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KR100742764B1 - 기판 막두께 측정방법, 기판 막두께 측정장치 및 기판처리장치 - Google Patents

기판 막두께 측정방법, 기판 막두께 측정장치 및 기판처리장치 Download PDF

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KR100742764B1
KR100742764B1 KR1020000076238A KR20000076238A KR100742764B1 KR 100742764 B1 KR100742764 B1 KR 100742764B1 KR 1020000076238 A KR1020000076238 A KR 1020000076238A KR 20000076238 A KR20000076238 A KR 20000076238A KR 100742764 B1 KR100742764 B1 KR 100742764B1
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KR
South Korea
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light
film thickness
liquid
measurement
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김바도시후미
나카이순스케
Original Assignee
가부시키가이샤 에바라 세이사꾸쇼
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Abstract

원기둥 형태의 수류가 제트노즐로부터 기판의 측정면으로 공급되어, 노즐과 측정면의 사이에서 연장된 물기둥을 형성한다. 조사섬유로부터 방출된 빛은 물기둥을 거쳐 투과되어 측정면에 이른다. 측정면에 의해 반사된 빛은 물기둥을 거쳐 수광섬유에 의해 수용된다. 측정연산유닛은 반사된 빛의 강도에 의거하여 기판상에 형성된 막의 두께를 측정한다.

Description

기판 막두께 측정방법, 기판 막두께 측정장치 및 기판 처리장치{SUBSTRATE FILM THICKNESS MEASUREMENT METHOD, SUBSTRATE FILM THICKNESS MEASUREMENT APPARATUS AND SUBSTRATE PROCESSING APPARATUS}
도 1은 본 발명에 따른 기판 막두께 측정장치의 일반적 구성예를 보이는 도,
도 2는 본 발명에 따른 기판 막두께 측정장치의 일반적 구성예를 보이는 도,
도 3은 본 발명에 따른 기판 막두께 측정장치의 측정 연산에 대한 예를 보이는 도,
도 4는 본 발명에 따른 기판 막두께 측정장치의 일반적 구성예를 보이는 도,
도 5는 본 발명에 따른 기판 막두께 측정장치의 막두께 연산 동작의 흐름을 보이는 도,
도 6은 본 발명에 따른 기판 막두께 측정장치의 막두께 연산 동작의 흐름을 보이는 도,
도 7은 본 발명에 따른 기판 막두께 측정장치의 막두께 연산 동작의 흐름을 보이는 도,
도 8은 본 발명에 따른 기판 막두께 측정장치의 막두께 연산 동작의 흐름을 보이는 도,
도 9는 본 발명에 따른 기판 막두께 측정장치의 측정연산유닛의 구성예를 보 이는 도,
도 10은 본 발명에 따른 기판 막두께 측정장치의 일반적 구성예를 보이는 도,
도 11은 본 발명에 따른 기판 막두께 측정장치가 제공된 기판연마장치의 구성예를 보이는 도,
도 12는 도 11에서 화살표 X, Y로 표시된 방향에서 바라본 기판연마장치를 보이는 도,
도 13은 본 발명에 따른 기판 막두께 측정장치가 제공된 기판연마장치의 구성예를 보이는 도,
도 14는 본 발명에 따른 기판 막두께 측정장치가 제공된 기판연마장치의 구성예를 보이는 도,
도 15는 본 발명에 따른 기판 막두께 측정장치가 제공된 기판연마장치의 구성예를 보이는 도,
도 16은 도 15에서 화살표 X, Y로 표시된 방향에서 바라본 기판연마장치를 보이는 도,
도 17은 본 발명에 따른 기판 막두께 측정장치가 제공된 기판연마장치의 구성예를 보이는 도(도 16에 대응함),
도 18은 본 발명에 따른 기판 막두께 측정장치가 제공된 기판연마장치의 구성예를 보이는 도(도 16에 대응함),
도 19는 본 발명에 따른 기판 막두께 측정장치가 제공된 기판연마장치의 구 성예를 보이는 도,
도 20은 본 발명에 따른 기판 막두께 측정장치가 제공된 기판연마장치의 구성예를 보이는 도,
도 21은 측정막을 갖는 부분의 분광반사율비과 측정막을 갖지 않는 부분의 분광반사율비을 나타내는 그래프,
도 22는 막두께에 대한 분광반사율비의 이론적인 값과 실제적인 값에 관한 예측함수를 나타내는 그래프,
도 23은 본 발명에 따른 기판 막두께 측정장치가 제공된 기판세정장치의 구성예를 보이는 도,
도 24는 도 23에 보인 기판세정장치의 세정액 노즐의 내부에 대한 구성을 보이는 도,
도 25는 본 발명에 따른 기판 막두께 측정장치가 제공된 기판세정장치의 구성예를 보이는 도,
도 26은 본 발명에 따른 기판 막두께 측정장치가 제공된 기판세정장치의 구성예를 보이는 도이다.
본 발명은 기판상의 막두께를 측정하는 장치 및 방법과, 상기 기판 막두께 측정방법을 이용하는 기판 처리 방법 및 상기 기판 막두께 처리장치를 이용하는 기판처리장치에 관한 것으로, 특히, 처리 중 기판의 처리면의 막두께 상태를 실시간으로 연속적으로 검출하는 데에 적합한 기판 막두께 측정방법, 기판 막두께 측정장치, 상기 기판 막두께 측정방법을 이용하는 기판처리방법 및 상기 기판 막두께 측정장치를 이용하는 기판처리장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 방법 및 장치는 처리중인 기판 면쪽의 기판두께를 실시간으로 검사하고 모니터링을 하는데 특히 유리하게 사용될 수 있다. 본 발명에 있어서의 "막두께 측정"이란 기판의 막두께를 측정하는 것만을 의미하는 것이 아니라, 예를 들면 기판면 위에 형성된 금속박막의 유무 등, 기판상태의 검출 또는 기판상태의 관측도 포함하는 것으로 한다.
전술한 형태에 관한 종래의 기술로서는 일본 특허공개 제 7-251371호가 있는데, 상기 공보가 공개한 기술은, 기판을 연마하는 동안 유리섬유의 말단부로부터 기판의 측정면으로 빛을 방출하고 상기 측정면에 의해 반사된 빛을 유리섬유를 통해 받아들이며, 이 유리섬유는 상기 반사된 빛을 막두께 측정제어유닛으로 안내하도록 하는 기술을 공개하고 있다.
위에서 언급한 바와 같이 유리섬유를 통해 빛을 방출하고 수용하도록 하는 기술에 있어서는 연마 작업동안 기판상에 형성되는 액체 방울의 존재로 인해 측정오차가 생기기 쉽다. 또한 유리섬유의 말단부와 기판의 측정면과의 거리를 엄격하게 제어하는 것이 필요하다.
일본 특허공개 제 10-264017호는 연마된 기판을 세정 탱크내의 세정액에 담그고, 광섬유의 말단부를 상기 세정액에 넣고, 이를 기판의 측정면 근처에 위치시킨 후, 빛을 상기 측정면으로 방출하고 측정면에 의해 반사된 빛을 광섬유를 통해서 막두께 검출장치로 도입시키는 기술을 공개하고 있다.
전술한 바와 같이 광섬유의 말단부를 세정액내에 두는 방법에 있어서는, 광섬유의 말단부와 기판의 측정면 사이의 거리가 제어되어야 한다. 더 나아가, 장치가 대형화된다.
전술한 관점에서 본 발명이 만들어졌다. 본 발명의 목적은 기판상에 형성되는 막두께를 측정하는 장치 및 방법과, 이를 이용하는 기판 처리장치를 제공하는 것으로서, 이들은 구조가 간단할 뿐 아니라, 연마 등과 같은 기판처리중에 기판의 막두께를 실시간으로 그리고 매우 정밀하게 측정할 수 있다.
본 발명의 일 형태에 따르면, 기판상의 막의 두께를 측정하는 방법으로서, 상기 막을 향하여, 상기 막에 도달하는 광투과액(light-transmitting liquid)이 기둥(column)을 형성하도록 광투과액의 분사줄기를 쏘는 단계와, 상기 광투과액의 기둥을 지나 상기 막을 향하여 빛을 쏘는 단계와, 상기 막으로부터 반사되어 상기 광투과액의 기둥을 통과하는 빛을 수용하는 단계와, 상기 막으로부터 반사된 상기 빛을 받자마자 상기 막의 두께를 측정하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다. 상기 기둥의 직경은 균일할 수 있다.
본 발명의 다른 형태에 따르면, 기판상의 막의 두께를 측정하는 장치로서,선단(tip-end)이 상기 막을 향하여 이격되어 있으며 상기 선단으로부터 상기 막을 향하여 광투과액의 분사줄기를 방출하여 상기 선단과 상기 막의 사이에 연장되는 상기 광투과액의 기둥(기둥의 직경은 균일)을 형성하는 제 1도관과, 상기 광투과액의 기둥을 지나 상기 막으로 향하여 빛을 방출하는 발광장치와, 상기 막으로부터 반사되어 상기 광투과액의 기둥을 통과하는 빛을 수용하여 상기 막으로부터 반사된 상기 빛에 의거하여 상기 막의 두께를 측정하게 하는 수광장치를 포함하여 이루어지 는 장치가 제공된다.
상기 발광장치는, 선단이 상기 막을 향하고 있고 상기 광투과액의 기둥을 지나 상기 막을 향하여 빛을 쏘아주는 광섬유를 포함하여 이루어질 수 있다. 또한, 상기 수광장치는, 선단이 상기 막을 향하고 있고 상기 막으로부터 반사되어 상기 광투과액의 기둥을 통과하는 빛을 수용하는 광섬유를 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 발광장치의 광섬유와 수광장치는 통합적으로 형성될 수도 있다.
대안적으로, 상기 제 1도관에는 제 1도관의 외부와 내부를 액밀(liquid-tightly)하게 격리시키는 투광 부재(렌즈 등)가 제공되고, 또한 상기 제 1도관의 외부에는 상기 제 1도관과 광학적으로 연결되는 광학시스템이 제공되어, 상기 광학 시스템으로부터 쏘아진 빛이 상기 제 1도관에 제공된 투광 부재를 지나도록 하여, 상기 광학 시스템으로 하여금 빛이 상기 제 1도관 및 상기 광투과액의 기둥을 통과하여 막을 향하도록 할 수도 있다. 상기 제 1도관은, 또한 상기 도관의 외부에 광학적으로 연결되어 상기 막으로부터 반사되고 상기 광투과액 기둥과 제 1도관 및 투광 부재를 통과한 빛을 수용하도록 하는 광학 시스템을 더 포함할 수도 있다.
상기 막두께 측정장치는 또한, 제 1도관이 그 내부에 위치되고, 상기 막에 닿아 방사방향으로 흩어진 상기 광투과액을 수용하는 제 2도관을 더욱 포함할 수 있다. 상기 제 2도관은 상기 방사방향으로 흩어진 광투과액을 끌어 올리도록 펌프에 연결될 수도 있다.
본 발명의 또 다른 형태에 따르면, 기판의 표면상에 막이 형성된 기판을 처리하는 장치로서, 반도체 웨이퍼를 고정하는 홀더와 전술한 바와 같은 막두께 측정 장치를 포함하는 기판처리장치가 제공된다. 상기 기판처리장치는 기판을 연마하는 연마장치일 수도 있다. 상기 연마장치는 연마면을 갖는 턴테이블과, 기판이 연마되도록 기판을 상기 연마면과 계속 접촉시키는 기판 홀더를 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 도관이 상기 턴테이블을 관통하여 제공되며, 상기 제 2 도관은 연마면에서 개방되어 기판과 맞닿는 연마면에 의해 외부로부터 밀봉되며, 제 1도관의 선단은 상기 연마면과 맞닿는 기판으로부터 이격되어 있다. 상기 제 1 및 제 2 도관은 복수의 세트로 제공될 수도 있다.
상기 광투과액 기둥의 직경이 균일하게 되면, 막 또는 측정면상에 형성되는 측정점의 크기가, 막을 향해 방출되는 투과액이 통과하는 상기 제 1도관의 선단과 상기 막 사이의 거리와 무관하게 결정된다.
본 발명의 또 다른 형태에 의하면, 기판을 연마하는 장치로서, 연마면과 회전축을 갖는 턴테이블, 표면상에 상기 연마면과 맞물리게 되는 막이 형성된 기판을 고정하는 기판 홀더 및 기판 막두께 측정장치를 포함하며, 상기 막두께 측정 장치는, 상기 막을 향하여 빛을 쏘아 주는 발광장치; 상기 막으로부터 반사된 빛에 의거하여 상기 막두께를 측정할 수 있도록 상기 막으로부터 반사된 빛을 수용하는 수광장치; 상기 턴테이블의 중심으로부터 상기 턴테이블을 지나 상기 턴테이블내의 반지름 방향으로의 소정 위치에 이르도록 연장된 광학적 경로를 가지며, 상기 광학적 경로는 그 기부의 끝(proximal end)이 상기 연마면에서 개구되어 축 방향으로 연장되고 말단(distal end)은 상기 연마면의 상기 반지름 방향의 소정 위치에서 개구되어, 상기 발광장치로부터의 빛이 상기 광학적 경로로 유입되어 상기 기부의 끝 을 지나 상기 말단에 이르러 상기 막으로 향하며, 상기 막으로부터 반사된 빛은 다시 상기 기부의 끝으로 돌아와 상기 광학적 경로를 빠져나가 상기 수광장치로 하여금 상기 반사된 빛을 받을 수 있게 하는 광학 시스템을 포함하여 이루어지는 장치가 제공된다.
전술한 본 발명의 목적 및 다른 목적, 특징, 장점은 첨부되는 도면을 참조하여 후술되는 상세한 설명 및 청구범위를 살펴봄으로써 명백할 것이다.
후술되는 상세한 설명에서는 한국 특허법의 규정에 따라, 발명의 설명을 명확하고 간단하게 하기 위해 몇몇의 특정된 용어 및 특정 실시예가 기술되었으나, 이는 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니며 첨부된 청구범위의 범위내에서 여러가지로 변경이 가능하다.
본 발명의 실시예가 도면을 참조하여 이하에 설명된다. 도 1은 본 발명에 따른 기판 막두께 측정장치의 일반적 구성을 보인다. 도 1에 있어서 도면부호 1은 박막(2)이 상부에 놓여진 기판을 나타낸다. 도면부호 5는 원통형의 형태로 수류(水流: water jet)를 기판(1)의 처리되는쪽 면(2a)에 공급하는 제트노즐을 나타낸다. 조사섬유(irradiation fiber)(7)와 수광섬유(light-receiving fiber)(8) 각각의 말단부는 제트노즐(5)내에 제공된다.
전술한 기판 막두께 측정장치에서는 가압된 물(6)이 제트노즐(5)로 공급된다. 수류(4)는 제트노즐(5)의 말단부로부터 작은 직경의 원통형태로 기판(1)의 표면(2a)로 공급되어, 측정점(3)을 형성한다. 상기 수류(4)를 관통하는 빛의 광학축이 측정면에 실질적으로 수직인 것이 장치의 구조면에서 바람직하다. 필요하다면 상기 광학축은, 측정면에서 반사된 빛(조사섬유로부터의 빛)이 수광섬유(8)에 의해 수용될 수 있는 한에서는 상기 측정면에 대하여 기울어질 수도 있다.
상기 표면(2a)으로부터 반사된 빛은 수류(4)와 수광섬유(8)에 의해 측정연산유닛(9)으로 안내된다. 상기 측정연산유닛(9)에서 상기 막(2)의 두께가 반사된 빛에 근거하여 측정된다. 제트노즐(5)의 내부면은 경면마무리(mirror-finished)되어, 발산된 빛과 반사된 빛이 각각 조사섬유(7) 및 수광섬유(8)로 효율적으로 안내되도록 한다.
어떤 경우에 있어서는 수류(4)가 막(2)과 접하는 측정면상에서 물이 원활하게 흐르지 않아 측정점(3)이 불안정하게 되는 경우가 있다. 따라서 도 2에 도시된 바와 같이 제트노즐(5)에서 막(2)위의 측정점(3)까지 연장되는 나선형의 배수용 부재(38)를 제공하여, 막(2)에 접촉한 후 물을 원활하게 방출될 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 물을 원활하게 방출하기 위한 수단은 상기 수류(4)가 기판에 대해 비스듬하게 위치하거나, 상기 수류(4)가 윗방향 또는 아래방향으로 공급되는 기구일 때 제공될 수 있다. 상기 배수용 부재로서는 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이 스프링 형태의 구성을 가지며 물의 표면장력을 이용하는 부재가 사용될 수 있다. 대안적으로, 제트노즐(5)을 둘러싸는 흡입노즐(도시되지 않음)이 사용될 수도 있다.
전술한 기판 막두께 측정장치에 있어서는 제트노즐(5)의 말단부와 상기 표면(2a)와의 거리가 작은 경우(실험조건은 제트노즐(5)의 내경을 700 ㎛ 로 설정하고 수류(4)의 길이를 30 ㎜ 이하로 하였다), 수류(4)의 직경은 실질적으로 균일하다. 따라서, 상기 표면(2a)상의 측정점(3)의 크기는, 제트노즐(5)의 말단부와 조 사섬유 및 상기 표면(2a)간의 거리에 무관하게 결정되므로, 앞서 언급한 바와 같이 상기 거리를 엄격하게 제어해야 하는 필요성을 없앨 수 있다.
도 3은 측정연산유닛(9)에 대한 구성을 보여준다. 상기 예에서 측정연산유닛(9)은 기판(1)상의 막(2)이 산화막(예를 들면 실리콘 산화물(SiO2막과 같은)인 경우에 사용된다. 도 3에 있어 할로겐 광원(10)으로부터 나오는 빛은 제 1 렌즈(11)를 통과하여 조사섬유(7)로 진입한다. 그런 다음 상기 빛은 조사섬유(7)의 말단부 및 수류(4)(도 1 참조)를 지나 기판(1)의 표면(2a)으로 전달된다. 상기 표면(2a)에서 반사된 빛은 수광섬유(8) 및 제 2 렌즈(12)를 통해 안내되어 회절격자(13)에 다다르며, 이곳에서 빛은 흩어진다. 흩어진 빛은 CCD 라인 센서(14)에 의해 파장에 대한 스팩트럼 반사 강도로서 검출된다. A/D 컨버터(15)는 분광반사강도를 디지털 신호로 변환하며, 이는 연산유닛(16)으로 전달된다.
도 1 및 도 2의 기판 막두께 측정장치에 있어서 2 가지 광섬유, 즉 조사섬유(7)와 수광섬유(8)가 제트노즐(5)내에 삽입된다. 그러나, 도 4에 도시된 바와 같이, 단일의 조사/수광 합성섬유(39)가 제트노즐(5)내에 삽입될 수도 있다.
도 4에서, 참조부호 40 은 빔 스플리터; 41, 42, 43 은 렌즈; 44 는 조사섬유; 45 는 수광섬유를 나타낸다. 측정연산유닛(9)으로부터의 빛은 조사섬유(44), 렌즈(42), 빔 스플리터(40), 렌즈(41), 조사/수광 합성섬유(39) 및 수류(4)를 거쳐 기판(1)상의 측정점(3)내 측정면에 방출된다. 측정면에 의해 반사된 빛은 수류(4), 조사/수광 합성섬유(39), 렌즈(41), 빔 스플리터(40), 렌즈(43) 및 수광섬유(45)를 거쳐 측정연산유닛(9)으로 유도된다.
기판의 막두께를 측정하기 위하여, 분광반사율비가 박막이 형성되지 않은 기판(1)에 대해 미리 결정된다. 기판(1) 처리시, 상기 장치는 소정의 측정점이 주기적으로 측정되도록 기계적으로 제어되어, 소정의 측정점에서의 박막에 대한 분광반사율비를 주기적으로 측정한다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 기판 막두께 측정장치에 의한 막두께 연산작업을 나타낸 플로차트이다. 도 5를 참조하면, 분광반사율비[S(λ)]는 기판상의 측정점(기판상에 형성된 막을 갖는 부분)의 분광반사강도로부터 결정되고(도 21의 곡선(a) 참조)(단계 ST1), 분광반사율비[R(λ)]는 막이 형성되지 않은 부분의 분광반사강도로부터 결정된다(도 21의 곡선(b) 참조)(단계 ST2). 막의 분광반사율비[= 측정 프로파일 Rmeas(λ)]는 나눗셈[Rmeas(λ) = S(λ)/R(λ)]에 의해 구해진다(도 21의 곡선(c)참조)(단계 ST3). λ는 광파장을 나타낸다. 도 21의 곡선(a) 및 곡선(b)는, 예를 들면 반사된 빛이 입사 광원으로서 사용되는 할로겐 램프의 파장에 관한 연속스펙트럼을 나타낼 때 얻어지는 곡선이다.
막두께(D)를 결정하기 위하여, 막두께의 변수(d)는 실제 막두께를 포함하는 것으로 여겨지는 범위(d1 ~ d2)내에서 변한다. 우선, d 가 초기화되고(d = d1)(단계 ST4), 해당값(d)에서의 분광반사율비에 대한 실제 측정값[Rmeas(λ)]과 이론값[Rcalc(λ)]간의 차의 제곱의 합의 평가값(Ed)을 구하여 평가함수[E(d)]를 얻는다(단계 ST5). d 에 최소계측단위(△d)가 더해진다(d = d + △d)(단계 ST6). 그 다음, d 가 d2 와 작거나 같은지를 조사한다(d ≤d2)(단계 ST7). 결과가 'YES' 이면(d ≤d2) 프로그램은 단계 ST5로 되돌아간 후, 단계 ST6 및 단계 ST7 이 되풀이된다.
만일 결과가 'NO' 이면, 측정 프로파일이 1 인 경우[S(λe) / R(λe) = 1]의 분광반사율비와 이론적인 분광반사율비[Rcalc(λe)]간의 차의 제곱의 합의 평가함수[Enew(d)](단계 ST8에서 미리 구해짐)로부터, 막두께로부터 도출된 신호에 대응하는 값[PE(d)]이 공식[PE(d) = E(d)/Enew(d)]에 따라 얻어진다(단계 ST9). 막두께(D)로서는 평가함수의 비율로서 표시된 값[PE(d)]을 최소화하는 막두께(d)가 결정된다(도 22 참조)(단계 ST10). 이 예시에서 막두께(D)는 도 22에 도시된 바와 같이 460 nm 정도이다. 실제 연산처리에 있어 막두께(D)는, 도 22에 도시된 그래프를 생성하지 않고도, 평가함수의 비율로서 표시된 값[PE(d)]을 최소화하는 막두께(d)의 비교연산에 따라 연산유닛(16)에 의해 자동적으로 결정된다.
도 6은 측정파장범위(λ1 ~ λ2)내에서 해당 막두께(d)의 분광반사율비에 대한 실제 측정값[Rmeas(λ)]과 이론값[Rcalc(λ)]간의 차의 제곱의 합으로부터 평가값(Ed)을 구하고 평가함수[E(d)]를 얻는 도 5의 단계 ST5의 연산처리 플로차트를 나타낸다. 우선, 파장(λ)을 측정파장범위(λ1 ~ λ2)내에서 변화시키기 위한 초기화( λ= λ1, Ed = 0)를 행한다(단계 ST11).
다음으로, 평가값(Ed)이 다음의 연산에 따라 구해진다(단계 ST12). 해당 막 두께(d)에서의 실제 측정값[Rmeas(λ)]과 이론값[Rcalc(λ)]간의 차의 제곱의 합에 의해 구해진다.
Eλ = [ Rmeas(λ) - Rcalc(λ) ]2
Ed = Ed + Eλ
흡수계수를 0 이라 가정하면, 이론값[Rcalc(λ)]은 다음의 공식에 따라 결정될 수 있다.
Rcalc(λ) = r12 + r22 + 2 x r1 x r2 x cosδ,
여기서,
r1 = (1-n1)/(1+n1);
r2 = (1-nb)/(1+nb);
δ = 4πn1d/λ;
n1 : 막의 굴절률;
n2 : 기판의 굴절률;
d : 막두께;
λ: 측정파장 범위(λ1 ~ λ2).
그 다음, 측정파장 범위방향의 분해능(△λ)이 λ에 더해진다(λ= λ+ △λ)(단계 ST13). 그 후, λ가 λ2 보다 작거나 같은지를 조사한다(λ ≤λ2)(단계 ST14). YES 이면(λ ≤ λ2), 프로그램은 단계 ST12로 되돌아간 후, 단계 ST13 및 단계 ST14 가 되풀이된다. 만일 NO 이면, 평가값(Ed)은 평가함수[E(d)]에 대입되고[E(d) = Ed](단계 ST15), 프로그램은 도 5의 단계 ST6으로 진행된다.
도 7은 막두께 선택범위(d1 ≤ d ≤ d2)내에서 측정 프로파일을 1 로 한 경우[S(λe) / R(λe) = 1]의 분광반사율비와 이론적인 분광반사율비[Rcalc(λe)]간의 차의 제곱의 합의 평가함수[Enew(d)]를 구하는 도 5의 단계 ST8의 연산처리 플로차트를 나타낸다. 도 7의 단계 ST21 내지 단계 ST23에 있어서, 표면상에 형성된 막을 가진 부분의 분광반사율비[S(λe)]와 표면상에 막이 형성되지 않은 부분의 분광반사율비[R(λe)]는 서로 같아서 측정 프로파일이 1 이 되도록 한다[S(λe) / R(λe) = 1].
막두께 변수(d)는 실제 막두께를 포함하는 것으로 여겨지는 범위(d1 ~ d2)내에서 변한다. 우선, d 가 초기화된다(d = d1)(단계 ST24). 해당 막두께(d)에서의 측정 프로파일을 1 로 한 경우[S(λe) / R(λe) = 1]의 분광반사율비와 이론적인 분광반사율비[Rcalc(λe)]간의 차의 제곱의 합의 평가값(Enewd)을 구하여 평가함수 [Enew(d)]를 얻는다(단계 ST25). 최소계측단위(△d)는 d 에 더해진다(d = d + △d)(단계 ST26). 그 다음, d 가 d2 보다 작거나 같은지를 조사한다(d ≤d2)(단계 ST27). YES 이면(d ≤d2) 프로그램은 단계 ST25로 되돌아간 후, 단계 ST26 및 단계 ST27이 되풀이된다. 만일 NO 이면, 프로그램은 도 5의 단계 ST9로 진행된다(SUB2 함수를 빠져나감).
도 8은 측정파장범위(λ1 ~ λ2)내에서의 해당 막두께(d)의 측정 프로파일을 1 로 한 경우[S(λe) / R(λe) = 1]의 분광반사율비와 이론적인 분광반사율비[Rcalc(λe)]간의 차의 제곱의 합의 평가값(Enewd)을 구하고 평가함수[Enew(d)]를 얻는 도 7의 단계 ST25의 연산처리 플로차트를 나타낸다. 우선, 파장(λe)을 측정파장범위(λ1 ~ λ2)내에서 변화시키기 위한 초기화를 행한다( λe = λ1, Enewd = 0)(단계 ST31).
해당 막두께(d)에서의 측정 프로파일을 1 로 한 경우[S(λe) / R(λe) = 1]의 분광반사율비와 이론적인 분광반사율비[Rcalc(λe)]간의 차의 제곱의 합을 구한다(단계 ST32).
Eλe = [ Rcalc(λe) - 1 ]2
Enewd = Enewd + Eλe
흡수계수를 0 이라 가정하면, 이론값[Rcalc(λe)]은 다음의 공식에 따라 결정될 수 있다.
Rcalc(λe) = r12 + r22 + 2 x r1 x r2 x cosδ,
여기서,
r1 = (1-n1)/(1+n1);
r2 = (1-nb)/(1+nb);
δ = 4πn1d/λe;
n1 : 막의 굴절률;
nb : 기판의 굴절률;
d : 막두께; 및
λe: 측정파장 범위(λ1 ~ λ2).
그 다음, 측정파장 범위방향의 분해능(△λ)이 λe 에 더해진다(λe = λe + △λ)(단계 ST33). 그 후, λe 가 λ2 보다 작거나 같은지를 조사한다(λe ≤λ2)(단계 ST34). YES 이면(λe ≤λ2) 프로그램은 단계 ST32로 되돌아간 후, 단계 ST33 및 단계 ST34 가 되풀이된다. 만일 NO 이면, 평가값(Enewd)이 평가함수[Enew(d)]에 대입되고[Enew(d) = Enewd](단계 ST35), 프로그램은 도 7의 단계 ST26으로 진행된다 (SUB3 함수를 빠져나감).
도 9는 금속성 막이 기판상에 형성될 때 처리되고 있는 기판의 상태를 검출하기 위해 배치된 측정연산유닛(9)을 나타낸다. 도 9에서, 할로겐 광원으로부터 방출된 빛은 제 1 렌즈(11)와 조사섬유(7)를 통해 투광되고, 조사섬유(7)의 말단부로부터 수류(4)를 통해 기판(1)의 측정면까지 방출된다. 측정면에 의해 반사된 빛은 수광섬유(8) 및 제 2 렌즈(12)를 통과하여 광강도 검출소자(포토다이오드 등)(17)로 안내된다. 광강도 검출소자(17)에서 빛은 A/D 컨버터에 의한 디지털 신호로 변환되어 연산유닛(16)으로 전달되는 광강도로서 검출된다.
금속성 막이 두꺼우면, 대부분의 빛은 투광되지 않고 막에 의해 반사된다. 처리시, 금속성 막은 점차 제거되고, 기판상에 금속성 막이 없는 것이 검출되면, 분광반사율비를 사용하는 것이 아니라 광강도를 사용하여 처리공정의 종점이 간단하게 검출될 수 있다. 금속성 막의 존재 여부에 의거하여 분광반사율비가 변화하면, 광강도 뿐만 아니라 분광반사율비의 변화를 기초로 하여 금속성 막의 존재 여부를 결정할 수 있다.
도 10은 본 발명의 기판 막두께 측정장치 구성의 또 다른 예시를 나타낸다. 도 10에서 박막(2)은 기판(1)상에 형성되고, 수류는 제트노즐(5)로부터 피처리 기판(1)의 처리되는 표면(2a)상으로 공급된다. 렌즈(20)는 제트노즐(5)의 하단에 액밀하게 연결되어 물의 누출을 방지한다. 가압된 물(6)은 제트노즐(5)로 이송되고, 기판(1)의 표면(2a)의 소정 위치상으로 제트노즐(5)의 말단부로부터 소형 직경을 갖는 실린더형 수류(4)의 형태로 공급되어 측정점(3)을 형성한다.
할로겐 광원(21)으로부터의 빛은, 렌즈(22), 빔 스플리터(23) 및 렌즈(24)를 통하여 제트노즐(5)의 하부 끝단부상의 렌즈(20)로 전달된다. 빛은 기판(1)위의 측정 지점(3)에서 표면(2a)상으로 수류(4)를 통해 전달된다. 표면(2a)에 의해 반사된 빛은 수류(4), 렌즈(20) 및 렌즈(24)를 거쳐 빔 스플리터로 전달된다. 이 빛은 빔 스플리터(23)에 의해 분할되고 렌즈(25)를 통해 수광부(26)로 유도된다. 상기 수광 부(26)는 도 3에 나타난 바와 같이 회절 격자(13), CCD 라인 센서(14), A/D 변환기(5) 및 연산유닛(16)을 포함하거나 도 9에 나타난 바와 같이 광 강도 검출 요소(17), A/D 변환기(18) 및 연산유닛(16)을 포함한다.
도 11 및 도 12는 기판과 연마기 사이의 상대적인 운동에 의해 기판의 표면을 연마하는 연마장치의 구성에 대한 예시를 나타내고, 본 발명의 기판 막두께 측 정장치가 적용된다. 이 연마장치에서, 연마하는 동안 막두께가 실시간 검출될 수 있다. 도 11은 연마장치의 부분 측단면도이다. 도 12는 도 11에서 화살표 Y, Y 가 가리키는 방향으로 도시된 연마장치를 나타낸다. 도 11 및 도 12에서, 참조 번호(30)는 턴테이블을 나타낸다. 연마포(31)는 턴테이블(30)의 상부 표면에 부착된다. 참조 번호(32)는 기판 홀더를 나타낸다. 연마될 기판(33)은 웨이퍼 홀더(32)의 하측에 부착되고 상기 기판 홀더(32)와 상기 연마포(31) 사이에서 소정의 압력하에 고정된다. 참조 번호(34)는 기판 홀더(32)에 대한 기판(33)의 변위를 막기 위해 기판 홀더(32)의 하부 표면의 외주부에 부착된 가이드링을 나타낸다.
상기 기판 홀더(32)와 상기 턴테이블(30)은 서로 독립적으로 회전한다. 연마액은 연마액 노즐(도시 안됨)로부터 연마포(31)의 상부 표면으로 공급된다. 상기 기판의 표면(33)(연마포와 맞닿는 표면)이 기판(33)과 연마포(31)사이의 상대적인 운동을 따라 연마된다.
제트노즐(5)은 도 1 및 도 2에 나타난 것과 동일한 구성을 갖는다. 수류 파이프(36)는 제트노즐(5)에 접속된다. 제트노즐(5)로부터 수류(4)의 형태로 공급된 물은 물 수용부(35)에 의해 수용되고 방출 파이프(37)를 통해 방출된다. 연마포(31)의 상부 표면에 물 수용부(35)의 상단부가 개방된다. 제트노즐(5)로부터의 수류(4)는 도 1 및 도 2의 경우와 같이 기판(33)의 표면상에 측정 지점을 형성한다. 도면에서, 제트노즐(5)은 투명도를 위해 다른부분보다 더 큰 크기로 나타난다. 그러나, 실제로 제트노즐(5)의 직경은 미세 지점을 형성시킬 수 있을 정도로 작다(0.4 mm 내지 0.7mm).
도 1 및 도 2의 경우에서와 같이, 조사섬유(7)와 수광섬유(8)의 말단은 제트노즐로 삽입된다. 측정연산유닛(9)으로부터의 빛은 조사섬유(7)를 통해 제트노즐(5)로 유도되고 제트노즐(5)로부터 공급된 수류(4)를 통해 기판 표면 (수류(4)와 맞닿는 표면)상의 측정 지점(3)으로 방사된다. 기판(33) 표면에 의해 반사된 빛은 수류(40)와 수광섬유(8)를 통과하고 측정연산유닛(9)으로 유도된다.
도 3 또는 도 9에 나타난 바와 같이 측정연산유닛(9)이 배치된다. 측정연산유닛(9)에 공급될 전력과 상기 측정연산유닛(9)으로부터의 출력 신호는 턴테이블(30)용 회전 구동 샤프트의 하부 끝단상에 제공된 회전 접속부(도시 안됨)를 통해 전달된다. 상기 출력 신호는 막두께의 측정 결과를 나타내는 연마장치의 표시 패널(도시 안됨)로 전달된다. 상기 출력 신호는 제어 동작용 연마장치의 제어 유닛으로 또한 전달된다. 가압된 워터는 턴테이블(30)용 회전 구동 샤프트의 하부 끝단에 부착된 회전 접속 기구(도시 안됨)을 통해 수류 파이프(36)에 공급된다.
따라서, 연마장치에 본 발명의 기판 막두께 측정장치를 적용함으로써 기판의 막두께의 실시간에서의 정밀도 높은 측정이 연마하는 동안 간단한 구성에 의해 안정적으로 수행될 수 있다.
도 13은 본 발명의 기판 막두께 측정장치가 적용되는 연마장치의 구성에 대한 예시의 부분 측단면도이다. 상기 연마장치는 제트노즐(5)과 상기 제트노즐(5)로부터 방출된 물을 수용하는 물 수용부(35)가 턴테이블(30)의 외주부 근처에 제공되어 연마될 기판(33) 표면상의 막두께가 턴테이블(30)의 외부에서 측정된다는 점에서 도 11 및 도 12에 나타난 구성과 다르다. 이 구성에서, 연마는 기판(33)의 막두 께를 측정하기 위하여 일시적으로 멈추거나 연마되는 동안 턴테이블 (30)의 상부 표면으로부터 웨이퍼 홀더(32)의 하측 일부분이 분리된 상태에서 막두께가 측정된다.
도 14는 본 발명의 기판 막두께 측정장치가 적용되는 연마장치의 구성에 대한 예시의 부분 측단면도이다. 상기 예시에서 연마장치는 턴테이블(30)이 비회전 기구(도시 안됨)를 사용하기 때문에 그것의 축선에 대해 회전하지는 않지만 턴 테이블(30)의 중심 축선과 구동 샤프트의 회전 축선 사이의 거리(e)를 유지하면서 원형 궤도 운동한다는 점에서 도 11 및 도 13의 것과 다르다. 이러한 구성에 의해, 가압된 물은, 회전 접속 기구를 통하지 않고 수류 파이프(36)에 직접 공급된다. 또한, 조사섬유(7)와 수광섬유(8)는 제트노즐(5)로 직접 정지 상태로 제공된 측정연산유닛(9)으로부터 연장하도록 제공될 수 있다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 기판 막두께 측정장치가 적용되는 연마장치 구성에 대한 예시를 나타낸다. 도 15는 연마장치의 부분 측단면도이다. 도 16은 도 15에서 화살표 Y , Y 가 나타내는 방향에서의 연마장치를 나타낸다. 이 예시에서 연마장치는, 기판의 막두께를 측정하는 복수의 지점들(이 예시에서는 세 개)이 회전 테이블의 반경을 따라 배치된다는 점에서 도 11 및 도 12에 나타난 구성과 다르다. 이 예시에서 연마장치는, 세 세트의 제트노즐(5), 조사섬유(7) 및 수광섬유(8)가 각각 제공되어 막두께의 측정이 복수의 측정 지점에서 수행된다는 점에서 도 11 및 도 12에 나타난 구성과 다르다.
도 15 및 도 16의 연마장치에서 일 측정연산유닛(9)만이 제공된다. 연마될 표면상의 각각의 측정 지점에서 반사된 빛은 수류(4)와 수광섬유(8)를 통해 측정연산유닛(9)으로 유도된다. 각각의 측정 지점에 대한 복수의 데이터의 형태로 측정연산유닛(9)으로부터 연산 결과가 출력될 수 있고, 또는 각각의 측정 지점에 대한 연산 결과의 평균을 계산함으로써 얻어진 하나의 데이터의 형태로 출력될 수 있다. 대안적으로, 복수의 측정연산유닛(9)은 각 측정연산유닛(9)이 각 측정 지점에 대해 작용하도록 제공될 수 있고 즉, 연마장치의 제어 유닛에 의해 각각의 측정연산유닛(9)의 출력이 집계되도록 측정 지점의 수와 동일한 수의 측정연산유닛(9)이 제공될 수 있다.
도 17은 기판 막두께 측정장치(도 16에 대응하는 도면)가 적용되는 연마장치의 구성의 예시를 나타낸다. 이 연마장치는 복수의 측정 지점(이 예시에서 세 개)이 턴테이블에 대해 공통 축선 관계를 갖는 동일한 원주선상에 배치된다, 이 배치에 의해, 막두께의 측정은 턴테이블의 일회전동안 턴테이블상의 동일한 원주 선을 따라 복수번 수행될 수 있다. 이것은 막두께에 대한 정밀성 높은 측정을 가능하게 한다.
도 18은 본 발명의 기판 막두께 측정장치(도 16에 대응하는 도면)가 적용되는 연마장치의 배치에 대한 예시를 나타낸다. 이 연마장치는 복수의 측정 지점이 방사상으로 배치된다는 점에서(이 예시에서는 턴테이블에 대한 각각 세 개의 반경들을 따라 배치된 두 지점으로 구성된 전체 6 개의 지점들) 도 11 및 도 12에 나타난 구성과 다르다. 이러한 구성은 예를 들어, 복수의 기판 홀더가 동시에 복수의 기판을 연마하기 위해 턴테이블(30)로 이동되거나 웨이퍼 홀더(32)의 피봇 운동의 범위 또는 속도와 턴테이블(30)의 회전 속도 사이의 관계가 소정 범위를 초과할 때 사용된다. 복수의 측정 지점들이 회전 테이블상에 형성될 수 있는 이유는, 종래의 막두께 측정장치와 비교하여 본 발명에서의 측정 지점의 크기가 실질적으로 줄어들 수 있기 때문이다.
도 19는 본 발명의 기판 막두께 장치가 적용되는 연마장치의 구성에 대한 예시의 부분 측단면도이다. 도면에 나타난 바와 같이 물 수용부(35)는 제트노즐(5)과 수류(4)를 둘러싸도록 제트노즐(5)의 외주부에 형성된다. 물 수용부(35)는 턴테이블(30)과 연마포(31)를 통해 연장되어 물을 수용하는 공간을 형성한다. 웨이퍼 홀더(32)상에 장착된 기판(33)은 이 공간의 상부 끝단부를 폐쇄하여 서로 연통하는 동시에 외부로부터는 밀폐된다. 즉, 제트노즐(5)과 물 수용부(35)는 기판(33)의 측정 표면을 통해 서로 연통되는 반면 외부에 대하여 밀봉된 상태로 유지된다.
물 공급 파이프(71)의 끝단은 제트노즐(5)에 접속되고 물 공급 파이프(71)의 다른 끝단은 물탱크(73)에 접속된다. 물 수용부(35)는 방출 파이프(37)에 접속되고, 또한 회전 접속 기구(74)를 통해 방출 펌프(75)에 차례로 접속된다.
제트노즐(5)과 물 수용부(35)가 외부로부터 밀폐되고 기판(33)의 측정 표면을 통해 서로 연통되기 때문에, 방출 펌프(75)가 방출 파이프(37)내의 압력을 줄이기 위해 작동될 때, 물 공급 파이프(71)를 통해 물탱크(73)로부터 공급된 물은 수류를 형성한 후 방출 파이프(37)를 통하여 방출된다. 따라서, 도 11과 달리, 가압 펌프(도시 안됨)에 의해 가압된 물을 수류 파이프(36)를 통해 제트노즐(5)로 공급할 필요가 없다. 또한, 물 수용부(35)내로 흐르는 슬러리등의 외부 물질은 방출 파 이프(37)를 통해 방출될 수 있다.
가압 펌프는, 가압된 물을 공급하고 방출 펌프(75)를 통해 물을 방출시키기 위해서 물 공급 파이프(71)의 상류에 제공될 수 있다. 또한, 턴테이블(30)이 회전축에 대해 회전되는 것이 아니라 원궤도 운동을 하게 되는 경우에 도 19의 구성(물 수용부(35)에 방출 파이프(37)가 연결되고 방출 파이프(37)에 방출 펌프(75)가 연결됨)가 도 14에 도시된 것과 같은 연마 장치에 적용될 수 있다.
도 20은 본 발명의 기판 막두께 측정장치가 적용되는 연마장치의 구성의 예시를 나타내는 측단면도이다. 상기 연마장치에 있어서, 투광 부재를 구비하거나 또는 구비하지 않는 개구를 포함하는 창(84)이 회전 중심에 상당하는 턴테이블(30)부에 제공된다. 광원(81)으로부터의 빛(L)은 제 1 렌즈(82)에 의해 평행빔(L1)으로 형성되고 평행빔(L1)은 빔 스플리터(83)를 통해 창(84)으로 유도된다. 빔(L1)은 미러(85)에 의해 반사되어 제 3 렌즈(86)로 들어간다. 빔은 조사/수광 합성섬유(80) 및 제트노즐(5)로부터의 수류(4)를 통과하여 기판(33)의 측정 표면에 분사된다.
기판(33)의 표면에 의해 반사된 빛은 수류(4) 및 조사/수광 합성섬유(80)를 통하여 제 3 렌즈(86)로 유도된다. 또한, 빛은 미러(85), 창(84), 빔 스플리터(83) 및 제 2 렌즈(87)를 통하여 막두께 측정을 수행하는 검출기(88)로 유도된다.
따라서, 턴테이블(30)내에 제공되는 광학 시스템(미러(85), 제 3 렌즈(86)를 포함) 및 턴테이블(30)의 외부에 제공되는 광학 시스템(제 1 렌즈(82), 빔 스플리터(83) 및 제 2 렌즈(81, 87, 88)를 포함)사이의 빛의 투과는 창(84)을 통하여 턴테이블(30)의 상부 표면(회전축(30a)에서 떨어진 측면상의 표면)상의 회전 중심에 유도된다. 따라서, 턴테이블(30)의 내부에 제공되는 광학 시스템의 회전에 동기하여 턴테이블(30)의 외부에 제공되는 광학 시스템을 회전시킬 필요는 없다.
예를 들면, 턴테이블(30)내의 광학 시스템의 미러(85)가 턴테이블(30)의 회전 중심에서 변위된다면, 미러(85)는 턴테이블(30)의 회전과 일치하여 회전하기 때문에, 미러(85)와 빔 스플리터(83)사이로 빛의 투과를 유도하기 위하여, 턴테이블(30)의 외부에 제공되는 광학 시스템은 미러(85)의 회전과 동기하여 회전되어야 한다. 본 발명의 상기 예시에 있어서, 미러(85)는 턴테이블(30)의 회전 중심에 제공되며 빛의 투과는 창(84)을 통하여 턴테이블(30)의 상부 표면상의 회전 중심으로 유도된다. 따라서, 턴테이블(30) 외부에 제공되는 광학 시스템을 회전시킬 필요는 없다.
또한, 빛은 미러(85)와 빔 스플리터(83)사이로 평행빔(L1)형태로 투과되어, 회전에 기인한 뒤틀림 문제는 존재하지 않는다. 또한, 회전축(30a)을 통하여 빛이 지나지 않기 때문에, 광학축의 정렬이 용이하다. 또한, 조사/수광 합성섬유(80), 제 3 렌즈(86) 및 미러(85)만이 턴테이블(30)내에 제공되어, 턴테이블(30)을 설치하는데 큰 공간을 필요로 하지 않으며 전체적으로 턴테이블(30)이 균형을 맞출 필요도 없다.
창(84)이 투광 부재를 구비하지 않는 개구라면, 개구내로의 슬러리의 유입을 방지하기 위하여, 댐형(dam-like) 부재(89)가 창(84)주위로 형성된다. 댐형 부재(89)를 대신해, 홈이 창(84)주위에 형성되어 슬러리의 유입을 수용할 수 있다. 창(84)이 투광 부재를 포함하면, 턴테이블(30)의 상부 표면보다 더 높은 위치에 투 광 부재를 제공함으로써 슬러리의 유입을 방지할 수 있다.
상기 예시에서의 기판 막두께 측정장치에 있어서, 수류(4)는 제트노즐(5)로부터 공급된다. 그러나, 액체가 빛을 투과할 수 있는 한, 물 이외의 액체가 제트노즐(5)로부터 공급될 수 있다. 즉, 물 이외의 투광 액체가 제트노즐(5)에서 분사될 수 있어 투광 액체의 흐름을 원통형으로 형성한다. 또한, 제트노즐(5)이 막두께 측정용으로 사용되는 필요 불가결한 노즐로 반드시 제공어야 하는 것은 아니다. 예를 들면, 기판을 세정하는 세정액을 분사하는 노즐이 사용되어, 빛이 기판의 측정 표면상으로 공급되는 세정액 제트를 통하여 투과되어 측정 표면에 의해 반사되는 빛이 세정액 제트를 통하여 측정연산유닛(9)으로 유도될 수 있다.
상술된 예시에 있어서, 부착된 연마포(31)를 구비하는 턴테이블(30) 및 웨이퍼 홀더(32)가 사용되며, 기판(33)이 웨이퍼 홀더(32) 및 연마포(31)사이에 고정되어, 기판(33) 및 연마포(31)사이의 상대적인 움직임에 따라 기판(33)을 연마한다. 그러나, 이것은 본 발명에서의 연마장치의 구성를 제한하는 것은 아니다. 예를 들면, 연마판이 턴테이블(30)의 상부 표면에 부착되어, 연마판 및 기판사이의 상대적인 운동에 따라 기판을 연마할 수 있다. 기판 및 연마기사이의 상대적인 운동에 따라 기판의 표면을 연마할 수 있는 한, 연마 장치의 구성이 특정형태로 제한되는 것이 아니다. 본 발명의 기판 막두께 측정장치가 상술된 구성을 구비하는 연마장치에 적용되면, 기판의 막두께의 실시간 고정밀도 측정이 연마시 안정되게 수행될 수 있다.
도 23은 본 발명의 기판 막두께 측정장치가 적용된 기판 세정장치의 구성의 예시를 나타낸다. 참조 번호(51)은 반도체 웨이퍼 등의 기판을 나타낸다. 기판(51)은 기판(51)의 상부에 형성되는 측정될 박막을 포함한다. 기판(51)상에 형성된 박막이 위쪽으로 향하게 하는 상태에서 다수의 기판 고정 부재(53)를 가지는 기판 고정 기구(52)에 의해 기판(51)이 고정되고, 도 23의 화살표(A)로 표시한 방향으로 회전된다. 참조 번호(55)는 연필형 세정장치를 나타낸다. 연필형 세정장치(55)는 회전축(56)을 통하여 암(57)에 의해 지지되며, 도 23에 화살표(B)로 표시한 방향으로 회전된다. 스폰지 등의 세정 부재(58)가 세정장치(55)의 말단에 연결된다.
참조 번호(59)는 세정액 노즐을 나타낸다. 도 24에 도시된 바와 같이, 조사섬유(60) 및 수광섬유(61)가 세정액 노즐(59)내로 삽입된다. 조사섬유(60) 및 수광섬유(61)가 측정연산유닛(62)에 연결된다. 암(57)은 도 23에 이중화살표(C)로 표시된 방향으로 지지축(63)에 대해 선회적으로 움직인다. 암(57)은 도 23에 이중 화살표(D)로 표시된 것처럼 수직으로 이동가능하다.
기판 세정장치에 있어서, 광 투과 세정액(주로 물)은 세정액 노즐(59)로부터 분사된다. 회전하는 세정장치(55)가 선회적으로 움직이는 동안, 세정장치(55)는 기판의 상부 표면에 대항하여 가압됨으로써, 세정을 수행한다. 세정액 노즐(59)에서 분사되는 세정액은 기판의 상부 표면상에 측정 지점(64)을 형성한다. 빛은 조사섬유(64) 및 세정액 유동(64)을 통하여 측정연산유닛(62)에서 측정 지점(64)내의 기판(51)상의 박막으로 방출된다. 박막에 의해 반사된 빛은 세정액 유동(65) 및 수광섬유(61)를 통하여 측정연산유닛(62)으로 유도된다. 이러한 구성에 의하여, 세정시 기판(51)상에 형성된 박막의 두께(또는 바람직하게는, 기판(51)상의 막의 존재여 부)가 측정연산유닛(62)에 의해 측정될 수 있다. 도 24에 도시된 바와 같이, 참조 번호(70)는 세정액을 세정액 노즐(59)에 공급하는 세정액 펌프를 나타낸다.
도 25는 본 발명의 기판 막두께 측정장치가 적용된 기판 세정장치의 구성의 예시를 나타낸다. 상기 기판 세정장치는 외주면상에 제공되는 스폰지 등의 세정 부재(67)를 구비하는 회전가능한 롤형 세정장치(66)를 포함한다. 기판(51)은 스피닝 탑(spinning top)(68)을 각각 구비하는 다수의 스핀들(69)에 의해 고정되고, 도 25dml 화살표(E)로 나타낸 방향으로 회전된다. 회전하는 세정장치(66)는 회전하는 기판(51)에 대항하여 가압되며, 세정액이 세정액 노즐(59)에서 분사되는 동안 기판(51)의 상부 표면의 세정이 수행된다.
도 24에 도시된 바와 같이, 조사섬유(60) 및 수광섬유(61)가 세정액 노즐(59)내로 삽입된다. 조사섬유(60) 및 수광섬유(61)는 측정연산유닛(62)에 연결된다. 세정액 노즐(59)에서 분사되는 세정액은 기판의 상부 표면상에 측정 지점(64)을 형성한다. 빛은 조사섬유(60) 및 세정액 유동(65)을 통하여 측정연산유닛(62)에서 측정 지점(64)내의 기판(51)상의 박막으로 방출된다. 박막에 의해 반사된 빛은 세정액 유동(65) 및 수광섬유(61)를 통하여 측정연산유닛(62)으로 유도된다. 따라서, 도 23의 기판 세정장치의 경우에서와 같이, 기판(51)상에 형성된 박막의 두께(또는 기판(51)상의 막의 존재 여부)가 세정시 측정된다.
도 23 및 도 25의 기판 세정장치에 있어서, 도 1 및 도 2에 도시된 구성을 구비하는 기판 막두께 측정장치가 제공된다. 그러나, 이것으로 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 도 4 및 도 10 에 도시된 구성을 구비하는 기판 막두께 측정장치가 도 23 및 도 25의 기판 세정장치내에 제공될 수 있다.
도 26은 본 발명의 기판 막두께 측정장치에 적용된 기판 처리장치의 구성의 예시를 나타낸다. 상기 기판 처리장치는 턴테이블(30) 및 웨이퍼 홀더(32)를 포함한다. 웨이퍼 홀더(32)에 의해 고정된 기판을 턴테이블(30)상의 연마포(31)에 대항하여 가압함으로써 연마 등으로 기판(33)이 처리된다. 광원(90)으로부터의 빛(L)은 제 1 렌즈(91)에 의해 평행빔(L1)으로 형성되어 빔 스플리터(92)를 통과한다. 이 빛은 턴테이블(30)상의 구동축 반대면상의 턴테이블(30)의 회전중심에 해당하는 위치에 제공되는 창(93)으로 들어간다. 창(93)은 투광 부재를 갖거나 갖지 않는 개구를 포함한다. 평행빔(L1)은 제 1 미러(94) 및 제 2 미러(95)에 의해 반사되어 제 2 렌즈(96) 및 창(97)을 통과한다. 빔이 연마될 면상의 기판(33)의 표면상에 포커싱되도록 창(97)에서 방출된다.
기판(33)의 표면에 의해 반사된 빛은 제 2 렌즈(96)를 통과하여 제 2 미러(95) 및 제 1 미러(94)에 의해 반사된다. 그 다음 빛은 창(93) 및 빔 스플리터(92)를 통과하여 CCD 카메라(98)로 들어간다. CCD 카메라(98)는 반사된 빛을 처리하여 기판(33)의 표면상의 이미지를 촬영한다. CCD 카메라(98)는 기판(33) 표면상의 입자를 신속하게 검출하거나 또는 기판(33)의 쪼개짐등의 기판 표면의 상태에 대하여 관찰하게 된다.
본 발명의 기판 막두께 측정장치가 CVD장치나 도금장치와 같이 기판상에 막을 형성하는 장치에 응용되거나, 기판상에 형성된 막을 연마 또는 제거하는 기판 처리장치에 응용되는 경우에는, 기판상에 형성된 막의 두께를 측정하거나 기판상의 막의 존재 여부와 같은 기판의 상태를 감지 또는 관찰할 수 있다. 특히, 기판 처리장치에서 기판상에 투광 세정용액 또는 기타 각종 처리용액을 분사하는 종래의 처리용액 분사 수단으로 사용하면, 막의 두께를 측정하거나 막의 존재 여부를 감지 또는 관찰하는 작업을 쉽고 빠르게 수행할 수 있다.
상술한 내용으로부터 알 수 있듯이, 본 발명은 다음과 같은 장점을 갖고 있다.
기판의 측정면으로 공급되는 광투과액의 분사줄기의 길이가 짧으면, 용액의 분사줄기의 직경이 대략 균일해져서 용액이 분사되는 지점과 측정면간의 거리와는 상관없이 측정면상에 형성된 측정점의 크기가 결정됨으로써, 상기 거리를 엄밀히 제어하지 않고도 매우 정밀하게 막의 두께를 측정할 수 있다. 측정면에 물이나 화학용액과 같은 광투과액의 분사줄기를 공급하기 위한 종래의 노즐과 같은 수단으로 구성하여 사용하면, 그러한 수단에 의해 형성된 광투과액의 분사줄기를 이용하여 막의 두께를 측정할 수 있다. 따라서, 상기 장치를 대규모로 수정하지 않아도 공정중에 실시간으로 기판의 막두께를 측정할 수 있다.
광섬유의 말단 및 물이 분사되는 지점과 측정면간의 거리를 조절할 필요도 없다. 또한, 막두께의 측정이 매우 정밀하게 수행될 수 있다.
렌즈 및 물이 분사되는 위치와 측정면간의 거리를 조절하지 않아도 막두께가 매우 정밀하게 측정된다. 또한, 조사용 광섬유 및 수광용 광섬유는 광투과액의 흐름에 개재되지 않으므로, 광투과액의 흐름이 변형되는 것을 방지할 수 있다.
배출펌프를 작동시킴으로써, 배출관 내의 압력이 감소되고 광투과액은 공급관을 통해 광투과액 노즐로 흐른다. 따라서, 광투과액은 노즐로부터 분사줄기 형태로 공급되고 기판의 측정면과 첩촉하게 되며, 광투과액 수용부를 통해 배출관으로 흐른다. 따라서, 가압펌프를 사용하지 않고도 막두께를 측정하기 위한 광투과액의 분사줄기를 형성할 수 있다. 광투과액 수용부로 흘러 들어온 슬러리와 같은 외부 물질은 배출관을 통해 배출된다.
처리될 기판의 측정면에 어떠한 손상을 주는 일 없이 공정중에 실시간으로 막두께를 측정할 수 있다. CMP 사용의 목적인 표면층을 제거하는 작업중에 막두께의 측정을 수행할 수 있으면, 표면층 제거의 종점 즉, 표면층의 두께가 0 이 되는 시간을 결정할 수 있다.
턴테이블을 테이블의 외부에 제공된 장치로부터 기계적으로 분리시키면서 그들 사이의 광학적 연결을 유지시킬 수 있다. 따라서, 턴테이블의 외부에 제공된 광학시스템과 턴테이블의 내부에 제공된 광학시스템을 동시에 회전시킬 필요가 없어서, 장치의 구성이 간소해질 수 있다.

Claims (19)

  1. 투광액 노즐과, 상기 투광액 노즐의 바깥 둘레부에 상기 투광액 노즐을 둘러 싸도록 배치되는 투광액 받이부를 구비하고,
    상기 투광액 노즐로부터 기판의 피측정면에 투광액류를 맞닿게 함과 동시에 상기 투광액류를 상기 투광액 받이부에서 받음으로써, 상기 투광액 노즐 내의 투광액과 상기 투광액 받이부 내의 투광액이 연통하고 또한 외부로부터 밀봉된 상태의 투광액류를 형성하고,
    광학계에 의하여 상기 투광액류를 통하여 상기 기판의 피측정면에 광을 조사함과 동시에, 상기 투광액류를 통하여 상기 기판의 피측정면에서 반사된 반사광을 상기 광학계에서 수광하고,
    상기 수광한 반사광 강도로부터 상기 피측정면의 막두께를 측정하는 것을 특징으로 하는 기판 막두께 측정방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 광학계는 적어도 1개의 광섬유를 구비하고,
    상기 광섬유의 선단부를 상기 투광액류에 삽입하고,
    상기 광섬유 및 투광액류를 통하여 상기 기판의 피측정면에 광을 조사함과 동시에, 상기 피측정면에서 반사되는 반사광을 상기 투광액류 및 광섬유를 통하여 수광하는 것을 특징으로 하는 기판 막두께 측정방법.
  3. 기판의 처리면에 연마처리를 실시하는 기판처리방법에 있어서,
    상기 연마처리 중인 기판의 처리면의 막두께 측정방법에,
    청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 기판 막두께 측정방법을 이용하여 처리 중인 기판의 처리면에 상기 기판 막두께 측정방법의 투광액류를 통하여 광을 조사함과 동시에, 상기 처리면에서 반사되는 반사광을 상기 투광액류를 통하여 수광하는 것을 특징으로 하는 기판처리방법.
  4. 투광액 노즐과,
    상기 투광액 노즐의 바깥 둘레부에 상기 투광액 노즐을 둘러 싸도록 배치되어 상기 투광액을 받는 투광액 받이부를 구비하여, 상기 투광액 노즐로부터 기판의 피측정면에 투광액류를 맞닿게 함과 동시에 상기 투광액류를 상기 투광액 받이부에서 받음으로써, 상기 투광액 노즐 내의 투광액과 상기 투광액 받이부 내의 투광액이 연통하고, 또한 외부로부터 밀봉된 상태의 투광액류를 형성하고,
    상기 투광액류를 통하여 상기 기판의 피측정면에 광을 조사함과 동시에, 상기 투광액류를 통하여 상기 기판의 피측정면에서 반사된 반사광을 수광하는 광학계와,
    상기 광학계에서 수광한 반사광 강도로부터 상기 피측정면의 막두께를 측정하는 막두께 측정수단을 구비한 것을 특징으로 하는 기판 막두께 측정장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 광학계는 적어도 1개의 광섬유를 구비하고,
    상기 광섬유의 선단부를 상기 투광액류에 삽입하고,
    상기 광섬유 및 투광액류를 통하여 상기 기판의 피측정면에 광을 조사함과 동시에, 상기 피측정면에서 반사되는 반사광을 상기 투광액류 및 광섬유를 통하여 수광하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 기판 막두께 측정장치.
  6. 기판의 처리면에 연마처리를 실시하는 기판처리장치에 있어서,
    상기 처리 중인 기판의 처리면의 막두께 측정용으로 청구항 4 또는 청구항 5에 기재된 기판 막두께 측정장치를 구비하고,
    처리 중인 기판의 처리면에 상기 기판 막두께 측정장치의 투광액류를 통하여 처리면에 광을 조사함과 동시에 상기 처리면에서 반사되는 반사광을 상기 투광액류를 통하여 수광하도록 구성한 것을 특징으로 하는 기판처리장치.
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