KR20010070274A - 표면 상태 측정 장치 및 방법 - Google Patents

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KR20010070274A
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요시다하루오
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가부시키가이샤 어드밴티스트
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Abstract

공정 전체의 처리량에 악영향을 끼치지 않고, 반도체 웨이퍼 주연부의 경사부의 적절한 위치에 적절한 각도로 적외선을 입사할 수 있는 표면 상태 측정 장치 및 방법을 제공한다.
피측정 기판(12) 내부에 적외선을 도입하는 입사 광학계(16)와, 피측정 기판의 내부를 다중 반사한 후에 출사되는 적외선을 검출하는 검출 광학계(30)와, 검출 광학계에 의해 검출된 적외선에 기초하여, 피측정 기판 표면의 상태를 측정하는 표면 상태 측정 수단(38)과, 피측정 기판의 위치를 광학적으로 검출하는 위치 검출 수단(17)과, 위치 검출 수단에 의해 검출된 피측정 기판의 위치에 따라, 피측정 기판에 적외선이 입사되는 위치 및 각도를 제어하는 제어 수단(28)을 포함한다.

Description

표면 상태 측정 장치 및 방법{SURFACE STATE MONITORING METHOD AND APPARATUS}
본 발명은, 적외선 분광법에 따라 반도체 기판의 표면 상태를 제조 현장에서 인슈트 측정(in-situ monitoring)하는 표면 상태 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼의 표면 상태는, 반도체 장치의 제조 현장에서의 여러가지 요청에 의해 적확하게 파악하는 것이 기대되고 있다.
예를 들면, DRAM(Dynamic Random Access Memory)등의 메모리 디바이스나 논리 디바이스등의 반도체 집적 회로의 분야에서는, 소자의 집적도가 향상함에 따라 제조 시의 게이트 절연막의 막 두께가 얇아지고, MOS(Metal Oxide Semiconductor) FET (Field Effect Transistor)의 동작 중의 전계(약 4×106V/㎝)를 절연하는 기능의 마진이 적은 설계로 되어 있다. 여기서, 게이트 절연막은 일반적으로 열 산화법에 따라 형성되지만, 열 산화법에 따라 게이트 절연막을 형성할 때에 금속 오염,화학 오염, 유기 오염등의 표면 오염이 존재하면, 형성되는 게이트 절연막의 절연 파괴를 유발할 우려가 있다. 유기 오염에 대해서는 게이트 절연막의 형성 후에 부착한 경우에도 절연성의 열화를 초래하는 것이 알려져 있다. 따라서, 소망치의 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 래디컬한 이온등의 인 플럭스와, 반도체 웨이퍼 표면으로부터의 아웃 플럭스의 흡착, 반응 및 이탈 과정사이의 다이내믹한 밸런스에 따라 결정되고 있다. 따라서, 플라즈마 에칭 프로세스에 있어서, 반도체 웨이퍼 표면에서의 흡착 상태, 화학 결합 상태, 반응층의 구조나 두께등을 아는 것은 최적의 플라즈마 에칭 조건의 설정이나 플라즈마 에칭의 종점 검출을 위한 설정을 행하는 데에 있어서 유효하다.
또한, 최근의 반도체 장치에서는 소자의 미세화와 디바이스의 삼차원화가 진행되고, 미세 영역 혹은 급경사인 단차부에의 세정 용액의 침입이나 치환이 곤란해지기 때문에, 미세화가 더욱 진행하는 금후의 전망으로서 드라이 세정 기술이 주목받고 있다. 예를 들면, 반도체 웨이퍼 상의 유기물에 기인하는 부착물의 제거에는 오존 혹은 자외선 여기한 산소와의 반응이 유효하다. 산소 분자는 242㎚ 이하의 파장의 광으로 원자 상태 산소로 분해한다. 원자 상태 산소에 의해 부착 유기물은 산화되고, 증기압이 높은 H2O, O2, CO, CO2등으로 분해된다. 또한, 자외선 조사에의해, C-C, C-H, C-O 등의 유기물의 결합을 해리할 수 있다. 따라서, 반도체 웨이퍼 표면의 상태를 아는 것은, 드라이 세정을 행할 때의 최적의 조사광의 광량, 파장, 산소량등의 파라미터를 제어하는 데에도 매우 중요하다.
또한, 반도체 웨이퍼의 표면에 형성되는 자연 산화막은, 막 두께 등의 제어가 불가능하기 때문에 디바이스에 이용할 수 없다. 이 때문에, 디바이스를 구축할 때에는, 이 자연 산화막을 제거한 후, 반도체 웨이퍼의 표면을 안정화하기 위해 표면의 실리콘의 결합손을 수소에 의해 종단해 두는 것이 바람직하다. 이것은, 500℃정도의 비교적 저온에서 수소를 이탈할 수 있기 때문에, 그것에 계속되는 프로세스에의 영향이 비교적 적기때문이다. UV 오존 세정과 불산 에칭된 반도체 웨이퍼 표면의 실리콘 원자는 대부분이 수소에 의해 종단되고, Si=H2, Si-H가 형성된다. 따라서, 반도체 웨이퍼 표면의 수소 종단의 상태나 수소 종단 제거의 온도 의존성등을 측정할 수 있으면, 반도체 프로세스의 스타트시의 반도체 웨이퍼 표면의 상태를 적절하게 유지할 수 있어, 보다 고품질, 고수율을 기대할 수 있다.
이와 같이, 반도체 장치의 제조 프로세스에서는, 반도체 웨이퍼의 표면 상태를 아는 것은 매우 중요하며, 종래에도 여러 측정 방법이 제안되어, 일부에서 실용화되고 있다.
적외선을 이용한 반도체 웨이퍼 내부의 다중 반사에 의한 표면 상태를 측정하는 기술로는, 예를 들면 미국의 퍼킨·엘마(Perkin-Elmer)사등으로부터 전용의 FT-IR (Fourier Transform-Infrared Radiation spectroscopy, 적외 푸리에 분광)장치로서 판매되고 있다. 또한, 그 응용 범위를 넓히기 위해, 예를 들면 영국의 그레이스비 B(Graseby Specac Limited)사등으로부터 다양한 액세서리가 판매되고 있다.
이러한 장치를 이용한 종래의 표면 상태 측정 방법은, 예를 들면 도 12a에 도시된 바와 같이 피측정 기판(102)을 예를 들면 40㎜×10㎜의 단책상으로 절단하고, 적외광원(104)으로부터 발한 적외선을 피측정 기판(102)을 투과시켜 기판 표면의 상태를 측정하고, 혹은 예를 들면 도 12b에 도시된 바와 같이 단부를 테이퍼형으로 가공한 피측정 기판(102)의 단부면으로부터 적외선을 입사하여 기판 내부에서 다중 반사시킴에 따라 기판의 표면 상태를 측정하고, 혹은 예를 들면 도 12c에 도시된 바와 같이 피측정 기판(102)의 상부에 배치된 프리즘(106)을 통해 기판 내부에 적외선을 입사하여 기판 내부에서 다중 반사시킴에 따라 기판의 표면 상태를 측정하는 것이었다.
기판 내부에 적외선을 입사하여 내부 다중 반사시킴에 따라 기판의 표면 상태를 측정하는 기본 원리는, 기판 표면에서 광선이 반사할 때에 번져나오는 광(이버네센트 광)의 주파수 성분이 기판 표면의 유기 오염 물질의 분자 진동 주파수와 일치하면 공명 흡수되므로, 그 스펙트럼을 측정함으로써 유기 오염 물질의 종류와 량을 특정할 수 있다. 또한, 내부 다중 반사하면서 기판 표면의 유기 오염 물질의 정보를 정밀하게 하는 (신호 대 잡음비(S/N비)를 향상시킴) 작용도 있다.
그러나, 이들 측정 방법은, 피측정 대상 기판을 단책형으로 절단하거나, 기판에 추가 가공하거나, 혹은 기판 상부에 프리즘을 배치할 필요가 있고, 반도체 장치의 제조 현장에서의 인슈트 측정에 사용할 수 없었다.
또한, 반도체 웨이퍼의 유기 오염을 검출하는 측정 방법으로는, 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, 금후 전개가 예정되는 직경 300㎜를 넘는 대형 웨이퍼를 직접 관찰할 수 없는 것, 진공 분위기가 필요한 것, 처리량이 나쁜 것, 등의 이유에 의해 반도체 장치의 제조 현장에서의 인슈트 측정에 사용하기에는 적합하지 않았다.
이와 같이, 상기 종래의 표면 상태 측정 방법은, 그 측정 방법이 파괴적인 검사이기 때문에, 반도체 장치의 제조 현장에서의 인슈트 측정에는 사용할 수 없고, 혹은 대형의 반도체 웨이퍼를 측정하기 위해서는 부적합하여, 반도체 장치의 제조 현장에서의 인슈트 관찰이나 대형 웨이퍼의 측정이 가능한 표면 상태 측정 장치 및 방법이 기대되었다.
이러한 관점으로부터, 본원 발명자들은, 웨이퍼 표면에 부착한 유기 오염 물질을 고감도로 검출하기 위해, 웨이퍼 다중 내부 반사 푸리에 적외 분광법을 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 전 반사를 반복하면서 전파하고, 그 때 웨이퍼 표면에 적외광이 번져나가고(이버네센트광), 표면에 부착한 유기 오염 물질에 의해 적외광 스펙트럼의 일부가 흡수된다. 웨이퍼의 다단으로부터 방출된 이 전파 광을 FT-IR에 의해 분광 분석함으로써 웨이퍼 표면에 부착한 유기 오염 물질의 검출, 동정이 가능하다. 이 검사법은, GC/MS 법등에 비교하여 동등한 감도를 갖음과 함께, 측정에 리얼 타임성이 있으면서 간편하여 경제적이다.
특원평11-95853호 명세서에 기재된 표면 상태 측정 방법으로는, 웨이퍼의 오프셋 형상을 이용하고, 웨이퍼 주연부에 설치된 경사부로부터 웨이퍼 내부에 적외선을 도입하는 구성을 채용하므로, 반도체 웨이퍼 자체를 가공할 필요가 없고, 반도체 장치의 제조 프로세스에 있어서의 인슈트 측정이 가능하다.
그런데, 특원평11-95853호 명세서에 기재된 표면 상태 측정 방법으로는, 반도체 웨이퍼의 경사부의 적절한 위치에 적절한 각도로 적외선을 입사하는 것이 중요하다. 경사부의 적절한 위치에 적절한 각도로 적외선을 입사하지 않으면, 웨이퍼 내부에서의 전 반사의 횟수가 변화되고, 나아가서는 측정 감도가 변화되기 때문이다.
그러나, 반도체 웨이퍼 주연부의 경사부의 적절한 위치에 적절한 각도로 적외선을 입사하는 것은, 사실 상 곤란하였다. 예를 들면, 반도체 웨이퍼의 경사부내의 일정한 기울기의 영역을, 작업자가 측정기를 이용하여 검출하고, 그 영역에 적외선을 도입하는 것도 생각할 수 있지만, 이것은 공정 전체의 처리량에 악영향을 끼치기 때문에 실용화에는 적합하지 않다.
또한, 반도체 웨이퍼의 대략 전면에 걸친 유기 오염, 화학 오염을 검출하기 위해서는, 반도체 웨이퍼를 회전시킬 필요가 있지만, 회전축으로 근소한 기울기가있는 것만으로 적외광에 대한 웨이퍼 주연부의 위치가 어긋난다. 반도체 웨이퍼 주연부의 위치가 어긋난 경우에는, 반도체 웨이퍼의 위치 정렬을 재차 행하는 것이 필요하지만, 공정 전체의 처리량을 더욱 악화시키는 요인이 된다.
그래서, 공정 전체의 처리량에 악영향을 끼치지 않고, 반도체 웨이퍼의 경사부의 적절한 위치에 적절한 각도로 적외선을 입사하는 기술이 대망되고 있었다.
본 발명의 목적은, 공정 전체의 처리량에 악영향을 끼치지 않고, 반도체 웨이퍼 주연부의 경사부의 적절한 위치에 적절한 각도로 적외선을 입사할 수 있는 표면 상태 측정 장치 및 방법을 제공하는 것에 있다.
즉, 상기 목적은, 피측정 기판의 내부에 적외선을 도입하는 입사 광학계와, 상기 피측정 기판의 내부를 다중 반사한 후에 출사되는 적외선을 검출하는 검출 광학계와, 상기 검출 광학계에 의해 검출된 적외선에 기초하여, 상기 피측정 기판 표면의 상태를 측정하는 표면 상태 측정 수단과, 상기 피측정 기판의 위치를 광학적으로 검출하는 위치 검출 수단과, 상기 위치 검출 수단에 의해 검출된 상기 피측정 기판의 위치에 따라, 상기 피측정 기판에 적외선이 입사되는 위치 및 각도를 제어하는 제어 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 표면 상태 측정 장치에 의해 달성된다. 이에 따라, 피측정 기판의 위치 어긋남을 검출하고, 피측정 기판의 위치 어긋남에 따라 적외광원의 위치나 각도를 신속히 조정할 수 있으므로, 공정 전체의 처리량에 악영향을 끼치지 않고, 피측정 기판의 경사부의 적절한 위치에 적절한 각도로 적외선을 입사할 수 있고, 내부 반사각을 적절한 각도로 제어할 수 있다. 따라서, 피측정 기판 내에서의 전 반사의 횟수를 적절하게 제어할 수 있고, 나아가서는 피측정 기판의 표면 상태를 높은 정밀도로 측정할 수 있다.
또한, 상기된 표면 상태 측정 장치에 있어서, 상기 제어 수단은, 상기 입사 광학계를 제어함으로써, 상기 피측정 기판에 적외선이 입사되는 위치 및 각도를 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 상기한 표면 상태 측정 장치에 있어서, 상기 제어 수단은, 상기 기판 탑재대를 제어하여 상기 피측정 기판의 위치를 조정함으로써, 상기 피측정 기판에 적외선이 입사되는 위치 및 각도를 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 상기한 표면 상태 측정 장치에 있어서, 상기 위치 검출 수단은, 상기 피측정 기판의 주연부의 상측에 설치되고, 상기 피측정 기판의 주연부에 제1 광을 입사하는 제1 광원과, 상기 피측정 기판의 주연부를 사이에 두고 상기 제1 광원에 대향하여 설치되고, 상기 제1 광을 수광하는 제1 광 검출기를 지니고, 상기 제1 광 검출기에 의해 검출된 광의 위치에 기초하여 상기 피측정 기판의 수평 방향의 위치를 검출하는 것이 바람직하다.
또한, 상기된 표면 상태 측정 장치에 있어서, 상기 위치 검출 수단은, 상기 피측정 기판의 상기 주연부에 제2 광을 입사하는 제2 광원과, 상기 주연부에서 반사된 상기 제2 광을 수광하는 제2 광 검출기를 지니고, 상기 제2 광 검출기에 의해 검출된 광의 위치에 기초하여 상기 피측정 기판의 수직 방향의 위치를 검출하는 것이 바람직하다.
또한, 상기된 표면 상태 측정 장치에 있어서, 상기 제1 광원 및/또는 상기 제2 광원은, 상기 피측정 기판에 적외선이 입사되는 위치를 포함하는 영역에 상기제1 광 및/또는 상기 제2 광을 주사하는 것이 바람직하다.
또한, 상기된 표면 상태 측정 장치에 있어서, 상기 제1 광원 및/또는 상기 제2 광원은, 상기 피측정 기판에 적외선이 입사되는 위치의 근방에 상기 제1 광 및/또는 상기 제2 광을 주회하도록 주사하는 것이 바람직하다.
또한, 상기된 표면 상태 측정 장치에 있어서, 상기 위치 검출 수단은, 상기 피측정 기판의 주연부에 따른 복수의 개소에서 상기 피측정 기판의 위치를 광학적으로 검출하는 것이 바람직하다.
또한, 상기된 표면 상태 측정 장치에 있어서, 상기 제1 광 및/또는 상기 제2 광은, 적외선과 다른 파장의 광이 바람직하다.
또한, 상기된 표면 상태 측정 장치에 있어서, 상기 제1 광 검출기 및/또는 상기 제2 광 검출기는, 상기 피측정 기판의 위치를 1차원적 또는 2차원적으로 검출하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 목적은, 피측정 기판의 내부에 적외선을 도입하고, 상기 피측정 기판의 내부에서 다중 반사한 후에 출사되는 적외선을 검출하고, 검출한 적외선을 분석함으로써 상기 피측정 기판의 표면 상태를 측정하는 표면 상태 측정 방법으로서, 상기 피측정 기판의 위치를 광학적으로 검출하고, 검출된 상기 피측정 기판의 위치에 따라, 상기 피측정 기판에 적외선이 입사되는 위치 및 각도를 제어하는 것을 특징으로 하는 표면 상태 측정 방법에 따라 달성된다. 이에 따라, 피측정 기판의 위치 어긋남을 검출하고, 피측정 기판의 위치 어긋남에 따라 적외광원의 위치나 각도를 신속히 조정할 수 있으므로, 공정 전체의 처리량에 악영향을 끼치지 않고,피측정 기판의 경사부의 적절한 위치에 적절한 각도로 적외선을 입사할 수 있어, 내부 반사각을 적절한 각도로 제어할 수 있다. 따라서, 피측정 기판 내에서의 전 반사의 횟수를 적절하게 제어할 수 있고, 나아가서는 피측정 기판의 표면 상태를 높은 정밀도로 측정할 수 있다.
또한, 상기한 표면 상태 측정 방법에 있어서, 상기 피측정 기판을 회전하면서 복수회의 측정을 반복하고, 상기 피측정 기판의 대략 전면에 걸쳐 상기 피측정 기판의 표면을 측정할 때, 각 측정에 앞서 상기 피측정 기판의 위치를 광학적으로 검출하고, 검출된 상기 피측정 기판의 위치에 따라 상기 피측정 기판에 입사되는 적외선의 위치 및 각도를 제어하는 것이 바람직하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치를 도시한 개략도.
도 2는 SEMI 표준 규격에 의한 300㎜ 웨이퍼의 형상을 나타낸 도면.
도 3은 SEMI 표준 규격에 의한 300㎜ 웨이퍼 주연부의 형상을 나타낸 도면.
도 4는 적외선의 입사각과 내부 반사각과의 관계를 나타내는 개념도.
도 5는 내부 반사각과 입사각과의 관계를 나타내는 그래프.
도 6은 내부 반사각과 내부 반사 횟수와의 관계를 나타내는 그래프.
도 7은 내부 반사각과 내부 반사각의 변동과의 관계를 나타내는 그래프.
도 8은 본 발명의 제1 실시예의 변형예(1)에 따른 표면 상태 측정 장치를 도시한 개략도.
도 9는 본 발명의 제1 실시예의 변형예(2)에 따른 표면 상태 측정 장치를 도시한 개략도.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치를 도시한 개략도.
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치를 도시한 개략도.
도 12a, 12b 및 12c는 종래의 표면 상태 측정 장치 및 방법을 나타내는 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 기판 탑재대
12 : 반도체 웨이퍼
14 : 경사부
16 : 적외광원
17, 17a, 17b : 위치 검출 수단
18, 18a : 레이저 광원
20, 20a : CCD 라인 센서
22, 22a, 22b : 레이저 광원
24, 24a : CCD 라인 센서
26 : 연산부
28 : 적외광원 제어 기구
30 : 검출 광학계
32 : 반사경
34 : 반사경
36 : 분광기
38 : 적외선 검출기
40 : 제어·해석용 컴퓨터
42 : 표시 장치
44 : 기판 탑재대 제어 장치
102 : 피측정 기판
104 : 적외광원
106 : 프리즘
[제1 실시예]
본 발명의 제1 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치 및 방법에 대해 도 1을 이용하여 설명한다. 도 1은, 본 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치를 도시한 개략도이다.
(표면 상태 측정 장치)
우선, 본 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치의 전체 구성에 대해 도 1을 이용하여 설명한다.
본 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 반도체 웨이퍼(12)를 장착하는 기판 탑재대(10)와, 적외선을 발하는 적외광원(16)과, 반도체 웨이퍼(12)의 위치 어긋남을 검출하는 위치 검출 수단(17)과, 적외광원(16)의위치나 각도를 제어하는 적외광원 제어 기구(28)와, 반도체 웨이퍼(12) 내부를 다중 반사한 후에 피측정 기판(12)으로부터 출사되는 적외선을 집광하여 적외선 검출기(38)에 입사하기 위한 적외광 집광 수단(30)과, 적외선 집광 수단(30)으로부터 발한 적외선을 검출하는 적외 검출기(38)를 갖는다.
위치 검출 수단(17)은, 2개의 레이저 광원(18, 22)과, 2개의 CCD (Charge Coupled Device) 라인 센서(20, 24)와, 연산부(26)로 구성되어 있다. 위치 검출 수단(17)은, 적외광원 제어 수단(28)에 접속되어 있고, 적외광원 제어 기구(28)는, 위치 검출 수단(17)에 의해 검출된 반도체 웨이퍼(12)의 위치 어긋남에 따라 적외광원(16)의 위치나 각도를 조정하도록 되어 있다.
적외 집광 수단(30)에 의해 집광된 적외선은, 분광기(36)를 통해 적외선 검출기(38)에 입력되도록 되어 있다. 적외선 검출기(38)는, 제어·해석용 컴퓨터(40)에 접속되어 있고, 적외선 검출기(38)에 의해 얻어진 검출 신호를 기초로 하여 반도체 웨이퍼(12)의 표면 상태를 해석할 수 있다. 제어· 해석용 컴퓨터(40)에는 표시 장치(42)가 접속되어 있고, 제어·해석용 컴퓨터(40)에 의해 해석된 검출 신호 해석 결과나 데이터 베이스 검색 결과를 표시하도록 되어 있다.
본 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치는, 반도체 웨이퍼(12)의 위치 어긋남을 검출하는 위치 검출 수단(17)을 설치하고, 위치 어긋남 검출 수단(17)에 의해 검출된 위치 어긋남에 따라, 적외광원(16)의 위치나 각도를 조정하는 것에 주된 특징이 있다. 본 실시예에 따르면, 반도체 웨이퍼(12)의 위치 어긋남에 따라 신속히 적외광원(16)의 위치나 각도를 조정할 수 있으므로, 공정 전체의 처리량에 악영향을 끼치지 않고, 반도체 웨이퍼(12)의 경사부(14)의 적절한 위치에 적절한 각도로 적외선을 입사할 수 있다. 또한, 반도체 웨이퍼(12)를 회전시킴에 따라 반도체 웨이퍼(12)의 주연부의 위치가 어긋난 경우라도, 반도체 웨이퍼(12)의 위치 어긋남에 따라 신속히 적외광원(16)의 위치나 각도를 재조정할 수 있다. 따라서, 공정 전체의 처리량에 악영향을 끼치지 않고, 반도체 웨이퍼의 대략 전면에 걸친 유기 오염, 화학 오염을 측정할 수 있다.
이하, 본 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치의 각 구성 부분에 대해 개개에 상술한다. 또, 측정계의 상세한 내용에 대해서는, 동일한 출원인에 의한 특원평11-95853호 명세서를 참조하면 된다. 동일한 명세서에 기재된 여러 측정계를 본 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치 및 방법에 적용할 수 있다.
(a) 기판 탑재대(10)
기판 탑재대(10)는, 피측정 대상인 반도체 웨이퍼(12)를 탑재할 수 있는 것이다.
기판 탑재대(10)에는 회전 기구가 부여되고, 반도체 웨이퍼(12)를 회전할 수 있다. 반도체 웨이퍼(12)를 회전시킴에 따라, 반도체 웨이퍼(12)의 대략 전면에 걸친 유기 오염, 화학 오염의 검출을 행할 수 있다.
(b) 적외광원(16)
적외광원(16)은, 기판 탑재대(10)의 주변부에 설치되고, 반도체 웨이퍼(12)의 주연부의 경사부(14)를 향하여, 대략 평행한 적외선을 출사한다.
적외광원(16)으로부터 출사되는 적외선은, 반도체 웨이퍼(12) 표면에 부착한유기 오염 물질 등을 검출하는 프로빙 광으로서 기능한다.
적외광원(16)의 위치나 각도는, 적외광원 제어 기구(28)에 의해 조정되도록 이루어져 있다. 이에 따라, 반도체 웨이퍼(12)의 주연부의 경사부의 적절한 위치에 적절한 각도로 적외선이 입사하게 된다.
(c) 적외선의 입사 위치 및 입사각
반도체 웨이퍼(12) 주연부의 경사부의 적절한 위치에 적절한 각도로 적외선을 입사하는 의의를 이하에 상술한다.
반도체 웨이퍼의 단부면 형상은, 국제적인 반도체 관련업계 단체 SEMI (Semiconductor Equipment and Material International)에서 정해져 있고, 2001년경부터 도입될 예정인 300㎜ 반도체 웨이퍼에 대해서도 그 규격이 잠정적으로 정해져 있다.
SEMI 표준 규격에 의해 정해진 직경 300㎜의 반도체 웨이퍼는, 도 2에 도시된 바와 같다. 즉, 300㎜ 반도체 웨이퍼(12)는, 직경이 300㎜로 두께가 775㎛의 원형으로 형성되어 있고, 한쌍의 표면과 외주면과의 경계 부분이 모따기되어 있다. 그리고, 모따기된 반도체 웨이퍼(12)의 경사부(14)의 가공 형상은, 도 3과 같다. 또, 도면 중 해칭하지 않은 영역이 가공 형상의 허용 범위이다.
이러한 SEMI 표준 규격의 300㎜ 반도체 웨이퍼는, 최종적인 가공 형상으로 양면 모두 경면 연마되어 있고, 양면의 경면 완성이 필요해지는 적외선 내부 다중 반사를 이용하는 분석법에 그대로 사용할 수 있다.
그리고, 이러한 반도체 웨이퍼의 경사부(14)에 적외선을 입사하면, 적외선은이하와 같이 함으로써 반도체 웨이퍼의 내부에서 다중 반사한다.
즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 반도체 웨이퍼(12)의 수평면에 대한 경사부(14)의 경사각을 δ, 반도체 웨이퍼(12)의 수평면에 대한 적외선의 입사각을 θ, 경사면의 법선에 대한 적외선의 입사각을 θ1로 하면, θ1은,
θ1=θ-(90°-δ)
로 나타낸다.
그리고, 경사부(14)에 적외선을 입사하면, 공기와 실리콘과의 굴절율의 차이에 따라, 경사부(14)의 표면에서 적외선이 굴절한다. 여기서, 반도체 웨이퍼(12) 내에 입사한 적외선의 굴절각을 θ2로 하면, 스넬의 법칙에 따라,
θ2=Sin-1((nair/nsi)sinθ1)
로 나타낸다. 또, 공기의 굴절율은 nair=1, 실리콘의 굴절율은 nsi=3.42이다.
그리고, 반도체 웨이퍼(12) 내에 입사한 적외선은, 반도체 웨이퍼(12) 내의 내부에서 반사한다. 여기서, 반도체 웨이퍼(12)의 수평면의 법선에 대한 내부 반사각을 θ3으로 하면,
θ3=δ-θ2
로 나타낸다.
도 3에 도시된 바와 같이, 실제의 반도체 웨이퍼(12)의 경사부(14)는 평면이아니기 때문에, 적외선의 입사 위치에 따라 경사각 δ가 다르다. 따라서, 경사각 δ는 일의적으로는 정해지지 않는다. 도 5는, 경사각 δ를 변화시킨 경우의, 내부 반사각θ3과 입사각θ과의 관계를 나타내는 그래프이다.
반도체 웨이퍼(12) 내에 입사한 적외선이, 반도체 웨이퍼(12) 내에서 내부 반사를 반복하여 반대측의 단부면으로부터 출사하기 위해서는, 내부 반사각 θ3이 전 반사 임계각 θc보다 큰 것이 필요하다. 반도체 웨이퍼(12)에서는, 내부 반사가 다수회 반복되기 때문에, 전반사 이외의 반사광은 강도를 무시할 수 있을 정도로 감쇠한다.
또, 전반사 임계각 θc는,
θc=sin-1(1/nsi)=17°
이다.
도 5에서 성기게 해칭되어 있는 영역은, 내부 반사각 θ3이 전반사 임계각θc보다 큰 영역이다. 도 5로부터 알 수 있듯이, 경사각 δ가 33°이상인 경우에는, 입사각θ이 어떻게 변화해도, 내부 반사각 θ3은 전반사 조건을 만족한다.
또한, 도 5에서 밀하게 행칭되어 있는 영역은, 내부 반사각 θ3이 90℃보다 커지는 영역이다. 이 경우에는, 적외선의 최초의 반사는, 반도체 웨이퍼(12)의 내측이 아니라, 외측에서 발생한다.
또한, 도 5로부터 알 수 있듯이, 적외선을 다중 내부 반사시키기 위해서는, 입사각θ를 147°∼-90°의 범위 내로 하는 것이 필요하다.
반도체 웨이퍼(12)에 입사한 적외선의 내부 반사 횟수 N은, 내부 반사각을 θ3, 반도체 웨이퍼(12)의 두께를 d, 반도체 웨이퍼(12)의 직경을 φ로 하면,
N=φ/d×tanθ3
으로 나타낸다.
상술된 SEMI 규격의 300㎜ 반도체 웨이퍼에서는, 직경 φ이 300㎜, 두께 d가 775㎛ 이므로, 내부 반사 횟수 N은 도 6에 도시된 바와 같다. 도 6은, 내부 반사각θ3과 내부 반사 횟수 N과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 내부 반사각 θ3이, 실리콘-공기의 전반사 임계각 θc=17°일 때, 내부 반사 횟수 N은 최대의 1266회가 되고, 내부 반사각 θ3이 커짐에 따라 내부 반사 횟수 N은 감소한다.
반도체 웨이퍼(12)의 표면에 부착한 유기 오염 물질에 의한 적외선의 흡수의 크기는, 반도체 웨이퍼(12) 내에서의 내부 반사 횟수 N에 비례한다. 이 때문에, 반도체 웨이퍼(12)의 위치 어긋남이나 반도체 웨이퍼(12)의 사면부(14)의 형상의 차이에 따라 내부 반사 횟수 N이 변화하면, 유기 오염 물질 등의 부착량이 같은 경우라도 적외광의 흡수의 크기가 변화한다. 이 때문에, 반도체 웨이퍼(12) 내에서의 내부 변화 횟수 N의 변화는, 측정 오차를 생기게 하는 요인이 된다.
이와 같이, 반도체 웨이퍼(12) 내에서의 적외선의 내부 반사 횟수 N은, 내부 반사각 θ3에 의해 결정되고, 또한 내부 반사각 θ3의 크기는, 경사부(14)의 경사각 d와 적외선의 입사각θ에 따라 결정된다.
이 때문에, 정밀한 정량 분석을 행하기 위해서는, 반도체 웨이퍼(12)의 경사부(14)의 형상이 다른 경우라도, 일정한 경사각 δ의 영역에, 일정한 입사각θ로 적외선을 입사하고, 이에 따라 내부 반사각 θ3을 일정하게 유지할 필요가 있다.
이상의 것은, 정량 분석의 측정 오차를 일정 범위 내에 억제하기 위해서는, 일정량의 오염에 대해 적외광의 흡수의 크기를 일정하게 유지할 필요가 있고, 그로 인한 내부 반사 횟수 N의 변화를 일정 범위 내로 억제할 필요가 있는 것을 나타내고 있다.
그런데, 내부 반사각 θ3이나 내부 반사 횟수 N의 변화에 따른적외선의 흡수량의 변화는, 간단한 어림으로 하여, 이하와 같은 계산으로 구해진다.
적외선 흡수량의 크기가 내부 반사 횟수 N에 단순하게 비례한다고 생각하면, 적외선 흡수량의 변화는 내부 반사 횟수 N의 변동에 기인한다. 웨이퍼 다중 내부 반사 푸리에 적외 분광법을 이용한 유기 오염 검출법으로는, 적외선 흡수량의 크기에 따라 유기 오염의 정량이 행해지기 때문에, 내부 반사 횟수 N의 변화가 정량 분석의 측정 오차를 결정하게 된다.
내부 반사 횟수 N은, 상술된 바와 같이
N=φ/d×tanθ3
에 의해 구해진다.
또한, 내부 반사각 θ3의 크기에 대해, 그 내부 반사 횟수 N의 ±10%의 반사 횟수를 계산한다. 그 결과로부터, 내부 반사 횟수 N이 10% 증가하는 경우와 10% 감소하는 경우의 내부 반사각 θ3을 역산하고, 이 두개의 각의 차를 내부 반사각의 변화로서 생각한다.
도 7은, 이 계산 결과를 나타낸 것이다. 도 7로부터 알 수 있듯이, 내부 반사각 θ3이 45°일 때, 내부 반사각의 변화는 최대치 5.7°가 된다. 이 결과는, 내부 반사각의 변동을 최대라도 ±2.8° 이내로 억제하는 것이 필요하고, 내부 반사각 θ3을 정확하게 제어해야 하는 것을 나타내고 있다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 내부 반사각 θ3은, 경사부(14)에의 적외선의 입사각 θ과 경사부(14)의 경사각 δ에 따라 결정된다. 예를 들면, 적외선의 입사각 θ의 범위가 30°∼60°사이에서, 내부 반사각 θ3이 45°가 되도록 적외선을 입사하는 경우에는, 경사부(14)의 경사각 δ가 40°∼50°인 영역에 적외선을 입사해야 한다.
이와 같이 내부 반사각 θ3을 정확하게 제어하기 위해서는, 경사부(14)에의 적외선의 입사각을 정확하게 제어할 필요가 있고, 또한 반도체 웨이퍼(12)의 경사부(14)의 형상이 다른 경우라도, 일정한 경사각 δ인 영역을 검출하고, 그 영역에 적외선을 입사할 필요가 있다.
(d) 위치 검출 수단(17)
위치 검출 수단(17)은, 2개의 레이저 광원(18, 22)과, 2개의 CCD 라인 센서(20, 24)와, 연산부(26)로 구성되어 있다.
레이저 광원(18)은, 기판 탑재대(10)의 주변부에 설치되어 있고, 대략 평행한 레이저광을 하측에 조사하는 것이다. 레이저 광원(18)은, 반도체 웨이퍼(12)의 경사부(14) 중, 적외선이 입사되는 영역을 포함하는 영역에 레이저광을 조사한다.
한편, CCD 라인 센서(20)는, 레이저 광원(18)의 하측에 설치되어 있고, X 방향, 즉 반도체 웨이퍼(12)의 직경 방향을 따르도록 화소가 배치되어 있다.
레이저 광원(18)으로부터 하측에 조사된 레이저광의 일부는 반도체 웨이퍼(12)에 의해 차단되고, 반도체 웨이퍼(12)에 차단되지 않은 레이저광만이 CCD 라인 센서(20)에 달한다. 따라서, 반도체 웨이퍼(12)의 X 방향의 위치 어긋남에 따라, CCD 라인 센서(20)에 설치된 화소가 레이저광을 감지한다.
레이저 광원(22)은, 반도체 웨이퍼(12)의 주연부보다 내측에 위치하도록, 기판 탑재대(10)의 주변부에 설치되고, 반도체 웨이퍼(12)의 경사부(14)를 향해 가늘게 집광된 레이저광을 출사한다.
한편, CCD 라인 센서(24)는, 기판 탑재대(10)의 측방에 설치되어 있고, Y 방향, 즉 연직 방향으로 화소가 배치되어 있다.
레이저 광원(22)으로부터 반도체 웨이퍼(12)의 경사부(14)를 향해 출사된 레이저광은, 반도체 웨이퍼(12)의 경사부 중, 적외선이 입사되는 영역과 거의 동일한 영역에 입사된다.
레이저 광원(22)으로부터 출사된 레이저광은, 반도체 웨이퍼(12)의 경사부(14)로 반사되고, CCD 라인 센서(24)에 달한다. 따라서, 반도체 웨이퍼(12)의 Y 방향의 위치 어긋남에 따라, CCD 라인 센서(24)에 설치된 화소가 레이저광을 감지하게 된다.
각각의 CCD 라인 센서(20, 24)에 의해 검출된 신호는, 연산부(26)에 입력되도록 되어 있다. 연산부(26)는, CCD 라인 센서(20)로부터 입력되는 신호에 기초하여 반도체 웨이퍼(12)의 X 방향의 위치 어긋남을 산출하고, CCD 라인 센서(24)로부터 입력되는 신호에 기초하여 반도체 웨이퍼(12)의 Y 방향의 위치 어긋남을 산출한다.
연산부(26)는, 반도체 웨이퍼(12)의 X 방향의 위치 어긋남 및 Y 방향의 위치 어긋남에 따라, 적외광원(16)의 위치나 각도를 제어하기 위한 피드백 신호를 생성한다. 즉, 적외광원(16)의 위치나 각도를 어느 정도 변화시키면 반도체 웨이퍼(12)의 경사부(14)의 적절한 위치에 적절한 각도로 적외선을 입사할 수 있을지를 산출하고, 그 연산 결과를 적외광원 제어 기구(28)에 피드백한다.
또, 반도체 웨이퍼(12)의 직경이나 경사부(14)의 형상은, 메이커나 형식에 따라 다른 경우가 있다. 예를 들면, SEMI 규격의 반도체 웨이퍼에서는, 도 2에 도시된 범위 내에서 직경이 변화되는 경우가 있고, 도 3에 도시된 범위 내에서 경사부(14)의 형상이 다른 경우가 있다. 따라서, 반도체 웨이퍼(12)의 직경이나 경사부(14)의 형상에 따라, 레이저 광원(18, 22)의 배치 위치나 CCD 라인 센서(20, 24)의 배치 위치를 적절하게 설정하는 것이 바람직하다.
또한, 반도체 웨이퍼(12)의 Y 방향의 위치 어긋남을 연산부(26)로 산출할 때에, 반도체 웨이퍼(12)의 경사부(14)의 형상을 고려하여 위치 어긋남을 산출해도 된다. 이 경우에는, 각 메이커의 각 형식의 반도체 웨이퍼마다, 경사부의 형상의 데이터를 기억부(도시하지 않음)에 기억해 두고, 측정 대상이 되는 반도체 웨이퍼에 따라 연산부(26)에 적절하게 데이터를 제공하면 된다. 반도체 웨이퍼(12)의 직경이나 경사부(14)의 형상을 고려하여 반도체 웨이퍼(12)의 위치 어긋남을 검출하면, 레이저 광원(20, 22)이나 CCD 라인 센서(22, 24)의 위치를 재설정하지 않고, 반도체 웨이퍼(12)의 위치 어긋남을 측정할 수 있다.
(e) 적외광원 제어 기구(28)
적외광원 제어 기구(28)는, 연산부(26)로부터의 피드백 신호에 기초하여, 적외광원(16)의 위치나 각도를 신속하게 제어하는 것이다.
반도체 웨이퍼(12)의 위치 어긋남에 따라, 적외광원(16)의 위치나 각도를 신속하게 제어하므로, 공정 전체의 처리량에 악영향을 끼치지 않고, 반도체 웨이퍼(12)의 경사부(14)의 적절한 위치에 적절한 각도로 적외선을 입사할 수 있다.
(f) 검출 광학계(30)
검출 광학계(30)는, 2개의 반사경(32, 34)에 의해 구성되어 있다.
적외광원(16)으로부터 반도체 웨이퍼(12) 내부에 입사된 적외선은, 반도체 웨이퍼(12) 내에서 내부 반사를 반복하면서 기판 표면의 오염 정보를 누적하여 프로빙하고, 적외선의 입사점과 대칭적인 위치로부터 출사되어, 검출 광학계(30)에도입된다.
검출 광학계(30)는, 반도체 웨이퍼(12)로부터 출사된 적외선을 집광하여 분광기(36)로 유도한다.
(g) 분광기(36)
분광기(36)는, 예를 들면 광속 간섭계(마이클슨광 간섭계)를 기초한 푸리에 변환 분광의 메카니즘에 의해 적외선을 분광하는 FT-IR 장치의 분광기이다.
분광기(36)에서 분광된 적외선은, 적외선 검출기(38)에 도입되도록 이루어져 있다.
(h) 적외선 검출기(38)
적외선 검출기(38)는, 예를 들면 FT-IR 장치의 검출기이고, 질소냉각형 InSb 등의 적외선 검출기를 이용할 수 있다.
반도체 웨이퍼(12) 내부에 적외선을 입사하여 기판 내부에서 다중 반사시키면, 기판 표면에서 광선이 반사할 때에 번져나오는 광(이버네센트 광)의 주파수 성분이 기판 표면의 유기 오염 물질의 분자 진동 주파수와 일치하면 공명 흡수되므로, 그 적외 흡수 스펙트럼을 분석함으로써 유기 오염 물질의 종류와 량을 특정할 수 있다.
이렇게 함으로써 얻어진 스펙트럼의 측정 데이터는, 제어·해석용 컴퓨터(40)로 이송된다.
(i) 제어·해석용 컴퓨터(40)
제어·해석용 컴퓨터(40)는, 유기 오염 물질의 특정이나 량을 산출하는 것이다.
제어· 해석용 컴퓨터(40)의 기억부에는, 유기 오염 물질의 종류와 검량선이 별도로 데이터 베이스로서 저장되고, 측정 데이터는 이들의 데이터를 참조하여 정량화된다. 이와 같이 하여 해석된 결과는, 표시 장치(42)에 표시할 수 있다.
(표면 상태 측정 방법)
이어서, 본 실시예에 따른 표면 상태 측정 방법에 대해 도 1을 이용하여 설명한다.
우선, 피측정 대상인 반도체 웨이퍼(12)를 기판 탑재대(10)에 적재한다. 기판 장착대(10)에는, 반도체 장치의 제조 라인에서 사용되는 반도체 웨이퍼(12)를 장착할 수 있다.
이어서, 레이저 광원(18)으로부터 하측으로 레이저광을 조사한다. 레이저 광원(18)으로부터 조사된 레이저광 중, 반도체 웨이퍼(12)에 차단되지 않은 레이저광만이 CCD 라인 센서(20)에 달한다. 그리고, 반도체 웨이퍼(12)의 X 방향의 위치 어긋남에 따른 신호가, CCD 라인 센서(20)로부터 연산부(26)로 출력된다.
또한, 레이저 광원(22)으로부터 반도체 웨이퍼(12)의 주연부를 향해, 레이저광을 출사한다. 레이저 광원(22)으로부터 출사된 레이저광은, 반도체 웨이퍼(12)의 경사부(14)로 반사되고, CCD 라인 센서(24)에 달한다. 그리고, 반도체 웨이퍼(12)의 Y 방향의 위치 어긋남에 따른 신호가, CCD 라인 센서(24)로부터 연산부(26)로 출력된다.
연산부(26)는, CCD 라인 센서(20)로부터 입력된 신호에 기초하여 반도체 웨이퍼(12)의 X 방향의 위치 어긋남을 산출하고, CCD 라인 센서(24)로부터 입력된 신호에 기초하여 Y 방향의 위치 어긋남을 산출한다. 그리고, 연산부(26)는, X 방향의 위치 어긋남의 연산 결과, 및 Y 방향의 위치 어긋남의 연산 결과에 기초하여, 적외광원(16)의 위치나 각도를 제어하기 위한 피드백 신호를 생성한다. 또, 이 때에 상술된 바와 같이, 반도체 웨이퍼(12)의 메이커, 형식, 스펙 등을 고려하여 산출할 수도 있다.
연산부(26)로부터 출력된 피드백 신호는, 적외광원 구동 기구에 입력된다. 적외광원 제어 기구(28)는, 연산부(26)로부터의 피드백 신호에 기초하여, 적외광원(16)의 위치나 각도를 제어한다. 이렇게 해서, 적외광원(16)은, 반도체 웨이퍼(12)의 경사부(14)의 적절한 위치에 적절한 각도로 적외선을 입사하도록, 위치 결정된다.
이어서, 적외광원(16)으로부터 적외선을 출사한다. 반도체 웨이퍼(12)의 경사부(14)로부터 반도체 웨이퍼(12) 내부에 입사된 적외선은, 내부 반사를 반복하면서 기판 표면의 오염 정보를 누적하여 프로빙하고, 적외선의 입사점과 대칭적인 위치로부터 출사된다. 본 실시예에서는, 반도체 웨이퍼(12)의 경사부(14)의 적절한 위치에 적절한 각도에서 적외선이 입사되므로, 반도체 웨이퍼(12)의 내부에서의 전반사의 횟수가 적절한 횟수로 제어된다.
이어서, 반도체 웨이퍼(12)로부터 출사된 적외선을 적외선 집광 수단(30)에 의해 집광하고, 분광기(36)를 통해 적외선 검출기(38)로 도입한다. 이렇게 해서, 예를 들면 광속 간섭계를 기초로 한 푸리에 변환 분광의 메카니즘에 의해, 각 주파수에 대응하는 흡수 스펙트럼을 얻을 수 있다.
이어서, 적외선 검출기(38)로 얻어진 흡수 스펙트럼의 데이터를, 제어·해석용 컴퓨터(40)에 입력한다. 제어·해석용 컴퓨터(40)는, 스펙트럼을 해석하고, 유기 오염 물질의 종류와 량을 특정한다.
또한, 반도체 웨이퍼(12)의 대략 전면에 걸친 유기 오염, 화학 오염을 측정하는 경우에는, 반도체 웨이퍼(12)를 순차 회전시킨다. 반도체 웨이퍼(12)의 중심과 기판 탑재대(10)의 회전축이 일치하지 않은 경우에는, 반도체 웨이퍼(12)를 회전시키면 반도체 웨이퍼(12) 주연부의 위치가 어긋나지만, 본 실시예에서는 반도체 웨이퍼(12)의 위치 어긋남에 따라 적외광원(16)의 위치나 각도를 순차적으로 신속하게 재조정한다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 반도체 웨이퍼(12)를 회전시키는 경우라도, 공정 전체의 처리량에 악영향을 끼치지 않고, 반도체 웨이퍼의 대략 전면에 걸친 유기 오염, 화학 오염을 측정할 수 있다.
이렇게 해서, 반도체 웨이퍼(12)의 표면 상태의 분석을 종료한다.
이와 같이 본 실시예에 따르면, 반도체 웨이퍼의 위치 어긋남을 검출하고, 반도체 웨이퍼의 위치 어긋남에 따라 적외광원의 위치나 각도를 신속히 조정할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 공정 전체의 처리량에 악영향을 끼치지 않고, 반도체 웨이퍼의 경사부의 적절한 위치에 적절한 각도로 적외선을 입사할 수 있고, 내부 반사각을 적절한 각도로 제어할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 반도체 웨이퍼 내에서의 전반사의 횟수를 적절하게 제어할 수 있고, 나아가서는 반도체 웨이퍼의 표면 상태를 높은 정밀도로 측정할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 반도체 웨이퍼의 위치 어긋남에 따라 적외광원의 위치나 각도를 신속히 조정할 수 있으므로, 반도체 웨이퍼를 회전시켜 대략 전면에 걸친 유기 오염이나 화학 오염을 측정하는 경우라도, 공정 전체의 처리량에 악영향이 미치는 것을 회피할 수 있다.
(변형예(1))
이어서, 본 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치 및 방법의 변형예(1)를 도 8을 이용하여 설명한다. 도 8은, 본 변형예에 따른 표면 상태 측정 장치를 도시한 개략도이다. 또, 도 8은, 본 변형예에 따른 표면 상태 측정 장치를 반도체 웨이퍼의 상측으로부터 본 것으로, 레이저 광원 등은 생략되어 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 변형예에 따른 표면 상태 측정 장치 및 방법은, 반도체 웨이퍼(12)의 위치 어긋남이 3개소에서 검출되는 것에 주된 특징이 있다. 즉, 반도체 웨이퍼(12)의 중심을 기준으로 하여, 120°씩 어긋나게 하여 레이저 광원(도시하지 않음)이나 CCD 라인 센서(20, 24)가 3세트분 배치되어 있다.
그리고, 3개소에 설치된 CCD 라인 센서(20, 24)에 의해 검출된 신호는, 1개의 연산부(26)에 입력되도록 되어 있다. 연산부(26)는, 3개소에 설치된 CCD 라인 센서(20, 24)로부터 입력된 신호에 기초하여, 반도체 웨이퍼(12)의 위치 어긋남을 종합적으로 산출하고, 피드백 신호를 생성한다. 이렇게 해서 생성된 피드백 신호는 적외광원 제어 기구(28)에 입력되고, 이에 따라 적외광원(16)의 위치나 각도가 제어된다.
도 1에 도시된 표면 상태 측정 장치에서는, 반도체 웨이퍼(12)의 위치 어긋남을 1개소에서만 측정하였기 때문에, Z 방향, 즉 도 1의 지면 수직 방향으로 반도체 웨이퍼(12)의 위치가 어긋나도, 그것을 검출하는 것은 곤란하였다.
이에 대해, 본 변형예에서는, 3개소에서 반도체 웨이퍼(12)의 위치 어긋남을 검출하므로, 반도체 웨이퍼(12)가 Z 방향, 즉 도 8의 지면 좌우 방향으로 어긋나 있는 경우에서도 검출할 수 있다.
이와 같이, 본 변형예에서는, 반도체 웨이퍼의 위치 어긋남을 3개소에서 검출하므로, 반도체 웨이퍼의 Z 방향의 위치 어긋남도 검출할 수 있다. 따라서, 본 변형예에 따르면, 보다 고정밀도로, 반도체 웨이퍼의 경사부의 적절한 위치에 적절한 각도로 적외선을 입사할 수 있어, 반도체 웨이퍼의 표면 상태를 보다 고정밀도로 측정할 수 있다.
(변형예(2))
이어서, 본 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치 및 방법의 변형예(2)를 도 9를 이용하여 설명한다. 도 9는, 본 변형예에 따른 표면 상태 측정 장치를 도시한 개략도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 변형예에 따른 표면 상태 측정 장치에는, 기판 탑재대(10)를 제어하는 기판 탑재대 제어 장치(44)가 설치되어 있고, 기판 탑재대 제어 장치(44)에는, 연산부(26)로부터 출력되는 피드백 신호가 입력되도록 이루어져 있다.
기판 탑재대(10)에는, 반도체 웨이퍼의 위치를 조정하는 위치 제어 기구(도시하지 않음)가 설치되고, 기판 탑재대 제어 장치(44)는, 피드백 신호에 기초하여기판 탑재대(10)의 위치 제어 기구를 적절하게 제어하고, 이에 따라 반도체 웨이퍼(12)의 위치 어긋남을 교정한다.
도 1에 도시된 본 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치에서는, 적외광원(16)의 위치나 각도를 제어함으로써 반도체 웨이퍼(12)의 적절한 위치에 적절한 각도로 적외선을 입사하도록 구성했지만, 본 변형예에 따른 표면 상태 측정 장치에서는, 기판 탑재대(10)를 제어함으로써, 반도체 웨이퍼(12)의 위치 어긋남을 교정한다. 따라서, 본 변형예에 따르면, 반도체 웨이퍼(12)의 적절한 위치에 적절한 각도로 적외선을 입사할 수 있다.
이와 같이, 본 변형예에서는, 기판 탑재대 제어 장치에 의해 기판 탑재대를 제어하고, 이에 따라 반도체 웨이퍼의 위치 어긋남을 교정하므로, 반도체 웨이퍼의 경사부의 적절한 위치에 적절한 각도로 적외선을 입사할 수 있다.
[제2 실시예]
본 발명의 제2 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치 및 방법에 대해 도 10을 이용하여 설명한다. 도 10은, 본 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치를 도시한 개략도이다. 또, 도 1 내지 도 9에 도시된 제1 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치 및 방법과 동일한 구성 요소에는 동일한 부호를 붙여 설명을 생략하거나 간략하게 한다.
(표면 상태 측정 장치)
우선, 본 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치에 대해 도 10을 이용하여 설명한다.
본 실시예에 따른 위치 검출 수단(17a)은, 2개의 레이저 광원(18a, 22a)과, 2개의 CCD 라인 센서(20a, 24a)와, 연산부(26)로 구성되어 있다.
레이저 광원(18a)은, 기판 장착대(10)의 주변부에 설치되고, 가늘게 집광된 레이저광을 각 방향으로 주사할 수 있는 것이다. 한편, CCD 2차원 센서(20a)는, 레이저 광원(18a)의 하측에 설치되어 있고, 면형으로 다수의 화소가 배치되어 있다.
레이저 광원(22a)은, 기판 장착대(10)의 주변부에 설치되어 있고, 가늘게 집광된 레이저광을 각 방향으로 주사할 수 있는 것이다. 한편, CCD 2차원 센서(24a)는, 기판 탑재대(10)의 측방에 설치되어 있고, CCD 2차원 센서(20a)와 마찬가지로, 면형으로 다수의 화소가 배치되어 있다.
그리고, CCD 2차원 센서(20a, 24a)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 연산부(26)에 접속되어 있다.
본 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치는, 레이저광을 각 방향으로 주사할 수 있는 레이저 광원(18a, 22a)을 설치하고, CCD 2차원 센서(20a, 24a)를 이용하여 레이저광을 감지하는 것에 주된 특징이 있다. 본 실시예에서는, 평면형으로 다수의 화소가 배치된 CCD 2차원 센서(20a, 24a)를 이용하여 레이저광을 감지하므로, 화소가 선형으로 배치된 CCD 라인 센서(20, 24)를 이용하는 제1 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치에 비교하여, 고정밀도로 반도체 웨이퍼(12)의 위치 어긋남을 검출할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는, CCD 2차원 센서(20a, 24a)를 이용하고 있기 때문에,반도체 웨이퍼(12)의 X 방향의 위치 어긋남이나 Y 방향의 위치 어긋남뿐만 아니라, Z 방향, 즉 도 10의 지면 수직 방향의 위치 어긋남도 검출할 수 있다. 제1 실시예에서는, 도 8에 도시된 변형예(1)와 같이 복수의 개소에서 위치 어긋남을 측정하지 않는 한 반도체 웨이퍼(12)의 Z 방향의 위치 어긋남을 검출하는 것은 곤란했지만, 본 실시예에서는, CCD 2차원 센서(20a, 24a)를 이용하고 있으므로, 1 개소에서 측정하는 것만이라도 반도체 웨이퍼(12)의 Z 방향의 위치 어긋남을 검출할 수 있다.
(표면 상태 측정 방법)
이어서, 본 실시예에 따른 표면 상태 측정 방법을 도 10을 이용하여 설명한다.
우선, 피측정 대상인 반도체 웨이퍼(12)를 기판 탑재대(10)에 장착하는 것은, 제1 실시예와 마찬가지이다.
이어서, 레이저 광원(18a)으로부터, 반도체 웨이퍼(12)의 경사부(14)를 향하여, 레이저광을 출사한다. 레이저 광원(18a)은, 반도체 웨이퍼(12)의 경사부(14) 중, 적외선이 입사되는 영역을 포함하는 영역에 레이저광이 입사되도록, 레이저광을 주사한다. 레이저 광원(18a)으로부터 출사된 레이저광 중, 반도체 웨이퍼(12)에 차단되지 않은 레이저광만이 CCD 라인 센서(20a)에 달한다. 그리고, 레이저광을 감지한 화소에 따라 CCD 2차원 센서(20a)로부터 연산부(26)에 신호가 입력된다.
또한, 레이저 광원(22a)으로부터, 반도체 웨이퍼(12)의 경사부(14)를 향하여, 레이저광을 출사한다. 레이저 광원(22a)으로부터 출사되는 레이저광은, 반도체 웨이퍼(12)의 경사부(14)에서 반사되고, CCD 2차원 센서(24a)에 달한다. 그리고, 레이저광을 감지한 화소에 따라, CCD 2차원 센서(24a)로부터 연산부(26)에 신호가 입력된다.
연산부(26)는, CCD 2차원 센서(20a)로부터 출사된 신호에 기초하여 반도체 웨이퍼(12)의 X 방향의 위치 어긋남을 산출하고, CCD 2차원 센서(24a)로부터 입력된 신호에 기초하여 반도체 웨이퍼(12)의 Y 방향의 위치 어긋남을 산출한다. 또한, 연산부(26)는, CCD 2차원 센서(20a, 24a)로부터 입력된 신호에 기초하여, 반도체 웨이퍼(12)의 Z 방향의 위치 어긋남도 산출한다. 그리고, 연산부(26)는, 이들 위치 어긋남의 연산 결과에 기초하여, 적외광원의 위치나 각도를 제어하기 위한 피드백 신호를 생성한다. 또, 이 때에, 제1 실시예와 마찬가지로, 반도체 웨이퍼(12)의 메이커나 형식을 고려하여, 반도체 웨이퍼(12)의 위치 어긋남을 산출할 수도 있다.
연산부(26)에서 생성된 피드백 신호는, 적외광원 구동 기구(28)로 출력된다. 적외광원 제어 기구(28)는, 연산부(26)로부터의 피드백 신호에 기초하여, 적외광원(16)의 위치나 각도를 제어한다.
이렇게 해서, 적외광원(16)은, 반도체 웨이퍼(12)의 경사부(14)의 적절한 위치에 적절한 각도로 적외선을 입사하도록, 위치 결정된다.
이 후의 표면 상태 측정 방법은, 제1 실시예와 마찬가지이므로 생략한다.
이와 같이, 본 실시예에 따르면, 많은 정보량을 얻을 수 있는 CCD 2차원 센서를 이용하고 있으므로, 반도체 웨이퍼의 위치 어긋남을 고정밀도로 검출할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, CCD 2차원 센서를 이용하고 있으므로, 1 개소의 측정만으로, 반도체 웨이퍼의 Z 방향의 위치 어긋남도 측정할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 간편한 구성으로, 저렴한 표면 상태 측정 장치를 제공할 수 있다.
[제3 실시예]
본 발명의 제3 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치 및 방법에 대해 도 11을 이용하여 설명한다. 도 11은, 본 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치를 도시한 개략도이다. 또, 도 1 내지 도 10에 도시된 제1 또는 제2 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치 및 방법과 동일한 구성 요소에는 동일한 부호를 붙여 설명을 생략하거나 간략히 한다.
(표면 상태 측정 장치)
우선, 본 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치를 도 11을 이용하여 설명한다.
본 실시예에 따른 위치 검출 수단(17b)은, 레이저 광원(22b)과, CCD 라인 센서(20a)와, 연산부(26)로 구성되어 있다.
레이저 광원(22b)은, 기판 장착대(도시하지 않음)의 상측에 설치되어 있고, 레이저 광원을 주회하도록 주사할 수 있는 것이다. 레이저 광원(22b)은, 원형뿐만 아니라, 타원형, 또는 사각형 등 모든 주회 경로로 레이저광을 주사하는 것이 가능하다.
CCD 2차원 센서(20a)는, 레이저 광원(22b)의 경사 하측에 설치되어 있고, 면형으로 다수의 화소가 배치되어 있다. 또, 도 11은 CCD 2차원 센서(20a)를 이용한경우를 나타내고 있지만, CCD 2차원 센서(20a)뿐만 아니라 4 분할 센서 등을 적절하게 이용해도 좋다.
본 실시예에 따른 표면 상태 측정 장치는, 레이저광을 주회하도록 주사하는 레이저 광원이 이용되는 것에 주된 특징이 있다. 레이저 광원을 주회할 뿐으로 반도체 웨이퍼(12)의 위치 어긋남을 검출할 수 있으므로, 제2 실시예와 같이 각 방향으로 주사하는 경우에 비교하여 신속하게 반도체 웨이퍼(12)의 위치 어긋남을 검출하는 것이 가능하다.
(표면 상태 측정 방법)
이어서, 본 실시예에 따른 표면 상태 측정 방법을 도 11을 이용하여 설명한다.
우선, 피측정 대상인 반도체 웨이퍼(12)를 기판 탑재대(10)에 장착하는 것은, 제1 실시예와 마찬가지이다.
이어서, 레이저 광원(22b)으로부터, 반도체 웨이퍼(12)의 경사부(14)를 향해, 레이저광을 출사한다. 레이저 광원(22b)으로부터 출사되는 레이저광은, 반도체 웨이퍼(12)의 경사부(14)에 있어서의 적외선의 입사 영역의 근방을 주회하도록 주사된다. 레이저 광원(22b)으로부터 출사된 레이저광 중, 반도체 웨이퍼(12)에 차단되지 않았던 레이저광만이 CCD 라인 센서(20a)에 달한다. 그리고, 레이저광을 감지한 화소에 따라 CCD 2차원 센서(20a)로부터 연산부(26)에 신호가 입력된다.
연산부(26)는, CCD 2차원 센서(20a)로부터 입력된 신호에 기초하여 반도체 웨이퍼(12)의 위치 어긋남을 산출한다. 그리고, 연산부(26)는, 연산 결과에 기초하여, 적외광원(16)의 위치나 각도를 제어하기 위한 피드백 신호를 생성한다. 연산부(26)에서 생성된 피드백 신호는, 적외광원 구동 기구(28)에 출력되고, 적외광원 제어 기구(28)는, 연산부(26)로부터의 피드백 신호에 기초하여, 적외광원(16)의 위치나 각도를 제어한다.
이렇게 해서, 적외광원(16)은, 반도체 웨이퍼(12)의 경사부(14)의 적절한 위치에 적절한 각도로 적외선을 입사하도록, 위치나 각도가 설정된다.
이 후의 표면 상태 측정 방법은, 제1 실시예와 마찬가지이므로 생략한다.
이와 같이, 본 실시예에 따르면, 레이저광을 주회하도록 주사하는 레이저 광원을 이용하여 반도체 웨이퍼의 위치 어긋남을 검출하므로, 보다 신속하게 반도체 웨이퍼의 위치 어긋남을 검출할 수 있다. 또한, 본 실시예에 따르면, CCD 2차원 센서를 1개 설치하는 것만으로도 충분하므로, 저렴한 표면 상태 측정 장치를 제공할 수 있다.
[변형 실시예]
본 발명은 상기 실시예에 한하지 않고 여러 변형이 가능하다.
예를 들면, 제1 내지 제3 실시예에서는, 레이저 광원을 이용했지만, 레이저 광원에 한정되는 것이 아니고, 프로빙 광인 적외선과 다른 파장의 광을 발하는 광원 이면, 모든 광원을 적절하게 이용할 수 있다.
또한, 제1 실시예에서는, 레이저 광원(18)으로부터 대략 평행한 레이저광을 조사하고, 레이저 광원(22)으로부터 가늘게 집광된 레이저광을 출사했지만, 레이저 광원(18, 22)의 양자로부터 대략 평행한 레이저광을 조사하도록 해도 좋다.
또한, 제1 및 제2 실시예에서는, X 방향의 위치 어긋남과 Y 방향의 위치 어긋남의 양자를 검출했지만, 반드시 양자를 검출하지 않아도 좋다. 즉, 예를 들면 Y 방향의 위치 어긋남이 매우 작은 경우에는, X 방향의 위치 어긋남만을 검출하면 된다. 또한, X 방향의 위치 어긋남을 측정하지 않고, Y 방향의 위치 어긋남만을 검출하는 경우에도 적용할 수 있다.
또한, 제2 및 제3 실시예에서는, 1개소에서만의 반도체 웨이퍼의 위치 어긋남을 검출했지만, 복수 개소에서 반도체 웨이퍼의 위치 어긋남을 측정해도 좋다. 이에 따라, 반도체 웨이퍼의 위치 어긋남을 보다 정밀하게 검출할 수 있다.
또한, 제2 및 제3 실시예에서는, 적외광원의 위치나 각도를 제어했지만, 기판 장착대를 제어함으로써 반도체 웨이퍼의 위치 어긋남을 제어해도 좋다.
또한, 제2 실시예에서는, CCD 2차원 센서를 이용했지만, CCD 라인 센서를 이용하는 것도 가능하다.
또한, 제3 실시예에서는, 1개의 레이저 광원과 1개의 CCD 2차원 센서를 설치했지만, 레이저 광원과 CCD 2차원 센서를 더욱 설치해도 좋다. 이에 따라, 더욱 고정밀도로 반도체 웨이퍼의 위치 어긋남을 검출할 수 있다.
또한, 제1 내지 제3 실시예에서는, 반도체 웨이퍼의 위치를 검출하는 경우를 예로 설명했지만, 반도체 웨이퍼뿐만 아니라, 모든 피측정 기판의 위치를 검출할 때에 적용할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 따르면, 반도체 웨이퍼의 위치 어긋남을 검출하고,반도체 웨이퍼의 위치 어긋남에 따라 적외광원의 위치나 각도를 신속하게 조정할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 공정 전체의 처리량에 악영향을 끼치지 않고, 반도체 웨이퍼의 경사부의 적절한 위치에 적절한 각도로 적외선을 입사할 수 있고, 내부 반사각을 적절한 각도로 제어할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 반도체 웨이퍼 내에서의 전반사의 횟수를 적절하게 제어할 수 있고, 나아가서는 반도체 웨이퍼의 표면 상태를 높은 정밀도로 측정할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 반도체 웨이퍼의 위치 어긋남에 따라 적외광원의 위치나 각도를 신속하게 조정할 수 있으므로, 반도체 웨이퍼를 회전시켜 대략 전면에 걸치는 유기 오염이나 화학 오염을 측정하는 경우라도, 공정 전체의 처리량에 악영향을 미치는 것을 피할 수 있다.

Claims (12)

  1. 표면 상태 측정 장치에 있어서,
    피측정 기판의 내부에 적외선을 도입하는 입사 광학계와,
    상기 피측정 기판의 내부를 다중 반사한 후에 출사되는 적외선을 검출하는 검출 광학계와,
    상기 검출 광학계에 의해 검출된 적외선에 기초하여, 상기 피측정 기판 표면의 상태를 측정하는 표면 상태 측정 수단과,
    상기 피측정 기판의 위치를 광학적으로 검출하는 위치 검출 수단과,
    상기 위치 검출 수단에 의해 검출된 상기 피측정 기판의 위치에 따라, 상기 피측정 기판에 적외선이 입사되는 위치 및 각도를 제어하는 제어 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 상태 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 상기 입사 광학계를 제어함으로써, 상기 피측정 기판에 적외선이 입사되는 위치 및 각도를 제어하는 것을 특징으로 하는 표면 상태 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 상기 기판 탑재대를 제어하여 상기 피측정 기판의 위치를조정함으로써, 상기 피측정 기판에 적외선이 입사되는 위치 및 각도를 제어하는 것을 특징으로 하는 표면 상태 측정 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 위치 검출 수단은, 상기 피측정 기판의 주연부 상측에 설치되고, 상기 피측정 기판의 주연부에 제1 광을 입사하는 제1 광원과, 상기 피측정 기판의 주연부를 사이에 두고 상기 제1 광원에 대향하여 설치되어 상기 제1 광을 수광하는 제1 광 검출기를 포함하고, 상기 제1 광 검출기에 의해 검출된 광의 위치에 기초하여 상기 피측정 기판의 수평 방향의 위치를 검출하는
    것을 특징으로 하는 표면 상태 측정 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 위치 검출 수단은, 상기 피측정 기판의 상기 주연부에 제2 광을 입사하는 제2 광원과, 상기 주연부에서 반사된 상기 제2 광을 수광하는 제2 광 검출기를 포함하고, 상기 제2 광 검출기에 의해 검출된 광의 위치에 기초하여 상기 피측정 기판의 수직 방향의 위치를 검출하는 것을 특징으로 하는 표면 상태 측정 장치.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 제1 광원 및/또는 상기 제2 광원은, 상기 피측정 기판에 적외선이 입사되는 위치를 포함하는 영역에 상기 제1 광 및/또는 상기 제2 광을 주사하는 것을특징으로 하는 표면 상태 측정 장치.
  7. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 제1 광원 및/또는 상기 제2 광원은, 상기 피측정 기판에 적외선이 입사되는 위치의 근방에 상기 제1 광 및/또는 상기 제2 광을 주회하도록 주사하는 것을 특징으로 하는 표면 상태 측정 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 위치 검출 수단은, 상기 피측정 기판의 주연부에 따른 복수의 개소에서 상기 피측정 기판의 위치를 광학적으로 검출하는 것을 특징으로 하는 표면 상태 측정 장치.
  9. 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 광 및/또는 상기 제2 광은, 적외선과 다른 파장의 광인 것을 특징으로 하는 표면 상태 측정 장치.
  10. 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 광 검출기 및/또는 상기 제2 광 검출기는, 상기 피측정 기판의 위치를 1차원적으로 또는 2차원적으로 검출하는 것을 특징으로 하는 표면 상태 측정 장치.
  11. 피측정 기판의 내부에 적외선을 도입하고, 상기 피측정 기판의 내부에서 다중 반사한 후에 출사되는 적외선을 검출하고, 검출한 적외선을 분석함으로써 상기 피측정 기판의 표면 상태를 측정하는 표면 상태 측정 방법에 있어서,
    상기 피측정 기판의 위치를 광학적으로 검출하고, 검출된 상기 피측정 기판의 위치에 따라, 상기 피측정 기판에 적외선이 입사되는 위치 및 각도를 제어하는
    것을 특징으로 하는 표면 상태 측정 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 피측정 기판을 회전하면서 복수회의 측정을 반복하고, 상기 피측정 기판의 대략 전면에 걸쳐 상기 피측정 기판의 표면을 측정할 때, 각 측정에 앞서 상기 피측정 기판의 위치를 광학적으로 검출하고, 검출된 상기 피측정 기판의 위치에 따라 상기 피측정 기판에 입사되는 적외선의 위치 및 각도를 제어하는
    것을 특징으로 하는 표면 상태 측정 방법.
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