KR20130060217A - 반도체 층의 도펀트 함유량의 비접촉 측정 - Google Patents
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Abstract
반도체 물질의 도펀트 함유량을 비접촉 측정하는 시스템 및 방법이 개시된다. 이 방법은 반도체 물질에서 적외(IR) 방사선을 반사시키고 방사선을 2개의 빔으로 분할하는 단계, 각 빔을 상이한 파장 범위를 가진 대역 통과 필터에 통과시키는 단계, 각 필터를 통과한 에너지의 레벨을 비교하는 단계, 및 시스템에 대한 공지의 웨이퍼 도펀트 함유량으로 만들어진 상관 곡선을 참조하여 도펀트 함유량을 계산하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 일반적으로 반도체 소자의 하나 이상의 층의 도펀트 함유량(dopant content)의 측정에 관한 것으로, 특히 확산, 주입 또는 에피택셜 방식으로 증착된 도핑 층을 이용하는 광전(photovoltaic; PV) 솔라셀, LED 및 임의의 다른 반도체 소자와 같이 관련된 상업적 제조 라인에서 반도체 소자의 도펀트 함유량을 비접촉 측정하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
배경으로서, 우리는 결정질 실리콘(c-Si) PV 셀 제조 공정 및 반도체 LED 제조 공정을 둘 다 설명할 것이다.
c-Si PV 셀을 제조하기 위해, 실리콘 웨이퍼는 셀 제조 라인에서 일련의 처리 단계를 받는다. 각각의 유입되는 웨이퍼는 양전위(n형 웨이퍼) 또는 음전위(p형 웨이퍼)의 "자유 캐리어"(반도체 용어로)를 생성하는 원자로 가볍게 벌크 도핑(즉 전체 확산)된다. 제1 단계(결함 웨이퍼를 폐기하거나 웨이퍼를 로트(lot)로 분류하기 위한 수입 검사 후의 단계)는 웨이퍼를 습식 화학 에칭 공정에 통과시켜서 소 마크(saw mark) 및 기타의 표면 결함과 오염물을 제거하는 것이다. 각 웨이퍼는 그 다음에 그 표면을 미세하게 거칠게 하여 입사 광자를 포착하는 능력을 향상시키기 위해 등방성으로 텍스쳐링(다른 습식 공정)된다. 텍스쳐링 후에, 웨이퍼는 웨이퍼의 표면상의 층에서 벌크 도핑과는 반대되는 전위의 "자유 캐리어"(반도체 용어로)를 생성하는 화학물로 도핑된다. 현재의 실시에 있어서, 이 도핑은 각종 방법 중의 하나, 예를 들면 "인라인"(in-line)법 또는 "일괄"(batch)법으로 행할 수 있다. 인라인법은 웨이퍼의 상부 표면상에 도펀트 화학물을 증착하고 일반적으로 액체 형태로 운반된다. (인 도펀트의 경우에, 이 캐리어는 가장 통상적으로 인산이다). 증착된 도펀트 캐리어는 그 다음에 건조되고 결과물이 각 웨이퍼로 (고온 퍼네이스를 이용하여) 확산되어 반도체 접합을 형성하며, 이 반도체 접합은 웨이퍼가 태양광에 노출된 때 전기를 생성하게 한다. 이 인라인법에 있어서, 웨이퍼는 이러한 단계를 수행하는 장비, 즉 전형적으로 액체 캐리어를 적용하기 위한 제1 "도퍼" 머신, 캐리어를 건조시켜서 표면상에 도펀트 화학물을 남기는 "드라이어" 머신, 및 도펀트를 웨이퍼로 확산시키는 인라인 확산 퍼네이스인 제3 머신으로 이루어진 장비를 통하여 연속적으로 운반된다. 일괄법에 있어서, 웨이퍼는 카세트(가장 일반적으로 석영으로 제조되고 반도체 용어로 "보트"라고 부름)에 로드되고, 카세트가 "튜브" 확산 퍼네이스에 삽입되며, 그 다음에 퍼네이스가 밀봉되고, 웨이퍼들이 기체 형태의 도펀트 캐리어(가장 일반적으로 포스포릴 염화물)에 동시에 노출되고 도펀트를 웨이퍼에 확산시키도록 가열된다. 웨이퍼는 그 다음에 퍼네이스에서 제거되고, 보트로부터 언로드되며 제조 라인의 다음 단계로 이동된다. 상기 2가지 방법에서, 도입되는 도펀트의 양, 확산 공정에서 소비되는 시간, 및 확산 공정의 온도는 침투 깊이 및 제2 도펀트의 깊이에 의한 농도를 결정한다. 또한, 제2 도펀트는 확산 공정의 성질에 의해 웨이퍼의 모든 표면에 도입되어 확산된다. 이하에서, "도펀트"라 함은, 특별하게 인용되지 않는 한, 벌크 도핑 웨이퍼의 표면에 도입되는 상기 제2 도펀트를 말한다는 점에 주목한다. 각 웨이퍼는 그 다음에 다시 습식 에칭되어 포스포 실리케이트 글라스(PSG라고도 부르며, 도펀트 확산 단계의 부산물이다)를 제거하고, 션팅(shunting)을 방지하기 위해 "배면" 측에서 도펀트의 일부 또는 전부를 제거하거나 패터닝하기 위해 에칭될 수 있다. 이 단계 후에, 웨이퍼의 상부 표면에 코팅(가장 일반적으로 실리콘 질화물)이 적용되어 표면의 반사 및 부동태화(passivate)를 감소시킨다. 이 코팅은 일반적으로 플라즈마 증진 화학 기상증착 장비를 이용하여 적용된다. 이 단계 후에, 웨이퍼는 웨이퍼 밖으로 흐르는 전류에 대하여 최소 전기 저항의 경로를 제공하면서 Si 물질에 대한 노광을 최소로 간섭하도록 설계된 상부 접촉 패턴과 함께, 웨이퍼의 상부 표면 및 바닥 표면에 인쇄된 금속 접점들을 갖는다. 이 금속 접점들(금속 페이스트의 형태로 인쇄됨)은 건조된 다음에 퍼네이스를 이용하여 웨이퍼에 확산된다. 이 단계 후에, 만일 웨이퍼의 배면에 있는 도펀트 부분이 이전에 완전히 또는 부분적으로 제거되지 않았으면, 레이저 또는 기계적 장치를 이용하여 웨이퍼의 외주변 주위의 홈을 컷팅하여 션팅을 방지한다. 마지막으로, 웨이퍼(지금은 완성된 PV 셀이다)가 테스트되고 등급이 매겨진다.
웨이퍼의 체적 내에서 도펀트 분포의 함수인 도펀트 농도는 결과적인 완성된 PV 셀의 양자 효율 및 다른 전기적 특성을 결정함에 있어서 중추적인 임무를 수행하고, 이것은 궁극적으로 그 전력 출력 능력 및 시장 가치(market value)를 야기한다. 그러므로, 웨이퍼에 확산되는 도펀트의 양 및 분포와 관련된 PV 셀 제조 공정 내의 단계들은 가장 중요한 것들이다. 특히, 이 단계들은 (a) 웨이퍼 제조자에 의해 공급되는 미가공 웨이퍼(raw wafer)의 초기 "기본"(base) 도핑(현 시대의 대부분의 경우에, 미가공 웨이퍼는 붕소를 이용하여 양극으로 도핑된다); 및 (b) 웨이퍼의 외측 영역의 차후 도핑(현 시대의 대부분의 경우에, 이것은 인을 이용한 음극 도핑이다)이다. 제2 도핑 단계는 "에미터"라고 알려진 것을 형성한다. 우리는 미가공 웨이퍼 도핑을 인용하기 위해 "기본"이라는 용어를 사용하고, 제2 도핑 단계에 의해 생성된 결과적인 반도체 형성을 인용하기 위해 "에미터"라는 용어를 사용할 것이다.
에미터 형성 공정이 필요한 명세서 내에 있는 것을 보장하기 위해, 미가공 웨이퍼 기본 도펀트 농도 및 에미터 도펀트 농도의 표시를 제공하는 소정의 측정치가 취해진다. 현재의 실시에 있어서, 광전(PV) 웨이퍼는 가끔 수동으로 또는 PV 셀 제조 공정에서 서로 다른 간격으로 가시 스펙트럼 산업용 카메라를 이용하는 단일점 가시 측정 장치에 의해 검사된다. 미가공 물질 수용 단계(제조 라인의 시작시에) 및 최종 검사 및 등급 매기기 단계(제조 라인의 끝에서)를 제외하고, 웨이퍼의 연속적인 인라인 측정은 가끔 범위 및 커버리지에서 제한되고, 특히 가시 스펙트럼 산업용 카메라 기술에 의한 조사에 순응하지 않는 특성의 검사를 위하여 오프라인 비연속적 샘플링이 대신 사용된다. 오프라인 샘플링이 사용될 때, 샘플들 간의 시간 간격에서, 수백개의 웨이퍼가 제조 공정의 관심있는 단계를 통과할 수 있다. 이 상황은 PV 웨이퍼 내에서 도펀트의 적용, 농도 및 분포를 결정하는 공정 단계에서 일반적이고, 따라서 이러한 단계들은 현재로서 잘 제어되지 않고 PV 셀 제조 공장에서 수용가능한 완성된 제품의 수율을 제한한다. 수율을 높이기 위해, 산업계에서는 이제 PV 웨이퍼에서의 도펀트 농도 및 분포에 영향을 주는 단계들을 더 잘 제어하기 위해, 이상적으로 100%의 웨이퍼에 대하여 연속적인 인라인 측정의 구현을 추구한다.
전술한 잘 확립된 상업용 PV 셀 구조 및 제조 공정 외에, 이제 특정의 신규 PV 셀 구조 및 관련 제조 공정이 상업적 생산에 도입되고 있다. 이러한 상업적 생산물은 선택적 에미터 셀, 에미터 랩쓰루(wrap-through) 셀 및 서로 맞물린 배면 접점(interdigitated back contact; IBC) 솔라셀(IBC 셀)을 포함한다. 선택적인 에미터 셀은 전면(front-side) 금속 접점 바로 부근에서 최적의 전도 효율을 달성하고(이 영역에서의 더 고농도의 도핑을 의미함) 접점들 간의 원치않은 캐리어 재결합을 제한(이 영역에서의 더 저농도의 도핑을 의미함)하기 위해 에미터 도펀트 농도를 변화시킨다. 에미터 랩쓰루 및 IBC 셀은 셀의 뒤에 에미터 및 베이스 접점을 둠으로써 그늘 손실(shading loss)을 제거한다. 여기에서 설명하는 발명은 상기 PV 셀 지오메트리뿐만 아니라 여기에서 설명하는 더 일반적인 전면 및 배면 접점 지오메트리의 도펀트 함유량의 측정을 위해 사용될 수 있다.
반도체 발광 다이오드(이하에서는 단순히 "LED"라고 한다)는 PV 셀의 반대 기능을 수행한다. 광자를 흡수하여 전기를 발생하는 대신에, LED는 전기를 이용하여 광자를 발생한다(전기발광이라고 하는 현상). LED 제조에 있어서, 웨이퍼는 사파이어 등의 중립 기판으로 구성된다. PV 셀 제조와 비교할 때, 웨이퍼는 텍스쳐링되기 보다는 연마되고, 각 웨이퍼는 복수의 LED를 포함하며, 반도체를 생성하기 위해 사용되는 도펀트는 PV 셀 제조시에 사용되는 확산 공정에 의해 확산되기 보다는 웨이퍼의 표면상에 에피택셜 층으로서 증착된다. 이러한 구조적 및 제조상의 차이에도 불구하고, 이러한 도펀트 층은 본 발명으로 설명되는 동일한 방법으로 실험될 수 있다. 지금부터, 간단히 하고 명확히 하기 위해, PV 셀 구조를 설명하겠지만, 본 발명은 다른 도핑된 반도체 구조에도 또한 적용할 수 있다.
PV 셀 제조에 있어서, 에미터 도핑의 인라인 측정을 위한 다수의 종래의 기술 및 신규 기술이 제안되어 있지만, 모두가 심각한 취약점을 갖고 있다. 확산된 도펀트의 측정을 위해, 측정은 확산 길이의 표면 광전(Surface Photovoltage; SPV) 측정, 시트 저항의 와전류 측정, 및 독일의 태양 에너지 연구를 위한 프라운호퍼 연구소에서 개발한 시트 저항 측정의 적외선 측정법이다. (J. Isenberg, D. Biro 및 W.Warta의 "적외선 방법에 의한 시트 저항의 고속, 무접촉 및 공간적 분석 측정"(Fast, Contactless and spatially Resolved Measurement of Sheet Resistance by an Infrared Method), Prog. Photovolt: Res. Appl. 2004; 12:539-552). 우리가 아는 한, 습식 도펀트 캐리어 막의 측정을 위한 방법은 존재하지 않는다.
확산 길이(벌크 반도체의 과잉 캐리어가 평형 캐리어 농도를 달성하기 위해 재결합되기 전에 평균적으로 얼마나 멀리 이동하는지)를 측정하기 위해 실험실에서 SPV 측정이 이용되었다. 예를 들면 D. K. Schroder가 Meas. Sci. Technol. 12 R16-R31, 2001에 기고한 "표면 전압 및 표면 광기전력: 역사, 이론 및 응용"(Surface voltage and surface photovoltage: history, theory and applications)을 참고한다. SPV 측정은 전형적으로 웨이퍼를 접지 전극 위에 배치하고(배면 센서 판이 없는 비접촉법을 사용할 수도 있음) 샘플 위에서 작은 간격을 두고 용량성 프로브를 배치함으로써 수행된다. 측정이 용량성이기 때문에, 측정 면적이 매우 제한되고, 최대 격리 간격(stand-off distance)이 극히 작으며, 웨이퍼가 휘어지거나 수직 이동하는 것에 대한 공차가 거의 없다. 또한, 콘베이어 공급형 제조 동작에 있어서, 격리 간격이 제한되어 있기 때문에, 임의의 웨이퍼들이 함께 고정되는 경우(특수한 상황이 아님), 웨이퍼가 파괴되고 조각들이 콘베이어상에서 평탄하지 않은 경우(역시 특수한 상황이 아님), 또는 임의의 외부 물체가 콘베이어에 무심코 유입된 경우, 또는 콘베이어 자체가 센서 격리 간격을 초과하는 작은 수직 진동을 일으키는 경우에, 콘베이어에서 잼을 야기하는 "크래쉬"가 발생할 수 있다. 마지막으로, 특수한 웨이퍼 이송 필요조건 및 SPV 측정을 위한 매우 근접한 격리 간격 필요조건 때문에, 기존 제조 라인에 이러한 기술을 도입하는 것은 중요한 라인 수정을 요구할 수 있고, 이러한 수정은 비용이 많이 들고 비실용적일 수 있다.
와전류 측정은 SPV와 동일한 많은 제한을 가지며, 에미터 도핑의 인라인 측정에 부적합한 것으로 일찍이 밝혀졌다(메트릭으로서 시트 저항 측정을 이용함). (Rueland, E.; Fath, P.; Pavelka, T.; Pap, A.; Peter, K.; Mizsei, J,의 "인라인 품질 제어를 위한 에미터 시트 저항 측정의 비교 연구"(Comparative study on emitter sheet resistivity measurements for inline quality control), 광전 에너지 변환, 2003. Preceedings of 3rd World Conference on Volume 2, Issue, 12-16 May 2003 페이지:1085~1087 Vol.2.)
프라운호퍼법은, 비록 연구소에 대하여 적합하지만, 실제의 인라인 사용에 부적합하게 하는 많은 필요조건, 특히 인라인 제조 환경에서 제공하기에 극히 어렵고 비용이 많이 드는 위조 열 또는 광의 부재에 대한 절박한 필요조건을 갖는다.
요약하자면, 도펀트 함유량에 의해 결정되는 PV 웨이퍼의 전기적 특성의 인라인 측정을 가능하게 하는 상업적으로 생존할 수 있는 기술의 개발이 중요하지만, 제조 라인의 각 지점에서 사용되도록 충분히 구성가능하고, 신뢰성있게 동작하도록 산업적으로 충분히 강력하며 충분히 비용 효율성이 있는 공지의 기술은 현재로서 존재하지 않는다.
결국, 미가공 웨이퍼 도펀트 농도, 인라인 도퍼로부터 빠져나오는 습식 도펀트 막의 양 및 분포, 및 확산을 따르는 제조 라인의 임의의 단계에서 에미터의 도펀트 농도의 인라인 측정을 목적으로 융통성있고 구성가능하며 강력하고 비용 효율적인 방법 및 장치가 필요하다.
또한, 전통적인 균일한 도핑뿐만 아니라 선택적인 에미터, 랩쓰루 접점 및 IBC 셀 도핑 구조를 맵할 수 있도록 각 웨이퍼의 특수한 반복성 샘플 사이트를 규정할 필요가 있다. 결과적으로, 운용자가 만일 필요하다면 주기적인 또는 비계획적인 깊이 측정을 수행할 수 있도록, 스캐닝 "강도"(특정의 시구간 동안 크로스 머신 방향으로 단위 길이당 취해지는 샘플의 수)를 변화시키는 능력이 있는 장치 및 방법이 또한 필요하다.
본 발명은 반도체 물질의 도펀트 함유량을 비접촉 측정하는 시스템 및 방법이 개시된다. 이 방법은 반도체 물질에서 적외(IR) 방사선을 반사시키고 방사선을 2개의 빔으로 분할하는 단계, 각 빔을 상이한 파장 범위를 가진 대역 통과 필터에 통과시키는 단계, 각 필터를 통과한 에너지의 레벨을 비교하는 단계, 및 시스템에 대한 공지의 웨이퍼 도펀트 함유량으로 만들어진 상관 곡선을 참조하여 도펀트 함유량을 계산하는 단계를 포함한다.
도 1은 웨이퍼 흡수 스펙트럼을 보인 그래프이다.
도 2는 상이한 도핑 레벨(n-Si)에서 파장 대 자유 캐리어 흡수율의 관계를 보인 그래프이다.
도 3은 도핑되지 않은 c-Si 웨이퍼(W1)와 도핑된 c-Si 웨이퍼(W16)의 차동 반사율을 보인 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 따른 반도체 물질의 도펀트 함유량을 측정하기 위한 비접촉 시스템의 개략적 블록도이다.
도 5는 단일 송신기와 단일 수신기로 구성되고 수신기가 2개의 센서로 구성된, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 반도체 물질의 도펀트 함유량을 측정하기 위한 비접촉 시스템의 개략적 블록도이다.
도 6은 본 발명의 실시형태에 따른, 웨이퍼의 각종 테스트 위치에서의 샘플링 방법 및 샘플링 패턴을 보인 개략적 상면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 반도체 물질의 도펀트 함유량을 측정하기 위한 비접촉 시스템의 블록도이다.
도 8은 도 7에 도시된 시스템의 한 쌍이 도핑실의 어느 한 쪽에서 사용되는, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 반도체 물질의 도펀트 함유량을 측정하기 위한 비접촉 시스템의 블록도이다.
도 9는 복수의 송신기 및 수신기가 일련의 반도체 물질 웨이퍼 위에 배치된, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 반도체 물질의 도펀트 함유량을 측정하기 위한 비접촉 시스템의 블록도이다.
도 10은 본 발명의 실시형태에 따른 반도체 물질 층의, 4-점 프로브에 의해 측정된 시트 저항에 대한 반도체 물질 층의 도펀트 함유량을 측정하기 위한 비접촉 시스템의 상관성을 보인 예시적인 그래프이다.
도 2는 상이한 도핑 레벨(n-Si)에서 파장 대 자유 캐리어 흡수율의 관계를 보인 그래프이다.
도 3은 도핑되지 않은 c-Si 웨이퍼(W1)와 도핑된 c-Si 웨이퍼(W16)의 차동 반사율을 보인 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 따른 반도체 물질의 도펀트 함유량을 측정하기 위한 비접촉 시스템의 개략적 블록도이다.
도 5는 단일 송신기와 단일 수신기로 구성되고 수신기가 2개의 센서로 구성된, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 반도체 물질의 도펀트 함유량을 측정하기 위한 비접촉 시스템의 개략적 블록도이다.
도 6은 본 발명의 실시형태에 따른, 웨이퍼의 각종 테스트 위치에서의 샘플링 방법 및 샘플링 패턴을 보인 개략적 상면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 반도체 물질의 도펀트 함유량을 측정하기 위한 비접촉 시스템의 블록도이다.
도 8은 도 7에 도시된 시스템의 한 쌍이 도핑실의 어느 한 쪽에서 사용되는, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 반도체 물질의 도펀트 함유량을 측정하기 위한 비접촉 시스템의 블록도이다.
도 9는 복수의 송신기 및 수신기가 일련의 반도체 물질 웨이퍼 위에 배치된, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 반도체 물질의 도펀트 함유량을 측정하기 위한 비접촉 시스템의 블록도이다.
도 10은 본 발명의 실시형태에 따른 반도체 물질 층의, 4-점 프로브에 의해 측정된 시트 저항에 대한 반도체 물질 층의 도펀트 함유량을 측정하기 위한 비접촉 시스템의 상관성을 보인 예시적인 그래프이다.
웨이퍼(또는 임의의 기판) 위의 습식 막(wet film)은 전자기 흡수 및 반사 특성을 갖는다. 특히, 물 기반 막(water-based film)에서의 물 분자는 적외선("IR") 파장에서 특성 흡수 피크를 갖는다. 이것은 도 1의 물 흡수 스펙트럼 그래프로 나타내었다. 도핑된 실리콘(또는 임의의 반도체) 웨이퍼는 도핑에 기인하는 자유 전하 캐리어의 공간 집중에 대응하는 적외 방사선의 특성 흡수, 반사 진폭 및 반사 위상/분극을 또한 갖는다. 특히, n형 도핑 실리콘은 도 2 및 도 3에 도시된 것처럼 상이한 도핑 레벨에서 적외선 스펙트럼의 크게 다른 자유 캐리어 흡수율(또는 결과적으로, 반사율)을 나타낸다.
도 2는 다른 농도로 확산되어 300°K에서 음극으로 도핑된 실리콘 기판(n-Si)을 형성하는 다양한 음극 도펀트에 대한 파장 대 자유 캐리어 흡수율의 관계를 보인 그래프이다. 도 2의 그래프에 표시된 수치들을 참조하면, 도펀트 농도(㎤당 원자수로)는 1 - 1.4×1016 cm-3(비소 도펀트); 2 - 8×1016 cm-3(안티몬); 3 - 1.7×1017 cm-3(안티몬); 4 - 3.2×1017 cm-3(인); 5 - 6.1×1018 cm-3(비소 주석 합금); 및 6 - 1×1019 cm-3(비소)이다.
도 3은 2개의 다결정(폴리 c-Si) 웨이퍼, 즉 붕소만으로 벌크 도핑된 하나의 웨이퍼(W1)와 상부 표면 내로 확산된 인 층을 또한 가진 다른 하나의 웨이퍼(W16)의 적외선 파장에 의한 차동 반사율을 보인 그래프이다. W1 및 W16 다음의 숫자 1~5는 실험되는 각 웨이퍼의 세그멘트들을 나타낸다. 그래프에서의 측정치는 순수 결정질 실리콘 기준 샘플에 대하여 정상화된다. 그래프는 입사 적외선 파장이 길어짐에 따라서 인 도핑층을 가진 웨이퍼의 대응하는 반사율이, 기준 샘플과 비교할 때, 벌크 도핑 웨이퍼에 비하여 명백하게 더 강한 것을 나타내고 있으며, 따라서 추가된 도펀트 층이 적외선 파장의 함수로서 반사율에 영향을 주는 것을 나타내며, 결과적으로 파장 대 적외선 반사율의 정상화 기울기를 이용하여 이 층의 도핑 레벨을 결정할 수 있다.
게다가, 다른 기판상에서 인이 아닌 임의의 화학물 층 또는 막의 존재, 및 확산 여부는 경계에서 층/막의 두께 및/또는 조건을 결정하기 위해 사용될 수 있는 회절, 반사, 파장 변이 및 위상 변화를 야기한다. 이러한 흡수 및 반사의 크기, 위상, 분극 및 파장은 사용되는 특수한 막 또는 도펀트, 막 또는 도핑의 밀도 및 두께, 및 임의의 하부 기판의 성질에 의존한다.
웨이퍼 또는 기판에 공지의 파장 및 강도 레벨로 적외 방사선을 투과시킴으로써, 특성 파장의 흡수가 수신기에서 관측된 반사 값의 함수로서 측정될 수 있다. 위상 편이, 파장 변화 및 분극 변화가 또한 측정될 수 있다. 흡수된 에너지의 양이 습식 막의 양 및 조성에 비례해서, 또는 에미터 도핑 농도에 비례해서 변하기 때문에, 경우에 따라서, 습식 막 농도, 깊이 및 분포, 또는 에미터 농도는 각각 조사 에너지와 반사 에너지 간의 차를 측정함으로써 측정될 수 있다.
웨이퍼 또는 기판상의 복수의 특정 위치로부터 측정치 및 샘플을 취하는 것이 바람직하다. 이것은 단일 샘플이 폭넓은 변화를 나타낼 수 있고 이러한 변화를 부드럽게 할 필요가 있으며, 또한 웨이퍼 또는 기판이 습식 막 또는 도펀트의 확산의 고의로 차별화된 증착을 가질 수 있기 때문이다.
또한, 각 샘플에 대하여, 샘플 사이트에서 동시 차동 조사를 이용함으로써, 여기에서 설명하는 장치 및 방법은 공장 환경으로부터의 광, 열 및 진동에 대하여 내성을 가질 수 있고, 온도, 변화하는 격리 간격 및 변화하는 입사각을 보상할 수 있다.
도 4에 도시된 장치(10)는 멀티레인(multi-lane) 콘베이어 공급형 광전("PV") 셀 제조 설비용이다. 그러나, 싱글 레인 및/또는 비 콘베이어 구성도 또한 LED 및 다른 반도체 제조 설비에 대하여 사용할 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
PV 웨이퍼(12)를 측정하는 영역 위에 하나 이상의 송신기 및 수신기가 장착된다. 각 수신기는 위에서 설명한 것처럼 상이한 신호 데이터를 포착하는 용도를 가진 2개 이상의 센서로 구성된다. 간단히 하고 명확히 하기 위해, 도핑 실리콘의 도펀트 함유량을 측정하기 위한 비접촉 시스템은 단일 송신기(16) 및 단일 수신기(18)로 구성되고 단일 수신기(18)가 2개의 센서(20, 22)로 구성된 장치(14)와 관련하여 설명할 것이다. 이것은 본 발명의 다른 실시형태를 블록도로서 개략적으로 도시한 도 5와 관련하여 설명된다.
블록도의 장비를 내포하는 센서 하우징은 웨이퍼(12) 표면 위로 약 50~150 mm 이격되어 위치된다.
송신기에 대하여 적어도 3개의 가능한 실시형태가 존재하며, 각 송신기는 서로 다른 적외 방사선 소스를 내포한다. 제1 실시형태에 있어서, 소스는 타원 반사기 내에 장착된 하나 이상의 연속적인 광대역 적외선 소스로 구성된다. 제2 실시형태에 있어서, 소스는 다중 파장 적외선 레이저로 구성된다. 제3 실시형태에 있어서, 소스는 2개의 단일 파장 적외선 레이저로 구성된다.
송신기의 제1 실시형태를 참조하면, 적외선 소스(16)의 타원 반사기(24)는 적외선 소스로부터의 적외 방사선의 넓은 스펙트럼을 공간 내의 단일 지점에 집속시킨다. 초퍼 휠(chopper wheel)(26)은 적외 방사선을 약 1 KHz에서 변조하는 타원의 초점에 위치되지만, 방사선은 진폭 변조, 주파수 변조, 펄스 변조 또는 위상 편이 변조 등을 포함한 임의의 적당한 방법 또는 방법들의 조합에 의해 변조될 수 있다. 변조의 이용은 검출기가 검출 신호의 변화에 응답하고 변조가 전송된 적외선 신호를 배경 적외 방사선으로부터 구별하며 신호 대 잡음비를 증대시키기 때문에 필요하다. 변조는 또한 반사 신호에 포함된 변화를 통하여 변조에서의 효과를 측정함으로써 도펀트 함유량에 대한 정보를 발생하기 위해 사용될 수 있다.
비등축(off axis) 타원 반사기(28)는 변조된 방사선을 수신하도록 적외선 소스(16)와 대면하는 것으로 도시되어 있다. 타원 반사기(28)는 초퍼 휠(26)로부터의 변조 방사선을 웨이퍼(12)에 대하여 약 45°의 입사각으로 웨이퍼(12)상의 측정점(30)에 집속시키고 방사선의 피크를 수신기(18)의 제1 렌즈(32)의 중심에 정렬한다(이에 대해서는 뒤에서 설명함). 그러나, 반사기(28)는 송신기(16)의 제2 및 제3 실시형태의 경우에는 레이저가 이미 동일선상 포맷(collinear format)에 있기 때문에 불필요하다는 것을 이해할 것이다.
각 수신기(18)에 대하여 적어도 2개의 가능한 실시형태가 있다. 수신기(18)의 제1 실시형태에 있어서, 수신기(18)는 적외 방사선이 웨이퍼(12)와 부딪히는 측정점(30) 위에 장착된다. 반사된 적외 방사선은 확산되고 제1 렌즈(32)에 의해 수집되어 제1의 협대역 통과 필터(34)로 지향된다. 제1 필터는 적외선 스펙트럼의 선택된 파장에서 중심이 맞춰진 협대역의 적외 방사선을 통과시킨다. 이 파장은 관심있는 수신 신호 특성에서의 등방성 텍스쳐링의 효과가 크지 않도록 선택된다. 수신된 방사선의 다른 부분은 제1 필터(34)에 의해 반사된다.
반사된 방사선은 2개 대역의 파장이 중첩되지 않도록 다른 선택된 파장에서 중심이 맞춰진 제2의 협대역 통과 필터(36)로 지향된다. 유사하게, 이 제2 파장은 관심있는 수신 신호 특성에서의 임의의 등방성 텍스쳐링의 효과가 크지 않도록 선택된다. 양호한 실시형태에 있어서, 하나의 대역 통과 필터(34 또는 36)는 +/- 125 나노미터의 통과 대역을 가진 약 8 마이크로미터에서 중심 대역 통과를 가지며, 다른 필터(34 또는 36)는 +/- 175 나노미터의 통과 대역을 가진 약 10.5 마이크로미터에서 중심 대역 통과를 갖는다.
제1 필터(34)를 통과한 방사선은 제2 렌즈(38)에 의해 제1 적외선 검출기 또는 센서(20)에 집속되고, 제1 적외선 검출기(20)는 제1 검출기(20)에 도달하는 적외 방사선의 강도에 비례하는 낮은 전압 신호를 생성한다. 제2 필터(36)를 통과한 방사선은 제3 렌즈(40)에 의해 제2 적외선 검출기 또는 센서(22)에 집속되고, 제2 적외선 검출기(22)는 제2 검출기(22)에 도달하는 적외 방사선의 강도에 비례하는 낮은 전압 신호를 생성한다.
각 검출기의 낮은 전압 신호는 각각의 증폭기(42, 44)에 의해 증폭되고, 그 다음에 송신기(16)의 초퍼 주파수에 동기화되고 컴퓨터(48)에 의해 제어되는 아날로그-디지털 데이터 포착 보드(46)에 의해 포착된다. 따라서, 센서(20, 22)는 제1 및 제2 필터(34, 36)를 각각 통과하는 2개의 협대역의 적외선 에너지에 비례하는 2개의 전압치를 생성한다.
컴퓨터(48)는 각 검출기(20, 22)로부터의 전압을 이용하여, 위에서 설명한 것처럼, 웨이퍼(12)의 상부층의 도펀트에 의해 흡수된 에너지에 비례한, 각 대역에서 수신된 에너지 양들 간의 기울기 및/또는 비율을 계산한다. 도펀트 함유량은 특히(그러나 제한되는 것은 아님) 도 10에 예시된 것처럼 상관 곡선을 통하여 기울기를 통과한 각종 도펀트 함유량에서 웨이퍼 물질의 적외선 반사 모델에 기초하여 계산 또는 테이블 조사에 의해 결정된다.
수신기의 제2 실시형태에 있어서, 제1 렌즈의 초점에서 반사 IR 에너지를 복수의 동일 부분으로 분할하고 결과적인 동일 부분들을 검출기 어레이로 지향시키기 위해 빔 스플리터가 사용되고, 각 검출기 앞에는 서로 다른 대역 통과 필터가 배치된다. 각 검출기는 각 검출기에 도달하는 적외 방사선의 강도에 비례하는 전압을 전송한다. 따라서, 파장 상관 곡선에 대한 도핑의 복수의 지점에서 측정이 이루어져서 기울기 측정의 정확성을 개선하고(기울기가 파장에 따라 변할 수 있기 때문에), 그에 따라서 반도체 물질 내에서 또는 위에서 도펀트 함유량을 개선한다.
장치(14)의 다른 실시형태에 있어서, 대역 통과 필터(34)가 렌즈(32) 뒤에 배치되는 대신에 빔 스플리터가 렌즈(32) 뒤에 배치된다. 빔 스플리터는 렌즈(32)로부터의 빔을 2개의 빔으로 분리하여 각각의 대역 통과 필터(34, 36), 각각의 렌즈(38, 40) 및 각각의 센서(20, 22)로 지향시킨다.
도 5에 단일 반도체 웨이퍼(12)로서 도시된 피실험체의 표면은 콘베이어상의 복수의 반도체 웨이퍼, 정지 웨이퍼, 또는 기판상의 박막과 같은 모노리틱 표면일 수 있다. 표면은 임의의 크기를 가질 수 있다.
반도체 물질(10)의 도펀트 함유량을 측정하기 위한 비접촉 시스템의 양호한 실시형태는 개략적 블록도의 형태로 도 4에 도시되어 있다. 복수의 센서 헤드(50)가 콘베이어의 이동 방향에 수직하게 웨이퍼 콘베이어(도시 생략됨) 위에서 5 밀리미터 내지 250 밀리미터의 간격으로 나란히 장착된다. 각 센서 헤드(50)는 하우징을 포함하고, 하우징 내에는 단일 송신기(16) 및 단일 수신기(18)(도 5 참조)를 비롯해서 도 5에 도시한 장치의 컴포넌트들이 내포된다. 수신기(18)는 2개의 센서(20, 22)(도 5 참조)를 포함한다. 또한, 이들 컴포넌트들은 도 5와 관련하여 위에서 설명한 방식으로 동작하도록 구성된다. 특히, 각 센서 헤드의 내측에는 적외선 소스(16), 초퍼 휠(26), 집속 반사기(28), 렌즈(32)가 설치되어 반사된 적외 방사선을 수집하고 적외 방사선을 대역 통과 필터(34) 또는 빔 스플리터, 소정의 주파수 범위에서 적외 방사선의 양에 비례하는 전압을 생성하는 2개의 검출기(20, 22), 및 이 전압을 증폭하는 수단(42, 44) 및 이 전압을 초퍼 휠(26)의 갭들과 동기화되는 주파수의 디지털 신호로 변환하는 수단(46)으로 지향시킨다.
각 센서 헤드(50)는 콘베이어의 이동 방향에 수직한 정밀 트랙(54) 내의 휠(52) 위에 탑재된다. 트랙(54)은 장비 프레임(58)에 고정된 지지빔(56)에 의해 지지되거나, 대안적으로 플로어(floor)로부터 지지된다. 각 센서 헤드에 대한 전력은 전력 및 종단 캐비넷(62)으로부터 대응하는 전력 케이블(60)에 의해 전달된다. 전력 케이블(60)은 헤드(50)가 규정된 측정 범위에 걸쳐서 트랙(54)을 따라 자유롭게 이동하도록 구성된다. 센서 헤드(50)의 어레이는 콘베이어에 탑재되어 있는 대응하는 웨이퍼(12) 위에 각 헤드(50)를 위치시키는 선형 액츄에이터(64)에 의해 화살표(66) 방향으로 트랙(54)을 따라 함께 이동된다. 콘베이어의 이동과 선형 액츄에이터(64)의 이동의 조합에 의해 패턴이 웨이퍼를 가로질러 측정될 수 있다.
사용시에, 선형 액츄에이터(64)와 콘베이어는 서로에 대하여 직각인 방향으로 움직인다. 이것에 의해 측정점(30)의 패턴이 도 6에 도시된 것처럼 본래 대각선으로 된다. 콘베이어는 화살표(68)의 방향으로 움직인다. 그러나, 만일 액츄에이터(64)가 콘베이어보다 훨씬 더 빠르게 이동하면, 각 웨이퍼(12)가 웨이퍼(12)를 가로질러 몇 개의 지점에서 측정될 수 있다. 이것은 도 6에 점으로 표시된 측정점(30)의 패턴으로 예시되어 있고, 그들 중의 일부는 참조 번호 30으로 표시되어 있다. 도 6으로부터, 선형 액츄에이터(64)가 역방향으로 이동할 때 추가의 대각선 패턴의 측정점(30)이 만들어질 수 있다는 것을 알 수 있다. 이것은 웨이퍼(12)가 화살표(68) 방향으로 콘베이어에 의해 이동됨에 따라 복수 회 반복될 수 있다. 측정점(30)의 어레이 및 일정한 콘베이어 속도에 대하여 웨이퍼(12)를 가로지르는 그들의 위치는 샘플링 속도 및 선형 액츄에이터(64) 속도의 함수이다.
각 측정점(30)에서, 각 센서 헤드(50)의 수신기(18)의 2개의 검출기(20, 22)로부터의 증폭 전압은 센서 헤드(50) 내에 위치된 다중화 아날로그-디지털 변환 보드(48) 및 임베디드 컴퓨터(48)를 이용하여 디지털 신호로 변환된다(도 5 참조). 이렇게하여 얻어진 값들은 전력 케이블(60)과 결합될 수 있는 필드버스 또는 LAN 케이블을 통해 전력 및 종단 캐비넷(62)에 전송된다. 각 측정점(30)에서의 결과적인 2개의 측정치, 및 선형 액츄에이터(64) 위치에 대응하는 측정점의 위치는 컴퓨터(72)에 보내지고 각 측정점(30)에 대하여 저장된다. 콘베이어상의 웨이퍼(12)의 존재는 센서(20, 22)에서의 전체 신호 레벨의 단계적 증가에 기초하여 알려진다.
특정 웨이퍼(12) 또는 다른 기판상의 샘플 사이트 및/또는 샘플링 속도는 특정의 패턴을 따르도록 규정될 수 있다. 게다가, 패턴은 미리 규정될 수 있고, 하나 이상의 패턴이 미리 규정될 수 있다. 일련의 샘플에 대하여, 하나 이상의 패턴을 사용할 수 있고, 또는 샘플 사이트(측정점(30)) 및 샘플링 속도는 임의로 변경될 수 있다. 이러한 가변적인 샘플링 기술은 도 6에 도시되어 있다. 게다가, 샘플 사이트는 콘베이어상에서 웨이퍼(12) 또는 다른 기판의 이동을 활용함으로써 "이동 방향"을 따라 변경될 수 있다.
샘플링 사이트 위치를 웨이퍼(12)마다 반복성있게 하기 위해, 사이트는 피실험체 표면상에 규정된 특정의 2차원 위치로부터 옵셋되어야 한다. 피실험체 표면이 복수의 웨이퍼(12)로 구성된 경우에, 각 웨이퍼(12)의 2개의 엣지가 그 웨이퍼(12)의 모든 샘플링 사이트에 대한 기준으로서 사용된다. 이 엣지들은 콘베이어만이 존재할 때의 신호 대 웨이퍼(12)가 존재할 때의 검출 신호에서 방사 레벨 변화를 검출함으로써 위치될 수 있다.
센서 헤드(50)에서 수신기(18)의 각 센서(20, 22)로부터의 전압의 비율 또는 차는 웨이퍼의 도펀트 함유량인 독립 변수에 상기 비율/차를 관련시킨 상관 곡선의 종속 변수로서 사용된다. 상관 곡선은 도펀트 함유량이 공지된 웨이퍼(전기화학 용량-전압 프로파일링과 같은 연구소 기반 접촉 4-점 프로브 또는 다른 오프라인 측정 기술을 이용하여 측정된 것)를 센서 헤드(50) 아래로 통과시키고 결과적인 신호를 양쪽 센서(20, 22)에서 측정하며 전압의 관측된 비율/차를 연구소 측정치로부터의 공지된 도펀트 함유량에 관련시키는 최소제곱 회귀(least-square regression)를 수행함으로써 결정된다. 그에 따라서 도 10에 도시된 유형의 상관 곡선이 생성되고 참고로 컴퓨터의 메모리에 저장된다.
만일 웨이퍼(12)가 엇갈리게 되거나 각 웨이퍼(12)에서 다른 패턴을 측정하는 것이 바람직하면, 대안적인 실시형태는 각 센서 헤드(50)에 대한 선형 액츄에이터 및 독립 트랙 위의 각 헤드(50)를 포함한다. 그러나, 이 실시형태에서는 콘베이어 위의 웨이퍼(12)의 이동 방향으로 전체 측정 시스템의 크기가 증가한다.
반도체 물질의 도펀트 함유량을 측정하기 위한 비접촉 시스템의 다른 실시형태가 도 7에 개략적으로 도시되어 있다. 단일 적외 방사선 소스를 내포하는 단일 송신기(74)(예를 들면, 도 5의 송신기 또는 소스(16))가 PV 셀 제조 라인과 같은 제조 라인의 일부로서 웨이퍼(12)를 홀드 및 운송하는 콘베이어(도시 생략됨)의 일측에 위치된다. 소스는 집속 렌즈 또는 선택성 파장을 가진 레이저를 구비한 광대역 소스일 수 있다. 소스는 연속적 광대역 적외선 소스일 수 있다. 집속된 빔은 초핑 휠에 의해 또는 방사선 빔을 웨이퍼의 선택된 지점에 지향 및 집속시키는 조향 반사기(steering reflector)로 레이저를 전자적으로 변조함으로써 변조된다. 이들은 모두 도 5와 관련하여 위에서 설명한 것과 같다.
이 실시형태에 있어서, 조향 반사기는 축 주위에서 회전하여 1행(row) 내의 웨이퍼 그룹에 대하여 빔을 직렬로 지향 및 집속시키도록 선택된 간격으로 웨이퍼(12) 표면(78)상의 선택된 위치에 대한 전송 신호(76)의 입사를 변경할 수 있다. 도 7에는 몇 개의 전송 신호(76) 및 대응하는 몇 개의 수신 신호(82)를 나타내고 있지만, 시스템은 직렬로 동작할 수 있고 신호들이 발생되지 않으며 신호들이 동시에 수신되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 유사하게, 만일 레이저가 소스로서 사용되면, 조향 반사기는 축 주위에서 회전하여 빔을 콘베이어상에서 움직이는 웨이퍼(12) 그룹의 선택된 지점에 접촉시킬 수 있다.
수신기(80)는 소스 빔(76)에 의해 조명된 웨이퍼상의 동일 지점을 보이도록 조정되는 집속 요소 및 반사기와 함께 콘베이어의 다른 측에 위치된다. 결과적인 빔 방사선(82)은 집속 요소에 의해 검출기로 지향된다.
송신기(74) 및 수신기(80)가 특수한 샘플 사이트로 방위 설정된 때, 송신기는 방사선 빔(76)을 전송하고 수신기는 웨이퍼 표면(78)으로부터 반사된 신호(82)를 수신한다. 이러한 전송 및 수신은 "샘플 주기"라고 알려져 있는 특정 시구간 동안 발생한다(규정된 시구간 동안 취해지는 샘플의 수는 "샘플링 속도"라고 알려져 있다). 샘플 사이트에서 웨이퍼(12) 표면(78)의 관측 부분의 형상 및 크기는 "샘플 영역"이다. 샘플 영역 내에서, 임의의 시간에 수신기가 볼 수 있는 특수 영역의 형상 및 크기에 의해 규정되는 부영역(sub-area)이 있을 수 있다. 이것은 샘플 "스폿"이라고 부른다.
만일 소스가 광대역 적외선 소스와 같은 넓은 스펙트럼의 적외선 에너지를 내포한 광대역 소스이면, 수신기(80)의 일부로서 빔 스플리터를 이용하여 수신 신호를 2개의 동일 부분으로 분할하고 그 다음에 각각의 반(half)을 수신기(80) 내에서 각각 상이한 중심 파장을 가진 2개의 협대역 통과 필터에 집속시킬 필요가 있다. 각 협대역 통과 필터를 통과한 에너지는 2개의 검출기 중 대응하는 검출기에 집속되고, 전압으로 변환되며, 각 대역의 에너지에 대응하는 디지털 신호로 증폭 및 변환된다. 2개의 측정치 간의 기울기 또는 비율이 계산되고 조향 반사기 위치의 위치에 의해 규정된 신호의 주어진 위치에 대하여 저장된다. 이것은 도 5와 관련하여 위에서 설명한 것과 동일한 방식으로 수행된다. 그 다음에, 소스 빔은 웨이퍼의 새로운 스폿으로 이동되고, 수신기는 동일한 스폿을 보도록 위치되며, 다음 위치에 대하여 공정이 반복된다.
만일 소스가 선택가능한 파장을 가진 레이저이면, 레이저는 2개 이상의 파장 사이에서 교대로 되고, 조향 반사기를 이용하여 어느 한 지점에 집속된다. 수신기는 집속 요소로 구성되고 반사기는 전압이 레이저 변조 주파수에 대응하는 주파수로 증폭 및 샘플링되는 단일 검출기에 수신 에너지를 집속시킨다.
도펀트 함유량을 측정하기 위한 비접촉 측정 시스템의 다른 실시형태는 처리 단계의 시작시에, 또는 연속적인 일련의 처리 단계에서 하나 이상의 웨이퍼를 측정하고, 그 다음에 처리 단계의 끝에서 웨이퍼를 측정하며, 웨이퍼의 적외선 반사율의 변화를 계산하는 것과 관련하여 도 8에 개략적으로 도시되어 있다. 이 변화는 각 웨이퍼에서 처리의 정확한 충격을 결정하기 위해 사용된다.
이 실시형태는 도펀트 또는 도펀트 캐리어(예를 들면, 인산)가 웨이퍼 표면에 도포되고, 건조되고, 또는 웨이퍼 내로 확산되고, 웨이퍼 내로 주입되고, 하나 이상의 에피택셜 층으로서 증착되고, 또는 웨이퍼의 표면으로부터 에칭되는 어느 곳이든지 반도체 제조 공정에서 사용될 수 있다. 또한, 표면 텍스쳐를 생성하기 위해 웨이퍼가 처리되는 어느 곳이든지 사용될 수 있다.
이 구성에서, 웨이퍼(12)는 화살표(88) 방향으로 콘베이어(86)에 탑재된다. 웨이퍼는 머신 또는 순차적 머신 집합(단일 엔티티로서 도시되어 있음)(84)에 의해 실행되는 공정 또는 일련의 공정 전 및 후에 도 7과 관련하여 설명한 시스템(도 8에서 동일한 컴포넌트에 대하여 동일한 참조 번호로 표시됨)에 의해 측정된다. 이 구성은 처리 전에 기본 웨이퍼(90)의 반사율을 측정하고, 그 다음에 처리 후의 웨이퍼(92)의 반사율을 측정한다. 컴퓨터(94)는 측정 및 비교 처리를 제어한다. 도 4와 관련하여 설명한 시스템은 도 7과 관련하여 설명한 시스템 대신에 이 시스템에서 사용될 수 있다.
전술한 내용의 일반론을 제한하지 않고, 소정의 PV 셀 제조 단계에 대한 이 실시형태의 사용 예에 대하여 이제 설명하겠다. 제1 예에 있어서, 머신(84)은 도퍼 머신뿐이고, 이 실시형태는 웨이퍼상의 증착된 습식 도펀트 캐리어를 측정하기 위해 사용된다. 제2 예에 있어서, 머신(84)은 인라인 확산 퍼네이스뿐이고, 이 실시형태는 웨이퍼의 표면에 있었던 건식 도펀트가 웨이퍼 내로 확산하는 퍼네이스의 확산 효과를 측정하기 위해 사용된다. 제3 실시형태에 있어서, 머신(84)은 PSG 식각 머신이 이어지는 확산 퍼네이스이고, 이 실시형태는 도펀트 확산 및 에칭 처리를 종합하여 측정하기 위해 사용된다.
반도체 물질의 도펀트 함유량을 측정하기 위한 비접촉 시스템의 다른 실시형태는 도 9에 개략적으로 도시되어 있다. 도 4와 관련하여 설명한 실시형태의 대안 예인 이 실시형태에 있어서, 송신기(74)와 수신기(80)(도 7에서와 같음)는 모두 단일의 지지 구조물(96)에 위치되고, 지지 구조물(96)은 도 6에 예시된 패턴에 대하여 웨이퍼(12)를 조사하기 위해 화살표 방향으로 앞뒤로 함께 이동된다.
센서(20, 22)에서 샘플들을 비교하는 출원인의 방법의 예는 센서(20, 22)에서 수신된 신호들의 진폭의 차를 계산하고, 대응하는 센서(20, 22)와 관련된 대역 통과 필터(34, 36)의 각 통과대역의 중심 간의 차에 의해 나누는 것이다. 파장의 함수인 반사율에 대한 그래프에서, 이것은 대응하는 센서(20, 22)와 관련된 대역 통과 필터(34, 36)의 각 통과대역의 중심을 교차하는 선분의 기울기이다. 보다 명확히 하기 위해, 센서(20)와 관련된 대역 통과 필터(34)의 통과대역의 중심은 8 마이크로미터이고, 센서(22)와 관련된 대역 통과 필터(36)의 통과대역의 중심은 10 마이크로미터일 수 있다. 만일 센서(20)에서의 수신 신호 진폭이 "x"이고 센서(22)에서의 수신 신호 값이 "y"이면, 기울기는 (y-x)/4이다. 다른 기울기는 다른 도펀트 양이 검출된 것을 나타내고, 기울기를 이용함으로써 여기에서 설명하는 요인들에 기인하는 진폭 변동의 효과가 완화된다.
유사한 완화가 센서(20, 22)에서 측정된 신호 진폭의 비율을 이용하여 달성될 수 있다. 이 경우에, 비율은 y/x로서 규정된다. 마찬가지로, 센서(20, 22)에서의 수신 신호 위상 또는 수신 신호 분극 간의 차 또는 이들의 비율이 사용될 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시형태에 따른 반도체 물질의 도펀트 함유량을 측정하는 비접촉 시스템의 예시적인 상관 곡선을 보인 그래프이다. 이 예에서, 도펀트 함유량은 시트 저항으로서 표시된다. 그래프의 곡선(이 예에서는 선분)은 시트 저항의 오프라인 4-점 프로브 측정치(y축)와 2개의 검출기로부터 판독한 2개의 전압 간의 선분의 기울기의 측정치(x축) 간의 상관성을 나타낸다. 이러한 상관성은 공지의 증가적으로 도핑된 웨이퍼를 콘베이어에 배치하고 각 센서(20, 22)로부터 결과적인 전압을 측정하며, 두 지점 간의 선분의 결과적인 기울기(또는 2개의 전압의 비율)를 계산하고 최소 제곱 회귀를 이용하여 선형 모델을 맞춤(fitting)함으로써 발생된다. 관측된 데이터 지점은 다이아몬드 표시로 나타내었고 선분과 가장 잘 맞는다. R2 값은 계산된 선분이 관측된 측정치와 맞는 정도를 나타내고, 그 값이 1.0에 가까울수록 선분이 관측 데이터에 더 잘 맞는다. 도 10의 예에서, R2 값은 0.9486이다. 선분은 관측 기울기(x)에 대응하는 시트 저항(y)을 계산하기 위해 사용된다. 도 10과 관련한 예에서 y = -575.65x + 17.391이다.
만일 기울기가 -0.1이면, 시트 저항 y = -575.65(0.1) + 17.391 = 74.9 오옴 퍼 제곱이다.
다수의 샘플이 웨이퍼 또는 기판상의 샘플 영역에서 취해진다. 이 샘플들의 값은 집합적으로 처리되어(예를 들면 평균값의 계산이지만, 배타적인 것은 아님) 의미있는 측정치를 제공한다. 각 샘플 영역은 잘 규정될 수 있고 개별 샘플들이 웨이퍼마다 또는 기판마다 통계적으로 유효하고 필적하는 측정치를 획득하기 위해 웨이퍼마다 또는 기판마다 동일한 위치에서 정확하게 반복될 필요는 없다.
필터(34, 36)의 통과 대역은 반사 신호 진폭에 대하여 다른 감도를 갖도록 선택된다. 하나의 절대 측정치보다는 2개의 다른 값들 간의 비교를 이용함으로써, 측정치는 하기의 것들 중 임의의 하나 이상에 기인하는 변동을 제거하도록 정상화된다:
· 입사 경로 길이와 반사 경로 길이, 및 복수의 샘플 사이트를 가로지르는 스캐닝에 기인하는 샘플 영역의 샘플 간 변화
· 진동에 기인하는 경로 길이, 감쇠 또는 샘플 면적의 샘플 간 변동 또는 피실험체 표면에서의 3차원 위치 변화(예를 들면, 콘베이어 벨트 불규칙성에 기인하는 "범핑")
· 피실험체 표면 텍스쳐, 결정 경계 또는 다른 표면 아티팩트, 예를 들면 산화물, 인-규산염 글라스, 반사방지 코팅 또는 오염물의 변동에 기인하는 신호 특성의 샘플 간 변화
· 피실험체 표면 온도 변동에 기인하는 반사율 변경
· 대기 습도 및/또는 공기 중의 입자에 기인하는 신호 감쇠, 위상 또는 분극의 변경
· 주변 광 및 열의 변경
· 센서에서 발생하는 전기 잡음
· 전송된 신호에서의 파장 및/또는 진폭 표류(drift), 및 수신기에서의 기준 파장 표류
· 측정 환경에서 신호를 손상시키는 임의의 다른 소스.
지금까지 본 발명의 특정의 실시형태를 예시 목적으로 여기에서 설명하였지만, 본 발명의 각종 실시형태의 정신 및 범위로부터 벗어나지 않고 각종 수정이 이루어질 수 있다. 또한, 본 발명의 특정 실시형태와 관련된 각종 장점이 그 실시형태와 연관하여 위에서 설명되었고, 다른 실시형태들도 또한 그러한 장점을 나타낼 수 있으며, 모든 실시형태들이 본 발명의 범위 내에 들도록 그러한 장점을 반드시 나타낼 필요는 없다. 따라서, 본 발명은 첨부된 특허 청구범위에 의해서만 제한된다.
Claims (23)
- 반도체 물질의 도펀트 함유량을 측정하는 비접촉 시스템에 있어서,
a. 적외 방사선을 물질의 어느 한 지점에 집속하도록 구성된 적외 방사선 소스와;
b. 방사선이 물질에 부딪히기 전에 소스로부터의 방사선을 변조하는 변조기와;
c. 물질로부터 반사된 방사선을 수집하고 방사선을 집속시키도록 위치된 제1 렌즈와;
d. 제1 렌즈로부터 방사선을 수신하도록 위치된 제1 대역 통과 필터로서, 제1 대역 통과 필터를 통해 방사선의 특정 파장 범위를 통과시키고 방사선의 밸런스(balance of the radiation)를 반사시키도록 구성된 제1 대역 통과 필터와;
e. 제1 필터에서 반사된 방사선을 수신하도록 위치된 제2 대역 통과 필터로서, 제2 대역 통과 필터를 통해 방사선의 특정 파장 범위를 통과시키고 파장 범위는 제1 대역 통과 필터에 의해 통과되는 파장 범위와 비교하여 상이하도록 구성된 제2 대역 통과 필터와;
f. 제1 대역 통과 필터를 통과한 방사선을 수신하도록 위치되고 제1 에너지 레벨을 결정하도록 구성된 제1 방사선 검출기와;
g. 제2 대역 통과 필터를 통과한 방사선을 수신하도록 위치되고 제2 에너지 레벨을 결정하도록 구성된 제2 방사선 검출기와;
h. 제1 에너지 레벨과 상기 제2 에너지 레벨을 비교하고, 공지의 다른 레벨의 도펀트 함유량을 가진 일련의(a series of) 동일한 반도체 물질에 대하여 2개의 센서에 도달하는 에너지의 레벨을 비교한 것에 기초하여 반도체 물질의 도펀트 함유량을 관련시키는 상관 곡선을 이용하여 도펀트 함유량 값을 되돌려 보내도록 구성된 계산기를 포함한 비접촉 시스템. - 제1항에 있어서, 물질의 상기 지점에 방사선을 집속시키기 위해 변조기와 웨이퍼 사이에 배치된 집속 장치를 더 포함하고, 상기 집속 장치는,
a. 포물면 반사기;
b. 조정가능한 반사기;
c. 타원형 반사기
d. 포물면 렌즈; 및
e. 광학 렌즈
의 그룹으로부터 선택된 것인 비접촉 시스템. - 제1항에 있어서, 변조기는,
a. 고속 초핑 휠(chopping wheel)을 이용하는 변조기;
b. 소스의 펄스 변조를 이용하는 변조기; 및
c. 소스의 주파수 변조를 이용하는 변조기
의 그룹으로부터 선택된 것인 비접촉 시스템. - 제1항에 있어서, 반도체 물질은,
a. 도핑된 실리콘 물질;
b. 도핑되지 않은 실리콘 물질;
c. 도핑된 게르마늄 물질;
d. 도핑되지 않은 게르마늄 물질;
e. 도핑된 인듐 물질;
f. 도핑되지 않은 인듐 물질;
g. 알루미늄, 붕소, 갈륨, 인듐 인, 비소 및 안티몬 요소와 결합된 도핑되거나 도핑되지 않은 실리콘 또는 게르마늄 물질; 및
h. 반도체 또는 비전도성 물질일 수 있는 기판상의 상기 물질들 중 어느 것으로 된 박막
의 그룹으로부터 선택된 것인 비접촉 시스템. - 제1항에 있어서, 제2 대역 통과 필터를 통과한 방사선을 수신하도록 위치되고 방사선을 제1 검출기에 집속하도록 구성된 제2 렌즈를 더 포함한 비접촉 시스템.
- 제1항에 있어서, 제1 대역 통과 필터로부터 반사된 방사선을 수신하도록 위치되고 방사선을 제2 검출기에 집속하도록 구성된 제3 렌즈를 더 포함한 비접촉 시스템.
- 제5항에 있어서, 제1 대역 통과 필터로부터 반사된 방사선을 수신하도록 위치되고 방사선을 제2 검출기에 집속하도록 구성된 제3 렌즈를 더 포함한 비접촉 시스템.
- 제1항에 있어서, 방사선 소스는 레이저인 비접촉 시스템.
- 제1항에 있어서, 방사선 소스는 광대역 적외 방사선 소스인 비접촉 시스템.
- 제1항에 있어서, 각 대역 통과 필터의 통과 대역은 50 나노미터 내지 500 나노미터 사이에 있는 것인 비접촉 시스템.
- 제1항에 있어서, 하나의 필터에 대한 통과 대역의 중심은 1 마이크로미터와 20 마이크로미터 사이에 있는 것인 비접촉 시스템.
- 제1항에 있어서, 제2 필터에 대한 통과 대역의 중심 파장은 1 마이크로미터와 20 마이크로미터 사이에 있고, 제1 필터의 통과 대역의 중심 파장과는 상이한 것인 비접촉 시스템.
- 제1항에 있어서, 제1 필터와 제2 필터의 중심 파장 간의 차는 1 마이크로미터 내지 10 마이크로미터 사이에 있는 것인 비접촉 시스템.
- 제1항에 있어서, 제1 필터와 제2 필터의 중심 파장 간의 차는 2 마이크로미터인 비접촉 시스템.
- 제1항에 있어서, 제1 필터의 중심 파장은 8.06 마이크로미터로 설정되고 제2 필터의 중심 파장은 10.5 마이크로미터로 설정되며, 각 필터는 200 마이크로미터 내지 400 마이크로미터 사이의 통과 대역폭을 갖는 것인 비접촉 시스템.
- 제1항에 있어서, 하나의 대역 통과 필터는 +/- 125 나노미터의 통과 대역과 함께 약 8 마이크로미터의 중심 대역 통과를 갖고, 다른 대역 통과 필터는 +/- 175 나노미터의 통과 대역과 함께 약 10.5 마이크로미터의 중심 대역 통과를 갖는 것인 비접촉 시스템.
- 제1항에 있어서, 각 필터 뒤의 검출기는 사용자 선택의 파장 대역에서 전력을 측정할 수 있는 매스-스펙트로미터(mass-spectrometer) 검출기인 비접촉 시스템.
- 제2항에 있어서, 집속 장치는 물질의 표면에 대하여 45°각도로 상기 지점에 방사선을 지향시키도록 구성된 것인 비접촉 시스템.
- 제1항에 있어서, 소스는 방사선을 선택된 초점 영역에 집속시키는 것이고, 변조기는 초점 영역에서 방사선을 변조하도록 구성된 초핑 휠인 비접촉 시스템.
- 반도체 물질의 도펀트 함유량을 측정하는 비접촉 시스템에 있어서,
a. 적외 방사선을 실리콘의 어느 한 지점에 집속하도록 구성된 광대역 적외 방사선 소스와;
b. 방사선이 실리콘에 부딪히기 전에 소스로부터의 적외 방사선을 변조하는 변조기와;
c. 실리콘으로부터 반사된 적외 방사선을 수집하고 방사선을 집속시키도록 위치된 제1 렌즈와;
d. 제1 렌즈의 초점 부근에 위치되고, 방사선을 2개의 방사선 스트림으로 분할하도록 구성된 빔 스플리터와;
e. 제1의 미리 정해진 파장에 중심이 맞춰진, 2개의 스트림 중 제1 스트림을 수신하도록 구성된 제1의 협대역 통과 필터와;
f. 제1의 미리 정해진 파장과는 상이한 제2의 미리 정해진 파장에 중심이 맞춰진, 2개의 스트림 중 제2 스트림을 수신하도록 구성된 제2의 협대역 통과 필터와;
g. 제1 대역 통과 필터를 통과한 방사선을 수신하도록 위치되고 상기 방사선의 에너지 레벨을 결정하도록 구성된 제1 적외선 검출기와;
h. 제2 대역 통과 필터를 통과한 방사선을 수신하도록 위치되고 상기 방사선의 에너지 레벨을 결정하도록 구성된 제2 적외선 검출기와;
i. 제1 레벨과 제2 레벨을 비교하고, 공지의 다른 레벨의 도펀트 함유량을 가진 일련의 동일한 반도체 물질에 대하여 2개의 센서에 도달하는 에너지의 레벨을 비교한 것에 기초하여 반도체 물질의 도펀트 함유량을 관련시키는 상관 곡선을 이용하여 도펀트 함유량 값을 되돌려 보내도록 구성된 계산기를 포함한 비접촉 시스템. - 반도체 물질의 도펀트 함유량을 비접촉 측정하는 방법에 있어서,
a. 변조된 적외 방사선 소스를 물질의 측정 지점에 지향시키는 단계와;
b. 물질로부터 반사된 방사선을 제1 대역 통과 필터에 지향시키는 단계로서, 상기 제1 대역 통과 필터는 제1 대역 통과 필터를 통해 방사선의 특정 파장 범위를 통과시키고 방사선의 밸런스를 반사시키도록 구성되는 것인 단계와;
c. 제1 필터에서 반사된 방사선을 제2 대역 통과 필터에 지향시키는 단계로서, 상기 제2 대역 통과 필터는 상기 제2 대역 통과 필터를 통해 방사선의 특정 파장 범위를 통과시키고 파장 범위는 제1 대역 통과 필터에 의해 통과되는 파장 범위와 비교하여 상이하도록 구성되는 것인 단계와;
d. 제1 대역 통과 필터를 통과한 방사선의 에너지 레벨을 결정하는 단계와;
e. 제2 대역 통과 필터를 통과한 방사선의 에너지 레벨을 결정하는 단계와;
f. 단계 d 및 e에서 결정된 에너지 레벨을 비교하는 단계와;
g. 상기 비교에 기초해서, 공지의 다른 레벨의 도펀트 함유량을 가진 일련의 동일한 반도체 물질에 대하여 2개의 센서에 도달하는 에너지의 레벨을 비교한 것에 기초하여 반도체 물질의 도펀트 함유량을 관련시키는 상관 곡선을 이용하여 물질의 도펀트 함유량을 계산하는 단계를 포함한 비접촉 측정 방법. - 반도체 웨이퍼에서 반도체 물질 제조 라인의 하나 이상의 처리 단계의 충격(impact)을 결정하는 방법에 있어서,
a. 제조 라인의 상류 지점에서 웨이퍼의 도펀트 함유량의 레벨을 결정하기 위한 위치에서 제조 라인의 하나 이상의 처리 단계의 선택된 상류 지점에 청구항 1의 제1 시스템을 배치하는 단계와;
b. 제조 라인의 하류 지점에서 웨이퍼의 도펀트 함유량의 레벨을 결정하기 위한 위치에서 제조 라인의 하나 이상의 처리 단계의 선택된 하류 지점에 청구항 1의 제2 시스템을 배치하는 단계와;
c. 하나 이상의 처리 단계를 통하여 상류 지점으로부터 하류 지점으로 일련의 웨이퍼를 이동시키도록 제조 라인을 가동시키는 단계와;
d. 제1 시스템을 이용하여 제조 라인의 상류 지점에서 웨이퍼의 도펀트 함유량의 레벨을 결정하는 단계와;
e. 제2 시스템을 이용하여 제조 라인의 하류 지점에서 웨이퍼의 도펀트 함유량의 레벨을 결정하는 단계와;
f. 하류 지점에서의 웨이퍼의 도펀트 함유량 레벨을 상류 지점에서의 도펀트 함유량 레벨과 비교하여 상류 지점에서의 웨이퍼와 하류 지점에서의 웨이퍼 간의 도펀트 레벨의 차를 구하는 단계를 포함한 충격 결정 방법. - 제22항에 있어서, 하나 이상의 처리 단계는 습식 도펀트 화학물 적용 머신, 습식 도펀트 캐리어 건조 머신, 인라인 확산 퍼네이스, 일괄(batch) 확산 퍼네이스, 레이저 어닐링 머신, 이온 주입 머신, 에피택셜 층 증착 머신, PSG 식각 머신, 웨이퍼 식각 머신, 및 웨이퍼 텍스쳐링 머신 중의 하나 이상 또는 이들의 조합에 의해 수행되는 것인 충격 결정 방법.
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