KR100195211B1 - Temperature measuring apparatus for semiconductor substrate and its method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 기판의 온도 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명에 의한 온도 측정 장치는 광원과, 상기 광원으로부터의 빛을 상기 반도체 기판상의 전체 영역에 분산시키고, 상기 반도체 기판의 전체 영역에서 반사도는 빛을 포커싱하는 렌즈 시스템과, 상기 렌즈 시스템에서 포커싱된 빛을 포집하는 CC 카메라와, 상기 CCD 카메라에 설치되고, 상기 CCD 카메라에 의해 포집된 빛을 분석하여 상기 반도체 기판상의 온도를 측정하는 복수의 다이오드로 구성된 광 다이오드 어레이 센서를 포함한다. 본 발명에 따른 온도 측정 장치를 이용하여 반도체 기판의 온도를 측정하게 되면, 반도체 기판상의 전체 영역 또는 일부 영역에 대하여 원하는 온도 분석이 가능하고, 또한 시간에 따른 온도 분포의 변화를 인-시튜로 분석할 수 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a temperature measuring apparatus and method for a semiconductor substrate, wherein the temperature measuring apparatus according to the present invention disperses a light source and light from the light source in an entire region on the semiconductor substrate, and reflects light in the entire region of the semiconductor substrate. Is a lens system for focusing light, a CC camera for collecting light focused by the lens system, a plurality of cameras installed in the CCD camera and analyzing the light collected by the CCD camera to measure a temperature on the semiconductor substrate. It comprises a photodiode array sensor consisting of a diode. When the temperature of the semiconductor substrate is measured using the temperature measuring device according to the present invention, it is possible to analyze a desired temperature for all or a part of the region on the semiconductor substrate, and also analyze the change of temperature distribution over time in-situ. can do.
Description
제1도는 종래의 1R 간섭계 카메라를 이용한 반도체 기판의 온도 측정 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.1 is a view schematically showing a temperature measuring apparatus of a semiconductor substrate using a conventional 1R interferometer camera.
제2도는 본 발명에 따른 반도체 기판의 온도 측정 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.2 is a view schematically showing an apparatus for measuring temperature of a semiconductor substrate according to the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
100 : 온도 측정 장치 112 : 광원100: temperature measuring device 112: light source
114 : CCD 카메라 116 : 필터114: CCD camera 116: filter
118 : 반사판 120 : 광 다이오드 어레이 센서118: reflector 120: photodiode array sensor
112 : PC 콘트롤러 130 : 랜즈 시스템112: PC controller 130: lens system
140 : 반응 챔버 148 : 전극140: reaction chamber 148: electrode
150 : 반도체 기판150: semiconductor substrate
본 발명은 반도체 기판의 온도 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 다이오드 어레이를 이용하여 반도체 기판 전면의 온도를 측정할 수 있는 반도체 기판의 온도 측정 장치 및 이를 이용한 반도체 기판의 온도 측정 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a temperature measuring apparatus and method for a semiconductor substrate, and more particularly, to a temperature measuring apparatus for a semiconductor substrate capable of measuring the temperature of the front surface of the semiconductor substrate using a diode array and a method for measuring the temperature of the semiconductor substrate using the same.
반도체 제조 공정중 건식 식각 공정에 있어서 패턴이 미세화되어 감에 따라 작은 공정 변수의 변화에 따라 식각되는 막질의 특성이 큰 영향을 받고 있다. 이러한 공정 변수중에서도 기판의 온도 변화에 따른 식각 특성에 대하여 관심이 높아지고 있으며, 이에 따라 저온 공정에 관한 연구도 활발히 진행되고 있다.As the pattern becomes finer in the dry etching process of the semiconductor manufacturing process, the characteristics of the film quality etched by the change of small process variables are greatly affected. Among these process variables, interest in the etching characteristics according to the temperature change of the substrate, and accordingly, research on low temperature process is also actively progressed.
반도체 제조 공정중에 있어서, 반도체 기판의 온도를 측정하고자 할 때, 반도체 기판 표면의 온도를 측정하는 방법으로는 측정프로브(probe)를 반도체 기판에 접촉시킴으로써 측정하는 방법이 있다. 이 방법에서는 반도체 기판상에 접촉된 프로브가 반도체 기판상에서 형성되는 플라즈마에 영향을 미치게 되고, 또한 반응 챔버 내부에 온도 측정기를 연결할 때 반응 챔버 내의진공 실드(shield)에 영향을 미칠 수 있다. 또한, 프로브를 반도체 기판의 뒷면에 접촉시켜서 반도체 기판의 온도를 측정할 때에는 반도체 기판상의 온도를 정확하게 측정하는 것은 불가능하다.In the semiconductor manufacturing process, when the temperature of the semiconductor substrate is to be measured, a method of measuring the temperature of the surface of the semiconductor substrate is a method of measuring the probe by contacting the semiconductor substrate. In this method, a probe contacted on a semiconductor substrate affects the plasma formed on the semiconductor substrate, and may also affect the vacuum shield in the reaction chamber when connecting a temperature meter inside the reaction chamber. In addition, when measuring the temperature of a semiconductor substrate by making a probe contact the back surface of a semiconductor substrate, it is impossible to measure the temperature on a semiconductor substrate correctly.
또한, 반도체 기판의 온도를 측정하는 다른 방법으로서, 반도체 기판상에 광원을 조사하고, 반도체 기판상의 막질간의 굴절율을 이용하여 기판의 온도를 측정하는 방법이 있다.As another method of measuring the temperature of a semiconductor substrate, there is a method of irradiating a light source onto a semiconductor substrate and measuring the temperature of the substrate using the refractive index between the films on the semiconductor substrate.
제1도는 반도체 제조 공정중에 반도체 기판상에 형성된 막질간의 굴절율을 이용하여 반도체 기판상의 온도를 측정하는 데 사용된 종래의 온도 측정 장치를 개략적으로 나타낸 것으로서, 상용화 되어 있는 IR 간섭계(干涉計) 카메라를 이용한 기판 온도 측정 장치를 도시한 것이다.FIG. 1 schematically shows a conventional temperature measuring apparatus used to measure temperature on a semiconductor substrate by using refractive indices between films formed on a semiconductor substrate during a semiconductor manufacturing process. The used substrate temperature measuring apparatus is shown.
제1도를 참조하면, 종래의 온도 측정 장치(10)는 광원(12)으로서 IR 레이저를 이용하고, 반응 챔버(40), 예를 들면 에칭 챔버 내의 반도체 기판(50)으로부터 반사되는 반사광의 검출은 1개의 IR 다이오드로 구성된 IR 센서(20)를 이용한다.Referring to FIG. 1, the conventional temperature measuring device 10 uses an IR laser as the light source 12 and detects reflected light reflected from the reaction chamber 40, for example, the semiconductor substrate 50 in the etching chamber. Uses an IR sensor 20 composed of one IR diode.
제1도에 도시된 종래의 온도 측정 장치(10)를 이용하여 반도체 기판(5)의 온도를 측정하는 방법은 다음과 같다. 상기 광원(12)으로부터 조사된 광이 반응 챔버(40) 내에서 전극(48) 위에 놓여있는 반도체 기판(50)상의 소정의 영역, 즉 스풋 영역(52)에 도달하면, 그 광은 스풋영역(52)에서의 온도에 따라서 굴절된 파장을 가지는 반사광으로서 반사된다. 이 반사광의 굴절 파장은 광 화이버(22)를 거쳐서 상기 IR 센서(20)를 통하여 분리되고, 이 분리된 파장에 의해 사익 반도체 기판(50)상의 스풋 영역(52)에서의 온도를 계산한다. 이 때, 반도체 기판(50)상에서 1개의 스풋 영역(52)의 크기는 렌즈 시스템(30)의 구성에 따라 다르지만, 보통의 경우에는 그 반경을 수 ㎛ ~ 수 ㎜ 정도의 크기까지 확장하여 사용한다. 상기 반도체 기판(50)상에서 스풋영역(52)의 위치는 XY-테이블(32)을 조작함으로써 조정한다.The method of measuring the temperature of the semiconductor substrate 5 using the conventional temperature measuring device 10 shown in FIG. 1 is as follows. When the light irradiated from the light source 12 reaches a predetermined region on the semiconductor substrate 50, which is placed on the electrode 48 in the reaction chamber 40, that is, the output region 52, the light reaches the output region ( Reflected as reflected light having a wavelength refracted according to the temperature at 52). The refraction wavelength of the reflected light is separated by the IR sensor 20 via the optical fiber 22, and the separated wavelength is used to calculate the temperature in the output region 52 on the saik semiconductor substrate 50. At this time, the size of one output area 52 on the semiconductor substrate 50 depends on the configuration of the lens system 30, but in general, the radius is extended to a size of several micrometers to several millimeters. . The position of the output area 52 on the semiconductor substrate 50 is adjusted by operating the XY table 32.
상기한 바와 같은 종래의 온도 측정 장치(10)에서 사용 가능한 광원(12)으로는 He - Ne 레이저(파장: 1.15㎛), 레이저 다이오드, Nd YAG 레이저 등이 있다. 또한, 상기 온도 측정 장치(10)에 설치된 CCD 카메라(14)는 반도체 기판(50)에 대한 빛의 포커싱 스풋 영역을 지정하기 위하여 설치된 것으로서, 온도 측정에 필요한 상기 IR 센서(20)와는 무관하게 사용할 수 있다.The light source 12 that can be used in the conventional temperature measuring apparatus 10 as described above includes a He-Ne laser (wavelength: 1.15 mu m), a laser diode, an Nd YAG laser, and the like. In addition, the CCD camera 14 installed in the temperature measuring device 10 is provided to designate a focusing area of light with respect to the semiconductor substrate 50, and may be used independently of the IR sensor 20 required for temperature measurement. Can be.
상기한 바와 같은 종래의 온도 측정 장치에 의하면, 1개의 다이오드에 의해 감지되는 스풋 영역 내의 온도 만을 측정하므로, 반도체 기판의 전면에 걸친 온도에 대한 측정은 불가능하다. 이와 같은 장치를 사용하는 경우에는 반도체 기판 전면의 온도 분포를 측정하려면 원하는 측정 위치 마다 이동하면서 1스풋 영역씩 측정해야 한다. 이와 같은 경우, 시간의 흐름에 따른 온도 변화는 1 포인츠로 제한될 수 밖에 없다.According to the conventional temperature measuring apparatus as described above, since only the temperature in the output area detected by one diode is measured, it is impossible to measure the temperature over the entire surface of the semiconductor substrate. In the case of using such a device, in order to measure the temperature distribution on the front surface of the semiconductor substrate, one foot area should be measured while moving at a desired measurement position. In this case, the temperature change over time can only be limited to one point.
따라서, 본 발명의 목적은 반도체 제조 공정시에 막질의 굴절율을 이용한 온도 측정을 하는 데 있어서 반도체 기판상의 온도를 원하는 바에 따라서 전체적으로 또는 부분적으로 인-시튜(in situ)로 모니터링할 수 있는 반도체 기판의 온도 측정 장치를 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor substrate capable of monitoring the temperature on a semiconductor substrate, in whole or in part, in situ as desired, in the temperature measurement using the refractive index of the film during the semiconductor manufacturing process. It is to provide a temperature measuring device.
본 발명의 또 다른 목적은 상기한 본 발명에 따른 온도 측정 장치를 이용하여 반도체 기판의 온도를 측정하는 방법을 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a method for measuring the temperature of a semiconductor substrate using the temperature measuring device according to the present invention described above.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 반도체 기판상에 빛을 조사하는 광원과, 상기 과원으로부터의 빛을 상기 반도체 기판상의 전체 영역에 분산시키고, 상기 반도체 기판의 전체 영역에서 반사되는 빛을 포커싱하는 렌즈 시스템과, 상기 렌즈 시스템에서 포커싱된 빛을 포집하는 CCD 카메라와, 상기 CCD 카메라에 설치되고, 상기 CCD 카메라에 의해 포집된 빛을 분석하여 상기 반도체 기판상의 온도를 측정하는 복수의 다이오드로 구성된 광 다이오드 어레이 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 기판의온도 측정 장치를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a light source for irradiating light on a semiconductor substrate, and a lens for dispersing light from the over source to the entire region on the semiconductor substrate, focusing the light reflected from the entire region of the semiconductor substrate A photodiode comprising a system, a CCD camera for collecting light focused by the lens system, and a plurality of diodes installed in the CCD camera and analyzing the light collected by the CCD camera to measure temperature on the semiconductor substrate. It provides an apparatus for measuring the temperature of a semiconductor substrate comprising an array sensor.
바람직하게는, 상기 광원은 He - Ne 레이저, FP이저 다이오드 또는 Nd YAG 레이저이다.Preferably, the light source is a He-Ne laser, a FPizer diode or an Nd YAG laser.
상기 광 다이오드 어레이 센서에 포함된 각각의 다이오드는 상기 반도체 기판의 전체 영역을 분할하여 형성된 복수의 영역중 각각 할당된 영역에서 반사되는 빛을 분석하여, 그 빛의 굴절된 파장으로부터 상기 각 할당된 영역에서의 온도만을 측정하도록 구성된다.Each diode included in the photodiode array sensor analyzes light reflected from each allocated area among a plurality of areas formed by dividing the entire area of the semiconductor substrate, and thus, each of the allocated areas from the refracted wavelength of the light. It is configured to measure only the temperature at.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,In order to achieve the above another object, the present invention,
광원으로부터 반도체 기판상에 광이 조사된 후 상기 반도체 기판으로부터 반사된 광을 복수의 다이오드를 포함하는 광 다이오드 어레이 센서로 감지하여 상기 반도체 기판의 어레이 센서로 감지하여 상기 반도체 기판의 온도를 측정하는 방법에 있어서,After the light is irradiated onto the semiconductor substrate from the light source to detect the light reflected from the semiconductor substrate with a photodiode array sensor including a plurality of diodes and the array sensor of the semiconductor substrate to measure the temperature of the semiconductor substrate To
상기 반도체 기판 전체면을 복수의 영역으로 분할하는 단계와,Dividing the entire surface of the semiconductor substrate into a plurality of regions;
상기 반도체 기판상에서 분할된 각 영역을 상기 각 다이오드에 활당하는 단계와,Sliding each of the divided regions on the semiconductor substrate to the respective diodes;
상기 광원으로부터 상기 반도체 기판상에 광이 조사된 후 상기 반도체 기판상의 분할된 각 영역에서 반사된 광의 굴절된 파장을 상기 각 다이오드에 의해 분석하여 이 분석치로부터 상기 반도체 기판상의 분할된 각 영역에서의 온도를 계산하는 단계와,After the light is irradiated onto the semiconductor substrate from the light source, the refracted wavelength of the light reflected by each divided region on the semiconductor substrate is analyzed by the respective diodes, and from this analysis value, the temperature at each divided region on the semiconductor substrate is analyzed. Calculating the
상기 각 영역에서의 온도에 의거하여 상기 반도체 기판 전체의 온도 분포를 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 기판의 온도 측정 방법을 제공한다.And analyzing the temperature distribution of the entire semiconductor substrate based on the temperature in each of the regions.
본 발명에 의하면, 반도체 제조 공정중에 원하는 바에 따라서 반도체 기판상의 전체 영역 또는 일부 영역에 대하여 원하는 온도 분석이 가능하고, 또한 시간에 따른 온도 분포의 변화를 인-시튜로 분석할 수 있다.According to the present invention, desired temperature analysis can be performed on all or part of the region on the semiconductor substrate as desired during the semiconductor manufacturing process, and the change in temperature distribution over time can be analyzed in-situ.
다음에, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Next, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
제2도는 본 발명에 따른 반도체 기판의 온도 측정 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.2 schematically shows an apparatus for measuring temperature of a semiconductor substrate according to the present invention.
제2도를 참조하면, 본 발명에 따른 반도체 기판의 온도 측정장치(100)는 반응 챔버(140) 내의 전극(148) 위에 놓여있는 반도체 기판(150)상에 빛을 조사하는 광원(112)과, 상기 광원(112)으로부터의 빛을 상기 반도체 기판(150)상의 전체 영역(152)에 분산시키고, 상기 반도체 기판(150)의 전체 영역(152)에서 반사되는 빛을 포커싱하는 렌즈시스템(130)과, 상기 렌즈 시스템(130)에서 포커싱된 빛을 반사판(118)과 필터(116)를 통해 포집하는 CCD 카메라(114)와, 상기 CCD 카메라(114)에 설치되고, 상기 CCD 카메라(114)에 의해 포집된 빛으로부터 그 굴절된 파장을 분석하여 상기 반도체 기판(150)상의 온도를 측정하는 복수의 다이오드로 구성된 광 다이오드 어레이 센서(120)를 포함한다. 상기 광원(112)으로는 He-Ne 레이저, 레이저 다이오드 또는 Nd YAG 레이저를 사용할 수 있다.Referring to FIG. 2, the apparatus 100 for measuring temperature of a semiconductor substrate according to the present invention includes a light source 112 for irradiating light onto a semiconductor substrate 150 placed on an electrode 148 in a reaction chamber 140. The lens system 130 disperses the light from the light source 112 in the entire region 152 on the semiconductor substrate 150 and focuses the light reflected from the entire region 152 of the semiconductor substrate 150. And a CCD camera 114 for collecting the light focused by the lens system 130 through the reflecting plate 118 and the filter 116, and the CCD camera 114. It includes a photodiode array sensor 120 composed of a plurality of diodes to measure the temperature on the semiconductor substrate 150 by analyzing the refracted wavelength from the light collected by the. The light source 112 may be a He-Ne laser, a laser diode, or an Nd YAG laser.
상기 광 다이오드 어레이 센서(120)는 이를 제어하기 위한 PC 콘트롤러(122)에 연결되어 있고, 상기 광 다이오드 어레이 센서(120)에 포함된 각각의 다이오드는 상기 반도체 기판(150)의 전체 영역을 분할하여 형성된 복수의 영역중 각각 할당된 영역에서 반사되는 빛으로부터 그 빛의 굴절된 파장을 분석하여, 상기 굴절된 파장의 분석치로부터 상기 각 할당된 영역에서의 온도를 계산하도록 구서할 수 있다.The photodiode array sensor 120 is connected to a PC controller 122 for controlling it, and each diode included in the photodiode array sensor 120 divides the entire area of the semiconductor substrate 150. The refracted wavelength of the light may be analyzed from the light reflected from each of the plurality of formed regions, and the temperature of the allocated region may be calculated from the analyzed value of the refracted wavelength.
즉, 상기 광원(112)으로부터 조사된 광이 상기 반도체 기판(150)상에 도달하고, 이 때 상기 반도체 기판(150)으로부터 반사된 빛은 상기 반도체 기판(150)의 온도에 따라서 굴절된 파장이 주어진 광원과 함께 발생하게 된다. 이러한 굴절 파장은 상기 광 다이오드 어레이 센서(120)를 통하여 파장을 분리하고 이 분리된 파장을 통하여 상기 반도체 기판(150)의 온도를 계산하게 된다.That is, the light irradiated from the light source 112 reaches the semiconductor substrate 150, and the light reflected from the semiconductor substrate 150 has a wavelength refracted by the temperature of the semiconductor substrate 150. Will occur with a given light source. The refractive wavelength separates the wavelength through the photodiode array sensor 120 and calculates the temperature of the semiconductor substrate 150 through the separated wavelength.
상기 광원(112)으로부터 상기 반도체 기판(150)상에 조사되는 빛은 상기 반도체 기판(150)의 온도에 따라서 굴절된 파장을 가지는 반사광으로서 반사되어 상기 CCD 카메라(114)에 포집되므로, 상기 반도체 기판(150)상의 각 할당 영역에서의 온도가 상기 광 다이오드 어레이센서(120)에 포함된 각각의 다이오드에 의해 정확하게 측정될 수 있다.The light irradiated from the light source 112 onto the semiconductor substrate 150 is reflected as reflected light having a wavelength refracted according to the temperature of the semiconductor substrate 150 and collected by the CCD camera 114. The temperature at each allocation area on 150 can be accurately measured by each diode included in the photodiode array sensor 120.
상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 온도 측정 장치(100)를 사용하여 본 발명의 일 실시예에 따라 반도체 기판(150)상의 온도를 측정하는 방법은 다음과 같다.The method for measuring the temperature on the semiconductor substrate 150 according to an embodiment of the present invention using the temperature measuring device 100 according to the present invention configured as described above is as follows.
먼저, 상기 반도체 기판(150) 전체면을 복수의 영역으로 분할하고, 상기 반도체 기판(150)상에서 분할된 각 영역을 상기 광 다이오드 어레이센서(120)에 포함된 각 다이오드에 할당한다. 그리고, 상기 광원(112)으로부터 상기 반도체 기판(150)상에 광이 조사된 후 반도체 기판(150)상의 분할된 각 영역에서 반사도는 빛을 상기 광 다이오드 어레이 센서(120)의 각 다이오드에 의해 분석하여 상기 반사되는 빛의 굴절된 파장으로부터 각 영역에서의 온도를 계산한다. 그 후, 상기 각 영역에서의 온도에 의거하여 상기 반도체 기판(150) 전체의 온도 분포를 분석한다.First, the entire surface of the semiconductor substrate 150 is divided into a plurality of regions, and each region divided on the semiconductor substrate 150 is allocated to each diode included in the photodiode array sensor 120. After the light is irradiated onto the semiconductor substrate 150 from the light source 112, the reflectance in each divided region of the semiconductor substrate 150 is analyzed by each diode of the photodiode array sensor 120. The temperature in each region is calculated from the refracted wavelengths of the reflected light. Then, the temperature distribution of the whole semiconductor substrate 150 is analyzed based on the temperature in each said area.
상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면 반도체 기판상의 영역을 IR 다이오드의 개수에 대응하도록 구분하여 각각의 온도를 계산하고, 이에 의거하여 반도체 기판 전면의 온도 분포를 분석하게 되므로, 반도체 기판상의 전체 영역은 물론 원하는 바에 따라서 일부 영역에 대하여도 원하는 온도 분석이 가능하고, 또한 시간에 따른 온도 분포의 변화를 인-시튜로 분석할 수도 있다.As described above, according to the present invention, the respective temperatures are calculated by dividing the regions on the semiconductor substrate so as to correspond to the number of IR diodes, and the temperature distribution on the entire surface of the semiconductor substrate is analyzed based thereon. Of course, the desired temperature analysis can be performed for some regions as desired, and the change in temperature distribution over time can also be analyzed in-situ.
이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상으 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.The present invention has been described in detail with reference to specific embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications may be made by those skilled in the art within the scope of the technical idea of the present invention. It is possible.
Claims (4)
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