KR20130138686A - 극단의 체류시간을 갖는 레이저 어닐링 시스템 및 방법 - Google Patents

극단의 체류시간을 갖는 레이저 어닐링 시스템 및 방법 Download PDF

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세르게이 아니키트체프
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울트라테크 인크.
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Abstract

극히 짧은 체류시간으로 반도체 웨이퍼를 어닐링 하기 위한 레이저 어닐링 시스템 및 방법이 개시된다. 레이저 어닐링 시스템은 적어도 부분적되는 중복되는 한 개 또는 두 개의 레이저 빔을 포함하는 것이 가능하다. 레이저 빔들 중 한 개는 예열 레이저 빔이고 다른 레이저 빔은 어닐링 레이저 빔이다. 어닐링 레이저 빔은 체류시간이 약 1㎲ ~ 약 100㎲ 범위에 있도록 충분히 신속하게 주사한다. 이들 극단의 체류시간은 디바이스 웨이퍼의 디바이스 측면이 어닐링 공정 동안 가열에 의해 손상되는 것을 방지하기 때문에 얇은 디바이스 웨이퍼로부터 형성된 제품 웨이퍼를 어닐링하는데 유용하다. 싱글-레이저-빔 어닐링 시스템 및 방법들의 실시예들이 또한 개시된다.

Description

극단의 체류시간을 갖는 레이저 어닐링 시스템 및 방법{LASER ANNEALING SYSTEMS AND METHODS WITH ULTRA-SHORT DWELL TIMES}
본 발명은 일반적으로는 집적회로 구조체를 형성할 때 반도체 재료의 레이저 어닐링에 관한 것이고, 더욱 구체적으로는 상대적으로 높은 정도의 온도 균일성을 갖는 극단의 레이저 어닐링의 시스템 및 방법에 관한 것이다.
비교적 균일한 강도를 갖는 라인 이미지의 사용을 필요로 하는 다양한 응용들이 존재한다. 그와 같은 한 가지 응용으로 레이저 열 처리(LTP: laser thermal processing)가 있으며, 이것은 당해 기술분야에서 레이저 스파이크 어닐링(LSA: laser spike annealing) 또는 그냥 "레이저 어닐링"이라고도 불린다. 레이저 어닐링은, 트랜지스터 및 관련된 타입의 반도체 피처(features)들과 같은 능동 마이크로회로를 형성할 때 반도체 웨이퍼에 형성된 디바이스(구조체들)의 선택된 영역 내에 불순물을 활성화하는 것을 포함하는, 반도체 제조에서 다양한 응용을 위해 사용된다.
한 가지 유형의 레이저 어닐링은 웨이퍼의 표면을, 반도체 구조체들(예컨대, 소스 및 드레인 영역) 내 불순물을 활성화하기에 충분히 길지만 상당한 불순물 확산을 방지하기에 충분히 짧은 시간 동안, 임의의 온도("어닐링 온도")까지 가열하기 위해 광 빔으로부터 주사된 라인 이미지(scanned line image)를 사용한다. 웨이퍼 표면이 어닐링 온도에 있는 시간은 라인 이미지의 파워 밀도, 및 라인 이미지 폭을 라인 이미지가 주사되는 속도("주사 속도(scan velocity)")로 나눈 값에 의해 결정된다.
상용 레이저 어닐링 시스템에서 높은 웨이퍼 처리량(throughput)을 달성하기 위해, 라인 이미지는 가능한 길어야 하고 높은 파워 밀도를 가져야 한다. 유용한 라인-이미지 치수의 범위는 예를 들면 길이가 5 mm ~ 100 mm(횡단-주사 방향)이고 폭이 25 마이크론 ~ 500 마이크론(주사 방향)이며, 전형적인 치수는 길이 10 mm x 폭 100 마이크론이다. 균일한 어닐링을 달성하기 위해, 라인 이미지 길이 방향의 강도 프로파일(intensity profile)은 가능한 균일할 필요가 있지만, 라인 이미지 폭 방향의 비균일은 주사 과정 동안 평균이 산출된다.
전형적인 반도체 처리 요구사항은 1000℃ ~ 1300℃의 어닐링 온도와 +/-3℃의 온도 균일성을 요구한다. 이 정도의 온도 균일성을 달성하기 위해, 어닐링 광 빔에 의해 형성된 라인 이미지는 횡단-주사 방향에서 상대적으로 균일한 강도를 가질 필요가 있으며, 그것은 대부분의 조건하에서 +/-5% 이내이다.
전형적인 반도체 응용들은 0.1 ms ~ 10 ms의 어닐링 시간을 요구한다. 이 요구사항을 만족시키기 위해, 빔의 길이 치수에 수직하게 웨이퍼를 이동시키는데 기계적 스테이지(mechanical stage)가 사용될 수 있다.
안타깝게도, 특정 반도체 디바이스 제조 상황에 있어서, 어닐링 온도와 어닐링 시간은 다른 인자들, 예컨대 웨이퍼 두께 및 웨이퍼 위에 형성된 반도체 디바이스 피처들의 유형에 의해 제약된다. 그와 같은 상황에서, 종래 레이저 어닐링 시스템에 의해 제공되는 종래의 어닐링(체류(dwell)) 시간은 적당하지 않다.
극단의 체류 시간으로 웨이퍼를 어닐링하는 레이저 어닐링 시스템 및 방법이 개시된다. 레이저 어닐링 시스템은 적어도 부분적으로 중복되는 하나 또는 둘의 레이저 빔을 포함할 수 있다. 상기 레이저 빔들 중 하나는 예열 레이저 빔이고 다른 레이저 빔은 어닐링 레이저 빔이다. 어닐링 레이저 빔은 체류시간이 약 1㎲ ~ 약 100 ㎲ 범위에 있도록 충분히 빠르게 주사한다. 이들 극단의 체류시간은 얇은 디바이스 웨이퍼로부터 형성된 제품 웨이퍼를 어닐링하기에 유용한데 이는 디바이스 웨이퍼의 디바이스 측면이 어닐링 프로세스 동안 가열에 의해 손상되는 것을 방지하기 때문이다. 싱글-레이저-빔 어닐링 시스템 및 방법들의 실시예가 또한 개시된다.
본 발명의 제1 측면은 웨이퍼 표면을 갖는 반도체 웨이퍼를 어닐링하는 초고속 레이저 어닐링 시스템이다. 초고속 레이저 어닐링 시스템은 제1 레이저 시스템 및 제2 레이저 시스템을 포함한다. 제1 레이저 시스템은 제1 파장에서 상기 웨이퍼 표면 위에 제1 이미지를 형성한다. 상기 제1 이미지는 상기 제2 파장에서 광의 흡수량을 증가시킨다. 제2 레이저 시스템은 제2 파장에서 상기 웨이퍼 표면 위에 제2 이미지를 형성한다. 상기 제2 이미지는 상기 제1 이미지 내에 적어도 부분적으로 위치한다. 상기 제2 레이저 시스템은 1㎲ ~ 100 ㎲ 사이의 체류시간으로 상기 웨이퍼 표면 위에 상기 제2 이미지를 주사하는 주사 광학시스템을 포함한다. 그것은 상기 웨이퍼 표면이 350 ℃ ~ 1250℃의 피크 어닐링 온도(TAP)까지 도달하게 한다.
초고속 레이저 어닐링 시스템은 바람직하게는 열 방출 감지시스템, 수집 광학시스템, 파워 센서 및 컨트롤러를 추가로 포함한다. 열 방출 감지시스템은 상기 제2 이미지의 위치에서 상기 웨이퍼 표면으로부터 열 방출 방사선을 검출하고 열 방출 전기신호를 생성하도록 동작 가능하게 배열된다. 수집 광학시스템은 상기 제2 이미지의 위치에서 상기 웨이퍼 표면으로부터 반사하는 제2 레이저 빔으로부터 반사 광을 수집하고 반사 광 전기신호를 생성하도록 동작 가능하게 배열된다. 파워 센서는 상기 제2 레이저 빔 내의 파워 양을 측정하고 그것을 나타내는 전력신호를 생성하도록 배열된다. 컨트롤러는 상기 열 방출 감지시스템, 상기 수집 광학시스템, 상기 파워 센서 및 상기 제2 레이저 시스템에 동작 가능하게 접속된다. 컨트롤러는 상기 열 방출 전기신호, 상기 파워 전기신호 및 상기 반사 광 전기신호를 수신 및 처리하고 상기 제2 이미지의 위치에서 웨이퍼 표면 온도(TS)를 결정한다.
초고속 레이저 어닐링 시스템에서, 상기 열 방출 감지시스템과 상기 주사 광학시스템은 바람직하게는 중복되는 광 경로 부분들을 포함한다.
초고속 레이저 어닐링 시스템에서, 상기 컨트롤러는 바람직하게는 측정된 상기 웨이퍼 표면 온도(TS)에 기초하여 상기 제2 레이저 빔 내의 파워 양을 제어한다.
초고속 레이저 어닐링 시스템에서, 상기 제1 이미지 및 제2 이미지는 바람직하게는 +/-3℃를 초과하여 상기 반도체 웨이퍼 위에서 변하지 않는 피크 어닐링 온도를 생성한다.
초고속 레이저 어닐링 시스템에서, 상기 주사 광학시스템은 바람직하게는 거울 구동기에 동작 가능하게 접속된 주사 거울을 포함한다. 상기 거울 구동기는 상기 컨트롤러에 동작 가능하게 접속되고 제어된다.
초고속 레이저 어닐링 시스템에서, 상기 제1 파장은 바람직하게는 300 nm ~ 600 nm 범위에 있다.
초고속 레이저 어닐링 시스템에서, 상기 제2 파장은 바람직하게는 500 nm ~ 10.6 마이크론 범위에 있다.
초고속 레이저 어닐링 시스템에서, 상기 제2 레이저 시스템은 바람직하게는 50 W ~ 5000 W의 출력 파워를 갖는 광섬유 레이저를 포함한다.
초고속 레이저 어닐링 시스템에서, 상기 반도체 웨이퍼는 바람직하게는: a) 10 ㎛ ~ 100 ㎛ 또는 b) 500 ㎛ ~ 1,000 ㎛ 범위의 두께를 갖는 디바이스 웨이퍼를 포함한다.
본 발명의 제2 측면은 웨이퍼 표면을 갖는 반도체 웨이퍼를 어닐링하는 방법이다. 상기 방법은 제1 파장에서 상기 웨이퍼 표면 위에 제1 이미지를 형성하는 단계를 포함한다. 상기 제1 이미지는 제2 파장에서 광의 흡수 양을 증가시킨다. 상기 방법은 또한 제2 파장에서 상기 웨이퍼 표면 위에 제2 이미지를 형성하는 단계를 포함한다. 상기 제2 이미지는 적어도 부분적으로 상기 제1 이미지 내에 위치한다. 상기 방법은 또한 1 ㎲ ~ 100 ㎲의 체류시간으로 상기 웨이퍼 표면 위에 상기 제2 이미지를 주사하여 상기 웨이퍼 표면이 350 ℃ ~ 1250 ℃의 피크 어닐링 온도(TAP)에 도달하게 하는 단계를 포함한다.
상기 방법에서, 상기 제1 파장은 바람직하게는 300 nm ~ 650 nm 범위에 있다.
상기 방법에서, 상기 제2 파장은 바람직하게는 500 nm ~ 10.6 마이크론 범위에 있다.
상기 방법은 바람직하게는 주사된 상기 제2 이미지의 위치에서 웨이퍼 표면 온도(TS)를 측정하는 단계를 추가로 포함한다. 상기 방법은 바람직하게는 상기 피크 어닐링 온도(TAP)를 +/-3℃ 내로 유지하기 위해 상기 제2 이미지를 형성하기 위한 제2 레이저 빔 내의 파워 양을 제어하는 단계를 추가로 포함한다.
상기 방법에서, 상기 웨이퍼 표면 온도(TS) 측정 단계는 바람직하게는 상기 제2 레이저 빔 내의 파워 양을 측정하는 단계를 포함한다. 상기 웨이퍼 표면 온도(TS) 측정 단계는 주사된 상기 제2 이미지의 위치에서 방출된 열 방사선의 양을 측정하는 단계를 추가로 포함한다. 상기 웨이퍼 표면 온도(TS) 측정 단계는 상기 제2 이미지의 위치로부터 상기 제2 광 빔의 반사에 의한 반사 광의 양을 측정하는 단계를 추가로 포함한다. 상기 웨이퍼 표면 온도(TS) 측정 단계는 교정 과정(calibration process)으로부터 얻어진 룩업 테이블(look up table)을 사용하여 웨이퍼 표면 온도(TS)를 계산하는 단계를 추가로 포함한다.
본 발명의 제3 측면은 어닐링 표면을 갖는 반도체 웨이퍼를 어닐링하는 초고속 레이저 어닐링 시스템이다. 초고속 레이저 어닐링 시스템은 레이저 및 주사 광학시스템을 포함한다. 레이저는 약 300 nm ~ 약 650 nm 범위의 어닐링 파장을 갖는 레이저 빔을 발생시킨다. 주사 광학시스템은 상기 레이저 빔을 수신하고 1㎲ ~ 100㎲의 체류시간을 갖는 주사된 이미지로서 상기 어닐링 표면 위에 상기 레이저 빔의 이미지를 주사한다. 그것은 상기 어닐링 표면이 350℃ ~ 1250℃의 피크 어닐링 온도(TAP)에 도달하게 한다.
초고속 레이저 어닐링 시스템에서, 상기 반도체 웨이퍼는 바람직하게는 디바이스 웨이퍼 및 캐리어 웨이퍼로부터 형성된 제품 웨이퍼이다. 상기 디바이스 웨이퍼는 상기 어닐링 표면을 형성하고 약 10㎛ ~ 약 100㎛ 범위의 두께를 갖는다.
초고속 레이저 어닐링 시스템에서, 상기 주사 광학시스템은 바람직하게는 F-세타 주사 시스템으로서 구성된다.
본 발명의 제4 측면은 어닐링 표면을 갖는 반도체 웨이퍼를 어닐링하는 방법이다. 상기 방법은 약 300 ㎛ ~ 약 650 ㎛ 범위의 파장을 갖는 레이저 빔을 사용하여 상기 어닐링 표면 위에 이미지를 형성하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 1㎲ ~ 100㎲의 체류시간으로 상기 어닐링 표면 위에 이미지를 주사하는 단계를 추가로 포함한다. 그것은 상기 어닐링 표면이 350℃ ~ 1250℃의 피크 어닐링 온도(TAP)에 도달하게 한다.
상기 방법에서, 상기 반도체 웨이퍼는 바람직하게는 디바이스 웨이퍼 및 캐리어 웨이퍼로부터 형성된 제품 웨이퍼이다. 상기 디바이스 웨이퍼는 상기 어닐링 표면을 형성하고 약 10㎛ ~ 약 100㎛ 범위의 두께를 갖는다.
상기 방법에서, 상기 이미지 주사 단계는 바람직하게는 F-세타 주사 광학시스템을 사용하여 수행한다.
본 발명의 제5 측면은 반도체 웨이퍼의 표면에 의해 지지된 포토레지스트 층을 어닐링하는 방법이다. 상기 방법은 약 300 nm ~ 약 1000 nm 범위의 파장을 갖는 레이저 빔을 사용하여 상기 반도체 웨이퍼의 표면 위에 이미지를 형성하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 100㎲ ~ 1 ms의 체류시간으로 상기 반도체 웨이퍼의 표면 위에 상기 이미지를 주사하는 단계를 추가로 포함한다. 그것은 상기 포토레지스트 층이 약 300℃ ~ 약 400℃의 피크 어닐링 온도(TAP)에 도달하게 한다.
상기 방법에서, 상기 레이저 빔과 반도체 웨이퍼는 바람직하게는 상기 반도체 웨이퍼 내에서 열 확산 거리(LDIFF) 및 관련된 광 흡수 깊이(DAD)를 규정한다. 상기 이미지 주사는 DAD < LDIFF를 만족시키도록 수행된다.
여기 인용된 모든 문헌들은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.
아래에 제시된 청구항들은 본 명세서에 포함되고 상세한 설명의 일부를 구성한다.
본 발명에 의하면, 상대적으로 높은 정도의 온도 균일성을 갖는 극단의 레이저 어닐링의 시스템 및 방법을 제공하는 것이 가능하다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 듀얼-빔 초고속 레이저 어닐링 시스템 및 방법을 사용하여 레이저 어닐링될 수 있는 실시예 웨이퍼의 다양한 도면들이다.
도 2는 벌크(bulk) 실리콘에 대한 확산 거리(LDIFF)(㎛)와 어닐링 시간(tA)(㎲)의 관계를 도시하고,
도 3은 파장 λ=1.06 ㎛, 0.98 ㎛ 및 0.53 ㎛에 있어서 웨이퍼 표면 온도 Ts(℃)와 광 흡수 깊이(DAD)(㎛)의 관계를 도시하고,
도 4는 실시예 듀얼-빔(dual-beam) 초고속 레이저 어닐링 시스템을 개략 도시하고,
도 5a 내지 도 5e는 도 4의 듀얼-빔 초고속 레이저 어닐링 시스템에 의해 웨이퍼 표면 위에 형성된 제1 이미지(primary image) 및 제2 이미지(secondary image)의 상대적인 크기 및 방향의 실시예들을 도시하는 개략도이고,
도 6은 본 명세서에 포함되는 열 방출 감지시스템(thermal emission detection system)의 추가 상세를 포함하는 실시예 듀얼-빔 초고속 레이저 어닐링 시스템의 또 다른 개략도이고,
도 7은 웨이퍼 표면으로부터 반사된 광을 제2(secondary) 레이저 빔으로부터 수집하기 위해 사용되는 실시예 수집 광학 시스템의 확대도이고,
도 8a 내지 도 8c F-세타(theta) 구성을 갖는 주사 광학 시스템의 실시예를 도시하며 주사 광학 시스템이 어떻게 제2 레이저 빔과 제2 이미지를 웨이퍼의 한 에지로부터 다른 에지까지 주사하는지를 보여주며,
도 9는 도 8a 내지 도 8c의 주사 광학 시스템을 또 다른 방향에 본 것이고 제2 레이저 빔이 실리콘에 대해서 실질적으로 브루스터 각도(Brewster angle)인 입사각을 갖도록 어떻게 구성될 수 있는 지를 도시하며,
도 10asms 도 6과 유사한 도면으로서 싱글 고속 주사 레이저 빔을 포함하는 레이저 어닐링 시스템의 실시예를 도시하며;
도 10b는 도 10a와 유사한 도면으로서 제2 레이저 시스템의 제2 주사 레이저 빔이 웨이퍼 표면 위에 지지된 포토레지스트 층을 어닐링하기 위해 사용되는 실시예를 도시한다.
이제 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명할 것이며, 실시예들은 첨부된 도면에 도시되어 있다. 가능하다면, 동일하거나 유사한 부분을 지칭하기 위해 도면 전체에 걸쳐 동일하거나 유사한 참조번호가 사용될 것이다.
이미지 센서 및 고전력 디바이스와 같은 특정 유형의 반도체 디바이스의 제조는 비교적 얇은 반도체 웨이퍼들의 사용을 수반한다. 도 1a는 상면(top surface)(22)을 규정하는 상측(top side)(21)과 하면(back surface)(24)을 정의하는 하측(back side)(23)을 갖는 제품 웨이퍼(10)의 실시예 측면도이다.
도 1b는 디바이스 웨이퍼(device wafer)(10a)와 캐리어 웨이퍼(carrier wafer)(10b)를 접속함으로써 형성된 실시예 제품 웨이퍼(10)의 형성을 도시한다. 디바이스 웨이퍼(10a)는 디바이스들이 형성되고 디바이스 측면이라 불리는 전면(front side)(12a)과, 반대의 후면(back side)(14a)을 갖는다. 캐리어 웨이퍼(10b)는 산화물 층(15)이 형성되는 전면(front side)(12b)과, 반대의 후면(back side)(14b)을 갖는다. 여기서 제품 웨이퍼라고 지칭되는 최종 웨이퍼(10)는 디바이스 웨이퍼(10a)의 디바이스 측면(12a)와 캐리어 웨이퍼(10b)의 전면(12b)을 접속함으로써 형성된다. 산화물 층(15)은 2개의 웨이퍼(10a, 10b)를 서로 접합하는 접합 층으로서의 역할을 한다. 따라서, 캐리어 웨이퍼(10b)의 전면(12b)은 또한 접합 측면으로 불린다. 최종 제품 웨이퍼(10)는 도 1c에 도시되어 있다. 이 때, 디바이스 웨이퍼(10a)는, 도 1c의 확대 삽도(inset)에 도시된 것과 같이, 디바이스 웨이퍼(10a)의 두께를 약 750 ㎛로부터 약 10 ㎛ ~ 약 100 ㎛ 범위의 두께까지 감소시키기 위해 후면(14a)으로부터 압착된다.
도 1d는 도 1c와 유사한 도면으로서 제품 웨이퍼(10)의 실시예 구조체(30)의 더욱 상세한 확대 단면도를 도시하는 삽도를 포함한다. 실시예 구조체(30)는 CMOS 센서의 형태이다. (약 4 ㎛의 두께인) 산화물 층(15)을 갖는 캐리어 웨이퍼(10b)는 디바이스 웨이퍼(10a)를 지지하며, 이 디바이스 웨이퍼(10a)는 상기 산화물 층(15) 안으로 확대되는 금속화 피처(metallization features)(34)(예컨대, 라인들)를 포함한다. 금속화 피처(34)는 인접한 CMOS 디바이스 층(40)과 접촉을 이룬다. 차례로 CMOS 디바이스 층(40)은 인접한 얇은 디바이스 웨이퍼(10a)에 의해 지지되고, 이것은 전술한 바와 같이 약 10 ㎛ ~ 100 ㎛ 범위의 두께(TH)를 갖는다. 또 다른 실시예에서, 두께(TH)는 약 500 ㎛ ~ 약 1,000 ㎛의 범위에 있다.
레이저 어닐링이 수행될 필요가 있는 얇은 이온-주입 층(44)이, 얇아진 디바이스 웨이퍼(10a) 내의 후면(14a)에 인접하여 형성되며, 후면(14a)은 상면(22)을 형성한다. 얇은 이온-주입 층(44)의 어닐링은 이온-주입 층(44)이 전도성을 갖게 하고, 그리하여 전기 접촉 층으로서 역할을 할 수 있게 한다.
실시예 CMOS 디바이스 구조체에서, CMOS 디바이스의 전자적 피처들은 디바이스 구조체 후면(14a)으로부터 약 10 ㎛ ~ 약 100 ㎛ 떨어져 위치하며, 이것들은 보통 패턴 형성되지 않는다. 따라서, 일 실시예에서 디바이스 웨이퍼(10a)의 후면(14a)은 우수한 어닐링 표면을 준비하는 평탄하고 패턴 형성되지 않은 웨이퍼(10)의 상면(22)을 형성한다.
웨이퍼(10)의 디바이스 측면(12a)은 CMOS 디바이스의 궁극적인 기능을 보호하기 위해 상대적으로 낮은 온도(특히 금속화 피처(34)의 용융 온도보다 낮은 온도)에서 유지되어야 한다. 디바이스 측면(12a)의 최대 온도는 금속화 피처(34)를 위해 사용된 특정한 금속들에 의해 결정되지만, 보통은 구리 접속체의 경우 약 900℃이고 알루미늄 접속체의 경우 약 600℃이다.
디바이스 측면(12a)의 디바이스 피처가 금속화 용융 온도보다 낮게 유지되어야 하는 제약은 디바이스 표면이 너무 뜨거워지지 않도록 레이저 열적 어닐링 시간이 충분히 짧아야 한다는 요구사항을 낳는다. 이것은 상응하는 열 확산 거리(LDIFF)가 디바이스 웨이퍼(10a)의 두께(TH)보다 작도록 열적 어닐링 시간(체류시간)이 설정되어야 한다는 것을 의미한다.
예를 들어, 만일 디바이스 웨이퍼(10a)의 공칭 두께(TH)가 10 마이크론이라면, 상응하는 열적 어닐링 체류 시간은, 펄스 길이가 대략 10 ㎲인 10 ㎲ 레이저 펄스에 대해서 벌크 실리콘 내 열 확산 거리(LDIFF)에 기초하여, 10 ㎲보다 작아야 한다. 안타깝게도, 그와 같은 짧은 체류시간(tD)을 달성하는 것은, 길이 1~10 mm 폭 ~ 100 마이크론의, ~ 100 mm/초의 속도로 주사된 레이저 라인 이미지를 이용하는 종래 레이저 어닐링 툴을 위한 기본적인 아키텍처와 부합하지 않는다.
따라서 본 발명의 측면들은 용융 및 부분-용융(sub-melt) 레이저 어닐링 응용들 둘 다를 위해 사용될 수 있는 싱글-빔 또는 듀얼-빔 레이저 어닐링 시스템을 지향한다. 어닐링 빔의 체류시간(tD)은 1 ㎲ ~ 100 ㎲ 이다. 또한, 레이저 온도 제어시스템은 어닐링 온도(TA)를 실질적으로 일정하게, 즉 +/-3℃ 평균 웨이퍼 표면 온도 내에서 유지하기 위해 선택적으로 사용된다.
전술한 바와 같이, 어떤 반도체 디바이스 제조 응용들은 레이저 어닐링 프로세스가 1 ㎲ ~ 100 ㎲의 범위와 같은 100 ㎲ 이하의 체류시간(tD)(어닐링 시간(tA))을 갖도록 하는 것으로부터 이익을 얻을 수도 있다. 어닐링 시간(tA)과 관련된 열 확산 거리(LDIFF)는 웨이퍼(10a)의 물리적 치수, 예를 들면 디바이스 웨이퍼(10a)의 두께(TH)보다 작은 것이 바람직하다.
여기에 개시된 시스템 및 방법들은 상대적으로 얇은 디바이스 웨이퍼(10a)를 지지하는 상대적으로 두꺼운 캐리어 웨이퍼(10b)로부터 전술한 바와 같이 형성된 제품 웨이퍼(10)에 특별한 응용성을 갖지만, 상기 시스템 및 방법들은 또한 확산의 양을 제한하는 것이 바람직한 상황에서 종래의 "두꺼운" 반도체 웨이퍼의 레이저 어닐링에도 응용 가능하다. 그와 같은 상황의 예는, 미국 특허 6,365,476; 6,380,044; 및 6,747,245에 기재되어 있는 것과 같이, 트랜지스터를 형성하는 얇은 소스 및 드레인의 형성이다. 아래의 설명에 있어서, 웨이퍼의 상면(22)은 어닐링 되고 있는 웨이퍼(10)의 표면으로서 종래 웨이퍼의 "전면" 또는 전술한 제품 웨이퍼(10)의 "후면(14a)" 어느 하나일 수 있다.
도 2는 벌크(bulk) 실리콘에 대한 확산 거리(LDIFF)(㎛)와 어닐링 시간(tA)(㎲)의 관계를 도시한다. 그래프에서, LDIFF = 10 ㎛인 경우와 상응하는 어닐링 시간(tA)
Figure pat00001
10 ㎲이고, LDIFF = 30 ㎛인 경우, tA
Figure pat00002
100 ㎲인 것을 알 수 있다. 이들 확산 거리(LDIFF)와 대략 같은 디바이스 웨이퍼 두께(TH)를 갖는 제품 웨이퍼(10)에 있어서, 어닐링 시간(tA)은 대응되게 작아야 한다.
웨이퍼(10) 내로 레이저 어닐링 빔의 광 흡수 깊이(optical obsorption depth)(DAD)는 열 확산 거리(LDIFF)보다 작아야 한다는 추가 요구사항이 있다. 도 3은 파장 λ=1.06 ㎛, 0.98 ㎛ 및 0.53 ㎛에 있어서 웨이퍼 표면 온도 Ts(℃)와 광 흡수 깊이(DAD)(㎛)의 관계를 도시한다. 도 3의 그래프는 디바이스 웨이퍼 두께 TH
Figure pat00003
10 ㎛이고 상대적으로 낮은 온도(예컨대, 280℃ 이하)에서, 파장 λ
Figure pat00004
500 nm의 레이저를 사용하는 것이 가능한데, 이는 상기 파장에 대한 확산 거리(LDIFF)가 디바이스 웨이퍼 두께(TH)보다 작지만, 다른 파장들은 디바이스 웨이퍼 두께보다 더 큰 확산 거리(LDIFF)를 갖기 때문이다. 약 50 ㎛ ~ 약 100 ㎛ 범위의 디바이스 웨이퍼 두께(TH)에 대해서, 파장 λ
Figure pat00005
980 nm인 레이저가 사용될 수 있다. 더 높은 웨이퍼 온도(TS)의 경우에, 광 흡수 깊이(DAD)는 짧아지고 열 확산이 지배적인 열 분배 메커니즘이 된다는 것을 알아야 한다.
도 2 및 도 3의 그래프에서, 상대적으로 얇은 디바이스 웨이퍼(10a)를 사용하여 형성된 제품 웨이퍼(10)를 위해, 광 흡수 깊이(DAD)가 원하는 열 확산 거리(LDIFF)와 부합하는 어닐링 파장과 극단의 어닐링 시간을 사용하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.
듀얼 -빔 초고속 어닐링 시스템
특정한 디바이스 웨이퍼 두께(TH)를 갖는 주어진 제품 웨이퍼(10)에 대해, 단일 파장에서 레이저 어닐링 시스템을 최적화하는 것이 가능하다. 예를 들면, 디바이스 웨이퍼 두께(TH)가 대략 10 마이크론 ~ 30 마이크론의 범위에 있는 이미지 센서 제조 응용에서, 10 ㎲의 체류시간(tD)과 532 nm의 레이저 파장을 선택하는 것이 가능하다. 디바이스 웨이퍼 두께(TH)가 대략 50 마이크론인 파워 디바이스를 제조하는 경우, 25 ㎲의 체류시간(tD)과 더 긴 파장의 레이저를 선택하는 것이 가능하다. 이하에서 초고속 단일-레이저 어닐링의 실시예들을 설명할 것이다.
그러나, 상이한 파장들을 사용하는 2개의 레이저 빔을 사용함으로써, 레이저 어닐링 시스템은 더욱 다용도로 될 수 있다. 예를 들면, 여기서 설명된 듀얼-빔 레이저 어닐링 시스템의 일 실시예에서, 하나의 레이저 빔은 상대적으로 긴 파장을 갖는 제2 레이저 빔에 의해 흡수를 가능하게 하는 상대적으로 짧은 파장을 갖는 것이 가능하다.
도 4는 실시예 듀얼-빔(dual-beam) 초고속 레이저 어닐링 시스템(이하 "시스템"이라 함)(100)의 개략도이다. 시스템(100)은 웨이퍼(10)를 지지하는 윗면(112)을 갖는 척(chuck)(110)을 포함한다. 척(110)은 웨이퍼 스테이지(116)에 의해 동작 가능하게 지지되며, 웨이퍼 스테이지(116)는 일 실시예에서 이동 가능하고 회전 가능하다. 즉, 직교하는 3개의 차원으로 모두 이동 가능할 뿐만 아니라 웨이퍼(10)을 필요에 따라 위치시키기 위해 직교하는 3개의 회전 방향으로 이동 가능하다.
시스템(100)은 또한 초기 제1 레이저 빔(122)을 생성하는 제1 레이저(121)를 포함하는 제1 레이저 시스템(120)과 초기 제2 레이저 빔(152)을 생성하는 제2 레이저(151)를 갖는 제2 레이저 시스템(150)과 포함한다. 제1 레이저 시스템(120)은 초기 제1 레이저 빔(122)을 수광하여 그것으로부터 제1 레이저 빔(132)을 형성하도록 구성된 제1 광학시스템("광학기기(optics)")(130)을 포함한다. 일 실시예에서, 제1 광학시스템(130)은 주사 광학시스템을 포함한다. 마찬가지로, 제2 레이저 시스템(150)은 초기 제2 레이저 빔(152)을 수광하여 그것으로부터 제2 레이저 빔(162)을 형성하도록 구성된 제2 광학 시스템("광학기기")(160)을 포함한다. 제2 광학 시스템(160)은 주사 광학 시스템으로서 구성되며 따라서 이후에는 주사 광학 시스템(160)으로 지칭된다.
실시예 제1 광학시스템(primary optical system)(130)과 주사 광학 시스템(scanning optical system)(160)은 렌즈, 거울, 애퍼처(aperture), 필터(filter), 능동 광학 요소들(예컨대, 가변 감쇠기 등) 및 이것들의 조합을 포함하는 것이 가능하다. 일 실시예에서, 제1 광학시스템(130)과 주사 광학 시스템(160)의 적어도 하나는 빔 조절(beam conditioning)을 수행하도록, 즉 각각의 레이저 빔(132, 162)을 균일화하고 및/또는 선택된 단면 형상을 갖는 레이저 빔(132, 162)을 제공하도록 구성된다. 그와 같은 빔 조절을 수행하기에 적당한 실시예 광학 시스템들이 미국 특허 7,514,305; 7,494,942; 7,399,945; 6,366,308; 및 미국 특허출원 12/800,203에 개시되어 있다.
제1 레이저 빔(132) 및 제2 레이저 빔(162)은, 일 실시예에서 선택된 조건하에서 웨이퍼(10)를 가열할 수 있는, 각각의 파장(λ1, λ2)을 가진다. 또 다른 실시예에서, 한 파장(예컨대, λ1)은 다른 파장(λ2)의 웨이퍼 가열을 향상시키기 위해 사용된다. 예를 들면, 파장(λ1, λ2)들 중 하나는 웨이퍼(10)의 반도체 밴드갭(bandgap)보다 더 큰 밴드갭 에너지를 가질 수 있으며, 그에 의해 웨이퍼(10)를 어닐링 온도(tA)까지 가열하는데 충분한 정도로 웨이퍼(10)가 제1 레이저 빔(132) 및 제2 레이저 빔(162)을 흡수하게 한다. λ2의 범위는 예를 들면 500 nm ~ 10.6 마이크론이다.
레이저 어닐링 시스템(100)은 또한 아래 설명한 바와 같이 웨이퍼(10)의 상면(22)으로부터 열 방출 방사선(thermal emission radiation)(182)의 양을 측정하고 열 방출 전기신호(electrical thermal emission signal)(SE)를 생성하도록 배열 및 구성된 열 방출 감지시스템(180)을 포함한다. 일 실시예에서, 열 방출 감지시스템(180)은 웨이퍼(10)의 상면(22)으로부터 방사율(emissivity) (ε)을 측정하고 열 방출 신호(SE)는 측정된 방사율을 나타낸다. 일 실시예에서, 열 방출 감지시스템(180)은 아래 설명된 바와 같이 주사된 제2 이미지(166)를 추적할 수 있도록 제2 레이저 시스템(150)의 적어도 일부를 이용한다.
일 실시예에서, 열 방출 감지시스템(180)과 주사 광학 시스템(160)은 중복하는 각각의 광 경로 부분(OPE, OPS)을 갖는다. 이 구성은 제2 이미지(166)가 웨이퍼(10)의 상면(22) 위에 주사하고 있는 동안이라도 열 방출 감지시스템(180)이 (아래에서 설명되는) 제2 이미지(166)의 위치로부터 열 방출 방사선(182)을 수집하는 것을 가능하게 한다.
레이저 어닐링 시스템(100)은 또한 웨이퍼(10)의 상면(22)으로부터 반사된 광(162R)을 수집 및 감지하고 감지된 반사 광(162R)의 양을 나타내는 전기 신호(electrical reflected light signal)(SR)("반사 광 신호")를 생성하기 위해 사용되는 수집 광학 시스템(200)을 포함한다.
일 실시예에서, 레이저 어닐링 시스템(100)은 웨이퍼 스테이지(116)에 전기적으로 접속된 컨트롤러(170)를 추가로 포함하고 스테이지 제어 신호(S0)에 의해 제공되는 컨트롤러(170)로부터의 명령에 의해 웨이퍼 스테이지(116)의 움직임을 제어하도록 구성된다.
일 실시예에서, 컨트롤러(170)는 개인용 컴퓨터(PC) 또는 워크스테이션과 같은 컴퓨터이거나 컴퓨터를 포함한다. 컨트롤러(170)는 바람직하게는 상업적으로 가용한 다수의 마이크로-프로세서들 중 어느 하나, 하드 디스크 드라이브와 같이 프로세서를 메모리 장치에 연결하는 적당한 버스 아키텍처, 및 적당한 입출력 장치(예컨대, 각각 키보드 및 디스플레이)를 포함한다. 컨트롤러(170)는 웨이퍼(10)의 어닐링을 실행하기 위해 시스템(100)의 다양한 기능들을 컨트롤러(170)에 수행시키는 컴퓨터 판독 가능한 매체(예컨대, 메모리, 프로세서 또는 둘 다)에 구체화된 명령들(소프트웨어)을 통해 프로그램될 수 있다.
컨트롤러(170)는 또한 제1 레이저 시스템(120)과 제2 레이저 시스템(150)에 동작 가능하게 접속되어 이들 시스템의 동작을 각각의 제어 신호(S1, S2)에 의해 제어한다. 일 실시예에서, 컨트롤러(170)는 제1 레이저 시스템(120)과 제2 레이저 시스템(150)에서 주사 기능을 제어하기 위해 디지털 신호 처리기(DSP)(도시되지 않음)를 포함한다. 컨트롤러(170)는 또한 열 방출 감지시스템(180)과 수집 광학 시스템(200)에 동작 가능하게 접속되고 아래 설명된 것과 같이 열 방출 전기신호(SE)와 반사 광 신호(SR)를 수신하여 처리하도록 구성된다.
도 4를 계속 참조하면, 제1 레이저 빔(132)이 웨이퍼(10)의 상면(22) 위로 조향되어 그 위에 제1 이미지(136)를 형성하는 반면, 제2 레이저 빔(162)은 제2 이미지(166)를 형성하며, 제2 이미지(166)는 제1 이미지(136) 내에 포함된다. 이 구성의 예는 제1 이미지(136) 및 제2 이미지(1666)를 도시하는 도 5a의 확대도에 도시되어 있다. 제2 이미지(166)는 화살표(AR2)로 표시된 것과 같이 웨이퍼(10)의 상면(22) 위에 주사된다. 제1 이미지(136)는 정지되어 있고 상대적으로 클 수 있으며, 제2 이미지(166)는 적어도 부분적으로 그 내부에 주사된다. 도 5b에 도시된 또 다른 실시예에서, 제1 이미지(136)는 상대적으로 작을 수 있고 화살표(AR2)로 표시된 것과 같이 주사된 제2 이미지(166)와 제2를 맞추기 위해 화살표(AR1)로 표시된 것과 같이 주사될 수 있다.
도 5c 내지 도 5e에 도시된 또 다른 실시예에서, 제1 이미지(136)는, 제2 이미지(166)가 이 경우 정지 상태에 있을 수 있는 제1 이미지(136) 내에 여전히 위치하면서 웨이퍼(10)의 한 가장자리에서 반대의 가장자리까지 주사될 수 있도록, 제2 이미지(166)의 전체 주사 경로(167) 위에서 연장할 수 있다. 이 상황은, 도 5c 및 도 5d에 도시된 것과 같이, 웨이퍼(10)의 상면(22)의 상이한 부분까지 주사 경로(167)를 이동시키도록 웨이퍼(10)가 이동될 때라도 유지될 수 있으며, 도 5d에서 웨이퍼(10)는 새로운 주사 경로(167)가 도 5c에서 웨이퍼(10)의 중간 부분과 비교하여 도 5d에서 웨이퍼(10)의 하위 부분 위에 있도록 -Y 방향으로 이동되었다.
도 5b에 도시된 것과 같이, 제1 이미지(136)는 길이 L1과 폭 W1을 갖고 제2 이미지(166)는 길이 L2와 폭 W2를 갖지만, 제1 이미지와 제2 이미지(136, 166)는 반드시 직사각형일 필요는 없다. 제1 이미지(136)과 제2 이미지(166)의 실시예 치수는 제2 이미지(166)가 적어도 부분적으로 제1 이미지(136) 내에 포함되는 조건에 부합되는 한 폭이 대략 25 ㎛ ~ 100 ㎛이고 길이가 500 ㎛ ~ 2,000 ㎛일 수 있다.
일 실시예에서, 제1 레이저 빔(132)과 제2 레이저 빔(162)은 실질적으로 가우시안(Gaussian) 강도 프로파일을 가지며, 따라서 제1 이미지(136)와 제2 이미지(162) 역시 X와 Y 방향에서 실질적으로 가우시안 강도 프로파일을 갖는다. 제1 레이저 빔(132)과 제2 레이저 빔(162)이 실질적으로 가우시안이 되게 하는 것은, 더욱 방형의(square-wave)(즉, 끝이 날카로운) 강도 프로파일을 형성하도록 설계된 시스템과 비교하여, 제1 레이저 시스템 및 제2 레이저 시스템을 위한 구성을 간단하게 한다.
일 실시예에서, 제1 이미지(136)는 제2 이미지(166)보다 약간 더 크거나 크기가 거의 똑같을 수 있다. 일 실시예에서, 제1 이미지(136)는 주사 방향에서 제2 이미지(166)보다 앞서 확장하며 따라서 제2 이미지(166)의 광이 웨이퍼(10)의 상면(22)에 의해 더욱 용이하게 흡수되도록 웨이퍼(10)의 상면(22)을 충분히 가열하는 것이 가능하다.
종래 기술의 레이저 어닐링 시스템은 약 100 mm/초의 주사 속도를 제공할 수 있는 스테이지(116)를 이동시킴으로써 주사를 실행한다. 그러나 시스템(100)에서 제1 레이저 시스템(120)과 제2 레이저 시스템(150) 중 적어도 하나는 웨이퍼(10)의 상면(22)을 가로질러 제1 레이저 빔(132)과 제2 레이저 빔(162) 중 적어도 하나를 신속하게 주사하는 것을 허용하는 주사 광학 시스템이다. 일 실시예에서, 제1 레이저 빔(132)과 제2 레이저 빔(162) 중 적어도 하나는, 약 5 m/초 ~ 약 25 m/초의 범위에 있는 주사 속도(VS)로 웨이퍼(10)의 상면(22) 위에 그 각각의 제1 이미지(136) 및 제2 이미지(166)를 주사하도록 구성된다. 주사 속도(VS)가 25 m/초이고 빔 폭이 25 ㎛인 경우에, 어닐링 프로세스를 위한 체류시간(tD)은 1 ㎲이다. 주사 속도(VS)가 10 m/초이고 빔 폭이 50 ㎛인 경우에, 체류시간(tD)은 5 ㎲이다. 300-mm 웨이퍼(10)를 횡단하기 위해, 10 m/초로 이동하는 빔은 30 ms가 소요될 것이며, 이것은 비교해서 말하면 매우 짧은 주사 시간이다.
제1 레이저 빔(132)과 제2 레이저 빔(162)의 주사 동안에, 열 방출 감지시스템(180)은 제1 이미지(136)와 제2 이미지(166)가 중복되어 웨이퍼(10)의 상면(22)을 가열하는 위치로부터 열 방출 방사선(182)을 모니터한다. 열 방출 감지시스템(180)은 감지된 열 방출을 나타내는 열 방출 전기신호(SE)를 생성하고 이 신호를 컨트롤러(170)에 보낸다. 컨트롤러(170)는 열 방출 전기신호(SE)를 수신하고 이 신호를 사용하여 피드백 루프를 생성하며, 이 피드백 루프는 웨이퍼(10)의 상면(22)의 어닐링 온도(TA)가 실질적으로 일정하게 유지되도록 레이저 파워를 제어하기 위해 제1 레이저 시스템(120)과 제2 레이저 시스템(150) 중 적어도 하나에 의해 생성되는 파워의 양을 제어한다.
제2 레이저 빔(162)과 그것의 상응하는 제2 이미지(166)가 웨이퍼(10)의 한 측면으로부터 다른 측면까지 완전히 주사된 후, 컨트롤러(170)는 웨이퍼(10)의 상면(22)의 인접한 부분을 주사하기 위해 스테이지(116)를 (스테이지 제어 신호(S0)에 의해) 이동시킨다. 일 실시예에서, 웨이퍼(10)는 인접한 주사 경로(167)들이 실질적으로 중복되어 어닐링 균일성을 향상시키도록 주사된 제2 이미지(166)의 길이의 약 1/8에 상당하는 양만큼 이동된다. 일 실시예에서, 제2 이미지(166)는, 웨이퍼 스테이지(116)가 약 125 ㎛만큼 횡단-주사 방향으로 웨이퍼(10)를 이동시키도록, 1 mm의 길이(L2)를 갖는다. 웨이퍼 스테이지(116)가 그렇게 이동된 후, 제2 레이저 빔(162)은 이전 주사 방향과 동일한 방향으로 웨이퍼(10의 상면(22)을 주사한다. 이 방법에서, 웨이퍼(10) 위의 각 포인트의 온도 이력은 실질적으로 동일하다.
제2 레이저 시스템(150)이 (아래 설명되는) 주사 거울을 포함하는 일 실시예에서, 그리고 그와 같은 주사 거울은 웨이퍼(10)를 주사하기 위해 걸리는 것과 같은 동일한 양의 시간을 그 초기 위치로 복귀하는데 필요로 한다고 가정하면, 이것은 추가로 30 ms가 더 걸릴 것이다. 그러므로, 상기 주사 거울은 60 ms의 진동 주기(oscillation period)를 갖거나, 16.67 Hz의 진동 주기를 가지며, 이것은 종래 주사 거울 시스템의 성능 내에 포함된다.
일 실시예에서, 스테이지(116)는 제2 이미지(166)의 각각의 주사 후에 증분으로 이동시키는 대신에 일정한 속도로 이동된다. 이 실시예에서, 웨이퍼 스테이지(116)는 60 ms에 125 ㎛ 또는 2.08 mm/초로 이동할 수 있다. 따라서 300-mm 웨이퍼를 완전히 어닐링하기 위해서는 144초가 소요될 것이다. 더욱 우수한 균일성을 위해서, 제2 레이저 시스템(150)은 주사들 사이에서 제2 레이저 빔(162)을 끄거나 차단하도록 설정될 수 있다. 이 기능은 제2 레이저 빔(162)의 경로에 배치된 모듈레이터(198)를 사용하여 달성될 수 있다.
레이저 어닐링을 위해 필요한 광 파워의 양은 필요한 피크 어닐링 온도(TP)와 원하는 어닐링 (체류) 시간(tD)에 의해 결정된다. 더 긴 어닐링 시간 동안 (그 후의 더 큰 확산 거리(LDIFF)와 함께), 웨이퍼(10)의 더 많은 부분이 가열되고 따라서 더 많은 양의 파워가 필요하다. 일 실시예에서, 피크 어닐링 온도(TAP)는 350℃ ~ 1250℃ 사이이고 +/-3℃ 내로 유지된다. 여기서 피크 어닐링 온도(TAP)와 피크 웨이퍼 표면 온도(TSP)는 일반적으로 똑같은 것을 알 수 있었다.
시스템(10)의 처리량은 제2 이미지(166)의 크기(즉, 길이(L2) 및 폭(W2))를 증가시킴으로써 증가될 수 있다. 주어진 어닐링 온도 요구사항을 충족시키기 위해, 적당히 강력한 레이저가 필요하다. 200 와트의 흡수된 레이저 파워는 어닐링(체류)시간 tD
Figure pat00006
5 ㎲ 일 때 약 1000℃만큼 웨이퍼(10)의 상면(22) 위의 50 ㎛ x 1 mm 영역의 온도를 상승시키는데 충분한 것으로 추정된다. 그러므로, 만일 레이저 어닐링 시스템(100)이 60개의 300-mm 웨이퍼/시간의 처리량을 필요로 하고 어닐링 온도(TA)가 실리콘의 용융 온도(1413℃)에 도달할 필요가 있다면, 대략 1 kW의 흡수된 파워가 필요하다.
그와 같은 높은 양의 흡수된 파워를 달성하는 한 가지 방법은 광섬유 레이저의 형태로 레이저(151)를 제공하는 것이다. 광섬유 레이저는 매우 효율적이고, 소형이며, 아주 우수한 빔 품질을 생성하는 것이 가능하다. 광섬유 레이저는 λ>1 ㎛의 파장 범위에서 가장 강력하며, 이 범위에서 수 kW의 출력을 가질 수 있다. 안타깝게도, 이 파장 범위는 상온에서 실리콘 웨이퍼에 의해 잘 흡수되지 않는다. 그러나 표면 흡수를 개시하기 위해 λ>1㎛인 광섬유-기반 제1 레이저(151)가 예열 레이저로서 단파장 제1 레이저(121)와 함께 사용될 수 있다. 그러므로, 일 실시예에서, 제1 레이저(121)는 더 긴 파장의 제2 레이저 빔(162)이 흡수되도록 웨이퍼(10)의 상면(22)을 예열하거나 미리 활성화시키기 위해 사용되는 상대적으로 단파장의 제1 레이저 빔(132)을 생성한다.
일 실시예에서, 광섬유-기반 제1 레이저(121)는 300 nm ~ 650 nm 범위의 파장(λ1)을 갖는다. 일 실시예에서, 광섬유-기반 제1 레이저(121)는 전술한 파장(λ1) 범위의 출력 파장을 갖고 약 50 와트 ~ 5000 와트 범위의 광 출력을 갖는 는 광섬유 레이저를 포함한다. 웨이퍼(10)의 상면(22)을 예열하기 위해 또는 미리 활성화시키기 위해 사용될 수 있는 다른 실시예 제1 레이저(121)는 CO2 레이저, CW 다이오드 레이저 및 CW 고체 상태 레이저를 포함한다. 바람직하게는, 제1 레이저 빔(132)은 상온에서 웨이퍼(10)의 상면(22)에 의해 흡수되고 제2 레이저 빔(162)은 제1 레이저 빔(132)에 의해 웨이퍼(10)의 상면(22)에 생성된 조건 또는 상온의 어느 하나에서 웨이퍼(10)의 상면(22)에 의해 흡수된다.
도 6은 실시예 열 방출 감지 시스템(180)의 추가 상세를 포함하는 실시예 시스템(100)의 또 다른 개략도이다. 감지시스템(180)은 제2 레이저 빔(162)과 관련된 파장(λ2)의 광을 전송하지만 다른 파장들, 특히 열 방출 방사선(182)과 관련된 파장들의 광은 반사하도록 (예를 들면 코팅제로(도시되지 않음) 구성된 색 선별 거울(dichroic mirror)(184)을 포함한다. 색 선별 거울(184)은 광축(AD)을 정의하며 이 축을 따라서 편광판(186), 집속 렌즈(188), 광 필터(190), 및 광검출기(192)가 배열되어 있다.
도 6의 시스템(100)의 동작에서, 열 방출 방사선(182)은 제1 이미지(136) 및 제2 이미지(166)에 의해 가열에 대한 반응으로 웨이퍼(10)의 상면(22)에 의해 방출된다. 열 방출 방사선(182)은 주사 광학 시스템(160)에 의해 수집되고 색 선별 거울(184)로 조향된다. 색 선별 거울(184)은 열 방출 방사선(182)을 광축(AD)을 따라 편광판으로 반사하며, 편광판(186)은 제2 레이저 시스템(150)과 동일한 편광(polarization)을 갖는다. 편광된 열 방출 방사선(182)은 집속 렌즈(188)로 진행하고, 집속 렌즈(188)는 열 방출 방사선(182)을 광검출기(192) 위에 집속한다. 광 필터(190)는 열 방출 방사선(182)과 관련된 좁은 파장 대역(△λE)의 밖으로 관계없는 파장을 제거하는 역할을 한다. 여기서 파장(λE)은 좁은 파장 대역(△λE)의 중심 파장으로 생각할 수 있다.
이와 같이 열 방출 방사선(182)은 제2 이미지(166)가 웨이퍼(10)의 상면(22)을 주사하고 있는 동안 하나하나씩 수집된다. 일 실시예에서, 방출 파장(λE)은 허용 공차 내에 수차를 유지하기 위해 제2 레이저 빔(162)의 파장(λ2)과 가깝다. 일 실시예에서 집속 렌즈(188)는 방출 파장(λE)에서 동작하는 주사 광학시스템(160)으로부터 발생하는 수차를 적어도 부분적으로 보상하도록 구성된다.
열 방출 감지시스템(180)은 웨이퍼(10)의 상면(22)으로부터의 열 방출 방사선(182)이 제2 이미지(166)의 주사와 기본적으로 동시에 측정되는 것을 허용한다. 열 방출 방사선(182)의 검출은 고속 광검출기(192)를 사용하여 수행되기 때문에, 상응하는 열 방출 신호(SE)는 제2 이미지(166) 내의 광 파워의 양의 폐쇄회로(closed-loop) 제어를 위해 기본적으로 즉시 이용할 수 있다. 이것은 웨이퍼 표면 온도(TS)의 비균일을 보상하기 위해 제2 이미지(166) 내의 광 파워의 양을 조정하기 위해 필요한 속도를 향상시킨다. 이것은, 예를 들면, 컨트롤러(170)에 의해 제2 레이저 시스템(150)에 송신된 제어 신호(S2)를 조정함으로써, 수행된다.
웨이퍼(10)의 상면(22)의 온도를 정밀하게 제어하기 위해, 온도를 정확히 측정할 수 있어야 한다. 전술한 바와 같은 열 방출 방사선(182)의 검출 자체는 웨이퍼(10)의 표면 온도(TS)를 제공하지 않는다. 웨이퍼 상면(22)의 온도(TS)를 측정하기 위해, 방사율(ε)이 측정되어야만 한다. 주어진 온도에서, 방사율(ε)은 방출 파장(λE), 시야각(viewing angle), 및 열 방출 방사선(182)의 편광에 종속한다. 방사율(ε)을 측정함으로써 웨이퍼 표면 온도(TS)를 측정하기 위한 본 발명에 적용 가능한 시스템 및 방법은 미국 특허 공개 2012/0100640에 개시되어 있다.
방사율(ε)을 측정하는 한 가지 방법은 방출 파장(λE)에서 웨이퍼의 반사율 및 투과율을 결정하는 것이다. 이것은 제2 레이저 빔(162)을 채용함으로써 수행된다. 만일 제2 레이저 시스템(150)의 파장(λ2)이 Si 흡수 가장자리보다 높거나 근접한 경우라면(즉, 약 1.1 ㎛), 방사율(ε)은 웨이퍼 상면(22) 위에 입사하는 제2 레이저 빔(162)의 반사율 및 투과율을 측정함으로써(또는 결정함으로써) 측정될 수 있다. 그러나, 레이저 어닐링과 관련된 높은 웨이퍼 표면 온도와 함께 λ2 < 1㎛ 또는 λ2 > 1 ㎛ 인 경우, 웨이퍼 투과율은 무시될 수있고 웨이퍼 반사율의 측정만이 필요하다.
최고의 정확성을 위해, 웨이퍼 상면(22)으로부터 반사되는 제2 레이저 빔(162)의 반사 광(162R)이 가능한 많이 수집된다. 도 7은 반사 광(162R)을 수집하도록 배열된 수집 광학 시스템(200)의 확대도이다. 수집 광학 시스템(200)은 주사 거울(161M)과 집속 렌즈(161L)를 포함하는 주사 광학 시스템(160)과 관련하여 배열되어 있다. 수집 광학시스템(200)은 시스템(10)에 포함되고 일 실시예에서 광축(A4)을 따라 애퍼처(212)를 포함하는 통합 구체(210)를 포함한다. 애퍼처(212)에서 통합 구체(210)를 나가는 광을 검출하기 위해 애퍼처(212)에 인접하여 광검출기(220)가 배치된다. 일 실시예에서, 광검출기(220)에 도달하는 광의 강도를 제어하기 위해 애퍼처(212)와 광검출기(220) 사이에 적어도 하나의 ND 필터(neutral density filter)(216)가 배치된다. 광검출기(220)는 통합 구체(210)에 의해 수집된 반사 광(162R) 내의 파워를 나타내는 광검출기 신호(SR)를 발생시킨다.
도 6을 다시 참조하면, 일 실시예에서 시스템(100)은 초기 제2 레이저 빔(152) 내의 파워 양을 실시간으로 측정하도록 구성된 파워 센서(250)를 포함하며, 이것은 웨이퍼(10)의 위 상면(22) 위에 입사하는 파워 양을 결정할 수 있게 한다.
일 실시예에서, 파워 센서(250)는 제2 레이저 시스템(150) 내에 포함된 것으로 도시되어 있다. 파워 센서(250)는 방출된 레이저 파워를 나타내는 전력 신호(SPS)(이하, 방출된-파워 신호라고 함)를 발생시키며, 이것은 도 6에 도시된 실시예에서 초기 제2 레이저 빔(152) 내의 파워를 나타낸다. 파워 센서(250)는 방출된-파워 신호(SPS)를 컨트롤러(170)에 제공한다.
파워 센서(250)는 웨이퍼(10)의 위 상면(22)과 제2 레이저(151) 사이 어디든지 위치될 수 있다. 파워 센서(250)가 주사 광학시스템(160)의 상부에 위치되는 도 6에 도시된 경우에 있어서, 웨이퍼(10)의 위 상면(22) 위에 실제로 입사하는 제2 레이저 빔(162) 내의 파워 양을 결정함에 있어서 주사 광학시스템(160)의 전송이 고려될 필요가 있다. 특히, 주사 광학시스템(160)의 전송은 컨트롤러(170)에 제공될 수 있고 제2 레이저 빔(162) 내 파워 양을 계산하기 위해 사용될 수 있다.
방출된-파워 신호(SPS)와 반사 광 신호(SR)는 실시간으로 측정된다. (전술한 바와 같은 주사 광학시스템(160)의 전송에 관한 임의의 계산을 포함하여) 이들 2개의 신호(SPS, SR)를 비교함으로써, 방사율(ε)은 제2 이미지(166)가 웨이퍼(10)의 상면(22) 위를 주사할 때 점 단위로(point-by-point basis) 계산된다. 계산된 방사율(ε)은 그 다음 웨이퍼 표면 온도(TS)의 국지적 측정치를 얻기 위해 사용되며, 웨이퍼 표면 온도(TS)는 웨이퍼(10)의 상면(22) 위에 존재하는 임의의 패턴으로 인한 방사율 변동에 민감하지 않다. 그 다음 이것은 제2 이미지(166)를 형성하기 위한 제2 레이저 빔(162) 내의 파워 양의 폐회로 제어를 가능하게 하여 실질적으로 균일한 웨이퍼 표면 온도(TS)(예컨대, 피크 웨이퍼 표면 온도(TSP))유지하는 것에 기초한 실질적으로 균일한 어닐링을 달성한다. 일 실시예에서, 제2 레이저 빔(162) 내 파워 양은 컨트롤러(170)에 의해 조정 신호(SM)를 모듈레이터(198)에 송신함으로써 제어되며, 모듈레이터(198)는 제2 레이저(151)와 주사 광학시스템(160) 사이의 광 경로에, 예를 들면 초기 제2 레이저 빔(152) 내에 배치된다.
따라서, 시스템(100)의 일 측면은 어닐링 동안에 웨이퍼(10)의 상면(22)의 피크 웨이퍼 표면 온도(TSP)를 모니터링 하는 것과 피크 웨이퍼 표면 온도(TSP)가 비교적 일정하게 유지되도록 제2 레이저 빔(162) 내 파워 양을 조정하는 것을 포함한다.
주사 광학시스템
도 8a 내지 도 8c는 주사 광학 시스템(160)의 실시예를 도시하며 제2 레이저 빔(162)과 그에 상응하는 제2 이미지(166)가 어떻게 웨이퍼(10)의 상면(22) 위에 주사되는지를 보여준다. 도 9는 다른 방향에서 본 주사 광학시스템(160)을 도시하며 일 실시예에서 웨이퍼(10)의 상면(22)에 수직인 면(N)과 각도(
Figure pat00007
B)를 형성하기 위해 주사 광학시스템(160)이 어떻게 배치되는지 도시하며,
Figure pat00008
B는 실리콘에 대해 실질적으로 브루스터 각도(Brewster angle)로서 약 75°이다. 주사 광학시스템(160)은 제2 레이저 빔(162)의 중심 광선에 의해 규정되는 광축(AX2)을 갖는다.
도 8a 내지 도 8c 및 도 9는 도 10a에 도시된 것과 같은 싱글-레이저 어닐링 시스템을 나타낼 수 있으며, 제2 레이저 시스템(150)이 유일한 레이저 시스템이므로 주사된 제2 레이저 빔(162)이 사용된 유일한 어닐링 레이저 빔이다. 싱글-레이저 빔의 경우에 있어서, 레이저 파장은 웨이퍼(10)의 상면(22)에 의해 용이하게 흡수되는, 예를 들면 약 300 nm ~ 약 650 nm의 범위에 있는 파장(λ2)이거나, 흡수를 촉진하기 위해 다른 레이저의 조사에 의해 웨이퍼(10)의 상면(22)이 예열되거나 미리 처리될 필요가 없는 파장을 일반적으로 갖는다.
대안으로 도 8a 내지 도 8c 및 도 9는 2개의 레이저 빔들(예를 들어, 도 6 참조) 중 하나만을 나타낼 수 있으며, 제1 레이저 빔(132)은 편의상 도시되어 있지 않다.
주사 광학 시스템(16)은 "F-세타(Theta)" 구성을 일반적으로 갖도록 배열된 집속 렌즈(161)와 주사 거울(161M)을 포함하지만, 제2 레이저 빔(162)은 웨이퍼(10)의 상면(22)에 대해 전체 주사 경로(167)에 걸쳐 수직 입사(telecentric)할 필요가 없다. 집속 렌즈(161L)는 광축(AXFL)을 갖는다. 시준 렌즈(161C)는 제2 레이저(151)에 인접하게 도시되어 있고 시준된 초기 제2 레이저 빔(152)을 형성한다. 웨이퍼(10)의 상면(22)으로부터 집속 렌즈(161L)까지의 거리는 DW이고 상대적으로 좁은 제2 레이저 빔(162)에 대한 집속 렌즈(161L)의 개구수는 NA이다. 예를 들면, DW는 약 1 m이고 NA는 약 0.15이다. 주사 거울(161M)은 거울 구동기(mirror driver)(164)에 동작 가능하게 부착되며, 그 다음 거울 구동기(164)는 컨트롤러(170)에 동작 가능하게 접속된다. 거울 구동기(164)는 주사 거울(scanning mirror)(161M)을 구동하는, 예를 들면, 제2 레이저 빔(162)이 도 8a에서
Figure pat00009
2로 표시된 상응하는 선택된 각도 범위에 대하여 주사할 수 있도록 선택된 각도 범위에 걸쳐 주사 거울(161M)을 신속하게 회전시키는 역할을 한다. 일 실시예에서, 각도 범위(
Figure pat00010
2)는 제2 이미지(166)가 웨이퍼(10)의 한 가장자리로부터 반대쪽 가장자리까지 웨이퍼(10)의 가장 넓은 부분에서 주사될 수 있도록 선택된다.
도 8a는 제2 레이저 빔(162)이 웨이퍼(10)의 상면(22)의 웨이퍼(10)의 한 가장자리 근처에 제2 이미지(166)를 형성하는 상태에 있는 주사 광학시스템(160)을 도시하며, 제2 광학시스템(160)은 화살표 AR2에 의해 표시된 방향으로 주사되고 있다. 도 8b는, 제2 레이저 빔(162)이 광축(AXFL)을 따라 조향되고 제2 이미지(166)가 웨이퍼(10)의 가장자리들 사이의 대략 중간에 있도록 주사 거울(161M)이 회전된 것을 제외하고는, 도 8a와 유사한 도면이다. 도 8c는, 제2 레이저 빔(162)과 제2 이미지(166)가 웨이퍼(10)의 다른 쪽까지 주사되도록 훨씬 더 회전된 것을 제외하고는 도 8a와 유사하다.
일 실시예에서, 주사 제2 레이저 빔(162)은, 제2 이미지(166)가 각 주사에 대해 웨이퍼(10)의 상면(22)의 상이한 부분들을 노출하도록 또는 인접한 주사에 대해 웨이퍼(10)의 상면(22)의 어떤 새로운 부분을 적어도 커버하도록(즉, 인접한 주사들 사이의 약간의 중복이 있을 수 있다) 웨이퍼(10)가 횡단-주사 방향으로 이동되는 동안, 단순히 좌우로 횡단(sweep)한다. 마찬가지로, 제1 이미지(136)가 제2 이미지(166)에 의해 주사되는 웨이퍼(10)의 상면(22)의 부분을 예열하도록, 제1 이미지(136)는 전체 주사 경로(167)를 따라 연장할 수 있고 정지하거나 제2 이미지(166)와 함께 이동할 수 있다.
시스템(100)은 다양한 레이저 어닐링 응용들을 위해 채용될 수 있다. 예를 들면, 만일 용융 어닐링 프로세스가 필요하다면, 약 1㎲의 체류시간(tD)으로 기판을 가열하여 용융시키기 위해 (어닐링 레이저 빔으로서) 제2 레이저 빔(162)이 사용될 수 있다. 만일 부분-용융(sub-melt) 어닐링 응용이 필요하다면, 시스템(100)은 체류시간(tD)이 약 1 ㎲ ~ 100 ㎲의 범위에 있도록 동작될 수 있다. 이런 2가지 유형의 어닐링 응용은 시스템(100)의 실시간(in-situ) 온도 측정 능력으로부터 이익을 얻는다.
포토레지스트 어닐링
시스템(100)은 포토레지스트, 특히13.5 nm의 공칭 노출 파장에서 사용되는 EUV 포토레지스트와 193 nm의 공칭 노출 파장에서 사용되는 DUV 포토레지스트를 어닐링하기 위해서도 사용될 수 있다. 도 10b는 도 10a와 유사한 도면으로서 웨이퍼(10)가 웨이퍼(10)의 상면(22) 위에 EUV 또는 DUV 포토레지스트 층(27)을 포함하는 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 포토레지스트 층(27)이 어닐링될 층이고 웨이퍼 표면은 단순히 포토레지스트 층(27)을 지지한다.
레이저 어닐링은 EUV 및 DUV 포토레지스트 층(27)의 성능을 노출 광에 대한 감도와 라인-에지 거칠기(line-edge roughness)의 면에서 개선할 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나, 이러한 개선된 성능을 달성하기 위한 핵심 요인은 어닐링의 온도 균일성이다. 시스템(100)은 전술한 피드백 루프를 사용하여 어닐링 온도(TA)의 균일성을 제어하도록 구성되기 때문에, 포토레지스트의 레이저 어닐링을 가능하게 한다. 이 응용은 EUV(extreme ultraviolet) 리소그래피에서 사용되는 포토레지스트를 어닐링하는데 특별한 용도를 가지며, 이 경우 레지스트의 증가된 광감성은 포토레지스트를 노출하기 위해 필요한 EUV 파워의 양을 감소시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 측면은 전술한 바와 같이 시스템(100)을 사용하여 포토레지스트 층(27)을 갖는 웨이퍼(10) 위에 초고속 레이저 어닐링을 수행하는 것을 포함한다.
포토레지스트 어닐링에 있어서, 어닐링 제2 레이저 빔(162)은 포토레지스트 층(27)에 의해 투과되는데 이는 포토레지스트 층(27)기 어닐링 파장에 대해 투명하기 때문이다. 따라서, 포토레지스트 층(27)은 아래에 있는 웨이퍼(10)의 상면(22)을 가열함으로써 어닐링된다. 포토레지스트 층(27)에 대한 어닐링 온도(TA)는 약 300℃~ 약 400 ℃의 범위에 있고, 체류시간(tD)은 100 ㎲ ~ 1 ms 범위에 있다.
포토레지스트 층(27)의 어닐링을 수행하는데 있어서 주요 고려사항은, (주어진 체류시간(tD)에 대한) 원하는 열 확산 거리(LDIFF)를 열 확산 거리(LDIFF)로 인한 아래에 있는 실리콘 웨이퍼(10)에서 광의 광 흡수 깊이(DAD)에 실질적으로 정합시키는 것이다. 일 실시예에서, 포토레지스트 층(27)의 레이저 어닐링을 위한 조건은 광 흡수 깊이(DAD)가 열 확산 거리(LDIFF)보다 작은 것이다(즉, DAD < LDIFF).
체류시간(tD)이 1ms인 경우, 도 2에서 열 확산 거리(LDIFF)는 대략 100 마이크론인 것을 알 수 있다. 그러므로, 광 흡수 깊이(DAD)가 100 마이크론 이하인 하나 이상의 어닐링 파장을 선택하는 것이 바람직하다. 도 3으로부터, 이 조건은 실온에서 980 nm 미만의 어닐링 파장에 대해 충족된다. 더 짧은 체류시간의 경우(즉, tD = 10 ㎲), 열 확산 거리(LDIFF)는 10 ㎛이다. 10 ㎛ 미만의 광 흡수 깊이(DAD)를 갖는 상응하는 파장은 약 650 nm 미만의 파장이다. 예를 들면 어닐링 파장은 약 300 nm ~ 약 1000 nm 범위에 있다. 일 실시예에서, 전술한 온도 측정 능력 및 피드백 구성은 포토레지스트 어닐링 프로세스의 온도 균일성을 제어하기 위해 시스템(100)에서 이용된다.
본 발명의 범위와 사상을 벗어나지 않으면서 본 발명에 대해 다양한 변경 및 변형이 이루어질 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 그러므로, 본 발명은 첨부된 청구항과 그 균등물의 범위 안에 있는 한 본 발명에 대한 변경과 변형을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
10: 웨이퍼 100: 초고속 레이저 어닐링 시스템
110: 척(chuck) 116: 웨이퍼 스테이지
120: 제1 레이저 시스템 121: 제1 레이저
122: 제1 레이저 빔 130: 제1 광학시스템
132: 제1 레이저 빔 136: 제1 이미지
150: 제2 레이저 시스템 160: 주사 광학시스템
162: 제2 레이저 빔 162R: 반사 광
166: 제2 이미지 170: 컨트롤러
182: 열 방출 방사선 200: 수집 광학시스템
DAD: 광 흡수 깊이 LDIFF: 열 확산거리
S1, S2: 제어신호 SE: 열 방출 전기신호
SR: 반사 광 신호 tD: 체류시간(dwell time)
TAP: 피크 어닐링 온도 TSP: 피크 웨이퍼 표면 온도
TP: 피크 어닐링 온도

Claims (23)

  1. 웨이퍼 표면을 갖는 반도체 웨이퍼를 어닐링하는 초고속 레이저 어닐링 시스템에 있어서,
    제1 파장에서 상기 웨이퍼 표면 위에 제1 이미지를 형성하는 제1 레이저 시스템; 및
    제2 파장에서 상기 웨이퍼 표면 위에 제2 이미지를 형성하는 제2 레이저 시스템을 포함하고,
    상기 제1 이미지는 상기 제2 파장에서 광의 흡수량을 증가시키며,
    상기 제2 이미지는 상기 제1 이미지 내에 적어도 부분적으로 위치하고,
    상기 제2 레이저 시스템은 1㎲ ~ 100 ㎲ 사이의 체류시간으로 상기 웨이퍼 표면 위에 상기 제2 이미지를 주사하여 상기 웨이퍼 표면이 350 ℃ ~ 1250℃의 피크 어닐링 온도(TAP)까지 도달하게 하는 주사 광학시스템을 포함하는, 초고속 레이저 어닐링 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 이미지의 위치에서 상기 웨이퍼 표면으로부터 열 방출 방사선을 검출하고 열 방출 전기신호를 생성하도록 동작 가능하게 배열된 열 방출 감지시스템;
    상기 제2 이미지의 위치에서 상기 웨이퍼 표면으로부터 반사하는 제2 레이저 빔으로부터 반사 광을 수집하고 반사 광 전기신호를 생성하도록 동작 가능하게 배열된 수집 광학시스템;
    상기 제2 레이저 빔 내의 파워 양을 측정하고 그것을 나타내는 파워 전기신호를 생성하기 위해 배열된 파워 센서; 및
    상기 열 방출 감지시스템, 상기 수집 광학시스템, 상기 파워 센서 및 상기 제2 레이저 시스템에 동작 가능하게 접속되고, 상기 열 방출 전기신호, 상기 전력신호 및 상기 반사 광 전기신호를 수신 및 처리하고 상기 제2 이미지의 위치에서 웨이퍼 표면 온도(TS)를 결정하는 컨트롤러;를 추가로 포함하는, 초고속 레이저 어닐링 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 열 방출 감지시스템과 상기 주사 광학시스템은 중복되는 광 경로 부분들을 포함하는, 초고속 레이저 어닐링 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 측정된 상기 웨이퍼 표면 온도(TS)에 기초하여 상기 제2 레이저 빔 내의 파워 양을 제어하는, 초고속 레이저 어닐링 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 이미지 및 제2 이미지는 +/-3℃를 초과하여 상기 반도체 웨이퍼 위에서 변하지 않는 피크 어닐링 온도를 생성하는, 초고속 레이저 어닐링 시스템.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 주사 광학시스템은 거울 구동기에 동작 가능하게 접속된 주사 거울을 포함하고,
    상기 거울 구동기는 상기 컨트롤러에 동작 가능하게 접속되고 제어되는, 초고속 레이저 어닐링 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 파장은 300 nm ~ 600 nm 범위에 있는, 초고속 레이저 어닐링 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 파장은 500 nm ~ 10.6 마이크론 범위에 있는, 초고속 레이저 어닐링 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 레이저 시스템은 50 W ~ 5000 W의 출력 파워를 갖는 광섬유 레이저를 포함하는, 초고속 레이저 어닐링 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 웨이퍼는 a) 10 ㎛ ~ 100 ㎛ 또는 b) 500 ㎛ ~ 1,000 ㎛ 범위의 두께를 갖는 디바이스 웨이퍼를 포함하는, 초고속 레이저 어닐링 시스템.
  11. 웨이퍼 표면을 갖는 반도체 웨이퍼를 어닐링하는 방법에 있어서,
    제1 파장에서 상기 웨이퍼 표면 위에 제1 이미지를 형성하는 단계;
    제2 파장에서 상기 웨이퍼 표면 위에 제2 이미지를 형성하는 단계; 및
    1 ㎲ ~ 100 ㎲의 체류시간으로 상기 웨이퍼 표면 위에 상기 제2 이미지를 주사하여 상기 웨이퍼 표면이 350 ℃ ~ 1250 ℃의 피크 어닐링 온도(TAP)에 도달하게 하는 단계:를 포함하고,
    상기 제1 이미지는 제2 파장에서 광의 흡수 양을 증가시키고,
    상기 제2 이미지는 적어도 부분적으로 상기 제1 이미지 내에 위치하는, 반도체 웨이퍼 어닐링 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 파장은 300 nm ~ 650 nm 범위에 있는, 반도체 웨이퍼 어닐링 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제2 파장은 500 nm ~ 10.6 마이크론 범위에 있는, 반도체 웨이퍼 어닐링 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    주사된 상기 제2 이미지의 위치에서 웨이퍼 표면 온도(TS)를 측정하는 단계; 및
    상기 피크 어닐링 온도(TAP)를 +/-3℃ 내로 유지하기 위해 상기 제2 이미지를 형성하기 위한 제2 레이저 빔 내의 파워 양을 제어하는 단계;를 추가로 포함하는, 반도체 웨이퍼 어닐링 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 웨이퍼 표면 온도(TS) 측정 단계는,
    상기 제2 레이저 빔 내의 파워 양을 측정하는 단계;
    주사된 상기 제2 이미지의 위치에서 방출된 열 방사선의 양을 측정하는 단계;
    상기 제2 이미지의 위치로부터 상기 제2 광 빔의 반사에 의한 반사 광의 양을 측정하는 단계; 및
    교정 과정으로부터 얻어진 룩업 테이블을 사용하여 웨이퍼 표면 온도(TS)를 계산하는 단계;를 포함하는, 반도체 웨이퍼 어닐링 방법.
  16. 어닐링 표면을 갖는 반도체 웨이퍼를 어닐링하는 초고속 레이저 어닐링 시스템에 있어서,
    약 300 nm ~ 약 650 nm 범위의 어닐링 파장을 갖는 레이저 빔을 발생시키는 레이저; 및
    상기 레이저 빔을 수신하고 1㎲ ~ 100㎲의 체류시간을 갖는 주사된 이미지로서 상기 어닐링 표면 위에 상기 레이저 빔의 이미지를 주사하여, 상기 어닐링 표면이 350℃ ~ 1250℃의 피크 어닐링 온도(TAP)에 도달하게 하는 주사 광학시스템;을 포함하는, 초고속 레이저 어닐링 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 반도체 웨이퍼는 디바이스 웨이퍼 및 캐리어 웨이퍼로부터 형성된 제품 웨이퍼이고,
    상기 디바이스 웨이퍼는 상기 어닐링 표면을 형성하고 약 10㎛ ~ 약 100㎛ 범위의 두께를 갖는, 초고속 레이저 어닐링 시스템.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 주사 광학시스템은 F-세타 주사 시스템으로서 구성되는, 초고속 레이저 어닐링 시스템.
  19. 어닐링 표면을 갖는 반도체 웨이퍼를 어닐링하는 방법에 있어서,
    약 300 ㎛ ~ 약 650 ㎛ 범위의 파장을 갖는 레이저 빔을 사용하여 상기 어닐링 표면 위에 이미지를 형성하는 단계; 및
    1㎲ ~ 100㎲의 체류시간으로 상기 어닐링 표면 위에 이미지를 주사하여, 상기 어닐링 표면이 350℃ ~ 1250℃의 피크 어닐링 온도(TAP)에 도달하게 하는 단계;를 포함하는, 반도체 웨이퍼 어닐링 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 반도체 웨이퍼는 디바이스 웨이퍼 및 캐리어 웨이퍼로부터 형성된 제품 웨이퍼이고,
    상기 디바이스 웨이퍼는 상기 어닐링 표면을 형성하고 약 10㎛ ~ 약 100㎛ 범위의 두께를 갖는, 반도체 웨이퍼 어닐링 방법.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 이미지 주사 단계는 F-세타 주사 광학시스템을 사용하여 수행하는, 반도체 웨이퍼 어닐링 방법.
  22. 반도체 웨이퍼의 표면에 의해 지지된 포토레지스트 층을 어닐링하는 방법에 있어서,
    약 300 nm ~ 약 1000 nm 범위의 파장을 갖는 레이저 빔을 사용하여 상기 반도체 웨이퍼의 표면 위에 이미지를 형성하는 단계; 및
    100㎲ ~ 1 ms의 체류시간으로 상기 반도체 웨이퍼의 표면 위에 상기 이미지를 주사하여, 상기 포토레지스트 층이 약 300℃ ~ 약 400℃의 피크 어닐링 온도(TAP)에 도달하게 하는 단계;를 포함하는, 포토레지스트 층을 어닐링하는 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 레이저 빔과 반도체 웨이퍼는 상기 반도체 웨이퍼 내에서 열 확산 거리(LDIFF) 및 관련된 광 흡수 깊이(DAD)를 규정하고,
    상기 이미지 주사는 DAD < LDIFF를 만족시키도록 수행되는, 포토레지스트 층을 어닐링하는 방법.
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