KR20070076276A

KR20070076276A - 막의 두께 측정 장치

Info

Publication number: KR20070076276A
Application number: KR1020060005447A
Authority: KR
Inventors: 김영순
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2006-01-18
Filing date: 2006-01-18
Publication date: 2007-07-24

Abstract

반도체 기판 상에 형성된 막의 두께 측정 장치는 발광 다이오드를 포함하는 광원부에서 반도체 기판을 향해 일정한 각도로 광을 조사한다. 조사된 광은 편광부에서 편광된다. 검출부는 반도체 기판으로부터 반사되는 반사광을 검출하고, 반사광의 편광 상태를 확인한다. 연산부에서 편광 상태를 이용하여 반도체 기판 상에 형성된 막의 두께를 연산한다.

Description

막의 두께 측정 장치{Apparatus for measuring thickness of a layer}

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 막의 두께 측정 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.

도 2는 도 1에 도시된 광원부를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.

도 3은 도 1에 도시된 광원부의 파장 대역을 나타내는 그래프이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 막 두께 측정 장치 110 : 스테이지

120 : 광원부 130 : 편광부

140 : 검출 렌즈 150 : 성분 분해부

160 : 검출부 170 : 연산부

W : 웨이퍼

본 발명은 막 두께 측정 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 편광된 광을 기판 상으로 조사하여 반사되는 광의 편광 상태의 변화를 통해 상기 기판 상의 막 두께를 측정하는 막 두께 측정 장치에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 제조 방법은 기판 상에 막을 형성하기 위한 증착 공정과, 상기 막을 평탄화하기 위한 화학적 기계적 연마 공정과, 상기 막 상에 포토레지스트 패턴을 형성하기 위한 포토리소그래피 공정과, 상기 포토레지스트 패턴을 이용하여 상기 막을 전기적인 특성을 갖는 패턴으로 형성하기 위한 식각 공정과, 기판의 소정 영역에 특정 이온을 주입하기 위한 이온 주입 공정과, 기판 상의 불순물을 제거하기 위한 세정 공정과, 상기 막 또는 패턴이 형성된 기판의 표면을 검사하기 위한 검사 공정 등을 포함한다.

상기 검사 공정은 상기 증착 공정이나 식각 공정 후 수행된다. 상기 검사 공정에는 상기 막이 정상적으로 형성되었는지 확인하기 위해 상기 막의 두께도 측정한다. 상기 막의 두께 측정은 편광 상태의 광을 일정 각도로 기판 상으로 조사하고, 상기 기판으로부터 반사되는 광의 편광 상태 변화를 이용하여 이루어진다.

상기 광의 광원으로는 레이저 또는 램프가 사용된다. 상기 레이저는 막 두께 측정시 재현성이 뛰어나고, 초점의 크기가 작으며 수명이 길다. 또한 상기 레이저 소스는 고유전율을 갖는 막의 두께를 측정할 수 있다. 상기 램프는 다파장을 가지므로 다층막 및 광의 흡수율이 높은 막에 대한 측정이 용이하고, 굴절율 및 흡수율 등의 광학 상수도 용이하게 산출할 수 있다.

그러나, 상기 레이저는 상기 램프가 갖는 장점이 없고, 상기 램프는 상기 레이저가 갖는 장점이 없다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 레이저의 장점과 램 프의 장점을 극대화할 수 있는 광원을 갖는 막 두께 측정 장치를 제공하는데 있다.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의하면, 막 두께 측정 장치는 반도체 기판을 향해 일정한 각도로 광을 조사하기 위한 발광 다이오드를 포함하는 광원부를 갖는다. 편광부는 상기 광을 편광시킨다. 검출부는 상기 반도체 기판으로부터 반사되는 반사광을 검출하고, 상기 반사광의 편광 상태를 확인한다. 연산부는 상기 편광 상태를 이용하여 상기 반도체 기판 상에 형성된 막의 두께를 연산한다.

상기 광원부는 청색, 녹색 및 적색의 발광 다이오드로 이루어지며, 400 내지 600 nm의 파장 대역을 갖는 것이 바람직하다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 막 두께 측정 장치는 상기 발광 다이오드를 광원으로 사용하여 초점 크기가 작고, 재현성이 우수하다. 또한, 상기 막 두게 측정 장치는 다층막 및 흡수율이 높은 막에 대한 두께를 측정할 수 있을 뿐만 아니라 광학 상수의 산출도 가능하다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 막 두께 측정 장치에 대해 상세히 설명한다. 하지만, 본 발명이 하기의 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 본 발명에 있어서, 각 구조물들이 다른 구조물 들의 "상에", "상부"에 또는 "하부"에 위치하는 것으로 언급되는 경우에는 각 구조물들이 직접 다른 구조물들 위에 위치하거나 또는 아래에 위치하는 것을 의미하거나, 또 다른 구조물들이 상기 구조물들 사이에 추가적으로 형성될 수 있다. 또한, 각 구조물들이 "제1" 및/또는 "제2"로 언급되는 경우, 이러한 부재들을 한정하기 위한 것이 아니라 단지 각 구조물들을 구분하기 위한 것이다. 따라서, "제1" 및/또는 "제2"는 각 구조물들에 대하여 각기 선택적으로 또는 교환적으로 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 막 두께 측정 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.

도 1을 참조하면, 막 두께 측정 장치(100)는 스테이지(110), 광원부(120), 편광부(130), 검출렌즈(140), 성분 분해부(150), 검출부(160) 및 연산부(170)를 포함한다.

상기 스테이지(110)는 상부면이 평탄한 평판 형태를 가지며, 막이 형성된 웨이퍼(W)를 고정하고, 지지한다. 일예로, 상기 웨이퍼(W)는 반도체 소자를 제조하기 위한 반도체 웨이퍼이다. 상기 스테이지(110)는 구동부(미도시)와 연결되며, 상기 구동부에 의해 제공되는 구동력에 의해 이동한다. 따라서, 상기 스테이지(110)의 상부면에 지지된 웨이퍼(W)의 위치를 조절한다.

도 2는 도 1에 도시된 광원부를 설명하기 위한 개략적인 구성도이고, 도 3은 도 1에 도시된 광원부의 파장 대역을 나타내는 그래프이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 상기 광원부(120)는 상기 스테이지(110)의 상부 에 구비되며, 상기 스테이지(110)에 지지된 웨이퍼(W)를 향해 일정한 각도를 이루도록 광을 조사한다. 상기 광원부(120)는 발광 다이오드로 구성된다.

상기 발광 다이오드는 기본적으로 p형과 n형 반도체의 접합으로 이루어지며, 전압을 가하면 전자와 정공의 결합으로 반도체의 밴드갭(bandgap)에 해당하는 에너지를 빛의 형태로 방출하는 일종의 광전자 소자(optoelectronic device)이다. 상기 p-n접합에 순방향으로 전압을 인가하면 n형 반도체의 전자 및 p형 반도체의 정공은 각각 p쪽, n쪽에 주입되어 소수 운반자(carrier)로서 확산된다. 이들의 소수 운반자는 확산과정에서 다수 운반자와 재결합하며, 결합하는 전자와 정공의 에너지 차에 해당하는 빛을 방출한다.

상기 광원부(120)는 청색을 내는 제1 발광 다이오드(122), 녹색을 내는 제2 발광 다이오드(124) 및 적색을 내는 제3 발광 다이오드(126)로 이루어진다. 상기 광원부(120)는 제1 발광 다이오드(122)의 청색광, 제2 발광 다이오드(124)의 녹색광 및 제3 발광 다이오드(126)의 적색광이 하나의 백색 광을 형성한다.

상기 청색광은 약 450 내지 500 nm 의 파장 대역을 가지고, 상기 녹색광은 약 500 내지 570 nm의 파장 대역을 가지며, 상기 적색광은 약 610 내지 700 nm의 파장 대역을 갖는다. 상기 청색광, 녹색광 및 적색광이 모여 이루어진 백색광은 약 400 내지 700 nm의 파장 대역을 갖는다. 즉, 상기 광원부(120)는 약 400 내지 700 nm의 광대역의 파장 대역을 갖는 광을 웨이퍼(W) 상으로 조사할 수 있다.

상기에서와 같이 막 두께 측정 장치(100)의 발광 다이오드를 광원으로 사용되는 광원부(120)는 수명이 길며, 초점 크기가 작고, 막 두께 측정시 재현성 및 반 복성이 우수하다. 또한, 상기 광원부(120)는 파장 대역이 넓어 다층막 및 흡수율이 높은 막의 두께도 측정할 수 있으며, 막의 굴절율(Reflective Index, n) 및 흡수율(Extinction Coefficient : k) 등의 광학 상수도 산출이 용이하다.

상기에서 막의 굴절율(Reflective Index, n)은 진공에서의 광의 속도에 대한 특정 물질에서의 광의 속도의 비로 정의되고, 막의 흡수율(Extinction Coefficient : k)은 광이 특정 물질을 통과할 때 얼마나 빨리 인텐시티가 감소하는가에 대한 척도로 정의된다.

상기에서는 파장 대역이 넓은 백색광을 형성하기 위해 각각 청색, 녹색 및 적색을 발하는 세 개의 발광 다이오드를 사용하였지만, 청색을 발하는 발광 다이오드를 광원으로 사용하여 황색 형광체를 여기시킴으로써 광대역의 백색광을 구현할 수 있다. 또한, 자외선을 발하는 발광 다이오드를 광원으로 이용하여 삼원색 형광체를 여기시켜 광대역의 백색광을 구현할 수도 있다.

상기 편광부(130)는 상기 광원부(120)와 상기 스테이지(110) 사이에 배치된다. 상기 편광부(130)는 상기 광원부(120)로부터 조사된 광을 편광으로 변환한다. 구체적으로, 상기 편광부(130)는 상기 광을 P 편광, S 편광, C 편광(circular polarization) 또는 이들이 조합된 편광으로 변환한다. 따라서, 상기 웨이퍼(W) 표면에는 편광이 조사된다.

예를 들면, 상기 편광부(130)는 한 쌍의 투명판의 사이에 고분자 필름을 끼운 형태를 갖는다. 상기 고분자 필름에는 폴리오레핀계 수지시트를 한방향으로 연신한 것을 이용한다. 상기 투명판에는 아크릴 등의 플라스틱판 또는 유리판 등을 이용된다. 또한, 상기 고분자필름은 상기 투명판에 접착제로 접착되는 것이 바람직하다.

상기 검출 렌즈(140)는 상기 스테이지(110)의 상부에 구비되며, 상기 웨이퍼(W)의 표면으로부터 반사되는 반사광을 검출한다.

상기 성분 분해기(150)는 상기 검출 렌즈(140)를 경유한 광을 수평 및 수직 편광성분으로 분해한다. 일실시예로서, 상기 성분 분해기(150)는 프리즘을 이용하며, 상기 프리즘을 통과한 반사광은 수직 편광성분과 수평 편광성분으로 분해된다.

상기 검출부(160)는 수직 편광성분과 수평 편광성분으로 분해된 광에서 상기 수평 및 수직 편광 성분의 세기비율(intensity ratio, Ψ) 또는 위상차(phase difference, Δ)를 계산한다. 상기 검출부(160)에서는 스펙트로스코픽 엘립소메트리(Spectroscopic Ellipsometry) 이론에 의해 상기 수직 및 수평 편광성분의 세기 비율 및 위상차를 계산한다.

상기 연산부(170)는 검출부(160)에서 계산된 수평 및 수직 편광 성분의 세기 비율 또는 위상차를 변수로 이용하여 상기 웨이퍼(W) 상에 형성된 막의 두께를 연산한다.

상기와 같은 막 두께 측정 장치(100)는 발광 다이오드를 포함하는 광대역의 광원부(120)를 광원으로 사용함으로써 레이저를 광원으로 사용할 때의 장점과 램프를 광원으로 사용할 때의 장점을 모두 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 막 두께 측정 장치(100)는 광의 초점 크기가 작아 막의 두께를 측정하는 영역이 좁더라도 상기 막의 두께를 용이하게 측정할 수 있다. 상기 막 두께 측정 장치(100)는 동일한 막에 대한 두께를 반복하여 측정하더라도 동일한 결과를 얻을 수 있고, 상기 광원부(120)의 수명이 길어 교체에 따른 비용을 줄일 수 있다. 상기 막 두께 측정 장치(100)는 광대역의 파장을 갖는 광을 조사하므로 다층막의 두께뿐만 아니라 흡수율이 높은 막의 두께도 측정이 가능하다. 또한, 상기 막 두께 측정 장치(100)는 막에 흡수율과 굴절율을 포함하는 광학 상수를 산출할 수 있으므로 상기 막의 특성을 확인할 수 있다.

이하에서는 상기 막 두께 측정 장치(100)의 동작에 대해 설명한다.

우선, 막이 형성된 웨이퍼(W)를 스테이지(110)로 로딩한다. 상기 스테이지(110)를 이동시켜 측정할 부위가 측정 위치에 오도록 상기 웨이퍼(W)의 위치를 조절한다.

다음으로, 광원부(120)에서 상기 측정 부위로 일정한 입사각을 갖도록 광을 조사한다. 상기 광은 400 내지 700 nm의 광대역의 파장을 갖는다. 편광부(130)는 상기 조사된 광 중에서 어느 한 방향으로만 진동하는 편광만을 통과시키고 나머지는 차단한다.

상기 편광은 상기 웨이퍼(W)의 표면으로부터 반사되고, 검출 렌즈(140)는 상기 반사광을 검출한다. 상기 반사광은 성분 분해기(150)에서 수평 편광성분과 수직 편광성분으로 분해된다. 상기 검출부(160)는 상기 수평 편광성분 및 수직 편광성분의 세기 비율 또는 위상차를 계산한다.

이후, 연산부(170)에서 수평 및 수직 편광 성분의 세기 비율 또는 위상차를 변수로 이용하여 상기 측정 위치에서의 형성된 막의 두께를 연산한다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 막 두께 측정 장치는 레이저 또는 램프 대신 광대역의 파장을 갖는 발광 다이오드를 광원으로 사용한다. 따라서 상기 막 두께 측정 장치의 성능을 향상시킬 수 있으며, 획득되는 데이테에 대한 신뢰도도 향상시킬 수 있다.

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

Claims

반도체 기판을 향해 일정한 각도로 광을 조사하기 위한 발광 다이오드를 포함하는 광원부;

상기 광을 편광시키기 위한 편광부;

상기 반도체 기판으로부터 반사되는 반사광을 검출하고, 상기 반사광의 편광 상태를 확인하기 위한 검출부; 및

상기 편광 상태를 이용하여 상기 반도체 기판 상에 형성된 막의 두께를 연산하는 연산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 막 두께 측정 장치.
제1항에 있어서, 상기 광원부는 각각 청색, 녹색 및 적색을 내는 세 개의 발광 다이오드로 이루어지는 것을 특징으로 하는 막 두께 측정 장치.
제1항에 있어서, 상기 광원부는 400 내지 700 nm의 파장 대역을 갖는 것을 특징으로 하는 막 두께 측정 장치.