KR20040034762A

KR20040034762A - 광학 측정 장치에 사용되는 램프 교환 장치

Info

Publication number: KR20040034762A
Application number: KR1020020062807A
Authority: KR
Inventors: 백운직
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2002-10-15
Filing date: 2002-10-15
Publication date: 2004-04-29

Abstract

개시된 장치는 반도체 기판과 같은 측정 대상물을 검사하는 공정에 사용되는 광학 측정 장치에서 광원으로 사용되는 램프를 자동으로 교환하기 위한 장치이다. 상기 장치는 다수의 램프를 수납하기 위한 하우징을 구비하며, 구동부는 하우징을 회전시켜 다수의 램프 중에서 하나를 선택한다. 선택된 램프로부터 제공되는 광의 세기는 광 센서에 의해 측정되며, 광 센서의 광 신호는 제어부로 전송된다. 제어부는 광 신호와 기준 신호를 비교하여 램프의 교환 시점을 판단하고, 구동부의 동작을 위한 제어 신호를 발생시킨다. 따라서, 램프의 수명 초과 및 램프의 파손 등에 의해 발생하는 광의 특성 변화에 따른 측정 불량을 미연에 방지할 수 있고, 램프 교체에 소요되는 시간을 절감할 수 있다.

Description

광학 측정 장치에 사용되는 램프 교환 장치{Apparatus for exchanging a lamp used in a optical measuring apparatus}

본 발명은 광학 측정 장치에서 사용되는 조명 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 반도체 장치의 제조 공정에서 반도체 기판의 표면 두께를 측정하기 위한 광학 측정 장치에서 광원으로 사용되는 램프의 자동 교환 장치에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 장치는 반도체 기판으로 사용되는 실리콘웨이퍼 상에 트랜지스터 및 커패시터와 같은 전기 소자들과 이들을 연결하는 금속 배선들을 형성하는 팹(Fab) 공정과, 상기 팹 공정에서 형성된 각각의 반도체 장치들의 전기적인 특성을 검사하는 공정과, 상기 반도체 장치들을 각종 정보 통신 장치에 장착할 수 있도록 하는 패키징 공정을 통해 제조된다.

상기 팹 공정은 막 형성을 위한 증착 공정, 패턴 형성을 위한 식각 공정, 상기 막에 전기적 특성을 부여하기 위한 이온 주입 공정, 상기 막의 평탄화를 위한 연마 공정, 불순물 제거를 위한 세정 공정 등과 같은 단위 공정으로 이루어지며, 각각의 단위 공정을 수행한 후에는 상기 막의 특성을 검사하기 위한 검사 공정이 수행된다.

상기 검사 공정에는 다양한 광학 측정 장치들이 사용된다. 상기 광학 측정 장치들에는 다양한 종류의 조명 장치들이 구비되며, 광원으로는 할로겐 램프(halogen lamp), 크세논(xenon) 램프, 듀테륨(deuterium) 램프 등이 사용된다.

상기 조명 장치는 광학 측정 장치를 사용하는 측정의 정밀도 및 정확도를 위하여 광의 휘도(brightness), 휘도의 변동, 강도(intensity), 스펙트럼(spectrum) 특성과 같은 방사 조명의 특성값을 정밀하게 유지해야 한다. 예를 들어, 반도체 장치의 제조 공정에서 반도체 기판 상에 형성된 막의 두께 측정에 사용되는 광학 측정 장치의 경우 측정의 높은 신뢰도가 요구되는데, 이는 측정 결과가 제품의 품질 및 제조 공정의 불량 여부를 측정하는 기초가 되기 때문이다.

상기 광학 측정 장치는 광학적 원리에 의해 작동되는데, 측정의 정확도는 조명 장치에서 제공되는 광의 특성값들에 상당히 의존한다. 그러나, 이를 위해 사용되는 램프의 경우, 작업 시간 및 환경에 따라 조명 특성이 변화된다. 따라서, 상기 램프의 조명 특성을 장시간 동안 안정적으로 유지하고, 적절한 시간에서 상기 램프를 교환하기 위한 다양한 연구가 진행되어 왔다.

일 예로서, 미합중국 특허 제4,831,564호(issued to Suga)는 실제 방전 전류에 기초하여 크세논 램프의 잔류 수명을 계산한다. 방전 전류와 수명간의 주어진 관계를 이용하여 알고 있는 방전 전류값을 대입하면, 이론 잔류 수명을 알 수 있게 된다. 이러한 방법은 램프에 의하여 발생되는 측정 조명의 품질을 직접적으로 감시할 수 없기 때문에 반도체 장치의 제조 공정에 사용되는 광학 측정 장치에서 사용되는 조명 장치에 적용할 수 없다.

다른 일 예로서, 미합중국 특허 제5,495,329호(issued to Anderson, Ⅱ et al.)는 스캐너용 조명 장치에 관한 것이며, 작동 중 스캐너는 램프 조명을 가능한 여러 특성으로 구분하여, 스캔 영역에 거쳐 조명 폭에 대한 높은 균일성을 갖도록 한다. 또한 램프의 필요 예열 시간에 의하여 램프의 열화 상태에 대한 정보를 획득하게 되며 이 정보에 의하여 잔존 사용 가능 수명을 예측할 수 있게 된다. 그러나, 이러한 경우 측정 조명의 품질이나 적정 램프 교환 시점에 대하여 확고하게 신뢰할 수 있는 근거를 제공하는 것은 아니다.

반도체 기판 상에 형성된 막의 두께를 측정하는 광학 측정 장치에서 사용되는 조명 장치는 자외선 영역의 듀테륨 램프(190 내지 360nm)와 가시광선 영역의 할로겐 램프(360 내지 3200nm)를 사용하여 안정적이고, 에너지의 세기를 향상시킨 광을 제공한다. 그러나, 상기 램프들은 단독으로 사용될 수도 있으며, 두 램프의 조합으로 사용될 수도 있는데, 램프 불량이 발생하는 경우 이를 감지하지 못해 측정 불량이 야기되는 문제점이 있다.

특히, 할로겐 램프를 사용하는 경우, 램프의 교환 주기는 약 3개월 정도이며, 주기적으로 램프를 교환하고 있다. 그러나, 24시간 연속 사용에 따른 램프의 수명 초과 및 램프의 필라멘트 파손이 발생하는 경우, 측정 장치는 이상 데이터를 발생시켜 측정 공정의 신뢰도를 저하시킨다. 또한, 이로 인한 측정 장치의 가동률 저하는 반도체 장치의 전체적인 생산성을 저하시키며, 공정 모니터링에 치명적인 영향을 준다. 상기와 같은 불량 데이터는 후속 공정에서 불량 요인을 양산하며, 이는 반도체 장치의 수율에도 전반적인 영향을 주는 문제점이 된다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 광학 측정 장치에서 사용되는 램프의 작동 상태를 측정하여 자동으로 램프를 교환할 수 있는 장치를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 광학 측정 장치에 사용되는 램프 교환 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.

도 2는 도 1에 도시된 하우징을 나타내는 사시도이다.

도 3은 광 센서에서 측정된 광 신호를 나타내는 그래프이다.

도 4는 도 1에 도시된 램프 교환 장치를 갖는 광학 측정 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

20 : 측정 대상물100 : 램프 교환 장치

110 : 하우징102 : 램프

120 : 구동부122 : 회전각 측정 센서

130 : 광 센서140 : 제어부

142 : 전원 공급기200 : 광학 측정 장치

202 : 렌즈210 : 제1광 분배기

220 : 제2광 분배기230 : 측정 테이블

240 : 스펙트로미터250 : 비디오 모니터

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 드럼(drum) 형상을 갖고, 광학 측정 장치에서 광원으로 사용되는 다수개의 램프가 방사상으로 수납된 하우징과, 상기 하우징과 연결되며, 상기 하우징을 회전시켜 상기 다수개의 램프 중 하나를 선택하기 위한 구동부와, 상기 선택된 램프로부터 제공되는 광의 세기를 측정하기 위한 광 센서와, 상기 광 센서로부터 감지된 광 신호의 크기에 따라 상기 램프의 교환 시기를 결정하며, 상기 구동부를 작동시키기 위한 제어 신호를 발생시키는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 측정 장치에 사용되는 램프 교환 장치를 제공한다.

상기 제어부는 광학 측정 장치가 요구하는 측정 조명의 품질을 기준으로 하는 램프의 최적 교환 시점을 결정한다. 즉, 광 센서로부터 제공되는 광 신호와 기준 신호를 비교하여 램프의 최적 교환 시점을 결정하며, 구동부를 구동시켜 자동으로 램프를 교활할 수 있도록 한다. 특히, 연속적인 측정 공정의 수행 동안에 광의 세기를 지속적으로 검출하고, 검출된 광 신호를 기준 신호와 비교함으로서 램프로부터 제공되는 광의 품질을 항상 적정 수준으로 유지할 수 있다. 이에 따라, 램프의 최대 수명을 알 수 있게 되며, 부품의 수급을 원활하게 할 수 있으며, 램프의 수명 초과 및 램프의 파손에 따른 광학 측정 결과의 이상을 미연에 방지할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 광학 측정 장치에 사용되는 램프 교환 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다. 도 2는 도 1에 도시된 하우징을 나타내는 사시도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바에 의하면, 램프 교환 장치(100)는 다수개의 램프(102)를 수납하기 위한 하우징(110)과, 하우징(110)을 회전시켜 다수개의 램프(102) 중에서 하나를 선택하기 위한 구동부(120)와, 선택된 램프(102a)로부터 제공되는 광의 세기를 측정하기 위한 광 센서(130)와, 광 센서(130)로부터 전송되는 광 신호에 따라 램프(102)의 교환 시기를 판단하고 구동부(120)를 구동시키기 위한 제어부(140)를 포함한다.

하우징(110)은 드럼 형상을 갖고, 전면에 다수개의 램프(102)가 방사상으로 수납되어 있다. 하우징(110)의 후면에는 하우징(110)을 회전시켜 다수개의 램프(102) 중에서 하나를 선택하기 위한 구동부(120)가 연결되어 있다. 구동부(120)로는 회전각의 미세 조정이 가능한 스텝 모터를 사용하는 것이 바람직하며, 구동부(120)의 후단 부위에는 회전각을 측정할 수 있는 회전각 측정 센서(122)가 부착되어 있다. 회전각 측정 센서(122)로는 일반적으로 사용되는 엔코더를 사용할 수 있다. 하우징(110) 및 구동부(120)의 기계적인 구조는 매우 개략적으로 도시되어 있으나, 회전식 램프 교환 장치(100)의 개념을 적용할 경우 다양한 구조로 변경하는 것이 가능하다. 또한, 도시된 바에 의하면, 하우징(110)에는 6개의 램프(102)가 수납되어 있으나 램프(102)의 수량은 다양하게 변경될 수 있다. 즉, 램프(102)가 할로겐 램프인 경우 할로겐 램프의 평균적인 수명을 고려하면 매년 약 6개의 램프(102)가 소요되므로, 이에 따라 램프(102)의 수량이 결정된 것이다.

하우징(110)에 수납되는 다수개의 램프(102) 중에서 선택된 램프(102a)는 구동부(120)의 동작에 의해 광학 측정 장치(미도시)의 조명 위치에 위치되며, 조명 위치에서 선택된 램프(102a)를 동작시키기 위한 전원(미도시)과 연결된다. 이때, 전원 공급 라인(104)에는 램프(102)의 교환을 위해 하우징(110)이 회전하는 동안 전원을 차단하기 위한 스위치(106)가 설치되어 있다.

광 센서(130)는 선택된 램프(102a)로부터 제공되는 광의 일부를 감지한다. 도시된 바에 의하면, 선택된 램프(102a)로부터 제공된 광은 제1광 분배기(210)를 통해 일부는 광 센서(130)로 제공되고, 나머지는 광학 측정 장치로 제공된다. 광 센서(130)로는 포토다이오드가 사용될 수 있다. 여기서, 광 센서(130)의 설치 구조는 광학 측정 장치의 구조에 따라 다양하게 변경될 수 있으므로 상세한 설명을 생략하기로 한다. 도 3을 참조하면, 측정된 광의 세기는 광의 중앙 부위에서 가장 높은 값을 나타내며, 상기와 같이 측정된 광 신호는 제어부(140)로 전송된다. 도시된 이점 쇄선(10)은 기준 신호의 크기를 나타내며, 광 신호 및 기준 신호의 크기는 전압 신호로 제공된다. 여기서, 기준 신호의 크기는 측정하고자 하는 대상물 또는 측정 공정의 목적에 따라 다양하게 변경될 수 있다.

제어부(140)에는 기준 신호가 기 설정되어 있으며, 광 센서(130)로부터 전송된 광 신호와 기준 신호를 비교하여 램프(102)의 교환 시기를 판단한다. 램프(102)의 수명이 초과되거나, 램프(102)의 필라멘트가 끊어지는 경우 광 신호는 기준 신호보다 낮은 값을 나타내게 되며, 광 신호가 기준 신호보다 낮게 되는 시점이 램프(102)의 교환 시점이 된다. 제어부(140)는 램프(102)의 교환 시점에서 구동부(120)를 동작시키기 위한 제어 신호를 발생시키고, 전원 공급기(142)는 제어 신호에 따라 구동부(120)에 전원을 인가한다. 구동부(120)는 전원 공급기(142)로부터 인가된 전원에 의해 기 입력된 회전각만큼 회전하게 된다. 여기서, 기 입력된 회전각은 하우징(110)에 수납된 램프(102)의 수량에 따라 결정된다.

광 센서(130)는 램프(102a)로부터 제공되는 광의 세기를 실시간으로 검출하며, 제어부(140)는 광 센서(130)로부터 측정된 광 신호와 기준 신호를 실시간으로 비교 분석함으로서, 광학 측정 장치에 제공되는 광의 특성을 실시간으로 감시한다. 따라서, 램프(102)는 구동부(120)의 동작에 의해 순차적으로 교환되며, 램프(102)의 수명 초과 및 램프(102)의 파손 등에 따른 광학 측정 불량을 미연에 방지할 수 있다.

하우징(110)의 회전각은 회전각 측정 센서(122)에 의해 측정되어 제어부(140)로 전송되며, 제어부(140)는 회전각 신호에 따라 구동부(120)의 동작을 피드백 제어하게 된다. 또한, 전원 공급 라인(104)의 스위치(106)는 제어부(140)의 제어 신호에 의해 하우징(110)이 회전하는 동안 전원을 차단한다.

상기 램프(102)로는 할로겐 램프가 사용될 수 있으며, 듀테륨 램프가 사용될 수도 있다. 또한, 할로겐 램프 및 듀테륨 램프를 조합하여 사용할 수도 있다. 여기서, 사용 가능한 램프의 종류는 본 발명의 범위를 한정하지 않으며, 다양한 램프의 사용이 가능하다.

한편, 광 센서(130)는 광의 세기 이외에 광의 휘도, 휘도의 변화, 세기의 변화 및 광의 스펙트럼의 분포 특성 등을 감지할 수도 있으며, 이를 램프(102) 교환 시점을 판단하는 근거로 사용할 수도 있다. 따라서, 램프(102)의 교환 시점을 적절하게 판단하여 최적의 조명 품질을 항상 일정하게 유지할 수 있으며, 램프(102)의 수명 초과 및 램프(102)의 파손에 따른 측정 불량을 미연에 예방할 수 있고, 램프(102) 교환에 따른 시간적인 손실을 절감시킬 수 있다.

도 4에 도시된 광학 측정 장치(200)는 반도체 장치의 제조 공정에서 반도체 기판 상에 형성된 막의 두께를 측정하기 위한 장치의 일 예로서, 다양한 변형이 가능하다. 사용되는 조명은 할로겐 램프이며, 하우징(110)에는 6개의 할로겐 램프가 수납되어 있다.

제어부(140, 도 1 참조)에 의해 작동되는 구동부(120)에 의해 선택된 할로겐 램프(102a, 도 2 참조)로부터 제공되는 광은 렌즈(202)를 통과하여 평행광(204)을 형성한다.

상기와 같이 형성된 평행광(204)의 일부는 제1광 분배기(210)로부터 반사되어 광 센서(130)로 제공되고, 나머지는 제1광 분배기(210)를 투과하여 제2광 분배기(220)로 제공된다. 제2광 분배기(220)로 제공된 광은 다시 제2광 분배기(220)를 통해 측정광(206)과 참조광(208)으로 분배된다.

측정광(206)은 측정 테이블(230) 상에 놓여진 측정 대상물(20)의 측정 영역을 비추게 되며, 측정 영역으로부터 반사된 측정광(206a)의 일부는 스펙트로미터(240, spectrometer)로 제공되고, 나머지 측정광(206b)은 비디오 모니터(250)로 제공되어 상을 형성한다. 여기서, 측정 대상물(20)로는 반도체 기판이 사용될 수 있으며, 반도체 기판으로부터 형성한 샘플을 사용할 수도 있다.

한편, 참조광(208)은 스펙트로미터(240)로 제공되며, 스펙트로미터(240)는 참조광(208)으로부터 검출된 참조 신호와, 측정 대상물(20)로부터 제공된 측정광(206a)으로부터 검출된 측정 신호를 비교 표준화하여 램프 노이즈를 축소하고, 스펙트럼 상의 램프(102a)의 영향을 보상하며, 이에 따라 측정 대상물(20)의 특성값들을 측정한다.

상기와 같은 광학 측정 장치(200)에서 광원으로 사용되는 램프(102a)는 광의 세기를 실시간으로 검출하여 판단되는 램프(102) 교환 시점에서 자동적으로 교환된다. 즉, 측정광(204)의 일부를 샘플링하여 광의 세기를 측정하고, 측정된 광 신호를 기준 신호와 비교함으로서 램프(102) 교환 시점을 판단할 수 있다. 그리고, 판단된 램프(102) 교환 시점에 따라 적절하게 램프(102)를 교환함으로서, 측정 공정에 제공되는 광의 특성을 항상 일정한 수준으로 유지할 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 광학 측정 장치에 적용되는 조명 장치에 있어서, 램프 교환 장치는 램프의 조명 특성이 기준값보다 낮아지는 경우 자동으로 램프를 교환한다. 따라서, 항상 일정한 조명 특성을 갖는 측정광을 광학 측정 장치에 제공할 수 있으며, 이에 따라 측정 공정의 신뢰도를 상승시킬 수 있다.

또한, 램프의 수명 초과 및 램프의 파손에 따른 측정 공정의 불량 및 후속 공정에서의 공정 불량을 미연에 방지할 수 있으며, 램프의 수동 교체에 따른 시간적인 손실을 절감할 수 있고, 광학 측정 장치의 가동률을 증가시킬 수 있다. 더 나아가서, 상기 광학 측정 장치를 사용하는 반도체 장치의 제조 공정에서 반도체 장치의 신뢰도 및 생산성을 향상시킬 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

드럼(drum) 형상을 갖고, 광학 측정 장치에서 광원으로 사용되는 다수개의 램프가 방사상으로 수납된 하우징;

상기 하우징과 연결되며, 상기 하우징을 회전시켜 상기 다수개의 램프 중 하나를 선택하기 위한 구동부;

상기 선택된 램프로부터 제공되는 광의 세기를 측정하기 위한 광 센서; 및

상기 광 센서로부터 감지된 광 신호의 크기에 따라 상기 램프의 교환 시기를 결정하며, 상기 구동부를 작동시키기 위한 제어 신호를 발생시키는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 측정 장치에 사용되는 램프 교환 장치.
제1항에 있어서, 상기 광학 측정 장치는 반도체 기판의 표면 두께를 측정하기 위한 스펙트로미터(spectrometer)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 측정 장치에 사용되는 램프 교환 장치.
제1항에 있어서, 상기 램프는 할로겐(halogen) 램프 또는 듀테륨(deuterium) 램프인 것을 특징으로 하는 광학 측정 장치에 사용되는 램프 교환 장치.