KR20140096308A

KR20140096308A - 레이저 회절을 통해 3ｄ 반도체 구조물의 온도를 측정하는 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20140096308A
Application number: KR1020147013930A
Authority: KR
Inventors: 헹 판; 매튜 스캇 로저스; 아론 뮤어 헌터; 스티븐 모파트
Original assignee: 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
Priority date: 2011-11-10
Filing date: 2012-11-08
Publication date: 2014-08-05
Also published as: CN103890925B; TW201732985A; TWI585880B; CN103890925A; US20180283957A1; TW201332040A; US20130120737A1; SG10201601756YA; TWI628730B; US9909925B2; CN107421642A; WO2013070917A1; SG11201401029UA; KR102039200B1

Abstract

본 발명의 실시예들은 일반적으로 그 위에 3D 피쳐를 갖는 기판의 온도를 측정하고 모니터링하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 장치는 그 위에 3D 피쳐를 갖는 기판을 조사(irradiating)하기 위한 광원, 반사된 광을 모으고 포커싱하기 위한 포커스 렌즈, 및 포커싱된 반사 광의 방사율을 검출하기 위한 방사율 측정기를 포함한다. 장치는 또한 빔 스플리터 및 이미징 디바이스를 포함할 수 있다. 이미징 디바이스는 반사된 광의 회절 패턴의 확대 이미지를 제공한다. 방법은 그 위에 3D 피쳐를 갖는 기판에 광을 조사하는 단계, 및 반사된 광을 포커싱 렌즈로 포커싱하는 단계를 포함한다. 다음으로, 포커싱된 광은 센서에 지향되고, 기판의 방사율이 측정된다. 반사된 광은 또한 반사된 광의 회절 패턴의 확대 이미지를 생성하기 위해 이미징 디바이스에 부딪치게 될 수 있다.

Description

레이저 회절을 통해 3Ｄ 반도체 구조물의 온도를 측정하는 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD TO MEASURE TEMPERATURE OF 3D SEMICONDUCTOR STRUCTURES VIA LASER DIFFRACTION}

본 발명의 실시예들은 일반적으로 그 위에 3차원(3D) 피쳐를 갖는 기판의 온도를 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

반도체 디바이스들의 계속되는 축소(scaling) 추진은 3D 피쳐를 포함하여, 반도체 디바이스를 위한 새로운 아키텍처를 야기한다. 3D 피쳐의 한가지 결과는 검출기에 의한 광의 감소된 집광으로 인한 (예를 들어, 조사 광원(irradiating light source)의 입사각이 반사각과 동일할 때의) 정반사의 손실에 기인하는 비접촉 계측의 정확성 감소이다. 고온 측정법(pyrometry)과 같은 비접촉 계측은 객체로부터 방사되는 열 복사(thermal radiation)를 측정함으로써 기판 온도를 결정하기 위해 이용될 수 있다. 기판의 열 방출은 아래와 같이 표현될 수 있다:

여기에서 T는 온도이고, θ 및 φ는 편각 및 방위각이고, λ는 광 파장이고, R_Ω는 오실로스코프의 임피던스이고, A는 검출기에 의해 감지되는 면적이고, ε'_λ(λ,θ,φ,T)는 지향성 스펙트럼 방사율(directional spectral emissivity)이고, τ(λ)는 광 경로 내의 렌즈 및 필터의 스펙트럼 투과율(spectral transmittance)이고, G(λ)는 상이한 파장들에서의 검출기의 감응도이며, e_λ,b는 기판의 방사율이다. 수학식 1에 나타난 바와 같이, 기판의 열 방출은 기판의 방사율 및 온도 둘 다의 함수이다. 상술한 수학식을 단순화하기 위해, 대부분의 광학적 고온계(pyrometer)는 측정되는 객체에 무관하게 단일의 방사율 값으로 설정된다. 그러나, 모든 객체가 동일한 방사율을 갖지는 않으므로, 고온계에 의해 도출되는 온도는 부정확한 경우가 많다.

일부 평면 구조물들에 있어서, 객체의 방사율이 실험적으로 결정되어, 고온계에 정정 계수가 적용될 수 있게 되며, 이는 객체 온도의 더 정확한 결정을 용이하게 한다. 비접촉 고온 측정법은 평면 기판에 비해 3D 구조물을 프로세싱할 때에 특히 부정확하다. 3D 구조물의 계측은 객체 방사율의 결정에 있어서의 어려움으로 인해 훨씬 덜 정확하다. 3D 구조물의 조사(irradiation)는 기판으로부터 반사된 광의 산란 및 간섭을 야기하여, 종래의 방사율 측정 기법들을 이용할 때의 방사율 결정을 부정확하게 한다.

그러므로, 그 위에 3D 피쳐를 갖는 기판의 온도를 측정하고 모니터링하기 위한 장치 및 방법이 필요하다.

본 발명의 실시예들은 일반적으로 그 위에 3D 피쳐를 갖는 기판의 온도를 측정하고 모니터링하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 장치는 그 위에 3D 피쳐를 갖는 기판을 조사(irradiating)하기 위한 광원, 기판으로부터 반사된 광을 모으고 포커싱하기 위한 포커스 렌즈(focus lens), 및 포커싱된 반사 광의 방사율을 검출하기 위한 방사율 측정기(emissometer)를 포함한다. 장치는 또한 기판으로부터 방사율 측정기를 향해 반사된 광을 분할하는 빔 스플리터와, 이미징 디바이스를 포함할 수 있다. 이미징 디바이스는 반사된 광의 회절 패턴의 확대 이미지를 제공한다. 방법은 그 위에 3D 피쳐를 갖는 기판에 광원으로부터의 광을 조사하는 단계, 기판으로부터 광을 반사시키는 단계, 및 반사된 광을 포커싱 렌즈로 포커싱하는 단계를 포함한다. 다음으로, 포커싱된 광은 센서에 지향(direct)되고, 기판의 방사율이 측정된다. 반사된 광은 또한 반사된 광의 회절 패턴의 확대 이미지를 생성하기 위해 이미징 디바이스에 부딪치게 될 수 있다.

일 실시예에서, 장치는 기판 지지체가 내부에 위치되어 있는 챔버 몸체를 포함한다. 반사 측정 시스템은 챔버 몸체 내에 위치되고, 기판 지지체의 기판 지지 표면을 향해 광을 지향시키도록 위치된 광원, 및 기판 지지 표면 상에 배치된 기판의 표면으로부터 반사된 광을 집광하도록 위치된 포커스 렌즈를 포함한다. 반사 측정 시스템은 또한 포커스 렌즈에 의해 집광된 광의 제1 부분을 기판의 방사율을 결정하는 방사율 측정기에 지향시키고, 포커스 렌즈에 의해 집광된 광의 제2 부분을 이미징 디바이스에 지향시키도록 위치된 빔 스플리터를 포함한다. 장치는 또한 기판의 방사율에 기초하여 기판의 온도를 결정하는 프로세싱 유닛을 포함한다.

다른 실시예에서, 기판의 온도를 결정하는 방법은 그 위에 3D 피쳐를 갖는 기판을 챔버 몸체 내의 기판 지지체 상에 위치시키는 단계를 포함한다. 광원으로부터의 광은 기판의 표면에 지향되어 그로부터 반사된다. 반사된 광은 포커스 렌즈로 집광되고, 방사율 측정기에 지향된다. 기판의 방사율이 결정되고, 다음으로 기판의 방사율에 기초하여 기판의 온도가 결정된다.

다른 실시예에서, 기판의 온도를 결정하는 방법은 그 위에 3D 피쳐를 갖는 기판을 챔버 몸체 내의 기판 지지체 상에 위치시키는 단계를 포함한다. 광원으로부터의 광은 기판의 표면에 지향되어 그로부터 반사된다. 반사된 광은 포커스 렌즈로 집광되고, 빔 스플리터에 지향된다. 빔 스플리터는 반사된 광을 제1 경로 및 제2 경로로 분할한다. 제1 경로는 방사율 측정기를 향하고 제2 경로는 이미징 디바이스를 향한다. 기판의 방사율이 결정되고, 다음으로 기판의 방사율에 기초하여 기판의 온도가 결정된다.

위에서 언급된 본 발명의 특징들이 상세하게 이해될 수 있도록, 위에 간략하게 요약된 본 발명의 더 구체적인 설명은 실시예들을 참조할 수 있으며, 그들 중 일부는 첨부 도면들에 도시되어 있다. 그러나, 본 발명은 동등한 효과의 다른 실시예들을 허용할 수 있으므로, 첨부 도면들은 본 발명의 전형적인 실시예들을 도시할 뿐이며, 따라서 그것의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다는 점에 주목해야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세싱 챔버를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 기판 온도를 결정하는 방법의 흐름도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시예들을 이용하여 캡쳐되는 예시적인 회절 패턴을 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예들을 이용하여 캡쳐되는 회절 패턴을 도시한다.
이해를 쉽게 하기 위해, 가능한 경우에는 도면들에 공통인 동일한 구성요소를 지칭하는 데에 동일한 참조 번호들이 이용되었다. 일 실시예에 개시된 구성요소들은 구체적인 언급 없이도 다른 실시예들에서 유리하게 이용될 수 있을 것으로 생각된다.

본 발명의 실시예들은 일반적으로 그 위에 3D 피쳐를 갖는 기판의 온도를 측정하고 모니터링하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 장치는 그 위에 3D 피쳐를 갖는 기판을 조사(irradiating)하기 위한 광원, 기판으로부터 반사된 광을 집광하고 포커싱하기 위한 포커스 렌즈, 및 포커싱된 반사 광의 방사율을 검출하기 위한 방사율 측정기를 포함한다. 장치는 또한 기판으로부터 방사율 측정기를 향해 반사된 광을 분할하는 빔 스플리터와, 이미징 디바이스를 포함할 수 있다. 이미징 디바이스는 반사된 광의 회절 패턴의 확대 이미지를 제공한다. 방법은 그 위에 3D 피쳐를 갖는 기판에 광원으로부터의 광을 조사하는 단계, 기판으로부터 광을 반사시키는 단계, 및 반사된 광을 포커싱 렌즈로 포커싱하는 단계를 포함한다. 다음으로, 포커싱된 광은 센서에 지향되고, 기판의 방사율이 측정된다. 반사된 광은 또한 반사된 광의 회절 패턴의 확대 이미지를 생성하기 위해 이미징 디바이스에 부딪치게 될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세싱 챔버(100)를 도시한다. 프로세싱 챔버(100)는 챔버 몸체(102), 기판 지지체(104), 및 반사 측정 시스템(106)을 포함한다. 레이저(108)는 챔버 몸체(102) 외부에서 기판 지지체(104) 위에 배치되고, 기판 지지체(104)에 위치된 기판(112)의 표면에 광(110)을 지향시키도록 구성된다. 레이저(108)는 열 어닐링, 도펀트 활성화 또는 재결정화(recrystallization)와 같은 기판(112)의 열 프로세싱을 용이하게 하기 위해 기판(112)에 광(110)을 전달한다. 고온계(111)는 레이저(108)에 인접하게 위치되고, 기판(112)으로부터 방출된 열 방사를 측정하기 위해 기판(112)에 지향된다.

반사 측정 시스템(106)은 챔버 몸체(102) 내에서 고정된 위치에 위치된다. 반사 측정 시스템(106)은 기판(112)의 열 프로세싱 전에, 열 프로세싱 동안 또는 열 프로세싱에 후속하여, 기판(112)의 온도 측정을 용이하게 한다. 반사 측정 시스템(106)은 기판(112)의 방사율이 기판(112)으로부터 반사된 광의 양을 측정함으로써 결정될 수 있게 해 준다. 반사 측정 시스템(106)은 광원(114)으로부터의 광(118)을 기판(112)의 표면을 향해 지향시키고, 방사율 측정기와 같은 센서(116)를 통해 기판(112)의 표면으로부터 반사된 반사 광(120)의 양을 측정하도록 구성된다. 광원(114)은 일반적으로 광(118)을 생성하는 단색 광원이며, 기판에 대해 알려진 각도, 예를 들어 약 0도 내지 약 60도로 위치된다. 광(118)은 단일 파장을 가지므로, 광(118)의 간섭은 무시할만하고, 반사된 광(120)으로부터의 임의의 간섭은 기판(112)의 표면에 위치된 3D 구조물들(122)에 의한 것일 수 있다. 추가로, 광원(114)은 레이저(108)와는 다른 파장에서 광을 생성하도록 구성되므로, 센서(116)는 광(118)을, 기판(112)으로부터 반사될 수 있는 광(110)과 구별할 수 있다. 일반적으로, 광(110)의 대부분 또는 전부가 기판에 의해 흡수되지만, 광(110)의 일부가 기판(112)으로부터 반사되는 경우, 광(110 및 118)에 대한 상이한 파장들의 이용은 정확한 방사율 결정을 용이하게 한다.

반사 측정 시스템(106)은 또한 챔버 몸체(102) 내의 고정된 위치에 위치된 포커스 렌즈(124)를 포함한다. 포커스 렌즈(124)의 중심은 반사된 광(120)을 집광하고 포커싱하기 위해 대략적으로 정반사 각도에 위치된다. 포커스 렌즈(124)는 기판(112)으로부터 약 10밀리미터 내지 약 20밀리미터에 위치될 수 있다. 포커스 렌즈(124)는 유리로 형성되지만, 포커스 렌즈(124)는 또한 프로세싱 챔버(100) 내의 열 어닐링 환경을 견디기에 적합한 플라스틱으로 형성될 수 있음이 고려된다. 포커스 렌즈는 그것이 없었다면 센서(116)의 감지 영역 밖에 도달할 반사 광(예를 들어, 고차 반사(high order reflections), 또는 정반사로부터 편향된 반사)의 집광을 용이하게 한다. 빔 스플리터(126)는 기판(112)에 반대되는 측에서 포커스 렌즈(124)에 인접하게 위치된다. 빔 스플리터(126)는 포커스 렌즈(124)의 후방 초점 평면에 또는 그 부근에 위치된 광학 디바이스이며, 포커싱된 반사 광(120)을 두 방향으로 분할하도록 구성된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 반사된 광(120)은 2개의 수직 방향으로 분할된다. 빔 스플리터(126)는 사변형을 형성하도록 수지(resin)에 의해 서로 부착된 2개의 삼각 유리 프리즘으로 형성될 수 있다. 수지의 조성 및 두께는 입사 반사광(120)의 미리 결정된 부분을 센서(116)로 방향 전환하면서, 입사 반사광(120)의 제2 부분, 예를 들어, 나머지 부분이 CCD 카메라와 같은 이미징 디바이스(128)에 전달되는 것을 허용하도록 선택될 수 있다. 이미징 디바이스(128)는 빔 스플리터(126)에 인접하게 위치되며, 포커스 렌즈(124) 및 빔 스플리터(126)와 공통 축을 공유한다. 이미징 디바이스(128)는 제1 초점 평면에 위치되며, 입사 광을 수신하고 반사된 광(120)의 회절 패턴의 확대 이미지를 생성하도록 구성된다. 회절 패턴은 기판 표면 상의 3D 구조물들(122)의 주기성(periodicity)에 대응하며, 따라서 3D 구조물들(122)의 크기, 형상 및 간격(그리고, 그에 대한 변화)에 관한 정보를 제공한다.

기판 지지체(104)는 챔버 바닥(130)에 위치된다. 기판 지지체(104)는 기판(112)의 프로세싱되지 않은 부분들을 레이저(108)로부터의 광(110)을 수신하도록 위치시키기 위해, 챔버 바닥(130)을 따라 반사 측정 시스템(106)에 대하여 X-Y 방향으로 병진가능하다. 기판 지지체(104)는 기판(112)이 로봇(도시되지 않음)을 경유하여 슬릿 밸브(132)를 통해 기판 지지체(104) 상에 배치되거나 그로부터 제거되는 것을 허용하기 위해, 반사 측정 시스템(106)의 포지션 클리어(position clear)로 이동가능하다. 리프트 핀(도시되지 않음)은 기판(112)을 기판 지지체(104)로부터 제거하는 것을 용이하게 하기 위해 기판 지지체(104)를 관통하여 배치될 수 있다. 컴퓨터와 같은 프로세싱 유닛(134)은 프로세싱 챔버(100)에 연결되고, 기판(112)을 광(110 또는 118)에 노출시키는 것, 기판을 로딩 및 언로딩(unloading)하는 것, 및 기판 온도를 결정하는 것을 포함하여, 그 내부에서 프로세스들을 제어하도록 구성된다.

열 어닐링 프로세스 동안과 같이, 프로세싱 챔버(100)의 동작 동안, 광원(114)은 미리 결정된 파장에서 알려진 양의 광(118)(예를 들어, 단위 면적 당 알려진 에너지)을 기판(112)에 조사한다. 광(118)의 일부는 기판(112)에 의해 흡수되는 한편, 나머지는 반사된 광(120)으로서 기판(112)으로부터 반사(및 산란)된다. 다음으로, 반사된 광(120)은 포커스 렌즈(124)에 의해 집광되고 포커싱된다. 반사된 광(120)이 산란을 경험하긴 하지만, 포커스 렌즈(124)는 반사된 광의 대부분 또는 전부의 집광을 용이하게 한다. 반사된 광의 대부분 또는 전부가 집광되므로, 기판 방사율의 더 정확한 측정이 이루어질 수 있다.

포커스 렌즈(124)는 반사된 광(120)을 빔 스플리터(126)에 포커싱하고, 빔 스플리터(126)는 반사된 광(120)의 알려진 부분을 센서(116)에 지향시킨다. 프로세싱 유닛(134)과 통신하는 센서(116)는 반사된 광(120)의 양을 측정한다. 빔 스플리터(126)에 의해 방향 전환되는 광의 비율은 빔 스플리터(126)를 형성하는 데에 이용되는 수지의 알려진 특성으로 인해 알려져 있으므로, 반사된 광(120)의 양이 정확하게 결정될 수 있다. 측정된 반사율로부터, 센서(116)는 기판(112)의 방사율을 대략 1 - 반사율로서 결정한다. 기판(112)의 방사율을 결정하고 나면, 다음으로 기판(112)의 온도는 수학식 1 및 플랑크 분포식(Planck Distribution Equation)(수학식 2)을 이용하여 프로세싱 유닛(134)에 의해 정확하게 결정될 수 있다.

수학식 2는 고온계(111)에 의해 기판(112)으로부터 방사된 열 복사를 결정할 때, 기판의 방사율의 정정을 허용한다. 수학식 2는 기판으로부터 방출된 열 복사의 측정 동안 정확한 온도 측정을 산출해내기 위해 수학식 1에 대입될 수 있다. 수학식 2에서, e_λ,b는 방사율 측정기 및 프로세싱 유닛(134)에 의해 결정된 기판의 방사율이고, C₁은 3.74 x 10^-16 W m^-2인 상수이고, C₂는 1.44 x 10^-2 m K인 상수이고, λ는 광원(114)으로부터 방출된 광의 파장이고, T는 기판의 온도이다. 따라서, 기판 방사율의 정확한 결정은 방사율 정정된 고온 측정법(emissivity-corrected pyrometry)을 통한 고온계에 의한 기판 온도의 정확한 결정을 용이하게 한다.

프로세싱 챔버(100)가 기판(112)의 열 프로세싱을 위해 구성되긴 하지만, 반사 측정 시스템(106)은 원자층 퇴적(atomic layer deposition; ALD) 챔버 또는 다른 프로세스 챔버와 같은 다른 프로세싱 챔버들에서 이용될 수 있음이 고려된다. 반사 측정 시스템(106)이 ALD 챔버 내에 위치될 때, 반사 측정 시스템(106)을 포커스 렌즈(124) 상의 재료의 퇴적을 완화하는 위치에 위치시키는 것이 바람직하다. 불활성 기체와 같은 프로세스 가스는 ALD 프로세싱 동안 퇴적 재료 또는 전구체 가스를 포커스 렌즈(124)로부터 멀리 지향시키기 위해 이용될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 기판 온도를 결정하는 방법을 위한 흐름도(250)를 도시한다. 흐름도(250)는 동작(251)에서 시작하는데, 여기에서 그 위에 3D 구조물을 갖는 기판은 기판을 열 프로세싱하기 위해 레이저로부터의 광에 노광된다. 동작(252)에서, 기판의 열 프로세싱을 계속하면서, 제2 광원으로부터의 단색 광은 기판의 열 프로세싱된 영역에 지향되고 그로부터 반사된다. 동작(253)에서, 기판 표면으로부터 반사된 단색 광원으로부터의 광은 포커스 렌즈에 의해 집광되고 포커싱된다. 포커스 렌즈는 원하는 양의 반사광, 예를 들어 기판으로부터 반사된 광의 적어도 약 90 퍼센트 또는 약 100 퍼센트를 집광하기 위해 충분한 크기를 갖고 기판에 충분히 가깝게 위치된다.

동작(254)에서, 반사된 광은 포커스 렌즈에 의해 빔 스플리터에 지향된다. 빔 스플리터는 포커싱된 광을 2개의 경로로 분할한다. 동작(255)에서 제1 경로는 기판으로부터 반사된 광의 양에 기초하여 기판의 방사율을 결정하는 센서에 지향된다. 동작(256)에서 빔 스플리터의 제2 경로는 반사된 광을, 반사된 광의 회절 패턴의 확대 이미지를 생성하기 위해 반사된 광을 집광하는 CCD 카메라에 지향시킨다. 회절 패턴의 확대 이미지는 3D 피쳐의 주기성이 결정되는 것을 허용하고, 또한 반사된 광의 산란 양 및 정반사 각도에 관한 정보를 제공한다. 회절 패턴은 프로세싱 동안 3D 피쳐들의 크기 및 간격을 모니터링하기 위해 이용될 수 있으며, 미리 결정된 품질 규격을 만족하지 않는 결함있는 디바이스 또는 기판을 나타내기 위해 이용될 수 있다.

동작(257)에서, 동작(255)에서 방사율이 일단 결정되었다면, 기판의 온도가 결정될 수 있다. 기판의 온도는 기판으로부터 방출된 열 복사를 측정하는 방사율 정정된 고온계(emissivity-corrected pyrometer)를 이용하여 결정될 수 있다. 동작(258)에서, 동작들(251-257)이 반복될 수 있다. 동작들(251-257)의 반복은 원하는 기간 동안 기판의 온도가 모니터링될 수 있게 해 준다. 기판 온도의 모니터링은 열 프로세싱 동안의 엔드포인트 식별과, 기판의 온도 이력을 도출해내고 모니터링하는 것과 같은 기판의 시간 의존적 열 맵핑(time-dependent thermal mapping)을 허용한다. 기판의 온도 이력은 기판의 주어진 프로세싱 기간에서의 정확한 온도 결정을 허용하며, 프로세싱 동안 기판에 전달되는 열 에너지의 총량의 정확한 결정을 허용한다. 성장 프로세스에 있어서, 온도 이력은 그 위의 3D 구조물의 크기 변화에 관하여 기판의 온도를 결정하기 위해 이용될 수 있다.

흐름도(250)는 기판 온도를 결정하는 일 실시예를 도시하지만, 다른 실시예들도 고려된다. 다른 실시예에서, 동작(251)은 동작(252)과 동시에 발생하지 않고, 이전에 또는 이후에 발생할 수 있다. 다른 실시예에서, 동작(251)이 원자층 퇴적 프로세스, 예를 들어 에피택셜 성장 프로세스로 대체될 수 있음이 고려된다. 그러한 실시예에서, 동작(256)에서의 반사된 광의 확대 이미지는 기판 상의 3D 피쳐들의 형성율(formation rate)을 모니터링하고 결정하기 위해 이용될 수 있다. 확대된 이미지는 또한 3D 구조물의 형성을 위해 온도 대 시간 대 피쳐 크기의 3D 표현을 만들기 위해 이용될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 포커스 렌즈가 반사된 광의 전부를 캡처하기에 충분할 만큼 크지 않은 경우에서, 프로세싱 유닛은 정정 계수를 적용함으로써 광의 집광되지 않은 부분을 보상할 수 있음이 고려된다. 프로세싱 유닛에 의해 적용되는 정정 계수는 미리 결정된 값(예를 들어, 3 퍼센트, 5 퍼센트 또는 10 퍼센트)일 수 있거나, 반사된 광의 간섭의 확대 이미지의 집광된 각 모드의 강도 분포와 같은 특성에 기초하여 계산될 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예들을 이용하여 캡쳐되는 예시적인 회절 패턴(370)을 도시한다. 회절 패턴(370)은 도 1에 도시된 것과 유사한 프로세스 챔버를 이용하여 캡쳐되었다. 회절 데이터는 서로로부터 약 2 마이크로미터 이격된, 표면 상의 복수의 0.16 마이크로미터 폭 트렌치를 갖는 기판으로부터 수집된다. 회절 패턴은 0차 반사(zero order reflection)(예를 들어, 정반사), 기판 상의 트렌치들에 의해 야기되는 2회의 1차 반사(two first order reflections), 및 기판의 트렌치들에 의해 야기되는 2회의 2차 반사(two second order reflections)를 포함한다. 반사의 차수가 증가함에 따라, 정반사로부터의 편향 각도도 마찬가지로 증가한다. 1차, 2차 또는 더 고차의 반사가 예를 들어 도 1에 도시된 장치를 이용하여 계측을 목적으로 캡쳐되지 않는 경우, 반사 데이터를 이용하여 도출된 방사율 측정값과 같은 측정값은 반사 데이터의 불완전한 수집으로 인해 부정확하다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 회절 패턴(370)의 1차 반사는 집광된 반사의 상당히 큰 부분을 나타낸다. 데이터 수집 동안의 1차 반사의 생략은 반사 측정값에 의존하는 계산에 있어서 상당한 오차를 야기할 것이다. 그러므로, 0차보다 높은 차수의 반사들을 집광하는 것이 바람직하다. 그러나, 도 3에 도시된 바와 같이, 더 높은 차수의 반사는 이전 차수의 반사보다 더 작은 강도를 나타낸다(예를 들어, 반사 피크의 차수 번호가 증가함에 따라, 피크의 상대적 강도가 감소한다). 그러므로, 소정 지점에서, 더 높은 차수의 반사(예를 들어, 3차 이상)는 계측 결정에서의 상당한 오차를 유발하지 않고서 집광으로부터 배제될 수 있다는 것이 고려된다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예들을 이용하여 캡쳐되는 회절 패턴을 도시한다. 회절 패턴(470A)은 복수의 트렌치가 내부에 형성되어 있는 실리콘 기판으로부터 생성된다. 트렌치들은 2 마이크로미터 떨어져 있고, 0.2 마이크로미터의 폭과 200 나노미터의 깊이를 갖는다. 트렌치들은 이산화 규소로 충진되고, 약 30 나노미터의 두께를 갖는 비정질 실리콘 층이 그 위에 퇴적된다. 비정질 실리콘 층이 그 위에 퇴적되어 있는 기판은 레이저 어닐링 프로세스에 노출된다. 레이저 어닐링 프로세스는 0.94 마이크로미터의 파장과 제곱 센티미터 당 약 0.4 밀리주울(milliJoules)의 플루엔스(fluence)를 갖는 레이저를 이용한다. 회절 패턴(470A)을 수집하기 위해 도 1에 도시된 것과 유사한 반사 측정 시스템이 이용되었다. 비정질 실리콘의 실질적으로 2차원적 또는 평면적인 표면으로 인해, 회절 패턴은 실질적으로 0차 피크만을 포함한다.

회절 패턴(470B)은 도 4a에 관하여 설명된 것과 유사한 기판으로부터 생성된다. 기판은 0.94 마이크로미터의 파장과 제곱 센티미터 당 약 0.5 밀리주울의 플루엔스를 갖는 레이저를 이용하는 어닐링 프로세스에 노출되는 비정질 실리콘 층을 그 위에 포함한다. 제곱 센티미터 당 약 0.5 밀리주울의 플루엔스에서, 레이저는 비정질 실리콘의 결정화를 유도하기에 충분한 에너지를 갖는다. 비정질 실리콘의 결정화된 부분들은 소정 광이 그것을 통과하는 것을 허용한다. 따라서, 반사 측정 시스템이 기판으로부터 반사 데이터를 수집할 때, 0차 피크에 더하여 1차 및 2차 피크가 기록된다. 1차 및 2차 피크는 기저의 트렌치들에 의해, 결정화된 실리콘의 투명한 부분들을 통과한 후에 그로부터 반사되는 광으로 인해 생성된다. 따라서, 2차원 표면을 갖는 기판을 프로세싱할 때에도, 계측을 목적으로 더 높은 차수의 회절 피크를 수집하는 것이 바람직할 수 있음에 유의해야 한다. 더욱이, 기판이 프로세싱됨에 따라 기판 표면으로부터의 광의 반사가 변화할 수 있으며, 따라서 초기에는 더 높은 차수의 피크가 존재하지 않을 수 있는 반면, 프로세싱이 진행함에 따라 더 높은 차수의 피크가 나타날 수 있음에 유의해야 한다.

본 발명의 이점은 기판 온도의 정확한 비접촉 측정을 위한 기판 방사율의 정확한 측정을 포함한다. 장치 및 방법은 기판 표면 상의 3D 구조물의 존재로 인해 산란된, 기판으로부터 반사된 광을 집광하기 위해 포커스 렌즈를 이용한다. 포커스 렌즈는 기판 방사율의 정확한 결정을 보장하기 위해 집광되는 반사 광의 양을 최대화하고, 그에 의해 더 정확한 온도 결정을 제공한다. 포커스 렌즈는 표면에 3D 피쳐를 갖는 기판에 특히 유용하다. 3D 피쳐는 반사 광의 산란 및 간섭 증가를 유발하고, 그에 의해 평면 기판에 흔하게 관련되는 광의 정반사를 감소시키거나 제거한다. 산란의 증가는 반사 광의 80 퍼센트까지가 비-정반사이게 할 수 있다. 그러나, 여기에 설명된 포커스 렌즈는 산란된 광이 집광되고 센서에 제공되는 것을 허용하여, 기판 방사율의 정확한 측정을 용이하게 한다. 따라서, 반사 광의 측정의 정확도는 여기에 설명된 실시예들을 이용하여 크게 증가된다.

상술한 것은 본 발명의 실시예들에 관한 것이지만, 본 발명의 다른 실시예들 및 추가의 실시예들은 그것의 기본 범위로부터 벗어나지 않고서 안출될 수 있으며, 그것의 범위는 이하의 청구항들에 의해 결정된다.

Claims

챔버 몸체;
상기 챔버 몸체 내에 위치된 기판 지지체;
상기 챔버 몸체 내에 위치된 반사 측정 시스템 - 상기 반사 측정 시스템은,
상기 기판 지지체의 기판 지지 표면을 향해 광을 지향시키도록 위치된 광원,
상기 기판 지지 표면 상에 배치된 기판의 표면으로부터 반사된 광을 집광하도록 위치된 포커스 렌즈(focus lens), 및
상기 포커스 렌즈에 의해 집광된 광의 제1 부분을, 상기 기판의 방사율(emissivity)을 결정하는 방사율 측정기(emissometer)에 지향시키고, 상기 포커스 렌즈에 의해 집광된 광의 제2 부분을 이미징 디바이스에 지향시키도록 위치된 빔 스플리터
를 포함함 -; 및
상기 기판의 방사율에 기초하여 상기 기판의 온도를 결정하는 프로세싱 유닛
을 포함하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 광원은 단색(monochromatic) 광원인 장치.
제1항에 있어서, 상기 이미징 디바이스는 상기 집광된 광의 회절 패턴의 확대 이미지의 생성을 용이하게 하는 장치.
제3항에 있어서, 상기 이미징 디바이스는 CCD 카메라인 장치.
제1항에 있어서, 상기 기판의 표면을 향해 광을 지향시키기 위한 레이저를 더 포함하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 레이저 및 상기 광원은 상기 기판의 표면의 동일 영역에 광을 동시에 지향시키도록 되어 있는 장치.
제1항에 있어서, 상기 챔버 몸체 내에 위치된 기판 지지체를 더 포함하고, 상기 기판 지지체는 상기 반사 측정 시스템에 대하여 X-Y 방향으로 병진가능하고(translatable), 상기 반사 측정 시스템은 상기 챔버 몸체 내의 고정된 위치에 위치되는 장치.
기판의 온도를 결정하는 방법으로서,
챔버 몸체 내의 기판 지지체 상에 기판을 위치시키는 단계 - 상기 기판은 그 위에 3D 피쳐(feature)를 가짐 -;
광원으로부터의 광을 상기 기판의 표면에 지향시키는 단계;
상기 기판의 표면으로부터 상기 광을 반사시키는 단계;
포커스 렌즈로 상기 반사된 광을 집광하는 단계;
상기 포커스 렌즈로부터의 상기 반사된 광을 방사율 측정기에 지향시키는 단계;
상기 기판의 방사율을 결정하는 단계; 및
상기 기판의 방사율에 기초하여 상기 기판의 온도를 결정하는 단계
를 포함하는 방법.
제8항에 있어서, 상기 기판의 표면에 지향되는 광은 단색인 방법.
제9항에 있어서, 상기 기판의 온도를 결정하는 단계와 동시에 레이저 어닐링 프로세스를 수행하는 단계를 더 포함하는 방법.
제9항에 있어서, 상기 기판의 온도를 결정하는 단계와 동시에 원자층 퇴적 프로세스(atomic layer deposition process)를 수행하는 단계를 더 포함하는 방법.
제8항에 있어서,
상기 기판의 온도 이력(temperature history)을 도출하는 단계; 및
상기 광원 및 상기 포커스 렌즈에 대하여 상기 기판 지지체 상의 상기 기판을 병진시키는 단계
를 더 포함하는 방법.
기판의 온도를 결정하는 방법으로서,
챔버 몸체 내의 기판 지지체 상에 기판을 위치시키는 단계 - 상기 기판은 그 위에 3D 피쳐를 가짐 -;
광원으로부터의 광을 상기 기판의 표면에 지향시키는 단계;
상기 기판의 표면으로부터 상기 광을 반사시키는 단계;
포커스 렌즈로 상기 반사된 광을 집광하는 단계;
상기 포커스 렌즈로부터의 상기 반사된 광을 빔 스플리터에 지향시키는 단계;
상기 반사된 광을 제1 경로 및 제2 경로로 분할하는 단계 - 상기 제1 경로는 방사율 측정기를 향하고, 상기 제2 경로는 이미징 디바이스를 향함 -;
상기 기판의 방사율을 결정하는 단계; 및
상기 기판의 방사율에 기초하여 상기 기판의 온도를 결정하는 단계
를 포함하는 방법.
제13항에 있어서,
상기 기판의 온도를 결정하는 단계와 동시에 원자층 퇴적 프로세스를 수행하는 단계; 및
상기 원자층 퇴적 프로세스 동안 상기 기판 상의 상기 3D 피쳐의 크기 변화를 모니터링하는 단계
를 더 포함하고,
상기 3D 피쳐의 크기 변화를 모니터링하는 단계는 상기 반사된 광의 회절 패턴의 확대 이미지를 생성하는 단계를 포함하는 방법.
제13항에 있어서,
상기 기판의 온도를 결정하는 단계와 동시에 레이저 어닐링 프로세스를 수행하는 단계; 및
상기 기판의 온도 이력을 도출하는 단계
를 더 포함하는 방법.