KR20230117004A - 공정 모니터링 방법 및 장치 - Google Patents

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KR20230117004A
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조만호
김종훈
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연세대학교 산학협력단
동국대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 박막 내 여기된 캐리어를 형성할 수 있는 레이저광을 입사하는 단계; 박막 내 여기된 캐리어가 재결합하는 동안 박막에 전자기파를 조사하는 단계; 박막 내 여기된 캐리어와 반응하는 전자기파의 특성 정보를 측정하는 단계; 및 측정된 전자기파의 특성 정보를 이용한 결과를 기준 데이타와 비교하여 박막의 정상 여부를 판별하는 단계;를 포함하는, 공정 모니터링 방법을 제공한다.

Description

공정 모니터링 방법 및 장치{Methods of process monitoring and apparatus of the same}
본 발명은 공정 모니터링 방법 및 공정 모니터링 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 박막의 결함을 비접촉 및 비파괴적으로 분석할 수 있는 공정 모니터링 방법 및 공정 모니터링 장치에 관한 것이다.
반도체 분야 기술은 수백 나노미터 크기의 패턴에서 수 내지 수십 나노미터 크기의 패턴을 가지는 초미세 기술로 발전하고 있다. 이로 인해, 반도체 소자에서 양호한 품질의 박막을 구현하는 것이 중요해지고 있다. 따라서 반도체 제조 공정에서 박막의 결함을 비접촉 및 비파괴적 방식으로 모니터링할 수 있는 공정 모니터링 방법 및 공정 모니터링 장치의 개발이 필요하다.
대한민국 공개특허공보 제10-2004-0106107호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 반도체 소자의 박막 결함의 종류에 따른 결함 밀도를 비접촉 및 비파괴적 방법으로 측정하는 공정 모니터링 방법 및 공정 모니터링 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따른 공정 모니터링 방법은 박막 내 여기된 캐리어를 형성할 수 있는 레이저광을 입사하는 단계; 박막 내 여기된 캐리어가 재결합하는 동안 박막에 전자기파를 조사하는 단계; 박막 내 여기된 캐리어와 반응하는 전자기파의 특성 정보를 측정하는 단계; 및 측정된 전자기파의 특성 정보를 이용한 결과를 기준 데이타와 비교하여 박막의 정상 여부를 판별하는 단계;를 포함한다.
상기 공정 모니터링 방법에서, 전자기파의 특성 정보는 전자기파의 투과율 또는 반사율을 포함할 수 있다.
상기 공정 모니터링 방법에서, 측정된 전자기파의 특성 정보를 이용한 결과는 시간에 따른 전자기파의 투과율 감쇠 함수에 대하여 라플라스 역변환 연산을 통해 산출된 캐리어 재결합 시상수를 포함할 수 있다.
상기 공정 모니터링 방법에서, 캐리어 재결합 시상수는, 박막 내 결함의 유형 별로 분리될 수 있으며, 박막 내 결함 밀도와 반비례할 수 있다.
상기 공정 모니터링 방법에서, 캐리어 재결합 시상수는 박막 내 제1 유형의 결함에 따른 제1 캐리어 재결합 시상수 및 박막 내 제2 유형의 결함에 따른 제2 캐리어 재결합 시상수로 분리될 수 있다.
상기 공정 모니터링 방법에서, 제1 캐리어 재결합 시상수는 제1 유형의 결함에 따른 제1 결함 밀도와 반비례하고, 제2 캐리어 재결합 시상수는 제2 유형의 결함에 따른 제2 결함 밀도와 반비례하되, 제1 캐리어 재결합 시상수와 제2 캐리어 재결합 시상수의 대소 관계는 박막 내 제1 결함 밀도와 제2 결함 밀도의 대소 관계와 서로 반대일 수 있다.
상기 공정 모니터링 방법은 박막 내 결함의 유형 별로 분리된 캐리어 재결합 시상수를 기준 데이터와 비교하여 박막이 비정상으로 판별되는 결함 유형이 도출되는 경우, 도출된 결함 유형과 관련된 공정 조건을 제어하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 공정 모니터링 방법에서, 시간에 따른 전자기파의 투과율 감쇠 함수는 하기의 수학식 1에 의하여 모사될 수 있다.
(수학식 1)
Figure pat00001
(△T: 박막을 투과하는 전자기파의 투과율 감쇠 변화량, T0: 여기된 캐리어를 형성하기 위한 레이저광이 박막에 입사되지 않는 경우 전자기파의 투과율, n: 박막 내 결함 유형 개수, ai: 박막 내 각 결함에 따른 캐리어 재결합 기여도, t: 시간, τi: 각 결함에 따른 캐리어 재결합 시상수)
상기 공정 모니터링 방법에서, 레이저광은 펨토초 레이저광을 포함할 수 있다.
상기 공정 모니터링 방법에서, 전자기파는 테라헤르츠 파를 포함할 수 있다.
상기 공정 모니터링 방법에서, 박막 내 여기된 캐리어는 박막 내 여기된 자유전자 또는 정공을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따른 공정 모니터링 장치는 박막 내 여기된 캐리어를 형성할 수 있도록 박막에 입사하는 레이저광을 생성하는 발광부; 박막 내 여기된 캐리어가 재결합하는 동안 박막에 전자기파를 조사하는 전자기파 조사부; 박막 내 여기된 캐리어와 반응하는 전자기파의 특성 정보를 측정하는 측정부; 및 측정된 전자기파의 특성 정보를 이용한 결과를 기준 데이타와 비교하여 박막의 정상 여부를 판별하는 연산제어부;를 포함한다.
상기 공정 모니터링 장치에서, 측정부는 전자기파의 특성 정보로서 전자기파의 투과율 또는 반사율을 측정할 수 있다.
상기 공정 모니터링 장치에서, 연산제어부는 측정된 전자기파의 특성 정보를 이용한 결과로서 시간에 따른 전자기파의 투과율 감쇠 함수에 대하여 라플라스 역변환 연산을 통해 캐리어 재결합 시상수를 산출할 수 있다. 캐리어 재결합 시상수는, 박막 내 결함의 유형 별로 분리될 수 있으며, 박막 내 결함 밀도와 반비례할 수 있다. 캐리어 재결합 시상수는 박막 내 제1 유형의 결함에 따른 제1 캐리어 재결합 시상수 및 박막 내 제2 유형의 결함에 따른 제2 캐리어 재결합 시상수로 분리될 수 있다. 제1 캐리어 재결합 시상수는 제1 유형의 결함에 따른 제1 결함 밀도와 반비례하고, 제2 캐리어 재결합 시상수는 제2 유형의 결함에 따른 제2 결함 밀도와 반비례하되, 제1 캐리어 재결합 시상수와 제2 캐리어 재결합 시상수의 대소 관계는 박막 내 제1 결함 밀도와 제2 결함 밀도의 대소 관계와 서로 반대일 수 있다.
상기 공정 모니터링 장치에서, 연산제어부는 박막 내 결함의 유형 별로 분리된 캐리어 재결합 시상수를 기준 데이터와 비교하여 박막이 비정상으로 판별되는 결함 유형이 도출되는 경우, 도출된 결함 유형과 관련된 공정 조건을 제어할 수 있다.
상기 공정 모니터링 장치에서, 발광부는 레이저광으로서 펨토초 레이저광을 생성할 수 있다.
상기 공정 모니터링 장치에서, 전자기파 조사부는 전자기파로서 테라헤르츠 파를 조사할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 반도체 소자의 박막 결함의 종류에 따른 결함 밀도를 비접촉 및 비파괴적 방법으로 측정하는 공정 모니터링 방법 및 공정 모니터링 장치를 구현할 수 있다.
물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 방법을 도해하는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 방법을 구현하는 공정 모니터링 장치의 구성을 도해하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 방법을 이용하여 시간에 따른 자유전자 재결합 측정 과정을 도해하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 방법에서 시간에 따라 전자기파의 투과율이 감쇠되는 양상을 도해하는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 방법에서 시간에 따른 전자기파의 투과율 감쇠를 실제 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 방법에서 라플라스 역변환 연산을 이용하여 시상수를 실제 분리한 결과를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 방법에서 라플라스 역변환 연산으로 분리한 제1 결함의 시료별 시상수를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 방법에서 라플라스 역변환 연산으로 분리한 제2 결함의 시료별 시상수를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 방법에서 공정 모니터링의 모식도를 도해한 도면이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 방법에서 기준 데이타와 비교를 통한 공정의 합격(Pass) 또는 불합격(Fail) 여부를 결정하는 과정을 도해하는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 방법에서 수학적 처리를 이용한 시상수 비교를 제1 결함의 관점에서 공정의 합격(Pass)/불합격(Fail)을 결정하는 개념을 도해하는 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 방법에서 수학적 처리를 이용한 시상수 비교를 제2 결함의 관점에서 공정의 합격(Pass)/불합격(Fail)을 결정하는 개념을 도해하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
본 발명은 반도체의 특성 중 결함농도를 비접촉-비파괴적으로 분석하기 위하여 펨토초 레이저를 이용한 광 여기된 캐리어의 재결합 과정을 테라헤르츠 파의 투과 및 반사의 시분해 측정을 통하여 분석하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 화합물 반도체의 광 여기된 캐리어의 재결합 속도를 분석하여 화합물 반도체의 결함의 밀도 및 종류를 분리하여 분석하고 공정을 모니터링하고 제어한다는 기술적 사상을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 방법을 도해하는 순서도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 방법을 구현하는 공정 모니터링 장치의 구성을 도해하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 방법은 박막 내 여기된 캐리어를 형성할 수 있는 레이저광을 입사하는 단계(S10); 박막 내 여기된 캐리어가 재결합하는 동안 박막에 전자기파를 조사하는 단계(S20); 박막 내 여기된 캐리어와 반응하는 전자기파의 특성 정보를 측정하는 단계(S30); 및 측정된 전자기파의 특성 정보를 이용한 결과를 기준 데이타와 비교하여 박막의 정상 여부를 판별하는 단계(S40);를 포함한다.
상기 공정 모니터링 방법에서, 레이저광은 펨토초 레이저광을 포함할 수 있으며, 전자기파는 테라헤르츠 파를 포함할 수 있다.
상기 공정 모니터링 방법에서, 전자기파의 특성 정보는 전자기파의 투과율 또는 반사율을 포함할 수 있으며, 측정된 전자기파의 특성 정보를 이용한 결과는 시간에 따른 전자기파의 투과율 감쇠 함수에 대하여 라플라스 역변환 연산을 통해 산출된 캐리어 재결합 시상수를 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 방법을 구현하는 공정 모니터링 장치(100)는 박막 내 여기된 캐리어를 형성할 수 있도록 박막에 입사하는 레이저광을 생성하는 발광부(10); 박막 내 여기된 캐리어가 재결합하는 동안 박막에 전자기파를 조사하는 전자기파 조사부(20); 박막 내 여기된 캐리어와 반응하는 전자기파의 특성 정보를 측정하는 측정부(30); 및 측정된 전자기파의 특성 정보를 이용한 결과를 기준 데이타와 비교하여 박막의 정상 여부를 판별하는 연산제어부(40);를 포함한다.
나아가, 공정 모니터링 장치(100)는 측정된 전자기파의 특성 정보를 이용한 결과를 기준 데이타와 비교한 결과 및/또는 박막의 정상 여부 판별 결과를 표시하는 디스플레이부를 더 포함할 수도 있다.
도 1과 도 2를 함께 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 방법을 구현하는 공정 모니터링 장치(100)에서, 발광부(10)를 통하여 박막 내 여기된 캐리어를 형성할 수 있는 레이저광을 입사하는 단계(S10)의 적어도 일부가 수행될 수 있으며, 조사부(20)를 통하여 박막 내 여기된 캐리어가 재결합하는 동안 박막에 전자기파를 조사하는 단계(S20)의 적어도 일부가 수행될 수 있으며, 측정부(30)를 통하여 박막 내 여기된 캐리어와 반응하는 전자기파의 특성 정보를 측정하는 단계(S30)의 적어도 일부가 수행될 수 있으며, 연산제어부(40)를 통하여 측정된 전자기파의 특성 정보를 이용한 결과를 기준 데이타와 비교하여 박막의 정상 여부를 판별하는 단계(S40)의 적어도 일부가 수행될 수 있다.
이하에서 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 방법의 각 단계들을 구체적으로 설명한다. 따라서, 본 발명의 공정 모니터링 방법을 수행하는 공정 모니터링 장치(100)에 대한 설명은 도 1 및 도 2에 대한 상술한 내용과 함께 이하의 내용으로 대체될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 방법을 이용하여 시간에 따른 자유전자 재결합 측정 과정을 도해하는 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 방법에서 시간에 따라 전자기파의 투과율이 감쇠되는 양상을 도해하는 그래프이다. 도 3 및 도 4에서, △T는 전자기파의 투과율 감쇠 변화량을 나타내고, T0는 여기된 캐리어를 형성하기 위한 레이저광이 박막에 입사되지 않는 경우 전자기파의 투과율을 나타낸다. "Pump delay" 항목은 박막에 레이저광을 입사한 후 도과 시간을 의미하며, t=t1, t=t2, t=t3은 박막에 레이저광을 입사한 후 테라헤르츠 파를 조사하는 시점을 의미한다.
기판(80) 상에 형성된 박막(70)에 입사된 레이저광(11)에 의하여 여기된 캐리어(예를 들어, 자유전자 또는 정공)는 다양한 경로를 통해 특정 시상수를 가지고 재결합한다. 박막 내에 입사되는 레이저광은 박막 내에 여기된 캐리어를 형성한다는 점에서 펌프(Pump) 광으로 이해될 수 있다.
일반적으로 재결합 경로에 따른 재결합 시상수는 i) 밸리 내 스캐터링(Intra valley scattering) 경로에 따른 재결합 시상수(< ps), ii) 밸리 간 스캐터링(Inter valley scattering) 경로에 따른 재결합 시상수(~ 수 ps), iii) 결함 보조 재결합(Defect assisted recombination) 경로에 따른 재결합 시상수(수 ps ~ 수 ns), iv) 대역 간 스캐터링(Inter band scattering) 경로에 따른 재결합 시상수(수백 ps ~ μs)가 있다.
이 중에서 결함 보조 재결합(Defect assisted recombination) 과정은 박막(70)을 구성하는 물질의 결함 밀도에 따라 시상수가 반비례하여 재결합 과정의 시상수 분석을 통하여 박막(70)의 결함 밀도를 측정할 수 있다.
이때 자유전자의 재결합 과정을 측정하기 위해서 전자기파(21, 22)로서, 예를 들어, 테라헤르츠 파를 이용할 수 있다. 도 3에서는, 이해의 편의를 위하여, 발광부의 일부인 프로브(Thz probe)에서부터 박막(70)을 투과하기 전의 전자기파(21)인 테라헤르츠 파와 박막(70)을 투과한 후의 전자기파(22)인 테라헤르츠 파(Transferred Thz wave)를 구분하여 도시하였다. 테라헤르츠 파는 주파수가 0.01 THz ~ 10 THz 정도의 전자기파로서 자유전자에 대하여 선택적으로 반응하는 특성을 가진다. 따라서 반도체 박막(70)을 구성하는 물질을 투과한 테라헤르츠 파의 세기 변화를 측정하여, 박막(70) 내부에 존재하는 자유전자의 특성 및 양을 비접촉적 방법으로 측정할 수 있다.
박막 내 여기된 캐리어를 형성할 수 있는 레이저광(11)으로서, 예를 들어, 펨토초 레이저를 입사한 후 일정 시간이 지난 후, 여기된 캐리어와 반응하는 전자기파(21)로서 테라헤르츠 파를 투과시키면 펨토초 레이저에 의해 박막(70) 내 여기된 자유전자에 의하여 전자기파(22)인 테라헤르츠 파의 투과율이 감소하게 된다. 따라서 자유전자의 생성 및 재결합 양을 비접촉 비파괴적 방법으로 알 수 있다.
이때 펨토초 레이저를 입사한 후 시간에 따른 테라헤르츠 파의 투과율 변화를 측정하면 자유전자의 재결합 시상수를 측정하는 것이 가능하고, 따라서 반도체 소자를 구성하는 박막(70)의 결함 밀도를 비접촉, 비파괴적 방법으로 측정할 수 있다.
또한 여기된 자유전자의 재결합이 여러 경로로 발생할 시 각각의 경로로 재결합하는 자유전자의 시상수를 분해하는 것이 가능하다. 이를 이용하여 결함 보조 재결합(Defect assisted recombination) 과정에 기여하는 결함의 종류가 여러 종류일 경우 재결합 시상수 분리를 통하여 각 결함의 밀도를 독립적으로 측정하는 것이 가능하다. 즉, 캐리어 재결합 시상수는, 박막 내 결함의 유형 별로 분리될 수 있으며, 박막 내 결함 밀도와 반비례할 수 있다.
일례로 구조적 결함(제1 결함)과 원자 결함(제2 결함)이 공존하는 GaSb 박막에 대한 측정을 통하여 광 여기된 자유전자의 재결합 과정에 대한 시분해 측정 결과를 통하여 제1 결함과 제2 결함에 의한 재결합 과정의 시상수를 독립적으로 측정하고 두 결함 밀도를 독립적으로 구하여 화합물 반도체의 특성과의 상관 관계를 분석하는 것이 가능하다.
Molecular Beam Epitaxial(MBE) 방법으로 GaSb 박막이 성장하는 동안 Sb 플럭스(Flux)를 제어한 결과, 구조적 결함(선결함, 격자결함)에 영향을 받는다고 알려진 러프니스(Roughness)와 화합물 반도체 내의 원자의 결손 또는 추가에 의한 결함에 영향을 받는다고 알려진 캐리어(carrier) 밀도가 제어된 박막을 구현하였다. 성장 중 Sb의 플럭스를 제어함으로써 러프니스(Roughness)는 약 0.15 nm 이내, 캐리어 농도(Carrier concentration)는 1E17/cm-3 이내, 이동도(Mobility)는 30 cm2/VS 정도의 차이로 제어된 3개의 시료를 제작하였다(표 1 참조). 이런 미세한 차이는 직접 접촉이 필요한 AFM이나 전기적 측정방법을 통하여만 구별 가능한 미세한 차이로, 광학적 방법을 통해서는 분석이 어렵다.
Figure pat00002
레이저광에 의하여 여기된 전자가 수백 ps 간 재결합하며 시간에 따른 테라헤르츠 파의 투과율을 변화시키고 이때 시간에 따른 투과율의 감쇠는 n개 종류의 결함이 있다고 가정하면 다음과 같은 수학식 1을 따른다.
Figure pat00003
(△T: 전자기파의 투과율 감쇠 변화량, T0: 여기된 캐리어를 형성하기 위한 레이저광이 박막에 입사되지 않는 경우 전자기파의 투과율, n: 박막 내 결함 유형 개수, ai: 박막 내 각 결함에 따른 캐리어 재결합 기여도, t: 시간, τi: 각 결함에 따른 캐리어 재결합 시상수)
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 방법에서 시간에 따른 전자기파의 투과율 감쇠를 실제 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 즉, 각 시료의 광 펌프 후 시간에 따른 테라헤르츠 파의 투과율을 확인할 수 있다. 도 5에서 "Delay" 항목은 박막에 레이저광을 입사한 후 도과 시간을 의미한다.
도 5를 참조하면, 시료 박막 A, B, C 간 결함 밀도에 의해 투과율이 감쇠(Decay)하는 경향이 다름을 확인할 수 있다. 예를 들어, 초반부의 감쇠는 시료 A, C의 경우가 시료 B에 비해 빠르다. 후반부에서는 시료 A, B, C의 감쇠 기울기가 거의 유사해진다. 빠른 감쇠를 하는 제1 결함과 느린 감쇠를 하는 제2 결함이 존재한다고 가정하면 제1 결함은 시료 B에서 상대적으로 적을 것으로 예상되며 캐리어(carrier) 농도는 가장 낮고 이동도는 가장 높다. 또한 후반부의 감쇠(decay)는 시료 A가 시료 B와 시료 C보다 약간 빠르다. 실제 시료 A의 러프니스(Roughness)는 가장 높은 수준이다. 그러나 박막간 결함 밀도의 작은 차이로 인하여 시료 간의 차이를 감쇠(Decay) 경향만으로 확실히 구별하는 것이 힘들다.
유사한 감쇠 신호간 시상수를 구분하기 위하여 수학적 처리를 도입할 수 있다. 본 발명에서는 라플라스 역변환을 이용하면 시간에 따른 감쇠(Decay) 함수를 시상수에 따른 함수로 변형이 가능하며, 도 5에 개시된 시간에 따른 감쇠를 시상수의 분포로 변환하는 것이 가능함을 확인하였다.
시간에 따른 테라헤르츠 파의 투과율 변환 곡선은 복수의 감쇠인자로 인해 발생한다. 각각의 감쇠인자들의 영향을 모두 더하였을 때 측정 데이터를 가져다주므로 감쇠 곡선 S(t)는 모든 k에 대하여 확률밀도 F(k)와 감쇠함수를 곱한 값의 적분으로 표현된다(수학식 2 참조).
Figure pat00004
이는 라플라스 변환식과 형태가 동일하며 각 감쇠인자들의 영향 척도인 F(k)를 구하기 위해서는 라플라스 역변환 과정이 필요하다. 정확한 F(k)를 구하는 것은 불가능하기에 근사 함수를 대입하여 오차율을 줄여 나가는 과정이 필요하며 목표로 하는 정밀도에 맞춰 한계 오차율을 설정하여 변환이 진행된다. 결과적으로 시상수 k의 근사치와 근사함수 F(k)의 근사치가 나오며 F(k)를 감쇠인자 영향 정도로 생각할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 방법에서 라플라스 역변환 연산을 이용하여 시상수를 실제 분리한 결과를 나타낸 도면이다. 즉, 도 6은 시간에 따른 테라헤르츠 파 투과율을 라플라스 역변환을 이용하여 시상수에 대한 함수로 변환한 결과이다.
도 6을 참조하면, 라플라스 역변환을 통해 도 5의 초기 데이타(raw data)를 시상수에 따른 함수로 변환한 결과, 도 5에 개시된 측정 결과는 두 영역의 시상수로 나누어 짐을 확인할 수 있다. 예를 들어, 캐리어 재결합 시상수는 박막 내 제1 유형의 결함에 따른 제1 캐리어 재결합 시상수 및 박막 내 제2 유형의 결함에 따른 제2 캐리어 재결합 시상수로 분리될 수 있다. 각각을 제1 결함(결함 1)과 제2 결함(결함 2)으로 정의하면 제1 결함에 의한 재결합 시상수는 C < A < B 순서이고 제2 결함에 의한 재결합 시상수는 A < B ≒ C 이다.
본 발명자가 다른 실험을 기반으로 확보한 화합물 반도체의 특성과 비교하면 제2 결함은 박막의 러프니스(Roughness)와 관련되고 제1 결함은 박막 내 캐리어 농도와 관련된 것으로 이해되며, 따라서 제2 결함은 구조적 결함과 관련되고 제1 결함은 원자 결함에 관련된 것으로 결론지을 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 방법에서 라플라스 역변환 연산으로 분리한 제1 결함의 시료별 시상수를 나타낸 도면이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 방법에서 라플라스 역변환 연산으로 분리한 제2 결함의 시료별 시상수를 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 방법에서는, 라플라스 역변환을 통해 분리한 시상수를 기반으로 각 박막 내부에 존재하는 결함의 상대비를 판단하는 것이 가능하다. 도 7 및 도 8과 같이 분리된 시상수의 피크(peak) 점을 이용하여 각 결함의 시상수를 정의할 수 있다. 이때 시상수와 결함 밀도는 수학식 3과 같이 반비례 관계를 가지므로 결함 밀도의 상대비는 표 2와 같이 결정하는 것이 가능하다.
Figure pat00005
(Ndefect : 결함 밀도, τdefect : 결함에 의한 재결합 시상수)
Figure pat00006
수학식 3과 표 2를 참조하면, 제1 캐리어 재결합 시상수는 제1 유형의 결함에 따른 제1 결함 밀도와 반비례하고, 제2 캐리어 재결합 시상수는 제2 유형의 결함에 따른 제2 결함 밀도와 반비례하되, 제1 캐리어 재결합 시상수와 제2 캐리어 재결합 시상수의 대소 관계는 박막 내 제1 결함 밀도와 제2 결함 밀도의 대소 관계와 서로 반대임을 확인할 수 있다.
이와 같이, 공정 중의 조건 변화에 따른 박막의 결함 변화를 비접촉 비파괴적 방법으로 측정 가능함을 확인하였다. 이에 따라, 광 펌프 후 테라헤르츠 파 투과 및 반사의 시분해 측정의 특성으로 인해 증착 공정을 실시간으로 모니터링 하는 것이 가능하다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 방법에서 공정 모니터링의 모식도를 도해한 도면이다.
도 9를 참조하면, 공정 중간에 박막 내 여기된 캐리어와 반응하는 전자기파의 특성 정보를 측정하고, 예를 들어, 박막의 광 여기된 캐리어의 재결합에 의한 전자기파의 투과율 감쇠(Decay)를 측정한다. 한편, 도 9에서 예시적으로 기존결과와 측정결과를 시간에 따른 전자기파의 투과율 감쇠 양상으로 나타내었으나, 도 6 내지 도 8을 참조하여 설명한 박막 내 결함의 유형 별로 분리된 캐리어 재결합 시상수 관점으로 나타낼 수도 있다.
계속하여, 측정된 전자기파의 특성 정보를 이용한 결과를 기준 데이타(예를 들어, 기존 정상 박막에 대한 측정 결과)와 같거나 유사할 시 박막을 정상으로 판별하여 합격(Pass) 라인으로 진행하고, 일정 이상 차이 날 경우 박막을 비정상으로 판별하여 불합격(Fail) 라인으로 진행할 수 있다.
성장된 박막이 기존 상태와 다른 것으로 판단하는 경우, 공정을 조정하는 피드백 과정을 통해 공정을 모니터링하고 공정을 실시간으로 제어하는 것이 가능하다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 방법은 박막 내 결함의 유형 별로 분리된 캐리어 재결합 시상수를 기준 데이터와 비교하여 박막이 비정상으로 판별되는 결함 유형이 도출되는 경우, 도출된 결함 유형과 관련된 공정 조건을 제어하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 방법에서 기준 데이타와 비교를 통한 공정의 합격(Pass) 또는 불합격(Fail) 여부를 결정하는 과정을 도해하는 도면이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 기존 성공적인 공정 조건에서 측정한 기준 데이터(Reference)와 현재 공정에서 측정한 측정 결과를 비교하여 공정의 합격(Pass) 또는 불합격(Fail) 여부를 결정한다. 일정 수준의 공정 마진을 정한 후, 기준 데이터(Reference)와 비교하여 오차(Error)가 공정 마진에 비해 작을 경우 합격(Pass), 오차(Error)가 공정 마진에 비해 클 경우 불합격(Fail)으로 설정하고, 불합격(Fail)로 판정시 공정을 조절하는 것이 가능하다. 본 예시에서는 오차(Error)가 5% 이하인 A, B, C 공정은 합격(Pass), D 공정은 불합격(Fail)으로 판단할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 방법에서는 결함 종류 분해를 통하여 각 결함에 영향을 끼치는 요인을 독립적으로 판단하여 공정을 제어하는 것이 가능하다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 방법에서 수학적 처리를 이용한 시상수 비교를 제1 결함의 관점에서 공정의 합격(Pass)/불합격(Fail)을 결정하는 개념을 도해하는 도면이고, 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 방법에서 수학적 처리를 이용한 시상수 비교를 제2 결함의 관점에서 공정의 합격(Pass)/불합격(Fail)을 결정하는 개념을 도해하는 도면이다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 수학적 처리(라플라스 역변환 연산)를 이용하여 기준 데이타(Ref)의 측정 결과에 대한 시상수와 현재 공정의 시상수를 비교하여 각 결함의 기준 데이타(Reference)에 비하여 어느 정도인지 판단하여 각 결함에 대한 합격(Pass)/불합격(Fail) 여부를 결정한다. 그 후 각 결함을 제어하기 위한 공정 조건을 각각 제어하여 박막의 결함을 제어할 수 있다.
도 12의 결함 1의 경우 공정 A, B, C는 합격(Pass)으로 판단할 수 있고, 공정 D는 불합격(Fail)으로 판단할 수 있다. 도 13의 결함 2의 경우 시상수가 모든 공정에 대하여 기준 데이타(Reference)와 유사하므로 합격(Pass)으로 판단할 수 있다. 따라서, 공정 모니터링에 의하여 결함 1과 관련된 공정 조건을 제어해야 하는 이유를 제공할 수 있다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 방법은 전자기파의 특성 정보로서 전자기파의 투과율을 포함하고, 측정된 전자기파의 특성 정보를 이용한 결과는 시간에 따른 전자기파의 투과율 감쇠 함수에 대하여 라플라스 역변환 연산을 통해 산출된 캐리어 재결합 시상수를 포함하는 경우를 상정하여 설명하였다.
하지만, 본 발명의 변형된 실시예에 따른 공정 모니터링 방법은 전자기파의 특성 정보로서 전자기파의 반사율을 포함할 수 있으며, 측정된 전자기파의 특성 정보를 이용한 결과는 시간에 따른 전자기파의 반사율 감쇠 함수에 대하여 라플라스 역변환 연산을 통해 산출된 캐리어 재결합 시상수를 포함할 수 있다. 예를 들어, 수학식 1, 도 4, 도 5, 도 9, 도 10의 △T는 전자기파의 반사율 감쇠 변화량 △R로 대체될 수 있으며, 수학식 1, 도 4, 도 5, 도 9, 도 10의 T0는 여기된 캐리어를 형성하기 위한 레이저광이 박막에 입사되지 않는 경우 전자기파의 반사율인 R0로 대체될 수 있다. 그 외에 도 6 내지 도 9, 도 11 내지 도 13을 참조하여 설명한 기술적 사상으로서, 캐리어 재결합 시상수가, 박막 내 결함의 유형 별로 분리될 수 있으며, 박막 내 결함 밀도와 반비례한다는 제 1 구성과 연산제어부는 박막 내 결함의 유형 별로 분리된 캐리어 재결합 시상수를 기준 데이터와 비교하여 박막이 비정상으로 판별되는 결함 유형이 도출되는 경우, 도출된 결함 유형과 관련된 공정 조건을 제어한다는 제 2 구성은 전자기파의 특성 정보가 전자기파의 반사율인 경우에서도 전자기파의 특성 정보로서 전자기파의 투과율인 경우와 마찬가지로 동일하게 적용될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 발광부
11: 레이저광
20: 전자기파 조사부
21, 22: 전자기파
30: 측정부
40: 연산제어부
100: 공정 모니터링 장치

Claims (20)

  1. 박막 내 여기된 캐리어를 형성할 수 있는 레이저광을 입사하는 단계;
    박막 내 여기된 캐리어가 재결합하는 동안 박막에 전자기파를 조사하는 단계;
    박막 내 여기된 캐리어와 반응하는 전자기파의 특성 정보를 측정하는 단계; 및
    측정된 전자기파의 특성 정보를 이용한 결과를 기준 데이타와 비교하여 박막의 정상 여부를 판별하는 단계;를 포함하는,
    공정 모니터링 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    전자기파의 특성 정보는 전자기파의 투과율 또는 반사율을 포함하는,
    공정 모니터링 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    측정된 전자기파의 특성 정보를 이용한 결과는 시간에 따른 전자기파의 투과율 감쇠 함수에 대하여 라플라스 역변환 연산을 통해 산출된 캐리어 재결합 시상수를 포함하는,
    공정 모니터링 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    캐리어 재결합 시상수는, 박막 내 결함의 유형 별로 분리될 수 있으며, 박막 내 결함 밀도와 반비례하는,
    공정 모니터링 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    캐리어 재결합 시상수는 박막 내 제1 유형의 결함에 따른 제1 캐리어 재결합 시상수 및 박막 내 제2 유형의 결함에 따른 제2 캐리어 재결합 시상수로 분리될 수 있는,
    공정 모니터링 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    제1 캐리어 재결합 시상수는 제1 유형의 결함에 따른 제1 결함 밀도와 반비례하고, 제2 캐리어 재결합 시상수는 제2 유형의 결함에 따른 제2 결함 밀도와 반비례하되, 제1 캐리어 재결합 시상수와 제2 캐리어 재결합 시상수의 대소 관계는 박막 내 제1 결함 밀도와 제2 결함 밀도의 대소 관계와 서로 반대인,
    공정 모니터링 방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    박막 내 결함의 유형 별로 분리된 캐리어 재결합 시상수를 기준 데이터와 비교하여 박막이 비정상으로 판별되는 결함 유형이 도출되는 경우, 도출된 결함 유형과 관련된 공정 조건을 제어하는 단계;를 더 포함하는,
    공정 모니터링 방법.
  8. 제 3 항에 있어서,
    시간에 따른 전자기파의 투과율 감쇠 함수는 하기의 수학식 1에 의하여 모사될 수 있는,
    공정 모니터링 방법.
    (수학식 1)
    Figure pat00007

    (△T: 전자기파의 투과율 감쇠 변화량, T0: 여기된 캐리어를 형성하기 위한 레이저광이 박막에 입사되지 않는 경우 전자기파의 투과율, n: 박막 내 결함 유형 개수, ai: 박막 내 각 결함에 따른 캐리어 재결합 기여도, t: 시간, τi: 각 결함에 따른 캐리어 재결합 시상수)
  9. 제 1 항에 있어서,
    레이저광은 펨토초 레이저광을 포함하는,
    공정 모니터링 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    전자기파는 테라헤르츠 파를 포함하는,
    공정 모니터링 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    박막 내 여기된 캐리어는 박막 내 여기된 자유전자 또는 정공을 포함하는,
    공정 모니터링 방법.
  12. 박막 내 여기된 캐리어를 형성할 수 있도록 박막에 입사하는 레이저광을 생성하는 발광부;
    박막 내 여기된 캐리어가 재결합하는 동안 박막에 전자기파를 조사하는 전자기파 조사부;
    박막 내 여기된 캐리어와 반응하는 전자기파의 특성 정보를 측정하는 측정부; 및
    측정된 전자기파의 특성 정보를 이용한 결과를 기준 데이타와 비교하여 박막의 정상 여부를 판별하는 연산제어부;를 포함하는,
    공정 모니터링 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    측정부는 전자기파의 특성 정보로서 전자기파의 투과율 또는 반사율을 측정하는,
    공정 모니터링 장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    연산제어부는 측정된 전자기파의 특성 정보를 이용한 결과로서 시간에 따른 전자기파의 투과율 감쇠 함수에 대하여 라플라스 역변환 연산을 통해 캐리어 재결합 시상수를 산출하는,
    공정 모니터링 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    캐리어 재결합 시상수는, 박막 내 결함의 유형 별로 분리될 수 있으며, 박막 내 결함 밀도와 반비례하는,
    공정 모니터링 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    캐리어 재결합 시상수는 박막 내 제1 유형의 결함에 따른 제1 캐리어 재결합 시상수 및 박막 내 제2 유형의 결함에 따른 제2 캐리어 재결합 시상수로 분리될 수 있는,
    공정 모니터링 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    제1 캐리어 재결합 시상수는 제1 유형의 결함에 따른 제1 결함 밀도와 반비례하고, 제2 캐리어 재결합 시상수는 제2 유형의 결함에 따른 제2 결함 밀도와 반비례하되, 제1 캐리어 재결합 시상수와 제2 캐리어 재결합 시상수의 대소 관계는 박막 내 제1 결함 밀도와 제2 결함 밀도의 대소 관계와 서로 반대인,
    공정 모니터링 장치.
  18. 제 15 항에 있어서,
    연산제어부는 박막 내 결함의 유형 별로 분리된 캐리어 재결합 시상수를 기준 데이터와 비교하여 박막이 비정상으로 판별되는 결함 유형이 도출되는 경우, 도출된 결함 유형과 관련된 공정 조건을 제어하는 것을 특징으로 하는,
    공정 모니터링 장치.
  19. 제 12 항에 있어서,
    발광부는 레이저광으로서 펨토초 레이저광을 생성하는,
    공정 모니터링 장치.
  20. 제 12 항에 있어서,
    전자기파 조사부는 전자기파로서 테라헤르츠 파를 조사하는,
    공정 모니터링 장치.
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