저 광원부(110)를 사용함으로써, 웨이퍼(W) 상에서 레이저 상호 간의 간섭에 의해 발생하는 레이저 스펙클(laser speckle)을 최소화하여 빔 균일도를 더욱 향상시킬 수 있다. 즉, 다수의 레이저 빔을 마스크(130) 상에서 중첩시켜서 레이저 빔의 균일도를 향상시켜야 하기 때문에, 레이저의 M2 값이 10 이상을 가지는 것이 바람직할 수 있다.
또한, 본 발명은 X축 및 Y축 상에서 최종 레이저 빔을 소면적 간에 이동시키는 스캐너(160)와, 웨이퍼(W)가 안착되어 X축 및 Y축 상에서 최종 레이저 빔을 대면적 간에 이동시키는 스테이지(180)를 포함한다. 이때, 본 발명은 스캐너(160)와 스테이지(180)가 서로 동기화되어 레이저를 구동하는 온 더 플라이(on the fly)의 가공 방식으로 어닐링을 수행함으로써, 그 가공 속도 및 생산성을 향상시킬 수 있다. 이 경우, 종래 방법보다 3배 이상의 생산성을 확보할 수 있다. 즉, 레이저 광원부(110), 스캐너(160) 및 스테이지(180)의 동기화를 통해, 웨이퍼(W)에 대한 어닐링 공정이 중단 없이 온 더 플라이 방식으로 연속으로 진행될 수 있다. 이를 통해, 빔 중첩 조정 및 웨이퍼(W) 전체 면적을 일정하게 스캔 할 수 있다. 이때, 빔의 중첩율은 공정의 필요에 따라 50%에서 100%까지 조절될 수 있다.
상술한 바와 같이 구성되는 본 발명은 전력 반도체 소자에 대해 일정 이상의 높은 출력 및 균일도를 가지는 플랫 탑(flat top)의 레이저를 조사하여 어닐링(annealing)을 수행함으로써, 전력 반도체 소자의 오믹 접촉 저항을 줄일 수 있는 이점이 있다. 또한, 본 발명은 X축 및 Y축 상에서 최종 레이저 빔을 소면적 간에 이동시키는 스캐너와, 웨이퍼가 안착되어 X축 및 Y축 상에서 최종 레이저 빔을 대면적 간에 이동시키는 스테이지를 포함하되, 스캐너(160)와 스테이지(180)가 서로 동기화되어 레이저를 구동하는 온 더 플라이(on the fly)의 가공 방식으로 어닐링을 수행함으로써, 그 가공 속도 및 생산성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다. 또한, 본 발명은 어닐링(annealing) 수행을 위한 레이저 조사 시 레이저의 균일도 저하를 방지하기 위한 다양한 구조를 구비함으로써 레이저의 균일도를 향상시킬 수 있는 이점이 있다. 또한, 본 발명은 레이저의 실시간 모니터링 및 보정이 가능하며, 보다 안정적인 레이저 운용이 가능한 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.
101: 빔 스플리터 102: 튜브 렌즈
103: 카메라 104: 제어부
110: 레이저 광원부 120: 전처리 광학계
130: 호모게나이저 광학계 140: 마스크
150: 콜리메이션 렌즈 160: 스캐너
170: 종단 렌즈 180: 스테이지
103: 카메라 104: 제어부
110: 레이저 광원부 120: 전처리 광학계
130: 호모게나이저 광학계 140: 마스크
150: 콜리메이션 렌즈 160: 스캐너
170: 종단 렌즈 180: 스테이지
Claims (13)
- 웨이퍼에 다수가 구현된 전력 반도체 소자에 대해 레이저 어닐링을 통해 오믹 접촉 저항을 줄이는 시스템으로서,
레이저를 출력하는 레이저 광원부;
다수의 실린드리컬 렌즈 어레이(Cylindrical lens array)를 포함하거나 적어도 하나의 제1 마이크로 렌즈 어레이(Micro lens array)를 포함하여, 출력된 레이저를 균일화하는 호모게나이저 광학계;
균일화된 레이저에 대한 빔 단면 형상을 변경하는 마스크;
빔 단면 형상이 변경된 레이저를 평평하게 하는 콜리메이션 렌즈;
평행해진 레이저에 대해 스캐닝 동작을 수행하는 스캐너;
스캐닝 동작에 따라 입사되는 레이저를 모아 웨이퍼로 최종 레이저를 출력하는 종단 렌즈; 및
상기 콜리메이션 렌즈와 상기 종단 렌즈 간의 초점 거리 비율에 따라 최종 레이저의 크기가 조절되는 렌즈;
를 포함하는 시스템.
- 웨이퍼에 다수가 구현된 전력 반도체 소자에 대해 레이저 어닐링을 통해 오믹 접촉 저항을 줄이는 시스템으로서,
레이저를 출력하는 레이저 광원부;
출력된 레이저를 균일화하는 호모게나이저 광학계;
균일화된 레이저에 대한 빔 단면 형상을 변경하는 마스크;
빔 단면 형상이 변경된 레이저를 평평하게 하는 콜리메이션 렌즈;
평행해진 레이저에 대해 스캐닝 동작을 수행하는 스캐너; 및
스캐닝 동작에 따라 입사되는 레이저를 모아 웨이퍼로 최종 레이저를 출력하는 종단 렌즈;를 포함하며,
상기 호모게나이저 광학계는 적어도 하나의 제1 마이크로 렌즈 어레이(Micro lens array)를 포함하여, 사각 형태의 레이저 빔을 형성하는 시스템.
- 웨이퍼에 다수가 구현된 전력 반도체 소자에 대해 레이저 어닐링을 통해 오믹 접촉 저항을 줄이는 시스템으로서,
레이저를 출력하는 레이저 광원부;
다수의 실린드리컬 렌즈 어레이(Cylindrical lens array)를 포함하거나 적어도 하나의 제1 마이크로 렌즈 어레이(Micro lens array)를 포함하여, 출력된 레이저를 균일화하는 호모게나이저 광학계;
균일화된 레이저에 대한 빔 단면 형상을 변경하는 마스크;
빔 단면 형상이 변경된 레이저를 평평하게 하는 콜리메이션 렌즈;
평행해진 레이저에 대해 스캐닝 동작을 수행하는 스캐너; 및
스캐닝 동작에 따라 입사되는 레이저를 모아 웨이퍼로 최종 레이저를 출력하는 종단 렌즈;를 포함하며,
상기 레이저 광원부는 X축 및 Y축 방향(단, Z축은 광축 방향)에 대해 각각 10 이상의 M2 값을 가지는 펄스 레이저를 출력하는 시스템.
- 웨이퍼에 다수가 구현된 전력 반도체 소자에 대해 레이저 어닐링을 통해 오믹 접촉 저항을 줄이는 시스템으로서,
레이저를 출력하는 레이저 광원부;
다수의 실린드리컬 렌즈 어레이(Cylindrical lens array)를 포함하거나 적어도 하나의 제1 마이크로 렌즈 어레이(Micro lens array)를 포함하여, 출력된 레이저를 균일화하는 호모게나이저 광학계;
균일화된 레이저에 대한 빔 단면 형상을 변경하는 마스크;
빔 단면 형상이 변경된 레이저를 평평하게 하는 콜리메이션 렌즈;
평행해진 레이저에 대해 스캐닝 동작을 수행하는 스캐너;
스캐닝 동작에 따라 입사되는 레이저를 모아 웨이퍼로 최종 레이저를 출력하는 종단 렌즈; 및
상기 호모게나이저 광학계의 전방에 배치되되, 상기 실린드리컬 렌즈 어레이 또는 상기 제1 마이크로 렌즈 어레이에 대해 광축을 회전 중심축으로 하여 회전된 각도를 가지도록 배치되는 제2 마이크로 렌즈 어레이;
를 포함하는 시스템.
- 제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 호모게나이저 광학계는 다수의 실린드리컬 렌즈 어레이를 포함하여, 라인(line) 또는 스퀘어(square) 형태의 레이저 빔을 형성하는 시스템.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 웨이퍼가 안착되며, 안착된 상기 웨이퍼를 X축 및 Y축 방향(단, Z축은 광축 방향)으로 이동하는 스테이지를 더 포함하는 시스템.
- 제6항에 있어서,
상기 레이저 광원부, 상기 스캐너 및 상기 스테이지를 동기화하여 온 더 플라이(on the fly) 방식의 가공 공정을 수행하는 시스템.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 레이저 광원부는 200nm 이상 532nm 이하의 파장을 가지는 레이저를 출력하는 시스템.
- 제8항에 있어서,
상기 레이저 광원부는 1.5J/cm2 내지 5.0J/cm2의 펄스당 에너지를 가지는 레이저를 출력하는 시스템.
- 삭제
- 제4항에 있어서,
상기 제2 마이크로 렌즈 어레이는 상기 회전된 각도에 따라 상기 호모게나이저 광학계에서 발생되는 레이저의 간섭 무늬 또는 중첩 빔 크기에 영향을 주는 시스템.
- 제11항에 있어서,
상기 제2 마이크로 렌즈 어레이는 상기 간섭 무늬 또는 상기 중첩 빔 크기를 줄이도록 작용하는 시스템.
- 제4항에 있어서,
상기 제2 마이크로 렌즈 어레이는 전방의 실린드리컬 렌즈 어레이 또는 전방의 제1 마이크로 렌즈 어레이에 대해 10˚내지 60˚의 회전된 각도를 가지는 시스템.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220130231A KR102647965B1 (ko) | 2022-10-12 | 2022-10-12 | 전력 반도체 소자의 어닐링 시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220130231A KR102647965B1 (ko) | 2022-10-12 | 2022-10-12 | 전력 반도체 소자의 어닐링 시스템 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR102647965B1 true KR102647965B1 (ko) | 2024-03-15 |
Family
ID=90272657
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220130231A KR102647965B1 (ko) | 2022-10-12 | 2022-10-12 | 전력 반도체 소자의 어닐링 시스템 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102647965B1 (ko) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008211136A (ja) * | 2007-02-28 | 2008-09-11 | Sumitomo Heavy Ind Ltd | レーザアニール装置及びアニール方法 |
| JP2012049554A (ja) * | 2011-10-12 | 2012-03-08 | Semiconductor Energy Lab Co Ltd | 半導体装置の作製方法 |
| KR20220088051A (ko) * | 2020-12-18 | 2022-06-27 | 주식회사 원익아이피에스 | 기판처리모듈, 이를 포함하는 기판처리장치 및 기판처리방법 |
-
2022
- 2022-10-12 KR KR1020220130231A patent/KR102647965B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008211136A (ja) * | 2007-02-28 | 2008-09-11 | Sumitomo Heavy Ind Ltd | レーザアニール装置及びアニール方法 |
| JP2012049554A (ja) * | 2011-10-12 | 2012-03-08 | Semiconductor Energy Lab Co Ltd | 半導体装置の作製方法 |
| KR20220088051A (ko) * | 2020-12-18 | 2022-06-27 | 주식회사 원익아이피에스 | 기판처리모듈, 이를 포함하는 기판처리장치 및 기판처리방법 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101647279B1 (ko) | 마이크로렌즈 어레이를 이용하여 라인을 생성하기 위한 광학적 설계 | |
| KR102080613B1 (ko) | 레이저 어닐링 장치 및 그 어닐링 방법 | |
| US9401278B2 (en) | Apparatus and methods for improving the intensity profile of a beam image used to process a substrate | |
| US8026519B1 (en) | Systems and methods for forming a time-averaged line image | |
| US20170162392A1 (en) | High-efficiency line-forming optical systems and methods for defect annealing and dopant activation | |
| TW201526086A (zh) | 光纖雷射之雷射尖峰退火系統及其方法 | |
| JP6345737B2 (ja) | 鋸歯状の空間フィルタを用いた高性能線形成光学システム及び方法 | |
| WO2019149352A1 (en) | Laser diode based line illumination source and laser line illumination | |
| KR102647965B1 (ko) | 전력 반도체 소자의 어닐링 시스템 | |
| JP2005217267A (ja) | レーザ照射装置 | |
| CN204353650U (zh) | 光学聚焦结构及激光加工设备 | |
| CN111133639B (zh) | 光纤激光装置和用于加工工件的方法 | |
| KR102434794B1 (ko) | 레이저 모니터링이 가능한 레이저 조사 장치 및 방법 | |
| JP2023537606A (ja) | 作業面上に規定のレーザラインを生成するための装置 | |
| KR102288204B1 (ko) | 반도체 표면처리 시스템 | |
| KR102225208B1 (ko) | 반도체 표면처리 시스템 및 방법 | |
| JPH11352420A (ja) | ビーム回転機能付ホモジナイザ装置及びこれを用いたレーザ加工装置 | |
| Homburg et al. | Overview: Process-optimized beam transformers and their impact on high-power laser applications | |
| KR20230078081A (ko) | 반도체용 광학계 시스템 | |
| US11600491B2 (en) | Laser apparatus and method of processing thin films | |
| KR102282357B1 (ko) | 반도체 표면처리 장치 | |
| Meinschien et al. | Improvements of high-power diode laser line generators open up new application fields | |
| JP2000305039A (ja) | ビーム整形装置 | |
| JP2006346692A (ja) | レーザ加工装置及びレーザ加工方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E90F | Notification of reason for final refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |