KR20160077948A - 웨이퍼의 분석 방법 - Google Patents

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Abstract

실시예는 (a) 실험군 웨이퍼에 원재료를 도포하고 건조하는 단계; (b) 대조군 웨이퍼를 준비하고, 상기 실험군 웨이퍼와 대조군 웨이퍼의 일정 부분을 절단하는 단계; (c) TOF-SIMS(Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry)로 상기 절단된 실험군 웨이퍼와 대조권 웨이퍼의 일정 부분을 분석하는 단계; 및 (d) 상기 실험군 웨이퍼와 대조군 웨이퍼의 질량 스펙트럼에서 일치하는 영역을 검토하는 단계를 포함하는 웨이퍼의 분석 방법을 제공한다.

Description

웨이퍼의 분석 방법{METHOD FOR ANALYZING A WAFER}
실시예는 웨이퍼 분석 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 웨이퍼에 원재료가 잔류하는지 분석하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 소자 제조용 재료로서 광범위하게 사용되고 있는 웨이퍼(wafer)는 단결정 실리콘 잉곳(ingot)을 웨이퍼 형태로 얇게 절단하는 슬라이싱 공정, 원하는 웨이퍼의 두께로 연마하면서 평탄도를 개선하는 래핑 공정(lapping), 웨이퍼 내부의 손상층 제거를 위한 식각 공정(etching), 표면 경면화 및 평탄도를 향상시키기 위한 폴리싱 공정(polishing), 웨이퍼 표면의 오염물질을 제거하기 위한 세정 공정(cleaning) 등의 단계를 거쳐 웨이퍼로 생산된다.
이러한 각각의 공정을 거쳐서 생산되는 웨이퍼는 표면에 유기물이 존재하게 되며, 상기와 같은 웨이퍼 표면에 존재하는 유기물은 장치의 수율에 크게 영향을 미치는 것으로 알려지면서 유기물 오염에 대한 특징 및 현상에 대하여 다양한 분석 장치를 이용하여 정량 및 정성분석을 통한 많은 연구가 진행되고 있다.
반도체 및 웨이퍼 제조공정에 있어 산, 알칼리, 슬러리, 솔벤트, 오일 등의 용액을 기반으로 하는 다양한 약품과 원재료를 사용하고 있는데 이러한 물질들은 다양한 유기물을 함유하고 있다.
이러한 유기물을 분석할 수 있는 장치로는 FT-IR(Fourier Transform- Infrared spectrophotometer), UV-visible spectrophotometer, SIMS(Secondary Ion-Mass spectrometer), GC-MS(Gas Chromatography-Mass Spectrometer) 등과 같은 분석 장치들이 사용되고 있으며, 정성 분석과 정량분석이 가능한 장치로는 GC-MS가 유일하게 사용되고 있다.
그러나 현재 분석상의 방법과 분석 장치의 한계로 인하여 일반적으로 널리 알려져 있는 몇 가지의 원재료에 대해서만 제한적으로 유기물의 성분을 밝혀낼 수 밖에 없는 문제가 있다.
또한 원재료 물질들이 함유한 유기물을 분석함에 있어, 장치의 부식 및 오염과 장치 내 샘플 이동로가 막히는 등의 문제점을 유발시켜 원재료에 함유된 유기물을 분석하는데 한계가 나타난다.
도 1은 종래의 원재료의 유기물 성분 평가방법을 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 원재료의 유기물 성분 평가방법을 통한 장비의 작동상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2의 원재료의 유기물 성분 평가방법은 GC-MS 장비(100)를 이용하는 것으로서, 혼합물 상태인 유기물이 기체크로마토그래피에 의해 분리된 후 질량분석기 이온원 전자에너지(70eV)에 의해 이온화 되면, 이때 생성된 이온은 사중극자에서 질량 대 전하비(m/z)로 분리된다.
이때 각 이온들의 상대 세기를 해석 및 Library를 탐색하여 분리된 물질의 화학적 구조, 화학반응, 분자량 등을 규명한다.
도 1의 원재료의 유기물 성분 평가 방법은, 희석액을 준비하고(S110)와, 웨이퍼를 열처리고(S120)와, 웨이퍼를 배치하고(S130)와, 희석액을 공급(S140)한 후, 희석액을 증발(S150)시키고 분석(S160)한다.
여기서, 희석액(10)은 희석액 보관용기(110)에 저장된 희석액(10)을 적출밸브(120)를 이용하여 정확한 양을 투하하고, 희석액(10)이 웨이퍼(20) 상면에 투하되면 웨이퍼(20) 상측으로 불활성 가스가 유입된다. 불활성 가스는 상기 장비의 일 측에 마련된 불활성 가스 주입구(130)로부터 유입되어 상기 장비의 내부를 거쳐 타 측에 마련된 불활성 가스 배기구(140)를 통해 배출된다.
그리고, 웨이퍼(20) 상면에 투하된 상기 희석액(10)이 건조 및 농축되면서 잔류물(30)이 남게 되고, 상술한 잔류물(30)을 분석할 수 있다.
그러나, 상술한 방법은 원재료를 희석하는 과정에서 용매에 의한 피크(peak) 간섭 효과와 원재료의 손실이 발생할 수 있다. 여기서, 피크 간섭이라 함은 용매가 휘발성 화합물일 경우, 용매 자체가 가지고 있는 유기 성분의 피크가 크게 나타나서, 희석되는 원재료의 피크가 잘 나타나지 않는 현상이다.
그리고, 방사 적외 분광 분석 방법이 있는데, 피측정물을 표면에 부착하고 있는 기판과 피측정물을 표면에 부착하고 있지 않은 기판을 각각 동일한 온도에서 가열하여 방출되는 적외선의 분광 스펙트럼을 분석하는 방법도 있다.
그러나, 상술한 방법은 기판의 두께에 따라 시료의 두께가 조정되며, 일정 온도 이상에서 가열하여야 하고, 시료에 따라 복잡한 별도의 광학계를 필요로 한다.
실시예는 웨이퍼에 잔존하는 원자재를 분석하되, 별도의 가열 공정이나 광학계가 필요하지 않고, 용매에 의한 피크 간섭이나 원재료의 소실 또는 휘발이 발생하지 않는 웨이퍼의 분석 방법을 제공하고자 한다.
실시예는 (a) 실험군 웨이퍼에 원재료를 도포하고 건조하는 단계; (b) 대조군 웨이퍼를 준비하고, 상기 실험군 웨이퍼와 대조군 웨이퍼의 일정 부분을 절단하는 단계; (c) TOF-SIMS(Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry)로 상기 절단된 실험군 웨이퍼와 대조권 웨이퍼의 일정 부분을 분석하는 단계; 및 (d) 상기 실험군 웨이퍼와 대조군 웨이퍼의 질량 스펙트럼에서 일치하는 영역을 검토하는 단계를 포함하는 웨이퍼의 분석 방법을 제공한다.
(a) 단계에서, 상기 원재료를 상기 실험군 웨이퍼에 단위 면적당 0.1 밀리리터 내지 1 밀리미터를 도포할 수 있다.
(a) 단계에서 상기 실험군 웨이퍼를 상온에서 건조할 수 있다.
대조군 웨이퍼는 섭씨 200도 이상의 열처리를 통하여 표면의 유기물이 제거될 수 있다.
(c) 단계에서, 상기 실험군 웨이퍼와 대조군 웨이퍼에 각각 고에너지 이온빔을 조사하여, 각각의 웨이퍼의 표면에 도포된 원재료와 기존에 남아 있었던 잔류 물질을 스퍼터링할 수 있다.
실시예에 따른 웨이퍼의 분석 방법은 용매에 의한 피크 간섭 효과와 원재료의 소실 및 휘발이 발생하지 않아서 잔류된 성분의 감지가 가능하다.
또한, 방사 적외 분광 분석 방법과는 달리 실시예에 따른 웨이퍼의 분석 방법은, 시료의 두께를 1100 마이크로 미터 이하로만 제어하면 시료의 두께를 추가로 가공하는 공정이 필요 없고, 시료의 건조를 상온에서도 진행할 수 있으며, 별도의 광학계를 추가로 필요로 하지 않을 수 있다.
도 1은 종래의 원재료의 유기물 성분 평가방법을 나타낸 도면이고,
도 2는 도 1의 원재료의 유기물 성분 평가방법을 통한 장비의 작동상태를 개략적으로 나타낸 도면이고,
도 3은 웨이퍼의 평가 장치의 일실시예의 도면이고,
도 4는 웨이퍼의 평가 방법의 일실시예의 흐름도이고,
도 5는 샘플 1 내지 샘플 4를 TOF-SIMS를 진행하여 질량 스펙트럼을 측정한 것이고,
도 6a 내지 도 6d는 종래의 방법으로 샘플 1 내지 샘플 4를 분석하였을 때, 크로마토그램(chromatogram)을 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 웨이퍼 제조 장치를 상세히 설명하면 다음과 같다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 실시예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)(on or under)”으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향 뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도 3은 웨이퍼의 평가 장치의 일실시예의 도면이고, 도 4는 웨이퍼의 평가 방법의 일실시예의 흐름도이다.
먼저, 원재료를 웨이퍼에 도포한다(S210). 이때, 분석하고자 하는 원재료를 웨이퍼에 단위 면적당 0.1 밀리리터(ml) 내지 1 밀리리터를 도포하여, 웨이퍼의 전면에 원재료가 분포하도록 할 수 있다.
원재료를 0.1 밀리리터 도포할 때 웨이퍼에 0.5 밀리미터 이상의 두께로 원재료가 도포되며, 웨이퍼 상에 원재료가 0.5 밀리미터 내지 5 밀리미터의 두께로 도포되는 것이 분석에 적합하다.
여기서, '단위 면적'이라 함은 후술하는 공정에서 절단될 영역과 동일한 크기를 의미한다. 이때, 웨이퍼의 표면은 클린(clean)한 것이 좋고, 메탈(metal)과 유기물이 최대한 제거될수록 유리하다.
그리고, 웨이퍼를 건조한다(S220). 웨이퍼를 건조하면, 상술한 원재료가 고상(solid state)가 되어, 웨이퍼의 이동시에 옆으로 번지거나 흐르지 않을 수 있다. 건조 공정은 상온에서 진행되거나 일정 온도의 열이 가해질 수도 있다. 건조 공정을 생략하면 웨이퍼의 이동 중에 원재료가 흘러서 제거될 수 있고, 또한 흘러 내린 원재료가 스테이지(stage)를 오염시킬 수 있다.
그리고, 원재료가 도포되지 않은 웨이퍼를 준비하는데, 이러한 웨이퍼를 '대조군 웨이퍼'라 칭할 수 있다(S230). 대조군으로 사용될 웨이퍼는 최종 제조 공정을 마친 웨이퍼이고, 섭씨 200도 이상의 열처리를 통하여 표면의 유기물이 제거된 웨이퍼일 수 있다.
상술한 공정을 통하여 원재료가 도포된 웨이퍼('실험군 웨이퍼'라고 할 수도 있다)와 대조군 웨이퍼를 적어도 하나씩 준비할 수 있는데, 동일한 제조 공정을 거친 한 쌍의 웨이퍼를 준비하여 한 장의 웨이퍼에는 원재료를 도포하고 나머지 한 장의 웨이퍼에는 원재료를 도포하지 않을 수 있다.
만일 동일한 제조 공정을 거친 한 쌍의 웨이퍼를 준비하지 못하면, 한 장의 웨이퍼의 전면 중 일부에 원재료를 도포하고, 원재료가 도포된 영역을 실험군으로 하고 원재료가 도포되지 않은 영역을 대조군이라 할 수도 있다.
그리고, 상술한 건조된 웨이퍼와 대조군 웨이퍼들의 적정 부분을 절단한다(S240).
웨이퍼의 적정 부분을 절단하는 단계는 후술하는 공정에서 샘플 홀더(sample holder)에 적정한 크기의 샘플이 삽입될 수 있도록 하는 것이다.
그리고, TOF-SIMS(Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry, 비행시간형 2차 이온 질량 분석기)를 이용하여 절단된 웨이퍼와 대조군 웨이퍼들을 분석한다(S250).
즉, 샘플 홀더(210)에 웨이퍼(220)를 안착한 후, TOF-SIMS(230)에서 고에너지 이온빔을 웨이퍼(220)에 조사한 후 검출기(Detector, 240)에서 검출할 수 있다.
TOF-SIMS를 이용하는 단계에서, 상술한 실험군 웨이퍼와 대조군 웨이퍼에 각각 고에너지 이온빔을 조사하여, 웨이퍼의 표면에 도포된 원재료와 기존에 남아 있었던 잔류 물질을 스퍼터링할 수 있다. 여기서, 스퍼터링한다 함은 높은 에너지를 가진 빔을 웨이퍼의 표면에 주사하였을 때, 분석하고자 하는 시료가 원자화 또는 이온화되는 현상이며, 웨이퍼에 잔존하는 물질들이 제거될 때까지 진행될 수 있다.
그리고, 상술한 분석 자료를 통하여 절단된 웨이퍼와 대조군 웨이퍼들의 질량 스펙트럼(mass spectrum)에서 일치하는 부분들을 검토한다(S260).
만약, 실험군 웨이퍼와 대조군 웨이퍼들의 질량 스펙트럼에서 일치하는 부분들이 있으며, 웨이퍼에 원재료가 잔류한다고 판단할 수 있다.
표 1은 세정제로 사용되는 A에서의 유기물 오염을 판단하고자, 케미컬 배쓰(chemical bath)별로 샘플을 준비하여 TOF-SIMS를 진행한 것을 나타낸다.
세정 조건 조건
샘플 1 세정제 A 약품을 표면에 바른 후 자연 건조
샘플 2 H2O2, 세정제 A, DIW 제1 배쓰에 담근 후 자연 건조
샘플 3 H2O2, Na4OH, DIW 제2 배쓰에 담근 후 자연 건조
샘플 4 CA, DIW 제3 배쓰에 담근 후 자연 건조
TOF-SIMS의 분석 결과, 샘플 1과 2에서는 Benzylsulfonates, Palmitate, Stearate가 검출되었다. 표 1에 개시된 샘플에서 웨이퍼를 케미컬 배쓰에 담궈서 실험군 웨이퍼로 사용할 수 있으며, 케미컬이 묻지 않은 웨이퍼를 대조군 웨이퍼로 가정할 수 있다.
도 5는 샘플 1 내지 샘플 4를 TOF-SIMS를 진행하여 질량 스펙트럼을 측정한 것이다. 좌측으로부터 샘플 1 내지 샘플 4의 측정 값을 나타내며, 세정제의 잔류 여부를 그래프의 피크(peak)를 통하여 파악할 수 있다.
도 6a 내지 도 6d는 종래의 방법으로 샘플 1 내지 샘플 4를 분석하였을 때, 크로마토그램(chromatogram)을 나타낸다.
도 6a에서 샘플 1을 종래의 방법으로 분석하였을 때 피크값이 36분(min) 정도에서 나타나서 Benzylsulfonates의 잔류 여부는 확인할 수 있으나, 피크가 Benzylsulfonates에 의한 것인지 명확히 알 수 없다. 그리고, 도 6b 내지 도 6d의 샘플 2 내지 샘플 4에서는 피크가 나타나지 않아서 Benzylsulfonates 성분이 잔류하지 않는다고 판단할 수 있다.
반면 도5의 각 샘플 간 Mass spectrum 을 오버랩해 보면, 샘플 2와 샘플 4 의 세정조건에서 세정제의 잔류가 확인된다. 이는 특히, 325.2 지점에서 두드러지게 세정 조건 중 샘플 3의 세정조건을 적용 시, 세정제가 잔류되지 않으면서 뛰어난 세정력을 가짐을 확인할 수 있다.
즉 기존 방법을 적용한 도 6에서는 확인되지 않았던 세정제의 잔류가 본 발명에서는 뚜렷하게 드러난다는 특징을 가지고 있다.
상술한 바와 같이 종래의 방법으로 샘플들을 분석할 때 크로마토그램의 분석만으로는 원재료의 잔류 여부를 명확히 알 수 없으나, 본 실시예에 따른 방법으로 TOF-SIMS를 진행하여 질량 스펙트럼을 측정하면 세정재 등 원재료의 잔류 여부를 정확히 파악할 수 있다.
종래에 동일한 시료를 GC-MS를 이용하여 분석시에 잔류된 성분을 검출할 수 없었으나, 실시예에 따른 웨이퍼의 분석 방법은 용매에 의한 피크 간섭 효과와 원재료의 소실 및 휘발이 발생하지 않아서 잔류된 성분의 감지가 가능하다.
또한, 방사 적외 분광 분석 방법과는 달리 실시예에 따른 웨이퍼의 분석 방법은, 시료의 두께를 1100 마이크로 미터 이하로만 제어하면 시료의 두께를 추가로 가공하는 공정이 필요 없고, 시료의 건조를 상온에서도 진행할 수 있으며, 별도의 광학계를 추가로 필요로 하지 않을 수 있다.
상술한 웨이퍼의 분석 방법은 세정 공정 후의 웨이퍼 뿐만 아니라, 최종 연마 공정 등을 거친 최종 상태의 웨이퍼나 기타 다른 원재료의 분석에도 사용될 수 있다.
이상에서 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 희석액 20, 220: 웨이퍼
110: 희석액 보관 용기 120: 적출밸브
130: 불활성 가스 주입구 140: 불활성 가스 배기구
210: 샘플 홀더 230: TOF-SIMS
240: 검출기

Claims (5)

  1. (a) 실험군 웨이퍼에 원재료를 도포하고 건조하는 단계;
    (b) 대조군 웨이퍼를 준비하고, 상기 실험군 웨이퍼와 대조군 웨이퍼의 일정 부분을 절단하는 단계;
    (c) TOF-SIMS(Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry)로 상기 절단된 실험군 웨이퍼와 대조권 웨이퍼의 일정 부분을 분석하는 단계; 및
    (d) 상기 실험군 웨이퍼와 대조군 웨이퍼의 질량 스펙트럼에서 일치하는 영역을 검토하는 단계를 포함하는 웨이퍼의 분석 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서, 상기 원재료를 상기 실험군 웨이퍼에 단위 면적당 0.1 밀리리터 내지 1 밀리미터를 도포하는 웨이퍼의 분석 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서 상기 실험군 웨이퍼를 상온에서 건조하는 웨이퍼의 분석 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 대조군 웨이퍼는 섭씨 200도 이상의 열처리를 통하여 표면의 유기물이 제거된 웨이퍼의 분석 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서, 상기 실험군 웨이퍼와 대조군 웨이퍼에 각각 고에너지 이온빔을 조사하여, 각각의 웨이퍼의 표면에 도포된 원재료와 기존에 남아 있었던 잔류 물질을 스퍼터링하는 웨이퍼의 분석 방법.
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