KR20010030549A - 표면 상태 측정 방법 및 장치 - Google Patents

표면 상태 측정 방법 및 장치 Download PDF

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요시다하루오
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Abstract

복수의 반도체 웨이퍼의 표면 상태를 단시간에 또한 연속하여 측정할 수 있는 표면 상태 측정 방법 및 장치를 제공한다.
복수의 반도체 웨이퍼를 보유하는 웨이퍼 카세트와, 반도체 웨이퍼의 적어도 1장에 적외선을 입사시키는 입사 광학계와, 반도체 웨이퍼의 내부에서 다중 반사된 후에 출사되는 적외선을 검출하는 검출 광학계와, 검출 광학계에 의해 검출된 적외선에 기초하여 반도체 웨이퍼 표면의 상태를 측정하는 표면 상태 측정 수단과, 웨이퍼 카세트와 입사 광학계 및 검출 광학계와의 상대적인 위치를 이동하는 이동 수단을 갖는 표면 상태 측정 장치를 구성하고, 이동 수단에 의해 웨이퍼 카세트와 입사 광학계 및 검출 광학계와의 상대적인 위치를 이동하면서 반도체 웨이퍼의 표면 상태를 순차적으로 측정함으로써 웨이퍼 카세트에 보유된 복수의 반도체 웨이퍼의 표면 상태를 연속하여 측정한다.

Description

표면 상태 측정 방법 및 장치{SURFACE STATE MONITORING METHOD AND APPARATUS}
본 발명은 반도체 웨이퍼의 표면 상태 측정 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히, 복수의 반도체 웨이퍼의 표면 상태를 단시간에 또한 연속하여 측정할 수 있는 표면 상태 측정 방법 및 장치에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼의 표면 상태는 반도체 장치의 제조 현장에서의 여러가지 필요성에 의해 적확하게 파악되는 것이 기대되고 있다.
예를 들면, DRAM(Dynamic Random Access Memory) 등의 메모리 디바이스나 논리 디바이스 등의 반도체 집적 회로의 분야에서는 소자의 집적도가 향상됨에 따라 제조 시의 게이트 절연막의 막 두께가 얇아져서 MOS(Metal Oxide Semiconductor) FET(Field Effect Transistor)의 동작 중의 전계(약 4×1O6V/㎝)를 절연하는 기능의 마진이 적도록 설계로 되어 있다. 여기서, 게이트 절연막은 일반적으로 열 산화법에 의해 형성되지만 열 산화법에 의해 게이트 절연막을 형성할 때에 금속 오염, 화학 오염, 유기 오염 등의 표면 오염이 존재하면 형성되는 게이트 절연막의 절연 파괴를 유발할 우려가 있다. 유기 오염에 있어서, 게이트 절연막의 형성 후에 부착된 경우에도 절연성의 열화를 초래한다는 것이 알려져 있다. 따라서, 원하는 값의 절연 내압을 갖는 게이트 절연막을 형성하기 위해서는 반도체 웨이퍼의 표면 상태를 관리하는 것이 매우 중요해진다.
또한, 소자 구조를 형성하기 위한 패터닝 공정에는 플라즈마 에칭 기술이 널리 이용되고 있다. 플라즈마 에칭의 과정은 기상으로부터 수송되는 근본적인 (radical) 이온 등의 인 플럭스와 반도체 웨이퍼 표면에서의 아웃 플럭스의 흡착, 반응 및 이탈 과정 사이의 동적 균형(dynamic balance)에 의해 결정되어 있다. 따라서, 플라즈마 에칭 처리에 있어서 반도체 웨이퍼 표면에서의 흡착 상태, 화학 결합 상태, 반응층의 구조나 두께 등을 알 수 있는 것은 최적인 플라즈마 에칭 조건의 설정이나 플라즈마 에칭의 종점 검출을 위한 설정을 행하는 데에 있어서 필요하다.
또한, 최근의 반도체 장치에서는 소자의 미세화 및 디바이스의 3차원화가 진행되고 있어 미세 영역 혹은 급준한 단차부로의 세정 용액 침입이나 치환이 곤란해지게 되므로 미세화가 더 진행될 이후의 전망으로서 드라이 세정 기술이 주목받고 있다. 예를 들면, 실리콘 웨이퍼 상의 유기물에 기인하는 부착물의 제거에는 오존 혹은 자외선을 여기시키는 산소와의 반응이 유효하다. 산소 분자는 242 ㎚ 이하의 파장의 광으로 원자 상태 산소로 분해한다. 원자 상태 산소에 의해서 부착 유기물은 산화되고 증기압이 높은 H2O O2, CO, CO2등으로 분해된다. 또한, 자외선 조사에 의해 C-C, C-H, C-O 등의 유기물의 결합을 분리할 수가 있다. 따라서, 반도체 웨이퍼 표면의 상태를 아는 것은 드라이 세정을 행할 때가 최적인 조사광의 광경, 파장, 산소량 등의 파라미터를 제어하기 위해서도 매우 중요하다.
또한, 실리콘 웨이퍼의 표면에 형성되는 자연 산화막은 막 두께 등의 제어가 불가능하기 때문에 디바이스에 이용하는 것은 불가능하다. 이 때문에, 디바이스를 구축할 때에는 이 자연 산화막을 제거한 후 실리콘 웨이퍼의 표면을 안정화하기 위해서 표면의 실리콘의 결합수를 수소에 의해 종단해 놓는 것이 바람직하다. 이것은 500℃ 정도의 비교적 저온으로 수소를 이탈할 수 있어 그것에 계속되는 처리(process)에로의 영향이 비교적 적기 때문이다. UV 오존 세정과 불산 에칭된 실리콘 웨이퍼 표면의 실리콘 원자는 대부분이 수소에 의해 종단되고 Si= H2, Si-H가 형성된다. 따라서, 실리콘 웨이퍼 표면의 수소 종단의 상태나 수소 종단 제거의 온도 의존성 등을 측정할 수 있으면 반도체 처리를 시작할 때 실리콘 웨이퍼 표면의 상태를 적절하게 유지할 수 있어 보다 고품질, 고수율을 기대할 수 있다.
이와 같이, 반도체 장치의 제조 처리에 있어서는 반도체 웨이퍼의 표면 상태를 아는 것은 매우 중요하며, 종래에서도 여러가지의 측정 방법이 제안되고 일부에서 실용화되어 있다.
적외선을 이용하여 반도체 웨이퍼 내부의 다중 반사에 의해 표면 상태를 측정하는 기술로서는, 예를 들면 미국의 Perkin-Elmer사 등으로부터 전용의 FT-IR(적외 푸리에 분광) 장치로서 판매되고 있다. 또한, 그 응용 범위를 넓히기 위해서 예를 들면 영국의 Graseby Specac Limited사 등으로부터 다양한 액세서리가 판매되고 있다.
이러한 장치를 이용한 종래의 표면 상태 측정 방법은, 예를 들면 도 13의 (a)에 도시한 바와 같이 피측정 기판(102)을, 예를 들면 40㎜×10㎜의 단책상(短冊狀)으로 절단하고, 적외 광원(104)으로부터 발생된 적외선을 피측정 기판(102)을 투과시켜 기판 표면의 상태를 측정하거나, 혹은, 예를 들면 도 13의 (b)에 도시한 바와 같이 단부를 테이퍼형으로 가공한 피측정 기판(102)의 단부면으로부터 적외선을 입사하여 기판 내부에서 다중 반사시킴으로써 기판의 표면 상태를 측정하거나, 혹은, 예를 들면 도 13의 (c)에 도시한 바와 같이 피측정 기판(102)의 상부에 배치된 프리즘 (106)을 통해 기판 내부에 적외선을 입사하여 기판 내부에서 다중 반사시킴으로써 기판의 표면 상태를 측정하는 것이었다.
기판 내부에 적외선을 입사하여 내부 다중 반사시킴으로써 기판의 표면 상태를 측정하는 기본 원리는 기판 표면에서 광선이 반사할 때에 소실광(evanecent light)의 주파수 성분이 기판 표면의 유기 오염 물질의 분자 진동 주파수와 일치하고 있으면 공명 흡수되기 때문에 그 스펙트럼을 측정함으로써 유기 오염 물질의 종류와 양을 특정할 수 있는 것에 의한다. 또한, 내부 다중 반사하면서 기판 표면의 유기 오염 물질의 정보를 압축시켜 가는(신호대 잡음비(S/N비)를 향상시킴) 작용도 있다.
그러나, 이들 측정 방법은 피측정 대상 기판을 단책상으로 절단하거나 기판에 추가 형성하거나 혹은 기판 상부에 프리즘을 배치할 필요가 있어 반도체 장치의 제조 현장에서 바로 측정하도록 사용하는 것은 불가능하였다.
또한, 반도체 웨이퍼의 유기 오염을 검출하는 측정 방법으로서는 가열 이탈 GC/MS(Gas Chromatography/Mass Spectroscopy), APIMS(Atmospheric Pressure Ionization Mass Spectroscopy, TDS(Thermal Desorption Spectroscopy) 등이 알려져 있다. 그러나, 이들 측정 방법은 이후 전개될 것으로 예정되는 직경 300㎜를 넘는 대형 웨이퍼를 직접 관찰할 수 없다는 점, 진공 분위기가 필요하다는 점, 처리량이 나쁘다는 점 등의 이유에 의해 반도체 장치의 제조 현장에서의 바로 측정에 사용하기에는 적합하지 않았다.
이와 같이, 상기 종래의 표면 상태 측정 방법은 그 측정 방법이 파괴적인 검사이기 때문에 반도체 장치의 제조 현장에서의 바로 측정에는 사용할 수가 없고 혹은 대형의 반도체 웨이퍼를 측정하기 위해서는 부적합하므로, 반도체 장치의 제조 현장에서의 바로 관찰이나 대형 웨이퍼의 측정이 가능한 표면 상태 측정 방법 및 장치가 기대되고 있었다.
이러한 관점으로부터, 본원 발명자 등은 웨이퍼 표면에 부착한 유기 오염 물질을 고감도로 검출하기 위해서 웨이퍼 다중 내부 반사 푸리에 적외 분광(FTIR-ATR)법을 이용한 유기 오염 검출법을 이미 제안하고 있다 (예를 들면, 특원평11-95853호 명세서를 참조). 웨이퍼의 일단에 적외광을 특정한 입사 각도로 입사하면 적외광은 웨이퍼 내부를 양 표면에서 전반사를 반복하면서 전파하고, 그 때 웨이퍼 표면에 적외광이 소실되고(에바네센트광), 표면에 부착된 유기 오염 물질에 의해 적외광 스펙트럼의 일부가 흡수된다. 웨이퍼의 다단으로부터 방출된 이 전파광을 FT-IR에 의해서 분광 분석함으로써 웨이퍼 표면에 부착한 유기 오염 물질의 검출 및 동시 측정하는 것이 가능하다. 이 검사법은 GC/MS법 등에 비교하여 동등한 감도를 갖는 것과 동시에 측정에 있어서 실시간(real time)성이 있을 뿐만 아니라 간편하고 경제적이다.
특원평11-95853호 명세서에 기재의 표면 상태 측정 방법에서는 웨이퍼의 오프셋 형상을 이용하여 웨이퍼 주연부에 설치된 경사부에 의해 웨이퍼 내부에 적외선을 도입하는 구성을 채용하기 때문에 반도체 웨이퍼 자체를 가공할 필요가 없어 반도체 장치의 제조 처리에 있어서의 현장 측정이 가능하다.
그러나, 반도체 장치의 양산 라인에 있어서의 각각의 제조 공정에서는 웨이퍼의 매엽(枚葉) 처리에 의해 그 처리가 행해지고 있고, 그러한 처리 후의 웨이퍼 검사에 있어서 한 장 한 장의 웨이퍼를 순차적으로 검사하였다면 검사에 있어서 시간이 걸리고 공정 전체의 처리량에 악영향을 미치게 한다. 또한, 롯트마다의 생산 수율 관리에서는 롯트마다의 검사 결과 혹은 통계적 검사가 필요하다. 이 때문에서라도 한 장 한 장의 검사 시간을 단축하는 것이 큰 과제로 되어 있다.
본 발명의 목적은 복수의 웨이퍼를 연속하여 또한 단시간에 측정할 수 있는 표면 상태 측정 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은 복수의 반도체 웨이퍼를 보유하는 웨이퍼 카세트와, 상기 반도체 웨이퍼 중 적어도 1장에 적외선을 입사하는 입사 광학계와, 적외선이 입사되는 상기 반도체 웨이퍼의 내부를 다중 반사한 후에 출사되는 상기 적외선을 검출하는 검출 광학계와, 상기 검출 광학계에 의해 검출된 적외선에 기초하여, 상기 반도체 웨이퍼 표면의 상태를 측정하는 표면 상태 측정 수단과, 상기 웨이퍼 카세트와 상기 입사 광학계 및 상기 검출 광학계와의 상대적인 위치를 이동하는 이동 수단을 포함하고, 상기 이동 수단에 의해 상기 웨이퍼 카세트와 상기 입사 광학계 및 상기 검출 광학계와의 상대적인 위치를 이동하면서 상기 반도체 웨이퍼의 표면 상태를 순차적으로 측정함으로써, 상기 웨이퍼 카세트에 보유된 복수의 상기 반도체 웨이퍼의 표면 상태를 연속하여 측정하는 것을 특징으로 하는 표면 상태 측정 장치에 의해서 달성된다.
또한, 상기 목적은 복수의 반도체 웨이퍼를 보유하는 웨이퍼 카세트와, 복수의 상기 반도체 웨이퍼 중 적어도 1장에 선택적으로 적외선을 입사하는 입사 광학계와, 적외선이 입사되는 상기 반도체 웨이퍼의 내부에서 다중 반사된 후에 출사되는 상기 적외선을 검출하는 검출 광학계와, 상기 검출 광학계에 의해 검출된 적외선에 기초하여 상기 반도체 웨이퍼 표면의 상태를 측정하는 표면 상태 측정 수단을 포함하고, 상기 입사 광학계를 제어함으로써 적외선을 입사하는 상기 반도체 웨이퍼를 순차적으로 변경함으로써 상기 웨이퍼 카세트에 보유된 복수의 상기 반도체 웨이퍼의 표면 상태를 연속하여 측정하는 것을 특징으로 하는 표면 상태 측정 장치에 의해서도 달성된다.
또한, 상기 목적은 복수의 반도체 웨이퍼를 보유하는 웨이퍼 카세트와, 적어도 2장 이상의 상기 반도체 웨이퍼에 적외선을 각각 입사하는 입사 광학계와, 적외선이 입사되는 상기 반도체 웨이퍼의 내부에서 다중 반사된 후에 출사되는 상기 적외선을 일괄하여 검출하는 검출 광학계와, 상기 검출 광학계에 의해 검출된 적외선에 기초하여 상기 반도체 웨이퍼 표면의 상태를 측정하는 표면 상태 측정 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 상태 측정 장치에 의해서도 달성된다.
또한, 상기한 표면 상태 측정 장치에 있어서, 상기 웨이퍼 카세트와 상기 입사 광학계 및 상기 검출 광학계와의 상대적인 위치를 이동하는 이동 수단을 더 포함하도록 하여도 좋다.
또한, 상기 목적은 웨이퍼 카세트에 수납된 복수의 반도체 웨이퍼 중 적어도 1장에 적외선을 입사하고, 적외선을 입사한 상기 반도체 웨이퍼 내에서 다중 반사한 후에 출사되는 적외선을 검출하고, 검출한 적외선을 분석함으로써 상기 반도체 웨이퍼의 표면 상태를 측정하는 표면 상태 측정 방법에 있어서, 상기 웨이퍼 카세트와 적외선 광학계와의 상대적인 위치를 이동하면서 상기 반도체 웨이퍼의 표면 상태의 측정을 행하고, 상기 웨이퍼 카세트에 보유된 복수의 상기 반도체 웨이퍼의 표면 상태를 연속하여 측정하는 것을 특징으로 하는 표면 상태 측정 방법에 의해서도 달성된다.
또한, 상기한 표면 상태 측정 방법에 있어서, 상기 웨이퍼 카세트와 상기 적외선 광학계와의 상대적인 위치를 단계적으로 이동하도록 하여도 좋다.
또한, 상기한 표면 상태 측정 방법에 있어서, 상기 웨이퍼 카세트와 상기 적외선 광학계와의 상대적인 위치를 연속적으로 이동하도록 하여도 좋다.
또한, 상기한 표면 상태 측정 방법에 있어서, 상기 웨이퍼 카세트와 상기 적외선 광학계와의 상대적인 위치의 이동과, 상기 반도체 웨이퍼의 표면 상태의 측정 처리를 동기하여 행하도록 하여도 좋다.
또한, 상기 목적은 웨이퍼 카세트에 수납된 복수의 반도체 웨이퍼 중 적어도 1장에 적외선을 입사하고, 적외선을 입사한 상기 반도체 웨이퍼 내에서 다중 반사한 후에 출사되는 적외선을 검출하여 검출한 적외선을 분석함으로써 상기 반도체 웨이퍼의 표면 상태를 측정하는 표면 상태 측정 방법에 있어서, 적외선 광학계를 제어하여 적외선을 입사하는 상기 반도체 웨이퍼를 순차 변경함으로써 상기 웨이퍼 카세트에 보유된 복수의 상기 반도체 웨이퍼의 표면 상태를 연속하여 측정하는 것을 특징으로 하는 표면 상태 측정 방법에 의해서도 달성된다.
또한, 상기한 표면 상태 측정 방법에 있어서, 상기 적외선 광학계의 제어와, 상기 반도체 웨이퍼의 표면 상태의 측정 처리를 동시에 행하도록 하여도 좋다.
또한, 상기 목적은 웨이퍼 카세트에 수납된 복수의 반도체 웨이퍼 중의 적어도 2장 이상의 상기 반도체 웨이퍼에 적외선을 각각 입사하고, 적외선을 입사한 상기 반도체 웨이퍼 내에서 다중 반사한 후에 출사되는 적외선을 일괄하여 검출하여 검출한 적외선을 분석함으로써 상기 반도체 웨이퍼의 표면 상태를 측정하는 것을 특징으로 하는 표면 상태 측정 방법에 의해서도 달성된다.
또한, 상기한 표면 상태 측정 방법에 있어서, 상기 웨이퍼 카세트에 수납된 모든 상기 반도체 웨이퍼의 표면 상태를 일괄하여 측정하도록 하여도 좋다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치를 나타내는 개략도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치에 있어서의 적외 광원을 나타내는 개략 단면도.
도 3은 요면경을 이용하여 피측정 웨이퍼의 외주에서 적외선을 집광하는 방법을 설명하는 도면.
도 4는 원통형 렌즈 또는 슬릿을 이용하여 피측정 웨이퍼의 외주에서 적외선을 집광하는 방법을 설명하는 도면.
도 5는 실리콘 웨이퍼 내부에서 공기 중으로 적외선을 출사할 때 에너지 반사율의 입사 각도 의존성을 나타내는 그래프.
도 6은 SEMI 표준 규격에 의한 300㎜ 웨이퍼 주연부의 형상을 나타내는 도면.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 표면 상태 측정 방법 및 장치에 있어서의 피측정 웨이퍼에서 적외선의 입사 각도 설정 방법을 설명하는 도면.
도 8은 제1 실시예의 변형예에 따른 표면 상태 측정 장치를 나타내는 개략도.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치를 나타내는 개략도.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치에 있어서의 입사 적외선 선택 수단을 나타내는 도면 (제 1).
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치에 있어서의 입사 적외선 선택 수단을 나타내는 도면 (제 2).
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치를 나타내는 개략도.
도 13은 종래의 표면 상태 측정 방법 및 장치를 나타내는 개략도.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
10 : 웨이퍼 카세트
12 : 반도체 웨이퍼
14 : 경사부
16 : 가동 스테이지
18 : 위치 신호 발생원
20 : 적외 광원
30 : 입사 광학계
32 : 반사판
34 : 요면경
36 : 원통형 렌즈
38 : 슬릿
40 : 검출 광학계
42 : 요면경
44 : 반사판
50 : 분광 분석기
52 : 분석 동작 동기 신호 발생원
60 : 데이터 축적기
70 : 입사 적외선 선택 수단
72 : 반사경
74 : 반사경
76 : 반사경
78 : 차광판
80 : 구멍
82 : 가동 반사경
102 : 피측정 기판
104 : 적외 광원
106 : 프리즘
[제1 실시예]
본 발명의 제1 실시예에 따른 표면 상태 측정 방법 및 장치에 대해 도 1 내지 도 7을 이용하여 설명한다.
도 1은 본 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치의 구조를 나타내는 개략도, 도 2는 본 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치에 있어서의 적외 광원을 나타내는 개략 단면도, 도 3은 요면경을 이용하여 피측정 웨이퍼의 외주에 따라서 적외선을 집광하는 방법을 설명하는 도면, 도 4는 원통형 렌즈 또는 슬릿을 이용하여 피측정 웨이퍼의 외주에 따라서 적외선을 집광하는 방법을 설명하는 도면, 도 5는 실리콘 웨이퍼 내부로부터 공기 중에 적외선을 출사할 때의 에너지 반사율의 입사 각도 의존성을 나타내는 그래프, 도 6은 SEMI 표준 규격에 의한 300㎜ 웨이퍼의 형상을 나타내는 도면, 도 7은 본 실시예에 따른 표면 상태 측정 방법 및 장치에 있어서의 피측정 웨이퍼에의 적외선의 입사 각도의 설정 방법을 설명하는 도면이다.
〔1〕장치의 전체 구성
본 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치에 대해 도 1을 이용하여 설명한다.
피측정 대상인 복수의 반도체 웨이퍼(12)는 웨이퍼 카세트(10)에 수납되어 있다. 웨이퍼 카세트(10)의 주변부에는 웨이퍼 카세트(10)에 수납된 반도체 웨이퍼(12)에 적외선을 입사하기 위한 입사 광학계(30)와, 반도체 웨이퍼(12)를 투과한 적외선을 검출하기 위한 검출 광학계(40)가 설치되어 있다. 입사 광학계(30)는 예를 들면 도 1에 도시한 바와 같이, 적외선을 발하는 적외 광원(20)과 적외 광원으로부터 발생한 적외선을 반도체 웨이퍼에 소정 각도로 입사하도록 배치된 2개의 반사경(32, 34)으로 구성되고, 적외 광원(20)으로부터 출사된 적외선을 반도체 웨이퍼(12)의 주연부에 집광한다. 또한, 검출 광학계(40)는 예를 들면 도 1에 도시한 바와 같이, 2개의 반사경(42, 44)에 의해 구성되고 반도체 웨이퍼로부터 출사된 적외선을 집광하여 분광 분석기(50)로 유도한다.
반도체 웨이퍼(12)로부터 출사된 적외선은 검출 광학계(40)를 통해 분광 분석기(50)로 유도되도록 되어 있고, 반도체 웨이퍼(12)를 투과하여 검출된 적외선을 분광 분석기(50)에 의해 분석하고, 그 결과에 기초하여 반도체 웨이퍼(12)의 표면 상태를 분석할 수 있도록 되어 있다. 분광 분석기(50)는 데이터 축적기(60)에 접속되어 있고, 분석 결과를 축적함과 동시에 기존의 데이터 베이스를 참조하여 반도체 웨이퍼(12)의 표면 해석에 제공할 수 있도록 되어 있다.
웨이퍼 카세트(10)는 상하 방향으로 이동 가능한 가동 스테이지(16) 상에 장착되어 있고, 입사 광학계 및 검출 광학계에 대해 상대적으로 이동할 수 있도록 되어 있다. 이에 따라, 웨이퍼 카세트(10)에 수납된 모든 반도체 웨이퍼(12)에 순차적으로 적외선을 입사할 수가 있어 투과 적외선의 분광 결과에 기초하여 이들 반도체 웨이퍼(12)의 표면 상태를 분석할 수가 있다. 가동 스테이지(16)는 분석 동작 동기 신호 발생원(52) 및 위치 신호 발생원(18)을 통해 분광 분석기(50)에 접속되어 있고, 입사 광학계(30)에 의해 조사된 적외선이 어느 하나의 반도체 웨이퍼(12)에 입사되는 위치에 웨이퍼 카세트(10)가 위치하고 있을 때에 동시에 분광 분석이 행해지도록 되어 있다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치는 웨이퍼 카세트(10)에 수납된 복수의 반도체 웨이퍼(12)의 표면 상태를 연속하여 측정하도록 입사 광학계 (30) 및 검출 광학계(40)에 대하여 웨이퍼 카세트(10)의 상대 위치가 이동 가능한 것에 특징이 있다. 이와 같이 하여 표면 상태 측정 장치를 구성함으로써 카세트 단위 또는 로트 단위의 복수의 반도체 웨이퍼를 연속적으로 검사할 수가 있어 웨이퍼 중 어느 1장이라도 표면에 이상이 있으면 해당 단위로 검출할 수가 있다. 또한, 분광 분석기로서 푸리에 적외 분광 분석기를 사용함으로써 반도체 웨이퍼를 추가공하지 않고 제조 라인에서 표면 상태를 현장 측정할 수가 있음과 동시에 실시간성이 있는 측정에 의해 단시간에 복수의 반도체 웨이퍼의 분석을 할 수 있다.
이하, 본 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치의 각 구성 부분에 대해 도 1 내지 도 7을 이용하여 상술한다. 또, 측정계의 상세에 대해서는 동일 출원인에 의한 특원평11-95853호 명세서를 참조하고 싶다. 상기 명세서에 기재되는 여러가지의 측정계를 본 실시예에 따른 표면 상태 측정 방법 및 장치에 적용할 수가 있다.
(a) 적외 광원(20)
적외 광원(20)은 예를 들면 도 2에 도시한 바와 같이, 적외선 또는 근적외선을 발생하기 위한 광원(24)과, 후방 반사판(26)과, 전방 반사판(28)으로 구성된다.
광원(24)으로는 예를 들면 유기 분자의 분자 진동에 대응하는 2∼25㎛ 대역의 적외선 또는 근적외선을 적용할 수가 있다. 예를 들면, 필라멘트로서의 탄화 실리콘(SiC)이나 세라믹 히터에 전류를 인가하여 발하는 열선을 광원(24)으로서 이용할 수 있다. 광원은 2∼25㎛ 대역의 적외선 또는 근적외선을 발하고, 또한, 공기 중에서 노출로 사용하여도 소손(燒損)이 없다는 특징이 있다. 이 대역의 적외선 또는 근적외선에 대응하는 분자 진동을 갖는 것으로서는, 예를 들면, 알킬기, 올레핀, 방향족, 알데히드, 아미드, 아민, 리닌, 니트릴, 유황 산화물, 탄소와 산소의 결합, 질소와 산소의 결합 등이 있다.
후방 반사판(26) 및 전방 반사판(28)은 적외 광원으로서 일정 전류 인가 상태 그대로 유효 적외선 광량의 효율을 높이기 위한 것이다. 후방 반사판(26) 및 전방 반사판(28)의 표면은 적외선 또는 근적외선을 유효하게 반사하는 재질, 예를 들면 알루미늄 등에 의해 코팅되어 있다.
후방 반사판(26)은 포물면을 이루는 반사판에 의해 구성되고, 그 포물면의 초점에 광원(24)이 위치하도록 배치되어 있다. 이에 따라, 광원(24)으로부터 발생된 광을 대략 평행광으로 성형할 수가 있다.
전방 반사판(28)은 측정에는 불필요한 미광을 발생시키지 않기 위한 것으로, 후방 반사판(26)과 마찬가지로 포물면을 이루는 반사판에 의해서 구성되어 있다. 전방 반사판(28)에는 측정에 필요한 적외선만을 출사하기 위한 출사창이 설치되어 있다. 이와 같이 전방 반사판(28)을 설치함으로써 측정에 불필요한 적외선은 방출되지 않고, 또한, 전방 반사판(28)으로 반사한 적외광은 다시 후방 반사판(26)에 의해 반사되어 유효한 평행광이 되는 성분도 있어 유효 적외선 광량의 증가에도 기여할 수 있다. 단, 전방 반사판(28)은 반드시 필요하지는 않다.
(b) 입사 광학계(30) (반사경(32, 34))
본 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치에서는 반도체 웨이퍼(12)의 표면 상태 측정 시에 반도체 웨이퍼(12)의 주연부로부터 적외선을 웨이퍼 내부로 도입시킨다. 이 때문에, 적외 광원(20)으로부터 발생한 적외선을 소정의 형상으로 집광하여 반도체 웨이퍼에 조사하는 것이 적외선의 입사 효율을 향상하는 데에 있어서 중요하다. 적외선의 집광 형상으로서는 웨이퍼의 외주에 따른 타원형의 초점으로 하는 것이 바람직하다.
타원형의 초점을 연결하는 것으로서는 의도적으로 렌즈계의 수차를 이용하는 수법이 있다. 렌즈계의 코마 수차 혹은 왜곡을 이용하여 가늘고 긴 초점을 형성할 수가 있다. 또한, X 방향과 Y 방향이 다른 크기의 초점 거리를 갖고 X 방향의 초점 거리가 Y 방향의 초점 거리보다도 큰 요면경(34)을 가정하면 이 요면경(34)은 일종의 수차를 가지므로 이 요면경(34)의 중심에 광원(20)을 설치하면 반도체 웨이퍼(12)의 외주부에 타원형의 초점을 연결할 수 있다(도 3의 (a) 참조). 또한, 도 3의 (a)와 같이 요면경(34)에 평행 광선을 입사시키고, 반사된 적외선을 장축 방향(X 방향)의 초점을 웨이퍼 아래쪽으로 하여 단축 방향 (Y 방향)의 초점을 웨이퍼 외주부에서 연결할 수 있다(도 3의 (b) 참조).
또, 적외선의 집광 형상은 타원으로 하는 것이 바람직하지만 원형의 초점으로 하여도 좋다. 단, 이 경우에는 입사 효율은 타원형과 비교하여 어느정도 저하된다.
또한, 적외선을 가늘고 긴 초점에 집광하여 반도체 웨이퍼(12)에 조사하는 것도 가능하다. 예를 들면, 도 4의 (a)에 도시한 바와 같이 적외 광원(20)으로부터 발생한 적외선을 원통형 렌즈(36)에 의해 집광하거나 혹은, 도 4의 (b)에 도시한 바와 같이 적외선을 슬릿(38)을 통해서 조사하는 것도 가능하다. 또한, 원형의 초점을 형성하기 위해서는 예를 들면 볼록 렌즈를 이용할 수 있다.
(c) 광학계의 배치
본 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치에서는 적외선을 반도체 웨이퍼(12)의 외주 상의 일점에 집광하고, 웨이퍼 내부에 입사된 적외선을 내부 다중 반사시켜 입사점과 대칭인 점으로부터 출사한 적외선을 다시 집광하여 분광 분석기(50)로 유도할 필요가 있다. 이 때문에, 웨이퍼 내부에 어떻게 효율적으로 적외선을 입사하는지가 중요하다.
이하에, 적외광선이 웨이퍼 내부를 다중 반사하기 위한 조건 및 외부로부터 웨이퍼 내부에 적외선을 입사하기 위한 조건에 대해 설명한다.
본 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치는 적외선을 반도체 웨이퍼(12) 내부에서 다중 반사시켜, 반사 시에 웨이퍼 표면에 소실광에 의해 유기 오염 물질 혹은 화학 오염 물질의 분자 진동을 검출하고, 웨이퍼의 표면 상태를 측정하는 기능을 부여한 것이다. 따라서, 반도체 웨이퍼(12)에 입사하는 적외선은 웨이퍼 내부에서 다중 반사하도록 입사각을 설정하는 것이 필요하다.
적외선이 웨이퍼 내부에서 완전 반사하는 조건은 스넬의 법칙과 에너지 반사율의 계산으로부터 구해지고, 반도체 웨이퍼(12)가 실리콘 웨이퍼의 경우 웨이퍼 평면과 적외선이 이루는 각도가 0∼72°의 범위인 경우에 완전 반사한다(도 5 참조). 이 범위의 각도를 갖는 적외선 궤적을 역으로 찾아가서 반도체 웨이퍼(12)의 단부면과 교차하는 부분이 적외선이 반도체 웨이퍼로 입사하게 되는 점이다.
또한, 본 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치에서는 반도체 웨이퍼(12)의 가공을 따르지 않고서 현장 측정을 실현하기 위해서 웨이퍼의 단부면 처리 형상을 그대로 이용하여 적외선 입사를 행한다.
반도체 웨이퍼의 단부면 형상은 국제적인 반도체 관련 업계 단체 SEMI (Semiconductor Equipment and Material International)에 있어서 정해져 있고, 2001년경부터 도입될 예정의 300㎜ 실리콘 웨이퍼에 대해서도 그 규격이 잠정적으로 정해져 있다. 이하, 300㎜ 실리콘 웨이퍼를 예로 하여 적외선의 입사 각도에 대해 설명한다.
SEMI 표준 규격에 의해 정해진 300㎜ 실리콘 웨이퍼의 단부 형상은 도 6에 도시한 바와 같은 것이다. 즉, 웨이퍼의 주연부는 그 각을 줄이도록 모따기(面取) 가공되어 있고 최종적인 가공 형상은 A-B와 C-B가 이루는 각도가 약 22°로 된다. 또, 도면 중 해칭을 부가하지 않은 영역이 가공 형상을 허용하는 범위이다.
여기서, 웨이퍼 내부를 전파하는 적외선의 웨이퍼 표면에 대한 입사 각도를 70°로 가정하여 적외선의 궤적을 역으로 찾아가서 실리콘 웨이퍼의 단부면(C-B 사이의 경사부(14))과 교차하는 부분을 적외선의 입사점으로 하면, 도 7에 도시한 바와 같이, 경사부(14)와 적외선이 이루는 각도는 약 88°로 된다. 따라서, 실리콘 웨이퍼의 굴절율을 3.42, 공기의 굴절율을 1.0, 경사부(14)의 법선과 적외선이 이루는 각도를 2°로 하여 스넬의 법칙으로부터 역산하면 실리콘 웨이퍼 내부에 입사되는 적외선을 70°의 각도로 내부 다중 반사시키기 위해서는 경사부(14)의 법선에 대하여 약 6.8°의 각도(웨이퍼 평면에 대해서는 약 74.8°)로부터 적외선을 입사하면 되는 것을 알 수 있다. 또, 이 때의 입사점에서의 에너지 반사율은 약 29.42%로 크지만 이 반사를 보충할 만큼의 광량을 조사하면 좋다.
이와 같이 하여 웨이퍼 내부에 있어서의 다중 반사 각도로부터 역산함으로써 경사부(14)에 있어서의 적외선의 입사 각도를 결정할 수가 있다.
또, 실리콘 웨이퍼 이외의 다른 반도체 웨이퍼나 단부면 형상이 다른 경우에도 마찬가지의 순서에 의해 적외선의 입사 각도를 설정할 수가 있다. 또한, 적외선은 웨이퍼 표면측의 경사부(14)로부터 입사하여도 좋고 웨이퍼 이면측의 경사부 (14)로부터 입사하여도 좋다. 또한, 표면측 및 이면측으로부터 동시에 입사하여도 좋다.
또, 웨이퍼 내부에의 다른 적외선 입사 방법에 대해서는 동일 출원인에 의한 특원평11-95853호 명세서에 상술되어 있다.
(d) 검출 광학계(40)
반도체 웨이퍼(12)에 입사되는 적외선은 입사점과 대조적인 위치로부터 출사된다. 그래서, 검출 광학계에서는 반도체 웨이퍼(12)로부터 출사된 적외선을 집광하여 분광 분석기(50)로 유도한다.
검출 광학계(40)는 예를 들면 요면경과 반사판으로 구성하고 요면경에 의해 집광한 후 반사판을 통해 적외선 검출기(42)로 유도할 수 있다. 또한, 요면경을 대신하여 볼록 렌즈를 이용하여 볼록 렌즈를 투과시킴으로써 집광하는 것도 가능하다.
(e) 분광 분석기(50)
반도체 웨이퍼(12)를 출사한 적외선은 검출 광학계(40)를 통해 분광 분석기 (50)로 유도된다. 분광 분석기(50)는 예를 들면 FT-IR 장치이며 그 출력은 2광속 간섭계를 기초로 한 푸리에 변환 분광의 메카니즘에 의해 각 주파수에 대응하는 흡수 스펙트럼으로서 얻을 수 있다.
반도체 웨이퍼(12) 내부에 적외선을 입사하여 웨이퍼 내부로부터 다중 반사시켜 웨이퍼 표면을 측정하는 기본 원리에도 진술한 바와 같이, 웨이퍼 표면에서 광선이 반사할 때에 소실광의 주파수 성분이 웨이퍼 표면의 유기 오염 물질의 분자진동 주파수와 일치하고 있으면 공명 흡수되므로, 그 스펙트럼을 분석함으로써 유기 오염 물질의 종류와 양을 특정할 수가 있다. 유기 오염 물질의 종류와 검량선(檢量線)은 별도 데이터 베이스로서 분광 분석기에 접속된 데이터 축적기에 저장되어 있고 측정 데이터는 이들의 데이터를 참조하여 정량화된다. 또한, 측정 데이터는 각 반도체 웨이퍼마다의 분석 데이터와 구별하여 보존된다.
또, 분광 분석기로서는 FT-IR 장치를 대신하여 회절 격자 (그레이팅)에 의한 적외 분광계를 이용하여도 좋다.
(f) 가동 스테이지(16)
가동 스테이지(16)는 적외선 광학계(30, 40)와 웨이퍼 카세트(10)와의 상대적인 위치 관계를 이동함으로써 웨이퍼 카세트(10)에 수납되어 있는 모든 반도체 웨이퍼(12)에의 적외선의 조사를 가능하게 하기 위한 것이다.
상술한 바와 같이, 소정의 입사 각도로 반도체 웨이퍼(12)에 적외선을 조사하면 적외선은 반도체 웨이퍼(12) 내부에 입사되고 반도체 웨이퍼(12) 내부에서 다중 반사된 후에 반도체 웨이퍼(12)로부터 출사된다.
여기서, 반도체 웨이퍼(12)는 상호 평행하게 웨이퍼 카세트(10)에 수납되기때문에 웨이퍼 카세트(10)에 수납된 어떤 반도체 웨이퍼(12)와 적외선이 상술한 조건을 만족시키는 위치 관계에 있을 때 반도체 웨이퍼(12)의 표면에 대하여 수직 방향으로 웨이퍼 카세트(10)를 이동하면 다른 모든 반도체 웨이퍼(12)에 대해서도 적외선과의 위치 관계가 상술한 조건을 만족시키는 웨이퍼 카세트(10)의 위치가 존재한다.
따라서, 적외선 광학계를 소정 위치에 고정한 상태에서 반도체 웨이퍼(12)의 표면에 대하여 수직 방향으로 웨이퍼 카세트(10)를 서서히 이동함으로써 웨이퍼 카세트(10)에 수납된 모든 반도체 웨이퍼(12)의 표면 상태를 순차적으로 분석할 수가 있다.
본 실시예에서는 반도체 웨이퍼(12)의 표면 분석에 푸리에 변환 적외 분광 분석법을 적용하고 있지만, 본 분석법은 본 실시예와 같이 적외선 광학계(30, 40)와 웨이퍼 카세트(10)와의 상대적인 위치 관계를 이동하도록 시스템을 구성하는 경우에 있어서 매우 유효하다. 즉, 푸리에 변환 적외 분광 분석법은 측정에 실시간성이 있어 단시간에 측정이 가능하기 때문에 적외선 광학계(30, 40)와 웨이퍼 카세트(10)와의 상대적인 위치 관계를 이동하도록 시스템을 구성하여도 표면 상태의 분석에 지장을 초래하지는 않는다. 또한, 본 실시예에 따른 표면 상태 측정 방법에서는 반도체 웨이퍼(12)의 주연부에 적외선을 집광하여 그 내부에 적외선을 도입하기 때문에 복수의 반도체 웨이퍼(12)가 웨이퍼 카세트(10)에 수납된 상태 그대로 적외선의 전파 광로를 확보할 수가 있다.
또, 가동 스테이지(16)는 연속적으로 이동하여도 좋고 적외선이 소정의 입사 각도로 각 반도체 웨이퍼(12)에 입사되는 위치에 단계적으로 이동하여도 좋다. 가동 스테이지(16)의 이동 방법은 구해지는 검출 감도나 측정 시간에 따라 적절하게 선택하는 것이 바람직하다.
또한, 도 1에 도시한 표면 상태 측정 장치에서는 웨이퍼 카세트(10)를 수직 방향으로 이동하도록 시스템을 구성하고 있지만, 예를 들면 도 8에 도시한 바와 같이 웨이퍼 카세트(10)를 수평 방향으로 이동하도록 시스템을 구성하여도 좋다.
또한, 도 1에 도시한 표면 상태 측정 장치에서는 분석 동작 동기 신호 발생원(52)과 위치 신호 발생원(18)을 설치하고 가동 스테이지(16)의 이동과 분광 분석기(50)에 의한 분석을 동기하도록 시스템을 구성하고 있지만 반드시 가동 스테이지 (16)의 이동과 분광 분석기(50)에 의한 분석을 동기시킬 필요는 없다.
또한, 본 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치에서는 웨이퍼 카세트(10)를 가동 스테이지(16) 상에 장착함으로써 입사 광학계(30) 및 검출 광학계(40)와 웨이퍼 카세트(10)와의 상대적인 위치 관계를 이동 가능하게 구성하고 있지만, 웨이퍼 카세트(10)를 고정하여 입사 광학계(30) 및 검출 광학계(40)를 이동 가능하게 시스템을 구성하여도 좋고, 웨이퍼 카세트(10)와 입사 광학계(30) 및 검출 광학계(40)와의 쌍방을 이동 가능하게 시스템을 구성하여도 좋다.
〔2〕표면 상태 측정 방법
다음에, 본 실시예에 따른 표면 상태 측정 방법에 대해 도 1을 이용하여 설명한다.
우선, 피측정 대상인 반도체 웨이퍼(12)를 웨이퍼 카세트(10)에 수납한다. 300㎜ 실리콘 웨이퍼에서는 하나의 웨이퍼 카세트에 예를 들면 25장의 웨이퍼가 수납된다. 또, 웨이퍼 카세트(10)는 반도체 장치의 제조 라인에서 사용되는 웨이퍼 카세트를 그대로 적용할 수가 있다.
계속해서, 반도체 웨이퍼(12)를 수납한 웨이퍼 카세트(10)를 본 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치의 가동 스테이지(16) 상에 장착한다.
계속해서, 적외선 광학계(30, 40)의 위치 정렬을 행한다. 적외선 광학계 (30, 40)의 위치 정렬은 반도체 웨이퍼(12)가 측정을 위한 적정한 위치에 놓였을 때에, 입사 광학계(30)에 의해 집광한 적외선이 웨이퍼 카세트(10)에 수납된 반도체 웨이퍼(12)의 경사부(14)에 소정의 각도로 입사되도록 또한, 반도체 웨이퍼(12) 내부를 다중 반사한 후에 검출 광학계(40)에 의해 검출되는 광량이 최대가 되도록 조정한다.
계속해서, 반도체 웨이퍼(12)의 적외선 광로에 대한 위치 결정을 행한다. 반도체 웨이퍼(12)의 위치 결정은 위치 신호 발생기(18)에 의해 구동되는 가동 스테이지(16)에 의해서 행하고 입사 광학계(30)로부터 발생한 적외선이 반도체 웨이퍼(12)의 경사부(14)에 조사되도록 웨이퍼 카세트(10)의 위치를 이동한다.
계속해서, 검출 광학계(40)에 의한 반도체 웨이퍼(12)를 투과한 적외선의 검출, 혹은, 반도체 웨이퍼(12)의 위치 신호 검출에 의해 위치 신호 발생기(18)는 반도체 웨이퍼(12)의 위치 정렬이 종료된 것을 알리는 신호를 분석 동작 동기 신호 발생원(52)으로 보낸다.
계속해서, 위치 정렬이 종료한 것을 알리는 신호를 받은 분석 동작 동기 신호 발생원(52)은 분광 분석기(50)에 분광 개시의 신호를 보내고 분광 분석 처리를 개시한다.
분광 분석 처리를 개시한 분광 분석기(50)는 반도체 웨이퍼(12)의 표면 상태를 프로빙하면서 반도체 웨이퍼(12)를 투과하여 검출 광학계(40)에 의해 검출된 적외선을 분석하고 해당 반도체 웨이퍼(12)의 표면에 부착한 오염 물질을 동시에 측정하거나 혹은, 해당 오염 물질의 부착량을 산출한다. 분석 데이터는 반도체 웨이퍼 1장마다 데이터 축적기(60)에 보존된다. 이렇게 해서, 웨이퍼 카세트(10)에 수납되어 있는 있는 1장의 반도체 웨이퍼(12)의 분석을 종료한다.
계속해서, 웨이퍼 카세트(10)에 수납되어 있는 다음의 반도체 웨이퍼(12)에 대해 상기와 마찬가지의 수법으로, 반도체 웨이퍼(12)의 위치 결정 및 표면 분석을 행한다. 이러한 일련의 분석 처리를 웨이퍼 카세트(10)에 수납된 모든 반도체 웨이퍼(12)의 검사가 종료할 때까지 반복하여 행한다.
이와 같이, 본 실시예에 따르면 푸리에 변환 적외 분광법을 이용하여 적외선 광학계와 웨이퍼 카세트와의 상대적인 위치 관계를 이동하면서 분광 분석을 연속하여 행함으로써 웨이퍼 카세트에 수납되어 있는 복수의 반도체 웨이퍼의 표면 상태를 연속적으로 측정하기 때문에, 웨이퍼 카세트에 수납되어 있는 반도체 웨이퍼의 표면 상태를 연속적으로 또한 단시간에 측정할 수가 있다.
또한, 측정 데이터를 웨이퍼 1장마다 기억하는 데이터 축적기(60)를 설치함으로써 웨이퍼 1장 1장의 검사뿐만 아니라 웨이퍼 카세트 단위에서의 검사도 할 수 있기 때문에 제조 수율의 통계 관리에도 이용할 수가 있다.
[제2 실시예]
본 발명의 제2 실시예에 따른 표면 상태 측정 방법 및 장치에 대해서 도 9 내지 도 11을 이용하여 설명한다. 또, 제1 실시예에 따른 표면 상태 측정 방법 및 장치와 마찬가지의 구성 요소에는 동일한 부호를 붙여 설명을 생략하거나 혹은 간략하게 한다.
도 9는 본 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치를 나타내는 개략도, 도 10 및 도 11은 본 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치에 있어서의 입사 적외선 선택 수단의 예를 나타내는 도면이다.
〔1〕 표면 상태 측정 장치
본 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치에 대해 도 9 내지 도 11을 이용하여 설명한다.
피측정 대상인 복수의 반도체 웨이퍼(12)는 웨이퍼 카세트(10)에 수납되어 있다. 웨이퍼 카세트(10)의 주변부에는 웨이퍼 카세트(10)에 수납된 반도체 웨이퍼(12)에 적외선을 입사하기 위한 입사 광학계(30)와 반도체 웨이퍼(12)를 투과한 적외선을 검출하기 위한 검출 광학계(40)가 설치되어 있다. 입사 광학계(30)는 예를 들면 도 9에 도시한 바와 같이, 적외선을 발하는 적외 광원(20)과, 적외 광원(20)으로부터 발생한 적외선을 각 반도체 웨이퍼(12)에 소정 각도로 입사하도록 배치된 복수의 반사경(72a, 72b, 72c…)과, 적외 광원(20)으로부터 발생한 적외선을 반사경(72a, 72b, 72c…) 중 어느 하나에 선택적으로 입사하는 입사 적외선 선택 수단(70)으로 구성되고, 적외 광원(20)으로부터 출사된 적외선을 웨이퍼 카세트(10)에 수납된 어느 하나의 반도체 웨이퍼(12)의 주연부(14)에 집광한다. 또한, 검출 광학계(40)는 예를 들면 도 9에 도시한 바와 같이, 각 반도체 웨이퍼(12)로부터 출사한 적외선을 각각 반사하는 복수의 반사경(74a, 74b, 74c…)과, 반사경(74a, 74b, 74c…)에 의해 반사된 적외선을 분광 분석기(50)에 도입하는 반사경(76)으로 구성된다.
반도체 웨이퍼(12)로부터 출사된 적외선은 검출 광학계(40)를 통해 분광 분석기(50)로 유도되도록 되어 있고, 반도체 웨이퍼(12)를 투과하여 검출된 적외선을 분광 분석기(50)에 의해 분석하고, 그 결과에 기초하여 반도체 웨이퍼(12)의 표면 상태를 분석할 수 있도록 되어 있다. 분광 분석기(50)는 데이터 축적기 (도시하지 않음)에 접속되어 있고 분석 결과를 축적함과 동시에 기존의 데이터 베이스를 참조하여 반도체 웨이퍼(12)의 표면 해석에 제공할 수 있도록 되어 있다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치는 입사 광학계(30)의 적외선 광로를 적절하게 변화하고, 웨이퍼 카세트(10)에 수납된 복수의 반도체 웨이퍼(12)의 표면 상태를 순차적으로 측정하는 것에 특징이 있다. 이와 같이 하여 표면 상태 측정 장치를 구성함으로써 카세트 단위 혹은 로트 단위의 복수의 웨이퍼를 연속적으로 검사할 수가 있어, 웨이퍼 중 어느 1장에서도 표면 이상이 있으면 해당 단위로 검출할 수가 있다.
입사 적외선 선택 수단(70)으로는 예를 들면 이하에 나타내는 수단을 적용할 수가 있다. 단, 입사 적외선 선택 수단(70)은 이하의 수단에 한정되는 것은 아니다.
제1 입사 적외선 선택 수단(70)은 예를 들면 도 10에 도시한 바와 같이, 적외 광원(20)과 반사경(72a, 72b, 72c…) 사이에 소정 위치에 구멍(80)이 생긴 회전 가능한 차광판(78)을 설치하는 방법이다. 차광판(78)에 설치된 구멍(80)의 위치에 따라서 어느 1장의 반사경(72a, 72b, 72c…; 도면에 있어서는 반사판(72b))에 적외 광원(20)으로부터 발생한 적외선이 선택적으로 입사하도록 구성함으로써 적외 광원 (20)으로부터 발생한 적외선을 웨이퍼 카세트(10)에 수납된 어느 하나의 반도체 웨이퍼(12)에 선택적으로 조사할 수가 있다. 또한, 차광판(78)을 회전함으로써 적외선이 입사되는 반사판(72a, 72b, 72c…)이 바뀌므로 적외선을 입사하는 반도체 웨이퍼를 해당 반사판에 대응하는 반도체 웨이퍼(12)로 대신할 수 있다.
제2 입사 적외선 선택 수단은 예를 들면 도 11에 도시한 바와 같이, 적외 광원(20)과 반사경(72a, 72b, 72c…) 사이에 가동 반사경(82)을 설치하고, 가동 반사경(82)의 각도 변화에 의해서 적외 광원(20)으로부터 발생한 적외선을 입사하는 반사경(72a, 72b, 72c…; 도면에 있어서는 반사판(72b)), 즉, 반도체 웨이퍼(12)를 선택하는 방법이다.
또, 이들 입사 적외선 선택 수단(70)을 적용하는 경우, 차광판(78)의 회전 주파수나 가동 반사경(82)의 각도와 분광 분석기(50)에 의한 분석 처리를 동기시키고, 어느쪽의 검출 신호가 어느쪽의 반도체 웨이퍼(12)의 정보를 반영하고 있는지를 검출하는 것이 바람직하다. 이와 같이 표면 상태 측정 장치를 구성함으로써 표면 이상이 있는 반도체 웨이퍼(12)를 용이하게 특정할 수가 있다.
또한, 입사 적외선 선택 수단(70)을 설치하는 대신 검출 광학계(40)의 적외선 광로 상에 마찬가지의 적외선 선택 수단을 설치하고, 어느 하나의 반도체 웨이퍼(12)를 투과한 적외선을 선택적으로 분광 분석기에 도입하여도 좋다. 이 경우의 적외선 선택 수단은 예를 들면 도 10 또는 도 11에 도시한 입사 적외선 선택 수단(70)과 마찬가지의 구조를 적용할 수가 있다.
〔2〕 표면 상태 측정 방법
본 실시예에 따른 표면 상태 측정 방법에 대해 설명한다.
우선, 피측정 대상인 반도체 웨이퍼(12)를 웨이퍼 카세트(10)에 수납한다. 300㎜ 실리콘 웨이퍼에서는 하나의 웨이퍼 카세트에 예를 들면 25장의 반도체 웨이퍼가 수납된다. 또, 웨이퍼 카세트는 반도체 장치의 제조 라인에서 사용되는 웨이퍼 카세트를 그대로 적용할 수가 있다.
계속해서, 반도체 웨이퍼(12)를 수납한 웨이퍼 카세트(10)를 본 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치에 장착한다.
계속해서, 적외선 광학계의 위치 정렬을 행한다. 입사 광학계(30)의 위치 정렬은 적외 광원(20)으로부터 발생한 적외선이 각 반사경(72a, 72b, 72c…)에 의해 반사되어 웨이퍼 카세트(10)에 수납된 각 반도체 웨이퍼(12)의 경사부(14)에 각각 소정 각도로 입사되도록 또한, 각 반도체 웨이퍼(12) 내부를 다중 반사한 후에 검출 광학계(40)에 의해 검출되는 광량이 최대가 되도록 각 반사경 각반사경(72a, 72b, 72c…)의 각도를 조정한다. 검출 광학계(40)의 위치 정렬은 각 반도체 웨이퍼(12)를 투과하는 적외선이 반사경(74a, 74b, 74c…)에 의해 각각 반사된 후에 반사경(76)에 의해 반사되어 분광 분석기(50)에 도입되도록, 반사경(74a, 74b, 74c…, 76)의 각도를 조정한다.
계속해서, 입사 적외선 선택 수단(70)에 의해 적외 광원(20)으로부터 발생한 적외선을 입사하는 반도체 웨이퍼(12)를 선택하고, 상기 반도체 웨이퍼(12)에 적외선을 입사하고, 반도체 웨이퍼(12)의 표면 상태를 프로빙하면서 반도체 웨이퍼(12)를 투과하여 검출 광학계(40)에 의해 검출된 적외선을 분석하고, 상기 반도체 웨이퍼(12)의 표면에 부착한 오염 물질을 동정하거나 혹은, 상기 오염 물질의 부착량을 산출한다. 분석 데이터는 반도체 웨이퍼 1장마다 데이터 축적기(60)에 보존된다.
계속해서, 입사 적외선 선택 수단(70)에 의해 적외선을 입사하는 반도체 웨이퍼(12)를 웨이퍼 카세트(10)에 수납되어 있는 다음의 반도체 웨이퍼(12)를 대신하여 상기와 마찬가지의 수법에 의해 해당 반도체 웨이퍼(12)의 표면 분석을 행한다. 이러한 일련의 분석 처리를 웨이퍼 카세트(10)에 수납된 모든 반도체 웨이퍼(12)의 검사가 종료할 때까지 반복하여 행한다.
이렇게 해서, 웨이퍼 카세트(10)에 수납되어 있는 복수의 반도체 웨이퍼(12)의 분석을 종료한다.
이와 같이, 본 실시예에 따르면 푸리에 변환 적외 분광법을 이용하여 입사 적외선의 광로를 변화함으로써 웨이퍼 카세트에 수납되어 있는 복수의 반도체 웨이퍼의 표면 상태를 연속적으로 측정하기 때문에 웨이퍼 카세트에 수납되어 있는 모든 반도체 웨이퍼의 표면 상태를 연속적으로 또한 단시간에 측정할 수가 있다.
또, 상기 실시예에서는 웨이퍼 카세트(10)에 수납된 반도체 웨이퍼(12)의 각각에 대응하는 반사경(72a, 72b, 72c…)과, 반사경(74a, 74b, 74c…)을 설치하였지만 반드시 모든 반도체 웨이퍼(12)에 대응하는 반사경을 설치할 필요는 없다. 예를 들면, 웨이퍼 카세트(10)에 수납된 일부의 반도체 웨이퍼(12)에 대해서만 반사경(72a, 72b, 72c…)과, 반사경(74a, 74b, 74c…)을 설치하고, 또한, 제1 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치와 같이 웨이퍼 카세트(10)를 이동하는 가동 스테이지를 설치함으로써, 본 실시예에 따른 표면 상태 측정과, 제1 실시예에 나타낸바와 마찬가지의 웨이퍼 카세트(10)의 이동을 반복하여 행하고, 웨이퍼 카세트(10)에 수납된 모든 반도체 웨이퍼(12)를 분석하도록 하여도 좋다.
또한, 상기 실시예에서는 모든 반도체 웨이퍼에 입사하는 적외선을 위치의 적외 광원에 의해서 공급하였지만, 하나 또는 둘 이상의 반도체 웨이퍼를 한단위로서 각 단위마다 하나의 적외 광원을 설치하여도 좋다.
또한, 웨이퍼 카세트에 수납되어 있는 복수의 반도체 웨이퍼의 각각에 대해독립된 적외선 광학계를 설치하고 복수의 반도체 웨이퍼를 동시에 혹은 연속하여 분석하여도 좋다.
[제3 실시예]
본 발명의 제3 실시예에 따른 표면 상태 측정 방법 및 장치에 대해 도 12를 이용하여 설명한다. 또, 제1 또는 제2 실시예에 따른 표면 상태 측정 방법 및 장치와 마찬가지의 구성 요소에는 동일한 부호를 붙여 설명을 생략하거나 혹은 간략하게 한다.
도 12는 본 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치가 구조를 나타내는 개략도이다.
〔1〕표면 상태 측정 장치
본 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치에 대해 도 12를 이용하여 설명한다.
피측정 대상인 복수의 반도체 웨이퍼(12)는 웨이퍼 카세트(10)에 수납되어 있다. 웨이퍼 카세트(10)의 주변부에는 웨이퍼 카세트(10)에 수납된 반도체 웨이퍼(12)에 적외선을 입사하기 위한 입사 광학계(30)와, 반도체 웨이퍼(12)를 투과한 적외선을 검출하기 위한 검출 광학계(40)가 설치되어 있다. 입사 광학계(30)는 예를 들면 도 12에 도시한 바와 같이, 적외선을 발하는 적외 광원(20)과 적외 광원(20)로부터 발생한 적외선을 각 반도체 웨이퍼(12)에 소정 각도로 입사하도록 배치된 복수의 반사경(72a, 72b, 72c…)으로 구성되고, 적외 광원(20)으로부터 출사된 적외선을 각 반도체 웨이퍼(12)의 주연부에 동시에 집광한다. 또한, 검출 광학계(40)는 예를 들면 도 12에 도시한 바와 같이, 각 반도체 웨이퍼(12)로부터 출사한 적외선을 각각 반사하는 복수의 반사경(74a, 74b, 74c…)과 반사경(74a, 74b, 74c…)에 의해 반사된 적외선을 분광 분석기(50)에 도입하는 반사경(76)으로 구성된다.
반도체 웨이퍼(12)로부터 출사된 적외선은 검출 광학계(40)를 통해 분광 분석기(50)에 유도되도록 되어 있고, 반도체 웨이퍼(12)를 투과하여 검출된 적외선을 분광 분석기(50)에 의해 분석하고, 그 결과에 기초하여 반도체 웨이퍼(12)의 표면 상태를 분석할 수 있도록 되어 있다. 분광 분석기(50)는 데이터 축적기 (도시하지 않음)에 접속되어 있고, 분석 결과를 축적함과 동시에 기존의 데이터 베이스를 참조하여 반도체 웨이퍼(12)의 표면 해석에 제공할 수 있도록 되어 있다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치는 웨이퍼 카세트(10)에 수납된 복수의 반도체 웨이퍼(12)의 표면 상태를 동시에 측정하는 것에 특징이 있다. 이와 같이 하여 표면 상태 측정 장치를 구성함으로써 웨이퍼 카세트(10)에 수납된 적어도 어느 1장의 반도체 웨이퍼(12)에 표면 이상이 있으면 그것을 검출할 수가 있다.
본 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치에서는 제1 또는 제2 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치와 같이 웨이퍼 카세트(10)에 수납되어 있는 어느 한쪽의 반도체 웨이퍼의 표면에 이상이 있는지를 특정할 수는 없지만, 제1 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치와 같이 가동 스테이지나 제2 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치와 같이 입사 적외선 선택 수단을 설치하지 않고 장치를 구성할 수가 있기 때문에, 장치 구성을 간략하게 할 수가 있다. 또한, 웨이퍼 카세트(10)에 수납되어 있는 반도체 웨이퍼(12)를 동시에 측정하기 때문에 분석 시간을 대폭 단축할 수가 있다.
〔2〕표면 상태 측정 방법
본 실시예에 따른 표면 상태 측정 방법에 대해 설명한다.
우선, 피측정 대상인 반도체 웨이퍼(12)를 웨이퍼 카세트(10)에 수납한다. 300㎜ 실리콘 웨이퍼에서는 하나의 웨이퍼 카세트에 예를 들면 25장의 반도체 웨이퍼가 수납된다. 또, 웨이퍼 카세트는 반도체 장치의 제조 라인에서 사용되는 웨이퍼 카세트를 그대로 적용할 수가 있다.
계속해서, 반도체 웨이퍼(12)를 수납한 웨이퍼 카세트(10)를 본 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치에 장착한다.
계속해서, 적외선 광학계의 위치 정렬을 행한다. 입사 광학계(30)의 위치 정렬은 적외 광원(20)으로부터 발생한 적외선이 모든 반사경(72a, 72b, 72c…)에 입사되도록 적외 광원(20)의 위치 정렬을 행함과 동시에 각 반사경(72a, 72b, 72c…)에 의해 반사된 적외선이 웨이퍼 카세트(10)에 수납된 각 반도체 웨이퍼(12)의 경사부(14)에 각각 소정 각도로 입사되도록, 또한, 각 반도체 웨이퍼(12) 내부를 다중 반사한 후에 검출 광학계(40)에 의해 검출되는 광량이 최대가 되도록 각 반사경(72a, 72b, 72c…)의 각도를 조정한다. 검출 광학계(40)의 위치 정렬은 각 반도체 웨이퍼(12)를 투과하는 적외선이 반사경(74a, 74b, 74c…)에 의해 각각 반사된 후에 반사경(76)에 의해 반사되어 분광 분석기(50)에 도입되도록 반사경(74a, 74b, 74c…, 76)의 각도를 조정한다.
계속해서, 반도체 웨이퍼(12)의 표면 상태를 프로빙하면서 각 반도체 웨이퍼(12)를 투과하여 검출 광학계에 의해 검출된 적외선을 일괄하여 분석하고, 상기 반도체 웨이퍼(12)의 표면에 부착한 오염 물질을 동정하거나 혹은, 상기 오염 물질의 부착량을 산출한다. 분석 데이터는 웨이퍼 카세트마다 데이터 축적기(60)에 보존된다. 이렇게 해서, 웨이퍼 카세트에 수납되어 있는 복수의 반도체 웨이퍼의 분석을 종료한다.
300㎜ 실리콘 웨이퍼의 임의의 1장에 대해 웨이퍼 표면의 대표적인 유기 오염원인 에틸 알콜을 고의로 부착하여, 25장의 웨이퍼를 수납한 웨이퍼 카세트에 대해 본 실시예에 따른 표면 상태 측정 방법에 의해 분석을 행한 바, 흡수 스펙트럼보다 에틸 알콜이 동정되었다. 또한, 다른 웨이퍼에 수분을 부착하여 마찬가지로 분석을 행한 결과, 에틸 알콜과 물에 의한 적외선의 흡수가 확인되었다.
이와 같이, 본 실시예에 따르면, 푸리에 변환 적외 분광법을 이용하여 웨이퍼 카세트에 수납된 복수의 반도체 웨이퍼의 표면 상태를 일괄하여 분석하기 때문에 웨이퍼 카세트에 수납되어 있는 복수의 반도체 웨이퍼 중 어느 하나에 표면 이상이 있는지를 매우 단시간에 분석할 수가 있다.
또, 상기 실시예에서는 웨이퍼 카세트(10)에 수납된 반도체 웨이퍼(12)의 각각에 대응하는 반사경(72a, 72b, 72c…)과, 반사경(74a, 74b, 74c…)을 설치하였지만 반드시 모든 반도체 웨이퍼(12)에 대응하는 반사경을 설치할 필요는 없다. 예를 들면, 웨이퍼 카세트(10)에 수납된 일부의 반도체 웨이퍼(12)에 대해서만 반사경(72a, 72b, 72c…)과, 반사경(74a, 74b, 74c…)을 설치하고, 또한, 제1 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치와 같이 웨이퍼 카세트(10)를 이동하는 가동 스테이지를 설치함으로써, 본 실시예에 따른 표면 상태 측정과, 제1 실시예에 나타낸 바와 마찬가지의 웨이퍼 카세트(10)의 이동을 반복하여 행하고, 웨이퍼 카세트(10)에 수납된 모든 반도체 웨이퍼(12)를 분석하도록 하여도 좋다.
또한, 상기 실시예에서는 하나의 적외 광원을 이용하여 모든 반도체 웨이퍼에 적외선을 동시에 입사하였지만, 하나 또는 둘 이상의 반도체 웨이퍼를 한 단위로서 각 단위마다 하나의 적외 광원을 설치하여도 좋다.
이상과 같이, 본 발명에 따르면 비접촉·피파괴(被破壞)에 의한 반도체 웨이퍼의 표면 상태의 측정을 반도체 웨이퍼를 웨이퍼 카세트에 수납한 상태에서 연속하여 또한 단시간에 행할 수 있다. 또한, 측정 데이터를 웨이퍼 1장마다 기억하는 기구를 구비함으로써 웨이퍼 한 장 한 장의 검사뿐만 아니라 웨이퍼 카세트 단위에서의 검사도 가능하다. 따라서, 제조 수율의 통계 관리에도 이용할 수가 있다.

Claims (12)

  1. 복수의 반도체 웨이퍼를 보유하는 웨이퍼 카세트;
    상기 반도체 웨이퍼의 적어도 1장에 적외선을 입사하는 입사 광학계;
    적외선이 입사되는 상기 반도체 웨이퍼의 내부를 다중 반사한 후에 출사되는 상기 적외선을 검출하는 검출 광학계;
    상기 검출 광학계에 의해 검출된 적외선에 기초하여, 상기 반도체 웨이퍼 표면의 상태를 측정하는 표면 상태 측정 수단; 및
    상기 웨이퍼 카세트와 상기 입사 광학계 및 상기 검출 광학계와의 상대적인 위치를 이동하는 이동 수단
    을 포함하되,
    상기 이동 수단에 의해 상기 웨이퍼 카세트와 상기 입사 광학계 및 상기 검출 광학계와의 상대적인 위치를 이동하면서 상기 반도체 웨이퍼의 표면 상태를 순차적으로 측정함으로써, 상기 웨이퍼 카세트에 보유된 복수의 상기 반도체 웨이퍼의 표면 상태를 연속하여 측정하는 것을 특징으로 하는 표면 상태 측정 장치.
  2. 복수의 반도체 웨이퍼를 보유하는 웨이퍼 카세트;
    복수의 상기 반도체 웨이퍼의 적어도 1장에 선택적으로 적외선을 입사하는 입사 광학계;
    적외선이 입사되는 상기 반도체 웨이퍼의 내부에서 다중 반사된 후에 출사되는 상기 적외선을 검출하는 검출 광학계; 및
    상기 검출 광학계에 의해 검출된 적외선에 기초하여, 상기 반도체 웨이퍼 표면의 상태를 측정하는 표면 상태 측정 수단
    을 포함하되,
    상기 입사 광학계를 제어하여 적외선이 입사하는 상기 반도체 웨이퍼를 순차적으로 변경함으로써 상기 웨이퍼 카세트에 보유된 복수의 상기 반도체 웨이퍼의 표면 상태를 연속하여 측정하는 것을 특징으로 하는 표면 상태 측정 장치.
  3. 복수의 반도체 웨이퍼를 보유하는 웨이퍼 카세트;
    적어도 2장 이상의 상기 반도체 웨이퍼에 적외선을 각각 입사시키는 입사 광학계;
    적외선이 입사되는 상기 반도체 웨이퍼의 내부에서 다중 반사된 후에 출사되는 상기 적외선을 일괄하여 검출하는 검출 광학계; 및
    상기 검출 광학계에 의해 검출된 적외선에 기초하여, 상기 반도체 웨이퍼 표면의 상태를 측정하는 표면 상태 측정 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 상태 측정 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 웨이퍼 카세트와 상기 입사 광학계 및 상기 검출 광학계와의 상대적인 위치를 이동하는 이동 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 상태 측정 장치.
  5. 웨이퍼 카세트에 수납된 복수의 반도체 웨이퍼 중 적어도 1장에 적외선을 입사하고, 적외선을 입사한 상기 반도체 웨이퍼 내에서 다중 반사한 후에 출사되는 적외선을 검출하고, 검출한 적외선을 분석함으로써 상기 반도체 웨이퍼의 표면 상태를 측정하는 표면 상태 측정 방법에 있어서,
    상기 웨이퍼 카세트와 적외선 광학계와의 상대적인 위치를 이동하면서 상기 반도체 웨이퍼의 표면 상태의 측정을 행하고, 상기 웨이퍼 카세트에 보유된 복수의 상기 반도체 웨이퍼의 표면 상태를 연속하여 측정하는 것을 특징으로 하는 표면 상태 측정 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 웨이퍼 카세트와 상기 적외선 광학계와의 상대적인 위치를 단계적으로 이동하는 것을 특징으로 하는 표면 상태 측정 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 웨이퍼 카세트와 상기 적외선 광학계와의 상대적인 위치를 연속적으로 이동하는 것을 특징으로 하는 표면 상태 측정 방법.
  8. 제9항 내지 제11항 중 어느 한항에 있어서,
    상기 웨이퍼 카세트와 상기 적외선 광학계와의 상대적인 위치의 이동과, 상기 반도체 웨이퍼의 표면 상태의 측정 처리를 동시에 행하는 것을 특징으로 하는 표면 상태 측정 방법.
  9. 웨이퍼 카세트에 수납된 복수의 반도체 웨이퍼 중 적어도 1장에 적외선을 입사하고, 적외선을 입사한 상기 반도체 웨이퍼 내에서 다중 반사한 후에 출사되는 적외선을 검출하고, 검출한 적외선을 분석함으로써 상기 반도체 웨이퍼의 표면 상태를 측정하는 표면 상태 측정 방법에 있어서,
    적외선 광학계를 제어하여 적외선이 입사되는 상기 반도체 웨이퍼를 순차 변경함으로써, 상기 웨이퍼 카세트에 보유된 복수의 상기 반도체 웨이퍼의 표면 상태를 연속하여 측정하는 것을 특징으로 하는 표면 상태 측정 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 적외선 광학계의 제어와, 상기 반도체 웨이퍼의 표면 상태의 측정 처리를 동시에 행하는 것을 특징으로 하는 표면 상태 측정 방법.
  11. 웨이퍼 카세트에 수납된 복수의 반도체 웨이퍼 중 적어도 2장 이상의 상기 반도체 웨이퍼에 적외선을 각각 입사하고,
    적외선을 입사한 상기 반도체 웨이퍼 내에서 다중 반사한 후에 출사되는 적외선을 일괄하여 검출하고,
    검출한 적외선을 분석함으로써 상기 반도체 웨이퍼의 표면 상태를 측정하는
    것을 특징으로 하는 표면 상태 측정 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 웨이퍼 카세트에 수납된 모든 상기 반도체 웨이퍼의 표면 상태를 일괄하여 측정하는 것을 특징으로 하는 표면 상태 측정 방법.
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