KR20030081607A - 두께측정시스템이 구비된 회전식각장치 - Google Patents

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Abstract

두께측정시스템이 구비된 회전식각장치를 제공한다. 이 장치는 기판이 놓여지는 회전가능한 스핀헤드와, 기판의 상부에 위치하며 웨이퍼 상에 식각액을 분사하는 식각액공급수단과, 식각액공급을 제어하는 식각액공급제어기를 구비하고 있다. 아울러, 이 장치는 박막의 두께를 측정하는 두께측정시스템과 식각액 공급제어기에 식각액 공급정지 신호를 전달하는 주제어기를 구비하고 있다. 두께측정시스템은 기판의 표면에 빛을 입사하고, 기판으로 부터 반사되는 빛의 간섭신호를 분석하여 박막의 두께를 측정한다. 주 제어기는 두께측정시스템에서 측정된 결과를 기준값과 비교하고, 측정값이 기준값에 도달하기 전 식각액공급제어기에 식각액 공급정지 신호를 전달한다. 이 때, 식각액공급이 정지 후 일정시간동안 기판 상의 잔류 식각액에 의해 박막이 추가식각되어 박막의 두께가 기준값에 도달된다.

Description

두께측정시스템이 구비된 회전식각장치{SPIN-ETCHER WITH THICKNESS MEASURING SYSTEM}
본 발명은 반도체 소자의 제조장치에 관한 것으로서, 더 구체적으로 회전하는 스핀헤드 위에 놓여진 기판에 식각액을 분사하여 특정막을 식각하는 회전식각장치에 관한 것이다.
반도체 소자는 기판 상에 박막을 증착하는 증착공정, 기판 상에 포토레지스트 패턴을 형성하는 사진공정, 기판 내에 불순물을 주입하는 이온주입공정 및 특정 박막을 제거하는 식각공정 등으로 구성된 복잡한 단위공정을 통하여 제조된다. 이들 중 식각공정은 외부로부터 밀폐된 진공챔버 내에 플라즈마를 발생시켜 기판 표면의 박막을 제거하는 건식식각 공정 및 식각액이 담겨진 수조에 기판를 넣어 박막을 제거하는 습식식각을 포함한다. 최근에는 회전이 가능한 스핀헤드 상에 기판을 설치하고, 상기 기판이 회전하는 동안 기판의 상부면, 하부면 또는 가장자리에 기화된 식각액을 분사하여 기판의 특정영역을 식각하는 회전식각장치가 도입되었다. 회전식각장치는 특정 영역 만을 식각할 수 있는 영역 선택성이 우수하고, 박막의 식각두께를 제어하기 용이하여 얇은 두께의 박막을 식각하는데 많이 사용되고 있다. 따라서, 얇은 박막의 두께를 제어하기 위하여 식각 종점을 정확하게 측정하는 것이 매우 중요하다.
종래에는 종점검출을 위하여 식각부산물로 발생하는 가스성분을 분광계로 분석하여 식각 시간과 식각두께를 정량화한 데이타를 이용하여 식각시간을 조절하였다. 이 때, 식각액의 농도 변화 및 공정조건 변화에 의해 식각량의 오차가 발생하여 정확한 두께 제어가 어려운 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 기판 상의 박막의 두께를 실시간으로 측정하여 공정 종료시점을 탐지할 수 있는 종점검출장치가 구비된 회전식각장치를 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 두께측정시스템이 구비된 회전식각장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학탐침 부분을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 광학 탐침 부분을 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학탐침을 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 회전식각장치에서 기판 표면의 박막의 두께를 측정하는 방법을 설명하기 위한 개략도이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 두께 측정시스템, 식각액 공급수단 및 회전가능항 서셉트를 포함하는 회전식각장치를 제공한다. 이 장치는 기판이 놓여지는 회전가능한 스핀헤드와, 상기 기판의 상부에 위치하며 상기 웨이퍼 상에 식각액을 분사하는 식각액공급수단과, 상기 식각액공급을 제어하는 식각액공급제어기를 포함한다. 아울러, 이 장치는 박막의 두께를 측정하는 두께측정시스템과 상기 식각액 공급제어기에 식각액 공급정지 신호를 전달하는 주제어기를 포함한다. 상기 두께측정시스템은 상기 기판의 표면에 빛을 입사하고, 상기 기판으로 부터 반사되는 빛의 간섭신호를 분석하여 박막의 두께를 측정한다. 상기 주 제어기는 상기 두께측정시스템에서 측정된 결과를 기준값과 비교하고, 측정값이 기준값에 도달하기 전 상기 식각액공급제어기에 식각액 공급정지 신호를 전달한다. 이 때, 식각액공급이 정지 후 일정시간동안 상기 기판 상의 잔류 식각액에 의해 박막이 추가식각되어 박막의 두께가 기준값에 도달된다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 두께측정시스템은 상기 기판 상부에 위치하고 상기 기판 표면에 빛을 입사하고, 상기 기판으로부터 반사된 빛을 감지하는 복수개의 광학탐침들(optical probes)와, 특정 파장의 빛을 상기 각 광학탐침에 제공하는 광원과, 상기 각 광학탐침으로 부터 전달받은 반사광의 간섭신호를 검출하는 검출기와, 상기 검출기로 부터 검출된 간섭신호를 평가하여 두께를 측정하여 상기 주제어기에 전송하는 두께측정제어기를 포함한다. 상기 광학탐침들은 탐침 폴더에 장착되어 식각액으로부터 부식이 방지된다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 두께측정시스템이 구비된 회전식각장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 회전식각장치는 기판(4)이 놓여지는 스핀헤드(2), 식각액 공급수단(80) 및 두께측정시스템이 구비되어 있다. 상기 스핀헤드(2)는 회전가능한 샤프트에 고정되어 일정한 속도로 회전한다. 상기 두께측정시스템은 광학 탐침 유닛(optical probe unit;10), 광원부(18), 검출기(20) 및 두께 측정 제어기(22)로 구성된다. 상기 광학 탐침 유닛(10)은 상기 기판(4) 상부에 소정거리 이격되어 설치되고, 빛을 발광하는 발광부와 기판으로 부터 반사된 빛을 수광하는 수광부로 구성된다. 상기 광원부(18)는 자외선 램프 또는 제논(Xenon)램프 등으로 단파장의 빛을 생성하여 상기 광학 탐침 유닛(10)의 발광부에 전달한다. 상기 검출기(20)는 상기 광학 탐침 유닛(10)의 수광부로 부터 전송받은 빛의 노이즈를 제거하고 원하는 간섭신호를 추출하는 기능을 하고, 상기 두께측정 제어기(22)는 상기 검출기(20)에서 추출된 간섭신호를 입력받아, 변환(FFT;Fast Fourier Transformation), 보정(fitting) 및 연산등 일련의 과정을 수행하는 마이크로 프로세서를 사용하여 박막의 두께를 측정한다. 상기 광학 탐침 유닛(10)과 상기 광원부(18) 및 상기 검출기(20) 사이의 광전송은 신호전송라인(26)을 통하여 이루어진다. 상기 신호전송라인(26)은 다수의 광섬유로 이루어진다. 즉, 상기 광학탐침(10)은 상기 광원(18)으로 부터 신호전송라인(26)를 통하여 빛을 전달받아 상기 기판(4)에 입사하고, 상기 기판(4)으로부터 반사된 빛은 상기 신호전송라인(26)를 통하여 상기 검출기(20)로 전송된다. 박막의 두께를 정확하게 측정하기 위하여 상기 두께 측정시스템은 복수개의 광학탐침들(10)을 구비한다. 이 경우, 상기 두께측정장치는 각각의 광학 탐침 유닛들(10)의 광신호를 입력받기 위한 복수의 채널들을 가지고, 상기 각각의 광학탐침(10)으로 부터 전송된 광신호는 분기되어 각 채널에 입력된다.
상기 식각액 공급 수단(80)은 상기 기판(4)의 상부에 식각액을 분사하는 분사노즐(8)을 갖추고 있다. 상기 분사노즐(8)은 이송 아암(6)에 설치되어 상기 웨이퍼 상부에 소정 거리 이격되어 위치한다. 아울러, 상기 식각액 공급 수단(80)은 식각액 공급제어기(12)를 더 포함한다. 상기 식각액 공급제어기(12)는 특정 식각액을 공급하거나 차단하고, 식각액의 공급 및 차단을 위하여 식각액 공급라인에 설치된 밸브(14)를 제어하는 기능을 한다. 본 발명에 따른 회전식각장비는 장비의 전체 시스템을 감시하고, 제어하기 위한 주 제어기(16)를 갖추고 있다. 상기 두께측정제어기(22)에서 실시간으로 측정된 기판상의 박막의 두께는 상기 주 제어기(16)에 전송되고, 상기 주제어기(16)는 박막의 두께가 적정수준에 이르렀을 때, 상기 식각액 공급제어기(12)에 식각액 공급중단 명령을 전송한다. 이 때, 기판 상에 분사되는식각액이 중단되더라도, 잔류 식각액에 의해 박막의 식각이 일어난다. 따라서, 본 발명에 따른 회전식각 장치는 잔류 식각액에 의한 박막의 두께를 고려하여 박막의 두께가 기준값에 도달하기 전에 식각액의 공급을 중단하고, 잔류 식각액에 의해 2차 식각이 진행시켜 박막의 두께가 기준값을 갖도록 한다. 상기 2차 식각은 10μ초 내지 2초 동안 실시하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 광학 탐침 유닛(10)은 식각액에 의해 광학 탐침이 손상받는 것을 방지하기 위하여 기판의 표면으로 부터 30cm 내지 1m 정도 이격시켜 설치하는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학탐침 유닛을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따르면, 광학 탐침 유닛(10)은 탐침 설치대에 설치된 광학 탐침(50)을 포함한다. 상기 탐침 설치대는 상부 마운팅 블록(40), 하부 마운팅 블록(42) 및 마운팅 블록 지지부(60)로 구성된다. 상기 상부 마운팅 블록(40) 및 상기 하부 마운팅 블록(42)은 제1 결합수단(54)으로 체결된다. 상기 상부 마운팅 블록(40)은 그 하부면에 슬라이드 홈(44)이 형성되어 있다. 상기 슬라이드 홈(44)은 약 1도 내지 5도의 경사각을 갖도록 형성된다. 상기 상부 마운팅 블록(40) 하부에 상기 하부 마운팅 블록(42)이 체결된다. 결과적으로 상기 하부 마운팅 블록(42) 및 상기 상부 마운팅 블록(40) 사이에 슬라이드 홈(44)이 존재한다. 상기 슬라이드 홈(44)은 상기 상부 마운팅 블록(40) 및 상기 하부 마운팅 블록(42) 사이에서 일 방향으로 개구되어 있고, 상기 슬라이드 홈(44)에 투명창(52)이 삽입된다. 이 때, 상기 투명창(52)은 상기 마운팅 블록 외부로 소정부분의 돌출부를 갖도록 상기 슬라이드 홈(44)의 깊이보다 길게 제작되는 것이 바람직하다. 상기 투명창(52)은 그 표면이 손상될 경우 교체할 수 있다. 상기 상부 마운팅 블록(40) 및 상기 하부 마운팅 블록(42)의 중심축에는 각각 상부 홀(62t) 및 하부홀(62b)이 형성되어 있다. 상기 투명창(52)을 제거하였을 경우, 상기 상부 홀(62t) 및 상기 하부홀(62b)은 서로 연통된다. 상기 상부홀(62t)에 상기 광학 탐침(50)이 삽입된다. 따라서, 상기 상, 하부홀(62t,62b)은 상기 광학 탐침(50)에서 발광 또는 수광되는 빛의 경로로 제공된다. 상술한 것과 같이, 상기 슬라이드 홈(44)은 약 1도 내지 5도의 경사각을 가진다. 따라서, 상기 슬라이드 홈(44)에 삽입되는 투명 창(52) 또한 1 내지 5도의 경사각을 갖는다. 상기 투명창(52)을 투과하는 빛의 입사각과 상기 투명창의 법선방향이 평행할 경우, 상기 투명창(52)에서 반사되는 빛과 기판으로 부터 반사된 빛의 간섭으로 인하여 노이즈가 발생할 수 있다. 따라서, 상기 투명창(52)을 소정각도의 경사각을 갖도록 설치함으로써, 상기 투명창(52)에서 반사되는 빛에 의한 노이즈를 발생을 방지할 수 있다.
상기 하부 마운팅 블록(42)의 하부는 마운팅 블록 지지부(60)에 제2 결합수단(58)으로 체결된다. 상기 마운팅 블록 지지부(60)는 광출입구(62h)가 형성되어 있다. 상기 광출입구(62h)는 상기 하부 마운팅 블록(42)이 상기 마운팅 블록 지지부(60)에 체결되었을 때, 상기 하부홀(62b)과 연통된다. 도시되지는 않았지만, 상기 마운팅 블록 지지부(60)에는 상기 광출입구(62h) 내부에 기체를 분사하여 기체 커튼(air curtain)을 형성하기 위한 기체공급수단이 존재한다.
도 3은 도 2에 도시된 광학 탐침 유닛을 나타낸 단면도이다.
도 3을 참조하면, 상부 마운팅 블록(40)과 하부 마운팅 블록(42) 사이의 슬라이드 홈(44)에 투명창(52)이 1도 내지 5도의 경사각으로 삽입된다. 또한, 광섬유(26)에 연결된 광학탐침(10)이 상기 상부 마운팅 블록(40)의 상부에 삽입된다. 상기 하부 마운팅 블록(42)은 마운팅 블록 지지부(60)에 체결된다. 상기 마운팅 블록 지지부(60)에 형성된 광출입구(62h)의 측벽에는 상기 광출입구(62h) 내부로 기체(68)를 분사하는 기체 분사수단(70)이 형성되어 있다. 상기 기체 분사수단(70)은 상기 광출입구(62h)의 내부에 질소 또는 공기를 분사하여 기체 커튼을 형성한다. 식각공정이 진행되는 동안 기화된 식각액이 상기 광출입구(62h)를 통하여 상기 투명창(52)에 부착될 경우, 투과율이 낮아지거나 상기 투명창(52)의 표면이 식각액에 의해 부식될 수 있다. 따라서, 상기 투명창(52)의 전방에 기체 커튼을 형성하여 식각액의 층기가 상기 투명창(52)에 부착되는 것을 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학탐침을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 광학탐침(10)은 복수개의 수광부(64) 및 복수개의 발광부(66)로 구성된다. 각각의 수광부(64) 및 발광부(66)에는 광섬유(56s)가 접속되어 있다. 상기 광섬유(56s)는 광섬유의 다발인 광신호 전송라인(26)에 연결된다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 회전식각장치에서 기판 표면의 박막의 두께를 측정하는 방법을 설명하기 위한 개략도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 반도체 기판(100) 상에 형성된 박막(102)이 형성되어 있고, 상기 반도체 기판(100)으로 부터 소정거리 이격되어 노즐(8)이 배치되어 식각용액을 분사한다. 상기 반도체 기판(100)은 회전하는 스핀헤드(도시안함)에 놓여져 일정한 속도로 회전한다. 상기 반도체 기판(100)의 상부에 일정거리 이격되어 광학 탐침 유닛(10)이 위치한다. 박막(102)을 식각하는 동안 상기 기판(100) 상부에 위치하는 광학 탐침(50)으로 부터 상기 기판(100)의 표면에 빛이 입사된다. 도 6은 빛이 입사되는 영역(A)을 확대한 도면이다. 도 6에 도시된 것과 같이, 상기 박막(102)의 표면에서 반사되는 제1 반사광(I1)과 상기 박막(102)을 투과하여 상기 기판(100)의 표면에서 반사되는 제2 반사광(I2)이 존재한다. 상기 제1 반사광(I1) 및 상기 제2 반사광(I2)은 상호간섭을 일으켜 상기 박막(102)이 식각되는 동안 상쇄 및 소멸간섭 신호를 가진 반사광을 발생시킨다. 이 때의 간섭신호는 상기 광학 탐침(50)으로 입사되어 광전송라인을 통하여 두께 측정제어기로 전송된다. 두께 측정제어기는 입력된 간섭신호를 평가하여 박막의 두께를 실시간으로 측정한다.
상술한 것과 같이 본 발명에 따르면, 기판이 설치된 스핀헤드가 일정속도로 회전하는 동안 상기 기판 상에 식각용액을 분사시켜 기판 상에 형성된 박막을 식각하는 동안 실시간으로 정확한 박막의 두께를 측정할 수 있다. 또한, 광학 탐침이 식각액의 증기에 의해 손상받는 것을 방지할 수 있다.

Claims (7)

  1. 기판이 놓여지는 회전가능한 스핀헤드;
    상기 기판의 상부에 위치하며 상기 웨이퍼 상에 식각액을 분사하는 식각액공급수단;
    상기 식각액공급을 제어하는 식각액공급제어기;
    상기 기판의 표면에 빛을 입사하고, 상기 기판으로 부터 반사되는 빛의 간섭신호를 분석하여 기판 상의 박막의 두께를 측정하는 두께 측정시스템;및
    상기 두께측정시스템에서 측정된 결과를 기준값과 비교하고, 측정값이 기준값에 도달하기 전 상기 식각액공급 제어기에 식각액 공급정지 신호를 전달하는 주 제어기를 포함하되, 식각액공급 정지 후 상기 기판 상의 잔류 식각액에 의해 박막의 두께가 기준값에 도달하는 것을 특징으로 하는 회전식각장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 두께 측정시스템은,
    상기 기판 상부에 위치하고 상기 기판 표면에 빛을 입사하고, 반사된 빛을 감지하는 복수개의 광학탐침들(optical probes);
    특정 파장의 빛을 상기 각 광학탐침에 제공하는 광원부;
    상기 각 광학탐침으로 부터 전달받은 반사광의 간섭신호를 검출하는 검출기;및
    상기 검출기로 부터 검출된 간섭신호를 평가하여 두께를 측정하여 주 제어기에 전송하는 두께측정제어기를 포함하는 회전식각장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 광원은 자외선 램프 또는 제논(Xe;Xenon)램프인 것을 특징으로 하는 회전식각장치.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 광학탐침은,
    상기 광원으로부터 제공받은 빛을 기판 표면에 입사하는 복수개의 발광센서;및
    상기 기판으로 부터 반사된 반사광을 감지하는 복수개의 수광센서들을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전식각장치.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 광학 탐침이 설치되는 탐침 설치대를 더 포함하되,
    상기 탐침 설치대는,
    중심축에 상기 광학탐침이 삽입되는 상부 홀이 존재하고, 하부면에 슬라이드 홈이 형성된 상부 마운팅 블록;
    상기 상부 마운팅 블록의 하부에 체결되고, 상기 삽입구와 동축의 하부 홀을갖는 하부 마운팅 블록;
    상기 슬라이드 홈에 삽입되는 탈착가능한 투명창;및
    상기 하부 마운팅 블록이 체결되고, 상기 하부 홀과 연통된 광 출입구가 형성되고, 상기 광 출입구 내벽에 형성되어 상기 광출입구 내에 기체를 분사하는 분사수단이 구비된 마운팅 블록 지지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전식각장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 슬라이드 홈은 1도 내지 5도의 경사각을 갖도록 형성되어 상기 투명창은 상기 탐침 폴더에 경사지게 장착되는 것을 특징으로 하는 회전식각장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 식각액 공급중단 후 10㎲ 내지 2s의 시간 동안 상기 기판 표면의 박막을 2차 식각하는 것을 특징으로 하는 회전식각장치.
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