KR20120001929A - 반도체 성장 장비용 실시간 데이터 측정 장치 - Google Patents

반도체 성장 장비용 실시간 데이터 측정 장치 Download PDF

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KR20120001929A
KR20120001929A KR1020100062562A KR20100062562A KR20120001929A KR 20120001929 A KR20120001929 A KR 20120001929A KR 1020100062562 A KR1020100062562 A KR 1020100062562A KR 20100062562 A KR20100062562 A KR 20100062562A KR 20120001929 A KR20120001929 A KR 20120001929A
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Abstract

본 발명은 반도체 성장 장비인 MOCVD(Metal organic chemical vapor deposition) 혹은 MBE(Molecular Beam Epitaxy)의 챔버에 로딩된 시편의 실시간 2차원 스캐닝 이미지를 획득하기 위해 수 ㎒에서 수십 ㎒에 이르는 신호 변조를 가능하게 해주는 아날로그 회로에 의해 조작되는 레이저 다이오드를 이용한 곡률 측정 및 온도 측정 장치의 적용과 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 수 MHz에서 수 십 MHz에 이르는 변조된 신호를 포함한 빛이 광분배기와 거울을 통해 샘플에 입사, 반사 된 후 포토다이오드(Photo diode), CMOS 이미지 센서 등의 검출기로 조사된 빔은 광원의 광축을 조정하기 위한 엑츄에이터를 작동하는데 필요한 신호와 실시간 박막 성장 두께의 측정을 위해 필요한 신호로 사용된다.
또한, 양산 적용 시 단일 기판용 서셉터가 아닌 다수의 반도체 기판을 동시에 성장할 수 있는 멀티 어레이용 서셉터를 사용하게 되는데 이동에 따른 광 경로를 보상해주는 거리 측정용 센서 포함하는 모터 드라이브를 탑재하여 입력된 서셉터의 2차원 스캐닝 이미지만이 아니라 실시간으로 모든 기판의 곡률, 응력, 반사율, 두께 등의 측정치를 실시간으로 획득하는 기능을 수행 할 수 있는 것이다.

Description

반도체 성장 장비용 실시간 데이터 측정 장치{Real time data detection device and method for semiconductor growth equipment}
본 발명은 반도체 성장 장비용 실시간 데이터 측정 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 성장시에 박막성장이 완료된 상태에서 결과물을 분석하여 문제점을 역추적하여 파악하였던 종래와 달리 박막을 증착하는 과정상에 있어 스트레스의 상태를 지속적으로 측정하여 데이터화할 수 있으므로 증착과정 중에 발생할 수 있는 문제점을 실시간으로 파악하여 박막 형성이 완료되기 전에 문제를 완화 시키거나 치유할 수 있어서 불량률을 감소시키는 획기적인 장치인 반도체 성장 장비용 실시간 데이터 측정장치에 관한 것이다.
1999년 미국의 Sandia 사에 의해 발간된 U.S. Pat. No. 5,912,738로부터 곡률, 온도, 반사도, 두께 등의 실시간 측정을 위한 이론적 실험적 지식들이 확립되었다.
이종 접합으로 성장되는 박막의 스트레스 측정을 위한 표면 곡률 측정 장치는 마이크로 전자소자의 프로세싱의 성능을 향상시키기 위해 점점 중요해져왔다. 소자에 성능이 비약적으로 발전했지만 수익성 강화와 시장성 확대를 위해 시장의 새로운 도약을 위해 좀 더 획기적인 성능을 발휘할 수 있는 소자의 개발이 절질해졌다. 따라서, 성장 조건에 중요한 요소인 온도와 접합된 물질들의 열팽창 계수와 격자 상수에 따라 응력이 결정되는 이종 에피텍셜(epitaxial) 성장의 근원적인 문제를 해결해야만 하는 문제에 부딪히게 되었다.
이종 접합 구조물(Hetero epitaxial structure)에 박막(thin film) 성장 시 적층된 물질의 격자상수(lattice constant)와 열팽창 계수(Thermal expansion coefficient)의 차이 값이 크면 클수록 인장력(tensile force) 혹은 압축력(compressive force)을 받으며, 기판과 박막에 응력(stress)을 가하게 되며, 이는 제작된 구조물의 마이크로페터닝(micro patterning)시 사용되는 메탈과 구조물 자체에 응력으로 인한 결절(stress-related breakage)의 형태로 나타나게 된다. 이는 소자의 특성(performance)과 신뢰성(reliability)에 직접적인 영향을 미치게 된다. 이를 개선하기 위해 에피텍셜 성장 시 기판의 응력을 최소화하기 위한 기술들을 개발해야 하는데 UHV(Ultra High Vacuum)system을 사용하는 MBE(Molecular Beam Epitaxy)와는 달리 MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)는 상대적으로 실시간 박막의 상태를 측정하기 위해 적용 가능한 장비의 수가 절대적으로 부족한 실정이다.
이종접합의 태생적인 한계점으로부터 탈출하기 위해 GaN 기판을 직접 개발하려는 많은 과학자들이 연구를 진행하고 있으나 개발과 그에 따른 인프라의 구축 그리고 시장성을 갖춘 새로운 산업으로 확대되어 양산화 되기까지는 상당한 시일이 필요할 것으로 보인다.
따라서, 본 발명에 따른 장비를 이용한 실시간 곡률 및 스트레스 측정은 현재 LED 산업계가 봉착한 기술적인 문제들을 해결하기 위한 커다란 도움이 될 것으로 예상된다. 본 발명에 따른 실시간 스트레스 측정 장비를 사용하면 박막성장이 완료된 상태에서 결과물을 분석하여 문제점을 역추적하여 파악하였던 종래와 달리, 박막을 증착하는 과정상에 있어 스트레스의 상태를 지속적으로 측정하여 데이터화를 할 수 있으므로 증착과정 중에 발생할 수 있는 문제점을 실시간으로 파악하여 박막 형성이 완료되기 전에 문제를 완화 시키거나 치유할 수 있어 불량률을 감소시키는 획기적인 효과를 기대할 수 있을 것이다.
<원리>
도 3을 참조하면, 기판에 반사되기 전 레이저 다중빔의 간격을 d라고 하고, 기판에 반사되어 나온 다중빔의 간격을 d+δd라고 하면 간격 변화 δd와 기판의 곡률 반경 R은 기하학적 원리에 의해
Figure pat00001
의 관계를 가지게 된다. 여기서 α는 레이저 입사빔과 기판의 수직 방향 사이의 각도이며 L은 기판과 CCD 카메라 사이의 거리이다. 도 3에서 N1과 N2는 기판이 편평했을 경우의 두 입사빔이 기판에 반사되는 지점에 수직인 방향을 나타내며 N2는 휘어진 기판에 두 번째 빔 B2가 반사되는 지점의 새로운 법선 방향이다. 두 번째 빔 B2는 휘어진 기판에 α1의 입사각으로 입사되어 α2의 반사각을 가지고 나아간다. 도 3에서 각 사이의 관계를 보면
Figure pat00002
의 관계를 가진다. 여기서 Δa는 휘어진 기판에서 반사되어 나온 빔(beam) 2와 본래 편평한 기판에서 반사되어 나온 빔 1 사이의 각도 차이를 나타낸다. 반사의 법칙에 의해 입사각 a1과 반사각 a2는 같으므로 각 OCO'는 식 ⑵에서
Figure pat00003
이다. 한편 호 OO'의 길이는 곡률 반경 R과 각 OCO'에 의해
Figure pat00004
이다. 여기서 우변의 항은 입사각 a를 가지고 입사하는 두 빔 B1, B2 사이의 간격 d와 호 OO' 사이의 관계를 통해 얻어진 식이다. 또한 기판에서 거리 L만큼 떨어진 지점에서 간격 변화 δd는 LsinΔa이다. 여기서 Δa는 매우 작으므로 LΔa로 근사시킬 수 있으며
Figure pat00005
의 관계를 얻는다. 여기서 식 ⑶의 관계를 대입하여 정리하면
Figure pat00006
의 결과를 얻을 수 있으며 이 결과는 식 ⑴과 동일한 식이 된다.
박막이 응력을 받고 있는 경우를 생각하자. 이러한 응력은 기판과 박막의 열팽창계수(thermal expansion coefficient)의 차이나 박막의 치밀화(densification) 현상, 그리고 기판과 박막의 격자 불일치에 의한 에피택시(epitaxy) 영향 등에 의해 발생한다. 이때 박막의 두께는 기판의 두께에 비해 훨씬 작기 때문에 박막 내에는 두께 방향으로 변하지 않는 균일한 응력을 받고 있다고 가정할 수 있다. 또한, 2축(두 개의 축) 응력 상태에서 계면에 평행한 방향으로의 응력은 면상의 임의의 방향에 대하여 변하지 않는다고 할 수 있다.
박막이 박막과 기판의 계면에 평행한 방향으로 σxx = σxy = σf의 응력을 받는다고 하자. 기판 내에 응력이 0인 neutral plane을 생각할 수 있고, 이 지점으로부터 떨어진 거리에 비례하는 응력이 기판 내에 작용하게 된다. 기판의 두께 hs내에 응력이 0인 지점을 생각할 수 있고, 이 위치를 박막과 기판의 계면으로부터 떨어진 거리 b라고 가정하자. 이때 기판 내 응력은 기판의 휜 정도 즉, 곡률을 비례상수로 가지며 선형적으로 증가하게 된다. 따라서 응력이 0인 지점에서 거리 z만큼 떨어진 지점에서 기판이 받는 응력 σs(z)는
Figure pat00007
이다. 여기서 Ms는 기판의 2축 탄성계수이며 R은 기판의 곡률 반경이다. 음의 부호는 곡률 반경의 부호 정의에 의해 생긴 것이다. 기판과 박막의 두께 방향으로 힘의 평형 관계를 생각하면
Figure pat00008
이 얻어진다. 하지만 힘의 평형은 유지가 되었지만 기판 내에서 모멘트(moment)의 평형을 생각해야 한다. 박막이 받는 응력 와 박막 두께 를 곱한 단위 너비 당 작용하는 힘이 기판에 굽힘모멘트(bending moment)를 가하고 있기 때문이다. 응력이 0인 지점에서 거리 만큼 떨어진 지점에서 작용하는 모멘트는
Figure pat00009
이다. 전체 시스템에 대해서 모멘트 평형을 적용하면
Figure pat00010
이고 미지수인 값이
Figure pat00011
으로 계산된다. 이 값을 다시 힘의 평형 관계 식 (8)에 대입하여 박막이 받는 응력 를 계산하면 다음의 Stoney 방정식
Figure pat00012
이 얻어진다.
하지만, 상기와 같은 원리를 반도체 산업에서 사용하는 대용량 챔퍼에 적용하기 위해서는 대용량으로 적재가 가능한 웨이퍼들의 실시간 데이터를 축적하기 위한 추가적 기술들의 확보가 절실하다. 종래에 사용된 장비는 LD(Laser diode) 혹은 LED(Light Emitting Diode)의 광원(Light Sources)의 광축(Light Axis)을 사용자가 직접 calibration 후 사용하는 수동식 장치로써, 메인 챔버 웨이퍼의 배열에 따른 2차원 스캔 이미지 혹은 더 나아가 로딩된 모든 웨이퍼의 곡률, 온도, 반사율, 두께 등의 측정치를 실시간으로 축적 하는 것은 불가능 하다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 개발된 것으로, 본 발명의 목적은 박막을 증착하는 과정상에 있어 스트레스의 상태를 지속적으로 측정하여 데이터화할 수 있으므로 증착과정 중에 발생할 수 있는 문제점을 실시간으로 파악하여 박막 형성이 완료되기 전에 문제를 완화 시키거나 치유할 수 있어서 불량률을 감소시키는 획기적인 장치인 반도체 성장 장비용 실시간 데이터 측정장치를 제공하고자 하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 의하면, 시료 표면에 입사되는
Figure pat00013
다중광속을 발생시키기 위한
Figure pat00014
광원 어레이(여기서,
Figure pat00015
과
Figure pat00016
은 각각 1 이상 100 이하) 및 상기 시료 표면에서 반사되어 나온 상기
Figure pat00017
다중 광속 사이의 간격 변화를 측정하는 검출기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 반도체 성장 장비용 실시간 데이터 측정 장치가 제공된다.
상기 간격 변화를 이용하여 상기 시료의 곡률 및 응력을 구하는 계산기를 더 포함할 수 있다. 이때, 검출기 자체가 상기 시료의 곡률 및 응력을 구하도록 구성하는 것도 가능하다.
상기
Figure pat00018
광원 어레이는 일정한 피치 간격을 가진
Figure pat00019
수직 표면 방출 레이저(vertical surface emitting laer : VCSEL) 어레이 및
Figure pat00020
레이저 다이오드(laser diode : LD) 어레이 또는 에탈론을 이용한
Figure pat00021
광원 중의 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 곡률 측정 장치는 상기
Figure pat00022
다중광속을
Figure pat00023
비평행 다중광속 (multiple non-parallel beam) 또는
Figure pat00024
평행 다중광속(multiple parallel beam)으로 만들어 곡률 측정에 이용할 수 있는데, 이를 위하여, 상기
Figure pat00025
다중광속을
Figure pat00026
비평행 다중광속으로 만들어 상기 시료 표면으로 입사시키기 위한 단일 콜리메이팅 렌즈 유닛(collimating lens unit)또는
Figure pat00027
평행 다중광속으로 만들어 상기 시료 표면으로 입사시키기 위한
Figure pat00028
마이크로 콜리메이팅 렌즈 어레이(micro collimating lens array)를 더 포함할 수 있다.
상기 단일 콜리메이팅 렌즈 유닛에는 적어도 한 개의 비구면(aspherical) 광학 렌즈가 포함되어 구성됨이 바람직하고, 상기 단일 콜리메이팅 렌즈 유닛에는 포커싱 렌즈(focusing lens)가 더 포함될 수 있다.
상기 레이저 다이오드에 펄스 구동 신호를 인가할 수 있는 신호 변조 회로를 이용하면 1500 RPM의 각속도로 회전하는 서셉터에도 2인치 웨이퍼 기준 약 1000개의 펄스 신호를 인가 할 수 있다. 이를 이용하여 서셉터에의 웨이퍼 로딩 상태를 모니터링 할 수 있으며 웨이퍼의 중심점을 찾는데 필요한 신호로 사용될 수 있다.
상기
Figure pat00029
다중광속은 0ㅀ에서 90ㅀ 미만의 입사각을 가지고 상기 시료 표면에 입사할 수 있다. 특히, 상기
Figure pat00030
다중광속이 수직 입사각을 가지고 상기 시료 표면에 입사하도록 구성하는 경우, 상기 시료 표면에서 수직 반사각으로 반사되어 나오는 상기
Figure pat00031
다중광속을 상기 입사하는 상기
Figure pat00032
다중광속으로부터 분리하기 위해 빔 분배기 (beam splitter)를 더 포함함이 바람직하다.
상기 검출기는 CCD 및 CMOS 이미지 센서(CMOS image sensor :CIS) 중의 어느 하나일 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면,
Figure pat00033
광원 어레이로부터 발생시킨
Figure pat00034
다중광속을 콜리메이팅하는 단계;
Figure pat00035
다중광속을 시료 표면에 대해 입사시키는 단계(여기서,
Figure pat00036
과
Figure pat00037
은 각각 1 이상 100이하); 상기 시료 표면에서 반사되어 나온 상기
Figure pat00038
다중광속을 스팟 어레이로 측정하는 CCD 또는 CMOS 이미지 센서의 스팟 어레이 사이의 간격 변화를 측정하는 단계; 및 상기 간격 변화를 이용하여 상기 시료의 곡률 및 응력을 구하는 단계를 포함하는 반도체 성장 장비용 실시간 데이터 측정 방법이 제공된다.
상기 시료 표면에서 반사되어 나온 상기
Figure pat00039
다중광속을 스팟 어레이로 측정하는 CCD 또는 CMOS 이미지 센서의 스팟 어레이 사이의 간격 변화를 측정하는 단계에서는 입사면에 수평인 방향으로의 간격 변화를 측정하여, 상기 박막의 곡률 및 응력을 구할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 곡률 측정 장치와 방법에서는 비평행 다중광속 또는 평행 다중광속의 반사를 이용하여 기판과 같은 시료의 곡률을 측정한다. 기존 단일 빔 주사 방법과 에탈론을 이용하여 단일 빔을 다중 평형 빔으로 전환하는 방식과 달리, 본 발명에서는
Figure pat00040
광원 어레이를 사용한다. 즉,
Figure pat00041
VCSEL 어레이 또는
Figure pat00042
LD 어레이를 단일 콜레메이팅 렌즈를 이용하여 비평행 다중광속으로 만들거나, 또는
Figure pat00043
마이크로 콜리메이팅 렌즈 어레이를 이용하여 평행 다중광속으로 만든다. LD는 타원형 빔을 출력한다. 따라서
Figure pat00044
LD어레이를 사용할 경우 마이크로 렌즈를 이용하여 타원형 빔을 원형 빔으로 전환하여야 한다. 이러한 다중광속을 기판 상에 형성된 박막 표면에
Figure pat00045
입사각으로 입사시키고 반사되는 다중광속은 검출기로
Figure pat00046
의 스팟 어레이(spot array)를 얻는다.
Figure pat00047
스팟 어레이 방향을 x, y로 정의하고 x방향을 입사면과 수평한 방향으로, y방향은 입사면과 수직인 방향으로 정의한다.
Figure pat00048
다중광속과 기판의 법선으로 이루어지는 면이 입사면이고, 이 입사면이 기판과 만나 생긴 직선의 방향이 입사면에 수평인 방향, x 방향으로 정의된다.
검출기를 이용하여 스팟 어레이의 x방향의 간격을 측정한다. 기판 곡률이 변할 때 각 다중광속의 반사각 각도가 변하게 되고 따라서 스팟 간격의 변이가 생긴다. x 방향, 각 스팟 어레이의 변이를 측정함으로 기판의 곡률을 얻을 수 있다.
Figure pat00049
다중광속이 동시에 측정되므로 이 방법은 단일 빔을 사용할 때보다 진동에 덜 민감하다.
본 발명은 반도체 성장 장비인 MOCVD(Metal organic chemical vapor deposition) 혹은 MBE(Molecular Beam Epitaxy)의 챔버에 로딩된 시편의 실시간 2차원 스캐닝 이미지 및 기판의 곡률, 응력, 온도, 반사율, 두께 등의 정보를 획득하기 위해 수 ㎒에서 수십 ㎒에 이르는 신호 변조를 가능하게 해주는 아날로그 회로가 삽입된 레이저 다이오드를 이용한 곡률 측정 및 온도 측정 장치의 적용과 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 수 MHz에서 수 십 MHz에 이르는 변조된 신호를 포함한 빛이 광분배기와 거울을 통해 샘플에 입사 후 반사 된 후 포토다이오드(Photo diode), CMOS 이미지 센서 등의 검출기로 조사된 빔은 광원의 광축을 조정하기 위해 엑츄에이터를 작동하는데 필요한 신호로 사용된다.
또한, 양산 적용 시 단일 기판용 서셉터가 아닌 다수의 반도체 기판을 동시에 성장할 수 있는 멀티 어레이용 서셉터를 사용하게 되는데 구동 펄스를 인가하는 컨트롤러를 포함하는 모터 드라이브를 탑재하여 입력된 서셉터의 2차원 스캐닝 이미지만이 아니라 모든 기판의 곡률, 응력, 반사율, 두께 등의 측정치를 실시간으로 획득할 수 있는 것이다.
도 1은 싱글 에탈론을 이용한 곡률 측정장치의 개념도
도 2는 싱글 에탈론에 의한 다중 평행 비임의 생성 과정을 개념적으로 보여주는 도면
도 3은 곡면으로부터 반사되는 평행 비임의 기하학적 도면
도 4는 표면 곡률을 나타내는 2차원으로 표현하기 위한 곡면 측정 장치의 구조를 보여주는 도면
도 5는 단일 굴절 및 수렴 렌즈를 이용한 곡률 측정 장치의 구조를 개념적으로 보여주는 도면
도 6a는 에탈론의 구조를 개념적으로 보여주는 도면
도 6b는 도 6a에 도시된 에탈론에 의한 다중광 이미지를 보여주는 도면
도 7 내지 도 9는 본 발명의 실시간 데이터 측정 장치를 반도체 웨이퍼에 사용하는 상태를 개념적으로 보여주는 평면도
이하, 첨부 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태들로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 한정되는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요서의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이며, 도면 상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다.
본 발명에서는 제작된 수 MHz에서 수십 MHz에 이르는 변조된 신호 (Modulated signal)와 광원으로 사용되는 LD(Laser Diode)혹은 LED(Light Emitting Diode)등의 구동을 위해 80mA의 전류를 공급할 수 있는 정전류 아날로그 회로를 제작, 내장하였다. 또한, 웨이퍼에 인가된 변조 신호는 펄스파형으로써 신호의 rise/fall time은 0.1
Figure pat00050
(micro second)이다. 이는 MOCVD (Metal-organic chemical vapor deposition) 장비의 메이저 업체인 Veeco 社의 turbo disk를 이용해서 서셉터를 1700 rpm으로 회전 시킬 때 각각 직경 20
Figure pat00051
, 40
Figure pat00052
의 서셉터의 경우 2인치 웨이퍼 기준 한 장당 대략 200개와 100개의 신호 입력이 가능하다. 인가된 신호의 분석을 통해 웨이퍼의 중심점을 찾아 낼 수 있고, 200개와 100개의 신호 인가 시 센터 중심 위치의 계산 오차 범위는 각각 3
Figure pat00053
와 6
Figure pat00054
이다.
상기 인가된 변조 신호를 이용 반도체 성장 장비인 MOCVD (Metal organic chemical vapor deposition) 혹은 MBE (Molecular Beam Epitaxy)의 메인 챔버에 로딩된 샘플의 2차원 실시간 주사 영상 (2 dimensional real-time scanning image)을 구현할 수 있으며 다중 라인으로 배열되어 있는 웨이퍼의 경우는 서보 모터를 이용하여 미러의 위치를 이동함으로써 신호를 획득할 수 있다. 이때 Light path의 변화량을 측정하기 위해 거리측정 장비를 추가적으로 구성 하였으며 변화된 광 경로의 차이 값에 따라 collimating lens의 Laser to lens의 distance를 조절하여 초점 거리를 조절 할 수 있다.
또는 DMD (Digital Micromirror Device)를 이용하여 장치를 구성할 수도 있으며, 혹은 Light sources 자체에 micro motion을 인가해 줌으로써 획득 될 수도 있다.
본 발명의 실시간 데이터 측정 장치의 구조는 도 4b 내지 도 4c에 도시되어 있다.
평행 레이저 빔을 생성하는 방법은 변조된 단일 레이저 빔을 2개의 에탈론 (etalon)과 modulation circuit을 통해 생성하거나 혹은
Figure pat00055
multiple arrayed VCSEL을 이용하여 다중광을 생성 할 수도 있으며, 신호 변조 회로를 통과시켜 변조평행 다중광속(modulated parallel multiple beam)을 만들고, 이를 기판에 입사시킨다. 빔의 수량과 빔 사이의 간격은 에탈론을 회전시키거나 array의 pitch값을 조작 하여 조절 할 수 있다. 이때, 평행 다중광속의 기판 표면에서의 반사빔 이미지를 CCD 및 CMOS 이미지 센서(CMOS image sensor : CIS)중의 어느 하나인 것을 이용하여 측정한다. 또한, 응력이 있을 경우 박막은 그 아래 기판에 곡률을 유발한다. 따라서 기판이 응력을 받았을 때, 곡률은 CCD 이미지 상의 반사빔의 위치를 미세하게 변화시킨다. CCD는 동시에 모든 반사빔 스팟(spot) 간격의 상대 변화를 측정하고 그 데이터를 곡률 및 박막의 응력으로 변환한다. 동시에 PD로 반사된 빔을 통해 레이저 다이오드 혹은 LED의 intensity의 calibration과 두께 측정이 가능하다.
modulated signal process를 통해 로딩된 웨이퍼의 2차원 스캔 이미지와 동시에 웨이퍼의 좌표
Figure pat00056
를 획득 할 수 있으며 초기에 입력된 대용량 챔버용 웨이퍼 홀더의 정보에 따라 시간에 다른 웨이퍼의 위치의 함수 값을 계산 할 수 있다. 시간에 따른 웨이퍼의 위치의 함수는 서셉터의 회전 방향이 반시계 방향이라고 가정 했을 때 시간 t 이후의
Figure pat00057
의 좌표는 수식 1, 수식 2를 통해 표현 할 수 있다.
수식 1
Figure pat00058

수식 2
Figure pat00059

여기서
Figure pat00060
은 외부 원의 중심으로부터 내부 원의 중심까지의 거리,
Figure pat00061
은 외부 원의 각속도,
Figure pat00062
는 내부 원의 각속도이며 상수이다. 즉, 초기 값인
Figure pat00063
의 값을 입력하면 시간 t후의
Figure pat00064
의 좌표를 획득할 수 있다.
다만, 도 7에 도시된 구조의 웨이퍼 케리어는 광축이 고정된 수동식 장비로는 연산에 필요한 데이터 획득이 불가능하므로 추가적인 모터의 설치등을 통해 필요한 데이터를 얻을 수 있는 능동식 장비로의 개량이 절실하다.
이와 별개로 LD 혹은 LED Intensity calibration시 획득된 데이터를 토대로 액츄에이터를 구동하여 calibration을 실시하는데 모터 구동 시스템은 부하에 연결되는 모터와, 컨트롤러, 모터드라이브를 포함한다. 이에 컨트롤러는 모터 부하의 운전속도에 따라 펄스 폭(width)을 조절하고, 모터가 제어하는 부하의 위치에 대응되는 개수만큼의 펄스를 출력하게 된다. 모터드라이브는 상기 컨트롤러로부터 인가된 펄스의 폭과 개수를 인식하여 모터의 동작을 위한 신호로 변환한다. 모터의 동작을 위하여 변환된 신호는 모터와 연결되어 있는 출력 단자를 통해 출력하여 모터를 구동하게 된다.
여기서 모터 부하의 운전속도 제한은 컨트롤러의 파라미터로 설정하며, 이동 위치 제한은 파라미터의 설정 또는 외부 센서 등을 통해 이루어진다.
도 4a 내지 도 4c를 참조하여 본 발명에 의한 실시간 데이터 측정 장치를 이용한 측정 원리를 설명한다.
도 4a를 참조하면, 제어 장치(1)를 통해 신호 변조 회로(2) 로 인가된 신호는 레이저 다이오드(Laser Diode)(3)를 통해 광원(Light source)(4)이 된다. 광학계(5)를 통과한 빔(beam)은 제작된 광학계에 따라
Figure pat00065
,
Figure pat00066
혹은
Figure pat00067
의 모양으로 발사된다. 이렇게 만들어진 멀티빔(multi-beam)(6 및 7)은 반사율(R)과 투과율(1-R)을 목적에 따라 제작된 하프 미러(half mirror)(8)를 통과하고 사용되는 광원(light source)(4)의 파장에 따라 선택된 반사경(Mirror)(9)에 반사된다. 반사된 빛은 DMD (Digital mirror device)에 의해 서셉터(21)의 회전수를 고려하여 변동 가능한 주파수로 지속적인 스캔을 한다. 이후 웨이퍼(11) 표면(10)에 입사 후 반사 된 빛은 다시 미러(9)를 통해 하프 미러(8)로 입사된 후 CCD(17) 와 포토 다이오드(Photo diode)(16)에 입사된다. 상기 모터 및 거리 측정 센서 적용 시스템은 곡률, 두께, 응력, 온도, 굴절률 등의 물질 특성을 실시간으로 측정하기 위해 존재하는 모든 시스템에 적용이 가능하다.
도 4b를 참조하면, 제어 장치(1)를 통해 신호 변조 회로(2) 로 인가된 신호는 가변 가능한 주파수로 측정 범위 안에서 진동하는 레이저 다이오드(3)를 통해 광학계(5)로 발사된다. 광학계(5)를 통과한 빔은 제작된 광학계에 따라
Figure pat00068
,
Figure pat00069
혹은
Figure pat00070
의 모양으로 발사된다. 이렇게 만들어진 멀티빔(6 및 7)은 반사율(R)과 투과율(1-R)을 목적에 따라 재작된 하프 미러(8)를 통과하고 사용되는 광원(light source)의 파장에 따라 선택된 반사경(9)에 반사된다. 반사된 빛은 위치 조정이 가능한 미러(22)에 의해 서셉터(21)를 연속적으로 스캔한다. 이후 웨이퍼(11)의 표면(10)에 입사 후 반사 된 빛은 다시 곡률이 있는 미러를 통해 하프 미러(8)로 입사된 후 CCD(17)와 Photo diode(16)에 입사된다.
도 4c를 참조하면, 제어 장치(1)를 통해 신호 변조 회로(2)로 인가된 신호는 가변 가능한 주파수로 측정 범위 안에서 진동하는 레이저 다이오드(3)를 통해 광학계(5)로 발사된다. 광학계(5)를 통과한 빔은 제작된 광학계에 따라
Figure pat00071
,
Figure pat00072
혹은
Figure pat00073
의 모양으로 발사된다. 이렇게 만들어진 멀티빔(6 및 7)은 반사율(R)과 투과율(1-R)을 목적에 따라 재작된 하프 미러(8)를 통과하고 사용되는 광원(light source)의 파장에 따라 선택된 반사경(Mirror)(9)에 반사된다. 반사된 빛은 위치 조정이 가능한 미러(23)에 의해 서셉터(21)를 연속적으로 스캔한다. 이후 웨이퍼(11)의 표면(10)에 입사 후 반사 된 빛은 다시 곡률이 있는 미러를 통해 하프 미러(8)로 입사된 후 CCD(17)와 Photo diode(16)에 입사된다.
1. 제어기(Computer)
2. 레이저 다이오드 변조용 회로(Laser diode modulation circuit)
3. 레이저 다이오드(Laser diode)
4. 입사광(Incident light)
5. 광학계(Optics)
6,7. 평행광(Parallel beams)
8. 빔 분배기(Beam splitter)
9. 거울(Mirror)
10. 표면(Surface)
11. 기판(웨이퍼, Substrate)
12,13. 반사광(Reflected light)
14. 서보 모터(Subo Moto)
15. 모터 회로(Circuit for motor)
16. 포토 다이오드(Photo diode)
17. CCD
18. Signal out
19. Signal in
20. 거리 측정기(Distance measurement unit)
21. 서셉터(Susceptor)
22. 디지털 미러(Digital Mirror Device)

Claims (7)

  1. 제어장치를 통하여 신호가 인가되는 신호 변조 회로;
    상기 신호 변조 회로를 통하여 인가된 신호를 광원으로 발산하는 레이저 다이오드;
    상기 레이저 다이오드의 출력이 일정하게 되도록 보상하고 외부 신호에 의해 변조를 가능케 하는 회로;
    상기 레이저 다이오드 모듈의 출력이 일정한 세기가 유지되도록 함과 동시에 변조신호의 극성에 따라 레이저의 출력을 결정하는 비교회로를 포함하는 피씨비(PCB) 회로; 및
    상기 회로를 내부에 포함하며
    Figure pat00074
    혹은
    Figure pat00075
    다중광속의
    Figure pat00076
    혹은
    Figure pat00077
    스팟 어레이 사이의 간격 변화를 측정하는 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 성장 장비에 설치되는 실시간 데이터 측정 장치.
  2. 제어장치를 통하여 신호가 인가되는 신호 변조 회로;
    상기 신호 변조 회로를 통하여 인가된 신호를 광원으로 발산하는 레이저 다이오드;
    상기 레이저 다이오드의 광로의 변화를 측정하여 이니셜 포인트(initial point)로 광축을 수정할 수 있는 액츄에이터; 및
    상기
    Figure pat00078
    혹은
    Figure pat00079
    광원 어레이로부터 발생된
    Figure pat00080
    혹은
    Figure pat00081
    다중광속을
    Figure pat00082
    혹은
    Figure pat00083
    평행 다중광속(multiple parallel beam)으로 만들어 시료 표면으로 입사시킨 다음 상기 시료 표면에서 반사되어 나온 상기
    Figure pat00084
    혹은
    Figure pat00085
    다중광속의
    Figure pat00086
    혹은
    Figure pat00087
    스팟 어레이 사이의 간격 변화를 측정하는 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 성장 장비에 설치되는 실시간 데이터 측정 장치.
  3. 제어장치를 통하여 신호가 인가되는 신호 변조 회로;
    상기 신호 변조 회로를 통하여 인가된 신호를 광원으로 발산하는 레이저 다이오드;
    상기 레이저 다이오드의 광로의 변화를 측정하기 위한 포토 다이오드(Photo diode) 또는 CMOS 이미지 센서(CMOS image sensor : CIS) 또는 CCD(Charged Coupled Display); 및
    상기
    Figure pat00088
    혹은
    Figure pat00089
    광원 어레이로부터 발생된
    Figure pat00090
    혹은
    Figure pat00091
    다중광속을
    Figure pat00092
    혹은
    Figure pat00093
    평행 다중광속(multiple parallel beam)으로 만들어 시료 표면으로 입사시킨 다음 상기 시료 표면에서 반사되어 나온 상기
    Figure pat00094
    혹은
    Figure pat00095
    다중광속의
    Figure pat00096
    혹은
    Figure pat00097
    스팟 어레이 사이의 간격 변화를 측정하는 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 성장 장비에 설치되는 실시간 데이터 측정 장치.
  4. 제어장치를 통하여 신호가 인가되는 신호 변조 회로;
    Figure pat00098
    혹은
    Figure pat00099
    다중광속을 발생시키기 위한 에탈론 또는 상이한 굴절률의 렌즈 혹은 필터와 수렴렌즈의 조합으로 이루어진 광원 어레이; 및
    상기
    Figure pat00100
    또는
    Figure pat00101
    광원 어레이로부터 발생된
    Figure pat00102
    또는
    Figure pat00103
    다중광속을
    Figure pat00104
    또는
    Figure pat00105
    평행 다중광속(multiple parallel beam)으로 만들어 시료 표면으로 입사시킨 다음 상기 시료 표면에서 반사되어 나온 상기
    Figure pat00106
    또는
    Figure pat00107
    다중광속의
    Figure pat00108
    또는
    Figure pat00109
    스팟 어레이 사이의 간격 변화를 측정하는 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 성장 장비에 설치되는 실시간 데이터 측정 장치.
  5. 제어장치를 통하여 신호가 인가되는 신호 변조 회로;
    상기 신호 변조 회로를 통하여 인가된 신호를 광원으로 발산하는 라잇 소스 모듈;
    수직 입사각을 가지고 시료 표면에 입사되는
    Figure pat00110
    또는
    Figure pat00111
    다중 광속을 발생시키기 위한
    Figure pat00112
    또는
    Figure pat00113
    광원 어레이;
    상기 시료 표면에서 수직 반사각으로 반사되어 나오는 상기
    Figure pat00114
    또는
    Figure pat00115
    다중 광속을 상기 입사되는 상기
    Figure pat00116
    또는
    Figure pat00117
    다중광속으로부터 분리하기 위한 빔 분배기(beam splitter); 및
    상기 시료 표면에서 반사되어 나온 상기
    Figure pat00118
    또는
    Figure pat00119
    다중광속의
    Figure pat00120
    또는
    Figure pat00121
    스팟 어레이 사이의 간격 변화를 측정하는 검출기 및 광축의 변화를 측정하기 위한 포토 다이오드 또는 CMOS 이미지 센서(CMOS image sensor : CIS) 또는 CCD(Charged Coupled Display)를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 성장 장비용 실시간 데이터 측정 장치.
  6. 제어장치를 통하여 신호가 인가되는 신호 변조 회로;
    상기 신호 변조 회로를 통하여 인가된 신호를 광원으로 발산하는 라잇 소스 모듈;
    수직 입사각을 가지고 시료 표면에 입사되는 또는
    Figure pat00123
    다중 광속을 발생시키기 위한
    Figure pat00124
    또는
    Figure pat00125
    광원 어레이;
    대용량 챔버에 적용하기 위해 모터에 의해 구동되는 미러를 포함하는 곡률 및 온도 측정 장치; 및
    상기
    Figure pat00126
    또는
    Figure pat00127
    광원 어레이로부터 발생된
    Figure pat00128
    또는
    Figure pat00129
    다중 광속을
    Figure pat00130
    또는
    Figure pat00131
    평행 다중광속(multiple parallel beam)이 시료 표면으로 입사 될 수 있도록 측정된 서셉터의 기판 정보에 따라 구동이 가능한 모터에 의해 움직이는 미러를 포함하는 반도체 성장 장비용 실시간 데이터 측정 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기
    Figure pat00132
    또는
    Figure pat00133
    다중광속은
    Figure pat00134
    에서
    Figure pat00135
    미만의 입사각을 가지고 상기 시료 표면에 입사하는 것을 특징으로 하는 반도체 성장 장비용 실시간 데이터 측정 장치.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014058460A1 (en) * 2012-10-08 2014-04-17 Dwfritz Automation Inc. Simultaneous-view object insertion systems, apparatuses and methods
KR101487519B1 (ko) * 2013-01-30 2015-01-29 우범제 플라즈마 공정챔버
WO2023055537A1 (en) * 2021-09-28 2023-04-06 Applied Materials, Inc. Etalon thermometry for plasma environments

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KR101487519B1 (ko) * 2013-01-30 2015-01-29 우범제 플라즈마 공정챔버
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