KR20150049743A - 간섭계 반사측정장치 모듈 - Google Patents

간섭계 반사측정장치 모듈 Download PDF

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KR20150049743A
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Abstract

본 발명은 간섭계 반사측정장치 모듈에 관한 것으로서, 광원; 상기 광원에서 방출되는 빔에서 일정영역의 파장과 파장대역만의 빔을 필터링시키는 선형필터부; 상기 선형필터부로부터 필터링된 빔을 평행빔으로 변환시키는 콜리메이션렌즈; 상기 콜리메이션렌즈로부터 입사된 빔을 웨이퍼를 향해 전반사시키고 웨이퍼로 부터 반사된 빔을 투과시키는 빔 스플리터; 입사빔을 반사시키는 패턴화된 다층막 웨이퍼; 상기 웨이퍼로부터 반사된 빔을 검출하는 이미징광학계; 및 검출된 이미지를 디스플레이하는 컴퓨터모니터;를 포함하고, 상기 선형필터부는 적어도 2개의 선형가변필터가 스탭핑모터에 의해 위치가 정밀 제어되도록 구성되는 것이 특징이며, 본 발명에 따른 간섭계 반사측정장치 모듈을 통해 다중집적된 웨이퍼나 다층막 웨이퍼로부터 반사된 빔에서 노이즈없는 선명한 sine파형의 신호를 검출할 수 있고, 웨이퍼상의 패턴의 두께를 정밀하게 모니터링하거나 식각종료점(endpoint)을 검출할 수 있다.

Description

간섭계 반사측정장치 모듈{Interferometric Reflectometry Module}
본 발명은 간섭계 반사측정장치 모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 선형가변필터를 구비하여 백색광원을 사용하되 원하는 파장과 파장대역만의 빔을 TSV를 이용한 다중집적된 웨이퍼나 다층막 웨이퍼에 입사시키고 웨이퍼로부터 반사된 빔에서 노이즈없는 선명한 sine파형의 신호를 검출할 수 있으며, 웨이퍼상의 패턴의 두께를 정밀하게 모니터링하거나 식각종료점(endpoint)을 검출할 수 있는 간섭계 반사측정장치 모듈에 관한 것이다.
전통적으로 반도체칩은 기판인 웨이퍼에 소자를 형성하고 그 위에 배선을 하는 방법으로 구현되어 왔다. 이런 방법은 웨이퍼 윗면에 단자를 형성하기 때문에 한쪽면에만 입출력단자를 배치하는 2차원구조를 사용한다. 그러나 반도체칩의 집적도를 높이기 위해 최소 배선폭을 줄이는 방법은 점차 물리적 한계에 도달하게 되고 경제성 측면에서도 적합하지 않게 되었다. 현재 용량을 늘리기 위해 반도체칩 자체의 집적도를 높이는 방법 이외에 칩들을 와이어본딩을 이용하여 적층하는 방식, 패키지를 적층하는 방식등이 사용되고 있으며, 2006년경부터는 실리콘관통전극(TSV, Through Silicon Via)을 이용하여 3차원 집적회로를 상용화하는 기술개발이 활발하게 진행되어 오고 있다.
TSV를 이용한 3D집적은 능동전자소자로 구성된 2개 이상의 웨이퍼를 와이어본딩을 사용하지 않고 수직으로 직접 연결하는, 실리콘웨이퍼의 윗면 뿐만 아니라 웨이퍼의 뒷면에도 입출력단자를 만들어 3차원 구조를 구현할 수 있는 형태의 패키징 기술로서, TSV는 실리콘 웨이퍼의 상하를 직접 관통하는 미세 비아 홀을 형성한 후 비아 홀 내부에 전도성물질(주로, 구리)을 충진시켜 적층된 웨이퍼간에 최적화된 신호의 전송경로를 제공할 뿐만 아니라 와이어본딩 영역이 필요없어 패키지의 경박 간소화에 가장 유리하다.
3D집적은 크게 TSV와 플립칩(Flip-Chip) 솔더범프를 사용하여 칩을 적층하는 3D IC집적과 범프없이 TSV만 사용하여 웨이퍼를 적층하는 3D Si집적의 2개의 기술적 흐름으로 대별되는데, 이중 3D Si집적은 WOW(Wafer-On-Wafer)로 불량칩과 양품칩이 불가피하게 본딩되어 발생되는 수율저하 및 다중집적된 웨이퍼에 비아형성 등이 문제이며 웨이퍼간의 간격이 없거나 너무 좁아 열관리가 큰 문제가 된다. 반면에, 3D IC집적은 TSV와 마이크로범프를 이용하여 무어의 법칙을 따르는 어떠한 칩들도 3차원으로 적층할 수 있다.
이와 같이 다중집적된 웨이퍼 및 다층막에 보쉬공정을 이용해 비아홀을 형성하거나 식각공정 및 증착공정을 수행시 이와 같은 공정은, 공정동안 수행되는 간섭측정 및 반사측정과 같은 인시투 모니터링과 결합하여 제공된 측정정보인 임계크기들(CD)나 층두께 등의 측정을 통해 모니터링된다.
특히 측정장치로서 도 1에 도시된 바와 같은 간섭계 반사측정장치를 이용하는 경우, 웨이퍼(1)에 빔을 조사하게 되면 표면에서 반사되는 빔과 그 아래 위치한 이종의 박막(접합면)에서 반사되는 빔 또는 그 아래에 위치한 박막에서 반사되는 빔(3)은 빔-형성 광학계(beam-forming optics, 2)에 의해 모아지고 합쳐져서 신호케이블(4)에 의해 신호로 분광계(미도시)로 전송되며, 상기 신호는 분광계 및 프로세서에 의해 분석된다. 이때 웨이퍼 표면의 박막은 식각공정이 진행되는 동안 계속해서 막의 두께가 변화하게 되고, 이로 인하여 표면파와 그 아래의 접합면에서 반사되는 빔 사이에는 지속적으로 광로차가 발생하게 되며, 식각되는 막의 두께에 비례하여 SINE파형이 얻어지게 된다. 그러나 종래의 간섭계 반사측정장치는 초점거리가 수mm로 식각종료점(endpoint)을 검출하는데 사용이 불가능한 단점이 있다.
게다가 광원으로 단색광(670nm 레이저 다이오드)을 사용하는 경우, 단색광은 특성상 coherant한 광원이므로 스폿(spot)의 지름을 ~수십 마이크론으로 작게 할 수 있는 장점이 있으나 측정하고자 하는 패턴에 레이저스폿을 얼라인 해야하는 번거로움이 있으며, 식각공정 또는 증착공정중에 막의 두께변화가 일어나는 경우에만 측정이 가능하게 된다.
반면에, 광원으로 백색광을 사용하는 경우에는 스폿직경을 작게 할 수 없는 단점이 있으며 스폿의 사이즈가 렌즈와 웨이퍼간의 간격에 의해서도 변화하게 되는 단점이 있다. 다만, 백색광의 경우에는 다파장을 사용함으로써 복잡한 다층막에 적합하며 단색광에 비해 더 정밀하게 두께 제어를 할 수 있다.
또한, 종래의 간섭계 반사측정장치를 이용하는 경우, 다층막으로된 웨이퍼나 다중집적된 웨이퍼의 식각공정시 에칭깊이가 깊어짐에 따라 시그널이 감소하고 시그널의 노이즈성분이 증가하여 식각종료점(endpoint)을 정확하게 결정할 수 없고, 그로 인해 웨이퍼 박막의 정확한 두께제어를 할 수 없는 문제점이 발생하게 된다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 선형가변필터를 배치하여 백색광원을 사용하되 원하는 파장과 파장대역만의 빔을 다층막의 웨이퍼에 입사시켜 웨이퍼의 각 박막으로부터 반사되는 sine파형이 노이즈 없이 선명하게 추출될 수 있도록 함으로써 정확한 식각종료점(endpoint)을 결정하고 정밀한 두께제어를 할 수 있는 간섭계 반사측정장치 모듈을 제공한다.
상술한 바를 달성하기 위하여,
본 발명에 따른 간섭계 반사측정장치 모듈은
광원;
상기 광원에서 방출되는 빔에서 일정영역의 파장과 파장대역만의 빔을 필터링시키는 선형필터부;
상기 선형필터부로부터 필터링된 빔을 평행빔으로 변환시키는 콜리메이션렌즈;
상기 콜리메이션렌즈로부터 입사된 빔을 웨이퍼를 향해 전반사시키고 웨이퍼로 부터 반사된 빔을 투과시키는 빔 스플리터;
입사빔을 반사시키는 패턴화된 다층막 웨이퍼;
상기 웨이퍼로부터 반사된 빔을 검출하는 이미징광학계; 및
검출된 이미지를 디스플레이하는 컴퓨터모니터;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 간섭계 반사측정장치 모듈에서,
상기 광원은 LED, 수은(mercury), 중수소(D2), 크세논(Xenon) 또는 할로겐(Halogen)으로 구성된 백색광원 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 간섭계 반사측정장치 모듈에서,
상기 선형필터부는 적어도 2개의 선형가변필터로 구성되며,
각 선형가변필터는 스탭핑모터에 의해 위치가 정밀 제어되어, 투과파장대역 또는 중심파장대역 및 투과파장대역의 폭을 원하는 대로 조절할 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 간섭계 반사측정장치 모듈에서,
상기 이미징광학계는 CCD카메라가 장착된 디텍터로서, 전체 CCD에서 얻어진 이미지정보 중 원하는 픽셀(pixel)에서만 파장별 강도 변화값을 추출할 수 있고, 각 픽셀별로 파장별 강도(intensity) 정보가 얻어지면 두께로 환산가능한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 간섭계 반사측정장치 모듈에서,
상기 간섭계 반사측정장치 모듈은 상기 다층막 웨이퍼로부터 반사된 빔에서노이즈없는 선명한 sine파형의 신호를 검출할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 간섭계 반사측정장치 모듈에서,
상기 간섭계 반사측정장치 모듈은 상기 웨이퍼상의 패턴의 두께를 정밀하게 모니터링하거나 식각종료점(endpoint)을 검출할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 간섭계 반사측정장치 모듈을 사용하는 경우, 다층막의 웨이퍼의 각 박막으로부터 반사되는 sine파형이 노이즈 없이 선명하게 검출될 수 있도록 함으로써 정확한 식각종료점(endpoint)을 결정하고 다중집적된 웨이퍼나 다층막의 웨이퍼 패턴의 두께제어를 정확하게 할 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 종래의 간섭계 반사측정장치를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 간섭계 반사측정장치 모듈을 간략하게 도시한 도면,
도 3의 (a),(b)는 본 발명의 실시 예에 따른 간섭계 반사측정장치 모듈의 선형필터부에서 원하는 파장과 파장대역만의 빔을 필터링시키고 각 필터의 위치가 정밀 제어됨으로써 투과파장대역과 중심파장대역의 폭이 제어될 수 있음을 나타내는 도면,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 간섭계 반사측정장치 모듈을 패턴화된 웨이퍼에 적용시 스폿크기와 패턴과 픽셀의 위치상관관계와 픽셀의 배치도 및 파장과 강도 간의 관계를 개략적으로 나타낸 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 사용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명에서 혼용하여 사용되는 용어 "식각"과 "에칭", "성막"과 "증착"은 각각 동일한 의미를 갖는 용어이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 간섭계 반사측정장치 모듈을 간략하게 도시한 도면, 도 3의 (a),(b)는 본 발명의 실시 예에 따른 간섭계 반사측정장치 모듈의 선형필터부에서 원하는 파장과 파장대역만의 빔을 필터링시키고 각 필터의 위치가 정밀 제어됨으로써 투과파장대역과 중심파장대역의 폭이 제어될 수 있음을 나타내는 도면, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 간섭계 반사측정장치 모듈을 패턴화된 웨이퍼에 적용시 스폿크기와 패턴과 픽셀의 위치상관관계와 픽셀의 배치도 및 파장과 강도 간의 관계를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 간섭계 반사측정장치 모듈은, 광원(10), 선형필터부(20), 콜리메이션렌즈(collimation lens, 30), 빔 스플리터(40), 패턴화된 다층막 웨이퍼(50), 이미징광학계(60), 컴퓨터모니터(70)를 포함하여 구성된다. 본 발명의 실시예에 따른 간섭계 반사측정장치 모듈은 이에 한정되는 것은 아니나, 특히 TSV가 접목된 다중집적된 웨이퍼나 다층막의 웨이퍼를 식각하는 용도에 적합하다.
광원(10)은 LED, 수은(mercury), 중수소(D2), 크세논(Xenon) 또는 할로겐(Halogen)등으로 구성된 백색광원 중 어느 하나를 사용할 수 있다. 광원으로 백색광을 사용하는 경우에는 스폿직경을 작게 할 수 없는 단점이 있고, 스폿의 사이즈가 렌즈와 웨이퍼간의 간격에 의해서도 변화하게 되는 단점이 있으나, 이는 후술하는 선형가변필터에 의해 보완될 수 있다. 또한, 백색광의 경우에는 다파장을 사용함으로써 복잡한 다층막에 적합하며 단색광에 비해 더 정밀하게 두께 제어를 할 수 있다.
선형필터부(20)는 광원으로부터 방출되는 빔 중 일정영역의 원하는 파장과 파장대역만의 빔을 필터링시켜 웨이퍼에 입사시키기 위한 것으로, 적어도 2개의 선형가변필터로 구성되며, 스탭핑모터(미도시)를 이용하여 각 필터의 위치가 정밀 제어됨으로써 투과파장대역(도 3(a)), 또는 중심파장대역 및 투과파장대역의 폭(도 3(b))을 원하는 대로 조절할 수 있다.
도 3에서 가로축은 파장(wavelengh)이고, 세로축은 강도(intensity)이다.
다층막 웨이퍼에서 식각공정을 수행하게 되면, 웨이퍼 표면의 박막은 식각공정이 진행되는 동안 계속해서 막의 두께가 변화하게 되고, 이로 인하여 표면파와 그 아래의 접합면에서 반사되는 빔 사이에는 지속적으로 광로차가 발생하게 되며, 식각되는 막의 두께에 비례하여 sign파형의 신호가 검출되게 된다. 또한, 에칭깊이가 깊어짐에 따라 박막표면과 그 아래 접합면 들에서 반사되는 빛은 광로차에 의해 소멸 및 보강간섭이 지속적으로 일어나게 되며, 그럼으로써 노이즈가 발생하게 되고 디텍터에서 검출되는 신호가 줄어들게 된다. 이때, 선형필터부에서 일정 파장대역만 필터링하여 입사시키고, 신호가 줄어드는 것을 감안하여 광원의 세기를 조절함으로써 노이즈없이 보다 선명한 sine파형의 신호를 검출할 수 있게 된다.
콜리메이션렌즈(collimation lens, 30)는 선형필터부로부터 필터링된 파장의 빔을 평행광으로 변환시키기 위한 것으로 통상적으로 볼록렌즈로 구비된다.
빔 스플리터(40)는 입사된 빔을 전반사시켜 웨이퍼에 입사시킴과 동시에 웨이퍼로부터 반사된 빔을 투과시켜 이미징광학계로 전송되도록 한다.
웨이퍼(50)는 TSV 처리되어 패키징되는 패턴화된 다층막 웨이퍼로서, 식각공정 및/또는 증착공정이 수행되는 웨이퍼이며, 입사빔을 반사시킨다.
이미징광학계(60)는 CCD카메라가 장착된 디텍터로서, 다층막 웨이퍼로부터 반사된 빔을 검출하여 식각/성막 공정중의 웨이퍼의 막두께, 에칭깊이를 분석한다. 즉, 웨이퍼로부터 반사된 빔의 광 이미지는 이미징광학계(60)를 통해 CCD의 이미징 표면에 형성된다. CCD구동 신호가 CCD드라이버로부터 CCD에 출력되면, 제어부의 제어 신호에 따라, 웨이퍼 표면의 광이미지는 전기 신호로 광전변환되고, 아날로그 이미지신호는 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환되고 소정의 이미지 처리가 수행된 후, 이미지 처리되는 디지털 이미지 신호는 이미지 데이터로서 컴퓨터 모니터에 디스플레이된다.
더욱이, 이미징광학계(60)는 웨이퍼 표면에 입사된 빔이 박막의 두께나 다층막의 단차로 인한 광경로차에 의해 간섭을 일으키면 간섭강도의 시간변화를 모니터하고, 그 주기에 의해 모니터 장소의 식각/성막의 속도를 산출하여 막의 두께와 에칭깊이로 식각종료점(endpoint)을 검출할 수 있게 되는 것이다. 또한, 이미징광학계(60)는 B/W(black/white)의 광강도만 측정하는데, 전체 CCD에서 얻어진 이미지정보 중 원하는 픽셀(pixel)에서만 파장별 강도 변화값을 추출할 수 있다. 각 픽셀별로 파장별 강도(intensity) 정보가 얻어지면 두께로 환산가능하다.
이를 도 4에 도시된 바와 같은 패턴화된 웨이퍼에 적용할 경우, 스폿얼라인이 필요없을 뿐만 아니라, 큰 범위의 스폿에 속하는 온전한 픽셀에서만 강도(intensity) 변화값을 측정해도 이를 바탕으로 웨이퍼상의 전체 패턴의 두께를 측정할 수 있게되는 장점이 있다.
또한, TSV처리된 다층막 웨이퍼의 에칭깊이가 깊어짐에 따라 신호가 줄어드는 것을 감안하여 광원의 세기를 조절함으로써 노이즈없는 선명한 sine파형을 얻었으므로, 광원의 세기를 높인 만큼 비례해서 측정된 신호값은 작게 보정한다.
컴퓨터모니터(70)는 웨이퍼 표면의 검출된 이미지를 디스플레이하는 것이다.
이와 같은 간섭계 반사측정장치 모듈을 통해 웨이퍼상의 패턴의 두께를 정밀하고 정확하게 모니터링하거나 식각종료점(endpoint)을 검출할 수 있다.
또한, 이와 같은 간섭계 반사측정장치 모듈은 로드락(Load Lock) 챔버에 장착됨으로써, 증착된 웨이퍼를 로드락 챔버에서 꺼내기 전에 웨이퍼 패턴의 두께를 측정하여 패턴두께가 원하는 두께로 되었는지 여부를 판별할 수 있게 한다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1:웨이퍼 2:빔-형성 광학계
3: 반사빔 4:신호케이블
10:광원 20:선형필터부
30:콜리메이션렌즈 40:빔 스플리터
50:패턴화된 다층막 웨이퍼 60:이미징광학계
70:컴퓨터모니터

Claims (6)

  1. 광원;
    상기 광원에서 방출되는 빔에서 일정영역의 파장과 파장대역만의 빔을 필터링시키는 선형필터부;
    상기 선형필터부로부터 필터링된 빔을 평행빔으로 변환시키는 콜리메이션렌즈;
    상기 콜리메이션렌즈로부터 입사된 빔을 웨이퍼를 향해 전반사시키고 웨이퍼로 부터 반사된 빔을 투과시키는 빔 스플리터;
    입사빔을 반사시키는 패턴화된 다층막 웨이퍼;
    상기 웨이퍼로부터 반사된 빔을 검출하는 이미징광학계; 및
    검출된 이미지를 디스플레이하는 컴퓨터모니터;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 간섭계 반사측정장치 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 LED, 수은(mercury), 중수소(D2), 크세논(Xenon) 또는 할로겐(Halogen)으로 구성된 백색광원 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 간섭계 반사측정장치 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 선형필터부는 적어도 2개의 선형가변필터로 구성되며,
    각 선형가변필터는 스탭핑모터에 의해 위치가 정밀 제어되어, 투과파장대역 또는 중심파장대역 및 투과파장대역의 폭을 원하는 대로 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 간섭계 반사측정장치 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이미징광학계는 CCD카메라가 장착된 디텍터로서, 전체 CCD에서 얻어진 이미지정보 중 원하는 픽셀(pixel)에서만 파장별 강도 변화값을 추출할 수 있고, 각 픽셀별로 파장별 강도(intensity) 정보가 얻어지면 두께로 환산가능한 것을 특징으로 하는 간섭계 반사측정장치 모듈.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 간섭계 반사측정장치 모듈은 상기 다층막 웨이퍼로부터 반사된 빔에서노이즈없는 선명한 sine파형의 신호를 검출할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 간섭계 반사측정장치 모듈.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 간섭계 반사측정장치 모듈은 상기 웨이퍼상의 패턴의 두께를 정밀하게 모니터링하거나 식각종료점(endpoint)을 검출할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 간섭계 반사측정장치 모듈.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN110262194A (zh) * 2019-05-31 2019-09-20 深圳市华星光电技术有限公司 曝光设备的光学系统
KR20210017079A (ko) * 2019-08-06 2021-02-17 한국전자통신연구원 편광에 무관한 다채널 광수신 모듈

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